Voruntersuchungen an alten Gebäuden Baustoffliche Aspekte

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1 23. Bautechnisches Seminar NRW, Ratingen, Voruntersuchungen an alten Gebäuden Baustoffliche Aspekte Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Brameshuber Institut für Bauforschung der RWTH Aachen University (ibac)

2 Eine lange Geschichte... 2

3 Entwicklung des Speck's Hofs 1430 bis 1909 Geschäftshaus 1929 Messehaus m² 1945 Zerstörung Dach, 5 Jahre offen 1981/82 Renovierung 1992 bis 1995 vollständige Sanierung und Ausbau zur Einkaufspassage 3

4 Das Problem... Folge: 80 Mio DM urspr. Investmentkosten 15 Mio DM Zusatzkosten aus Ertüchtigung 25 Mio DM Bauzeitverlängerung 0,25 Mio DM Zusatzkosten Zustandsanalyse 120,25 Mio DM Gesamtinvestitionskosten + Änderungswünsche im Ausbau... Wandfarbe erste Risse rostender Stahl Karbonatisierung Feuchte Nutzung bis bis 1950 Zustand

5 Speck's Hof heute Wandfarbe erste Risse rostender Stahl Karbonatisierung Feuchte Nutzung bis bis 1950 Zustand

6 Speck's Hof heute 6

7 Merkblatt DBV "Bauen im Bestand" INHALTSVERZEICHNIS. 4 Bestandsaufnahme. 4.2 Sichtung vorhandener Unterlagen. Informationen über besondere Einwirkungen (...Kriegseinwirkungen,...). Stadtarchiv Wikipedia (seit 2001): "...Im zweiten Weltkrieg wurde der Gebäudekomplex stark beschädigt und büßte seine Dachaufbauten ein..." 7

8 Gliederung Vorstellung Projekt Aufgabenstellungen Mauerwerk Schadenaufnahme, Druckfestigkeit, Elastizitätsmodul Stahlstützen Tragfähigkeit Stahlträger Tragfähigkeit, Korrosionszustand Kappendecken Druckfestigkeit, Stahlträger Bodenplatte Dicke Weitere Beispiele Schlussfolgerungen 8

9 Alte Mälzerei, Hafen Düsseldorf, nach dem Umbau Bildquelle: Zeitschrift Tür Tor Fenster Report Ausgabe 4/2005 li.: Alte Mälzerei, re.: Colorium von William Alsop 9

10 Vergleich "alt" und "neu" Bildquelle: Zeitschrift Tür Tor Fenster Report Ausgabe 4/

11 Untersuchungen zum Mauerwerk Kennzeichnung der Entnahmestellen 11

12 Untersuchungen zum Mauerwerk Stein- und Mörteldruckfestigkeit / Probekörperentnahme 12

13 Ermittlung der zulässigen Spannung σ 0 des Mauerwerks Auswertung Daten Einteilung in Bauteile Innenwand Außenwand Durchbruch Außenwand Fassade Material Stein Mörtel Stein Mörtel Stein Mörtel Anzahl Probekörper Mittelwert Druckfestigkeit [N/mm²] Standardabweichung [N/mm²] Erwartungswert E 75% [N/mm²] 21,7 1,2 29,0 6,2 28,1 1,4 11,1 0,6 14,7 1,7 9,2 0,8 7,6 0,5 8,0 3,0 11,1 0,3 Weitere Einfluss nehmende Faktoren: Umrechnung Fugendruckfestigkeit / Normdruckfestigkeit (hier 2,0) Umrechnung Mörteldruckfestigkeit Nennwert / Mittelwert (hier 1/1,25) Gestaltfaktor Prüfwert / Normwert f Umrechnung Steindruckfestigkeit Nennwert / Mittelwert (hier 1/1,25) 13

14 Ermittlung der zulässigen Spannung σ 0 des Mauerwerks β D,mw = K. β D,st α. β D,m β Weitere Einfluss nehmende Faktoren: Schlankheit Wand Qualität der Ausführung NM, Mz : β D,mw = 0,66. β D,st 0,57. β D,mö 0,26 (nach Mauerwerkkalender 2012) Qualität der Ausführung 70 % Vollfugigkeit (Schätzung) Schlankheit λ = 10 1/1,1 σ 0 = β D,mw /γ mit γ = 3 Bauteil σ 0 [N/mm²] f k [N/mm²] = 2,77. σ 0 Innenwand 0,37 1,03 Außenwand Durchbruch 0,61 1,70 Außenwand Fassade 0,41 1,12 14

15 Untersuchungen zum Mauerwerk Elastizitätsmodul h st 1.) E mw = h mö + h st h mö E mö + h st E st h mö 2.) E mw = 471. β D,st 0,76. β D,mö 0,16 (nach Mauerwerkkalender 1985) Weitere Einfluss nehmende Faktoren: Vollfugigkeit der Lagerfugen 15

16 Untersuchungen zum Mauerwerk Fazit Abschätzung der Drucktragfähigkeit aus der Druckfestigkeit Steine und Mörtel ist möglich Anwendung empirischer Formeln bedarf viel Erfahrung Ausführungsqualität ist zu beurteilen und in die Berechnung einzubeziehen Bei Bedarf Abstimmung zwischen Planer, Architekt, Projektsteuerer 16

17 Tragfähigkeit Stahlstützen Konzept Problem: Stützen aus 19. Jhdt., Gusseisen, Stahlgüte unbekannt Zerstörende Entnahme nicht zulässig Stützen müssen aus Gründen des Denkmalschutzes erhalten bleiben Anzahl: 120 Stck. Lösung: Erstellung einer Kalibrierfunktion zur Beschreibung der Druck-/ Zugfestigkeit Zerstörungsarme Prüfung mittels Messung der Brinellhärte an allen Stützen 17

18 Tragfähigkeit Stahlstützen Vorgehensweise zur Erstellung Kalibrierkurve Brinell-Härte HB F HB = = O F 0,5. π. D(D - D² - d² ) F 3000 HB in N/mm² Stahl für Baustähle d β D oder β Z in N/mm² 18

19 Tragfähigkeit Stahlstützen Zerstörende Prüfung für Erstellung Kalibrierkurve Probenahme Stahlstützen Probenahme Stahlträger 19

20 Tragfähigkeit Stahlstützen Ergebnis der zerstörenden Prüfungen: Zugfestigkeit 146 N/mm² Druckfestigkeit 569 N/mm² Ergebnis der zerstörungsfreien Prüfungen: Druckfestigkeit ca. 550 N/mm² (20 Stützen) Vorschlag R m 5% = ca. 460 N/mm² zul. σ D 50% R m 5% = 230 N/mm² (wg. fehlender Duktilität) Schweißeignung: Chemische Analyse Kohlenstoffgehalte 5% Empfehlung: Verzicht auf Schweißen 20

21 Kappendecken 21

22 Kappendecken Stahlzugfestigkeit, Korrosionszustand, Betondruckfestigkeit Stahlzugfestigkeit mit Verfahren wie Gusseisenstützen Korrosionszustand: Entfernen etwaiger Anstriche Feststellung der Rostschichtstärke Abschätzung Restquerschnitt Betondruckfestigkeit f cm = ca. 20 N/mm² (große Streuung) 22

23 Betondruckfestigkeit Kappenbeton 23

24 Kappendecken Stahlzugfestigkeit, Korrosionszustand, Betondruckfestigkeit Stahlzugfestigkeit mit Verfahren wie Gusseisenstützen Korrosionszustand: Entfernen etwaiger Anstriche Feststellung der Rostschichtstärke Abschätzung Restquerschnitt Betondruckfestigkeit f cm = ca. 20 N/mm² (große Streuung) Probebelastungen und statischer Nachweis 24

25 Ermittlung Bodenplattendicke Problemstellung: Hochwasser führt zu Auftrieb Lösungsansatz 1: Bohrkernentnahme über gesamte Fläche erhebliche Schädigung Lösungsansatz 2: Zerstörungsfreie Prüfung mittels Ultraschall oder Impact-Echo-Verfahren Umgesetzt: Lösungsansatz 2 mit Testphase 25

26 Impact-Echo-Verfahren Prinzip Frequenz Verstärker Weglänge Empfänger Sender Rechner 26

27 Impact-Echo-Verfahren Grundlagen Stoß Empfänger Rayleigh-Welle (Oberflächenwelle) Verschiebung d S-Welle (Scherwelle) P-Welle (Longitudinalwelle) P-Welle R-Welle Zeit Δt Kraft E c p =. f(μ) ρ c p = 2d Δt Zeit Kontaktzeit 27

28 Impact-Echo-Verfahren Frequenzanalyse d = v s 2. f Beispiel: v s = 3,42 km/sek f = 3,42 bzw. 7,32 khz d(a) = 0,50 m d(b) = 0,23 m d(a) d(b) 1,2 1,0 Amplitude 3,42 khz (a) 1,2 1,0 Amplitude 7,32 khz (b) 0,8 0,8 0,6 0,6 0,4 0,4 0,2 0,2 0, Frequenz [khz] 0, Frequenz [khz] 28

29 Anwendung IE-Verfahren im Tunnelbau Wattkopftunnel / Blöcke 16 bis 18 Nord 56,0-58,0 54,0-56,0 52,0-54,0 Block 16 Block 17 Block 18 50,0-52,0 48,0-50,0 46,0-48,0 44,0-46,0 42,0-44,0 40,0-42,0 38,0-40,0 36,0-38,0 34,0-36,0 32,0-34,0 30,0-32,0 28,0-30,0 26,0-28,0 24,0-26,0 22,0-24,0 0,2 1,4 2,6 3,8 5,0 6,2 7,4 8,6 9,8 11,0 12,2 13,4 14,6 15,8 17,0 18,2 19,4 20,6 21,8 23,0 24,2 25,4 26,6 27,8 29,0 20,0-22,0 18,0-20,0 Süd 16,0-18,0 14,0-16,0 12,0-14,0 10,0-12,0 29

30 Festlegung des Messrasters Bodenplatte Alte Mälzerei 30

31 Beispiel für Schadstellen in Bodenplatte großflächige Trennlage aus Teerpappe Hohlstelle Wasserdruck 1,10 m Anker möglicher Riss Wasser aus Hochwasser Riss 31

32 Weiteres Beispiel Messe Köln Denkmalgeschützte Fassade Beurteilung der Tragfähigkeit der Mauerwerk-Stahl-Verbundpfeiler für den Bauzustand Begutachtung im laufenden Baustellenbetrieb 32

33 Messe Köln Zustand bei Begutachtung im Juni

34 Messe Köln Details 34

35 Öffnen der Pfeiler Materialentnahme 35

36 Begutachtung Gesamtzustand 36

37 Letztes Beispiel 30 Brücken der Deutsche Bahn AG Beurteilung der Tragfähigkeit und Steifigkeit von Mauerwerkbrücken Erhöhung der zulässigen Achslasten im Güterverkehr Herausforderung: Anzahl und Unterschiedlichkeit der Brücken Erstellung von Ertüchtigungskonzepten 37

38 DB-Brücken Beispiele 38

39 DB-Brücken Beispiele 39

40 Zusammenfassung / Schlussfolgerungen Alte Bauwerke lassen sich mit den verschiedenen Methoden grundlegend und umfassend untersuchen Abschätzungen zu Steifigkeit und Tragfähigkeit setzen erhebliche Erfahrung beim Umgang mit den jeweiligen Baustoffen voraus Anwendung von Prüfverfahren an Bauwerken ist Angelegenheit von Spezialisten Zusammenarbeit und Dialog der am Bau Beteiligten ist zwingend Voraussetzung für den Erfolg 40