9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 35 Holzfeuchteermittlung an Flachdächern mit Mikrowellentechnologie Anwendung, Grenzen, Aussagekraft am Beispiel der „Neuen Mensa Moltke“ in Karlsruhe Diplom-Holzingenieur Reiner Klopfer holz_ansicht, Gleiszellen Rheinland-Pfälzisch Technische Universität Kaiserslautern (RPTU) Zusammenfassung Flachdächer in Holzbauweise erfreuen sich vor allem im Gewerbebau über eine große Beliebtheit und bieten viele Vorteile. Aufgrund seiner Dachkonstruktion ist das Flachdach im Gegensatz zum Steildach jedoch anfälliger für Undichtigkeiten und infolgedessen möglichen Wasserschäden. Am Beispiel der Flächenvermessung des Flachdaches (Hohlkastenelemente aus Furnierschichtholzplatten [Laminated Veneer Lumber LVL]) an der „Neuen Mensa Moltke“ werden die Möglichkeiten des Messprinzips an Holzbauelementen aufgezeigt sowie Einflussfaktoren und Anwendungsgrenzen dargestellt. Hierdurch konnten flächendeckend die Feuchteverhältnisse am Dachwerk und den Holzbauwänden erfasst und der Schadensumfang dokumentiert werden. Auf dieser Grundlage wurde die anstehende, umfangreiche Instandsetzung am Holztragwerk geplant. 1. Die „Neue Mensa“ Molke in Karlsruhe Die sogenannte „Neue Mensa“ in der Moltkestraße in Karlsruhe (Abb. 1) wurde am 1. März 2007 in Betrieb genommen. Den Wettbewerb für das Gebäude konnte der Berliner Architekt Jürgen Hermann Mayer im Januar 2004 für sich entscheiden. Das Gebäude besteht aus einen Stahlbetonkern, Dach und Fassaden wurde als Holzbau konzipiert, die Wände sind größtenteils als Fachwerke mit großen „Stäben“ aus Hohlkästen konzipiert. Diese gedämmten Hohlkästen sind aus Brettschichtholzträgern mit Beplankungen aus Brettsperrholzplatten errichtet. Das in zwei Richtungen flach geneigte Pultdach ist aus weit gespannten und ausgedämmten Hohlkastenträgern aus Furnierschichtholz ausgeführt. Alle äußeren Holzoberflächen sind mit einer Polyurea Spritzbeschichtung als Abdichtung versehen [2], Teile der Dachfläche sind begrünt. Abb. 1: Außenansicht der Mensa Moltke Einige Zahlen: Hauptnutzfläche: 1583 m² Bruttogeschoßfläche: 3008 m² Dachfläche: ~ 1600 m² Sitzplätze: 460 Essensausgabe: ~ 1800 / Tag Gesamtbaukosten: ~ 7,2 Mio. € Das Gebäude erhielt zahlreiche Auszeichnungen und wurde in der Fachliteratur lobend dargestellt [1]. Das Modell des Gebäudes steht als permanente Ausstellung im Museum Of Modern Art (MOMA) in New York. 2. Anlass der Feuchtemessungen Immer wieder kam es nach der Inbetriebnahme an einigen Stellen zum Eindringen von Wasser, insbesondere im Bereich der Küche und der technischen Einrichtungen. Bedingt durch die direkt beschichtete Konstruktion war eine Prüfung von außen und oben in der Regel nicht möglich. Es erfolgten kleinere, lokale Prüfungen an Teilöffnungen, bei denen Feuchte- und Pilzschäden festzustellen waren. 2017 - 10 Jahre nach der Eröffnung erfolgte die erste größere Untersuchung und Feuchteermittlung an einem Teilstück des Dachwerkes. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse, die nur lokale Aussagen zuließen, haben wir vorgeschlagen, eine systematische Ermittlung der Holzfeuchte am Dachwerk und an Teilen der Fassaden durchzuführen. Dafür erschien die zerstörungsfreie Mikrowellentechnik in einem festen Messraster als geeignet. 36 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 Holzfeuchteermittlung an Flachdächern mit Mikrowellentechnologie 3. Mikrowellenfeuchtemessungen 3.1 Messprinzip Mikrowellen-Feuchtemessverfahren gehören zu den dielektrischen Messverfahren. Die dielektrische Funktion (Dielektrizitäts-Kennzahl DK) gibt die Durchlässigkeit für elektrische Felder an. Wasser besitzt eine relative DK von etwa 80, die relative DK der meisten Feststoffe ist wesentlich kleiner, bei vielen Baustoffen zwischen 3 und 6. Die DK ist frequenzabhängig, bei niedrigen Frequenzen können die Wasser Dipole dem wechselnden Feld folgen, bei höheren Frequenzen tritt eine Phasenverschiebung zwischen dem elektrischen Feld und der Polarisation der Wassermoleküle auf, es kommt zu dielektrischen Verlusten. Bei der Messung wird der Mikrowellenreflexionsfaktor bestimmt, bei dem die Unterschiede zwischen der ins Material hineinlaufenden elektromagnetischen Welle und der vom Material reflektierten Welle erfasst werden und sich aus der Dämpfung der Amplitude und der Phasenverschiebung ergeben. Der Reflexionsfaktor ist proportional zur Feuchte und weist eine hohe Stabilität gegen störende Einflüsse wie z. B. Temperatur oder leitfähige Salze auf [4] [5]. In erster Linie wird lediglich der Unterschied zwischen feucht und trocken gemessen, die Messwerte können baustoffabhängig kalibriert werden. In den meisten Fällen werden Relativmessungen durchgeführt bei denen die feuchteabhängige Mikrowellenreflexion gemessen und mit einer dimensionslosen Zahl angegeben wird. 3.2 Einflussfaktoren In homogenen Materialen bedeutet ein hoher Ablesewert auch eine hohe Feuchte. Handelt es sich um ein poröses Material (Hochlochziegel, Holz) und/ oder sind verschiedene Schichten miteinander verbunden, ergeben sich innerhalb des Messgutes Reflexionen. Um die Ergebnisse besser interpretieren zu können, sind daher immer Referenzmessungen in trockenen Materialien durchzuführen. Andere Materialien, wie Dämmstoffe (hier in den Hohlkastenelementen vorhanden), Kunststoffe (hier die Polyureabeschichtung) oder Metallteile (hier als Schrauben- Pressklebung) können die Messungen beeinflussen. Bei den Messungen ist es notwendig, dass der Messkopf möglichst plan auf dem Messgut aufliegt. Das war bei den beschichteten Holzplatten in der Regel möglich, bei bereits vorhandenen Reparaturstellen an der Beschichtung war dies nicht immer gegeben. Da die Einflussfaktoren auf Holz bekannt sind wurden im Vorfeld von holz_ansicht orientierende Versuche mit Furnierschichthölzern (LVL-Platten und -Stege) durchgeführt, die als Stege mit darüber liegenden Platten angeordnet und mit verschiedenen Kunststofffolien belegt wurden. Die so angeordneten Hölzer wurden normalklimatisiert (20 °C, 65 % rH) und wassergesättigt (ca. 1 Tag im Wasserbad gelagert) gemessen. Hier konnten eindeutige Messunterschiede zwischen den normalklimatisierten und den wassergelagerten Hölzern reproduzierbar gemessen werden. 3.3 Durchführung der Messungen Das Messsystem besteht aus den Komponenten Messköpfe, Handgerät und Auswertesoftware. Eingesetzt wurden zwei verschiedene Messköpfe, die eine Oberflächenmessung (~ 3 cm) und eine Tiefenmessung (~ 25 cm) ermöglichten (Abb. 2). Für die vielen Messungen auf der Dachfläche wurde eine Halterung gebaut, an der das Handgerät befestigt und an dem die Messköpfe flexibel gelagert angebracht waren (Abb. 3). Abb. 2: Skizze der Messpunkte mit Oberflächenmesskopf (O) und Tiefenmesskopf (T) an einem Ausschnitt der Hohlkastenelemente. Abb. 3: Messkopf mit individueller Winkelanpassung an die Halterung. 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 37 Holzfeuchteermittlung an Flachdächern mit Mikrowellentechnologie Abb. 4: Dachaufsicht, grün: einzelnes Messfeld mit 4 Hohlkastenelementen, rot: angelegtes Messraster von 60 cm. Das gesamte Dach wurde in 14 Messfelder eingeteilt, in denen jeweils die Einzelmessungen durchgeführt wurden. Die Rasterpunkte wurden so eingemessen, dass die Messungen immer im Bereich der Stege stattfanden. In der Regel wurde das Generalraster von 60 cm gewählt (einige Bereiche wurden ergänzend mit einem 30 cm Raster vermessen), da somit auch alle Stege, die ebenfalls in einem 60 cm Abstand in den Deckenhohlkastenelementen angeordnet sind, in dem quadratischen Raster erfasst werden konnten (Abb. 4). Die im Handgerät erfassten Daten wurden vor Ort auf einen mobilen Rechner übertragen und über die Software auf Vollständigkeit und Plausibilität geprüft. Bei den einzelnen Messungen wurde darauf geachtet, dass die Messköpfe immer plan auf der Oberfläche aufliegen, bevor die Speicherung erfolgte. Eine erste Kontrolle der Messwerte erfolgte am Handgerät, bei nicht plausiblen Werten wurde die Einzelmessung sofort wiederholt. Auch wenn sich eine Vielzahl von Schrauben auf der Beschichtung abzeichnete, wurde bei der Messung darauf keine Rücksicht genommen. Es unterlag daher dem Zufall, ob eine Messung auf den Schrauben oder dazwischen stattfand. Daher kann es bei einzelnen Messpunkten durchaus zu Messwertveränderungen durch die Schrauben gekommen sein. Für die Interpretation der Ergebnisse spielen einzelne Abweichungen jedoch keine entscheidende Rolle. 4. Ergebnisse der Messungen 4.1 graphische Darstellung Die mit einem Handgerät in den einzelnen Messfeldern (60 x 60 cm Raster) erfassten Messdaten wurden mit der Software „Moist-Analyse“ tabellarisch und grafisch ausgewertet. Damit ergaben sich für die einzelnen Messfelder „Feuchtebilder“ die im Dachgrundrissplan zusammengesetzt wurden. Neben den Feuchtebildern wurden in den Plänen die einzelnen Hohlkastenelemente, Reparaturstücke der Beschichtungen und Dachauf bauten dargestellt. Damit konnten die relativen Feuchteverhältnisse für die gesamte Dachfläche ablesbar gemacht und Bereiche an den Messungen nicht möglich waren, dargestellt werden [7]. Dabei zeigten die Tiefenmessungen im Vergleich zu den Oberflächenmessungen die aussagekräftigeren Ergebnisse. Hohe Feuchtewerte wurden in der Regel nur an den Plattenstößen der 180 cm oder 240 cm breiten Hohlkastenelemente festgestellt (Abb. 5, 6). An den Rastermessungen der Stege innerhalb der einzelnen Hohlkastenelemente konnten in der Regel keine hohen Feuchtewerte festgestellt werden. 38 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 Holzfeuchteermittlung an Flachdächern mit Mikrowellentechnologie Abb. 5: Auswertung der Rastermessungen der Tiefensonde. Die dunkelblauen Bereiche mit hohen Holzfeuchtewerten sind vor allem an Plattenstößen zu finden. Abb. 6: Detailausschnitt des Messfeldes 5 mit hohen Feuchtewerten an den Plattenstößen (dunkelblau). 4.2 Evaluierung Die nach den Rasterfeuchtemessungen durchgeführten Kontrollen mittels punktuellen Freilegungen, Probeentnahmen und Feuchtemessungen nach der Darrmethode (wiegen, trocknen, wiegen) [6] bestätigten an allen, über das gesamte Dachwerk durchgeführten, Stellen, dass hohe „Mikrowellenmesswerte“ immer auch hohe bis sehr hohe reale Holzfeuchtewerte (> Fasersättigung = 30 % bis deutlich über 100 %) darstellen. Abb. 7: Teil der Proben zur Evaluierung der Feuchte mittels Darrmethode 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 39 Holzfeuchteermittlung an Flachdächern mit Mikrowellentechnologie Aus den einzelnen „Mikrowellenmesswerten“ lassen sich keine direkten realen Holzfeuchtewerte für die LVL-Platten und die LVL-Stege ableiten, da die Rasterfeuchtemessung mit den Volumenmessköpfen einen relativen Feuchtewert im Messvolumen angibt. Das Messvolumen beinhaltet neben der Polyureabeschichtung die LVL- Deckplatte, den LVL-Steg und auch Teile der Mineralfaserdämmung. Obwohl die Messbedingungen (möglichst plane Oberflächen) an zahlreichen Reparaturstellen der Beschichtungen an den Plattenstößen nicht immer optimal waren, konnten hier dennoch plausible Messwerte erzeugt werden. Ein Einfluss von Schrauben der Schraubenpressklebungen der Hohlkastenelemente konnte nicht festgestellt werden. Die Übersicht der Messungen zeigte, dass nicht an allen Plattenstößen hohen Feuchtewerte ermittelt wurden, obwohl alle Elemente mit Schrauben-Pressklebungen gefertigt wurden. Daher hat der mögliche, punktuelle Einfluss der Schrauben auf die einzelne Messung zu keiner systematischen Beeinflussung der Messergebnisse geführt. Im Rahmen der nun angelaufenen Instandsetzung wurden die oberen, beschichteten LVL-Platten und die Mineralfaserdämmungen ausgebaut. Somit war eine nachträgliche visuelle Kontrolle der Hohlkastenelemente möglich. An nahezu allen Stößen mit hohen gemessenen Feuchtewerten konnten Pilzschäden, dunkle Verfärbungen, Schimmelpilze oder Wasserränder festgestellt werden. Nur an wenigen, einzelnen Stellen mit hohen gemessenen Feuchtewerten waren visuell keine Auffälligkeiten vorhanden. Das könnte darin begründet liegen, dass die Holzbauteile zwar durchfeuchtet waren, sich aber zeitlich bedingt noch keine weiteren Folgeschäden (Schimmelbildung, Holz zerstörende Pilze) eingestellt haben. 4.3 Konsequenzen und Maßnahmen Bereits vor den Messungen wurde auf Grund des unklaren Zustandes die Dachbegrünung beräumt (Dachlast), und ein Notdach vor dem Winter über das Gesamte Gebäude errichtet (Vermeidung von Schneelasten seit 2017/ 2018). Die über die flächendeckendeckenden Rasterfeuchtemessungen festgestellten hohen Feuchtewerte an den Plattenstößen der Hohlkastenelemente betrafen große Teile des Dachwerkes. Damit wurden auch die erwarteten Feuchtewerte der Bemessung für die Nutzungsklasse SC1 (max. SC2) überschritten. Durch punktuelle Freilegungen wurden zudem Bereiche mit Pilzschäden diagnostiziert, welche die Tragfähigkeit der Bauelemente reduzierte. Von den LVL-Hohlkasten Dachelementen waren davon knapp 70 % betroffen (Abb. 8). Daher wurde entschieden, alle Dachelemente auszutauschen. Auch einige große Teile an der westlichen und der nördlichen Fassade sind zu tauschen oder zu reparieren. Abb. 8: die rot markierten Dachelemente sind die mindestens auszutauschenden Bauteile. 40 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 Holzfeuchteermittlung an Flachdächern mit Mikrowellentechnologie Die Instandsetzungsmaßnahme mit der seit 2017/ 2018 bestehenden Einhausung und dem Interimsbau für den Weiterbetrieb der Mensa wird auf ~ 6 Mio. € geschätzt. 5. Resümee und Ausblick Mit der Mikrowellen-Rastermessung konnten die vorhandenen Feuchteverhältnisse der Hohlkastenelemente aus Furnierschichthölzern zuverlässig festgestellt werden. Die Methode ist zerstörungsfrei und kann die relativen Feuchtewerte und Feuchteunterschiede reproduzierbar erfassen. Es empfiehlt sich über geeignete Vorversuche die „echten“ Feuchtwerte zu ermitteln, um die Interpretation der gemessenen Feuchtewerte zu erleichtern. Die Funktionsfähigkeit dieser Dachkonstruktion hängt entscheidend von einer funktionierenden Dachabdichtung der Polyureabeschichtung und einer funktionierenden Dampfsperre im Inneren ab. Daher ist diese Konstruktionsweise als sehr risikobehaftet zu bezeichnen. Daher wäre es bei einer solchen experimentellen Konstruktion sinnvoll gewesen, ein geeignetes Feuchtemonitoring zu etablieren. Bei der nun begonnenen Instandsetzung wird der Dachauf bau mit einer zusätzlichen, hinterlüfteten Dachhaut ausgeführt. Von einem „ansprechenden Ort der Begegnung“ und einem „architektonisch gelungenen Gebäude“ schrieb seinerzeit der zuständige Wissenschaftsminister Peter Frankenberg. Von „Verstoß gegen allgemein anerkannte Regeln der Technik“ berichtet dagegen im Jahr 2023 der Landesrechnungshof. (Zitat aus „Die Rheinpfalz“, 19.09.2023, Autor Stefan Jehle) Literatur [1] Ballhausen, N..: Struktur oder Stuck - Mensa in Karlsruhe Bauwelt Heft 8 2007, S. 19-27 [2] Schmid, V. et al.: Hybride Holzkonstruktionen mit Polyurethan, Abschlussbericht zum Forschungsprojekt Nr. 10033032, Zukunft Bau, Fraunhofer IRB Verlag, 2015 [3] Ruppert, C.: Mangelhafte Planungen - Beispiel Neubau der Mensa Moltkestraße in Karlsruhe, Denkschrift 2023 zur Haushalts- und Wirtschaftsführung des Landes Baden-Württemberg, Rechnungshof, S 168 [4] Indefrey, A.: Mikrowellenverfahren zur Feuchtemessung, Lehrstuhl für Zerstörungsfreie Prüfung an der TUM, ZfP-WIKI, https: / / collab. dvb.bayern/ display/ TUMzfp/ Mikrowellenverfahren+zur+Feuchtemessung [5] Göllner, A. Mikrowellen-Feuchtemessung in Schichtaufbauten, Fachtagung Bauwerksdiagnose 2024, Berichtsband DGZfP-BB 181, Manuskript P14 [6] DIN EN 13183-1: 2002-07: Feuchtegehalt eines Stückes Schnittholz - Teil 1: Bestimmung durch Darrverfahren, Deutsches Institut für Normung e.V., Berlin 2002 [7] Klopfer, R.: Bericht über die sachverständige großflächige Prüfung der Holzfeuchte an der „Mensa Moltke“, holz_ansicht 2018