DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

Start > Beiträge > Plakate > Schallemissionsprüfung: Print

Charakterisierung von Bruchmechanismen in der
Schallemissionsanalyse

F. Finck, J. H. Kurz, C. U. Grosse Institut für Werkstoffe im Bauwesen, Universität Stuttgart
Pfaffenwaldring 4, 70550 Stuttgart, Tel.: (+49) 711 6856788
finck@iwb.uni-stuttgart.de
Kontakt: Dipl.-Geophys. Florian Finck

Abstract

Die Entwicklung und Ausbreitung von Schädigungszonen und Rissen in Bauteilen aus spröden Werkstoffen wie z. B. Beton, kann mit Hilfe der Schallemissionsanalyse auf mikro- und mesoskopischer Ebene untersucht werden. Mikrorisse und Brüche im granularen und intergranularen Bereich senden seismische Energie aus, die von Ultraschallsensoren an der Bauteiloberfläche registriert und aufgezeichnet werden. Ähnlich wie in der Seismologie, werden diese Schallereignisse lokalisiert und mit Hilfe von geeigneten Inversionsverfahren bruchmechanische Ursachen ermittelt. In Abhängigkeit von der Belastung und der Zusammensetzung des Werkstoffes treten u. a. Matrixversagen, Ablösen oder Brechen von Zuschlägen sowie Ablösen, Reißen oder Ausziehen von Bewehrung auf. Außerdem kann z. B. Korrosion Schallereignisse verursachen. Diese sehr unterschiedlichen Versagensmechanismen können nur durch komplexe Bruchmodelle repräsentiert werden. Das physikalische Modell des Momententensors ist unter bestimmten Vorraussetzungen geeignet, um diese Schädigungsprozesse und das Spannungsfeld zu beschreiben. Die Inversion auf den Momententensor geschieht unter quantitativer Berücksichtigung des abgestrahlten Wellenfeldes mit verschiedenen Verfahren.

Im folgenden Beitrag werden bruchmechanische Untersuchungen an zwei Laborexperimenten vorgestellt.

Stichworte: Schallemission, Bruchmechanik, Momententensor

Einleitung

Die Untersuchung von Bruch- und Versagensmechanismen stellt eine wichtige Aufgabe auf dem Gebiet der Betontechnologie dar. Mit Hilfe der signalbasierten Schallemissionsanalyse können Schäden in Bauteilen - z. B. aus Beton - registriert und lokalisiert werden. Darüber hinaus ist es möglich, aus dem Wellenfeld, welches von Bruchereignissen ausgesendet wird, Informationen über die Spannungen im Bauteil sowie die Bruchmechanismen zu erhalten. Diese Erkenntnisse können bei der Konstruktion eines Bauwerkes sowie zur Optimierung und Kontrolle der Baustoffzusammensetzung genutzt werden. Bestehende Bauwerke können im Rahmen eines structural health monitorings dauerhaft überwacht werden. Dadurch können z. B. Instandsetzungsarbeiten gezielt durchgeführt werden, wenn diese notwendig sind.

Einige Verfahren, mit deren Hilfe Bruchmechanismen in der Werkstoffkunde untersucht werden, wurden aus Verfahren der Seismologie entwickelt. Unter anderem werden Quellmechanismen von tektonischen Beben mit dem Modell des sog. double couple beschrieben. Dieses Modell ist vergleichbar mit dem Mode-II-Versagen (Scherbruch), das in der Bruchmechanik bekannt ist. Das Konzept des Momententensors, bei dem ein System von äquivalenten Kräften auch beliebig komplexe Quellmechanismen repräsentiert, wurde in den 70er Jahren vorgestellt [e. g. GILBERT, 1970]. Damit ist es möglich, neben den rein tektonischen Ereignissen, z. B. auch unterirdische Explosionen (z. B. Nukleartests) sowie den Einfluss und die Ursachen von isotropen Quellanteilen zu untersuchen. Mit Hilfe einer Eigenwertanalyse des Momententensors können diese komplexen Quellmechanismen in anschauliche Basis-Bruchmodelle zerlegt werden [JOST & HERRMANN, 1989].

Für eine ausführliche Herleitung der verschiedenen Ansätze zur Momententensorinversion und der in der Zerstörungsfreien Prüfung angewendeten Methoden wird auf die Literatur verwiesen [z. B. AKI & RICHARDS, 2002; UDIAS, 1999, GROSSE,1999]. In diesem Beitrag werden Ergebnisse von Untersuchungen zum Mode-I-Versagen von Beton unter Spaltzugbelastung und der Mode-II-Schädigung von Beton beim Auszug eines Stahlstabes vorgestellt. Bei den Untersuchungen wurde ein hybrider Ansatz zur Momententensorinversion von ANDERSEN [2001] und die relative Inversionsmethode von DAHM [1993] verwendet.

Mode-I-Versagen bei einem Spaltzugversuch

Zur Anregung einer definierten Risszone in Beton unter Zugspannung, wurde ein Spaltzugversuch durchgeführt und mit Hilfe der Schallemissionsanalyse ausgewertet [FINCK et al., 2003]. Dazu wurde ein Betonwürfel (Kantenlänge 200 mm) über zwei parallele Stahlschneiden auf Druck belastet (siehe Abb.1, links).

Abb 1: Links: Versuchsaufbau. Rechts: Topografie der Bruchfläche und die Abstrahlcharakteristik zweier Momententensoren [FINCK et al., 2003].

Um ein plötzliches Versagen des Probekörpers zu verhindern, wurde die Belastung über die Rissöffnung gesteuert. Die Rissöffnung wurde von zwei induktiven Wegaufnehmen auf der Vorder- und Rückseite registriert. Die Schallemissionen, die während des Wachstums des Risses entstanden, wurden von acht piezoelektrischen Schallsensoren aufgezeichnet. Von den insgesamt ca. 900 aufgezeichneten Ereignissen konnten rund 380 Ereignisse mit einer Genauigkeit von ca. 5 mm lokalisiert werden. Diese Ereignisse geben den Verlauf des Risses durch den Probekörper sehr gut wieder: Der Riss lief von der Rückseite des Probekörpers zum Betrachter der Abb.1, was auch durch die visuelle Beobachtung des Makrorisses bestätigt wurde.

Nach Beendigung des Experiments wurde der Probekörper schrittweise von oben nach unten heruntergeschliffen, um den Verlauf des Risses aus den Schliffbildern zu digitalisieren. Durch eine Interpolation konnte daraus die Topografie der inneren Rissfläche ermittelt werden. Die Ergebnisse der Lokalisierung der Schallemissionsherde (schwarze Punkte) und die innere Rissfläche (Gitternetz) sind in Abb.1, rechts, dargestellt. Darüber hinaus zeigt die Abbildung die Abstrahlcharakteristik zweier Schallereignisse, für die mit der hybriden Inversionsmethode [ANDERSEN, 2001] Momententensoren berechnet wurden. Aus diesen Darstellungen gehen die Mode-I-Spannungsverhältnisse im Probekörper deutlich hervor. Parallel zur y-Achse deuten dunkle Grautöne auf eine expansive Teilchenbewegung hin, die der Öffnung des Risses entspricht. Senkrecht dazu herrschen neutrale Spannungsverhältnisse.

Mode-II-Versagen bei einem Pull-Out-Versuch

Das Verbundverhalten von Stahlbewehrung in Beton wurde mit Hilfe der Schallemissionsanalyse in einem Auszugsversuch untersucht. Dabei wurde ein Stahlstab (Ø 15.6 mm) mit einer definierten Verbundzone, bestehend aus fünf gefrästen Rippen (siehe Abb.2, links), aus einem Betonwürfel (Kantenlänge 200 mm) ausgezogen. Im Verbundbereich wurden zahlreiche Schallereignisse mit dem am IWB entwickelten POLARAE Programm [ROSENBUSCH, 2003] lokalisiert (Abb.2, rechts, Punkte in der Aufsicht). Momententensoren, die für einzelne Ereignisse mit der relativen Methode nach DAHM [1993] berechnet wurden, zeigten Lösungen mit nahezu 100 % Mode-II-Versagen. Die Bruchflächen der Lösungen lagen parallel zur Grenze Beton-Stahl, was aus dem Beispiel in Abb.2, rechts, hervorgeht. Darüber hinaus ist die Abwärtsbewegung des Stahls (blaue Farben) relativ zum Betonwürfel (rote Farben) zu erkennen.

Abb 2: Links: Versuchsaufbau. Rechts: Lokalisierung der Schallereignisse, die während des Auszuges des Stahlstabs registriert wurden. Die Abstrahlcharakteristik des Momententensors illustriert den Stabauszug nach unten [FINCK et al., 2002].

Zusammenfassung

Mit Hilfe der signalbasierten Schallemissionsanalyse können wertvolle Informationen über Schadensprozesse gewonnen werden. Die präzise Lokalisierung der Ereignisse gibt den räumlichen und zeitlichen Verlauf der Schädigung wieder. Das Konzept des Momententensors ist gut geeignet, um Erkenntnisse über die auftretenden Spannungen und die Bruchmechanismen zu gewinnen. Mit Hilfe der hybriden und der relativen Momententensorinversion konnten stabile, plausible Lösungen berechnet werden.

In einem Spaltzugversuch konnte durch die Lokalisierung von Schallereignissen die Entstehung und das Fortschreiten eines Öffnungsrisses unter Zugspannung beobachtet werden. Das Mode-I-Versagen konnte mit Hilfe der Abstrahlcharakteristik der Momententensoren visualisiert werden. An einem Pull-Out-Versuch konnte die Schädigung im Verbundbereich im Detail untersucht werden.

Zur besseren Darstellung der Lösungen der Momententensorinversion wurde eine 3-dimensionale Visualisierung entwickelt. Diese Darstellungsweise kann in verschiedene Illustrationen eingebunden werden, um die Ergebnisse der verschiedensten Untersuchungen gemeinsam auszuwerten.

Ein tieferes Verständnis der Wellenformen und die Entwicklung von standardisierten Algorithmen zur Datenverarbeitung ermöglichen eine Automatisierung der Untersuchung von Schädigungsprozessen. Einige dieser Algorithmen sind in der am IWB entwickelten POLARAE (Program for Onset Detection, Localization and Amplitude Readout for Acoustic Emission) Software implementiert.

Die mit Hilfe der signalbasierten Schallemissionsanalyse gewonnenen Erkenntnisse und Erfahrungen werden in zukünftigen Anwendungen auf dem Gebiet der Bauwerksüberwachung (structural health monitoring) eingesetzt.

Danksagung

Diese Untersuchungen wurden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB 381 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.

Literatur

  1. K. AKI, P. G. RICHARDS: Quantitative Seismology, 2nd edition. University Science Books, Sausalito, CA, 2002.
  2. L. M. ANDERSEN: A relative moment tensor inversion technique applied to seismicity induced by mining. Dissertation, University of Witwatersrand, Johannesburg, South Africa, 2001.
  3. T. DAHM: Relativmethoden zur Bestimmung der Abstrahlcharakteristik von seismischen Quellen. Dissertation, Universität Karlsruhe, 1993.
  4. F. FINCK, M. MOTZ, C. U. GROSSE, H.-W. REINHARDT, B. KRÖPLIN: Integrated Interpretation and Visualization of a Pull-Out Test using Finite Element Modeling and Quantitative Acoustic Emission Analysis. Published online: http://www.ndt.net/article/v07n09/09/09.htm, 2002.
  5. F. FINCK, M. YAMANOUCHI, H.-W. REINHARDT, C. U. GROSSE: Evaluation of mode I failure of concrete in a splitting test using acoustic emission technique. International Journal of Fracture, Vol. 124, S. 139-152, 2003.
  6. C. U. GROSSE: Grundlagen der Inversion des Momententensors zur Analyse von Schallemissionsquellen. Werkstoffe und Werkstoffprüfung im Bawesen. Festschrift zum 60. Geburtstag von Prof. Dr.-Ing. H.-W. Reinhardt, Libri BOD, Hamburg, S. 82-105, 1999.
  7. C. M. R. FOWLER: The Solid Earth - An Introduction to Global Geophysics. Cambridge University Press, New York, 1990.
  8. M. L. JOST, R. B. HERRMANN: A students guide to and review of moment tensors. Seism. Res. Letters, Vol. 60, S. 37-57, 1989.
  9. J. H. KURZ, F. FINCK, C. U. GROSSE, H.-W. REINHARDT: Similarity matrices as a new feature for acoustic emission analysis of concrete. EWGAE 2004, Proceedings, Berlin, 2004.
  10. N. ROSENBUSCH: Entwicklung eines Programms zur Bestimmung von Ersteinsätzen und Amplituden sowie zur 3D-Lokalisierung von Schalemissionen. Diplomarbeit, Institut für Werkstoffe im Bauwesen, Universität Stuttgart, 2003.
  11. A. UDIAS: Principles of Seismology. Cambridge University Press, Cambridge, 1999.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net