Ultraschall-Abbildungsverfahren zur Diagnose von

DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR ZERSTÖRUNGSFREIE PRÜFUNG
Fachtagung Bauwerksdiagnose –
Praktische Anwendungen Zerstörungsfreier Prüfungen
21.-22. Januar 1999 in der Neuen Messe München
DGZfP-Berichtsband 66 CD
Plakat 17
Ultraschall-Abbildungsverfahren zur Diagnose
von Betonbauteilen
M. Schickert, Weimar
Für den Einsatz im Bauwesen wurde von der MFPA Weimar ein Ultraschall-Abbildungsverfahren entwickelt, mit dem Bauteile aus Beton und anderen mineralischen
Baustoffen zerstörungsfrei geprüft werden können. Das Verfahren verwendet die
SAFT-Rekonstruktion (Synthetic Aperture Focusing Technique), um hochauflösende
Schnittbilder von Materialbereichen darzustellen.
Die SAFT-Rekonstruktion kann vor Ort, im Labor und in der Produktion eingesetzt
werden und läßt sich an spezielle Aufgaben anpassen.
Meßablauf und Bildberechnung
Mehrere Ultraschallmessungen werden entlang einer Linie auf der Oberfläche des
Bauteils durchgeführt, das nur von einer Seite aus zugänglich zu sein braucht. Dabei
wird ein Ultraschallpuls von einem Prüfkopf in das Bauteil eingeschallt und dort von
den Materialgrenzen – zu Luft, zu Wasser und zu anderen Materialien – reflektiert.
Die Reflexionen werden von demselben Prüfkopf empfangen und im Ultraschallgerät
digitalisiert und gespeichert.
Aus den Meßergebnissen wird eine SAFT-Rekonstruktion berechnet, die ein Schnittbild entlang der Meßlinie und senkrecht zur Materialoberfläche liefert [1]. Das resultierende Bild bildet die Materialgrenzen ortsrichtig ab, bedarf aber einer zusätzlichen
Interpretation.
Zur Illustration der Arbeitsweise des Verfahrens zeigt Bild 1 den Querschnitt eines
Testkörpers aus Beton B35, in den zwei Querbohrungen mit 55 mm Durchmesser
eingebracht sind. Auf seiner Oberfläche werden mehrere Ultraschallmessungen
durchgeführt. In der SAFT-Rekonstruktion in Bild 2 ist die Rückwand als Linie in einer Tiefe von 300 mm zu erkennen. Die beiden Bohrungen machen sich als helle
Anzeigen und als Abschattungen der Rückwandlinie bemerkbar.
Meßbereich und Auflösungsvermögen
Aus der SAFT-Rekonstruktion lassen sich die Lage verborgener Objekte und, bei
größeren Objekten, auch deren Abmessungen ablesen.
Allerdings wird der Ultraschallpuls im Beton nicht nur von verborgenen Objekten,
sondern auch am Zuschlag und an den Poren reflektiert. Dies führt zu einer Überlagerung des Bildes mit einem Bildrauschen, das die Aussagekraft der SAFT-
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Bild 1 Schnitt durch einen Testkörper mit zwei Bohrungen, auf dessen Oberfläche die Ultraschallmessungen durchgeführt werden
Bild 2 SAFT-Rekonstruktion des Testkörpers aus Bild 1
Rekonstruktionen einschränken kann. Das Bildrauschen kann durch die Wahl niedrigerer Prüffrequenzen verringert werden, was aber auf Kosten des Auflösungsvermögens geht. Die Bildqualität ist außerdem von der Oberflächenrauhigkeit des Bauteils
und von der Tiefenlage im Bauteil abhängig.
Typische Leistungsdaten für Beton sind:
• Maximaler Tiefenbereich: größer 700 mm
• Auflösung: je nach Tiefe 2 bis 20 mm
• Nachweisgrenze: tiefenabhängig ab dem Dreifachen des Größtkorns
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Bild 3 Ortung von Spannkanälen im Hohlkörper einer Brücke
Anwendungsmöglichkeiten
Das SAFT-Rekonstruktionsverfahren hat das Laborstadium verlassen und wird von
der MFPA Weimar auf Baustellen und in der Produktion eingesetzt. Die Ausrüstung
besteht aus mehren Teilen mit einem Gesamtgewicht von 50 kg und ist von einer
Person mobil einsetzbar. Der Zeitaufwand für Messung, Ergebnisdarstellung und
Interpretation einer SAFT-Rekonstruktion ist von den Einsatzbedingungen abhängig
und beträgt im allgemeinen ein bis drei Stunden. In besonderen Fällen kann eine
Nachauswertung in der MFPA Weimar erforderlich werden.
Bei Anwendung dieser Meßmethode können die Qualitätssicherung in der Produktion von Fertigteilen und die Inspektion bestehender Bauwerke zerstörungsfrei,
schnell und kostengünstig durchgeführt werden. Das Verfahren kann unter anderem
für
• Dickenmessung von Wänden und Bauteilen
• Nachweis und Vermessung von
− Spannkanälen
− Hohlräumen
− Rissen
− Ablösungen
• Abbildung von Materialbereichen
verwendet werden.
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Das Leistungsvermögen des Verfahrens ist in zwei Ringversuchen an Testkörpern
nachgewiesen worden [2, 3], in denen die Messung der Dicke der Bauteile sowie die
Ortung und Vermessung von Spannkanälen und Fehlstellen untersucht wurden.
Vor Ort wurde es u.a. zur Ortung von kreiszylindrischen Hohlkörpern mit einem Meter
Durchmesser in einer Straßenbrücke und zur Ortung von Spannkanälen im Hohlkörper einer Autobahnbrücke eingesetzt (Bild 3).
Literatur
[1]
Schickert, M.: „Towards SAFT-Imaging in Ultrasonic Inspection of Concrete“;
International Symposium on Non-Destructive Testing in Civil Engineering
(NDT-CE), Berlin, 26.–28.9.1995. Berlin: DGZfP, 1995, 411–418
[2]
Krause, M., et. al.: „Comparison of Pulse-Echo Methods for Testing Concrete“.
NDT&E International 30 (1997) 195–204
[3]
Krieger, J.; Krause, M.; Wiggenhauser, H. (Hrsg.): Erprobung und Bewertung
zerstörungsfreier Prüfmethoden für Betonbrücken. Bergisch-Gladbach: Bundesanstalt für Straßenwesen, Heft B 18, 1998
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