Spannungsmessung in Bewehrungsstahl: das MME-Verfahren
Zerstörungsarme Messung der effektiven Stahlspannung in bestehenden Bauwerken
Das weltweit erste Verfahren zur zerstörungsarmen Messung der effektiven Spannung in Bewehrungs- und Spannstählen bestehender Bauwerke. Mikromagnetisch (3MA), peer-reviewed, patentiert – entwickelt mit Fraunhofer IZFP und ZHAW.
Beschreibung
Anwendungen
- Bauwerksdiagnostik an Brücken und Spannbetonbauwerken
- Ermüdungs- und Lebensdauerbewertung bestehender Tragwerke
- Verifikation rechnerisch mangelhafter Ermüdungswiderstände
- Entscheidungsgrundlage vor Verstärkungs- und Sanierungsmassnahmen
- Zustandsbewertung von Bestandsbauten im Hoch- und Brückenbau
Merkmale
- Misst die reale, effektive Stahlspannung – statt sie aus Annahmen zu rechnen
- Zerstörungsarm: Querschnittsverlust ≤ 5 % an der Koppelfläche
- 98,4 % der Prognosen mit Abweichung ≤ 100 MPa, 79,4 % ≤ 50 MPa (Kreuzvalidierung)
- Mikromagnetische 3MA-Technik mit 76 Parametern, 40 davon in der Spannungsberechnung
- Selbstlernende Kalibrierdatenbank über alle gängigen europäischen Betonstähle
- Baustellentauglich: Laptop, 230 V oder Batterie, auch über Kopf einsetzbar
Spezielle Merkmale
- Weltweit erstes Verfahren zur Spannungsmessung in Bewehrungsstählen bestehender Bauwerke
- Peer-reviewed publiziert (Beton- und Stahlbetonbau 108/2013, DOI 10.1002/best.201300065)
- Vorgestellt auf der DGZfP-Fachtagung Bauwerksdiagnose 2016
- Rund 10'000 Kalibriermessungen an Bewehrungsstählen ab Baujahr 1930
- Entwickelt mit Fraunhofer IZFP Saarbrücken und ZHAW (IDP), KTI-gefördert
- Patentiert
Messprinzip – mikromagnetisch statt gerechnet
Die MME nutzt die mikromagnetische 3MA-Prüftechnik. Ein Prüfkopf wird über eine gefräste Koppelfläche auf den freigelegten Bewehrungsstahl aufgesetzt und magnetisiert diesen lokal. Aus der magnetischen Antwort werden vier Verfahren kombiniert – Oberwellenanalyse, Barkhausen-Rauschen, Überlagerungspermeabilität und Mehrfrequenz-Wirbelstrom – und daraus 76 Parameter gewonnen. Über ein nichtlineares Regressionsmodell (entwickelt mit der ZHAW) werden 40 dieser Parameter auf die effektive Spannung abgebildet. Eine Vorstudie mit Ultraschall scheiterte an Textur- und Eigenspannungseinflüssen sowie der schwierigen Ankopplung an Bewehrungsstahl – deshalb der mikromagnetische Weg.
Genauigkeit
In der stabweisen Kreuzvalidierung liegt die Prognoseabweichung bei ±50 MPa für Stähle, die mit Typ, Hersteller, Durchmesser und Alter in der Kalibrierdatenbank vertreten sind, und bei ±100 MPa für unbekannte Stähle unter Einhaltung der Randbedingungen. 79,4 % der Prognosen weichen um ≤ 50 MPa ab, 98,4 % um ≤ 100 MPa; der Median der absoluten Abweichung beträgt 23,8 MPa. Die Datenbank umfasst 120 Proben europäischer Betonstähle der Baujahre 1930er bis 2012 über alle Herstellverfahren (naturhart, kaltverformt, thermomechanisch, mikrolegiert, warmgewalzt) im Zug- und Druckbereich von −200 bis +400 MPa. Mit jeder Kalibriermessung – etwa aus einer Bauteilentnahme – wird das Modell genauer.
Messablauf auf der Baustelle
Die Bewehrung wird lokal auf rund 200 × 70 mm freigelegt, die Messstelle senkrecht zu einem Riss gewählt. Mit einer portablen Fräsvorrichtung wird eine Koppelfläche von 6 × 150 mm angelegt (Querschnittsverlust ≤ 5 %, auch über Kopf möglich). Der Prüfkopf wird mit Zentriereinrichtung fixiert; sechs Einzelmessungen à rund 10 Sekunden mit 1 cm Versatz ergeben ein robustes Mittel. Eine Messstelle benötigt etwa 5 Minuten lastruhige Zeit (bei Brücken wird Schwerverkehr kurz umgeleitet). Aus dem Messwert wird über einen Verbundfaktor von 1,5–1,6 die Spannungsspitze am Riss bestimmt.
Referenzprojekte
Viadukt Bülach Nord (Unterlandautobahn S-10, Auftrag Tiefbauamt Kanton Zürich): Der vorgespannte Hohlkasten von 1970 wies rechnerisch einen stark mangelhaften Ermüdungswiderstand auf. MME-Messungen, kombiniert mit DMS und einem Belastungsversuch über vier Monate Monitoring, zeigten eine Beanspruchung weit unter der Dauerfestigkeit – auf eine strukturelle Verstärkung konnte vollständig verzichtet werden. Logistikzentrum eines grossen Schweizer Möbelhauses (Stahlbeton-Rippendecken, 1971): Eine Umstellung auf Staplerbetrieb erzeugte rechnerisch ein Ermüdungsdefizit. Die MME zeigte die realen Momentennullpunkte und reduzierte die nötige CFK-Verstärkung drastisch – der Eigentümer sparte mehrere hunderttausend Franken. In beiden Fällen hat die Messung nicht Schäden gefunden, sondern unnötige Sanierungen verhindert.
Grenzen des Verfahrens
Die MME ist heute für Stabdurchmesser von 10–20 mm ausgelegt (grössere Durchmesser sind als Weiterentwicklung beschrieben). Nicht messbar sind austenitische bzw. nichtrostende Stähle und verdrillte Vorspannlitzen; Vorspanndrähte nur mit gesonderter Kalibrierung. Das Verfahren erfasst keine flächigen oder räumlichen Spannungszustände, die Messstelle muss korrosions- und rissfrei sein, und während der Messung dürfen keine dynamischen Spannungswechsel auftreten (statische bzw. langsame Lastversuche).
Technische Daten
| Messgrösse | Effektive Spannung in Bewehrungs- / Spannstahl |
| Messprinzip | Mikromagnetisch (3MA), 4 kombinierte Verfahren |
| Genauigkeit (kalibrierter Stahl) | ±50 MPa |
| Genauigkeit (unbekannter Stahl) | ±100 MPa |
| Median der Abweichung | 23,8 MPa |
| Stabdurchmesser | 10 – 20 mm |
| Kalibrierdatenbank | 120 Proben (−200 bis +400 MPa) |
| Messdauer pro Messstelle | ca. 5 min |
Downloads
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- Fachartikel: Beton- und Stahlbetonbau 108/2013 – Baustellenmessgerät zur Spannungsbestimmung (Sonderdruck)
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