Struktur- und Feuchteuntersuchungen an historischem ... · Elektronik RADAR: Radio Detection and Ranging Ortung von Objekten, die sich in ihren elektromagnetischen Eigenschaften von

Ch. Maierhofer Bauwerksdiagnose – Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen

StrukturStruktur-- und und Feuchteuntersuchungen an Feuchteuntersuchungen an historischem Mauerwerk mithistorischem Mauerwerk mit

ImpulsImpuls--RadarRadar

Grundlagen

Strukturuntersuchungen

Feuchteuntersuchungen

Informationen

SS 2006


Elektromagnetische Wellen


Was ist eine Antenne?

• Eine Antenne ist ein offener Schwingkreis.


Hertzscher Dipol


Elektromagentische Wellen


Prinzip des Impulsradars

Computer-Einheit

Sende- undEmpfänger-Selektor

Taktgeber(intern oderMeßrad)

Impuls-Generator

Meßkopf

Empfänger-Elektronik

RADAR: Radio Detectionand RangingOrtung von Objekten, die sich in ihren elektromagnetischen Eigenschaften von denen des Ausbreitungsmediums unterscheiden

Frequenzbereich: 500 MHz bis 7 GHz


Radarmessungen an einem Probekörper


Reflexionen an Grenzflächen

Reflexion an derVorderseite mitPhasensprung

Reflexion an derGrenzfläche mitPhasensprung

Reflexion an derRückseite ohnePhasensprung

IntensitätSende-antenne εLuft

Empfangs-antenne

εa

εb

εLuft < εa < εb

Zeit

A-Scan


Hochfrequenzdipolantenne mit direkterAnkopplung an das Bauteil


Luftgekoppelte Hochfrequenzhornantennen


Elektrischer Impuls des Pulsgenerators

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8AVTECH Pulse

Am

plitu

de in

V

Zeit in ps


Elektromagnetischer Impuls der 1,5 GHz Antenne nachTransmission durch Beton

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-1,25

-1,00

-0,75

-0,50

-0,25

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

1,25

Am

plitu

de in

w. E

.

Zeit in ns


3D-Darstellung von Radarmessdaten


Reflexionen an Bewehrungsstäben

Bewehrungsstahl

Radargramm mit Hyperbel

Zeit

PositionVerschiedene

Antennenpositionen

S E

2D-Darstellung

Radargramme


3D-Darstellung

Ch. KohlBAM

Kombination von Radar- und Ultraschalldatensätzen

6/8


3D-Darstellung


Frequenzspektrum der 900 MHz Antenne


Vergleich der Frequenzspektren verschiedenerAntennen nach Transmission durch Beton

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,50,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0Normalisierte Frequenzspektren

1.0 GHz Antenne (c.f. = 0.6 GHz)1.5 GHz Antenne (c.f. = 1.1 GHz)HF Antenne (c.f. = 1.5 GHz)

Nor

mal

isie

rte

Am

plitu

de

Frequenz in GHz


Experimenteller Aufbau zur Antennencharakterisierung

• Transmissions-messungen durcheine Betonhalbkugelbei verschiedenenWinkeln

• SinusartigerSpeiseimpuls miteiner Dauer von t = 400 ps

• Digitalisierung mitHilfe einesSampling-oszilloskops


Vergleich der Abstrahlungscharakteristika in Beton

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0

20

40

60

80100

120

140

160

180

Aperture Angle: 40°

H-planeRadiation Pattern 1.5 GHz-Antenna

Min. Amplitude Max. Amplitude Integral of abs. value Integral of Intensity 1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0

20

40

60

80100

120

140

160

180


E-planeRadiation Pattern 1.5 GHz-Antenna

Min. Amplitude Max. Amplitude Integral of abs. value Integral of Intensity

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0

20

40

60

80100

120

140

160

180


H-planeRadiation Pattern Prototype HF-Antenna

Min. Amplitude Max. Amplitude Integral of abs. value Integral of Intensity 1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0

20

40

60

80100

120

140

160

180

related to Min/Max/abs.Int.: 35°Aperture Angle: 20°

E-planeRadiation Pattern Prototype HF-Antenna

Min. Amplitude Max. Amplitude Integral of abs. value Integral of Intensity


Signalauswertung• Datenkonversion• Datenkompression• Korrektur der Oberflächenreflexion (Nulllinie)• Bandpass-Filterung zur Unterdrückung des Rauschen sowie

von sich verändernden Gleichspannungsanteilen• Erste Interpretation der Messwerte (Trennung von

Störsignalen von den tatsächlichen Messsignalen, Erkennungvon Reflexionshorizontan und -hyperbeln)

• Mittelung der Messwerte zur Verbesserung des Signal-zu-Rausch Verhältnisses

• SAFT (Synthetic Aperture Focusing Technique)• Hilbert Transformation zur Ermittlung der Einhüllenden• Tiefenskalierung (Ausbreitungsgeschwindigkeit)


Kalibration der TiefenskalaDie Tiefe d eines Reflektors läßt sich aus der folgenden Gleichung bestimmten:

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit v kann aus der Dielektrizitätszahl ε des Materials näherungsweise ermittelt werden:

Die Dielektrizitätszahl hängt ab vom Feuchtegehalt, Salzgehalt, Frequenz, Temperatur, Porenstruktur.

2tvd ⋅=

ε= cv


Grenzen des Radarverfahrens

• Eindringtiefe der elektromagnetischen Wellen

• Tiefenauflösung

• Horizontale Auflösung (Auflösung in Bewegungsrichutng der Antenne)


Eindringtiefe

Die Eindringtiefe der elektromagnetischen Wellen in das Bauteil wird durch die Dämpfung der Wellen imMaterial beschränkt, die durch drei wesentlicheProzesse bestimmt wird:

• Absorption im Material

• Verluste aufgrund des Öffnungswinkels der Antenne

• Verluste aufgrund von Streuung und Reflexion an Inhomogenitäten im Material


Tiefenauflösung

Die Tiefenauflösung Δ d hängt von der Dauer des elektromagnetischen Impulses und damit von derFrequenzbandbreite der Antenne ab:

ε⋅Δ⋅=Δ

fcd

2

Frequenzin MHz

Δd in cm

500 10900 61000 52500 2


Horizontale Auflösung

Die horizontale Auflösung Δ x wird durch Beugungserscheinungen beeinflusst und hängt davon ab, ob sich das Streuzentrum im Nah- oder Fernfeld der Antenne befindet.Generell hängt die horizontale Auflösung von den folgenden Parametern ab: Tiefe, Dämpfung, Antennenapertur, Wellenlänge.

Horizontale Auflösung inBeton in einer Tiefe von 20 cm:

Frequenzin MHz

Δd in cm

500 10900 61000 52500 2


Anwendungsbereiche zerstörungsfreier Prüfverfahren zur Untersuchung

historischen Mauerwerks

• Historische Bauforschung• Bestimmung geometrischer Größen (Ergänzung von

Plänen)• Frühzeitiges Erkennen von Schäden• Bestimmung des Ausmaßes von Schäden• Ermittlung von Schadensursachen• Kontrolle von Reparaturmaßnahmen (QS)


Anwendungsbereiche des Radarverfahrens Untersuchung historischen Mauerwerks

• Ortung von Grenzflächen bei mehrschaligem Mauerwerk

• Ortung von Hohlstellen und Hohlräumen (z. B. Kaminschächte)

• Ortung von Ablösungen• Ortung metallischer Einbauteile (Anker, Dübel,

Klammern, Träger)• Dickenmessung• Bestimmung der Feuchteverteilung


Strukturuntersuchungen in Mauerwerk

Ortung von Hohlstellen in Mauerwerk


Ortung von Gräbern im Petershof in Halberstadt

Früherer Bischofssitz, erbaut von 1035 to 1059Untersuchung des Fußbodenaufbaus in der Petrikapelle

Ortung von Gräbern


Ortung von Gräbern

0,7 m

0,43 – 0,53 m

0,68 m

0,54 m

0,62 m

0,83 m

0,32 m

Radar:500 MHz antenna


Ältestes Museums-gebäude in BerlinErbaut durch K. F. Schinkel 1823 - 1829WeltkulturerbeRegelmäßiges Kalkstein-und ZiegelmauerwerkGrundriss: 86,79 m x 53,52 mTeilweise zerstört durch Bombenangriffe und Brände im 2. Weltkrieg Rekonstruktion in den 60igern, sehr gute DokumentationGenereller Umbau ist für 2008 geplantOffene Fragestellungen – zwei Messeinsätze Dez. ‘03 + Jan. ‘04

Altes Museum in BerlinAltes Museum in Berlin--MitteMitte


Radarmessspuren an den Wänden der Rotunde


Ortung der Hohlstellen mit Radar

Radar:500 MHz Antennemit Messrad


Radarmessspur Nr. 4 an der Innenwand der Rotunde

a

b

c

d e

a: Raumheizung c: kleine Kammer e: Wandrückseite

b: Treppenhaus d: kleine Kammer


Säule im Eingangsbereich

• Untersuchung der inneren Struktur, insbesondere hinsichtlich möglicher Verbindungselemente der einzelnen Trommeln im Fugen-bereich

• Ortung der Reparaturbereiche, Bestimmung der Dicke

Verfahren: Radar, Ultraschall, Schall, Impact-Echo


Radar:

Reflexionen an den Fugen

A - A

1,70

1,58

1,54

1,52

1,42

1,09

1,65

Number of cannelureDimensions in meter

Radar Tomography trace

15

Tomo 1

Tomo 2

Tomo 3

0,80

2,05

1,90

Radar trace

Fugen zwischenden Trommeln

Rückseiteder Säule

SSääule im Eingangsbereichule im Eingangsbereich


Position 1: Radar, Untersuchung der Fugen

Unterhalb der FugeUnterhalb der Fuge

Wolfsloch

Oberhalb der FugeOberhalb der Fuge


Position 1: Säule im Eingangsbereich, Ergebnisse

• Fugen können geortet werden• Trommeln enthalten im oberen Bereich ein sog.

Wolfsloch (ca. 7-10 cm x 2-3 cm), das für Transport und Aufbau genutzt wurde. Wahrscheinlich existieren keine metallischen Verbindungselemente.

• Reparaturbereiche können geortet werden, es sind jedoch keine Angaben über die Dicke möglich.


Palas der Wartburg

Ältestes Wohngebäude einer mittelalterlichen Burg in Deutschland Erbaut zwischen1156 and 1172WeltkulturerbeMartin Luther übersetzte hier 1521 das Neue Testament ins Deutsche


Schnittdarstellung des Palas mit Keller, Erdgeschoss und erster Etage


Aufgabenstellung: Ortung einer ehemaligen Türöffnung

Verfahren: Radar, Puls-Phasen Thermografie

Messposition 1 im Landgrafenzimmer


Position 1: Nordwand des Landgrafenzimmers

AnsichtAnsicht RaumseiteRaumseite


Wartburg: Radar, 500 MHz Antenne


Ortung metallischer Einbauteile

Zusammenarbeit mit Dr. Ch. Hennen, Stiftung Luthergedenkstätten

Nachweis und Ortung von Metallstützen in Wandträgern zur Ermittlung der Tragfähigkeit der Deckenkonstruktion im Rahmen von Instandsetzung und Umnutzung, Lutherhalle in Wittenberg


Reflexion amMetallträger

Reflexion anMetallplatte

r1 r2r3

Ortung der Metallträger mit der 1,5 GHz Antenne


RückwandreflexionReflexionshyperbel(Metallplatte)

Messungen von der Wandrückseite aus


Feuchtemessung mit RadarDie Ausbreitungsgeschwindigkeit v kann aus der Dielektrizitätszahl ε des Materials näherungsweise ermittelt werden:

Die Dielektrizitätszahl hängt ab vom Feuchtegehalt, Salzgehalt, Frequenz, Temperatur, Porenstruktur.

εcv =


Dielektrische Eigenschaften von Wasser in Abhängigkeit von der Frequenz

0

20

40

60

80

108 109 1010 1011Frequenz in Hz

ε ’u n

dε ’’

ε'

ε''


Imaginärteil der komplexen Dielektrizitätszahl von destilliertem Wasser sowie von Salzlösungen mit

unterschiedlichen NaCl-Konzentrationen (nach Debye)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1E+08 1E+09 1E+10 1E+11frequency in Hz

imag

inar

y pa

rt

distilled water1 M% NaCl2 M% NaCl5 M% NaCl


Zusammenhang zwischen der Dielektrizitätszahl von Baustoffen und deren Feuchtegehalt im Volumen

• Kalibrationskurven

• Theoretische Modelle

- Poren als Kugeln

- Poren als Ellipsen

- Poren mit Wasserschale


2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

0 5 10 15 20 25moisture content in Vol%

real

par

t hollow brick h

hollow brick v

sand-lime brick

mortar

full brick

Realteil der Dielektrizizätszahl als Funktiondes Feuchtegehaltes für verschiedene

Baustoffe (900 MHz Antenne)


Bestimmung der Feuchteverteilung im Außenmauerwerk der Kirche S. Maria Rossa in

Mailand, Italien

Ansicht von Nordosten Ansicht von Südwesten

Zusammenarbeit mit Prof. L. Binda und Dr. A. Saisi, Politecnico di Milano, Italy (Brite EuRam Radar)


Kirche S. Maria Rossa in Mailand, Italien• Erbaut in unterschiedlichen Bauabschnitten

vom 9./10. bis zum 13. Jahrhundert oberhalbälterer Gebäudeteile und Fundamente ausdem 2. bis 5. Jahrhundert

• Umbauten und Instandsetzung erfolgten1783 und 1966

• Wände bestehen aus Vollziegel und Kalkmörtel

• Grundwasserspiegel ist relativ hoch, dieKirche befindet sich unterhalb des Straßen-niveaus, Erdreich bedeckt zum Teil die Außenwände

Hoher Feuchtegehalt


Position der untersuchten Messbereiche

area 1 area 2

area 3V cent.IX-X cent.XII cent. (before 1162)XII cent. (after 1162)XIII cent.17831966


Radar und Mikrowellenabsorption in Bohrlöchern


Messbereich 1

Tiefe in m

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Position in

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.81.6 2.0

Rückwandreflexion

468

101214161820

0 10 20 30 40 50 60 70 80

depth in cm

real

par

t ε'

8.4 GHz

Radar: 500 MHz Antenneε’ = 12,8Feuchtegehalt: 25 Vol%

Mikrowellenabsorption: 8,4 GHzε’ = 12,4 (Mittelwert)Mittlerer Feuchtegehalt: 24 Vol%


Messbereich 3

Radar: 900 MHz Antenneε’ = 4Feuchtegehalt: 1,0 Vol%

Mikrowellenabsorption: 10,4 GHzε’ = 5,1 (Mittelwert)Mittlerer Feuchtegehalt: 2,0 Vol%

Tiefe in m

0

0.2

0.4

0.6

0.8

Position in m

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.81.6 2.0

Reflexion an der Rückwand

Reflexion an der Ablösung

4

4,5

5

5,5

6

0 10 20 30 40 50 60

depth in cm

real

par

t ε'

10.4 GHz


Informationen

• ZfPBau Kompendiumwww.bam.de/service/publikationen/zfp_kompendium/welcome.html

• Zerstörungsfreie Prüfung an historischem Mauerwerk, EU-Projektwww.onsiteformasonry.bam.de

• Merkblatt Radar der Deutschen Gesellschaft für Zerstörungfreie Prüfung e. V. (www.dgzfp.de)

Documents

Struktur- und Feuchteuntersuchungen an historischem ... · Elektronik RADAR: Radio Detection and Ranging Ortung von Objekten, die sich in ihren elektromagnetischen Eigenschaften von