In einem vom BMBF geförderten Forschungsprojekt wurden Schallemissions( SE)-Messungen während zughaften Ermüdungsbeanspruchungen an einem scheibenförmigen Probekörper aus Stahlbeton durchgeführt, um das Ermüdungsverhalten von eingelassenen Betondübel mit einer klothoidenförmigen Aussparung im Stahlbeton zu untersuchen. Dabei ging es hauptsächlich um die Verfolgung von Rissbildung und um die Lokalisierung der Risse. Die Ergebnisse der SEMessungen zeigen, dass die SE-Aktivität von Beginn der dynamischen Belastung einsetzt. Die Ortungen sind wegen der begrenzten Ortungsgenauigkeit nicht auf Flächen auszumachen, sondern eher wolkenartig am linken und rechten Rand des Betondübels im Bereich der Aussparungen verteilt. Nach dem ersten Versuch konnten 9.132 SE-Ereignisse mit den Einsatzzeiten der Longitudinal- und Transversalwelle geortet werden. Die Lage der SE-Ereignisse lässt darauf schließen, das durch den Formschluss zwischen Beton und dem Betondübel im Bereich der Aussparungen Spannungskonzentrationen auftreten, in denen sich unter Ermüdungsbeanspruchungen vermehrt Mikrorisse ausbilden.

An der Technischen Hochschule Mittelhessen werden Schallemissions(SE)messungen an Versuchskörpern aus Spannbeton durchgeführt, um die Schädigung in den Betonbauteilen unter statischer und dynamischer Belastung zu untersuchen. Die SE-Messungen wurden während Dreipunkt-Biegeversuchen an vorgespannten Stahlbetonschwellen zur Verfolgung des Rissfortschritts durchgeführt. Dabei wurden die Spannbetonschwellen in einer ersten Phase statisch vorbelastet und in einer zweiten Phase bis zum Erreichen der Ermüdungsfestigkeit dynamisch belastet. Die Ergebnisse der Messungen zeigen einen unmittelbaren Einsatz der SEAktivität nach Beginn der dynamischen Belastung. Bereits bei niedrigen zyklischen Belastungen zeigen die Ortungen den Beginn der Schädigung des Probekörpers an. Eine Vielzahl der lokalisierten SE-Ereignisse identifizieren eine vertikale makroskopische Rissfläche in der Mitte der Spannbetonschwelle. Parallel zur Hauptrissebene stellten sich zwei weitere vertikale Seitenrissebenen ein, die sich in etwa im gleichen Abstand zur Hauptrissebene befinden. Die optische Beurteilung des Risszuwachses bei vorgespannten Betonbauteilen ist, aufgrund des überdrückten Betonquerschnitts, meistens erst zeitlich verzögert möglich. Daher bietet die Schallemissionsanalyse eine gute Möglichkeit die Belastungsversuche von vorgespannten Betonbauteilen hinsichtlich der inneren Rissbildung zu überwachen.

Im Rahmen des Forschungsprojekts HENDOSEA sollen die experimentellen und theoretischen Grundlagen aufgebaut werden, um die Lockerung von Hüftprothesen mittels der Schallemission zu beurteilen. Das Thema dieser Arbeit ist, die Belastung zwischen Prothese und Knochen mit der Finite-Element-Modellierung nachzubilden und die entstehenden Risssysteme unter den Aspekten Elastizitätsmoduln, Belastungsart und -richtungen zu bewerten. Im Fokus stehen die 3-achsigen Spannungen des Knochens, die während der Bewegung der Körpermasse eines Menschen über eine Hüftendoprothese auf den Oberschenkelknochen entstehen. Es wurde wie folgt vorgegangen: Für den Aufbau der Modelle wurde eine Hüftendoprothese aus Titan 3-dimensional gescannt und mit Hilfe von CAD-Werkzeugen in ein FEM-Modell überführt. Der Knochen wurde als Hohlzylinder modelliert, dessen Geometrie aus anatomischen Daten angepasst wurde. Als Materialdaten wurden der E-Modul von Titan nach der Materialkarte der FEM-Software Dynasim und die E-Moduln von Knochen aus der Literatur verwendet. Homogene Materialmodelle wurden für die Modellbildung als Ausgangsbasis verwendet, um ein grundlegendes Verständnis bei den später geplanten komplexen Belastungsversuchen einsetzen zu können. In den folgenden Untersuchungen wurde die Endoprothese mit einer konstanten Geschwindigkeit in den Knochen eingeführt. Der Belastungsvorgang wurde solange durchgeführt, bis sich ein Risssystem im Knochen ausbildet. Als Kriterium für die Rissbildung wurde eine maximale Dehnung des Knochenmaterials angenommen. Sobald die Dehnung eines FEM-Elements erreicht wird, wird das FEM-Element eliminiert und die Rissentwicklung beginnt. Dabei wurden in den einzelnen Untersuchungsläufen die Materialparameter systematisch variiert, und die Rissentwicklung in Abhängigkeit der Materialparameter untersucht. Im nächsten Schritt werden die Ergebnisse aus FEM-Simulation mit den Ergebnissen der Experimente abgeglichen und die Modellparameter der Simulation angepasst.

Bei einem triaxialen Extensionsversuch an einer zylindrischen Steinsalzprobe sind zwei große Cluster von Schallemissionsereignissen aufgetreten, die senkrecht zur axialen Zugbelastung der Probe stehen. Diese Cluster können durch eine vernünftige Auswahl der primären Clusterparameter gefunden werden, die hauptsächlich von der räumlichen und zeitlichen Dichte der Ereignisse abhängen. Die Untersuchung der Zeitstatistik dieser Ereignisse zeigt eine statistische Gleichgewichtsverteilung, die ein eindeutiger Beweis für die Existenz eines Poisson-Prozesses ist. Das bedeutet, dass die Ereignisse unabhängig voneinander und zufällig auftreten.

Das Monitoring großflächiger Konstruktionen wird zweckmäßig mittels Beamforming durchgeführt. Im Beitrag werden die wesentlichen Einflüsse dargestellt und an theoretischen und experimentellen Beispielen ausführlich verdeutlicht. Die Ergebnisse zeigen eine hohe Sensitivität für Schäden, auch solche, die hinter Querrippen verborgen sind.

Die Nutzung der nichtlinearen Effekte beim Auftreten von Rissen erlaubt eine rasche und unkomplizierte Aussage darüber, ob eine Konstruktion geschädigt ist oder nicht. Dies sogar ohne vorherige Bezugs-Null-Messung!

Drucktragende Rohrleitungen in thermischen Anlagen haben bei hohen Betriebstemperaturen eine begrenzte Lebensdauer. Unter Betriebsbelastung kriechen die Rohrleitungen unter der Bildung von Poren und versagen schließlich, wenn nicht rechtzeitig Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Heutige fossil befeuerte Kraftwerke werden flexibel und mit möglichst hohem Wirkungsgrad betrieben. Hohe Wirkungsgrade erfordern höhere Prozesstemperaturen. Um Kriechschäden entgegenzuwirken, werden daher größere Wanddicken benötigt. Zum anderen werden die Kraftwerke zur Kompensation der wetterbedingten Schwankungen der Stromerzeugung durch Wind- und Sonnenenergie öfter an- und abgefahren. Die vermehrten Abkühl- und Aufheizvorgänge führen bei großen Wandstärken zu thermische Zusatzbeanspruchung, die wiederum Ermüdungsprozesse begünstigen. Eine Lösung dieses Dilemmas ist der Einsatz neuer Materialkonzepte. Ein derartiges Materialkonzept wird aktuell in einem Langzeitversuch im Grosskraftwerk Mannheim (GKM) erprobt. Ein Verbund aus einem Stahlrohr, das mit einem Keramikfaserverbund (ceramic matrix composite) CMC ummantelt ist, ist dort als Bypass einer Frischdampfleitung in Betrieb. Der Keramikmantel kriecht bei der Betriebstemperatur des Kraftwerks nicht und entlastet so längerfristig das Stahlrohr im Betrieb. Während des Langzeitversuchs wird das Versuchsrohr mit verschiedenen Methoden überwacht. In einem nicht ummantelten Bereich des Stahlrohrs sind Hochtemperaturdehnmessstreifen (HT-DMS) aufgebracht, die die Kriechdehnung des Rohrs überwachen. Im Fasermantel sind außerdem Widerstandsdrähte eingewickelt, über die die Dehnung des Fasermantels überwacht wird. Zusätzlich sind insgesamt sechs temperaturbeständige Schallemissionssensoren auf dem Stahlrohr und dem Fasermantel angebracht. Insbesondere die dauerhafte Instrumentierung des 530 °C heißen Fasermantels mit den Schallemissionssensoren stellte eine große Herausforderung dar. Im Folgenden werden die Voruntersuchungen zur Ankopplung, Ergebnisse von Versuchen im Labormaßstab sowie erste Ergebnisse vom laufenden Bauteilversuch vorgestellt. Der Fokus liegt hierbei auf den Schallemissionsmessungen.

Um ein tieferes Verständnis über die Schallemission bei der Entstehung und Ausbreitung von Rissen in Stahlrohrleitungen zu erlangen, wurde ein Stahlrohr der Güte S355J2H im Vierpunkt-Biegeversuch quasistatisch bis hin zum Wanddurchbruch (Leckage) belastet und mittels Schallemissionsmessung und Gleichstrompotentialmessung überwacht. Das Rohrsegment wurde durch einen 90°- Außenumfangskerb in der Mitte der Rohrlänge definiert vorgeschädigt, um davon ausgehend ein stabiles Risswachstum zu induzieren und die Analyse von Schallemission aus Rissereignissen, die am Kerb eintraten, sicherzustellen. Für die Schallemissionsmessung wurden vier Breitbandsensoren max. 105 mm vom Kerb entfernt montiert. Die Signalaufzeichnung erfolgte kontinuierlich und schwellwertunabhängig. Für die Gleichstrompotentialmessung wurde ein Gleichstrom von 300 A eingeleitet und der Potentialabfall über dem Kerb mit fünf Sonden entlang des Kerbs gemessen. Beide Messverfahren identifizieren die Rissinitiierung sowie Veränderungen im Risswachstum. Die detektierten Schallemissionsereignisse werden, unter Berücksichtigung spektraler Eigenschaften, mit fortschreitender Belastung und Rissentwicklung analysiert. Diese Studien wurden im Rahmen des interdisziplinären Forschungsprojekts AGIFAMOR, Aging infrastructure - Faseroptisches Monitoring von Rohrleitungen, an der BAM durchgeführt.

Absperrorgane generieren einen gewünschten Druckverlust in dem sie durch-strömenden Fluid. Dabei wird ein Teil der Energie des Fluides in Wärme aber auch in hoch und niederfrequente Schwingungen umgewandelt. Je nachdem, ob es sich bei dem Fluid um ein Gas oder eine Flüssigkeit handelt, treten bei der Druckreduzierung typische physikalische Effekte auf. In der vorliegenden Untersuchung werden die abgegebenen Schallemissionssig-nale (RMS-Werte) bei der Drosselung einer Wasserströmung durch einen Kugelhahn sowohl mit den hydraulischen Parametern (Druckverlust, Volumenstrom, hydraulische Leistung der Drosselung) als auch mit den Ergebnissen der numerischen Strömungssimulation (CFD) ver-glichen. Die CFD ermöglichte die Berechnung von Strömungsparametern (z.B. Drücke, Ge-schwindigkeiten, turbulente Energie, Energiedissipation) innerhalb des Kugelhahns. Neben Ablösungsvorgängen und Wirbeln generieren Turbulenzen starke Schallemissionen. Ziel der Untersuchung ist es, einen Beitrag zum besseren Verständnis der Abhängigkeiten bei der Generierung von Schallemission in Fluidströmungen zu leisten. Die Untersuchungen wurden im Institut für Mechanik und Materialwissenschaften (IMM) der Technischen Hochschule Mittelhessen (THM), Campus Gießen durchgeführt.

Die Brücken im Netz der Bundesverkehrswege sind überwiegend in einem ausreichenden bis guten Zustand. Allerdings steigt der Unterhalts- und Sanierungsaufwand aufgrund des inzwischen hohen Alters vieler Brücken sowie des ständig wachsenden Schwerlastverkehrs. Techniken zur Einschätzung der verbleibenden Lebensdauer von Brücken sowie zur dauerhaften Beobachtung des Tragverhaltens bzw. des Erfolges von Sanierungsmaßnahmen werden daher für den sicheren und wirtschaftlichen Betrieb dringend benötigt. Zur Evaluierung dafür geeigneter holistischer Ansätze wurde in der BAM das Projekt BLEIB - Bewertung, Lebensdauerprognose und Instandsetzung von Brückenbauwerken - ins Leben gerufen. Ein zentrales Ergebnis des Projektes ist eine extern vorgespannte Stahlbetonbrücke als Zweifeldträger mit einer Gesamtlänge von 24 m, die für den Test verschiedenster Sensorsysteme, zur Validierung numerischer Modelle und zur Erprobung von Sanierungs- und Verstärkungsmaßnahmen entwickelt wurde. Für die Simulation unterschiedlicher Schädigungsgrade kann die Vorspannung der Brücke variiert werden. Die Brücke wird mit beweglichen Gewichten belastet und über einen Shaker zum Schwingen angeregt. Das Brückenmodell wurde bewusst geschädigt, indem die Vorspannung der Struktur erstmalig schrittweise bis auf null reduziert wurde. Unter der Eigenlast verformte sich die Brücke, wodurch eine Rissbildung im Beton einsetzte. Die Zugspannung, die zuvor durch die Vorspannung aufgenommen wurde, übernahm Schritt für Schritt der Beton. Als die Zugspannungen die relativ geringe Zugfestigkeit des Betons überstiegen, begann dieser zu reißen und die schlaffe Bewehrung der Struktur nahm die Spannungen auf. Dieser Versuch wurde unter anderem von Schallemissionsmessungen begleitet. Der Rissbildungsprozess konnte damit, bei gleichzeitiger Aufzeichnung der Vorspannung, früh detektiert und die Risse geortet werden. Die Ergebnisse korrelieren gut mit den Ergebnissen der stereophotogrammetrischen Verformungsmessungen der Struktur.

Viele Brücken, die einen wichtigen Teil unserer modernen Infrastruktur darstellen, wurden in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts gebaut. In dieser Zeit befand sich die noch junge Bauweise in einer rasanten Entwicklung, so dass die fehlenden Erfahrungen und Regelwerke zu vielfältigen Defiziten führten. Eines dieser Probleme ist die besondere Empfindlichkeit bestimmter Spannstähle gegenüber Spannungsrisskorrosion (SpRK). Die SpRK ist dadurch charakterisiert, dass sie unter bestimmten Voraussetzung zu einem zeitverzögerten Ausfall der Spannbewehrung führen kann. Diese Degradationsprozesse sind jedoch nicht ohne weiteres festzustellen, da die Spannglieder in der Betonkonstruktionen einbetoniert liegen und nur schwer inspiziert werden können. Solange keine Risse im Beton auftreten, scheint das Bauwerk äußerlich intakt. Im ungünstigsten Fall hat dies ein schlagartiges Versagen der Konstruktion zur Folge. Aus diesem Anlass wurden spezifische Richtlinien zur Bewertung gefährdeter Strukturen im Straßen- und Eisenbahnbrückenbau veröffentlicht, die ein bestimmtes Vorgehen vorgeben und verschiedene Maßnahmen empfehlen. In vielen Fällen sind die konventionellen Verfahren jedoch nicht zielführend oder stellen keine angemessene Alternative (Bsp. Ersatzneubau) dar. Hier besitzen Monitoringverfahren zur dauerhaften messtechnischen Überwachung ein erhebliches Potential. Die Stennertbrücke zählt zu diesen Bauwerken, die einerseits durch den beschriebenen Schädigungsangriff gefährdet sind und bei denen, mit konventionellen Methoden die Stand- und Verkehrssicherheit nicht gewährleistet werden kann. Da ein Ersatzneubau kurzfristig nicht umsetzbar ist, wurde ein alternativer und im deutschen Spannbetonbrückenbau einzigartiger Ansatz verfolgt: Drahtbrüche sollten mit Schallemissionsmesstechnik erfasst werden. Eine entscheidende Grundlage für die Anwendung dieses Messprinzips ist das, über viele Jahre hinweg in Forschungsprojekten gewonnene Know-How aus Labor- und Feldversuchen. In diesen Voruntersuchungen wurden bspw. wichtige Erfahrungen zur dauerhaften Kopplung von Sensoren, zur Lokalisierung und zur Wellenausbreitung in Spannkonstruktionen gesammelt. Die Messanlage wurde Mai 2018 installiert und wenig später in Betrieb genommen. Seitdem werden kontinuierlich Daten erfasst und in regelmäßigen Zyklen ausgewertet. Hierbei kommen sowohl parameterbasierte als auch signalbasierte Analysen zum Einsatz. Bisher konnten keine Hinweise auf Spanndrahtbrüche festgestellt werden.

Der tragische Bücken Einsturz in Genua im August 2018 hat der ganzen Welt deutlich vor Augen geführt, dass der bekannte, langjährige Investitionsstau bei langlebigen Infrastrukturen abgebaut werden muss. Bei Bauwerke wie Brücken und Tunnels kommt neben den Investitionen noch der Zeitbedarf für Konzeption und der Planung einer alternativen Verkehrsführung für den Zeitraum der oft mehrjährigen Bauarbeiten erschwerend hinzu. Zur Überbrückung des benötigten Zeitraums greifen Städte und Kommunen vermehrt auf Monitoring Lösungen für ihre maroden Bauwerke zurück um den Zustand der Bauwerke kontinuierlich zu erfassen und gegebenenfalls schnell Maßnahmen einzuleiten ohne die Bauwerke vorsorglich komplett zu sperren. Neben Messgrößen wie Temperatur, DMS ect. wird vermehrt Schallemission als passives zerstörungsfreies Messverfahren nachgefragt. Die Methode eignet sich für permanente Überwachung und ist durch ihre Flexibilität an eine Vielzahl von Testobjekten anpassbar. Vallen System GmbH ist bei einer Vielzahl von Monitoring Projekten als Messtechnik Partner zusammen mit Dienstleistern, Ingenieur Büros, Städten und Kommunen beteiligt. Zahlreiche Studien und Vorversuche an realistischen Probekörpern, wie z.B Spannbetonträgern, und reale Belastungstests an Brücken haben die Anforderung an des Messsystem weiter geschärft. Die gesamte Messkette angefangen bei den Sensoren, deren Halterung und Kabel über die Datenaufzeichnung bis hin zur Software sind an die neuen Anforderungen adaptiert. Eine Vielzahl von externen Sensoren z.B. für Temperatur oder DMS etc. können zeitsynchron aufgezeichnet und gemeinsam mit den Schallemissionsdaten in der Vallen Software analysiert werden. Die Ergebnisse aus der Analyse werden dann auf einen Cloud-Server geladen und können mittels Web Browser in einem Dashboard visualisiert werden.

Piezo acoustic sensors are well known in the field of acoustic emission since the 20’s but are considered as a common product since the 70’s. Since that time, the number, type, shape and temperature range of AE sensors have been broaden to satisfy the industrial demands. When considering either high temperature and/or small size, piezo acoustic sensors have limits and an alternative technology has to be considered. In industrial applications with special requirements to high temperature tolerance, small size (< 150 μm), broad frequency response, insensitive to electromagnetic interference, opto-acoustic sensors including Fibre Bragg Grating (FBG) are very good candidates. FBG is an interferometric structure, imprinted inside the core of the optical fibre with unique spectral characteristics of reflectivity. The acoustic waves created during an industrial process result in periodical extension/compression of the optical fibre core and, consequently, the FBG structure. These momentary deformations affect the reflectivity properties of the FBG that follow the behaviour of the incoming pressure waves. This behaviour results in the intensity of the reflected light that encodes the momentary deformation states of the fibre core and so can be used for acoustic sensing. These sensors exhibit linear response in a broadband frequency range (from several Hz to tens of MHz) with potential detection upper limit of the order of several hundred MHz. In contrast, most piezo sensors have linear response in a limited bandwidth and lower detectable frequencies. In this work, we will focus on the fibre technology and compare the sensitivity of commercial FBG with several piezo acoustic sensors. We will also show how FBG’s can be used as acoustic sensors in laser processing by analysing the data with state-of-the-art machine learning techniques, in particular for classification of laser power made from the sample itself which can be related to its quality.

Sowohl Verwitterung, als auch verschiedene Konservierungsmethoden, verändern die mechanischen Eigenschaften von mineralischen Werkstoffen wie Naturstein. Je nach Zustand oder Behandlung reichen diese Änderungen bis in unterschiedliche Schichttiefen hinab. Damit werden auch akustische Parameter, wie die Schallgeschwindigkeit oder die Dämpfung, beeinflusst. Dies ermöglicht den Einsatz von Ultraschall zur zerstörungsfreien Prüfung von Natursteinkonstruktionen. Im Rahmen vorangehender Arbeiten wurde bereits ein Ultraschallverfahren zur Erstellung eines Tiefenprofils des Verwitterungszustands von Natursteinproben demonstriert. Hierbei wurde der Ultraschall mit Hilfe von luftgekoppelten Wandlern bei unterschiedlichen diskreten Frequenzen zwischen 100 und 500 kHz erzeugt, um Oberflächenwellen in der Probe anzuregen und zu detektieren. Je nach Frequenz reicht die Welle mehr oder weniger tief in den Stein hinein, dadurch ergibt sich eine Frequenzabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit, die mit der Tiefe korreliert, in welche die Auswirkungen der Verwitterung vordringen. Hier stellen wir ein neues kontaktfreies Verfahren für die Messung der Ausbreitungseigenschaften von Oberflächenwellen in Naturstein und ähnlichen Materialien dar. Dabei werden Laserpulse von ca. 10 ns genutzt, um kurze Ultraschalltransienten anzuregen, deren Frequenzspektrum von wenigen Hz bis in den hohen MHz-Bereich reicht. Die Detektion erfolgt mit einem optischen Mikrofon, basierend auf einem miniaturisierten Laserinterferometer, welches luftgekoppelten Ultraschall bei Frequenzen zwischen 10 Hz und 1 MHz messen kann. Wir zeigen, wie sich durch Darstellung der Pulsausbreitung als DBild und Ermittlung der Dispersion via 2d–Fouriertransformation die Ausbreitungsgeschwindigkeit für unterschiedliche im Puls enthaltene Frequenzen bestimmen lässt. Ergebnisse aus Versuchen an Natursteinproben werden präsentiert und Referenzmessungen gegenübergestellt. Ein Ausblick auf den möglichen Einsatz zur zerstörungsfreien Überprüfung des Zustands denkmalgeschützter Bauwerke, sowie für Anwendungen in anderen Werkstoffsystemen, wird gegeben. [1] Fey, P., Döring, D., Busse, G., Frick, J. Grüner, F., Emerging Technologies in Non-Destructive Testing V. ISBN 978-0-415-62131-1, Taylor & Francis, London (2012)

Schallemissionssensoren basieren in der Regel auf dem piezoelektrischen Effekt. Sie benötigen daher eine geeignete Vorverstärkung und eine abgeschirmte Signalübertragung. Optische-Sensoren auf Basis eines Fabry-Pérot Interferometers können eine Alternative zu klassischen Sensoren darstellen. Diese Arbeit zeigt den Vergleich eines piezobasierter Sensors, einem Laser-Doppler Vibrometer (LDV) und einem Fabry-Pérot Sensor (FP-Sensor). Es wird ein Frequenzbereich von 20 bis 140 kHz untersucht. Die Sensoren werden Hinsichtlich ihres Signal-Rausch Verhältnisses betrachtet. Es konnte gezeigt werden, dass die Empfindlichkeit des FP-Sensors vergleichbar zu einem LDV und einem Piezosensor ist.

Detektions- und Lokalisationsalgorithmen auf der Basis des Laufzeitverhaltens von piezoelektrisch (aktiv) oder durch den Schaden selbst (passiv) angeregten Lamb-Wellen in Plattenstrukturen sind auf akkurate Kenntnisse über die Wellenausbreitung innerhalb der Platte sowie oft unerwünschten Vorgängen innerhalb der Messkette angewiesen. Zwischen der Generierung des elektrischen Signals, mit welchem der Aktor beaufschlagt wird, und der sich dadurch einstellenden Plattenschwingung tritt eine Veränderung des Signals in seiner Phasenlage und Amplitude auf. Diese Veränderung ist zum Teil dem inhomogenen Dehnungsfeld des piezoelektrischen Elements geschuldet. Ein weiterer Einflussfaktor stellt der Einschwingvorgang des lokalen Systems aus piezoelektrischem Element und der Platte dar. Durch diese Einflüsse lässt sich das Ausgangssignal nicht durch eine rückgewandte lineare Extrapolation der Plattenschwingung zum Mittelpunkt des Piezoelements mithilfe einer analytischen Lösung ermitteln. Ein ähnlicher Effekt tritt bei der Aufnahme der sich ausbreitenden Wellen im piezoelektrischen Sensor auf. Diese Arbeit untersucht die Wellencharakteristik in Bezug auf das Dämpfungs- und Phasenverhalten sich ausbreitender Lamb-Wellen in Plattenstrukturen. Hierbei wird vorrangig Bezug auf Bereiche in lokaler Nähe zu den genutzten piezoelektrischen Elementen genommen, die eine Interaktion mit auftreffendem Körperschall hervorrufen. Zur Wellenfeldanalyse werden 3-dimensionale Daten eines Laser-Doppler-Vibrometers mit den Messungen herkömmlicher piezoelektrischer Messmethoden verglichen. Anschließend soll eine Analyse des Dämpfungsverhaltens bzw. des Energieverlusts innerhalb des kompletten Messstrangs durchgeführt werden. Eine Frequenzabhängigkeit der Dämpfung innerhalb der Platte, aber auch ein frequenzabhängiger Energieverlust bedingt durch den (inversen) piezoelektrischen Effekt ist dabei zu beachten. Des Weiteren ist eine Untersuchung des ebenfalls frequenzabhängigen Phasenverhaltens des Signals von seiner Generierung bis zur Messung am Sensor durchzuführen.

Um die Akzeptanz von SHM Methoden basierend auf geführten Wel-len in der Industrie zu stärken, ist ein wichtiger Aspekt die normative Verankerung, für die das Merkblatt SHM01 des Fachausschusses Zustandsüberwachung aus 2015 einen ersten Schritt darstellt. Darüber hinaus zeigt sich, dass für die Normung eine in der Vorgehensweise einheitliche Maßnahme zur Bestimmung der Performanz dieser SHM-Systeme notwendig ist. Die Vielzahl der möglichen zu untersuchenden Werkstoffe und Fehlerarten ist hierbei jedoch angemessen zu berücksichtigen. Es er-scheint angemessen, Referenzfehler zu definieren und zu charakterisieren, die insbe-sondere eine hohe Relevanz in der Anwendung haben. Hierzu wird eine Übersicht dargestellt, die mögliche Referenzfehler für verschiedene Anwendungen im Bereich Metallbau und Faserverbundstrukturen aufzeigt. Auf Basis dieser wird mittelfristig ein Vorgehen zur Bestimmung der Performanz angestrebt. Im Beitrag wird aufge-zeigt, dass auch diesbezüglich die Vielzahl der Level, die mithilfe eines solchen SHM-Systems erreichbar sind, angemessen zu berücksichtigen ist. Für Anwendun-gen wie Hot-Spot-Monitoring lassen sich Verfahren der Performanzbestimmung, die bereits in der klassischen zerstörungsfreien Prüfung etabliert sind, anwenden. Bereits für die Überwachung einer Fläche ist von notwendigen Adaptionen aufgrund möglicher deutlich ausgeprägter Ortsabhängigkeit auszugehen. Es wird für Monitoringaufgaben zudem der starke Struktur- und Ortsbezug sowie der Einfluss von sich ändernden Betriebs- und Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen sein. Schlussendlich ist auch eine Abkehr von traditionellen Schadensbildern vorstellbar, da für viele SHM Systeme nicht hauptsächlich die Schadensgröße in Form von Risslängen, Korrosionsflächen o.ä., sondern der Effekt auf die lasttragende Struktur von höchstem Interesse ist. Der Vortrag gibt hierzu einen Überblick und zeigt das geplante weitere Vorgehen auf.

2017 haben wir auf dem 21. Kolloquium Schallemission in Fulda AE-Sensoren mit integriertem Schallemissionssystem vorgestellt. Hauptziele dieser Entwicklung sind das Miniaturisieren der Systeme, die Einbindung in bekannte Netzarchitekturen (WLAN oder Ethernet) und die Bedienung durch Browser, die auf einer breiten Palette von Computern (Desktop, Notebook, Smartphone) zur Verfügung stehen. Das im Sensor integrierte AE-System erzeugt eine dynamische Internetseite, die ständig aktualisiert wird. Informationstechnisch stellt der Sensor einen Server dar. Die Messergebnisse stehen überall im Netz zur Verfügung und können mit einem beliebigen Webbrowser dargestellt werden. Auch die Einstellung des Messsystems erfolgt über eine Webseite. Es handelt sich um eine sogenannte Webanwendung. Dieses Konzept ermöglicht den Aufbau besonders preisgünstiger Schallemissionssysteme. Die Netzstruktur sorgt für hohe Flexibilität und ermöglicht komplexe Anwendungen, für die Schlagworte wie „Internet der Dinge“ oder „Industrie 4.0“ stehen. Der diesjährige Beitrag stellt die zweite Generation dieser Sensoren vor. Wichtige Weiterentwicklungen sind das Halbieren der Stromaufnahme, die Verkleinerung des Sensorvolumens um bis zu einem Faktor 5. Eine Innenantenne bzw. neue Steckverbinder erhöhen die Robustheit der Sensoren. Hardware und Bewertungsalgorithmen wurden optimiert. Die WiFi-Variante ermöglicht mit einem einzelligen Lithium-Akkumulator (3000 mAh) Messzeiten zwischen 8 und 24 Stunden. Erstmals existieren auch Varianten, die eine Ortung erlauben. Zur Datenreduktion wird die logarithmische Einhüllende gebildet. Das bedeutet, dass Vorzeichen und Frequenzinhalt des ursprünglichen Signals verloren gehen. Alle anderen Schallemissionsparameter können in einer Qualität bereitgestellt werden, wie dies bei modernen Schallemissionssystemen mit zentraler Signalverarbeitung üblich ist. Bei der Variante AE-WiFi erfolgt die Datenübertragung über ein drahtloses Netzwerk nach IEEE 802.11b/g/n. Im Gegensatz dazu verfügt die Variante PoE über eine Kabelverbindung nach IEE 802.3af, die sowohl dem Datentransfer als auch der Stromversorgung dient. Für die Varianten ohne Ortung werden Starter Kits angeboten, die den Sensor und, je nach Variante, die benötigten Akkumulatoren und ein Ladegerät bzw. die Ethernetkabel und einen PoE-Injector enthalten.

Structural Health Monitoring (kurz SHM) wird in vielen Industriesektoren als Ergänzung zur klassischen zerstörungsfreien Prüfung angesehen, die den Wartungsaufwand im Betrieb einer technischen Anlage oder eines Fahrzeugs senken kann. Eine große Zahl an SHM-Systemen basiert auf der Messung von Ultraschallwellen mit permanent installierten, piezoelektrischen Wandlern. Der Mangel an geeigneten Möglichkeiten, um die Leistungsfähigkeit der Systeme nachzuweisen, ist jedoch weiterhin ein Problem für die breite Anwendung von SHMSystemen. In der zerstörungsfreien Prüfung bezieht sich die Bewertung der Leistungsfähigkeit in der Regel auf die Ermittlung der Fehlerauffindwahrscheinlichkeit (engl. Probability of Detection, kurz POD) eines Prüfverfahrens, die vorwiegend dem Berens-Modell folgt und hier normativ abgedeckt ist. Speziell für Verfahren im SHMBereich existieren jedoch kaum Ansätze zur Bewertung der Leistungsfähigkeit mithilfe von POD. Eine rein experimentelle Ermittlung der POD im SHM-Bereich ist mit einem enormen Materialaufwand, und damit hohen Kosten, verbunden, da die Sensorik permanent auf einem Überwachungsobjekt installiert ist. Rechnergestützte Untersuchungen stellen eine Alternative dar. Hierfür ist zunächst die Modellierung der Ausbreitung elastodynamischer Wellen und deren Interaktion mit Schäden unabdingbar. Der vorliegende Beitrag stellt anhand generischer Couponproben aus kohlefaserverstärktem Verbundwerkstoff die Modellierung der Wellenausbreitung und der Schadensinteraktion mittels des Diskretisierungsverfahrens EFIT vor. Ein Abgleich mit Laborversuchen wird präsentiert und validiert das Modellierungsverfahren. Anschließend wird unter Nutzung dieses Modells eine rechnergestützte POD-Bestimmung diskutiert.

Die Verwendung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) für Strukturkomponenten gewinnt im modernen Fahrzeugbau aufgrund des enormen Leichtbaupotentials zunehmend an Bedeutung. Bei sicherheitsrelevanten CFK-Bauteilen steht dabei die Zuverlässigkeit an oberster Stelle. So können Missbrauchslasten und Alterungsprozesse während des Betriebs zu Vorschädigungen in CFK-Bauteilen führen, die in einer Verringerung der Lebensdauer resultieren. Derartige Vorschädigungen, wie etwa Zwischenfaserbrüche oder Faserbrüche, müssen daher frühzeitig mittels zerstörungsfreier Prüfverfahren (ZfP) detektiert werden, um ein katastrophales Versagen während des Betriebs auszuschließen. Der Beitrag zeigt das Einsatzpotenzial von Schallemissionsprüfungen (AT) zur Detektion von Strukturschäden in dickwandigen CFK-Komponenten eines neuartigen Drehgestellrahmens, der durch die CG Rail GmbH in Dresden entwickelt wurde. Eine spezielle Eigenschaft von Faserkunststoffverbunden unter Ermüdung ist, dass Faserbrüche und Delaminationsprozesse sehr starke Schallemissionen (AE) erzeugen, weshalb die Schallemissionsprüfung bei Faserverbundbauteilen international auch besonders erfolgreich angewendet wird. Die Messergebnisse belegen, dass sich insbesondere Frequenzparameter der Burstsignale zur Abschätzung der Quellmechanismen von Schallemissionen bei Fatique-Belastung von Faserverbundbauteilen eignen. Niedrige Werte der gewichteten Vorzugsfrequenz sind für Reibvorgänge vorhandener Risse, Delamination, Rissbildung in der Matrix charakteristisch, hohe Werte für sich aktuell entwickelnde Strukturschäden durch Faserauszug (Pull-out), Ablösen Faser/ Matrix (Debonding) und Faserbruch. Es wurden statische und dynamische Belastungstests durchgeführt und dabei zwei Messsysteme mit insgesamt 48 Schallemissionssensoren eingesetzt. Mit Schallemissionsanalyse wurden in 42 Einzelmessungen 13 Einzellastfälle statischer Bauteilermüdung begleitet. Während der dynamischen Ermüdungstests in einer zweiten Phase der Messstudie erfolgte AT über 14 Wochen bzw. insgesamt 12 Millionen Lastzyklen. In den Ergebnissen der statischen Fatique-Tests dominieren erwartungsgemäß die spezifischen Lastfälle die Lage der Quellorte der akustischen Emissionen. Energie- und Frequenzparameter der Bursts im Verlauf der dynamischen Bauteil-ermüdung ermöglichen Aussagen zur örtlichen und zeitlichen Schadensentwicklung. Aufbauend auf den parametrisierten Schallemissions-Ortungsplots kann sowohl eine Einordnung der Ergebnisse lokaler Dehnungsmessungen, hinsichtlich der Schadensentwicklung im Bauteil, als auch die spezifische Inspektion des Prüflings mit ZfP-Verfahren erfolgen.