Anwendung der Methode der magnetischen

DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR ZERSTÖRUNGSFREIE PRÜFUNG
Fachtagung Bauwerksdiagnose –
Praktische Anwendungen Zerstörungsfreier Prüfungen
21.-22. Januar 1999 in der Neuen Messe München
DGZfP-Berichtsband 66 CD
Vortrag 7
Anwendung der Methode der magnetischen Streufeldmessung zur
Ortung von Spannstahlbrüchen
G. Sawade, Stuttgart
Zusammenfassung
Die Methode der magnetischen Streufeldmessung ermöglicht die Untersuchung von Spannbetonbauteilen auf Spannstahlbrüche. Neben der Meßtechnik kommt der Signalverarbeitung
eine große Bedeutung zu, da die Interpretation der Streufeldsignale sehr kompliziert ist.
Nachfolgend wird die Methode der magnetischen Streufeldmessung erläutert und eine
Anwendung in der Praxis vorgestellt
1 Einleitung
Schadensfälle an Spannbetonbauwerken, wie z.B. der Teileinsturz der Berliner Kongresshalle
im Jahr 1980, zeigen die Gefährdung von Spannbetonbauteilen durch wasserstoffinduzierte
Spannungsrißkorrosion der eingebauten Spannstähle. Da das Versagen von
Spannbetonbauteilen nahezu vorankündigungslos erfolgt, kommt der Überprüfung der
Spannbewehrung auf etwaige vorhandene Spannstahlbrüche eine große Bedeutung im
Rahmen der Bauwerksüberwachung zu.
Die zerstörungs- und berührungsfreie Methode der magnetischen Streufeldmessung
ermöglicht die Ortung von Brüchen der Spannbewehrung. Erstmals wurde von Kusenberger
et. al./1/ in den USA dieses Verfahren zur Detektion von Spannstahlbrüchen in
Spannbetonbauteilen eingesetzt. In Deutschland wurde das Verfahren an drei verschiedenen
Institutionen (Fa. Hochtief, FMPA Stuttgart, TU München) zunächst zur Überprüfung von
Fertigteildecken mit sofortigem Verbund entwickelt und eingesetzt. In der Folgezeit wurde
das Verfahren weiterentwickelt, so daß auch die Untersuchung von Spannbetonbauwerken
mit nachträglichen Verbund ermöglicht wird /2,3/.
2 Grundlagen
Bei der magnetischen Streufeldmessung wird das zu untersuchende Bauteil mit einem
Magnetfeld Ho beaufschlagt, das im Bauteil (d.h. in der Bewehrung) eine Magnetisierung M
erzeugt. Diese Magnetisierung ist die Quelle des magnetischen Streufeldes Hs . Defekte und
Fehlstellen in der Bewehrung (wie z.B. Brüche) sind örtliche Störungen der BauteilMagnetisierung, und können anhand charakteristischer Anomalien des magnetischen
Streufeldes erkannt werden (s.Bild 1). Zur Durchführung der magnetischen Streufeldprüfung
wird ein Prüfkopf, der eine Magnetisiervorrichtung (Jochmagnet) sowie Magnetfeldsensoren
enthält, längs der Spannbewehrung bewegt. Die Messung des magnetischen Streufeld erfolgt
sowohl im aktiven Feld (während des Einwirkens des äußeren erregenden Feldes Ho), sowie
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im Restfeld, wobei das Magnetfeld der im Bauteil nach dem Ausschalten der
Magnetisiervorrichtung verbliebenen remanenten Magnetisierung gemessen wird.
In Bild 1 ist ein typischer Verlauf des Streufeldes (Messung im aktiven Feld und Restfeldmessung) dargestellt. Bei diesem Beispiel wird der Prüfkopf von x = 0 cm bis x= 200 cm mit
eingeschaltetem Feld bewegt. Das Magnetfeld wird bei xh = 200 cm ausgeschaltet. Bei der
Messung im aktiven Feld wie bei der Restfeldmessung wird der Bruch durch ein deutliches
lokales Maximum sichtbar. Der Peak im Restfeld am Ende der Meßstrecke (bei 200 cm) wird
durch eine Magnetisierungsstörung infolge des Ausschaltens des äußeren Magnetfeldes verursacht. In Bild 2 wird eine berechnete Hysteresiskurve für Spannstahl dargestellt.
3 Durchführung der Messungen
Die gemessenen magnetischen Signale werden nicht nur durch die Brüche der Spannbewehrung, sondern in einem erheblichen Maße durch die oberflächennahe Bewehrung, insbesonders durch die Querbügel beeinflußt. Durch das Meßverfahren können jedoch die
Signalanteile, die auf die schlaffe Bewehrung zurückzuführen sind, zumindestens teilweise
unterdrückt werden. Dabei werden folgende Verfahren angewendet:
1. Vergleich bzw. Differenzbildung von Messungen im aktiven Feld, die bei
unterschiedlichen Pol (Strom-)Stärken des Jochmagneten (s.Bild 3) durchgeführt worden
sind.
2. Herausfiltern der Anteile der Querbügel aus dem Meßsignal.
3. Durchführung von Restfeldmessungen nach unterschiedlichen Magnetisierungszuständen
Die erste Methode beruht darauf, daß die Zuwächse der Signale der Spannbewehrung nicht
proportional zur Polstärke p bzw. dem Spulenstrom I des Jochmagneten erfolgen. BruchPeaks der Spannbewehrung, die meistens eine größere Betondeckung als die schlaffe
Bewehrung hat, werden bei der Messung im aktiven Feld erst bei höheren Spulenströmen
sichtbar. Dies ist auf die magnetische Neukurve des Spannstahls zurückzuführen, bei der die
Suszeptibilität mit höheren Feldstärken deutlich zunimmt. Damit wird aber der magnetische
Fluß von der schlaffen Bewehrung in die Spannbewehrung „umgeleitet“, so daß dort
überproportionale Signalzuwächse zu verzeichnen sind, während die Signalzuwächse in der
schlaffen Bewehrung geringer ausfallen. In Bild 3 wird diese Meßmethode an einem Beispiel
dargestellt.
Bei der zweiten Methode werden die Anteile der Querbügel aus dem Meßsignal direkt herausgefiltert. Hierzu wird zunächst die Lage der Querbügel aus dem Restfeldsignal bestimmt. Danach wird mittels der Best-Fit-Methode (unter Berücksichtigung des Signals eines einzelnen
Querbügels) der Signalanteil berechnet, der auf die Querbügelsignale zurückzuführen ist und
vom Meßsignal subtrahiert. Bei dieser Methode wird vorausgesetzt, daß die Signale der
Querbügel und der Spannbewehrung linear superponiert werden können. Die Methode der
direkten Filterung ist in Bild 4 dargestellt.
Die dritte Methode zur Unterdrückung der Signale der oberflächennahen Bewehrung wird bei
der Restfeldmessung angewendet. Bei der Vorgehensweise nach Scheel /5/ wird das gesamte
Bauteil zunächst maximal aufmagnetisiert. Anschließend wird die oberflächennahe schlaffe
Bewehrung abmagnetisiert, indem die Stromstärke des Jochmagneten bei weiteren
Magnetisierungsfahrten ständig abgesenkt wird. Die Abmagnetisierung der schlaffen
Bewehrung ist dabei stärker als die Abmagnetisierung der Spannbewehrung, so daß die
Bruchsignale der Spannbewehrung deutlicher werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Unterdrückung der Querbügelsignale besteht darin, die Querbügel gezielt umzumagnetisieren. Während das Bügelsignal bei Messung im aktiven Feld unsymmetrisch (in Bezug auf den Bügelort) ist, wird bei der Restfeldmessung ein antisymmetrisches Bügelsignal gefunden. Je nachdem, ob bei der vorangegangenen Magnetisierung der
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Jochmagnet am Ende der Meßstrecke ausgeschaltet wurde (Messung R1) oder ob der Jochmagnet mit eingeschalteten Feld wieder an den Startpunkt der Meßstrecke gefahren und erst
dann ausgeschaltet wurde (Messung R2), haben die beiden Restfeldsignale bei annähernd
gleichem Betrag eine unterschiedliche Polarität. Bei Addition der Restfeldsignale R1 und R2
heben sich die Anteile der Querbügel weitgehend auf, so daß nur noch die Anteile der
Längsbewehrung übrig bleiben. Wenn allerdings der Bruchquerschnitt durch intakte
Spannstähle abgeschirmt wird, sind die Bruchsignale bei der Restfeldmessung deutlich
geringer als bei der Messung im aktiven Feld. In Bild 5 ist die Vorgehensweise des
Abmagnetisierens und der Bügelunterdrückung bei der Restfeldmessung dargestellt.
4 Signalanalyse
Für die quantitative Signalanalyse wurden folgende Verfahren entwickelt/2,4/:
1. Bewertung der Veränderung der Signalform der Messungen bei unterschiedlichen
Stromstärken des Jochmagneten (lokale Korrelation zweier Messungen)
2. Lokale Korrelation des “bügelbereinigten“ Signals mit einem typischen Bruchsignal.
Bei dem ersten Verfahren werden zwei Messungen im aktiven Feld, die bei unterschiedlichen
Stromstärken I vorgenommen wurden, in einem Korrelationsintervall miteinander verglichen.
Dabei wird die lokale Ähnlichkeit beider Meßsignale durch Gleichung (1) beschrieben:
(1)
H S ( I 2 , x ) = p( x ) ⋅ H S ( I1 , x ) + a( x )
Die Parameter p und a werden im Korrelationsintervall [x-h,x+h] (2h-Korrelationslänge)
mittels Best-Fit-Methode bestimmt. Änderungen der Signalform sind aus den Ortskurvenverläufen für den Proportionalitätsfaktor p(x) und dem Offset a(x) ersichtlich (s. Bild 3).
Die gleiche Vorgehensweise wird bei der lokalen Korrelation des (bügelbereinigten)
Messignals mit einem Bruchsignal angewendet. Als Bruchsignal wird hierzu ein 1/z3 -Signal
verwendet, wobei z der kleinste Abstand des Bruchs zum Sensor ist.
(2) H ( I 2 , x ) =
p( x )
+ a( x )
z3
Die „Bruchstärke“ p(x) und der Offset werden ebenfalls wieder mittels Best-Fit-Verfahren im
Korrelationsintervall bestimmt. In Bild 4 ist die Bruchstärke für das „bügelbereinigte“ Signal
dargestellt. Der Betrag von p ist ein direktes Maß für die Wahrscheinlichkeit eines Bruches.
5 Beispiel
In diesem Bespiel werden Ergebnisse der Untersuchung einer Spannbetonbrücke dargestellt.
Die Untersuchung wurde in Abschnitten von je 350 cm Länge vorgenommen. An jedem
Untersuchungsabschnitt wurden mehrere Meßfahrten des Prüfkopfes durchgeführt, bei denen
das erregende Magnetfeld von 2-8 A variiert wurde. Die Bilder 6-8 zeigen Streufeldverläufe
in einem Meßabschnitt mit einem gebrochenem Spannglied. In Bild 8 wird das
Differenzsignal zweier Meßfahrten (Spulenstrom I = 4 und 8 A) dargestellt. Es wird
ersichtlich, daß im Differenzsignal die Querbügelsignale deutlich reduziert sind. Die
Streufeldverteilung von Bild 8 zeigt an, daß das nahe der Sonde S1 liegende Spannglied
gebrochen war. Das zweite Spannglied hingegen zeigte keine Schäden. Diese Aussage wurde
bei einer späteren Öffnung des Spannbetonträgers im vollen Umfang bestätigt.
6 Zusammenfassung und Ausblick
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Brüche der Spannbewehrung in Spannbetonbauteilen können durch Messung des
magnetischen Streufeldes berührungslos detektiert werden. Die Signale der oberflächennahen
schlaffen Bewehrung können durch verschiedenene Meß- und Analyseverfahren relativ gut
unterdrückt werden, so daß bei der Erstuntersuchung eines Bauteils bei einem regelmäßigen
Bewehrungsaufbau durchaus noch Brüche einzelner Spannstähle bei oberflächennahen
Spanngliedern detektierbar sind. Gegenwärtig wird an der Automatisierung der
Signalauswertung auf der Basis der obigen Analyseverfahren gearbeitet.
Eine weitere Anwendung der Methode der magnetischen Streufeldmessung sollte in der routinemäßigen Bauwerksüberwachung (z.B. bei Brückenhauptuntersuchungen) liegen. Der
Vorteil liegt dabei in der Tatsache, daß bei immer gleicher Meßgeometrie und eventuell
konstanter Vormagnetisierung lediglich Veränderungen der Meßsignale detektiert werden
müssen, um Hinweise auf neuhinzugekommene Schäden erhalten zu können. Unter
Verwendung von hochauflösenden Magnetfeldsensoren ist bei einer hohen
Reproduzierbarkeit der Meßanordnung die Detektion kleiner Defekte (z.B. Anrisse) bei einer
Wiederholungsmessung durchaus vorstellbar.
Literatur
/1/ Kusenberger,F.N.;Barton: Detection of flaws in reinforcement steels in prestressed
concrete bridges
Final Report FH-WA/RD-81/087, FederalHighway Administration Washington DC 1981
/2/ Sawade,G.; Straub;J., Krause,H.J ; Bousack,H.; Neudert,G.; Ehrlich,R.;:
Signal Analysis Methods for the Remote Magnetic Examination of Prestressed Elements
Proceedings of Int.Symposium Non-Destructive Testing in Civil Engineering (NDT-CE),
Berlin 1995, Vol.II, pp.1077-1084
/3/ Scheel,H.; Hillemeier,B.: The Capacity of the Remanent Magnetism Method to Detect
Fractures of Steel in Tendons Embedded in Prestressed
Proceedings of Int.Symposium Non-Destructive Testing in Civil Engineering (NDT-CE),
Berlin 1995, Vol.I, pp.211-218
/4/ Sawade,G.:HTSL-SQUID in der Bauindustrie, Abschlußbericht Nr. 13N6114 0,
Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie 1996
/5/ Scheel,H.: Spannstahlbruchortung an Spannbetonbauteilen mit nachträglichem Verbund
unter Ausnutzung des Remanenzmagnetismus
Dissertation Technische Universität Berlin, 1997
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S treu feld
HS
M a g n etfeld
S en sor
H0
x
Jo ch m a g n et
1 ,0
0 ,5
0 ,0
R es tfeldm es s u ng
-0 ,5
-1 ,0
-1 ,5
-2 ,0
-2 ,5
M essung i. aktiven Feld
-3 ,0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
x [c m ]
H 0 = − p ⋅ grad (
1 1
− )
r1 r2
,
r1, 2 = ( x − x h ± L 2) 2 + ( y − y h ) 2 + ( z − z h ) 2
,
L = 30 cm , p = 8000, Abstand Prüfkopf 12 cm, Durchmesser 3,0 cm, Rißweite 5 mm)
Bild 1: Prinzip der magnetischen Streufeldmessung (numerische Simulation)
15000
10000
M [A/cm]
5000
Neukurve
0
-5000
-10000
-15000
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
H [A/cm]
dM
dH
M∞
) ⋅ ( M ∞ tanh H − M ) +
= α ⋅ sign (
⋅ (1 − γ ⋅ exp( − β H ) − γ ⋅ exp( − β H )
dH
dt
cosh 2 ξH
Spannstahl:
M ∞ = 15000 A / cm ; α = 0,06 ; β = 0 ; γ = 0.97 ; ξ = 0,06
Baustahl:
M ∞ = 15000 A / cm ; α = 0,40 ; β = 0 ; γ = 0.97 ; ξ = 0,40
Bild 2: Hysteresiskurve (rechnerische Simulation) von Spannstahl
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4
Bruch-Peak
I=8A
Querbügel
I=4A
HSx [A/cm]
2
p(x)
a(x)
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
x [cm]
Spannbündel mit 16 Spannstählen, 1 Spannstahl gebrochen, Abstand
Prüfkopf-Querbügel 6 cm, Abstand Prüfkopf-Spannbündel 10 cm
Bild 3: Bruchnachweis durch Änderung der Signalform
7
6
Differenzsignal
HSx [A/cm]
5
4
Messung, I=8 A
3
2
Best-Fit-Bügelsignal
Bruchstärke
1/500*p(x)
1
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
x [cm]
Abstand a=10 cm, Korrelationslänge 2h=40 cm
Bild 4: Unterdrückung von Bügelsignalen und lokale Korrelation mit Bruchsignal
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4
Bruch-Peak
3
M3+M4
2
M3
1
HSx [A/cm]
0
M4
-1
M1+M2
-2
M2
-3
-4
M1
-5
-6
-7
-8
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
x [cm]
8 gebrochene Spannstähle im Querschnitt
Abstand Prüfkopf-Querbügel 6 cm, Abstand Prüfkopf - Spannglied 10 cm
M1,2: Restfeldmessungen R1 und R2 nach Magnetisierung mit I=8 A
M3,4: Restfeldmessungen R1 und R2 nach Abmagnetisierung auf I= 2 A
Bild 5: Restfeldmessungen
T112, I=4A
10
8
S5
6
4
S4
Hx [A/cm]
2
S3
0
-2
S2
-4
S1
-6
-8
-10
0
50
100
150
200
250
300
350
x [cm]
Bild 6: Prüfung einer Spannbetonbrücke , Trägerabschnitt mit Spanngliedbruch
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T112, I=8 A
10
S5
8
6
4
Hx [A/cm]
2
0
-2
-4
S1
-6
-8
-10
0
50
100
150
200
250
300
350
x [cm]
Bild 7: Prüfung einer Spannbetonbrücke , Trägerabschnitt mit Spanngliedbruch
T112 , Differenzsignal ( 4 - 8 A)
10
8
S5
6
Hx [A/cm]
4
2
0
-2
S1
-4
-6
-8
-10
0
50
100
150
200
250
300
350
x [cm]
Bild 8: Differenz der Streufeldmessungenbei einem Träger mit einem gebrochenem
Spannglied
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Bauwerksdiagnose – Praktische Anwendungen Zerstörungsfreier Prüfungen, 1999
Nr.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Spulenstrom
Hinfahrt
A
0
2
4
6
8
0
8
0
6
4
2
0
2
0
Spulenstrom
Rückfahrt
A
2
0
0
0
0
0
8
0
0
0
0
0
2
0
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Bemerkung
Messung der Anfangsmagnetisierung
Messung im aktiven Feld
“
“
“
Restfeldmessung R1
Messung im aktiven Feld (Ummagn. d. Bügel)
Restfeldmessung R2
Abmagnetisierung
Abmagnetisierung
„“
Restfeldmessung R1
(Ummagn. d. Bügel)
Restfeldmessung R2
81