DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Mobile Röntgenblitzröhren zum Auffinden von Holzschäden

A. Hasenstab, K. Osterloh, J. Robbel, M. Krause, U. Ewert,
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin
B. Hillemeier, Technische Universität Berlin (TUB)
Kontakt: Dipl.-Ing. Andreas Hasenstab

1. Kurzfassung

In diesem Beitrag wird die Anwendung von Radiographiesystemen zum Auffinden von Holzschäden beschrieben. Die Anlage besteht aus einer mobilen Röntgenblitzröhre und einem digitalen Radiographiesystem mit Speicherfolie oder einem Flachdetektor. An Hand der durchgeführten Versuche an Laub- und Nadelbäumen sowie an Eichenbalken der Marienkirche der Lutherstadt- Wittenberg wird die Detektion innerer Schäden gezeigt.

2. Einleitung und Problemstellung

Holz findet sich in unserer Umgebung sowohl in lebender Form z.B. Bäume als auch als Baumaterial z.B. im Fachwerk, in Balkendecken oder Dachstühlen. In beiden Formen ist Holz ohne Umwelteinflüsse wie Feuchte und organische Angriffe sehr langlebig und alterungsbeständig. Hingegen ist es anfällig für Pilzwachstum, das sich in Fäule (z.B. Kernfäule) äußert. Dabei stellen nicht nur innen ausgehöhlte Alleebäume (Abbildung 1) eine allgemeine Gefahr durch Windbruch dar, sondern auch morsches Spielplatzgerät oder angegriffene Balkenköpfe (Abbildung 2) aus älteren Gebäuden. So kann schadhaftes Holz ein allgemeines Sicherheitsrisiko darstellen. Fäulnis kann auch bei neuem Holz die Belastbarkeit einer Holzkonstruktion in weniger als einem halben Jahr um rund 80 % vermindern [1].

Die Röntgenuntersuchungen werden auch als Referenzverfahren im Rahmen einer Entwicklung von Ultraschall-Echoverfahren an Holz angewendet. Mit den Ultraschall-Echomessungen werden Holzbauteile auf Minderdicken und innere Schäden hin zerstörungsfrei untersucht [9].


Abb. 1:
Alleebaum mit innerer Fäulnis
Abb. 2: rechts:
a) Holzbalken mit Kernfäule und
b) Ergebnis einer Bohrwiderstandsmessung [2].
Bohrwiderstandsmessung über Spannungsabfall der Bohrvorrichtung
(a)
(b)

3. Stand der Technik der Prüfverfahren für Holz

Um das Ausmaß der Schädigung des Holzes festzustellen, stehen eine Reihe von zerstörungsarmen und zerstörungsfreien Prüfverfahren zur Verfügung. Gebräuchliche zerstörungsarme Prüfverfahren sind die Bohrwiderstandsmethode (Abbildung 2), die Bohrkernanalyse, die Penetrationsanalyse mit einem Stahlnagel und die Messung des Ausziehwiderstandes [3], [4], [5], [10]. Bei diesen Verfahren werden bei einer geringen Schädigung des Probekörpers sehr präzise Daten am jeweiligen Messpunkt ermittelt, mit denen auf den Zustand der Konstruktion geschlossen werden kann. Als Nachteil dieser Verfahren kann die zusätzliche Schädigung des Bauteils und die schwierige Verallgemeinerung der Prüfdaten gesehen werden. Von den zerstörungsfreien Prüfverfahren werden zum Auffinden von außen nicht sichtbarer Hohlstellen und Schädigungen bei Holz unter anderem Durchstrahlungsprüfung und Ultraschall verwendet [3], [5], [6], [7], [8], [11], [12], [17], [18].

4. Röntgen-Untersuchungen von Holz

In der Praxis wird Röntgenstrahlung an Holz bei Kunstwerken, bei der Holzsortierung und in der Zustandsanalyse von Bäumen eingesetzt.
Röntgenuntersuchungen an Kunstwerken werden meist im Labor durchgeführt und umfassen die Untersuchung des Aufbaus, möglicher Untermalungen und Schädigung des Kunstobjektes. Beispielsweise wurden in Bildern von August Macke in der Neuen Pinakothek in München Untermalungen gefunden [13] oder bei der Untersuchungen der Teje des Ägyptischen Museums Berlin verdeckter Schmuck entdeckt [14].

Aber auch an Denkmälern vor Ort wie beispielsweise der Badenburg des Schlosses Nymphenburg in München oder dem Neuen Schloss in Bayreuth wurden Untersuchungen durchgeführt. Dabei wurden einige Deckenbalken auf Fäulnis hin untersucht. Eine sehr kostspielige und zeitaufwendige Entfernung des Schmuckparketts war aufgrund der Röntgenuntersuchungen nicht erforderlich [15]. Industriell wird die Röntgenstrahlung an Holz zu stationärer Holzsortierung eingesetzt [16]. Schnittbilder von Baumstämmen wurden mit einer mobilen Computer-Tomographie von Habermehl [17], [18] ermittelt. Die Tomographie erzielt zwar die vollständigsten und detailreichsten Ergebnisse, ist aber sehr zeit- und geräteaufwendig und erfordert allseitigen Zugang. Eine erhöhte Mobilität ist mit einer mobilen Röntgenblitzröhre und digitalen radiologischen Detektionen möglich.

4.1. Material und Methoden

Die verwendete Röntgenblitzröhre GE XRS-3 (300kV) der Firma Golden Engineering, (Centerville, IN,USA) ist in Abbildung 3 dargestellt.


Abb 3: Röntgenblitzröhre GE XRS-3 (300kV) der Firma Golden Engineering mit unterschiedlichen Dosisleistungen

Abb 4: Messaufbau mit Röntgenblitzröhre,Agfa Flachdetektor (Typ "DrectRay am-Se") und Baumstamm mit Hohlstelle

Die verwendete Blitzröhre ist besonders für mobile Anwendung geeignet, da sie ein geringes Eigengewicht von 5,5 kg aufweist und mittels Akkubetrieb von der Stromversorgung unabhängig ist. Die Dosisleistung ist durch das Verwenden Batterie getriebener Geräte im Vergleich zu kontinuierlich strahlenden Röhren gering. In Abbildung 3 ist die Dosis pro Impuls in Abstrahlrichtung und zur Seite angegeben. Ein Vergleich zwischen Blitzröhre und einer kontinuierlich strahlenden stationären Röhre ergibt folgenden Unterschied: Die Blitzröhre GE XRS-3 erreicht mit 99 Impulsen (mit 60ms Abstand) und 300keV Energie gemessen mit einem Stabdosimeter (Wilnos, Haan) 0,41 mSv bei 99 Impulsen. Die Röntgenröhre Seifert Isovolt 320/13 strahlt mit einer Dosis von 5,3 mSv/0,1 min bei 300keV (Stabdosimeter, Wilnos, Haan) [19].

An statt des herkömmlichen Röntgenfilms wurde ein digitaler Detektor verwendet. Dabei wurde sowohl ein Agfa Flachdetektor (DirectRay am-Se, DDA digital detection array ) als auch ein Speicherfoliensystem Lumisys ACR2000 (Inc. Sannyvale, CA, USA) eingesetzt.

4.2. Auswertung der digitalen Radiographie

Durch eine spezielle Bildbearbeitung (Hochpass-Filterung, Kantenanhebung) können die Radiographien detailreicher dargestellt werden. Dafür wurde ein spezieller Filteralgorithmus entwickelt, der auf der Fouriertransformation beruht. Kanten und Risse zeichnen sich deutlicher als im Original ab, während großflächige Hell-Dunkelunterschiede ausgeglichen werden [20]. Das Ergebnis der Filterung kann im Vergleich von Abbildung 6 und Abbildung 7 an Hand einer Röntgenaufnahme einer Kiefernholzscheibe ohne und mit Filterung verglichen werden.

5. Ergebnisse

5.1. Messungen an einer Kiefernholzscheibe mit Fäulnis


Abb 5:
Draufsicht der Röntgenaufnahmeanordnung einer trockene Kiefernholzscheibe (links Detektor, rechts Blitzröhre).

Abb 6:
Röntgenaufnahme mit 99 Impulsen an trockener Kieferholzscheibe in Negativdarstellung

Abb 7:
Aufnahme wie Abbildung 6, gefiltert mit Hochpassfilter

In Abbildung 6 ist ein Röntgenbild in Negativdarstellung nach einer Durchstrahlung mit 99 Röntgenpulsen abgebildet. In der Mitte der Aufnahme ist eine höhere Intensität als in den Außenbereichen zu erkennen, was auf eine Schädigung hindeutet. Ein Nachbearbeiten der Röntgenaufnahme mit der in 4.2 beschriebenen Bildbearbeitung ergibt in Abbildung 7 ein detailliertes Bild, was eine Unterscheidung der gesunden Jahrresringe und der inneren Kernfäulnis möglich macht. Somit kann eine äußerlich nicht sichtbare Schädigung gerkannt werden. Zum Vergleich ist eine Aufnahme eines ungeschädigten Fichtenkörpers in Abbildung 8 dargestellt.


Abb 8:
Röntgenaufnahme eines ungeschädigten Fichtenkörpers, dargestellt mit Hochpassfilterung (99 Impulse).

5.2. Messungen an einem Laubholzstamm mit Astfäulnis

Häufig besteht bei einem faulen Ast die Befürchtung, dass sich Fäulnis in das Innere des Baumes fortsetzt und in eine Kernfäulnis übergeht, was dann als Bruchgefahr zu einer Gefährdung der Umwelt führen kann. Bei dem in Abbildung 9 dargestellten Probekörper war dies der Grund für ein Fällen des Baumes, was sich im nachhinein voreilig herausstellte. Der Schnitt durch den Stamm unterhalb des Astansatzes zeigte keine Schädigung.


Abb 9:
Laubbaum mit Astfäulnis

Abb 10:
Röntgenaufnahme (99 Impulse) eines Laubbaumes mit Astfäulnis, Schädigung nur bis Pfeilspitze, restlicher Baum ist gesund
Abbildung 10 zeigt, dass sich die Fäulnis vom Ast nicht in den Stamm weiter ausgebreitet hat. Somit wäre trotz klar sichtbarer äußerer Anzeichen ein Fällen des Baumes nicht zwingend erforderlich gewesen.

5.3. Messungen an einem Laubholzstamm mit Hohlraum

Auch von außen nicht sichtbare Schäden an Laubhölzern (Abbildung 4) können geortet werden. In Abbildung 11 ist der Probekörper in bekannter Negativdarstellung, in Abbildung 12 nach Bildbearbeitung dargestellt. Die Fehlstelle tritt erst nach einer Bearbeitung des digitalen Bildes hervor.


Abb 11:
Röntgenaufnahme eines Laubholzstamms mit innenliegender Fehlstelle in Negativdarstellung mit Röntgenblitzröhre und 99 Impulsen

Abb 12:
Röntgenaufnahme eines Laubholzstamms mit innenliegender Fehlstelle (Pfeil) in Negativdarstellung mit Röntgenblitzröhre nach Bildbearbeitung.

5.4. Messung an einem Balken aus Eichenholz

Ein ausgebauter Eichenbalken der Marienkirche in Lutherstadt- Wittenberg wurde in mehreren Abschnitten durchstrahlt (Abbildung 13). Das Ergebnis (Abbildung 14) zeigt, dass die äußerlich starke Schädigung nur eine geringe Ausbreitung hat.


Abb 13: Messanordnung bei Durchstrahlung eines ausgebauten Eichenbalkens aus der Stadtkirche in Wittenberg

Abb 14:
Röntgenbild des Eichenholzbalkens (D=26cm) der Marienkirche nach Hochpassfilterung (99 Impulse) mit Fäulnisschaden im Bereich der Pfeilspitze

In einem Teil ist Fäulnisschaden durch Pilzwachstum anhand der veränderten Struktur im Bild erkennbar. Deutlich treten auch Risse und Spalten (links) hervor.

6. Computer Tomographie

Tomographische Bilder bestechen durch ihre Details in der Tiefe des Objektes, z.B. im Querschnitt eines Baumstammes. Als Beispiel wird hier eine Messung an einer einzelnen Baumscheibe mit einem Linearbeschleuniger gezeigt. Die Feuchtigkeitsgrenzen sind als Kontrastunterschied gut erkennbar.

In dieser Versuchsanordnung lässt sich das tomographische Bild optisch durch eine Aufsicht auf die Scheibe überprüfen (siehe Abbildung 15). Es können somit detaillierte Querschnittsbilder von Baumstämmen hergestellt werden, ohne dies aufsägen zu müssen [17], [18].


Abb 15: CT von einer Baumscheibe mit Linearbeschleuniger (12MeV Linac, Raytec) an der BAM I.4. Die Feuchtigkeitsbereiche sind aufgrund des Kontrastunterschiedes gut erkennbar.

7. Mehrfachenergie-Verfahren (Dual Energy)

Mit Mehrfachenergieverfahren ("dual-energy") lassen sich radiographisch Materialunterschiede feststellen. Im Prinzip werden dabei zwei oder mehr Aufnahmen von Probekörpern mit unterschiedlichen Strahlungsenergien bei unveränderter Geometrie durchgeführt [21], [22].

Praktisch kann dies mit und ohne Aufhärtung der Röntgenstrahlung mit hohen Anteilen weicher Strahlung (geringe Energien z.B. Röhre mit Be-Fenster) erreicht werden, in diesem Fall mit einem 5mm-Al-Filter. Eine nachfolgende Division der beiden Bilder ermöglicht Materialunterschiede farblich kodiert darzustellen. Diese Farben können dann mit der ursprünglichen Intensität der Radiographie überlagert werden. In dem in Abbildung 16 gezeigten Beispiel ist eine Fremdsubstanz farblich herausgehoben, die spektroskopisch weiter untersucht wurde.


Abb 15: Durchstrahlung mit Röhre XR200 (150 kV) der Firma Golden Engineering mit Berylliumfenster: links in Negativdarstellung, rechts mit Dual Energy, rot: Verunreinigung im Riss durch Fremdstoffe

8. Laser-Induzierte Breakdown Spektroskopie (LIBS)

Um mehr Information über die Verunreinigung im Riss durch Fremdstoffe (Abbildung 16) zu bekommen wurden genauere Untersuchungen mit Laser-Induzierte Breakdown Spektroskopie (LIBS) durchgeführt. LIBS ist ein Verfahren zur Bestimmung der Elementzusammensetzung. Bei der Methode wird ein energiereicher Laserstrahl auf die Probenoberfläche fokussiert, so dass dort eine geringe Materialmenge (einige µg) verdampft wird und ein Plasma entsteht. Die emittierte Fluoreszenzstrahlung wird mittels Lichtleiter auf ein Spektrometer abgebildet. An Hand ihrer Spektrallinien lassen sich verschiedene Elemente nachweisen [23] und deren Mengenverhältnisse ermitteln. Bei den Messungen konnte eindeutig geklärt werden, dass es sich bei der weißen Verunreinigung nicht um Holz und auch nicht um Zement oder eine Farbe mit Titanweiß handelt (Tabelle 1).


Tabelle 1: Ergebnisse der Untersuchungen mit LIBS am Holz, im Spalt und als Vergleich mit Zement.

9. Zusammenfassung und Ausblick

Es ist möglich, mit mobiler Radiographie und niedrig dosierter Röntgenstrahlung Schadstellen und Fäulnis in trockenen Holzbalken und trockenen Baumstämmen darzustellen. So können diese Schäden zerstörungsfrei nachgewiesen werden und die Schadensbeurteilung ist dokumentierbar. Durch den Einsatz von Blitzröhren wird eine hohe Mobilität gewährleistet. Der Einsatz digitaler Detektoren und PC-basierter Bildverarbeitung ermöglicht auch eine schnelle Auswertung vor Ort.

9.1. Danksagung

Die Optimierung und Durchführung der Versuche erfolgte an der Fachgruppen VIII.3 der BAM. Besonderen Dank für die weiteren Anregungen und praktischen Hinweise von Herrn H. Heidt. Des weiteren möchte ich mich für das Tomographiebild von Herrn Goebbels (BAM I.4901) und die LIBS- Untersuchungen (BAM IV.4) von Herrn G. Wilsch, Herrn D. Schaurich und Frau Weritz bedanken.

Literatur

  1. Kothe, E.: Auswirkung von Holzschäden durch Pilze und Insekten auf die Standsicherheit von Holzbauwerken - eine Bestandsaufnahme. Bautechnik 75 (1998), H 8, S. 552-558
  2. Görlacher, R., Hättrich, R.: Die Bohrwiderstandsmessung. Bauen mit Holz (1990), H. 6, S. 455-459
  3. Bundesanstalt für Materialforschung: ZfPBau-Kompendium. http://www.bam.de /zfpbau-kompendium.htm (2004).
  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. Hasenstab, A., Rieck, C., Hillemeier, B., Krause, M.: Hohlstellenortung in Holzbalken mit dem Ultraschallverfahren. Deutsche Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfung, DGZfP-Jahrestagung 06.-08. Mai 2002 in Weimar, DGZfP-Berichtsband auf CD: Plakat 32, Berlin (2002)
  7. Hasenstab, A., Rieck, C., Hillemeier, B., Krause, M.: Use of low frequency Ultrasound Echo Technique to Determine Cavities in Wooden Constructions. DGZfP (Ed.); International Symposium Non-Destructive Testing in Civil Engineering (NDT-CE) in Berlin, Germany, September 16-19, 2003, Proceedings on BB 85-CD, P51, Berlin (2003)
  8. Hasenstab, A., Krause, M.: Ultraschallechoverfahren an Holz. Cziesielski, E. (Hrsg.); Bauphysik-Kalender 2004, Berlin: Ernst und Sohn (2004) Kap. C1, 2 Strukturaufklärung, Abschn. 2.5, S. 352-358
  9. Hasenstab, A., Krause, M., Rieck, C., Hillemeier, B.: Materialuntersuchung an Holz mit niederfrequenter Ultraschall-Echotechnik DGZfP-Jahrestagung 17.-19. Mai 2004 in Salzburg, DGZfP-Berichtsband auf CD: Vortrag 87, Berlin (2004)
  10. Eckstein, D., Saß, U.: Bohrwiderstandsmessung an Laubbäumen und ihre holzanatomische Interpretation. Holz als Roh- und Werkstoff Jh. 52 (1994), S. 279 - 286
  11. Erler, K.: Alte Holzbauwerke beurteilen und Sanieren. Berlin: Verlag für Bauwesen Berlin, München, (1993)
  12. Combe, J: Bestimmung der Holzqualität mit Ultraschall. AFZ/Der Wald, Band 52 (1997) Heft 3, S. 135-137
  13. Heidger, C. www.art-ray.com
  14. Illerhaus, B.: Fortschritte in der Computertomographie. Restauro, Heft 5 (1995)
  15. Piening, H. Bayerische Verwaltung der staatlichen Schlösser, Gärten und Seen
  16. GreCon, Rohdichtemessung mit Stenbograph Firmenseite: www.grecon.de
  17. Habermehl, A., Ridder, H.-W.: Methodek der Computer-Tomographie zur zerstörungsfreien Untersuchung des Holzkörpers von stehenden Bäumen. Holz als Roh- und Werkstoff 50 (1992), S. 465-474
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  19. Osterloh, K., Zscherpel, U, Ewert, U, Weiss, P: Einsatzmöglichkeiten mobiler Röntgenblitzröhren, DGZfP-Jahrestagung, 26.-28. Mai 2003 in Mainz DGZfP-Berichtsband auf CD: Plakat 8, Berlin (2003)
  20. DGZfP, Ausbildung DR Digitale Radioskopie
  21. J.F. Aloia, R. Ma, A. Vaswani, M. Feuerman (1999): Total-Body Calcium Estimated by Delayed Gamma Neutron Activation Analysis and Dual-Energy X-ray Absorptiometry, Osteoporos Int. 10, 510 - 515.
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