Frank Mielentz

COMPLEMENTARY APPLICATION OF RADAR, IMPACT-ECHO, AND ULTRASONICS FOR TESTING CONCRETE STRUCTURES AND METALLIC TENDON DUCTS

Nondestructive testing of concrete structures plays an increasing role in civil engineering, although until now the full potential of such techniques has not been tapped. For posttensioned structures, the investigation of tendon ducts is one of the most essential testing problems. The location of tendon ducts, the determination of concrete cover and, especially, the detection and quantification of ungrouted areas inside the ducts are the relevant questions. Recent developments and opportunities of radar, impact-echo, and ultrasonics for the investigation of tendon ducts are presented. Although the obtained results on positioning and concrete cover determination are sufficient, the location of ungrouted areas is still a matter of research. Thus, new approaches for this testing problem have to be considered. Additionally, the combined use of complementary techniques offers a high potential to increase the reliability of results. Data will be displayed on the combined application of acoustic and electromagnetic impulse-echo methods and of data fusion related to the investigation of tendon ducts.

Embedded Ultrasonic Transducers for Active and Passive Concrete Monitoring

Recently developed new transducers for ultrasonic transmission, which can be embedded right into concrete, are now used for non-destructive permanent monitoring of concrete. They can be installed during construction or thereafter. Large volumes of concrete can be monitored for changes of material properties by a limited number of transducers. The transducer design, the main properties as well as installation procedures are presented. It is shown that compressional waves with a central frequency of 62 kHz are mainly generated around the transducer’s axis. The transducer can be used as a transmitter or receiver. Application examples demonstrate that the transducers can be used to monitor concrete conditions parameters (stress, temperature, …) as well as damages in an early state or the detection of acoustic events (e.g., crack opening). Besides application in civil engineering our setups can also be used for model studies in geosciences.

IMAGING OF CRACKS AND HONEYCOMBING IN CONCRETE ELEMENTS

During more than ten years of ultrasonic inspection of concrete members the inspection methods achieved an enormous progress. This is due to the development of broadband transducers in the low frequency range (centre frequency 80 kHz to 250 kHz) and to the application of synthetic aperture measuring and evaluation techniques [ 1-3]. Since 1994 the Fraunhofer IZFP and BAM co-operate in the area of ultrasonic imaging. BAM develops measuring techniques applying monostatic impulse echo measurement, twodimensional scanning of concrete elements using transducer arrays, multistatic scanning, and a scanning laser-vibrometer as ultrasonic receiver. IZFP develops and applies the data evaluation by means of reconstruction calculation (3D-SAFT; Synthetic Aperture Focusing Technique). The results obtained up to now concerning localising and investigation of tendon ducts in concrete elements, multi layer systems (for example ballast free railway tracks) and the investigation of concrete slabs [4-6] are very encouraging.

Progress in ultrasonic tendon duct imaging

ABSTRACT Ultrasonic imaging of tendon ducts enables the precise localisation of grouting faults in many cases. Additionally to well known criteria for detecting grouting faults in tendon ducts recently new possibilities were developed. Two main effects influence the complex behaviour of wave propagation and reflection: a) different arrangement and number of strands or internal rebars; b) superposition of reflecting signals and different wave modes propagating into the interface region around the tendon duct. In order to understand the experimental results, EFIT modelling is performed (EFIT: Elastodynamic Finite Integration Technique).

Experimental Study of Elastic Waves in Concrete for NDE in Civil Engineering

Laser vibrometric contactless sound field measurements at a concrete test block are presented. Both excitation by an ultrasonic probe and by an impactor were used. The wave modes can be identified by their geometric wave forms and propagation velocities. Additionally, numerical simulation of the experimental situation is used to support this interpretation. Possible applications of the presented technique are discussed.

Schallfeldmodellierung von Ultraschall-Transversalwellen-Prüfköpfen - Modellierung von Prüfkopfarrays mit der Elastodynamischen Finiten Integrationstechnik und der Punktquellensynthese

Kurzfassung Ultraschallmessverfahren werden seit Langem erfolgreich für Prüfaufgaben, wie zum Beispiel die Ermittlung von Bauteilgeometrien, im Bauwesen eingesetzt. Um die Schallbündelung der Prüfköpfe zu verbessern, werden oft mehrere Prüfköpfe in einem Array angeordnet. Für die Entwicklung der Prüfkopfarrays ist es zweckmäßig, mithilfe von Modellierungen den Einfluss der Arraygröße, der Anordnung der Einzelprüfköpfe im Array und der Prüffrequenz auf das Schallfeld zu untersuchen. Dazu werden in der Praxis erfolgreich Modellierungen auf der Basis der Elastodynamischen Finiten Integrationstechnik (EFIT) und der Punktquellensynthese angewendet. Beim Aufbau der Arrays kommen zurzeit immer häufiger Transversal-Punktkontaktprüfköpfe zur Anwendung. Daher wird bei der Beschreibung der Schallfeldberechnung insbesondere auf die der Transversalwellenprüfköpfe eingegangen und mithilfe von Modellierungen und Experimenten gezeigt, wie sich die Prüfkopfpositionierung auf die Richtcharakteristik auswirkt.

Codierte Sendesignale für die Ultraschallprüfung von Betonbauteilen

Zusammenfassung Es wurden Untersuchungen hinsichtlich der Eignung und der praktischen Relevanz von codierten Sendesignalen als Anregungsimpulse für die Ultraschallprüfung von Betonbauteilen durchgeführt. Anhand von synthetischen Daten werden die theoretischen Vorteile der codierten Impulssequenzen gezeigt. Im Anschluss werden Barker- und Golay-codierte Sendesignale an einer Betonstufenplatte mit einem Größtkorn von 16 mm getestet. Es zeigt sich das große Potenzial dieses Verfahrens, insbesondere bei Verwendung von Golay-Sequenzen als Anregung für die Ultraschallprüfköpfe. Es ergibt sich ein deutlich verbessertes Signal-Stör-Verhältnis im Vergleich zu den herkömmlichen bipolaren Rechteckimpulsen.

Ultraschallprüfung von Betonbauteilen – laufzeitgesteuerte Gruppenstrahler mit Punktkontaktprüfköpfen

Kurzfassung In den letzten Jahren werden vermehrt trocken ankoppelbare Ultraschall-Punktkontaktprüfköpfe erfolgreich für Prüfaufgaben im Bauwesen angewendet. Oft werden mehrere Punktkontaktprüfköpfe in einem Gehäuse zu einer Strahlergruppe kombiniert, um die Schallbündelung zu verbessern oder um einzelne Prüfköpfe nacheinander als Sender und Empfänger zu betreiben und die Messsignale nach der Messung einer SAFT-Auswertung zuzuführen. Alternativ können die einzelnen Prüfköpfe einer solchen Gruppe laufzeitgesteuert angeregt und dadurch schon während der Messung das Prüfkopfschallfeld beeinflusst werden. Für diese Technik sind die Bezeichnungen laufzeitgesteuerte Ultraschall-Gruppenstrahler oder „Phased Array“ gebräuchlich. Mit den präsentierten Untersuchungen sollen die Anwendungsmöglichkeiten der Gruppenstrahlertechnik im Niederfrequenzbereich durch den Einsatz von Punktkontaktprüfköpfen verbessert werden. Dazu werden verschiedene Wellenarten eingesetzt und der Einfluss der Anordnung der Strahlerelemente im Array untersucht.

New Possibilities for Ultrasonic Imaging of Concrete Elements

In recent years the combination of measuring large concrete areas with dry ultrasonic transducers and reconstruction calculation imaging the location of construction elements and defects has been further developed and presents itself now as a precise tool to survey the inner condition of concrete elements. Examples of large area applications at test specimens and post-tensioned concrete bridges are presented.