DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Kombinierter Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren zur Bauzustands-analyse antiker Baudenkmäler im Pergamonmuseum Berlin

B. Redmer, F. Weise, U. Ewert, BAM Berlin
G. Patitz, Ingenieurbüro für Bauwerksdiagnostik, Schadensgutachten, Tragwerksplanung (IGP), Karlsruhe
Kontakt: Dipl.-Ing. Bernhard Redmer

Einleitung

Die zerstörungsfreie Prüfung hat insbesondere bei der Bauzustands- und Schadensanalyse in der Denkmalpflege eine große Bedeutung. So gestattet der kombinierte Einsatz verschiedenartiger sich ergänzender zerstörungsfreier Prüfverfahren eine umfassende Erfassung des strukturellen Aufbaus und des Feuchtezustandes von Baudenkmälern.

Im vorliegenden Beitrag sollen die Möglichkeiten der zerstörungsfreien Prüfung an Hand der Strukturaufklärung ausgewählter antiker Kulturgüter des Pergamonmuseums aufgezeigt werden. Den Schwerpunkt bildet dabei das Säulenjoch der Heiligen Halle am Markt von Priene. Hier galt es, aufgrund fehlender Bestandsunterlagen im Rahmen einer Bauzustandsanalyse einerseits den konstruktiven Anschluss der Betonergänzung an das Originalteil im Bereich der Architraven zu verifizieren und andererseits die rückwärtige Verankerung von Triglyphenfries, Zahnschnitt und Geison zu ermitteln.

Als besonders effizient erwies sich bei der Untersuchung des Architraven die kombinierte Anwendung von Radar und Radiografie. So wurde zunächst die globale Einordnung der metallischen Einbauteile großflächig mit dem Radar-Verfahren ermittelt. Die weitergehenden detailierten Untersuchungen mit Radiografie unmittelbar im Übergangsbereich zwischen Original- und Steinersatzbereich zeigten u. a., dass hier einerseits ein von außen nicht sichtbarer klaffender Spalt im Materialwechselbereich vorhanden ist, sowie andererseits die aus dem Marmor auskrakenden Dübel in diesem Spalt nach oben geführt sind und somit keine statische Funktion ausüben. Bei den radiografischen Untersuchungen wurde der Einsatz neuartiger digitaler Speicherfolien erfolgreich erprobt. Die Bestimmung der genauen Einbaulage und Größe der metallischen Einbauteile erfolgte mit tomografischen Verfahren.

Neben den Untersuchungen des Architraven konnte zusätzlich mit Videoskopie die Art und Position der Stahlprofile zur rückwärtigen Verankerung bereits vorstehend genannter Bauteile ermittelt werden.

Die Kombination verschiedenartiger, zerstörungfreier Prüfverfahren erwies sich bei der Untersuchung der antiken Bauwerke als sehr effektiv. So konnten wertvolle Informationen über die innere Struktur im Bauwerk gewonnen und dem Statiker für weitere Berechnungen zur Vefügung gestellt werden.

1. Problem- und Zielstellung


Bild 1: Ansicht des Säulenjochs der Heiligen Halle am Markt von Priene

Hauptgegenstand der Untersuchungen am Säulenjoch der Heiligen Halle am Markt von Priene (Bild 1) war das zum großen Teil aus bewehrtem Steinersatzmaterial bestehende Gebälk. So ist beispielsweise im Bereich des Architraven nur ein größerer Marmorblock als originale Bausubstanz integriert. Zu seiner konstruktiven Einbindung in das Steinersatzmaterial lagen bisher keine Kenntnisse vor. Auch die konstruktive Ausbildung der rückwärtigen Verankerung der aus Fertigteilen bestehenden stark auskragenden Sima an der dahinter befindlichen Wand war unklar. Da beide Angaben für die statische Nachweisführung notwendig sind, galt es, folgende Untersuchungsaufgaben mit der zerstörungsfreien Prüftechnik zu lösen:

  • Ermittlung der Art der rückwärtigen Verankerung der stark auskragenden Sima
  • Verifizierung der Art des konstruktiven Anschlusses der Steinergänzung an das aus Marmor bestehende Originalteil im Bereich des Architraven.

2. Untersuchungskonzept

Zur Lösung der Untersuchungsaufgaben wurden die im Bild 2 dargestellten zerstörungsfreien Prüfverfahren herangezogen.


Bild 2: Untersuchungskonzept

2.1. Radar-Verfahren

Das für beide Untersuchungsaufgaben eingesetzte Radar-Verfahren ermöglichte zunächst eine schnelle großflächige Durchmusterung der Bauteile zur Vorsondierung von metallischen Einbauteilen im Gebälk. Das Messprinzip basiert auf der Reflexion kurzer elektromagnetischer Impulse an Materialgrenzschichten mit stark unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften wie dies insbesondere beim Übergang von Marmor bzw. Steinersatzmaterial zum Stahl hinreichend gegeben ist. Unter Berücksichtigung der Bauteildicke, der dreiseitigen Zugänglichkeit des Architraven, dem trockenen Zustand aller zu untersuchenden Bauteile und der geforderten hohen Ortsauflösung wurde 1,5 GHz-Antennenpaar (Sender und Empfänger) eingesetzt. Dieses wurde entlang eines Messrasters über die Bauteiloberfläche geführt, was die Aufnahme von Radargrammen entlang horizontal und vertikal verlaufender Messlinien ermöglichte (Bild 3a). In einem solchen Radargramm wird die Intensität der reflektierten Signale über den Verfahrweg des Antennenpaares und die Bauteiltiefe farbcodiert dargestellt (Bild 3b). Ein zylindrischer Reflektor (z. B. Rundstahl) wird aufgrund des Öffnungswinkels der Antenne als hyperbolisch verlaufende Diffraktion im Radargramm abgebildet.

Bild 3: Messprinzip und praktischer Einsatz des Radarverfahrens in Reflexionsanordnung: a.) Vertikales Verfahren des 1,5 GHz-Antennenpaares; b.) Messanordnung und -ergebnis mit zylindrischem Reflektor in Anlehnung an [1]

Die Aussagefähigkeit der Radargramme kann bei Überlagerung vieler Reflexionen, bedingt durch die vielfältigen Inhomogenitäten im Bauteil (Hohlräume, Materialwechsel Marmor/Steinersatz, metallische Einbauteile), erheblich eingeschränkt werden. Erfahrungsgemäß können bei alleiniger Gefügeerkundung mit Radar mitunter keine eindeutigen und zweifelsfreien Aussagen getroffen werden [2]. Aufgrund dessen ist es empfehlenswert, die Aussagefähigkeit der Untersuchungen durch den Einsatz weiterer zerstörungsfreier Prüfverfahren zu verbessern.

2.2 . Videoskopie

Infolge der partiell vorhandenen Hohlräume hinter dem Tryglyphenfries, dem Zahnschnitt und Geison konnte bei der Sondierung der rückwärtigen Verankerung der auskragenden Sima die Videoskopie eingesetzt werden (Bild 4).


Bild 4: Detailzeichnung des Gebälks des Säulenjochs

Die Schaffung eines Zugangs zu den Hohlräumen durch kleine Bohrungen in die Stoltedielen war in diesem Zusammenhang vertretbar. Einen optischen Eindruck von den videoskopischen Untersuchungen vor Ort vermittelt Bild 5.

Bild 5: Praktische Durchführung der videoskopischen Untersuchungen zur Sondierung der Verankerung der auskragenden Sima

2.3. Radiografie

Bei der Sondierung des konstruktiven Anschlusses des originalen Marmorteils an das Steinersatzmaterial des Architraven konnte als Ergänzung zu der globalen Strukturaufklärung mit Radar die Radiografie in Mehrwinkeltechnik an ausgewählten Bereichen angewendet werden.
Die Radiografie basiert auf der Schwächung (Absorption) der ionisierenden Primärstrahlung durch Dichte- und Materialdickenunterschiede im Bauteil. Bei der Mehrwinkeltechnik werden mehrere radiografische Aufnahmen aus verschiedenen Einstrahlpositionen erstellt (Bild 6a). Die Rekonstruktion der Lage und Größe des Einbauteils kann durch eine grafische oder computergestützte Rückprojektionstechnik erfolgen [3]. Das rekonstruierte Bild ermöglicht die quantitative Vermessung der Tiefe und Durchmesser von metallischen Einbauteilen. Eine typische Aufnahmeanordnung zeigen die Bilder 6b und 6c.

Bild 6: Messprinzip und praktischer Einsatz der Stereoradiografie

Unter Berücksichtigung der zu durchstrahlenden Materialdicke wurde ein g-Strahler mit dem Radionuklid Co60 mit einer Aktivität von 35 Ci eingesetzt. Als Detektor dienten digitale Speicherfolien [4] mit einem Blei-Stahl-Zwischenfilter zur Reduzierung der kontrastmindernden Streustrahlung. Die Belichtungszeit ist vergleichbar mit einem FilmFluoreszensschirm-System und betrug in Abhängigkeit von der zu durchstrahlenden Wanddicke von 0,5 h bis zu 2,5 h.

3. Auswertung und Interpretation der Messergebnisse

3.1. Rückwärtige Verankerung der auskragenden Sima

Bild 7 zeigt exemplarisch ein beim Verfahren des Antennenpaares entlang einer vertikalen Messspur auf der Oberfläche des Seitenteils des Gebälks gewonnenes Radargramm. Die beiden oberen Diffraktionen werden durch horizontal verlaufende Zugeisen und die unteren durch horizontal verlaufende Bewehrungsstähle verursacht.

Bild 7: Ausgewählte Ergebnisse der Radar-Untersuchungen mit der 1,5 GHz-Antenne
Bild 8: Ergebnis der videoskopischen Untersuchungen

Eine genaue Verifizierung der Querschnittsform aller Zugeisen erlaubte die Videoskopie. Insgesamt wurden sowohl L-, U- als auch Rechteckprofile eingesetzt (Bild 8).

3.2. Konstruktiver Anschluss des originalen Marmorteils im Architraven

Bild 9 zeigt exemplarisch ein beim Verfahren des Antennenpaares entlang einer vertikalen Messspur auf der Oberfläche der Vorderseite des Gebälks gewonnenes Radargramm mit zwei unterschiedlich verlaufenden Diffraktionen. Die obere Diffraktion lässt auf einen großflächigen ebenen Reflektor (Rückwand der Friesplatte) und die untere auf einen geometrisch deutlich kleineren Reflektor (metallisches Einbauteil) schließen. Da sich die Radargramme der vertikalen Messlinien auf der Vorderseite des Gebälks mit Ausnahme des Randbereiches nur geringfügig voneinander unterscheiden, muss das metallische Einbauteil durchgehend im Architraven verlaufen. Das wird gleichfalls durch die auf der Unterseite des Architraven gewonnenen Radargramme bestätigt. Exemplarisch ist dies im Bild 10 zu sehen. Dort ist allerdings auch ersichtlich, dass im Übergangsbereich zwischen originalem Marmor und dem Steinersatzmaterial zwei metallische Dübel angeordnet sind. Ihre Lage, Form und Abmessungen können jedoch mit Radar nicht hinreichend genau ermittelt werden. Das Gleiche gilt für die Form und die Abmessungen des durchgehenden Metallprofils im Architraven. Aus dem Grunde waren zusätzliche gezielte Detailuntersuchungen mit Radiografie in ausgewählten Bereichen unerlässlich.

Bild 9: Ausgewähltes Ergebnis der Radar-Untersuchungen an der Vorderseite des Gebälks mit der 1,5 GHz-Antenne
Bild 10: Ausgewähltes Ergebnis der Radar-Untersuchungen an der Unterseite des Architraven mit der 1,5 GHz-Antenne

Die Ergebnisse der radiografischen Untersuchungen werden exemplarisch anhand der Bilder 11 und 12 beschrieben. In den gewonnenen Grauwertbildern weisen helle Bereiche eine hohe Dichte und/oder Bauteildicke auf, während sich bei den dunklen Bereichen der Sachverhalt umgekehrt darstellt.

Das bei externer Anordnung der Strahlenquelle außerhalb des Gebälks gewonnene Grauwertbild (Bild 11) zeigt, dass zwischen dem originalen Marmor und dem Steinersatzmaterial partiell ein klaffender Spalt vorhanden ist. Außerdem ist dort ein Teil des im Architraven durchlaufenden Metallprofils deutlich erkennbar. Weiterhin muss festgestellt werden, dass die Dübel offensichtlich nur im originalen Marmor und nicht im Steinersatzmaterial geführt werden. Das lässt den wichtigen Schluss zu, dass über die Dübel keine kraftschlüssige Verbindung zwischen Marmor und Steinersatzmaterial hergestellt wird.

Das bei interner Positionierung der Strahlenquelle im Gebälk gewonnene Grauwertbild (Bild 12) zeigt die genaue Führung der Dübel im Übergangsbereich zwischen Marmor und Steinersatzmaterial. Hier ist einerseits die Vermörtelung der Dübel im originalem Marmor und andererseits ihre Aufbiegung im Stoßbereich deutlich sichtbar. Weiterhin kann aus dem Grauwertbild unter Berücksichtigung der Geometrie der Messanordnung darauf geschlossen werden, dass das im Architraven durchlaufende Metallprofil einen TQuerschnitt aufweist.

Bild 11: Ergebnis der Radiografie bei ausgewählter Messstelle mit externer Positionierung der Strahlenquelle
Bild 12: Ergebnis der Radiografie bei ausgewählter Messstelle mit interner Positionierung der Strahlenquelle
Bild 13: Rekonstruierte Lage aller metallischen Einbauteile im Architraven als Resümee des kombinierten Einsatzes zerstörungsfreier Prüfverfahren

Die genaue räumliche Einordnung aller zerstörungsfrei ermittelten Einbauteile im Architraven zuzüglich ihrer Form und Abmessung ist im Bild 13 zusammenfassend dargestellt.

4. Zusammenfassende Betrachtungen

Durch den kombinierten Einsatz verschiedenartiger zerstörungsfreier Prüfverfahren konnte sowohl die Art der rückwärtigen Verankerung der auskragenden Sima als auch die konstruktive Ausbildung des Anschlusses zwischen Marmor und Steinersatzmaterial im Bereich des Architraven detailliert ermittelt werden. Dabei hat sich nachstehende methodische Herangehensweise in der Praxis bewehrt:
1. Großflächige Vorsondierung mit Radar
2. Gezielte Detailuntersuchung in Abhängigkeit vom Prüfproblem mit

  • Videoskopie (Art der Verankerung der auskragenden Sima)
  • Radiografie (konstruktiver Anschluss Marmor/Steinersatz im Architraven)
Dem Statiker konnten folgende wertvolle Informationen für die statische Nachweisführung gegeben werden:
  • Art und Lage der Stahlprofile zur rückwärtigen Verankerung der Sima
  • Gewährleistung der Standsicherheit des Architraven primär durch durchlaufenden T-Träger (Abmessungen ermittelt)
  • Keine kraftschlüssige Verbindung zwischen originalem Marmor und Steinersatzmaterial über aufgebogene Dübel im Architraven möglich
  • Partiell Luftspalt im Übergangsbereich zwischen Marmor und Steinersatz im Architraven

5. Danksagung

Wir danken der ARGE Pfanner des Pergamonmuseums für die interessante Aufgabenstellung und dem Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung für die finanzielle Unterstützung des Vorhabens. Weiterhin bedanken wir uns bei den Kollegen der Fachgruppen "Zerstörungsfreie Prüfung und Charakterisierung; radiologische Verfahren" und "Baustoffe" der BAM für die geleistete Arbeit und die hohe Einsatzbereitschaft bei den nächtlichen Messeinsätzen.

6. Literatur

  1. D. J. Daniels: Surface - Pentrating Radar; Institution of Electrical Engineers, London, 1996
  2. Merkblatt über das Radarverfahren zur zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen (B 10), Berlin: Deutsche Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfung (DGZfP), 2001
  3. B. Redmer, A. Likhatchev, F. Weise, U. Ewert: Location of Reinforcement in Structures by Different Methods of Gamma-Radiography; in Non-Destructive Testing in Civil Engineering (NDT-CE), September 16-19, 2003, Berlin: Deutsche Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfung (DGZfP), BB 85-CD
  4. U. Ewert, J. Stade, U. Zscherpel, K. Kaling: Luminescene imaging plates in industrial radiography - first experience and comparison to the film; Trends in NDE Science & Technology, Proceedings of the 14th World Conference on Non-Destructive Testing, New Delhi, 8-13 December 1996.Vol. 3, pp.1347 - 1350

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