ZERSTÖRENDE UNTERSUCHUNG AN SPANNBETONTRÄGERN ZUR AKUSTISCHEN CHARAKTERISIERUNG DES SPANNDRAHTBRUCHS - DGZFP
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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.
1
Lizenz: https://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/deed.de
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
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
25.02.2021 4
28.01.2021
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
25.02.2021 5
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
25.02.2021 6
28.01.2021
NOTWENDIGKEIT UND ZIELSTELLUNG
BRÜC KENBAUKO NSTRUKTIO N EN
EINZELDRÄHTE (SPANNBETT) SPANNGLIEDER (EINZELN) SPANNGLIEDER (GRUPPEN)
STEG (FERTIGTEIL) PLATTE (FERTIGTEIL) STEG (ORTBETON)
25.02.2021 8
28.01.2021
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
25.02.2021 9
EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNGEN
28.01.2021
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
25.02.2021 11
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
25.02.2021 12
28.01.2021
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
25.02.2021 13
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
25.02.2021 14
28.01.2021
ERGEBNISSE
QUEL L SIGNA L | DRA HTBRUC H
FREIGELEGTE DRÄHTE
Zusammenhang zwischen freigesetzter
Energie und Verbund in Daten erkennbar
25.02.2021
DIREKTER TRENNSCHNITT IN DAS SPANNGLIED 16
28.01.2021
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
25.02.2021 17
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
25.02.2021 1828.01.2021
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 2028.01.2021
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
25.02.2021 2228.01.2021
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 2428.01.2021 DA NKE FÜR IHRE AUFMERKSA MKEIT PLANUNG DIAGNOSTIK MONITORING ANALYTICS
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