Optischer Hammerschlagtest: neue Methode zur Integritätsprüfung von Bauwerken
Laserbasierte Messsysteme sind ein Gewinn für die Bauwerksinspektion: Sie
messen schnell, präzise und liefern digitale Messdaten. Bereits heute
kommen Laserscanner zum Einsatz, um die Geometrie von Bauwerken zu messen
und Oberflächenschäden zu detektieren. In Zukunft wird es möglich sein,
auch tieferliegende Schadstellen mithilfe von Lasern aufzuspüren.
Verborgene Fehlstellen konnten bisher nur mit dem sogenannten
Hammerschlagtest nachgewiesen werden.
Sichtprüfungen sind noch immer eine weit verbreitete Methode, um den
Zustand von Bauwerken zu beurteilen. Was aber, wenn sich Schäden unter der
Oberfläche bilden? Verborgene Hohlstellen oder Materialablösungen
(Delaminationen) sind oft ein erster Hinweis auf sich anbahnende größere
Schäden. Sie möglichst früh zu entdecken, ist Teil einer vorausschauenden
Instandhaltung von Tunneln, Brücken, Staumauern, Kanälen und anderen
Infrastrukturbauwerken. Aber auch für kritische Baumaßnahmen wie etwa den
Rückbau von Atomkraftwerken spielen Integritätsprüfungen eine wichtige
Rolle. Ein Forschungsteam am Fraunhofer IPM hat ein System entwickelt, das
zerstörungsfreie Delaminationsprüfungen mithilfe eines gepulsten Lasers
ermöglicht.
Quantifizierbare Messdaten für eine vorausschauende Instandhaltung
Um verborgene Fehlstellen wie z. B. Delaminationen aufzuspüren, ist bis
heute der sogenannte Hammerschlagtest das Mittel der Wahl. Dabei wird die
gesamte zu prüfende Oberfläche von Hand mit einem speziellen Prüfhammer
abgeklopft – ein erheblicher Aufwand, da in der Regel sehr große Objekte
geprüft werden. Als Sensor dient beim Hammerschlagtest allein das
menschliche Ohr, das die durch den Schlag angeregten Resonanzschwingungen
wahrnimmt. Die Prüfmethode ist nicht nur langwierig und damit kostspielig;
sie liefert überdies keine objektiv quantifizierbaren Messergebnisse.
Vergleiche über lange Zeiträume hinweg, die auf sich anbahnende Defekte
hindeuten, sind daher nur schwer möglich. Für ein zeitgemäßes
Zustandsmonitoring im Sinne des Building Information Modeling (BIM) sind
zudem digitale Messdaten nötig.
Das am Fraunhofer IPM entwickelte berührungslose Verfahren nutzt einen
starken gepulsten Laser, der den mechanischen Hammerschlag imitiert. Der
Laser erzeugt einen Plasmablitz unmittelbar vor der Objektoberfläche, ohne
diese zu schädigen. Verbergen sich Delaminationen, Hohlräume oder Defekte
unter der Oberfläche, regt die plasmainduzierte Schockwelle
charakteristische resonante Schwingungen der Oberfläche an – ähnlich wie
beim Hammerschlag. Die Vibrationen werden mithilfe eines zweiten Lasers
detektiert: Ein Laser-Doppler-Vibrometer (LDV) misst die mechanische
Schwingung der Betonoberfläche direkt über die Frequenzverschiebung des
rückgestreuten Lichts, die interferometrisch ausgewertet wird. Amplitude
und Frequenz der Schwingungen geben Aufschluss über die Größe und Tiefe
der Hohlräume und Defekte. Ein motorisierter Spiegel lenkt den Laserstrahl
entlang zweier Achsen über die zu prüfende Fläche ab. Mit dem aktuellen
System können die Forschenden rund 100 m² mit einem Messraster von 10 cm
innerhalb von nur 17 Minuten prüfen; bei geringerer Auflösung entsprechend
schneller. Durch Parallelisierung und Optimierung von Systemkomponenten
lässt sich der Aufnahmeprozess zusätzlich beschleunigen.
Zuverlässige Messungen aus mehreren Metern Abstand möglich
Bei Evaluierungsmessungen an einem Betonquader aus zwei Metern Entfernung
war das laserbasierte System dem klassischen Hammerschlagtest überlegen:
Mithilfe des laserinduzierten Körperschalls wurden Fehlstellen mit einer
Größe von bis zu wenigen Zentimetern sicher detektiert, die mit der
mechanischen Methode unentdeckt blieben. Um das System unter praktischen
Bedingungen zu prüfen, wurden Messungen in mehreren ausgewählten
Tunnelbauwerken gemacht. Nun arbeiten die Forschenden daran, das System
für den praktischen Einsatz aufzurüsten und ein produktives System
aufzubauen.
Weitere Informationen
Das Projekt »LaserBeat Hammerschlagtest mit Licht – berührungslose und
flächenhafte Inspektion von Tunneln auf Basis laserinduzierten
Körperschalls« wurde mit Fraunhofer-internen Mitteln finanziert und in
Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Großstrukturen in der
Produktionstechnik IGP bearbeitet. Laufzeit: 01.04.2019 – 31.12.2023
