Codawellenbasierte Ultraschallmethoden für Beton - Erweiterung der Möglichkeiten durch die Kombination von 3D-Informationen mit akustischer Emission und Ausnutzung zusätzlicher Merkmale für die Anwendung auf reale Strukturen
Innerhalb CoDA befindet sich die BAM an der Schnittstelle zwischen experimentellen Gruppen und theoretischer Methodenentwicklung. Neben der Vermittlung von Kenntnissen über Messgeräte und -ausrüstung, streben wir die Entwicklung neuer Methoden zur Datenauswertung an. Das Ziel der CoDA-Gruppen ist die Bewertung von Betonschäden in Infrastruktur, zu unterstützen.
Projektbeschreibung
Für die zweite Phase des Projekts hat die BAM vier Arbeitsschwerpunkte: die Erweiterung der Bildgebungsmethoden, die Unterscheidung zwischen Umgebungsschwankungen , Schadens- und Belastungseffekten, die Anwendung dieser Technologien auf reale Strukturen und die Bereitstellung aller für die Experimente im Rahmen des CoDA-Projekts erforderlichen Instrumente.
Die Bildgebungsmethoden betreffend werden für die zweite Phase drei Hauptarbeitsbereiche festgelegt. Der Erste besteht darin, unsere Methoden von 2D- auf 3D-Strukturen zu übertragen. Zweitens sollen die sich in den Medien ausbreitenden Wellen besser verstanden werden, indem Drei-Komponenten-Empfänger in die Simulationen und Experimente einbezogen werden. Drittens: Da sich eine Kombination von ZfP-Methoden bei der Überwachung von Strukturen immer als vorteilhaft erwiesen hat, wird eine Kombination von Ultraschallsensoren mit akustischer Emission erforscht werden.
In Bezug auf die Umgebungsschwankungen soll ein Basisverfahren entwickelt werden, um die durch Umweltveränderungen verursachten Geschwindigkeitsschwankungen von den durch Belastung und Beschädigung verursachten Schwankungen zu unterscheiden. Daneben hat ein weiterer Umwelteinfluss unsere Aufmerksamkeit erregt: Wenn die Beschädigung der Struktur zunimmt, wird der Gradient der Coda-Wellengeschwindigkeit gegenüber der Temperatur beeinflusst. Dies eröffnet einen neuen Weg zur Erforschung. Die Idee wäre, den Schädigungsgrad einer Struktur in Abhängigkeit von diesem Gradienten zu bewerten.
Bisherige Ergebnisse
In Förderphase 1 lag der Fokus im Wesentlichen auf den folgenden Schwerpunkten:
· Instrumentierung – Sensorik und Messgeräte inklusive Software
· CWI Datenauswertung – Labor und Feldexperimente
zusätzlich konnte mit der Gänstorbrücke – Ulm ein Bestandsbauwerk instrumentiert werden, welches zur Überprüfung der Mess- und Analysewerkzeuge am Realbauwerk zur Verfügung steht. An der Gänstorbrücke wurden 24 Sensoren eingebettet, die nun mit Unterbrechungen seit Ende 2020 ein aktives Ultraschallmonitoring betreiben
Instrumentierung – Sensorik und Messgeräte inklusive Software
Mit der Weiterentwicklung der BAM eigenen Messapparatur „W-Box“ (Abb 1) konnten zahlreiche Versuche an TUM1 unterstützt, sowie das Monitoringsystem an der Gänstorbrücke betrieben werden. Die Verbesserungen im Design der Bauteile führten zu einer Verringerung der Fehleranfälligkeit und einer Verbesserung der Signalqualität (Abb 2). Wie an der Gänstorbrücke getestet, können nun nach spezieller Datennachbearbeitung und Filterung Coda Wellenanalysen bei bis zu c.a. 3 m Abstand durchgeführt werden. Klare Signale können bis zu 6 Metern erkannt werden. Auf der Seite der Sensorik wurde vornehmlich das Einbettungsverfahren für Bestandsbauwerke optimiert, sodass viele Sensoren sicher und schnell in bestehende Strukturen eingebettet werden, egal ob über Kopf, horizontal oder über Wasser.
CWI als Monitoring Methodik: Datenauswertung – Labor und Feldexperimente
Um die Möglichkeiten der Strukturüberwachung mittels CWI zu beurteilen, benötigt es eine Auswahl an Auswerteverfahren und Strategien zum Umgang mit ungewollten externen Einflüssen auf die Strukturen. Beispielsweise Temperaturen oder kurzzeitige Lasteinflüsse. Während den Vorversuchen in Klimakammern und am BAM Testgelände TTS in Horstwalde, wurde zunächst die Möglichkeit der Temperaturkorrektur untersucht. Speziell tägliche Variationen lassen sich durch Filterung z.B. im Frequenzbereich eliminieren (Abb. 3). Im Betrieb an der Gänstorbrücke konnte dann unter Zuhilfenahme von Spannungsmessungen der Kausalzusammenhang zwischen Temperaturänderungen, Spannung und Ultraschallgeschwindigkeit untersucht werden, wobei eine Temperaturzunahme zu einer Verringerung der Spannung und einer geringfügigen aber nicht insignifikanten Geschwindigkeitsreduktion führt.
Ebenfalls an der Gänstorbrücke wurden die Einflüsse von unerwarteten und temporären Belastungen auf das Bauwerk und damit die Monitorringergebnisse untersucht. Dabei konnte festgestellt werden, dass Belastung durch das Messsystem entdeckt und lokalisiert wird, sowie einen längerfristigen Einfluss auf das Bauwerk hat (Abb 5). Die Veränderungen sind zwar meist vollständig reversibel und kurzfristig, allerdings von selber Magnitude wie Temperatureinflüsse, was die Unterscheidung dieser beiden Störeinflüsse erschwert.
