zerstörungsfreie Prüfverfahren|
|
|
|
|
Verfahrensbeschreibung von Radar
Das Radarverfahren ist ein elektromagnetisches Verfahren. Hierbei wird von einem Sender eine elektromagnetische Welle abgestrahlt, die sich im Medium mit einer materialabhängigen Geschwindigkeit ausbreitet. Am Übergang zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften (? Dielektrizität), wie z. B. Metallobjekten, Schichtgrenzen, Hohlräumen, Leitungen, wird das Radarsignal (teilweise) reflektiert und von einem Empfänger aufgenommen und ausgewertet. Ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen bekannt, kann aus der Laufzeit der reflektierten Wellen die Tiefenlage des sog. „Reflektors“ (der Grenzschicht) bestimmt werden.
Bei der Messung werden mit einer Sende- und Empfangsantenne in kurzen Zeitabständen die Amplituden der empfangenen Signale in Abhängigkeit von der Laufzeit (d. h. der Tiefe) aufgezeichnet. Durch eine gleichzeitige Aufnahme des Messweges können die Radarsignale den Messpunkten zugeordnet werden (? Radargramme). Oft fallen bei Radarmessungen Hyperbeln auf (vgl. Abbildung 1). Dieses Phänomen entsteht durch die Bewegung der Sende- und Empfangseinheit, wobei die Radarantenne schon vor der Position über dem Reflektor den Reflektor „sieht“, jedoch durch den Abstand zur realen Lage in einer zu großen vermeintlichen Tiefe. So wird beim Überfahren des Reflektors eine Hyperbel aufgezeichnet, in deren Scheitelpunkt sich der Reflektor in der Realität befindet. Eine Auswertungsmöglichkeit bei flächigen Auffälligkeiten ist, dass aus vielen parallelen Messspuren (Radargrammen) ein 3D-Datensatz errechnet wird. In diesem können die Reflexionsamplituden, d. h. die Inhomogenitäten, eines Laufzeitbereiches, d. h. einer bestimmten Tiefe, besser dargestellt werden.
Abbildung 1: Radargramm einer Radarmessung (1,6 GHz) mit Bewehrung (oberflächennahe kleine Eisen, tieferliegende große Eisen). Durch die Bewegung der Radarantenne über einen punktuellen Reflektor entstehen Radarhyperbeln.
Für Radaruntersuchungen werden je nach Aufgabenstellung verschiedene Radarantennen mit unterschiedlichen Frequenzen verwendet. Um eine hohe Auflösung der Ergebnisse bei einer ausreichenden Untersuchungstiefe zu erreichen, muss ein Mittelweg zwischen hoher Auflösung (mit geringerer Untersuchungstiefe, z. B. Messfrequenz 1,6 GHz ? Reichweite 0,6 m) und einer großen Untersuchungstiefe (mit einer geringeren Auflösung, z. B. Messfrequenz 200 MHz ? Reichweite 8…9 m) gewählt werden. Eine Optimierung ist auch durch eine Kombination von unterschiedlichen Radarantennen möglich [2]. Messungen mit einer geringen Eindringtiefe können von Hand mit einer kleinen Antenne erfolgen (Abbildung 3), bei Messungen mit einer großen erforderlichen Eindringtiefe muss eine große Antenne über den Messbereich gezogen werden (Abbildung 2).
Anwendungsbereiche von Radar
Die Anwendungsbereiche für Radar sind vielfältig und für die verschiedenen Ziele und Baustoffe in Tabelle 1 zusammengestellt.
Tabelle 1: Anwendungsbereiche von Radar
 |
 |
Abbildung 2: Radaruntersuchungen (200 KHz) auf einem Parkplatz und einer Straße unterhalb einer Burg im Bereich eines, mit einem Gewölbe überbauten Burggrabens, Gewölbe des Eiskellers im Radargramm als Bogen zu erkennen.
 |
 |
Abbildung 3: Radaruntersuchungen an einer historischen Brücke (1,6 GHz), um die innere Struktur für eine neue statische Berechnung zu bestimmen. Rückwandecho der Seitenwand deutlich zu erkennen, roter Kreis zeigt Bereich hoher Feuchte mit hoher Signaldämpfung.
Die physikalischen Grenzen von Radar sind:
- Eine geringe Änderung der Dielektrizität beim Übergang von zwei Materialien (z. B. Beton auf Beton) ? es bildet sich keine Materialänderung ab,
- Elektromagnetische Störungen durch die Umgebung (Trafos, Hochspannungsleitung, Mobilfunk, Werksfunk) ? Störsignale, die das Nutzsignal überschatten,
- Abschattung tiefer Reflektoren durch Totalreflexion an Metallteilen (z. B. Alufolie in Bitumenbahn) oder zu dichter Bewehrung,
- Wasser auf der Messfläche oder Durchfeuchtung haben Totalreflexionen oder eine extreme Signaldämpfung zur Folge (Abbildung 3)
Verfahrensbeschreibung von Ultraschall
Das Ultraschallverfahren ist ein akustisches Verfahren. Hierbei muss zwischen Durchschallung und Echomethode unterschieden werden (Abbildung 4).
Bei der Durchschallungstechnik wird meist nur die Schalllaufzeit zwischen Sender und Empfänger gemessen. Die Impuls-Laufzeit selbst ist von der Geometrie des Probekörpers und von den Probekörpereigenschaften (Feuchte, Dichte, Porosität, innerer Aufbau) und dem Erhaltungszustand (Fehlstellen, Rissen, bei Holz organischen Schäden) abhängig. Es ist eine beidseitige Zugänglichkeit des Bauteils und eine beidseitige direkte Ankopplung am Bauteil erforderlich, was die Anwendbarkeit des Verfahrens stark begrenzt. Bei Holz hat die Anisotropie, d. h. die Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der Faserrichtung, einen sehr großen Einfluss auf die Messungen [4-6].
Vom Prinzip beruht Ultraschallecho auf der Reflexion der ausgesendeten Schallwellen an Grenzflächen wie z. B. der Bauteilrückwand. Aus den empfangenen Signalen kann indirekt eine Aussage über den Bauteilzustand oder innere Schäden getroffen werden. Zudem kann aus bekannter Bauteilabmessung und gemessener Laufzeit die Geschwindigkeit einer Schallwelle bestimmt werden, mit welcher wiederum nach erfolgreicher Kalibrierung der Laufzeitmessungen die Bauteildicke als Ergebnis ausgegeben wird. Dies ermöglicht die Untersuchung der Gleichmäßigkeit der Dicke oder die Lage von Fehlstellen im Inneren eines Bauteils, welches von nur einer Seite aus zugänglich ist.
Abbildung 4: Prinzip der Durchschallung (links) und der Echomethode (rechts)
Für die Ultraschallprüfung werden Prüfköpfe mit Longitudinal- oder Transversalwellen verwendet. Allgemein bekannt sind die Longitudinalwellen (Kompressionswellen) mit einer Schwingungsrichtung in Ausbreitungsrichtung (lat. longitudinal, Abbildung 5 links). Die Transversalwellen (auch: Schub- oder Scherwellen) hingegen schwingen quer (lat. transversal) zur Ausbreitungsrichtung (Abbildung 5 rechts). In der Praxis wird häufig ein Arrayprüfkopf (Sende-Empfangseinheit) bestehend aus 12 Punktkontakt-Prüfköpfen als Sender und 12 Prüfköpfen als Empfänger verwendet (Abbildung 6).
Abbildung 5: Verschiedene elastischen Wellen in Festkörpern [7], zum besseren Vergleich mit eingesetzter Querdehnzahl µ = 0,3
Abbildung 6: Transversalwellenprüfkopf mit einem Array von Punktkontaktprüfköpfen zum Betrieb ohne Koppelmittel, weiße Pfeile entsprechen Polarisation der Transversalwellen
Die Wahl der richtigen Messfrequenz muss der Ingenieur bei der Untersuchung individuell treffen (Tabelle 2).
Tabelle 2: Zusammenhang zwischen Frequenz, Wellenlänge und Dämpfung
Ein weiteres akustisches Verfahren zur Materialuntersuchung ist das Impact-Echo-Verfahren [8]. Hierbei wird mit einem leichten Schlag durch eine Kugel oder einem Hammer eine Longitudinalwelle im Bauteil ausgelöst und das empfangene Signal über das Frequenzspektrum ausgewertet. Das Impact-Echo-Verfahren war in der Vergangenheit dem Ultraschall-Echo-Verfahren überlegen, da es keine Koppelmittel benötigt. Durch neue und bessere Ultraschallprüfköpfe und eine schnellere, verständlichere Auswertung wird derzeit vorwiegend die Ultraschalltechnik für akustische Untersuchungen angewendet.
Anwendungsbereiche von Ultraschallecho
Die Anwendungsbereiche für Ultraschallecho an Beton [9] und Holz [5-6] sind vielfältig und für die verschiedenen Baustoffe und Ziele in Tabelle 3 zusammengestellt.
Tabelle 3: Anwendungsbereiche von Ultraschallecho
Exemplarisch wird eine Anwendung der Ultraschallechomethode an Bestandsbeton in Abbildung 7 und an zwei Holzstützen mit Aussparungen in Abbildung 8 vorgestellt.
Abbildung 7: links: Ultraschallmessung an einer geschädigte Betonplatte, um Ausmaß der inneren Ausbreitung der visuell sichtbaren Schäden zu lokalisieren, um den Sanierungsaufwand abzuschätzen; rechts: Ultraschallechomessung an geschädigter Betonplatte, Bereich ohne Rückwandecho markiert geschädigten Bereich; an Fugen zwischen Betonplatten und in Bohrungen parallel zur Platte zeigten sich visuell Risse.
Abbildung 8: Ultraschallmessungen senkrecht zur Tragrichtung an zwei senkrechten Stützen mit identischen Aussparungen in der Südscheune im Kloster Thierhaupten; links: Schrägansicht Stütze 1 mit Aussparung senkrecht zur Tragrichtung und Messlinie; rechts oben: B-Bild der Messung entlang Stütze 1 (21,5 cm x 29,5 cm) mit Echos an Bauteilrückwand, Schwindriss und fehlendes Echo bei Aussparung; unten: B-Bild der Messung entlang Stütze 2 (23,5 cm x 29,5 cm) mit Echos an Bauteilrückwand, Schwindriss und Aussparung
Grenzen von Ultraschallecho
- Totalreflexion an Rissen parallel zur Oberfläche oder Ablösungen, d. h. Bereich darunter kann nicht untersucht werden
- sehr unebene Oberfläche oder schmutzige Oberfläche ? keine Ankopplung bzw. Schalleinleitung und damit keine Messungen möglich
- ausgeprägte Rissstruktur an der Oberfläche ? Reflexionen im oberflächennahen Bereich d. h. Bereich darunter kann nicht untersucht werden
- Zu geringe Änderung der akustischen Eigenschaft (z. B. Beton auf Beton) ? es bildet sich keine Materialänderung ab
Verfahrensbeschreibung der Bohrwiderstandsmethode
Bei dem Bohrwiderstandsverfahren wird eine Bohrnadel mit konstantem Vorschub in das zu untersuchende Holz gebohrt. Für den Vortrieb ist eine bestimmte Leistung des Antriebsmotors erforderlich. Bei hartem Laubholz ist die erforderliche Leistungsaufnahme hoch, bei weichem Nadelholz oder pilzgeschädigtem Holz niedrig. Trifft die Bohrnadel auf Fehlstellen oder Risse, sinkt der Bohrwiderstand schlagartig ab und steigt nach Wiedereintritt in das Holz steil an. Bei pilzgeschädigtem Holz ist der Verlauf der Bohrkurve im Übergang vom gesunden zum geschädigten Bereich eher allmählich. Aus dem Stromverbrauch des Antriebsmotors bzw. aus dem Torsionsmoment wird die abgerufene Leistung gemessen und aufgezeichnet [u. a. 10].
Meist werden mit der punktweisen Bohrwiderstandsmessung Stellen überprüft, für die, z. B. nach der flächigen, zerstörungsfreien Ultraschallechomessung, ein Verdacht auf Schädigung besteht oder wenn eine Schädigung sicher ausgeschlossen werden soll. Bei Brücken- und Kirchenprüfungen erfolgt daher in der Praxis sehr häufig eine Kombination aus Ultraschallecho- und Bohrwiderstandsmethode.
Anwendungsbereiche der Bohrwiderstandsmethode
- Bestimmung von Bauteilabmessungen (gleichmäßige Dicke, Aussparungen, Zapfenverbindungen)
- Ortung von inneren Schäden (Hohlstellen, breiten Rissen parallel zur Oberfläche, Fäulnis, ausgeprägter Insektenbefall)
Grenzen der Bohrwiderstandsmethode
Die am Schneidkopf 3 mm breite Bohrnadel hinterlässt kaum wahrnehmbare Löcher. Jedoch werden nur punktuelle Messungen durchgeführt, so sind Aussagen nur für einen örtlich begrenzten Bereich möglich. Einer erkannten Schädigung kann jedoch i. d. R. nicht der Zerstörungsgrad exakt zugeordnet werden, insbesondere bei beginnendem Pilzbefall. Unter bestimmten Bedingungen und viel Erfahrung kann mit dem Bohrniveau die Rohdichte abgeschätzt werden, jedoch sind – insbesondere bei Laubhölzern - stärkere festigkeitsbestimmende Einflussfaktoren zu beobachten [11-12]. Daher lassen sich keine Festigkeitskennwerte des Bauteils ableiten.
| 2005-02-T | Hasenstab, A., Krause, M., Hillemeier, B., Rieck, C.: Niederfrequente Ultraschall-Echo-Verfahren und Bohrwiderstandsmessung zur Bauteiluntersuchung. Tagungsband der DGZfP-Jahrestagung 2005, 02.-04.2005, Rostock Volltext |
Impuls-Thermografie (aktive Thermografie)
Verfahrensbeschreibung von aktiver Thermografie
Im Allgemeinen wird mit Thermografie die passive Infrarot Thermografie verbunden, bei der mit einer im infraroten Wellenbereich empfindliche Kameraeinheit ein vorhandener Temperaturgradient aufgezeichnet und so z. B. Wärmebrücken, Leckagen in Fußbodenheizungen oder Regionen mit erhöhter Feuchtigkeit detektiert werden.
Für eine definierte Lagebestimmung von Inhomogenitäten in oberflächennahen Bereichen wurden verschiedene aktive Infrarot-Thermografie-Verfahren entwickelt. Bei der Impuls-Thermografie (aktive Thermografie) wird das zu untersuchende Bauteil an der Oberfläche mit einer Wärmequelle (Infrarotstrahler, Blitzlampe) während einer bestimmten Zeitdauer erwärmt. Sowohl während der Erwärmung als auch während der anschließenden Abkühlung nach dem Entfernen der Wärmequelle wird die Oberflächentemperatur bildgebend mit einer Infrarotkamera aufgezeichnet. Aus dem zeitlichen Abkühlungsverhalten an der Oberfläche können oberflächennahe Strukturen geortet werden, wenn diese die Wärmeleitfähigkeit, die Wärmekapazität und/oder die Dichte in diesem Bereich beeinflussen.
Anwendungsbereiche von aktiver Thermografie
Mit der aktiven Thermografie ist z. B.
- die Ortung von Hohlstellen und Kiesnestern im Beton bis zu einer Tiefe von 7 cm,
- die Ortung von Hohlstellen und Ablösungen von Spaltklinkern, CFK-Laminaten auf Beton sowie Putzen auf Mauerwerk oder Beton,
- die Lokalisierung von Mauerwerk und Fugen hinter Putz und
- die Ortung von Bereichen mit erhöhter Feuchtigkeit in oberflächennahen Bereichen
möglich.
Grenzen von aktiver Thermografie
Grenzen der aktiven Thermografie sind:
- Defekte in zu großer Tiefe,
- zu wenig unterschiedliches thermisches Verhalten der verschiedenen Materialien,
- ein Luftspalt im Nahbereich des zu untersuchenden Bauteils verhindert tieferen Einblick,
- das Bauteil kann nicht erwärmt werden, da es eine zu geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt.
| 2008-03-T | Maierhofer, C., Röllig, M., Hasenstab, A., Schönitz, A.: Praktische Anwendung der aktiven Thermografie zur Untersuchung von Stahlbetonbauteilen. Bauwerksdiagnose Berlin, 21.-22.02.2008 Volltext |
| 2008-07-T | Zöcke, C., Langmeier, A., Hasenstab, A., Schönitz, A.: Aktive Thermografie mit Phasenauswertung - praktische Anwendung im Bauwesen. Tagungsband der DGZfP-Jahrestagung 2008, Poster 58, St. Gallen, 28.04.-30.04.2008 Volltext |
| 2008-09-T | Hasenstab, A., Jost, G., Taffe, A., Wiggenhauser, H.: Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen – angewandte Forschung und Praxis. Tagungsband der DGzfP-Jahrestagung 2008, St. Gallen, 28.04.-30.04.2008 Volltext |
Weitere zerstörungsfreie und zerstörungsarme Verfahren, die bei speziellen Fragestellungen eingesetzt werden
Mit der Radiografie können mittels Durchstrahlung Betonbauteile bis zu einer Dicke von 20 cm und Holz (aufgrund seiner geringen Materialdichte) mit bis über 50 cm Dicke zerstörungsfrei untersucht werden [13]. Mit den Röntgenbildern kann eine Aussage über den inneren Aufbau des Bauteils (z. B. Lage der Bewehrung) und innere Schäden getroffen werden. Röntgenuntersuchungen an Kunstwerken werden meist im Labor durchgeführt (z. B. Untersuchung des Aufbaus, möglicher Untermalungen und Schädigungen). Aber auch an Denkmälern vor Ort sind Untersuchungen mit einer mobilen Röntgenblitzröhre möglich (z. B. Untersuchung von Deckenbalken hinsichtlich Fäulnis: die sehr kostspielige und zeitaufwändige Entfernung des Schmuckparketts war nicht erforderlich). Durch Strahlenschutzvorgaben sind jedoch große Sicherheitsabstände erforderlich und der Messaufwand hoch. Ebenso ist immer eine beidseitige Zugänglichkeit erforderlich. Heute werden in der Bauzustandsanalyse die meisten Fragestellungen, die in der Vergangenheit mit Durchstrahlung angegangen wurden, mit Ultraschallecho und Radar gelöst.
Literatur
[1] Holger Forsén, Veikko Tarvainen: Accuracy and functionality of hand held wood moisture content meters. VTT Publications 420, VTT Technical Research Centre of Finland, Espoo, 2000
[2] Dieter Straußberger, Ingo Hartmann, Andreas Hasenstab: Straßenuntersuchungen mit Radar, Ultraschallecho und FWD. In: Tagungsband zur Bauwerksdiagnose Berlin, 21.-22.02.2008
[3] Andreas Hasenstab, Sven Homburg, Christiane Maierhofer, Ralf Arndt: Holzkonstruktionen mit Radar und Thermografie zerstörungsfrei untersuchen. In: Tagungsband der DGZfP-Jahrestagung 2007, Fürth, 14.-16.05.2007, Poster 14
[4] Andreas Hasenstab, Carsten Rieck, Bernd Hillemeier, Martin Krause: Hohlstellenortung in Holzbalken mit dem Ultraschallverfahren. In: Tagungsband der DGZfP-Jahrestagung 2002, Weimar, Plakat 32
[5] Andreas Hasenstab: Integritätsprüfung von Holz mit dem zerstörungsfreien Ultraschallechoverfahren. Dissertation an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und der Technischen Universität Berlin, Fakultät VI, 2005, www.zfp-hasenstab.de
[6] Andreas Hasenstab: Ultraschall-Echo ein ZfP-Verfahren zum Lokalisieren von Fehlstellen in Brettschichtholz (BSH) und Vollholz – Praxisbeispiele. In: Tagungsband der Fachtagung Bauwerksdiagnose 2008, Praktische Anwendungen Zerstörungsfreier Prüfungen und Zukunftsaufgaben, Berlin, 2008
[7] DGZFP: Merkblatt für Ultraschall-Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung mineralischer Baustoffe und Bauteile (B4). Deutsche Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfung e. V., ed., Berlin, 1999
[8] Andreas Hasenstab, Sven Homburg, Günther Jost, Joachim Roloff: Zerstörungsfreie Prüfverfahren an Holz und Beton im Bauwesen. In: Ernst und Sohn Special 1/2007, Messtechnik im Bauwesen, Ernst und Sohn, Berlin, Januar 2007, S. 50-54
[9] Martin Krause: Ultraschallechoverfahren an Betonbauteilen, in: Cziesielski, E. (Hrsg.), Bauphysik-Kalender 2004, Berlin: Ernst und Sohn, 2004, Kap. C1, 2 Strukturaufklärung, Abschn. 2.4, S. 341-352
[10] Thomas Baron: Untersuchungen an ungeschädigten und durch Pilzbefall geschädigten Nadelholzbauteilen mit ausgewählten Prüfverfahren, Dissertation an der Universität Weimar / F.A. Finger Institut, 2009
[11] Katja Frühwald: Strength Grading of Hardwoods, In: Proceedings of the 14th International Symposium on Nondestructive Testing of Wood, Hannover, 02.-04.05.2005, S. 199-210
[12] Katja Frühwald, Andreas Hasenstab: Strength grading of hardwood with longitudinal ultrasonic waves and longitudinal vibration and locating defects in softwood and hardwood with low frequency ultrasonic echo technique. In: Economic and Technical aspects on quality control for wood and wood products, Proceedings of the Conference of Cost Action E53, Lissabon, 22.-23.10.2009
[13] Andreas Hasenstab, Kurt Osterloh, Jochen Robbel, Martin Krause, Uwe Ewert, Bernd Hillemeier: Mobile Röntgenblitzröhre zum Auffinden von Holzschäden. In: Berichtsband der DGZfP-Jahrestagung, Salzburg, 17.-19. Mai 2004, Plakat 15
[14] Jan Bluhm, Andreas Hasenstab: Messen und Beurteilen von Erschütterungen im Bauwesen. In: Ernst und Sohn Special 1/2009, Ernst und Sohn, Berlin, 2009, S. 22-23
