eJournals Kolloquium Erhaltung von Bauwerken 7/1

Kolloquium Erhaltung von Bauwerken
kevb
expert Verlag Tübingen
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2021
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Langzeituntersuchungen zu thermischen und hygrischen Verhältnissen im Baumberger Sandstein im Südturm des Münsteraner Paulus-Doms

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2021
Jörg Harnisch
Der Baumberger Sandstein ist ein im Münsterland häufig anzutreffender Naturwerkstein, welcher in der Vergangenheit aufgrund seiner guten Bearbeitbarkeit häufig verbaut wurde. Aufgrund seiner beschränkten Witterungsbeständigkeit wird er heutzutage jedoch kaum noch planmäßig für Außenbauteile eingesetzt. Im Denkmalschutz jedoch kommt diese Gesteinsart jedoch noch häufig zum Einsatz. So auch im Südturm des Münsteraner Paulus Doms, welcher in den Jahren 2002 – 2004 umfassend restauriert wurde. Hierbei fand in stark geschädigten Bereichen der Austausch ganzer Mauersteine statt, welche basierend auf umfangreiche Voruntersuchungen ausgewählt wurden. Um die thermischen und hygrischen Belastungen dieser Steine im Nachgang der Restaurierung erfassen zu können, wurden ausgewählte Werksteine mit Multiring-Sensoren sowie Temperatursensoren ausgestattet, welche seit nun rd. 14 Jahren tiefengstaffelte Daten über den elektrischen Widerstand als auch Temperaturen liefern. Diese werden im Rahmen dieses Beitrages ausgewertet und interpretiert. Dabei zeigt sich, dass es aufgrund des individuellen Zusammenspiels von Sonneneinstrahlung, Lufttemperatur, Windrichtung und Beregnung innerhalb eines Jahres zu großen Messwertunterschieden zwischen den Sensorpositionen kommt. Aber auch für die individuelle Sensorposition werden starke Messwertschwankungen über die Jahre hinweg beobachtet. In Bezug auf den elektrischen Widerstand und damit dem Wassergehalt der Steine, kann eine aktive Randzone von rd. 3 cm ermittelt werden, die stark auf Bewitterungsereignisse reagiert. Für die Sommermonate im Messezeitraum kann ein genereller Anstieg der Widerstände und damit eine Austrocknung der Steine an den südlichen und südwestlichen Fassadenausrichtungen festgestellt werden, was auf die zunehmend sonnenreichen und trockenen Sommer zurückgeführt wird. Aufgrund der spezifischen Verhältnisse am Turm können sich in den Sommermonaten im Südwesten die stärksten Wassergehaltsgradienten ausbilden. Anhand von rechnerischen Abschätzungen kann gezeigt werden, dass diese das Potential besitzen den Stein über die Zeit zu schädigen. In den Wintermonaten dagegen vergleichmäßigt sich der Wassergehalt über die Steintiefe und fällt für alle Sensorpositionen vergleichbar aus. Die Analyse der thermischen Verhältnisse zeigt, dass sich im Südwesten des Turmes die größten Temperaturunterschiede einstellen. So müssen die Werksteine im Tagesgang Temperaturdifferenzen von bis zu 20 K, im Monatsgang von bis zu 35 K und über den gesamten Messzeitraum von 65 K ertragen. Anhand der tiefengestaffelten Temperaturwerte kann jedoch gezeigt werden, dass aus der Temperaturbeanspruchung alleine kein ausgeprägtes Schädigungspotential zu erwarten ist, sie jedoch die hygrisch induzierten Zwangsspannungen intensivieren kann.
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7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 79 Langzeituntersuchungen zu thermischen und hygrischen Verhältnissen im Baumberger Sandstein im Südturm des Münsteraner Paulus-Doms Jörg Harnisch FH Münster, Münster, Deutschland Zusammenfassung Der Baumberger Sandstein ist ein im Münsterland häufig anzutreffender Naturwerkstein, welcher in der Vergangenheit aufgrund seiner guten Bearbeitbarkeit häufig verbaut wurde. Aufgrund seiner beschränkten Witterungsbeständigkeit wird er heutzutage jedoch kaum noch planmäßig für Außenbauteile eingesetzt. Im Denkmalschutz jedoch kommt diese Gesteinsart jedoch noch häufig zum Einsatz. So auch im Südturm des Münsteraner Paulus Doms, welcher in den Jahren 2002 - 2004 umfassend restauriert wurde. Hierbei fand in stark geschädigten Bereichen der Austausch ganzer Mauersteine statt, welche basierend auf umfangreiche Voruntersuchungen ausgewählt wurden. Um die thermischen und hygrischen Belastungen dieser Steine im Nachgang der Restaurierung erfassen zu können, wurden ausgewählte Werksteine mit Multiring-Sensoren sowie Temperatursensoren ausgestattet, welche seit nun rd. 14 Jahren tiefengstaffelte Daten über den elektrischen Widerstand als auch Temperaturen liefern. Diese werden im Rahmen dieses Beitrages ausgewertet und interpretiert. Dabei zeigt sich, dass es aufgrund des individuellen Zusammenspiels von Sonneneinstrahlung, Lufttemperatur, Windrichtung und Beregnung innerhalb eines Jahres zu großen Messwertunterschieden zwischen den Sensorpositionen kommt. Aber auch für die individuelle Sensorposition werden starke Messwertschwankungen über die Jahre hinweg beobachtet. In Bezug auf den elektrischen Widerstand und damit dem Wassergehalt der Steine, kann eine aktive Randzone von rd. 3 cm ermittelt werden, die stark auf Bewitterungsereignisse reagiert. Für die Sommermonate im Messezeitraum kann ein genereller Anstieg der Widerstände und damit eine Austrocknung der Steine an den südlichen und südwestlichen Fassadenausrichtungen festgestellt werden, was auf die zunehmend sonnenreichen und trockenen Sommer zurückgeführt wird. Aufgrund der spezifischen Verhältnisse am Turm können sich in den Sommermonaten im Südwesten die stärksten Wassergehaltsgradienten ausbilden. Anhand von rechnerischen Abschätzungen kann gezeigt werden, dass diese das Potential besitzen den Stein über die Zeit zu schädigen. In den Wintermonaten dagegen vergleichmäßigt sich der Wassergehalt über die Steintiefe und fällt für alle Sensorpositionen vergleichbar aus. Die Analyse der thermischen Verhältnisse zeigt, dass sich im Südwesten des Turmes die größten Temperaturunterschiede einstellen. So müssen die Werksteine im Tagesgang Temperaturdifferenzen von bis zu 20 K, im Monatsgang von bis zu 35 K und über den gesamten Messzeitraum von 65 K ertragen. Anhand der tiefengestaffelten Temperaturwerte kann jedoch gezeigt werden, dass aus der Temperaturbeanspruchung alleine kein ausgeprägtes Schädigungspotential zu erwarten ist, sie jedoch die hygrisch induzierten Zwangsspannungen intensivieren kann. 1. Einleitung Der heutige Paulus-Dom zu Münster wurde in den Jahren 1225 bis 1264 errichtet und besteht im Wesentlichen aus dem romanischen Westwerk und einer Reihe von Anbauten, von denen bedeutende Teile der Gotik zuzuordnen sind. Im zweiten Weltkrieg wurde der Dom stark beschädigt. Das Westportal sowie der Südturm wurden dabei völlig zerstört. Während das Westportal nicht wiederhergestellt wurde, wurden die beiden prägnanten Türme des Doms wieder vollständig rekonstruiert. Verwendet wurden hierzu vor allem Baumberger (Kalk-)Sandsteine sowie Altenberger Schalenkalke. Beide Gesteine gelten als gut bearbeitbar, sind jedoch aufgrund ihres hohen Kalkanteils verwitterungsanfällig. Nach ca. 40 Jahren Standzeit machten herabfallende Steinverwitterungsstücke deutlich, dass eine erneute Restaurierung der Natursteinfassade aus Sicherheitsgründen unumgänglich war. Bei den Restaurierungsarbeiten ab 2002 wurde ersichtlich, dass es an den Turmfassaden zu großflächigen Verwitterungsschäden, aber auch zu lokal ausgeprägten Verwitterungen einzelner Steine gekommen war. Letztere wurden vollständig durch neue Steine 80 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Langzeituntersuchungen zu thermischen und hygrischen Verhältnissen im Baumberger Sandstein im Südturm des Münsteraner Paulus-Doms ersetzt. In Voruntersuchungen durch ein An-Institut der FH Münster wurde festgestellt, dass hygrische und thermische Verformungskenngrößen einen Steinersatz durch Baumberger Sandstein zulassen, vgl. Tabelle 1. Nach Vollendung der steinmetzmäßigen Fassadenrestaurierung wurde bewusst auf weitere Schutzmaßnahmen verzichtet, um die typische Optik der Fassaden zu erhalten. Da der verwendete Baumberger Sandstein aus den Werken Dirks und Fark aus Havixbeck und Billerbeck ebenfalls als verwitterungsanfällig gilt, wurden 2004 in Kooperation mit der FH Münster am Südturm des Doms ausgewählte Werksteine vor dem Einbau mit Temperatur- und Widerstandssensoren instrumentiert, um Informationen über die hygrischen und thermischen Verhältnisse in den Fassadensteinen zu erhalten. Thermische und hygrische Verformungsunterschiede über den Steinquerschnitt und die damit verbundenen Zwangsspannungen werden als maßgeblich für die graduelle Zerstörung des Natursteingefüges angesehen. Insbesondere für die Entwicklung zukünftiger Instandhaltungskonzepte spielen thermische und hygrische Informationen eine bedeutende Rolle, um technisch sinnvolle Materialentscheidungen (Steinersatz oder Oberflächenbehandlungen) treffen zu können. Vor diesem Hintergrund besteht die Zielsetzung der hier vorgestellten Langzeitstudie darin, die hygrischen und thermischen Verhältnisse im Baumberger Sandstein exponierter Fassadenabschnitte des Südturmes sowohl bei Kurzzeitereignissen, als auch über Jahre hinweg zu erfassen und in Hinblick auf ein mögliches Schädigungspotential für die Instandsetzungsbereiche zu bewerten. Hierzu liegen nun Daten vor, die einen Zeitraum von rd. 14 Jahren abdecken. 2. Materialien und Messtechnik 2.1 Allgemeines Um die angestrebten Messgrößen zu erfassen, wurde auf bewährte Technik zurückgegriffen, die am Institut für Bauforschung der RWTH Aachen, ibac, für den Stahlbetonbereich entwickelt wurde [1]. Diese musste für das vorliegende Projekt auf den Einsatz im Baumberger Sandstein angepasst werden. Nachfolgend wird auf den zu untersuchenden Naturstein und auf die verwendete Messtechnik näher eingegangen. 2.2 Der Baumberger Sandstein Der Baumberger Sandstein ist streng genommen kein Sandstein, sondern vielmehr ein sandhaltiger Kalkstein oder Kalksandstein. Als marine Ablagerung in der Oberkreide entstanden, weist er Kalziumkarbonatgehalte zwischen 50 und 70 M.-% bei Quarzsandgehalten von rd. 16 M.-% auf und gilt geologisch gesehen als junges Sedimentgestein. Aufgrund seiner Verfügbarkeit und guten Abbaubarkeit ist der Baumberger Sandstein ein oft anzutreffender Werkstein im Münsterland, welcher insbesondere durch die Werke des Baumeisters und Architekten Johann Conrad Schlaun in Szene gesetzt wurde. Grundlegende Kennwerte des Natursteins sind in Tabelle 1 zusammengestellt und beruhen auf eigenen Messungen sowie Literaturdaten [2]. Als nachteilig zu bezeichnen ist die mäßige Verwitterungsbeständigkeit des Gesteins [3]. Aus diesem Grunde wird der Baumberger Sandstein heute vornehmlich im Innenbereich eingesetzt. Bei der Restauration von Baudenkmälern, wie hier am Südturm des Paulus-Doms zu Münster, findet er jedoch auch heute noch Anwendung im Außenbereich. Tabelle 1: Kenngrößen des Baumberger Sandsteins Eigenschaft Einheit Wert 1 2 3 Farbe gelblich-braun bis grau Wasseraufnahme, atmosphärisch M.-% rd. 8 Wasseraufnahme unter Druck M.-% rd. 9 Sättigungsgrad rd. 0,8 Quellmaß ‰ 0,37 - 0,78* Schwindmaß ‰ 0,30 - 0,64* Druckfestigkeit N/ mm² 36,7 - 84,1* Biegezugfestigkeit N/ mm² 5,4 - 14,9* Dynamischer E-Modul (trocken) N/ mm² 15.900 - 23.600* Reindichte kg/ dm³ rd. 2,70 Rohdichte kg/ dm³ rd. 2,18 Porosität Vol.-% rd. 23 Temperatur-ausdehnungskoeffizient 1/ K*10-6 4,8 - 9,0* *Eigene Messungen 2.3 Messsystem Sensoren und Positionierung im Werkstein Zur Erfassung von Temperaturen und Widerstandswerten über die Steintiefe wurden so genannte Multitemperatur- Sensoren (MTS) sowie Multiring-Elektroden (MRE) eingesetzt, welche in den 1990er Jahren am ibac für den Stahlbetonbereich entwickelt wurden [1]. Während die MRE in Ihrer Standardversion mit fixen Messstellenabständen von 5 mm verbaut wurde, vgl. Bild 1, links, wurde der Sensor für die Temperaturerfassung mit variierenden Messstellenabständen zwischen 5 und 20 mm ausgestattet, vgl. Bild 1, rechts. 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 81 Langzeituntersuchungen zu thermischen und hygrischen Verhältnissen im Baumberger Sandstein im Südturm des Münsteraner Paulus-Doms Bild 1: Multiring Elektrode (links) und Multitemperatur- Sensor mit variierenden Messpunktabständen (rechts) Während bei der MRE der elektrische Widerstand im angrenzenden Werkstoff zwischen zwei benachbarten Ringen erfasst wird [4], finden im MTS Platintemperaturelemente Verwendung, welche bei 0 °C einen elektrischen Widerstand von 1000 Ω aufweisen. Aufgrund der bekannten Beziehung zwischen Temperatur und elektrischem Widerstand dieser Elemente kann auf die tiefengestaffelte Temperaturverteilung im Werkstein geschlossen werden. Da aufgrund der starken Verwitterungsschäden der Austausch ganzer Fassadensteine notwendig war, ergab sich die Möglichkeit, ausgesuchte Steine vor dem Einbau mit der entsprechenden Messsensorik zu bestücken. Die hierzu notwendige Einbautechnik wurde im Jahr 2002 im Rahmen einer Diplomarbeit an der FH Münster entwickelt [5]. Bei der Positionierung im Werkstein der Fassade musste ein Kompromiss zwischen Oberflächennähe und technischer Umsetzbarkeit gefunden werden. Nach Vorversuchen wurde ein Sensorabstand von 1,3 cm von der bewitterten Außenseite des Werksteins als zielführend identifiziert. Daraus ergeben sich für die Lage der Messstellen an den Sensoren die in Bild 2 gezeigten Abstände von der Werksteinoberfläche. Bild 2: Positionierung der Sensoren und Lage der Messpunkte im Werkstein Die Anordnung der Sensoren macht deutlich, dass über die MRE hygrische Vorgänge bis in eine Tiefe von rd. 5 cm, thermische Kennwerte über die MTS bis in eine Tiefe von rd. 10 cm erfasst werden können. Messanlage im Südturm Das Klima in Münster ist von atlantischen Einflüssen geprägt, was eine generelle Südwestbis Westwindlage mit eher milden, regenreichen Wintern und mäßig warmen Sommern mit sich bringt. Um diesem Sachverhalt Rechnung zu tragen, wurden insgesamt 6 Sensoren, 4 MRE und 2 MTS, an der südwestlichen und nordwestlichen Ecke des Turmes auf der Höhe des Glockenstuhls in rd. 30 m Höhe positioniert, vgl. Bild 3. Bild 3: Der Südturm während der Restaurationsarbeiten, Westansicht (links), Lage der Sensoren in der Aufsicht (rechts); Quelle Müller-Rochholz [6] Die im Jahre 2004 eingebaute Messanlage wurde ebenfalls am ibac entwickelt. Über drei Schnittstellenwandler werden seit nunmehr 14 Jahren die analogen Messdaten der eingebauten Sensoren erfasst, digitalisiert und über einen Multiplexer via serielle Schnittstelle an einen im Glockenturm installierten Rechner übertragen. Bild 4, oben zeigt zwei Schnittstellenwandler und den Multiplexer an Ihrem Aufstellungsort im Glockenstuhl des Südturms. Die Messkette vom Sensor zum Messwert ist in Bild 4, unten dargestellt. Bild 4: Datenerfassung Südturm mittels Schnittstellenwandler und Multiplexer aus dem Jahre 2004 (oben) und Messkette (unten); Quelle: Dorgeloh [7] 82 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Langzeituntersuchungen zu thermischen und hygrischen Verhältnissen im Baumberger Sandstein im Südturm des Münsteraner Paulus-Doms 3. Ausgewählte Messergebnisse und Interpretation 3.1 Hygrische Verhältnisse Kurzfristige Ereignisse Die Auswertung von Wetterdaten über den gesamten Messzeitraum bestätigt die atlantisch geprägte Wetterlage in Münster. So erkennt man, dass nahezu 50 % der beobachteten Regenereignisse bei südwestlichen Winden stattgefunden haben, vgl. Bild 5. Die Dominanz lag hierbei bei den westlich geprägten Windrichtungen im Bereich zwischen 220° bis 270°. Bei Winden aus nordwestlichen Richtungen regnete es immerhin noch in 37 % der Fälle. Hierbei ist anzumerken, dass hier vornehmlich die westlich geprägten Windrichtungen im Bereich zwischen 270° und 300° dominiert haben. Bild 5: Anzahl der Regenereignisse mit einer Niederschlagsmenge von mehr als 2 mm und die dazugehörige Verteilung der Windrichtung im gesamten Messzeitraum Für den Südturm bedeutet dies, dass die Steine der Westfassade am häufigsten von Regenereignissen betroffen sind. Da jede Beregnung mit Quell- und Schwindvorgängen in der Randzone der Werksteine einhergeht, ist die Belastung durch Quell- und Schwindspannungen demnach hier am größten. Was passiert nun im Werkstein, wenn eine Fassade intensiv beregnet wird? Dies wird anhand der nachstehend aufgeführten Auswertungen deutlich, welche die gemessenen Widerstände der MRE 3 (SW) bei einem Regenereignis nach einer längeren Trockenperiode bei westlichem Wind zeigt, vgl. Bild 6, oben und unten. Bild 6: Geschwindigkeit von Befeuchtung und Austrocknung (oben) sowie Ausbildung von Feuchtegradienten (unten) am Beispiel des Sensors MRE 3 bei einem singulären Niederschlagsereignis bei Westwind am 16. Juni 2017 Bei der Messung elektrischer Widerstände von kapillarporösen Baustoffen wird ausgenutzt, dass dieser stark mit dem vorliegenden Wassergehalt korreliert [8]. Weiterhin wird der Widerstand stark von der Temperatur beeinflusst, was durch eine Kompensation mit Hilfe eines Arrhenius-Ansatzes geschehen ist [9]. Aus Bild 6, oben wird deutlich, dass die Widerstände in 18 und 23 mm Tiefe mit Eintritt des Regenereignisses rasch und signifikant abfallen und das Niveau der Tiefenlage 53 mm erreichen. Dieser Vorgang nimmt einen Zeitraum von nur wenigen Minuten in Anspruch. Da davon auszugehen ist, dass die Werksteinaußenseite bei diesem Vorgang vollständig wassergesättigt wurde, kann anhand der Widerstandswerte geschlossen werden, dass der Stein zu diesem Zeitpunkt in der Tiefe von 53 mm sehr hohe Wassergehalte nahe der Sättigung aufgewiesen hat. Nach diesem Regenereignis folgte wieder eine längere Phase ohne Niederschlag und sommerlichen Temperaturen, die zur Austrocknung der Randzone führte. In diesem Fall wurden in 18 mm Tiefe nach rd. 7 Tagen wieder Widerstandswerte gemessen, die auch vor dem Regenereignis vorlagen. D.h. nach rd. einer Woche ist die Randzone wieder ausgetrocknet. Aufgrund der hohen Wassergehalte im Steininneren liegt vor dem Regenereignis ein starker Feuchtegradient zwischen 18 mm und 33 mm vor, welcher sich nach etwa einer Woche wieder ausbildet. Da der Stein vollständig 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 83 Langzeituntersuchungen zu thermischen und hygrischen Verhältnissen im Baumberger Sandstein im Südturm des Münsteraner Paulus-Doms wassergesättigt eingebaut wurde, sorgt insbesondere das Austrocknen der Randzone bei hohen Wassergehalten im Inneren für Schwindzugspannungen. Unter der Annahme, dass der wasserreiche Kernbereich das Zusammenziehen der austrocknenden Randzone völlig behindert, lassen sich mit Hilfe der Kennwerte aus Tabelle 1 Schwindzugspannungen zwischen 2,4 N/ mm² und 7,5 N/ mm² für den verbauten Baumberger Sandstein berechnen. Hierbei wurde angenommen, dass der statische E-Modul etwa die Hälfte des ermittelten dynamischen E-Moduls beträgt. Anhand der gemessenen Biegezugfestigkeiten lassen sich weiterhin zentrische Zugfestigkeiten im Bereich zwischen 2,5 N/ mm² und 7,5 N/ mm² ableiten, wenn man davon ausgeht, dass die Biegezugfestigkeit in etwa dem Doppelten der zentrischen Zugsfestigkeit entspricht. Auch wenn es im Messzeitraum nicht zu sichtbaren Veränderungen an der Fassade gekommen ist, so zeigt der Vergleich dennoch, dass aufgrund der hygrischen Verhältnisse Zwangsspannungen im Stein erzeugt werden können, die in den Bereich der Zugfestigkeit des Werksteins ragen. Langfristige Ereignisse Aus Gründen der Übersichtlichkeit, werden im Folgenden Mittelwerte gemessener Widerstände aus den Sommermonaten Juni bis August sowie den Wintermonaten Dezember bis Februar gezeigt und diskutiert. Hierbei werden lediglich die Tiefenlagen 18 und 53 mm betrachtet. Bild 7 zeigt die derart ausgewerteten Ergebnisse für die Sommermonate. Bild 7: Mittlere Widerstände in den Sommermonaten (Juni - August) an den Sensoren MRE1 bis MRE4 von 2004 bis 2018 Der Sensor an der der nordwestlichen Fassade zeigt im Jahresdurchschnitt in den Sommermonaten die geringsten Widerstände in der Werksteinoberfläche, der Sensor im Süden die höchsten. Hieraus wird geschlossen, dass vor allem die intensive Sonneneinstrahlung in Kombination mit mäßiger Beregnung bei der Südfassade für eine schnelle und effektive Austrocknung der Oberflächen sorgt, während im Nordwesten eine intensive Beregnung gepaart mit einer geringeren Sonneneinstrahlung für die deutlich höheren Wassergehalte verantwortlich ist. Die Widerstände in 53 mm Steintiefe zeigen, dass die Austrocknung der Fassade bis in größere Tiefen vor allem im sonnenreichen Süden messbar ist. Die häufig beregneten Messstellen in der Westfassade lassen sich in dieser Steintiefe nicht voneinander unterscheiden. Aus dem Vergleich der Steintiefen ergibt sich für den Werkstein an der Südwestfassade im Sommer der größte Feuchtgradient und damit das größte hygrische Stresspotential. Bemerkenswert ist weiter, dass der Sensor im Norden aufgrund der geringen Beregnung in beiden Tiefenlagen höhere Widerstandswerte liefert als der direkt benachbarte Sensor im Nordwesten. Trotz der jährlich sehr individuellen Widerstandsverläufe kann in 18 mm Tiefe für die westlich und südlich orientierten Sensorpositionen ein Trend hin zu allgemein höheren Widerständen und damit geringeren Wassergehalten festgestellt werden. In 53 mm Tiefe kann dies nur für den südlich orientierten Sensor gesagt werden. Die Wintermonate zeigen gänzlich andere hygrische Verhältnisse, wie anhand von Bild 8 deutlich wird. Bild 8: Mittlere Widerstände in den Wintermonaten (Dezember - Februar) an den Sensoren MRE1 bis MRE4 von 2004 bis 2018 84 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Langzeituntersuchungen zu thermischen und hygrischen Verhältnissen im Baumberger Sandstein im Südturm des Münsteraner Paulus-Doms Schon der Blick auf die gewählte Widerstandsskalierung der Diagramme verrät das insgesamt deutlich niedrigere Widerstandsniveau von zumeist weniger als 40 kΩm in den Wintermonaten. Aufgrund der häufigeren Niederschläge, der geringeren Temperaturen sowie der fehlenden Sonneneinstrahlung reichern sich die Werksteine in dieser Jahreszeit mit Wasser an. Über alle Jahre hinweg betrachtet erscheint der Werkstein an der nordwestlichen Ecke des Südturms in 18 mm Tiefe im Winter den höchsten Wassergehalt aufzuweisen, gefolgt vom Südwesten und Norden. In 53 mm Tiefe ergeben sich im Mittel für den südwestlichen Stein die geringsten Widerstände, dicht gefolgt vom Nordwesten. Norden und Süden weisen in beiden Tiefenlagen die höchsten Widerstände auf, wobei die Unterschiede insgesamt als sehr gering zu bezeichnen sind. Interessant im Vergleich zu den Sommermonaten ist die südwestliche Messstelle, welche im Winter einen sehr geringen Feuchtegradienten über die Steintiefe aufweist, während hier im Sommer die größten Unterschiede zwischen den Tiefenlagen 18 und 53 mm festgestellt werden konnten. Im Gegensatz zu den Ergebnissen aus den Sommermonaten ist festzustellen, dass für die Wintermonate kein Trend zu höheren oder geringeren Widerstandsniveaus festgestellt werden kann. Die große Volatilität der mittleren Werte unterstreicht einmal mehr die sehr individuelle Ausbildung des Wassergehaltes in den Werksteinen in Abhängigkeit der Ausrichtung und des jährlichen Wettergeschehens. In Hinblick auf das Schädigungspotential wird festgehalten, dass dieses aufgrund der fehlenden oder deutlich geringeren Feuchtegradienten über die Steintiefe einerseits geringer wird, andererseits jedoch zu beachten ist, dass bei einer deutlich höheren Wassersättigung der Steine und möglichen Minustemperaturen die Gefahr von Frostschäden im Winter natürlich steigt. 3.2 Thermische Verhältnisse Wie anhand Bild 3 deutlich wird, sind in der Messanlage nur 2 MTS verbaut, was auf der Tatsache beruht, dass für die südlich und südwestlich ausgerichtete Fassade die größten thermischen Einwirkungen zu erwarten sind. Nachfolgend soll in Analogie zu den Widerstandsmessungen auf kurzfristige und langfristige Ereignisse näher eingegangen werden. Kurzfristige Ereignisse Um einen Eindruck darüber zu gewinnen, welche thermischen Verhältnisse sich über die Tiefe des Baumberger Sandsteins einstellen, ist in dieser Kurzfristbetrachtung der Oktober 2018 gewählt worden, da dieser ausgeprägte Temperaturtagesgänge und eine große Monatstemperaturspanne aufweist, vgl. Bild 9. Zu sehen sind die Messwerte aus 18 und 98 mm Steintiefe an der Südwestfassade. Bild 9: Exemplarischer Verlauf der gemessenen Temperatur an den Messstellen 18 und 98 mm des Sensors MTS1 an der Südwestfassade des Südturms, Oktober 2018, aus [10] Die Auswertung zeigt deutlich, dass es zwischen den gemessenen Temperaturen in 18 mm und 98 mm Tiefe keine großen Unterschiede gibt. So werden maximale Differenzen von rd. 2 K zwischen den beiden Messtiefen festgestellt, wobei Maxima und Minima an der Oberfläche erwartungsgemäß stärker ausgeprägt sind. Weiterhin kann keine nennenswerte zeitliche Verzögerung der Maxima und Minima zwischen den Messstellen erkannt werden. Beide Phänomene sprechen für eine gute Wärmeleitfähigkeit des Steins, so dass die Gefahr der Ausbildung starker Temperaturgradienten innerhalb der äußeren 10 cm nicht gegeben ist. Damit ist hier auch die Gefahr der Ausbildung von hohen, temperaturbedingten inneren Zwangsspannungen als gering einzustufen. Im Tagesgang werden im Beispiel an der Steinoberfläche Temperaturunterschiede von bis zu 16 K registriert, was in häufiger Wiederholung als thermischer Stress für den Werkstein angesehen werden muss. Über den betrachteten Monat kann eine Spanne von 33 K an der Oberfläche gemessen werden. In Hinblick auf die gezeigten Wechselbeanspruchungen sind die Übergangsmonate März bis Mai sowie September bis November hervorzuheben. Mittelbis langfristige Ereignisse Der bereits bei Kurzzeitbetrachtungen festgestellte, geringe Unterschied zwischen den Temperaturen in 18 und 98 mm Tiefe bestätigt sich auch im Jahresgang, vgl. Bild 10 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 85 Langzeituntersuchungen zu thermischen und hygrischen Verhältnissen im Baumberger Sandstein im Südturm des Münsteraner Paulus-Doms Bild 10: Temperaturverläufe in den Tiefenlagen 18 mm und 98 mm an der Südwestfassade im Jahr 2017 Im vorliegenden Jahr werden Ende Mai mit 46,5 °C die höchsten Oberflächentemperaturen erreicht, Anfang Januar mit -6,5 °C die geringsten. Somit ergibt sich im vorliegenden Betrachtungszeitraum eine maximale Temperaturspanne von 53 K für die Fassadenoberfläche. Betrachtet man die ermittelten Werte für die Messstellen MTS 1 (SW) und MTS2 (S) in einer Steintiefe von 18 mm über den gesamten Messzeitraum so ergibt sich die in Bild 11 dargestellte Situation. Die Lücken im Messwertverlauf lassen sich auf die Deaktivierung der Anlage im Zuge von Instandsetzungsarbeiten am Glockenstuhl sowie unentdeckte Messanlagenausfälle zurückführen. Aus den vorliegenden Messwerten lassen sich Temperaturmaxima von rd. 52°C und -minima bis -12 °C lesen, was eine maximal mögliche Spanne von rd. 64 K für die Fassadenwerksteine bedeutet. Die höheren Temperaturmaxima in 2015 und 2018 deuten auf ein Ansteigen der sommerlichen Wärmebelastung hin, was als Hinweis auf die Auswirkungen des Klimawandels in Münster gewertet wird und sich gut mit dem Trend zu geringeren Wassergehalten in den Sommermonaten deckt, vgl. Bild 7. Bild 11: Temperaturverlauf über den gesamten Beobachtungszeitraum in den Tiefenlagen 18 mm an Südwest- und Südfassade des Turmes In Hinblick auf temperaturbedingte, äußere Zwangsspannungen (Mauerwerksverband) lässt sich vor dem Hintergrund des Steineinbaus im Oktober bei rd. 15 °C eine maximale zugspannungserzeugende Temperaturdifferenz von rd. 27 K anhand der Messwerte ermitteln. Unter der Annahme der völligen Dehnungsbehinderung sowie den Kennwerten aus Tabelle 1 können damit theoretisch mögliche Zugspannungen zwischen 1,0 und 2,9 N/ mm² berechnet werden. Letztere liegt im unteren Bereich der festgestellten zentrischen Zugfestigkeit der verbauten Steine, wenn davon ausgegangen wird, dass diese in etwa der Hälfte der Biegezugfestigkeit entspricht. Es ist jedoch davon auszugehen, dass diese theoretischen Werte am Bauwerk nicht erreicht werden, da Steinverformungen von den eingesetzten Mörteln zugelassen werden. Der visuell feststellbare Zustand der Fassade untermauert diese These. Dennoch zeigen die Messungen, dass es vor allem im Süden und Südwesten wiederkehrend zu Temperaturbelastungen kommt, die aufgrund ihrer Häufigkeit ein Schädigungspotential für das Gefüge von Stein und Mörtel aufweisen. Zudem können hierdurch induzierte Zugspannungen im ungünstigen Fall Zugspannungen aus den hygrischen Verhältnissen überlagern und diese verstärken. 4. Schlussfolgerungen und Ausblick Anhand von Widerstands- und Temperaturmessungen wurden in diesem Beitrag Rückschlüsse auf die hygrischen und thermischen Verhältnisse im Baumberger Sandstein des Südturmes des Paulus-Doms zu Münster über einen Zeitraum von rd. 14 Jahren gezogen. Die wichtigsten Schlussfolgerungen lassen sich wie folgt zusammenfassen: • Anhand der Widerstandsmessungen kann eine „aktive“ äußere Zone der Werksteine von rd. 30 mm ausgemacht werden, deren Wassergehalt von kurzfristigen Wetterereignissen beeinflusst wird. • Während die Auffeuchtung dieser Randzone bei einem Regenereignis innerhalb weniger Minuten erfolgt, dauert das Austrocknen im günstigsten Fall rd. eine Woche. • Die Betrachtung von mittelfristigen und langfristigen Widerstandsverläufen zeigt, dass der Wassergehalt der Steine eine individuelle Funktion von Beregnung, Sonnenbestrahlung und Windrichtung ist und somit für jedes Jahr anders ausfällt. Folgende Grundsätzlichkeiten lassen sich dennoch ableiten: - Die Fassadenoberfläche wird im Sommer im Süden und Südwesten am trockensten. Hierbei wird über die Jahre ein Trend zu höheren mittleren Widerständen festgestellt, die als Resultat der wärmer und trockener werdenden Sommer zu deuten sind. 86 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Langzeituntersuchungen zu thermischen und hygrischen Verhältnissen im Baumberger Sandstein im Südturm des Münsteraner Paulus-Doms - Eine deutliche Austrocknung bis in eine Steintiefe von 5 cm kann im Sommer nur an der Südfassade festgestellt werden. Bei westlichen (viel Regen) und nördlichen (wenig direkte Sonnenstrahlung) Ausrichtungen sind die Widerstandswerte auf vergleichbar niedrigem Niveau. - Der stärkste Wassergehaltsgradient über eine Steintiefe von 5 cm wird damit für die südwestlich ausgerichteten Fassadensteine identifiziert. - In den Wintermonaten gleichen sich die Wassergehalte über die Steintiefe sowie die Fassadenausrichtungen an. • Theoretische Berechnungen zu maximalen Schwindspannungen zeigen, dass diese unter den getroffenen Annahmen das Potential besitzen das Steingefüge über die Jahre zu schädigen. Derzeit liegen jedoch keine sichtbaren Schäden vor. • Die Temperaturbeobachtungen zeigen keine ausgeprägten Temperaturgradienten in den ersten 10 cm der Werksteine, was für eine gute Wärmeleitfähigkeit spricht. Innere thermische Zwangsspannungen sind daher nicht zu erwarten. • Kurz-, mittel-, und langfristige Temperaturauswertungen zeigen, dass: - die höchsten (rd. 52 °C) und niedrigsten (rd. -12 °C) Temperaturen an der südwestlich ausgerichteten Fassade erreicht werden, - die Messwertvolatilität an der Südwestfassade höher ist als an der Südfassade, - es im Tagesgang im Stein zu Temperaturdifferenzen von bis zu 20 K kommen kann, - im Monatsgang Temperaturdifferenzen von bis zu 35 K möglich sind, - und im Messzeitraum eine maximale Temperaturdifferenz von 65 K festgestellt werden kann. • Theoretische Berechnungen zu möglichen thermischen Zugspannung aufgrund äußeren Zwangs ergeben für die gewählten Randbedingungen, dass keine akute Schädigungsgefahr aus der Temperaturbeanspruchung alleine besteht. In ungünstigen Fällen können sich jedoch die Zugspannungen aus hygrischen und thermischen Belastungen überlagern und sich damit verstärken. Um die Auswirkungen der hygrischen und thermischen Vorgänge auf die Dauerhaftigkeit in den Fassadenwerksteinen des Paulus-Doms zukünftig präziser einschätzen zu können, werden folgende Maßnahmen als zielführend erachtet: • Fortsetzung der laufenden Messungen • Um Berechnungen zu potentiell schädlichen Spannungen in den Werksteinen in ihrer Aussage zu präzisieren, sollten: • die zentrische Zugfestigkeit des Natursteins in Abhängigkeit des Wassergehaltes • der statische E-Modul in Abhängigkeit des Wassergehaltes • sowie die Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Baumberger Sandsteins • ermittelt werden • In Abstimmung mit der Domverwaltung wird angestrebt, ergänzende visuelle Untersuchungen der Fassadenoberfläche mit der nunmehr zur Verfügung stehenden Drohnentechnologie durchzuführen, um zukünftig den Zusammenhang zwischen ggf. auftretenden strukturellen Schädigungen der Werksteinoberflächen und den Sensordaten zu erforschen 5. Danksagung An dieser Stelle sei zuallererst meinem Vorgänger an der FH Münster, Prof. Dr.-Ing. Jochen Müller-Rochholz, für die Initiierung des Projektes gedankt, ohne die diese Studie nicht möglich gewesen wäre. Weiterhin möchte ich folgenden Mitarbeitern und Studierenden des Diplom-, Bachelor- und Masterstudiengangs der FH Münster für die geleisteten Arbeiten an den vielen Teilaspekten dieses Projektes danken: - Herr Ingo Fenneker - Herr Dipl.-Ing (FH) Stephan Westhus - Herr Marius Dorgeloh, M.Sc. - Herr Jan Suhrheinrich, M.Sc. - Frau Judith Zweipfennig, M.Sc. Nicht zuletzt sei der Bauabteilung des Bischöflichen Generalvikariats des Bistums Münster für die freundliche Unterstützung bei der Durchführung des Projektes herzlich gedankt. 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 87 Langzeituntersuchungen zu thermischen und hygrischen Verhältnissen im Baumberger Sandstein im Südturm des Münsteraner Paulus-Doms 5. Literatur [1] Breit, W.: Bauwerküberwachung mit Hilfe von nachträglich installierten Feuchtesensoren (Multi- Ring-Elektroden). In: ibac Kurzberichte 7 (1994), Nr. 49 [2] Datenblatt „Merkmale des Baumberger Kalksandsteins“ der Bernd Dirks GmbH [3] Grimm, W.-D.; Petzet, Michael: Bildatlas wichtiger Denkmalgesteine der Bundesrepublik Deutschland, München: Lipp, 1990, S. 191 pp. [4] Harnisch, J.: Untersuchungen zum nachträglichen Einbau von Multi-Ring-Elektroden in Beton, Diplomarbeit Institut für Bauforschung der RWTH Aachen, 2003 (unveröffentlicht) [5] Westhus, S.: Naturstein am Dom Münster - Anpassung von Multiringfeuchte - und Multitemperatursonden an Baumberger Kalksandstein und erste Messungen, Diplomarbeit, FH Münster, September 2002 (unveröffentlicht) [6] Müller-Rochholz, J.; Fenneker, I.: Thermische und hygrische Verhältnisse im Naturstein der Domtürme in Münster, Beitrag zur DGzfP-Fachtagung Bauwerksdiagnose, Berlin, 2010 [7] Dorgeloh, M.: Messsystem für Feuchte- und Temperaturverteilung im Südturm des Paulus-Doms: Modernisierung und Bewertung erster Messergebnisse, Projektarbeit FH Münster, 2015 (unveröffentlicht) [8] Raupach, M. ; Dauberschmidt, C. ; Wolff, L. ; Harnisch, J.: Monitoring der Feuchteverteilung in Beton - Sensorik und Anwendungsmöglichkeiten, Bd. 1. In: Beton 57 (2007). [9] Jäggi, S.: Experimentelle und numerische Modellierung der lokalen Korrosion von Stahl in Beton unter besonderer Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit, Dissertation, ETH-Zürich, 2001, https: / / doi.org/ 103929/ ethz-a-004130093 [10] Zweifpennig, J.: Langzeitauswertung zu Feuchte- und Temperaturmessungen in einer Sandsteinfassade im Paulus-Dom zu Münster, Masterarbeit FH Münster, 2019 (unveröffentlicht)