DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

START Beiträge > Vorträge > Bauwesen:

Untersuchung der Schädigungszone einer Teilflächenlast auf Gestein

F. Finck; C.U. Große; H.-J. Ruck; H.-W. Reinhardt
Institut für Werkstoffe im Bauwesen, Universität Stuttgart
Kontakt: C.U. Große, F. Finck

Zusammenfassung

Im Hinblick auf eine detaillierte bruchmechanische Analyse des Schädigungsverlaufs in Werkstoffen eignen sich verschiedene zerstörungsfreie Prüfverfahren (ZfP). Diese Methoden kann man in aktive und passive ZfP-Verfahren unterteilen, wobei die Ultraschallphasenspektroskopie zu den aktiven Ultraschallmethoden und die Schallemissionsanalyse zu den passiven Verfahren zählt. Diese beiden Methoden wurden parallel angewandt, um die Schädigungszone in einem spröden Material unter Belastung zu erfassen.

Untersucht wurde die Entstehung und Ausbreitung der Rissprozesszone in Beton und Stein, wobei ein kugelförmiger Druckstempel und eine Stahlschneide verwendet wurde, um eine geometrisch gut definierte Schädigungszone hervorzurufen. Die Auswertung der durch die Ultraschallphasenspektroskopie gewonnenen Daten liefert einen Eindruck von der geometrischen Ausdehnung der Zone, während die Schallemissionsanalyse zusätzlich den zeitlichen Verlauf abbildet. Beide Verfahren werden einander gegenübergestellt.

Stichworte:
Schallemission, Lokalisierung, Momententensor, Ultraschallphasenspektroskopie

Einleitung

Mit Hilfe der Schallemissionsanalyse (SEA) ist es möglich den räumlichen und zeitlichen Schädigungsverlauf in einem unter Last stehenden Bauteil zu untersuchen. Darüber hinaus können unter günstigen Voraussetzungen aus den Wellenzügen der Schallemissionen Aussagen über die bruchmechanischen Ursachen der Schallereignisse gewonnen werden. Die Ultraschallphasenspektroskopie ist in verschiedenen Konfigurationen in der Lage, den Grad an Schädigung in einem Bauteil räumlich zu erfassen.

Am Institut für Werkstoffe im Bauwesen der Universität Stuttgart wurde eine Versuchsreihe zur Untersuchung der Schädigungszone einer Teilflächenlast auf quaderförmige Gesteinsproben durchgeführt. Um eine definierte Schädigungszone zu erhalten, erfolgte die Lasteinleitung über den Eindruck einer Stahlkugel sowie einer Stahlschneide. Die Schallemissionen dieser Versuche wurden lokalisiert und mit den Ergebnissen der Ultraschallphasenspektroskopie korreliert. Für einzelne Ereignisse wurden darüber hinaus Momententensoren berechnet, aus denen sich bruchmechanische Aussagen extrahieren lassen.

In diesem Beitrag werden die Ergebnisse des Eindrucks der Stahlschneide in einen Kalkstein vorgestellt.

Versuchsdurchführung

Die Druckversuche wurden in einer servohydraulischen Prüfmaschine (siehe Abb.1) weggesteuert mit 0,005mm/s Kolbenweg durchgeführt. Neben den Schallemissionen wurden Last, Kolbenweg und Verschiebung des Druckstempels in das Gestein aufgezeichnet. Zur quantitativen Registrierung der Schallemissionen stand ein 8-kanaliger Transientenrekorder mit einer Abtastfrequenz von 2MHz pro Kanal zur Verfügung. Auf Grund systembedingter Totzeiten ist dieses System in der Lage ca. 2 Schallereignisse pro Sekunde aufzuzeichnen. Die Auswertung der Schallemissionen erfolgte im Anschluss an den Versuch.

Abb 1: Versuchsaufbau mit Prüfmaschine und Transientenrekorder.

Als Probekörper lagen Würfel aus Beton (B35, 0/2mm), Sandstein und Kalkstein mit einer Kantenlänge von 100mm vor. Die Lasteinleitung erfolgte zentral auf die obere Fläche, wahlweise durch eine Stahlkugel mit Durchmesser 8mm oder über eine Stahlschneide mit 90° Schneidenwinkel, 4mm Breite und 18mm Länge (siehe Abb. 2).

Abb 2: Druckstempel mit Stahlschneide.

Um Schädigungen in einem Körper zu detektieren, stellt die Ultraschalltechnik mehrere Möglichkeiten zur Verfügung. Meist wird die Probe durchschallt und versucht, z.B. aus Signalamplitude, Frequenzverteilung, Laufzeit und Wellengeschwindigkeit Aussagen über die innere Struktur eines Prüfobjektes zu gewinnen. Zur Bestimmung der Gruppen- und Phasengeschwindigkeit in Materialien gibt es verschiedene Messmethoden. Eine davon ist die Ultraschallphasenspektroskopie, die in der Messtechnik allgemein auch als p -Phasen Vergleichsverfahren bekannt ist. [Lynnworth et al., 1973]. Durch die Entwicklung moderner Netzwerkanalysatoren ist das Verfahren stark vereinfacht worden [Wanner, 1998] (siehe Abb.3). Der Analysator beinhaltet alle Messgeräte, die zur Signalaufzeichnung notwendig sind. Dies sind im einzelnen ein Frequenzoszillator, ein Frequenzzähler und zur Darstellung der Messergebnisse ein Oszilloskop. Zur Kompensation der Sensor-Kennlinien kann der Analysator zum Anfang der Messung kalibriert werden. Neben dem Analysator sind zur Messung noch zwei Ultraschallsensoren nötig. Im Experiment wird der Phasenverlauf in Abhängigkeit von der Frequenz aufgezeichnet. Aus der Steigung dieser Kurve kann die Gruppengeschwindigkeit ermittelt werden. Durch Flächenscans können Intensitätsdiagramme erstellt werden, die auf die innere Struktur des Körpers schließen lassen. Durch die Wahl des Scanrasters und die Sensorgröße wird dabei die Genauigkeit der Schadenserkennung bestimmt.

Abb 3: Messaufbau mit Netzwerkanalysator und Probekörper sowie Beispiel einer Ergebnisauswertung.

Ergebnisse

Während der Versuche wurden jeweils ca. 100 bis 300 Schallemissionen registriert. Trotz eines relativ schlechten Signal/Rauschabstandes durch die hydraulische Prüfmaschine, konnten ca. 3/4 der Schallemissionen lokalisiert werden, wobei die Ersteinsatzzeiten manuell ermittelt wurden. Der Arbeitsaufwand hierfür ist sehr groß. Die Lokalisierung erfolgte mit dem Programm HYPOAE [Oncescu & Grosse, 1998]. In den untersuchten Kalk- bzw. Sandsteinen lag eine leichte, gleichverteilte Anisotropie der Kompressionswellengeschwindigkeit vor, die jedoch durch geeignetes Strecken der Körperdimensionen und Sensorkoordinaten hinreichend eliminiert werden konnte.

Abb 4: Maschinendaten und Statistik.

Aus einer Reihe von Versuchen wurden die Ergebnisse eines Schneideneindrucks in Kalkstein für diesen Beitrag ausgewählt. In Abb.4 sind die Maschinendaten und eine Häufigkeitsverteilung der Schallereignisse über der Versuchsdauer dargestellt. Die Last/Verschiebungskurve zeigt zwei Einbrüche, die auf größere Schädigungen im Bauteil hinweisen. Nach Erreichen einer Maximallast von ca. 32KN wurde der Versuch aus Sicherheitsgründen abgebrochen. Die Schneide war zu diesem Zeitpunkt ca. 0,8mm in den Prüfling eingedrückt.

Die Schallemissionsaktivität während dieses Versuchs war so hoch, dass der Rekorder fast permanent durch das Wegschreiben von Ereignissen ausgelastet war. Dennoch ist bei ca. 100s, in der Phase nach einem der großen Lastabfälle auf Grund einer Schädigung, eine leichte Ruhephase zu erkennen. Diese kann mit dem Kaiser-Effekt erklärt werden. Während der manuellen Entlastung wurden keine Schallemissionen aufgezeichnet, da die Störgeräusche der Prüfeinrichtung sehr groß waren.

Von insgesamt 219 registrierten Schallemissionen, konnten 170 lokalisiert werden. Die Quellpunkte der Schallemissionen nach der Lokalisierung sind in Abb.5 dargestellt. Neben den Projektionen der Quellpunkte auf die Koordinatenebenen sind die Schallemissionen farblich entsprechend ihrer Herdzeit kodiert, um den zeitlichen Verlauf der Schädigungszone kenntlich zu machen. Frühe Ereignisse sind rot, gefolgt von orange, gelb, grün, blau und schließlich violett für die späten Ereignisse. Zur Einteilung der Schallemissionen in diese Gruppen wurde die Versuchsdauer in sechs gleich große Teilintervalle geteilt. Die Fehler der Lokalisierung lagen bei diesem Versuch bei ca. ą5mm.

Zunächst ist zu erkennen, dass sich in einer gut definierten Zone unterhalb der Lasteinleitung Schädigungen ausbilden. Der Schädigungsbereich ist auf das obere Drittel des Prüflings beschränkt. Außerdem ist die Lage der Schneide, parallel zur x-Achse, erkennbar (siehe Projektion auf die x/z-Ebene - breite Seite - und Projektion auf die y/z-Ebene - schmale Seite). Die Stahlschneide lag nicht vollständig planparallel zur Oberfläche des Prüflings auf. Hierdurch kam es zu einem "Erstkontakt" der im mittleren Bild rechten Ecke der Lasteinleitung. Dieser Bereich ist durch die frühen Schallereignisse charakterisiert. In der nächsten Phase (gelb und grün) ist ein Wachsen der Schädigungszone unter der ganzen Schneide zu erkennen. Auch in der Endphase wächst die Zone weiter. Trotzdem sind auch im oberen, zentralen Bereich weitere Schallereignisse zu verzeichnen. Außer Abplatzungen im Bereich der Lasteinleitung kam es nicht zur Ausbildung von sichtbaren Schäden.

Abb 5: Lokalisierung der Schallemissionen; farblich kodiert sind die Herdzeiten: Von rot (früh) über orange, gelb, grün und blau nach violett (spät). Die Kreise markieren die Lage des Clusters für die relative Momententensorinversion.

In Abb.6 ist das Ergebnis der Ultraschallphasenspektroskopie für den beschriebenen Kalkstein illustriert. Es werden die selben Ansichten bzw. Projektionsrichtungen verwendet, wie in Abb.5. In der oberen Reihe sind die 2D Plots für die Geschwindigkeitsverteilung, in der unteren Reihe die Verteilung der maximalen transmittierten Frequenz dargestellt. Zur Verdeutlichung ist die Lage der Schneide durch einen schwarzen Marker gekennzeichnet. Die Farbskalen sind individuell für jede Projektion angepasst.

Anhand der Geschwindigkeitsverteilung kann man die Anisotropie des Kalksteins erkennen, der in z-Richtung eine höhere Geschwindigkeit als senkrecht dazu aufweist. Aus Abb.5 geht hervor, dass die Schädigungszone im Lasteinleitungsbereich liegt. Bei Betrachtung der Geschwindigkeitsverteilung wird dies bestätigt, da die Geschwindigkeiten im oberen Probenbereich niedriger sind. Dabei geht man von der Annahme aus, dass die Geschwindigkeit durch Störungen im Probengefüge vermindert wird. Deutlicher wird dies, wenn man die maximale transmittierte Frequenz betrachtet, da hier die Höhe der Frequenz durch die Größe der Störung begrenzt wird. Im unteren Teil von Abb.6 sind die Schädigungsbereiche im oberen Probenteil rot eingekreist. Man erkennt in dieser Abbildung die Lage der zur Lasteinleitung benutzten Schneide, deren schmale Seite parallel zum kleinen Kreis lag. Mit dem schwarzen Pfeil ist ein Bereich auf der Probe gekennzeichnet, bei dem hohe Frequenzen transmittiert werden. Dies lässt vermuten, dass der Körper in diesem schmalen Bereich stärker verpresst (kleinere Porengröße) ist, was auch an der Oberfläche ersichtlich ist.

Abb 6: Flächendarstellung der Geschwindigkeitsverteilung und der Verteilung der maximalen transmittierten Frequenz.

Während die Schallemissionsanalyse die Schädigungen darstellen kann die während eines Versuches entstehen, bildet die Ultraschallphasenspektroskopie alle Schäden, Inhomogenitäten und Anisotropien im Material ab. Diese sind gerade bei natürlichen, sedimentativen Gesteinen zu erwarten. Beide Verfahren korrelieren gut bei der Detektion des Schadenbereichs.

Momententensorinversion (MTI)

Ergänzend zur Lokalisierung der Schallereignisse können unter gewissen Voraussetzungen (Rechtfertigung der Annahme einer Punktquelle oder Vernachlässigung von Nahfeldtermen, Homogenität, Isotropie, u.a.) bruchmechanische Untersuchungen der einzelnen SE durchgeführt werden (z.B. Grosse [1999] oder Finck [2001]). Mit ähnlichen Verfahren werden seit einigen Jahren in der Seismologie Momententensoren zur bruchmechanischen Analyse von Erdbeben durch eine Inversion berechnet (z.B. Jost & Hermann [1989]). Für die Anwendung in der Schallemissionsanalyse eignet sich z.B. ein Verfahren zur relativen Momententensorinversion nach Dahm [1993]. Bei diesem relativen Verfahren werden die in den Green'schen Funktionen enthaltenen unbekannten Einflüsse des Laufweges der Schallwellen durch die Analyse von räumlichen und zeitlichen Clustern von Ereignissen eliminiert. Für die Inversion der jeweils sechs unabhängigen Elemente der Momententensoren der Schallemissionen werden die Amplituden der ersten Kompressionshalbwellen an mindestens sechs (in unserem Fall acht) Sensoren ausgelesen. Das Ergebnis der Inversion sind die Momententensoren der Schallereignisse in einem Cluster. Diese beschreiben alle ursächlichen Kräfte und seismischen Momente im Quellpunkt des Bruches. Durch geeignete Zerlegung des Momententensors können auch sehr komplexe Bruchszenarien in anschauliche Bruchmodelle zerlegt werden. Daraus erhält man dann z.B. den prozentualen isotropen Bruchanteil (öffnungsbruch, Kollaps, Mode-I) und den Scherbruchanteil (‚double-couple', Mode-II oder Mode-III) mit der Orientierung der Bruchflächen sowie das seismische Moment eines Bruches als Maß für dessen Energie (z.B. Grosse [1999] oder Jost & Hermann [1989]). Bei der Angabe des isotropen Bruchanteils in Prozent sind auch negative Prozentzahlen für negative volumetrische änderungen erlaubt. Die Zerlegung in verschiedene Bruchmechanismen führt ferner dazu, dass die Summe der isotropen und der Scherbruchenergie nicht gleich 100% ergibt [Dahm, 1993].

Abb 7: Zerlegung des Momententensors in anschauliche Bruchmoden und Darstellung durch die Abstrahlcharakteristik von Kompressionswellen.

In Abb.7 sind einige Bruchmodelle (oben) jeweils mit der zugehörigen Abstrahlcharakteristik von Kompressionswellen dargestellt. Die Abstrahlcharakteristik ist dabei auf eine den Quellpunkt umspannende Halbkugel projiziert. Die Modelle gelten für punktförmige Quellen an der Rissspitze (Kreis). Links ist ein rein isotroper Bruch (Explosion oder öffnungsbruch, Mode-I) und in der Mitte Scherbrüche mit Teilchenbewegung senkrecht (Mode-II) und parallel (Mode-III) zur Rissöffnung abgebildet. Rechts dargestellt ist das Modell des kompensierten, linearen Vektordipols (CLVD) [Knopoff & Randall, 1970], ein rein deviatorischer Mechanismus, bei dem die Bewegung der Teilchen in der x/y-Ebene z. B. nach außen, in z-Richtung durch eine Bewegung nach innen volumetrisch kompensiert wird.

Die Überprüfung der oben erwähnten Annahmen zur Durchführung der Momententensorinversion ist Bestandteil der gegenwärtigen Arbeiten an unserem Institut. Z.B. ist es nicht sicher, ob durch die Bildung von Clustern und die Anwendung der relativen MTI alle Laufwegseinflüsse vollständig eliminiert werden können. So scheint es notwendig zu sein, die übertragungsfunktionen der Sensoren zu kennen und zu berücksichtigen. An der Implementierung einer solchen Entfaltung wird ebenfalls gearbeitet.

Die relative Momententensorinversion wurde am beschriebenen Probekörper für ein Cluster von 16Ereignissen angewendet. Die Lage dieses Clusters ist in Abb.4 durch einen schwarzen Kreis gekennzeichnet. Es liegt damit etwas versetzt unter dem Zentrum der Lasteinleitung.

Für die grafische Darstellung (Abb.8) der Ergebnisse der MTI wurde ein Diagramm gewählt, bei dem die isotropen Bruchanteile (ISO) gegen die Scherbruchanteile (DC) aufgetragen werden. Zusätzlich ist jedes Ereignis in diesem Diagramm durch seine Abstrahlcharakteristik repräsentiert. Die Zahlen in gelb bzw. orange geben jeweils die Ereigniszahl an. Der Radius der Herdkugeln ist proportional zum seismischen Moment der Schallereignisse.

Abb 8: Lösungen der Momententensorinversion; Anteile von isotropen (ISO) und Scherbruchmoden (DC), Abstrahlcharakteristika der Kompressionswellen sowie das jeweilige Moment entsprechend deren Radius.

Die Ereignisse haben im Allgemeinen einen negativen isotropen Anteil, was durch das kollabieren von Poren erklärt werden kann. In der Grafik sind zwei Punktwolken qualitativ trennbar. Unten links in der Ecke befinden sich Ereignisse mit ISO-Anteilen zwischen -30 und -40 %, sowie geringen Scherbruchanteilen. Bei den Ereignissen, die durch die zentrale Punktwolke repräsentiert sind, sind die ISO-Anteile sehr gering, die Scherbruchanteile jedoch sehr groß. Eine Korrelation der Zugehörigkeit dieser Gruppen mit den Koordinaten, der Herdzeit o.ä. ist nicht möglich. Weiterhin ist auffällig, dass die Energie der Ereignisse tendenziell mit der aufliegenden Last zunimmt.

Zusammenfassung

Mit Hilfe der quantitativen Schallemissionsanalyse kann der räumliche und zeitliche Verlauf der Schädigung in einem Bauteil mit hoher Genauigkeit rekonstruiert werden. Dies ist auch in leicht inhomogenen und leicht anisotropen Medien möglich. Je schneller und empfindlicher der verwendete Transientenrekorder ist, desto besser wird die Erfassung der Schädigungszone sein. Allerdings sind die Datenmengen enorm groß, so dass die Entwicklung adaptiver Filteralgorithmen sowie automatischer Ersteinsatz- und Amplitudenpickalgorithmen noch weiter vorangetrieben werden muss.

Die Ergebnisse der Ultraschallphasenspektroskopie stimmen gut mit den Lokalisierungen aus der Schallemissionsanalyse überein. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass mit der Ultraschallphasenspektroskopie auch natürliche Unreinheiten und Störungen detektiert werden, wobei die Schallemissionsanalyse die aktive Schadensentwicklung widerspiegelt.

Das Verfahren der relativen Momententensorinversion ist ein handliches Werkzeug, wenn Aussagen über die Bruchmechanik von Schallereignissen getroffen werden sollen. Je größer die Zahl der Ereignisse in einem Cluster ist und je kleiner das Cluster in Zeit und Raum ist, desto stabiler sind die Lösungen der Inversion. Auf der theoretischen Seite gibt es noch eine Reihe von offenen Fragestellungen für die Anwendung der relativen Momententensorinversion an den im Verhältnis zur untersuchten Wellenlänge kleinen Probekörpern im Labor.

Literatur

  1. T. Dahm: Relativmethoden zur Bestimmung der Abstrahlcharakteristik von seismischen Quellen. Dissertation, Universität Karlsruhe, 1993.
  2. F. Finck: Application of the moment tensor inversion in material testing. Otto Graf Journal Vol. 12, 145-156, 2001.
  3. C. U. Grosse: Grundlagen der Inversion des Momententensors zur Analyse von Schallemissionsquellen. Werkstoffe und Werkstoffprüfung im Bauwesen. Festschrift zum 60. Geburtstag von Prof. Dr.-Ing. H.-W. Reinhardt, Libri BOD, Hamburg, 82-105, 1999.
  4. M. L. Jost & R. B. Hermann: A students guide to and review of moment tensors. Seism. Res. Letters, Vol. 60, 37-57, 1989.
  5. L. Knopoff & M. J. Randall: The compensated linear-vector dipole: A possible mechanism for deep earthquakes, J.of Geophys.Res. 75 (26), 4957-4963, 1970.
  6. L. Lynnworth, E. P. Papadakis & W. Rea: Ultrasonic measurement of phase and group velocity using continuous wave transmission techniques. AMMRC Report CTR 73-2, 1973.
  7. L. Oncescu & C.U. Grosse: HYPOAE - A program for the localization of hypocenters of acoustic emissions, Computer Programm, 1998.
  8. A. Wanner: Elastic modulus measurements of extremely porous ceramic materials by ultrasonic phase spectroscopy. Materials Science and Engineering A248, 35-43, 1998.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net