entwicklung und anwendung eines baustellenmessgeräts zur bestimmung der spannung in...

© Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin. Beton- und Stahlbetonbau 108 (2013), Heft 12 835

DOI: 10.1002/best.201300065

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Harald Gundelwein, Werner Zellweger FACHTHEMA

Entwicklung und Anwendung eines Baustellenmessgerätszur Bestimmung der Spannung in Bewehrungsstählen

1 Einführung und Zielsetzung

Die Notwendigkeit zur Überwachung und Beurteilungder Tragsicherheit und des Ermüdungsverhaltens vonBauwerken nimmt mit deren Alter und den damit verbun-denen Instandhaltungs- und Unterhaltsmaßnahmen, aberauch durch Änderungen der Nutzungsanforderungen undErweiterungen stetig zu. Der überwiegende Teil bestehen-der Infrastrukturbauten weltweit wurde in Stahlbeton-oder Spannbetonbauweise errichtet. Auch im Hochbaumacht diese Bauweise einen erheblichen Anteil aus.

Bisher konnten die Spannungen in bestehenden Stahlbe-tonbauwerken nur unter Annahme vieler Randbedingun-gen berechnet und nicht gemessen werden. Die tatsäch-lich auftretenden Spannungen sind aber von großem Inte-resse für die genauere Zustands- und Schadenserfassung.Neben Strukturuntersuchungen ist die Kenntnis der realvorhandenen Stahlspannungen wesentlich für eine präzi-se Beurteilung der Tragsicherheit, der Ermüdungssicher-heit und der weiteren Gebrauchstauglichkeit des Bau-werks.

Die enertec engineering ag aus Winterthur, Schweiz, hatin Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für zer-störungsfreie Prüfverfahren (IZFP) in Saarbrücken undder Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften(ZHAW) in Winterthur ein Messgerät (MME) entwickelt,mit dem sich erstmals die vorhandenen absoluten Span-nungen in Bewehrungsstählen bestimmen lassen. Dazuwurden mehrere bekannte Verfahren der zerstörungsfrei-en Prüfung kombiniert, weiterentwickelt und an die Be-

dingungen der In-situ-Messung der mechanischen Span-nung in Bewehrungsstählen angepasst. Bei einer notwen-digen Messdauer von ca. zehn Sekunden pro Einzelmes-sung ist das Verfahren für die Bestimmung der Spannun-gen infolge ständiger Last oder für langsame Lastversu-che prädestiniert. Das Messverfahren wird in seinenGrundlagen beschrieben und der praktische Einsatz amBauwerk wird dargestellt. Aus dem Einsatz des MME-Ge-räts zur Zustandserfassung lassen sich neue Erkenntnissegewinnen und erhebliche Einsparungen bei der Bau-werksinstandsetzung erzielen. Dies wird an zwei ausge-führten Beispielen gezeigt.

Mit der Verfügbarkeit dieser kostengünstigen und robus-ten Messtechnik zur zerstörungsfreien bzw. zerstörungs-armen Messung der real auftretenden Spannungen wurdeein erheblicher Fortschritt im Bereich Bauwerksmonito-ring erzielt. Basierend auf den jetzt mittels MME erziel -baren Messergebnissen ist es möglich, individuelle, ganzspezifische, effizientere und ressourcenschonendere Maß-nahmen in Hinblick auf Instandsetzung, Erweiterung und Überwachung der bestehenden Bauwerke zu ergrei-fen.

Eventuell nicht bekannte Schäden, Überbeanspruchungund Defizite an Bauwerken können schnell, kostengüns-tig und genau erkannt und definiert werden. Die Sicher-heit des Nutzers wird durch die Kenntnis des vorhande-nen Spannungszustands erhöht. Diese genaue Beurtei-lung macht sinnvollere statische Maßnahmen und somitangemessenere finanzielle Investitionen möglich. Verstär-kungsmaßnahmen können genau auf die effektiven Defi-

Die Kenntnis der in einem bestehenden Stahlbeton- oderSpannbetonbauwerk herrschenden Spannung in den Beweh-rungsstählen ist ein wichtiger Parameter für die Tragwerksbe-urteilung. Bei der rechnerischen Ermittlung der Spannung inder Bewehrung müssen viele Annahmen zu Bauteilabmessun-gen, Steifigkeiten und Lasten getroffen werden, die das Ergeb-nis stark beeinflussen. Eine messtechnische Ermittlung derStahlspannung mit zerstörungsfreien Prüfmethoden wäre des-halb sehr hilfreich. Die enertec engineering ag in Winterthurhat ein solches Messgerät zur Anwendungsreife entwickelt.Das auf der Messung von mikromagnetischen Eigenschaftenberuhende Verfahren wird beschrieben, die praktische Anwen-dung erläutert und der Nutzen anhand von zwei durchgeführ-ten Messkampagnen aufgezeigt.

Development and practice of a new device for themeasurement of mechanical stress in the reinforcement ofconcrete structuresThe knowledge of the mechanical stress in the reinforcementof existing concrete structures is a vital parameter for the eval-uation of these structures. At the calculation of the tension inthe reinforcement using static models there have to be as-sumed values for geometry, stiffness and load, which have acrucial impact on the result. For this reason the measurementof the existant stress in the reinforcement with nondestructivemethods would be very helpful. The enertec engineering ag inWinterthur, Switzerland has developed such a measuring de-vice for practical use on site. The physical methods and thepractical use are described. The advantages of the deploymentof the device are shown on two executed measuring cam-paigns.

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zite abgestimmt werden. Mit MME wird also eine schnel-lere, sichere und genaue statische Beurteilung bestehen-der Bauwerke möglich, die auf Messung der konkretenSpannungen und nicht mehr nur auf Annahmen und sta-tischen Modellen basiert.

Unter Betrachtung des globalen Marktes wird neben demdirekten finanziellen Nutzen für Bauherren und Eigentü-mer auch der volkswirtschaftliche Nutzen optimierterBauwerksinstandsetzung deutlich:

– Laut OECD sind in den USA 70 000 Brücken sanie-rungsbedürftig,

– 50 Trillionen Euro beträgt der Investitionsbedarf fürTragstrukturen in den Industrieländern,

– 140 Milliarden Euro plant Brasilien bis 2014 für Neu-bauprojekte und Sanierungen im Bereich der Infra-struktur ein,

– 30 000 Milliarden Euro werden in den nächsten Jah-ren für die Erneuerung der Infrastrukturen der westli-chen Welt benötigt,

– 700 Milliarden Euro benötigt Indien für das Bauenund Erneuern der Infrastruktur,

– 90 % der europäischen U-Bahn-Strecken sind älter als40 Jahre.

(Quelle: OECD)

Mit einer zerstörungsfreien Messung der effektivenLängsspannung in bestehenden Stahlbetonbauwerken er-geben sich neue Möglichkeiten im Bereich des Bauwerks-monitorings und der Bauwerksüberprüfung. Darauf ba-sierend können finanzielle Mittel für Instandhaltungs-und Verstärkungsmaßnahmen effektiver und wirtschaft -licher eingesetzt werden. Die mit dem MME möglicheMessung der real vorhandenen Spannung in den Beweh-rungsstäben der Stahlbetonbauwerke führt einerseits zurVerringerung der Instandsetzungskosten und andererseitszur Erhöhung der Sicherheit und Nachhaltigkeit.

2 Zerstörungsfreie Bestimmung der mechanischenSpannung mit mikromagnetischen Verfahren

2.1 Werkstoff, Herstellung und Besonderheiten von Bewehrungsstahl

Heute hergestellte Betonstähle entsprechen der Werk-stoffnummer 1.0439 für Betonstabstahl und 1.0466 fürBetonmattenstahl. Diese Stähle liegen typischerweise miteinem ferritisch-perlitischen Gefüge vor. Je nach thermo-mechanischer Behandlung kann neben dem ferritisch-perlitischen Kern der Außenbereich der Bewehrungsstäh-le martensitisch sein. Aus werkstofftechnischer Sicht lässtsich die Herstellung von Betonstählen in vier Kategorieneinteilen

– Warmgewalzte Betonstähle: Die warmgewalzten Be-tonstähle werden nach dem Walzen langsam an derLuft abgekühlt. Es liegt daher ein ferritisch-perlitischesGefüge vor. Die mechanischen Festigkeiten werdendurch Legieren eingestellt. Um zusätzlich eine gute

Schweißbarkeit zu erhalten, können warmgewalzteBetonstähle durch Zugabe von Niob und/oder Vana-dium mikrolegiert werden.

– Thermomechanisch behandelte Betonstähle: Die Fes-tigkeit wird durch eine Kombination aus Härten undAnlassen eingestellt. Nach dem Abschrecken derOberfläche wird die aus dem Kern des Betonstahls ab-gegebene Wärme genutzt, um den Martensit an derOberfläche anzulassen (Handelsnamen „Tempcore“,„Thermex“, Bezeichnungen: „aus der Walzhitze vergü-tet“).

– Kaltverfestigte Betonstähle: Diese Betonstähle erhal-ten ihre Festigkeit durch Recken oder Tordieren beiUmgebungstemperatur (Bezeichnung: „kaltverformtesRingmaterial“).

– Naturharte Betonstähle: Die mechanischen Festigkei-ten werden durch Legieren eingestellt. Nach dem Wal-zen erfolgt keine weitere Behandlung.

Für die Werkstoffe 1.0439 und 1.0466 ist der Maximal -gehalt von Kohlenstoff (1.0439: C ≤ 0,22 %; 1.0466:C ≤ 0,15 %), Phosphor (P ≤ 0,05 %), Schwefel (S ≤ 0,05 %)und Stickstoff (N ≤ 0,012 %) definiert. Die genauen Antei-le dieser Elemente sowie die Anteile von Legierungszu-sätzen wie Mangan und Nickel werden bei den Beton -stählen nicht spezifiziert und können daher abhängig vonHersteller und Charge schwanken. Der größte Teil desheute in Europa hergestellten Betonstahls ist Recycling-stahl, welcher aus Schrott neu eingeschmolzen wird. Da-raus und aus den verschiedenen Herstellungsverfahrensowie dem Richten des Ringmaterials bei der Weiterverar-beitung resultieren sehr verschiedene Mikrostrukturenund Eigenspannungszustände. Im Laufe der Entwicklungder Betonstähle von ca. 1880 bis heute haben sich Ände-rungen in der Zusammensetzung des Stahls und in denHerstellungsverfahren ergeben. So betrug die Streckgren-ze für einen Betonstahl im Jahr 1900 ca. 100 MPa, imJahr 1937 waren es schon 200 MPa und heute sind 500 MPa ein üblicher Wert.

Die Einbeziehung von Stählen eines langen Herstellungs-zeitraumes mit unterschiedlichen Mikrostrukturen undEigenspannungszuständen stellte eine wesentliche He-rausforderung dar. Das entwickelte Messverfahren er-laubt nicht die Messung an austenitischen und nichtros-tenden Stählen.

2.2 Technische Grundlagen des Messverfahrens

Zur Bestimmung der Längsspannung in Bewehrungsstäh-len kommen aus heutiger Sicht zwei Verfahren prinzipiellin Frage, zum einen das Ultraschallverfahren und zumanderen das mikromagnetische Verfahren. Beide Verfah-ren werden in [1] genauer beschrieben und einander ge-genübergestellt.

Es wurde eine Vorstudie durchgeführt, in der sich heraus-stellte, dass das mikromagnetische Verfahren gegenüberdem Ultraschallverfahren vielversprechender ist, da bei

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letzterem die störenden Einflüsse der Textur und der Ei-genspannungen sich so stark auswirken, dass kein span-nungs- und materialunabhängiger akustoelastischer Kenn-wert gefunden werden konnte. Zudem ist die Ankoppe-lung zur Einleitung verschiedener Ultraschallwellen beiBewehrungsstahl relativ schwierig und fehlerbehaftet.Aufgrund dieser Erkenntnisse wurde das mikromagneti-sche Verfahren im Rahmen eines KTI-Projekts (Kommis-sion für Technologie und Innovation KTI, Förderagenturfür Innovation des Bundes, Schweiz) in Zusammenarbeitmit der Zürcher Hochschule für angewandte Wissen-schaften (ZHAW) für die Anwendung an Bewehrungs-stählen optimiert.

Die mechanischen und magnetischen Eigenschaften einesferromagnetischen Eisenwerkstoffs bei einer bestimmtenTemperatur und Belastung werden durch seine Mikro-struktur festgelegt, welche sich als Resultat der chemi-schen Zusammensetzung sowie der thermischen und me-chanischen Vorbehandlung herausgebildet hat. Empirischwurden Wechselbeziehungen zwischen magnetischen Ei-genschaften und mechanischer Materialspannung gefun-den, welche auch als magnetoelastischer Effekt bekanntsind. Änderungen der Zugbelastung führen zu Änderun-gen der elektrischen Leitfähigkeit und der magnetischenPermeabilität des Materials. Darüber hinaus sind mikro-magnetische Effekte bekannt (Barkhausen-Rauschen, Än-derungen der Überlagerungs-Permeabilität), deren Aus-prägung sowohl von der Mikrostruktur des Materials alsauch vom jeweiligen Belastungszustand abhängt [2, 3].

Der Zusammenhang zwischen messbaren mikromagneti-schen Effekten, Mikrostruktur und Materialspannungkonnte bislang aufgrund seiner Komplexität nicht allge-meingültig beschrieben werden [4]. Um von magnetischenMessgrößen auf die Zielgröße der Materialspannungschließen zu können, ist daher prinzipiell eine Kalibrie-rung an Referenzproben des untersuchten Materialsdurchzuführen, in welche mehrere Kenngrößen mit kom-plementärem Informationsgehalt einbezogen werden.Dabei wird vorausgesetzt, dass sich die für die Zielgrößerelevanten Veränderungen der Mikrostruktur in denMess- respektive Kenngrößen abbilden.

Das realisierte Messgerät ermöglicht die Aufnahme ver-schiedener makro- und mikromagnetischer Kenngrößenüber vier verschiedene Auswerteverfahren, welche in ih-rer Kombination als 3MA-Prüftechnik bezeichnet werden[5]. Sie beinhalten

– Oberwellenanalyse des Zeitsignals der magnetischenTangentialfeldstärke (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 Ver-fahren der 3MA-Prüftechnik auf dem zyklischen Ummag-netisieren des Werkstoffs mit Hilfe eines starken Wechsel-

magnetfelds, dessen Amplitude die Koerzitivfeldstärke desWerkstoffs deutlich übersteigt. Das Wechselmagnetfeldwird mit einem Elektromagneten erzeugt, der an zweiPunkten auf die Oberfläche des Stahls aufgesetzt wird.

Gemessen werden die tangentiale Feldstärke mit einerMagnetfeldsonde (Hall-Sensor) sowie das Barkhausen-Rauschen mit einem magnet-induktiven Sensor. BeideSensoren sind mittig zwischen beiden Polen des Magnet-kreises positioniert. Nach analoger Vorverstärkung derSignale sowie Amplitudendemodulation (BR-Signal) wer-den diese digitalisiert und anschließend ein feststehenderSatz von Merkmalen aus den diskretisierten Messkurvenextrahiert [6]. Das Barkhausen-Rauschen wird grundsätz-lich von Defekten des Metallgitters beeinflusst, da die Be-wegung der Bloch-Wände durch die Gitterdefekte behin-dert wird. Das Barkhausen-Rauschen von Betonstählenwird daher maßgeblich von der Ferrit-Korngröße sowieder Morphologie bzw. Größe des Zementits innerhalbdes Perlits beeinflusst [7]. Der Zusammenhang zwischendem Barkhausen-Rauschen und der Ferrit-Korngrößelässt sich als Hall-Petch-Beziehung formulieren [8]. DasWirbelstrom-Signal wird bereits erfolgreich als quantitati-ves Maß für den Perlitgehalt in unlegierten Stählen he-rangezogen [9]. Damit sind wichtige mikrostrukturelleGrößen der verwendeten Betonstähle in den Messwertender 3MA-Prüftechnik bereits enthalten.

Bei der Anwendung des MME-Verfahrens auf Beweh-rungsstählen wird vorausgesetzt, dass die Bewehrungs-stähle weder korrodiert sind noch Risse enthalten, damitFehlinterpretationen der mikromagnetischen Signalkur-ven vermieden werden. Dies kann durch Anschleifen desStahls vor dem Aufsetzen des Prüfkopfs sowie durch opti-sche Kontrolle an der Messstelle sichergestellt werden.

2.3 Randbedingungen2.3.1 Vorbemerkungen

Die beim praktischen Einsatz des MME-Geräts auftreten-den Randbedingungen wurden gründlich untersucht. Auf-grund der Untersuchungsergebnisse wurden die bei derKalibrierung und dem Messen auf der Baustelle einzuhal-tenden Randbedingungen definiert. Im Folgenden wer-den die äußeren Einflüsse und die getroffenen Maßnah-men beschrieben. Bild 1 zeigt den prinzipiellen Ablaufder Verfahrensentwicklung.

2.3.2 Umgebungsbedingungen

Der Einfluss der Temperatur der Stahlproben sowie desMessgeräts auf die mikromagnetischen Signale wurde un-tersucht. Bei einer Temperatur des Betonstahls und desMessgeräts zwischen 5 °C und 25 °C treten keine messba-ren Einflüsse auf. Versuche an Betonprüfbalken zeigten,dass sowohl der umgebende Beton sowie seine Feuchtekeinen messbaren Einfluss haben. Auch elektromagneti-sche Felder üblicher Größe haben keinen Einfluss.



2.3.3 Prüfkopf

Es wurde ein Prüfkopf mit ebenen Polschuhen und ebe-nem Sensorkopf entwickelt. Vorversuche haben gezeigt,dass dieses Design gegenüber V-förmigen Polschuhen einstabileres und leichter reproduzierbares Magnetfeld er-zeugt. Aus diesem Grund muss auf dem Betonstahl eine6 mm breite und 150 mm lange ebene Koppelfläche er-zeugt werden. Durch die Festlegung einer 6 mm breitenKoppelfläche für alle Durchmesser ergibt sich je nachDurchmesser des Betonstahls eine unterschiedliche Ab-tragstiefe. Für die Anwendung auf der Baustelle wurde ei-ne portable Fräseinrichtung mit einem Hartmetallfräser

entwickelt. Die Nettoquerschnittsfläche nach dem Abtragwurde an allen Proben gemessen und mit der Bruttoquer-schnittsfläche verglichen. Nach dem Herstellen der Kop-pelfläche ist die Nettoquerschnittsfläche maximal 5 % ge-ringer als die Querschnittsfläche ohne Rippen.

Der Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit (Rauigkeit)der Koppelfläche wurde untersucht. Es wurden sehr glat-te und sehr raue Oberflächen geschliffen und gefräst. Da-bei war ein leichter Einfluss der Oberflächenrauigkeit aufdie Qualität der Oberwellenanalyse feststellbar. Um die-sen Effekt zu eliminieren, wurde für die Oberflächengüteein fixer Rauigkeitskennwert festgelegt. Der Prüfkopf

Bild 1 Prinzipieller Entwicklungsablauf Fundamental procedure oft he workflow

Bild 2 Prüfkopf mit Zentriereinrichtung und aufgelegtem Bewehrungsstab mit KoppelflächeMeasuring 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



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muss während der Messung gerade und ohne Spaltände-rung auf dem Bewehrungsstahl fixiert werden. Um dieszu gewährleisten, wird eine Zentriereinrichtung und Fixierung eingesetzt, wie in Bild 2 dargestellt. In Bild 3 istdas gesamte verfügbare Messsystem dargestellt.

2.3.4 Einfluss des Materials der Betonstäbe

Wie in Abschn. 2.1 beschrieben, gibt es für die Herstel-lung und Vergütung von Betonstahl verschiedene Prozes-se. Zudem ist die chemische Zusammensetzung von Be-tonstahl nicht so genau festgelegt wie bei höher legiertenStählen. Bei der Entwicklung des Messgeräts wurdenüber 120 Proben in einer Prüfmaschine auf Zug undDruck kalibriert. Es wurden Proben aller beschriebenenHerstellungsverfahren aus Europa von den 1930er-Jahrenbis 2012 untersucht. Die naturharten Bewehrungsstählezeigten sich im Hinblick auf die mikromagnetischen Ei-genschaften am reproduzierbarsten und am genauestenzu messen. Die thermomechanisch behandelten Temp -corestähle mit ihrer ausgebildeten Martensitschicht zeig-ten sich in dieser Hinsicht am schwierigsten. Die Marten-sitschicht hat eine Dicke von ca. einem Zehntel des Stahl-durchmessers. Diese Dicke kann je nach Hersteller undCharge sowie um den Umfang um +/– 50 % schwanken.Bei einigen Proben wurde zusätzlich zur Martensitschichtnoch eine Zwischenschicht aus Bainit gefunden.

Die große Anzahl von chemischen Zusammensetzungenund Mikrostrukturen sowie ihre Kombinationen machteine Klassifikation der Betonstähle für eine mikromagne-tische Analyse von Hand unmöglich. Deswegen wurdeam Institut für Datenanalyse und Prozessdesign (IDP)der ZHAW ein nichtlineares Regressionsverfahren (Re-gressionsbäume) eingesetzt, mit welchem die Kalibrie-rung auf die gewünschte Zielgröße (mechanische Span-nung) auch mit einer sehr großen Anzahl von Parameternund unter Berücksichtigung stark nichtlinearer Zusam-menhänge möglich ist.

Durch den Herstellungsprozess der Bewehrungsstählekönnen in der randnahen Schicht Eigenspannungen auf-treten. Diese wurden an verschiedenen Proben mit derCut-Compliance-Methode gemessen. Die Eigenspannun-gen variieren stark über die Längsachse der Bewehrungs-stäbe. 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 Mess-wert an sechs in Längsrichtung zum Stahl versetzten Stel-len auf den Bewehrungsstahl aufgesetzt. Aus diesen sechsEinzelmesswerten wird ein robustes Mittel berechnet.

2.3.5 Auswertung der mikromagnetischen Kennwerte

Aus den in Abschn. 2.2 beschriebenen vier Auswertever-fahren werden von der entwickelten Software 76 mikro-magnetische Parameter extrahiert und 40 Parameter für

die Spannungsberechnung verwendet. Die verwendetenParameter teilen sich folgendermaßen auf die Auswerte-verfahren auf:

Oberwellenanalyse OA: 21 ParameterBarkhausen-Rauschen BR: 13 ParameterÜberlagerungspermeabilität ÜP: 2 ParameterWirbelstrom WS: 4 Parameter

Es ist ersichtlich, dass die Oberwellenanalyse und dasBarkhausen-Rauschen die meisten spannungsabhängigenParameter beisteuern. Es ist zu beachten, dass nicht alleParameter spannungsabhängig sein müssen. Ein Teil derParameter dient auch der internen Klassifizierung derProben. Zusätzlich zu den mikromagnetischen Parame-tern werden aus den sechs zu einer Messung gehörendenEinzelmessungen (Trials) Qualitätskriterien berechnet,die garantieren, dass die mikromagnetischen Eigenschaf-ten (Eigenspannungen) oder die Messqualität (Verwa-ckeln während der Messung) für eine Berechnung derSpannung ausreichend gut sind.

Die Kalibrierungsdaten wurden auf Universalprüfmaschi-nen ermittelt. Dazu wurden die Bewehrungsstahlprobeneingespannt und mit verschiedenen Spannungen belastet.Gleichzeitig wurden die mikromagnetischen Parameteraufgezeichnet. Mit den während der Kalibrierung der 120Proben an einer Universalprüfmaschine gesammeltenMessdaten wurde ein nichtlineares Regressionsmodell(Regressionsbaum) trainiert, wobei die Zielgröße mecha-nische Spannung, welche an der Prüfmaschine im Zug-und Druckbereich eingestellt wurde, als Vorgabe dient.Dieses Verfahren arbeitet sehr effizient mit den anfallen-den sehr großen Datenmengen. Das Verfahren unter-scheidet selbständig wichtige von unwichtigen Parame-tern und ist in der Lage, die große Anzahl von Rand -bedingungen (Martensitschicht, Herstellungsverfahren,Stabdurchmesser etc.) automatisch zu sortieren und imEntscheidungsbaum weiter zu verarbeiten. Ein weiterergroßer Vorteil ist, dass der Regressionsbaum mit jederweiteren Kalibrierungsmessung (Messung bei der dieZielgröße mechanische Spannung bekannt ist) dazu lerntund die Messgenauigkeit weiter verbessert wird.

2.4 Validierung

Die Validierung des fertigen Messsystems wurde an Stahl-betonbalken, Deckenplatten und Fahrbahnplatten vonBrücken durchgeführt. Dazu wurden die Bewehrungs-stähle freigelegt, die Koppelfläche erstellt und mit demMME-Gerät gemessen. Auf die Koppelfläche wurden an-schließend Dehnmessstreifen appliziert. Die Bewehrungs-stäbe wurden mit einem elektrischen Fuchsschwanzdurchgetrennt und die Dehnung des freigeschnittenenStahls gemessen. Aus dieser Dehnung wurde die Span-nung berechnet und mit der Spannung aus dem MME-Verfahren verglichen.



2.5 Erzielbare Genauigkeit

Auf Basis der aktuell vorhandenen Kalibrierungsdatenkann die Spannung in Bewehrungsstäben für unbekann-te, aber den gesetzten Randbedingungen entsprechendeBewehrungsstähle auf +/– 100 MPa genau ermittelt wer-den. Die Spannung für Bewehrungsstähle deren Typ, Her-steller, Durchmesser und Alter schon in der Kalibrie-rungsdatenbank enthalten sind, kann auf +/– 50 MPa ge-nau gemessen werden. Diese Streuung erscheint auf denersten Blick relativ groß. Es ist aber zu bedenken, welchbreites Spektrum an Stahllegierungen, Herstellungsver-fahren und Vorbehandlung der Messobjekte abgedecktwerden muss. Die Berechnung von Spannungen mit ei-nem Statikprogramm ergibt nominell sehr genaue Resul-tate. Inwieweit diese aber den tatsächlichen Steifigkeitenund Spannungszuständen entsprechen, hängt von den ge-troffenen Annahmen bei der Eingabe ab. Mit den Mess -ergebnissen des neuen MME-Geräts können die stati-schen Modelle jetzt wesentlich genauer kalibriert werden.Mit zunehmendem Einsatz des MME-Geräts und demSammeln zusätzlicher Kalibrierungsdaten wird sich dieMessgenauigkeit in Zukunft weiter verbessern.

Die Ergebnisse der stabweisen Kreuzvalidierung des ge-samten Datensatzes sind in Tab. 1 angegeben. Dabei wirdein Stab genommen, das Regressionsmodell ohne den zuvalidierenden Stab erstellt und der Messwert des MME

mit dem Ist-Wert der Prüfmaschine verglichen. Der zu va-lidierende Bewehrungstab ist also für das Regressionsmo-dell unbekannt. In Bild 4 sind die eingestellten Lasten derPrüfmaschine im Bereich von –200 bis +400 MPa den mitMME gemessenen Spannungen für einige naturharte(NH) und kaltgereckte (KR) Stähle gegenübergestellt. Esist zu erkennen, dass tendenziell in den unteren und obe-ren Spannungsbereichen die Abweichungen zunehmen.In Bild 5 sind die Abweichungen für alle validierten Stäh-le für alle aufgenommenen Spannungspunkte zwi-schen –200 und +400 MPa dargestellt. Es konnte keineindeutig „besseres“ oder „schlechteres“ Herstellungsver-fahren identifiziert werden. Bei allen Herstellungsverfah-ren gibt es Exemplare mit sehr geringen und mit größerenAbweichungen.

Tab. 1 Statistische Kennwerte der stabweisen KreuzvalidierungStatistical 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 Prognoseintervall2,5 % – Quantil –83,3 MPa97,5 % – Quantil +74,4 MPa

Anliegende vs. gemessene Last einiger naturharter (NH) und kaltgereckter (KR) Stähle

Anliegende Last Prüfmaschine [MPa]

Gem

esse

ne L

ast M

ME

[MP

a]

−400

−200

0

200

400

−400 −200 0 200 400

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44.4%44 4%4100%1

KR.A010.12

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61.1%61 1%6100%1

KR.A011.10

−400 −200 0 200 400

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72.2%72 2%788.9%8

KR.A020.12

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94.7%94 7%9100%1

KR.G001.14

−400 −200 0 200 400

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70%795%9

KR.G002.14

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KR.G004.12

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75%790%9

KR.G007.16

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KR.G008.10

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66.7%66 7%686.7%8

KR.G030.14

−400

−200

0

200

400

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66.7%66 7%693.3%9

KR.GZ30.14−400

−200

0

200

400

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100%100%1100%1

KR.H002.10

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77.8%77 8%7100%1

KR.K002.10

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73.7%73 7%7100%1

KR.K003.12

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KR.K004.14

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76.9%76 9%7100%1

KR.K005.16

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NH.B001.12

−400 −200 0 200 400

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NH.B003.12

−400 −200 0 200 400

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83.3%83 3%8100%1

NH.BU01.14

−400

−200

0

200

400

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94.1%94 1%9100%1

NH.BU02.14

Abweichungen ≤ 50 MPa Abweichungen ≤ 100 MPa

Bild 4 Prognoseabweichungen der Kreuzvalidierung für alle validierten Stähle Deviation of all rebars in the cross-validation



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Es existiert derzeit kein anderes zerstörungsfreies Verfah-ren, mit dem das MME-Gerät validiert werden kann. Alszerstörendes Verfahren bietet sich das Aufkleben vonDehnmessstreifen auf den freigelegten Stab an, welcherdann durchtrennt und die Dehnungsdifferenz gemessenwird. Die Genauigkeit dieses Verfahrens ist hauptsächlichabhängig von der Qualität der Klebung der DMS. DieDehnmessstreifen haben eine sehr hohe Genauigkeit vonbesser als 1 %. Die Umrechnung der gemessenen Deh-nung in mechanische Spannung ist nur so genau, wie derElastizitätsmodul des spezifischen Exemplars bekannt ist.

2.6 Berechnung der Spannungsspitze

Im Stahlbeton werden die Zug- und Druckspannungenim Verbund durch den Beton und den Bewehrungsstahlaufgenommen. Rechnerisch wird im Bruchnachweis diegesamte Zugspannung vom Bewehrungsstahl aufgenom-men. Dies gilt mit Einschränkungen nur genau bei einemBetonriss. Genau beim Riss hat der Bewehrungsstahl eineSpannungsspitze, zwischen den Rissen fällt die Beweh-rungsspannung ab. Durch das Freilegen der Bewehrungzum Messen mit dem MME-Gerät wird die Spannungs-spitze abgebaut, der Spannungsverlauf wird „geglättet“.Der Wert der Spannungsspitze im ungestörten Zustandmuss deshalb mit einem Faktor aus dem Messwert am„gestörten“ Verbundbereich berechnet werden. Dieser

Faktor ergibt sich aus dem Verbundmodell und beträgtfür voll freigelegte Bewehrungsstäbe 1,5 bis 1,6.

2.7 Einschränkungen

Das jetzt vorhandene Messsystem ist in der Lage, Beweh-rungsstähle der Durchmesser 10 bis 20 mm zu unter -suchen. Für größere Durchmesser müsste ein zusätzlichesGerät mit einer stärkeren Magnetisierungsleistung gebautwerden. Die Kalibrierungsdatenbasis umfasst euro -päische Bewehrungsstähle aus den 1960er-Jahren bis2012. Nichtmagnetische Edelstähle sind nicht messbar.Vorspannlitzen können wegen ihrer verdrillten Strukturnicht gemessen werden. Vorspanndrähte müssten geson-dert untersucht und kalibriert werden. Die Messung vonBaustahl mit flächigen und räumlichen Spannungszustän-den ist nicht zuverlässig möglich.

3 Ablauf einer Spannungsmessung am Bewehrungsstahl

3.1 Messstellenvorbereitung

Wenn ein Bauwerk statisch untersucht wird, kennt derBauingenieur das Tragwerk recht genau. Er kennt die Or-te der höchsten Belastung und weiß, wo Unsicherheitenliegen. Der genaue Spannungsverlauf ist jedoch sehr

Bild 5 Vergleich der eingestellten Last der Prüfmaschine mit der mit MME gemessenen Spannung für einige naturharte und kaltgereckte StähleForce at the Testing unit vs. evaluated tension by MME vor some self hardening and some cold drawn rebars



schwierig zu berechnen, da er von den tatsächlichen Stei-figkeiten der Querschnitte, dem Rissverhalten und oftauch einer räumlichen Lastabtragung abhängt. Der zu-ständige Ingenieur identifiziert die Bereiche und die Be-wehrungsrichtung, die untersucht werden soll. Anschlie-ßend wird die genaue Lage der Bewehrung mit einem Be-wehrungsortungsgerät eingemessen. Die Messstelle wirdüblicherweise senkrecht zu einem Riss im Beton liegen.Der Bewehrungsstahl wird auf einer Länge von 200 mmund einer Breite von 70 mm freigelegt. Der Betonstahlwird mindestens bis zur Tiefe der Koppelfläche freigelegt.Wenn der Bewehrungsstahl frei von Beton ist, wird dieFräsvorrichtung, wie in Bild 6 dargestellt, mit drei Dübelnam Beton befestigt. Das Fräsen kann in jeder Lage, auchüber Kopf, durchgeführt werden. Anschließend wird eineebene und glatte Koppelfläche für das MME-Gerät herge-stellt. Bild 7 zeigt einen freigelegten Bewehrungsstab mitgefräster Koppelfläche.

3.2 Messdurchführung

Wenn die Koppelfläche erstellt ist, kann die Messung dervorhandenen Stahlspannung beginnen. Mit dem MME-Gerät können keine dynamischen Spannungswechsel ge-messen werden. Eine Einzelmessung dauert rund zehnSekunden. Ein Messwert an einem Bewehrungsstab wirdaus sechs Einzelmessungen ermittelt. Daher sollten für ei-ne Zeit von ca. fünf Minuten keine starken Laständerun-gen auftreten. Im Hochbau ist dies meistens gegeben, beider Messung an Brücken sollte der Schwerverkehr ge-

sperrt oder auf eine andere Spur verlegt werden. Diesechs Einzelmessungen werden mit einem jeweiligen Ver-satz von ca. 1 cm längs dem Bewehrungsstahl durchge-führt. Die Messwerte werden auf einem Laptop aufge-zeichnet. Die Stromversorgung kann über das 220-V-Netzoder über eine Batterie erfolgen. Bild 8 zeigt den fixiertenMME-Prüfkopf während einer Messung.

3.3 Berechnung des Messwerts

Die Messdaten der sechs Einzelmessungen werden in dasAnalyseprogramm geladen. Das Regressionsmodell be-rechnet den Spannungswert der Einzelmessungen und ei-nen robusten Mittelwert. Der Berechnung liegen allewährend der Kalibrierung gesammelten Daten zugrunde.

3.4 Erweiterung der Kalibrierungsdatenbasis

Es wurde ein weiteres Softwaremodul entwickelt, mitdem auf einfache Weise zusätzliche Kalibrierungsdatenerfasst werden können. Dazu können in einem wenigerbeanspruchten Bauteilbereich (z. B. Fahrbahnplatte einerBrücke beim Querträger) ein oder mehrere gleichartige(Bewehrungstyp, Alter und Durchmesser) Bewehrungs-stäbe entnommen werden. Anschließend werden dieseauf einer Prüfmaschine mit verschiedenen Zug- undDruckspannungen belastet und die mikromagnetischenParameter aufgezeichnet. Die Parameter der neuen Prüf-linge werden dann der Kalibrierungsdatenbasis hinzuge-fügt. Somit kann das Regressionsmodell weiter trainiertund verbessert werden.

4 Praktische Anwendung4.1 Vorbemerkungen

Die Autoren sind mit der beschriebenen MME-Messme-thode bereits am Markt tätig. Ihre langjährige und weit-reichende Erfahrung in Planung und Ausführung von In-frastrukturbauten in der Schweiz ermöglicht eine fundier-te Bewertung der Messergebnisse und bildet die Basis für

Bild 6 Baustellenfräseinrichtung zur Herstellung der KoppelflächeOn site milling machine preparing the coupling surface

Bild 7 Freigelegter Bewehrungsstahl mit Koppelfläche fertig zum Messen Prepared rebar ready for measuring

Bild 8 An der Messstelle fixierter Prüfkopf Fixed measuring unit



FAC

HT

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die Entwicklung baupraxisnaher Messtechnik. Anhandzweier Anwendungsbeispiele soll verdeutlicht werden,welchen praktischen Nutzen Messungen der real vorhan-denen Spannungen in der Tragstruktur bestehender Bau-werke haben.

4.2 Lagerhaus

Das bestehende Logistikzentrum eines großen Möbelhau-ses in der Schweiz ist ein mehrstöckiges Stahlbetongebäu-de aus dem Jahre 1971. Die mit 18 cm Dicke sehr schlan-ken Geschossdecken sind als mehrfeldrige Plattenbalken-Rippendecken auf Stützen und Wänden gelagert. Die be-stehenden Unterzüge sind 50 cm breit und 57 cm hoch,die Decke ist durch Dilatationsfugen segmentiert. DieStützen und Unterzüge sind in Bild 9 gut erkennbar.

Durch Umstellung des Betriebs der Lagerhalle von fahrer-losen automatischen Staplern auf manuell gefahrene Stap-ler mit einer höheren Nutzlast und höherer Fahrgeschwin-digkeit ergibt sich rechnerisch eine ungenügende Ermü-dungssicherheit der Rippendecke in stegnahen Bereichen.Die Rippendecke ist ein Durchlaufträger, bei dem die Lagedes Momentennullpunkts stark von der Steifigkeit derPlatte und der Unterzüge abhängt. Das statische Modellergab rechnerisch ein großes Defizit an unterer Plattenbe-wehrung. Der Ermüdungsnachweis konnte in den stegna-hen Zonen nicht erbracht werden. Durch die Messung dereffektiven Spannung an den Bewehrungsstäben mittelsder MME-Messung konnte die reale Situation unter stän-diger Last und infolge unterschiedlichen Staplerverkehrsgemessen und exakt bewertet werden. Es konnte nachge-wiesen werden, dass die Momentennullpunkte wesentlichweiter Richtung Plattenmitte lagen, als im statischen Mo-dell ermittelt. Die Bereiche mit ermüdungsrelevantenZugspannungen konnten genau definiert werden.

Auf Grundlage dieser Zustandsanalyse konnte die zwarnotwendige Verstärkung der Plattenbewehrung mit CFK-Lamellen zum einen in ihrer Lage optimiert und zum an-deren wesentlich verringert werden. Da es sich um einsehr großes, mehrgeschossiges Lagerhaus handelte, bei

dem ein redundantes Problem mit wenigen Messungenbehandelt werden konnte, sparte der Eigentümer mehre-re hunderttausend Schweizer Franken an Kosten für Ver-stärkungsmaßnahmen ein.

4.3 Autobahnbrücke

Im Auftrag des Tiefbauamtes des Kantons Zürich wurdedas 1970 fertiggestellte, bestehende Viadukt über dieGleisstrecke der Schweizer Bahn in Bülach (Nord), wel-ches Bestandteil der Unterlandautobahn S-10 ist, der sta-tischen Überprüfung unterzogen. Das Bauwerk bestehtaus zwei getrennten Hohlkastenbrücken mit je zwei Fahr-spuren und überspannt mit neun Feldern die Schützen-mattstraße, weitere Industrieplätze und Bahngleise derSchweizer Bahn. Das Viadukt weist einen geraden Über-bau auf, der aus einem vorgespannten Hohlkastenträgermit ca. 1,65 m Höhe gebildet wird. Bild 10 zeigt denHohlkastenquerschnitt und in Bild 11 ist eine Messungwährend einem Lastversuch zu sehen.

In der statischen Überprüfung ergab sich rechnerisch hin-sichtlich Ermüdung der Bewehrung ein stark mangelhaf-ter Widerstand. Es wurde nach Möglichkeiten gesucht, dieErmüdungssicherheit genauer zu untersuchen. Somit wur-de beschlossen, sowohl weitere rechnerische Untersu-chungen an verfeinerten Modellen vorzunehmen, als auchSpannungsmessungen direkt am Bauwerk durchzuführen.

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

30 6.00 6.00 30

2.86 2.86

5.56Fahrspur

151.27

21

Bild 10 Hohlkastenquerschnitt mit Radstellung für LastversuchIntersection oft he hollow box girder with wheel setting for the loadtest



Zur Abschätzung des tatsächlichen Ermüdungsproblemswurden die Spannungen im Bewehrungsstahl der unters-ten Lage der Fahrbahnplatte gemessen. Da die Fahrbahn-platte parallel zur Brückenlängsachse verlaufende Biege-risse hat, wurden alle Messstellen über einem Riss positio-niert. Es wurden die Spannungswechsel in der Beweh-rung infolge Verkehrsüberfahrten mit Dehnmessstreifenund die Spannungen aus ständigen Lasten mit demMME-Gerät gemessen. Zusätzlich wurde ein Belastungs-versuch mit einem Lastwagen mit bekannter Geometrieund bekannten Achslasten durchgeführt. Zur jeweiligenStahldehnung wurden bei jeder Fahrzeugüberfahrt auchdie entsprechenden Rissweitenänderungen aufgenom-men. Es konnten Spannungsänderungen ab ca. 4 N/mm2

aufgezeichnet werden, womit auch leichtere PKW erfasstwurden. Neben den Spannungswerten wurde auch dieTemperatur erfasst. Die Messergebnisse wurden über ei-nen Messzeitraum von vier Monaten kontinuierlich auf-gezeichnet. Nach Auswertung der Messergebnisse ließsich zeigen, dass die Beanspruchung der Bewehrung aufErmüdung unter der Dauerfestigkeit und somit weit untereiner kritischen Größe liegt. Somit konnte mittels derMME-Messung und der Auswertung der tatsächlich auf-tretenden Spannungen auf weitreichende strukturelleVerstärkungsmaßnahmen verzichtet werden, welchedurch eine rein rechnerische Überprüfung des Ermü-dungszustands angezeigt gewesen wären.

Grundsätzlich ermöglicht eine solch genaue Bauwerksun-tersuchung somit einen effektiveren Einsatz der finanziel-len Mittel zur Instandsetzung bestehender Bauwerkeoder sogar die Vermeidung von Instandsetzungsmaßnah-men bei gleicher Sicherheit.

5 Zusammenfassung und Ausblick

Dieser Beitrag gibt einen Überblick über ein neu ent -wickeltes Messgerät zur zerstörungsfreien Spannungs-messung in Bewehrungsstählen. Mit dem zunehmendenAlter und der hohen Beanspruchung der vorhandenenStahlbetonbauwerke müssen immer mehr Bauwerkeüberprüft und instand gesetzt oder sogar verstärkt wer-den. Das hier beschriebene neue Messgerät kann sehrnutzbringend bei der Beurteilung des Zustands von Stahl-beton- und Spannbetonbauwerken eingesetzt werden. Eine große Bandbreite der in der europäischen Bauindus-trie verwendeten Bewehrungsstähle mit ihren unter-schiedlichen chemischen Zusammensetzungen, Herstel-lungsverfahren und Lastgeschichten musste bei der Ent-wicklung des Messgeräts berücksichtigt werden. Dieskonnte nur mit dem Einsatz eines leistungsfähigen Re-gressionsmodells erreicht werden. Das jetzt vorhandeneMessgerät ist baustellentauglich und konnte schon beizwei anspruchsvollen Zustandsuntersuchungen erfolg-reich eingesetzt werden.

Die künftige Weiterentwicklung des Messgeräts zielt aufdie weitere Verbesserung der Messgenauigkeit und dieVergrößerung des Anwendungsspektrums. Das Gerät unddie Software sind so konzipiert, dass „neue“ Bewehrungs-stähle leicht „dazukalibriert“ werden können und die Da-tenbasis damit vergrößert wird. Dies führt zu einer Ver-besserung der Messgenauigkeit. Auf der Basis des vorhan-denen Geräts kann ein Gerät mit einer größeren Magneti-sierungsleistung gebaut werden, mit welchem auch dieBewehrungsdurchmesser 22 mm bis 40 mm magnetisiertund gemessen werden können.

Literatur

[1] SCHNEIDER, E.; BINDSEIL, P.; BOLLER, CH.; KURZ, W.:Stand der Entwicklungen zur zerstörungsfreien Bestim-mung der Längsspannungen in Bewehrungsstäben von Be-tonbauwerken. Beton- und Stahlbetonbau 107 (2012), Heft4, S. 244–254.

[2] THEINER, W. A.: Micromagnetic techniques. Structural andResidual Stress Analysis by Nondestructive Methods, V. HAUK (ed), Elsevier (1997), S. 564.

[3] OBERBECK-SPINTIG, I.: Einsatz der Barkhausenrauschana-lyse zur zerstörungsfreien Eigenschaftsprüfung geschweiss-ter Feinbleche. Fortschritts-Berichte VDI. Reihe 2, Ferti-gungstechnik, Nr. 540. ISBN 3-18- 354002-9.

[4] ALTPETER, I.; THEINER, W. A.: Spannungsmessung mit mag-netischen Effekten. Handbuch für experimentelle Span-nungsanalyse, CHR. ROHRBACH (ed), VDI-Verlag Düssel-dorf (1989), S. 619.

[5] DOBMANN, G.; ALTPETER, I.; WOLTER, B.; KERN, R.: Indus-trial Applications of 3MA -Micromagnetic MultiparameterMicrostructure and Stress Analysis. 5th International Con-ference Structural Integrity of welded Structures (ISCS2007), Timisoara 2007.

[6] SZIELASKO, K.: Vorrichtung und Verfahren zur zerstörungs-freien Prüfung von Bauteilen. Europäische Patentanmel-dung EP 1767932A1, 2007.

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carbon steel using Barkhausen noise analysis. Journal ofMagnetism and Magnetic Materials 171 (1997), S. 179–189.

[8] YAMAURA, S.; FURUYA, Y.; WATANABE, T.: The effect of grainboundary microstructure on Barkhausen noise in ferromag-netic materials. Acta Materialia 49 (2001), S. 3019–3027.

[9] KHAN, S.H.; ALI, F.; KHAN, A.N.; IQBAL, M.A.: Pearlite de-termination in plain carbon steel by eddy current method.Journal of Materials Processing Technology 200 (2008), S. 316–318 .

Autoren

enertec engineering agUnterer Graben 278402 Winterthur, Schweiz

Dipl.-Ing. (FH) Werner [email protected]

Dipl.-Ing. Harald [email protected]

entwicklung und anwendung eines baustellenmessgeräts zur bestimmung der spannung in...

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