Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6404
Main Title: Untersuchung von Spannbetonkonstruktionen mit bildgebenden Ultraschallecho-Verfahren
Translated Title: Investigation of pre-stressed concrete using the imaging ultrasound echo method
Author(s): Schulze, Sebastian
Referee(s): Vogdt, Frank U.
Wiggenhauser, Herbert
Krause, Martin
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: In den letzten Jahren ist die Entwicklung des Ultraschallecho-Verfahrens für die Anwendung in der zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen (ZfPBau) enorm vorangeschritten. Mittlerweile ist das Verfahren bei der Untersuchung von Stahlbetonbauteilen zu einem der vielversprechendsten für die Lösung komplexer Aufgaben herangereift. Automatisierbare Systeme und verbesserte manuelle Messgeräte haben zusammen mit der Entwicklung fortschrittlicher Software die Datenaufnahme und -bewertung erheblich beschleunigt. Die Methode der grafischen Phasenbewertung schließlich erlaubt auch die qualitative Unterscheidung von Einbauteilen. Die vorliegende Arbeit entstand an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) am Fachbereich von Herrn Dr. Wiggenhauser und beschreibt die praktische Anwendung des Ultraschallecho-Verfahrens bei der Untersuchung von Spannbetonkonstruktionen, insbesondere zur Untersuchung des Verpresszustands von Hüllrohren. In enger Zusammenarbeit mit der BAM wurden an der Universität Kassel theoretische Ansätze zur Simulation der Ultraschallausbreitung in Spannbetonkonstruktionen verfolgt und die Software entwickelt, mit der die bildgebenden Darstellungen in der vorliegenden Arbeit erzeugt wurden. Anhand von Laborprobekörpern mit Referenzzuständen (leere und mörtelgefüllte Hüllrohre ohne Spannlitzen) konnte die grundsätzliche Eignung der grafischen Phasenbewertung für die Bewertung von Reflexion aus dem Hüllrohrinnern belegt werden. Weitere Messungen an realistischeren Hüllrohrquerschnitten brachten komplexe Resultate, die im Abgleich untereinander und mit den Referenzmessungen zum größten Teil gut nachvollzogen werden konnten. Es zeigte sich, dass die Interpretierbarkeit von Anzeigen aus dem Hüllrohr, die von Reflektoren jenseits der Spannlitzen kommen, erheblich von der Lage der Litzen im Hüllrohr abhängen können. Vergleichende Simulationen bestätigten diese Erkenntnisse. An einer großformatigen Testwand wurden umfangreiche Untersuchungen an weiteren vorgefertigten Hüllrohrabschnitten - zum Teil mehrlagig eingebaut - sowie an realitätsgetreu vorgespannten Spanngliedern durchgeführt, eingebaut jeweils hinter unterschiedlich dichter schlaffer Bewehrung. Dabei erwies sich die Qualität der Verdichtung des Betons als wesentliche Einflussgröße auf die Interpretierbarkeit von Messdaten, wohingegen der Einfluss des Bewehrungsgrads als nachrangig festgestellt wurde. An allen Probekörperserien wurden Untersuchungen zur Zustandsverifizierung durchgeführt. Einzelne vorgefertigte Hüllrohrabschnitte wurden per Vakuuminjektion mit Verpressharz konserviert, um nach dem Aufschneiden den Erfolg des im Labor weitgehend drucklosen Befüllens mit Einpressmörtel überprüfen zu können. Weitere laborgefertigte Hüllrohre wurden per Radiographie und Computertomografie begutachtet. An der Testwand wurden umfangreiche Durchstrahlungsprüfungen durchgeführt, um insbesondere an den realistisch vorgespannten Spanngliedern Litzenlage und Verpresserfolg nachzuvollziehen. Mit diesem Verfahren konnten in der 50 cm breiten Wand einzelne Spannlitzen in Hüllrohren identifiziert werden sowie an einem unbeabsichtigt aufgeschwommenen Hüllrohr ein geometrisch bedingter Verpressfehler nachgewiesen werden. Die Relevanz für die Praxis wird anhand von drei unterschiedlichen Anwendungen aufgezeigt: An einer neu erbauten Brücke waren Lage und Abmessungen eines bei der Herstellung eines Brückensegments aufgetretenen Hüllrohrverstopfers zu lokalisieren. An einer per externer Vorspannung zu verstärkenden Spannbetonbrücke in Plattenbalkenbauweise waren für schadfreies Bohren im Bereich der Endverankerungen sämtliche Hüllrohre im Balken in großer Tiefe und hinter starker Bewehrung exakt zu lokalisieren. Für die Detektion von Fehlstellen in stahlplattenummanteltem Beton war unter Einsatz der bildgebenden Phasenauswertung die praktische Grundlagenarbeit zu erbringen, um den Einfluss der Stahlplatten auf die Messdaten einschätzen zu können. Abschließend werden die mit den Ergebnissen dieser Arbeit gegenwärtig erreichten Möglichkeiten und Grenzen der Anwendung des Ultraschallechoverfahrens bei der Untersuchung von Spannbetonkonstruktionen und bei Einsatz der bildgebenden Phasenauswertung zusammengefasst sowie der Forschungsbedarf für eine Weiterentwicklung der Verfahren beschrieben.
In recent years, a vast improvement has been made in the field of non-destructive testing in civil engineering (NDT CE) using the ultrasound echo method. Meanwhile, this technique has become one of the most powerful approaches for solving complex issues when examining concrete members. Automated scanning systems, improved devices for manual handling and progressive reconstruction software for showing images of results allow quicker investigation and evaluation than ever before. Lately, imaging phase evaluation made it possible to not only detect, but also graphically distinguish and characterize built-in components. The present thesis was developed at Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) in Berlin in the group of Dr. Wiggenhauser, with the aim to improve the practical application of the ultrasonic echo method to pre-stressed concrete, with special attention to the evaluation of the grouting condition of tendon ducts. Theoretical approaches were pursued at University of Kassel in close collaboration with BAM, especially the simulation and the reconstruction of ultrasonic wave propagation in pre-stressed concrete, along with the development of specific imaging software used in the present work. Laboratory specimens were constructed to prove the fundamental suitability of the imaging phase evaluation approach for the evaluation of the grouting condition of ducts. This was achieved by measurements at reference specimens without steel strands inside the ducts. Further measurements at more realistic ducts with strands showed complex results which could, for the most part, be understood in comparison with each other and the reference measurements. It became apparent that the visibility of reflectors lying beyond the strands is complicated, strongly depending on the strands’ arrangement inside the duct. Comparative simulations supported these findings. At a large test wall, advanced comprehensive studies were carried out on additional pre-fabricated ducts, partly in multiple layers, and real pre-stressed ducts manufactured according to official guidelines, mounted behind the reinforcement of varying density. Here, the quality of concrete compaction played a vital role for the interpretability of data, while the reinforment’s density turned out to be of lesser importance. Studies were carried out on several specimens to verify the location of the duct and its grouting condition. Individual pre-fabricated ducts were vacuum-injected with liquid resin and cut into slices after hardening to verify the complete grouting of the whole cross section. Additional specimens were checked by radiographic CT scans. At the test wall, comprehensive radiographic examinations were carried out successfully, making it possible to distinguish individual strands inside ducts in the 50 cm thick wall. In a duct accidentally swollen in fresh concrete due to incorrect installation, a geometrically caused grouting fault was detected. Three examples show the practical benefit of the method: At a newly built bridge, the ultrasound echo method was used to detect a blockade in a duct caused by penetration of concrete at a damaged spot, and estimate its extent. For strengthening a pre-stressed motorway bridge, internal tendon ducts behind strong reinforcement had to be detected in broad T-beams at end anchorages. To detect voids in steel-cased concrete, the basic practical work was conducted to be able to estimate the influence of steel layers on ultrasound measurement data. In the conclusion, the present state-of-the-art of the imaging ultrasound echo method with phase evaluation for the investigation of pre-stressed concrete is described, and an outlook on research needs for further improvement of the method is given.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/7098
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6404
Exam Date: 31-Mar-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 7-Nov-2017
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Ultraschallecho
Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen
ZfPBau
Spannbeton
Spanngliedortung
ultrasound echo method
non-destructive testing
NDT-CE
pre-stressed concrete
tendon duct detection
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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