18 Hoe betrouwbaar is NDO? 1 Onderzoek naar betrouwbaarheid van niet- destructief onderzoek bij meten betondekking, aantal en diameter van wapeningsstaven Informatie over de wapening is cruciaal bij het beoordelen van de (rest)capaciteit van bestaande betonconstructies. Deze infor - matie, onder andere over de positie en de diameter, is te herlei - den uit wapeningstekeningen. Echter, tekeningen van oude constructies zijn vaak niet meer beschikbaar. Bovendien kan de betrouwbaarheid ervan worden betwist, want bij een onzorg - vuldige uitvoering of doordat de uitvoerende partij zijn eigen draai geeft aan de bouwtekeningen, ontstaat er een verschil tussen de tekeningen en de feitelijke situatie. Indien er onvol - doende 'betrouwbare' informatie over de wapening beschikbaar Niet-destructieve onderzoeksmethoden (NDO) maken het mogelijk informatie te verkrijgen over de dekking, het aantal en de diameter van de aanwezige wapeningsstaven in bestaande betonconstructies. De vraag is alleen: wat is de betrouwbaarheid van de met deze NDO- technieken verkregen informatie? Onderzoek aan de TU Eindhoven geeft meer inzicht hierover. Hoe betrouwbaar is NDO? 6 2017 19 is of wanneer aan de betrouwbaarheid van de tekeningen wordt getwijfeld, moet bij de herbeoordeling van bestaande betonconstructies aanvullend onderzoek worden uitgevoerd. Hierbij kan worden gebruikgemaakt van destruc - tieve en niet-destructieve onderzoekstechnieken. Destructief onderzoek is vaak niet gewenst, omdat het arbeidsintensief is en het herstel van de onderzoeklocaties de esthetische kwaliteit van de constructie beïnvloedt (foto 1). Daarom wordt meestal de voorkeur gegeven aan niet-destructief onderzoek (NDO). De betrouwbaarheid van de resultaten van NDO-technieken is voor de constructeur van groot belang om de (rest)capaciteit van bestaande betonconstructies met voldoende zekerheid te kunnen beoordelen. Daarom is onderzoek verricht naar de betrouwbaarheid van deze resultaten ten aanzien van de betondekking, het aantal en de diameter van de wapening. Niet-destructieve onderzoekstechnieken Er zijn twee NDO-technieken gangbaar voor het verkrijgen van informatie over de wapening in bestaande betonconstructies, namelijk onderzoek met een dekkingsmeter en met een radar. Deze twee technieken worden in de praktijk regelmatig in combinatie toegepast. Dekkingsmeter De dekkingsmeter, ook wel wapeningsdetector, is gebaseerd op elektromagnetisme. Het apparaat bevat spoelen die een elektro - magnetisch veld creëren. De aanwezigheid van stalen wapening in beton leidt tot een verstoring van het gecreëerde elektromag - netische veld. Het apparaat vertaalt de verstoring tot data met informatie over de dekking, het aantal en de diameter van de wapeningsstaven. Grondpenetrerende radar De grondpenetrerende radar, kortweg radar, stuurt elektromag - netische energiepulsen door het beton. Deze pulsen worden weerkaatst door de aanwezigheid van reflecterende materialen in het beton en vervolgens weer opgevangen door de radar. Met behulp van deze techniek maakt de radar het mogelijk informatie te verkrijgen over de dikte van het betonnen element, het aantal en de ligging van de wapeningsstaven, de dekking en de onge - wenste holtes in het beton. De diameter van wapeningsstaven kan met de radar niet worden bepaald. Analyseren meetresultaten Het uitvoeren van metingen met de dekkingsmeter en de radar vereist weinig specifieke deskundigheid. De gebruiksaanwijzingen van de meest gangbare dekkingsmeters en radars beschrijven hoe de metingen met deze apparaten moeten worden uitge - voerd. In tegenstelling tot het uitvoeren van de metingen vergt het analyseren van de meetresultaten wél deskundigheid en ervaring. Analyseren metingen dekking Het analyseren van metingen van de dekking is eenduidig. In figuur 3 is als voorbeeld een meetresultaat te zien van een dekkingsmeting. De hoogte van de blauwe staven geeft de gemeten dekking weer in millimeters: een hogere blauwe staaf in de dekkingsmeting betekent een lagere gemeten betondekking. De gangbare dekkingsmeters zijn in staat de betondekking te meten tot een diepte van 80 mm. De dekkingsmeter meet de betondekking boven elke gepasseerde wapeningsstaaf. Aantal blauwe staven in een dekkingsmeting is dus gelijk aan het aantal wapeningsstaven dat het apparaat heeft gedetecteerd. ir. Ibrahim Selek Van Rossum Raadgevende Ingenieurs prof.ir. Simon Wijte TU Eindhoven, Adviesbureau ir. J.G. Hageman ir. Maarten Swinkels SGS Intron 1 Destructief en niet-destructief onderzoek van betonnen proefstukken2 NDO-meting aan een betonnen wand Afstudeeronderzoek Ibrahim Selek is met zijn onderzoek 'Reliability of non-destructive testing methods for detecting steel rebar in existing concrete structures' afgestudeerd aan de TU Eindhoven, voor de master - opleiding Structural Design aan de faculteit Bouwkunde. In zijn afstudeercommissie hadden prof.ir. Simon Wijte, prof.dr.ir. Theo Salet en ir. Maarten Swinkels zitting. Een link naar zijn master thesis is beschikbaar op www.cementonline.nl . 2 Hoe betrouwbaar is NDO? 6 2017 20 3 Meetresultaat dekkingsmeting4 Meetresultaten wapeningsmeting van (a) dekkingsmeting en (b) radarmeting Wanneer een wapeningsdetector over een betonnen element wordt gerold en een wapeningsstaaf passeert, meet elke spoel afzonderlijk een verstoring waaruit een diameter wordt afgeleid. Opmerkelijk is dat deze spoelen niet altijd dezelfde waarde geven voor de diameter van dezelfde wapeningsstaaf. Een gemiddelde meting bevat circa tachtig verschillende data (meetresultaten) van de gemeten diameters. Dit maakt het ingewikkeld een conclusie te kunnen trekken. Het zal duidelijk zijn dat het analyseren van de gemeten diameter meer deskundigheid vereist dan het analyseren van de gemeten dekking en het aantal wapeningsstaven. Om een conclusie te kunnen trekken uit de gemeten diameters moeten eerst de verstoringen uit de meetresultaten worden gehaald, en daarna dient er gekeken te worden naar het gemiddelde en de standaard - deviatie van de verkregen gegevens. Het gemiddelde van de data geeft informatie over de gemeten diameter en de standaard - deviatie over de nauwkeurigheid van de meting. Onderzoek nauwkeurigheid NDO Om meer te kunnen zeggen over de nauwkeurigheid van NDO is een onderzoek uitgevoerd aan de TU Eindhoven. Hierbij zijn tien betonnen proefstukken (elementen) geanalyseerd, te weten: wanden, vloeren en galerijplaten. Dit onderzoek is uitgevoerd in samenwerking met drie bedrijven. NDO-experts van die bedrijven hebben de metingen uitgevoerd en geanaly - seerd. Opgemerkt wordt dat deze experts tijdens het meten en analyseren geen kennis hadden van de feitelijk aanwezige waarden. Bij elk proefstuk is met behulp van NDO-technieken de beton - dekking, het aantal en de diameter van de wapeningsstaven gemeten. Bij een aantal proefstukken zijn zowel de dekkings - meter als de radar gebruikt. De metingen met de radar hebben alleen betrekking op de dekking en het aantal. De resultaten van deze metingen zijn vergeleken met feitelijke waarden van de proefstukken. Deze feitelijke waarden zijn bij een deel van de proefstukken bepaald vóór het storten van het beton en bij een deel van de proefstukken is na de NDO-meting destructief onderzoek verricht. Op deze wijze kon met voldoende zeker - heid een conclusie worden getrokken over de betrouwbaarheid van NDO-meetresultaten. Om de betrouwbaarheid van NDO-technieken te beoordelen, is bij de metingen rekening gehouden met de randvoorwaarden van de fabrikant van de gebruikte meetapparatuur. De proef - stukken hadden allemaal een grotere dekking dan 10 mm en de hart-op-hart-afstand van de wapeningsstaven was groter dan 36 mm. Daarnaast is aandacht geschonken aan het start- en eindpunt van de metingen. Deze punten zijn dusdanig gekozen dat ze niet boven een wapeningsstaaf lagen. Wanneer een Analyseren metingen aantal en diameter Met de dekkingsmeter kan ook de diameter van de aanwezige wapeningsstaven in het beton worden gemeten. Figuur 4a laat een meetresultaat zien van een wapeningsmeting. Het aflezen van het aantal gemeten wapeningsstaven uit figuur 4b spreek voor zich. Hoe de resultaten van de gemeten staafdiameters moeten worden geanalyseerd, is echter de grote vraag. Momen - teel ontbreekt er een eenduidige richtlijn voor het analyseren van de gemeten wapeningsdiameter, wat leidt tot subjectiviteit. In de praktijk blijkt dat verschillende inspectiebedrijven hun eigen methode hebben ontwikkeld voor het analyseren van de gemeten wapeningsdiameter. In sommige gevallen is het zelfs zo dat binnen één bedrijf iedere adviseur zijn eigen methode heeft. Hierdoor kan het analyseren van een meting door twee verschillende adviseurs leiden tot twee verschillende conclusies. Dat het analyseren van de wapeningsdiameter multi-interpre - tabel is, heeft te maken met de techniek waarmee de metingen worden uitgevoerd: elektromagnetisme. De huidige wapenings - detectors bestaan uit meerdere spoelen. Deze spoelen creëren gezamenlijk één elektromagnetisch veld dat wordt verstoord door de aanwezigheid van wapeningsstaven in het beton. gemeten afstand [mm] gemeten dekking [mm] 3 4a 4b 300 mm 600 mm 1200 mm 900 mm 0 mm 50 mm Hoe betrouwbaar is NDO? 6 2017 21 µ + 3.0 5 1.2 6 µ - 0 .2 6 1.1 0 µ + 3.3 0 3.8 6 µ + 1.2 0 1.9 3 µ + 7.0 8 2.1 9 µ + 3.5 8 1.5 8 µ - 2 .0 1 3.6 9 µ - 0 .3 8 2.1 5 µ - 0 .7 0 4.0 7 µ - 1 .1 0 2.3 3 µ +2.2 6 2.8 1 µ - 1 .1 0 2.3 3 µ +0.7 9 2.4 2 µ + 1.1 4 1.5 1 µ-1 .3 6 2.5 9 µ + 0.5 7 1.9 9 µ +0.8 6 4.0 4 µ + 1.0 7 2.1 6 5 Normaalverdeling diametermeting6 Resultaten dekkingsmeting proefstukken als voorbeeld de normaalverdeling van een diametermeting met een gemiddelde van 11,5 mm. Hieruit wordt het aannemelijk dat de gemeten wapeningsstaaf een diameter heeft van 12 mm. Alle dekkings- en diametermetingen van de proefstukken zijn op deze wijze onderzocht. Nauwkeurigheid dekking Met de meest gangbare dekkingsmeters op de markt kunnen de metingen op twee verschillende manieren worden uitgevoerd. Omdat de staafdiameter invloed heeft op de metingen van de dekking, kan voorafgaand aan de meting de 'verwachte' diameter van de aanwezige stalen wapening worden ingevoerd. De gebruiker kan er ook voor kiezen de meting te starten met een onbekende staafdiameter. De dekkingsmetingen zijn in het onderzoek zowel geanalyseerd met een bekende als met een onbekende wapeningsdiameter. Op deze wijze kon de invloed van een bekende diameter op de nauwkeurigheid van de dekkingsmeting worden beschouwd. De kleinste dekking van de proefstukken was 30 mm en de grootste dekking was 60 mm. De dekkingsmetingen van de proefstukken zijn op dezelfde wijze geanalyseerd als het voorbeeld in figuur 5. Om de betrouwbaarheid te beoordelen, is de gemeten dekking vertaald naar het verschil tussen het gemeten gemiddelde ( µ) van de dekking en de werkelijke dekking. Figuur 6 geeft een overzicht van de meetresultaten van de dekkingsmeting van de tien proefstukken met verschillende dekkingen. Voor proefstuk I kan dus worden gezegd dat het verschil tussen de gemeten meting direct boven een wapeningsstaaf wordt gestart, begint het elektromagnetisch veld met een verstoring. Dit leidt tot verstoorde metingen met onbetrouwbare resultaten. Bij het analyseren van de nauwkeurigheid van de meetresultaten is voor elke meting een normaalverdeling geplot. Het gemid - delde ( µ) van de normaalverdeling geeft de gemeten waarde weer en de standaarddeviatie ( ?) is een maat voor de spreiding van de meetresultaten. Een kleine standaarddeviatie kan worden geassocieerd met een lage spreiding van de meetresul - taten en dus met een hogere nauwkeurigheid. Figuur 5 toont 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0 probabiliteit [-] diameter [mm] 0 2 4 6 8 10 \ 12 14 16 18 20 22 24 5 6 Hoe betrouwbaar is NDO? 6 2017 22 µ+1.4 8 2 .2 9 µ+1.0 7 1 .8 8 µ +0.5 0 2 .5 5 µ +2.8 0 1 .1 7 µ+1.3 9 1 .6 2 µ +1.4 0 1 .5 1 µ-1 .1 5 3 .0 5 µ -1 .1 7 2 .9 2 µ +1.2 9 1 .2 1 µ-2 .1 6 2 .1 0 µ -2 .4 2 3 .6 7 µ +0.7 0 2 .2 7 µ-2 .4 7 2 .2 0 µ -1 .0 7 1 .0 1 µ-3 .2 8 2 .1 7 µ -0 .1 6 3 .2 0 µ-6 .7 3 3 .3 5 µ - 1 .3 0 0 .9 6 stukken waren zowel in horizontale als verticale richting gewa - pend met geribde stalen wapeningsstaven. Ook bij het analyseren van deze metingen is gekeken naar het verschil tussen de gemeten gemiddelde staafdiameter en de werkelijke staafdia - meter. Figuur 7 toont aan dat de standaarddeviatie en dus de spreiding van de meetresultaten hoog is. Dit duidt op een hoge onbetrouwbaarheid van de meetresultaten. Opgemerkt moet worden dat een verschil van 2 mm weinig lijkt, maar de staaf - diameter heeft een kwadratische invloed op de momentcapaciteit van een betonconstructie. Als een Ø10-staaf wordt beschouwd als een Ø12-staaf wordt de momentcapaciteit met 44% overschat! gemiddelde dekking en de werkelijke dekking, bij een onbekende staafdiameter, 3, 5 mm is. Bij een bekende staaf- diameter is te zien dat het verschil van 3,05 mm afneemt tot 0,26 mm. De dekkingsmeting wordt dus nauwkeuriger bij een bekende staafdiameter. De gevonden afwijkingen bij de dekkingsmetingen, bij onbekende diameters circa 3 mm en bij bekende diameters circa 1 mm, zijn acceptabele afwijkingen en zullen geen significante invloed hebben op de bepaalde momentcapaciteit. Nauwkeurigheid aantal wapeningsstaven De wapening van de beschouwde betonnen elementen bestond uit verschillende staafdiameters, namelijk: 6, 8, 10, 12, 20 en 25 mm. De diepte van de wapeningsstaven varieerde daarbij tussen 30 en 60 mm. De meest gangbare dekkingsmeters maken het mogelijk stalen wapeningsstaven te detecteren tot een diepte van 80 mm. Voor het bepalen van de nauwkeu - righeid van het gemeten aantal wapeningsstaven is geen uitgebreide statistische analyse nodig. De hoeveelheid gemeten staven was voor alle proefstukken voor 100% gelijk aan de werkelijke hoeveelheid wapeningsstaven. De huidige NDO- technieken hebben dus een hoge nauwkeurigheid bij het detecteren van de aanwezigheid van stalen wapeningsstaven in bestaande betonconstructies. Nauwkeurigheid diameter wapeningsstaven Figuur 7 geeft een overzicht van de resultaten van de metingen aan de staafdiameters van de tien proefstukken. Alle proef - 7 8 Hoe betrouwbaar is NDO? 6 2017 23 7 Resultaten diametermeting proefstukken8 Wapeningsmeting in 'lucht'9 Destructief onderzoek bepaling van de momentcapaciteit van bestaande betoncon - structies. Het combineren van NDO-technieken met gedeelte - lijk destructief onderzoek kan een oplossing zijn voor deze onvoldoende betrouwbaarheid. Gedeeltelijk destructief onder - zoek kan namelijk als verificatie van NDO worden gebruikt, waardoor de onbetrouwbaarheid hiervan reduceert. Verder heeft de aanwezigheid van beton grote invloed op de nauwkeurigheid van de metingen. De bevindingen bij het meten van wapeningsstaven 'zonder beton' geven een handvat voor voortzetting van dit onderzoek. ? ? GERAADPLEEGDE BRONNEN 1 Selek, I., Reliability of non-destructive testing methods for detecting steel rebar in existing concrete structures. TU Eindhoven, 2015. Invloed beton op nauwkeurigheid De oorzaak van de grote spreiding van de diametermetingen kan worden gevonden in factoren die het elektromagnetisch veld verstoren. Bekend is dat er verstoring optreedt door de stalen wapeningsstaven, maar de invloed van het beton op het elektromagnetisch veld is door de fabrikanten verwaarloosd. Op foto 8 is een proefopstelling te zien waarbij de diameter van wapeningsstaven zonder betonomhulling kan worden gemeten. De dekking bestaat uit lucht en een houten plaat van 20 mm dik. De dekkingsmeter wordt dan op de houten plaat geplaatst. Als de diameter van de wapeningsstaven in deze opstelling wordt gemeten, blijkt dat de spreiding van de resultaten van de diametermeting significant afneemt. De spreiding bij de staven in de eerste laag is zelfs 0 mm. Geconcludeerd kan worden dat het beton, en mogelijk het vocht in het beton, zorgt voor een grote spreiding in de meetresultaten. Meerwaarde gedeeltelijk destructief onderzoek Zoals aangegeven blijkt dat de nauwkeurigheid van de metingen aan de staafdiameter niet hoog is. Om de betrouwbaarheid en dus de nauwkeurigheid van deze metingen te vergroten, kan ervoor worden gekozen niet-destructief onderzoek te combineren met deels destructief onderzoek. Het destructieve onderzoek hoeft maar heel beperkt en op de juiste locatie te worden uitge - voerd om de benodigde informatie over de betonconstructie te verkrijgen. Een voorbeeld hiervan is te zien in foto 9, met een gat van circa 40 × 40 mm 2. Het destructief onderzoek is uitgevoerd bij de kruising van twee wapeningsstaven. Ondanks het zeer beperkte formaat van het gat is het toch mogelijk informatie te verkrijgen over de betondekking en de diameter van de horizontale en verticale wapeningsstaven. De gegevens uit het destructief onderzoek kunnen worden gebruikt voor het verifiëren en kalibreren van de niet-destructieve metingen om zo de nauwkeurigheid van niet-destructief onderzoek te vergroten. Conclusies Niet-destructieve onderzoekstechnieken maken het mogelijk informatie te verkrijgen over de betondekking, het aantal en de diameter van wapeningsstaven in bestaande betonconstructies. Uit het uitgevoerde onderzoek blijkt dat dekkingsmetingen een grote nauwkeurigheid hebben. Een afwijking van +/- 3 mm zal geen constructeur afschrikken. Tot een diepte van circa 60 mm is het aantal wapeningsstaven zelfs met 100% zekerheid te detecteren. Daarentegen blijken de resultaten van de metingen aan de diameter minder betrouwbaar te zijn. De grote spreiding van de meetresultaten toont aan dat de huidige NDO-technieken minder geschikt zijn voor het meten van de diameter voor de Meer lezen over NDO Wilt u meer weten over niet- destructief onderzoek? In Betoniek verschenen eerder de artikelen 'Meten aan wape - ning' en 'Sterk in het werk'. Beide artikelen zijn nu ook beschikbaar voor leden van Cement . U vindt ze op www.cementonline.nl . 9 Hoe betrouwbaar is NDO? 6 2017