DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Materialuntersuchung an Holz mit niederfrequenter Ultraschall-Echotechnik

A. Hasenstab, M. Krause, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin
C. Rieck, B. Hillemeier, Technische Universität Berlin (TUB)
ZfP an Holzbauteilen, Fehlstellen, Minderdicken, Ultraschallecho-Experimente an Probekörpern, Ultraschall-Echo, Fäulnis, Bauwesen
Kontakt: Dipl.-Ing. Andreas Hasenstab

1. Kurzfassung

Die Anwendung niederfrequenter Ultraschall-Echotechnik mit Longitudinal- und Transversalwellen für die Materialuntersuchung von Holzbauteilen wird beschrieben. Weiterhin wird der Einfluss der Holzfasern auf die Schallgeschwindigkeiten und Oberflächenwellen an Hand von Messergebnissen aufgezeigt. Die Leistungsfähigkeit des Ultraschall-Echoverfahrens an ungeschädigten Holzkörpern und Körpern mit eingebrachten Bohrungen in Faserrichtung (Kernfäulnissimulation) wird dargestellt. Es ist zudem möglich, bei koppelmittelfreier Ankopplung mit Transversalwellen indirekt Fäulnis von der ungeschädigten Bauteilseite aus zu orten. Als Referenzverfahren werden die Bohrwiderstandsmethode oder die Röntgendurchstrahlung eingesetzt.

2. Einleitung und Problemstellung

Die niederfrequente Ultraschall-Echotechnik wird seit Jahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Betonbauteilen erfolgreich angewendet. Im Rahmen der Prüfungen an Beton ist es möglich, Spannglieder, Rückwände, Materialinhomgenitäten und Hohlstellen zu orten [2], [3], [4].
Auch in Holz gibt es Fehlstellen und Materialinhomogenitäten, welche oft von außen sehr schwierig erkannt werden können und häufig durch Fäulnis (Kernfäule) verursacht werden. Diese Schäden (Abbildung 1) können zu plötzlichem Systemversagen führen und stellen für die Tragwerksfähigkeit von Bauwerken ein großes Problem dar [5].


Abb 1: Holzbalken mit Kernfäulnis und Ergebnis einer Bohrwiderstandsmessung,[1].

3. Stand der Technik der Prüfverfahren für Holz

Die Problematik der Ortung von Kernfäulnis wird zerstörungsarm vor allem mit der Bohrwiderstandsmethode (Abbildung 1) und Bohrkernentnahme gelöst. Bei den Ergebnissen handelt sich um Punktmessungen, welche bei der Interpretation viel Erfahrung erfordern. Selten wird auch der Auszieh- oder Eindringwiderstand mit der Ausziehwiderstandsmessung oder Penetrationsanalyse untersucht.
Zerstörungsfrei wird neben der visuellen Prüfung auch der Belastungsversuch, die Durchstrahlungstechnik und Ultraschalltechnik verwendet [4], [6], [7], [8], [9], [10]. Bei der Ultraschall-Durchschallungstechnik (Abbildung 2) und der Durchstrahlungstechnik ist eine beidseitige Zugänglichkeit des Bauteils erforderlich. Ultraschall-Durchschallung erfordert zudem eine beidseitige direkte Ankopplung am Bauteil, was die Anwendbarkeit des Verfahrens stark begrenzt.
Für Untersuchungen mit der Ultraschall-Echotechnik (Abbildung 3) muss nur eine Bauteilseite zugänglich sein.

Abb 2: Prinzip der Ultraschall-Durchschallung, Auswertung der Schalllaufzeiten. Abb 3: Prinzip bei Ultraschall-Echotechnik mit Ankopplung der Longitudinalwellenprüfköpfe mit Verbindungslinie zwischen den Prüfköpfen senkrecht zur Faser.

Erste erfolgreiche Ergebnisse mit Ultraschall-Echo an Holz [7] werden nun im Rahmen einer Promotion an der BAM verbessert und an fäulnisgeschädigten Probekörpern weiterentwickelt.

4. Methodik

Abb 4: Radial- und Tangentialschnitt einer vierjährigen Kiefer [11].

Das Ultraschall-Echoverfahren beruht auf der Reflexion der Schallwellen an Werkstoffinhomogenitäten wie der Bauteilrückwand oder an anderen Grenzflächen. Aus den empfangenen Signalen kann indirekt eine Aussage über den Bauteilzustand oder innere Schäden getroffen werden, wobei die relativen Messergebnisse mittels einer Kalibrierung durch bekannte Bauteilabmessung oder Bohrwiderstand in Absolutwerte umgerechnet werden können.
Die geringe Dichte von Holz (rKiefer>>rBeton>>rStahl) wird durch eine hohe Lufteinschlussdichte verursacht, was leistungsstarke, niederfrequente Prüfköpfe (50-200 kHz) erforderlich macht.
Eine niedrige Frequenz ergibt eine geringe Dämpfung des Signals, hat aber eine große Wellenlänge zur Folge, was mit einer größeren Mindestgröße des noch detektierbaren Fehlers einher geht.
Auch durch seinen Aufbau (Abbildung 4) unterscheidet sich Holz von anderen Baustoffen. Dies äußert sich besonders durch die unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten in die verschiedenen anatomischen Richtungen. So kommt es zu einer Zunahme der Schallgeschwindigkeit von tangentialer über radialer zu axialer Schalllaufrichtung (Abbildung 5). Was dies für die Anwendung am Bauteil praktisch bedeutet, verdeutlicht Abbildung 6. Darum sollte die Messung mit gleicher Position zur Faser durchgeführt werden.


Abb 5: Eigene Ergebnisse zeigen unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten bei Kiefernholz in Abhängigkeit des Schallwegs zur Faserrichtung [12].

Abb 6: Unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten bei Transmissionsmessungen in Abhängigkeit des Schallwegs relativ zur Faser.

Der Versuchsaufbau (Abbildung 7) setzt sich aus Funktionsgenerator zur Signalerzeugung, Sende- und Empfangsverstärker, Prüfkopfeinheit und PC mit Messwerterfassungskarte (Analog-Digital-Umsetzerkarte) zusammen. Je nach Messung wurden sowohl Longitudinal- als auch Transversalwellen verwendet. Die Prüfköpfe wurden mit einem programmierten RC2-Impuls unterschiedlicher Mittenfrequenz angeregt.
Die Longitudinalwellen (auch Druck- oder P-Wellen) -Prüfköpfe der Firma Krautkrämer (Abbildung 3) werden mit 100 kHz angeregt und mit Vaseline, Ultraschall-Gel oder elastischem Gel angekoppelt. Bei einer Messung senkrecht zur Faser mit v = 1,8 km/s ergibt sich mit λ = c/f eine Wellenlänge von 1,8 cm. Damit können Schäden kleiner 1 cm Durchmesser in der Regel nicht detektiert werden.


Abb 7: Versuchsaufbau mit Geräten und hier mit Transversalwellen-Sende-Empfangseinheit A1220 der Firma Spectrum. Kiefer [11].

Zum Anregen der Transversalwellen wird eine Sende-Empfangseinheit bestehend aus 12 Punktkontakt-Prüfköpfen als Sender und 12 Prüfköpfen als Empfänger verwendet (Abbildung 8). Dieser Prüfkopf hat den Vorteil, dass kein Koppelmittel erforderlich ist und somit eine schnellere Messung ohne Verunreinigung der Messfläche durch Koppelmittel möglich ist. Der Prüfkopf wird mit 55 kHz angeregt, was bei einer Messrichtung senkrecht zur Faser mit v = 1,4 km/s und λ = c/f eine Wellenlänge von 2,5 cm ergibt.


Abb 8: Transversalwellenprüfkopf mit einem Array von Punktkontaktprüfköpfen zum Betrieb ohne Koppelmittel, roter Pfeil entspricht Polarisation der Transversalwellen

5. Ergebnisse

Mit der in Abbildung 7 beschriebenen Apparatur ist es möglich, klare Rückwandechos zu erzeugen. Bei den Messungen wird folgend in Untersuchungen mit Longitudinal- oder Transversalwellen unterschieden.

Ultraschall-Echo mit Longitudinalwellen

In Abbildung 9 ist ein A-Bild, in Abbildung 11 ein B-Bild von Messungen an einem 9,5 cm dicken Kiefernholzkörper mit Longitudinalwellen dargestellt.


Abb 9: A-Bild eines Ultraschall-Echosignals mit Longitudinalwellen bei einer Prüfkopfanordnung nach Abbildung 3.

Abb 10: A-Bild eines Ultraschall-Echosignals mit Longitudinalwellen einer Prüfkopfanordnung wie in Abbildung 14, scheinbares Echo mit kürzerer Laufzeit entspricht Oberflächenwelle.

Abb 11: B-Bild der Rückwand eines ungeschädigten Kiefernprobekörpers mit Longitudinalwellen, Messpunktabstand 2 cm.

Nach den erfolgreichen Messungen wurden in die ungeschädigten Probekörper Bohrungen in Faserrichtung eingebracht, um innere verdeckte Schäden zu simulieren [13], [14]. Abbildung 12 zeigt die Stirnansicht eines Probekörpers mit Bohrungen. In Abbildung 13 ist die Draufsicht des Körpers mit der Lage der eingebrachten Bohrungen dargestellt.


Abb 12: Stirnansicht von einem Kiefernholzkörper (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.

Abb 13: Schematische Draufsicht eines Kiefernholzkörpers mit Verlauf der Messlinien 1-5 und eingebrachten Schäden (Bohrlöcher).

Abb 14: Anordnung der Longitudinalwellenprüfköpfe mit Verbindungslinie zwischen den Prüfköpfen parallel zur Faser.

Eine Messung entlang Messlinie 5, parallel zur Stirnseite, ergab das B-Bild in Abbildung 15 mit klaren Echos an der Rückwand und den Bohrungen. Somit können Bohrungen in Faserrichtung wie auch Minderdicken dargestellt werden und nach einer Kalibrierung auf die Bauteilrückwand in der Lage bestimmt werden. Wie in der Ultraschalltechnik üblich, kann der Bereich "hinter" einem großen Reflektor durch dessen Abschattung nicht mehr untersucht werden.


Abb 15: Messung entlang Messlinie 5, Echo an Rückwand und eingebrachten Hohlstellen mit Longitudinalwellen, reale Bauteilabmessung und Fehlerlage gestrichelt eingezeichnet, Messpunkt-Abstand 1 cm.

Die Messungen entlang Messlinie 1 sind als B-Bild in Abbildung 16 und Abbildung 17 dargestellt - wobei die Prüfkopfankopplung relativ zur Faser beachtet werden muss. Die Oberflächenwellen werden angeregt, weil die Ultraschallwellenlänge ähnlich dem Prüfkopfdurchmesser ist. Bei getrenntem Sende- und Empfangskopf überlagern sich diese Signale mit den Echos im oberflächennahen Bereich.


Abb 16: B-Bild von Probekörper P2 mit Longitudinalwellen und Prüfkopfanordnung parallel zur Faser. Rot eingezeichnet die erwartete Echolaufzeit für die Schadstelle, Messpunktabstand 2 cm.

Abb 17: B-Bild von Probekörper P2 mit Longitudinalwellen und Prüfkopfanordnung senkrecht zur Faser. Rot eingezeichnet die erwartete Echolaufzeit für die Schadstelle, Messpunktabstand 2 cm.

An Holz wird die Oberflächenwelle bei einer Prüfkopfanordnung mit der Verbindungslinie zwischen den Prüfköpfen parallel zur Faser (Abbildung 14) gut weitergeleitet. Im A-Bild (Abbildung 10) ist neben dem Rückwandecho ein weiteres Signal mit kurzer Laufzeit, dem Oberflächenwellensignal zu erkennen. Eindeutig ist sie im B-Bild (Abbildung 17) zu sehen. Bei einer Prüfkopfanordnung mit der Verbindungslinie zwischen den Prüfköpfen senkrecht zur Faser wie in Abbildung 3 wird die Oberflächenwelle an den vielen Wechseln von Früh- zu Spätholz stark gedämpft und somit ausgelöscht. Dies ist klar im A-Bild in Abbildung 9 und im B-Bild in Abbildung 16 zu sehen. Auch bei den Messungen an einer Messlinie parallel zur Faser konnten die Fehlstellen und die Rückwand klar detektiert werden.

Ultraschall-Echo mit Transversalwellen

Mit den eingangs beschriebenen Punktkontaktprüfköpfen (Abbildung 8) und einer Ankoppelung ohne Koppelmittel wurden Transversalwellen in das Bauteil eingeleitet. In Abbildung 18 ist ein B-Bild eines ungeschädigten Probekörpers zu sehen, bei dem sowohl das Rückwandecho in einer Tiefe von 20 cm als auch ein Vielfachecho zu sehen sind.

Abb 18: B-Bild einer Transversalwellenmessung an einem ungeschädigten Probekörper mit ungestörtem Rückwandecho und Vielfachecho.

Messung an einem anderen Probekörper ergaben ein Bild (Abbildung 19) mit zwei Vielfachechos, zur Verdeutlichung ist in Abbildung 20 ein zugehöriges A-Bild dargestellt.

Abb 19 &20: B-Bild einer Transversalwellenmessung an einem ungeschädigten Probekörper (Bauteildicke: 9,5 cm) mit ungestörtem Rückwandecho und zwei Vielfachechos, gestrichelte Linie entspricht der Position des A-Bildes (Abbildung 20).
A-Bild einer Transversalwellenmessung mit Echo und zwei Vielfachechos.

Eine Messung entlang einer ungeschädigten Oberfläche mit einem Riss und einer einseitigen Fäulnisschädigung von der Rückseite ergab das B-Bild Abbildung 21.

Abb 21: B-Bild einer Transversalwellenmessung an einem geschädigten Probekörper von ungeschädigter Seite aus, Rückwandecho und Vielfachecho im ungeschädigten Bereich, Fehlen des Rückwandsignals im Schadbereich, Oberflächenwellen und Fehlen der Oberflächenwellen durch Oberflächenriss.

Ein Riss senkrecht zur Messrichtung stellt sich durch das Fehlen der Oberflächenwellen dar, ein fehlendes Rückwandecho kann zur indirekten Fehlerdetektion verwendet werden. In diesem Fall handelt es sich um einen Fäulnisschaden.

In Abbildung 22 ist ein B-Bild einer Messung an einem scheinbar ungeschädigten Probekörper dargestellt, in dem ein Bereich ohne Rückwandecho auffällt. Die Ursache hierfür lässt sich durch weitere Untersuchungen aus einer Kooperation mit der Röntgenabteilung (BAM VIII.3) belegen: Bei dem Bereich ohne Rückwandecho handelt es sich nicht um eine Schadstelle, sondern um einen Ast. Mit dem Röntgenverfahren können also zerstörungsfrei die Ergebnisse der Ultraschallmessung verifiziert werden [15] .

Abb 22: B-Bild einer Messung entlang eines ungeschädigten Probekörpers mit Bereich ohne Rückwandecho, die Ursache hierfür, der Ast, kann den Röntgenbildern (unten) entnommen werden.

Zusammenfassung und Ausblick

Es ist möglich, Niederfrequenz-Ultraschall in Echotechnik sowohl mit Longitudinal als auch mit Transversalwellen an Holz erfolgreich anzuwenden. Dabei gelingt es, Störstellen von einer Bauteilseite aus zu lokalisieren. Bisher wurden erfolgreich künstliche Fehlstellen detektiert. Auch wurden Fehler an Bauteilen aus geschädigten Bauwerken geortet. Dieses Prüfkonzept wird derzeit an praktischen Problemstellungen angewendet.
Mit einer Kombination der beschriebenen Verfahren kann ein Schaden rationell untersucht werden: Das Ultraschall-Echoverfahren dient zur Untersuchung großer Bereiche. Damit können unter bestimmten Bedingungen, wie zugängliche, rissarme, ungeschädigte Oberfläche, schnell Areale mit Auffälligkeiten bestimmt werden. Diese Bereiche werden dann mit dem Röntgenverfahren genau in ihrer Ausdehnung untersucht. Mit der Bohrwiderstandsmethode kann anschließend an vereinzelten Messpunkten mit einer Bohrung die Tiefenlage und die Art des Defekts bestimmt werden.
Der Gegenstand der derzeitigen Arbeit sind weitere Messungen an durch Fäulnis geschädigten Bauteilen wie Spielplatzgeräten, Fachwerken und Balken.
Dabei werden die Einflüsse auf den Ultraschall in Holz wie Risse, Dämpfung, Oberflächenbeschaffenheit und allmählicher Dichteunterschied bei Pilzbefall beachtet/untersucht. Die wichtigsten Messungen werden mit der Röntgendurchstrahlung als zerstörungsfreies Referenzverfahren verifiziert.

6. 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, Herrn B. Milmann, Herrn M. Grinda und Herrn K. Osterloh.

7. Literatur

  1. Görlacher, R., Hättrich, R.: Die Bohrwiderstandsmessung. Bauen mit Holz (1990), H. 6, S. 455-459 ]
  2. Krause, M., Mielentz, F., Milmann, B., Wiggenhauser, H., Müller, W.: Spannkanaluntersuchung mit bildgebenden Ultraschallecho-Verfahren. DGZfP (Hrsg.); Fachtagung Bauwerksdiagnose - Praktische Anwendungen Zerstörungsfreier Prüfungen, 21.-22. Januar 1999 in München, DGZfPBerichtsband 66-CD (1999) Poster 2
  3. Krause, M., Mielentz, M., Milmann, B., Wiggenhauser, H., Müller, W., Schmitz, V.: Ultrasonic image of concrete members using an array system. NDT & E International 34 (6) (2001) pp. 403-408
  4. Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM): ZfPBauKompendium. http://www.bam.de/zfpbau-kompendium.htm (2004)
  5. Kothe, E.: Auswirkung von Holzschäden durch Pilze und Insekten auf die Standsicherheit von Holzbauwerken - eine Bestandsaufnahme. Bautechnik 75 (1998), H 8, S. 552-558
  6. Wenzel, F., Kleinmanns, J.: Sonderforschungsbereich 315, Historische Holztragwerke, Untersuchungen, Berechnungen und Instandsetzen. Universität Karlsruhe (1999)
  7. Hasenstab, A.: Die Hohlstellenortung bei Holzbauteilen mit dem Ultraschallverfahren, Diplomarbeit an der Technischen Universität Berlin, unveröffentlicht (2002)
  8. Hasenstab, A., Rieck, C., Hillemeier, B., Krause, M.: Hohlstellenortung in Holzbalken mit dem Ultraschallverfahren. DGZfP-Jahrestagung 06.-08. Mai 2002 in Weimar, DGZfP-Berichtsband auf CD: Plakat 32, Berlin (2002)
  9. 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)
  10. 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
  11. Kollmann, F., Technologie des Holzes und der Holzwerkstoffe, 2. Auflage, Berlin: Springer Verlag (1951)
  12. 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
  13. Erler, K.: Alte Holzbauwerke beurteilen und Sanieren. Berlin: Verlag für Bauwesen Berlin, München (1993)
  14. Panzer T., Sachkundiger für bekämpfenden Holzschutz. Persönliche Mitteilung, (2001)
  15. Hasenstab, A., Osterloh, K., Robbel, J., Krause, M., Ewert, U., Hillemeier, B.:Mobile Röntgenblitzröhre zum Auffinden von Holzschäden, DGZfP-Jahrestagung 17.-19. Mai 2004 in Salzburg, DGZfP-Berichtsband auf CD: Plakat 15, Berlin (2004)

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