Längliche Spannglieder werden insbesondere bei vorgespannten Betonkon- struktionen und rückverankerten Systemen im Bauwesen verwendet. Aus- schlaggebend für die Sicherheit dieser vorgespannten Betonkonstruktionen und rüclcverankerten Systeme ist im wesentlichen die Funktion der Spannglie- der. Die Spannglieder können z. B. durch Korrosion oder unplanmäßige Bela- stung Schäden erleiden, so dass die Standsicherheit der Bauwerke nicht mehr gewährleistet ist. Es ist daher von besonderer Bedeutung, die vorhandene Zugkraft der Spannglieder sowie eventuelle Schäden der Spannglieder zu überprüfen und zu überwachen. Um gezielte Reparaturen vornehmen zu kön- nen, ist zudem eine Feststellung und Ortung von Bruchstellen der Spannglieder erwünscht.

In Krumbach, R. ; Heyn, A. :"Spannungsrisskorrosion von Spannstahl-Vor- stellung einer neuen Untersuchungsmethode" ; in Konferenz-Einzelbericht : DAfStb-Forschungskolloquim, Beiträge zum 35. Forschungslcolloquim, Leip- zig, 19. bis 20. März 1998, Seiten 229 bis 238 ist ein Verfahren zur Untersu- chung der Spannungsrisskorrosionsneigung an Spannstählen durch Erfassung des elektrochemischen Rauschens beschrieben. Auf diese Weise kann die Empfindlichkeit der Spannstähle sowie die Störanfälligkeit bestimmt werden.

Aus Mießeler, H. J. ; Wolff, R. :"Glasfaserstäbe : ein neuartiger Stoff zur Brül<- kenvorspannung. Sensoren überwachen das Bauwerk" ; in : Beratende Ingenieu- re 1992, Heft 7/8, Seiten 43 bis 47 ist bekannt, Spannglieder im Spannbeton- Brückenbau mittels zusätzlich eingebauter Kupferdrahtsensoren sowie Licht- wellenleitersensoren permanent zu überwachen, wobei die Lichtwellenleiter

und Kupferdrähte in Zugzonen der Spannglieder eingebaut sind.

In der DE OS 42 09 661 A1 ist ein Verfahren zur permanenten Überwachung von Betonbauwerken beschrieben, bei dem Risse mit Hilfe eines elektrisch lei- tenden Films detektiert werden, die auf dem Bauteil schubfest haftend aufge- bracht sind. Bei einer Rissbildung werden die Filme derart getrennt, dass sich der zu messende elektrische Widerstand zwischen den Enden des Filmes er- höht. Nachteilig ist bei diesem Verfahren eine zusätzliche Behandlung der Spannglieder erforderlich.

In der DE OS 27 29 150 A1 ist ein Verfahren zur Messung von Zugkraftände- rungen mit Hilfe einer Brückenschaltung beschrieben. Hierbei sind die Spannglieder Teil der Brückenschaltung und werden als elektrische Impedan- zen ausgewertet. Bei einer Änderung der Zugkraft tritt eine Impedanzänderung und somit eine Verstimmung der Brücicenschaltung auf, die gemessen werden kann. Nachteilig ist hierbei, dass die Brückenschaltung zunächst im unbeschä- digten Zustand abgestimmt werden muss und ein Vergleich mit dem beschä- digten Zustand erforderlich ist. Eine nachträgliche Messung nur an einer be- schädigten Konstruktion ist nicht möglich.

Ein entsprechendes Verfahren ist auch aus dem US-Patent 4,055,078 be- kannt.

Ein entsprechendes Verfahren ist auch aus dem US-Patent 4,055,078 be- kannt.

Ein weiteres Verfahren zur Überprüfung von Spanndrähten in Spannbetonteilen basiert auf einer magnetischen Streuflussmessung. Das Verfahren ist zum Bei- spiel in Savade, G. : Anwendung der Methode der magnetischen Streufeld- messung zur Ortung von Spannstahibrüchen" ; in Konferenz-Einzelbericht : Bauwerksdiagnose. Praktische Anwendungen zerstörungsfreier Prüfungen, München, 21. bis 22. Januar 1999, Deutsche Gesellschaft für zerstörungs-

freie Prüfung e. V., Band 66, Seiten 73 bis 81 beschrieben. Hierbei wird ein Prüfkopf mit einer Magnetisierungsvorrichtung gemeinsam mit Magnetfeldsen- soren längs der Stahlbewehrung bewegt. Fehler in Form von Brüchen eines Spanndrahtes sind als Magnetfeldmaximum deutlich erkennbar. Die Messung erfolgt durch Bildung eines Differenzsignals aus zwei Messfahrten und durch VAriation des erregenden Messfeldes, wodurch der Einfluss von Querbügelsi- gnalen reduziert wird.

Eine ähnliche Methode ist in Hillemeier, B. ; Scheel, H. :"Magnetische Ortung von Spanndrahtbrüchen in Spannbeton" ; in : Materials and Corrosion, Band 49, 1998, Heft 11, Seiten 799 bis 804 beschrieben. Dieses Verfahren basiert auf dem Nachweis von Remanenzmagnetismus, wobei ein Spanndraht zunächst magnetisiert wird. Ein magnetisierter gerissener Stahldraht verhält sich dann wie ein gebrochener Stabmagnet und es entsteht ein neuer magnetischer Dipol in der Umgebung der Bruchstelle. Die Bruchstelle kann durch Messung der magnetischen Flussdichte transversal oder vertikal geortet werden. An der Bruchstelle sind zwei Extremwerte der Flussdichte mit einem Wendepunkt sichtbar. Zur Durchführung des Verfahrens wird der Spanndraht durch einen Elektromagneten magnetisiert und das Magnetfeld mit einem fahrbaren Wagen von der Oberfläche gemessen.

Nachteilig bei dem Verfahren ist, dass die gesamte Oberfläche des Bauwerkes abgefahren werden muss. Da Bauwerke oftmals nicht unbeschränkt zugäng- lich sind, ist das Verfahren oftmals nicht oder nur mit großem Aufwand ein- setzbar.

In der DE 36 06 836 A1 ist ein Wellenleiter-Sensor für Zugkräfte offenbart, der als Hochfrequenzkoaxiallcabel ausgebildet und in ein zu überwachendes Bauwerk eingebettet wird. Mit Hilfe einer Messeinrichtung wird der Gleich- stromwiderstand oder der Wellenwiderstand des Wellenleiter-Sensors gemes- sen und hieraus ein Maß für eine mechanische Beanspruchung, wie Zug, Bruch oder Biegung ermittelt. Der Wellenleiter-Sensor muss nachteilig als separates

Überwachungselement in das zu überwachende Bauwerk eingebaut sein.

Aufgabe der Erfindung war es daher, ein verbessertes Verfahren zur Zustand- serl<ennung von elektrisch leitfähigen länglichen Spanngliedern anzugeben, mit dem eine einfache nachträgliche Überprüfung eines Spanngliedes möglich ist.

Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren mit den Schritten gelöst von : - Einkoppeln eines elektromagnetischen Messsignals in ein Spannglied ; - Verändern der Frequenz des Messsignals ; - Messen des Reflektionsspektrums des Messsignals ; Erkennen des Zustands des Spanngliedes in Abhängigkeit von den Re- sonanzfrequenzen aus dem Reffektionsspektrum.

Erfindungsgemäß wird somit der Zustand eines Spanngliedes, insbesondere ein Bruch, mit Hilfe der Resonanzfrequenzen aus dem Reflektionsspektrum eines elel<tromagnetischen Messsignals bestimmt. Das elektromagnetische Mess- signal kann hierbei relativ einfach an einer freigelegten Stelle des Spanngliedes eingekoppelt werden.

Auf diese Weise ist ein Abfahren der gesamten Länge des Spanngliedes nicht mehr erforderlich.

Das Reflektionsspel<trum ist von der Gesamtlänge und den Abständen der Spannglieder zueinander, sowie von den dielektrischen Eigenschaften des Ma- terials zwischen den Spanngliedern abhängig. Weiterhin haben die Abschlüsse der Spannglieder sowie die Einkoppelung des elelctromagnetischen Signals Auswirkungen auf das Reflektionsspektrum. Bei einem Riss des Spanngliedes

ändert sich für die elelctromagnetische Welle des Messsignals die effektive Länge des Spanngliedes und damit das Reflektionsspektrum, Die Auswertung des Messergebnisses erfolgt je nach Stärke der Verlcoppelung der Spannglieder miteinander auf unterschiedliche Art.

Bei gering verkoppelten Spanngliedern fließen nur die Resonanzfrequenzen des angeregten Spannglieds in das Messergebnis ein. Dann kann die Längs 1 von der Einl<oppelungsstelle des Messsignals zu einem Schadensort aus der Diffe- renz von zwei benachbarten Resonanzfrequenzen Af mit der Formel bestimmt werden, wobei c die Vakuumlichtgeschwindigkeit und Er die Dielek- trizitätszahl des das Spannglied umgebenden Mediums ist. Durch Vergleich der berechneten Bruchlänge lb mit der Gesamtlänge 19 des Spanngliedes kann die Existenz eines Schadens festgestellt werden. Die ermittelte Bruchlänge lb gibt Aufschluss über den ungefähren Schadensort. Das Verfahren ist anwendbar, da die Differenz Af je zweier benachbarter Resonanzfrequenzen konstant ist.

Sofern die Dielektrizitätszahl nicht bekannt ist, kann eine Vergleichmessung an mindestens einem entsprechenden Vergleichs-Spannglied gleicher Länge durchgeführt werden. Die Bruchlänge lb der Einkoppelungsstelle des Mess- signals zu einem Schadensort kann bei der Vergleichsmessung aus den Diffe- renzen zweier benachbarter Resonanzfrequenzen des Spanngliedes A1, der Differenz von zwei benachbarten Resonanzfrequenzen des Vergleichs- Spanngliedes A2 und der Gesamtlänge 19 des Vergleichs-Spanngliedes mit der Formel

bestimmt werden.

Bei verkoppejten Spanngtiedern treten zusätz) iche Resonanzen auf, so dass die vorstehend genannten Berechnungsverfahren nicht verwendet werden können.

Es wird daher ein Verfahren vorgeschlagen, das auf einer Modellbildung der verkoppelten Spannglieder beruht.

Hierzu werden zunächst die Anzahl n, die Gesamtlänge 19 und der Durchmesser d der miteinander verkoppelten Spannglieder bestimmt. Zudem wird die Dielek- trizitätszahl des Mediums, das sich zwischen den Spanngliedern befindet, z. B. für Beton, bestimmt. Anschließend wird ein Streumatrix-Gleichungssystem für das Modell der verkoppelten Spannglieder aufgestellt und das Reflektionsspek- trum für das Streumatrix-Gleichungssystem berechnet.

Das berechnete Reflektionsspektrum wird mit dem gemessenen Reflel<tions- spektrum verglichen und Parameter des Streumatrix-Gleichungssystem iterativ solange angepasst, bis das berechnete Reflelctionsspektrum mit dem gemes- senen Reflektionsspektrum annähernd übereinstimmt. Der Zustand des Spanngliedes kann dann aus den Parametern des Streumatrix- Gleichungssystems erkannt werden.

Der im wesentlichen für das iterative Anpassen relevante Parameter ist die Bruchlänge lb zwischen der Einkoppelungsstelle des Messsignals zu einem Schadensort. Unter Umständen muss auch die Anzahl der möglicherweise schadhaften Spannglieder angepasst werden. Üblicherweise wird das Modell jedoch von einer Anzahl n-1-Spannglieder am Schadensort, d. h. von einem einzigen schadhaften Spannglied, ausgehen.

Das Streumatrix-Gleichungssystem beinhaltet vorzugsweise fünf Streumatri- zen, wobei eine erste Streumatrix für den Einkoppelungsabschnitt der verlcop- pelten Spannglieder, eine zweite Streumatrix für den Abschnitt der verkoppel-

ten Spannglieder zwischen Einkoppetungsabschnitt und einer Bruch-oder Störstelle, eine dritte Streumatrix für den Abschnitt einer Bruch-oder Stör- stelle, eine vierte Streumatrix für den Abschnitt der verkoppetten Spanngtieder zwischen der Bruch-oder Störstelle und dem Abschluss der Spannglieder, und eine fünfte Streumatrix für den Abschlussabschnitt der verkoppelten Spannglieder vorgesehen ist.

Das Modell sieht somit fünf einzelne in sich längs homogene Bereiche der Spannglieder vor, die als Modell gel<oppelter Leitungen in bekannter Weise theoretisch mit Streumatrix-Gleichungssystemen beschrieben werden können.

Bei der Einkoppelung des elektromagnetischen Messsignals ist zwischen zwei Ausführungsformen der Spannglieder zu unterscheiden. Für Spannglieder, de- ren Enden nicht miteinander elektrisch leitend verbunden sind, d. h. die ohne eine Anl<erplatte abgeschlossen sind, wird das elektromagnetische Messsignal an der Stirnffäche eines Spanngliedes eingekoppelt.

Auf der anderen Seite wird das elektromagnetische Messsignal an dem Um- fang des Spanngliedes im Abstand von der Stirnfläche eingekoppelt, wenn die Enden der Spannglieder miteinander elektrisch leitend verbunden, d. h. mit ei- ner Ankerplatte abgeschlossen sind.

Vorzugsweise werden die restlichen Spannglieder, an denen bei einer Messung des elektromagnetischen Messsignal nicht eingekoppelt wird, an Massepoten- tial gelegt. Bei Spanngliedern, die mit einer Anl<erplatte abgeschlossen sind, kann die Ankerplatte an Masse gelegt werden.

Das beschriebene Verfahren zur Zustandserkennung von Spanngliedern eignet sich zur Detektion und Ortung von Spannstrahlbrüchen sowohl in der Herstel- lungs-, als auch in der Nutzungsphase von Bauwerken und Bauteilen, wie z. B.

Behältern, Stahispannbetonbrücken, rüclcveranlcerten Systemen (Spundwän- den etc.), Balken, Plattenbalken, Spannbeton-Fertigbauteiten mit Verbund usw.

Es ist typischerweise anwendbar zur Überprüfung der Spannglieder während und nach der Bauwerksfertigung, zur Überwachung des Spanngliedzustandes. bei Nutzungs-und Konstruktionsänderungen von Bauwerken und zur Kontrolle des Zustands der Spannglieder bei Spannkraftänderung (z. B. durch Baugrund- verformungen oder Temperaturschwankungen).

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1-Skizze von drei elektrisch leitfähigen länglichen parallelen Spanngliedern ohne Ankerp) atte, wobei ein Spannglied gebrochen ist ; Fig. 2-Skizze von drei elektrisch leitfähigen länglichen parallelen Spanngliedern, die mit einer Ankerplatte abgeschlossen sind, wo- bei ein Spannglied gebrochen ist ; Fig. 3-schematische Darstellung des Modells von fünf parallelen Spanngliedern mit Parametern für das entsprechende Streumatrix- Gleichungssystem.

Fig. 4-Streumatrix-Gleichungssystem zur Bestimmung eines Bruchortes Die Fig. 1 lässt drei elel (trisch leitfähige längliche parallele Spannglieder la, 1 b und 1c erkennen, wobei eines der Spannglieder 1a eine Bruchstelle 2 auf- weist. Die Bruchstelle 2 befindet sich auf einer Bruchlänge 1"des Spanngliedes 1 a von einer Einkoppelungsstelle 3 für ein elektromagnetisches Messsignal entfernt.

Um den Zustand der Spannglieder zu bestimmen, wird ein elektromagneti- sches Messsignal an der Einkoppelungsstelle 3 in das Spannglied 1a eingekop- pelt und die Frequenz des Messsignals verändert. Mit einem Messsystem 4, das an die Einkoppelungsstelle 3 geschaltet ist, werden das Reflektionsspek- trum des elektromagnetischen Messsignals gemessen und die Resonanzfre- quenzen aus dem Reflelctionsspektrum bestimmt. Anhand der Resonanzfre- quenzen wird der Zustand des Spanngliedes 1a erlcannt. Dies basiert auf der Erkenntnis, dass die elektromagnetische Welle an der Bruchstelle 2 reflelctiert wird und damit das Reflektionsspelctrum aufgrund der verringerten Länge im

Vergleich zu einem unbeschädigten Spannglied 1b, 1c verändert ist.

Bei dem dargestellten System von Spanngliedern 1, die nicht durch eine An- I<erplatte abgeschlossen und auch nicht miteinander elelçtrisch leitend verbun- den sind, erfolgt die Einlcoppelung des elektromagnetischen Messsignals an der Stirnfläche eines Spanngliedes 1 a.

Die Fig. 2 lässt eine andere Ausführungsform eines Systems von Spannglie- dern 1 erkennen, die mit einer Ankerplatte 5 an ihren Enden abgeschlossen sind. Die Einkoppelung des elektromagnetischen Messsignals erfolgt hierbei an dem Umfang des Spanngliedes la in einem definierten Abstand hinter der An- lcerplatte 5a.

Die Auswertung des Resonanzfrequenzen für die Zustanderkennung erfolgt je nach Stärke der Verkoppelung der Spannglieder 1 auf unterschiedliche Art.

Bei einer geringen Verkoppelung der Spannglieder 1 sind nur die Resonanzen des mit dem elektromagnetischen Messignals angeregten Spanngliedes 1a er- kennbar. Die Differenz Af je zweier benachbarter Resonanzen ist hierbei Icon- stant. Daher kann aus der Differenz zweier benachbarter Resonanzfrequenzen Af mit der Formel direkt auf die Bruchlänge lb bzw. die Gesamtlänge 19 des angeregten Spanngliedes 1 a bzw. die Länge von der Einkoppelungsstelle 3 des Mess- signals zu einem Schadensort 2 des Spanngliedes 1a geschlossen werden.

Hierbei ist c die Vakuumlichtgeschwindigkeit (c = 299,792 x 106 m/s) und E : r die Dielektrizitätszahl des die Spannglieder 1 umgebenden Materials (z. B. Be- ton).

Sofern die Dielektrizitätszahl £r nicht bekannt ist, kann eine Vergleichsmessung an einem Vergleichs-Spannglied 1b oder 1c durchgeführt werden, wobei das Vergleichs-Spannglied 1b oder 1c dem zu messenden Spannglied 1a entspre- chen und die gleiche Länge aufweisen muss. Bei der Vergleichsmessung wird die Bruchlänge l, der Einl<oppelungsstelle des Messsignals zu einem Schaden- sort aus der Differenz A1 von zwei benachbarten Resonanzfrequenzen des Spanngliedes 1a, der Differenz A2 von zwei benachbarten Resonanzfrequen- zen des Vergleichs-Spanngliedes 1b oder 1c und der Gesamtlänge 19 des Ver- gleichs-Spanngliedes 1 b oder 1 c mit der Formel bestimmt.

Die vorgenannten Berechnungsverfahren sind für Spannglieder 1 nicht gültig, die stark miteinander verkoppelt sind, da dann zusätzliche Resonanzen auftre- ten. Für derartige Systeme wird ein Zustandserkennungsverfahren vorgeschla- gen, das auf einer Modellbildung eines Systems gekoppelter Leitungen beruht.

Hierzu wird die Anzahl n, die Gesamtlänge 19 und der Durchmesser d der mit- einander vericoppelten Spannglieder sowie die Dielektrizitätszahl Er des Medi- ums, das sich zwischen den Spanngliedern 1 befindet, bestimmt. Anschlie- ßend wird in bekannter Weise ein Streumatrix-Gleichungssystem für das Mo- dell der verkoppelten Spannglieder 1 aufgestellt und das Reflektionsspektrum für das Streumatrix-Gleichungssystem berechnet. Das berechnete Reftektions- spektrum wird mit dem gemessenen Reflektionsspelctrum verglichen und die Parameter der Streumatrix-Gleichungssystems solange iterativ angepasst, bis das berechnete Reflelctionsspektrum mit dem gemessenen Reflelctionsspel<- trum annähernd übereinstimmt. Anschließend wird der Zustand der Spannglie- der 1 aus den Parametern, insbesondere aus der iterativ bestimmten Bruchlän- ge lb des Streumatrix-Gleichungssystems erkannt.

Ein Modell gel<oppelter Leitungen für verkoppelte Spannglieder 1 ist in der Fig.

3 skizziert. Das System aus fünf Spanngliedern 1a, 1b, 1c, 1d und 1 e berüclc- sichtigt den Durchmesser d der Spannglieder 1, deren Gesamtlänge 19 und die Höhe h eines Spanngliedes 1 von einer Masseebene 6. Weiterhin berücksich- tigt das Modell die Selbstinduktivitäten Lnn der Spannglieder, die Kapazitäten C, zwischen den Spanngliedern 1i und 1 n, die Kapazitäten der Spannglieder 1i mit der Masseebene 6, sowie die Gegeninduktivität M, zwischen den Spanngliedern. Die Kapazitäten C und Induktivitäten L, M können für ein Sy- stem in bekannter Weise analytisch bestimmt werden, so dass die für die Mo- dellierung wichtigen Größen nur noch von den Abmessungen der Spannglieder 1 und der Dielektrizitätszahl s des die Spannglieder 1 umgebenden Mediums abhängig sind.

Das in der Figur 4 gezeigte Streumatrix-Gleichungssystem wird in einzelne Be- reiche aufgeteilt, die in sich längs homogen sind. Bei der Simulation einer Bruchstelle 2 an einem Spannglied 1a sind fünf Abschnitte, d. h. fünf Streuma- trizen SE, SL1, SB, SL2, SA, vorgesehen.

Eine erste Streumatrix SE repräsentiert den Einkoppelungsabschnitt der ver- koppelten Spannglieder 1 entweder mit oder ohne eine Ankerplatte 5a.

Eine zweite Streumatrix SL1 repräsentiert den Abschnitt der verkoppelten Spannglieder 1 zwischen dem Einkoppelungsabschnitt 3 und einer Bruch-oder Störstelle 2.

Eine dritte Streumatrix SB ist für den Abschnitt der Bruch-oder Störstelle 2 vorgesehen. Hierbei wird in der Regel ein einziger gebrochener Leiter bzw.

Spannglied und bei einer Anzahl n von Spanngliedern n-1 intakte Leiter bzw.

Spannglieder 1 berücksichtigt.

Eine vierte Streumatrix S, berücksichtigt den Abschnitt der verketteten Spannglieder 1 hinter der Bruch-oder Störstelle 2 bis zu dem Abschluss der Spannglieder 1.

Eine fünfte Streumatrix SA ist für den Abschlussabschnitt der verketteten Spannglieder 1 entweder mit oder ohne Abschlussplatte 5b vorgesehen.

Diese fünf Streumatrizen SE, SL1, SB, SE2, SA werden in bekannter Weise hin- tereinander geschaltet und aus dem System der Streumatrizen wird das Re- flektionsspektrum durch Einsetzen unterschiedlicher Frequenzen in das Streu- matrix-Gleichungssystem bestimmt. Die Ausgangsvektoren des Systems eines Bereiches werden wie dargestellt durch Multiplikation der entsprechenden Streumatrix mit einem Eingangsvektor berechnet.

Das aus der Modellierung gewonnene berechnete Reflelctionsspektrum wird iterativ an das gemessene Reflektionsspektrum angepasst, um auf diese Weise eine Brucherkennung oder eine Bruchortbestimmung durchzuführen.