Wellenforminversion für die zuverlässige Erkundung von Stahlbetonbauteilen mit dem Ultraschallechoverfahren

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: BGT_20_08C_01
• Projekttitel Englisch: Full Waveform Inversion for reliable investigation of reinforced concrete with the Ultrasonic Echo method

Schlüsselwörter (Deutsch)

zerstörungsfreie Prüfung; Wellenformanalyse; Ultraschallecho; Bildgebung; Vorspannkabel; Schadensortung

Schlüsselwörter (Englisch)

nondestructive-testing; waveform-analysis; ultrasound-echo; imaging; post-tension cable; defect-analysis

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die Ultraschallechomethode ermöglicht es Fehlstellen im Beton festzustellen. Bisherige Auswerteverfahren basieren weitestgehend auf Bildgebung. Sie weisen Schwächen auf in Hinblick auf spezielle Fragestellungen wie beispielsweise der Detektion von Verpressfehlern in Spannkabelhüllrohren oder der quantitativen Analyse von Betoneigenschaften. Die Wellenforminversion verspricht komplexe Signalechos in ein Modell des Bauteils zu überführen. Dabei wird die Verteilung der elastischen Materialeigenschaften aus den unterschiedlichen Wellenfeldern abgeleitet. Neben einer generellen materialtechnischen Charakterisierung stehen Fehlstellen, sowie Einbauten und Geometrie der Bauteile im Ergebnis. In diesem Projekt werden die Möglichkeiten der Wellenforminversion an synthetischen und gemessenen Ultraschallechodaten untersucht. Testkörper, die spezielle, noch nicht erforschte Problemstellungen in ein physikalisches Modell überführen, ermöglichen die Datenakquisition mit unterschiedlichen und teils neuartigen Messsystemen. So werden die Möglichkeiten der Wellenforminversion den Ergebnissen der klassischen bildgebenden Auswertung an zahlreichen Szenarien gegenübergestellt. Neben neben neuen Anwendungsfällen mit der vollen Wellenforminversion werden so auch die Grenzen der einzelnen Messsysteme und Auswertemethoden für die unterschiedlichen Problemstellungen aufgezeigt.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Ultrasound is a powerful modality for nondestructive testing of reinforced concrete, and sensitive to various defects and flaws. State-of-the-art evaluation methods are largely based on imaging. These methods are limited in their predictive power regarding the detection of grouting errors in prestressed tendon ducts or the quantitative analysis of the material properties of concrete. Waveform inversion transforms complex signal echoes into a 3D quantitative model of the specimen. The distribution of the elastic material properties can be inferred from the whole trace of A-scan recordings. In addition to a general material characterization, defects as well as fixtures and the geometry of the components are included in the result. This project analyzes the applicability of waveform inversion using synthetic and measured ultrasonic echo data. Custom-made test bodies, which convert previously neglected scenarios into a physical model, enable data acquisition with different and partly new measuring systems. The potential of waveform inversion is compared to the results of conventional imaging in numerous scenarios. In addition to new applications of full waveform inversion, this will also show the limits of the individual measuring systems and evaluation methods for the different problems.

Projektziele (Deutsch)

Hauptziel der Forschung ist es die Anwendungsmöglichkeiten des Ultraschallecho-Verfahrens für die Erkundung von Stahlbetonbauteilen durch die Wellenforminversion zu erweitern. Insbesondere die Charakterisierung von Fehlstellen, sowie die quantitative Materialcharakterisierung des Betons stehen als Anwendungsfälle im Fokus. Die Forschung soll es ermöglichen, unterschiedliche Messsysteme und Auswerteverfahren an synthetischen und gemessenen Datensätzen zu testen. Dafür werden neben numerischer Modellierung auch physikalische Modelle (Testkörper) erstellt, an denen mit unterschiedlichen Messsystemen und Akquisitionsgeometrien entsprechende Datensätze entstehen. Weiteres Projektziel ist es, bestehende Datensätze, die weitere Szenarien abdecken, bzw. als Test-Standard dienen, von anderen Arbeitsgruppen zu erhalten und zu analysieren. Das Projekt wird mit einem Bericht abgeschlossen.

Projektziele (Englisch)

The primary goal of this project is to analyze and assess the applicability of (full-) waveform inversion in the context of ultrasonic echo computed tomography for nondestructive testing of reinforced concrete. The main focus is on the detection and localization of defects and the quantitative characterization of the elastic material properties of concrete. Different measurement hardware and techniques for data analysis and interpretation will be tested on simulated and measured data. In addition to digital twins and numerical models, ultrasound data will be acquired from custom-made test specimen using different measurement systems and acquisition geometries. Furthermore, the project will utilize datasets from other groups that include complimentary scenarios and benchmark tests. A final report will summarize the project findings.