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Messsystem für Ultraschalluntersuchungen

Cross-Hole-Ultraschall-Messung (CHUM)

Mit dem Solgeo-MCHA-Messsystem ist es möglich, Cross-Hole-Ultraschall-Messungen vollautomatisiert, mit wenig Personalaufwand und damit sehr kostengünstig durchzuführen. Im Gegensatz zur Hammerschlagmethode müssen bei der Herstellung des Gründungspfahls Messrohre in den Pfahl eingebaut werden, in welchen die Messsonden bewegt werden. Durch die Messung in beliebiger Höhe und Auflösung sind die Messergebnisse - verglichen mit der Hammerschlagmethode - sehr viel detailierter.
Außer Gründungspfählen können mit diesem Messverfahren auch Schlitzwände bzgl. ihrer Integrität geprüft werden.

Mit dem Messsystem können Messungen nach den Normen ASTM D6760-02, NFP 941601 und UNI 9524 durchgeführt werden.

Je nach Anforderung und Ausführung des Gründungspfahls werden i.d.R. 3 oder 4 Messrohre zusammen mit dem Bewehrungskorb in den Pfahl eingebaut. Ein Vorteil des Solgeo-MCHA-Messsystems ist die gleichzeitige Messung mit 3 Sonden, so dass während jedes Messsschritts 3 Strecken durchschallt werden können (bei 2 Sonden wird nur eine Strecke vermessen). D.h. mit nur einem Messdurchgang werden bei 3 eingebauten Messrohren alle 3 Messpfade und mit nur 2 Messdurchgängen werden bei 4 eingebauten Messrohren alle 6 Messpfade vermessen. Dies ergibt eine Zeitersparnis für die Cross-Hole-Ultraschall-Messung von 50 bis 80% und senkt damit die Personalkosten auf der Baustelle massiv.

Die Sonden (1. Sender, 2. Empfänger, 3. Sender+Empfänger) haben einen Außendurchmesser von nur 28mm und werden bei einer Frequenz von 80 kHz betrieben. Die Empfänger verfügen über einen internen Vorverstärker, so dass der Abstand der Messrohre mehr als 3 Meter betragen kann. Die maximale Messtiefe ist weit über 100m und hauptsächlich von der verfügbaren Kabellänge abhängig (Standardkabellänge = 60m). Das Kabel ist durch seine Kevlar®-Ummantelung im normalen Baustelleneinsatz nahezu unzerstörbar.
Das Messsystem kann dank des internen Akkus für 8 Stunden autark betrieben werden. Zusätzlich kann eine 12V-Batterie, ein 12V-Autoadapter oder ein 120V/240V-Netzteil extern angeschlossen und zum Laden des internen Akkus oder zum Betrieb des Systems verwendet werden.
Messgerät und Equipment sind baustellentauglich in IP 67 und widerstandsfähig gegen jede mechanische Belastung ausgeführt.

Für die Messung werden die 3 Messsonden (Transmitter, Receiver, Transceiver) in die mit Wasser gefüllten Messrohre bis auf Endtiefe abgelassen. Dabei wird das Messkabel über Umlenkrollen geführt, die die freie Bewegung der Messsonden im Messrohr ermöglichen. Zusätzlich laufen die Messkabel über einen Drehencoder, der die jeweilige Tiefe der Messsonden im Messrohr ermittelt und an das Messsystem übermittelt.
Nach dem Ablassen der Sonden wird in der Messsoftware die aktuelle Tiefe eingegeben. I.d.R. kann mit den Einstellungen gearbeitet werden, die die Software automatisch den Gegebenheiten anpasst. Sollten andere Parameter gewünscht sein, so lässt sich der Automatik-Modus deaktivieren und jeder Parameter einzeln anpassen. Nach dem Start der Messung zieht der Messingenieur das Kabel langsam nach oben. Dabei ist keinerlei Bedienung am Messsystem oder an der Messsoftware erforderlich. Die Software löst automatisch in den vorgegebenen Abständen (z.B. alle 2cm) die Messungen aus, liest die Daten ein, stellt die Daten grafisch dar und protokolliert diese.
Bewegt der Messingenieur die Sonden zu schnell, so unterbricht die Messsoftware die Messung und weist den Bediener per Anzeige auf dem Tiefenmesser auf diesen Umstand hin. Der Messingenieur kann nun die Messsonden wieder ablassen, per Anzeige wird er über die richtige Tiefe informiert und zieht die Sonden ab diesem Punkt wieder nach oben. Die Messsoftware setzt die Messung automatisch an der richtigen Tiefe fort, so dass die grafische Darstellung auf dem Bildschirm und im späteren Protokoll lückenlos ist.

Puls-Echo-Methode (PEM) und Impulsantwort-Methode (TRM) / Hammerschlagmethode

Die Hammerschlagmethode, auch als Puls-Echo-Methode / -Test (PEM / PET) oder Low-Strain-Methode bezeichnet, stellt eine einfache und kostengünstige Methode dar, um die Integrität eines Gründungspfahls zu prüfen.
Um das mit der Puls-Echo-Methode gewonnene Messergebnis insbesondere für den Bereich des Pfahlkopfes weiter zu evaluieren, kann mit den gewonnenen Messdaten eine Berechnung der Impuls-Antwort (Transient-Response-Method - TRM) durchgeführt werden.

Der zu messende Pfahl muss sich für die Messung in einem ausgehärteten Zustand befinden und vor der Messung abgespitzt werden. Das Verhältnis Pfahllänge zu Pfahldurchmesser muss kleiner 30 sein (L / D < 30). Der Pfahl darf nicht kürzer als 2 Meter sein.

Ein großer Vorteil der Hammerschlagmethode ist, dass während der Herstellung des Pfahls keinerlei Vorkehrungen für eine evtl. später durchzuführende Messung getroffen werden müssen, so dass die Entscheidung, einen Integritätstest am Gründungspfahl vorzunehmen, auch noch nach dessen Herstellung fallen kann. Soll ein Integritätstest am Pfahl durchgeführt werden, so ist als einzige vorbereitende Maßnahme ein Abspitzen des Pfahls erforderlich, so dass der Pfahlkopf plan und homogen ist.
Ein weiterer Vorteil ist die einfache und mit wenig technischem Aufwand durchführbare Messung. Für die Messung wird lediglich ein Beschleunigungssensor, ein mit einem weiteren Beschleunigungssensor instrumentierter Hammer und ein Messgerät benötigt. Das Messgerät verfügt über eine interne Batterie, so dass der Messingenieur völlig autark arbeiten kann.

Die Puls-Echo-Methode macht sich die Tatsache zu Nutze, dass die Geschwindigkeit einer mechanischen Welle von der Festigkeit des Materials abhängig ist, in dem sich die Welle bewegt. Ändert sich die Festigkeit des Mediums (hier Beton) im Laufweg der Welle abrupt (z.B. durch eingeschlossenes Gestein oder auch Erdreich), so kommt es zu einer (Teil-) Reflektion der Welle, so dass diese noch vor Erreichen des Pfahlfußes in Richtung Pfahlkopf zurückläuft.
Bei einem fehlerfreien Gründungspfahl durchläuft die Welle den Gründungspfahl vom Pfahlkopf bis zum Pfahlfuß, wird dort reflektiert und läuft zum Pfahlkopf zurück.

Mit Hilfe eines instrumentierten Hammers wird ein Impuls am Pfahlkopf in den Pfahl eingebracht. Dieser Impuls besteht aus einem Gemisch verschiedener Frequenzen. Die Intensität des Impulses wird durch den im Hammer integrierten Beschleunigungssensor ermittelt und aufgezeichnet. Die sich ausbreitenden Wellen nehmen nun ihren Weg in Richtung Pfahlfuß und verändern dabei bei Inhomogenitäten ihre Geschwindigkeit bzw. werden sogar reflektiert. Spätestens am Pfahlfuß werden die dort ankommenden Wellen reflektiert (vorausgesetzt es hat sich ein Fuß ausgebildet) und laufen zum Pfahlkopf zurück. Am Pfahlkopf werden die reflektierten Wellen mit einem Beschleunigungssensor aufgezeichnet. Dieser Beschleunigungssensor wird mit einer Knetmasse auf den Pfahlkopf gepresst, um eine bessere Signalerfassung zu ermöglichen.

Um Messfehler weitgehend auszuschließen, werden an jedem Gründungspfahl 3 Messungen durchgeführt. Die Messsoftware bewertet jeweils den am Pfahlkopf eingebrachten Impuls und analysiert die refelektierten Wellen auf Plausibilität. Sollte eine Messung nicht plausibel sein, so verwirft die Messsoftware die Messdaten und fordert den Messingenieur auf, die Messung zu wiederholen.
Die vom Messsystem aufgezeichneten Messdaten werden von der Auswertungssoftware zwecks Analyse der Integrität des Pfahls hinsichtlich ihrer Dämpfung, Laufzeit und Frequenzabhängigkeit untersucht. Zu diesem Zweck stehen verschiedene mathematische Filter zur Verfügung, die die Software automatisch anwendet, die aber auch vom Benutzer beeinflusst werden können.

Das für den Integritätstest per Hammerschlagmethode verwendete MCHA-Messsystem ist identisch mit dem für die Cross-Hole-Ultraschall-Messung (CHUM) verwendete. Es unterscheidet sich lediglich durch die Verwendung der jeweils speziellen Sensorik und Software, so dass geringe Investitionskosten für die Anschaffung eines Komplettsystems anfallen, aber auch die Nachrüstung einer evtl. später benötigten Messmethode problemlos möglich ist.