DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Aufbau eines historischen Mauerwerkskörpers ("Obelix") zur Bewertung von zerstörungsfreien Verfahren

Astrid Wendrich, Christiane Maierhofer, Matthias Kuritz, Christian Köpp
BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin, Germany

Kontakt: Dipl.-Ing. Astrid Wendrich

1. Zusammenfassung

Auf dem Gelände der BAM entstand im Frühjahr 2003 ein Probekörper, der die Verbindung bildet zwischen Laborprüfkörpern und realen Bauwerken aus Mauerwerk. Er dient der Validierung und Weiterentwicklung von zerstörungsfreien Prüfverfahren zur Untersuchung von historischem Mauerwerk. Dabei wurde große Sorgfalt auf die Materialauswahl und den strukturellen Aufbau gelegt. Die Materialien sollten denen von realen, historischen Bauwerken entsprechen. Der strukturelle Aufbau ergibt sich aus praxisrelevanten Fragestellungen. Der Probekörper steht auch anderen Arbeitsgruppen für Verfahrensvalidierungen zur Verfügung.

2. Einführung

Unsere abendländische (Bau)Kultur gründet sich auf unterschiedlichste Arten von Mauerwerk. Unsere Aufgabe ist es, dieses kulturelle Erbe zu erhalten. Um Bauwerke erhalten und schützen zu können, werden Informationen über die innere Struktur, Aufbau, Belastungszustände, Feuchte- und Salzgehalte und vieles mehr benötigt. Mit diesen Voruntersuchungen werden Schäden und mögliche Schwachstellen erkannt und Rückschlüsse auf Ursachen von Schäden abgeleitet. Mit der Kenntnis der Ursachen können dann geeignete Maßnahmen eingeleitet werden.

Dem zu erhaltenden Gebäude sollte während der Voruntersuchungen so wenig zusätzlicher Schaden wie möglich zugefügt werden. Dabei wird oft der Wunsch nach zerstörungsfreien Untersuchungsmethoden wie Radar, Ultraschall etc., geäußert.

Aus der Einmaligkeit eines Gebäudes ergibt sich das erste größere Problem: Die Interpretation der Ergebnisse der einzelnen Verfahren wird um so anspruchsvoller, je weniger Informationen über das Bauwerk und die Baustoffe vorliegen, je inhomogener ein Mauerwerk ist und je höher die Feuchte- und Salzgehalte sind. Daher ist der Aufbau eines speziellen Probekörpers, an dem die relevanten Fragestellungen untersucht werden können, unerlässlich. In Rahmen des EU-Projektes "ONSITEFORMASONRY", in welchem die Weiterentwicklung der zerstörungsfreien Prüfverfahren (zfP) für die Anwendung an historischem Mauerwerk im Vordergrund steht, wurden aktuelle Untersuchungsprobleme der am Projekt beteiligten Partner zusammengestellt. Der Katalog hat jedoch nicht den Anspruch, eine statistischen Erhebung aller in Europa existierenden Prüfprobleme zu sein. Vielmehr ist es eine Sammlung von relevanten, regionalen Aufgabenstellungen an die Untersuchung von historischem Mauerwerk (siehe auch Ref. 2, Ref. 3, Ref. 4, Ref. 5 und Ref. 6).

Die Aufgabenstellungen lassen sich im Wesentlichen in folgende Gruppen untergliedern:

Nr. Fragestellung
1
Untersuchung der inneren Struktur (Geometrie, Mehrschaligkeiten, Aufbau, ...)
2
Untersuchung von Rissen und Ablösungen (Lokalisation, Geometrie, ...)
3
Ermittlung von Salz - und Feuchtegehalten mit Temperaturangaben
4
Bestimmung von Verschiebungen und / oder Verdrehungen
5
Belastungszustände (vorhanden): sD (Druckspg.), t (Scherspg.), F (Kraft)
Mechanische Eigenschaften (zulässig): E (E-Modul), G (Schubmodul)
Materialeigenschaften (Dichte, Porosität, Wasseraufnahmevermögen, thermische Parameter)
6
Lokalisierung von Hohlstellen
7
Lokalisierung von Einschlüssen (Holz, Metall, Anker, ...) mit Zustandsanalyse und Abmaßen
8
Lokalisierung von unterschiedlichen Materialien / Dichteunterschiede mit Maßangaben

Aus den schwarz hervorgehobenen Fragestellungen des Problemkataloges leitet sich der strukturelle Aufbau des Probekörpers her.

Auf Grundlage dieses Schadenskataloges entstand unter Einsatz traditioneller Handwerkstechniken ein großer Mauerwerksprobekörper, dessen Struktur und Aufbau historischen Gebäuden nachempfunden wurde. Er befindet sich auf dem Gelände der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin und dient der Kalibrierung von zerstörungsfreier Verfahren. Dieser Probekörper besteht aus verschiedensten Materialien (Ziegel & Naturstein), weist bei einer Länge von 7,0 m und einer Höhe von 3,0 m Mauerstärken von 0,8 m bis 1,5 m auf und hat einen ein- bzw. mehrschaligen Aufbau.

Hohlstellen, Stahl- und Holzelemente sind als definierte Inhomogenitäten eingebaut. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Hochfrequenztechnik der Technischen Universität Braunschweig ergab sich die Möglichkeit, Feuchtesensoren im Probekörper zu integrieren.

Zusätzlich fanden sich zur Planung des Probekörpers und der Festlegung der verwendeten Materialien Experten aus unterschiedlichen Bereichen (Restauratoren, Bauforscher, Denkmalpfleger, Physiker, etc.) zusammen. Dadurch gelang es, reales historisches Mauerwerk mit charakteristischen Prüfproblemen so authentisch wie möglich zu simulieren.

Der historische Mauerwerksprobekörper wurde wegen seiner Dimensionen "Obelix" getauft.

3. Aufbaus des historischen Mauerwerksprobekörpers "Obelix"

a) Wahl der Materialien

Bei der Planung des Probekörpers wurde besonderer Wert auf die Wahl der Materialien gelegt. Historisches Mauerwerk zeichnet sich durch die Vielfältigkeit der verwendeten Baustoffe aus. Die Art der Baumaterialien sind oft durch regionale Besonderheiten geprägt. Jedoch findet man innerhalb Europas ähnliche Baustoffe, die historische Gebäude in den Hauptmerkmalen auszeichnen. Diese sind z.B.: Ziegel, Sandstein und Kalkmörtel. Außer diesen drei in Europa weitverbreiteten Baumaterialien wurden verschiedenste Arten von Natursteinen zum Bau des Probekörpers eingesetzt. Die Art der Natursteine kann regional sehr differieren. Deshalb wurden im "Obelix" Feldsteine (Naturstein) verbaut. [Ref. 7] definiert diese Gruppe wie folgt: "Als Natursteine werden die Steine verstanden, die in der Natur vorkommen und eine spezielle Verwendung als Bausteine besitzen. Natursteine werden nach ihrem Bearbeitungsgrad (Findlinge bzw. Feldsteine; Bruchsteine und Werksteine) ... eingeteilt und bezeichnet."

Ziegel: Es wurden drei Ziegelsorten verwendet. Die erste Ziegelart stammt aus einem Abrissgebäude, das ca. 1930 errichtet wurden war. Sie weisen den größten Porengehalt auf und variieren in ihrer Farbe (Grundfarbe: gelb), welches ein Zeugnis vergangener Brenntechnik ist.

Die zweite Ziegelsorte ist ein nach heutigem Stand der Technik in Dänemark ( Egersund ) industriell gefertigter,dunkelroter Ziegel.

Die dritte Sorte wurde in der Manufaktur-Ziegelei in Glindow hergestellt, in der die Ziegelproduktion und Brenntechnik seit mehr als 100 Jahren unverändert betrieben wird. Das Unternehmen produziert vor allem Ziegel für die Rekonstruktion, wie den hier verwendeten "handgestrichenen" Klosterformatziegel. Die rote Farbe des Ziegels variiert aufgrund der unterschiedlichen Temperaturverteilung im Hoffmann`schen Ringofen.

Sandstein: Im Probekörper wurden Sandsteine mit zwei unterschiedlichen Bearbeitungsgraden (geschnitten und behauen) eingebaut. Da es sich um wieder verwendetes Material handelt, ist der Herkunftsort der Sandsteine nicht mehr nachvollziehbar.
Feldstein: Unter dieser Bezeichnung sind mineralische Gesteine zu verstehen wie Granit, Gneis und viele mehr. Sie zeichnen sich unter anderem durch ein sehr geringes Wasseraufnahmevermögen, geringen Porendurchmesser (<104 nm) und geringes Porenvolumen aus.
Mörtel: Große Sorgfalt ist auf die Auswahl des geeigneten Mörtels gelegt worden. Er musste, um dem historischen Vorbild gerecht zu werden, schnell trocknende Eigenschaften besitzen, ein Kalkmörtel sein und wenig zu Ausblühungen neigen.

Für den Mörtel wurde ein aus Kalk bestehendes Bindemittel ausgewählt, das natürlich hydraulische Eigenschaften besitzt. Dadurch bindet der Mörtel carbonatisch und hydraulisch ab. Damit werden Eigenschaften eines historischen Mörtels erzielt. Dieser spezielle Mörtel wird vor allem im Bereich der Denkmalpflege eingesetzt.

b) Struktur

In Abb. 1 ist die Ansicht des Probekörpers "Obelix" mit den verschiedenen Materialien und Einbauteilen dargestellt. Einen ersten Eindruck vermitteln die Fotos in Abb. 2 und Abb. 3.


Abb 1:
Darstellung des Probekörpers "Obelix"

Abb 2:
Ansicht von Westen

Abb 3:
Ansicht von Osten

"Obelix" besitzt die Abmaße 7 m x 3 m (L x H) mit Wandstärken zwischen 0,8 m und 1,5 m (siehe Abb. 1). Der Probekörper gliedert sich in drei Bereiche. In den Fugen zwischen den jeweiligen Bereichen befindet sich eine wasserundurchlässige Schlämme. Somit besteht die Möglichkeit, jeden einzelnen Bereich zu "bewässern". Das kann in zwei verschiedenen Höhen, in 0,0 m und 1,0 m über Oberkante Fundament erfolgen.

Zusätzlich wurden 22 Thermoelemente GTF 300/5m und 6 Feuchtesensoren über den gesamten Querschnitt in zwei verschiedenen Höhen eingebaut. Somit lässt sich die relative Feuchte im Inneren jedes Bereiches bestimmen. Die eingesetzten Feuchtesensoren wurden von Marc Brandis von der TU Braunschweig, Institut für Hochfrequenztechnik, im Rahmen des SFB 477 entwickelt und als Prototyp eingebaut (Ref. 8 und Ref. 9).

Der Bereich I ist insgesamt 2,4 m lang, 0,8 m dick und besteht aus zweischaligem Ziegelmauerwerk mit einem Ziegelbruch-Mörtel-Gemisch als Innenfüllung (siehe Abb. 4). Es wurden Ziegel vermauert, die aus unterschiedlichen Zeitepochen stammen (siehe Abb. 5). Wiederverwendete Baumaterialien wurden in der Vergangenheit sowohl aus Kostengründen als auch unter dem Gesichtspunkt der Beschaffbarkeit sehr häufig eingesetzt. Aus diesem Grund wurde die eine Außenschale mit Altziegeln errichtet, die aus einem Abriss eines 1930 gebauten Wohnhauses stammen. Die andere Außenschalen besteht aus neu hergestellten Egersunder Ziegeln. Beide Außenschalen sind im Kreuzverband gemauert worden und sind jeweils 25 cm dick.


Abb 4:
DSchnitt und Ansicht des Bereiches I

Abb 5:
Ansicht von Westen

Eine Seite wurde zur Hälfte mit einem Kalkputz in einer Stärke von 2,5 cm verputzt (Abb. 4). Innerhalb dieser Fläche befindet sich eine ca. 0,7 m2 große Stelle, die durch Zementmörtel ausgebessert wurde. Des Weiteren ist in die Putzfläche eine ca. 0,5 m2 Putzablösung integriert.

In diesem Bereich wurden 8 runde Hohlstellen mit einem Durchmesser von ca. 12 cm eingebaut (siehe Abb. 6). Sie befinden sich in drei verschiedenen Ebenen (Abb. 4). Im Mauerwerk wurden ferner ein Baluster (Abb. 7), der sich direkt unter dem Putz befindet, ein Anker (Abb. 8) und ein Nagel (Abb. 4) eingebaut.


Abb 6:
Ansicht von Osten

Abb 7:
Baluster

Der Bereich II schließt sich mit einer Länge von 1,2 m an den Bereich I an. Dieser Bereich setzt sich aus einem einschaligen Sandstein- und einem Ziegelmauerwerk zusammen (siehe Abb. 9). Bis zu einer Höhe von 1,5 m befindet sich das 1,2 m dicke Sandsteinmauerwerk (Abb. 10). Das darüberliegende Mauerwerk besteht aus in historischer Technik gefertigten Glindower Ziegeln und hat eine Stärke von 1,0 m (Abb. 11). Über die Hälfte der Bereichslänge wurde einseitig ein Kalkputz aufgetragen. Einer der Sandsteine wurde vor dem Einbau unter einer hydraulischen Presse vorbelastet (Abb. 9). Weiterhin befindet sich ein Nagel im Bereich des Ziegelmauerwerkes (Abb. 9).


Abb 8: Anker

Abb 9: Ansicht und Schnitt des Bereiches II


Abb 10: Sandsteinmauerwerk

Abb 11: Ziegelmauerwerk (mit historischer Technik hergestellt)

Der Bereich III setzt sich aus zweischaligem Ziegel-, Naturstein- und Sandsteinmauerwerk zusammen und hat eine Länge von 3,4 m. Er ist über die Höhe gleichfalls in zwei verschieden dicke Abschnitte unterteilt (siehe Abb. 12).


Abb 12: Ansicht und Schnitt des Bereiches III

Der untere Teil besteht bis zu einer Höhe von ca. 1,5 m aus Feldsteinmauerwerk mit einer Wandstärke von 1,5 m (siehe Abb. 13). Als Baumaterial des darüber liegenden Teiles kamen Sandsteine und verschiedene Ziegelarten zum Einsatz. Die Dicke beträgt hier ca. 1,2 m.


Abb 13: Aufbau des Feldsteinabschnittes

Abb 14: Raseneisensteine und Kalkstein im oberen Teil

Im oberen Teil sind zwei für die Region typische Gesteine - Raseneisenstein und Kalkstein - als Einbauteile eingebracht worden (siehe Abb. 14).

In diesem Bereich wurden einige Anomalien, die oft in der Praxis anzutreffen sind, eingebaut: drei Hohlstellen mit Abmaßen von ca. 15 x 20 x 30 cm (siehe Abb. 15), ein Doppel-T-Stahlträger (siehe Abb. 16), eine Holzstütze (8 x 8 cm) und eine Säule (siehe Abb. 17), die sich oberflächennah direkt unterhalb des Putzes befindet. Der Aufbau und die Art der Innenfüllung ist in Abb. 18 und Abb. 19 zu erkennen.


Abb 15: Innenfüllung und Hohlstelle

Abb 16: Doppel-T-Träger


Abb 17: Säule und Kalkstein

Abb 18: Innenfüllung des oberen Teils

Abb 19: Innenfüllung des unteren Teils

Dieser Bereich weist für historisches Mauerwerk typische Wandstärken auf und zeichnet sich durch eine starke Inhomogenität aus. Somit spiegelt der Bereich III die an historischen Objekten vorkommenden Gegebenheiten besonders realistisch wieder. Diese Realitätsnähe ist neben der frühen Einbindung von Restauratoren, Denkmalsschützern, Ingenieuren und Wissenschaftlern in die Planung vor allem dem hohen Fachwissen der Firma "Roland Schulze / Potsdam" zu verdanken. Durch die sehr gute Zusammenarbeit mit dieser auf die Restaurierung von historischen Gebäuden spezialisierten Fachfirma konnte der Probekörper sehr nah an den historischen Vorbildern realisiert werden.

Durch die beschriebenen Kriterien stellt der Probekörper die Verbindung zwischen Laborprüfkörper und realem Bauwerk dar. Er dient somit der Validierung der zerstörungsfreien Verfahren wie Radar, Ultraschall, Impact Echo, Seismik, Geoelektrik und Thermografie.

4. Ausgewählte Messergebnisse

Seit Fertigstellung des Probekörpers "Obelix" werden in regelmäßigen Abständen Radar-, Thermografie-, Impact-Echo- und Ultraschallmessungen durchgeführt. Bisher könnten folgende Inhomogenitäten geortet werden:

  • Ortung der großen Hohlstellen im Bereich III mit Radar in Reflexion (900 MHz)
  • Ortung des Stahlträgers mit Radar in Reflexion (900 MHz)
  • Ortung des Ankers mit Radar in Reflexion (1,6 GHz)
  • Ortung der kleinen Hohlstellen im Bereich I mit Radar in Reflexion (1,6 GHz) und mit Impact-Echo
  • Ortung des Balusters im Bereich I mit Radar (900 MHz, 1,6 GHz)
  • Ortung des Balusters im Bereich I mit Thermografie
  • Ortung von Materialunterschieden (Sandstein - Ziegel) mit Radar (900 MHz)
  • Ortung der Zementputzausbesserung mit Thermografie

Als Beispiel einer Radarmessung ist in Abb. 20 ein Radar B-Scan dargestellt. Die gemessene Spur ist im darüberliegenden Bild eingezeichnet. Man erkennt die Reflektion der Hohlstelle und eine Abgrenzung des Sandsteinbereiches.


Abb 20:
Radargamm der oben markierten Messspur, aufgenommen mit der 900 MHz Antenne

Abb 21:
Thermografiemessung und -ergebnis

Ein Beispiel für eine Thermografiemessung ist in Abb. 21 zu sehen. Die Säule, welche sich Unterputz befindet, ist deutlich im Thermogramm erkennbar.

Danksagung

Wir bedanken uns bei Frau Hennen (Stiftung Luther Gedenkstätten in Sachsen-Anhalt) , Herrn Kalisch (IDK Institut für Diagnostik und Konservierung an Denkmalen in Sachsen und Sachsen-Anhalt e.V.) und Herrn Hamann (IaFB Institut für angewandte Forschung im Bauwesen) für ihre tatkräftige Unterstützung.

References

  1. www.onsiteformasonry.bam.de
  2. Franke, L.; Schumann, I.: Schadensatlas, Fraunhofer IRB Verlag; ISBN: 3-8167-4701-9
  3. Blaich, J.: Bauschäden, Fraunhofer IRB Verlag; ISBN: 3-8167-4709-4
  4. Maier, J.: Handbuch Historisches Mauerwerk, Birkhäuser Verlag, ISBN: 3-7643-6421-1
  5. Krus, M.; Künzel, H. M.; Kießl, K,: Feuchtetransportvorgänge in Stein und Mauerwerk - Messung und Berechnung; Fraunhofer IRB Verlag; ISBN: 3-8167-4224-6
  6. Frössel, F.: Mauerwerkstrockenlegung und Kellersanierung, 2. Auflage, Fraunhofer IRB Verlag; ISBN: 3-8167-6126-7
  7. Venzmer, H: Praxishandbuch Mauerwerkssanierung von A-Z, Verlag Bauwesen, 1. Auflage, 2001, ISBN: 3-345-00671-5
  8. www.sfb477.tu-bs.de
  9. Arbeitsbericht 2001 - 2003, Sonderforschungsbereich 477: Sicherstellung der Nutzfähigkeit von Bauwerken mit Hilfe innovativer Bauwerksüberwachung; Kapitel 2 C1a, S. 145-164

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