9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 263 Expressionistisches Schulbauwerk aus Eisenbeton und Holz Zustandsanalyse der Tragkonstruktion durch zerstörungsfreie Bestandsuntersuchungen Dr.-Ing. Andreas Hasenstab Ingenieurbüro Dr. Hasenstab GmbH, Augsburg Dipl.-Ing. Raphael Schreiber panta ingenieure GmbH, Hamburg Dipl.-Ing. Konrad Zorzi IPG Instandsetzungsplanungs GmbH, Ergolding Zusammenfassung Das expressionistische Schulhaus in der neuen Eisenbetontechnik aus dem Jahre 1911 stellt ein kunsthistorisches Kleinod dar. Seit Jahren erfüllt das Bauwerk seinen Schuldienst und hat tausenden Kinder einen schönen Ort zum Lernen gegeben. Das Bauwerk soll einer notwendigen Generalsanierung unterzogen werden. Im Zuge derer sind die Planungen für einzelne Umbauten am Tragwerk und eine Zustandsanalyse der Tragkonstruktion hinsichtlich einer Weiternutzung der Tragkonstruktion vorgesehen. Aufgrund der auf die Ferienzeiten beschränkten Möglichkeit für Sondagen wurden weitestgehend zerstörungsfreie Bauwerksuntersuchungen vorgesehen. Der Umfang der zu untersuchenden Bereiche wurde mit der Tragwerksplanung festgelegt und die Lage der einzelnen Untersuchungsbereiche mit dem Nutzer abgestimmt. Die zerstörungsfreien Untersuchungen haben den Vorteil, dass sehr große Bereiche relativ schnell ohne Schädigung des Denkmals (im laufenden Betrieb der Schule ohne Beeinträchtigung) untersucht werden können. So konnte frühzeitig die grundsätzliche Konstruktion des Tragwerks und die grundsätzliche Übereinstimmung mit den Bestandsunterlagen festgestellt werden. Auf dieser Basis wurde im Nachgang die Lage von erforderlichen Sondagen (Bauteilöffnungen) und Bohrkernen für die Ferienzeiten festgelegt und eng mit dem Nutzer abgestimmt. Zum Einsatz kamen an der Betonkonstruktion die zerstörungsfreien Prüfverfahren Radar (elektromagnetisch), Bewehrungsortung und Rückprallhammer, an der Holzkonstruktion Bohrwiderstand und Feuchtemessung. Ergänzt wurden die Untersuchungen an Beton durch Sondagen und Bohrkernentnahmen für Druckprüfungen. Mit den Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass sich das Bauwerk in einem relativ guten Zustand befindet. Basierend auf den Ergebnissen dieser Untersuchungen konnte der Umfang der erforderlichen Instandsetzungsmaßnahmen im Zuge der Entwurfsplanung der Tragwerksplanung abgeschätzt und eine grundsätzliche Weiternutzbarkeit des Bauwerks gezeigt werden. 1. Tragkonstruktion des Gebäudes Das Schulgebäude wurde in Nürnberg 1909 in Eisenbeton erstellt. Während des hier beschriebenen Untersuchungszeitraums sind in dem einfach unterkellerten viergeschossigen Gebäude mit Satteldach eine Grundschule und eine Mittelschule untergebracht. Das L-förmige denkmalgeschützte Bestandsgebäude mit einer Höhe von ca. 32 m besteht aus zwei Flügeln, mit den Abmessungen von ca. 63 x 20 m bzw. ca. 47 m x 19 m. Dachkonstruktion: Beim Dachtragwerk handelt es sich um ein Pfettendach mit Gauben in Holzbauweise und einer Eindeckung aus einem Biberschwanzdach in doppelter Deckung. Der Glockenturm und die Nebentürme sind als Holzkonstruktion mit Ausfachungswänden aus Beton hergestellt. 264 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 Expressionistisches Schulbauwerk aus Eisenbeton und Holz Abb. 1: Grundriss Schulgeschoss aus dem Jahr 1909 Tragwerk Massivbau: Sämtliche Innen- und Außenwände sind überwiegend übereinanderstehend und in Mauerwerk ausgebildet. Die Eisenbetondecken über den Fluren spannen mit einer Stärke von ca. 13 cm einachsig in Querrichtung über ca. 4,00 m, an den Auflagern sind diese gevoutet und in den massiven Wänden eingespannt. Die Klassenzimmer sind insgesamt ca. 10,50 x 7,00 m groß. Die Decken sind als Eisenbetonplattenbal-kendecke mit einer in über 5 Felder mit je ca. 2,00 m spannenden ca. 8 cm starken Durchlaufplatte, die von den in Querrichtung über ca. 7,00 m spannenden Einfeldträgern b/ h = 25/ 30 gehalten wird. 2. Aufgabenstellung Tragwerksplanung Ziel der Tragwerksplanung ist eine weitestgehende Weiternutzung des Bestandstragwerks bei unveränderter Nutzung und Belastung unter Ansatz des Bestandsschutzes. Nicht angesetzt werden kann der Bestandsschutz bei: - Fehlerhafter Ausführung - Mangelhaften Materialien - Äußeren die Dauerhaftigkeit beein-trächtigende Einflüsse Im Zuge der Entwurfsplanung der Tragwerksplanung wurden zur Schaffung einer statisch belastbaren Basis für die Bewertung der Resttragfähigkeiten die hier beschriebenen umfassenden und systematischen Bauteiluntersuchungen mit Schwerpunkt auf der Untersuchung der Deckenbauteile in Abstimmung mit dem Bauherren und unter Berücksichtigung der Belange des Schulbetriebs durchgeführt. Abb. 2: Schulhaus 2022 Die Untersuchungen des Schulhauses in Eisenbetonbauweise mit hölzernem Dachstuhl wurden durch panta Ingenieure tragwerksplanerisch begleitet und die Messbereiche für die späteren Planungen festgelegt. Abb. 3: Plan mit Lage der Messbereiche 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 265 Expressionistisches Schulbauwerk aus Eisenbeton und Holz Die zerstörungsfreien Untersuchungen wurden vom Ingenieurbüro Dr. Hasenstab und der IPG durchgeführt und ausgewertet. 3. Zerstörungsfeie Prüfung im Bauwesen Seit einigen Jahren werden unterschiedliche zerstörungsfreie Prüfverfahren (zf P) zur Untersuchung von Bauwerken eingesetzt. Hierbei können die Baustoffe Beton, Holz, Stahl oder Mauerwerk untersucht werden. Das Ziel einer Anwendung der Zf PBau-Verfahren ist: zerstörungsfreie Bauwerksuntersuchung • frühes Erkennen und Eingrenzung von Schäden • Kostenabschätzung bei Instandsetzung durch Kenntnisse über das Bauwerk • zerstörungsfreie Dokumentation und Integritätsprüfung des Bauteilzustandes • Erkundung wenn Pläne fehlen etc. 4. Messverfahren Zur zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen werden unterschiedliche Verfahren eingesetzt. Einen groben Überblick der Verfahren kann der folgenden Tabelle (und der Literatur) entnommen werden. Tabelle 1: zerstörungsfreie Prüfverfahren im Bauwesen (ZfPBau) Elektromagnetische Verfahren: • Radar • Thermographie (passiv/ aktiv) • Röntgen • Wirbelstrom, • Remanenzmagnetismus Akustische Verfahren: • Ultraschallecho • Impact Echo Sonstige Verfahren: • Bohrwiderstand • Rückprallhammer • Endoskopie • Potentialfeldmethode • Bohrkerne • Unter-Wasser- Drohne Ein geübter Umgang mit den Verfahren ist unbedingt erforderlich - nur so können gute Messergebnisse erzielt werden. 4.1 Messverfahren Radar (auch Impulsradar, Georadar) Das Radarverfahren ist ein elektromagnetisches Verfahren und ist vielfältig einsetzbar (siehe folgende Tabelle). Besonders können Metallbauteile, aber auch Strukturen im Inneren von Mauerwerk oder unter Bodenplatten etc. untersucht werden und die Anzahl der zerstörenden Sondagen stark reduziert werden. Eine Optimierung der Untersuchungstiefe und Messauflösung ist auch durch eine Kombination von unterschiedlichen Radarantennen mit unterschiedlichen Messfrequenzen möglich. Tabelle 2: Anwendungsmöglichkeiten des Radarverfahrens Die physikalischen Grenzen des Radarverfahrens werden durch eine zu hohe Materialfeuchte oder Abschirmung durch Metall (Alufolie in Dämmung/ zu enge Bewehrung) definiert. 4.2 Messverfahren (Schmidt-) Rückprallhammer Mit dem Rückprallhammer kann die Beton-Druckfestigkeit der oberflächennahen Schicht bestimmt werden. Untersuchungen am karbonatisierten Beton ergeben zu hohe scheinbare Druckfestigkeiten - hier muss die Druckfestigkeit abgemindert werden. Exakte Druckfestigkeiten können mittels Druckversuch an einem Bohrkern (50mm) bestimmt werden. Für vergleichenden Messungen die Homogenität des Betons ist das Verfahren sehr gut untersucht werden. Abb. 4: Rückprallhammermessung an einer Brücke 4.3 Messverfahren Bohrwiderstand Das Verfahren dient zur punktuellen Untersuchung von Holz. So können Bauteilabmessungen (gleichmäßige Dicke, Aussparungen) sowie inneren Schäden (Hohlstellen, breiten Rissen parallel zur Oberfläche, Fäulnis, ausgeprägter Insektenbefall) detektiert werden. Bei dem Bohrwiderstandsverfahren wird eine dünne Bohrnadel (3mm) mit konstantem Vorschub in das zu untersuchende Holz gebohrt. Bei ungeschädigtem Holz wird so ein hoher Bohrwiderstand gemessen - hingegen bei Fäulnis oder einer Hohllage ein geringer/ kein Widerstand. Für weitere Entscheidungen können so Restquerschnitte bei Schäden für die statische Berechnung bestimmt werden. 266 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 Expressionistisches Schulbauwerk aus Eisenbeton und Holz 4.4 Feuchtemessung Die Bauteilfeuchte ist oft von großer Bedeutung, um Schadensmechanismen besser verstehen zu können. Bei Holz kann es bei einer zu hohen Materialfeuchte zu Fäulnis kommen. Die Feuchtemessung am Material erfolgt über eine • direkte Widerstandsmessung mittels Schlagelektroden in die Bauteiloberfläche bzw. Bohrungen (oft bei Holz) • indirekt kapazitiv mittels Vergleichsmessungen (oft bei Putz/ Beton) • direkt durch Bohrmehlentnahme und Darrmethode 4.5 Endoskopie Mittels Endoskopie können Löcher oder Hohlräume untersucht werden. Anwendung: Treffer bei Bohrungen in Spannbinder; Ausdehnung von Hohllagen/ Zwischenböden und deren Zustand; Salzwasser in Verdrängungskörpern 5. Untersuchung des Bauwerks Die Untersuchungen des Bauwerks werden folgen nach Bauteilbereichen gegliedert. Die Untersuchungen wurden am Bauwerk mit Radar, Wirbelstrom, Bohrwiderstand, Feuchtemessung und Rückprallhammer an den - mit der Tragwerksplanung abgestimmten Bereichen - vorgenommen. 5.1 Deckenuntersuchungen Die Zustandsanalyse der sehr filigranen Eisenbeton-Plattenbalkendecken war als Grundlage für die Weiternutzbarkeit ein Untersuchungsschwerpunkt. Hierbei wurden die Betondecken in vielen Gängen in mehreren Etagen und mehreren Klassenräumen großflächig mit Radar untersucht, um einen besseren Eindruck über die Konstruktion zu erlangen. Abb. 5: Radarmessung im Flur in Längs- und Querrichtung Abb. 6: Radarmessungen; oben: dem Gang entlang, teils unterschiedlicher Auf bau; unten: im Klassenzimmer, Querträger gut zu erkennen 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 267 Expressionistisches Schulbauwerk aus Eisenbeton und Holz Mit den Ergebnissen der Radarmessungen konnten auffällige und unterschiedliche Konstruktionsbereiche sowohl in den Klassenräumen wie in den Gängen unterschieden werden und Stellen für genauere Untersuchungen definiert werden. Die exakte Tiefenlage und Position der oberflächennahen Bewehrung wurde mittels Bewehrungsortungsgeräten bestimmt. Abb. 7: Bewehrungsortung, Estrich entfernt, da geringe exakte Messtiefe von 7-10cm Abb. 8: Ergebnis Bewehrungsortung (teils leicht schräger Verlauf der Eisen und variierende Deckung) Durch Sondagen konnte die Bewehrungsführung und der Erhaltungszustand der Bewehrung ermittelt werden. Ebenso konnten die Ergebnisse der Bewehrungsortung mit den vor Ort festgestellten Betondeckungen und Durchmessern verifiziert werden. Abb 9: Sondage (Bauteilöffnung) mit Eisen Weiter wurde die Lage der vielen Bohrkerne festgelegt. Abb. 10: Bohrkernlöcher im Klassenzimmer Abb. 11: entnommener Bohrkern mit Estrich Die entnommen Kerne wurden bei der KIWA in Gersthofen einer zerstörenden Druckprüfung unterzogen. 268 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 Expressionistisches Schulbauwerk aus Eisenbeton und Holz Abb. 12: Bohrkern bei der Druckprüfung bei der KIWA Abb. 13: Untersuchung von Loch mittles Endoskopie neben unzureichend verfülltem Bohrkernloch in Klassenzimmer Mit den Ergebnissen konnten die Pläne verifiziert werden und mit den Materialwerten war eine statische Nachrechnung möglich. 5.2 Treppenhaus Das Treppenhaus wurde aus kunsthistorisch sehr wertvollem Sichtbeton erstellt und eine zerstörende Beprobung war nicht möglich . Abb. 14: kunsthistorisch wertvoller gestockter Sichtbeton im Treppenhaus Die Lage der vorhandenen Eisen wurde mit Wirbelstrom bestimmt. Die Betontruckfestigkeit wurde zerstörungsfrei mittels Rückpragprallhammer vorgenommen. Abb. 15: Rückprallmessungen im Treppenhaus Untersuchungen zur Vorbereitung der Betonoberfläche ohne sichtbetonschädigenden Korund-Schleifstein wurden im Vorfeld an mehreren historischen Betonbauwerken (Bunkern am Atlantikwahl in Frankreich) wissenschaftlich getestet und optimiert. Abb. 16: Ergebnisse der Rückprallmessung mit hoher Betonfestigkeit 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 269 Expressionistisches Schulbauwerk aus Eisenbeton und Holz 5.3 Wandaufbau Weiter wurde der Wandauf bau in mehreren Etagen beprobt bzw. untersucht. Aufgrund der eingeschränkten Zugänglichkeit und fehlender Bestandsunterlagen musste im Bereich der teilweise in Beton ausgeführten Mansarddächer die vollständige Konstruktion von außen untersucht werden. Abb. 17: Beprobung von Mörtel und Ziegel Abb. 18: Ziegelprobe beim Druckversuch bei der KIWA An den Betonwänden wurde mit dem Rückprallhammer die Betondruckfestigkeit bestimmt und mit dem Hubsteiger von außen an, vom Dachdecker vorbereiteten stellen, die Wand untersucht. Abb. 19: Hubsteiger zur Untersuchung der Betonwand Abb. 20: Betonwand unter Dachziegeln Die Untersuchungen ergaben, dass die Betonwand eine ausreichende Festigkeit und keine Schäden aufwies. 270 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 Expressionistisches Schulbauwerk aus Eisenbeton und Holz 5.4 Dachstuhl Der Dachstuhl des Schulhauses besteht aus zwei Flügeln und einem Glockenturm mit mehreren Erkern. Eine Vielzahl von Stellen, wo Schäden an der Dachkonstruktion vorliegen könnten. Abb. 21: oben: Foto eines kleinen Teils des Dachstuhls, unten: Plan eines Flügels mit Untersuchungsbereichen Der Dachstuhl wurde in mehreren Durchgängen sehr intensiv untersucht. Die Untersuchungen ergaben teils Schäden, die dann genau untersucht und so eingegrenzt werden konnten. Vorgehen der Untersuchung: Schadensaufmaß und Dokumentation von Verformungen der Konstruktion (fehlende Dübel, beschädigte Verbindungen), Umbaumaßnahmen der letzten hundert Jahre). Abb. 22: Verformungen an Anschluss Abb. 23: Entfernungen/ Änderungen der Konstruktion Visuelle Untersuchung der Hölzer auf Schäden Prüfen der Dacheindeckung auf Schäden (Wasser kann Holzschäden verursachen) Abb. 24: Silikon als Dachsanierung geht immer schief! Wasser dringt ein und schädigt Holz Abb. 25: Mazeration an Hölzern (chemische Auflösung der Holzstruktur), nur wenige Millimeter Abb. 26: Verfärbungen durch Wasser -> Feuchtemessung -> nun trocken-> historischer Schaden 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 271 Expressionistisches Schulbauwerk aus Eisenbeton und Holz Holzfeuchtemessungen In Auffälligen Bereichen (Schäden der Dachentdeckung) Abb. 27: Holzfeuchtemessung, hier 15,4 % Abb. 28: Holzfeuchtemessung, hier 74,3 % >> 20 %, Fäulnisgefahr Bohrwiderstandsmessung bei Verdacht auf Schäden (Restquerschnittbestimmung, Eingrenzen von Schäden, Nachweis von ungeschädigten Bereichen) Abb. 29: Bohrwiderstandsmessung Abb. 30: viele Messpunkte der Bohrwiderstandsmessung -> eingrenzen des Schadens möglich Abb. 31: Ergebnis einer Bohrwiderstandsmessung; geringer Widerstand verursacht durch Schädigung Mit den sehr intensiven Untersuchungen konnten vorhandenen Schäden im Dachstuhl aufgenommen und in den weiteren Planungen im Zuge der Generalsanierung berücksichtigt werden. 6. Zusammenfassung Im Beitrag konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, mittels den zerstörungsfreien Messungen mit Radar, Bohrwiderstand, Feuchtemessung, Wirbelstrom und Rückprallhammer die Beton- und Holzstruktur des Baudenkmals relativ großflächig zu untersuchen, um mit diese Daten eine fundierte Grundlage für die Tragwerksplanung zu schaffen. Mit den umfangreichen Untersuchungen konnten zerstörungsfrei (in laufender Nutzung ohne Beeinträchtigung des Schulbetriebs) viele Erkenntnisse und belastbare Daten über das Bauwerk erlangt werden. Auf bauend auf diese Erkenntnisse konnten (in den Ferien) gezielte Sondagen angelegt werden und Bohrkerne entnommen werden. So war es möglich den Deckenauf bau mit Radar sehr gut zu untersuchen. Die Untersuchungen des Dachstuhls ergaben einige geschädigte Bereiche die eingegrenzt werden konnten. Auf bauend auf diesen Ergebnissen konnte gezeigt werden, dass eine Weiternutzung großer Teile der Tragkonstruktion möglich ist. 272 9. Kolloquium Erhaltung von Bauwerken - Februar 2025 Expressionistisches Schulbauwerk aus Eisenbeton und Holz Es ist eine große Freude, dass die Schule so erhalten werden kann und die nächsten Jahrzehnte weiter genutzt werden kann. Literatur [1] Hasenstab, A. et al.: Zerstörungsfreie Prüfung in der Baudenkmalpflege. Teil 1: Theoretische Grundlagen. Restauro 1/ 2011, S. 33-39. [2] Hasenstab, A., Jost, G., Taffe, A., Wiggenhauser, H.: Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen - angewandte Forschung und Praxis. Tagungsband der DGzfP-Jahrestagung 2008, St. Gallen, 28.04.- 30.04.2008. [3] Walter, A. und A. Hasenstab: Zerstörungsfreie Prüfverfahren zur Bestimmung von Materialparametern im Stahl- und Spannbetonbau in: Fouad N. (Hrsg.); Bauphysik-Kalender 2012, Berlin: Ernst und Sohn (2012). www.zfp-hasenstab.de -> Verfahren