Einsatz aktiver Thermographie zur Detektion von Einschlüssen in ...

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DGZfP, Thermografie-Kolloquium, Stuttgart 2001
Einsatz aktiver Thermographie zur Detektion von Einschlüssen in
Baukonstruktionen und im Erdreich
Heinrich, H. / Dahlem, K.-H. / Edinger, M. / Vogel, J.
Universität Kaiserslautern / Fachgebiet Bauphysik - Technische Gebäudeausrüstung - Baulicher
Brandschutz
1 Einleitung
Die zerstörungsfreie Prüfung zur Bauwerksdiagnose gewinnt mit zunehmendem Alter unserer
Infrastruktur an Bedeutung. Durch zuverlässige Untersuchungen mit dokumentierbaren, objektiven
Ergebnissen müssen Aussagen über die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Bauwerken
erlangt werden. Das rechtzeitige Erkennen von Schäden an bestehenden Bauwerken ist
ein wichtiges, kostensparendes Einsatzgebiet zerstörungsfreier Untersuchungen. Ebenso kann
durch praxisgerechte Prüfverfahren beim Errichten eines Bauwerks dessen Qualität frühzeitig
verbessert werden. Die Thermographie erschließt sich in dieser Hinsicht immer mehr Anwendungsgebiete.
Die hier beschriebenen Untersuchungen wurden im Labor durchgeführt. Es ging bei den Untersuchungen
darum, festzustellen, ob und wie man mit einfach handzuhabenden und in der
Praxis vor Ort leicht verfügbaren Hilfsmitteln mit aktiver Thermographie Fehler- und Strukturanalyse
durchführen kann.
2 Unterscheidung in passive und aktive Thermographie
2.1 Passive Thermographie
Bei der passiven Thermographie sind die Wärmequellen und Wärmesenken, die einen Wärmestrom
durch ein Bauteil hervorrufen durch dessen Nutzung ohnehin vorhanden. Sie sind
natürlich oder technisch vorgegeben. Die dadurch an der Oberfläche eines Bauteils eingeprägten
Temperaturfelder können thermographisch erfaßt werden.
Beispiele:
1. Eine Fußbodenheizung wird von erwärmten Heizungswasser (Wärmequelle)
durchströmt und gibt an der Oberfläche Wärme an den zu beheizenden Raum

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(Wärmesenke) ab. Durch eine Thermographie kann so z.B. die Verlegeart und Verlegedichte
überprüft werden.
2. Im Winter wird die Außenwand eines Gebäudes von innen durch die Raumheizung
erwärmt, während die kalte Umgebung außen Wärme abführt. Thermographisch
können durch Erfassung der Temperaturfelder auf den Oberflächen - innen oder
außen - konstruktive Details oder Wärmebrücken ermittelt werden.
2.2 Aktive Thermographie
Bei der aktiven Thermographie werden Wärmequellen bzw. Wärmesenken, die zur Erzeugung
der zu beobachtenden Oberflächentemperaturfelder dienen, künstlich erzeugt bzw. natürliche
Quellen und Senken werden gezielt beeinflußt.
Beispiele:
1. Wärme bzw. allgemein Energie wird über einen kürzeren oder längeren Zeitraum
von außen einem Objekt zugeführt, das sich zuvor im thermischen Gleichgewicht
mit seiner Umgebung befunden hat. Dadurch werden an seiner Oberfläche zeitlich
veränderliche Temperaturfelder erzeugt, die thermographisch erfasst werden.
(Puls-Thermographie)
Die Energie kann auch harmonisch moduliert zugeführt werden und das thermographisch
empfangene Signal wird nach Amplitude und Phase ausgewertet (Lockin-Thermographie).
2. Energie wird einem Objekt selektiv zugeführt, so daß bevorzugt bestimmte Materialien
oder bestimmte Bereiche erwärmt werden, die dann interne Wärmequellen
darstellen und auf der Oberfläche Temperaturfelder erzeugen. Dies kann z.B. durch
Induktion bei Armierungseisen in Beton geschehen oder durch Mikrowellenstrahlung
in wasserhaltigen Bereichen bzw. Komponenten.
Eine selektive Energiezufuhr mittels Strahlung kann auch dadurch realisiert werden,
daß Strahlung eines bestimmten, relativ eng begrenzten Wellenlängenbereiches
zugeführt wird.. Dies wird z.B. benutzt, um Feuchtigkeit in Bauteilen bzw.
auf deren Oberflächen durch Reflexion thermographisch nachzuweisen.

2.3 Bauthermographie in der Praxis
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Im Baubereich wird für praktische Untersuchungen fast nur die passive Thermographie verwendet.
Diese bietet sich immer an, wenn geheizt wird. Bei durchschnittlich 250 Heiztagen in
Deutschland stehen in der Regel mindestens 150 Tage mit einer Außenluftemperatur von
+10°C oder geringer zur Verfügung. Bei einer Raumtemperatur von im Durchschnitt etwa
+20°C bedeutet dies, daß dann eine der Voraussetzungen für eine Standardbauthermographie
gegeben ist, nämlich eine Temperaturdifferenz zwischen innen und außen von mindestes 10
K.
Es gibt jedoch auch Situationen, in denen ein beheizter Zustand nicht möglich ist oder nicht
genutzt werden kann. Dies kann bei unbeheizten Gebäuden oder Räumen der Fall sein oder
bei Innenbauteilen (Innenwand), bei denen beidseitig die gleiche Temperatur herrscht. Auch
bei offenen Bauwerken, also allgemein bei Ingenieurbauwerken, wie Brücken, Straßen gilt
dies im allgemeinen.
In solchen Fällen bleibt als Alternative die „aktive Thermographie“. Wegen der Komplexität
und der Größen der meisten Bauwerke und Bauteile wurde bisher die aktive Thermographie
aber nur vereinzelt eingesetzt im Gegensatz zur industriellen Anwendung.
Die im folgenden dargestellten Untersuchungen sollen einige Anwendungsmöglichkeiten aber
auch Grenzen der aktiven Thermographie im Baubereich aufzeigen.
3 Kategorisierung der aktiven Thermographie im Bauwesen
Als Unterscheidungsmerkmal für die verschiedenen Anwendungen kann die Anregungsquelle,
die Zielsetzung und der Untersuchungsaufbau herangezogen werden.
Anregung: Quelle: natürlich / künstlich
Art: periodisch / impulsartig
Zielsetzung: Strukturanalyse / Fehlererkennung
Untersuchungsaufbau: Anregungsquelle und Kamera auf gleicher Seite / auf verschiedenen
Seiten des Untersuchungsobjektes
In Tabelle 1 wurde eine Kategorisierung verschiedener Verfahren durchgeführt, für welche es
in der Literatur Anwendungsbeispiele gibt oder welche sich in Versuchsstadien befinden.

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Anregung natürlich künstlich
Anwendung
Fehlererkennung
Quelle
Durchfeuchtung von Mauerwerk
[2..6, 12, 17, 20]
Verarbeitungsfehler bei Dämmsystemen
[16]
Verarbeitungsfehler bei Plattenbelägen
[19]
Untersuchung von Tunnelbauwerken
[10, 14]
Flachdach-Durchfeuchtung [18] X
Strahlung Strahlung Materie
Sonne Licht, Induktion,
Mikrowelle
X X
Warmluft und
Kaltluft
X X
X X
X X
Luftdichtigkeit [8] X
Strukturanalyse (Lage verborgener Strukturen)
Fachwerkerkennung [11, 15] X X
Lage der Bewehrung [9, 13] X X
Maß der Betonüberdeckung [13] X
Lage von Deckenbalken [1] X X
Aufbau von Innenwänden (oder
Vorsatzschalen) [1]
Erkennen nicht genutzter Rohrleitungen
(Leerrohre) [19]
Tabelle 1: Kategorisierung der aktiven Thermographie im Bauwesen
X X
X

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4 Experimentelle Untersuchungen und numerische Simulation
4.1 Strukturen im Beton
In Versuchsreihen wurden Probekörper aus Beton mit unterschiedlichen Einschlüssen (Kunststoffrohre
und Bewehrungsstahl) hergestellt. Mit unterschiedlichen Anregungsarten wurde den
Probekörpern Energie zugeführt. Die Oberflächen wurden mit einer langwelligen Infrarotkamera
(8-12µm) thermographiert.
Für eine erste Versuchsreihe wurden Probekörper aus Normalbeton hergestellt, die nachfolgend
beschrieben werden:
a) Ein Betonblock wurde mit den Maßen h / b / t = 30 / 40 / 16 cm hergestellt. Er enthält drei
PVC-Leerrohre (Ø 2 cm). Die Lage der Rohre ist in Abbildung 1 dargestellt. Die geringste
Betonüberdeckung betrug 1,5 cm, die mittlere 4 cm und die größte 6,5 cm.
b) Ein zweiter Betonblock hat die Maße h / b / t = 30 / 50 / 16 cm. Er enthält Bewehrungseisen
(Ø 8 mm). Die Lage der Bewehrungsstäbe ist in Abbildung 2 dargestellt. Die stärkste Betonüberdeckung
betrug hier 7 cm wurde beim nächsten Bewehrungsstab auf 3,5 cm und beim
darauffolgenden auf 1,5 cm verringert. Ganz links sind zwei Bewehrungsstäbe direkt nebeneinander
platziert, die ebenfalls eine Betonüberdeckung von 1,5 cm haben.
Abb.1: Betonprobekörper mit Leerrohren Abb.2: Betonprobekörper mit Bewehrungsstäben
Beide Probekörper wurden zunächst mit Halogenstrahlern (je 500 W) in verschiedenen Positionen
beleuchtet und an der beleuchteten Oberfläche mit der Thermokamera beobachtet. Um

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einen Wärmestrom senkrecht zu beleuchteter und beobachteter Oberfläche annehmen zu können,
wurden die seitlichen Oberflächen des Probekörpers mit Dämmstoff (PS-Hartschaum)
umhüllt.
Der Versuchsaufbau ist in Abb.3 beispielhaft dargestellt. Die Anzahl der Strahler wurde variiert
(3, 4 und 6 Strahler), wie auch ihr Abstand zu den Probekörpern (40 bzw. 70 cm) und die
Beleuchtungsdauer (3, 5 und 20 Minuten).
Auch die Anregung mit einer gleichmäßig über die Probenoberfläche bewegten Heißluftpistole
(1600 W), wurde getestet.
Abb.3: Betonprobekörper mit Polystyrol ummantelt, von oben mit Halogenstrahlern erwärmt
Bei der Anregung mit 6 Halogenstrahlern und langer Bestrahlungsdauer konnte das Leerrohr
mit der geringsten Überdeckung thermographisch nachgewiesen werden. Das Thermogramm
ist in Abb.4 dargestellt.
Bei größeren Betonüberdeckungen sowie bei der Anregung mit der Heißluftpistole konnte
unter den angegebenen Bedingungen die Leerrohre thermographisch nicht sicher detektiert
werden.
Ebenso konnten die Armierungseisen unter den beschriebenen Bedingungen nicht erfaßt werden.

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Abb.4: Thermogramm beider Probekörper, Leerrohr mit geringster Betonüberdeckung erkennbar
Im folgenden wurde dann der Versuchsaufbau geändert. Während zuvor die Beobachtungsseite
des Probekörpers identisch mit der Bestrahlungsseite war, wurde nun die Bestrahlung von
der „Rückseite“ und die Beobachtung von der „Vorderseite“ mit aufgerichteten Probekörpern
vorgenommen.
Um auf der beobachteten Seite einen deutlichen Temperaturanstieg zu erhalten, wurde die
Beleuchtungsdauer auf 90 Minuten verlängert. Es wurden 6 Halogenstrahler (je 500 W) mit
einem Abstand von 40 cm zum Probekörper verwendet. Der Versuchsaufbau ist in den Abb.5
dargestellt.

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Abb.5: Betonprobekörper, Bestrahlung und Beobachtung auf gegenüberliegenden Seiten
Die Leerrohre mit 1,5 und 4 cm Betonüberdeckung waren erkennbar, wenn auch schwach
(siehe Abb.6). Die Oberflächenbereiche über den Leerrohren unterscheiden sich hierbei durch
niedrigere Temperaturen von ihrer Umgebung, da der gleichmäßige Wärmestrom von der beleuchteten
Seite zur beobachteten an den Leerrohren gestört wird.
Auch bei dieser Versuchsanordnung konnte bei allen Probekörpern die Lage der Bewehrungsstäbe
nicht erkannt werden.
Abb.6: Strukturen im Beton, Thermogramm des Probekörpers mit Leerrohren
Leerrohr mit 4 cm Überdeckung, Leerrohr mit 1,5 cm Überdeckung

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Das Diagramm Abb.7 zeigt für den Versuch mit Leerrohren den zeitlichen Verlauf der Oberflächentemperaturen
für die Bereiche über den beiden erkennbaren Rohren im Vergleich zu
einer ungestörten Stelle. Anhand des Diagrammes wird deutlich, dass der Effekt nach etwa 90
Minuten beginnt sich abzuzeichnen.
Oberflächentemperatur in °C
38
36
34
32
30
28
26
ungestörter Bereich
1,5 cm
24
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121 131 141 151 161 171
Zeit in Minuten
Abb.7: Meßergebnisse der Betonprobekörper mit Leerrohren
Ein weiterer Versuch sollte klären, wie sich die Erkennbarkeit ändert, wenn die Rohre bei
gleichem Versuchsaufbau mit Wasser gefüllt sind. Dieser Aufbau entspricht etwa dem von
Wasserleitungen aus Kunststoff in Wänden. Auch hierbei ergaben sich etwa die gleichen Ergebnisse.
Wieder waren die Rohre mit 1,5 und 4 cm Betonüberdeckung erkennbar und das
Rohr mit 6,5 cm Betonüberdeckung nicht (siehe Abb.8). Allerdings war der Temperatur-
Effekt an der Oberfläche insgesamt etwas geringer als bei den luftgefüllten Rohren.
4 cm

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Abb.8: Thermogramm des Probekörpers mit wassergefüllten Rohren
Leerrohr mit 4 cm Überdeckung, Leerrohr mit 1,5 cm Überdeckung
Da die in der ersten Versuchsreihe verwendeten Bewehrungsstäbe vermutlich im Vergleich zu
ihrer Betonüberdeckung ein zu geringes Volumen hatten, um mit dieser Methode geortet zu
werden, wurde eine zweite Versuchsreihe mit Betonkörpern geringerer Ausmaße durchgeführt,
in die Bewehrungsstäbe mit verschiedenen Durchmessern eingebracht waren.
Sechs Beton-Probekörper mit quadratischer Oberfläche (h / b = 25 / 25 cm) wurden verwendet.
In jedem Probekörper war mittig ein Bewehrungsstab angeordnet. Die Stäbe hatten einen
Durchmesser von 8, 12 und 20 mm. Zu jedem dieser Durchmesser waren jeweils zwei Probekörper
mit einer Betonüberdeckung von 1 bzw. 2 cm vorhanden.
Die Probekörper mit den 8er und 12er Bewehrungsstäben hatten eine Dicke von 6 cm. Die
Körper mit den 20er Bewehrungsstab waren jeweils um einen Zentimeter stärker, hatten also
eine Dicke von 7 cm.
Bei Vorversuchen mit Halogenstrahlern, einem IR-Strahler und einer Heißluftpistole wurde
festgestellt, daß eine annähernd gleichmäßige Temperaturverteilung auf der beobachteten Oberfläche
der Probekörper durch zwei Anregungsvarianten zu erreichen ist. Dies sind die Anregung
mit einer Heißluftpistole (1600 W) an der beobachteten Oberfläche bzw. mit Halogenstrahlern
an der gegenüberliegenden Oberfläche. Bei der zweiten Variante wurden wieder 6
Strahler (je 500 W) im Abstand von 40 cm zur Oberfläche verwendet. Der Versuchsaufbau ist
in Abb.9 zu sehen.

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Abb.9: Betonprobekörper, Dicke 7 cm, Bewehrungsstab (20mm) mit 2 cm Überdeckung
Heißluft:
Alle Probekörper wurden in einem ersten Durchlauf nacheinander mit der Heißluftpistole für
die Dauer von einer Minute erwärmt. Danach wurde die Temperaturverteilung an der erwärmten
Oberfläche mit der Thermokamera beobachtet.
Bei den Proben mit einer Betonüberdeckung von 1 cm waren die Bewehrungseisen durch eine
„Verzerrung“ in der Oberflächentemperaturverteilung erkennbar (Abb.10). Mit größerem
Durchmesser der Bewehrungsstäbe wurde auch die Erkennbarkeit besser.

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Abb.10: Thermogramm eines Betonprobekörper, Bewehrungsstab mit 1 cm Überdeckung
Bei einer Betonüberdeckung von 2 cm waren die Bewehrungsstäbe allerdings nicht mehr erkennbar.
Halogenbeleuchtung:
Im zweiten Durchlauf wurden die Probekörper mit den bereits beschriebenen Halogenstrahlern
angeregt. Die Beleuchtung wurde abgeschaltet, nachdem auf der gegenüberliegenden Oberfläche
eine Temperaturveränderung beobachtet werden konnte. Dies geschah bei den 6 cm
dicken Probekörpern nach ca. 6 Minuten und bei den 7 cm dicken nach ca. 8 Minuten. Nach
dem Abschalten der Beleuchtung wurde die weitere Entwicklung der Oberflächentemperatur
der gegenüberliegenden Seite beobachtet.
Wie das Thermogramm in Abb.11 zeigt, waren die Bewehrungsstäbe bei einer Betonüberdeckung
von 1 cm allerdings deutlicher erkennbar, als bei der vorherigen Versuchsreihe.

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Abb.11: Thermogramm eines Betonprobekörper, Bewehrungsstab mit 1 cm Überdeckung
Bei den Proben mit einer Betonüberdeckung von 2 cm konnte die Lage der Bewehrungseisen
anhand der Oberflächentemperaturverteilung wieder nicht erkannt werden.
Zusammenfassend betrachtet kann geschlossen werden, daß bei den hier untersuchten Anregungsverfahren
verborgene Strukturen im Beton bei geringer Betonüberdeckung schwach erkannt
werden können. Die Erkennbarkeit verborgener Bewehrungsstäbe steigt mit wachsendem
Durchmesser.
4.2 Fehlererkennung in Flachdächern
Viele Zweckbauten weisen Flachdächer auf. Die Abdichtung dieser Flachdächern stellt hohe
Anforderungen an die Sorgfalt der Bauausführung. Trotzdem lassen sich Fehler, wie
Undichtheiten, die u.U. erst im Laufe der Zeit auftreten, nicht immer vermeiden. So kann
Wasser eindringen, die Dämmung durchnässen und die Konstruktion gefährden. Da die
Undichtheiten oft nur schwer zu erkennen sind, ist die Lokalisierung dieser Bereiche
schwierig. Hier bietet sich als Werkzeug auch die Thermographie an. In der Praxis geschieht
dies dadurch, daß man die Sonne als „Anregung“ nutzt.
Bei den Labormessungen ging es darum zu ermitteln, welche kritischen Mengen an
eingedrungenem Wasser notwendig für eine thermographische Detektierbarkeit sind.

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Um Fehlstellen in einem Flachdach zu simulieren, wurden zwei Probekörper aus Styropor-
Dämmplatten hergestellt, in die mehrere Vertiefungen verschiedener Ausmaße eingebracht
waren. (Abb.12). Die Vertiefungen wurden mit Wasser gefüllt, die Dämmplatten mit bituminierten
Dachbahnen bedeckt und mit einem Halogenstrahler beleuchtet.
Abb.12: In die Dämmplatten eingebrachte Störstellen
Die 5 cm dicken Polystyrol-Platten waren 50 cm lang und 30 cm breit und ihre beleuchtete
Oberfläche wurde komplett von der Dachbahn bedeckt. Die eingebrachten Störstellen waren
quadratisch mit Seitenlängen von 1, 2, 3, 4, 6 und 8 cm. Ihre Anordnung ist der Abb.12 zu
entnehmen.
Um festzustellen, inwieweit die Erkennbarkeit der Fehlstellen auch von ihrer Tiefe (und somit
von ihrem Gesamtvolumen) abhängig ist, wurde in der ersten Versuchsreihe eine Fehlstellentiefe
von 2 mm gewählt, die in den weiteren Versuchsreihen schrittweise auf 5, 10, 15 und 20
mm vergrößert wurde.
Die Probekörper wurden eine Stunde mit einem Halogenstraher (500 W) aus einem Abstand
von einem Meter beleuchtet. Diese Aufheizphase wurde ebenso wie die nach dem Abschalten
der Beleuchtung folgende Abkühlphase mit der Thermokamera beobachtet. Dabei wurden
Aufnahmen im Abstand von einer Minute abgespeichert, um den zeitlichen Verlauf der Oberflächentemperaturverteilung
zu dokumentieren und auszuwerten. Zwei Thermogramme dieser
Versuche sind als Abbildungen 13 und 14 zu sehen. Die Fehlstellen sind dabei sehr gut erkennbar.

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Abb. 13: Thermogramm in der Aufheizphase, Fehlstellen sind kälter als ihre Umgebung
Abb.14: Thermogramm in der Abkühlphase, Fehlstellen sind wärmer als ihre Umgebung
Zur Auswertung wurden Oberflächentemperatur einer ungestörten Stelle von den jeweiligen
Mittelwerten der Oberflächentemperaturen über den Fehlstellen subtrahiert. Die so erhaltenen
Temperaturdifferenzen wurden über ihren zeitlichen Verlauf in Diagramme aufgetragen.

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In den Diagrammen bedeutet somit ein negativer Wert der Temperaturdifferenz, daß die Fehlstellen
eine niedrigere Oberflächentemperatur aufwiesen als die ungestörten Proben. Das
heißt, sie waren in diesem Fall kälter als ihre Umgebung und konnten somit erkannt werden.
Das Thermogramm eines solchen Falles ist in Abbildung 13 dargestellt.
Eine positive Temperaturdifferenz bedeutet, die Fehlstellen waren wärmer als ihre Umgebung.
Sie konnten somit auch erkannt werden. Das Thermogramm eines solchen Falles ist in Abbildung
14 dargestellt. Es ist dies ein Thermogramm, welches während der Abkühlphase aufgezeichnet
wurde.
Um die Erkennbarkeit der Fehlstellen in Abhängigkeit von ihrer Größe zu bewerten, wurden
die Temperaturdifferenzen aller Fehlstellen mit gleicher Tiefe in je ein Diagramm aufgetragen.
Als Beispiel ist hier das Diagramm Abb. 15 der Differenzen aller Störstellen mit einer
Tiefe von 15 mm abgebildet.
Temperaturdifferenz in K
5
3
1
0 6 30
-1
60 90 120 150 180
-3
-5
-7
1 x 1 cm² 2 x 2 cm² 3 x 3 cm² 4 x 4 cm² 6 x 6 cm² 8 x 8 cm²
Minimum Abschalten der
Beleuchtung
Maximum
Zeit in Minuten
Abb.15: Differenzen aller Störstellen mit einer Tiefe von 15 mm
In der Aufheizphase sind die Störstellen kälter und in der Abkühlphase wärmer als ihre Umgebung.
Es liegen also Temperaturdifferenzen vor, über welche die Störstellen von ungestörten
Bereichen unterschieden werden können. Diese Temperaturdifferenzen sind (vom Betrag
her) um so höher, je größer und tiefer die Störstellen werden. Ab einer Temperaturdifferenz

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von ±1,5 K waren die Störstellen in den Thermogrammen deutlich zu erkennen. Die beste
Erkennbarkeit ist natürlich beim Erreichen der Extremwerte (Minimum, Maximum) gegeben.
Dabei muß erwähnt werden, daß mit steigendem Volumen (größere Tiefe und Kantenlänge)
der Störstellen die Extremwerte später erreicht werden, dann aber auch vom Betrag her höher
sind, woraus sich wieder eine bessere Erkennbarkeit ergibt.
Zwischen Aufheiz- und Abkühlphase liegt eine Phase der Umkehrung, in der die Störstellen
aufgrund des Nulldurchgangs der Temperaturdifferenzen gar nicht bzw. nur sehr schwach zu
erkennen sind.
Abschließend wurden noch zwei weitere Versuche mit einer Störstellentiefe von 20 mm
durchgeführt. Beim ersten Versuch wurde auf der Dachbahn zusätzlich eine 1 cm starke Kiesschicht
aufgebracht, die beim zweiten Versuch auf 3 cm erhöht wurde. Kleinere Störstellen
konnten nicht mehr erkannt werden, da bei ihnen keine Temperaturdifferenz zur Umgebung
vorlag.
Es zeigte sich, daß die Extremwerte der Temperaturdifferenzen mit wachsender Kiesdeckung
deutlich kleiner werden und der Nulldurchgang später erfolgt. Wie zu erwarten war, sind die
Störstellen, im Vergleich zu dem Versuch ohne Kiesdeckung, schwerer zu erkennen. Die
Temperaturdifferenzen der 6x6 und 4x4 cm² großen Störstellen sind nur noch in sehr kurzen
Zeitabschnitten größer oder gleich 1 K und damit nur noch zu bestimmten Zeitpunkten der
Meßreihe erkennbar. Die 8x8 cm² große Störstelle ist die einzige, die in den Versuchen mit
Kies für längere Zeit eine Temperaturdifferenz von 1 K überschritt und somit deutlich erkennbar
war.
4.3 Fehlererkennung in Fußbodenbelägen
Fliesenbelag auf Estrich weist u.U. eine fehlerhafte Verlegung auf. In einem Fußbodenbelag
wurden durch Abklopfen zwei mögliche Fehlstellen (Hohlstellen) entdeckt. Eine dieser Fliesen
ist in Abb.16 dargestellt. Jede Fliese mit einer vermuteten Fehlstelle wurde über die Dauer
von zehn Minuten, aus einem Abstand von ca. 40 cm, mit einem Halogenstrahler (500 W)
beleuchtet.

Abb.16: Foto einer Fliese mit erwarteter Fehlstelle
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Während Aufheiz- und Abkühlephase wurden sie mit der Thermokamera beobachtet. Dabei
wurde alle 30 Sekunden eine Aufnahme aufgezeichnet. Abb.17 zeigt das entsprechende
Thermogramm für die in Abb.16 dargestellte Fliese aus.
Abb. 17: Die vermutete Fehlstelle ist wärmer als ihre Umgebung

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Es ist ersichtlich, daß die vermuteten Fehlstellen höhere Oberflächentemperaturen aufweisen
als ihre intakte Umgebung. Das vorhandene Temperaturverhalten ist über den Wärmeeindringkoeffizienten
b erklärbar. Beim verwendeten Fliesenmörtel ist dieser höher als der Wert
für die in den vermuteten Hohlstellen enthaltene Luft. Da gilt, daß für niedrigeres b sich eine
höhere Oberflächentemperatur einstellt (und umgekehrt), entstehen über den luftgefüllten
Hohlstellen höhere Temperaturen als über der intakten Umgebung. Solche Fehlstellen (Hohlstellen)
in Plattenbelägen sind daher mit Hilfe der aktiven Thermographie nachweisbar. Um
allerdings den Vorteil der Thermographie (schnelles Überprüfen großer Flächen) ausnutzen zu
können, müßte eine ebenso großflächige Ausleuchtung ermöglicht werden.
4.4 Strukturen im Erdreich
Mit diesen Versuchen sollte untersucht werden, ob es möglich ist im Erdreich verborgene
Strukturen mit Hilfe der Thermographie zu orten. Es kann sich hierbei um Mauerreste alter
Gebäude oder um Leitungen handeln. Aber auch zum Aufspüren von Landminen werden zur
Zeit Verfahren entwickelt, die sich der Thermographie bedienen.
Als Versuchsaufbau im Labor diente ein 2 x 2 m großer Kasten aus Holz. Dieser wurde bis zu
einer Höhe von 40 cm mit Sand befüllt (Abb.18). Als Untergrund diente eine 40 cm dicke
Betondecke. Für jede durchgeführte Versuchsreihe wurden jeweils zwei gleiche Probekörper
in unterschiedlichen Tiefen im Sand vergraben. Die Probenoberkanten lagen in den einzelnen
Versuchsreihen 2, 4, 6 und 8 cm unter der Sandoberfläche. Als Probekörper wurden Betonplatten
(Länge x Breite: 1,0 x 0,3 m / Dicke: 6 und 8 cm) und PVC-Probekörper (L x B: 0,3 x
0,3 m / D: 6 cm) verwendet. Für die einzelnen Versuchsreihen wurde die Sandoberfläche aus
einem Abstand von 50 cm mit 10 Halogenstrahlern mit je 500 W Leistung für die Dauer von
2, 4 bzw. 6 Stunden beleuchtet. Nach dem Abschalten der Beleuchtung wurden die Strahler
über der Oberfläche weggefahren und das Temperaturverhalten der Sandoberfläche für die
Dauer von 6 Stunden mit der Thermokamera beobachtet. Dabei zeichnete das IR-System im
5-Minuten-Rhythmus Aufnahmen auf, um die zeitliche Entwicklung der Oberflächentemperaturverteilung
auszuwerten.

Abb.18: sandbefüllter Kasten und Beleuchtungskonstruktion
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Die Versuche hatten zum Ziel, die Lage der Probekörper anhand der Oberflächentemperaturverteilung
zu erkennen. Es sollte festgestellt werden, bis zu welcher Tiefe Probekörper verschiedener
Materialien und Ausmaße mit Hilfe der Thermographie geortet werden können.
PVC:
Die Lage der PVC-Proben konnte weder bei 4 cm, noch bei 2 cm Tiefe anhand der Oberflächentemperaturverteilung
bestimmt werden. Dies kann dadurch erklärt werden, daß der verwendete
Sand und die PVC-Proben sehr ähnliche Materialkennwerte aufweisen und somit
kaum auswertbaren Temperaturdifferenzen entstehen können.
Sand PVC
Wärmeleitfähigkeit in W/(m·K) 0,25 0,15
spez. Wärmekapazität in J/(kg·K) 1000 960
Rohdichte in kg/m³ 1500 1380

Beton:
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Die Lage der 6 bzw. 8 cm dicken Betonprobekörper, die in 2 bzw. 4 cm Tiefe vergraben waren,
konnte bei den hier durchgeführten Versuchen zweifelsfrei festgestellt werden. Beispielhafte
Thermogramme sind in den Abb.19 und Abb.20 dargestellt. Abb.19 zeigt ein Thermogramm,
das direkt nach dem Abschalten der Beleuchtung aufgenommen wurde. Die Oberflächen
über den Betonprobekörpern sind deutlich kälter als über ungestörten Stellen. Das Thermogramm
in Abb.20 dagegen wurde 6 Stunden nach dem Abschalten der Beleuchtung aufgenommen.
Hier sind die Oberflächen über den Betonprobekörpern deutlich wärmer als über
ungestörten Stellen.
Abb.19: Temperaturverteilung auf der Sandoberfläche direkt nach dem Abschalten der Beleuchtung

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Abb.20: Temperaturverteilung auf der Sandoberfläche 6 Stunden nach dem Abschalten der
Beleuchtung
Die 6 cm dicken Betonprobekörper in einer Tiefe von 6 und 8 cm konnten mit diesem Verfahren
nicht geortet werden. Hier war vermutlich die Sandüberdeckung zu hoch, so daß mögliche
Temperaturdifferenzen im Vergleich zum ungestörten Sand nicht bis zur Sandoberfläche vordringen
konnten.
In Diagramm Abb.21 ist beispielhaft der Verlauf der Temperaturdifferenzen zwischen der
Erdreichoberfläche über der Probe und dem ungestörten Bereich für die 6 cm dicken Proben
in 2 und 4 cm Tiefe bei einer Bestrahlung von 2 Stunden dargestellt.

Temperaturdifferenz in K
7,0
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
-1,0
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-2,0
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Zeit in Minuten
Abb.21: zeitlicher Verlauf der Temperaturdifferenz zwischen gestörter und ungestörter Erdreichoberfläche
– Messung mit Thermographie
Anhand dieser Diagrammen wird das Temperaturverhalten ersichtlich. Aus der Aufheizphase,
die bei den durchgeführten Versuchen allerdings nicht aufgezeichnet wurde, gehen die niedrigeren
Oberflächentemperaturen über den Betonprobekörpern, im Vergleich zum ungestörten
Sand, hervor, da der Beton einen höheren Wärmeeindringkoeffizienten b besitzt als der ihn
umgebende Sand (höheres b niedrigere Oberflächentemperatur). Die Sandoberfläche über
den Betonprobekörpern ist also kälter als über den ungestörten Bereichen.
Nachdem die Beleuchtung abgeschaltet und somit keine Energie mehr zugeführt wird, findet
eine Umkehrung dieses Zustandes statt. Die Kurven der Temperaturdifferenzen verlaufen dabei
fallend, vom positiven Bereich in den negativen, d. h. die Oberflächentemperaturen über
den Betonprobekörpern werden wärmer als die ungestörten Bereiche. Der „Nulldurchgang“
wird bei den 2 cm tiefen Proben in einer Zeit zwischen 80 und 110 Minuten nach dem Abschalten
der Beleuchtung erreicht. Bei den Proben in 4 cm Tiefe geschieht dies noch später
und zwar zwischen 145 und 250 Minuten nach dem Abschalten.
Vergleicht man die Materialparameter beider Materialien ist dieses Verhalten zu erklären:
Sand Beton
Wärmeleitfähigkeit in W/(m·K) 0,25 2,1
spez. Wärmekapazität in J/(kg·K) 1000 1000
Rohdichte in kg/m³ 1500 2400

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DGZfP, Thermografie-Kolloquium, Stuttgart 2001
Anhand dieser Werte ist zu erkennen, daß die Betonprobekörper mehr Wärme speichern können,
als das vergleichbare Volumen an Sand. Nach dem Abschalten der Beleuchtung wird
keine Energie mehr zugeführt und es findet ein Temperaturausgleich statt (Abkühlphase), in
dessen Verlauf der Beton die mehr gespeicherte Wärme an den ihn umgebenden Sand abgibt.
Der Sand über den Proben kühlt daher in Relation langsamer ab, als in den ungestörten Bereichen.
Dies führt mit der Zeit zu höheren Oberflächentemperaturen über den Probekörpern im
Vergleich zu den umliegenden, ungestörten Bereichen. Je tiefer die Probekörper liegen, desto
später ist dieser Effekt an der Sandoberfläche erkennbar.
4.5 FE-Berechnungen zu den Messungen am Erdreich
Zu den zuvor gezeigten Messungen mit Erdreich wurden mit Hilfe der Finite-Elemente-
Methode Berechnungen durchgeführt [7]. Hierzu wurde das Finite-Elemente-Programm
FIDAP verwendet mit dem in Abb.22 gezeigten symmetrischen Modell.
Wärmeübergang
halbe Probe
Sand
Symmetrieachse
Wärmeeintrag
Abb.22: Modell des Erdkörpers mit Probe für die FE-Berechnungen
Mit diesen FE-Berechnungen wurde eine umfangreiche Parameterstudie durchgeführt. Ausgewertet
wurde hierbei immer die Oberflächentemperatur im zeitlichen Verlauf. Um eine
Aussage über die Sichtbarkeit von Objekten zu geben ist dabei die Temperaturdifferenz zwischen
gestörter und ungestörter Erdreichoberfläche zu betrachten. Liegt diese Temperaturdifferenz
über 1 bis 1,5 K so kann im allgemeinen von Sichtbarkeit ausgegangen werden.

Temperaturdifferenz in K
12,0
10,0
8,0
6,0
4,0
2,0
0,0
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DGZfP, Thermografie-Kolloquium, Stuttgart 2001
-2,0
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Zeitnach Abschalten der Wärmequelle in Minuten
Abb.23: zeitlicher Verlauf der Temperaturdifferenz zwischen gestörter und ungestörter Erdreichoberfläche
– FE-Berechnung
Abb.23 zeigt den Verlauf der Temperaturdifferenzen zwischen der Erdreichoberfläche über
der Probe und dem ungestörten Bereich während der Abkühlphase für die Simulation von 6
cm dicken Proben in 2 und 4 cm Tiefe bei einer Bestrahlung von 2 Stunden. Zu erkennen ist
hier der gleiche Kurvenverlauf wie in Abb.21, allerdings in einer anderen Größenordnung.
Verantwortlich dafür sind wahrscheinlich die ungenauen Kenntnisse über den Wärmeübergangskoeffizienten
während der Messung, weshalb dann in der Simulation Standardwerte
angenommen wurden. Welchen Einfluss dieser Faktor auf die Ergebnisse haben kann verdeutlicht
Abb.24.
Temperaturdifferenz in K
8,0
7,0
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
1/ α = 0,17
0,13
0,07
0,05
0,04
-1,0
0 50 100 150 200 250
Zeit nach Abschalten der Wärmequelle in Minuten
Abb.24: zeitlicher Verlauf der Temperaturdifferenz zwischen gestörter und ungestörter Erdreichoberfläche
für verschieden Wärmeübergangskoeffizienten- FE-Berechnung

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DGZfP, Thermografie-Kolloquium, Stuttgart 2001
Sie folgende Tabelle listet die in den FE-Berechnungen variierten Parameter auf und gibt eine
Größenordnung ihres Einflusses auf die Sichtbarkeit von möglichen Objekten im Erdreich.
Variation Einfluß
Wärmeleitfähigkeit des Probekörpers im Verhältnis zur Wärmeleitfähigkeit
des Erdreichs
spez. Wärmekapazität des Probekörpers im Verhältnis zur spez. Wärmekapazität
des Erdreichs
groß
groß
Probenüberdeckung groß
Probenbreite > 10 cm gering
Wärmeübergang groß
Temperaturdifferenz zwischen Luft und Erdreich gering
Aufgebrachter Wärmestrom (Bestrahlung) groß
Erwärmungsdauer bis 4 h groß
5 Zusammenfassung
über 4 h gering
Da für den thermographischen Nachweis von Einschlüssen in Baukonstruktionen und
im Erdreich häufig der dazu notwendige Wärmestrom fehlt, kann dieser ersatzweise
durch aktive Maßnahmen (Bestrahlung, Warmluft,...) erzeugt werden.
Im Laborversuch wurde an verschiedenen Probekörpern untersucht, unter welchen Bedingungen
Einschlüsse aufgrund ihres instationären thermischen Verhaltens detektiert
werden können. Als Einschlüsse (Störungen) kamen Objekte aus unterschiedlichen
Materialien zum Einsatz, z.B. Beton, Stahl, PVC oder auch Hohlkörper, Luft- und
Wassereinschlüsse.
Die zu untersuchenden Bereiche wurden einseitig mit einem Strahler oder mit Warmluft
aufgewärmt, wobei die Intensität und die Bestrahlungsdauer variiert wurden. Aufgrund
der unterschiedlichen thermischen Eigenschaften der Einlagerungen gegenüber

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DGZfP, Thermografie-Kolloquium, Stuttgart 2001
dem umgebenden Material ergibt sich ein gestörtes thermisches instationäres Verhalten.
Mit einer IR-Kamera wurden die Oberflächentemperaturen der angestrahlten sowie
der gegenüberliegenden Seite während der Aufheiz- und der Abkühlphase beobachtet.
Es zeigte sich, daß diese Methoden unter bestimmten Voraussetzungen zum Erfolg
führen. Grenzen sind im allgemeinen durch die Größe der Einschlüsse sowie die Dicke
der Überdeckung gegeben.
Für die Versuche mit Einschlüssen im Erdreich wurde zusätzlich mit numerischen Berechnungen
eine Parameterstudie durchgeführt um die Einflußgrößen genauer zu quantifizieren.
6 Literatur
[1] Arendt, K.: Technische Untersuchungen in der Altbausanierung, Verlagsgesellschaft Rudolf
Müller GmbH, Köln, 1994
[2] Arndt, D.; Borchardt, K.; Croy, P.; Geyer, E.; Henschen, J.; Maierhofer, C.; Niedack-Nad,
M.; Rudolph, M.; Schaurich, D.; Weise, F. Wiggenhauser, H.: Anwendung und
Kombination zerstörungsfreier Prüfverfahren zur Bestimmung der Mauerwerksfeuchte
im Deutschen DomForschungsbericht 200 BAM, Berlin; 1994, Wirtschaftsverlag
NW, Verlag für neue Wissenschaft GmbH, Bremerhaven
[3] Bison, P.G.; Bressan, C.; Grinzato, E.; Marinetti, S.; Vavilov, V.: Active thermal testing of
moisture in bricks, SPIE Vol. 1933, Thermosense XV, pages 207 – 214, April 1993
[4] Bison, P.G.; Grinzato, E.; Marinetti, S.: Moisture evaluation by dynamic thermography
data modelling, SPIE Vol. 2245, Thermosense XVI, pages 176 – 182, March 1994
[5] Böttcher, B.; Richter, H.: Ein Beitrag zum Nachweis von Feuchtigkeit im Mauerwerk mit
Hilfe der Infrarotkamera. Materialprüfung 24, 1982, Nr. 1, Januar, S. 5 – 9
[6] Büscher, K. A.: Einsatz der Modulationsthermographie zum Nachweis von Feuchtigkeit in
Baustoffen, Dissertation, Universität Rostock, Fakultät für Ingenieurwissenschaften,
1999
[7] Edinger, M.: Anwendbarkeit der Oberflächentemperaturmessung zur Lokalisierung von im
Erdreich verborgenen Objekten aufgrund von instationärem thermischen Verhalten,
Diplomarbeit, Uni Kaiserslautern, 2000

28
DGZfP, Thermografie-Kolloquium, Stuttgart 2001
[8] Dahlem, K.-H. / Heinrich, H.: Leckageortung bei der Luftdichtheitsmesung mit der "Blower-Door",
BDB Landesnachrichten Rheinland-Pfalz/Saarland (1998), Heft 3, S. 21-
22
[9] Einblick in Beton, Zerstörungsfreie Bewehrungssuche, Firmenprospekt, Hochtief AG,
vorm. Gebr. Helfmann, Rellinghauser Str. 53 –57, 4300 Essen 1
[10] Florin, C.: Zustandsaufnahme an Stahlbetonbauteilen (Brücken, Stollen, Straßen und
Tunnels), DGZfP Fachtagung Bauwerksdiagnose – Praktische Anwendung der Zerstörungsfreien
Prüfung, 1999, S. 257 – 266, (Plakat 14
[11] Gerner, M.; Kynast, F.; Schäfer, W.: Infrarottechnik – Fachwerkfreilegung
[12] Grinzato, E.; Bressan, C.; Bison, P.G.; Mazzoldi, A.; Baggio, P.;Bonacina, C.:
Evaluation of moisture contnet in porous material by dynamic energy balance, SPIE
Vol. 1682, Thermosense XIV, pages 213 – 221, April 1992
[13] Hillemeier, B. : Bewehrungssuche mit der Thermographie, Beton- und Stahlbetonbau,
Heft 4, 1980, S. 83 – 85
[14] Infrarotaugen sehen mehr, Zum Einsatz der Thermographie in der zerstörungsfreien Bauschadensuntersuchung,
Industriebau, Jg. 35, 1989, Nr. 4, S. 284 – 288
[15] Janowski, D.: Erfahrungen mit der Infrarotthermographie unter instationären Bedingungen,
Bauplanung – Bautechnik, Jg. 45, Heft 9, September 1991, S 398 – 400
[16] Raicu, A.: IR-Thermographie im Bauwesen - Aufstellung eines Leitfadens zur Anwendung
der Infrarotthermographie bei instationären Temperaturverhältnissen zur Feststellung
versteckter Baufehler. Abschlußbericht für das Bundesministerium für Verkehr
Bau- und Wohnungswesen, Frauenhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE,
Freiburg, 1999
[17] Schickert, G.: Infrarot-Reflektographie im Bautenschutz. Die Umschau, 1984, Heft 20, S.
596 – 597
[18] Tobiasson, W.: Roof moisture surveys: current state of the technology, SPIE Vol. 0371,
Thermosense V, pages 24 – 31, 1982, Deutsch-Verlagsanstalt GmbH, Stuttgart, 1980
[19] Vogel, J.: Aktive Thermographie als Methode der Zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen,
Diplomarbeit, Uni Kaiserslautern, 2000
[20] Weise, F.; Wiggenhauser, H.: Zerstörungsfreie Feuchtemessung an historischen Bauten;
BAM, Berlin 1997, Bauwerksdiagnostik und Qualitätssicherung, WTA-
Schriftenreihe, Heft 13, S. 63 – 82