Magnetische Streufeldmessung

Die Methode der magnetischen Streufeldmessung wird zur zerstörungs- und berührungsfreien Detektion von Brüchen in der Spannbewehrung von Spannbetonbauwerken eingesetzt. Das Verfahren wird seit den 1980er Jahren an der MPA Universität Stuttgart (damals FMPA/ Otto-Graf-Institut) entwickelt und eingesetzt. Unsere Experten können auf jahrzehntelange Erfahrung zurückgreifen. Wir entwickeln die magnetische Streufeldmessung stetig weiter, um auch kommenden Aufgaben stetig besser gerecht werden zu können.

Auch bei einem guten Bauwerkszustand ist eine eingehende Prüfung alle 6 bis 15 Jahre vorgeschrieben.
Dr.-Ing. Frank Lehmann, Ingenieur der Bauwerksprüfung, MPA Universität Stuttgart

Bauwerke aus Spannbeton

Mit Spannbeton können Ingenieurbauwerke errichtet werden, die große Spannweiten filigran, dauerhaft und gleichzeitig statisch hoch belastbar überbrücken. Fast 70 % aller Brückenbauwerke der Bundesfernstraßen sind daher aus Spannbeton gebaut. Auch bei vielen anderen Ingenieurbauten kommt der Baustoff zum Einsatz, so z.B. bei Sporthallen, Industriebauten, Veranstaltungsgebäude, Bahnhofs- und Flughafengebäude, Messen, Theater und vieles mehr.

Die Tragwirkung von Spannbeton ist wesentlich vom Zustand der Spannglieder abhängig. Falls diese ausfallen, kann die Standsicherheit des Bauwerks gefährdet sein. Da der Stahl in den Beton eingebettet ist, genügt eine Sichtprüfung nicht, um den Zustand sicher beurteilen zu können.

Gefahr des Versagens von Spannstahl

Bei modernem Spannbeton werden die Spannglieder zuverlässig vom umgebenden Beton vor Korrosion und versehentlicher mechanischer Beschädigung geschützt. Spannbetonbauwerke sollten aber gezielt untersucht werden, wenn einer der folgenden Gefährdungsfaktoren zutrifft. Unsere Experten beraten Sie gerne dazu!

Vergütete Spannstähle

Bis ins Jahr 1993 wurden teilweise vergütete Spannstähle eingebaut, bei denen ein plötzliches Versagen eintreten kann (St 145/160, Handelsnamen Neptun und Sigma, und St 140/160, Hennigsdorfer Spannstahl, siehe auch hier). Diese bergen das Risiko, dass sich das Versagen vorher nicht durch eine deutliche Rissbildung an der Betonoberfläche oder Korrosionsspuren ankündigt. Bis in die 1970er wurde außerdem nur wenig zusätzliche Stahlbewehrung eingelegt, da man davon ausging, dass dafür bei Spannbetonbauwerken kein Bedarf besteht. Dadurch können teilweise nur bedingt Kraftumlagerungen bei Spanngliedausfall erfolgen.

Falls Ihr Spannbetonbauwerk im fraglichen Zeitraum errichtet wurde, können Sie idealerweise die Information zum verwendeten Spannstahl oder alternativ zum Spannverfahren aus dem Bauwerksbuch entnehmen. Erste Erkenntnisse können Sie anhand des typischen ovalen Spannstahlquerschnitts erlangen (kein ausschließendes Kriterium!). Eine genaue Aussage, insbesondere auch zu besonders kritischen Überfestigkeiten, erhalten Sie nur durch die Prüfung eines Stahlstücks in unserem metallografischen Labor.

Korrosion

Mangelhafter Korrosionsschutz und wasserzugängliche Risse erhöhen die Bruchwahrscheinlichkeit aller Spannstahlsorten deutlich. Insbesondere, wenn Chloride (Streusalz, Meeresluft) mit dem Wasser in den Beton eindringen können und Hüllrohre nicht vollständig verpresst sind, besteht ein höheres Schadenspotenzial.

Achten Sie bei der Prüfung Ihres Bauwerks insbesondere auf Wasserablaufspuren, defekte Oberflächenabdichtungen und Hinweise auf vorhandene Korrosionsschäden wie Rostfahnen, Risse oder Betonabplatzungen.

Mechanische Beschädigung

Immer wieder werden Spannbetonträger im Bereich des Spannstahls unachtsam angebohrt, um nachträglich Bauelemente daran zu befestigen. Die an sich gute Schutzwirkung des Betons hilft in diesem Fall nicht.

Kontaktieren Sie uns, wenn Sie außerplanmäßige Bohrungen in Ihren Spannbetonträgern feststellen oder den Verdacht haben, dass ein Spannstahl aus einem anderen Grund beschädigt wurde.

Ermüdung und Überlastung

Die stetig steigenden Verkehrslasten im Bereich der Infrastrukturbauwerke können Spannbeton im Vergleich zur Planung vorzeitig altern lassen. Als besonders kritisch haben sich diesbezüglich in der Vergangenheit Koppelfugen herausgestellt. Schäden an Spanngliedern können aber auch bereits durch einzelne Ereignisse entstehen, wie statische Überlastungen, Fahrzeuganprall, Brand´, Erdbeben, Hochwasser und extreme Sturmereignisse.

Tonerdeschmelzzement

In den Jahren 1952 bis 1963 wurde bei der Erstellung von Spannbetonbauteilen teilweise das Bindemittel Tonerdeschmelzzement (TSZ) verwendet. Wenn die relative Luftfeuchte im Bereich der Tragkonstruktion dauerhaft 70% überschreitet oder Wasser durch eine unzureichende Abdichtung an den Spannbeton kommen kann, besteht Einsturzgefahr. Schäden an den Spanndrähten lassen sich in der Regel vorher äußerlich nicht erkennen. Es wird empfohlen, solche Tragwerke mit einer magnetischen Streufeldmessung zu untersuchen.

Pflicht der regelmäßigen Bauwerksprüfung

Eigentümer, Besitzer, Betreiber und Baulastträger eines Spannbetonbauwerkes sind gesetzlich verpflichtet, die Standsicherheit ihrer Bauwerke jederzeit sicherzustellen. Zur Werterhaltung des Bauwerks oder der Immobilie und zur Aufrechterhaltung der Nutzung sollten Mängel an der Tragstruktur jedoch immer rechtzeitig erkannt und behoben werden.

Aus den gültigen Regelwerken ergibt sich eine gesetzliche Prüfpflicht für jedes weitgespannte Tragwerk. Dazu gehören unter anderen die Brückenprüfung nach DIN 1067, die regelmäßige Bauwerksprüfung für Hochbauten nach VDI 6200 und die Inspektion von Eisenbahnbrücken nach DB Richtlinie 804.8002.

Je nach Regelwerk und Bauwerkstyp muss auch bei einem guten Bauwerkszustand eine eingehende, handnahe Überprüfung im Abstand von 6 bis 15 Jahren erfolgen.

Nach außergewöhnlichen Einwirkungen, bei Umbauten, Umnutzungen und technischen Modernisierungen wird in der VDI 6200 eine außerplanmäßige Überprüfung empfohlen. Wenn bereits Mängel eingetreten sind, muss eine objektbezogene Schadensanalyse (OSA) durchgeführt werden, um die Standsicherheit zu beurteilen.

Das Institut für Bautechnik (heute DIBt) empfiehlt in seiner Mitteilung vom 10. August 1992, Spannbetonkonstruktionen bei Umbaumaßnahmen oder Nutzungsänderungen auf Spannstahlbrüche zu untersuchen. Entsprechende Untersuchungen sollten auch durchgeführt werden, wenn offensichtliche Unzulänglichkeiten an der Spannbetonkonstruktion bestehen, beim Auftreten örtlich verstärkter Rissbildung und bei sehr geringen Betondeckungen. Insbesondere sind die Überprüfungen angeraten, wenn die Bauteile einer erhöhten Luftfeuchte oder aggressiver Umgebung ausgesetzt sind (E. Wölfel: Einzelne Spannbetonbauteile möglicherweise durch verzögerte Spannstahlbrüche gefährdet. Mitteilungen IfBt 4/1992, 23(4), S. 114-115, 1992. Bereitstellung mit freundlicher Genehmigung des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBt), www.dibt.de).

Nur eine flächige magnetische Streufeldmessung gibt explizit Auskunft über die Standsicherheit von Spannbetonbauwerken.
Dipl.-Ing. Michael Schreiner, Experte für Spanndrahtbruchortung, MPA Universität Stuttgart

Mit der magnetischen Streufeldmessung können wir zuverlässig Brüche in Spannstählen von Spannbetonkonstruktionen feststellen. Das Verfahren ist auch als Spannstahlbruchortung und Remanenzmagnetismus-Verfahren (RM-Verfahren) bekannt. Die Prüfmethode ist vollständig zerstörungsfrei und bietet Ihnen somit die Möglichkeit, auch große Flächen zu 100% zu untersuchen. Sie erhalten als Ergebnis eine Aussage über den tatsächlichen Zustand der Spannglieder, welcher für eine Nachrechnung, eine Abschätzung der Resttragfähigkeit eines Bauwerks oder zur Planung von Instandsetzungsmaßnahmen verwendet werden kann.

Die magnetische Streufeldmessung ist die einzige flächendeckende und damit effiziente Untersuchungsmöglichkeit zur Beurteilung von Spannstählen.

Im August 2017 wurde von der DGZfP ein Positionspapier veröffentlicht, welches unter Mitarbeit der Materialprüfungsanstalt Universität Stuttgart im Unterausschuss „Magnetische Streufeldmessung“ erarbeitet wurde. Im Merkblatt wird der Stand der Technik in diesem Bereich beschrieben.

Voraussetzungen und Durchführung

Bei der magnetischen Streufeldmessung wird der Prüfkopf, der einen Elektromagneten und Magnetfeldsensoren enthält, längs der Spannbewehrung auf einer Schiene bewegt. Damit wird der zu untersuchende Spannstahl magnetisiert. An einer Bruchstelle tritt ein magnetischer Streufluss aus, der an der Bauteiloberfläche durch die Magnetfeldsensoren detektiert wird.

Die magnetische Streufeldmessung kann bei Spannstählen sowohl im sofortigen Verbund (Spannbetonfertigteile) als auch im nachträglichen Verbund (in verpressten Hüllrohren) durchgeführt werden.

Vorbereitung der Messbereiche durch den Auftraggeber

Bevor mit der magnetischen Streufeldmessung begonnen werden kann, müssen alle zu prüfenden Bauteile zugänglich gemacht werden. Dazu gehören die Demontage von abgehängten Decken, Beleuchtung, TGA und anderen Anbauteilen. Bei der Messung muss der Magnet in geringem Abstand zur Betonoberfläche entlang des Prüfbereichs kontinuierlich verfahren werden können. Wir bitten Sie um Rücksprache, in welchem Umfang diese Arbeiten für Ihre Prüfaufgabe notwendig sind.

Im Prüfbereich muss für den Anschluss der Messgeräte und von Beleuchtung eine Spannungsquelle (230 V, 16 A träge, Schuko) zur Verfügung stehen.

Ortung der Spannglieder

Insbesondere bei Spanngliedern in Hüllrohren sind die Lage und der genaue Verlauf häufig unbekannt. Aber auch bei Platten- und Scheibenquerschnitten ist die Lage der Spannglieder nicht ersichtlich. Vor der eigentlichen Prüfung bestimmen wir daher zerstörungsfrei mit Radar die genaue Lage der Spannglieder im Untersuchungsbereich und zeichnen diese auf der Betonoberfläche an.

Zugangstechnik

Messung nach oben: Dachträger und Brückenlängsbewehrung

Für eine Prüfung müssen die Träger handnah zugänglich sein. Bei großen Brücken kommen dazu meist Brückenuntersichtsgeräte zum Einsatz. Bei der Messung von Dachträgern verwenden wir üblicherweise eine Hubarbeitsbühne oder ein Rollgerüst. Grundsätzlich ermöglicht ein Zugang per Hebefahrzeug eine schnellere Durchführung der Messungen, da das manuelle Versetzen des Messgeräts entfällt. Für einen Einsatz müssen jedoch die Voraussetzungen bzgl. Abmessungen, Ausladung, Tragfähigkeit, Manövrierbarkeit und Befahrbarkeit des Untergrunds gegeben sein.

Falls die Zugangstechnik von Ihnen bereitgestellt wird, bitten wir Sie um eine rechtzeitige Abstimmung zur Ausführung.

Messung nach unten: Fahrbahnplatten

Bei der Messung nach unten, z.B. bei der Prüfung der Quervorspannung in Hohlkastenbrücken, ist keine Zugangstechnik notwendig. Der Messaufbau erfolgt direkt auf dem Verkehrsweg. Zur Verringerung des Abstands zwischen Magnet und Spannbewehrung kann es notwendig sein, den Fahrbahnbelag vor der Messung abzufräsen. Häufig bietet sich daher die Durchführung einer magnetischen Streufeldmessung im Zuge einer Abdichtungs- bzw. Fahrbahnsanierung an.

Durchführung

Wenn der Magnet am Bauteil platziert ist, geht die Messung schnell. In mehreren automatischen Messfahrten variieren wir die Magnetfeldstärke, um den Einfluss der schlaffen Bewehrung auf das Ergebnis minimieren zu können. Wir messen die Spannstahlmagnetisierung im aktiven Feld und die Remanenzmagnetisierung. Sie erhalten damit eine optimale Aussage zum Spanngliedzustand in den geprüften Bereichen.

Bei längeren Bauteilen können wir mehrere Einzelmessungen mit ausreichender Überlappung aneinanderreihen. Eine Zustandsbewertung des Spannstahls hinsichtlich von Spanndrahtbrüchen ist damit über die gesamte Länge möglich, ohne, dass die Installation eines aufwändigen Schienensystems notwendig ist.

Wir messen auch nachts oder am Wochenende, wenn es Ihr Bauablauf erfordern sollte. Bei Gefahr im Verzug können wir meist kurzfristig für Sie tätig werden.

Verifizierung

Nach der Prüfung übermitteln wir Ihnen die Positionen, an denen wir Bruchindikatoren festgestellt haben. Zur Verifizierung müssen Sie an diesen Stellen kleine Bauteilöffnungen vornehmen. Gerne begleiten wir fachlich die Durchführung der Öffnungen und die Beurteilung der freigelegten Spanndrähte.

Genehmigungen und Verkehrssicherung

Für eine Messung im Raum öffentlicher Verkehrswege müssen vorab die notwendigen Genehmigungen eingeholt werden. Dazu gehören z.B. eine Verkehrsrechtliche Anordnung (Straßen), eine Betriebs- und Bauanweisung "Betra" (Bahn) oder eine Strom- und schifffahrtspolizeiliche Genehmigung (Schifffahrtswege). Bei Bedarf können wir diese Genehmigungen in Abstimmung mit Ihnen beantragen. Bitte beachten Sie, dass zwischen der Beantragung der Genehmigung und der Durchführung der Messung teilweise recht lange Zeiträume liegen können.

Bei Arbeiten im Bereich des fließenden Verkehrs sind bauseits besondere Sicherungsmaßnahmen zu treffen.

Anwendungsgrenzen

Wir haben das Verfahren der magnetischen Streufeldmessung bereits an hunderten Konstruktionen erfolgreich eingesetzt. Damit auch Ihr Projekt ein Erfolg wird, bitten wir Sie, die folgenden Anwendungsgrenzen zu beachten. Wir beraten Sie gerne zu Ihrem speziellen Anliegen.

Es können nur Spannglieder bis zu einer Betondeckung von ca. 20 cm mit hoher Aussagesicherheit untersucht werden. Wir können die genaue Bewehrungssituation im Labor nachbilden, um die Aussagesicherheit weiter zu erhöhen.
Bei einem teilweisen Ausfall einzelner Drähte in Spannlitzen schirmen die intakten Drähte das magnetische Streufeld ab. In Abhängigkeit der weiteren Einflussfaktoren ist eine Spanndrahtbruchortung ab einer Querschnittsminderung von etwa 15 bis 20% des Gesamtquerschnitts möglich. Anrisse in Spannstäben können aus diesem Grund ebenfalls nicht erkannt werden.
Bei der magnetischen Streufeldmessung können in den meisten Fällen nur Aussagen zur oberflächennahen Spanngliedlage erzielt werden, da tieferliegende Spannglieder magnetisch abgeschirmt werden. Eine Ausnahme können räumlich aufgelöste Einzelspanndrähte sein.
In Endbereichen verbleiben auf einer Länge von je ca. 50 cm nicht prüfbare Abschnitte. Diese können messtechnisch nicht erfasst werden, da hier aus physikalischen Gründen keine gleichmäßige Magnetisierung erzielt werden kann. Aussagen zum Spannstahlzustand im unmittelbaren Anschluss an eine Endverankerung (Spannkopf) sind ebenfalls nicht möglich.
Besondere Anordnungen der schlaffen Stahlbetonbewehrung und stählerne Einbauteile im Messbereich können zu Fehlanzeigen führen. Wir übermitteln Ihnen daher nach der Messung die Position von Bruchindikatoren, die mit lokalen Öffnungsstellen verifiziert werden müssen.
Metallkaschierte Abdichtungsbahnen und eine engmaschige Bewehrung können dazu führen, dass eine Ortung der Spannglieder mit Radar nicht möglich ist. Sofern die Lage der Spannglieder aus Plänen in diesem Fall nicht bekannt ist oder keine flächige Messung erfolgen kann, ist eine Durchführung der magnetischen Streufeldmessung nicht zielführend.

Die magnetische Streufeldmessung im Einsatz