Kolloquium Erhaltung von Bauwerken
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expert Verlag Tübingen
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2021
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Was verrät uns der Mörtel aus Bestandsbauten über seine Eigenschaften?
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Axel Dominik
Andreas Schell
Pascale Dominik
Die Untersuchungen und Beurteilungen eines Bestandsmauerwerkes aus Vollsteinen nach den aktuellen Regelwerken wirft sehr viele Fragen auf. Zurzeit wird ein WTA-Merkblatt zur Untersuchung und Beurteilung von Bestandsmauerwerk in Hinblick auf seine Tragfähigkeit erarbeitet.
Dieses Merkblatt soll Planern und Fachplanern in Ergänzung zu den in der Literatur umfangreich vorliegenden Untersuchungsergebnissen und Bewertungskriterien helfen, daraus resultierende Beurteilungsmöglichkeiten und Hilfestellungen für die möglichen Untersuchungsmethoden, Auswerteverfahren und einer Tragfähigkeitsbeurteilung zu geben.
Im Rahmen der Ausarbeitung dieses Merkblattes wurden u. a. an der Technischen Hochschule Köln Untersuchungen an Mauerwerksprüfkörpern durchgeführt. Sie bestehen aus zwei Baustellenrezeptmörteln (M 2,5 [MGII] und M 5 [MG IIa]) in Kombination mit Mauerziegeln, Kalksandsteinen und Porenbetonsteinen (Vollsteinen).
Neben der Untersuchung der Einzelbestandteile (Mauersteine und Mörtel) nach Norm wurden sogenannte RILEM-Mauerwerksprüfkörper und Verbundsteinprüfkörper, bestehend aus Mörtel und Mauerstein hergestellt.
Nach einer ausreichenden Erhärtungszeit wurde von einem Teil der Mauerwerksprüfkörper die Festigkeit der Gesamtprüfkörper bestimmt. Aus einem weiteren Teil der Mauerwerksprüfkörper wurden mit den bekannten Verfahren praxisgerecht Proben entnommen, aus denen sowohl von den Mauersteinen als auch von den Mörteln Einzelprüfkörper hergestellt und in Anlehnung an die Regelwerke untersucht wurden.
In Ergänzung dazu wurden weitere Prüfverfahren angewendet, sodass die Ergebnisse von 4 unterschiedlichen Mörtelprüfverfahren und mehreren Mauersteinprüfverfahren vorliegen, die im Vergleich untereinander und mit den, an den Mauerwerksprüfkörpern ermittelten Ergebnissen verglichen werden konnten.
Die Untersuchungsergebnisse an den nach Norm hergestellten und geprüften Mörtelprüfkörpern (Normprismen) sowie der nach Norm geprüften Mauersteine gaben dann die Möglichkeit, eine Gesamtbeurteilung aller im Labor mit verschiedenen Untersuchungsmethoden ermittelten Prüfergebnisse in Bezug auf die zulässige Mauerwerkstraglast im Vergleich
vorzunehmen.
In Ergänzung zu diesen reinen Laboruntersuchungen wurden die mit unterschiedlichen Prüfverfahren ermittelten Ergebnisse von mehreren Bestandsbauwerksuntersuchungen ausgewertet, um diese für die Entwicklung von Methoden zur praxisgerechten Tragsicherheitsbewertung mit heranzuziehen.
Die Untersuchungen ergaben deutliche Unterschiede in Bezug auf die ermittelten normierten Druckfestigkeitsklassen sowohl für die Mauersteine als auch für die Mörtel.
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7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 571 Was verrät uns der Mörtel aus Bestandsbauten über seine Eigenschaften? Dipl.-Ing. Axel Dominik Ingenieurbüro Dominik, Bornheim | Deutschland Andreas Schell, B. Eng. Niederkassel-Rheidt | Deutschland Pascale Dominik, M. Sc. Ingenieurbüro Dominik, Bornheim | Deutschland Zusammenfassung Die Untersuchungen und Beurteilungen eines Bestandsmauerwerkes aus Vollsteinen nach den aktuellen Regelwerken wirft sehr viele Fragen auf. Zurzeit wird ein WTA-Merkblatt zur Untersuchung und Beurteilung von Bestandsmauerwerk in Hinblick auf seine Tragfähigkeit erarbeitet. Dieses Merkblatt soll Planern und Fachplanern in Ergänzung zu den in der Literatur umfangreich vorliegenden Untersuchungsergebnissen und Bewertungskriterien helfen, daraus resultierende Beurteilungsmöglichkeiten und Hilfestellungen für die möglichen Untersuchungsmethoden, Auswerteverfahren und einer Tragfähigkeitsbeurteilung zu geben. Im Rahmen der Ausarbeitung dieses Merkblattes wurden u. a. an der Technischen Hochschule Köln Untersuchungen an Mauerwerksprüfkörpern durchgeführt. Sie bestehen aus zwei Baustellenrezeptmörteln (M 2,5 [MGII] und M 5 [MG IIa]) in Kombination mit Mauerziegeln, Kalksandsteinen und Porenbetonsteinen (Vollsteinen). Neben der Untersuchung der Einzelbestandteile (Mauersteine und Mörtel) nach Norm wurden sogenannte RILEM-Mauerwerksprüfkörper und Verbundsteinprüfkörper, bestehend aus Mörtel und Mauerstein hergestellt. Nach einer ausreichenden Erhärtungszeit wurde von einem Teil der Mauerwerksprüfkörper die Festigkeit der Gesamtprüfkörper bestimmt. Aus einem weiteren Teil der Mauerwerksprüfkörper wurden mit den bekannten Verfahren praxisgerecht Proben entnommen, aus denen sowohl von den Mauersteinen als auch von den Mörteln Einzelprüfkörper her-gestellt und in Anlehnung an die Regelwerke untersucht wurden. In Ergänzung dazu wurden weitere Prüfverfahren angewendet, sodass die Ergebnisse von 4 unterschiedlichen Mörtelprüfverfahren und mehreren Mauersteinprüfverfahren vorliegen, die im Vergleich untereinander und mit den, an den Mauerwerksprüfkörpern ermittelten Ergebnissen verglichen werden konnten. Die Untersuchungsergebnisse an den nach Norm hergestellten und geprüften Mörtelprüfkörpern (Normprismen) sowie der nach Norm geprüften Mauersteine gaben dann die Möglichkeit, eine Gesamtbeurteilung aller im Labor mit verschiedenen Untersuchungsmethoden ermittelten Prüfergebnisse in Bezug auf die zulässige Mauerwerkstraglast im Vergleich vorzunehmen. In Ergänzung zu diesen reinen Laboruntersuchungen wurden die mit unterschiedlichen Prüfverfahren ermittelten Ergebnisse von mehreren Bestandsbauwerksuntersuchungen ausgewertet, um diese für die Entwicklung von Methoden zur praxisgerechten Tragsicherheitsbewertung mit heranzuziehen. Die Untersuchungen ergaben deutliche Unterschiede in Bezug auf die ermittelten normierten Druckfestigkeitsklassen sowohl für die Mauersteine als auch für die Mörtel. 1. Einführung Bauten im Bestand, bei denen es sich oft um denkmalgeschützte Bauwerke handelt, weisen oft ein Mauerwerk bestehend aus Mauerstein-Vollsteinen auf, welche mit Mauermörteln der Mörtelklassen M1 (MG I) bis M 5 (MGIIa) vermauert wurden. Im Rahmen von Umbaumaßnahmen solcher Gebäude wird es oft erforderlich, das Tragverhalten der historischen Mauerwerksbauteile zu bestimmen. Dazu müssen Mörtel- und Mauersteinproben aus dem Mauerwerk entnommen und u. a. auf die Druckfestigkeit hin untersucht werden. Nach den derzeit geltenden Regelwerken muss aus den Untersuchungsergebnissen ein Bezug auf die nach Norm ermittelten 572 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Was verrät uns der Mörtel aus Bestandsbauten über seine Eigenschaften? Druckfestigkeits-eigenschaften hergestellt werden, um dem Tragwerksplaner entsprechende Angaben machen zu können. Für die Beurteilung der Mauersteinfestigkeit werden im Allgemeinen ganze Steine entnommen und entsprechend der Regelwerke geprüft. In einigen Fällen werden auch Mauersteinstücke aus dem Bestands-mauerwerk entnommen, aus welchen im Labor Einzelprüfkörper geschnitten und untersucht werden. Von den an den Einzelprüfkörpern ermittelten Eigenschaftskennwerten wird dann oft in Anlehnung an neuzeitliche Regelwerke mit Hilfe von Umrechnungsfaktoren auf die Mauersteinfestigkeitsklasse eines ganzen Mauersteines geschlossen. Statistische Auswertungen sollen bei der Beurteilung helfen, eine genauere Klassifizierung der Mauersteine vornehmen zu können. Vom Mörtel können i. d. R. nur Mörtelscheiben aus den Fugen bzw. Mörtelstücke entnommen werden. Sie werden mit unterschiedlichen Verfahren auf die Druckfestigkeit hin untersucht. In der Praxis werden von den entsprechenden Prüflaboren unterschiedliche Prüf-verfahren zur Bestimmung der Mörtelfugendruck-festigkeit angewendet und mit diversen Umrechnungsfaktoren aus unterschiedlichen Regelwerken auf die Normdruckfestigkeit bezogen. Sie beziehen sich dabei auf die Vorgaben im EC 6 zur Mörtelfestigkeits-prüfung, bezogen auf die Normdruckfestigkeit. Es bestehen allerdings Bedenken, ob diese Prüfverfahren zur Untersuchung der Mörteldruckfestigkeit für alle Bauten im Bestand geeignet sind. U. a. in der DIN 18555-09 werden drei Verfahren I, II und III beschrieben, mit denen die Druckfestigkeit von Mörteln aus der Fuge zwischen einem speziell konditionierten Kalksandstein (Referenzstein) geprüft und auf die Normdruckfestigkeit umgerechnet werden kann. Mehrere Untersuchungen haben gezeigt, dass die vorgenannten Prüfbedingungen bzw. -verfahren sowohl für die Mauersteine als auch für die Mörtel nicht unmittelbar auf die Bestandsmauerwerke bezogen werden können die aus historischen Mauerwerksbaustoffen errichtet wurden. Aus diesem Grund beschäftigt sich derzeit ein spezieller Arbeitskreis des Wissenschaftlich Technischen Arbeitskreises (WTA) mit der Auswahl von geeigneten Prüfverfahren und Beurteilungs-kriterien zur Untersuchung von Mauerwerk im Bestand / WTA 01/ . 2. Grundsätzliches Die Aufgabe der Fachplaner zur Beurteilung der Mauerwerksfestigkeiten wird in der Regel von Tragwerksplanern gestellt, welche möglichst eine Einteilung der Mauerwerksbaustoffe von einem Bauwerk in Festigkeitsklassen möchten. Fachplaner bzw. Mitarbeiter des Prüflabors müssen bei fehlenden Angaben durch den Tragwerksplaner entscheiden, wo und welche sowie wie viele Proben unter den objektspezifischen Bedingungen für die entsprechenden Untersuchungen entnommen werden, um das Mauerwerk beurteilen zu können. Dabei müssen auch, so weit möglich die denkmalpflegerischen Wünsche berücksichtigt werden. Bauten im Bestand, die bis in die 50er und 80er Jahre errichtet wurden, wurden meist mit sehr unter-schiedlichen Mauerwerksmaterialien errichtet, die Mauermörtel wurden in der Regel als Baustellen-rezeptmörtel hergestellt. Die Mörtelrezepte wurden in Raumteilen gemischt. Es ist davon auszugehen, dass in der Regel Handwerker (Mauerer und Steinmetze) die Bauten errichtet haben, welche Erfahrungen mit der Anwendung der Baustoffe hatten. Mauermörtel bestand i. d. R. aus Sand (Zuschlag, heute „Normale Gesteinskörnung“), der Auswahl von 3 unterschiedlichen Kalkarten und im Prinzip aus einem Zement einer Festigkeitsklasse sowie Wasser. Die Rezepturen konnten der Tabelle 1 entnommen werden. Sie waren den Handwerkern jedoch in der Regel bekannt. Die Mauer-mörtelbestandteile stammten ebenso wie die Mauersteine aus der Region, in der das Bauwerk erbaut wurde. 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 573 Was verrät uns der Mörtel aus Bestandsbauten über seine Eigenschaften? Tabelle 1: Zusammensetzung und Mischungs-verhältnisse für Baustellenrezeptmörtel nach DIN 18580 Aus vielen eigenen Untersuchungen ist bekannt, dass die Rezeptmörtel i. d. R. auch bei unterschiedlichen Arten des Anmischens dann eine ausreichenden Druckfestigkeiten aufweisen, wenn Sie in einer plastischen „kellenbzw. mauergerechten Konsistenz“ angemischt werden. Somit waren Baustoffe den Handwerkern aufgrund ihrer Ortsnähe bekannt, was Vorteile für die Errichtung eines Bauwerkes hatte. Der Transport war aufgrund kurzer Transportwege für die Materialanlieferung umweltschonend. Heute werden hingegen Werksmörtel und Mauersteine aus allen Regionen Deutschlands bzw. Europas und teilweise aus der ganzen Welt an einer Baustelle verarbeitet, die dem „Produktverarbeiter“ oft von ihren Eigenschaften her nicht mehr bekannt sind. Nicht nur für den „Produktverarbeiter“, sondern auch für alle anderen, an einem solchen Bauwerk Beteiligten ist eine Flut von Produkten, Regelwerken, Produkt-informationen und Rechtsfragen hereingebrochen, die ein Mensch in ihrer Gesamtheit nicht mehr bewältigen kann. 3. Bestands- und Zustandsaufnahme | Probenahme Die Voraussetzungen, die für die Materialprobenahme aus einem Bestandsbauwerk gegeben sein müssen werden im WTA -Merkblatt WTA-Arbeitskreis: Arbeitsfassung zu WTA Merkblatt 7-4 (Entwurf), Ermittlung der Druckfestigkeit von Bestandsmauerwerk aus künstlichen kleinformatigen Steinen / WT 01/ beschrieben. Die Festlegung der Probenahmeart und der Probenentnahmestellen können einen wesentlichen Einfluss auf die späteren Untersuchungsergebnisse haben. Grundsätzlich ist zu beachten, dass das zu unter-suchende Mauerwerk aus Mörtel und Mauersteinen besteht, welches einer langandauernden Beanspruchung ausgesetzt war. Ebenso muss das zu untersuchende Bauteil vollständig hinsichtlich des Bestands und Zustands untersucht werden, um an den entsprechenden ausgesuchten Bereichen und Stellen Proben zu entnehmen. Hierbei muss neben dem Mauerwerksaufbau genau dokumentiert werden, wo prüfbare Proben entnommen werden können und ob das Mauerwerk durch Feuchte- und ggfs. baustoffschädliche Stoffe belastet ist. Bei vielen historischen Mauerwerksbauten ist festzustellen, dass z. B. im Fugenmörtelbereich neben unterschiedlichen Mörteln auch über die Fugentiefe unterschiedliche Festigkeiten gegeben sind. Oft werden nur die prüfbaren Mörtelproben entnommen und die Mörtel, die keine ausreichende prüfbare Festigkeit haben, bleiben in der anschließende Ergebnis-beurteilung unberücksichtigt. Die neben dieser vor Ort zu berücksichtigenden Gegebenheiten kann auch die Probenentnahmeart einen wesentlichen Einfluss auf die zu prüfenden Eigen-schaften haben. In den Bildern 1 bis 6 sind beispielhaft 2 Probeentnahmearten mit den entsprechenden entnommenen Proben dargestellt. 574 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Was verrät uns der Mörtel aus Bestandsbauten über seine Eigenschaften? Bild 1: Einzelproben: Probenahme innerhalb einer Brücke mit einem leichten Stemmhammer ggf. in Kombination mit einem Winkelschleifer Bild 2: Einzelproben: Probenahmestelle Bild 3: Einzelproben: Entnommene Einzelstückproben Bild 4: Bohrkernentnahme mittels Kernbohrgerät: Entnahme trocken (zur Bestimmung des Salz- und Feuchtegehalts) oder nass Bild 5: Bohrloch nach der Probenahme Bild 6: Entnommener Bohrkern Die Probenentnahmeart spielt für die weitere Untersuchung und insbesondere für die Beurteilung der Untersuchungsergebnisse eine wesentliche Rolle. 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 575 Was verrät uns der Mörtel aus Bestandsbauten über seine Eigenschaften? Mittels des Entnahmeverfahrens mit Stemmwerkzeug, meist in Kombination mit einem Winkelschleifer (siehe Bild 1) lassen sich ganze Mauersteine entnehmen. Die Mörtelentnahme ist insofern schwierig, da der Mörtel evtl. durch das Entnahmeverfahren vorgeschädigt wird. Mit dem Bohrkernentnahmeverfahren hingegen kann weitgehend unbeschädigter Mörtel nachvollziehbar über die Mauerwerkstiefe entnommen werden. Von den Mauersteinen können meist nur Mauersteinstücke entnommen werden, wenn der Bohrkerndurchmesser nicht entsprechend angepasst wird und damit jedoch gleichzeitig der Entnahmeaufwand und Eingriff in die Bausubstanz vergrößert wird. Allerdings ist die Entnahme von Bindersteinen aus einem Mauerwerksverband mit diesem Verfahren meist nicht mölich, ohne einen sehr großen Bohrkerndurchmesser (z. B. etwa 30 cm) zu verwenden. In Bild 7 ist eine Problematik dargestellt, die sich aus der Entnahme von Mauersteinstücken von einem Einzelstein als Prüfkörper ergeben würde. Wenn beispielsweise an diesem Stein die Druckfestigkeit vom halben Mauerstein bestimmt und parallel dazu an einem würfelförmigen Prüfkörper, der aus dem Reststück dieses Steins planparallel geschnitten wurde, wären die ermittelten Druckfestigkeiten deutlich unterschiedlich und führten auch bei der Anwendung, der in den Regelwerken angegebenen Umrechnungsfaktoren nicht annähernd zu vergleichbaren Druckfestigkeitswerten. Somit können die Regelwerke zwar Hilfestellung zur Prüfung und Beurteilung von ermittelten Eigenschaftskennwerten geben. Sie allein reichen aber in der Regel zur Mauerwerksbeurteilung von vielen Bestandsbauten nicht aus. Bild 7: Probenzustand eines Mauerziegels: Prüfkörperauswahl für Druckfestigkeitsprüfung und Ergebnisse der Druckfestigkeitsprüfung an einem Mauerziegel Diese Ergebnisse spiegeln sich bei vielen Unter-suchungen an unterschiedlichen Bauwerken wider. Aus mehreren Bauwerken, aus denen Einzelsteine entnommen und im Labor würfelförmige und zylindrische Prüfkörper präpariert wurden, ergaben bei vergleichenden Untersuchungen ähnlich unterschiedliche Prüf-ergebnisse. In den Regelwerken (z. B.) EC 6 sind für die Prüfung der Fugendruckfestigkeit von Mauerwerk in Bestandsbauten 2 Prüfverfahren, die sogenannten Verfahren II und Verfahren III angegeben. Von einigen Prüfinstituten werden darüber hinaus im Wesentlichen noch zwei weitere Verfahren zur Prüfung der Fugendruckfestigkeit angegeben, die sich über Jahrzehnte als Prüfverfahren bewährt haben. Es handelt sich um das sogenannte Würfeldruckverfahren, welches an Prüfkörperwürfeln mit gleichlangen Kanten durchgeführt wird sowie um das sogenannte Sonderprüfverfahren „Kölner Sandwich-Druckprüfverfahren“ (KSD) (siehe Abschnitt 5.2.1). Viele eigene Untersuchen haben gezeigt, dass bereits die Entnahme und Präparation von Fugenmörtelproben für Prüfungen nach Verfahren I und II oft bei Bestandsbauten, die bis zur Jahrhundertwende des 19/ 20 Jh. erbaut wurden, nicht möglich ist. Darüber hinaus führten vergleichende Untersuchungen mit diesen Prüfverfahren an gleichen Mörtelproben nicht zu vergleichbaren Ergebnissen, obwohl dies nach den Normvorgaben der Fall sein sollte (siehe dazu die Untersuchungsergebnisse in den Bilder 8 und 9). Bild 8: Vergleichende Untersuchungen der Druck-festigkeit f C (β D ) eines untersuchten Mauermörtels,geprüft nach Norm und an unterschiedlich großen Prüfkörpern, die aus einem Mörtel-prisma herausgeschnitten wurden 576 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Was verrät uns der Mörtel aus Bestandsbauten über seine Eigenschaften? Bild 9: Bestimmung der Norm- und Fugendruck-festigkeit f C,N (β D,N ) bzw. f C,F (β D,F ) eines,an Probeflächen applizierten- Mauermörtels, untersucht nach EN DIN 1015, DIN 18555-9 bzw. DIN 18580 im Verbund zum Mauerziegel (MZ) und zur Grauwacke (GW) Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass die in der Norm angegeben Umrechnungsfaktoren zur Bestimmung der Fugendruckfestigkeit auf die Normdruckfestigkeit bei diesem untersuchten Mörtel nicht zutrifft. 4. Folgerung Aus diesen Kenntnissen heraus wurden an der TH Köln in Kooperation mit dem Kölner Institut Forschungen zu verschiedenen Prüfverfahren an Mörtel, Mauersteinen und Mauerwerkprüfkörpern durchgeführt. Die Untersuchungen mit einer Darstellung einzelner Ergebnisse werden nachfolgend auszugweise dargestellt. 5. Forschung 5.1 Versuchsbzw. Messprogramm (Prüfplan)mit verschiedenen Baustoffen Nachfolgend wird im Wesentlichen auf die unterschiedlichen Druckfestigkeitsprüfverfahren für Mauersteine und Mörtel eingegangen. Alle verwendeten Materialien (Mauersteinarten und Mörtelbestandteile) sind in Bild 10 angegeben. Bild 10: Verwendete Materialien Mauersteinarten und Mörtelbestandteile 5.2 Prüfarten 5.2.1 Mörtelprüfungen Für die Untersuchungen wurden als Mörtel Baustellenrezeptmörtel der Mörtelklasse M 2, 5 (Mörtelgruppe MG II) und Mörtelklasse M 5 (MG IIa) verwendet. Die Zusammensetzung der Mörtel wird in Bild 11 in Raumteilen nach DIN 18580 angegeben. 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 577 Was verrät uns der Mörtel aus Bestandsbauten über seine Eigenschaften? Bild 11: Baustellenrezeptmörtel Für die Herstellung von Verbundprüfkörpern gemäß der in den Bildern 13 bis 15 dargestellten Prüf-verfahren wurden die in Bild 10 angegebenen Mauersteine verwendet. Zusätzlich wurden von jeder Mörtelmischung Normprismen (siehe Bild 12) hergestellt. Bild 12: Mörtelprüfungen nach Norm und in Anlehnung an die Norm an Mörtelprismen Die Fugendruckprüfverfahren werden in den Bildern 12 bis 17 dargestellt. Hinweis zum Verfahren I (siehe Bild 13): In der Untersuchungspraxis wird seit vielen Jahren die Fugendruckfestigkeit von Bestandsbauten an würfelförmigen Mörtelprüfkörpern mit gleichlangen Kanten geprüft. Die Kantenlänge entspricht dabei meist der Fugenhöhe. Dieses Würfeldruck-Prüfverfahren hat sich bewährt, wurde im Rahmen der hier dargestellten Untersuchungen aber nicht mit untersucht. Die ermittelten Druckfestigkeitswerte nach dem Verfahren I sind mit den Werten nach dem beschriebenem Würfeldruck-Prüfverfahren nicht vergleichbar, da es sich beim Verfahren I um Prüfkörper handelt, die zwar eine Höhe haben, welche der Fugenhöhe entspricht, in der Druckfläche aber normierte Maße 20 mm x 20 mm aufweisen. Bild 13: Fugendruckfestigkeit nach DIN 18555-9 Verfahren I (ibac-Vorlesungsfolie) 578 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Was verrät uns der Mörtel aus Bestandsbauten über seine Eigenschaften? Bild 14: Fugendruckfestigkeit nach DIN 18555-9 Verfahren II (ibac-Vorlesungsfolie) Bild 15: Fugendruckfestigkeit nach DIN 18555-9Verfahren III (ibac-Prüfverfahren)(ibac-Vorlesungsfolie) Das Prüfverfahren III (ibac-Prüfverfahren) wurde sowohl durch planparalleles Abgleichen der Prüffläche des Fugenmörtelprüfkörpers mit Gips als auch durch die Anordnung einer Filzlage zwischen Prüfstempel und Fugenmörtelprüfkörper zur Bestimmung der Fugendruckfestigkeit angewendet. Für diese Arten der Prüfverfahren I bis III muss ein speziell konditionierter Kalksandstein als Referenzstein verwendet werden. Zwischen Mauerstein und Mörtel muss für die Prüfung ein Faservlies angeordnet werden. Dieses Prüfverfahren wurde für die Unter-suchungen so abgewandelt, dass die Mörtel in direktem Kontakt zu den verschiedenen in Bild 9 angegeben Mauersteinen stehen. Eigene Untersuchungen haben gezeigt, dass das Vlies einen erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften der Mörtel hat [Do 01]. Alle untersuchten Prüfkörper (siehe Bild 18) wurden daher aus den Verbundprüfkörpern herausgeschnitten, bearbeitet und an das jeweilige Prüfverfahren angepasst. Diese Untersuchungsmethodik ist deutlich näher an den realen Verhältnissen im Mauerwerk und entspricht somit auch der Probenentnahmeart und Präparation von Bauwerksproben. Das Sonderprüfverfahren (KSD) (siehe Bild 16) erfolgt in der Form, dass Mörtelprüfkörper aus dem Mauerwerk bzw. dem Verbundprüfkörper entnommen und in Scheiben so aufeinander gelegt und im Paket ab-geglichen werden, dass ein Prüfkörper mit etwa den Maßen 40 x 40 x 40 mm³ entsteht. Der Prüfkörper entspricht von den Maßen her demnach etwa dem Normprismen-Prüfkörper, wie er in Bild 7 (mittlere Skizze) dargestellt wird. Bild 16: Fugendruckfestigkeitsuntersuchung Sonderprüfverfahren (KSD) Bild 17: Bestimmung der Fugendruckfestigkeit f C,N (β D,N ) bzw. f C,F (β D,F ) nach EN DIN 1015-10, DIN 18555-9 bzw. DIN 18580 , EC 6 und mittels des Sonderprüfverfahren KSD, verschiedenartige Prüfkörper Für die Untersuchungen wurden die Mauersteine, wie es an der Baustelle üblich ist von Maurern vermauert. Alle Mauersteine wurden vorgenässt, obwohl dies an der Baustelle meist nicht erfolgt und auch eine genaue Angabe für ein definiertes Vornässen der Mauersteine von keinem Produkthersteller gegeben wird. Die Kalksandsteinindustrie gibt zwar ein Vornässen an, gibt aber nicht die Vorgehensweise an. Das Übersichtsbild 18 zeigt beispielhaft die Anzahl der Prüfkörper, die im Rahmen von Forschungsaktivitäten untersucht wurden. 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 579 Was verrät uns der Mörtel aus Bestandsbauten über seine Eigenschaften? Bild 18: Mörtelprüfkörper: Prüfkörper geordnet nach den entsprechenden Prüfverfahren I, II, III und Sonderprüfverfahren KSD 5.2.2 Mauersteinprüfungen Grundsätzlich ist eine Beurteilung bzw. Klassifizierung der Mauersteine gemäß den aktuell vorliegenden Regelwerken (u. a. DIN EN 771-1, DIN EN 772-2) bei einem Bestandsbauwerk, welche bis unmittelbar nach dem 2. Weltkrieg erbaut bzw. ergänzt und rekonstruiert wurde nur bedingt möglich, da die historischen Mauersteine einer Herstellungscharge bis zu dieser Epoche sehr unterschiedliche Eigenschaften aufweisen können. An größeren Bauwerken wie z. B. Brückenbauwerken haben zudem oft unterschiedliche Steinproduzenten Mauersteine geliefert. Darüber hinaus muss man sich bei einer Probenahme bewusst sein, dass im Prinzip jedes Bauteil mit anderen Materialien (Mörtel, Stein und Beton) errichtet worden sein kann. Man müsste also, um eine statistische Auswertung vornehmen zu können, aus jedem unter-schiedlichen Bauteil entsprechend viele Baustoff-proben entnehmen. Die DIN 105-6 gilt für Planziegel, die einer hohen Maßgenauigkeit bedürfen und kann somit auch nur bedingt für eine Beurteilung der Untersuchungs-ergebnisse herangezogen werden. Die Mauersteindruckfestigkeitsuntersuchungen wurden auch für die Kalksandsteine nach den, in den nach-folgenden Bildern dargestellten Prüfverfahren ver-gleichend untersucht, obwohl die Normen für Kalksandsteinprüfungen dies nicht vorgeben. Bild 19: Prüfkörper für Steindruckfestigkeit Die Mauersteine wurden als ganze Mauersteine planparallel geschliffen bzw. abgeglichen und zusätzlich so, wie in Bild 19 dargestellt auf Ihre Druckfestigkeit hin untersucht. Die unterschiedlichen Prüfergebnisse wurden nach Vorgabe der unterschiedlichen Regel-werke (siehe dazu die Bilder 20 bis 22) ausgewertet, um die normierte Steindruckfestigkeit zu bestimmen. Bild 20: Untersuchung von verschiedenartigen Prüf-körperarten: Steindruckfestigkeit nach DIN EN 772-1 Bild 21: Untersuchung von verschiedenartigen Prüf-körperarten: Steindruckfestigkeit nach DIN EN 772-1 580 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Was verrät uns der Mörtel aus Bestandsbauten über seine Eigenschaften? Bild 22: Untersuchung von verschiedenartigen Prüfkörpern: Steindruckfestigkeit nach DIN 20000 5.2.3 Mauerwände und verschiedene Mauewerkprüfkörper Es wurden sowohl Mauerwerkswände (siehe Bild 23) als auch Mauerwerksprüfkörper hergestellt und vergleichend untersucht. Die dabei ermittelten Unter-suchungsergebnisse sind an dieser Stelle nicht dargestellt und in der dazu entsprechenden Veröffentlichung einsehbar. Bild 23: Herstellen von Mauerwerks-Prüfwänden (MWPK): Mauerziegelmauerwerk 5.3 Untersuchungsergebnisse 5.3.1 Mauersteinuntersuchungen In Bild 24 sind einige Untersuchungsergebnisse vergleichend dargestellt. Aus den Prüfergebnissen wurden entsprechend der Vorgaben der entsprechenden Norm die normierte Steindruckfestigkeit ermittelt. Es ergeben sich insbesondere für die Kalksandsteine und die Mauerziegel deutliche Unterschiede in der Druckfestigkeit. Für die geringer festen Porenbetonsteine ergaben sich keine großen Druckfestigkeits-unterschiede. Mit dieser Mauersteinart müssten ggf. noch weitere vergleichende Untersuchungen an höherfesten Steinen durchgeführt werden, um einen besseren Aufschluss zu den Ergebnissen zu erhalten. Bild 24: Untersuchung von verschiedenartigen Prüfkörperarten, Steindruckfestigkeit in Anlehnung an DIN 20 000 (M) und DIN EN 772-1 (S) 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 581 Was verrät uns der Mörtel aus Bestandsbauten über seine Eigenschaften? 5.3.2 Mauermörtel ohne und mit Verbund zu unterschiedlichen Mauersteinen Einige unterschiedlichen Prüfergebnisse sind in den Bildern 25 a bis 30 b über den ermittelten Druckfestigkeitswerten dargestellt. In Bild a ist die tatsächlich ermittelte Druckfestigkeit und in Bild b die normierte Druckfestigkeit nach Umrechnung der Ergebnisse mit dem entsprechenden Faktor dargestellt. Bei dem Prüfverfahren I und dem Sonderprüfverfahren soll die ermittelte Druck-festigkeit der normierten Druckfestigkeit entsprechen. Der Umrechnungsfaktor beträgt demnach 1. Bild 25 a: Vergleichsuntersuchungen: Mittelwerte derMörteldruckfestigkeiten, Mörtelklasse M 2,5 im Verbund zum Porenbeton (PP)ohne Berücksichtigung der entsprechendenNormfaktoren Bild 25 b: Vergleichsuntersuchungen: Mittelwerte derMörteldruckfestigkeiten, Mörtelklasse M 2,5 im Verbund zum Porenbeton (PP)mit Berücksichtigung der entsprechenden Normfaktoren 582 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Was verrät uns der Mörtel aus Bestandsbauten über seine Eigenschaften? Bild 26 a: Vergleichsuntersuchungen: Mittelwerte der Mörteldruckfestigkeiten, Mörtelklasse M 5 im Verbund zum Porenbeton (PP)ohne Berücksichtigung der entsprechendenNormfaktoren Bild 26 b: Vergleichsuntersuchungen: Mittelwerte derMörteldruckfestigkeiten, Mörtelklasse M 5 im Verbund zum Porenbeton (PP)mit Berücksichtigung der entsprechendenFaktoren Bild 27 a: Vergleichsuntersuchungen: Mittelwerte derMörteldruckfestigkeiten, Mörtelklasse M 2,5 im Verbund zum Kalksandstein (KS)ohne Berücksichtigung der entsprechendenNormfaktoren 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 583 Was verrät uns der Mörtel aus Bestandsbauten über seine Eigenschaften? Bild 27 b: Vergleichsuntersuchungen: Mittelwerte derMörteldruckfestigkeiten, Mörtelklasse M 2,5 im Verbund zum Kalksandstein (KS)mit Berücksichtigung der entsprechendenNormfaktoren Bild 28 a: Vergleichsuntersuchungen: Mittelwerte derMörteldruckfestigkeiten, Mörtelklasse M 5 im Verbund zum Kalksandstein (KS)ohne Berücksichtigung der entsprechendenNormfaktoren Bild 28 b: Vergleichsuntersuchungen: Mittelwerte derMörteldruckfestigkeiten, Mörtelklasse M 5 im Verbund zum Kalksandstein (KS)mit Berücksichtigung der entsprechendenNormfaktoren 584 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Was verrät uns der Mörtel aus Bestandsbauten über seine Eigenschaften? Bild 29 a: Vergleichsuntersuchungen: Mittelwerte der Mörteldruckfestigkeiten, Mörtelklasse M 2,5 im Verbund zum Mauerziegel (VMz)ohne Berücksichtigung der entsprechenden Normfaktoren Bild 29 b: Vergleichsuntersuchungen: Mittelwerte der Mörteldruckfestigkeiten, Mörtelklasse M 2,5 im Verbund zum Mauerziegel (VMz)mit Berücksichtigung des entsprechendenNormfaktors Bild 30 a: Vergleichsuntersuchungen: Mittelwerte der Mörteldruckfestigkeiten, Mörtelklasse M 5 im Verbund zum Mauerziegel (VMz)ohne Berücksichtigung des entsprechenden Normfaktors 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 585 Was verrät uns der Mörtel aus Bestandsbauten über seine Eigenschaften? Bild 30 b: Vergleichsuntersuchungen: Mittelwerte der Mörteldruckfestigkeiten, Mörtelklasse M 5 im Verbund zum Mauerziegel (VMz)mit Berücksichtigung des entsprechendenNormfaktors 5.4 Kurzbeurteilung der Untersuchungsergebnisse Die Untersuchungen zeigen sowohl für die Mauer-steine als auch für die Mörtel deutliche Unterschiede in Abhängigkeit vom angewendeten Prüfverfahren. Für die Bestimmung der Druckfestigkeitsklasse von Mauersteinen wurden weitere vergleichende Unter-suchungen mit unterschiedlichen Prüfverfahren durchgeführt. Die Untersuchungen ergaben, dass in Abhängigkeit von den Prüfverfahren teilweise extreme Unterschiede in den Druckfestigkeitsklassen festzustellen sind. Die Untersuchungsergebnisse für die im Verbund mit den Mauersteinen hergestellten Mörtel zeigen deutlich, dass die Umrechnungsfaktoren, die in den Regel-werken angegeben werden, nicht ohne weiteres für die Beurteilung eines Mörtels aus Bestandsmauerwerk angewendet werden sollten. Das Prüfverfahren III ergibt unserer Meinung, soweit aus Bestandsbauten entsprechende Prüfkörpergrößen präpariert werden können sinnvolle Ergebnisse. Die Zwischenlage zwischen Prüfstempel und Fugenprüfkörper sollte bei diesem Prüfverfahren aus Filz sein. Das Sonderprüfverfahren KSD ist in Ergänzung zu diesem Verfahren III eine gute Alternative, wenn auch hier entsprechende Probengrößen entnommen und auf die notwendige Prüfkörpergröße gebracht werden können. Sind die Proben minderfest und sollen kleine Prüfkörper hergestellt werden, so hat sich das seit vielen Jahren angewendete Würfelprüfverfahren gut bewährt. 6. Resumeè Fachplaner, welche Untersuchungen und Beurteilungen von Mauerwerk vornehmen, müssen sich darüber bewusst sein, dass Prüfverfahren wie sie z. B. in den Regelwerken und Merkblättern angegeben werden sowie Rechenprogramme oder statistische Aus-wertungen nur Hilfsmittel für die Beurteilung eines tragenden Bauteils, wie Mauerwerk sind. Literatur [Di 01] Diekamp, A.; Dominik, A.; Schubert, P.: Kriech- und Schwindverhalten von historischem „Kalk-Bimsstein“-Gewölbemauerwerk im Vergleich zu neuzeitlichem „Bimsstein“-Gewölbemauerwerk; - 15. Internationale Baustofftagung - ibausil, Bauhaus- Universität, Weimar, September 2003 [Do 01] Dominik, Axel: Dissertation in Bearbeitung [Do 02] Dominik, Axel., Schell. Andreas, Dominik, Pascale: Was verrät uns der Mörtel aus Bestandsbauten über seine Eigenschaften? TAE: Kolloquium Erhaltung von Bauwerken am 19. und 20. Januar 2021, Ostfildern (In Bearbeitung) [Do 03] Dominik, Axel., Koch, Sabine: DBU, Die Wirkung eines Heizsystems („Temperierbzw. Konditioniersystem“) auf feuchte- und salzbelastetes Mauerwerk in einem temporär genutzten Gebäude, Abschlussbericht F 1006/ F-0E zu einem Forschungsprojekt gefördert unter dem Az: 20941 von der Deutschen Umweltstiftung (DBU) in Osnabrück, 08-2008 [Do 04] Dominik, A.: Vorlesung Schutz und Instandsetzung von Bauwerken, WS 2020/ 2021 [Do 05] Dominik, A.: Schubert, P.; Kroeff, A.; Koch, S.: Formänderungsverhalten von durch spezielle Tränkungen gesicherten, historischem „Kalk-Bimsstein-Gewölbemauerwerk“ - 16. Internationale Baustofftagung - ibausil, Bauhaus-Universität, Weimar, September 2006 586 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Was verrät uns der Mörtel aus Bestandsbauten über seine Eigenschaften? [Do 06] Dominik, A.: Wengenroth, K.; Kroeff, A.: Zum Einfluss von unterschiedlichen Lagerungsbedingungen auf die Mörteleigenschaften. Tischvorlage zum Vortrag, Bauhaus-Universität, Weimar, 2000 [Do 07] Dominik, A.; Dominik, P.: Untersuchungen zur Sicherung eines Natursteinmauerwerks an einer denkmalgeschützten Autobahnbrücke. - In: Tagungsband Natursteinsanierung 2000; Seite 85-100; Karlsruhe, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart, 2020 [Do 08] Dominik, A.; Koch, S.; Clasen, J.; Balau, J.; Zum Einfluss von unterschiedlichen Faserarten auf neuzeitliche Instandsetzungsmörtel für historisches Mauerwerk; In: Tagungshandbuch 2011; TAE, 1. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken, Esslingen, 2011 [Do 09] Dominik, A.; Koch, S.: Verfugen mit Trockenspritzmörtel - ein bewährtes Verfahren? - In: Bausubstanz, Zeitschrift für nachhaltiges Bauen, Bauwerkserhaltung und Denkmalpflege, Fraunhofer IRB Verlag, Heft 3/ 2011; ISSN 2190-4278 [Do 10] Dominik, A.; Koch, S.; Bytyqi, V.; Dominik, P.: Und schon wieder Mörtel - NHL-Mörtel als Werktrockenmörtel beim Bauen im Bestand, TAE Technische Akademie Esslingen, 5. Kolloquim Erhalten von Bauwerken, Ostfildern 24./ 25.01.2017 [Do 11] Dominik, A.; Koch, S.; Klinkner, J.; von Krüdener, D.; Nocker, C.-M.; Zum Tragverhalten von historischem Grauwacke-Bruchsteinmauerwerk im Bestand“; TAE Technische Akademie Esslingen, 5. Kolloquim Erhalten von Bauwerken, Ostfildern, 24./ 25.01.2017 [Do 12] Dominik, A.; Koch, S.: Verfugmörtel „unter Druck“ - Welche Aussagekraft haben Eigenschaftsgrenzwerte? - Wissenschaft kontra Empirie? ; - In: Tagungshandbuch 2013; TAE, 3. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken, Esslingen, 2013 [Do 13] Dominik, A.; Koch, S.: Verfugen mit Trockenspritzmörtel - In: Bauhandwerk, Das Profimagazin für Ausbau, Neubau und Sanierung; Bauverlag BV GmbH, Güterloh, Heft 3/ 2013; ISSN 0173-5365 [Kn 01] Knöfel, D., Schubert, P.: Jahresberichte Steinzerfall - Steinkonservierung. Hrsg. R. Snethlage, Berlin 1992 [Ko 01] Koch, S.; Dominik, A.; Rankers, R.; Brameshuber, W.: Eigenschaftsveränderungen in Mörteln durch sulfatbedingte Reaktionen - Umwandlung leicht löslicher Sulfate in schwer löslichen Verbindungen. - 15. Internationale Baustofftagung - ibausil, Bauhaus- Universität, Weimar, September 2003 [Ko 02] Koch, S.; Dominik, A.; Klinkner, J.; Nocker, C. M.; von Krüdener, D.; Dominik, P.: Messtechnische und teilweise fotooptische Erfassung von Formänderungen an ertüchtigtem und nicht ertüchtigtem Bruchsteinmauerwerk unter Labor- und Praxisbedingungen - In Tagungsband 9. Symposium „Experimentelle Untersuchungen von Baukonstruktionen“, Seite 75-92, Dresden, 21-09-2017 [Ko 03] Koch, S.; Dominik, A.; Klinkner, J.; von Krüdener, D.; Nocker, C.-M.: Zum Tragverhalten von historischem Grauwacke-Bruchsteinmauerwerk im Bestand; - In Tagungsband, Natusteinsanierung Stuttgart 2017; Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 17./ 18.03.2017 [Ra 01] Rankers, R.; Dominik, A.; Kubanek, T.; Paschmann, H.: Einfluss der Klimabedingungen auf den Salztransport im Gewölbemauerwerk; - 15. Internationale Baustofftagung - ibausil, Bauhaus-Universität, Weimar, September 2003 [Sch 01] Schell, A.: Anwendung unterschiedlicher Prüfverfahren zur Untersuchung von Mörtel im Verbund zu unterschiedlichen Mauersteinen, Bachelorarbeit an der TH Köln unter Leitung von Prof. Dr.-Ing R. Hoscheid | 2018 [WT 01] WTA-Arbeitskreis: Arbeitsfassung zu WTA Merkblatt 7-4 (Entwurf)Ermittlung der Druckfestigkeit von Bestandsmauerwerk aus künstlichen kleinformatigen Steinen, 2020 Regelwerke [DIN 01] DIN EN 771-1: 2015-11 Festlegungen für Mauersteine - Teil 1: Mauerziegel; Deutsche Fassung EN 771-1: 2011+A1: 2015 [DIN 02] DIN EN 771-2; 2015-11 Prüfverfahren für Mauersteine - Teil 2: Kalksandsteine; Deutsche Fassung EN 772-2: 2011 + A1: 2015 [DIN 03] DIN EN 771-5: 2015-11, Festlegung für Mauersteine Teil 5: Betonsteine [DIN 04] DIN EN 771-6: 2015-11; Festlegung für Mauersteine Teil 6: Natursteine [DIN 05] DIN EN 772-1: 2016-05 Prüfverfahren für Mauersteine - Teil 1: Bestimmung der Druckfestigkeit; Deutsche und Englische Fassung EN 772-1: 2011+A1: 2015 [DIN 06] DIN EN 772-13; 2000-09 Prüfverfahren für Mauersteine - Teil 13: Bestimmung der Netto- und Brutto-Trockenrohdichte von Mauersteinen (außer Natursteinen); Deutsche Fassung EN 772-13: 2000 [DIN 07] DIN EN 998-02; 2017-02 Festlegung von- Mörtel im Mauerwerkbau - Teil 2: Mauermörtel; Deutsche Fassung EN 998-2: 2016 [DIN 08] DIN EN 1015-10; 2007-05 Prüfverfahren für Mörtel für Mauerwerk Teil 10: Bestimmung 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 587 Was verrät uns der Mörtel aus Bestandsbauten über seine Eigenschaften? der Trockenrohdichte von Festmörtel; Deutsche Fassung EN 1015-10: 1999+A1: 2006 [DIN 09] DIN EN 1015-11; 2020-01 Prüfverfahren für Mörtel für Mauerwerk Teil 11: Bestimmung der Biegezug- und Druckfestigkeit von Festmörtel; Deutsche und Englische Fassung prEN 1015-11: 2019 [DIN 10] DIN EN 1996-1-1; 2013-02 Eurocode 6: Bemessung und Konstruktion von Mauerwerksbauten - Teil 1-1: Allgemeine Regeln für bewehrtes und unbewehrtes Mauerwerk; Deutsche Fassung EN 1996-1-1: 2005+A1: 2012 [DIN 11] DIN EN 1996-1-1; 2019-09 Entwurf Eurocode 6: Bemessung und Konstruktion von Mauerwerksbauten - Teil 1-1: Allgemeine Regeln für bewehrtes und unbewehrtes Mauerwerk; Deutsche Fassung EN 1996-1-1: 2019 [DIN 12] DIN EN 1996-1-1/ NA; 2019-12 Nationaler Anhang - National festgelegte Parameter Eurocode 6: Bemessung und Konstruktion von Mauerwerksbauten - Teil 1-1: Allgemeine Regeln für bewehrtes und unbewehrtes Mauerwerk [DIN 13] DIN EN 1996-1-1/ NA/ A1: 2014-03 Nationaler Anhang - National festgelegte Parameter Eurocode 6: Bemessung und Konstruktion von Mauerwerksbauten - Teil 1-1: Allgemeine Regeln für bewehrtes und unbewehrtes Mauerwerk; Änderung A1 [DIN 14] DIN 105-6: 2013-06 Mauerziegel - Teil 6: Planziegel [DIN 15] DIN 18555-9; 2019-04 Prüfung von Mörteln mit mineralischen Bindemitteln - Festmörtel- Teil 9: Bestimmung der Fugendruckfestigkeit [DIN 16] DIN V 18580; 2007-03 (zurückgezogen) Vornorm - Mauermörtel mit besonderen Eigenschaften [DIN 17] DIN 18580; 2019-06 Baustellenmauermörtel [DIN 18] DIN 20000-412; 2019-06 Anwendung von Bauprodukten in Bauwerken - Teil 412: Regeln für die Verwendung von Mauermörtel nach DIN EN 998-2: 2017-02
