DE102014213972B4

DE102014213972B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von Rissparametern

Info

Publication number: DE102014213972B4
Application number: DE102014213972.4A
Authority: DE
Inventors: Uwe Lieske; Bernd Frankenstein; Lars Schubert
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2014-07-17
Publication date: 2019-08-14
Anticipated expiration: 2034-07-18
Also published as: DE102014213972A1

Abstract

Vorrichtung zur Ermittlung von Rissparametern eines Risses in einem Bauteil, bei dem zur Bestimmung der Länge einer ersten Messstrecke von einer ersten Position zu einer zweiten Position, die jeweils an einem von gegenüberliegenden Rissufern (2, 3) und/oder an mindestens einem Rissufer und an einer Rissspitze angeordnet sind, mit mindestens einem Schallwellen emittierenden Sender (10) oder Sender und Detektor ausgehend von der ersten Position oberflächennah im Bauteil (1) Schallwellen angeregt werden, so dass sich die Schallwellen entlang der Oberfläche eines ersten Rissufers (2) bis zur Rissspitze ausbreiten und die Laufzeit eines Teils der an der Rissspitze reflektierten Schallwellen bestimmbar ist_und/oder
Schallwellen sich entlang der Oberfläche eines gegenüberliegenden Rissufers (3) ausbreiten und von einem Detektor (20) empfangen werden, der an einer zweiten Position am gegenüberliegenden Rissufer (3) angeordnet ist, und Sender und Detektor mit einer elektronischen Mess- und Auswerteeinheit (30) verbunden sind, in der eine Bestimmung der Länge der ersten Messstrecke erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass
mit mindestens einem Sensor (11), der an einer dritten Position an der Oberfläche (4) des Bauteils (1) an einem der Rissufer (2) angeordnet ist, die Länge einer zweiten Messstrecke zwischen der dritten Position an dem Rissufer (2) und einer vierten Position an der Oberfläche (5) am gegenüberliegenden Rissufer (3) bestimmbar ist und die Mess- und Auswerteelektronik (30) so ausgebildet ist, dass aus der Laufzeit und/oder der Phasenverschiebung der Schallwellen entlang der ersten Messstrecke und der Längenmessung entlang der zweiten Messstrecke die charakteristischen Rissparameter Rissbreite und Risstiefe bestimmbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von Rissparametern, insbesondere der Rissbreite und Risstiefe.
Im „Zement-Merkblatt Betontechnik“, B 18, 2.2014 heißt es, dass die Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit von Bauteilen, insbesondere Betonbauteilen, durch Risse beeinträchtigt werden können. Risse lassen sich nicht generell vermeiden, sie sind aber auch nicht grundsätzlich schädlich. Die Einflüsse von Rissen auf Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit sind von einem qualifizierten Fachmann oder, wenn eine Instandsetzung vorgesehen ist, von einem „Sachkundigen Planer“ zu beurteilen. Dieser hat die Ursache der Risse zu ermitteln und Angaben über die Notwendigkeit und Art ihrer Behandlung zu machen.
An sicherheitsrelevanten Strukturen müssen Risse mit geeigneten Maßnahmen repariert werden, an nicht sicherheitsrelevanten Strukturen oder ungefährlichen Rissen muss eine regelmäßige Überprüfung stattfinden. Neben der Rissbreite sind zukünftig auch Informationen zur Risstiefe für die Abschätzung der Lebensdauer mittels Finite-Elemente-Modelle von großer Bedeutung.
Die Rissbreite kann am Bauwerk mit dem Strichstärken- bzw. Rissbreitenvergleichsmaßstab gut bestimmt werden. Diese Methode erlaubt Rissbreitenunterscheidungen von 0,05 mm, was im Allgemeinen ausreicht. Eine noch höhere Ablesegenauigkeit (bis zu 0,01 mm) ist bei Verwendung einer beleuchteten Risslupe zwar möglich, wegen des meist unregelmäßigen Rissverlaufs jedoch kaum praktisch nutzbar. Jede Messung (bzw. Messreihe) ist durch Angabe von Datum, Uhrzeit, Wetterlage und Bauteiltemperatur zu ergänzen, da nur so eine korrekte Bewertung der Messergebnisse möglich ist. Die Ermittlung der Risstiefe ist nicht vorgeschrieben und erfolgt in der Praxis in der Regel nicht.
Die nach dem Stand der Technik nur lückenhaft erhobenen Rissdaten erlauben keine genaue Abschätzung der Lebensdauer beispielsweise mittel Computersimulation, insbesondere mittels Finite-Elemente-Modelle.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Möglichkeiten zur Bestimmung charakteristischer Rissparameter anzugeben, die eine zuverlässige und einfache Ermittlung der Rissparameter gewährleisten.
Technische Lösungen nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 sind aus JP 2000 - 180418 A und JP 2007-271407 A bekannt.
Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Die Bestimmung der Rissparameter kann mit einem Verfahren gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch durchgeführt werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Die Erfindung ist insbesondere dazu geeignet Rissbreiten- und Risstiefen an Betonstrukturen (Wände, Rohre, tragend oder auch nicht tragend), Metallstrukturen (Metallplatten, Rohrleitungen) zu bestimmen.
Die Erfindung zielt vorteilhaft darauf ab, mit einer Vorrichtung oder einem Sensorknoten die Risstiefe und ggf. auch die die Rissbreite in Beton- oder anderen Bauteiloberflächen automatisch zu ermitteln. Damit sind Messgenauigkeiten bis zu 0,01 mm für die Rissbreitenerkennung möglich.
Die Erfindung ist insbesondere auch dazu geeignet, in einer Vielzahl von Anwendungsfeldern Risswachstum im Größenbereich Bereich kleiner 0.05 mm bis zu 0.01 mm zu erfassen.
Für die konkrete Ermittlung der Rissbreiten können verschiedene Messverfahren zum Einsatz kommen, bei denen die Bestimmung mit unterschiedlichen Anordnungen von Sensorelementen durchgeführt werden kann. So kann die Rissbreite beispielsweise mittels Luftultraschall, kapazitiven, resistiven oder induktiven Abstandssensoren bestimmt werden.
Allgemein werden durch die Erfindung zumindest der charakteristische Rissparameter Risstiefe und zusätzlich auch die Rissbreite bestimmt. Dabei können mindestens zwei Längenmessungen entlang zweier unterschiedlicher Messstrecken durchgeführt werden, die sich jeweils von einer ersten (dritten) Position (Ort) zu einer zweiten (vierten) Position (Ort) erstrecken und die Messergebnisse zur Bestimmung der charakteristischen Rissparameter miteinander verknüpft werden. Bevorzugt basieren die Längenmessungen auf einer Laufzeitmessung. Zur Bestimmung der Risstiefe wird ein Messverfahren eingesetzt, bei dem eine erste Messstrecke auf der Oberfläche oder oberflächennah zur Oberfläche des Risses zwischen den sogenannten Rissufern verläuft. Eine solche Messstrecke kann in einer beliebig gekrümmten Fläche liegen. Vorzugsweise können Oberflächenwellen zur Bestimmung mindestens einer Messstrecke genutzt werden, die sich in Richtung auch einer nicht planaren Oberfläche ausbreiten können, das heißt, sie können den Richtungsänderungen einer Messstrecke folgen. Eine weitere Messstrecke kann nahe dem Riss im Wesentlichen rechtwinklig zur Richtung der Hauptausdehnung des Risses verlaufen. Diese Messstrecke kann insbesondere parallel zu einer Außenfläche des jeweiligen Bauteils verlaufen, die benachbart zu den Rissufern angeordnet ist.
Je nach Ausgestaltung der Erfindung bezeichnet die erste/dritte Position (Ort) und die zweite/vierte Position (Ort) jeweils einen Bereich nahe der oder auf der Oberfläche eines jeweiligen Bauteils an dem sich ein oder mehrere Sender, Empfänger, Transceiver in direkter Nachbarschaft zu einander befinden, vorzugsweise sehr nahe beieinander angeordnet sind. So sind beispielsweise in 1 die Elemente 10, 11 an einer ersten bzw. dritten Position (Ort) und die Elemente 20, 21 an einer zweiten bzw. vierten Position (Ort) angeordnet. Die erste und die dritte sowie die zweite und die vierte Position können übereinstimmen.
Als dritte Position kann auch die Rissspitze genutzt werden. Eine erste Wegstrecke reicht dann von der ersten oder zweiten Position an der Oberfläche eines Rissufers bis zur Rissspitze und zur Bestimmung der Risstiefe kann die Laufzeit der Oberflächenwellen, die an einer ersten oder dritten Position emittiert worden sind und an der Rissspitze reflektiert worden und an der Position, von der sie emittiert worden sind, die Laufzeit und/oder Phasenverschiebung der reflektierten Oberflächenwellen zur Bestimmung der Risstiefe bestimmt wird.
Besonders bevorzugt verläuft der Riss in einer seiner Hauptausdehnungen zwischen der ersten/dritten und der zweiten/vierten Position, sodass eine Dimensionsänderung des Risses in der Tiefe eine maximale Änderung der Länge der ersten Messtrecke bewirkt und eine Änderung in der Breite eine maximale Änderung der Länge der zweiten Messstrecke bewirkt. Ein Riss ist im jeweiligen Überwachungsbereich vollständig von Rissufern begrenzt.
Die Längenmessung entlang einer zweiten Messstrecke kann insbesondere auf einer Laufzeitmessung und oder Phasenverschiebungsmessung von Luftultraschall, Ultraschall oder elektromagnetischen Wellen (Licht), oder einer Amplitudenmessung beispielsweise mit kapazitiven, resistiven oder induktiven Abstandssensoren beruhen. Typisch sind Laufzeitmessungen, Triangulationsmessungen oder Messungen der Signalstärke.
Schallwellen oder auch elektromagnetische Wellen können für die Bestimmung der Laufzeiten bzw. Phasenverschiebung gepulst emittiert und detektiert werden. Dabei können bei einer Bestimmung in einem kleinen Zeitintervall mehrere Einzelpulse mit bekannter Periodenzahl emittiert und detektiert werden, so dass die so ermittelten Messwerte durch Mittelwertbildung kleinere Messfehler aufweisen können.
Generell jedoch sollte die Bestimmung der Rissparameter in vorgebbaren Zeitabständen durchgeführt werden, um eine sichere Bauteilüberwachung vornehmen zu können. Die Zeitabstände können bei sich verändernden Rissparametern verkürzt werden.
An einem Bauteil können mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen und dabei an einem aber auch an mehreren Riss(en) vorhanden sein.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:

1 in schematischer Darstellung ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine erste Messstrecke entlang der beiden Rissufer eines Risses in einem Bauteil und
3 ein Diagramm zur Bildung einer Hüllkurve des Empfangssignals von Schallwellen und einer Spitzwert-Detektion zur Bestimmung der Laufzeit von Schallwellen zur Risstiefenbestimmung.

In einem Ausführungsbeispiel nach 1 erfolgt die Rissbreitenermittlung mit Luftultraschall. Dafür wird ein Schallwandler 11 als Sender und ein Schallwandler 21 als Empfänger betrieben. Das Sendesignal erfährt aufgrund der Wegdifferenz zwischen Sender und Empfänger eine Laufzeitveränderung und wird anschließend als Empfangssignal detektiert. Es kann aber auch mit einem einzigen Schallwandler an einer dritten Position an einem Rissufer und einem Schallwellen reflektierenden Element (Reflektor) an einer vierten Position am jeweils anderen Rissufer die Laufzeit gemessen werden. In diesem Fall ist der Schallwandler als Sender und Detektor für Schallwellen ausgebildet.
Eine Korrelation der beiden Messsignale (Empfangssignal mit Sendesignal) ergibt die Laufzeit des Luftultraschalls zwischen Sender und Empfänger bzw. den Weg des Schalls vom Schallwandler bis zum wieder Auftreffen der Schallwellen nach Reflexion am Reflektor am Schallwandler. Aus der bekannten (temperaturabhängigen) Schallgeschwindigkeit in Luft lässt sich nun die Entfernung zwischen Sender 11 und Empfänger 21 bzw. Schallwandler und Reflektor berechnen. Eine Vergrößerung dieser Entfernung infolge Rissbreitenwachstums führt zu einer größeren Laufzeitdifferenz.
Die Ermittlung der Risstiefe erfolgt durch den Einsatz geführter Wellen entlang der Rissoberfläche an einem Rissufer und/oder den beiden Rissufern ausgehend von der Oberfläche bis zur Rissspitze, an der eine Richtungsänderung von entlang eines Rissufers an das jeweils andere Rissufer erfolgt. Mittels eines kraftschlüssig fest an einer ersten Position angeordneten piezoelektrischen Wandlers 10 wird eine akustische Oberflächenwelle (Rayleighwelle) in die Beton-, Bauteiloberfläche an einem Rissufer 2 eingebracht. Diese breitet sich entlang der Oberfläche des Bauteils aus und folgt so unter anderem der Risskante in das Material. An der Rissspitze werden die Oberflächenwellen gestreut, reflektiert und folgen der gegenüberliegend angeordneten Risskante, dem Rissufer 3, bis sie auf der Bauteiloberfläche von einem als Empfänger geschalteten piezoelektrischen Wandler 20, der nahe oder am gegenüberliegenden Rissufer an einer zweiten Position angeordnet ist, detektiert werden. Durch die Bildung einer Hüllkurve des Empfangssignals und einer Spitzwert-Detektion kann die Laufzeit des Wellenpaketes (eine bestimmte bekannte Anzahl an Perioden von Schallwellen) ermittelt werden. 3 zeigt das Ergebnis einer solchen Detektion. Die Laufzeit der Schallwellen ist von der Länge des zurückgelegten Weges entlang der Messstrecke an dem/den Rissufer(n) abhängig. Je tiefer der Riss, desto länger ist diese Messstrecke, die von der Schallwelle zurückgelegt werden muss und damit die Laufzeit bis die Welle am gegenüberliegenden Rissufer detektiert werden kann (Laufzeitmessung). Bei bekannter Schallgeschwindigkeit im Material kann daraus die zurückgelegte Weglänge und damit die Risstiefe ermittelt werden. Wie bereits angedeutet, kann die Risstiefe allein oder zusätzlich auch entlang einer ersten Wegstrecke, die von der Oberfläche an einem Rissufer bis zur Rissspitze reicht, bestimmt werden. Dabei ist an dem jeweiligen Rissufer ein Sender und Detektor (Schallwandler) angeordnet, mit dem Oberflächenwellen emittiert und entlang des jeweiligen Rissufers verlaufen. Ein Teil dieser Schallwellen wird an der Rissspitze reflektiert und kann mit dem Sender und Detektor detektiert werden. Aus der entsprechenden Laufzeit und Phasenverschiebung kann die Risstiefe ermittelt werden. Diese Form der Bestimmung kann auch entlang der beiden Rissufer durchgeführt werden, so dass zwei erste Wegstrecken zur Bestimmung der Risstiefe zur Verfügung stehen und die Risstiefe beispielsweise durch Mittelwertbildung der beiden so erfassten Laufzeiten bestimmt werden kann.
Zusätzlich oder aber auch allein zu der hier vorab beschriebenen Form der Risstiefenbestimmung kann dies wie nachfolgend beschrieben erreicht werden.
In einem isotropen Material kann die Laufzeit von Schallwellen durch die Beziehung t = s / v, mit t für die Laufzeit, s für die Strecke und v für die Schallgeschwindigkeit, bestimmt werden.
Die Länge l₁ der Risskante lässt sich daraus gemäß l₁ = ((v/t) - s₀)/2 bestimmen, wobei s₀ den Abstand der oberflächlich installierten Sensoren abzüglich der Rissbreite angibt.
Die tatsächliche Risstiefe r_t kann nach, vor oder gleichzeitig mit der Ermittlung der Rissbreite r_b ermittelt werden. Die gemessene Laufzeit t korrespondiert mit der Summe der Längen l₁ und l₂ der Messstrecken entlang der beiden Rissufer 2, 3. Die Längen l₁ und l₂ bilden dabei die erste Messstrecke. 2 stellt diesen Zusammenhang für den Sonderfall l₁ = l₂ dar. Die Risstiefe r_t ergibt sich in diesem Fall zu r_t ² = l₁ ²-r_b ²/4. Durch ziehen der Quadratwurzel wird r_t aus rt² ermittelt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dabei die elektronische Mess- und Auswerteelektronik 30 für beide Messverfahren, nämlich die Laufzeitmessung für den Luftschall und die Laufzeitmessung für den akustische Oberflächenwellen, wie in 1 dargestellt, direkt an der jeweiligen Messposition/-stelle des jeweiligen Bauteils vereinen oder durch Sensorleitungen an entfernt gelegenen Positionen übertragen. Die Messdaten können ebenfalls drahtlos übertragen werden. Die Energieversorgung kann kabelgebunden, durch Batterie oder durch Energy-Harvesting erfolgen, wie dies durch Umwandlung von Vibration, Lichtenergie oder thermischer Energie aus der Umgebung in elektrische Energie erreicht werden kann. Es kann also ein Elektroenergie speicherndes und/oder ein Energiewandlerelement Bestandteil der Vorrichtung sein, so dass ein zumindest teilweise autarker Betrieb, ohne einen externen permanenten Energieanschluss möglich ist. Die Messdaten können über ein Lesegerät manuell oder über einen zentralen Steuer-PC erfasst werden, der mit allen Messpositionen verbunden ist. Die Messdaten können drahtlos übertragen werden.

Claims

Vorrichtung zur Ermittlung von Rissparametern eines Risses in einem Bauteil, bei dem zur Bestimmung der Länge einer ersten Messstrecke von einer ersten Position zu einer zweiten Position, die jeweils an einem von gegenüberliegenden Rissufern (2, 3) und/oder an mindestens einem Rissufer und an einer Rissspitze angeordnet sind, mit mindestens einem Schallwellen emittierenden Sender (10) oder Sender und Detektor ausgehend von der ersten Position oberflächennah im Bauteil (1) Schallwellen angeregt werden, so dass sich die Schallwellen entlang der Oberfläche eines ersten Rissufers (2) bis zur Rissspitze ausbreiten und die Laufzeit eines Teils der an der Rissspitze reflektierten Schallwellen bestimmbar ist_und/oder Schallwellen sich entlang der Oberfläche eines gegenüberliegenden Rissufers (3) ausbreiten und von einem Detektor (20) empfangen werden, der an einer zweiten Position am gegenüberliegenden Rissufer (3) angeordnet ist, und Sender und Detektor mit einer elektronischen Mess- und Auswerteeinheit (30) verbunden sind, in der eine Bestimmung der Länge der ersten Messstrecke erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass mit mindestens einem Sensor (11), der an einer dritten Position an der Oberfläche (4) des Bauteils (1) an einem der Rissufer (2) angeordnet ist, die Länge einer zweiten Messstrecke zwischen der dritten Position an dem Rissufer (2) und einer vierten Position an der Oberfläche (5) am gegenüberliegenden Rissufer (3) bestimmbar ist und die Mess- und Auswerteelektronik (30) so ausgebildet ist, dass aus der Laufzeit und/oder der Phasenverschiebung der Schallwellen entlang der ersten Messstrecke und der Längenmessung entlang der zweiten Messstrecke die charakteristischen Rissparameter Rissbreite und Risstiefe bestimmbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Länge der zweiten Messstrecke ein Schallwellen emittierender Sender (10) an der dritten Position an der Oberfläche (4) des Bauteils (1) an einem der Rissufer (2) fest installiert ist und auf der Oberfläche (5) am gegenüberliegenden Rissufer (3) ein Detektor (20) zur Detektion der vom Sender (10) emittierten Schallwellen an der vierten Position fest installiert angeordnet ist oder ein Schallwellenwandler an der dritten Position an der Oberfläche (4) des Bauteils (1) an einem der Rissufer (2) fest installiert ist und auf der Oberfläche (5) am gegenüberliegenden Rissufer (3) ein Reflektor an der vierten Position fest installiert angeordnet ist, wobei der Schallwellenwandler Schallwellen in Richtung Reflektor emittiert und vom Reflektor reflektierte Schallwellen, zur Bestimmung der Laufzeit, detektiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Länge der zweiten Messstrecke mit kapazitiven, resistiven oder induktiven Abstandssensoren erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektroenergie speicherndes Element und/oder ein Energiewandlerelement vorhanden ist/sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sendeelement für eine drahtlose Übertragung von Messsignalen Bestandteil der Vorrichtung ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die dritte sowie die zweite und die vierte Position übereinstimmen.
Verfahren zur Ermittlung von Rissparametern eines Risses in einem Bauteil mit den Schritten: - Emittieren von sich entlang einer ersten Messstrecke entlang von Rissufern (2, 3) eines Risses ausbreitenden Oberflächenwellen von einer ersten Position an einer Oberfläche (4) an einem der Rissufer (2) des Bauteils (1); - Detektieren der Oberflächenwellen an einer zweiten Position, die an der Oberfläche (5) am gegenüberliegenden Rissufer (3) des Bauteils (1) angeordnet ist und/oder Detektieren von an einer Rissspitze reflektierten Oberflächenwellen an der ersten Position; - Bestimmen der Laufzeit oder Phasenverschiebung der Oberflächenwellen entlang der ersten Messstrecke zwischen Emittieren und Detektieren der Oberflächenwellen; - Bestimmen der Risstiefe aus der Laufzeit und/oder Phasenverschiebung entlang der ersten Messstrecke und Durchführen einer Längenmessung entlang einer zweiten Messstrecke zwischen der ersten Position und der zweiten Position zur Bestimmung der Rissbreite.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der zweiten Messstrecke durch Laufzeitbestimmung oder eine Bestimmung der Phasenverschiebung von Luftschallwellen zwischen einer dritten und vierten Position mit mindestens einem Sender (10) und einem Detektor (20) für Schallwellen oder einem Schallwellenwandler, der als Sender und Detektor für Schallwellen ausgebildet ist, und einem Reflektor für Schallwellen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Rissparameter in vorgebbaren Zeitabständen durchgeführt wird, wobei die Zeitabstände bei sich verändernden Rissparametern verkürzt werden.