1 Zusammenfassung

Die Anwendung des Ultraschallecho-Verfahrens zur Hohlstellenortung in Holzbalken wird beschrieben.

An Hand der Versuchsergebnisse wird der Einfluss der Anisotropie des Holzes auf die Messkopfanordnung und Schallgeschwindigkeit dargestellt. Mit der optimierten Messanordnung ist die erfolgreiche Detektierung von Nachbildungen von Minderdicken und Kernfäule möglich. Besonders klar sind Schäden in Faserrichtung (Kernfäulenachbildung) nachzuweisen. Die sehr guten Ergebnisse zeigen die Anwendbarkeit des Ultraschallecho-Verfahrens an Holz.

2 Einleitung

Seit Jahren wird die Ultraschallecho-Methode im Niederfrequenzbereich zur zerstörungsfreien Prüfung von Betonbauteilen eingesetzt. Dabei dient sie der Ortung von Spanngliedern, Rückwänden, Materialinhomogenitäten und Hohlstellen [1], [2].

Hohlstellen im Inneren von Holzbauteilen werden häufig durch Kernfäule verursacht und sind von außen sehr schwierig zu erkennen. Dies stellt für den Tragwerksplaner ein großes Problem dar und kann zu plötzlichem Bauteilversagen führen [3].

Bisher wird mit Ultraschall diese Aufgabe in der Durchschallungstechnik gelöst. Dafür ist jedoch eine beidseitige Zugänglichkeit des Holzbauteils erforderlich. Daneben stehen nur zerstörende Messverfahren wie z.B. die Bohrwiderstandsmethode und die Bohrkernentnahme zur Verfügung [4], [5], [6] .

Im Rahmen einer Diplomarbeit [5] an der Technischen Universität Berlin (TUB) am Fachgebiet Baustoffe und Baustoffprüfung wurden in der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) grundlegende Versuche zum Ultraschall-Echo-Verfahren an Holzbalken (Kiefer) durchgeführt.

Die Untersuchungen hatten das Ziel, mit dem Ultraschallecho-Verfahren Hohlstellen und Minderdicken zu detektieren.

3 Methodik

Beim Ultraschallecho-Verfahren werden die Reflexionen an Werkstoffinhomogenitäten gemessen. Als Inhomogenität gilt sowohl die Bauteilrückwand wie auch Inhomogenitäten im Werkstoff. über eine Störung des Rückwandechos kann bei der Auswertung der Defekt lokalisiert werden.

Abb 1: Unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten am Kiefernholz Probekörper P0 in Abhängigkeit der Faserrichtung

Holz besitzt durch seine hohe Lufteinschlussdichte eine hohe Dämpfung, was leistungsstarke Prüfköpfe im Niederfrequenzbereich (50 - 200 kHz) erforderlich macht. In den beschriebene Versuchen wird ausschließlich die Zweikopftechnik angewendet. Durch seinen Wuchs hat Holz einen sehr anisotropen Aufbau. So kommt es in axialer, tangentialer und radialer Richtung zu sehr unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten (Abbildung 1) [7].

Deshalb muss bei der Ankopplung die Position der Prüfköpfe relativ zur Faser beachtet werden. Dabei wird in eine Ankopplung mit einer Verbindungsachse der Prüfköpfe senkrecht (Abbildung 2) oder parallel zur Faser unterschieden, was eine unterschiedliche, resultierende Geschwindigkeit bedeutet

Abb 2: Prüfkopfanordnung am Probekörper P2 mit Verbindungslinie der Prüfköpfe senkrecht zur Faser

Abb 3: Messapparatur mit Funktionsgenerator, Oszilloskop, Rechner, Leistungsverstärker und Bandpassfilter

Für die Messungen wurde die Messfrequenz auf 100 kHz optimiert. Die Zylinderprüfköpfe (D = 45 mm) von Krautkrämer werden in Zweikopf-Technik mit den Koppelmitteln Vaseline oder Ultraschall-Gel angekoppelt. Die verwendete Apparatur ist in Abbildung 3 zu erkennen.

Der Probekörper P0 (109 cm x 20 cm x 9,5 cm, ohne Hohlstelle) aus Kiefernholz wurde nach den ersten Untersuchungen in die Probekörper P1, P2 und P3 zerteilt. In Abbildung 5 ist der Probekörper P2 dargestellt.

Abb 5: Stirnansicht von Probekörper P2 (Kiefer 36 cm x 20 cm x 9,5 cm) mit einzelner Bohrung (D = 30 mm, L = 12 cm) und Lochgruppe mit D = 10 mm und L = 10 - 26 cm als Nachbildung von Kernfäule

4 Ergebnisse und Diskussion

Die Echo-Messungen werden entlang den Messlinien in Abbildung 4 am Probekörper durchgeführt. In Abbildung 6 ist das B-Bild einer Messung entlang des Probekörpers P0 (ohne Hohlstellen) dargestellt, die Messkopfanordnung entspricht Abbildung 2. Sehr gut ist im B-Bild (Abbildung 6) ein Echo mit gleicher Laufzeit entlang des ganzen Probekörpers P0 zu erkennen, was eindeutig als Rückwand gedeutet werden kann. Neben den Echos der Rückwand kommt es zu keinen weiteren Echos, was bedeutet, dass es sich um die von außen zu vermutende Materialhomogenität handelt.

Abb 4: Kiefernholzkörper P2 mit Verlauf der Messlinien 1-5 und eingebohrten Schäden (Bohrlöchern)

Abb 6: B-Bild der Rückwand des ungeschädigten Probekörpers P 0, Messpunktabstand 2cm

An den Stirnflächen des Probekörpers fallen Echos mit kürzerer Laufzeit auf, was mit einer höheren Schallgeschwindigkeit bei einer geringeren Holzfeuchte und durch Randeffekte erklärt werden kann [8]. Durch die Lagerung der Hölzer im beheizten Holzlager kam es zu einer Austrocknung an den Stirnflächen der Probekörper.

Nach den erfolgreichen Rückwandmessungen und Bestätigungen auf Homogenität des Probekörpers wurden definierte Schäden in den Probekörper eingebracht. Die Lage und Art der Schäden wurde nach einer Literaturstudie [3], [9] und Rücksprache mit einem Sachkundigen für bekämpfenden Holzschutz [10] möglichst praxisnah gewählt. Ein besonderes Interesse besteht bei den Untersuchungen an der Ortung von verdeckten Holzschäden und Minderdicken.

Messungen entlang der Messlinie 1 (Abbildung 4) ergaben mit einer Prüfkopfanordnung senkrecht zur Faser am Probekörper P2 das in Abbildung 8 gezeigte B-Bild. Dabei sind klare Echos bei 153 µs und 71 µs zu erkennen.

Als gestrichelte Linie sind errechnete Schalllaufzeiten eingetragen, die sich aus der, bei dieser Prüfkopfanordnung resultierenden Schallgeschwindigkeit und den Schallwegen ergeben. Ein Vergleich der errechneten mit den gemessenen Schalllaufzeiten zeigt, dass die Rückwand bzw. Bohrung sehr gut detektiert werden können.

Eine weitere Messung entlang Messlinie 1 (Abbildung 4) mit einer Anordnung der Prüfköpfe parallel zur Faser ist in Abbildung 7 dargestellt. Auch hier stimmen die gemessenen Laufzeiten mit den errechneten gut überein.

Abb 7: B-Bild von Probekörper P2 mit Prüfkopfanordnung parallel zur Faser und rot eingezeichnet die erwartete Echolaufzeit für die Schadstelle, Messpunktabstand 2cm

Abb 8: B-Bild von Probekörper P2 mit Prüfkopfanordnung senkrecht zur Faser und rot eingezeichnet die erwartete Echolaufzeit für die Schadstelle, Messpunktabstand 2cm

Wie aus den Vorversuchen bekannt, kommt es bei einer Prüfkopfanordnung parallel zur Faser zu einer Messung von Oberflächenwellen. Dies ist jedoch nur im A-Bild problematisch. Im B-Bild können diese scheinbaren Echos richtig als Oberflächenwellen gedeutet werden.

Auffällig ist, dass in einem Bereich des Bildes sowohl das Echo der Schadstelle als auch das der Rückwand zu erkennen ist. Dies hängt mit dem Abstrahlwinkel der Prüfköpfe und der Streuung zusammen und führt dazu, dass Echos von mehreren Objekten empfangen werden können. Die Abstrahlcharakteristik hängt wiederum im wesentlichen vom Verhältnis der Wellenlänge zum Prüfkopfdurchmesser ab.

Weitere Messungen wurden entlang der Messlinie 5 mit einer Prüfkopfanordnung parallel zur Faser durchgeführt (Abbildung 9). Die Messung verlief hier senkrecht zu den Schäden, sowohl der Einzelbohrung (D = 30 mm) als auch der Lochgruppe.

Abb 9: Messung entlang Messlinie 5, Verbindungsachse der Prüfköpfe parallel zur Faser; Echo an Rückwand und eingebrachten Hohlstelle, Messpunkt-abstand 1cm

Es sind neben den scheinbaren Echos der Oberflächenwellen deutliche Echos der Rückwand und der Schadstelle zu sehen. Ein Vergleich der im B-Bild (Abbildung 9) dargestellten Echolaufzeiten und der gestrichelt dargestellten, errechneten Laufzeit zeigt eine sehr gute übereinstimmung. Somit ist auch eine Ortung von relativ kleinen Schäden (D = 30 mm) in Faserrichtung sehr gut möglich.

Als Anwendungsmöglichkeiten der Hohlstellenortung mit dem Ultraschallverfahren kommt beispielsweise die Untersuchung an Holzbalkendecken, in der Denkmalpflege (Fachwerke, Kirchen, Speicher) und Messungen zur Früherkennung, Eingrenzung von Schäden und zur besseren Kostenabschätzung vor Instandsetzungen in Frage. Auch zur Dokumentation und zur Baumbegutachtung könnte das Verfahren genutzt werden.

Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse an künstlichen Fehlstellen bedeuten einen wichtigen Schritt für die mögliche praktische Anwendung des Ultraschallecho-Verfahrens.

5 Danksagung

Die für die Untersuchung benötigten Probekörper wurden von Mitarbeitern der Schlosserei und Schreinerei der BAM hergestellt. Die Optimierung und Durchführung der Versuche erfolgte mit Unterstützung der Fachgruppe IV.4 der BAM. Besonderer Dank gilt Herrn F. Mielentz und Herrn B. Milman. Weiterhin halfen Frau Streicher und Herr Ing. D. Schaurich bei der Bearbeitung der A-Bilder und ihrer Darstellung.

6 Literatur

1. Krause M., Mielentz, Milman, Wiggenhauser, Müller: Spannkanal-untersuchung mit bildgebenden Ultraschallecho-Verfahren. Deutsche Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfung, Berichtsband 66-CD: Plakat 2 (1999).
2. Krause M., Mielentz, Milman, Wiggenhauser, Müller, Schmitz: Ultrasonic image of concrete members using an array system. NDT & E International 34 (6) (2001) pp. 403-408.
3. Kothe E.: Auswirkung von Holzschäden durch Pilze und Insekten auf die Standsicherheit von Holzbauwerken - eine Bestandsaufnahme. Bautechnik 75 (1998), H 8, S. 552-558.
4. Wenzel F., Kleinmanns J.: Sonderforschungsbereich 315, Historische Holztragwerke, Untersuchungen, Berechnungen und Instandsetzen. Universität Karlsruhe (1999).
5. Hasenstab A.: Die Hohlstellenortung bei Holzbauteilen mit dem Ultraschallverfahren, Diplomarbeit an der Technischen Universität Berlin, unveröffentlicht, (2002).
6. Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung: ZfPBau-Kompendium.http://www.bam.de /zfp-kompendium.html (1999).
7. Niemz P., Kucera L.J.: Untersuchung zum Einfluss des Faserwinkels auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen in Holz. Holz als Roh- und Werkstoff 57 (1999) S. 225.
8. Kabir M.F., Daud W.M., Khalid K. Sidek H. A. A: Dialactric and ultrasonic properties of rubberwood. Effect of moisture content, gain direction and frequency. Holz als Roh- und Werkstoff 56 (1998) S. 223-227.
9. Erler K.: Alte Holzbauwerke beurteilen und Sanieren. Berlin: Verlag für Bauwesen Berlin, München, (1993)
10. Panzer T., Sachkundiger für bekämpfenden Holzschutz. Persönliche Mitteilung, (2001).