DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Mikroseismische Rissdetektion an Beton-Abwasserrohren

Horst Kühnicke, IZFP, Dresden; Frank Schubert, IZFP, Dresden; Eberhard Schulze, IZFP, Dresden
Kontakt: Dr. rer.nat. habil. Horst Kühnicke

Abstrakt

An Betonrohren mit Nennweiten von 2000 bis 3600 mm und Wanddicken von 200 bis 400 mm wurde erfolgreich ein mikroseismisches Verfahren zur Rissdetektion getestet. Zum Einsatz kamen geführte Wellen mit einer Frequenz von 15 kHz. Die Anregung erfolgte mit einem piezoelektrischen Stapelwandler. Die Messungen wurden auf Profilen in Umfangs- und Längsrichtung durchgeführt. Bei den Testmessungen an geschädigten Rohrsegmenten konnten alle bekannten Risse und Abschalungen, welche die Messprofile queren, nachgewiesen werden. Das Überkorn von 32 mm, die Armierung und die zulässigen Schwundrisse hatten keinen negativen Einfluss auf die Messergebnisse. Die Testrohre waren teilweise mit Wasser gefüllt. Das Verfahren ist sowohl für das Rohrsegment unter Wasser, als auch für das über dem Wasserspiegel geeignet. Lediglich Risse, deren Rissflanken mit der Grenze Wasser/Luft zusammenfallen, sind schwer zu erkennen, da diese Grenze die Ausbreitung der geführten Wellen ähnlich beeinflusst wie ein Riss. Parallel zu den Testmessungen erfolgten numerische Simulationen der Ausbreitung geführter Wellen im Betonrohr. Die eingesetzten Sensoren, das Messsystem und die Bewertungsalgorithmen sind Eigenentwicklungen des IZFP Dresden.

1. Aufgabenstellung

Im Rahmen der Konzeption eines Inspektionssystems für großvolumige Beton-Abwasserrohre wurden vom IZFP Dresden mikroseismische Testmessungen an einem Versuchstand mit vorgeschädigten Rohrsegmenten durchgeführt. In Vollrohren, Viertel- und Halbschalen sollte die Eignung des Prüfverfahrens zur Erfassung von Rissen und Abschalungen beurteilt werden. Im Verlauf des Projektes wurden folgende Punkte bearbeitet:

    1. Ertüchtigung der vorhandenen mikroseismischen Messtechnik für den Einsatz unter Wasser,
    2. Bau von Vorrichtungen zum Verspannen und zur pneumatischen Ankopplung der Sensoren,
    3. Simulationsrechnung der Prüfsituation,
    4. Testmessungen in Luft und unter Wasser an Segmenten DN 2000, DN 2400 und DN 3600,
    5. Optimierung der Messgeometrien und Anpassung der Auswertealgorithmen an die Aufgabenstellung,
    6. Bewertung der Messergebnisse hinsichtlich der Prüfaufgabe

2. Messmethode

Das eingesetzte mikroseismische Messverfahren nutzt die Amplitudendämpfung geführter Wellen zum Nachweis von Materialfehlern im Beton. Aufgrund des Frequenzbereiches der mikroseismischen Messungen < 20 kHz ist dieses Prüfverfahren auch einsetzbar, wenn starke Inhomogenitäten, wie z.B. Überkorn, Schwundrisse usw. vorliegen. Im konkreten Fall lag ein Überkorn von 35 mm vor, sodass hochfrequenter Ultraschall stark an den Zuschlagstoffen gestreut wird und damit die räumliche Abbildung der Rissgeometrien mit diesem Verfahren erschwert. Nachteil der Mikroseismik ist die vergleichsweise geringe räumliche Auflösung der Materialinhomogenitäten des Prüfkörpers.

3. Simulation der Prüfsituation

Die im Rahmen des vorliegenden Projektes durchgeführten Vorwärtssimulationen der Wellenausbreitung dienten zur Verbesserung der Ergebnisinterpretation der experimentell gewonnenen Daten. Die Rechnungen wurden mit der Elastodynamischen Finiten Integrationstechnik (EFIT) durchgeführt. Hierbei handelt es sich um ein numerisches Zeitbereichsverfahren zur Berechnung der Ausbreitung und Streuung elastischer Wellen. Bei der beim zweidimensionalen EFIT-Code benutzten Staggered Grid Diskretisierung können jeder Materialzelle unterschiedliche elastische Eigenschaften zugeordnet werden. Dies ermöglicht auch die Modellierung komplizierter heterogener Materialien wie Beton.

Die Wellenfrontbilder (s. Abb. 1b) zeigen, dass das gesamte Wellenpaket, einschließlich der amplitudenstarken Rayleighwellen-Anteile, an Rissen deutlich gedämpft wird. Im Falle eines wassergefüllten Risses ist die Amplitudenschwächung um Größenordnungen geringer als bei Luftfüllung, aber im eingesetzten Frequenzbereich noch signifikant. Die Rechnungen für nicht durchgehende Risse belegen, dass die Wellenfelddämpfung deutlich geringer ist als im Fall durchgehender Trennflächen. Für den Fall, dass das Betonrohr auf der Seite des Messsystems angerissen ist, ergibt sich eine deutliche Amplitudenschwächung der Rayleighwellen. Der Fall nicht durchgehender Risse auf der dem Messsystem abgewandten Seite verursacht eine geringe Amplitudendämpfung.

a) Abb. 1 a) Sensorankopplung mittels pneumatisch verspannter Gestänge, schwarzer Kreis: Stapelaktuator, rote Kreise: Sensoren
b) Abb. 1 b) Wellenfrontbild der EFIT-Vorwärtssimulation für eine 20 cm Betonplatte, umgeben von Luft, mit halbem luftgefüllten Riss von oben, Rissbreite: 0,5 mm
c)
Abb. 1 c) Vertikalkomponente der Schwinggeschwindigkeit [m/s] bei Sensorposition x = 60 cm, z = 25 cm, Schwarz: mit halbem Riss von oben, Rot: Referenzrechnung ohne Riss

4. Datenakquisition

Zum Einsatz kam das modular aufgebaute Datenakquisitionssystem AE.engine (s. Abb. 2). Die Anregung erfolgte mit einem Stapelwandler, der ebenso wie die Sensoren mit einem pneumatischen System an die innere Rohrwand angedrückt wurde. Die Testmessungen wurden zwei- bis vierkanalig durchgeführt. Alle eingesetzten Aktuatoren, Leistungsverstärker und Sensoren mit integriertem Vorverstärker sind Eigenentwicklungen des IZFP Dresden.


Abb 2: Datenakquisitionssystem "AE.engine" mit 16 Empfangs- und 4 Sendekanälen für mikroseismische Messungen

Aus Vergleichsuntersuchungen mit pulsförmigen Sendesignalen wurde deutlich, dass nur mit sinusförmigen Sendesignalen ein hoher Anteil niederfrequenter Schwingungen in den Beton eingetragen werden kann, bei denen nur geringe Dispersionseffekte am Überkorn auftreten. In Labortests und bei ersten Anwendungen an den Betonrohren am Versuchsstand stellte sich eine Geberfrequenz von 15 kHz als geeignet heraus. Als Sendesignal wurden 5 oder 6 Sinus-Halbwellen, multipliziert mit einem Hanning-Fenster benutzt.

5. Bewertungsalgorithmen

Der Schwerpunkt der Interpretation lag auf der Anwendung einheitlicher Auswertealgorithmen auf die Messdaten verschiedener Rohrgeometrien und Schadensbilder.

Die Ergebnisse der Messungen mit vier Geber-Empfänger-Offsets wurden in Form von Zeitschnitten dargestellt. Längs des Messprofils ist die farbkodierte Amplitudeninformation der normierten Empfangssignale aufgetragen. Die Stationierung des Messprofils auf der Abszisse ist auf den Messmittelpunkt zwischen Geber und Empfänger bezogen. Ordinate ist die Zeitachse der Empfangssignale. In den Schnitten ist der Einfluss von Materialinhomogenitäten auf das Wellenfeld sichtbar. Die Lage der auf den Innenflächen der Rohrsegmente erkennbaren Materialfehler wurde gekennzeichnet.

Die Zeitsignale wurden in folgenden Bearbeitungsschritten normiert:

  • einheitliche Skalierung aller Messungen am Versuchsstand
  • Korrektur des Gleichspannungsoffsets
  • Amplitudennormierung auf das akustische Rauschen ohne Sendesignal
  • Korrektur der Amplitudendämpfung durch sphärische Divergenz und Streuung (unter der Annahme von Zylinderwellen, Absorptionskoeffizient a = 6,4 10-5 m-1 für vp=3500 m/s f=14,880 kHz).

Abbildung 3 zeigt beispielhaft die Amplitudenveränderungen durch Normierung und Korrektur bezüglich sphärischer Divergenz und Streuung.


Abb. 3: Beispiel für Amplitudennormierung und -Korrektur

In den Zeitschnitten sind im Wesentlichen die Phasenverläufe der amplitudenstarken Oberflächenwellen (Rayleighwellen) zu erkennen. Die farbkodierten Amplituden zeigen, dass sich parallel zur Rohrwand verlaufende Trennflächen (z.B. Abschalungen) besonders im Messbild anregungspunktnaher Sensoren (Geber-Empfänger-Offset 0,1 m) in Form hoher Schwingungsamplituden vor den Rayleighwelleneinsätzen abbilden. Mit wachsendem Geber-Empfänger-Offset nimmt der Einfluss reflektierender Abschalungen ab. Die durch Rissgeflechte, welche die Geber-Empfänger-Linie queren, verursachte Dämpfung der Schwingungsamplituden der Oberflächenwellen wird bis zu einem optimalen Abstand größer, da sich die Laufzeitunterschiede zwischen den einzelnen Wellenarten erst ab einem spezifischen Abstand von der Quelle herausbilden.

Die Zeitschnitte zeigen, dass sich die Amplitudendämpfung der Rayleighwellen durch überwiegend senkrecht zur Rohroberfläche verlaufende Risse für Luft bzw. Wasser unterschiedlich abzeichnet. Dieser Effekt tritt aufgrund der unterschiedlichen Energieabstrahlung der akustischen Wellen in das umgebende Medium auf. Die Dämpfung des seismischen Wellenfeldes ist bei luftgefüllten Rissen über einen größeren Zeitbereich zu verfolgen als bei Wasserfüllung, wo nur die ersten Phasen der Rayleighwellen beeinflusst werden. Dieser Tatsache wurde bei der Bildung eines Parameters zur Rissidentifikation Rechnung getragen, indem die Energie der Rayleighwellen in einem Zeitfenster von 0,2 ms nach den Ersteinsätzen berechnet wurde. Die folgenden Abbildungen 4 bis 6 illustrieren beispielhaft diese Vorgehensweise.

Um den Zerstörungsgrad des Betons aus der Dämpfung der Rayleighwellen abschätzen zu können, wurde der Energieparameter für alle Rohrgeometrien mit einem einheitlichen Bezug auf spezifische Parameter des Beobachtungssystems berechnet. Aus dem Verlauf dieses Parameters wird deutlich, dass, unter den spezifischen Messbedingungen, für Untersuchungen im trockenen Rohr ein niedrigerer Schwellwert der Energie der Rayleighwellen im Bewertungsfenster bezüglich der fehlerfreien Bereiche eines Betonrohres anzusetzen ist als für Untersuchungen bei Wasserfüllung. Für die bisher untersuchten Rohrgeometrien und Betonqualitäten sowie die spezifische Messkonfiguration und Normierung wurden empirisch folgende Schwellwerte ermittelt, unterhalb derer mit Materialfehlern zu rechnen ist:

  • 1000 mV² für Untersuchungen in trockenen Rohren und
  • 10000 mV² für Messungen in wassergefüllten Segmenten.

Die Unterschiede im Amplitudenniveau resultieren im Wesentlichen aus verschiedenen Energieabstrahlungsbedingungen an der Grenzfläche Beton/Luft bzw. Beton/Wasser, die entsprechend unterschiedliche Leckwellen verursacht.

In Darstellungen des Energieparameters für mehrere Geber-Empfänger-Abstände kann aus den räumlichen Verschiebungen zwischen Einzelindikationen auf das Einfallen von Materialinhomogenitäten geschlossen werden. So deutet eine stark offsetabhängige Lage von Energieminima auf spitzwinklig zur Messebene einfallende Risse hin.


Abb. 4:
Common-Offset-Zeitschnitt, Offset 0,5 m, Profil 3600, trocken

Abb. 5:
Common-Offset-Zeitschnitt, Offset 0,5 m, Profil 3600, wassergefüllt


Abb. 6:
Mittlere Energie der Rayleighwellen im Zeitfenster 0,0 bis 0,2 ms nach den Ersteinsätzen (vr=2000 m/s), Offsets 0,1 bis 0,7 m, Profil 3600, trocken

Abb. 7:
Mittlere Energie der Rayleighwellen im Zeitfenster 0,0 bis 0,2 ms nach den Ersteinsätzen (vr=2000 m/s), Offsets 0,1 bis 0,7 m, Profil 3600, wassergefüllt

6. Schlussfolgerungen

Die durchgeführten Testmessungen und Computersimulationen zeigen, dass das eingesetzte mikroseismische Verfahren für eine automatische Inspektion von langen Abwasserkanälen mit großen Nennweiten geeignet ist. Es zeichnet sich insbesondere durch folgende Eigenschaften aus:
  • Bei den Testmessungen an den Betonrohren des Versuchsstandes konnten alle sichtbaren Risse und Abschalungen, welche die Messprofile queren nachgewiesen werden.
  • Überkorn und Armierung haben keinen negativen Einfluss auf das Messverfahren.
  • Das Verfahren ist sowohl im luftgefüllten Rohrbereich als auch unter dem Wasserspiegel anwendbar.
  • Die Ankopplung der Sender und Empfänger erfolgt in einem groben Raster von ca. 0,2 bis 0,3 m durch Anpressen mit einer konstanten Kraft von ca. 50 N. Dies vereinfacht die Handhabung durch einen Prüfroboter.
Lediglich Risse, deren Rissflanken mit der Grenze Wasser/Luft zusammenfallen, sind schwer zu erkennen. Wenn bei unterschiedlichen Wasserständen geprüft werden kann, ist auch dieses Problem gelöst.

Unter den sehr rauen Praxisbedingungen ist es möglich, dass sich die Ankoppelbedingung der Sensoren im Laufe der Betriebsjahre verändern. Es kann deshalb notwendig werden, den empirischen Grenzwert für die Bewertungsalgorithmen anzupassen. Eine Nullmessung vor Inbetriebnahme und mindestens eine jährliche Inspektionen des Kanalsystems mit dem mikroseismischen Verfahren kann korrekt kalibrierte Grenzwerte für den Energieparameter liefern und sichert damit die richtige Bewertung des Zustandes eines Abwasserkanals ab.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net