DE2716649C2

DE2716649C2 - Verfahren zum Messen der mechanischen Spannung in einem ferromagnetischen Körper sowie eine Vorrichtung zur Durchführung einer solchen Messung

Info

Publication number: DE2716649C2
Application number: DE19772716649
Authority: DE
Inventors: Benoix de Wavre Halleux; Paul-Emile Prof. Lagasse; Pierre Louvain-la-Neuve Louis
Original assignee: Bekaert Cockerill SA
Current assignee: Freyssinet International STUP SA
Priority date: 1977-02-09
Filing date: 1977-04-15
Publication date: 1984-12-13
Also published as: DE2716649A1; GB1600881A; JPS53114474A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der mechanischen Spannung in einem ferromagnetischen Körper nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Messen der mechanischen Spannung in einem solchen ferromagnetischen Körper nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Armicrbetonelcnient mit wenigstens einem gestreckten ferromagnetischen Bewehrungselement zur Durchführung des Verfahrens.

Aus der GB-PS 10 95 562 ist ein Meßverfahren bekannt, bei dem an ein zu messendes Element ein magnetisches Wechsclfeld konstanter Amplitude angelegt wird. Zum Messen der mechanischen Spannung des Elements wird mittels einer mit dem Element magnetisch gekoppelten Empfängerspule ein in dieser induziertes elektrisches Ansprechsignal gemessen. Abweichungen des gemessenen Wertes von einem Soll-Wert in unbelastetem Zustand zeigen an, ob das Element unter mechanischer Spannung steht. Gleichzeitig könne mit diesem Verfahren auch Irregularitäten im Gefüge des Elements entdeckt werden. Liegen sowohl Gefügeveränderungen z. B. infolge plastischer Deformation als auch gleichzeitig eine mechanische Spannung an dem Element an, so ist es nicht möglich, zwischen diesen beiden Signalursachen zu unterscheiden.

Aus der US-PS 35 34 254 ist es bekannt, mittels eines Magnetfeldes Spannungen in einem länglichen ferromagnetischen Körper zu messen. Zu diesem Zweck wird ein konstantes Glcichmagnetfeld angelegt, welches von einem Gleichpulsmagnetfeld gleicher Größenordnung überlagert wird. Dadurch wird der ferromagnetische

Körper zeitlich aus der Sättigung geholt und sogar zeitweilig in die Sättigung in entgegengesetzte Richtung gebracht Auch hier tritt das Problem auf, daß bei auftretenden Signalen nicht erkennbar ist, ob diese aufgrund von Gefügeveränderungen oder infolge plastischer Deformation auftreten.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit denen die Messung von mechanischen Spannungen in ferromagnetischen Körpern ohne Verfälschung durch Störeffekte, insbesondere durch plastische Fließvorgänge, möglich ist. Schließlich soll ein Armierbetonelement mit wenigstens einem gestreckten ferromagnetischen Bewehrungselement zur Durchführung des Verfahrens geschaffen werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der oben beschriebenen Art gelöst, welches gekennzeichnet ist durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1.

Die Vorrichtung zum Messen der iwechanischen Spannung in einem ferromagne tischen Körper ist gekennzeichnet durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 8.

Das Armierbetonelement mit wenigstens einem gestreckten ferromagnetischen Bewehrungselement ist gekennzeichnet durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 13. Auf diese Weise wird ein Armierbetonelement geschaffen, bei dem Messungen selbst dann vorgenommen werden können, wenn ein Teil der elastischen Streckung, die das Bewehrungselement bei der Unterspannungssetzung erfahren hat. sich aufgrund des Kaltfließeffektes in eine plastische Strekkung umgewandelt hat.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Von den Figuren zeigt

Fig. i eine elektromagnetische Schaltungsanordnung für die Durchführung des Meßverfahrens;

F i g. 2 eine Graphik zur Darstellung von mehreren magnetoelastischen Charakteristika eines Stahldrahtes, wobei diese Charakteristika verschiedenen Werten der konstanten Feldkomponente entsprechen;

F i g. 3a und 3b graphische Darstellungen zur Erläuterung der Anwendbarkeit des Verfahrens im plastischen Bereich der Deformierungen des Drahtes, und zwar auf der Grundlage einer Kurve der Ausdehnung in Abhängigkeit von der Belastung bei einem Stahldraht mit entsprechender magnetoelastischer Charakteristik; und

F i g. 4 und 5 schematisch einen Teil des Endes eines Betonträgers aus Spannbeton, der mit der Schaltungsanordnung versehen ist, und zwar während der mechanischen Unterspannungsetzung der Bewehrung und in einem Zustand, wo der Träger fertiggestellt ist.

Das Verfahren beruht auf dem wohlbekannten Phänomen, daß die magnetischen Eigenschaften eines Körpers sich abhängig von den erfahrenen mechanischen Belastungen ändern.

Zur Durchführung des Verfahrens ist eine elektromagnetische Schaltungsanordnung nach Fig. 1 geeignet. Diese enthält e'ne Induktionsspule 1, die von einer Strom welle l(t)»\is einer Versorgungsquelle 24 versorgt wird. Die Strom^velle ergibt sich aus der Überlagerung eines Gleichstromes Io mit einem Wechselstrom Im sin wi. Die elektromagnetische Schaltungsanordnung enthält fefiier eine Empfängerspulc 2, die an der Induktionsspule 1 befestig! ist und über Leiter 3 mit einem Meßgerä¹4 verbunden ist, das im allgemeinen als Voltmeter ausgebildet ist. Die Spulen 1 und 2 sind im Inneren einer Abschirmung aus ferromagnetischem Material montiert, die beisDielsweisc aus einer Umhüllung aus Weicheisen 14 besteht.

Der Körper aus ferromagnetischem Material, an dem die Axialbelastung gemessen werden soll, der er ausgesetzt ist, kann ein beliebiger sein, vorausgesetzt daß er durch einen Kanal 5 hindurchpaßt, der im inneren der Empiängerspule 2 gebildet ist, wenn die Spulen, so wie dies bei dem hier beschriebenen und dargestellten Aus· führungsbeispiel der Fall ist, den der Messung unterzogenen Körper 6 aus ferromagnetischem Material umge-

iü ben. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung können die Spulen neben dem ferromagnetischen Körper 6 mit diesem in oder außer Berührung angeordnet werden. Der ferromagnetische Körper 6 kann aus einem Element wie einem Draht, Rundstab, Seil oder Bündel aus diesen Elementen oder irgendeinem Profilelement gebildet sein. Er kann auch in einer Umhüllung angeordnet sein, worauf später noch eingegangen wird.

Aufgrund des magnetischen Wechselfeldes mit einer Axialkomponente, die von dem Durchgang des Wechselstroms in der Induktionsspule 1 erzeugt wird, und aufgrund der magnetischen Induktion in dem Draht 6, die sich hieraus ergibt und ebenfalls wellenförmig ist, wird in der Empfängerspule 2 eine elektromotorische Kraft crzeugl, die von dem Meßgerät gemessen wird, das die elektrische Spannung mißt, also in einem Voltmeter 4, und zwar für veränderliche Werte der an dem Draht 6 anliegenden Axialbelastungen P. Aufgrund dieser Messungen wird die magnetoelastische Charakteristik des Drahtes ermittelt, also die Werte der elektri-

jo sehen Spannung, die in der Empfängerspule abhängig von den am Draht angewendeten Belastungen erzeugt wird.

Fig. 2 zeigt mehrere magnetoelastische Kurven 7 bis 10, die bei Siahldrähten mit einem Durchmesser von 7 mm der folgenden Zusammensetzung ermittelt wurden, die sehr nahe bei der eutektoiden Zusammensetzung liegen:

%C

%Mn %P »/öS

ca. 0,830 ca. 0,6 ca. 0,6 ca. 0,2 ca. 0,2

Diese Drähte haben nach Patentierung eine 70%ige

₄,j Querschnittsreduzierung erfahren, dann eine Wärmebehandlung von einigen Sekunden unter mechanischer Spannung bei einer Temperatur von 38O⁰C, die eine unter I % liegende plastische Ausdehnung erzeugte.
Die Kurven 7 bis 10 wurden jeweils für einen konstanten Wert der Wechselstromkomponente des Magnetfeldes ermittelt, die in diesem Fall 5413 Am-' beträgt, und bei einer ebenfalls konstanten Frequenz von 60 Hertz. Verändert wurde hingegen die konstante Komponente des magnetischen Induktionsfeldes.

Es ist festzuhalten, daß die magnetoelastischen Kurven bei kleinen Werten der konstanten Komponente des Feldes (Kurven 7 und 8) weder Reversibilität noch Linearität zeigen. Erfindungsgemäß wird daher die konstante Komponente des Magnetfeldes auf einen hohen

_bü Wert festgelegt (in diesem Fall wenigstens in der Größenordnung von 27 000 Am-'), damit Verhältnisse erreicht werden, die sich in der Nähe der magnetischen Sättigung des Stahldrahtes bewegen.

Zusätzlich zu dem Vorteil der Reversibilität, die sich

_b,. daraus ergibt, daß in der Nähe der Sättigung gearbeitet wird, ist als weiterer Vorteil die Linearität der Charakteristik und eine ausreichende Empfindlichkeit festzustellen. Die Anwendung eines starken magnetisierenden

Feldes reduziert ferner in starkem Maße die Störungen, die von ferromagnetischen Massen in der Nähe der Meßvorrichtung verursacht werden, und löscht ferner die magnetische Vorgeschichte des Drahtes aus, wodurch das Erfordernis einer Entmagnetisierung entfällt. Eine weitere beträchtliche Reduzierung der Störungen, die von den in der Nähe befindlichen ferromagnetischen Massen erzeugt werden könnten, wird durch die Abschirmung 14gewährleistet(s. Fig. 1).

Bei der Wahl der Amplitude und der Frequenz der Wechselstromkomponente des magnetisicrcnden Feldes ist zu beachten, daß die in der Empfängerwicklung induzierte elektromotorische Kraft proportional der Ableitung des Flusses nach der Zeit ist, der den Querschnitt der Empfängerspulc 2 schneidet. Die Höhe der induzierten elektromotorischen Kraft kann also eingestellt werden, insbesondere durch Wahl der Amplitude und der Frequenz der Wechselst romkomponcntc. Zu beachten ist jedoch, daß die Werte dieser zwei Parameter so gewählt werden sollen, daß eine magnetische Isolierung des mittleren Teils des Stahldrahtes durch Foucaultsche Ströme vermieden wird. Allgemein ist zu sagen, daß eine Frequenz von 100 Hertz nicht überschritten werden soll.

In den F i g. 3a und 3b ist zu sehen, daß die magnetoelastische Charakteristik auch im Bereich der plastischen Deformierungen des Stahldrahtes ermittelt werden kann. In F i g. 3a ist auf der linken Ordinate die Belastung und auf der rechten Ordinate die in der Empfängerspule 2 der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 erzeugte elektromotorische Kraft aufgetragen, während auf der Abszisse in Prozenten die Werte der relativen Ausdehnung des der mechanischen Spannung unterzogenen Stahldrahtes 6, bei dem es sich hier um einen Draht aus Weichstahl mit 0,15% C handelt, aufgetragen sind. Festzustellen ist, daß der Verlauf der Änderung der elektromotorischen Kraft in Abhängigkeit von der Ausdehnung genau gleich dem Verlauf der Änderung der Belastung bezüglich der relativen Ausdehnung ist. Dies bedeutet, daß eine lineare Beziehung, die in F i g. 3b dargestellt ist, zwischen der Änderung der elektromotorischen Kraft und der Belastung vorliegt, und zwar unabhängig davon, ob im Bereiche elastischer Deformierung oder plastischer Deformierung der untersuchten Struktur aus magnetischem Material gearbeitet wird. Den Punkten a. b. c... der Kurve Belastung/Ausdehnung der Fi g.3a entsprechen die Punkte a. b. c... der magnetoelastischen Charakteristik der F i g. 3b.

Wie bereits erwähnt, wird während der Kichphasc unter den erläuterten Voraussetzungen und mittels der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 die magnetoelastische Charakteristik des Drahtes 6 ermittelt. Diese zeigt einen Verlauf, der im allgemeinen den Charaklcristika 9 oder 10 in F i g. 2 entspricht.

Die Meßphase des Verfahrens besteht darin, daß die so ermittelte magnetoelastische Charakteristik verwendet wird, um die Axialbelastung in einem Draht zu kontrollieren, der physikalisch-chemische Eigenschaften aufweist, die allgemein identisch denjenigen des Drahtes sind, der zur Ermittlung dieser Charakteristik verwendet wurde. Es wird eine elektromagnetische Schaltungsanordnung verwendet, die allgemein identisch derjenigen ist. mit der die Eichung durchgeführt wurde und die während der Eichung bezüglich des zu überprüfenden Drahtes in derselben Weise angeordnet wird, und schließlich wird aufgrund der elektromagnetischen Eichcharakteristik aus dem Wert der induzierten elektromotorischen Kraft die Anzeige der Axialbelaslung an dem überprüften Draht extrapoliert.

Im allgemeinen können zwei Fälle auftreten. Bei dem ersten ist der zur Eichung dienende Draht nicht derselbe wie der Draht, dessen Belaslungs/.ustand anschließend geprüft werden soll; die elektromagnetische Schaltungsanordnung ist dieselbe oder eine andere. Dieser Fall liegt beispielsweise vor, wenn in einem Labor auf der Grundlage von ferromagnetischen Proben die magnetoelastischcn Charakteristika von verschiedenen

in Strukturen ermittelt werden, die dazu bestimmt sind, an verschiedenen Stellen verwendet oder gehandhabt zu werden, wobei die so ermittelten magnetoelaslischcn Charakteristika ausgenutzt werden, um deren Zustand hinsichtlich mechanischer Spannung zu überprüfen.

Man spricht dann von Eichdrähten, die bei der Eichung verwendet werden, und von Drähten, die während einer Meßphase in situ, also an Ort und Stelle, einer Messung unterzogen werden.

Bei dem zweiten Anwcndungsfall des Verfahrens sind Eichdraht und der der Kontrollmessung unterzogene Draht derselbe. Hierbei dient im allgemeinen dieselbe elektromagnetische Schaltungsanordnung zur Eichung und zur Kontrollmcssung.

Eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung betrifft den Fall, wo getrennt der Zustand der Axialbelastungen in aufeinanderfolgenden Elementen eines zusammengesetzten ferromagnetischen Körpers überprüft werden sollen, beispielsweise in einem Bündel aus Drähten. Rundstäben oder in irgendeiner Gesamtheit aus wenigstens zwei Elementen, die das eine im anderen angeordnet sind.

In diesem Falle wird sowohl bei der Eichung als auch bei der Kontrollmessung die konstante Komponente des induzierenden Magnetfeldes variiert, und es werden mehrere magnetoelastische Kurven aufgenommen, die jeweils einem bestimmten Wert der konstanten Komponente des Magnetfeldes entsprechen, wobei der Wert so gewählt ist, daß die magnetische Induktion in den aufeinanderfolgenden Elementen des ferromagnelisehen zusammengesetzten Körpers nahe bei der Sättigungsinduktion liegt. Auf diese Weise können bei optimalen Bedingungen des Magnetfeldes die Zustünde der mechanischen Spannung der einzelnen Elemente eines ferromagnetischen zusammengesetzten Körpers analysicrt werden.

Eine bevorzugte Anwendungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem dieselbe elektromagnetische Schaltungsanordnung für die Eichung und für die Kontrollmessung verwendet wird, ermöglicht die Messung der Axialbclastung, die an einer Bewehrung in einer Konstruktion aus Spannbeton anliegt Diese Anwendungsform wird nachstehend aufgrund der F ι g. 4 und 5 beschrieben. Dort ist das rechte Endstück eines Betonträgers 11 dargestellt, der eine Hülle 12 enthält, in deren Inneren ein Bündel 13 aus Stahlbewchrungsdrähten angeordnet ist. Die Hülle 2 ist in ein hohles Vertcilerstück 15 eingesteckt an dem ein an der Stirnseite des Trägers 11 liegender Verankerungskopf mit Keilen 18 befestigt ist; der Verankerungskopf 16 ist mit im Profil

μ kegelstumpfförmigen Kanälen 17 versehen, die von den Bewehrungsdrähten 13 durchquert werden, die konischen Keilen 18 zugeordnet sind. Die hier beschriebenen Elemente sind wohlbekannt; sie sollen die Unterspannungsetzung des Trägerbetons mittels eines Hydraulikzylinders ermöglichen, von dem nur der Teil dargestellt und mit dem Bezugszeichen 19 bezeichnet ist der sich an dem Träger abstützt Diese Zylindervorrichtung gibt eine mechanische Spannung auf die Beweh-

rungsdrähtc, die in dem ihnen so vermittelten Spannungszustand blockiert werden durch Verklemmen der Keile 18 in dem Verankerungskopf 16. Die Zylindervorrichtung 19 wird dann entfernt, und gemäß der Darstellung in Fig.5 wird dann in die Hülle 12 an der mit 20 bezeichneten Stelle Mörtel eingespritzt.

Um die Hülle 12 herum und eingebettet in den Beton wird eine elektromagnetische Schaltungsanordnung 21 der in Fig. I gezeigten Art angeordnet, wobei darauf geachtet wird, daß an der Stirnseite des Trägers 11 mittels einer Hülle 22 und eines Verbindungskastens 23 die Versorgungsleiter der Induktionsspule 1 und die Meßleiter 3 der Empfängerspule 2 zugänglich gemacht werden. Die magnetoelastischc Charakteristik des Bündels 13 aus Bewehrungsdrähten wird während der axialen Unterspannungsetzung mittels des Zylinders i9 ermittelt, was der Eichphase des Verfahrens entspricht. Zu jeglichen späteren Zeitpunkten können die in den Bewehrungsdrähten verbleibenden Axialbelastungen kontrolliert werden, indem in der Schaltungsanordnung 21 die elektromagnetischen Bedingungen der Eichmessung reproduziert werden und indem aus der Anzeige der induzierten elektrischen Spannung aufgrund der magnetoelaslischen Charakteristik der Wert der vorhandenen Axialbelastung extrapoliert wird.

Wenn die Temperaturbedingungen während der Eichung und während der Kontrollmessung deutlich verschieden sind, so sollten die sich daraus ergebenden Variationen der magnetoelastischen Charakteristika berücksichtigt werden. Dies kann beispielsweise geschehen, indem wenigstens eine Eichung bei mehreren Temperaturen durchgeführt wird, um den thermischen Korrekturkoeffiztenten zu ermitteln, der während der Kontrolimessung zu berücksichtigen ist. Wenn die elektromagnetische Schaltungsanordnung eingebettet wird, so J5 können in deren Nähe Thermoelemente eingebettet werden, damit in der Kontrollzone die Temperatur ermittelt werden kann.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Messen der mechanischen Spannung in einem ferromagnetischen Körper mittels eines Wechselmagnetfeldes, an das der Körper magnetisch angekoppelt wird und bei dem an den Anschlüssen einer mit dem Körper magnetisch gekoppelten Empfängerspule ein elektrisches Ansprechsignal gemessen wird, welches von dem Wechselmagnetfeld induziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Körper ein Bewehrungselement einer Betonarmierung verwendet wird, welches in seiner Längsrichtung von dem Wechselmagnetfeld durchsetzt wird und dem Wechselmagnetfeld ein Konstantmagnetfeld überlagert wird, durch das das Element während der Messung stets bis in die Nähe seiner Sättigung magnetisiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wechselmagnetfcld ein solches mit einer konstanten Amplitude und einer Frequenz unter 100 Hertz verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine für das Verfahren vorzunehmende Eichung mit dem Element durchgeführt wird, dessen Zustand hinsichtlich der an ihm aufgewandten Belastungen gemessen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung in der Eichphase und in der Meßphase mittels derselben Empfängerspule erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetoelastische Charakteristik des Bewehrungselementes während seiner mechanischen Unterspannungssetzung in situ ermitteltwird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die an einem Bündel aus Bewehrungselementen, das in eine in einer Betonkonstruktion eingebetteten Hülle eingebracht wird, aufgewendete Axialbelastung gleichzeitig gemessen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung an einem zusammengesetzten ferromagnetischen Körper aus mehreren ineinandergreifend angeordneten Elementen, deren Axialbelastungszustände getrennt ermittelt werden sollen, sowohl während der Eichphase als auch während der Meßphase die konstante Komponente des induzierenden Magnetfeldes variiert wird und mehrere magnetoelastiche Kurven ermittelt werden, die jeweils einem bestimmten Wert der konstanten Komponente des Magnetfeldes entsprechen, wobei der Wert so gewählt wird, daß die magnetische Induktion in den Elementen des zusammengesetzten ferromagnetisehen Körpers nahe an der Sättigungsinduktion liegt.

8. Vorrichtung zum Messen der mechanischen Spannung in einem forromagnetischen Körper, mit einer Wechselmagnetfeldquelle mit einer Spule und bo mit einer Empfängerspule, wobei der Körper so angeordnet ist, daß er mit der Wechselmagnctfeldquel-Ie und der Empfängerspulc magnetisch gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper ein Bewehrungselement (6, 13) einer Betonarmierung ist, μ welches so angeordnet ist, daß es in seiner Längsrichtung von dem Wechselmagnetfeld durchsetzbar ist und daß eine Konstantmagnetfeldqiielle vorgesehen ist. die so angeordnet und bemessen ist daß das Konstantmagnetfeld dem Wechselmagnetfeld überlagerbar und das Bewehrungselement (6,13) stets bis in die Nähe seiner Sättigung magnetisierbar ist

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängerspule um das Bewehrungselement (6,13) herum angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine magnetoelektrische Schaltungsanordnung um eine in dem Bauelement eingebettete Hülle herum angeordnet ist

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis

10, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantmagnetfeldquelle und die Wcchselmagnetfeldquelle eine gemeinsame Spule (1) aufweisen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis

11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselmagnetfeldquellc eine stabilisierte Wechselstromquelle umfaßt.

13. Armierbetonelement mit wenigstens einem gestreckten ferromagnetischen Bewehrungselement zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß in den Körper des Armierbctonelements (11) zur Messung der an dem Bewehrungselement (6,13) vorhandenen mechanischen Belastung eine Induktionsspule (1) und eine Empfängerspule (2) eingebettet sind, die magnetisch mit dem Bewehrungselement (6, 13) in dessen Längsrichtung gekoppelt sind und von denen die Induktionsspule (1) an eine Erregerstromquelle und die Empfängerspule (2) an ein Meßgerät (4) zum Messen der in der Empfängerspule (2) induzierten elektrischen Spannung ankoppelbar ist.