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Modellierung und Anwendung der luftgekoppelten Ultraschallprüfung und der Röntgen-Computertomographie zur Erkennung von Fehlverklebungen in Brettschichtholz

S. J. Sanabria
ZfP-Zeitung
2014

Abstract

Die Entwicklung zerstörungsfreier Prüfverfahren zur Erkennung von Fehlverklebungen ist für die Qualitätssicherung und -Überwachung im Holzbau von hoher Bedeutung. Die Materialprüfung mittels luftgekoppeltem Ultraschall (ACU) erhöht deutlich die Reproduzierbarkeit und Scan-Auflösung gegenüber traditionellen Ultraschallmethoden. Aufgrund der sehr empfindlichen Signale beschränkte sich der Einsatz dieser Technik bisher auf Holzwerkstoffplatten. Zudem besteht eine große Herausforderung der Ultraschallprüfung darin, Änderungen des Ultraschallsignals infolge von Fehlverklebungen von der natürlichen Heterogenität des Holzes unterscheiden. Ziel der vorliegenden Promotionsarbeit war die Entwicklung eines Prüfverfahrens, um sowohl die Position als auch die Geometrie von Delaminierungen in Brettschichtholz abzubilden. Entsprechend dieser Zielsetzung wurde ein ACU System prototypisch entwickelt, mit dem bis zu 500 mm dickes Brettschichtholz durchschallt werden kann. Das System aus 120 kHz ACU Schallköpfen ermöglicht eine Ultraschall-Bildgebung mit fixen oder voneinander unabhängigen Sendern und Empfängern. Die Auswertung der Messdaten beruht im Wesentlichen auf der Dämpfung des Ultraschallstrahls, der an einer delaminierten Stelle wesentlicher stärker geschwächt wird (bis 50 dB) als an einer intakten Verklebung. Darüber hinaus wurde ein Finite-Difference-Time-Domain-Modell (FDTD-Modell) für Vollwellen entwickelt, das zu einem besseren Verständnis der Ausbreitung von Ultraschallwellen in Brettschichtholz führte. Akustische Eigenschaften (Schallgeschwindigkeit und Schalldämpfung), Wellenfronten und Energie-Fluss-Verschiebungen der Ultraschallwellen innerhalb anisotroper Holzlamellen, sowie Welleninterferenzen bei delaminierten Klebstellen wurden modelliert und mit analytischen Herleitungen und Schlüsselexperimenten validiert. Das Verfahren erkennt erfolgreich Delaminationen, die sich durch verschwindend kleine Luftspalte (20 dB Dämpfung für einen Luftspalt von 10 µm) auszeichnen. Eine experimentelle Beurteilung der Klebfugenqualität wurde zunächst bei senkrecht durchschallten Klebeflächen durchgeführt (NT Setup), was eine Einschätzung der allgemeinen Fügequalität über alle Klebeschichten ermöglicht. In Faserrichtung wurde eine Ortsauflösung von 25, 55 und 110 mm bzw. einer Brettschichtholzdicke von 80, 160, 240 mm nachgewiesen. Quer zur Faser verbesserte sich die Ortsauflösung mit Werten von 9, 16 und 24 mm. Infolgedessen eignet sich luftgekoppelter Ultraschall für die Erkennung von in Faserrichtung verlaufenden Delaminationen, die im Holzbau am häufigsten auftreten. Ein zweites patentiertes Verfahren (SLT Setup) erlaubt es, Defekte an Brettschichtholzbalken beliebiger Höhe und Länge zu erkennen und zwar für jede einzelne Klebschicht. Dabei wurden einzelne Klebfugen in Schräglage durchschallt. Klebefehler bis zur Hälfte der Balkenbreite wurden effektiv erkannt. Die gewonnenen Ergebnisse weisen auf die Realisierbarkeit der luftgekoppelten Ultraschalltomographie in der Praxis hin. Hierzu wurden Schallfelder von Versuchsproben unter Verwendung des FDTD-Wellenpropagationsmodells invertiert. Auf Basis der Wellenkonvergenzen lässt sich eine Karte von Fehlverklebungen mit deutlich verbesserter Ortsauflösung erstellen. Ergänzend wurde die Eignung von Röntgen-Computertomographie zur Erkennung und Abbildung von Fehlverklebungen in Brettschichtholz erforscht. Es wurde eine Rekonstruktion angewandt, die lediglich Röntgenaufnahmen in einem eingeschränkten Winkelbereich (0.6 bis 1.8°) parallel zur Leimfläche erfordert. Diese Methode erlaubt es, die natürliche Heterogenität der Holzstruktur herauszufiltern. Daneben ist die Abmessung der zu untersuchenden Holzprobe nur in einer Richtung limitiert und die Gesamtmesszeit verringert sich gegenüber der Vollwinkel-Tomographie drastisch (von 120 min auf 40 s). Die Ortauflösung beträgt 5 mm in 100 mm breiten Laminaten, sodass Luftspalte bis unter 150 µm mit einem Mikrofokus-Labor-System erkannt werden können. Zusätzlich wurde der ACU-NT-Versuchsaufbau zur Charakterisierung von Materialeigenschaften von Spanplatten verwendet.


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@InProceedings{eth_biwi_01110,
  author = {S. J. Sanabria},
  title = {Modellierung und Anwendung der luftgekoppelten Ultraschallprüfung und der Röntgen-Computertomographie zur Erkennung von Fehlverklebungen in Brettschichtholz},
  booktitle = {ZfP-Zeitung},
  year = {2014},
  pages = {42-48},
  volume = {138},
  publisher = {Deutsche Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfung e.V.},
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