2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 107 In-Situ-Prüfverfahren von Mauerwerk - Möglichkeiten und Grenzen Marc Gutermann Institut für Experimentelle Statik, Hochschule Bremen Zusammenfassung Der rechnerische Tragfähigkeitsnachweis von Bestandsbauwerken setzt voraus, dass alle wesentlichen Parameter bekannt sind und die Ausführung den Bauvorschriften entspricht. Führen rein rechnerische Beurteilungen trotz umfassender Material- und Bauwerksuntersuchungen zu negativen Ergebnissen, kann der Nachweis ausreichender Tragsicherheit alternativ durch den Einsatz experimentell gestützter Verfahren gelingen. Diese können im Besonderen bei Mauerwerksbauten erfolgsversprechend sein, da die rechnerischen Annahmen aufgrund des inhomogenen Auf baus (Stein und Fuge) meist sehr auf der sicheren Seite liegen. 1. Grundlagen experimenteller Untersuchungen 1.1 Einführung Mehr als 60 % der Bauleistungen werden heute im Bestand umgesetzt ([1], S. 8). Die Bandbreite reicht vom Umbau moderner Stahlbetonskelettbauten bis zu historischen Unikaten mit baugeschichtlich interessanten Tragkonstruktionen. Eine wesentliche Voraussetzung für Nutzungs- und Investitionsentscheidungen ist der Nachweis ausreichender Tragsicherheit für die gewünschten Lastansätze. Die letzten Jahrzehnte waren gekennzeichnet durch einen eindrucksvollen Einzug der elektronischen Datenverarbeitung in alle Bereiche des Bauwesens. In der Statik lässt sich jedes Problem in immer besseren und umfangreicheren Rechenprogrammen modellieren und lösen. Umso detaillierter jedoch die Software, desto mehr Parameter müssen eingegeben, und damit Annahmen getroffen werden. Oftmals eine Herausforderung für den Tragwerksplaner, wenn trotz umfangreicher Materialprüfungen zuverlässige Daten über Baustoffe und -konstruktion fehlen oder Schäden eine zuverlässige Bewertung erschweren. Abschnitt 1.5 des WTA-Merkblatts „7-4“ [2] schlägt als Lösungsstrategie ein stufenweises Vorgehen vor: 1. Abschätzung der Tragsicherheit, z. B. aufgrund vorhandener Unterlagen 2. Überschlägige Berechnung der Tragsicherheit, z. B. mit einfachen Berechnungsmodellen und Prüfen von Materialproben 3. Genaue Berechnung der Tragsicherheit, z. B. mit komplexen FE-Berechnungsansätzen und -modellen und Zuverlässigkeitsbewertung der Ergebnisse 4. Messwertgestützte Ermittlung der Tragsicherheit (Kapitel 11 des WTA-Merkblatts „7-4“ [2]: In Situ Prüfverfahren) In Situ Prüfverfahren bieten als letzte Stufe eine Alternative zur konventionellen Verstärkung oder Abriss und Neubau, insbesondere, wenn diese nicht wirtschaftlich oder wie bei denkmalgeschützten Bauten nicht akzeptabel sind. Hier können über die Materialprüfung hinaus wesentliche Parameter für einen rechnerischen Nachweis ermittelt werden, oder Probebelastungen direkt nach Beendigung Planungssicherheit für den Baufortschritt bringen. Denn ein Rechenmodell bleibt immer ein Modell und kann die physikalische Wirklichkeit nur so gut beschreiben wie zutreffend seine Annahmen waren. Und letztere liegen selbstverständlich immer auf der sicheren Seite. Abb. 1: Last-Reaktionsbeziehung eines Bauwerks In Situ Prüfverfahren bewerten den aktuellen Tragwerkszustand inklusive aller realen Randbedingungen, sodass Unsicherheiten wegfallen und die Lasten deutlich über das rechnerisch nachgewiesene Lastniveau gesteigert werden können (Abb. 1). Die Bandbreite möglicher Einsatzgebiete ist nahezu unbegrenzt. Einige Beispiele aus dem Mauerwerksbau sind in Tabelle 1 aufgeführt und werden in den nachfolgenden Kapiteln exemplarisch vorgestellt. Planungs- und Ausführungsdetails einiger Projekte können der jeweils zitierten Literatur entnommen werden ([8]-[12] und [14]). 108 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 In-Situ-Prüfverfahren von Mauerwerk - Möglichkeiten und Grenzen Tabelle 1: Beispiele erfolgreicher In Situ Prüfungen im Mauerwerksbau Belastungsversuche Systemmessung Überwachung Hochbau Kappendecken, Stahlsteindecken, Fassaden Austausch eines Kämpfersteines Erschütterungen (aus Zugverkehr) Ingenieurbau Gemauerte Abwassersysteme, Durchlässe - - Wasserbau Haltekreuze in Schleusen Anker von Spundwänden Kragstützwand Segmentwehr, Tordichtung Brückenbau Gewölbe- und Steinbogenbrücken (Straße u. Schiene) Gewölbebrücken (Schiene) Freischneidetechnik 1.2 Legalisierung Experimente sind Teil unserer Ingenieurgeschichte. Sie dienen der Absicherung neuer Bauweisen und helfen, theoretische Ansätze zu verstehen. Schon Ende des 19. Jahrhunderts wurde erkannt, dass nur durch Versuche und Erfahrung die komplexen Zusammenhänge der Werkstoffgesetze und Mechanik verständlich werden und Konstruktionsempfehlungen abgesichert werden können. Materialprüfungen liefern das Tragverhalten und den aufnehmbaren Widerstand an ausgesuchten Stellen. Soll darüber hinaus das Tragverhalten von Teilbereichen oder kompletten Tragstrukturen ausgelotet werden, können Belastungsversuche mit messtechnischer Ausstattung des Versuchskörpers sinnvoll sein (Abb. 6, 8, 9 und-11). Je nach Zielrichtung kann in drei unterschiedliche Verfahren unterschieden werden [3]: A) Tragsicherheitsbewertung B) Systemmessungen C) Tragfähigkeitsmessungen (Bruchversuche) Jedes Konzept hat seine prädestinierten Einsatzbereiche und ist gekennzeichnet durch unterschiedlich hohen Aufwand (C > A > B), so dass für jedes Objekt entschieden werden muss, ob das erwartete Ergebnis im Verhältnis zum Aufwand steht. Die Ergebnisqualität ist zudem von der Erfahrung der durchführenden Stelle abhängig, so dass bei komplexen Strukturen und aufwändigen Messverfahren ausschließlich erfahrene Fachleute eingesetzt werden sollten. Die experimentelle Tragsicherheitsbewertung ersetzt den rechnerischen Nachweis der Standsicherheit und wird nach unserer Erfahrung sowohl von den Prüfingenieuren als auch der Bauaufsicht der Länder akzeptiert. In Einzelfällen wurde eine Zulassung im Einzelfall verlangt, es ist daher sinnvoll alle Beteiligten schon im Planungsprozess zu involvieren. Die grundsätzliche Eignung und Zulässigkeit des die Rechnung begleitenden experimentellen Tragfähigkeitsnachweises auf der Grundlage der Regelungen der DAfStb-Richtlinie [2] wurde auch von der Fachkommission „Bautechnik“ der ARGEBAU bestätigt [4]. Die versuchsgestützte Bemessung ist auch im aktuellen Normenwerk der Eurocodes enthalten, z. B. in den Grundlagen der Tragwerksplanung [5]. 1.3 Auswahl einer Stichprobe Soll durch stichprobenartige Versuche an Bauteilen oder Gebäudeteilen auf die Gesamtheit einer Mauerwerkskonstruktion geschlossen werden, ist durch geeignete flächenhafte Verfahren nachzuweisen, dass die Stichprobe entweder gleichartig zu den nicht untersuchten Bereichen ist, oder den am höchsten beanspruchten Bereich mit dem schlechtesten Erhaltungszustand darstellt. Verbleibende Unwägbarkeiten werden durch einen Sicherheitsabschlag berücksichtigt, dessen Betrag von der Qualität und der Quantität der Stichprobe abhängt [3]. 2. In-Situ Prüfverfahren 2.1 Test von Mauerwerksteilbereichen 2.1.1 Schlitztechnik (Flat-Jack) Die Methodik und Technologie zur experimentellen Ermittlung vorhandener Eigengewichtsdehnungen wurde an Mauerwerks- und Betonprobekörpern erprobt. Seit Jahrzehnten wird die „Schlitztechnik“ zur Bestimmung von Spannungszuständen im Tunnelbau [6] und Mauerwerksbau angewendet ([7], Abb. 2): Quer zur Hauptdruckspannungsrichtung wird ein Schlitz gesägt, dessen Umgebung mit Sensoren ausgestattet ist. Danach wird in diesen Schlitz ein Hydraulikkissen geschoben und aufgepumpt, bis die Sensoren das Wiedererreichen des Ausgangszustands anzeigen. Die „eingefrorene“ Druckspannung, sowie Informationen über den E-Modul können aus dem Öldruck und der Kissengeometrie ermittelt werden. Abb. 2: Das „Flat-Jack“-Verfahren Dieses Verfahren liefert qualitativ brauchbare Ergebnisse, hat aber nach BINDA [7] für Mauerwerk wesentliche Grenzen, wenn • Zugspannungen (Dehnungen) eingetragen sind, • sich der Ausgangszustand nicht wiederherstellen lässt (Interpretationsprobleme), • das Gleichgewicht am oberen Schnitt wegen geringer Auflast fehlt (z. B. am oberen Rand einer Wand), 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 109 In-Situ-Prüfverfahren von Mauerwerk - Möglichkeiten und Grenzen • kleine Dehnungen/ Beanspruchungen vorliegen (Zuverlässigkeit der Ergebnisse) und • das Mauerwerk sehr inhomogen ist oder sehr geringe Festigkeiten besitzt (Interpretation der Ergebnisse) Werden zur Dehnungsmessung Dehnungsmessstreifen (DMS) benutzt, bleibt ihr Messbereich örtlich begrenzt. Es können bei einem inhomogenen Strukturaufbau „Stein/ Fuge“ nur für einen Werkstoff Informationen gewonnen werden. Bei Belastungsversuchen an Mauerwerksbrücken und anderen Anwendungen hat sich die integrale Dehnungsmessung bewährt. Dabei wird über eine Basislänge l die Wegänderung ∆l gemessen. Über die Beziehung ε = ∆l/ l kann die Dehnung ermittelt werden. Die Messsensoren sind einfach und schnell anzubringen und sind auch bei gekrümmten und schroffen Oberflächen flexibel anzupassen. Weitere Möglichkeiten, effektive Werkstofffestigkeiten und -steifigkeiten zu bestimmen, reichen von zerstörungsfreien Methoden wie Rückprallhammerversuchen bis zu zerstörungsarmen Verfahren, wie Probenentnahmen. Aber auch letztere sind mit Unsicherheiten behaftet, da die damit erlangten Materialparameter nicht direkt für die maßgebende Lastrichtung gewonnen werden können und die Gefahr besteht, dass die Proben durch Entnahme und Transport gestört sind. 2.1.2 Freischeidetechnik (FreD) Bestehende Mauerwerksbauteile haben neben unbekannten Materialfestigkeiten einen unbekannten vorhandenen Dehnungszustand ε 0 (Abb. 1). Seine Abschätzung muss wegen vielfältiger Imponderabilien sehr konservativ erfolgen. Durch Weiterentwicklung bestehender Verfahren (Flat-Jack) wurde eine neue experimentelle Methode entwickelt, die in-situ nicht nur die aktuelle (ε 0 ), sondern auch die maximal zulässige Beanspruchung (Bruchdehnung ε u ) bestimmt (Abb. 3 und [8]). Mit der mobilen Prüfzange werden nebenbei Informationen über die Spannungs-Dehnungslinie und das Elastizitätsmodul E m = σ/ ε gewonnen. Das Anwendungsgebiet ist der Hoch- und Ingenieurbau. Besonders vielversprechend ist das Verfahren bei der Bewertung von denkmalgeschützten Bauteilen und Gewölbebrücken aus Mauerwerk. Das Verfahren ist jedoch noch nicht ausgereift. Um das Verfahren standardmäßig einsetzen zu können, müssen noch weitere Ergebnisse und Erfahrungen gesammelt werden. Abb. 3: Phasen der Freischneidetechnik (a und b) sowie der in situ Materialprüfung mittels FreDnip (c bis e, jeweils Ansicht und Querschnitt) [8] 2.2 Belastungsversuche von Tragwerken oder -teilen 2.2.1 Systemmessungen - Versuche zur Strukturidentifikation Systemmessungen überprüfen mit einem moderaten Aufwand das aktuelle Tragverhalten, um z. B. bekannte Schäden zu überwachen oder Berechnungsannahmen zu verifizieren. Die Belastung muss unterhalb des maximal Gebrauchslastniveaus (Abb. 1) dabei einerseits so hoch gewählt werden, dass das Tragverhalten der Konstruktion unter den planmäßig auftretenden Nutzlasten angemessen beurteilt werden kann und darf andererseits nicht so hoch sein, dass kritische Bauwerksreaktionen eintreten. Die Verformungen bleiben vorwiegend im linear-elastischen Bereich. Nichtlineare Untersuchungen bei höheren Beanspruchungszuständen können im Nachgang mit den entsprechenden Unsicherheiten an einem kalibrierten Berechnungsmodell durchgeführt werden. Wenn die Schwachstellen bekannt sind und konkrete Grenzwerte festgelegt werden können, taugen Langzeitmessungen auch zum Monitoring, das bei zuvor definierten Veränderungen Aktionen auslösen kann (Alarm, Information, Sperrung, …). 2.2.2 Tragsicherheitsbewertung - Belastungsversuche oberhalb der Gebrauchslast Tragsicherheitsbewertung bedeutet, dass das Tragwerk oberhalb der Gebrauchslast bis zur Versuchsziellast (Abb.-1) belastet wird, also inkl. dem Ansatz von Teilsicherheitsbeiwerten. Dadurch kann es ggf. auch nichtlineares Verformungsverhalten aufdecken. Der Aufwand für Belastungs- und Messtechnik ist jedoch groß. Die Versuchslasten müssen regelbar und selbstsichernd die Beanspruchungen im Tragwerk simulieren, denen es nach Normung widerstehen muss, ohne die Gebrauchstauglichkeit oder Dauerhaftigkeit negativ zu beeinflussen. Dazu ist das Bauteil zuvor mit der dafür notwendigen Belastungs- und Messtechnik auszustatten (z.-B. Kräfte, Verformungen, Dehnungen, …). Gängige Sensoren zur Zustandsbewertung von Bauwerken sind: • Kraftmessdosen zur Anzeige der eingeleiteten Kraft • Wegaufnehmer zur Analyse von Durchbiegungen, Verschiebungen, Rissweiten oder Dehnungen, die integral über die Beziehung ε = ∆l/ l bestimmt werden. • Dehnungsmessstreifen zur örtlichen Kontrolle von Beanspruchungen • Neigungssensoren zur örtlichen Analyse von Verdrehungen, z. B., um den Einspanngrad bei Auflagern oder Bauteilverbindungen zu bestimmen. • Schallsensoren zur Analyse besonderer Ereignisse, die Schall freisetzen, wie z.-B. Rissentstehung oder Rissuferreibung. Der aktuelle Bauteilzustand kann besser eingeschätzt werden, so dass Belastungen oberhalb des Gebrauchslastniveaus auch bei sprödem Materialverhalten möglich sind. • Bei jeder Messung, im Besonderen im Freien, sollten die Umweltbedingungen wie z.B. die Lufttemperatur [°C] oder Windgeschwindigkeit [m/ s] aufgezeichnet werden, um die äußeren Einflüsse auf die Messung zu dokumentieren. 110 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 In-Situ-Prüfverfahren von Mauerwerk - Möglichkeiten und Grenzen Dabei ist bei der Planung Vorsicht geboten. „Wer viel misst, misst Mist“ ist ein geflügeltes Sprichwort und umschreibt zutreffend den Umstand, dass die gewonnenen Daten oft parallel auf Plausibilität geprüft sowie analysiert werden müssen. Dies setzt eine gewisse Erfahrung voraus. Die historische Methode, Versuchslasten durch Ballast aufzubringen, ist der modernen und regelbaren Technik gewichen, Lasten hydraulisch im Kräftekreislauf zu erzeugen. So werden selbstsichernd die Beanspruchungen im Tragwerk simuliert, denen es nach Normung widerstehen muss. Im Hochbau werden dazu mobile Belastungsvorrichtungen genutzt, die kleinteilig transportiert und individuell an jede Aufgabe anpasst werden können (vgl. Abb. 9). Die Technologie ermöglicht eine variable Anpassung an unterschiedliche Bauwerksgeometrien und ist für Versuchslasten bis zu F ≤ 750 kN pro Rahmen einsetzbar. Ein Tragwerk ist in der Regel in ca. 3 Tagen untersucht, wovon jeweils 1 Tag für Installation der Belastungs- und Messtechnik, für die Messungen und den Abbau benötigt wird. Für Brücken kommen besondere Fahrzeuge zum Einsatz (Straßenbrücken: Belastungsfahrzeug BELFA [9]; Eisenbahnbrücken: Belastungswaggon BELFA-DB), die an der Hochschule Bremen in kooperativen Forschungsprojekten mit der TU Dresden, der HTWK Leipzig und der BU Weimar entwickelt wurden. Das Potenzial von Probebelastungen ist groß: die gemessenen Reaktionen sind überwiegend kleiner als die rechnerisch prognostizierten (Abb. 1), und die Versuchsziellast wird ohne Überschreiten eines Grenzkriteriums erreicht. Als Konsequenz kann empfohlen werden, die nachgewiesenen Tragreserven z.-B. für eine Nutzlasterhöhung zu verwenden. Aus unserer langjährigen Erfahrung betragen die Zuwächse zum Beispiel bei Massivbauwerken mindestens 30-50 % und können in Ausnahmefällen auch über 100 % liegen (Abb. 4 und [10]). Das Ergebnis liegt direkt nach Beendigung der Versuche vor und ist so lange gültig, bis wiederkehrende Bauwerksprüfungen Anlass für weitere Untersuchungen geben - wie bei einem Neubau auch. Abb. 4: Steigerungspotenzial der Nutzlast durch Belastungsversuche (Torte = Gesamttragfähigkeit einer Massivdecke) 3. Erläuterungen an Beispielen (Möglichkeiten und Grenzen) 3.1 Gewölbebrücke Drimbornstraße in Aachen Gewölbebrücken besitzen oftmals enorme Tragreserven, die meist durch Hinterfüllung und Lagerungsbedingung zu erklären sind. Das Tragwerk ist rechnerisch nur schwer zutreffend zu beschreiben - insbesondere, wenn die Struktur vorgeschädigt ist. Anstelle von Belastungsversuchen, die die Tragsicherheit direkt nachweisen, können hybride Verfahren angewendet werden: wesentliche Bauwerksreaktionen werden unter Betriebslasten gemessen, um FE-Rechenmodelle auf der Grundlage der Ergebnisse anzupassen und den aktuellen Lastabtrag abzubilden. Materialkennwerte werden durch geeignete Verfahren (s. Abschnitt 2.1) gewonnen und ergänzen den rechnerischen Nachweis. Als Beispiel sei die Gewölbebrücke Drimbornstraße in Aachen aufgeführt (Abb. 5, Baujahr 1892). Sie überführt die mehrgleisige Bahnstrecke 2600 bei km 68.493 über eine zweispurige Straße. Das Bauwerk besteht aus Vollziegeln mit zwei vernachlässigbaren Langlöchern und Kalkzementmörtel. Die Lagerfugen sind luftseitig nachverfugt. Mittels Rückprallhammer wurde vorab eine gleichmäßige Festigkeitsverteilung in den Messortbereichen festgestellt. Das Bauwerk teilt sich über die Breite von B-=-34,6-m in insgesamt 3 Teilabschnitte mit unterschiedlicher Höhe auf. Es wurde hauptsächlich der südwestliche Bogen untersucht (max. L H = 8,94 m). Aufgrund des schlechten Bauwerkszustandes (Zustandsnote 3-4) sollte die aktuelle Tragsicherheit experimentell gestützt geführt werden. Dazu wurden • Materialproben entnommen und geprüft, • das Flat-Jack-Verfahren (Abb. 2) sowie die Freischneidetechnik eingesetzt (Abb. 5) und • Bauwerksreaktionen während Zugüberfahrten gemessen. Abb. 5: Messorte der Freischneidetechnik im Gewölbequerschnitt und FreDnip im Einsatz Mit den gewonnenen Daten wurden ein nichtlineares FE-Scheibenmodell kalibriert, so dass die maßgebenden Nachweise für die Lastbilder gemäß UIC 71 und RIL-805.0203 rechnerisch geführt werden konnten. Der Materialwiderstand war durch die Freischneidetechnik und ergänzende konventionelle Materialprüfungen zu f D,MW,d- =-2,16-N/ mm² abgeschätzt worden. Die eingetragene Dehnung ε 0 durch Eigengewicht wurde als zusätzliche Kontrolle und Validierung der getroffenen Annahmen überprüft und stimmte mit den experimentell gewonnenen Daten ausreichend gut überein (Ergebnisse Flat-Jack und Freischneidetechnik: ε 0- ~-50-µm/ m). Die Tragsicherheit der Gewölbebrücke wurde für die Lastmodelle der Vorschriften (Lastbilder nach UIC 71, bzw. nach RIL 805.0203) am kalibrierten FE-Modell in 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 111 In-Situ-Prüfverfahren von Mauerwerk - Möglichkeiten und Grenzen maßgebender Position erfolgreich nachgewiesen. Sofern die erkennbaren Durchfeuchtungsschäden beseitigt und die Lastansätze eingehalten werden, gilt der Nachweis bis zur Feststellung weiterer Bauwerksschäden anlässlich der wiederkehrenden Bauwerksinspektion (i.d.R. alle 6 Jahre). 3.2 Belastungsversuche eines gemauerten Durchlasses (Hannover) In der Eilenriede der Landeshauptstadt Hannover befinden sich diverse Wegebrücken und Durchlässe mit Stützweiten l s ≤ 6,00 m, deren Original-Unterlagen nicht mehr vorlagen oder bei denen statische Berechnungen keine zufriedenstellenden Ergebnisse lieferten. Für die Bewirtschaftung des Forstes werden die Brücken jedoch mit schweren Fahrzeugen befahren. Es bot sich als alternative Nachweismethode an, Belastungsversuche durchzuführen. Aufgrund der unbefestigten, engen und zum Teil verschlungenen Wege wurde ein Konzept entwickelt, um unter Nutzung eines Mobilkrans als Gegengewicht Versuchslasten bis zu 330 kN wirtschaftlich und vor allem risikoarm zu erzeugen (Abb. 6). Dabei führt der Mobilkran (GMK 4100 mit G ~ 50 t) die Nachweise schrittweise an mehreren Positionen durch und prüft sich quasi selbst die gefahrlose Auffahrt. Das Verfahren ist in [11] ausführlich beschrieben und wurde unter der Nr. 10 2017 118 041.9 zum Patent eingetragen. Abb. 6: Mobilkran in Prüfposition über dem gemauerten Durchlass Die Tragfähigkeiten, definiert durch das statische System und den Bauteilwiderstand (Geometrie und Material), waren so groß, dass die Lasten bei allen Versuchen ohne Erreichen eines Grenzwertkriteriums bis zur Versuchsziellast F Ziel ≤ 330 kN gesteigert werden konnten. Die Brücken wurden daher für die gewünschte Nutzlast BK 30 bzw. BK 9 als gebrauchstauglich und tragsicher eingestuft. Die Tragwerke zeigten dabei ein sehr gutmütiges Verformungsverhalten. Für den gemauerten Gewölbedurchlass (l s -=-1,60-m, Überschüttung ca. 20 cm) wurden unter Gebrauchslast (BK 30) Scheiteldurchbiegungen von f V,Q -≤-0,05 mm notiert, selbst unter der Versuchsziellast blieb die Vertikalverformung unter f V,Ziel -≤-0,11-mm. Die horizontale Relativverschiebung der Kämpfer nach außen betrug weniger als f H,Ziel -≤-0,04-mm (Abb. 7). Die über Stein und Fuge integral gemessenen Dehnungen bzw. Stauchungen zeigten ebenfalls ein vorwiegend linearelastisches Verformungsverhalten und lagen für alle Lastpositionen im Wertebereich 99 µm/ m-≥-e exp -≥--207-µm/ m. Zum Vergleich: bei den bisher von uns durchgeführten In Situ Bruchversuchen (s. Abschnitt 2.1.2 und [8]) lag die Bruchdehnung bei ε u -≥--700 µm/ m, bei historischen Ziegeln sogar ε u -≥--1.000 µm/ m. Abb. 7: Messtechnische Ausstattung im gemauerten Durchlass Die technische Anwendungsgrenze der vorgestellten Belastungstechnik wurde in dem WiPaNo Forschungsvorhaben SyMoB (BMWI) untersucht und liegt bei Brücken mit Stützweiten bis l s - <- 8,0 m, bei denen der Lastfall „Schwere Einzelachse“ maßgebend ist. Bei größeren Brücken ist es zu empfehlen, auf bewährte Belastungssysteme wie das Belastungsfahrzeug BELFA [9] zurückzugreifen und letztendlich einen größeren technischen und damit auch finanziellen Aufwand in Kauf zu nehmen. 3.3 Systemmessung einer Eisenbahn-Stampf-betonbrücke mit Natursteinverblendung In Ehrwald, Österreich, überführt das Viadukt die Zugstrecke der Außerfernbahn eingleisig in einem leichten Linksbogen mit einem Radius R-=-200-m den Fluß Loisach sowie die Ehrwalder Straße B 187 (Abb. 8). Abb. 8: Südansicht Loisach-Viadukt „Ehrwald-Viadukt“, Tirol Die Gewölbebrücke besteht aus einem Stampf betonkern, der aufgrund der ortschaftsnahen Lage aus optischen Gründen mit Natursteinen aus der Umgebung verkleidet wurde. Ihre insgesamt 7 Öffnungen lassen sich in ein Hauptgewölbe (l w = 15 m), drei Nebengewölbe (l w -=-10-m) sowie 3 Spargewölbe (l w = 1,8 m) unterteilen (Abb.-8). Die Breite des Oberbaus mit dem Geländer beträgt ca. b o -=-5,2 m. Die Pfeilerbreite unten beträgt ca. b pu -=-5,6-m und oben ca. b po -=-4,5 m. Im Laufe der letzten Jahrzehnte 112 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 In-Situ-Prüfverfahren von Mauerwerk - Möglichkeiten und Grenzen wurde das Objekt aufgrund von verschiedenen Schäden saniert und ertüchtigt. Im Jahr 1970 wurden die Stahlbetonkonsol- und Randsteine auf den Stirnwänden erneuert. Dabei wurden die Konsolen durch Stahlbetonquerträger im Abstand von 2,40-m miteinander gekoppelt und auf den Bestandsstirnwänden auf einer Mörtelfuge gelagert. Dadurch sind die Konsolen vom restlichen Bauwerk entkoppelt, es kann jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass über die Querträger auch Verkehrslasten direkt in die Stirnwände eingeleitet werden. Nachdem sich ein Längsriss zwischen Stirnwand und Gewölbebogen gebildet hatte und Steinfragmente des Verblenders aus dem Mauerwerksverbund herausgefallen waren wurde 2014 eine Sanierung des Natursteinmauerwerks veranlasst. Dabei wurden die Verblenderkalksteine neu eingemauert und verfugt. Das Verformungs- und Tragverhalten der Stampf betongewölbebrücke konnte in einem 2D-FE-Schalenmodell nachgebildet werden, indem das Rechenmodell anhand der experimentell ermittelten Bauwerksreaktionen aus Überfahrtsmessungen angepasst und kalibriert wurde [12]. Dabei konnte festgestellt werden, dass sich das Verblendmauerwerk am Lastabtrag beteiligt, das Bauwerk steifer ist als angenommen (mittragende Wirkung der Hinterfüllung) und die nachträglich eingebauten quer verlaufenden Stahlbetonriegel Lasten in die Stirnmauern einleiten. Die Berechnungen mit den maßgebenden Lastmodellen E4 ergaben, dass die Stampf betongewölbebrücke unter den angenommenen Bedingungen eine ausreichende Tragsicherheit bei einer Geschwindigkeit von 80 km/ h besitzt. Aufgrund der geringen Tragreserve (η-Werte) wurde folgende Nutzung vorgeschlagen: • regelhaft: Lastmodell D4 bei einer max. Geschwindigkeit von 80 km/ h • in Ausnahmen (z. B. Schwertransport): Lastmodell E4 bei einer maximalen Geschwindigkeit von 80 km/ h Dabei ist bei wiederkehrenden Bauwerksinspektionen ein besonderes Augenmerk auf eine sorgfältige Gleishaltung und auf Risse zu richten. Für die weitere Bauwerksüberwachung konnten die Stellen identifiziert werden, an denen weitere Rissbildung zuerst zu erwarten ist. 3.4 Baukunstarchiv Dortmund Das ehemalige Museum am Ostwall, 1947-1949 wiederaufgebaut, sollte 2016 zum Baukunstarchiv umgenutzt werden. Dadurch erhöhten sich die erforderlichen Nutzlasten der Kappendecken (Ziegelmauerwerk, halber Stein, Bj. 1872-1875) von bislang zulässigen 200-kg/ m² auf bis zu 500 kg/ m². Sie banden auf der einen Seite in Mauerwerk ein und auf der anderen, in Raummitte, diente ein Stahlträger als Auflager (Abb. 9). Die Kappendicken und Bogenstiche variierten stark. Die Belastungsversuche in einem maßgebenden Bereich (kleinster Bogenstich, größte Auf bauhöhe = Gewicht) ergaben zulässige Belastungen für 500-kg/ m². Maßgeblich verantwortlich dafür war sicherlich ein räumlicher Lastabtrag, in den auch der Stahlträger über Verbund eingebunden war - rechnerisch zwar nachzuvollziehen aber ohne Versuch nicht zu quantifizieren. Abb. 9: Querschnitt Lasteinleitung Kappendecke 3.5 Verblendziegelmauerwerk (Haftzugversuche nach Sanierung) Das Mauerwerk eines denkmalgeschützten Mehrfamilienhauses in Bremerhaven wurde im Jahre 1929 bereits mit Mängeln errichtet, so dass Feuchtigkeit in die Innenräume eindringen konnte. Es wurde bereits im Jahr 1938 saniert und seit 2007 weiter untersucht, um die Durchfeuchtung einzudämmen und die energetischen Eigenschaften zu verbessern. Dabei wurde eine ursprünglich bestehende Lastübertragung zwischen Fensterstürzen so verändert, dass dort nur noch (Wind-)Druckkräfte übertragen werden können. In der Windsogrichtung ist die Fassade auf einer Höhe von etwa 15,50 m (EG durchgemauert) nach der Sanierung nur noch durch Zuganker gehalten, deren Zustand nicht flächendeckend bestimmt werden konnte. Alle bestehenden Mängel ließen sich nach Aussage des Sachverständigen durch ein Verkleben der Hohlschicht mit Polyurethan-Schaum nach dem Everisol ® -Verfahren beseitigen [13]. Für eine Zulassung im Einzelfall war der Sanierungserfolg zu dokumentieren, insbesondere die sichere Übertragung von Schub- und Zugkräften zwischen Mauerwerk und PU-Schaum. Dazu wurden an insgesamt 6 Versuchsflächen stichprobenartig Haftzugversuche durchgeführt, um den Spannungsnachweis zu erbringen, und das Verformungsverhalten des PU-Schaumes zu dokumentieren. Die Versuche erfolgten in Bereichen, die anhand der folgenden Kriterien ausgewählt wurden: • Bewitterung (Mezzaningeschoss) • Mauerwerksqualität • Verputzung des Hohlschichtmauerwerks an der inneren Seite der äußeren Mauerwerksschicht. 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 113 In-Situ-Prüfverfahren von Mauerwerk - Möglichkeiten und Grenzen Abb. 10: Versuchsauf bau mit Messstand. Laststeuerung über Anziehen der Mutter Dabei wurde auf Kernbohrungen verzichtet, um die Klebefuge nicht bereits durch die Entnahme zu stören. Der Nachweis erfolgte in-situ durch Ziehen ganzer Steinbereiche (> 8 Ziegel), deren Fugen zuvor freigeschnitten worden waren (Abb. 10). Alle Bereiche zeigten sowohl bei den reinen Haftzugversuchen als auch bei den kombinierten Versuchen (eingetragene Vertikalverschiebung mit Haftzug) ausreichende Festigkeiten. Die Steifigkeiten variierten und wurden für Wiederholungsmessungen in den kommenden Jahren dokumentiert, um ggf. auf Materialveränderungen der Mauerwerksverfestigung schließen zu können. 3.6 Natursteingeländer In einem um die Jahrhundertwende errichteten Museumsbau sollte im Rahmen einer umfangreichen Sanierung das Natursteingeländer des Treppenhauses mit neuen Handläufen versehen werden, so dass die Holmhöhen den vorgeschriebenen Maßen entsprechen. Weil keine Konstruktionsunterlagen vorhanden waren, musste der Nachweis experimentell geführt werden (Abb. 11). Die Belastungsversuche wurden jedoch bereits bei geringen Lastniveaus wegen nichtlinearem und irreversiblen Kraft- Verformungsverhalten abgebrochen. Nur zwei Geländer erreichten annähernd die Tragfähigkeit historischer Berechnungsvorschriften. Ein eindrucksvoller Beleg, dass Schadensfreiheit während der Nutzung kein Garant für ausreichende Tragsicherheit ist. Zur Kompensation wurde ein vorgelagertes Stahlgeländer ergänzt. Abb. 11: Holmdruckprüfung Natursteingeländer 3.7 Unbewehrte Ziegeldecke (Försterdecke) Die „Kaiserliche Postdirektion“ wurde Anfang des 20. Jahrhunderts mit unbewehrten Ziegeldecken zwischen Stahlträgern errichtet (Abb. 12) und soll nun umgenutzt werden. Für den geplanten Schulbetrieb waren für die Decken Verkehrslasten von q k,min -=-3,00 bis q k,max.- =-5,00-kN/ m² (alt: q k -=-2 bis 4 kN/ m²) nachzuweisen. Ein zufriedenstellender rechnerischer Nachweis war auf der Grundlage der Unterlagen und Untersuchungsergebnisse nicht möglich. Insgesamt wurden 9 Försterdecken in 3 Gebäudeflügeln experimentell untersucht (Abb. 12). Die Kraft-Reaktions-Kurven zeigten ein vorwiegend linear-elastisches Verformungsverhalten. Nichtlineare Verformungen zeigten sich erst oberhalb der Gebrauchslast und waren hauptsächlich auf Gefügeveränderungen in den vermörtelten Hohlziegeln zurückzuführen. Anschließende Wiederholungsmessungen unter Gebrauchslast zeigten einen reproduzierbaren und reversiblen Kurvenverlauf. Die gemessenen Durchbiegungen unter Gebrauchslast (Abb. 1) lagen bei Stützenweiten von 1,10-≤-l s -≤-1,50-m zwischen 0,26-≤-f-≤-0,75 mm, wobei der Betrag nicht mit der Stützweite korrelierte. Die Ausführungsqualität war hier sicherlich das ausschlaggebende Kriterium. Abb. 12: Skizze der Belastungsvorrichtung einer zwischen Stahlträgern liegenden Försterdecke 4. Schlussfolgerungen und Ausblick In Situ Prüfverfahren loten die Tragwerksreserven bestehender Bauwerke aus und können selbst dann ein erfolgsversprechender Lösungsansatz sein, wenn rechnerische Analysen auf der Grundlage von Materialproben unbefriedigende Ergebnisse erzielt haben. Voranschreitender Computerhörigkeit trotzend bieten sie insbesondere bei Mauerwerksbauten eine wirtschaftlich attraktive Alternative zu Abriss und Neubau und leisten einen wichtigen Beitrag, um Baukultur zu bewahren. Die tatsächliche Tragfähigkeit wird neben der Ausführungsqualität und dem Erhaltungszustand von vielen Faktoren bestimmt, so dass dennoch im Einzelfall zu prüfen ist, inwiefern aufwändige experimentelle Untersuchungen wirtschaftlich sinnvoll sind. Hinweis Dieser Artikel wurde 2024 bereits anlässlich eines Sonderheftes des Fachzeitschrift Bausubstanz veröffentlicht [14] und erscheint hier in einer überarbeiteten sowie erweiterten Version. 114 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 In-Situ-Prüfverfahren von Mauerwerk - Möglichkeiten und Grenzen Literatur [1] Gorning, M.; Pagenhardt, L.: Bauvolumen dürfte erstmals seit der Finanzkrise nominal sinken-- Lage im Wohnungsbau spitzt sich zu. DIW Wochenbericht 1+2 (2024). DOI: https: / / doi.org/ 10.18723/ diw_wb: 2024-1-1 [2] Wissenschaftlich-Technische Arbeitsgemeinschaft für Bauwerkserhaltung und Denkmalpflege e.V.: - - WTA (Hrsg.): WTA-Merkblatt 7-4 Ermittlung der Druckfestigkeit von Bestandsmauerwerk aus künstlichen kleinformatigen Steinen. Ausgabe 11.2021/ D [3] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb, Hrsg.): Richtlinie für Belastungsversuche an Betonbauwerken. Berlin: Beuth, Juli 2020.[4] Manleitner et al.: Belastungsversuche an Betonbauwerken. In: Beton- und Stahlbetonbau 96, 2011, Heft 7, S. 489. [5] DIN EN 1990 (2010-12): Eurocode 0 - Grundlagen der Tragwerksplanung, Anhang D (informativ). [6] Deutsche Gesellschaft für Erd- und Grundbau e.V. -DGEG-, Essen (Hrsg) Geotechnische Messungen in bestehenden Eisenbahntunneln. Essen: Verlag Glückauf GmbH, 1988 (Taschenbuch für den Tunnelbau; 22. Jahrgang). [7] Binda, L.; Tiraboschi, C.: Flat-Jack Test: A slightly destructive technique for the diagnosis of brick and stone masonry structures - Fraunhofer IRB - baufachinformation.de. Internationale Zeitschrift für Bauinstandsetzen und Baudenkmalpflege; 5-(1999), Nr. 5, S. 449-472. [8] Gutermann,- M.: Freischneidetechnik zur experimentellen Dehnungsermittlung an Mauerwerk zur Bausubstanzerhaltung und Ressourcen-schonung (FreD). Forschungsprojekt; Abschlussbericht. Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag, 2012 (Reihe Wissenschaft; Bd. 28). [9] Gutermann, M.; Schröder, C.: 10 Jahre Belastungsfahrzeug BELFA. Bautechnik 88 (2011) 3, S. 199- 204. [10] Gutermann, M.; Schnieders, M.: Tragsicherheitsbewertung von historischen Deckentragwerken im Bestand - Hält das noch oder kann das weg? In: Bausubstanz. 13. Jahrgang, Ausgabe 1/ 2022, S.-36-43. Fraunhofer IRB Verlag, 2022. [11] Gutermann, M., Schröder, C., Böhme, C.: Nachweis von Straßenbrücken kleiner Stützweite am Beispiel von Wegebrücken in der Eilenriede, Hannover. In: Bautechnik 95 (2018), Heft 7. Berlin: Ernst & Sohn, 2018. S. 477-484. https: / / doi. org/ 10.1002/ bate.201800018 [12] Gutermann, M., Wasjuta, A., Tiefenthaler, K.: Experimentell gestützter Nachweis einer mit Naturstein verkleideten Eisenbahn-Stampfbetonbrücke. In: Patitz, G. (Hrsg.): Tagungsband 26. Natursteintagung, Karlsruhe: Fraunhofer IRB Verlag, 2020, S.-73-84. [13] Giffey, K.; Saxler, J.: Perfekter Halt für alle Wetterlagen. Verbesserung der Standsicherheit eines zweischaligen Mauerwerks. In: Bauen im Bestand-- Bautenschutz + Bausanierung, 40. Jahrgang, Nr. 6, 2017. Köln: Rudolf Müller Verlag, S.-20-25. [14] Gutermann, M.: „In-Situ-Prüfverfahren von Mauerwerk“. In Wigger, H. (Hrsg.): Mauerwerk aus künstlichen Steinen - Tragfähigkeit im Bestand bewerten. Bausubstanz Thema 3, Fraunhofer IRB Verlag, 01/ 2024, Seite 104-113, ISBN 9783738806434.