Radartomographie an Bauteilen aus Beton und Mauerwerk
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des vorliegenden Vorhabens wurde das Impulsradarverfahren zur Detektion von Verdichtungsmängeln bis hin zu Hohlstellen in Betonbauteilen weiterentwickelt. Diese bautechnische Anwendung ist sehr schwierig und bisher kaum untersucht. Ursachen dafür liegen einerseits in den schwachen Streueigenschaften der vorwiegend luftgefüllten Fehlstellen und andererseits in der konstruktionsbedingt immer vorhandene Bewehrung, die die Wellenausbreitung im Beton dominiert und einen Blick dahinter erschwert. Eine experimentelle Vorgehensweise wurde in dieser Arbeit gewählt, da das starke Streuverhalten von Beton bisher nur wenig erforscht ist und theoretische Ansätze und numerische Modellierungen schwer praxisrelevant verfolgt werden können. Für das erforderliche dichte Messraster von hoher Positioniergenauigkeit war eine Automatisierung der Messungen zwingend notwendig. Die beabsichtigte Adaption des fest installierten Linearscannersystems „ZfP-Prüfstand“ an der BAM erforderte umfangreichere Analyse- und Umbauarbeiten als geplant. Schließlich wurde es so weit modifiziert, dass nun hochauflösende Radarmessungen (Messraster 2 mm x 2 mm) in Reflexion und Transmission zuverlässig und mit verringerter Messzeit (20 min/m2) durchgeführt werden können und sich die Positioniergenauigkeit der Radarantennen vom Zentimeter- auf den Millimeterbereich verbessert hat. Die Bestrebungen einen Informationsgewinn durch den gleichzeitigen Einsatz mehrerer Antennen zu erzielen, hat sich bei den Multi-Offset-Messungen mit den kommerziell verfügbaren Antennen und Radargeräten nicht erfüllt. So wurden die nachfolgenden Anstrengungen darauf konzentriert, eine praxisorientierte Methodik zur Detektion luftgefüllter Fehlstellen mit nur einer Sender- und Empfangsantenne zu finden. Die systematischen Untersuchungen an einer Vielzahl von Betonprobekörpern ergaben, dass der störende Einfluss der Bewehrung bei Reflexionsmessungen minimiert werden kann, wenn die Antenne möglichst senkrecht zum Bewehrungsstab orientiert wird. Bei einer kreuzverlegten Bewehrung in Form von Bewehrungsmatten ist eine 45° Antennenpolarisation zu empfehlen. Zur guten Ankopplung der Antenne ist diese möglichst dicht (≤ 1 cm) über der Bauteiloberfläche zu verfahren. Zur Rekonstruktion der Daten wurde erfolgreich die 3D SAFT-Auswertesoftware der Universität Kassel angewendet. Bei den bislang sehr zeitaufwendigen Transmissionsmessungen mit vielen Sender- und Empfängerpositionen konnten in 2D Bauteilschnitten mittels laufzeittomographischer Auswertung exemplarisch Schüttkegel abgebildet werden. Stärkeres Augenmerk wurde auf das Potential der direkten Transmissionsmessung gerichtet, bei der sich Sender- und Empfangsantenne ausschließlich gegenüberstehen. Mit Hilfe der Darstellung der Maximalamplitudenverteilung des Ersteinsatzes konnten in den untersuchten Probekörpern alle Fehlstellen im Gegensatz zur Reflexionsmessung abgebildet werden. Zur Validierung der Radarergebnisse wurden Messungen mit Ultraschall durchgeführt. So kann resümiert werden, dass das Impulsradar in Transmission besser geeignet ist als in Reflexion, Lufteinschlüsse in bewehrten Bauteilen, auch in größere Tiefen (>15 cm) zu detektieren. Die Anwendung in direkter Transmission ist gut bis sehr gut geeignet, da die Wellenausbreitung durch die Lufteinschlüsse aufgrund der höheren Ausbreitungsgeschwindigkeit als ersten detektiert und kaum von der Bewehrung beeinflusst wird. Darüber hinaus ist bei einer Transmissionsmessung gegenüber der Reflexionsmessung nur der halbe Laufweg für die Wellenausbreitung notwendig. Die Signale sind deshalb geringer gedämpft und die Methode der direkten Transmission kann so auch für dickere Bauteile angewendet werden. Trotz der Einschränkung der zweiseitigen Zugänglichkeit, gibt es interessante Anwendung wie das Kontrollieren des Verfüllens von Elementwänden. Das Projekt hat die physikalische und technische Machbarkeit für die Detektion für Lufteinschlüsse in Beton gezeigt, wobei für eine praktische und wirtschaftliche Umsetzung ein entsprechendes kommerzielles System noch entwickelt werden muss.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Positioning accuracy of an automatic scanning system for GPR measurement on concrete structures, The 14th International Conference on Ground Penetrating Radar (GPR), Shanghai, China, June 2012
Trela, Ch., Kind, Th., Schubert, M.
- Positioning accuracy of an automatic scanning system for GPR measurements on concrete structures, (Proceedings), Hrsg.: Tongji University, Shanghai ISBN 978-1-4673-2663-6, 14th International conference on ground penetrating radar - GPR 2012 , pp. 309-313
Trela, Ch., Kind, Th., Schubert, M.
- Untersuchung der Positioniergenauigkeit von automatisierten Radarmessungen, Mitteilungen / Deutsche Geophysikalische Gesellschaft - Sonderband I, Hrsg.: Deutsche Geophysikalische Gesellschaft (DGG), 2012, S. 39-44
Trela, Ch.
- Radarmessungen mit Constant-Offset zur Untersuchung von Strukturschwächungen in Betonbauteilen, 73. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft (DGG), Leipzig, Germany, März 2013
Trela, Ch., Kind, Th., Schubert, M.
- Aggregates Scattering of GPR Waves in Concrete, (Proceedings), Hrsg.: Université catholique de Louvain, GPR 2014 - 15th International conference on ground penetrating radar – GPR 2014, pp. 933-938
Kind, Th. ; Trela, Ch.; Schubert, M.; Wöstmann, J.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1109/ICGPR.2014.6970557) - Detection of weak scatterers in reinforced concrete structures, (Proceedings), Hrsg.: Université catholique de Louvain, GPR 2014 - 15th International conference on ground penetrating radar – GPR 2014, pp. 904-910
Trela, Ch., Kind, Th., Schubert, M., Günther, M.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1109/ICGPR.2014.6970552) - Detection of Weak Scatterers in Reinforced Concrete Structures, Ground Penetrating Radar (GPR) Conference 2014 Brussels, Belgium, July 2014
Trela, Ch., Kind, Th., Schubert, M., Günther, M.
- Praktische Anwendung zerstörungsfreier Prüfverfahren an Brücken, Hrsg.: Technische Akademie Esslingen (TAE), 1. Brückenkolloquium - Beurteilung, Ertüchtigung und Instandsetzung von Brücken 2014, Paper 00_08, pp. 1-8
Wiggenhauser, H., Kind, Th., Krause, M., Schulze, S., Taffe, A., Trela, Ch., Wöstmann, J.
- Systematische Radaruntersuchungen zum Auffinden von Strukturschwächen in Betonbauteilen, DGZfP-Jahrestagung, Potsdam, Germany, Mai 2014
Trela, Ch., Kind, Th., Schubert, M., Günther, M.
- Vergleich von Radarmessungen in Reflexion und Transmission zur Detektierbarkeit von Lufteinschlüssen in Betonbauteilen, Bauwerksdiagnose 2014, Berlin, Germany, Februar 2014
Trela, Ch., Kind, Th., Schubert, M.
- Vergleich von Radar- und Ultraschallschallmessungen zur Detektion von Lufteinschlüssen in Beton, 75. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft (DGG), Hannover, Germany, März 2015
Trela, Ch., Milmann, B., Schubert, M., Kind, Th.
- Zerstörungsfreie Bewehrungsortung an runden Betonstützen mit Impulsradar, Beton- und Stahlbetonbau, Ernst & Sohn, Volume 110, Issue 8, August 2015, Pages 511-520
Trela, Ch., Wöstmann, J.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/best.201400118)
