Ultraschall- und Impact-Echo-Verfahren zur

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DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR ZERSTÖRUNGSFREIE PRÜFUNG
Fachtagung Bauwerksdiagnose –
Praktische Anwendungen Zerstörungsfreier Prüfungen
21.-22. Januar 1999 in der Neuen Messe München
DGZfP-Berichtsband 66-CD
Vortrag 6
Ultraschall- und Impact-Echo-Verfahren zur Zustandsuntersuchung von
Spannkanälen
J. Krieger, Bergisch-Gladbach
Abstrakt
Im Rahmen eines Forschungsprojektes der Bundesanstalt für Straßenwesen wurden
zerstörungsfreie Prüfverfahren, die sich zur Untersuchung von Betonbrücken eignen,
mit dem Ziel untersucht, die Leistungsfähigkeit der derzeit verfügbaren EchoVerfahren im Hinblick auf die Zustandsanalyse von Spanngliedern zu bewerten. Die
Untersuchungen erfolgten an Probekörpern, die definierte Fehlstellen aufwiesen.
Zum Einsatz kamen Impuls-Radar, Ultraschall-Echo z.T. unter Einbeziehung von
Rekonstruktionstechniken sowie Impact-Echo.
Im Rahmen des Beitrages werden die mittels Ultraschall und Impact-Echo erzielten
Ergebnisse dargestellt und unter dem Aspekt der Anwendbarkeit im Massivbrückenbau bewertet.
1
Einleitung
Das Fernstraßennetz der Bundesrepublik Deutschland enthält derzeit 34.824
Brückenbauwerke, wobei der Anteil der Spann- und Stahlbetonbauwerke bei ca.
91 % (12.939 Spannbetonbauwerke, 18.931 Stahlbetonbauwerke) des Gesamtbestandes liegt.
Diese Bauwerke wurden im Verlauf der letzten Jahre einer stark erhöhten Beanspruchung infolge ansteigenden Verkehrs, steigender Achslasten und Fahrzeuggesamtgewichte ausgesetzt. Dies führt dazu, daß künftig von einem Anstieg der
Aufwendungen für die Erhaltung dieser Bauwerke ausgegangen werden muß. Im
Zusammenhang mit knapper werdenden Haushaltsmitteln ist es deshalb erforderlich,
Erhaltungsmittel dort einzusetzen, wo der größtmögliche Nutzen entsteht. Das
Leitziel einer Erhaltungsstrategie wird nach Schmuck [1] wie folgt definiert:
"Erhaltung eines optimalen Straßenzustandes, d.h. eines Zustandes, der dem
potentiellen Nutzer einen höchstmöglichen Gebrauchswert bei gleichzeitig minimalen
gesamtwirtschaftlichen
Kosten
und
höchstmöglicher
Umweltverträglichkeit
gewährleistet".
Das Bundesministerium für Verkehr beabsichtigt, diese Erhaltungsstrategie
mittelfristig durch den Einsatz eines einheitlichen Bridge-Management-Systems
(BMS) für Aufgabenstellungen des Bundes und der Länder zu unterstützen.
Wesentliche Module eines BMS stellen die Erfassung und Bewertung des
DGZfP-Berichtsband 66-CD: Vortrag 6
59
Bauwerksdiagnose - Praktische Anwendungen Zerstörungsfreier Prüfungen, 1999
Bauwerkszustandes sowie die Berücksichtigung von Zustandsentwicklungen dar (vgl.
Bild 1).
Zur Erfassung des Bauwerkszustandes sind in der Bundesrepublik Deutschland
regelmäßige Inspektionen aller Ingenieurbauwerke nach DIN 1076 [2]
vorgeschrieben. Im Rahmen dieser Bauwerksprüfungen nach RI-EBW-PRÜF [3]
werden umfangreiche Daten über Schäden an Brücken und anderen
Ingenieurbauwerken erhoben. Hierbei kommen derzeit nahezu ausnahmslos visuelle
Methoden zum Einsatz. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, daß Schäden zum
Teil erst dann festgestellt werden können, wenn sie ein fortgeschrittenes Stadium
erreicht haben und von außen sichtbar sind.
Aus diesem Tatbestand ergibt sich ein Bedarf an Prüfverfahren, mit deren Hilfe von
außen nicht sichtbare Schwachstellen bereits erkannt werden können, bevor
schwerwiegende Schäden am Bauwerk auftreten. Hierzu sind Verfahren der
Zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) in besonderer Weise geeignet [4, 5, 6, 7, 8].
Wünschenswert sind dabei Verfahren, die sowohl vom Zeit- als auch vom
Kostenaufwand her im Rahmen der regelmäßigen Brückenprüfungen angewendet
werden können, quantifizierbare Größen zur Beschreibung des Zustandes von
Ingenieurbauwerken liefern und damit im Rahmen eines BMS Verwendung finden
können [9, 10].
Ein weiterer wichtiger Grund, sich speziell im Brückenbau intensiv mit der
Anwendung von Verfahren der ZfP auseinanderzusetzen, liegt in der Altersstruktur
der Bauwerke begründet. In Bild 2 ist die Anzahl der Brücken an Bundesfernstraßen getrennt für Junge und Alte Bundesländer - sowie die Summenlinie in Prozent
dargestellt [11]. Es wird deutlich, daß in den Jahren 1970 bis 1980 sehr viele
Bauwerke (insbesondere Spannbetonbauwerke) entstanden. Weiterhin zeigt das Bild,
daß mehr als 50 % aller Brücken an Bundesfernstraßen vor 1969 gebaut wurden und
damit älter als 30 Jahre sind.
Betriebsbezogene
Eingaben
Routinemäßige
Datenerfassung
Operative
Merkmale
Bestandsdaten
Kosten
Betreiber
Benutzer
Schadensdaten
Erhaltungsdaten
Bauwerksdaten
Verkehrsdaten
Unfalldaten
Kostendaten
Mittel,
Zwänge,
Mindestbed.
D
a
t
e
n
b
a
n
k
Zustand
Ausgaben
Analyseprozess
Bedarf,
Vorhersagen,
Optionen,
Kosten
Zustandsentwicklung
Durchführbare
Maßnahmen
Technische Eingaben
Bild 1:
Grobstruktur eines BMS
60
6.000
100,00
Junge Bundesländer
Alte Bundesländer
0
6XPPH >@
25,00
1.500
50,00
3.000
75,00
ELV 4.500
XQEHNDQQW
$Q]DKO
Summe [%]
0,00
Jahr
Bild 2:
Altersstruktur der Brücken an Bundesfernstraßen
Über das Alter, das diese Bauwerke erreichen werden, lassen sich keine genauen
Aussagen treffen. Es kann jedoch davon ausgegangen werden, daß die Brücken
infolge der ständig zunehmenden Beanspruchung durch den Schwerverkehr eine
Reduzierung der ursprünglich geplanten Lebensdauer erfahren werden. Zusätzlich
muß aufgrund vorliegender Einzelfälle davon ausgegangen werden, daß bestehende
Bauwerke "verborgene" Mängel aufweisen, die sich erst nach einer bestimmten
Nutzungsdauer bemerkbar machen.
Bei der Zustandsuntersuchung von Massivbrücken kommt der Lokalisierung von
Lage und Ausmaß von Fehlstellen eine besonders große Bedeutung zu, da hier unter
Umständen die Standsicherheit der Bauwerke berührt werden kann. Fehlstellen
ergeben sich meist durch nur teilweise verpreßte Hüllrohre oder durch unzureichende
oder falsche Verdichtung. Die Auswirkungen dieser Mängel werden meist erst nach
längerer Nutzung der Bauwerke sichtbar und verursachen sehr hohe
Instandsetzungskosten.
Aus diesem Grund wurde die Leistungsfähigkeit zerstörungsfreier Prüfverfahren zur
Lokalisierung von unter der Oberfläche verborgenen Fehlstellen im Rahmen
verschiedener Forschungsvorhaben durch die Bundesanstalt für Straßenwesen
(BASt) untersucht [8, 12].
2. Aufgabenstellung und methodisches Vorgehen
Im Rahmen eines dieser Forschungsvorhaben [12,13] wurden verschiedene
zerstörungsfreie Prüfverfahren, die sich zur Untersuchung von Betonbrücken eignen,
vergleichend eingesetzt. Da die Materialeigenschaften von Beton selbst bei
identischer Rezeptur sehr unterschiedlich sein können, wurde der Vergleich als
Ringversuchsreihe konzipiert, an der neben der BAM Arbeitsgruppen aus
verschiedenen Institutionen teilnahmen (vgl. Tab. 1). Im Rahmen dieses Beitrages
werden die Ergebnisse der Ultraschall- und Impact-Echo-Verfahren einschließlich
61
entsprechender Rekonstruktionsverfahren vorgestellt, wobei auf folgende Aspekte
eingegangen wird:
• Ortung von Verdichtungsmängeln außerhalb von Hüllrohren
• Ortung von Verpreßfehlern in Hüllrohren
• Ortung von Verdichtungsmängeln im Beton
Nr.
1
Methode
Ultraschall-Echo
2
Verfahren
Arbeitsgruppe
Abkürzung
Impuls-Echo mit A-Bild-Darstellung
Krautkrämer AG, Hürth
US-A-Scan
Bistatische Messung mit Array
TH Darmstadt
US-Array
und Pulskompression
3
Impuls-Echo mit B-Bild-Darstellung
Universität Dortmund
US-B-Scan
4
Impuls-Echo mit B-Bild-Darstellung
MFPA Thüringen, Weimar
US-LSAFT
BAM, Berlin
US-3D
und LSAFT Rekonstruktion
Bistatische Messung mit flächiger synthetischer
5
Apertur und Laservibrometer als Sensor
6
7
Impact-Echo
Tab. 1:
Rekonstruktion der Daten aus 5 mit 3D-SAFT
Fraunhofer IZFP, Saarbrücken
Simulation der Ausbreitung elastischer Wellen
Fraunhofer IZFP; EADQ, Dresden I-E-1
nach mechanischer Pulsanregung
FMPA Baden-Württemberg
I-E-2
Meßverfahren und Arbeitsgruppen
Als Untersuchungsobjekte wurden durch die BASt zwei Probekörper aus Beton B 45
mit Abmessungen von 2,0 m x 1,5 m x 0,7 m konzipiert. Diese Probekörper enthalten
metallische Hüllrohre bei einer Betonüberdeckung von 200 bis 300 mm mit
Verpreßfehlern unterschiedlicher Größe sowie Bereiche unzureichender Verdichtung
um die Hüllrohre. Die beiden Probekörper weisen insgesamt vier Bereiche mit
unterschiedlich starker schlaffer Bewehrung auf (keine, ein- und mehrlagig). Bild 3
zeigt den Bauplan des Probekörpers I mit den beiden Hüllrohren und den Fehlstellen
im Beton (F1 bis F8). Der Bereich 1 wurde ohne schlaffe Bewehrung, der Bereich 2
mit einem Bewehrungsraster von 150 mm ausgeführt. Die Bewehrungsstäbe haben
einen Durchmesser von 12 mm; zusätzlich sind an den Rändern des Probekörpers
konstruktiv Bügel angeordnet. Die Eigenschaften des Betons (Festigkeitsklasse B45,
Größtkorn 16 mm, Luftporengehalt ca. 5%) und die Anordnung der Hüllrohre
entsprechen damit Bedingungen wie sie im Massivbrückenbau in der Praxis üblich
sind.
Beide Probekörper wurden liegend, unter Verwendung einer Betoplan-Schalung
betoniert. Dies hat zur Folge, daß jeweils eine Fläche der Probekörper glatt (Seite A)
und die andere Seite rauh (Seite B) ist. Vor der Durchführung der Messungen wurden
beide Probekörper mit einem Raster (10 x 10 cm) versehen. Bild 3 zeigt das
Koordinatensystem des Probekörpers I, bezogen auf die rauhe Seite (Seite B).
62
Bild 3:
Ansicht des Probekörpers I von der Seite B gemäß Bauplan (rauhe Seite)
In vorausgegangenen Versuchsreihen konnte gezeigt werden, daß mit Radar- und
Ultraschall-Verfahren metallische Hüllrohre mit guter Genauigkeit ortbar sind [14]. Da
das Radar-Verfahren deutlich schneller anzuwenden ist als die akustischen
Verfahren, wurden beide Probekörper zunächst vollflächig mit Radar untersucht. Um
den Meßaufwand der akustischen Verfahren (Ultraschall und Impact-Echo) zu
reduzieren, wurden die anhand der Radarmessungen gewonnenen Erkenntnisse zur
Lage der Hüllrohre allen nachfolgenden Arbeitsgruppen bekanntgegeben.
Der Aufwand für die Durchführung der Messungen an den beiden Probekörpern
wurde je Verfahren auf drei bis vier Tage begrenzt. Da eine vollflächige
Untersuchung in dieser Zeit für die akustischen Verfahren noch nicht realistisch ist
und dennoch eine größtmögliche Vergleichbarkeit der Ergebnisse erreicht werden
sollte, lag der Schwerpunkt der Versuchsreihe auf der Untersuchung der Hüllrohre.
3
Ultraschall- und Impact-Echo-Verfahren
Die Ultraschall- und Impact-Echo-Messungen erfolgten durch insgesamt acht
Arbeitsgruppen (vgl. Tabelle 1).
Die Auswahl der an der Ringversuchsreihe beteiligten Ultraschall-Verfahren erfolgte
so, daß sämtliche aktuell in der Anwendung und Weiterentwicklung befindlichen
Ansätze vertreten sind. Damit reicht die Bandbreite von der monostatischen
Ultraschall-Impulstechnik mit manueller Technik über die Verwendung eines
Prüfkopfarrays bis zu manuell und automatisch scannenden Systemen.
63
Nachfolgend werden die eingesetzten Verfahren kurz beschrieben. Die Numerierung
entspricht der Aufstellung in Tabelle 1.
Impuls-Echo-Verfahren mit Analyse von A-Bildern im Frequenzbereich von 50 bis 500
kHz (kommerzielles Ultraschall-Gerät USD10NF, Krautkrämer GmbH & Co.): ImpulsEcho mit getrennten Sende- und Empfangsprüfköpfen auf einer Seite des
Probekörpers.
Impuls-Echo Verfahren mit getrennten Sende- und Empfangspositionen: Verwendung
eines Arrays, bestehend aus sieben Prüfköpfen im Frequenzbereich von 80 bis 250
kHz; Ankopplung mittels Schnellzement; Auswertung durch Berechnung der
Korrelationsfunktion zwischen Sende- und Empfangssignal [15].
Impuls-Echo-Verfahren mit Analyse von B-Bildern im Frequenzbereich von 50 bis 250
kHz (kommerzielles System Ing. Büro W. Hillger NFUS 2300): Filterung des
Empfangssignals mittels eines speziell auf die Gegebenheiten von Beton
abgestimmten Tiefpaßfilters mit einstellbarer Grenzfrequenz [16].
Aufnahme von A-Bildern entlang einer linearen Apertur (kommerzielles System Ing.
Büro W. Hillger NFUS 2700), speziell entwickelte Auswertesoftware: A-/ B- Scans
online, LSAFT-Analyse offline (LSAFT: Linear Synthetic Aperture Focusing
Technique) [17].
Aufnahme von Impuls-Echo A-Bildern (Sender und Empfänger getrennt) entlang
einer zweidimensionalen synthetischen Apertur (BAM Berlin): manuelle
Datenaufnahme (ca. 100 Punkte) sowie automatische Aufnahme großer Datensätze
(ca. 3000 Punkte) mittels eines scannenden Laser-Vibrometers als Empfänger [18].
Dickenmessung auf der Grundlage laufzeitkorrigierter Überlagerung.
Auswertung der Ergebnisse mit Laser-Vibrometer (Nr. 6) mit dreidimensionaler
Rekonstruktionsrechnung (3D-SAFT) [18, 19].
Impact-Echo-Verfahren:
Frequenzanalyse
mechanischer Pulsanregung [20].
von
Vielfachreflexionen
nach
4. Ergebnisse
4.1 Ultraschall-Echo
Bereits bei den vorab durchgeführten Radarmessungen wurde festgestellt, daß
- bedingt durch die engmaschige Betonbewehrung des Probekörpers II - eine
Lokalisierung der Hüllrohre nicht möglich war. Die nachfolgend beschriebenen
Ergebnisse beziehen sich deshalb auf den Probekörper I.
Bauteildicke
Alle eingesetzten Ultraschall-Verfahren konnten die Dicke des Probekörpers mit
ausreichender Genauigkeit bestimmen. Hierdurch konnten die Ergebnisse einer
vorhergehenden Versuchsreihe [14] bestätigt werden. Auch die Hüllrohrortung im
bewehrungsfreien Teil des Probekörpers I war mit allen Ultraschall-Verfahren
erfolgreich.
64
Tiefenlage des Hüllrohrs
Mittels der Ultraschall-Messungen wurde festgestellt, daß die Tiefenlagen der
Hüllrohre - bezogen auf die rauhe Seite des Probekörpers (Seite B) - 300 bis 350 mm
(oberes Hüllrohr) und 330 mm (unteres Hüllrohr) betragen und damit näher an der
rauhen Oberfläche als durch den Konstruktionsplan vorgegeben (350 bis 370 mm)
liegen. Die bildgebenden Verfahren US-LSAFT und US-3D weisen von der glatten
Seite (A) aus übereinstimmend nach, daß das Hüllrohr nicht exakt parallel zur
Oberfläche verläuft und in der Vertikalen T mit 230 mm den geringsten Abstand von
der Oberfläche erreicht. Einen ähnlichen Verlauf des Hüllrohrs im bewehrungsfreien
Bereich weist auch US-A-Bild mit den punktweise im Abstand von 100 mm
aufgenommenen Daten nach (vgl. Bild 4).
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
L
M
N
O
P
Q
R
S
T
U
glatte Seite
Bild 4:
Tiefenlage des oberen Hüllrohrs (US-A-Bild), Probeköper I (Seite B)
Im bewehrten Teil des Probekörpers I wurden mit US-A-Bild und US-3D der
Tiefenverlauf der Hüllrohre und mit US-LSAFT die Tiefe an einem Punkt bestimmt.
Bei den anderen Verfahren ist der Einfluß der Bewehrung so groß, daß keine
Aussage zur Hüllrohrtiefe getroffen werden konnte.
Zur Bestimmung der Tiefenlage der Hüllrohre mittels Ultraschall-Verfahren ist
festzustellen, daß die Genauigkeit der Bestimmung der Betonüberdeckung der
Hüllrohre für die baupraktische Anwendung ausreicht.
Ortung von Hohlstellen und Verdichtungsmängeln in den Spannkanälen des
Probekörpers I
Gemäß Konstruktion enthalten die beiden Hüllrohre jeweils drei Hohlstellen und einen
Verdichtungsmangel um das Hüllrohr (vgl. Bild 3). Den einzelnen Arbeitsgruppen
wurden vor Durchführung der Messungen lediglich die Ergebnisse der RadarMessungen bekanntgegeben.
In Bild 5 sind die mittels US-A-Bild, US-LSAFT und US-3D erzielten Ergebnisse zur
Lage der Fehlstellen in bzw. um die Hüllrohre zusammen mit der Lage der Fehlstellen
dargestellt. Die Lage der Fehlstellen wurde dabei nach Abschluß aller Messungen an
Probekörper I zerstörend bestimmt. Gegenüber dem Bauplan (Bild 3) stellten sich
dabei geringfügige Abweichungen und zwei nicht geplante Ablösungen (H7 und H8)
heraus.
65
Bild 5:
Ergebnisse der Ultraschall-Messungen, Probekörper I (Seite B)
Die erzielten Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:
• Es zeigt sich, daß aus den Ergebnissen zahlreiche korrekte Angaben zu den
Defekten abzuleiten sind, die in ihrer Deutlichkeit jedoch noch nicht zur
vollständigen Lokalisierung aller Fehlstellen ausreichen.
• Im oberen Hüllrohr wird der Verdichtungsmangel K1 mit US-A-Bild richtig
angegeben, die benachbarten Meßpunkte bestätigen diese Deutung allerdings
nicht. Hier stellt sich der bei dieser Punktmeßtechnik gewählte Abstand von
100 mm als zu groß für die Interpretation heraus.
• Die Ergebnisse der Messung mit US-3D identifizieren die Hohlstelle H5 bei GH7
mit einer Abweichung von 30 mm richtig [18].
• Die Fehlstelle H4 (Verpreßfehler) wird mittels US-LSAFT identifiziert. Die
Interpretation erfolgt aus der Intensität der Rückstreuung; eine Angabe der Art der
Fehlstelle wird nicht gegeben.
• Ein Teil des Verdichtungsmangels K2 wird richtig und ein Teil als Hohlstelle
interpretiert (US-3D, US-LSAFT). Auch in den US-A-Bild Ergebnissen findet sich
eine Bestätigung für diesen Verdichtungsmangel; die sonst deutlich vorhandenen
Hüllrohrreflexe verschwinden in diesem Bereich.
• Die Lage der mit US-3D interpretierten Hohlstelle bei K2 stimmt jedoch mit der des
eingebauten Verdichtungsmangels überein, wenn man sie mit dem als solchen
interpretierten benachbarten Bereich verbindet. Die Fehlinterpretation entsteht
66
wahrscheinlich durch die Tatsache, daß der Verdichtungsmangel mit einer
Kunststoff-Folie realisiert wurde, die zu einer gerichteten Reflexion führt. Von
einem realen Verdichtungsmangel wäre das nicht zu erwarten.
• Aus dem Vergleich der Daten von Seite A und B des Probekörpers gelingt eine
Angabe der Hüllrohrdicke (US-A-Bild, US-LSAFT).
• Die im Randbereich eingebauten Fehlstellen können mit dem Verfahren
wahrscheinlich deshalb nicht gefunden werden, da sie nur aus einer Richtung
beschallt werden konnten, was durch die Begrenzung des Probekörpers bedingt
ist.
• Ein ausgedehnter Verdichtungsmangel wird mit US-3D und US-A-Bild im Bereich
von D bis F vorausgesagt. Nach dem Kriterium, daß der Hüllrohrreflex in diesem
Fall verschwindet, ist die Zuordnung eindeutig. Dieser Verdichtungsmangel konnte
jedoch anhand der Ergebnisse der zerstörenden Prüfung des Probekörpers nicht
verifiziert werden.
• Die beiden schmalen nicht geplanten Ablösungen (H7, H8) konnten mit den
Blindversuchen nicht geortet werden. Bei einer nachträglichen Betrachtung der
Ergebnisse mit Kenntnis der Ablösungen ergeben sich jedoch Hinweise auf diese
Fehlstellen in den Auswertungen von einigen Ultraschall-Echo-Messungen (siehe
z.B. [21]).
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß Verfahren mit anschließender
Rekonstruktionsrechnung grundsätzlich in der Lage sind, Fehlstellen im und
Verdichtungsmängel um das Hüllrohr ortsgenau vorherzusagen. Die Genauigkeit der
Vorhersage genügt dabei den baupraktischen Anforderungen. Weiterhin ist
festzustellen, daß Punktmessungen mit US-A-Bild ebenfalls eine Zuordnung der
Fehlstellen im A-Bild ermöglichen (Bild 6).
Bild 6:
US-A-Bild, Verdichtungsmangel K2
67
Ortung von Kiesnestern (Fehlstellen außerhalb der Hüllrohre)
Eine genaue Ortung einzelner Fehlstellen (F1 bis F8, vgl. Bild 3) war aufgrund der zu
geringen Abmessungen von 50 x 50 mm mit keinem der beteiligten UltraschallVerfahren möglich. Lediglich die Fehlstelle F7 konnte mit US-A-Bild und US-LSAFT,
wenn auch mit einer lateralen Abweichung von etwa 40 mm, nachgewiesen werden.
Erschwerend für die Ortung erwies sich, daß der für die Aufhängung der Fehlstellen
verwendete Stabstahl zusätzlich als Streuzentrum wirkt.
Betrachtet man jedoch die Fehlstellen F1 bis F4 und F5 bis F8 je als einen
zusammenhängenden größeren geschädigten Bereich, so ist dessen Nachweis mit
den erwähnten Verfahren möglich.
Die Kombination der Ergebnisse der unterschiedlichen Verfahren führte dazu, daß
bestimmte Ergebnisse (unter Einbeziehung derjenigen der Impact-Echo-Verfahren,
vgl. Abschn. 4.2), die einzeln betrachtet nicht signifikant genug für eine Vorhersage
waren, im Zusammenhang zu richtigen Interpretationen führten.
4.2
Impact-Echo
Im Rahmen der Untersuchungen kamen zwei Modifikationen des Impact-EchoVerfahrens zum Einsatz, wobei es sich zum einen um ein kommerzielles Gerät (I-E-1)
[22] und zum anderen um eine Eigenentwicklung (I-E-2) [23] handelte (vgl. Tab. 1).
Beide Impact-Echo-Verfahren konnten ihre aus der
Leistungsfähigkeit zur Dickenmessung unter Beweis stellen.
Literatur
bekannte
Die Verifikation der durch die Radarmessung vorgegebenen Hüllrohrposition gelang
mit diesen Verfahren nicht, also auch keine Aussage über den Verpreßzustand im
oder Verdichtungmängel um das Hüllrohr. Dieses Ergebnis erscheint bei Kenntnis der
in der Literatur berichteten Erfolge [22] - speziell bei der Spannkanalanalyse zunächst erstaunlich. Möglicherweise erschwert die hier vorliegende realitätsnahe
Hüllrohrtiefe (deutlich größer als der Durchmesser) den erfolgreichen Einsatz des
Impact-Echo-Verfahrens.
Die Fehlstellen F1 bis F4 im bewehrungsfreien Bereich des Probekörpers I werden
von den beteiligten Impact-Echo-Verfahren in ihrer Gesamtheit geortet, ohne daß
eine genaue Ortsangabe erfolgen kann (Bild 7).
68
Bild 7: Ergebnisse der Impact-Echo-Messungen, Probekörper I (Seite B)
5
Zusammenfassung und Schlußfolgerungen
In der beschriebenen Ringversuchsreihe wurden Ultraschall- und Impuls-EchoVerfahren verglichen, die zur zerstörungsfreien Prüfung von Brückenbauwerken aus
Spannbeton bei einseitiger Zugänglichkeit geeignet sind. Die Konstruktion der
Probekörper und die Eigenschaften des Betons entsprechen häufig in der Praxis
auftretenden Fällen. Im Rahmen der Ringversuchsreihe erfolgte eine vergleichende
Bewertung für eine konkret vorliegende Aufgabenstellung.
Die Versuchsreihe an den Probekörpern hat bestätigt, daß sich Ultraschall-EchoVerfahren zur Untersuchung von Spannkanälen eignen, wobei eine Kombination mit
Radar-Verfahren sinnvoll erscheint. Tab. 2 zeigt eine Zusammenstellung der erzielten
Ergebnisse.
Mit allen beteiligten Ultraschall-Verfahren konnte die Dicke der Probekörper und die
Betondeckung im Bereich ohne schlaffe Bewehrung korrekt bestimmt werden. Im
Blindversuch konnten die Ultraschall-Verfahren mit anschließender bildgebender
Rekonstruktionsrechnung einige der gezielt eingebauten Hohlstellen und
Verdichtungsmängel angeben. In einigen Fällen gelang die Ortung von
Verdichtungsmängeln auch durch Ultraschall-Messungen mit A-Bild-Darstellung.
69
Verfahren
Bestimmung von
Dicke
Lage von
Betonüberdeckung Hüllrohr
Bewehrungsabstand
ohne
150 mm
75 mm
Fehlstelle
Verdichtungsmangel
Hüllrohr
US-A-scan
Ja
Ja
Ja
Nein
Nein
möglich
US-Array
Ja
Ja
möglich
Nein
Nein
Nein
US-B-scan
Ja
Ja
Ja
möglich
möglich
möglich
US-LSAFT
Ja
Ja
Ja
möglich
möglich
möglich
US-3D
Ja
Ja
Ja
Ja
möglich
möglich
I-E
Ja
Nein
Nein
Nein
Nein
Nein
Tab. 2:
Beton
möglich
möglich
Zusammenstellung der Ergebnisse
Das Impact-Echo-Verfahren konnte die aus der Literatur bekannte Leistungsfähigkeit
zur Analyse von Spannkanälen hier nicht erfüllen. Eine zuverlässige Ortung von
Fehlstellen gelang für die hier vorliegende Problemstellung, bei der die Hüllrohrtiefe
wesentlich größer als deren Durchmesser ist, nicht.
Die in die Probekörper eingebrachten Verdichtungsmängel mit Abmessungen von
50 x 50 mm konnten mit keinem der beteiligten Verfahren einzeln lokalisiert werden.
Mit Impact-Echo und einigen der beteiligten Ultraschall-Verfahren wurde der Bereich
der Verdichtungsmängel angegeben.
Der Einfluß der engliegenden schlaffen Bewehrung des Probekörpers II auf die
Ultraschall-Verfahren hat sich als störender herausgestellt als erwartet. Kombiniert
mit der hier vorliegenden großen Hüllrohrtiefe und dem relativ hohen Luftporengehalt
liegen damit Bedingungen vor, bei denen eine zuverlässige Analyse der Hüllrohre mit
den zur Verfügung stehenden Verfahren derzeit noch nicht möglich ist.
Der Aufwand, mit dem sich die Ultraschall-Ergebnisse erzielen lassen, ist je nach
Verfahren unterschiedlich. Beim gegenwärtigen Stand der Entwicklung lassen sich
noch keine abgesicherten auf die Fragestellung und die zu untersuchende
Betonoberfläche bezogenen Kosten für die Messungen angeben. Qualitativ läßt sich
sagen, daß sich die punktbezogenen Messungen (US-A-Bild) in wenigen Stunden
durchführen lassen, wenn die Anzahl der zu untersuchenden Punkte nicht zu groß ist.
Die aus diesen Messungen ablesbaren Werte, wie Bauteildicke und Betondeckung,
sind dann sofort verfügbar.
Die linien- bzw. flächenbezogenen Verfahren (US-LSAFT, US-3D) erfordern in der
Regel einen mindestens halbtägigen Zeitaufwand für die Durchführung der
Messungen, wobei das Ergebnis erst einer nachträglichen Rekonstruktionsrechnung
zu entnehmen ist.
Nach dem jetzigen Stand der Untersuchungen ist aber davon auszugehen, daß nur
diese Verfahren die Perspektive einer Zustandsanalyse von Spannkanälen bieten.
Mit dem Fortschritt der Rechnertechnologie und dem Entwickeln von
problembezogener Software ist davon auszugehen, daß die Auswertung in naher
Zukunft unmittelbar anschließend an die Messungen vor Ort erfolgen kann.
70
6
Danksagung
Allen an dem Ringversuch, den Rekonstruktions- und den Simulationsrechnungen
beteiligten Arbeitsgruppen sei für ihre engagierte Mitarbeit gedankt (BAM, Berlin;
FMPA Baden-Württemberg, Stuttgart; Fraunhofer IZFP Saarbrücken und Desden;
HOCHTIEF AG, Frankfurt; Krautkrämer GmbH & Co., Hürth; MFPA an der
Bauhausuniversität Weimar; TH-Darmstadt; Universität Dortmund; Universität Gh
Kassel).
7
[1]
Literatur
Schmuck, A.: Straßenerhaltung mit System, Grundlagen des Managements,
Kirschbaum Verlag, Bonn, 1987.
[2]
Ingenieurbauwerke im Zuge von Straßen und Wegen, Überwachung und
Prüfung, DIN 1076, Ausgabe März 1983.
[3]
Richtlinie zur einheitlichen Erfassung, Bewertung, Aufzeichnung und
Auswertung von Ergebnissen der Bauwerksprüfungen nach DIN 1076,
Bundesministerium für Verkehr, Abteilung Straßenbau, Ausgabe 1994.
[4]
Studie zur Anwendung zerstörungsfreier Prüfverfahren bei Ingenieurbauwerken,
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Forschungsbericht 177,
Berlin 1991.
[5]
Schickert, G., Schnitger, D. (Hrsg.): Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen,
Tagungsbericht ZfP Bau-Symposium 2. und 3. Oktober 1985, Berlin, DGZfP,
Berlin 1986.
[6]
Schickert, G. (Hrsg.): Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen, Tagungsbericht
Int. ZfP Bau-Symposium 27. Februar - 01. März 1991, Berlin, BAM, DGZfP,
Berlin 1991.
[7]
Schickert, G., Wiggenhauser, H. (Hrsg.): Non-Destructive Testing in Civil
Engineering (NDT-CE), Int. Symposium, Berlin, Sept., 1995.
[8]
Krieger, J.: Anwendung von zerstörungsfreien Prüfmethoden bei Betonbrücken,
Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe Brücken- und
Ingenieurbau, Heft B9, September 1995.
[9]
Chase, S., B., Washer, G.: Nondestructive Evaluation for Bridge Management in
the next century, Public Roads, July/August 1997, pp. 16-24.
[10] Hadavi, A.: Incorporation of Nondestructive evaluation in Pontis Bridge
Management System, Proc. Structural Materials Technology III, 31 March - 3
April 1998, San Antonio, Texas, pp. 464 - 471.
[11] Statistik der Brücken und anderen Ingenieurbauwerken der Bundesfernstraßen;
Bestandsentwicklung,
Bundesministerium
für
Verkehr,
Schreiben
StB 25/38.99.10/63 Va 96 v. 26. April 1996, unveröffentlicht.
[12] Krieger, J., Krause, M, Wiggenhauser, H.: Erprobung und Bewertung
zerstörungsfreier Prüfmethoden für Betonbrücken, Berichte der Bundesanstalt
für Straßenwesen, Reihe Brücken- und Ingenieurbau, Heft B18, März 1998.
[13] Kause, M.; Krieger, J., M, Wiggenhauser, H.: Erprobung und Bewertung
zerstörungsfreier Prüfverfahren für Betonbrücken, Bautechnik, im Druck.
71
[14] Krause, M., Bärmann, R., Frielinghaus, R., Kretzschmar, F., Kroggel, O.,
Langenberg, K.J., Maierhofer, C., Müller, W., Neisecke, J., Schickert, M.,
Schmitz, V., Wiggenhauser, H., Wollbold, F.: Comparison of pulse-echo
methods for testing concrete, NDT&E International, 30, 1997.
[15] Jahnson, R., Kroggel, O., Ratmann, M.: Detection of Thickness, Voids,
Honeycombing and Tendon Ducts using Ultrasonic Impulse-Echo-Technique,
Proc. Int. Symp. Non-Destructive Testing in Civil Engineering, G. Schickert, H.
Wiggenhauser (eds), DGZfP, Berlin, 1995, Vol 1, pp. 419-427.
[16] Hillger, W.: Inspection of concrete by ultrasonic pulse-echo-technique, proc. of
the 6th European Conf. On Non-Destructive Testing, Nice, 1994, pp. 11591163.
[17] Schickert, M.: Towards SAFT-Imaging in Ultrasonic Inspection of Concrete, G.
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Ultraschall- und Impact-Echo-Verfahren zur

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