DE4215358A1 - Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Stahlarmierungen in Bauwerken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungs­ freien Prüfung von Stahlarmierungen in Bauwerken gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Desweiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von Stahlarmierungen in Bauwerken gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.

Bei vorgespannten Betonbauteilen wird die Vorspannung durch unter Zugspannung mit dem Beton vergossene Stahl­ bündel erreicht. Das Stahlbündel kann sich dabei in einem metallischen Rohr befinden, wobei der freie In­ nenraum mit einer Verpreßmasse aufgefüllt sein kann. Wenn in solchen Bündeln eine oder mehrere Spanstähle brechen, z. B. durch Überbelastung, Korrosion etc., kann die mechanische Stabilität des Bauteils unter Umstän­ den gefährdet sein. Da im Anfangsstadium des Schadens im allgemeinen die Bruchauswirkung durch Betonrisse von außen nicht sichtbar ist, bedarf es eines zerstö­ rungsfreien Prüfverfahrens, die Lage der Stahlarmie­ rungen, insbesondere des Stahlbündels bzw. des einzel­ nen Spannstahls oder einzelne Brüche eines solchen Spannstahls sicher zu detektieren.

Als Stand der Technik ist bekannt, Spannbetonträger mit sofortigem Verbund, daß heißt mit unmittelbar im Beton liegenden Spannstählen ohne ferromagnetisches Hüllrohr abgeschirmt, mit Hilfe von Streuflußmessungen zu prüfen (z. B. Deutsche Patentschrift DE 39 23 377, US-PT 363 343). Zunächst wird ein Meßkopf, bestehend aus einem elektrischen Jochmagneten und einem Sensor­ array (Hall-Sonden) längs eines zu untersuchenden Trägers bewegt. In einem ersten Schritt wird die mög­ liche vorhandene Magnetisierung bei ausgeschaltetem Feldmagneten geprüft. In einem zweiten Schritt wird die Messung des Streufeldes mit aktiven Feldmagneten vorgenommen. Schließlich wird im dritten Meßschritt das nunmehr vorhandene remanente Magnetfeld bei nicht­ aktiviertem Feldmagneten aufgenommen. Im Ergebnis las­ sen sich aus den Signalunterschieden zwischen der Mes­ sung im aktiven Feld (2. Schritt) und der Restfeldmes­ sung (3. Schritt) Aussagen über quer zum Spannstahl angeordnete Eisenteile wie Bügel, Drähte etc. machen. Brüche im Spannstahl werden hingegen durch gleichblei­ bende, charakteristische Signale bei den Meßschritten 2 und 3 angezeigt.

Solche Verfahren erlauben es Brüche in Stählen von Trägern in sofortigem Verbund bis zu einer Rißweite von ca. 0,01 mm bis zu einem Abstand von 60-80 mm zu detektieren. Aufgrund der Signalformen von Brüchen im Spannstahl werden diese über einen relativ großen Bereich von ca. 100 mm angezeigt. Differenzfeldmessun­ gen mit kleineren Abständen der Meßsonden sind deshalb nicht sinnvoll. Insgesamt zeigen die bekannten Verfah­ ren eine sehr begrenzte Nachweisgenauigkeit.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der Eingangs bezeichneten Art zu schaffen, das es er­ laubt die Lage von Stahlarmierungen in Bauwerken zu bestimmen sowie eine Prüfung von Rißbildungen in ein­ zelnen Spannstählen sogar für den Fall, das sich diese einzelnen Spannstähle mit mehreren in einem metalli­ schen Hüllrohr innerhalb des Bauwerkes befinden, mit gegenüber bekannten Verfahren erhöhter Meßgenauigkeit und Empfindlichkeit zu detektieren. Desweiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens zu schaffen.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein Ver­ fahren mit dem Merkmal des Anspruchs 1. Weitere vorteil­ hafte oder zweckmäßige Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 2-9.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird desweiteren gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10. In den Ansprüchen 11-14 finden sich weitere vor­ teilhafte oder zweckmäßige Ausführungsformen der er­ findungsgemäßen Vorrichtung.

Verfahrensmäßig wird als Meßgröße die Permeabilitäts­ änderung der im Beton vorhandenen Stahlstrukturen er­ mittelt. Neben werkstoffbedingten Permeabilitätsände­ rungen, die in diesem Falle ein Störsignal darstellen könnten, führen Brüche und Enden von Stahlstrukturen wegen einer starken Polbildung zu besonders deutlichen Feldänderungen. Bei dem zu vermessenden Feld reicht das natürliche, remanente Feld, welches durch die Orientierung der Stahlstrukturen im Erdfeld entsteht, aus, eine Prüfung der Armierung vorzunehmen.

Desweiteren kann es sich bei dem zu vermessenden Feld auch um ein von außen durch z. B. eine Feldspühle auf­ gebrachtes Gleich- oder Wechselfeld handeln, wobei eine Bruchstelle im Spannstahl im Vergleich zu unge­ störten Bereichen des Spannstahls eine Feldänderung hervorruft.

Eine Pick-Up-Spule im Meßkopf nimmt die zeitliche Feld­ änderung auf und übergibt sie an die Koppelspule eines SQUID′s. Die zeitliche Änderung des zu messenden Fel­ des am Ort der Pick-Up-Spule, die der SQUID als Ein­ gangssignal benötigt, kann bei einem stationären Feld, d. h. ein remanentes, insbesonderen natürliches Feld oder Gleichfeld, durch einen sich gleichmäßig bewegen­ den Meßkopf erzeugt werden. Bei einem Wechselfeld in der Feldspule kann die Bewegung des Meßkopfes unter­ bleiben, daß heißt in diesen Fällen kann der Meßkopf an eine zu prüfende Stelle gefahren werden um dort stationär zu messen.

Bekannten Verfahren gegenüber sind beim erfindungsge­ mäßen Verfahren folgende Vorteile hervorzuheben:

• - Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine Lagebe­ stimmung einzelner Spannstähle oder sonstige Struk­ turen mit magnetischer Anomalie ohne vorherigen Kenntnis der Orientierung solcher Komponenten.
• - Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Prüfung einzelner Spannstähle, sogar für die Fälle, daß solche Stähle mit anderen zusammen in einem, insbesondere metallischen Hüllrohr, beispielsweise im Beton, eingebettet sind.
• - Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es ohne vor­ herige Magnetisierung der zu untersuchenden Stahlar­ mierungen, insbesondere des einzelnen Spannstahls zerstörungsfrei zu prüfen, insbesondere eine Lage­ bestimmung und/oder eine Bestimmung von Rissen in der Spannstahlstruktur ohne vorherige Magnetisierung vorzunehmen.
• - Zwar richtet sich das erfindungsgemäße Verfahren auf ein solches, das die zerstörungsfreie Prüfung von Stahlarmierungen in Bauwerken erlaubt, das erfindungs­ gemäße Verfahren ist jedoch genauso gut zu Lagebe­ stimmung von Rohrleitungen oder zur Ermittlung von Bruchstellen in Rohrleitungen aus Materialien die magnetische Anomalien aufweisen, wie z. B. Stahl, in Beton als auch in anderen Bauwerken, z. B. in einem Mauerwerk oder im Erdboden vergraben, anwendbar. Desweiteren ist es vorstellbar das erfindungsgemäße Verfahren auch im Bereich der Umwelttechnik, beispiels­ weise zur Prüfung von Leckagen in Rohrsystemen als auch im Anlagebau z. B. zur Zustandsermittlung von sicherheitsrelevanten Bauteilen wie auch in der De­ ponietechnik und Altlastenerkundung einsetzbar.

Die zeitliche Feldänderung die wenigstens von einer Pick-Up-Spule aufgenommen werden soll, kann durch alter­ native Verfahrensweise erzeugt werden.

Eine erste Möglichkeit besteht darin, den mit der je­ weiligen Spule verbundene Meßkopf relativ zur zu unter­ suchenden Stahlarmierungen zu bewegen, bevorzugt mit einer linearen konstanten Geschwindigkeit.

Bei einer weiteren Varianten des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens wird die Spule an einem stationären Meßkopf zu Schwingungen mit einer definierten Frequenz angeregt. Dabei soll bevorzugt die Schwingung der Pick-Up-Spule parallel zur Richtung des zu untersuchenden Spannstahls erfolgen. Wählt man dabei die Frequenz einer Erreger­ schwingung außerhalb der Frequenzbreite von Störsigna­ len, dann können durch entsprechende Filterung Umgebungs­ störungen weitgehend ausgestaltet werden.

Eine weitere alternative Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die Spule als auch der Meßkopf stationär nahe an einer zu untersuchenden Stahlarmierung angeordnet, mit Hilfe beispielsweise einer Feldspule der zu untersuchenden Stahlarmierung ein Wechselfeld ausgesetzt wird.

Desweiteren kann eine besondere Reproduzierbarkeit dadurch erreicht werden, daß die zu untersuchende Stahlarmierung, insbesondere der einzelne Spannstahl, vor Aufnahme der zeitlichen Feldänderung zunächst vollständig entmagnetisiert wird. Zur Detektion von Rissen in einem solchen entmagnetisierten Spannstahl reicht die hohe Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detektion der immer noch vorhandenen Polbildung an Bruchstellen im Erdfeld aus.

Wenn auch bei Verwendung einer Pick-Up-Spule die zeit­ liche Änderung des Felds gemessen, dabei allerdings räumlich konstante Signale der Umgebung wie z. B. die 50 Hz-Schwingung eines Trafos oder Elektromotors ge­ stört wird, kann dieser Nachteil durch eine vorteil­ hafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens besei­ tigt werden, in dem wenigstens eine Gradiometeranord­ nung von 2 Pick-Up-Spulen mit gegenläufigen Windungen gewählt wird. Eine solche Gradiometeranordnung von wenigstens 2 Spulen erlaubt die Eliminierung von gleich aufgenommenen Störsignalen durch eine Differenzbildung bei der Messung.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann als Meßergebnis den Verlauf einer Feldgröße als Funktion des Meßweges ergeben, wobei sich ein Bruch beispielsweise in einem einzelnen Spannstahl durch einen ausgeprägten Aus­ schlag im Kurvenverlauf bemerkbar macht. Weitere Infor­ mationen können erhalten werden in dem eine parallele Anordnung mehrere Pick-Up-Spulen (sowohl eine einzelne Anordnung als auch eine Gradiometeranordnung) senkrecht zum Meßweg erhalten werden. Bei geeigneter Weiterver­ arbeitung der Meßergebnisse unter Berücksichtigung der zusätzlichen Aufnahme der Feldänderungen senkrecht zum Meßweg kann ein zweidimensionales Bild der Feldvertei­ lung ermittelt werden, was beispielsweise die Deutung einer Fehlstelle unter Umständen erheblich erleichtern kann.

Die Auswerteelektronik umfaßt neben der SQUID-Elektro­ nik unter Umständen eine Steuerungseinheit, eine Ein­ heit mit Datenspeicherung, Analyse und Darstellungs­ charakter, sowie ggfs. ein Feldgenerator für eine am Meßkopf angeordnete Feldspule. Bei der Elektronik ist auch ein Experten-System denkbar.

Bei Einsatz des SQUID-Systems mit geeignetem Kryosta­ ten kann es sich dabei um ein SQUID auf der Basis eines herkömmlichen Supraleiters wie beispielsweise Niob aber auch um einen SQUID auf der Basis eines modernen hochtemperatursupraleitenden Materials handeln (bei­ spielsweise aus DE-PS 40 28 301 bekannt) . Letzterer HTSL-SQUID zeigt den Vorteil, daß im Kryostaten an­ stelle des flüssigen Heliums nunmehr flüssiges Stick­ stoff gewählt werden kann.

Es sind im folgenden in den Figuren zum erfindungsge­ mäßen Verfahren, bzw. zur erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt:

Fig. 1 schematische Darstellung der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung mit verfahrbarem Meßkopf mit Pick-Up-Spule und Feld­ spule,

Fig. 2 Prinzipschaltbild zur Verarbeitung des an einem Meßkopf aufgenommenen Signals,

Fig. 3 drei mögliche Varianten zur Aufnahme der gemessenen zeitlichen Feldänderung mit Hilfe einer einzelnen Spule, einer einfachen bzw. mehrfachen Gradiometer­ anordnung.

Claims (14)

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Stahlar­ mierungen in Bauwerken, insbesondere zur Lagebestim­ mung einzelner Spannstähle mit unbekannter Orientie­ rung und/oder Bestimmung von Rissen einzelner Spann­ stähle, insbesondere für den Fall, daß sich der ein­ zelne Spannstahl mit mehreren in einem metallischen Hüllrohr im Inneren eines Spannbetonbauteils befindet, dadurch gekennzeichnet, daß

• - ein mit wenigstens einer Pick-Up-Spule vorgesehe­ ner Meßkopf eine von den Permeabilitätseigen­ schaften der zu untersuchenden Stahlarmierung hervorgerufene, zeitliche Feldänderung ohne ak­ tive, vorherige Magnetisierung der Stahlarmierung aufnimmt,
• - das am Meßkopf erhaltene Signal an ein SQUID-Sy­ stem weitergegeben wird und
• - diesem SQUID-System eine Auswerte-Elektronik nachgeschaltet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall eines stationären Feldes die zeitliche Feldänderung durch eine zur zu untersuchenden Stahlar­ mierung relative, insbesondere gleichmäßige Bewegung des Meßkopfs erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als stationäres Feld der Stahlarmierung ihr natür­ liches, remanentes Feld oder ein von außen an die Stahlarmierung angelegtes Gleichfeld gewählt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall eines von außen an der Stahlarmierung an­ gelegten Wechselfeldes die zeitliche Feldänderung mit Hilfe eines relativ zur zu untersuchenden Stahlarmie­ rung stationär angeordneten Meßkopfs aufgenommen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechselfeld von einer am Meßkopf verbundenen Feldspule erzeugt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zu untersuchende Stahlarmierung vor Aufnahme der Feldänderung am Meßkopf entmagnetisiert wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Feldänderung vom Meßkopf mit einer aus wenigstens einer weiteren Pick-Up-Spule mit zur ersteren Spule gegenlaufigen Windungen bestehenden Gradiometeranordnung aufgenommen wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Array von Pick-Up-Spulen, ggfs. in wenigstens einer Anordnung von mehreren Gradiometeran­ ordnungen derart vorgesehen ist, daß eine zweidimen­ sionale Information der zu untersuchenden Stahlarmie­ rung erhalten wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die eine oder mehrere mit dem Meßkopf verbundenen Pick-Up-Spulen in einer oder jeweils mehreren ausge­ wählten Richtungen mit jeweils definiert eingestellter Frequenz zu Schwingen erregbar sind.

10. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Prüfung von Stahlar­ mierungen in Bauwerken, insbesondere zur Lagebestim­ mung einzelner Spannstähle mit unbekannter Orientie­ rung und/oder Bestimmung von Rissen einzelner Spann­ stähle, insbesondere für den Fall, daß sich der ein­ zelne Spannstahl mit mehreren in einem metallischen Hüllrohr im Inneren eines Spannbetonbauteils befindet, gekennzeichnet durch

• - einen Meßkopf mit wenigstens einer zur Aufnahme von Magnetfeldänderungen vorgesehene Pick-Up- Spule,
• - ein SQUID-System mit Koppelspule zur Aufnahme des Signals der Pick-Up-Spule und
• - eine Auswerte-Elektronik zur Weiterverarbeitung des SQUID-Signals.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch wenigstens einer weiteren Pick-Up-Spule mit zur erste­ ren gegenläufigen Windungen zur Bildung einer Gradio­ meteranordnung oder wenigstens ein aus mehreren Pick- Up-Spulen bestehendes Array.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch mehrere mit dem Meßkopf verbundenen Pick-Up-Spulen, die jeweils einzeln oder zu mehreren in einer oder mehreren ausgewählten Richtungen mit jeweils definier­ ter Frequenz schwingbar angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, gekennzeichnet durch eine mit dem Meßkopf verbundene Feldspule.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet durch einen in bis zu drei von einander unabhängigen Orien­ tierungen bewegbaren Meßkopf.