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Zerstörungsfreie Prüfung im BauwesenDurch die zunehmende Alterung von Bauwerken gewinnt die Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen (ZfP) immer mehr an Bedeutung. Ihre Aufgabe ist im klassischen Sinne die Untersuchung der vorhandenen Bausubstanz auf Schädigungen. Durch aktuelle Fortschritte in der Forschung gewinnt die ZfP aber auch zunehmend an Bedeutung bei der Qualitätssicherung während der Bauphase. Weiteres empfehlenswertes Fachwissen
GeschichteZur Untersuchung von Bauwerken auf Schäden werden bis heute hauptsächlich zerstörende Materialprüfverfahren angewendet. Dazu zählen unter Anderem Härteprüfung an Betondruckwürfeln und -zylindern, Entnahme von Bohrkernen, Zug- und Biegeversuche, etc. Durch die Notwendigkeit bestehende Bauwerke hinsichtlich Standsicherheit und Restlebensdauer zu beurteilen, wurden bekannte Prüfverfahren aus der Seismologie, der Medizintechnik sowie dem Maschinenbau den Anforderungen des Bauwesens entsprechend weiterentwickelt, bzw. neue Verfahren für Bauspezifische Anwendungsgebiete entwickelt. GrundlagenVerfahrenGenerell wird in der ZfP unterschieden zwischen aktiven und passiven Prüfverfahren. Bei aktiven Verfahren wird ein Signal durch das Bauteil gesendet und anschließend hinsichtlich Material- und Baustoffeigenschaften ausgewertet. Bei passiven Verfahren erzeugt das Bauteil das Signal selber. Dieses wird dann auf Entstehungsort und -typ ausgewertet. Elastische WellenDie in der ZfP eingesetzten Wellen (Schallwellen) können sich auf verschiedene Arten in dem zu untersuchenden Material ausbreiten. Die hierbei wichtigsten Wellenarten sind Longitudinalwellen (Primär-, oder Kompressionswellen), Transversalwellen (Sekundär-, Scherwellen) und Oberflächenwellen (Rayleighwellen). Weitere Wellenarten die auftreten können sind Love-Wellen , Dehn- oder Biegewellen und Torsionswellen, die aber hier nur eine untergeordnete Rolle spielen. Für eine genauere Beschreibung der letztgenannten Wellen siehe Seismische Wellen. Die Geschwindigkeit der Wellen hängt von Elastizitätsmodul E, Dichte ρ und Querdehnzahl (Poissonzahl) μ des übertragenden Mediums ab. In festen, homogenen, isotropen, unendlich ausgedehnten Medien gilt:
In Beton liegt die Primärwellengeschwindigkeit zwischen 3500 und 4600 (C12/15 bis C100/115). Bei unbekannter Betondruckfestigkeit kann in erster Näherung von = 4000 ausgegangen werden. Der Zusammenhang zwischen Wellengeschwindigkeit, Wellenlänge und Frequenz ist gegeben durch: ReflexionTrifft eine Schallwelle auf eine Grenzfläche, wird sie dort reflektiert bzw. gebrochen (Snelliussches Brechungsgesetz). Dabei bestimmt die akustische Impedanz den Anteil der reflektierten Wellenenergie. Je größer dabei der Impedanzunterschied, desto mehr Energie wird reflektiert. Die Impedanz Z wird bestimmt über die Dichte des Materials und die entsprechende Schallwellengeschwindigkeit : Die Impedanz von Luft bei 15°C beträgt damit und die Impedanz von Beton (C30/37) . Das bedeutet, dass an einem Schichtwechsel Beton - Luft und umgekehrt der größte Teil der gesendeten Schallenergie reflektiert wird. Einerseits können dadurch Fehlstellen im Baukörper gut erkannt werden, andererseits ist es kaum möglich zu sehen, was hinter solchen Schichtwechseln liegt. AuflösungJe nach Zweck der Messung muss das Auflösevermögen und damit die Wellenlänge des Prüfimpulses angepasst werden. Je höher allerdings die Auflösung, desto kleiner die mögliche Eindringtiefe. Dies liegt an der Streuung und Absorption der Wellen im Bauteil. Die Schwierigkeit liegt also darin die Auflösung so hoch zu wählen, dass z.B. die Bewehrung gesehen werden kann, die Zuschläge im Beton die Wellen aber nicht schon streuen. Es werden alle Strukturen aufgelöst, die größer sind als die halbe Wellenlänge: Sender und EmpfängerZur Erzeugung der Schallwellen werden Piezoelektrische Geber, mechanische Schläge (Impact) oder ZfP spezifische Sender, wie die Hsu - Nielson - Quelle (Bleistiftminenbruch), verwendet. Je nach Anforderung an Impulsstärke, Impulsdauer und Frequenzgehalt wird die passende Quelle gewählt. Als Empfänger kommen hauptsächlich Beschleunigungsaufnehmer (piezoelektrische Sensoren) zum Einsatz. Diese werden eingeteilt in resonante, multiresonante und breitbandige Sensoren, wobei die Übergänge fließend sind. Sie unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Frequenzantwortfunktion und Sensitivität und werden dem Aufgabengebiet entsprechend gewählt. Elektromagnetische WellenElektromagnetische Wellen werden, je nach Wellenlänge bzw. Ihrer Frequenz unterschieden (siehe elektromagnetisches Spektrum).
Der Zusammenhang zwischen der Frequenz f und der Wellenlänge λ wird beschrieben durch:
ReflexionTrifft eine elektromagnetische Welle auf eine Grenzfläche, wird sie dort reflektiert. Dabei bestimmt die Dielektrizitätskonstante den Anteil der reflektierten Wellenenergie. Je größer dabei die Dielektrizitätskonstante (materialabhängig) ist, desto mehr Energie wird reflektiert. Die Impedanz Z wird bestimmt über die magnetische Permeabilität des Materials und die Dielektrizitätskonstante: Die magnetische Permeabilität ist für alles Stoffe ausser für Ferromagneten . Die Dielektrizitätskonstante von Wasser beträgt bei Raumtemperatur etwa . Da dieser Wert sehr groß ist, hängt die Dielektriziät von Baustoffen stark von deren Feuchtigkeit ab. Die Dielektrizitätskonstante von Beton liegt zwischen 4 und 14. AuflösungDas Eindringvermögen von elektromagnetischen Wellen nimmt mit zunehmender Wellenlänge zu, die Auflösung ab. Radarwellen besitzen nach der Fresnelschen Theorie ein Auflösevermögen von
Demnach können mit einer 2,5 Ghz Radarantennen im trockenen Beton Objekte von einer Größe minimal 6,4 cm in einer Tiefe von 10 cm geortet werden. Mit einer 300 Mhz Radarantenne können im trockenen Beton 20 cm große Objekte in einer Tiefe von 10 cm geortet werden. Prüfverfahren in der ZfPUltraschalllaufzeit - Verfahren
Beschreibung: Auf beiden Seiten des zu untersuchenden Bauteils wird ein deckungsgleiches Messraster eingemessen. Anschließend wird die Laufzeit des Ultraschallimpulses für jeden Messpunkt ermittelt. Um Fehlstellen muss der Schall herumlaufen, was in einer höheren Laufzeit resultiert. Nach Bedarf kann auch das Frequenzspektrum oder die Intensität des Empfangenen Signals gemessen werden. Einsatzbereich:
Bemerkungen:
Ultraschallecho - Verfahren
Beschreibung: Auf einem Messraster werden Ultraschallwellen in das Bauteil gesendet und die Reflexionen registriert. Ähnlich dem Ultraschalllaufzeit - Verfahren werden Laufzeit und gegebenenfalls Intensität und Frequenzspektrum gemessen. Einsatzbereich:
Bemerkungen:
Frischbetonmessung
Beschreibung: In einem geometrische definierten Messbehälter wird Frischbeton durchschallt und dabei die Schalllaufzeit, Energie, Frequenzspektrum und Temperatur über die Zeit aufgezeichnet. Aus diesen Daten können Rückschlüsse auf den Erstarrungsfortschitt gezogen werden. Einsatzbereich:
Bemerkungen:
Impact - Echo - Verfahren
Beschreibung: Durch einen mechanischen Stoß wird das Bauteil zu Schwingungen angeregt. Zwischen den Grenzflächen (z.B. Sender auf der Oberfläche und Fehlstelle) bilden sich stehende Wellen aus. Über eine Fourieranalyse des empfangenen, also des reflektierten Signals können diese Eigenfrequenzen bestimmt werden. Die niedrigste Eigenfrequenz ist , der Abstand d vom Sender zum Reflexionspunkt ergibt sich aus der Beziehung: Einsatzbereich:
Bemerkungen:
Schallemissionsanalyse
Beschreibung: Unter Belastung sendet das Prüfobjekt Schallsignale aus. Grund hierfür ist die innere Rissbildung. Mit mindestens vier Empfängern wird die Laufzeit und das Frequenzspektrum des Signals gemessen. Drei Empfänger werden benötigt um den Punkt im Raum zu bestimmen, an dem das Signal ausgesendet wurde, der vierte Empfänger ist zur Bestimmung des Sendezeitpunkts. Einsatzgebiet:
Bemerkungen:
Radar
Beschreibung: Radio Detection And Ranging. Ein elektromagnetisches Wavelet wird in das Bauteil gestrahlt und die Reflexionen aufgezeichnet. Diese entstehen besonders an leitfähigen Stoffen und dielektischen Strukturen. Einsatzgebiet:
Bemerkungen:
Infrarot - Thermografie
Beschreibung: Das zu untersuchende Objekt sendet Wärmestrahlung aus, die von eintsprechenen Kameras aufgenommen und in Falschfarbenbilder umgewandelt werden kann. Einsatzbereich:
Bemerkungen:
Weitere Verfahren
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Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Zerstörungsfreie_Prüfung_im_Bauwesen aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. |