Projekt 04964/01

Schadensanalyse an Kulturdenkmälern mittels zerstörungsfreier geoakustischer Meßverfahren

Projektdurchführung

Technische Universität Bergakademie FreibergInstitut für Geophysik
Gustav-Zeuner-Str. 12
09596 Freiberg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Anwendung der Ultraschalltomografie auf die Untersuchung von Baudenkmalen. Die Zielstellung bestand im Nachweis von Inhomogenitäten und Entfestigungsbereichen im Stein sowie in der Detektion von Einlagerungen. Dabei sollte erstmals eine Kombination von seismischer P-und S-Wellentomografie zur Anwendung kommen, die Koppelbedingungen der Geber und Empfänger am Bauwerk gelöst und dynamische Elastizitätsmoduln in Form tomografischer Schnitte aus den Meßergebnissen entwickelt werden. Im Mittelpunkt stand dabei die Konzipierung einer Ergebnisdarstellung, welche die Festigkeitsverhältnisse im Stein über die Wellengeschwindigkeiten und der Elastizitätsmoduln in möglichst anschaulicher Weise dem Denkmalspfleger vermittelt. Das Verfahren sollte an verschiedenen denkmalgeschützten Baudenkmalen eingesetzt werden, welche der Sanierung bedürfen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAm Beginn der Arbeiten erfolgten Messungen an Gesteinsblöcken aus Marmor und an Sandstein, die vorrangig der Bestimmung von Koppelmitteln der Geber und Aufnehmer sowohl für die P-und auch der S-Welle dienten. Daneben ließen sich das Auflösungsvermögens des tomografischen Verfahrens an bekannten Hohlräumen im Stein bewerten und Festlegungen über den Punktabstand der Geber-und Empfängerpositionen für praktische Messungen am Baudenkmal treffen. Insbesondere wurden die Auswirkung von eindringendem Niederschlagswasser in Sandsteine auf die gemessenen P-und S-Wellengeschwindigkeiten und die entsprechenden Auswirkungen auf die elastischen Moduln untersucht. Breiten Raum im Vorhaben nahm die aufwendige Bearbeitung der Meßergebnisse ein, aus denen zur bequemen Ergebnisbewertung durch den Nichtgeophysiker ausschließlich tomografische Schnitte entwickelt wurden. Außerdem erfolgte die Bewertung des spektralen Inhalts von gemessenen Registrierungen, die den vollen akustischen Wellenzug enthalten. Wichtige Voruntersuchungen dienten außerdem der Signalverbesserung der aufgenommenen akustischen Impulse durch Stapelung bei schlechter Amplitudenwiedergabe und der Ergebnisskontrolle nach dem seismischen Gegeschußprinzip. Für die Anwendung des Verfahrens erfolgten praktische Untersuchungen am Wendelstein in Torgau, des Mariendoms in Zwickau, der Nikolaikirche in Freiberg und an einer Sandsteinamphore aus der Fasanerie Moritzburg. Die entsprechenden Ergebnisse wurden tomografisch analysiert und in leicht lesbarer Form dargestellt.


Ergebnisse und Diskussion

Die Voruntersuchungen an Gesteinsblöcken an Marmor führten zum Nachweis von strukturellen Inhomogenitäten und zur Auflösbarkeit vor Fremdeinschlüssen im Stein. Sollen diese von der Tomografie erkannt werden, so darf ihr Durchmesser nicht kleiner als die Wellenlänge der emitierten Ultraschallimpulse sein. Damit liegt auch der kleinste noch sinnvollste Rasterquerschnitt fest, der sich aus der Überdeckung der Strahlenwege und damit aus den Abständen der Geber und Empfänger an der Oberfläche des Bauwerkes ableitet. Dies trifft gleichermaßen auch für die rechnerische Bearbeitung der Ergebnisse zur Ableitung der entsprechenden tomografischen Schnitte des Steins zu. Die Bearbeitung selbst erfolgte mit einem SIRT-Algorithmus, welcher sowohl gerade als auch gekrümmte Strahlenwege berücksichtigt. Überwiegend können mit geraden Strahlenwegen die auftretenden Fragestellungen des Denkmalpflegers gelöst werden. Damit gelingt eine wesentliche Reduzierung der erforderlichen Rechenzeiten gegenüber dem Ansatz mit gekrümmten Strahlen. Bei kleinen Laufwegen der Wellen im Bereiche der Ecken von Baudenkmalen werden hohe Anforderungen an die exakte Positionierung der Geber und Empfänger gestellt und ggf. Korrekturen nötig.
Im Vergleich zu bisherigen Ultraschalluntersuchungen an Bauwerken ermöglichen tomografische und spektrale Bearbeitungen einen entscheideneden Informationsgewinn für den Denkmalspfleger. Allerdings muß dazu ein zusätzlicher technischer und rechnerischer Aufwand betrieben werden. Im Fördervorhaben ist die dazu erforderliche Meß- und Bearbeitungstechnik niedergelegt.
Die praktischen Messungen konzentrierten sich vorwiegend auf Teile von Bauwerken, für die seitens des Sächsischen Amtes für Denkmalspflege, Dresden Handlungsbedarf hinsichtlich künftiger Sanierungsmaßnahmen besteht. Die Auswahl der Objekte sowie die Messungen erfolgten daher in gegenseitiger Abstimmung.
Am Wendelstein in Torgau konnten in den zentralen Bereichen der untersuchten Pfeiler aus Cottaer Sandstein Bereiche mit verminderten Geschwindigkeiten ausgegliedert werden. Vergleichende Laboruntersuchungen erklären dieses Verhalten mit einer höheren Durchfeuchtung durch Niederschlagseinwirkung. Die Annahme von begleitenden Entfestigungen ist hier sehr wahrscheinlich und läßt sich in den Tomogrammen deutlich verfolgen.
Im Mariendom in Zwickau wurde eine tragende Säule aus Rotliegendsandstein untersucht. Die akustische Tomografie zeigt im Säuleninneren geringe Schallgeschwindigkeiten, die demonstrieren, daß keine Kompaktbauweise vorliegt, sondern der Kernbereich des Pfeilers mit Bauschutt aufgefüllt wurde, was eine Kernbohrung bestätigt.
In der Fasanerie von Moritzburg gelangte eine Vase aus Cottaer Sandstein zur Untersuchung. Die entwickelten Tomogramme der P-und S-Welle zeigen die unterschiedliche Struktur im Inneren sehr deutlich. Die relativ niedrigen Geschwindigkeiten im Fußbereich deuten auf höhere Durchfeuchtung hin, während die Geschwindigkeitsmaxima im oberen Vasenbereich einen eisernen Zapfen abbilden, welcher zur Stabilität der Skulptur beim Bau eingebracht wurde.
In der Nikolaikirche in Freiberg erfolgten Messungen an einem verputzten, tragenden Pfeiler des Hauptschiffes. Die Messungen führten zum Nachweis geringer Schallgeschwindigkeiten und hoher Absorptionswerte. Durch die Anlage der Messungen in mehreren Ebenen quer zur Pfeilerachse und längs des Pfeilers konnte im Sockelbereich eine Bruchsteinmauerung und im oberen Abschnitt Ziegelbauweise erkannt werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Vorträge:
- FKPE Arbeitsgruppe Bohrlochgeophysik und Petrophysik; 28.04.1995 und 17.10.1996 in Hannover
- Arbeitsseminar Petrophysik und Umwelt; 20.09.1995 in Bucha bei Leipzig
- 56. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft; 20.03.1996 in Freiberg
Publikation:
- Geoakustische Untersuchungen an Bauwerken. Mitteilungen der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft (im Druck)
Bericht:
- Ergebnisse akustischer Durchschallungsmessungen an einem Pfeiler der Nikolaikirche in Freiberg (für die Stadt Freiberg)


Fazit

Im Projekte erfolgte die Entwicklung einer Meß-und Auswertemethodik für tomografische Ultraschalluntersuchungen von Baudenkmalen. Praktische Messungen an ausgewählten Objekten lassen erkennen, daß mit dem Verfahren der Nachweis von Inhomogenitäten im Stein und das Erkennen festigkeitseinschränkender Bereich im Stein möglich ist.