Kolloquium Erhaltung von Bauwerken
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expert Verlag Tübingen
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Das Fugenbohrkernverfahren nach HELMERICH / HEIDEL bzw. UIC-Kodex 778-3 zur Bestimmung der Druckfestigkeit von Bestandsmauerwerk
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Jonny Henkel
Claudia Neuwald-Burg
Die Druckfestigkeit von Bestandsmauerwerk kann neben der Entnahme und Prüfung von Einzelprüfkörpern der Komponenten Stein und Mörtel auch an kleinen Verbundprüfkörpern ermittelt werden. Ein mögliches Verfahren ist hierbei die Entnahme von Fugenbohrkernen aus dem Mauerwerk, die in Einbaulage geprüft werden. Dieses Verfahren wurde von HELMERICH / HEIDEL entwickelt und fand später in spezifizierter Form Eingang in den Kodex 778-3 des Internationalen Eisenbahnverbandes.
Beschrieben wird der historische Verlauf der Verfahrensentwicklung, nationale und internationale Forschungsergebnisse zu diesem Verfahren und es werden die Ergebnisse dieser Untersuchungen verglichen. Aus den vergleichenden Untersuchungen ergeben sich neue Hinweise zur Auswertung der Prüfergebnisse. Zudem wird eine Prüfanleitung für das Verfahren vorgestellt.
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7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 597 Das Fugenbohrkernverfahren nach HELMERICH / HEIDEL bzw. UIC-Kodex 778-3 zur Bestimmung der Druckfestigkeit von Bestandsmauerwerk Dipl.-Ing. Jonny Henkel AK Bauwerksdiagnostik, Ahrensfelde, Deutschland Dipl.-Ing. Claudia Neuwald-Burg Fraunhofer Informationszentrum Raum und Bau, Stuttgart Zusammenfassung Die Druckfestigkeit von Bestandsmauerwerk kann neben der Entnahme und Prüfung von Einzelprüfkörpern der Komponenten Stein und Mörtel auch an kleinen Verbundprüfkörpern ermittelt werden. Ein mögliches Verfahren ist hierbei die Entnahme von Fugenbohrkernen aus dem Mauerwerk, die in Einbaulage geprüft werden. Dieses Verfahren wurde von HELMERICH / HEIDEL entwickelt und fand später in spezifizierter Form Eingang in den Kodex 778-3 des Internationalen Eisenbahnverbandes. Beschrieben wird der historische Verlauf der Verfahrensentwicklung, nationale und internationale Forschungsergebnisse zu diesem Verfahren und es werden die Ergebnisse dieser Untersuchungen verglichen. Aus den vergleichenden Untersuchungen ergeben sich neue Hinweise zur Auswertung der Prüfergebnisse. Zudem wird eine Prüfanleitung für das Verfahren vorgestellt. 1. Einleitung Mit der Zunahme der Sanierung und Instandsetzung historischer Mauerwerkskonstruktionen zu Anfang und Mitte des 20. Jahrhunderts ergaben sich Fragestellungen zur Druckfestigkeit des Mauerwerks. Während ursprünglich die Festigkeitsabschätzung meist anhand von Erfahrungen der Mauermeister eher subjektiv erfolgte, setzte sich nach dem Zweiten Weltkrieg immer mehr eine ingenieurtechnische Betrachtung durch, die sich an den Erkenntnissen für neu zu errichtendes Mauerwerk orientierte. Mit zunehmenden Forschungserkenntnissen zum Bruchverhalten und dem Trend zur höheren Auslastung von Tragreserven etablierte sich seit Beginn der 1980er Jahre die Prüfung der Mauerwerksdruckfestigkeit an genormten Verbundprüfkörpern. Diese sogenannte RILEM-Prüfung ist gegenwärtig in DIN EN 1052-1 [1] geregelt. Der für diese Prüfung notwendige Prüfkörper besitzt relativ große Abmessungen und eine hohe Masse, sodass solche Prüfkörper nicht ohne erheblichen Aufwand aus Bestandsmauerwerk entnommen werden können. Die Entnahme führt zudem zu einer starken Reduzierung der zu untersuchenden Bauteile. Aus diesem Grund wurde schon frühzeitig nach Verfahren gesucht, mit denen es möglich ist, handliche Mauerwerksverbundkörper zu entnehmen und zu testen. Für die Entnahme solcher Probekörper eignet sich das Kernbohrverfahren. Bohrkerne sind mit baustellenüblichen Kernbohrmaschinen leicht zu gewinnen und abhängig vom Durchmesser der Bohrung auch entsprechend handlich. Erste Untersuchungen zur Bestimmung der Druckfestigkeit von Ziegelmauerwerk anhand von Bohrkernen wurden durch BERGER Mitte der 1980er Jahre durchgeführt [2]. Die Herangehensweise von BERGER basiert auf der Erkenntnis, dass sich die Spaltzugfestigkeit eines Ziegelbohrkerns ohne Fuge im Verhältnis zur Spaltzugfestigkeit eines Bohrkerns mit Fuge in demselben Maß abschwächt, wie die Druckfestigkeit des Mauerwerks im Vergleich zur Druckfestigkeit eines ganzen Ziegels. 2. Historische Entwicklung des Verfahrens Da das Verfahren von BERGER von relativ vielen Randfaktoren abhängig ist und zudem eine relativ hohe Zahl an Proben benötigt, gab es in der Bauakademie der DDR Überlegungen, die Mauerwerksfestigkeit direkt an größeren Fugenbohrkernen zu prüfen und in RILEM-Festigkeiten umzurechnen. Ein Problem dabei war die Prüfung der runden Bohrkerne in Einbaulage. Durch HELME- RICH entstand bereits um 1984 die Idee, spezielle, an den Bohrkern angepasste Lasteinleitungskalotten zu verwenden. Dieses Verfahren wurde nach wenigen Vorver- 598 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Das Fugenbohrkernverfahren nach HELMERICH / HEIDEL bzw. UIC-Kodex 778-3 zur Bestimmung der Druckfestigkeit von Bestandsmauerwerk suchen 1985 durch HELMERICH, NIER, REISSENWE- BER und WEISHEIT als Patent angemeldet [3]. Abb. 1: Eine der beiden Vorrichtungsvarianten der Patentschrift mit einer Lagerfuge in der Mitte des Prüfkörpers [3] S. 3 Ab 1987 bis 1989 wurden durch HEIDEL an der TH Leipzig im Rahmen einer Dissertation umfangreiche Untersuchungen zu Randbedingungen und Anwendbarkeit des Verfahrens durchgeführt [4]. Aufgrund der Mangelwirtschaft in der ehemaligen DDR standen nur Bohrkronen mit einem Innendurchmesser d = 150 mm zur Verfügung, sodass alle Untersuchungsergebnisse sich auf diesen Durchmesser beziehen. Die Arbeit von HEI- DEL galt zugleich als Forschungsbericht SBI/ 130/ 3/ 54 der Bauakademie der DDR [4]. Ein Forschungspartner der Untersuchungen von HEI- DEL war die Deutsche Reichsbahn (Staatsbahn der DDR), Wissenschaftlich-technisches Zentrum für Eisenbahnanlagen und Baustofftechnologie Magdeburg (später Zentralstelle Bahnanlagen Magdeburg), die sich von den Forschungsergebnissen Hilfsmittel für die Untersuchung und Bewertung gemauerter Bogenbrücken erhoffte und somit ebenfalls den Forschungsbericht erhielt. Durch Mitarbeiter dieser Einrichtung fand das Verfahren in einer speziellen Form Eingang in den UIC-Codex 778- 3 des Internationalen Eisenbahnverbandes von 1995 [5], wobei die von HEIDEL ermittelten Umrechnungsfaktoren zur RILEM-Festigkeit verwendet wurden. Abb. 3: Prüfanordnung nach UIC-Codex von 1995 [5] S. 39 (Anhang 2) In der darauffolgenden Zeit wurde in Deutschland zunächst nur noch eine weiterführende Untersuchung zu diesem Prüfverfahren im Rahmen einer Diplomarbeit an der TU Dresden durchgeführt (KRÄMER, 1998) [8]. Aufgrund der Veröffentlichung des internationalen Eisenbahnverbandes wurde das Verfahren jedoch in mehreren Forschungsvorhaben außerhalb Deutschlands weiter untersucht, so z.B. von Bilello, Brencich, DiPaola und Sterpi in Italien (2006) [9] [10] [11], MATYSEK in Polen (2014) [12] sowie PELA, ROCA und BENEDETTI in Spanien (2016) [13]. Insbesondere die Ergebnisse der italienischen Forschergruppe führten in der 2. Auflage des UIC-Kodex 778-3 von 2011 [6] (ebenfalls bei der 3. Überarbeitung von 2017 [7]) zu einer Veränderung bei der vorgeschriebenen Lasteinleitung sowie zu einer deutlichen Erhöhung des Faktors zur Umrechnung in die RILEM-Festigkeit. Erst in jüngster Zeit wird das Verfahren auch wieder bei deutschen Forschungen mit bedacht und in verschiedenen Masterarbeiten aufgegriffen, namentlich von DÜR- KOP (2019)[15], WEYDERT (2020) [16] und WELKER (2020)[17]. Im Vergleich zu den umfangreichen systematischen Untersuchungen von HEIDEL stellen Untersuchungen nach dem Fugenbohrkernverfahren nach HEL- MERICH / HEIDEL in diesen Arbeiten nur Teilaspekte dar. Die Ergebnisse dieser Arbeiten geben aber wertvolle Hinweise darauf, welche Schwierigkeiten bei der Anwendung des Verfahrens auftreten können und was bei der Auswertung berücksichtigt werden muss. Abb. 2: Von HEIDEL untersuchte Fugenbilder [4] S. 171 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 599 Das Fugenbohrkernverfahren nach HELMERICH / HEIDEL bzw. UIC-Kodex 778-3 zur Bestimmung der Druckfestigkeit von Bestandsmauerwerk Da sich die Prüfbedingungen der meisten bereits genannten Forschungsarbeiten deutlich unterscheiden, werden im Folgenden zunächst die wesentlichen Randbedingungen, wie Fugenbild, Lasteinleitung und Beschaffenheit der Vergleichsversuchskörper, aufgeführt. Es wird dann diskutiert, ob bzw. wie die Versuchsergebnisse gewertet werden können, um eine gemeinsame Auswertung aller vorliegenden Forschungsergebnisse zu ermöglichen. 3. Nationale und internationale Forschungsergebnisse 3.1 HEIDEL (1989, DDR) HEIDEL untersuchte die grundsätzliche Anwendbarkeit des Verfahrens und führte dazu zahlreiche Vorüberlegungen und spannungsoptische Untersuchungen durch. Als deren Ergebnis entstand die Form der angepassten Lasteinleitungskalotten (siehe Anhang, Bild A1). Des Weiteren ergab sich eine Spannungsverteilungskonstante k s = 1,3. Zudem stellte er bei ersten Versuchen fest, dass die in der Patentbeschreibung genannten Zwischenlagen Leder, Teflon oder Gewebe zu Spannungsspitzen und verfrühtem Bruch führten. Der Grund dafür sind unvermeidbare Unebenheiten der Bohrkernoberfläche beim Bohrvorgang, insbesondere infolge geringfügig abweichender Durchmesser von Bohrkern und Kalotten. Aus diesem Grund wurde Zementmörtel oder wegen der geringeren Erhärtungszeiten Gips zum Abgleich zwischen Bohrkern und Kalotte empfohlen und verwendet. Abb 4: Abdruck von Unebenheiten des Bohrkerns auf einem Stück des Abgleichgipses (eigene Versuche) Mit den genannten Prüfbedingungen führte HEIDEL 109 Versuche durch, bei denen verschiedene Fugenbilder (siehe Abb. 2), verschiedene Steine (Mauerziegel unterschiedlicher Festigkeiten, Klinker und Kalksandsteine) und verschiedene Mörtel (Kalk-, Kalkzement- und Zementmörtel) kombiniert wurden. In Auswertung seiner Ergebnisse wurde die Fugenbildform 1 (siehe Abb. 2; keine Stoßfuge im Querschnitt) aufgrund ihrer geringeren Ergebnisstreuungen als aussagekräftigste Prüfvariante hervorgehoben. Für das Fugenbild 2 (mittlere Stoßfuge) ergaben sich deutlich höhere Streuungen und durchschnittlich etwa um den Faktor 0,8 geringere Prüfwerte. Warum dieses Fugenbild 2 später als Standardvariante des UIC-Kodex verwendet wurde, kann jedoch nur spekuliert werden. Es ist zu vermuten, dass bei den nach UIC zu prüfenden Gewölbebrücken häufig keine Läufer auf der Mauerwerksoberfläche vorhanden sind, was die Einhaltung des Fugenbildes 1 unmöglich macht. Zur Kalibrierung der Versuchsergebnisse wurden für die 13 Stein-Mörtel-Kombinationen je drei bis sechs RILEM-Mauerwerksprüfkörper hergestellt und geprüft. Die Mauerwerksprüfkörper waren als Verbandsmauerwerk mit Abmessungen von ca. 24 cm Breite und 49 cm Länge sowie Höhen von 42 oder 58 cm ausgeführt. In Auswertung der Untersuchungsergebnisse ergab sich ein linearer Umrechnungsfaktor (Bohrkernfestigkeit in RILEM-Festigkeit) von k RILEM = 0,8 für Mauerziegel und k RILEM = 0,7 für höherfeste Klinker. Nach HEIDEL berechnet sich somit die Mauerwerksfestigkeit an einer Untersuchungsstelle nach Gleichung (1): f ma,i = k RILEM · k s · F max / A mid (1) mit f ma,i experimentell bestimmte Mauerwerksdruckfestigkeit k s = 1,3 Spannungsverteilungskonstante k RILEM = 0,8 (0,7) Faktor für Umrechnung Fugenbohrkern auf RILEM-Prüfkörper F max Bruchlast A mid Mittelfläche des Bohrkerns (Länge x Durchmesser) Somit ergibt sich ein Gesamtumrechnungsfaktor (Bohrkernfestigkeit in Mauerwerksfestigkeit) von k RILEM · k s = 1,04. 3.2 KRÄMER (1998, DE) KRÄMER [8] führte analog zu den Prüfbedingungen von HEIDEL 12 Versuche durchgeführt, wobei sechs Versuche an einem „schlechten Mauerwerk“ (MG I, SFK 12) und sechs Versuche an einem „guten Mauerwerk“ (MGIII, SFK 20) gemacht wurden. Als RILEM-Referenzkörper wurde Verbandsmauerwerk mit Abmessungen von ca. 24 cm Breite und 77 cm Länge sowie einer Höhe von 103 cm verwendet, wobei für jede Mauerwerksart zwei RILEM-Prüfkörper geprüft wurden. Als Fugenbild wurde die Variante 1 nach HEIDEL gewählt. KRÄMER stellte anhand seiner Untersuchungsergebnisse fest, dass die Auswertung nach HEIDEL für das geringfeste Mauerwerk gut übereinstimmte, dass der Auswertungsansatz das höherfeste Mauerwerk jedoch deutlich unterschätzte. 600 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Das Fugenbohrkernverfahren nach HELMERICH / HEIDEL bzw. UIC-Kodex 778-3 zur Bestimmung der Druckfestigkeit von Bestandsmauerwerk 3.3 Bilello; Brencich; Corradi; Di Paola; Sterpi (2006-2007, IT) Die Wissenschaftler der Universitäten Genua und Palermo veröffentlichten 2006 und 2007 mehrere Aufsätze (u.a. [9][10][11]), die sich im Wesentlichen alle auf ein Untersuchungsprogramm beziehen. An drei Stein- Mörtelkombinationen (zwei Steinarten und drei unterschiedliche Mörtel) wurden je drei Bohrkerne und drei Referenzprüfkörper (24 cm x 24 cm x 40 cm) geprüft. Die Referenzprüfkörper sind im Verband gemauert und entsprechen aufgrund ihrer geringen Länge nicht den Anforderungen an RILEM-Prüfkörper. Die Prüfung erfolgte an Bohrkernen nach dem Fugenbild 2 (UIC-Kodex). Anhand der Fotodokumentation ist ersichtlich, dass eine Zwischenlage teilweise nicht verwendet wurde und teilweise Bleiplatten als Zwischenlage zur Anwendung kamen. Abb 5: Prüfkörper nach dem Bruch (als Zwischenlage Bleiplatten) [10] S. 951 Die Ergebnisse der Prüfungen, die durch FEM-Berechnungen ergänzt wurden, ergaben einen Gesamtumrechnungsfaktor (Bohrkernfestigkeit in Mauerwerksfestigkeit) von k RILEM · k s = 1,8. Dieser Wert wurde vermutlich bei der Überarbeitung des UIC-Kodex 778-3 2011 als neuer Umrechnungsfaktor verwandt. Gleichzeitig wurde im UIC-Kodex von 2011 auch das in der Version von 1995 geforderte Abgleichen mit Zementmörtel durch das Einlegen von Bleiplatten ersetzt. 3.4 MATYSEK (2014, PL) An der Universität Krakau wurden von MATYSEK Untersuchungen an einem relativ geringfesten Bestandmauerwerk eines historischen Gebäudes durchgeführt [12]. Es wurden 15 Bohrkerne aus zwei verschiedenen Bestandsmauerwerken mit dem Fugenbild 2 entnommen. Zur Kalibrierung wurden Mauerwerksprismen mit den Abmaßen von ca. 40 cm x 60 cm x 70 cm aus dem Bestandsmauerwerk herausgesägt. Die Prüfung der Bohrkerne erfolgte nach Angaben des Autors z.T. ohne Zwischenlage (siehe Abb. 6) und bei deutlichen Unebenheiten mit einer sehr dünnen Gipsabgleichschicht). Abb. 6: Prüfkörper nach dem Bruch ohne Zwischenlage [11] S. 95 Die Auswertung bestätigte in etwa die Ergebnisse von BRENCICH (siehe Abschnitt 3.3). Als Gesamtumrechnungsfaktor (Bohrkernfestigkeit in Mauerwerksfestigkeit) ergab sich ein Wert von k RILEM · k s = 1,75. 3.5 PELA; ROCA; BENEDETTI (2016, ES/ IT) Durch ein spanisch-italienisches Team wurde 2016 an einem Mauerwerk mit geringen Stein- und Mörtelfestigkeiten zwölf Versuche durchgeführt [13]. Dabei wurden sechs Fugenbohrkerne nach dem Fugenbild 2 (UIC) und sechs Fugenbohrkerne nach dem Fugenbild 1 (Empfehlung HEIDEL) entnommen. Während bei den bisher aufgeführten Untersuchungen vorwiegend normalformatige und reichsformatige Steine zu Anwendung kamen, wurden hier deutlich größere, flache Ziegel mit Abmaßen verwendet, die im Mittelmeerraum in historischem Mauerwerk häufig vorkommen (276 × 133 × 43). Um das Problem der Ankopplung der Bohrkerne an die Prüfkalotten zu umgehen, erfolgte ein Anbetonieren von Blöcken aus hochfestem Beton an die Bohrkerne (Bild 7). Grundlagen für diese Vorgehensweise wurden 2014 von SASSONI, MAZZOTTI und PAGLIAI an der Universität Bolognia erarbeitet, die mittels dieser Mörtelbzw. Betonkappen bereits Versuche an Mauerwerksbohrkernen mit einem Durchmesser von ca. 100 mm in Anlehnung an die UIC-Prüfung vornahmen [14]. 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 601 Das Fugenbohrkernverfahren nach HELMERICH / HEIDEL bzw. UIC-Kodex 778-3 zur Bestimmung der Druckfestigkeit von Bestandsmauerwerk Bild 7: Eingeschalter und fertiger Prüfkörper mit Betonkappen [12] S. 364 Kalibriert wurden die Ergebnisse an drei 5-Stein-Prüfkörpern mit den Abmaßen 28 cm x 13 cm x 34 cm. In Auswertung der Ergebnisse war festzustellen, dass die Bohrkerne mit dem Fugenbild 2 gegenüber dem Fugenbild 1 analog zu den Ergebnissen von HEIDEL ca. 80 % niedrigere Werte lieferten und die Ergebnisse stärker streuten. Im Verhältnis zum Prisma ergab sich beim Fugenbild 1 ein Gesamtumrechnungsfaktor (Bohrkernfestigkeit in Mauerwerksfestigkeit) von k RILEM · k s = 1,04, was den von HEIDEL ermittelten Umrechnungen entspricht. 3.6 DÜRKOP (2019, DE) 2019 wurden im Rahmen einer Masterarbeit an der TH Lübeck durch DÜRKOP [15] Vergleichsversuche zur Bestimmung der Druckfestigkeit von Ziegelmauerwerk ausgeführt, u.a. auch zwölf Versuche an Fugenbohrkernen mit dem Fugenbild 2. Als Zwischenlage wurde bei neun Proben ein Kunststoffflies verwendet und bei drei Proben ein Zementmörtel. Als Referenzkörper wurden Einstein-RILEM-Prüfkörper mit den Abmaßen 51 cm x 12 cm x 40 cm verwendet. Der Gesamtumrechnungsfaktor lag bei den Untersuchungen deutlich unterhalb der Empfehlungen von HEIDEL. Zudem streuten die Ergebnisse sehr stark. 3.7 WEYDERT (2020, DE) Ebenfalls im Rahmen einer Masterarbeit führte WEY- DERT [16] 2020 in Karlsruhe Versuche zur Prüfung von Mauerwerkbauten im massiven Verkehrswasserbau durch. Da traditionell im Wasserbau Mauerwerk hoher Festigkeit ausgeführt wird, wurden hier auch Steine und Mörtel extrem hoher Festigkeit für die Versuche gewählt. Prüfungen an Fugenbohrkernen erfolgten am Fugenbild 1 (sechs Prüfkörper) und am Fugenbild 2 (sechs Prüfkörper). Als Zwischenlage kamen Bleiplatten zur Anwendung. Als Vergleichskörper wurden RILEM-Prüfkörper aus Verbandsmauerwerk mit den Abmessungen 49 cm x 24 cm x 40 cm verwendet. Die mittlere Festigkeit lag bei 54 N/ mm² und war damit im Vergleich zu Bestandsmauerwerk extrem hoch. WEYDERT stellte in Auswertung ihrer Untersuchungsergebnisse fest, dass die Auswertung nach HEIDEL das hochfeste Mauerwerk bei weitem unterschätzte. 3.8 WELKER (2020, DE) Ebenfalls an der TH Lübeck erfolgten 2020 durch WELKER [17] vergleichende Versuche an Kalksandstein-Mauerwerk im Rahmen einer Masterarbeit. Hierbei wurden wiederum zwölf Prüfungen an Fugenbohrkernen durchgeführt (neun Versuche mit dem Fugenbild 2, drei Versuche mit dem Fugenbild 1). Als Zwischenlage wurde analog zu dem Vorgehen von HEIDEL Gips verwendet. Als Referenzgröße wurden Einstein-RILEM-Prüfkörper mit den Abmaßen 49 cm x 12 cm x 40 cm hergestellt. Die Untersuchungen sind mit den Ergebnissen von HEI- DEL nur bedingt vergleichbar, weil HEIDEL Verbands- RILEM-Prüfkörper und WELKER Einstein-RILEM- Prüfkörper als Referenzgröße verwendete. Vermindert man die RILEM-Festigkeitswerte von WELKER aber mit dem Faktor 0,8, der nach DIN EN 1996-1-1 [18] für die Umrechnung von Einsteinzu Verbandsmauerwerk gilt, zeigt sich eine gute Entsprechung zu den Ergebnissen von HEIDEL. 3.9 GIGLA (2020, DE) Im Rahmen eines Forschungsprojekts zum Fugenbohrkernverfahren nach BERGER teste GIGLA drei Mauerwerksproben in Anlehnung an das Verfahren nach UIC 778-3 [19]. Die Lasteinleitung erfolgte auf der oberen Seite analog den Vorgaben von HEIDEL mit einer konkaven Lasteinleitungsplatte und einem dünnen Gipsabgleich, unten wurde die Lasteinleitungsplatte mit einer rechteckigen, mit Zementmörtel verfüllten Aussparung versehen, in die der Prüfkörper eingelegt wurde. Die Prüfung erfolgte an Mauerwerk mit sehr hoher Steinfestigkeit. Die in [19] lediglich qualitativ bewerteten Ergebnisse verweisen auf eine deutliche Unterschätzung der Mauerwerksfestigkeit durch die Bohrkernprüfung, was mit den Erkenntnissen von KRÄMER und WEYDERT bei höherfestem Mauerwerk übereinstimmt. 4. Vergleich der Forschungsergebnisse 4.1 Allgemeines Bei der Betrachtung der unterschiedlichen in- und ausländischen Forschungsergebnisse fällt auf, dass sich sowohl die Prüfungsdurchführung des Fugenbohrkernverfahrens als auch das Aussehen der Referenzprüfkörper z.T. deutlich unterscheiden und die Ergebnisse nur bedingt oder gar nicht verglichen werden können. Insbesondere scheinen 602 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Das Fugenbohrkernverfahren nach HELMERICH / HEIDEL bzw. UIC-Kodex 778-3 zur Bestimmung der Druckfestigkeit von Bestandsmauerwerk die Ergebnisse beeinflusst von der Art der Zwischenlage sowie der Form des Referenzprüfkörpers zu sein. Zudem unterscheiden sich auch die verwendeten Fugenbilder der Bohrkerne (Fugenbild 1 und/ oder Fugenbild 2). Diese deutlichen Unterschiede in der Prüfungsausführung sind sicherlich den unterschiedlichen Vorgaben von HEIDEL bzw. des UIC-Kodex in seinen verschiedenen Ausgaben von 1995 und 2011 geschuldet. Sie sind jedoch auch durch fehlende Prüfanleitungen in all diesen Veröffentlichungen begründet. Eine solche Prüfanleitung wurde nun in Abstimmung mit HEIDEL erarbeitet. Sie ist als Anhang an den Merkblattentwurf WTA 7-4 „Ermittlung der Druckfestigkeit von Bestandsmauerwerk aus künstlichen kleinformatigen Steinen“ vorgesehen und auch hier im Anhang unter Ergänzung einiger anschaulicher Praxisbilder (Bilder A4 bis A8) angefügt. 4.2 Fugenbild 1 Grundsätzlich müssen bei einem Vergleich der Forschungsergebnisse die untersuchten Fugenbilder getrennt voneinander betrachtet werden. Zum Fugenbild 1 liegen Ergebnisse von HEIDEL, KRÄMER, PELA, WEY- DERT und WELKER vor, die in Abb. 8 grafisch dargestellt sind. Zudem wurde der Gesamtumrechnungsfaktor von HEIDEL (k RILEM · k s = 1,04) mit in das Diagramm integriert. Aus der Grafik wird ersichtlich, dass im unteren Bereich der Mauerwerksfestigkeit eine nahezu lineare Tendenz vorhanden ist, die mit dem Faktor von HEIDEL gut übereinstimmt. Erst beim Mauerwerk höherer Festigkeit sind Werte vorhanden, die deutlich oberhalb der Umwertung von HEIDEL liegen, was von KRÄMER und WEY- DERT auch angemerkt wurde. Zugleich sind aber bei HEIDEL und PELA auch Werte vorhanden, die unterhalb der Geraden liegen. HEIDEL, KRÄMER und WELKER prüften die Fugenbohrkerne unter den gleichen Bedingungen (Eingipsen in Prüfkalotten). Lediglich bei den RILEM-Vergleichskörpern sind Unterschiede vorhanden. Da mit Ausnahme von WELKER alle Forschungen zum Fugenbild 1 an RILEM-Vergleichskörpern aus Verbandsmauerwerk gemacht wurden, werden die Ergebnisse von WELKER vereinfachend mit dem o.g. Faktor 0,8 von Einsteinmauerwerk in Verbandsmauerwerk umgerechnet. Somit sind diese drei Arbeiten vergleichbar. Abb 8: Alle vorliegenden Ergebnisse zum Fugenbild 1 PELA verwendet ein deutlich abgewandeltes Prüfverfahren mit angegossenen Betonblöcken, deren Abmaße zudem nicht den von HEIDEL entworfenen Prüfkalotten entsprechen. Somit werden die Ergebnisse von PELA in der weiteren Betrachtung nicht mehr mitberücksichtigt. WEYDERT verwendete im Unterschied zu HEIDEL als Zwischenlage Bleiplatten. Blei besitzt nach [20] eine Druckfestigkeit von 12,5-30 N/ mm². Geht man davon aus, dass zu einem guten Ausgleich der Bohrkernunebenheiten die Bleiplatten in einem nahezu plastischen Zustand vorliegen müssen, sollte die Druckfestigkeit des Bleis vor dem Versagen der Bohrkerne annähernd erreicht sein. Bei einer Kontaktfläche zum Bohrkern von ca. 240 mm x 75 mm ist dafür eine Kraft zwischen 225 und 540 kN notwendig, was bezogen auf die Mittelfläche des Bohrkerns zu Bohrkernfestigkeiten von 6,25 bis 15 N/ mm² führt. Auf der sicheren Seite liegend ist deshalb erst ab Bohrkernfestigkeiten von ca. 15 N/ mm² von einem guten Ausgleich der Bohrkernunebenheiten durch die Bleiplatten auszugehen. Da die Bohrkernfestigkeiten von WEYDERT aufgrund der extrem festen Komponenten jedoch oberhalb dieses Grenzwertes liegen (15,6- 20,7 N/ mm²), kann davon ausgegangen werden, dass die Bleiplatten hier einen guten Ausgleich bewirkt haben. Die Ergebnisse wurden deshalb zur Auswertung mit herangezogen. Letztendlich wurden im Rahmen der Vergleichbarkeit noch die verwendeten Ausgangstoffe, insbesondere die verwendeten Mauersteine, betrachtet. Die meisten Mau- 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 603 Das Fugenbohrkernverfahren nach HELMERICH / HEIDEL bzw. UIC-Kodex 778-3 zur Bestimmung der Druckfestigkeit von Bestandsmauerwerk ersteine besitzen nur relativ geringe Druckfestigkeitsschwankungen mit Variationskoeffizienten von bis zu 25%. Bei HEIDEL wurden jedoch auch Klinker geprüft, deren stark streuende Qualität bereits damals bei der Auswertung der Ergebnisse auffiel. Die Klinkerdruckfestigkeiten besitzen Variationskoeffizienten von 38%, was sich auch bei den daraus hergestellten RILEM-Prüfkörper widerspiegelte (Festigkeitsstreuungen ebenfalls 38%). Aufgrund dieser großen Streuungen wurden die Ergebnisse dieses Klinkermauerwerks ebenfalls für die weitere Auswertung nicht mitberücksichtigt. Unter Verwendung der verbleibenden Werte ergibt sich ein eher exponentieller Verlauf der Beziehung zwischen der Bohrkernfestigkeit und der RILEM-Festigkeit (Abb. 9), dessen Regressionsfunktion (rote Linie) auch die Ergebnisse bei hohen Mauerwerksfestigkeiten berücksichtigt. Im Bereich kleinerer Mauerwerksfestigkeiten liegt die Funktion im Bereich des linearen HEIDELschen Umrechnungsfaktors. Abb. 9: Verbleibende Werte und Umrechnungsfunktionen zum Fugenbild 1 Die Umrechnung von der Bohrkernfestigkeit in die RI- LEM-Festigkeit ergibt sich unter Verwendung der Regressionsfunktion näherungsweise zu: f ma,i = 2,3 · e (0,165∙ Fmax/ Amid) (2) Vereinfachend kann auch bis zu einer Bohrkernfestigkeit von etwa 10 N/ mm² der lineare Faktor von HEIDEL (1,04) weiterverwendet werden und nur bei höheren Festigkeiten eine genauere Bewertung nach Gleichung (2) erfolgen. 4.3 Fugenbild 2 Schwieriger gestaltet sich der Ergebnisvergleich beim Fugenbild 2, da die Randbedingungen der vorliegenden Untersuchungsergebnisse noch stärker variieren und die Ergebnisse deutlich stärker streuen. In Abb. 10 sind alle vorliegenden Ergebnisse zum Fugenbild 2 grafisch aufbereitet. Zudem ist der für das Fugenbild 1 bekannte HEIDELsche Umrechnungsfaktor 1,04 durch 0,8 dividiert worden, da sich bei den Untersuchungen von HEIDEL und auch PELA gezeigt hatte, dass Bohrkerne mit dem Fugenbild 2 etwa 80% niedrigere Werte liefern, als Bohrkerne mit dem Fugenbild 1. Abb. 10: Alle vorliegenden Ergebnisse zum Fugenbild 2 Bei der Überlegung, welche Ergebnisse vergleichbar sind, entfallen die Untersuchungen von BILLELO, MA- TYSEK und ein Teil der Ergebnisse von DÜRKOP, weil eine abweichende Zwischenlage verwendet wurde. Die Ergebnisse von PELA können aufgrund der bereits bei Fugenbild 1 genannten Problematik nicht verwendet werden, ebenso wie die Ergebnisse von HEIDEL mit den stark streuenden Steineigenschaften und die Ergebnisse von WEYDERT mit Bohrkernfestigkeiten <15 N/ mm². Trotz der verbliebenen wenigen Werte ergibt ein ähnliches Bild wie beim Fugenbild 1 (Abb. 11). Erstellt man 604 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Das Fugenbohrkernverfahren nach HELMERICH / HEIDEL bzw. UIC-Kodex 778-3 zur Bestimmung der Druckfestigkeit von Bestandsmauerwerk die Regressionsfunktion auf exponentieller Basis, ergibt sich eine Funktion, die sich von der Funktion beim Fugenbild 1 um den Faktor 1/ 0,77 unterscheidet. Damit bestätigen sich die Aussagen von HEIDEL und PELA, dass die Ergebnisse des Fugenbildes 2 ca. 80% niedriger liegen als beim Fugenbild 1. Die Umrechnung von der Bohrkernfestigkeit in die RI- LEM-Festigkeit ergibt sich unter Verwendung der Regressionsfunktion beim Fugenbild 2 in Näherung zu: f ma,i = 3,0 · e (0,165∙ Fmax/ Amid) (3) Für kleine Mauerwerksfestigkeiten mit Bohrkernfestigkeiten bis ca. 8 N/ mm² gilt weiterhin der lineare Ansatz nach Heidel (1,04/ 0,8). Abb. 11: Verbleibende Werte und Umrechnungsfunktionen zum Fugenbild 2 4.4 Anmerkungen zu Ergebnisstreuungen Bei der Betrachtung der Versuchsergebnisse fiel auf, dass die Streuungen (Variationskoeffizienten) der Bohrkernfestigkeiten bei Untersuchungen mit dem Fugenbild 1 in der Regel relativ gering und häufig kleiner als die Streuungen der Steinfestigkeiten sind. Um diese Beobachtung zu quantifizieren, wurden an den vorhandenen Datensätzen zum Fugenbild 1 die Streuungen der Festigkeit der verwendeten Steine und die Streuungen der Festigkeit der untersuchten Fugenbohrkerne gegenübergestellt (Abb. 12). Abb. 12: Vergleich der Variationskoeffizienten von Stein- und Bohrkernfestigkeiten beim Fugenbild 1 Bei den Datensätzen 1-10 handelt es sich um Ergebnisse von HEIDEL. Die relativ hohen Variationskoeffizienten der Steine sind vermutlich auf Qualitätsschwankungen der in der ehemaligen DDR hergestellten Materialien zurückzuführen. Bei den Reihen 1-3 handelt es sich um Kalksandsteine, die Reihen 4-10 gehören zu Ziegeln. Die Datensätze 11 und 12 stammen von KRÄMER (Ziegel), der Datensatz 13 von WEYDERT (Klinker) und der Datensatz 14 von WELKER (Kalksandsteine). Bei diesen letzten vier Serien, deren Materialien nach 1990 hergestellt wurden, liegen die Variationskoeffizienten der Steindruckfestigkeit durchschnittlich deutlich niedriger. Lediglich die Festigkeiten der Kalksandsteine der Serie 14 streuen etwas stärker. Vergleicht man den Variationskoeffizient der jeweiligen Steindruckfestigkeit mit dem Variationskoeffizient der Bohrkerndruckfestig, so ist festzustellen, dass bei 10 der 14 Serien tatsächlich die Streuung der Bohrkernfestigkeit geringer ist als beim Stein, der für die Herstellung des jeweiligen Mauerwerks verwendet wurde. An einem weiteren Datensatz (13) ist der Variationskoeffizient der Bohrkernfestigkeit mit V k = 12% sehr gering. Lediglich an drei Datensätzen (5, 7 und 11) ist die Streuung der Bohrkernfestigkeit deutlich größer als die Streuung der Steinfestigkeit und nur bei lediglich einer Prüfserie liegt der Variationskoeffizient oberhalb 25%. Diese Feststellung deckt sich mit Beobachtungen aus der Praxis. Bei der Prüfung von historischem und homogenem Mauerwerk aus einer Entstehungsphase steigen die Variationskoeffizienten der Bohrkernfestigkeit nur selten über 25% und liegen meist im Bereich von 10-20%. Ursache für diese Verhalten ist möglicherweise, dass sich in den Fugenbohrkernen größere und kleinere Ziegelfestigkeiten etwas gegeneinander ausgleichen, was zur Homogenisierung der Festigkeiten beiträgt. 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 605 Das Fugenbohrkernverfahren nach HELMERICH / HEIDEL bzw. UIC-Kodex 778-3 zur Bestimmung der Druckfestigkeit von Bestandsmauerwerk 5. Zusammenfassung Das in der ehemaligen DDR in den 1980er Jahren entwickelte Prüfverfahren an Fugenbohrkernen d = 150 mm zur Bestimmung der Mauerwerksdruckfestigkeit nach HELMERICH / HEIDEL wurde 1995 in abgewandelter Form Bestandteil des UIC-Kodex 778-3. Aufgrund dieser Konstellation sowie fehlender Prüfanleitungen in beiden Dokumenten gab es deutliche Unterschiede in der Prüfungsausführung bei nachfolgen Studien im Inland und europäischen Ausland. Im Rahmen dieser Veröffentlichung wurde versucht, alle wissenschaftlichen Untersuchungsergebnisse zu diesem Verfahren aufzuzeigen und zu vergleichen. Dabei zeigte sich, dass sowohl bei der Wahl des verwendeten Fugenbildes, bei der Durchführung der Prüfung (insbesondere bei der verwendeten Zwischenlage) als auch bei der Beschaffenheit der verwendeten Referenzprüfkörper zum Teil deutliche Unterschiede bestehen und die einzelnen Forschungsergebnisse nur bedingt vergleichbar sind. Nach der Überprüfung der Randbedingungen (verwendete Zwischenlage, Streuung der Steindruckfestigkeit, verwendete Referenzprüfkörper) ergaben sich jedoch für das Fugenbild 1 (ohne Vertikalfuge in der Mitte) eine ganze Anzahl und für das Fugenbild 2 (mit Vertikalfuge in der Mitte) zumindest einige vergleichbare Ergebnisse, an denen eine Auswertung durchgeführt werden konnte. Dabei zeigte sich, dass bei geringeren Bohrkernfestigkeiten bis ca. 8-10 N/ mm² der von HEIDEL entwickelte lineare Umrechnungsansatz Gültigkeit besitzt, dass er jedoch bei höheren Mauerwerksfestigkeiten zu einer Unterschätzung der tatsächlichen Mauerwerksfestigkeit führt. Aus diesem Grund wurde sowohl für das Fugenbild 1 als auch für das Fugenbild 2 eine Umrechnungsfunktion auf exponentieller Basis für die Umwertung aller im Versuch bestimmten Bohrkernfestigkeiten in die jeweilige korrespondierende Mauerwerksdruckfestigkeit bestimmt. Es ist jedoch anzumerken, dass besonders in Bereich größerer Mauerwerksfestigkeiten nur wenige Prüfwerte zur Auswertung zu Verfügung standen, sodass dieser Bereich bei weiteren Forschungsarbeiten zu diesem Thema besonders mitberücksichtigt werden sollte. Zudem wäre es wünschenswert, zu diesem Prüfverfahren koordinierte Ringversuche an verschiedenen Einrichtungen durchzuführen, um die bisherigen Erkenntnisse weiter zu vertiefen. Beim Vergleich der Untersuchungsergebnisse wurde festgestellt, dass sich die nach der 2. und 3. Ausgabe des UIC-Kodex 778-3 als Zwischenlage geforderten Bleiplatten nur bedingt eignen, da es erst bei sehr hohen Bohrkernfestigkeiten (>15 N/ mm²) zu einem guten Eindrücken der stets vorhandenen Unebenheiten des Bohrkerns in die Bleiplatte kommt. Auch der in der 2. und 3. Auflage des UIC-Kodex 778-3 genannte Umrechnungsfaktor von 1,8 bzw. 2,2 ist bei einer Prüfung nach den Vorgaben von HEIDEL (siehe Anhang) als kritisch und auf der unsicheren Seite liegend anzusehen. Das nach HEIDEL als günstigste Variante zu prüfende Fugenbild 1 führt hingegen bei sachgerechter Ausführung (Abgleich mit Gips) zu sehr homogenen Prüfergebnissen der Bohrkernfestigkeit, deren Festigkeitsstreuungen meist unter denen der Mauersteinfestigkeit des untersuchten Mauerwerks liegen. Da in den meisten untersuchten Arbeiten als Referenzprüfkörper Verbandsmauerwerk mit Fugen in Längsrichtung des Mauerwerks verwandt wurden, müssen die aus den Bohrkernfestigkeiten ermittelten Mauerwerksfestigkeiten nicht zusätzlich mit dem Faktor 0,8 für Verbandsmauerwerk abgemindert werden. Um eine Vereinheitlichung der Prüfungsdurchführung bei weiteren Versuchen zu ermöglichen, wurde eine ausführliche Prüfungsanleitung erstellt, die sich im Anhang dieses Artikels befindet. Literaturverzeichnis [1] DIN EN 1052-1: 1998-12 Prüfverfahren für Mauerwerk - Teil 1: Bestimmung der Druckfestigkeit; Deutsche Fassung EN 1052-1: 199 [2] Berger, F.: Zur nachträglichen Bestimmung der Druckfestigkeit von zentrisch gedrücktem Mauerwerk. In: Wenzel, F. (Hrsg.): Erhalten historisch bedeutsamer Bauwerke: Baugefüge, Konstruktionen, Werkstoffe. Jahrbuch 1986. Sonderforschungsbereich 315, Universität (TH) Karlsruhe. Berlin: Ernst und Sohn, 1987, S. 231-248 [3] Patentschrift DD 243987 A1, Amt für Patentwesen der deutschen demokratischen Republik, 1985 (heutiges Aktenzeichen: DE DD 2837574) [4] Heidel, R.: Ermittlung der Materialkennwerte von Mauerwerk als Grundlage zur Beurteilung der Tragfähigkeit von Mauerwerkskonstruktionen, Dissertation, TH Leipzig, 1989 [5] Empfehlungen für die Bewertung des Tragvermögens bestehender Gewölbebrücken aus Mauerwerk und Beton: UIC-Kodex; 778-3, 1. Ausgabe. Paris: Internationaler Eisenbahnverband (UIC), 1995 [6] Empfehlungen für die Inspektion, Bewertung und Instandhaltung von Gewölbebrücken aus Mauerwerk: UIC-Kodex 778-3, 2. Ausgabe. Paris: Internationaler Eisenbahnverband (UIC), 2011 [7] IRS 70778-3: Recommendations for the inspection, assessment and maintenance of masonry arch bridges, Paris: Internationaler Eisenbahnverband (UIC), 2017 [8] Krämer, A.: Beurteilung der Tragfähigkeit von bestehendem Mauerwerk, TU Dresden, 1998 (Diplomarbeit, unveröffentlicht) [9] Brencich, A., Corradi, C., Sterpi, E: Experimental approaches to the compressive response of solid clay brick masonry, 13th International Brick and Block Masonry Conference, Amsterdam, 2004 606 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Das Fugenbohrkernverfahren nach HELMERICH / HEIDEL bzw. UIC-Kodex 778-3 zur Bestimmung der Druckfestigkeit von Bestandsmauerwerk [10] Bilello, C., Brencich, A., Di Paola, M., Sterpi, E.: Compressive Strength of Solid Clay Brickwork: Calibration of Experimental Tests, 2006 [11] Bilello, C., Brencich,A., Corradi, C., Di Paola, M., Sterpi, E.: Experimental Tests and Theoretical Issues for the Identification of Existing Brickwork, 10. North American Masonry Conference, St. Luis, USA, 2007 [12] Matysek, P.: Identification of compressive strength and deformability of brick masonry in existing buildings. Ed. Cracow University of Technology, 2014 [13] Pelà, L.; Roca, P.; Benedetti, A.: Mechanical Characterization of historical Masonry by Core Drilling and Testing of cylindrical samples. International Journal of Architectural Heritage 10 (2016), Nr. 2-3, S. 360-374 [14] Sassoni E., Mazzotti C., Pagliai G., Comparison between experimental methods for evaluating the compressive strength of existing masonry buildings, Construction and Building Materials 68 (2014), S. 206-219 [15] Dürkop, P.: Vergleichsversuche zur Ermittlung der Tragfähigkeit von vorhandenem Ziegelmauerwerk, TH Lübeck, 2019 (Masterarbeit, unveröffentlicht) [16] Weydert, C.: Nachrechnung von bestehenden Mauerwerksbauwerken im massiven Verkehrswasserbau, KIT Karlsruhe, 2020 (Masterarbeit, unveröffentlicht) [17] Welker, R.: Untersuchungen zur nachträglichen Ermittlung der Tragfähigkeit von Mauerwerk, TH Lübeck, 2020 (Masterarbeit, unveröffentlicht) [18] 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 [19] Gigla, B. (2020) Bestimmung der Druckfestigkeit von vorhandenem Mauerwerk. Mauerwerk 24, H. 4, S. 215-226 [20] Bleich, F., Melan, J. (Hrsg.): Taschenbuch für Ingenieure und Architekten. Wien: Springer, 1926 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 607 Das Fugenbohrkernverfahren nach HELMERICH / HEIDEL bzw. UIC-Kodex 778-3 zur Bestimmung der Druckfestigkeit von Bestandsmauerwerk Anhang Prüfanleitung zur experimentell bestimmten Mauerwerksdruckfestigkeit an Fugenbohrkernen nach HELMERICH / HEIDEL 1. Anwendungsbereich Diese Prüfanleitung legt ein Verfahren zur Bestimmung der Druckfestigkeit von Mauerwerksverbundprüfkörpern aus Mauerwerk aus kleinformatigen Vollsteinen (Ziegel, Kalksandstein) fest. 2. Verweise auf andere Normen und Merkblätter Die folgenden zitierten Dokumente sind für die Anwendung dieses Dokuments erforderlich. • WTA Merkblatt 7-4: Ermittlung der Druckfestigkeit von Bestandsmauerwerk aus künstlichen kleinformatigen Steinen, IRB-Verlag 2021 • IRS 70778-3: Recommendations for the inspection, assessment and maintenance of masonry arch bridges, Paris: Internationaler Eisenbahnverband (UIC), 2017 • DIN EN 772-1: 2016-05 Prüfverfahren für Mauersteine - Teil 1: Bestimmung der Druckfestigkeit • DIN EN ISO 6873: 2013-07 Zahnheilkunde - Gipse 3. Kurzbeschreibung Aus dem Bauwerk entnommen Fugenbohrkerne mit besonderem Fugenbild werden in spezielle Lasteinleitungskalotten eingegipst. Die Probekörper werden nach der Vorbereitung einzeln auf die Druckplatte einer Druckprüfmaschine aufgelegt und zentriert. Es wird eine gleichmäßig verteilte Last aufgebracht, die stetig bis zum Bruch erhöht wird. 4. Symbole f ma,i experimentell bestimmte Mauerwerksdruckfestigkeit k s Spannungsverteilungskonstante k RILEM Faktor für Umrechnung Fugenbohrkern auf RILEM-Prüfkörper F max Bruchlast A mid Mittelfläche des Bohrkerns (Länge x Durchmesser) 5. Hilfsmittel und Materialien Spezielle Lasteinleitungskalotten: 2 Stücke Formkörper aus Stahl mit dem in Bild 1 dargestellten Querschnitt und einer Mindestlänge von 240 mm Bild A1: Abmessungen einer Lasteintragungskalotte Abgleichmörtel (Gips): Superhartgips Typ IV oder V nach DIN EN ISO 6873: 2013-07 6. Prüfeinrichtung Für die Druckfestigkeitsprüfung ist eine Druckprüfmaschine nach DIN EN 772-1: 2016-05 zu verwenden. Zur Konditionierung der Probekörper ist eine Wägevorrichtung, die geeignet ist, die Masse der Probekörper auf 0,1 % zu bestimmen, einzusetzen. 7. Vorbereitung der Probekörper 7.1 Probenahme Die Probenahme erfolgt aus dem Bestandsmauerwerk mittels eines an einem Ständer befestigtem Kernbohrgerätes im Nassbohrverfahren mit Diamantbohrkrone. Der Innendurchmesser der Bohrkrone muss 150 mm ± 2 mm betragen. Bei dem Ansetzen der Bohrkrone auf dem Mauerwerk muss auf ein spezielles Fugenbild geachtet werden, so dass Bohrkerne nach Bild 2 (von HEIDEL empfohlenes Fugenbild 1) und falls dies der Mauerwerksverband nicht zulässt, nach Bild 3 (Fugenbild 2 nach IRS 70778-3) entnommen werden. Bild A2: Fugenbild 1 Bild A3: Fugenbild 2 608 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Das Fugenbohrkernverfahren nach HELMERICH / HEIDEL bzw. UIC-Kodex 778-3 zur Bestimmung der Druckfestigkeit von Bestandsmauerwerk Die Bohrtiefe ist so zu wählen, dass ein Probekörper mit einer Länge von mindestens einer Steinlänge (ca. 25 cm) ohne Beschädigungen gewonnen werden kann. Die Bohrkerne sind vorsichtig zu entnehmen und für den Transport zum Labor zu sichern. Bild A4: Bohrkern zum Fugenbild 1 7.2 Zuschneiden Die Bohrkerne sind an beiden Enden (auch an der Mauerwerksoberfläche mindestens 0,5 cm) mittels einer Diamanttrennsäge im Nassverfahren gerade abzuschneiden, so dass eine ebene Seitenoberfläche entsteht. Die Prüfkörperlänge sollte etwa einer Steinlänge entsprechen. Wird bei einer Entnahme nach Bild 2 festgestellt, dass der Verband nach dem oberflächensichtigen Läufer wechselt und doch Vertikalfugen in Bohrkernlängsrichtung vorhanden sind, sind die Bohrkerne auf eine Steinbreite zu kürzen. Bild A5: Mauerwerksoberfläche vor und nach dem Zuschneiden 7.3 Konditionierung der Probekörper vor der Prüfung Die Probekörper sind auf den lufttrockenen Zustand nach den Varianten a) oder b) nach DIN EN 772-1: 2016-05, Abschnitt 7.3.2. zu konditionieren. 7.4 Bestimmung der Prüfkörpergeometrie Die Länge und der Durchmesser des Prüfkörpers sind vor dem Einbau in die Prüfmaschine zu bestimmen (auf mm genau). Die lufttrockene Masse des Prüfkörpers sollte ebenfalls bestimmt werden, um eine Fehlerbetrachtung anhand der errechneten Dichten zu ermöglichen. 7.5 Einbau der Probekörper in die Prüfmaschine Die untere Lasteintragungskalotte ist in der Prüfmaschine zu zentrieren. Anschließend wird der weichplastisch angerührte Gips in die Rundung der Kalotte eingestrichen und der Bohrkern analog seiner Einbaulage im Mauerwerk so eingedrückt, dass eine dünne Abgleichschicht aus Gips zwischen Kalotte und Bohrkern vorhanden ist (ca. 1-3 mm). Im Anschluss wird bei der zweiten Kalotte in die Rundung ebenfalls Gipsmörtel eingestrichen und 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 609 Das Fugenbohrkernverfahren nach HELMERICH / HEIDEL bzw. UIC-Kodex 778-3 zur Bestimmung der Druckfestigkeit von Bestandsmauerwerk die Kalotte um 180° verdreht von oben auf den Bohrkern aufgedrückt, so dass eine Abgleichschicht analog zur unteren Kalotte entsteht. Beide Kalotten müssen in vertikaler Richtung direkt übereinanderstehen und die Flächen, die Kontakt zu den Druckplatten der Prüfmaschine haben, müssen annähernd planparallel sein. Nach der Kontrolle der Zentrierung des Prüfkörpers in der Prüfmaschine (beide Achsen) sind die Druckplatten der Prüfmaschine so an den Probekörper heranzufahren, dass ein leichtes Andrücken der Prüfkalotten gewährleistet ist, ohne den Bohrkern wesentlich zu belasten (max. 1 kN Druckkraft). Anschließend ist eine Zeitspanne bis zu einer ausreichenden Erhärtung des Gipses abzuwarten. Die Zeitdauer hängt von dem verwendeten Gips und von der zu erwartenden Festigkeit des Mauerwerks ab (Richtwert 0,5 h). Bild A6: Aufbringen der Gipsauflage auf die untere und die obere Prüfkalotte Bild A7: Eingelegte obere Prüfkalotte 8. Durchführung der Prüfung Zu Beginn der Prüfung ist eine angemessene Belastungsgeschwindigkeit zu wählen. Die Belastung sollte so aufgebracht werden, dass der Bruch der Probe nach frühestens 60 s eintritt. Die Bruchlast ist aufzuzeichnen. Bruchbilder sollten ebenfalls dokumentiert werden. Bild A8: Prüfkörper nach der Prüfung mit typischem Rissbild 610 7. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Juli 2021 Das Fugenbohrkernverfahren nach HELMERICH / HEIDEL bzw. UIC-Kodex 778-3 zur Bestimmung der Druckfestigkeit von Bestandsmauerwerk 9. Berechnung und Darstellung der Ergebnisse Die Festigkeit jedes Probekörpers wird durch Einsetzen in Gleichung 1 oder Gleichung 2 berechnet. f ma,i = 2,3 · e (0,165∙ Fmax/ Amid) (1) für Prüfungen nach HEIDEL mit dem Fugenbild 1 f ma,i = 3,0 · e (0,165∙ Fmax/ Amid) (2) für Prüfungen nach UIC-Kodex mit dem Fugenbild 2 10. Auswertung der Ergebnisse Die Auswertung der Ergebnisse erfolgt nach den Vorgaben des WTA Merkblattes 7-4: Ermittlung der Druckfestigkeit von Bestandsmauerwerk aus künstlichen kleinformatigen Steinen. 11. Prüfbericht Der Prüfbericht muss folgende Angaben enthalten: • Hinweis auf diese Prüfanleitung • Name der durchführenden Stelle • Datum der Prüfung • Herkunft der Bohrkerne (Objekt, Bauteil, konkrete Bohrkernentnahmestelle) • Datum der Anlieferung der Bohrkerne bei der Prüfstelle • Foto der Probekörper • Bruchlast, in kN, sowie die Maße jedes Probekörpers, in mm • Druckfestigkeit der Probekörper in N/ mm², auf 0,1 N/ mm² gerundet gegebenenfalls Bemerkungen.
