Witterungs- und klimabedingte Bauwerksschäden an der Stadtkirche Sonneberg H. Garrecht, S. Reeb, Chr. Renner, E. Alexandrakis

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1 Witterungs- und klimabedingte Bauwerksschäden an der Stadtkirche Sonneberg H. Garrecht, S. Reeb, Chr. Renner, E. Alexandrakis Folie 1

2 Problemstellung - hohe Mauerfeuchte - Schlagregenbelastung - Kondensat - unzureichende Trocknungsmöglichkeiten - Dachentwässerung - ungünstiges Raumklima - ganzjährig hohe Raumluftfeuchten - sehr niedrige Oberflächentemperaturen in Übergangszeiträumen - Einflüsse Nutzung - Optimierung des Raumklimas - Temperierung / Heizung während der Wintermonate - kontrollierte Belüftung - Feuchtekonditionierung - Ertüchtigung der Anlagentechnik - Suche denkmalgerechter Systeme - Optimierung Regelstrategie Nutzung Denkmal Folie 2

3 Mechanismen der Beanspruchung Ursache Beanspruchung Schadensbild Abkühlung Austrocknung Kontraktion Oberflächenrissbildung Befeuchtung Erwärmung Expansion Eigen- und Zwangsspannungen Materialermüdung Schalenund Krustenbildung Kantenabplatzung Frost- Tauwechsel Mineral- und Salzumbildung Na + Cl - [SO 4 ] 2 K + Sprengwirkung innerhalb der Poren Absanden Fugenausbruch Folie 3

4 Untersuchungsschwerpunkte 1) Feuchteuntersuchung Sandsteinaußenmauerwerk 2) Raumklimamessungen 3) Simulationen zum Feuchteverhalten des bewitterten Außenmauerwerks 4) Bewertung und Stellungnahme mit Maßnahmenempfehlung Folie 4

5 Bestimmung des kapillaren Feuchteverhaltens der Mauerwerksmaterialien manuelle Versuchsdurchführung automatisierte Kennwertbestimmung

6 Feuchteuntersuchungen - Wasseraufnahmeverhalten (IFS) Folie 6

7 Bestimmung der Mauerwerksfeuchte mittels TDR-Feuchtemessung Folie 7

8 Mauerfeuchtebestimmung mittels TDR Wellenleiter Verbindung Wellenleiter/ Koaxialkabel Koaxialkabel Zeitbereichsreflektometrie - Ermittlung und Analyse von Lauflängen und Reflexionen elektromagnetischer Wellen in einem Kabelleiter - starke Wechselwirkung zwischen elektromagnetischen Feldern und Wassermolekülen

9 6,62 337,57 668,51 999, , , , , , , , , , , , , , , , , , ,49 reflection coefficient (unitless) Einfluss des Feuchtezustands auf den TDR-Signalverlauf 1,2 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 trocken 0,5 0,4 0,3 nass 0,2 0,1 0-0,1 Zeitachse [Ps] Folie 9

10 0,00 2,54 5,08 7,62 10,16 12,70 15,23 17,77 20,31 22,85 25,39 27,93 30,47 33,01 35,55 38,09 40,63 43,17 45,70 48,24 50,78 53,32 55,86 58,40 60,94 63,48 66,02 68,56 71,10 73,64 76,17 78,71 81,25 83,79 86,33 88,87 91,41 93,95 96,49 99,03 101,57 104,11 106,64 reflection coefficient (unitless) Feuchteprofilerfassung mittels TDR-Sonde - Zielsetzung kontinuierliche Erfassung 1,4 Sonde trocken Sonde nass 0-5cm nass 15-20cm nass 35-40cm nass 1,2 1 0,8 0, ,4 0,2 0 Einteilung der Sonde 1 I 2 I 3 I 4 I 5 I 6 I 7 I [cm] distance (cm) Folie 10

11 Kontinuierliches Feuchtemonitoring Feuchtemessung mittels TDR Entwicklungskooperation: WIB TU Darmstadt Institut für Mikro- und Informationstechnik der Hahn-Schickard-Gesellschaft e.v. Hochschule Mannheim Fb Elektrotechnik Sensorlänge 10 cm bis 100 m Folie 11

12 Neu entwickeltes und erstmals in Sonneberg einzusetzendes Messsystem Folie 12

13 Numerische Analyse der Beanspruchung des Stein-Mörtel-Stein-Verbunds als Folge von Witterungseinflüssen y C B A x Stein Steinmitte z x y Mörtel Schematische Darstellung eines Mauerwerkskörpers C B Stein Diskretisierung A Folie 13

14 Analyse des instationären Feuchteverhaltens nach 3-stündiger Beregnung nach 21-stündiger Trocknung Folie 14

15 hygrische Dehnung, e [ 0 / 00 ] Feuchtebedingte Formänderungen hygrische Dehnung, e h e h l l 0 h ref hygrische Dehnfunktion, h Feuchtegehalt Anisotropie Steinvarietät Mörtelzusammensetzung Temperatur Feuchtegehalt, [Vol.-%] Folie 15

16 Beanspruchung ausgewitterter Fugenbereiche Feuchte- und Spannungsverteilung nach 3-stündiger Beregnung Folie 16

17 Ableitbare Anforderungen an Fugenreparatur bzw. Fugenersatzsysteme hohe Frost-Tauwechselbeständigkeit Schwind-/Quellverhalten ähnlich Stein Haftzugfestigkeit möglichst groß Zugfestigkeit möglichst groß E-Modul möglichst klein Temperaturdehnung ähnlich Stein keine ausblühfähigen Bestandteile Kaum erfüllbare Anforderungen an Fugenmörtel Wahl des geeigneten Fugenmörtels kann daher zumeist nur einen akzeptablen Kompromiss darstellen Folie 17

18 Möglichkeiten der Raumluftoptimierung Innen: Außen: TGA: Nutzer: Messwerte Temperatur, Feuchte, Oberflächentemp., etc. Witterungsverhältnisse Betriebszustände Besucherzählung Zielsetzung Optimierung der Trocknungsbedingungen Klimastabilität innerhalb Zielkorridor Vermeidung Tauwasserausfall Vermeidung Schimmelpilzbildung Vermeiden Hydratstufenwechsel Salze Regler Bewertung Belüftung durch Fensteröffnung / Lüfter Betrieb Temperierung / Sitzbankheizung / Heizung / Befeuchter / Entfeuchter / Kühlung Unterstützung Besucherlenkung Folie 18

19 Klimamonitoring - Sensornetz Raumklima Nahfeldklima Oberflächentemperaturen Bewertung der Beanspruchung der Oberflächen und der Konstruktion Folie 19

20 Klima Außen / Innen Februar Dezember 2011 Folie 20

21 Raumklima Kirche Februar Dezember 2011 Folie 21

22 Klima nördl. Empore Westseite Februar Dezember 2011 Folie 22

23 Klima nördl. Empore Ostseite Februar Dezember 2011 Folie 23

24 Raumklima nördl. Empore Februar Dezember 2011 Folie 24

25 Folie 25

26 Erste Ergebnisse der Klimamessungen Im Kirchenschiff, den Seitenschiffen und der nördlichen Empore stellen sich mit Ausnahme der Monate April und Mai Raumluftfeuchten > 80% ein Bei Temperierung der Kirche mit aktueller Heiztechnik sinken die relativen Raumluftfeuchten unter 40% Die im Kircheninneren einstellenden Luftfeuchten spiegeln sich auch im Zwischenboden wieder. Auch hier stellen sich Luftfeuchten > 80% r. F. von Ende Februar bis Mitte April ein. Bisher lediglich geringfügige Tauwasserereignisse an den raumseitigen Oberflächen Vornehmlich günstige Trocknungsbedingungen außerhalb der regenreichen Witterungsverhältnisse Folie 26

27 Schlussfolgeren Ausbau der Klimamesseinrichtung Installation des kontinuierlichen Feuchtemonitorings Durchführung der materialkundlichen Untersuchungen Bewertung der Feuchtelasten des Mauerwerks mittels Simulation Ausarbeitung optimaler Raumklimabedingungen, bzgl. - Feuchtehaushalt Mauerwerk - Anforderung Ausstattung - Anforderung Kirchennutzung Konzeptfindung Raumluftkonditionierung - Lüftung - Temperierung (konservatorisch bzw. Kombination konservatorische u. nutzerspezifische Temp.) Folie 27