Piezobasiertes Monitoring von Stahlbauwerken mit konstruktiven Störungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Überwachung von Schäden an Stahlbauteilen ist oft nicht ohne weiteres möglich. Das Innere von Tanks und Silos oder Bereiche in Reaktoren sind oft nur schwer zugänglich. Die üblichen Verfahren, Stahlbauwerke mit Hilfe von Ultraschall auf Materialfehler zu untersuchen, ist aufwändig. In dem hier vorgestellten Projekt wurde deshalb untersucht, inwieweit Bauteile mit Hilfe von Lamb-Wellen überwacht werden können. Lamb-Wellen können in Stahlplatten durch relativ kleine Piezoaktuatoren angeregt und von Piezosensoren aufgenommen werden. Materialschäden auf der Strecke zwischen Aktuator und Sensor beeinflussen das Signal der Lamb-Wellen und können so erkannt werden. Durch eine Auswertung der Richtung und der Laufzeit der Signale kann der Schaden nicht nur erkannt, sondern auch lokalisiert werden. Die Ortung einer Störung erfolgt mit Hilfe des sogenannten Beamformings. Aus der Differenz einer Referenzmessung des unbeschädigten Bauteils, mit einer aktuellen Messung des potentiell geschädigten Bauteils, ist es möglich, einen Schaden zu detektieren. Es konnte gezeigt werden, dass mit preiswerten Piezoelementen eine Auswertung der Laufzeiten von Lamb-Wellen zur Schadensdetektion möglich ist. Kleine Bohrlöcher oder Störmassen können ohne Schwierigkeiten, auch bei einer Entfernung der Störung vom Sensor von etwa einem Meter, erkannt werden. Schwieriger ist die Detektion von Ermüdungsrissen. Durch einen Wechsel der Wellenmoden bei der Reflektion an einem Riss werden die Signalamplituden durch Streuung und teilweiser Weiterleitung gedämpft, so dass die Sensorsignale kleiner werden. Trotzdem sind die hier entwickelten Verfahren in der Lage, zumindest unter Laborbedingungen Risse zu orten. Bei der Verwendung entsprechender Lamb- Wellen ist es sogar möglich, Ermüdungsrisse hinter aufgeschweißten Rippen zu detektieren. Sowohl Verfahren mit passivem als auch aktivem Beamforming wurden dazu verwendet. Im Gegensatz zum passiven Beamforming werden beim aktiven Beamforming die Signale richtungsbezogen angeregt und ausgewertet. Durch die Richtwirkung der Anregung lässt sich der Einfluss von Reflektionen, die nicht aus der betrachteten Richtung kommen, deutlich verkleinern. Um Temperatureinflüsse auf die Messung zu vermeiden, wurde eine Temperaturkompensation auf Grundlage von Versuchen entwickelt. Die linearen Auswertungsansätze sind dennoch relativ störempfindlich und sind derzeit außerhalb von Laboren kaum einsetzbar. Zum einen ergibt sich aus der Differenz der Referenzmessung mit einer aktuellen Messung ein sehr schwaches Signal, das leicht durch Messrauschen überlagert wird. Zum anderen wird eine Welle am Riss diffus reflektiert und schwächt sich so wesentlich schneller ab, als eine Welle die am Bauteilrand vollständig reflektiert wird. So verringert sich der entscheidende Anteil im ohnehin schon sehr schwachen Differenzsignal mit zunehmender Entfernung deutlich schneller. Mit Methoden der nichtlinearen Akustik ist es möglich, weniger störanfällige Detektionsverfahren zu entwickeln. Bei einer Auswertung der Signale im Frequenzbereich kommen nichtlineare Effekte der Wellenausbreitung zum Tragen, die durch die Materialschädigung hervorgerufen werden. Solche Verfahren reagieren empfindlich auf die Entstehung von Rissen und werden weniger stark durch eine komplexe Bauteilgeometrie beeinträchtigt. Die Verfahren basieren entweder auf einer Auswertung des Verzerrungsgehalts eines Signals, oder der Amplitudenmodulation eines hochfrequenten durch eines niederfrequenten Signals. In Versuchen konnte gezeigt werden, dass selbst durch eine relativ einfache Auswertung der gemessenen Signalamplituden, als Schadensparameter, Rückschlüsse auf die Materialermüdung möglich sind. Im ersten Drittel des Ermüdungsversuchs fällt der Schadensparameter deutlich ab und verbleibt auf diesem Niveau. Erst mit dem Auftreten eines sichtbaren Risses sinkt der Schadensparameter weiter. Eine ähnliche Charakteristik weisen Versuche zu Spannungs-Dehnungs-Hysteresen auf. Die maximale Spannung der Hysteresen fällt zu Beginn ab, erreicht ein Niveau das erst relativ kurz vor dem Bruch der Probe weiter abfällt. Es besteht Grund zu der Annahme, dass aus dem Verlauf eines Schadensparameters die Restlebensdauer abgeschätzt werden kann. Deshalb sollte in Folgeprojekten ein entsprechendes Verfahren mit Ansätzen der nichtlinearen Akustik entwickelt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Beamforming with Guided Waves for the Monitoring of Steel Plates 4th European Workshop on Structural Health Monitoring 2008, S. 732-739, DEStech Publications Inc.,Lancaster, Pennsylvania, 2008
U. Peil und S. Loppe
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Schadensdetektion in flächigen Stahlbauteilen mit Hilfe piezoangeregter Lamb-Wellen, Dissertation, TU Braunschweig, 2009
S. Loppe
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Detection and Location of Cracks in Complex Steel Structures with Lamb Wave Beam-Forming, 5th European Workshop on Structural Health Monitoring, Proceedings, 2010
M. Haroon und U. Peil
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Two approaches to identify inherent damage in structural steels, 6th Workshop on Structural Health Monitoing & 1st European Conference on Prognostics and Health Management (PHM) Society, Dresden, 2012
I. Schendel, K. Thiele, U. Peil und T. Wagner
