Schadensdetektion in flächigen Stahlbauteilen mit Hilfe piezoangeregter Lamb-Wellen

Loppe, Stefan

Die Überwachung von Bauwerken zur Sicherstellung ihrer Funktionstauglichkeit und vor allem ihrer Tragsicherheit gewinnt aufgrund des zunehmenden Durchschnittsalters der Bauwerke immer mehr an Bedeutung. Nutzungsänderungen, höhere und häufigere Belastungen leisten zusätzlich zum steigenden Bauwerksalter einen weiteren Beitrag zur Zustandverschlechterung. Bei nicht ruhend beanspruchten Bauwerken, wie z.B. großen Tanks mit wechselnden Füllständen, ist hierbei besonders auf Ermüdungsrisse zu achten, da diese die Tragfähigkeit unmittelbar einschränken können. Klassische zerstörungsfreie Prüfverfahren und Überwachungsmethoden wie die visuelle Kontrolle des Bauwerks sind jedoch nicht überall gut und häufig gar nicht möglich. Deshalb befasst sich die vorliegende Arbeit mit der Entwicklung und Anwendung eines Messsystems und –verfahrens, das in der Lage ist, die hinsichtlich Ermüdung kritischen Bauwerksbereiche automatisiert und kontinuierlich zu überwachen. Basis dieses Überwachungssystems sind kompakte piezokeramische Elemente, die mit elektrischen Signalen im Ultraschallbereich angeregt werden und durch ihre feste Applikation auf der Struktur bei flächigen Bauwerken die Ausbreitung von Plattenwellen, so genannten Lamb-Wellen, initiieren. Identische Piezoelemente werden gleichzeitig zur Detektion dieser Wellenausbreitung eingesetzt. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit den unterschiedlichen Phänomenen sowohl der verwendeten piezokeramischen Elemente als auch den komplexen Eigenarten der geführten Plattenwellen. Deren Verständnis sowie die Beherrschung der Wellenanregung und -messung sind die Grundlage für eine erfolgreiche Detektion und Lokalisierung struktureller Schäden. Einen Schwerpunkt der vorliegenden Dissertation stellt die Entwicklung leistungsfähiger Signalverarbeitungsalgorithmen dar. Die eigentliche Schadenserkennung und –ortung, basierend auf den weiterverarbeiteten Messsignalen der geführten Wellen, können auf unterschiedliche Weise erfolgen. Im Rahmen dieser Arbeit kommen vorwiegend aktive und passive Beamforming-Methoden zum Einsatz, die sich dadurch auszeichnen, von einem zentralen Ort aus die angrenzende Struktur zu überwachen. Gemessene und simulierte Ergebnisse dieser erfolgreichen Vorgehensweise zur Schadensdetektion selbst kleinster Schäden werden als leicht zu interpretierende zweidimensionale Schadensdarstellungen des untersuchten Bauteils präsentiert.

The monitoring of structures to ensure their function and especially their structural safety becomes more and more important due to the rising average age of the buildings. The change of use, higher and more frequent loads additionally to the structures increasing age make a contribution to the degradation of the building condition. With structures not loaded statically, e.g. tanks with changing pressure, it is important to pay attention especially to fatigue cracks since these can limit the load-carrying capacity directly. Classic non-destructive testing methods and monitoring approaches like the visual inspection of the structure are not easy to perform satisfactorily everywhere and sometimes even impossible. The present paper is therefore concerned with the development and application of a measurement system and method that is capable of monitoring the buildings critical regions continuously and automatically regarding fatigue. The basis of this monitoring system are compact piezoceramic devices that are stimulated with electrical ultrasonic signals. Due to their stiff connection to the structure they initiate the spreading of guided plate waves (so-called Lamb-waves) in the plane structure. Identical piezoelectric devices are used simultaneously as sensors for the detection of the wave propagation. The present work deals with the different phenomena of the used piezoceramic devices as well as particularly with the complex properties of the guided plate waves. Their understanding is the foundation for a successful detection and localization of structural damages as shown in this work. The development of effective signal processing algorithms forms a focal point of the present paper. The actual damage identification and locating based on the processed measured signals of the guided wave can be realized in different ways. Within the scope of this work primarily active and passive beamforming principles are used for damage detection. These approaches operate from one central location in order to monitor the adjacent structure. Measured and simulated results of these successful damage detection procedures are presented as two dimensional damage maps of the investigated structure that are easy to interpret.

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Loppe, Stefan: Schadensdetektion in flächigen Stahlbauteilen mit Hilfe piezoangeregter Lamb-Wellen. 2009.

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