Infrarot-Thermographie als NDT in der Bauforschung (KDWT)

Ausgangslage Projekt

Das Prinzip der Infrarot-Thermografie als zerstörungsfreies, kontaktloses Testverfahren wird schon seit mehreren Jahrzehnten angewendet. Thermokameras dokumentieren berührungslos die Oberflächentemperaturen von umliegenden Objekten, indem sie die Intensität der objektspezifischen elektromagnetischen Strahlung im Infrarotbereich darstellen. Diese für das menschliche Auge nicht mehr im sichtbaren Spektralbereich liegende Strahlung wird als Thermogramm in sichtbare Falschfarbendarstellungen umgewandelt, aus denen sich die gemessenen Temperaturdifferenzen auslesen lassen. Entsprechend können diese sogenannten Thermogramme unter Umständen Objekteigenschaften darstellen, die im Bereich des sichtbaren Lichtes und daher für das menschliche Auge verborgen bleiben.

Die Vorteile der Infrarot-Thermographie als zerstörungsfreie Untersuchungsmethode (NDT) liegen auf der Hand: Der Einsatz von Infrarot erfolgt berührungslos, es ist kein Kontakt zum Messobjekt nötig. Dies ermöglicht Messungen an sehr empfindlichen sowie an schwer erreichbaren oder unzugänglichen Objekten. Aufnahmen sind – ähnlich der Photographie - in Abhängigkeit von der Auflösung der Thermogramme auch über weite Distanzen möglich. Vor allem aber bleiben die Messungen absolut zerstörungsfrei, es müssen weder Proben entnommen werden noch kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen Messobjekt und Messgerät. Auch Material- bzw. Oberflächenveränderungen infolge der Messprozesse sind auszuschließen. Die neue Generation der Infrarot-Sensoren zeichnet sich besonders durch eine hohe Sensitivität aus, sie verfügen über sehr gute Temperaturauflösungen und –messgenauigkeiten im Bereich weniger Zehntel Grad und sind so auch für die Untersuchung von Objekten mit geringen internen Temperaturdifferenzen geeignet. Darüber hinaus handelt es sich bei der Infrarot-Thermographie um ein bildgebendes NDT-Verfahren, das die gemessenen Daten unmittelbar und als flächenhafte Temperaturinformation in unterschiedlichen Darstellungsmöglichkeiten ausgeben kann. Diese Visualisierungen sind jederzeit reproduzierbar und können bereits vor Ort während der Messung ausgewertet werden. Weiterhin von großer Bedeutung ist die Geschwindigkeit des Messverfahrens. Thermographie-Kameras arbeiten innerhalb sehr kurzer Mess- und Ansprechzeiten, die Thermogramme sind ähnlich wie in der Digital-Photographie sofort auswertbar, Sequenz-Aufnahmen können in Echtzeit eingesehen werden.

Die Infrarot-Thermographie ist ein universell anwendbares und für viele Fragestellungen hilfreiches Mess- und Dokumentationsverfahren. Zum Einsatz kommt dieses NDT-Verfahren vor allem in der Materialprüfung, der industriellen Fertigung und der Energietechnik. Im Gebäudebereich wird Infrarot-Thermographie überwiegend zur Klärung bauphysikalischer Fragestellungen eingesetzt. Die Lokalisierung und Evaluierung von Wärmeverlusten über Fassaden und Dächer, konstruktionsspezifische Wärmebrücken oder auch Zustand und Leistungsfähigkeit der Wärmedämmungen stehen oft im Fokus solcher Untersuchungen. Weiterhing eignet sich die IRT gut zur Visualisierung der Feuchteverteilung in Bauteilen und zur Lokalisierung potentieller Schimmel- und Feuchteschäden. Vor allem in der Schadensdokumentation und der Vorbereitung von energetischen Sanierungsmaßnahmen hat sich die IRT als zerstörungsfreies Prüfverfahren bewährt.


Problemstellung

In weitaus geringerem Maß als in der Bauphysik wurde die IRT bisher zur Untersuchung historischer Gebäude genutzt. Das Prinzip der Visualisierung elektromagnetischer Strahlung im Infrarotbereich eignet sich neben der grundlegenden Ablesbarkeit der Oberflächenwärme-Verhältnisse aber durchaus zur Untersuchung weiterer Materialparameter. In Abhängigkeit der spezifischen Oberflächentemperatur können Aussagen über Wärmeleitfähigkeit, Wärmespeicherkapazität, Materialbeschaffenheit und Bauteil-Aufbau abgeleitet werden. Thermogramme bieten die Möglichkeit, Schlussfolgerungen über die Anordnung von einzelnen Bauteilen und ihren Anschlüssen sowie ganzer Konstruktionen ziehen, da das Wärmeverhalten an Material- und Bauteilübergängen im Vergleich zum Bauteilinneren oft variiert.
Sobald ein Temperaturgefälle zwischen Bauteilvorder- und Rückseite bzw. Anschluss besteht, kann das Verhalten der Wärmeströme mit Hilfe einer Thermo-Kamera auf den Bauteiloberflächen abgelesen werden. Typischerweise entstehen diese Umgebungsbedingungen im Winter bei geringen Außentemperaturen und vergleichsweise warmen, beheizten Innenräumen oder auch bei intensiver, im Tagesverlauf variierender solarer Bestrahlung von Fassaden. Gibt es keine bauteilinternen Temperaturdifferenzen, beispielsweise bei gleichmäßiger Temperaturverteilung im Innenbereich, kann ein Temperaturgefälle erzeugt werden, indem die zu untersuchenden Objekte einseitig thermisch angeregt werden. Mithilfe dieser individuell steuerbaren Anregungsmöglichkeit lässt sich die Infrarot-Thermographie für eine Vielzahl bauforscherischer Fragestellungen einsetzen. Vor allem im Bereich der zerstörungsfreien Voruntersuchungen, bei Fassadendokumentationen, Konstruktions- und Gefügeanalysen, Baufugen und –anschlüssen oder auch im Fall nachträglich veränderter Bauteile kann die IRT zur Klärung beitragen. Darüber hinaus eignet sich das Verfahren zur Schadensanalyse und –dokumentation. Risse und Hohlstellen, Materialdegenerationen, Oberflächen-Veränderungen und Feuchte können unter entsprechenden Umgebungsbedingungen in Thermogrammen dargestellt werden.

Insgesamt ist die IRT ein vielseitig einsetzbares Prüf- und Dokumentationsinstrumentarium, das einen entscheidenden Mehrwert in den Kanon bauforscherischer Analyseverfahren bringen kann. Vor allem in der Kombination mit anderen, sich ergänzenden, möglichst zerstörungsfreien Analysemethoden können so bauforscherische und denkmalpflegerische Fragestellungen umfassend untersucht und geklärt werden. Allerdings gibt es noch keine flächendeckend dargestellten oder umfassend einsehbaren Evaluationen dieses zerstörungsfreien Prüfverfahrens in der Bauforschung. Auch allgemeingültige Erfahrungswerte und daraus ableitbare Standards sind kaum verfügbar.

Gleiches gilt auch für angrenzende Forschungsgebiete: In Archäologie, Kunstgeschichte und Restaurierungswissenschaften bietet sich die IRT ebenso als vielversprechende Untersuchungsmethode an, sowohl in der überblickhaften Analyse als auch bei der Klärung spezifischer Fragestellungen in Detailbereichen. Auch hier gibt es vielfältige Forschungsansätze, aber noch vergleichsweise wenig verbindliche Handreichungen.


Aufgabe

Im Bereich der technischen Bauwerksanalyse sollen am KDWT die Möglichkeiten und Rahmenbedingungen für den Einsatz von Infrarot-Thermographie in Bauforschung, Restaurierungs- und Denkmalwissenschaften untersucht werden. Die IRT bietet als zerstörungsfreies Untersuchungs- und Dokumentationsverfahren ein großes Potential für die Bamberger Denkmalwissenschaften. Dieses soll im Kontext der bestehenden Bauforschungs-Methodik evaluiert werden. In Erweiterung hierzu gilt es, befundorientierte Kombinationsmöglichkeiten verschiedener Untersuchungsverfahren mit der IRT auszuloten.


Methode und Einbindung, Vernetzung

Zunächst soll die Bandbreite der untersuch- und dokumentierbaren Objekte und Fragestellungen ausgelotet werden, von überblicksartigen Voruntersuchungen bis hin zu detaillierten Objektanalysen. Dies umfasst einerseits die Aufarbeitung des aktuellen Forschungsstandes im Bereich der Infrarot-Thermographie in der Bauforschung und andererseits die Entwicklung eines eigenen Analyseprofils. Darauf aufbauend sollen verschiedene Bearbeitungstiefen und Detailgrade von Untersuchungsvarianten getestet werden. Anfangs wird vor allem objektspezifisch untersucht, mit zunehmenden Erfahrungswerten sollen auch objektunabhängige Untersuchungsstandards entwickelt werden. Parallel soll eine Evaluation der Rahmenbedingungen von IRT in der Bauforschung stattfinden, die unter anderem die Machbarkeit, das Verhältnis von Aufwand zu Aussagekraft der Untersuchungsergebnisse und das Potential thermografischer Messwerte darlegen soll. Ergänzend zu dieser Standortbestimmung von Thermografie in der technischen Bauwerksanalyse und Bauforschung werden die Einsatzmöglichkeiten in angrenzenden Fachgebieten wie den Restaurierungswissenschaften, der Denkmaltechnologie und Archäologie erprobt. Darüber hinaus wird eine weitere wichtige Aufgabe darin bestehen, die Einbindung von IRT in die Methodik zerstörungsfreier Prüfverfahren zu testen und vielversprechende Synergieeffekte von Untersuchungs- und Dokumentationstechniken herauszuarbeiten.


Projektziel

Ziel der Evaluation von thermographischen Untersuchungen am KDWT ist es, Möglichkeiten und Grenzen der Anwendung von Infraro¬¬t-Thermographie im Bereich der Bauforschung, den Restaurierungswissenschaften und der digitalen Objekterfassung und Analyse auszuloten und in einen entsprechenden wissenschaftlichen Kontext zu setzen. Damit soll zum einen der Methoden-Kanon zur zerstörungsfreien Erfassung, Analyse und Erschließung komplexer Objekte der Bau- und Kunstdenkmalpflege erweitert werden. Andererseits zielen diese Untersuchungen darauf ab, digitale Darstellungs- und Dokumentationsmethoden weiterzuentwickeln und neue Kombinationsverfahren zu testen. Dabei soll es nicht nur bei konventionellen Fragestellungen zur Schadensanalyse bzw. Monitoring-Möglichkeiten bleiben, sondern vor allem auch um die Einschätzung und wissenschaftlich fundierte Darstellung technischer Gebäudeparameter und Bauwerksqualitäten im Allgemeinen gehen.