DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Verbesserung des Impact-Echo-Verfahrens hinsichtlich Riss- und Fehlstellenerkennung

C. U. Grosse, R. Beutel, M. Krüger, J.H. Kurz, Institut für Werkstoffe im Bauwesen der Universität Stuttgart;
F. Schubert, Fraunhofer-Institut für zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP-Dresden)
Kontakt: Dr. Christian U. Große

Abstract

Im Hinblick auf die zerstörungsfreie Bauteilprüfung hat das Impact-Echo-Verfahren das Potential,zu einem wichtigen Prüfverfahren für die Stukturbestimmung und Fehlstellendetektion zu werden. Wie Untersuchungen zeigten, stehen dem jedoch derzeit eine ungenügende Aussagesicherheit und die mangelhafte Handhabbarkeit der kommerziell erhältlichenGeräte entgegen.Trotz vielversprechender Anwendungsbeispiele ist dieses Verfahren in vielen Fällen nicht wirtschaftlich einsetzbar.

Innerhalb eines Forschungsprojektes der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) wurde in Kooperation mit den Projektpartnern und einem Gerätehersteller die Anwendung dieser Technik für die zerstörungsfreie Prüfung von Betonbauteilen optimiert. Als störende Effekte beim Praxiseinsatz sind z. B. der Einfluss der Grenzschicht zwischen Betonbauteil und angrenzendem Medium sowie die Bewehrungsdichte zu nennen. Ein wichtiger Schritt in Richtung wirtschaftlicher Anwendung und zuverlässiger Datenaufnahme ist durch die Entwicklung einer neuen Impact-Echo-Hardware und -Software gegeben. Im Detail steht bei den Forschungsarbeiten die Verbesserung der Aussagesicherheit im Vordergrund. Wesentliches Ziel ist die Anwendung der Methode an Bauteilen und Bauwerken in-situ. Die Möglichkeit, neue Auswerteparameter für die Schadensanalyse hinzuzuziehen, wird dies unterstützen. In einem weiteren Projekt, welches durch die Europäische Gemeinschaft gefördert wird (http://www.sustainablebridges.net/),wird die Eignung des Impact-Echo-Verfahrens für die Rissdetektion untersucht.

1. Grundlagen

Das Impact-Echo-Verfahren wurde Mitte der 80er Jahre in den USA von Carino und Sansalone entwickelt. Hervorzuheben sind ihre Arbeiten zu den Grundlagen [CARINO & SANSALONE et al. 1986a], zur Detektion von Delaminationen in Beton [SANSALONE & CARINO 1989; CHENG & SANSALONE 1993; LIN & SANSALONE 1996; LIN & SANSALONE et al. 1996], zur Untersuchung von Fehlverpressung von Hüllrohren [CARINO & SANSALONE 1990; JAEGER & SANSALONE et al. 1997] und zur Rissdetektion in Betonbauteilen [CARINO & SANSALONE et al. 1986b; SANSALONE & LIN et al. 1998]. Diese wissenschaftlichen Arbeiten gingen Hand in Hand mit der Entwicklung eines kommerziellen Messsystems, welches zunächst von Sansalone und Streett in einer eigenen Firma vertrieben wurde. Sansalone und Streett betrachteten den wissenschaftlichen Teil der Arbeiten Ende der 90er Jahre als mehr oder weniger abgeschlossen,was in einem Artikel mit dem Titel "Impact-Echo - the complete story" [SANSALONE 1997] und einem Buch [SANSALONE & STREETT 1997] deutlich wurde. Diese Meinung wird von vielen Wissenschaftlern nicht geteilt. In mehreren Publikationen wird auf Unklarheiten und Schwachpunkte hingewiesen. Dazu gehören die flächendeckende Untersuchung von Bauteilen und die Notwendigkeit der klaren Darstellung der Ergebnisse, der Einfluss von Randreflexionen sowie Probleme bei der Einkopplung der Schallwellen und der Linearität der Sensoren.

Eines der Ziele von Untersuchungen des IWB im Rahmen eines Gemeinschaftsprojektes (Forschergruppe FOR 384 der DFG) ist deshalb auch die Bestimmung des Einflusses dieser Randeffekte bei Impact-Echo-Messungen. In diesem Zusammenhang erfolgte die Kombination experimenteller Daten mit Simulationen der Wellenausbreitungen an ausgewählten Probekörpern. Diese Simulationsrechnungen wurden durch das Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfung (IZFP-Dresden) vorgenommen. Im Rahmen der Kooperation zwischen den Projektpartnern der Forschergruppe wurden außerdem Parallelmessungen an ausgewählten Probekörpern mit verschiedenen IE-Apparaturen durchgeführt, was zu Aussagen über die Leistungsfähigkeiten der Geräte und verwendeten Messkonzepte führte. Einen Überblick über die vorläufigen Ergebnisse enthält der Zwischenbericht der Forschergruppe 384 sowie die Literatur[REINHARDT, GROSSE et al. 2003]. Auf einen Teil dieser Probleme geht außerdem der Artikel von SCHUBERT & WIGGENHAUSER et al. [2004] in diesem Band ein.

2. Verbesserung der Auswertung durch Impact-Echogramme

Betrachtet man bei IE-Messungen nur einzelne Ergebnisse von Punktmessungen, so können die Frequenzbilder sehr leicht fehlinterpretiert werden. Erst durch Linienmessungen (sogenannte Impact-Echogramme, [COLLA & SCHNEIDER et al. 1999; SCHUBERT & WIGGENHAUSER et al. 2004]), sowie dem Aneinanderfügen der Einzelspektren mit Hilfe einer geeigneten graphischen Auswertesoftware, lassen sich bauteilspezifische Eigenschaften besser rekonstruieren.

Weiterhin lässt sich durch Variation der Darstellungsart, wie z. B. durch Normierung auf das Rückwandecho oder die Verwendung verschiedener Filter die Aussagegenauigkeit der Messungen verbessern. Diese Auswertemöglichkeiten wurden in die neue IE-Auswertesoftware IEDA [BAHR 2003] des IWB integriert (Abb.1).


Abb 1:
Beispiel für die Auswertung von IE-Linien-Scans mit dem Programm IEDA.

Abb 2:
Schema von Messungen zur Rissdetektion in Beton.

3. Impact-Echo zur Rissdetektion

Das Prinzip von Rissdetektionsmessungen mit IE-Messgeräten [SANSALONE & STREETT 1997] ist vergleichbar mit der aus der Ultraschalltechnik bekannten time-of-flight-Technik. Ein Signal wird durch den Impactor erzeugt und nach einem gewissen Laufweg durch einen Sensor aufgenommen und die Amplitude bzw. Energie des Signals aufgezeichnet. Befindet sich ein Riss mit der Tiefe d' entlang des Laufwegs des Signals, so verlängert sich die Laufzeit t des Signals um Dt, wobei die folgende Beziehung entsprechend Abb.2, links, gilt:

Dt= (t1+ t2)-t (1)

?t wächst mit zunehmender Risstiefe. In der Regel hängt die Laufzeitverzögerung aber noch zusätzlich stark vom Zwischenraum zwischen den Rissufern ab. Befindet sich in diesem Zwischenraum nicht nur Luft sondern ist er mit festen Partikeln (Staub, Körner, Wasser etc.) gefüllt,so wird die Laufzeitverzögerung u. U. nicht mehr messbar sein.

Deswegen ist eher die Signalform als Messgröße zu verwenden. Dabei ist besonders wichtig, dass der Impaktor ein Signal mit reproduzierbarer Signalform emittiert. Messungen haben gezeigt, dass die kumulative Intensität des Signals - das ist das Quadrat der Amplitude des Messsignals vom Ersteinsatz (Zeitpunkt t = t0) bis zum Messzeitpunkt - ein gutes Entscheidungskriterium für das Vorhandensein eines Risses ist. Ist ein Riss vorhanden, so ist nicht nur die maximale Energie, die über den Riss übertragen wird, im Signal geringer, sondern die Maximalamplitude des Signals verschiebt sich auch weg vom Signalbeginn (Abb. 3 rechts).Dies liegt daran, dass vor allem über den Bereich, in dem kein Riss vorhanden ist, Signalenergie übertragen werden kann. Erst durch die Mehrfachreflexion an den Oberflächen des Bauteils wird sukzessive die Signalenergie über den Riss übertragen. Da die Mehrfachreflexion zur Rissdetektion herangezogen wird, ist die Rissbestimmung mit diesem Verfahren nur bei solchen Bauteilen möglich, die im zu prüfenden Bereich eine annähernd konstante Bauteildicken aufweisen. Die Auftragung der Signalenergie vor allem im Anfangsbereich des Signals (Abb. 3) kann als zuverlässiger Parameter für das Vorhandensein eines Risses verwendet werden. An einer automatischen Rissdetektion mit Bestimmung der Risstiefe wird zurzeit gearbeitet.


Abb 3: Kumulierte Signalenergie der ersten 5000 Zeitsamples von IE-Signalen, die über einen Riss hinweg aufgezeichnet wurden (untere Kurvenschar), und im Vergleich dazu (obere Kurvenschar) Signale im ungerissenen Bereich; rechts: Ausschnitt (develogic GmbH, Gerlingen [2004]).

4. Zusammenfassung und weitere Entwicklungsmöglichkeiten

Für viele Einsatzbereiche ist das IE-Verfahren einsetzbar und wird bereits routinemäßig im Bauwesen eingesetzt. Um die Bandbreite der Anwendungen weiter zu vergrößern und Fehlmessungen auszuschließen, können allerdings weitere Verbesserungen vorgenommen werden. Eine wesentliche Verbesserung der Impact-Echo-Technik besteht in der Kombination der Frequenzauswertung mit der Bestimmung der Laufzeit und der Amplitude, die zu einer leichteren Charakterisierung der Signale und der inneren Struktur der untersuchten Bauteile beiträgt.Erreicht wird dies mit dem Einsatz einer Impaktor-Einheit, die neben einem variabel einstellbaren definierten Energieeintrag auch eine Triggerung der Signale ermöglicht (Abb. 4) [MOTZ & KRÜGER et al. 2003]. Die gerätetechnischen Entwicklungen müssen jedoch erst in der Praxis getestet werden. Dies trifft insbesondere für die in diesem Zusammenhang entwickelten Sensoren zu.

Abb 4:
Impaktor (links) sowie Aufzeichnungs- und Auswerteeinheit auf Basis eines Tablett-PC (rechts).

Mit Hilfe der Wavelet-Transformation [GROSSE & MOTZ et al. 2002] konnten Biegewelleneffekte von oberflächennahen Fehlstellen besser sichtbar gemacht werden. Die inverse Wavelet-Transformation kann zudem als "scharfkantiger" Filter eingesetzt werden, um einzelne störende Frequenzen zu beseitigen, die die Interpretation der Messergebnisse negativ beeinflussen [RUCK & BEUTEL 2001].
Durch den Vergleich der Messergebnisse mit Simulationsrechnungen können Artefakte leichter als solche erkannt und u. U. unterdrückt werden. Für den Einfluss von Randreflexionen wurde dies bereits von LAUSCH & WIGGENHAUSER et al. [2002] sowie Schubert [2000] gezeigt. Es ist abzuwarten, wie gut die Einbindung dieser kombinierten Methode beim Praxiseinsatz gelingt. Interessant wäre die Verwendung von Luftultraschallsensoren für die Impact-Echo-Technik, was ein wesentlicher Schritt im Hinblick auf die Ankoppelproblematik wäre. Darüberhinaus sind Untersuchungen zur Einsatzfähigkeit des IE-Verfahrens für die Qualitätskontrolle von Frischbeton [GROSSE & REINHARDT et al. 2004] auch unter Einbeziehung von Scherwellen geplant.

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