Untersuchung von Bruchprozessen in Beton mit Hilfe der Schallemissionsanalyse

Abstract

In einem unter Last stehenden Bauteil bildet sich ein globales Spannungsfeld aus. Dieses ist u. a. von den Materialkennwerten, der Geometrie des Bauteils, dessen Auflagerbedingungen und der Art der Lasteinwirkung abhängig. Übersteigt das Spannungsniveau im Bauteil lokal die Festigkeit des Materials, kommt es zum Versagen. Es entsteht z. B. ein Riss. Dabei wird Energie freigesetzt, wovon ein Teil für die bleibende Veränderung des Materials und die Erzeugung von Wärme aufgewendet wird. Ein geringer Teil der Energie wird in Form eines seismischen oder akustischen Wellenfeldes freigesetzt [Lawn, 1993]. Bei Mikrorissen in spröden Werkstoffen oder Gefügeänderungen in Metallen spricht man dabei von "Schallemissionen".

Dank der Fortschritte auf den Gebieten der digitalen Messwerterfassung und -verarbeitung hat sich die Schallemissionsanalyse (SEA) zu einem leistungsfähigen Messverfahren entwickelt [Drouillard, 1996]. Vor allem die Möglichkeit digitalisierte transiente Signale von einer großen Zahl von Schallereignissen speichern zu können, erschloss der SEA eine Reihe von Anwendungen. Die SEA ist ein passives Verfahren. Sie erlaubt es, den Rissfortschritt auch in undurchsichtigen Materialien mit Hilfe weniger stationärer Sensoren zu untersuchen. Im Rahmen einer signalbasierten oder quantitativen SEA [Scruby, 1985, Sachse & Kim 1987] kann im Anschluss an die Datenerfassung eine umfassende Aufbereitung, Bearbeitung und Analyse der Ereignisse erfolgen. Auf der Basis transienter Signale, die die Ausbreitung des Wellenfeldes im Raum beschreiben, können z. B. Bruchherde lokalisiert und Bruchmechanismen an Hand des Modells des Momententensors analysiert werden [z. B. Ohtsu et al. 1991, Landis & Shah, 1993, Maji & Sahu 1994, Grosse, 1996, Zang et al. 1998, Köppel & Vogel 2000, Manthei et al. 2001, Finck et al. 2003].

Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene Auswerteverfahren der SEA beschrieben und angewendet. Im theoretischen Teil werden gängige Bruchmodelle und die Annahme einer Punktquelle hinsichtlich der Abstrahlung seismischer Energie diskutiert. Einen Schwerpunkt bildet hierbei u. a. der Einflusses des seismischen Nahfeldes auf die SEA. Auf Basis dieser theoretischen Untersuchungen wurden in einer Reihe von Experimenten unterschiedliche Schädigungsmechanismen aktiviert und mit Hilfe von verschiedenen Methoden untersucht. Einen Schwerpunkt bilden dabei relative [Dahm, 1993] und hybride Verfahren [Andersen, 2001] zur Inversion auf den Momententensor.

A global stress field is generated in a member under load. This is dependent on material characteristics, the geometry of the structure, its support and the form of the applied load. As soon as the stress level in the member exceeds the strength of the material locally, it fails. During cracking, energy is released in the form of thermal energy and the deterioration of the material. A small part of the energy is released as seismic or acoustic wave field [Lawn, 1993]. In the case of micro cracking within quasi-brittle materials acoustic emissions can be observed.

Using the developments in the field of digital data acquisition and data processing, acoustic emission analysis became a promising tool for the examination of failure mechanisms within opaque materials. Saving complete transient signals a comprehensive data processing and analysis is provided by signal-based acoustic emission techniques. These allow for a localization of cracks as well as the investigation of their fracture mechanisms using the model of the moment tensor [z. B. Ohtsu et al. 1991, Landis & Shah, 1993, Maji & Sahu 1994, Grosse, 1996, Zang et al. 1998, Köppel & Vogel 2000, Manthei et al. 2001, Finck et al. 2003].

Within this dissertation various methods for the analysis of acoustic emissions are described. In the theoretical sections different fracture models and the assumption of point sources are discussed with respect to the radiation of seismic energy. Their wave fields and the effect of the seismic near field on the analysis of acoustic emissions are investigated in detail. These theoretical studies were the basis for the application and verification of the analysis methods on a variety of experimental data sets. The emphasis here was placed on relative [Dahm, 1993] and hybrid moment tensor inversion techniques [Andersen, 2001].