2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 159 Mauerwerk zerstörungsfrei untersuchen - belastbare Bestandserfassung für sichere Planung und Statik Dr.-Ing. Andreas Hasenstab Ingenieurbüro Dr. Hasenstab GmbH, Augsburg Zusammenfassung Trotz neue Entwicklungen wie Beton und Spannbeton stellt Mauerwerk weiterhin einen sehr wichtigen Baustoff dar. Auch bei einer Kombination von Stahlbetonskelettbau mit Mauerwerksgefachen kommt den Baustoff, vor allem beim Bestandsbau, eine „tragende“ Bedeutung zu. So ist es sehr wichtig, bei einer Umnutzung/ Weiternutzung von Bestandsbauten auch die Mauerwerkstruktur genau zu untersuchen, um diesen vorhandenen Bauelementen Lasten zuweisen zu können. Um belastbare Daten für die weitere Planung und Statik zu erhalten sind so zerstörungsfrei Untersuchungen mit Radar in Kombination mit zerstörenden Druckfestigkeitsprüfungen an Proben zielführend. Dabei können der Bauteilzustand dokumentiert sowie Schäden frühzeitig erkannt und eingegrenzt werden. Dies führt bei Instandsetzung zu einer besseren Kostenabschätzung. Anhand von mehreren Beispielen an Bauwerken aus Mauerwerk werden die zerstörungsfreien Prüferverfahren vorgestellt und die Möglichkeiten und Grenzen der Verfahren aufgezeigt. 1. Zerstörungsfeie Prüfung im Bauwesen Seit einigen Jahren werden unterschiedliche zerstörungsfreie Prüfverfahren zur Untersuchung von Bauwerken eingesetzt. Hierbei könne die Baustoffe Beton, Holz, Stahl oder Mauerwerk untersucht werden. Das Ziel einer Anwendung der Zf PBau-Verfahren ist: zerstörungsfreie Bauwerksuntersuchung (Erkundung wenn Pläne fehlen etc. ) • frühes Erkennen und Eingrenzung von Schäden • Kostenabschätzung bei Instandsetzung durch Kenntnisse über das Bauwerk • zerstörungsfreie Dokumentation und Integritätsprüfung des Bauteilzustandes 2. Messverfahren Zur zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen werden unterschiedliche Verfahren eingesetzt. Einen groben Überblick der Verfahren kann der folgenden Tabelle entnommen werden. Tabelle 1: zerstörungsfreie Prüfverfahren im Bauwesen (ZfPBau) Elektromagnetische Verfahren: Radar Thermographie (passiv/ aktiv) Röntgen/ Durchstrahlung Wirbelstrom, Induktion Remanenzmagnetismus Akustische Verfahren: Ultraschallecho Impact Echo Sonstige Verfahren: Bohrwiderstand Rückprallhammer Endoskopie Potentialfeldmethode Bohrkerne Unter-Wasser- Drohne Ein geübter Umgang mit den Verfahren ist unbedingt erforderlich - nur so können gute Messergebnisse erzielt werden. 2.1 Messverfahren Ultraschallecho Die Ultraschall-Echotechnik beruht auf der Reflexion von Schallwellen an Diskontinuitäten wie Werkstoffinhomogenitäten, Grenzflächen, Hohlstellen oder der Bauteilrückwand. Eine direkte Ankopplung am Bauteil ist physikalisch erforderlich. Anwendungsbereiche Ziele Bestimmung von Bauteilabmessungen Gleichmäßige Dicke von nur einseitig zugänglichen Balken, Unterzügen, Fundamenten Lage von nicht sichtbaren Aussparungen, Nischen etc. Lage von Holzdübelverbindungen Ortung von Schäden/ stofflichen Inhomogenitäten Hohlstellen Fäulnis Verdichtungsmängeln (Kiesnester) Ablösungen, Rissen parallel zur Oberfläche Äste Ortung von Schichtwechseln, stofflichen Inhomogenitäten Verbund von unterschiedlichen Schichten aufeinander 160 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 Mauerwerk zerstörungsfrei untersuchen - belastbare Bestandserfassung für sichere Planung und Statik Abb 1: Ultraschallechomessung an Betondecke; Holzbindern, mehrschalige Betonwand; Stahl; Bei Vorhandensein eines Echosignals von der Bauteilrückseite kann davon ausgegangen werden, dass das Bauteil ungeschädigt ist und sich keine inneren Schäden wie Risse, Kiesnester, Fäulnis etc. im Bauteil befinden. So können Bauteile als „schadensfrei“ oder „gesundgeprüft“ werden. Wenn die Bauteile „sicher schadensfrei“ sind - können ihnen „sicher“ Lasten zugeordnet werden. Grenzen von Ultraschallecho: Bauteil nicht erreichbar (z. B. Estrich und Folie auf der Betonplatte) 2.2 Messverfahren Radar (auch Impulsradar, Georadar) Das Radarverfahren ist ein elektromagnetisches Verfahren und ist vielfältig einsetzbar (siehe folgende Tabelle). Besonders können Metallbauteile, aber auch Strukturen im Inneren von Mauerwerk oder unter Bodenplatten etc. untersucht werden und die Anzahl der zerstörenden Sondagen stark reduziert werden. Eine Optimierung der Untersuchungstiefe und Messauflösung ist auch durch eine Kombination von unterschiedlichen Radarantennen mit unterschiedlichen Messfrequenzen möglich. Anwendungsbereiche Ziele an historischen Bauwerk aus Mauerwerk, Steinen strukturellen Auf bau (Schalen, Dicken), Einbauteile (Klammern, Dübel, Anker, Hölzer), Schadstellen (Risse, Ablösungen), Feuchte- und Salzverteilung, Sanierungskontrolle aus Holz [3] Einbauteile, Anker, Klammern im Beton- und Stahlbetonbauten (Hochbauten, Brücken) Bewehrung, Spannglieder, struktureller Auf bau Verkehrswege, Erdbauwerke struktureller Auf bau, gestörter Auf bau, Schadstellen, Schichtdicken Archäologie/ Baugrund Bauwerksreste, Objektdetektion, verborgene bauliche Situationen, Hohlräume, Leitungen Tabelle 2: Anwendungsmöglichkeiten des Radarverfahrens Die physikalischen Grenzen des Radarverfahrens werden durch eine zu hohe Materialfeuchte oder Abschirmung durch Metall (Alufolie in Dämmung/ zu enge Bewehrung) definiert. Abb 2: Radarmessungen; Stahlteile in Holz; Strukturuntersuchung Betonplatte oder Bodenauf bau unter Schwimmbad (niederfrequente Antenne mit größerer Tiefenreichweite) 2.3 Rissmonitoring Um zu Untersuchen, ob sich ein Riss „in Ruhe“ befindet und z. B. nur kleine Verformungen durch eine thermische Beanspruchung vorliegen, ist ein digitales Rissmonitoring sehr sinnvoll. Neben der Lufttemperatur und Luftfeuchte der Umgebung wird die Rissbewegung aufgezeichnet. 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 161 Mauerwerk zerstörungsfrei untersuchen - belastbare Bestandserfassung für sichere Planung und Statik Auch für Untersuchungen, ob eine gezielt aufgebrachte Belastung eine Verformung am Riss zur Folge hat, ist eine digitale Rissuntersuchung von großer Bedeutung. Abb 3: Rissmonitoring (links Messeinheit; mitte: Messsensor am Riss; rechts Belastungsversuch um Verformungen zu verursachen) 2.4 Thermografie Abb. 4: Thermografiemessung - links an Beschichtung mit Hohllage; rechts an Bauwerk mit Mauerwerk Die Thermografie unterscheidet sich zwischen der • passiven Thermografie (Gebäudediagnostik, Wärmeverluste, Ortung von Fussbodenheizungen, Leckagen, Bauwerksuntersuchung von Mauerwerk), und der • aktiven Thermografie (mit einem Erwärmen des zu untersuchenden Bauteils vor der Thermografiemessung für Ablösungen von Putz, Hohllagen) unterschieden werden. 2.5 Feuchtemessung Die Bauteilfeuchte ist oft von großer Bedeutung, um Schadensmechanismen besser verstehen zu können. Bei Holz kann es bei einer zu hohen Materialfeuchte zu Fäulnis kommen. Die Feuchtemessung am Material erfolgt über eine • direkte Widerstandsmessung mittels Schlagelektroden in die Bauteiloberfläche bzw. Bohrungen • indirekt kapazitiv mittels Vergleichmessugnen • direkt durch Bohrmehlentnahme und Darrmethode Abb. 5: Feuchtemessung: oben links: über Widerstand; rechts und darunter: kapazitiv, unten: Darrmethode an Materialproben (Bohrmehlentnahme) von Mauerwerk 162 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 Mauerwerk zerstörungsfrei untersuchen - belastbare Bestandserfassung für sichere Planung und Statik 3. Anwendungsbeispiele 3.1 Historisches Ofenhaus des Gaswerkes Augsburg (1913) wird zu Staatstheater Abb. 6: Ofenhaus; Außenansich Abb. 7: Ofenhaus Innenansicht; erbaut 1913-1915; Beherbergte bis 1956 Öfen zur Stadtgasgewinnung aus Kohle; Nach Abbau der Ofenanlage (1969/ 70) lagerte bis 2007 das Stadttheater Bühnenkulissen Fragestellung:  Bodenplatte und Fundamente? (Abmessungen und Bewehrung)  Auf bau der Wände und Zustand der Stützen? Lösung:  Stärke und Homogenität der Betonstruktur (Bodenplatte, Stützen) -> Ultraschallecho  Lage und Art der Fundamente unter Bodenplatte unter Stahlstützen/ Betonstützen -> Radar  Auf bau der Wände (Mauerwerk/ Beton)? -> Radar Abb. 8: oben: Untersuchungen des Bodenauf baus; unten: Ultraschallechomessung; Abb. 9: Radarmessung Ergebnis Bodenaufbau: • Bodenplatte teils homogen und bewehrt • Ofenfundamente in der Tiefe nicht identisch mit alten Plänen • Fundamente der Stützen und Wände den Plänen entsprechend Untersuchung des Wandaufbaus Der Wandauf bau ist besonders wichtig, da das Mauerwerk für die Aussteifung von großer Bedeutung ist. So müssen verdeckte Hohlräume etc. ausgeschlossen werden. Abb. 10: Radarmessung an den Gebäudewänden 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 163 Mauerwerk zerstörungsfrei untersuchen - belastbare Bestandserfassung für sichere Planung und Statik Abb. 11: Ergebnis der Radarmessung: Betonstützen (blaue Pfeile) unbekannte Metallstreben (orange Pfeile) Mauerwerk im Plan angegeben Abb. 12: Innenansicht als Theater Abb. 13: Aussenansicht Nutzen für den Auftraggeber Ohne Schädigungen am Bauwerk im Vorfeld:  Lage von Fundamenten unter einer Bodenplatte,  Struktur von Betonplatte und Stützen  Wandauf bau unter dem Putz genau untersucht Dadurch konnten Umfang, Zeit und Kosten der Umbaumaßnahmen für das neue Theater wirksam optimiert werden. 3.2 Untersuchung der Mauerwerkswand auf Hohlräume bei historischem Schulgebäude Bei dem Bauwerk handelt es sich um eine Schule aus dem Jahre 1890 in Bayern, welche saniert wird. Hierbei muss das Mauerwerk teils umfangreich ertüchtigt werden, wobei die Struktur mit Zementsuspension verpresst wird. Fragestellung: Gibt es Hohlbzw. Fehlstellen oder andere Störungen im Mauerwerk? Bestandsituation im Bereich um mögliche die Lüftungsschächte? Einbindung des Gebäudes in das Nachbargebäude? Lösungsansatz: flächige Strukturuntersuchungen mit Radar, Strukturuntersuchung der Baumaterialien an Sondagen Abb. 14: links: Eingang der Schule; rechts: Mauerwerksertüchtigung Abb. 15: links: horizontale Radarmessungen am Bauwerk; rechts: Ergebnis einer Radarmessung in horizontaler Richtung; hellblauer Kasten: Signale von Ebene mit Tiefe etwa 25-30cm (Signale von den Schächten); dunkelblauer Kasten: Signale von der Rückseite der Wand aus ca. 0,5-0,6m Tiefe (homogene Wand), schwarze Kasten: Signale von Stahlbetonstütze 21 x 30 hinter der Wand Abb. 16: Ansicht der Kommunwand, Lage der Radarmesslinien schematisch dargestellt 164 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 Mauerwerk zerstörungsfrei untersuchen - belastbare Bestandserfassung für sichere Planung und Statik Abb. 17: Auswertung der Radarmessungen an der Kommunwand; grün: homogene Struktur bis etwa 50-60-cm Tiefe; rot: Reflexe in einer Tiefe von etwa 25-30-cm; orange; Signale aus Tiefe von Wandstärke minus etwa 5-cm bis 10-cm; Die Radarmessungen ergaben, dass zusätzlich zum bereits bekannten homogenen Bereich in einem Bereich Reflexe an den Schächten in der Wand auffallen. Weiter kann die Stahlbetonstütze hinter der Wand erkannt werden. Abb. 18: Untersuchung der Mauerwerks- und Mörtelfugenstruktur; links: Inhomogenitäten in den Ziegelsteinen; rechts: Mörtel aus relativ grober Sieblinie (größere Steinchen) Ergebnisse der Messungen: Durch die Radarmessungen wurde die reale Lage von Schächten im Mauerwerk bestimmt. Weiter zeigte sich, dass das das Gebäude mit dem Nachbargebäude in der Kommunwand verbunden ist. Die Untersuchung des Mauerwerks und der Fugen ergab, dass die Struktur teils sich als sehr inhomogen darstellt und so beim Verpressen in den Fugen erhöhte Vorsicht geboten ist. Nutzen für den Auftraggeber: Mit dem Wissen aus den Untersuchungen waren Bereiche bekannt, wo kein Verpressen der Mauer zur Strukturverbesserung möglich war (da an Stelle des Mauerwerks nur Schächte vorhanden sind). So musste bei der Tragwerksplanung zum Abtragen der Lasten eine andere Lösung erarbeitet werden. Die erheblichen strukturellen Inhomogenitäten von Mauerwerk und Mörtel hatten ein angepasstes Bohrraster zur Folge, um Ausbrüche beim Verpressen zu verhindern. 3.3 Weitere Nutzung von Bestandsbau mit Schaden an der Fassade Hohllagen unter Fassadenklinken führten zu einem Abklopfen der kompletten Fassade vom Hubsteiger aus mit zugehöriger Schadenskartierung. An Sondagen zur Untersuchung des Schadensursache für eine mögliche Sanierung zeigte sich eine deutliche Zerstörung der Mauerwerkstruktur unter den Fassadenklingen bzw. dem Zwischenmörtel. Abb. 19: oben: Hohllage der Fasadenklinker am Bauwerk; untens: Sondageöffnung mit Schäden am Mauerwerk Da das Bauwerk in den 50er Jahren recht „schlank bemessen“ wurde und keine Unterlagen mehr Vorlagen, war für eine weitere Nutzung eine Vergleichsstatik erforderlich. Um diese erstellen zu können, war eine Untersuchung der Ziegel und des Mauerwerks erforderlich. Weiter mussten die Querschnittsreduktion und das Schadensausmaß am tragenden Mauerwerk stimmt werden. 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 165 Mauerwerk zerstörungsfrei untersuchen - belastbare Bestandserfassung für sichere Planung und Statik Abb. 20: Sondage für Mauerwerkssteinerkundung und Bohrkern zur Restquerschnittbestimmung Sondagen ergaben das Steinformat und Dichte. Mittels Bohrkernen wurde die Querschnittsreduktion bestimmt. Mit den Messergebnissen war eine Nachrechnung möglich entgegen der ursprünglichen Annahme wird das Bauwerk mit einer gesicherten Fassade weiter genutzt. Grundlegende Sanierung von Bestandsbau in Süddeutschland, Ein Bestandsbauwerk aus den 60er Jahren soll in „gehobene Wohnungen“ umgebaut werden. Für das fünfstöckige Mauerwerksgebäude mit Stahlbeton-decken und einzelnen Betonwänden lag keine Statik mehr vor. Zu Beginn wurde ein Aufmaß als Grundlage vorgenommen. Weiter wurden zerstörungsfrei Voruntersuchungen durchgeführt die durch Sondagen am Bauwerk ergänzt wurden. Bei den Untersuchungen stellte sich nach einem Messtag heraus, dass zwischen den dem Aufmaß der Bauteile und den statisch tragenden Bauteilabmessungen gewisse „Differenzen“ Vorlagen. Abb. 21: Bauwerk aus den 60er Jahren Abb. 22: Bauwerk und Sondagen an Stützen (tragfähige Bauteile geringer als ursprüngliche Annahme Weiter sind für die statischen Berechnungen Mauerwerks und Mörtelfestigkeiten erforderlich. Vorbereitend wurde visuell an mehreren Sichtfenstern das pro Etage das Mauerwerk geprüft, ob an allen Stellen identische Ziegel verbaut wurden. Da dies der Fall war, konnte die Anzahl der Steinproben reduziert werden. So wurden an mehreren Stellen Stein- und Mörtelproben entnommen. 166 2. Fachkongress Konstruktiver Ingenieurbau - Juni 2024 Mauerwerk zerstörungsfrei untersuchen - belastbare Bestandserfassung für sichere Planung und Statik Abb. 23: Sondage zur Entnahme von Stein- und Mörtelproben Mit den bei der KIWA in Gersthofen bestimmten Materialfestigkeiten waren die statischen Berechnungen möglich. Weiter wurde die Lage der Eisen in den Decken mit Radar bestimmt - die Betonstruktur wurde oberflächlich mit dem Rückprallhammer, im Inneren auf Schäden hin mit Ultraschall Echo untersucht. Zusammenfassung Allgemein ist Mauerwerk viel mehr als nur „ein paar Steine zusammen“. Besonders bei historischem Mauerwerk ist ein umfassendes Wissen von Vorteil. Sehr informativ ist neben den Veranstaltungen an der TAE auch die Fachtagung „Natursteinsanierung“ unter der langjährigen Leitung von Frau Dr.-Ing. Patitz in Karlsruhe. Mittels zerstörungsfreien Prüfverfahren kann die Struktur eines Bauwerks aus Mauerwerk sehr gut untersucht werden. So kann besonders mit Radar auch der innere Auf bau dickerer Konstruktionen auf Hohlräume, metallische Einbauteile oder hohe Feuchte hin untersucht werden. Eine schnelle vergleichende oberflächennahe Feuchtemessung ist mit kapazitiven Feuchtemessgeräten möglich. Die genaue Bauteilfeuchte - auch in der Tiefe, kann nur mittels Bohrmehlentnahme und Darrmethode bestimmt werden. Druckfestigkeiten der Steine und des Mörtels für statische Berechnungen kann nur an entnommenen Bauteilproben im Prüflabor zerstörend bestimmt werden. Die Lage der punktuellen Bauteilöffnungen kann mittels zerstörungsfreien Messungen optimiert werden. Literatur Hasenstab, A. et al.: Zerstörungsfreie Prüfung in der Baudenkmalpflege. Teil 1: Theoretische Grundlagen. Restauro 1/ 2011, S. 33-39. Hasenstab, A., Jost, G., Taffe, A., Wiggenhauser, H.: Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen - angewandte Forschung und Praxis. Tagungsband der DGzfP- Jahrestagung 2008, St. Gallen, 28.04.-30.04.2008. Walter, A. und A. Hasenstab: Zerstörungsfreie Prüfverfahren zur Bestimmung von Materialparametern im Stahl- und Spannbetonbau in: Fouad N. (Hrsg.); Bauphysik-Kalender 2012, Berlin: Ernst und Sohn (2012). Patitz, G: Einsatzmöglichkeiten des Radarverfahrens bei der Bewertung von Mauerwerk In: BAUSUBS- TANZ Thema Band 3/ 2023 Mauerwerk aus künstlichen Steinen Fraunhofer IRB Verlag. Patitz, G: Injektionskontrolle mit Bauradar am Natursteinmauerwerk einer Eisenbahnbrücke.In: BAU- SUBSTANZ 3/ 2020 Fraunhofer IRB Verlag, Seite-57-62. www.zfp-hasenstab.de -> Verfahren