Beton- und Stahlbetonbau

Transkript

1 Jahrgang Dezember 2013, S ISSN A 1740 Sonderdruck Beton- und Stahlbetonbau Entwicklung und Anwendung eines Baustellenmessgeräts zur Bestimmung der Spannung in Bewehrungsstählen Harald Gundelwein Werner Zellweger

2 DOI: /best Harald Gundelwein, Werner Zellweger FACHTHEMA Entwicklung und Anwendung eines Baustellenmessgeräts zur Bestimmung der Spannung in Bewehrungsstählen Die Kenntnis der in einem bestehenden Stahlbeton- oder Spannbetonbauwerk herrschenden Spannung in den Bewehrungsstählen ist ein wichtiger Parameter für die Tragwerksbeurteilung. Bei der rechnerischen Ermittlung der Spannung in der Bewehrung müssen viele Annahmen zu Bauteilabmessungen, Steifigkeiten und Lasten getroffen werden, die das Ergebnis stark beeinflussen. Eine messtechnische Ermittlung der Stahlspannung mit zerstörungsfreien Prüfmethoden wäre deshalb sehr hilfreich. Die enertec engineering ag in Winterthur hat ein solches Messgerät zur Anwendungsreife entwickelt. Das auf der Messung von mikromagnetischen Eigenschaften beruhende Verfahren wird beschrieben, die praktische Anwendung erläutert und der Nutzen anhand von zwei durchgeführten Messkampagnen aufgezeigt. Development and practice of a new device for the measurement of mechanical stress in the reinforcement of concrete structures The knowledge of the mechanical stress in the reinforcement of existing concrete structures is a vital parameter for the evaluation of these structures. At the calculation of the tension in the reinforcement using static models there have to be assumed values for geometry, stiffness and load, which have a crucial impact on the result. For this reason the measurement of the existant stress in the reinforcement with nondestructive methods would be very helpful. The enertec engineering ag in Winterthur, Switzerland has developed such a measuring device for practical use on site. The physical methods and the practical use are described. The advantages of the deployment of the device are shown on two executed measuring campaigns. 1 Einführung und Zielsetzung Die Notwendigkeit zur Überwachung und Beurteilung der Tragsicherheit und des Ermüdungsverhaltens von Bauwerken nimmt mit deren Alter und den damit verbundenen Instandhaltungs- und Unterhaltsmaßnahmen, aber auch durch Änderungen der Nutzungsanforderungen und Erweiterungen stetig zu. Der überwiegende Teil bestehender Infrastrukturbauten weltweit wurde in Stahlbetonoder Spannbetonbauweise errichtet. Auch im Hochbau macht diese Bauweise einen erheblichen Anteil aus. Bisher konnten die Spannungen in bestehenden Stahlbetonbauwerken nur unter Annahme vieler Randbedingungen berechnet und nicht gemessen werden. Die tatsächlich auftretenden Spannungen sind aber von großem Interesse für die genauere Zustands- und Schadenserfassung. Neben Strukturuntersuchungen ist die Kenntnis der real vorhandenen Stahlspannungen wesentlich für eine präzise Beurteilung der Tragsicherheit, der Ermüdungssicherheit und der weiteren Gebrauchstauglichkeit des Bauwerks. Die enertec engineering ag aus Winterthur, Schweiz, hat in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP) in Saarbrücken und der Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften (ZHAW) in Winterthur ein Messgerät (MME) entwickelt, mit dem sich erstmals die vorhandenen absoluten Spannungen in Bewehrungsstählen bestimmen lassen. Dazu wurden mehrere bekannte Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung kombiniert, weiterentwickelt und an die Bedingungen der In-situ-Messung der mechanischen Spannung in Bewehrungsstählen angepasst. Bei einer notwendigen Messdauer von ca. zehn Sekunden pro Einzelmessung ist das Verfahren für die Bestimmung der Spannungen infolge ständiger Last oder für langsame Lastversuche prädestiniert. Das Messverfahren wird in seinen Grundlagen beschrieben und der praktische Einsatz am Bauwerk wird dargestellt. Aus dem Einsatz des MME-Geräts zur Zustandserfassung lassen sich neue Erkenntnisse gewinnen und erhebliche Einsparungen bei der Bauwerksinstandsetzung erzielen. Dies wird an zwei ausgeführten Beispielen gezeigt. Mit der Verfügbarkeit dieser kostengünstigen und robusten Messtechnik zur zerstörungsfreien bzw. zerstörungsarmen Messung der real auftretenden Spannungen wurde ein erheblicher Fortschritt im Bereich Bauwerksmonitoring erzielt. Basierend auf den jetzt mittels MME erziel - baren Messergebnissen ist es möglich, individuelle, ganz spezifische, effizientere und ressourcenschonendere Maßnahmen in Hinblick auf Instandsetzung, Erweiterung und Überwachung der bestehenden Bauwerke zu ergreifen. Eventuell nicht bekannte Schäden, Überbeanspruchung und Defizite an Bauwerken können schnell, kostengünstig und genau erkannt und definiert werden. Die Sicherheit des Nutzers wird durch die Kenntnis des vorhandenen Spannungszustands erhöht. Diese genaue Beurteilung macht sinnvollere statische Maßnahmen und somit angemessenere finanzielle Investitionen möglich. Verstärkungsmaßnahmen können genau auf die effektiven Defi- 2 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin. Beton- und Stahlbetonbau 108 (2013), Heft 12, S

3 H. Gundelwein, W. Zellweger: Entwicklung und Anwendung eines Baustellenmessgeräts zur Bestimmung der Spannung in Bewehrungsstählen zite abgestimmt werden. Mit MME wird also eine schnellere, sichere und genaue statische Beurteilung bestehender Bauwerke möglich, die auf Messung der konkreten Spannungen und nicht mehr nur auf Annahmen und statischen Modellen basiert. Unter Betrachtung des globalen Marktes wird neben dem direkten finanziellen Nutzen für Bauherren und Eigentümer auch der volkswirtschaftliche Nutzen optimierter Bauwerksinstandsetzung deutlich: Laut OECD sind in den USA Brücken sanierungsbedürftig, 50 Trillionen Euro beträgt der Investitionsbedarf für Tragstrukturen in den Industrieländern, 140 Milliarden Euro plant Brasilien bis 2014 für Neubauprojekte und Sanierungen im Bereich der Infrastruktur ein, Milliarden Euro werden in den nächsten Jahren für die Erneuerung der Infrastrukturen der westlichen Welt benötigt, 700 Milliarden Euro benötigt Indien für das Bauen und Erneuern der Infrastruktur, 90 % der europäischen U-Bahn-Strecken sind älter als 40 Jahre. (Quelle: OECD) Mit einer zerstörungsfreien Messung der effektiven Längsspannung in bestehenden Stahlbetonbauwerken ergeben sich neue Möglichkeiten im Bereich des Bauwerksmonitorings und der Bauwerksüberprüfung. Darauf basierend können finanzielle Mittel für Instandhaltungsund Verstärkungsmaßnahmen effektiver und wirtschaft - licher eingesetzt werden. Die mit dem MME mögliche Messung der real vorhandenen Spannung in den Bewehrungsstäben der Stahlbetonbauwerke führt einerseits zur Verringerung der Instandsetzungskosten und andererseits zur Erhöhung der Sicherheit und Nachhaltigkeit. 2 Zerstörungsfreie Bestimmung der mechanischen Spannung mit mikromagnetischen Verfahren 2.1 Werkstoff, Herstellung und Besonderheiten von Bewehrungsstahl Heute hergestellte Betonstähle entsprechen der Werkstoffnummer für Betonstabstahl und für Betonmattenstahl. Diese Stähle liegen typischerweise mit einem ferritisch-perlitischen Gefüge vor. Je nach thermomechanischer Behandlung kann neben dem ferritischperlitischen Kern der Außenbereich der Bewehrungsstähle martensitisch sein. Aus werkstofftechnischer Sicht lässt sich die Herstellung von Betonstählen in vier Kategorien einteilen Warmgewalzte Betonstähle: Die warmgewalzten Betonstähle werden nach dem Walzen langsam an der Luft abgekühlt. Es liegt daher ein ferritisch-perlitisches Gefüge vor. Die mechanischen Festigkeiten werden durch Legieren eingestellt. Um zusätzlich eine gute Schweißbarkeit zu erhalten, können warmgewalzte Betonstähle durch Zugabe von Niob und/oder Vanadium mikrolegiert werden. Thermomechanisch behandelte Betonstähle: Die Festigkeit wird durch eine Kombination aus Härten und Anlassen eingestellt. Nach dem Abschrecken der Oberfläche wird die aus dem Kern des Betonstahls abgegebene Wärme genutzt, um den Martensit an der Oberfläche anzulassen (Handelsnamen Tempcore, Thermex, Bezeichnungen: aus der Walzhitze vergütet ). Kaltverfestigte Betonstähle: Diese Betonstähle erhalten ihre Festigkeit durch Recken oder Tordieren bei Umgebungstemperatur (Bezeichnung: kaltverformtes Ringmaterial ). Naturharte Betonstähle: Die mechanischen Festigkeiten werden durch Legieren eingestellt. Nach dem Walzen erfolgt keine weitere Behandlung. Für die Werkstoffe und ist der Maximal - gehalt von Kohlenstoff (1.0439: C 0,22 %; : C 0,15 %), Phosphor (P 0,05 %), Schwefel (S 0,05 %) und Stickstoff (N 0,012 %) definiert. Die genauen Anteile dieser Elemente sowie die Anteile von Legierungszusätzen wie Mangan und Nickel werden bei den Beton - stählen nicht spezifiziert und können daher abhängig von Hersteller und Charge schwanken. Der größte Teil des heute in Europa hergestellten Betonstahls ist Recyclingstahl, welcher aus Schrott neu eingeschmolzen wird. Daraus und aus den verschiedenen Herstellungsverfahren sowie dem Richten des Ringmaterials bei der Weiterverarbeitung resultieren sehr verschiedene Mikrostrukturen und Eigenspannungszustände. Im Laufe der Entwicklung der Betonstähle von ca bis heute haben sich Änderungen in der Zusammensetzung des Stahls und in den Herstellungsverfahren ergeben. So betrug die Streckgrenze für einen Betonstahl im Jahr 1900 ca. 100 MPa, im Jahr 1937 waren es schon 200 MPa und heute sind 500 MPa ein üblicher Wert. Die Einbeziehung von Stählen eines langen Herstellungszeitraumes mit unterschiedlichen Mikrostrukturen und Eigenspannungszuständen stellte eine wesentliche Herausforderung dar. Das entwickelte Messverfahren erlaubt nicht die Messung an austenitischen und nichtrostenden Stählen. 2.2 Technische Grundlagen des Messverfahrens Zur Bestimmung der Längsspannung in Bewehrungsstählen kommen aus heutiger Sicht zwei Verfahren prinzipiell in Frage, zum einen das Ultraschallverfahren und zum anderen das mikromagnetische Verfahren. Beide Verfahren werden in [1] genauer beschrieben und einander gegenübergestellt. Es wurde eine Vorstudie durchgeführt, in der sich herausstellte, dass das mikromagnetische Verfahren gegenüber dem Ultraschallverfahren vielversprechender ist, da bei Sonderdruck aus: Beton- und Stahlbetonbau 108 (2013), Heft 12 3

4 H. Gundelwein, W. Zellweger: Development and practice of a new device for the measurement of mechanical stress in the reinforcement of concrete structures letzterem die störenden Einflüsse der Textur und der Eigenspannungen sich so stark auswirken, dass kein spannungs- und materialunabhängiger akustoelastischer Kennwert gefunden werden konnte. Zudem ist die Ankoppelung zur Einleitung verschiedener Ultraschallwellen bei Bewehrungsstahl relativ schwierig und fehlerbehaftet. Aufgrund dieser Erkenntnisse wurde das mikromagnetische Verfahren im Rahmen eines KTI-Projekts (Kommission für Technologie und Innovation KTI, Förderagentur für Innovation des Bundes, Schweiz) in Zusammenarbeit mit der Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften (ZHAW) für die Anwendung an Bewehrungsstählen optimiert. Die mechanischen und magnetischen Eigenschaften eines ferromagnetischen Eisenwerkstoffs bei einer bestimmten Temperatur und Belastung werden durch seine Mikrostruktur festgelegt, welche sich als Resultat der chemischen Zusammensetzung sowie der thermischen und mechanischen Vorbehandlung herausgebildet hat. Empirisch wurden Wechselbeziehungen zwischen magnetischen Eigenschaften und mechanischer Materialspannung gefunden, welche auch als magnetoelastischer Effekt bekannt sind. Änderungen der Zugbelastung führen zu Änderungen der elektrischen Leitfähigkeit und der magnetischen Permeabilität des Materials. Darüber hinaus sind mikromagnetische Effekte bekannt (Barkhausen-Rauschen, Änderungen der Überlagerungs-Permeabilität), deren Ausprägung sowohl von der Mikrostruktur des Materials als auch vom jeweiligen Belastungszustand abhängt [2, 3]. Der Zusammenhang zwischen messbaren mikromagnetischen Effekten, Mikrostruktur und Materialspannung konnte bislang aufgrund seiner Komplexität nicht allgemeingültig beschrieben werden [4]. Um von magnetischen Messgrößen auf die Zielgröße der Materialspannung schließen zu können, ist daher prinzipiell eine Kalibrierung an Referenzproben des untersuchten Materials durchzuführen, in welche mehrere Kenngrößen mit komplementärem Informationsgehalt einbezogen werden. Dabei wird vorausgesetzt, dass sich die für die Zielgröße relevanten Veränderungen der Mikrostruktur in den Mess- respektive Kenngrößen abbilden. Das realisierte Messgerät ermöglicht die Aufnahme verschiedener makro- und mikromagnetischer Kenngrößen über vier verschiedene Auswerteverfahren, welche in ihrer Kombination als 3MA-Prüftechnik bezeichnet werden [5]. Sie beinhalten Oberwellenanalyse des Zeitsignals der magnetischen Tangentialfeldstärke (OA), Analyse des Barkhausen-Rauschen-Signals (BR), Analyse des Überlagerungspermeabilität-Signals (ÜP) und Analyse des Mehrfrequenz-Wirbelstrom-Signals (WS). Bis auf den Mehrfrequenz-Wirbelstrom basieren alle Verfahren der 3MA-Prüftechnik auf dem zyklischen Ummagnetisieren des Werkstoffs mit Hilfe eines starken Wechselmagnetfelds, dessen Amplitude die Koerzitivfeldstärke des Werkstoffs deutlich übersteigt. Das Wechselmagnetfeld wird mit einem Elektromagneten erzeugt, der an zwei Punkten auf die Oberfläche des Stahls aufgesetzt wird. Gemessen werden die tangentiale Feldstärke mit einer Magnetfeldsonde (Hall-Sensor) sowie das Barkhausen- Rauschen mit einem magnet-induktiven Sensor. Beide Sensoren sind mittig zwischen beiden Polen des Magnetkreises positioniert. Nach analoger Vorverstärkung der Signale sowie Amplitudendemodulation (BR-Signal) werden diese digitalisiert und anschließend ein feststehender Satz von Merkmalen aus den diskretisierten Messkurven extrahiert [6]. Das Barkhausen-Rauschen wird grundsätzlich von Defekten des Metallgitters beeinflusst, da die Bewegung der Bloch-Wände durch die Gitterdefekte behindert wird. Das Barkhausen-Rauschen von Betonstählen wird daher maßgeblich von der Ferrit-Korngröße sowie der Morphologie bzw. Größe des Zementits innerhalb des Perlits beeinflusst [7]. Der Zusammenhang zwischen dem Barkhausen-Rauschen und der Ferrit-Korngröße lässt sich als Hall-Petch-Beziehung formulieren [8]. Das Wirbelstrom-Signal wird bereits erfolgreich als quantitatives Maß für den Perlitgehalt in unlegierten Stählen herangezogen [9]. Damit sind wichtige mikrostrukturelle Größen der verwendeten Betonstähle in den Messwerten der 3MA-Prüftechnik bereits enthalten. Bei der Anwendung des MME-Verfahrens auf Bewehrungsstählen wird vorausgesetzt, dass die Bewehrungsstähle weder korrodiert sind noch Risse enthalten, damit Fehlinterpretationen der mikromagnetischen Signalkurven vermieden werden. Dies kann durch Anschleifen des Stahls vor dem Aufsetzen des Prüfkopfs sowie durch optische Kontrolle an der Messstelle sichergestellt werden. 2.3 Randbedingungen Vorbemerkungen Die beim praktischen Einsatz des MME-Geräts auftretenden Randbedingungen wurden gründlich untersucht. Aufgrund der Untersuchungsergebnisse wurden die bei der Kalibrierung und dem Messen auf der Baustelle einzuhaltenden Randbedingungen definiert. Im Folgenden werden die äußeren Einflüsse und die getroffenen Maßnahmen beschrieben. Bild 1 zeigt den prinzipiellen Ablauf der Verfahrensentwicklung Umgebungsbedingungen Der Einfluss der Temperatur der Stahlproben sowie des Messgeräts auf die mikromagnetischen Signale wurde untersucht. Bei einer Temperatur des Betonstahls und des Messgeräts zwischen 5 C und 25 C treten keine messbaren Einflüsse auf. Versuche an Betonprüfbalken zeigten, dass sowohl der umgebende Beton sowie seine Feuchte keinen messbaren Einfluss haben. Auch elektromagnetische Felder üblicher Größe haben keinen Einfluss. 4 Sonderdruck aus: Beton- und Stahlbetonbau 108 (2013), Heft 12

5 H. Gundelwein, W. Zellweger: Entwicklung und Anwendung eines Baustellenmessgeräts zur Bestimmung der Spannung in Bewehrungsstählen Bild 1 Prinzipieller Entwicklungsablauf Fundamental procedure oft he workflow Prüfkopf Es wurde ein Prüfkopf mit ebenen Polschuhen und ebenem Sensorkopf entwickelt. Vorversuche haben gezeigt, dass dieses Design gegenüber V-förmigen Polschuhen ein stabileres und leichter reproduzierbares Magnetfeld erzeugt. Aus diesem Grund muss auf dem Betonstahl eine 6 mm breite und 150 mm lange ebene Koppelfläche erzeugt werden. Durch die Festlegung einer 6 mm breiten Koppelfläche für alle Durchmesser ergibt sich je nach Durchmesser des Betonstahls eine unterschiedliche Abtragstiefe. Für die Anwendung auf der Baustelle wurde eine portable Fräseinrichtung mit einem Hartmetallfräser entwickelt. Die Nettoquerschnittsfläche nach dem Abtrag wurde an allen Proben gemessen und mit der Bruttoquerschnittsfläche verglichen. Nach dem Herstellen der Koppelfläche ist die Nettoquerschnittsfläche maximal 5 % geringer als die Querschnittsfläche ohne Rippen. Der Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit (Rauigkeit) der Koppelfläche wurde untersucht. Es wurden sehr glatte und sehr raue Oberflächen geschliffen und gefräst. Dabei war ein leichter Einfluss der Oberflächenrauigkeit auf die Qualität der Oberwellenanalyse feststellbar. Um diesen Effekt zu eliminieren, wurde für die Oberflächengüte ein fixer Rauigkeitskennwert festgelegt. Der Prüfkopf Bild 2 Prüfkopf mit Zentriereinrichtung und aufgelegtem Bewehrungsstab mit Koppelfläche Measuring device with centering unit and prepared rebar Bild 3 MME-System bestehend aus Prüfkopf und Baustellenlaptop MME system consisting oft he measuring device and ruggedized laptop Sonderdruck aus: Beton- und Stahlbetonbau 108 (2013), Heft 12 5

6 H. Gundelwein, W. Zellweger: Development and practice of a new device for the measurement of mechanical stress in the reinforcement of concrete structures muss während der Messung gerade und ohne Spaltänderung auf dem Bewehrungsstahl fixiert werden. Um dies zu gewährleisten, wird eine Zentriereinrichtung und Fixierung eingesetzt, wie in Bild 2 dargestellt. In Bild 3 ist das gesamte verfügbare Messsystem dargestellt Einfluss des Materials der Betonstäbe Wie in Abschn. 2.1 beschrieben, gibt es für die Herstellung und Vergütung von Betonstahl verschiedene Prozesse. Zudem ist die chemische Zusammensetzung von Betonstahl nicht so genau festgelegt wie bei höher legierten Stählen. Bei der Entwicklung des Messgeräts wurden über 120 Proben in einer Prüfmaschine auf Zug und Druck kalibriert. Es wurden Proben aller beschriebenen Herstellungsverfahren aus Europa von den 1930er-Jahren bis 2012 untersucht. Die naturharten Bewehrungsstähle zeigten sich im Hinblick auf die mikromagnetischen Eigenschaften am reproduzierbarsten und am genauesten zu messen. Die thermomechanisch behandelten Temp - corestähle mit ihrer ausgebildeten Martensitschicht zeigten sich in dieser Hinsicht am schwierigsten. Die Martensitschicht hat eine Dicke von ca. einem Zehntel des Stahldurchmessers. Diese Dicke kann je nach Hersteller und Charge sowie um den Umfang um +/ 50 % schwanken. Bei einigen Proben wurde zusätzlich zur Martensitschicht noch eine Zwischenschicht aus Bainit gefunden. Die große Anzahl von chemischen Zusammensetzungen und Mikrostrukturen sowie ihre Kombinationen macht eine Klassifikation der Betonstähle für eine mikromagnetische Analyse von Hand unmöglich. Deswegen wurde am Institut für Datenanalyse und Prozessdesign (IDP) der ZHAW ein nichtlineares Regressionsverfahren (Regressionsbäume) eingesetzt, mit welchem die Kalibrierung auf die gewünschte Zielgröße (mechanische Spannung) auch mit einer sehr großen Anzahl von Parametern und unter Berücksichtigung stark nichtlinearer Zusammenhänge möglich ist. Durch den Herstellungsprozess der Bewehrungsstähle können in der randnahen Schicht Eigenspannungen auftreten. Diese wurden an verschiedenen Proben mit der Cut-Compliance-Methode gemessen. Die Eigenspannungen variieren stark über die Längsachse der Bewehrungsstäbe. Die gemessenen Eigenspannungen betragen bis zu +/ 100 MPa am Rand und nehmen in Richtung Kern ab. Um den Einfluss der Eigenspannungen auf das Mess - ergebnis zu verringern, wird das Messgerät für einen Messwert an sechs in Längsrichtung zum Stahl versetzten Stellen auf den Bewehrungsstahl aufgesetzt. Aus diesen sechs Einzelmesswerten wird ein robustes Mittel berechnet Auswertung der mikromagnetischen Kennwerte Aus den in Abschn. 2.2 beschriebenen vier Auswerteverfahren werden von der entwickelten Software 76 mikromagnetische Parameter extrahiert und 40 Parameter für die Spannungsberechnung verwendet. Die verwendeten Parameter teilen sich folgendermaßen auf die Auswerteverfahren auf: Oberwellenanalyse OA: 21 Parameter Barkhausen-Rauschen BR: 13 Parameter Überlagerungspermeabilität ÜP: 2 Parameter Wirbelstrom WS: 4 Parameter Es ist ersichtlich, dass die Oberwellenanalyse und das Barkhausen-Rauschen die meisten spannungsabhängigen Parameter beisteuern. Es ist zu beachten, dass nicht alle Parameter spannungsabhängig sein müssen. Ein Teil der Parameter dient auch der internen Klassifizierung der Proben. Zusätzlich zu den mikromagnetischen Parametern werden aus den sechs zu einer Messung gehörenden Einzelmessungen (Trials) Qualitätskriterien berechnet, die garantieren, dass die mikromagnetischen Eigenschaften (Eigenspannungen) oder die Messqualität (Verwackeln während der Messung) für eine Berechnung der Spannung ausreichend gut sind. Die Kalibrierungsdaten wurden auf Universalprüfmaschinen ermittelt. Dazu wurden die Bewehrungsstahlproben eingespannt und mit verschiedenen Spannungen belastet. Gleichzeitig wurden die mikromagnetischen Parameter aufgezeichnet. Mit den während der Kalibrierung der 120 Proben an einer Universalprüfmaschine gesammelten Messdaten wurde ein nichtlineares Regressionsmodell (Regressionsbaum) trainiert, wobei die Zielgröße mechanische Spannung, welche an der Prüfmaschine im Zugund Druckbereich eingestellt wurde, als Vorgabe dient. Dieses Verfahren arbeitet sehr effizient mit den anfallenden sehr großen Datenmengen. Das Verfahren unterscheidet selbständig wichtige von unwichtigen Parametern und ist in der Lage, die große Anzahl von Rand - bedingungen (Martensitschicht, Herstellungsverfahren, Stabdurchmesser etc.) automatisch zu sortieren und im Entscheidungsbaum weiter zu verarbeiten. Ein weiterer großer Vorteil ist, dass der Regressionsbaum mit jeder weiteren Kalibrierungsmessung (Messung bei der die Zielgröße mechanische Spannung bekannt ist) dazu lernt und die Messgenauigkeit weiter verbessert wird. 2.4 Validierung Die Validierung des fertigen Messsystems wurde an Stahlbetonbalken, Deckenplatten und Fahrbahnplatten von Brücken durchgeführt. Dazu wurden die Bewehrungsstähle freigelegt, die Koppelfläche erstellt und mit dem MME-Gerät gemessen. Auf die Koppelfläche wurden anschließend Dehnmessstreifen appliziert. Die Bewehrungsstäbe wurden mit einem elektrischen Fuchsschwanz durchgetrennt und die Dehnung des freigeschnittenen Stahls gemessen. Aus dieser Dehnung wurde die Spannung berechnet und mit der Spannung aus dem MME- Verfahren verglichen. 6 Sonderdruck aus: Beton- und Stahlbetonbau 108 (2013), Heft 12

7 H. Gundelwein, W. Zellweger: Entwicklung und Anwendung eines Baustellenmessgeräts zur Bestimmung der Spannung in Bewehrungsstählen 2.5 Erzielbare Genauigkeit Auf Basis der aktuell vorhandenen Kalibrierungsdaten kann die Spannung in Bewehrungsstäben für unbekannte, aber den gesetzten Randbedingungen entsprechende Bewehrungsstähle auf +/ 100 MPa genau ermittelt werden. Die Spannung für Bewehrungsstähle deren Typ, Hersteller, Durchmesser und Alter schon in der Kalibrierungsdatenbank enthalten sind, kann auf +/ 50 MPa genau gemessen werden. Diese Streuung erscheint auf den ersten Blick relativ groß. Es ist aber zu bedenken, welch breites Spektrum an Stahllegierungen, Herstellungsverfahren und Vorbehandlung der Messobjekte abgedeckt werden muss. Die Berechnung von Spannungen mit einem Statikprogramm ergibt nominell sehr genaue Resultate. Inwieweit diese aber den tatsächlichen Steifigkeiten und Spannungszuständen entsprechen, hängt von den getroffenen Annahmen bei der Eingabe ab. Mit den Mess - ergebnissen des neuen MME-Geräts können die statischen Modelle jetzt wesentlich genauer kalibriert werden. Mit zunehmendem Einsatz des MME-Geräts und dem Sammeln zusätzlicher Kalibrierungsdaten wird sich die Messgenauigkeit in Zukunft weiter verbessern. Die Ergebnisse der stabweisen Kreuzvalidierung des gesamten Datensatzes sind in Tab. 1 angegeben. Dabei wird ein Stab genommen, das Regressionsmodell ohne den zu validierenden Stab erstellt und der Messwert des MME Tab. 1 Statistische Kennwerte der stabweisen Kreuzvalidierung Statistical results of the cross-validation Anteil der absoluten Prognoseabweichung 79,4 % 50 MPa Anteil der absoluten Prognoseabweichung 98,4 % 100 MPa Median der absoluten Prognoseabweichungen 23,8 MPa Erwartetes Prognoseintervall 2,5 % Quantil 83,3 MPa 97,5 % Quantil +74,4 MPa mit dem Ist-Wert der Prüfmaschine verglichen. Der zu validierende Bewehrungstab ist also für das Regressionsmodell unbekannt. In Bild 4 sind die eingestellten Lasten der Prüfmaschine im Bereich von 200 bis +400 MPa den mit MME gemessenen Spannungen für einige naturharte (NH) und kaltgereckte (KR) Stähle gegenübergestellt. Es ist zu erkennen, dass tendenziell in den unteren und oberen Spannungsbereichen die Abweichungen zunehmen. In Bild 5 sind die Abweichungen für alle validierten Stähle für alle aufgenommenen Spannungspunkte zwischen 200 und +400 MPa dargestellt. Es konnte kein eindeutig besseres oder schlechteres Herstellungsverfahren identifiziert werden. Bei allen Herstellungsverfahren gibt es Exemplare mit sehr geringen und mit größeren Abweichungen. Anliegende vs. gemessene Last einiger naturharter (NH) und kaltgereckter (KR) Stähle Abweichungen 50 MPa Abweichungen 100 MPa NH.B NH.B NH.B NH.BU01.14 NH.BU % KR.H KR.K % KR.K % 3% KR.K % KR.K Gemessene Last MME [MPa] % KR.G KR.A % 75% 90% KR.G KR.A % 90% KR.G KR.A % 66.7% 86.7% KR.G KR.G % 66.7% 93.3% KR.GZ30.14 KR.G % 61.1% 72.2% 88.9% 94.7% 70% 95% Anliegende Last Prüfmaschine [MPa] Bild 4 Prognoseabweichungen der Kreuzvalidierung für alle validierten Stähle Deviation of all rebars in the cross-validation Sonderdruck aus: Beton- und Stahlbetonbau 108 (2013), Heft 12 7

8 H. Gundelwein, W. Zellweger: Development and practice of a new device for the measurement of mechanical stress in the reinforcement of concrete structures Bild 5 Vergleich der eingestellten Last der Prüfmaschine mit der mit MME gemessenen Spannung für einige naturharte und kaltgereckte Stähle Force at the Testing unit vs. evaluated tension by MME vor some self hardening and some cold drawn rebars Es existiert derzeit kein anderes zerstörungsfreies Verfahren, mit dem das MME-Gerät validiert werden kann. Als zerstörendes Verfahren bietet sich das Aufkleben von Dehnmessstreifen auf den freigelegten Stab an, welcher dann durchtrennt und die Dehnungsdifferenz gemessen wird. Die Genauigkeit dieses Verfahrens ist hauptsächlich abhängig von der Qualität der Klebung der DMS. Die Dehnmessstreifen haben eine sehr hohe Genauigkeit von besser als 1 %. Die Umrechnung der gemessenen Dehnung in mechanische Spannung ist nur so genau, wie der Elastizitätsmodul des spezifischen Exemplars bekannt ist. 2.6 Berechnung der Spannungsspitze Im Stahlbeton werden die Zug- und Druckspannungen im Verbund durch den Beton und den Bewehrungsstahl aufgenommen. Rechnerisch wird im Bruchnachweis die gesamte Zugspannung vom Bewehrungsstahl aufgenommen. Dies gilt mit Einschränkungen nur genau bei einem Betonriss. Genau beim Riss hat der Bewehrungsstahl eine Spannungsspitze, zwischen den Rissen fällt die Bewehrungsspannung ab. Durch das Freilegen der Bewehrung zum Messen mit dem MME-Gerät wird die Spannungsspitze abgebaut, der Spannungsverlauf wird geglättet. Der Wert der Spannungsspitze im ungestörten Zustand muss deshalb mit einem Faktor aus dem Messwert am gestörten Verbundbereich berechnet werden. Dieser Faktor ergibt sich aus dem Verbundmodell und beträgt für voll freigelegte Bewehrungsstäbe 1,5 bis 1, Einschränkungen Das jetzt vorhandene Messsystem ist in der Lage, Bewehrungsstähle der Durchmesser 10 bis 20 mm zu unter - suchen. Für größere Durchmesser müsste ein zusätzliches Gerät mit einer stärkeren Magnetisierungsleistung gebaut werden. Die Kalibrierungsdatenbasis umfasst euro - päische Bewehrungsstähle aus den 1960er-Jahren bis Nichtmagnetische Edelstähle sind nicht messbar. Vorspannlitzen können wegen ihrer verdrillten Struktur nicht gemessen werden. Vorspanndrähte müssten gesondert untersucht und kalibriert werden. Die Messung von Baustahl mit flächigen und räumlichen Spannungszuständen ist nicht zuverlässig möglich. 3 Ablauf einer Spannungsmessung am Bewehrungsstahl 3.1 Messstellenvorbereitung Wenn ein Bauwerk statisch untersucht wird, kennt der Bauingenieur das Tragwerk recht genau. Er kennt die Orte der höchsten Belastung und weiß, wo Unsicherheiten liegen. Der genaue Spannungsverlauf ist jedoch sehr 8 Sonderdruck aus: Beton- und Stahlbetonbau 108 (2013), Heft 12

9 H. Gundelwein, W. Zellweger: Entwicklung und Anwendung eines Baustellenmessgeräts zur Bestimmung der Spannung in Bewehrungsstählen Bild 6 Baustellenfräseinrichtung zur Herstellung der Koppelfläche On site milling machine preparing the coupling surface Bild 8 An der Messstelle fixierter Prüfkopf Fixed measuring unit Wenn die Koppelfläche erstellt ist, kann die Messung der vorhandenen Stahlspannung beginnen. Mit dem MME- Gerät können keine dynamischen Spannungswechsel gemessen werden. Eine Einzelmessung dauert rund zehn Sekunden. Ein Messwert an einem Bewehrungsstab wird aus sechs Einzelmessungen ermittelt. Daher sollten für eine Zeit von ca. fünf Minuten keine starken Laständerungen auftreten. Im Hochbau ist dies meistens gegeben, bei der Messung an Brücken sollte der Schwerverkehr gesperrt oder auf eine andere Spur verlegt werden. Die sechs Einzelmessungen werden mit einem jeweiligen Versatz von ca. 1 cm längs dem Bewehrungsstahl durchgeführt. Die Messwerte werden auf einem Laptop aufgezeichnet. Die Stromversorgung kann über das 220-V-Netz oder über eine Batterie erfolgen. Bild 8 zeigt den fixierten MME-Prüfkopf während einer Messung. Bild 7 Freigelegter Bewehrungsstahl mit Koppelfläche fertig zum Messen Prepared rebar ready for measuring 3.3 Berechnung des Messwerts schwierig zu berechnen, da er von den tatsächlichen Steifigkeiten der Querschnitte, dem Rissverhalten und oft auch einer räumlichen Lastabtragung abhängt. Der zuständige Ingenieur identifiziert die Bereiche und die Bewehrungsrichtung, die untersucht werden soll. Anschließend wird die genaue Lage der Bewehrung mit einem Bewehrungsortungsgerät eingemessen. Die Messstelle wird üblicherweise senkrecht zu einem Riss im Beton liegen. Der Bewehrungsstahl wird auf einer Länge von 200 mm und einer Breite von 70 mm freigelegt. Der Betonstahl wird mindestens bis zur Tiefe der Koppelfläche freigelegt. Wenn der Bewehrungsstahl frei von Beton ist, wird die Fräsvorrichtung, wie in Bild 6 dargestellt, mit drei Dübeln am Beton befestigt. Das Fräsen kann in jeder Lage, auch über Kopf, durchgeführt werden. Anschließend wird eine ebene und glatte Koppelfläche für das MME-Gerät hergestellt. Bild 7 zeigt einen freigelegten Bewehrungsstab mit gefräster Koppelfläche. 3.2 Messdurchführung Die Messdaten der sechs Einzelmessungen werden in das Analyseprogramm geladen. Das Regressionsmodell berechnet den Spannungswert der Einzelmessungen und einen robusten Mittelwert. Der Berechnung liegen alle während der Kalibrierung gesammelten Daten zugrunde. 3.4 Erweiterung der Kalibrierungsdatenbasis Es wurde ein weiteres Softwaremodul entwickelt, mit dem auf einfache Weise zusätzliche Kalibrierungsdaten erfasst werden können. Dazu können in einem weniger beanspruchten Bauteilbereich (z. B. Fahrbahnplatte einer Brücke beim Querträger) ein oder mehrere gleichartige (Bewehrungstyp, Alter und Durchmesser) Bewehrungsstäbe entnommen werden. Anschließend werden diese auf einer Prüfmaschine mit verschiedenen Zug- und Druckspannungen belastet und die mikromagnetischen Parameter aufgezeichnet. Die Parameter der neuen Prüflinge werden dann der Kalibrierungsdatenbasis hinzugefügt. Somit kann das Regressionsmodell weiter trainiert und verbessert werden. 4 Praktische Anwendung 4.1 Vorbemerkungen Die Autoren sind mit der beschriebenen MME-Messmethode bereits am Markt tätig. Ihre langjährige und weitreichende Erfahrung in Planung und Ausführung von Infrastrukturbauten in der Schweiz ermöglicht eine fundierte Bewertung der Messergebnisse und bildet die Basis für Sonderdruck aus: Beton- und Stahlbetonbau 108 (2013), Heft 12 9

10 H. Gundelwein, W. Zellweger: Development and practice of a new device for the measurement of mechanical stress in the reinforcement of concrete structures die Entwicklung baupraxisnaher Messtechnik. Anhand zweier Anwendungsbeispiele soll verdeutlicht werden, welchen praktischen Nutzen Messungen der real vorhandenen Spannungen in der Tragstruktur bestehender Bauwerke haben. 4.2 Lagerhaus Das bestehende Logistikzentrum eines großen Möbelhauses in der Schweiz ist ein mehrstöckiges Stahlbetongebäude aus dem Jahre Die mit 18 cm Dicke sehr schlanken Geschossdecken sind als mehrfeldrige Plattenbalken- Rippendecken auf Stützen und Wänden gelagert. Die bestehenden Unterzüge sind 50 cm breit und 57 cm hoch, die Decke ist durch Dilatationsfugen segmentiert. Die Stützen und Unterzüge sind in Bild 9 gut erkennbar. Durch Umstellung des Betriebs der Lagerhalle von fahrerlosen automatischen Staplern auf manuell gefahrene Stapler mit einer höheren Nutzlast und höherer Fahrgeschwindigkeit ergibt sich rechnerisch eine ungenügende Ermüdungssicherheit der Rippendecke in stegnahen Bereichen. Die Rippendecke ist ein Durchlaufträger, bei dem die Lage des Momentennullpunkts stark von der Steifigkeit der Platte und der Unterzüge abhängt. Das statische Modell ergab rechnerisch ein großes Defizit an unterer Plattenbewehrung. Der Ermüdungsnachweis konnte in den stegnahen Zonen nicht erbracht werden. Durch die Messung der effektiven Spannung an den Bewehrungsstäben mittels der MME-Messung konnte die reale Situation unter ständiger Last und infolge unterschiedlichen Staplerverkehrs gemessen und exakt bewertet werden. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Momentennullpunkte wesentlich weiter Richtung Plattenmitte lagen, als im statischen Modell ermittelt. Die Bereiche mit ermüdungsrelevanten Zugspannungen konnten genau definiert werden. dem ein redundantes Problem mit wenigen Messungen behandelt werden konnte, sparte der Eigentümer mehrere hunderttausend Schweizer Franken an Kosten für Verstärkungsmaßnahmen ein. 4.3 Autobahnbrücke Im Auftrag des Tiefbauamtes des Kantons Zürich wurde das 1970 fertiggestellte, bestehende Viadukt über die Gleisstrecke der Schweizer Bahn in Bülach (Nord), welches Bestandteil der Unterlandautobahn S-10 ist, der statischen Überprüfung unterzogen. Das Bauwerk besteht aus zwei getrennten Hohlkastenbrücken mit je zwei Fahrspuren und überspannt mit neun Feldern die Schützenmattstraße, weitere Industrieplätze und Bahngleise der Schweizer Bahn. Das Viadukt weist einen geraden Überbau auf, der aus einem vorgespannten Hohlkastenträger mit ca. 1,65 m Höhe gebildet wird. Bild 10 zeigt den Hohlkastenquerschnitt und in Bild 11 ist eine Messung während einem Lastversuch zu sehen. In der statischen Überprüfung ergab sich rechnerisch hinsichtlich Ermüdung der Bewehrung ein stark mangelhafter Widerstand. Es wurde nach Möglichkeiten gesucht, die Ermüdungssicherheit genauer zu untersuchen. Somit wurde beschlossen, sowohl weitere rechnerische Untersuchungen an verfeinerten Modellen vorzunehmen, als auch Spannungsmessungen direkt am Bauwerk durchzuführen Fahrspur Auf Grundlage dieser Zustandsanalyse konnte die zwar notwendige Verstärkung der Plattenbewehrung mit CFK- Lamellen zum einen in ihrer Lage optimiert und zum anderen wesentlich verringert werden. Da es sich um ein sehr großes, mehrgeschossiges Lagerhaus handelte, bei Bild 10 Hohlkastenquerschnitt mit Radstellung für Lastversuch Intersection oft he hollow box girder with wheel setting for the load test Bild 9 Rippendecke mit Staplerverkehr Ribbed slap floor with traffic of forklifts Bild 11 Aufnahme der Messwerte im Hohlkasten Measuring within the hollow box girder 10 Sonderdruck aus: Beton- und Stahlbetonbau 108 (2013), Heft 12

11 H. Gundelwein, W. Zellweger: Entwicklung und Anwendung eines Baustellenmessgeräts zur Bestimmung der Spannung in Bewehrungsstählen Zur Abschätzung des tatsächlichen Ermüdungsproblems wurden die Spannungen im Bewehrungsstahl der untersten Lage der Fahrbahnplatte gemessen. Da die Fahrbahnplatte parallel zur Brückenlängsachse verlaufende Biegerisse hat, wurden alle Messstellen über einem Riss positioniert. Es wurden die Spannungswechsel in der Bewehrung infolge Verkehrsüberfahrten mit Dehnmessstreifen und die Spannungen aus ständigen Lasten mit dem MME-Gerät gemessen. Zusätzlich wurde ein Belastungsversuch mit einem Lastwagen mit bekannter Geometrie und bekannten Achslasten durchgeführt. Zur jeweiligen Stahldehnung wurden bei jeder Fahrzeugüberfahrt auch die entsprechenden Rissweitenänderungen aufgenommen. Es konnten Spannungsänderungen ab ca. 4 N/mm 2 aufgezeichnet werden, womit auch leichtere PKW erfasst wurden. Neben den Spannungswerten wurde auch die Temperatur erfasst. Die Messergebnisse wurden über einen Messzeitraum von vier Monaten kontinuierlich aufgezeichnet. Nach Auswertung der Messergebnisse ließ sich zeigen, dass die Beanspruchung der Bewehrung auf Ermüdung unter der Dauerfestigkeit und somit weit unter einer kritischen Größe liegt. Somit konnte mittels der MME-Messung und der Auswertung der tatsächlich auftretenden Spannungen auf weitreichende strukturelle Verstärkungsmaßnahmen verzichtet werden, welche durch eine rein rechnerische Überprüfung des Ermüdungszustands angezeigt gewesen wären. Grundsätzlich ermöglicht eine solch genaue Bauwerksuntersuchung somit einen effektiveren Einsatz der finanziellen Mittel zur Instandsetzung bestehender Bauwerke oder sogar die Vermeidung von Instandsetzungsmaßnahmen bei gleicher Sicherheit. 5 Zusammenfassung und Ausblick Dieser Beitrag gibt einen Überblick über ein neu ent - wickeltes Messgerät zur zerstörungsfreien Spannungsmessung in Bewehrungsstählen. Mit dem zunehmenden Alter und der hohen Beanspruchung der vorhandenen Stahlbetonbauwerke müssen immer mehr Bauwerke überprüft und instand gesetzt oder sogar verstärkt werden. Das hier beschriebene neue Messgerät kann sehr nutzbringend bei der Beurteilung des Zustands von Stahlbeton- und Spannbetonbauwerken eingesetzt werden. Eine große Bandbreite der in der europäischen Bauindustrie verwendeten Bewehrungsstähle mit ihren unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen, Herstellungsverfahren und Lastgeschichten musste bei der Entwicklung des Messgeräts berücksichtigt werden. Dies konnte nur mit dem Einsatz eines leistungsfähigen Regressionsmodells erreicht werden. Das jetzt vorhandene Messgerät ist baustellentauglich und konnte schon bei zwei anspruchsvollen Zustandsuntersuchungen erfolgreich eingesetzt werden. Die künftige Weiterentwicklung des Messgeräts zielt auf die weitere Verbesserung der Messgenauigkeit und die Vergrößerung des Anwendungsspektrums. Das Gerät und die Software sind so konzipiert, dass neue Bewehrungsstähle leicht dazukalibriert werden können und die Datenbasis damit vergrößert wird. Dies führt zu einer Verbesserung der Messgenauigkeit. Auf der Basis des vorhandenen Geräts kann ein Gerät mit einer größeren Magnetisierungsleistung gebaut werden, mit welchem auch die Bewehrungsdurchmesser 22 mm bis 40 mm magnetisiert und gemessen werden können. Literatur [1] SCHNEIDER, E.; BINDSEIL, P.; BOLLER, CH.; KURZ, W.: Stand der Entwicklungen zur zerstörungsfreien Bestimmung der Längsspannungen in Bewehrungsstäben von Betonbauwerken. Beton- und Stahlbetonbau 107 (2012), Heft 4, S [2] THEINER, W. A.: Micromagnetic techniques. Structural and Residual Stress Analysis by Nondestructive Methods, V. HAUK (ed), Elsevier (1997), S [3] OBERBECK-SPINTIG, I.: Einsatz der Barkhausenrauschanalyse zur zerstörungsfreien Eigenschaftsprüfung geschweisster Feinbleche. Fortschritts-Berichte VDI. Reihe 2, Fertigungstechnik, Nr ISBN [4] ALTPETER, I.; THEINER, W. A.: Spannungsmessung mit magnetischen Effekten. Handbuch für experimentelle Spannungsanalyse, CHR. ROHRBACH (ed), VDI-Verlag Düsseldorf (1989), S [5] DOBMANN, G.; ALTPETER, I.; WOLTER, B.; KERN, R.: Industrial Applications of 3MA -Micromagnetic Multiparameter Microstructure and Stress Analysis. 5th International Conference Structural Integrity of welded Structures (ISCS 2007), Timisoara [6] SZIELASKO, K.: Vorrichtung und Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Bauteilen. Europäische Patentanmeldung EP A1, [7] MOORTHY, V.; VAIDYANATHAN, S.; JAYAKUMAR, T.: Microstructural characterization of quenched and tempered 0.2 % carbon steel using Barkhausen noise analysis. Journal of Magnetism and Magnetic Materials 171 (1997), S [8] YAMAURA, S.; FURUYA, Y.; WATANABE, T.: The effect of grain boundary microstructure on Barkhausen noise in ferromagnetic materials. Acta Materialia 49 (2001), S [9] KHAN, S.H.; ALI, F.; KHAN, A.N.; IQBAL, M.A.: Pearlite determination in plain carbon steel by eddy current method. Journal of Materials Processing Technology 200 (2008), S Autoren Dipl.-Ing. Harald Gundelwein gundelwein@enertec.ch enertec engineering ag Unterer Graben Winterthur, Schweiz Dipl.-Ing. (FH) Werner Zellweger zellweger@enertec.ch Sonderdruck aus: Beton- und Stahlbetonbau 108 (2013), Heft 12 11

12 m e a s u r e + a n a l y z e + d o c u m e n t enertec engineering ag Die enertec engineering ag ist ein führender Anbieter von Dienstleistungen und Produkten für die Zustandsanalyse, Bauwerksüberwachung und Dokumenta>on im Hoch- und TieBau. Neu: KraKmessdosen zur AnkerkraKmessung in der Geotechnik und Vorspanntechnik. Wir entwickeln und vertreiben innova>ve Messsysteme für die Baupraxis. Wir bieten Lösungen an, um Bauwerke länger, nachhal>ger und wirtschaklicher nutzen zu können. Weltweit erstmalig können wir die effek>ve Spannung in Bewehrungsstählen an bestehenden Bauwerken messen. Spannungsmessung und Monitoring Ständige Last Veränderliche Last Anpresstechnik Faser- Bragg Sensoren Rissbreiten und Verschiebungen Datenübertragung und Datenlogging Ermüdungsberechnung und Lebensdaueranalyse Konzept Messung Rainflow- Analyse Erstellung von Wöhler- Kurven Schadensakkumula>on Verbundmodelle Bauwerksaufnahmen, Dokumenta>on, Beweissicherung Panoramafotografie und virtuelle Touren mit enerview Laserscanning mit enerscan Ihre Problemstellung ist unsere Herausforderung. Sprechen Sie uns an: enertec engineering ag Unterer Graben Winterthur Switzerland Tel Fax /2014 enertec engineering ag