ZERSTÖRENDE UNTERSUCHUNG AN SPANNBETONTRÄGERN ZUR AKUSTISCHEN CHARAKTERISIERUNG DES SPANNDRAHTBRUCHS - DGZFP

 
ZERSTÖRENDE UNTERSUCHUNG AN SPANNBETONTRÄGERN ZUR AKUSTISCHEN CHARAKTERISIERUNG DES SPANNDRAHTBRUCHS - DGZFP
SCHALL 21

            Zerstörende Untersuchung an
         Spannbetonträgern zur akustischen
       Charakterisierung des Spanndrahtbruchs
                        Max KÄDING 1, Gregor SCHACHT 1, Steffen MARX 2
                                  1
                                    MKP GmbH, Weimar und Hannover
                  2
                    Institut für Massivbau, Technische Universität Dresden, Dresden
                                    Kontakt E-Mail: max.kaeding@marxkrontal.com

Kurzfassung

Die Schallemissionsanalyse hat sich im Brückenbau als vielversprechendes Messverfahren
für die Überwachung von Spann- und Tragseilen zur Detektion einzelner Drahtbrüche
etabliert. Geschickt verteilte Sensoren ermöglichen hierbei eine gesamtheitliche
Überwachung des Tragwerks. Das Netzwerk aus Sensoren muss jedoch in technischer als
auch wirtschaftlicher Hinsicht effizient entworfen werden. Hierzu sind Eingangsparameter
zur Charakteristik des untersuchten Schadens, zum Signalübertragungsverhalten des
Bauwerks bzw. Materials, sowie zum Nebengeräuschlevel erforderlich, um die Messorte
bestmöglich definieren zu können.
        Der Beitrag thematisiert die prinzipielle Vorgehensweise für den Entwurf eines, mit
Blick auf die Detektionswahrscheinlichkeit für Drahtbrüche, zuverlässigen Sensorlayouts.
Einzelne Komponenten der Signalübertragungskette wurden hierzu im Rahmen
experimenteller Untersuchungen genauer betrachtet.
        Zum einen wurden an verschiedenen Trägerelementen mehrere Hundert Drahtbrüche
erzeugt. Die Signale wurden weitestgehend ohne Sättigung erfasst und die statistische
Verteilung der Peak-Amplitude in Quellortnähe ermittelt. Beim Erzeugen der Drahtbrüche
wurden verschieden mechanische Einflussgrößen berücksichtigt, um eine auf der sicheren
Seite liegende Einschätzung zum Quellsignal zu erhalten. Zum anderen wurden für die
Träger die Dämpfungseigenschaften für die Drahtbruchsignale und eine Referenzquelle
(Rückprallhammer) ermittelt.
        Die Ergebnisse wurden verwendet, um hieraus die Verläufe der
Detektionswahrscheinlichkeit in Abhängigkeit des Abstands zwischen Quellort und Sensor
zu berechnen. Es zeigte sich, dass die baukonstruktiven Randbedingungen diese stark
beeinflussen können.

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Lizenz: https://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/deed.de
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28.01.2021

ZERSTÖRENDE UNTERSUCHUNG AN
SPANNBETONTRÄGERN ZUR AKUSTISCHEN
CHARAKTERISIERUNG DES SPANNDRAHTBRUCHS

SCHALL 21 – Entwicklung und Anwendung der
Schallemissionsanalyse und Zustandsüberwachung
mit geführten Wellen
Session 5 - Donnerstag, 25. Februar 2021

MOTIVATION
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28.01.2021

     SPA NNBETO NBRÜC KEN DER ERSTEN GENERATIO N

                                               Fehlende Erfahrungen und Vorschriften

                                               Auftreten zeitverzögert / konstruktive Mängel

25.02.2021                                   Nürnberger et al. (1981): Zur Korrosion und Risskorrosion bei Spannstahlen.   3

     BEW ERTUNGSBAUSTEI NE

             RECHNERISCHE    Einstufung des Ankündigungsverhaltens
             UNTERSUCHUNG
                             Lokale und globale Bewertung des Spannstahlausfalls

             DIAGNOSTISCHE   Lokale Entnahme von Materialproben
               BEPROBUNG
                             Begutachtung und Analyse im Labor

              BAUWERKS-      Handnahe Sichtprüfung zu diskreten Zeitpunkten
               PRÜFUNG
                             Erkennbarkeit von Rissen ist Voraussetzung

                             Kontinuierliche Zustandserfassung
              MONITORING
                             Direkte Detektion und Lokalisierung der Brüche möglich

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        SC HA L L EMISSIO NSMO NITO RING (SEM)

                      BAUTEIL UND MATERIAL                       MESSTECHNIK UND ANALYSE

                ENTSTEHUNG                 AUSBREITUNG       ERFASSUNG              VERARBEITUNG

               Vorspannung des            Dämpfung          Vorverstärkung          Triggerkriterien:
               Spannstahls                Streuung          Frequenzspektrum        Schwellwerte / KI
               Eigenschaften der          Laufweg                                   Filterung
               Verbundzone
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                                                            A NW ENDUNGEN W ELTW EIT

                                                               Entwicklung seit Beginn 1990er

Autor                Sensor-   Antwortspektrum   Dämpfung      „proof of concept“ erbracht
                     abstand   des Sensors
                                                               Detektion und zerstörende
Cullington (2001)    5m        1-20 kHz          -
                                                               Validierung von Drahtbrüchen
Yuyama (2007)        6m        40-100 kHz        4,3 dB/m      Zahlreiche Erfahrungen, auch aus
Fricker (2009)       8,3 m     20-200 kHz        3,7 dB/m
                                                               der Dauerüberwachung

Sodeikat (2019)      >10 m     25-80 kHz         -             Dennoch: umfassende Analyse des
                                                               Drahtbruchsignals nicht vorhanden
Schacht (2019)       10 m      30-100 kHz        3,0 dB/m
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     NOTWENDIGKEIT UND ZIELSTELLUNG

      BRÜC KENBAUKO NSTRUKTIO N EN

EINZELDRÄHTE (SPANNBETT)   SPANNGLIEDER (EINZELN)   SPANNGLIEDER (GRUPPEN)

STEG (FERTIGTEIL)          PLATTE (FERTIGTEIL)      STEG (ORTBETON)
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     DEFINITIO N DES SENSO RL AYO UTS

             Unterschiedliche konstruktive
             Randbedingungen
             A priori unbekannte Größen:
                 Schadsignals
                 Verkehrsgeräuschlevel
                 Dämpfungscharakteristik
                 Ausbreitungsgeschwindigkeit          Ziel

             Quantifizierung des Sicherheitsgewinns      Ermittlung von Referenzdatensets
             für bautechnische Bewertung notwendig       zur Charakterisierung des Schaden
             (Detektionswahrscheinlichkeit)              und der Dämpfung

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    EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN
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     PRO BEKÖ RPER | BT500 FERTIGTEILTRÄGER

                                              Abmessungen = 11m x 1m x 0,5m

                                              BSG50 | ADraht=35 mm² | Hennigsdorf

                                              112 Drahtbrüche an Träger A

                                              56 Drahtbrüche Träger B
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     PRO BEKÖ RPER | BRÜC KE RO DING

                                              Abmessungen = 7m x 0,8m x 1,4m

                                              BBRV-Suspa | ADraht=28,3 mm² | Felten
                                              & Guilleaume

                                              75 Drahtbrüche an einem Träger

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     SIMUL ATIO N V ERSC HIEDENER V ERBUNDSITUATIO NE N

     SCHLECHTER VERBUND

      Energiefreisetzung ist bei schlechter
      mechanischer Bettung am größten         MÄßIGER VERBUND

     GUTER VERBUND                            HERVORRAGENDER VERBUND
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     SENSO RA PPL IKATIO N UND SIGNA L ERFASSUNG

     SENSOR UNMITTELBAR AUF DEM DRAHT         SENSOR AM HÜLLROHR

                                                 Erfassung der vollen Signalamplitude

     SENSOR IN NÄHE DES BRUCHORTS             VERWENDUNG VON DÄMPFUNGSELEMENTEN
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    ERGEBNISSE

                                                       QUEL L SIGNA L | DRA HTBRUC H

                                 FREIGELEGTE DRÄHTE

                                                         Zusammenhang zwischen freigesetzter
                                                         Energie und Verbund in Daten erkennbar

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             DIREKTER TRENNSCHNITT IN DAS SPANNGLIED                                              16
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     QUEL L SIGNA L | DRA HTBRUC H

    BT500(A)                                            DRAHTBRUCH-VERTEILUNGSFUNKTIONEN

             Āsource ≈ 148 dB (Draht voll im Verbund)
             σ ≈ 5,65 (Versuchsdaten: Bruchort)

                                                        relative Häufigkeit [%]
             A0,05 ≈ 140 dB
             A0,01 ≈ 135 dB

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     QUEL L SIGNA L | DRA HTBRUC H

    BRÜCKE RODING                                       DRAHTBRUCH-VERTEILUNGSFUNKTIONEN

             Āsource ≈ 135 dB (Draht voll im Verbund)
             σ ≈ 6,10 (Versuchsdaten: Trennschnitt)
                                                        relative Häufigkeit [%]

             A0,05 ≈ 125 dB
             A0,01 ≈ 121 dB

        Streuung der gemessenen Amplituden
        tlw. vergleichbar

        Maßgebende Amplituden beim direkten
        Trennschnitt sehr unterschiedlich

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                               DÄ MPFUNGSEIGENSC HA FT EN
                               L Ä NGS DER SPA NNGL IEDAC HSE
                                                         BT500(A)

                 DRAHTBRUCH

25.02.2021
             RÜCKPRALLHAMMER                                       19

                               DÄ MPFUNGSEIGENSC HA FT EN
                               L Ä NGS DER SPA NNGL IEDAC HSE
                                                          Roding

25.02.2021                                                         20
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                                                       DÄ MPFUNGSEIGENSC HA FT EN
                                                       QUER ZUR SPA NNGL IEDAC HSE

                      Sensor

                LT1      LT2     LT3     LT4     LT5

25.02.2021                                                                                    21

                                                       DÄ MPFUNGSEIGENSC HA FT EN
                                                       QUER ZUR SPA NNGL IEDAC HSE

                      Spannglied oben

                      Spannglied unten

             Spannglied oben
                                         VS150

                                          VS30

                                                         Entstehungsort des Drahtbruchs im
             Spannglied unten                            Querschnitt beeinflusst messbare
                                                         Amplitude stark
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28.01.2021

     PRO BA BIL ITY O F DETEC TIO N (PO D)

             Berechnung von POD-Kurven auf
             Grundlage der experimentellen
             Ergebnisse
             Berücksichtigung einer bilinearen
             Dämpfung in Längsrichtung
             Annahme einer Nachweisschwelle
             von 90 dB

         Stark reduzierte Sensorabstände um
         sichere Detektion zu gewährleisten

25.02.2021                                                               23

     AUSBL IC K

     ERHÖHUNG DER DIMENSIONALITÄT | MUSTERERKENNUNG

                                ZEITBEREICH           FREQUENZBEREICH

25.02.2021                                                               24
28.01.2021

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PLANUNG                              DIAGNOSTIK

MONITORING                           ANALYTICS
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