Schadensdetektion in flächigen Stahlbauteilen mit Hilfe piezoangeregter Lamb-Wellen

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.