Verfahren

Generell wird in der ZfP unterschieden zwischen aktiven und passiven Prüfverfahren. Bei aktiven Verfahren wird ein Signal durch das Bauteil gesendet und anschließend hinsichtlich Material- und Baustoffeigenschaften ausgewertet. Bei passiven Verfahren erzeugt das Bauteil das Signal selber. Dieses wird dann auf Entstehungsort und -typ ausgewertet.

Elastische Wellen

Die in der ZfP eingesetzten Wellen (Schallwellen) können sich auf verschiedene Arten in dem zu untersuchenden Material ausbreiten. Die hierbei wichtigsten Wellenarten sind Longitudinalwellen (Primär- oder Kompressionswellen), Transversalwellen (Sekundär-, Scherwellen) und Oberflächenwellen (Rayleighwellen). Weitere Wellenarten, die auftreten können, sind Love-Wellen, Dehn- oder Biegewellen und Torsionswellen, die aber hier nur eine untergeordnete Rolle spielen. Für eine genauere Beschreibung der letztgenannten Wellen siehe Seismische Wellen.

Die Geschwindigkeit der Wellen hängt von Elastizitätsmodul ${\displaystyle E}$, Dichte ${\displaystyle \rho }$ und Querdehnzahl (Poissonzahl) ${\displaystyle \mu }$ des übertragenden Mediums ab. In festen, homogenen, isotropen, unendlich ausgedehnten Medien gilt:

${\displaystyle v_{\mathrm {prim{\ddot {a}}r} }={\sqrt {\frac {E\cdot (1-\mu )}{\rho \cdot (1-2\mu )(1+\mu )}}}~\left[{\frac {\mathrm {m} }{\mathrm {s} }}\right]}$

${\displaystyle v_{\mathrm {sekund{\ddot {a}}r} }={\sqrt {\frac {E}{2\rho \cdot (1+\mu )}}}\approx {\frac {v_{\mathrm {prim{\ddot {a}}r} }}{\sqrt {3}}}~\left[{\frac {\mathrm {m} }{\mathrm {s} }}\right]}$

${\displaystyle v_{\mathrm {Rayleigh} }\approx 0{,}9194\cdot v_{\mathrm {sekund{\ddot {a}}r} }~\left[{\frac {\mathrm {m} }{\mathrm {s} }}\right]}$

In Beton liegt die Primärwellengeschwindigkeit ${\displaystyle \textstyle {v_{\mathrm {prim{\ddot {a}}r} }}}$ zwischen 3500 und 4600 ${\displaystyle \textstyle {\frac {\mathrm {m} }{\mathrm {s} }}}$ (C12/15 bis C100/115). Bei unbekannter Betondruckfestigkeit kann in erster Näherung von ${\displaystyle \textstyle {v_{\mathrm {prim{\ddot {a}}r} }}}$ = 4000 ${\displaystyle \textstyle {\frac {\mathrm {m} }{\mathrm {s} }}}$ ausgegangen werden. Der Zusammenhang zwischen Wellengeschwindigkeit, Wellenlänge und Frequenz ist gegeben durch:

${\displaystyle f={\frac {v}{\lambda }}~\left[\mathrm {Hz} ={\frac {1}{\mathrm {s} }}\right]}$

${\displaystyle \lambda ={\frac {v}{f}}~\left[\mathrm {m} \right]}$

Elektromagnetische Wellen

Elektromagnetische Wellen werden je nach Wellenlänge bzw. ihrer Frequenz unterschieden (siehe elektromagnetisches Spektrum). Der Zusammenhang zwischen der Frequenz f und der Wellenlänge λ wird beschrieben durch: ${\displaystyle v=f\cdot \lambda }$
worin ${\displaystyle v}$ die Phasengeschwindigkeit ist.

Ultraschalllaufzeit-Verfahren

Auf beiden Seiten des zu untersuchenden Bauteils wird ein deckungsgleiches Messraster eingemessen. Anschließend wird die Laufzeit des Ultraschallimpulses für jeden Messpunkt ermittelt. Um Fehlstellen muss der Schall herumlaufen, was in einer höheren Laufzeit resultiert. Nach Bedarf kann auch das Frequenzspektrum oder die Intensität des empfangenen Signals gemessen werden.

Einsatzbereich:

• Ermittlung der Homogenität: eine kleine Streuung der Laufzeiten bedeutet eine hohe Gleichmäßigkeit der Ausführung.
• Minimierung zerstörender Bauteilprüfungen: im Bereich höherer Laufzeiten wird das Messraster verfeinert und somit die Schwachstelle eingegrenzt. Dort kann dann gezielt eine Probe entnommen werden.

Bemerkungen:

• Bauteil muss von beiden Seiten zugänglich sein.
• Hoher Zeitaufwand, da jeder Sender und Empfänger an das Bauteil angekoppelt werden muss.
• Aussagen über die Intensität sind schwierig, da die Ankopplungen quasi nicht reproduzierbar sind.

Ultraschallecho-Verfahren

Auf einem Messraster werden Ultraschallwellen in das Bauteil gesendet und die Reflexionen registriert. Ähnlich dem Ultraschalllaufzeit-Verfahren werden Laufzeit und gegebenenfalls Intensität und Frequenzspektrum gemessen.

Einsatzbereich:

• Lokalisierung von Konstruktionselementen und Fehlstellen: eine niedrige Laufzeit des Impulses bedeutet eine kleine Tiefe bis zum Impedanzsprung (Reflexionsstelle). Worum es sich handelt, kann nicht direkt aus einer einzelnen Messung gesagt werden, kann sich aber im Vergleich mit den anderen Messpunkten ergeben.
• Wanddickenmessung

Bemerkungen:

• Messung funktioniert nur bis zum ersten Impedanzsprung, ist also für hochbewehrte Bauteile ungeeignet.

Frischbetonmessung

In einem geometrisch definierten Messbehälter wird Frischbeton durchschallt und dabei die Schalllaufzeit, Energie, Frequenzspektrum und Temperatur über die Zeit aufgezeichnet. Aus diesen Daten können Rückschlüsse auf den Erstarrungsfortschritt gezogen werden.

Einsatzbereich:

• Optimierung des Arbeitsablaufs bei zeitkritischen Bauprozessen
• Qualitätssicherung
• Entwicklung neuer Baustoffe

Bemerkungen:

• Wesentlich zeitnaher am Bauprozess als herkömmliche Verfahren
• Gute Reproduzierbarkeit
• Materialeigenschaften werden zeitabhängig erfasst, nicht nur punktuell

Impakt-Echo-Verfahren

Durch einen mechanischen Stoß wird das Bauteil zu Schwingungen angeregt. Zwischen den Grenzflächen (z. B. Sender auf der Oberfläche und Fehlstelle) bilden sich stehende Wellen aus. Über eine Fourieranalyse des empfangenen, also des reflektierten Signals, können diese Eigenfrequenzen bestimmt werden. Die niedrigste Eigenfrequenz ist ${\displaystyle \textstyle f_{R}}$, der Abstand d vom Sender zum Reflexionspunkt ergibt sich aus der Beziehung:

${\displaystyle d={\frac {v}{2f_{R}}}~\left[\mathrm {m} \right]}$

Einsatzbereich:

• Lokalisierung von Konstruktionselementen und Fehlstellen
• Wanddickenmessung

Bemerkungen:

• Durch die relativ niedrigen Prüffrequenzen werden nur Elemente größer 2,5 cm aufgelöst, d. h., dieses Verfahren ist zum Auffinden von schlaffer Bewehrung ungeeignet, zur Wanddickenmessung dafür umso mehr.

Schallemissionsanalyse

Unter Belastung sendet das Prüfobjekt Schallsignale aus. Grund hierfür ist die innere Rissbildung. Mit mindestens vier Empfängern wird die Laufzeit und das Frequenzspektrum des Signals gemessen. Drei Empfänger werden benötigt um den Punkt im Raum zu bestimmen, an dem das Signal ausgesendet wurde, der vierte Empfänger ist zur Bestimmung des Sendezeitpunkts.

Einsatzgebiet:

• Lokalisierung von Schädigungen
• Bauteilüberwachung (Monitoring)

Bemerkungen:

• Schon sehr kleine Risse können detektiert werden.
• Durch das kontinuierliche Hintergrundrauschen kann die Auswertung sehr schwierig sein.

Radar

Ein elektromagnetisches Wavelet wird in das Bauteil gestrahlt und die Reflexionen aufgezeichnet. Diese entstehen besonders an leitfähigen Stoffen und dielektrischen Strukturen.

Einsatzgebiet:

• Lokalisierung von Bewehrung und Spannkanälen
• Lokalisierung von Feuchtestellen

Bemerkungen:

• Sehr geringer Messaufwand
• Kein Ankopplungsproblem
• Nur Erfassung der obersten Bewehrungslagen möglich, d. h. bei hohem Bewehrungsgrad ist das Ultraschallecho - Verfahren vorteilhafter
• Die Radarprüfung ist ein Spezialfall der Mikrowellenprüfung.

Infrarot-Thermografie

Das zu untersuchende Objekt sendet Wärmestrahlung aus, die von entsprechenden Kameras aufgenommen und in Falschfarbenbilder umgewandelt werden kann.

Einsatzbereich:

• Auffinden von Wärmebrücken
• Auffinden von verborgenen Strukturen (z. B. Fachwerke oder Fußbodenheizung)
• Lokalisierung von Feuchte- und Fehlstellen

Bemerkungen:

• Geringer Messaufwand, da ganze Bauwerke auf einmal gemessen werden können
• Hoher thermischer Kontrast notwendig
• Metalle reflektieren Wärmestrahlung, was zu falschen Ergebnissen führen kann

Weitere Verfahren

• Sichtprüfung, Optische Kontrolle auf Fehler.
• Bewehrungsortung, Bestimmung der Lage einzelner Bewehrungsstäbe.
• Spannstahlbruchortung, Ortung von Rissen im Spannstahl.
• Potentialfeldmessung, Bewertung des Korrosionszustandes von Bewehrungsstahl.
• Rückprallhammer, Prüfung der Gleichmäßigkeit der Druckfestigkeit.