Um den Zustand von Bauwerken zu beurteilen, sind Sichtprüfungen noch immer eine weit verbreitete Methode. Doch was ist mit Schäden, die sich unsichtbar unter der Oberfläche bilden? Die können bei manchen Bauwerken katastrophale Folgen haben – man denke nur an Tunnel oder Brücken. Das Fraunhofer IPM hat daher eine neue Lösung zur zerstörungsfreien Bauwerksinspektion entwickelt, bei der sich mithilfe von Laserstrahlung auch verborgene Fehlstellen aufdecken lassen.
Laserscanner kommen bereits heute zum Einsatz, um die Geometrie von Bauwerken zu erfassen und Oberflächenschäden zu erkennen. Diese optischen Messsysteme sind ein Gewinn für die Bauwerksinspektion, da sie nicht nur schnell und präzise arbeiten, sondern auch digitale Messdaten liefern. Das ist ein großer Vorteil, da das Planen, Bauen und Betreiben von Gebäuden mit digitalen 3D-Modellen ( Building Information Modeling ) immer wichtiger wird.
Was beim Erkennen von Oberflächenschäden bereits hervorragend funktioniert, soll in Zukunft auch bei tieferliegenden Schadstellen in Bauwerken möglich sein. Die Forschung befasst sich schon seit Längerem mit der Fragestellung, wie sich auch verborgene Hohlräume, Delaminationen (Materialablösungen) oder sonstige Defekte unter der Oberfläche mithilfe von Lasern aufspüren lassen.
Optischer Hammerschlagtest
Einen wichtigen Beitrag zu dieser Forschung leistete das Ende 2023 abgeschlossene Projekt „Laser-Beat: Hammerschlagtest mit Licht – berührungslose und flächenhafte Inspektion von Tunneln auf Basis laserinduzierten Körperschalls“. Forschende vom Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (Fraunhofer IPM) haben dabei ein System entwickelt, das zerstörungsfreie Bauwerksprüfungen mithilfe eines gepulsten Lasers ermöglicht. Dabei arbeiteten sie mit Kollegen vom FraunhoferInstitut für Großstrukturen in der Produktionstechnik (Fraunhofer IGP) zusammen.
Verborgene Fehlstellen in Bauwerken waren bisher nur mit dem so genannten Hammerschlagtest nachweisbar. Dabei wird die gesamte zu prüfende Oberfläche von Hand mit einem speziellen Prüfhammer abgeklopft. Das ist – vor allem bei großen Objekten – ein erheblicher Aufwand. Diese manuelle Prüfmethode ist also langwierig und damit auch kostspielig. Zugleich sind regelmäßige Inspektionen bei vielen Bauwerken aber unerlässlich. Schließlich sind verborgene Hohlstellen oder Delaminationen oft ein erster Hinweis auf sich anbahnende größere Schäden.
Der klassische Hammerschlagtest ist aber nicht nur zeitaufwändig und teuer, sondern liefert leider auch keine objektiv quantifizierbaren Messergebnisse. Als Sensor dient schließlich allein das individuelle menschliche Ohr, das die durch den Schlag angeregten Resonanzschwingungen wahrnimmt. Das erschwert auch die Aussagekraft von Prüfreihen, die über längere Zeiträume stattfinden, um Defekten auf die Spur zu kommen, die sich erst allmählich anbahnen. Außerdem liefert der Hammerschlagtest keine digitalen Messdaten für moderne BIM-Modelle.
Das am Fraunhofer IPM entwickelte laserbasierte Messsystem verspricht mehr Zuverlässigkeit und BIM-Kompatibilität zugleich. Die Forschenden haben ihren „optischen Hammerschlagtest“ bereits in mehreren Tunnelbauwerken getestet. Ergebnis: Das System ermöglicht zuverlässige Messungen aus mehreren Metern Abstand. Bei Messungen an einem Betonquader aus 2 m Entfernung wurden mithilfe von laserinduziertem Körperschall auch wenige Zentimeter große Fehlstellen sicher detektiert, die mit der mechanischen Methode unentdeckt blieben.
Messung per Vibrometer
Verborgene Schäden möglichst früh zu entdecken, ist insbesondere bei Infrastrukturbauwerken wie Tunneln, Brücken, Staumauern oder Kanälen sehr wichtig und Teil einer vorausschauenden Instandhaltung. 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 Schäden unter der Oberfläche, regt die plasmainduzierte Schockwelle charakteristische resonante Schwingungen der Oberfläche an – ähnlich wie beim Hammerschlag. Allerdings werden Wahrnehmung und Beurteilung dieser Schwingungen nicht einfach dem menschlichen Ohr überlassen. Stattdessen geschieht dies mithilfe eines Messgeräts zur Quantifizierung mechanischer Schwingungen – dem so genannten Laser-Doppler-Vibrometer. Dieses Gerät misst die misst die mechanische Schwingung der Baustoffoberfläche über die Frequenzverschiebung des rückgestreuten Lichts.
Amplitude und Frequenz der so gemessenen Schwingungen geben Aufschluss über die Größe und Tiefe der Hohlräume und Defekte. Mit einer am Fraunhofer IGP entwickelten Software lassen sich auffällige Messpunkte KI-basiert eingrenzen und visualisieren. Helle Bereiche weisen zum Beispiel auf einen Schaden in der Mitte des Probekörpers hin.
Mit ihrem 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. Nun arbeiten die Forschenden daran, das System für den praktischen Einsatz weiter aufzurüsten.
