Zerstörungsfreie Ortung von Fehlstellen und Inhomogenitäten in Bauteilen mit der Impuls-Thermografie

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1 Fachthemen Ralf Arndt Bernd Hillemeier Christiane Maierhofer Carsten Rieck Mathias Röllig Horst Scheel Andrei Walther Zerstörungsfreie Ortung von Fehlstellen und Inhomogenitäten in Bauteilen mit der Impuls-Thermografie Im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Forschungsvorhabens wird von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und der Technischen Universität Berlin (TUB) die Anwendung der Impuls-Thermografie zur zerstörungsfreien Prüfung von Bauteilen und Bauwerken weiterentwickelt. Zu diesem Zweck werden Messungen zu verschiedenen baupraktischen Fragestellungen durchgeführt. Die Bauteiloberflächen werden mit einer Wärmequelle, die dem Prüfproblem angepaßt ist, erwärmt. Der daran anschließende Abkühlungsvorgang wird mit einer Infrarotkamera beobachtet und aufgenommen. Die anschließende Auswertung der gespeicherten Daten wird im Zeitbereich mittels numerischer Verfahren und im Frequenzbereich mittels Puls-Phasen-Thermografie durchgeführt. Die Puls-Phasen-Thermografie führt insbesondere zu einer praxisrelevanten Reduzierung des Störeinflusses von Oberflächeninhomogenitäten und ungleichmäßiger Erwärmung. Non-destructive detection of voids and inhomogeneities in building structures using impulse thermography. In the frame of a research project funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft the application of impulse thermography for the non-destructive testing of building components and buildings is further developed by the Federal Institute for Material Research and Testing (BAM) and the Technical University of Berlin (TUB). To this aim measurements to several practical problems of civil engineering were carried out. The inspected specimen is pulse heated according to the problem. The following cooling down process is recorded with an infrared camera. The transient behaviour is afterwards analysed by numerical methods in the time domain and by means of Pulse-Phase-Thermography in the frequency domain. Pulse-Phase-Thermography in particular reduces the influence of inhomogeneous surfaces and non-uniform heating on thermographic measurements. 1 Einleitung Die passive Infrarot Thermografie (IRT) wird schon seit Jahren erfolgreich zur zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) im Bauwesen eingesetzt. Hierbei wird ein vorhandener Temperaturgradient genutzt um z. B. Wärmebrücken, Leckagen in Fußbodenheizungen oder Regionen mit erhöhter Feuchtigkeit mittels einer im infraroten Wellenlängenbereich sensitiven Kameraeinheit zu detektieren. Für eine definierte Lagebestimmung von Inhomogenitäten in oberflächennahen Bereichen wurden in den letzten Jahren verschiedene aktive IRT-Verfahren entwickelt. Besonders die Lock-In-Thermografie (LT) und eine Weiterentwicklung der Impuls-Thermografie (IT), die Puls-Phasen-Thermografie (PPT), finden in Forschung und Praxis immer häufiger Verwendung. Allen aktiven Verfahren gemeinsam ist die Nutzung einer künstlichen Energiequelle zur thermischen Anregung eines betrachteten Bauteils. Die LT verwendet dazu kontinuierliche sinusförmige Signale einer definierten Frequenz und mißt die Zeitverzögerung (Phase) und die Amplitude des Antwort-Signals für dieselbe Frequenz ω [1]. Über die thermische Diffusionslänge µ können auf diese Art direkt Informationen über Geometrie und Tiefenlage eines etwaig vorhandenen Defektes gewonnen werden. Es gilt 2λ µ =. (1) ϖρc P mit der Kreisfrequenz ω =2 π f in 1/s, der Wärmeleitfähigkeit λ in W/m K, der Dichte ρ in kg/m 3 und der spezifischen Wärmekapazität c p in J/kg K. Die LT eignet sich aufgrund der genau definierten aufgebrachten Energie besonders für die ZfP an dünnen Beschichtungen wie z. B. an Lackbeschichtungen im unteren Millimeterbereich. Für mineralische Baustoffe und übliche Frequenzen im Bereich weniger Hertz ergeben sich Meßtiefen im Bereich einiger Millimeter. Die IT verwendet im Gegenzug dazu einen intern indirekt erzeugten (z. B. durch magnetische Induktion oder Ultraschall) oder externen Wärmeimpuls. Er ist nahezu rechteckförmig und setzt sich aus einer großen Anzahl unterschiedlicher Frequenzen zusammen. Große Energiemengen sind für die am häufigsten in der Baupraxis anfallenden Probleme wegen der geringen Wärmeleitfähigkeiten der verwendeten Baustoffe (z. B. λ Beton = 2,1 W/(m K), λ Kalkmörtel und λ Gipsputz = 0,35 W/(m K) gegenüber λ Stahl = 60 W/(m K)) und den oft vorhandenen großen Bauteildicken erforderlich. Die aufgenommenen Daten werden im Zeitbereich über die Temperaturdifferenz zwischen gestörten und ungestörten Bereichen ausgewertet [2]. Im laufenden DFG- geförderten Forschungsvorhaben der TUB und der BAM wird die IT erfolgreich u. a. zur Ortung von Hohlstellen und Kiesnestern in Beton (im Idealfall bis zu einer Betondeckung von 10 cm), von Hohlstellen und Ablösungen von Beschichtungen (z. B. CFK-Laminate auf Beton, Putz auf Beton oder Mauerwerk), von Fehlstellen und Ablösungen hinter Spaltklinkern und von unverfüllten Fugen im Mauerwerk in oberflächennahen 786 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin Bautechnik 81 (2004), Heft 10

2 Bereichen unter Laborbedingungen und in Feldversuchen eingesetzt [3]. Ein besonderer Forschungsschwerpunkt liegt in der Ortung von Verpreßfehlern in Spannkanälen mittels interner Erwärmung durch elektrischen Strom. Als vereinfachte Regel läßt sich sagen, daß sich Inhomogenitäten mittels IT dann zuverlässig detektieren lassen, wenn das Verhältnis von Defektgröße zu Defekttiefe 1 beträgt. 2 Verfahren der aktiven Thermografie 2.1 Impuls-Thermografie Die Impuls-Thermografie wird angewendet, um Hohlstellen und Inhomogenitäten in Bauteilen zu orten. Das Bauteil wird durch einen inneren oder äußeren Wärmeimpuls (s. Bild 1) in einen thermisch instationären Zustand gebracht. Innere Impulse sind z. B. die Hydratationswärme des Zements oder die über elektromagnetische Induktion erwärmte Bewehrung. Äußere Wärmequellen sind beispielsweise Infrarotstrahler oder die Sonne. Die Wärmequellen für die IT sollten eine möglichst große, homogen verteilte Wärmstromdichte besitzen und die Wärmeenergie in möglichst kurzer Zeit einbringen. Bei einer äußeren Erwärmung staut sich die Wärme vor Fehlstellen in Bauteilen, wenn die Fehlstellen einen geringeren Wärmeeindringkoeffizienten b als das umgebende Material haben (s. Bild 2). Es gilt: besser bildet sich die Fehlstelle auf der Bauteiloberfläche als Bereich erhöhter Temperatur ab. Ist der Wärmeeindringkoeffizient der Fehlstelle größer als der des ungestörten Materials (z. B. bei wassergefüllten Hohlstellen, in denen Konvektion auftritt), so ist die Störung im Thermogramm als Bereich niedrigerer Temperatur erkennbar [4]. Tieferliegende Hohlstellen werden zeitlich verzögert mit einem geringeren Temperaturkontrast auf der Bauteiloberfläche sichtbar. Bei Voruntersuchungen wurde die instationäre Wärmeleitung dreidimensional mit Hilfe der Finiten-Elemente- Methode (FEM) simuliert (s. Bild 3). Aus den FEM-Simulationen ergaben sich Temperatur-Zeit-Kurven für einen Punkt auf der Oberfläche des Körpers über der Fehlstelle und für einen Referenzpunkt im ungestörten Bereich. So konnte auch für komplizierte Geometrien abgeschätzt werden, mit welchem maximalen Temperaturkontrast sich Fehlstellen auf der Bauteiloberfläche abbilden und zu welchem Zeitpunkt der maximale Temperaturkontrast auftritt. Wenn die berechnete maximale Temperaturdifferenz im Vergleich zur thermischen Auflösung der Thermokamera ausreichend groß ist, kann die Fehlstelle in der Praxis geortet werden. b = ρ λ c (2) Rohdichte ρ in kg/m 3, Wärmeleitfähigkeit λ in W/(m K), spezifische Wärmekapazität c p in J/kg K. Der Wärmeeindringkoeffizient von Beton beträgt b = 2200 J/(m 2 K s 1/2 ), der von Polystyrol b = 32 J/(m 2 K s 1/2 ). Je kleiner der Wärmeeindringkoeffizient b der Fehlstelle gegenüber der des ungestörten Materials ist, desto Bild 2. Prinzip der Impuls-Thermografie Fig. 2. Principle of Impulse-Thermography Bild 1. Übersicht über thermische Anregungen für die Impuls-Thermografie Fig. 1. Overview of the thermal stimuli of Impulse-Thermography Bild 3. FEM-Modell eines unverpreßten Bereichs in einem Hüllrohr (rot) zur 3D-Simulation der Wärmeleitung Fig. 3. FEM-Model of ungrouted areas of a duct (red) for the 3D-simulation of the heat conduction Bautechnik 81 (2004), Heft

3 2.2 Puls-Phasen-Thermografie Die Puls-Phasen-Thermografie wendet auf nach dem Verfahren der IT gesammelten Daten die auch bei der LT verwendete Frequenzanalyse an. Mittels diskreter Fast-Fourier-Transformation (FFT) der Transienten der Bildpunkte des Kameraarrays (vergleiche Gln. (3) und (4)) entstehen für jede diskrete Frequenz f Amplituden- und Phasenbilder, die analog zur LT ausgewertet werden können. Die FFT für jeden Pixel eines zweidimensionalen Bildarrays mit den Ortsvariablen x und y über die verwendeten Einzelbilder n = 0 bis N 1 wird beschrieben durch N Fxyf (,, ) = Fxyt (,, ) e πift N n= 0 = Re( xyf,, ) + i Im( xyf,, ). Die Amplitude A bzw. die Phase Φ jeder betrachteten Frequenz f für jeden Bildpunkt (x, y) des Temperatursignals (3) F(t) erhält man nach Gl. (4) aus dem Real- und dem Imaginärteil von Gl. (3) Im( xyf,, ) φ( xyf,, ) = tan 1 Re( xyf,, ) Axyf (,, ) = Re( xyf,, ) 2 + Im( xyf,, ) 2. Dabei stellen die Phasenbilder im Frequenzraum eine Art Querschnitt durch das betrachtete Bauteil dar je höher die Frequenz, desto dichter unter der Oberfläche befindet sich das erkennbare Tiefenprofil und umgekehrt (vergleiche Bild 5 und die ausgewerteten Meßdaten in Abschn. 3) [5], [6], [7], [8]. Die Ergebnisse der IT in der Zeit bleiben dabei vollständig erhalten und werden lediglich durch die Ergebnisse aus dem Frequenzraum ergänzt und vertieft. Die Vorteile gegenüber der herkömmlichen IT sind ähnlich denen, die aus der LT bekannt sind. Der Einfluß einer inhomogenen Oberfläche und einer ungleichmäßigen Erwärmung wird herausgefiltert. Dadurch wird eine erhöhte Nachweisempfindlichkeit der Defektgeometrie und eine bessere Tiefenauflösung erzielt. Die für die LT nachgewiesene, stark verbesserte Tiefenauflösung der Phasenbilder bis zur doppelten Tiefe der zugehörigen Amplitudenbilder und der Kontrastbilder im Zeitbereich [8], [12] konnte nicht beobachtet werden. (4) 3 Anwendungen 3.1 Experimenteller Aufbau Bild 4. Temperatur-Zeit-Kurven aus FEM-Simulationen: Erwärmung 900 s lang, Abkühlung über Konvektion, max. Temperaturdifferenz ca. 5 K Fig. 4. Temperature-time-diagrams of the FEM-simulations: heating time 900 s, cooling down by convection, maximum temperature difference by ca. 5 K Der experimentelle Aufbau der im folgenden dargestellten Untersuchungen mit der IT und damit auch der PPT variiert je nach Aufgabenstellung (s. Tabelle 1) und folgte dabei der in Abschn. 2.1 dargestellten Vorgehensweise. Es kamen zwei Kameratypen zum Einsatz. Die BAM verwendete eine Inframetrics SC 1000 mit einem Wellenlängenbereich von 3 bis 5 µm und einem Detektorarray (Digitalisierungstiefe 12 bit) mit einem Objektiv mit einem Öffnungswinkel von 32 bei den Labormessungen und einem Objektiv mit einem Öffnungswinkel von 8 bei den Feldmessungen. Die TUB setzte eine Jenoptik Varioscan Compact 3011 mit einem Detektortyp, der im Wellenlängenbereich von 8 bis 12 µm die höchste Empfindlichkeit hat, ein. Die Kamera hat ein Detektorarray von Pixel und eine 16 bit Digitalisierungstiefe. Die Erwärmung erfolgte direkt mit Infrarotstrahlern und indirekt über elektrische Widerstandserwärmung. Bild 6 zeigt den von der der BAM für Untersuchungen an Hohlstellen und Kiesnestern sowie von CFK-Laminaten auf Beton verwendeten Versuchsaufbau mit Infrarotstrahlerarray. 3.2 Hohlstellen und Kiesnester in Beton Bild 5. Prinzip der Puls-Phasen-Thermografie nach [11] Fig. 5. Principle of Pulse-Phase-Thermography [11] Um die Nachweisbarkeit von Hohlstellen im Beton mit Hilfe der IT zu untersuchen, wurde ein Probekörper aus Normalbeton mit den Kantenlängen 150 cm 150 cm 50 cm hergestellt. Es wurden vorab acht Fehlstellen aus Polystyrol-Hartschaum in unterschiedlichen Tiefen eingebracht (Fehlstellen 1 bis cm 3 und Fehlstellen 5 bis cm 3 groß) und fixiert. Bild 7 zeigt eine schematische Darstellung des Probekörpers und der Fehlstellen. 788 Bautechnik 81 (2004), Heft 10

4 Tabelle 1. Experimentelle Aufbauten zu den unterschiedlichen Prüfproblemen Table 1. Experimental set-up for the measurements carried out Problem Anwendungsort Kamera Erwärmungseinheit Erwärmungs-Zeit Datenerfassung in min Ortungs von Hohlstellen Labor Inframetrics Direkt: drei Infrarot- 30 Bildfrequenz 50 Hz und Kiesnestern SC 1000 Heizstrahler mit (s. Abschn. 3.2) je 2400 W Verpreßfehler in Labor Jenoptik Indirekt: 15 Bildfrequenz = 1,2 Hz Spanngliedern Varioscan Transformator (s. Abschn. 3.3) mit 25 A Fehlender Verbund bei Labor Inframetrics Direkt: drei Infrarot- 1 Bildfrequenz 50 Hz CFK-Laminaten auf Beton SC 1000 Heizstrahler mit (s. Abschn. 3.4) je 2400 W Ablösungen bei Fallstudie Direkt: Heizlüfter 5 Bildfrequenz 50 Hz Putz auf Naturstein mit 2000 W (s. Abschn. 3.5) Die thermografischen Messungen zu den in Bild 8 dargestellten Ergebnissen fanden ein Jahr nach der Herstellung statt. Die Erwärmungszeit betrug 30 Minuten, die Beobachtungszeit 120 Minuten und die durch IR-Strahler aufgebrachte Leistungsdichte 1200 W/m 2. Der Abstand der Kamera vom Probekörper lag bei 2,80 m. Weitere Einzelheiten zum Meßaufbau sind Tabelle 1 und Bild 6 zu entnehmen. In Bild 8 sind oben zwei Thermogramme nach Abkühlzeiten von 0 und ca. 100 Minuten dargestellt. In der Mitte sind zwei Amplituden- und unten zwei Phasenbilder bei unterschiedlichen Frequenzen abgebildet. Die Grauwerte in Bild 8 sind auf Maximum (weiß) und Minimum (schwarz) von Temperatur, Amplitude und Phase skaliert. In den Thermogrammen sind bereits direkt nach der Erwärmung die oberflächennahen Fehlstellen Nr. 3 bis 8 in Tiefen von 1 bis 4 cm gut zu erkennen. Die tieferen Fehlstellen Nr. 1 und 2 werden erst nach ca. 30 Minuten nachweisbar und sind auch nach 100 Minuten noch gut zu erkennen, wohingegen die kleinen und flachen Fehlstellen 5 bis 8 nicht mehr zu sehen sind. Es ist deutlich zu erkennen, daß die Fehlstellen Nr. 3 und 4 schief eingebaut wurden und z. T. tiefer liegen als die geplanten 2 cm. In den Amplituden- und in den Phasenbildern sind bei niedriger Frequenz alle Fehlstellen zu erkennen. Mit zunehmender Frequenz sind nur noch die flachen Fehlstellen sichtbar, Bild 6. Versuchsaufbau zur Impuls-Thermografie. Hier erfolgt die äußere Erwärmung mit einem Infrarotstrahlerarray Fig. 6. Experimental set-up of Impulse-Thermography, heating up by infrared radiant heater array Bild 7. Betonprobekörper ohne Bewehrung ( cm 3 ) mit acht Polystyrol-Fehlstellen unterschiedlicher Abmessung und Tiefe. Nr. 3 und 4 haben Solltiefen von 4 und 2 cm Fig. 7. Concrete specimen without reinforcement ( cm 3 ) with eight polystyrene voids of different sizes and depth. Nr. 3 and 4 have a maintained depth of 4 and 2 cm Bautechnik 81 (2004), Heft

5 30 bis 50 C 21,1 bis 26,1 C 0 Hz 9, Hz Um die Anwendbarkeit der IT auf die Detektion von Verpreßfehlern in Hüllrohren zu untersuchen, wurden 3,50 m lange Probekörper aus Stahlbeton mit zwei Spanngliedern hergestellt. In den Spanngliedern vom Durchmesser 80 mm befinden sich jeweils drei unverpreßte Bereiche mit einer Länge von je 45 cm. Der Wärmeimpuls wurde auf drei unterschiedliche Arten eingebracht. Im ersten Fall wurde die Hydratationswärme des Verpreßmörtels beim Erhärten ausgenutzt. Die Lage der Hüllrohre und die Lage der Verpreßfehler war schon wenige Minuten nach dem Verpressen gut zu erkennen [13]. Im zweiten Fall wurde der Spannbetonprobekörper von außen durch Infrarotstrahler mit einer elektrischen Anschlußleistung von 5200 W 15 Minuten lang erwärmt. Nur die Verpreßfehler in den Hüllrohren mit geringer Betondeckung (c = 5 cm) konnten sicher detektiert werden. Im dritten Fall wurde der Wärmeimpuls durch eine konduktive Widerstandserwärmung der Spannstähle in den Hüllrohren erzeugt. Mit Hilfe eines Transformators wurde ein Strom von 25 A 15 Minuten lang durch die Spannstähle geleitet (Bild 10). Die unverpreßten Bereiche in den Hüllrohren sind auf den Thermogrammen gut als Bereiche geringertemperatur zu erkennen (Betondeckung der Hüllrohre = 8 cm). Die elektrischen Kontakte zeigen sich wegen des erhöhten Übergangswiderstands als wärmste Stellen. Der mit Thermoelementen gemessene Temperaturanstieg innerhalb der Hüllrohre betrug ca. 5 K. Das Wärmebild in Bild 11 wurde etwa 40 Minuten nach dem Beginn des Erwärmens aufgenommen. 0, Hz 9, Hz Bild 8. Kontrast-, Amplituden- und Phasenbilder Fig. 8. Contrast, Amplitude and Phase Images wobei diese in den Phasenbildern bei deutlich höheren Frequenzen als in den Amplitudenbildern zu beobachten sind. Die tiefen Fehlstellen Nr. 1 und 2 sind in den Phasenbildern wesentlich besser zu erkennen als in den Amplitudenbildern und auch besser als in den oben dargestellten Thermogrammen. Auch treten in den Phasenbildern keine Streifen durch inhomogene Erwärmung auf wie im Thermogramm nach 0 Minuten Abkühlung und wie in den Amplitudenbildern. Bild 9. Verpreßfehler in Hüllrohren liegen häufig an Hochpunkten des Spannglieds, wo sie mit der Impuls-Thermografie detektiert werden können Fig. 9. Grouting faults in ducts are often located at the highest part of the tendons, where they can be detected by Impulse-Thermo-graphy is possible 3.3 Verpreßfehler in Hüllrohren Die Hüllrohre von Spanngliedern in Spannbetonkonstruktionen werden mit Zementleim verpreßt, um den Spannstahl vor Korrosion zu schützen und um einen Verbund von Spannstahl und Betonkörper zu erreichen. Nicht verpreßte oder nur teilweise verpreßte Bereiche gefährden die Dauerhaftigkeit von Spannbetonkonstruktionen. Die Verpreßfehler befinden sich meist an Hochpunkten des Spannglieds, wo die Betondeckung des Hüllrohrs oft nicht groß ist (Bild 9). Bild 10. Versuchsaufbau: Die Elektroden des Transformators sind mit Kupferdraht an die Spanndrähte angeschlossen Fig. 10. Experimental set-up: The electrodes of the transformer are connected to the prestressing strands by copper wire 790 Bautechnik 81 (2004), Heft 10

6 Bild 11. Temperaturverteilung 23 Minuten nach Abschalten der Wärmequelle (weiß: Temperatur > 16,0 C, schwarz: Temperatur < 14,5 C). Die sechs Verpreßfehler sind kälter als die verpreßten Bereiche der zwei horizontal verlaufenden Spannglieder Fig. 11. Temperature distribution 23 minutes after switching off the heat source (white: temperature > 16,0 C, black: temperature < 14,5 C). The six ungrouted areas are colder than the grouted areas of the horizontal tendons 3.4 Ablösungen von CFK-Laminaten auf Beton Das nachträgliche Aufbringen von CFK-Laminaten durch Verkleben stellt ein in den letzten Jahren verwendetes Verfahren zum nachträglichen Verstärken von Stahlbetonkonstruktionen dar. Um die Eignung der IT für eine nachfolgende zerstörungsfreie Qualitätskontrolle von Klebeverbindungen zwischen Laminat und Beton zu prüfen, wurde für das Projekt ein Betonprobekörper 1,50 1,50 0,50 m 3 nachträglich mit im Handel üblichen CFK-Laminaten fachgerecht verklebt. Dabei wurde die Schichtdicke des Klebers zwischen 0,5 und 3 mm variiert und Ablösungen zwischen Laminat und Beton durch Aussparungen von Flächen von 0,05 0,10 und 0,10 0,10 m 2 Größe simuliert (s. Bild 12). Es wurde der in Bild 6 abgebildete Versuchsaufbau gewählt und Messungen mit einer Erwärmungszeit von 1 Minute und einer Betrachtungszeit von 5 Minuten durchgeführt. Der gewählte Abstand der Erwärmungseinheit zum Probekörper von 15 cm erbrachte eine Leistungsdichte von 1200 W/m 2 auf der Oberfläche des Probekörpers. Der Abstand der Kamera von der Bauteiloberfläche betrug 2,80 m. In Bild 13 sind ein Temperaturkontrastbild aus der IT (links oben) sowie die aus der PPT gewonnenen Phasenbilder des untersuchten Probekörpers abgebildet. Zur Deutung der Bilder sei erwähnt, daß hohe Temperaturen in Kontrast- und Amplitudenbildern durch ein helles Grau abgebildet werden und niedrige dunkler erscheinen. Bei den Phasenbildern ist eine solche Aussage nicht eindeutig zu treffen. Es zeigt sich, daß die eingebrachten Fehlstellen ausnahmslos zu erkennen sind. Auch die bei der Verarbeitung unabsichtlich erzeugten Ablösungen, besonders an den Rändern der Laminate, sind gut zu erkennen. Die relative 28,0 bis 30,0 C 0 Hz 3, Hz 1, Hz Bild 12. Betonprobekörper ohne Bewehrung ( cm 3 ) mit CFK-Beschichtungen und flächigen Ablösungen unterschiedlicher Ausdehnung Fig. 12. Concrete specimen without reinforcement ( cm 3 ) with CFK-laminates and delaminations of different sizes Bild 13. Links oben: Thermogramm nach 0 s Abkühlung des Probekörpers nach 1 Minute Erwärmungszeit. Die Abkühlungszeit beginnt bei 0 s zum Zeitpunkt des Ausschaltens der Strahlungsquelle. Breite und Höhe eines jeden Thermogramms entsprechen einem Ausschnitt von 132,5 126,5 cm 2. Rechts oben: Phasenbild. Unten: Phasenbilder bei unterschiedlichen Frequenzen Fig. 13. Top left: Thermal image after 0 s cooling down of the specimen and 1 minute heating time. The cooling down process starts with 0 s at the moment of switching off the heat source. Width and heath of the thermal image are 132,5 126,5 cm 2. Top right: Phase image. Bottom: Phase images at varying frequencies Bautechnik 81 (2004), Heft

7 Schichtdicke der Kleberschicht läßt sich qualitativ mit IT und PPT erfassen. Den schärfsten Kontrast mit der größten Nachweisempfindlichkeit liefern die Phasenbilder der PPT. 3.5 Putzablösungen an einer Sandsteinsäule im Alten Museum Die IT eignet sich besonders für die zerstörungsfreie Untersuchung von Fachwerk- und Mauerwerkskonstruktionen hinter Putz von historischen Gebäuden. Von der BAM wurden Untersuchungen an Säulen in der Rotunde des Alten Museums in Berlin durchgeführt (s. Bilder 14 und 15). Die Rotunde gehört zur ursprünglichen Bausubstanz des Gebäudes aus dem Jahr An ihr wurden seitdem eine Reihe von Restaurierungsmaßnahmen durchgeführt: in den Jahren 1906, 1966 und 1998 bis Die untersuchten zweilagig verputzten Sandsteinsäulen haben einen Außendurchmesser von 58 und eine lichte Raumhöhe von 534 cm. Sie sind mit einer Kalkputzschicht von 2 bis 3 cm Dicke versehen, auf der sich eine sichtbare Stuckmarmorschicht von 3 bis 6 mm Dicke befindet. Diese ist mit einem Netz feiner Haarrisse überzogen. Die maximale Rißweite beträgt 2 mm. Untersucht werden sollten: Ablösungen der Stuckmarmorschicht vom Kalkputz Ablösungen der Kalkputzschicht vom Sandstein Der Versuchsaufbau ist Tabelle 1 zu entnehmen. Er umfaßt einen Heizlüfter mit einer Energieleistung von 2000 W. Die Erwärmung der Oberflächen erfolgte manuell von einem Hubwagen aus. Zur Erfassung auch der oberen Bereiche der Säule mit der IR-Kamera wurde ein Zoomobjektiv mit einem Öffnungswinkel von 8 eingesetzt. Der Abstand der Kamera vom Meßobjekt war 5 m. In Bild 15 ist der Meßaufbau mit Hubwagen zu sehen. Die Erwärmungszeit variierte zwischen 1 Minute und 5 Minuten und die Aufnahmezeit zwischen 5 und 15 Minuten. Bild 15. Meßaufbau zur Ortung von Putzablösungen an den Sandsteinsäulen in der Rotunde im Alten Museum Fig. 15. Experimental set-up for the detection of delaminations on the stucco-marble columns in the rotunda of the Altes Museum Foto Thermisches Kontrastbild Bild 16. Meßergebnisse an Säule 14 Fig. 16. Measurement results of column 14 Phasenbild In Bild 16 sind Ergebnisse der Messungen an Säule Nr. 14 der Rotunde zu sehen. Während im Thermogramm in der Mitte lediglich ein verschwommener heller (wärmerer) Bereich auf das Vorhandensein einer Fehlstelle hindeutet, kann man beim Phasenbild klar die Abgrenzungen der Ablösung erkennen. Aufgrund des zeitlichen Auftretens des maximalen Temperaturkontrastes läßt sich die Tiefe der Inhomogenität eher auf eine Delamination im Bereich zwischen Sandstein und Putz zurückführen. 4 Zusammenfassung und Ausblick Bild 14. Stuckmamorsäulen in der Rotunde des Alten Museums Fig. 14. Stucco-marble columns in the rotunda of the Altes Museum Die dargestellten Ergebnisse zeigen deutlich, daß die IT sehr gut zur zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen geeignet ist. Insbesondere Inhomogenitäten im oberflächennahen Bereich wie Ablösungen und Hohlstellen hinter Beschichtungen (CFK-Laminate, Putz etc.) aber auch in größeren Tiefen (bis zu Überdeckungen von 10 cm) können zuverlässig und bildgebend dokumentiert werden. Die für die Bewertung von Spannbetonbauteilen so wichtige Prüfung der vollständigen Verpressung von Hüllrohren kann ebenfalls mit der IT durchgeführt werden. Bis zu Betondeckungen von 5 cm ist dazu eine äußere Erwärmung ausreichend, bei größeren Betondeckungen bis zu 792 Bautechnik 81 (2004), Heft 10

8 8 cm konnten Hohlstellen durch indirekte Widerstandserwärmung geortet werden. Die Auswertung der Meßdaten nach der Methode der PPT ermöglicht eine kontrastreichere Darstellung der Fehlstellen sowie eine deutliche Reduzierung des Einflusses von Oberflächeneffekten wie inhomogene Verteilungen der Emissivitäten oder inhomogene Erwärmung. Danksagung Das Vorhaben Struktur- und Feuchteuntersuchungen von Bauteil- und Bauwerksoberflächen mit der Impuls-Thermografie, Teil 2 wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert (Ma 2512 BAM und HI 636/2 TUB). Die Messungen im Alten Museum erfolgten im Rahmen des EU-Projektes ONSITEFORMASONRY ( Literatur [1] Wu, D., Wu, C. Y., Busse, G.: Investigation of resolution in lock-in thermography: theory and experiment. In: Proceedings of QIRT 1996, Pisa: Edizioni ETS (1997), pp [2] Brink, A., Maierhofer, C., Röllig, M., Wiggenhauser, H.: Auswertungsmethoden der Impuls-Thermografie zur Ortung von Fehlstellen in Betonstrukturen. In: Thermografie-Kolloquium 2001, , Unversität Stuttgart, DGZfP-Berichtsband auf CD 77, 2001, Vortrag 14. [3] Zwischenbericht zum DFG-Forschungsvorhaben: Strukturund Feuchteuntersuchungen von Bauteil- und Bauwerksoberflächen mit der Impuls-Thermografie, Geschäftszeichen WI 1785/1-1/2 und HI 636/2-1/2, Berlin, 2001 (unveröffentlicht). [4] Maierhofer, C., Brink, A., Hillemeier, B., Rieck, C., Röllig, M., Wiggenhauser, H.: Struktur- und Feuchteuntersuchung in Betonstrukturen mit der Impuls-Thermografie. Bauphysik 25 (2003), S [5] Vavilov, V., Marinetti, S., Grinzato, E., Bison, P. G.: Thermal tomography, characterization and pulse phase thermography of impact damage in CFRP, SPIE Vol. 3361, 1998, pp [6] Maldague, X., Couturier, J.-P.: Review of pulsed phase thermography, Invited Lecture, 15./16. Sept. 1997, Florence, Italy, L. R. Abozzo, G. M. Carlomagno, C. Corsi, eds., Atti della Fondazi one G. Ronchi, Firenze, 53, [1], 1997, pp [7] Maldague, X., Marinetti, S.: Pulse Phase Thermography, J. Appl. Phys. Vol. 79, No. 5, 1996, pp [8] Vavilov, V., Marinetti, S.: Thermal Methods Pulsed Phase Thermography and Fourier-Analysis Thermal Tomography, Russian Journal of Nondestructive Testing, Vol. 35, No. 2, 1999, pp [9] Maierhofer, C., Arndt, R., Röllig, M., Weritz, F., Wiggenhauser, H.: Untersuchung von Betonstrukturen mittels Puls-Phasen-Thermografie. In: Thermografie-Kolloquium 2003, , Universität Stuttgart, DGZfP-Berichtsband 86-CD, 2003, Vortrag 6. [10] Weritz, F., Wedler, G., Brink, A., Röllig, M., Maierhofer, C., Wiggenhauser, H.: Investigation of concrete structures with Pulse Phase Thermography. In: DGZfP Proceedings BB 85- CD of the International Symposium on Non-Destructive Testing in Civil Engineering (NDT-CE), September 2003, Berlin. [11] Maldague, X.: Theory and practice of Infrared Technology for non-destructive testing, John Wiley and Sons, Inc., [12] Busse, G., Wu, D., Karpen, W.: Thermal wave imaging with phase sensitive modulated thermography, J. Appl. Phys. 71, 1992, p [13] Rieck, C., Hillemeier, B.: Detecting Voids Inside Ducts of Bonded Steel Tendons Using Impulse Thermography, in: Proceedings of the International Symposium for Non-Destructive Testing in Civil Engineering (NDT-CE 03), online unter: Autoren dieses Beitrages: Dipl.-Ing. Ralf Arndt, Dr. rer. nat. Christiane Maierhofer, Dipl.-Ing. Mathias Röllig, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Fachgruppe IV.4 Zerstörungsfreie Schadensdiagnose und Umweltmessverfahren, Unter den Eichen 87, Berlin Prof. Dr.-Ing. Bernd Hillemeier, Dipl.-Ing. Carsten Rieck, Dr.-Ing. Horst Scheel, Dipl.-Ing. Andrei Walther, Technische Universität Berlin, Institut für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Baustoffe und Baustoffprüfung, Sekretariat TIB1-B4, Gustav-Meyer-Allee 25, Berlin Bautechnik 81 (2004), Heft