1 Das Erhalten der historischen Konstruktionen wie etwa der Tontopfdecken (oben links) oder der Kalksteinsäulen und deren Wiederverwendung für die Museumsnutzung erforderte viel Vorarbeit
2 Prinzip experimenteller Tragsicherheitsbewertung
3 Aufbau der Tontopfgewölbe
4 Neue und historische, handgefertigte Tontöpfe: Zur Verbesserung des Verbundes wurden damals Seitenflächen sowie eine Deckelseite mit Hilfe eines Kammbrettchens gerillt. Statt Strangpressen oder Gießen in eine Form entschied man, auch die neuen Teile nach alter Tradition von Hand zu töpfern
5 Mobile Belastungsvorrichtung für das Probegewölbe, schematisch …
6 … und direkt vor Ort im Neuen Museum
Technik

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Historische Tragelemente, besonders gewölbeartige Bauteile, verfügen in der Regel über erstaunliche Tragfähigkeiten, die allerdings selten durch rechnerische Nachweisführung allein bestätigt werden können. Der Wiederaufbau des Neuen Museums in Berlin zeigt, wie sich rechnerische und experimentelle Tragfähigkeitsanalyse ergänzen und alte Konstruktionselemente von höchster denkmalpflegerischer Bedeutung weiter verwendet werden können. Historic structural elements, especially vaultlike components, regularly reveal amazing loadbearing capacities, which admittedly can seldom be confirmed by structural analysis alone. The reconstruction of the New Museum in Berlin exemplifies how calculated and experimental analyses of loadbearing capacity supplemet each other and how old structural elements of greatest historic significance can be applied to modern practice.

Obwohl das Neue Museum in Berlin (siehe auch S. 30) zunächst wie ein Massivbau erscheint, ist es einer der ersten repräsentativen Bauten Berlins, bei denen die Eisenbauweise sowohl in konstruktiver wie architektonischer Hinsicht zum charakteristischen Merkmal geworden ist. Das Gebäude wurde 1841–59 unter der Leitung von August Stüler, einem Schüler Karl-Friedrich Schinkels, über einer sehr ungünstigen Baugrundsituation errichtet. Daher mussten die Eigenlasten weitestgehend minimiert werden. Die Auswölbung der Deckenflächen erfolgte in Anlehnung an eine aus der Antike bekannten Technik mit zylindrischen, allseits geschlossenen Hohlkörpern aus Ton, die in Gipsmörtel verlegt wurden. So erreichte man extrem leichte Flächengewichte mit erstaunlichen Lastabtragungskapazitäten. Mit den damals eingesetzten, bis zu 20 m langen Holzpfählen konnte der tragfähige Baugrund aber teilweise nicht erreicht werden – bereits kurz nach der Eröffnung kam es zu ersten Schäden, die sich weiter fortsetzten. Nachdem es zusätzlich im Zweiten Weltkrieg massiv beschädigt wurde, blieb das Gebäude zu DDR-Zeiten weitgehend sich selbst überlassen, so dass es über 40 Jahre ungeschützt der Witterung ausgesetzt war. Erst 1986 beschloss man den Wiederaufbau. Beschädigte Gebäudeteile wurden in erheblichem Umfang rückge-baut; die Gründung mit etwa 50 000 lfm Kleinbohrpfählen in Verbindung mit einer neuen Stahlbetonbodenplatte gefestigt und die Hochbausubstanz gesichert. Die Planungen des Wiederaufbaus begannen 1998, die ersten Baumaßnahmen 2003.

Der überwiegende Teil der erhalten gebliebenen Decken war angesichts der Historie des Bauwerks in erstaunlich gutem Zustand. Wirklich problematisch waren einige Deckenfelder, in denen Witterungseinflüsse zu Substanzschäden führten oder die durch Entfernen seitlich stützender Bauteile erhebliche Mittendurchsenkungen erfahren haben. Hinweise in historischen Schriften ließen vermu-ten, dass zur Herstellungszeit Nutzlasten von 200 kg/m² (2 kN/m²) als ausreichend angesehen wurden. Ziel war nun, sowohl die historischen Konstruktionen als technisches Denkmal zu erhalten und sie möglichst unverfälscht wieder ihrer ursprünglichen Bestimmung zu übergeben, als auch alle Decken zeitgemäßen Verkehrslastszenarien (5 kN/m²) anzupassen. Priorität hatten aber die historischen Konstruktionen, so dass im Einzelfall die Ausstellungsplanung auf die besondere Situation abgestimmt wurde. Bereits aus der Konzeption der historischen Ersteinrichtung ließ sich ablesen, dass die Tragkapazität der Decken die Ausstellungsarchitektur beeinflusst hatte.
Die strukturellen Unterstützungsbauteile, insbesondere große Teile der Eisenkonstruktionen, konnten mit gängigen Nachweiskonzepten untersucht werden – mit dem Ergebnis, dass diese aus heutiger Sicht erhebliche Tragfähigkeitsreserven aufweisen. Allerdings war bereits in der Vorplanung erkennbar, dass für Tontopfdecken, Kalksteinsäulen und gusseiserne Biegeträger rechnerische Nachweise allein nicht zum gewünschten Ergebnis führen würden. Deshalb wurden sehr früh Untersuchungsprogramme für eine ergänzende, experimentelle Tragsicherheitsbewertung zur Erkundung der Leistungsfähigkeit der vorhandenen Konstruktionen ausgearbeitet. Diese so genannte hybride Statik (lat.: von zweierlei Herkunft) beschreibt die Lösung statischer Fragestellungen durch wechsel- seitigen, sich ergänzenden Einsatz von Berechnung und Experiment. Je nach Aufgabenstellung wird unterschieden, an welcher Stelle des Erkenntnisprozesses (Physikalische Wirklichkeit ↦Theorie/Abstraktion ↦ Verifikation) der experimentelle Part einsetzt.
Tontopfdecken Die Auswölbung der Decken erfolgte mit allseits geschlossenen, zylindrischen Tontöpfen (Durchmesser etwa 110– 140 mm) in unterschiedlichen Höhen von etwa 110–240 mm und nur etwa 7–10 mm dünnen Wänden und Deckeln. Diese »Mauerwerkssteine« wurden für verschiedene Aufgaben eingesetzt: Unter anderem entstanden so genannte Kalottendecken, bestehend aus Gurtbögen und Zwickeln aus Mauerwerk mit eingesetzten Kalottenkuppeln von circa 4,5 m Durchmesser aus Tontöpfen, mehrfel-drige Tonnengewölbe mit Spannweiten von 5–6 m sowie Kappendecken zwischen Stahlträgern. Bis heute gibt es keine allgemein gültigen Berechnungsverfahren zur Bemessung solcher Systeme (bereits damals wurde die Dimensionierung über Probebelastungen verifiziert), daher wurde unter Anwendung der hybriden Statik schrittweise für vorhandene und zu ergänzende Deckensysteme der Grad der Belastbarkeit ermittelt. Zur Vorgehensweise: Vorberechnung: Annahmen für Materialeigenschaften, Beanspruchbarkeiten und Systemsteifigkeiten treffen. Abschätzen der Beanspruchungen, Identifikation von Beanspruchungsspitzen und maßgebenden Lastkonfigurationen. Vorversuche:
– Tastversuche zur Systemidentifikation mit mäßigem Verkehrslastniveau unter Einsatz eines mobilen, hydraulischen Belastungsrahmens. Begleitung der Versuche durch Schall-Emissions-Analyse (SEA) und Online-Messtechnik. Erheben von Daten (Verformungen, Verdrehungen) zur Formulierung eines nichtlinearen Rechenmodells nach der Methode der finiten Elemente.
– Grundlagenversuche an Probekörpern aus neu hergestellten Tontöpfen und Gipsmörtel, die beide dem historischen Vorbild in Form und Eigenschaften nachgebildet wurden. Belastung bis zum Bruch. Kalibrierung von SEA und Online-Messtechnik.
– Zweifeldriges Probegewölbe mit realitätsnahen Abmessungen. Belastung zunächst ohne Verbundestrich, später unter Einbeziehung des Verbundestriches bis zum Bruch.
Berechnung: Anpassen der Rechenmodelle unter Verwendung der aus den Versuchen gewonnenen Kennwerte und Erstellen von Prognosen für die endgültig zulässigen Verkehrslasten. Festlegung der Versuchsziellasten (einschließlich erforderlicher Sicherheitsfaktoren).
Bestätigung: Endgültige Verifizierung der Tragsicherheit der Decken durch experimentelle Untersuchung unter den maßgebenden Konfigurationen.
Kalksteinsäulen Bestandteil der Tragkonstruktion des Gebäudes sind Natursteinsäulen aus so genannten Pyrenäenmarmor (Kalkstein der Sorte marbre campan melange). Acht Säulen stehen noch an ihren originalen Einbauorten, zwei unbeschädigte und zwei zerbrochene wurden im Depot eingelagert. Höhere Nutzlasten sowie der durch die Witterungseinflüsse bedingte ungewisse Erhaltungszustand erforderten ebenfalls eindeutige Aussagen zur weiteren Verwendbarkeit. Erste Untersuchungen unter Einsatz von Ultraschall- und Georadarmessungen lieferten Anhaltswerte, die eine Kategorisierung der vorhandenen Werkstücke erlaubten. Aber auch hier war ein rein rechnerischer Nachweis nicht zielführend, da das innere Tragverhalten sogar idealisiert nicht ausreichend dargestellt werden konnte: Der Grad der Verzahnung und die geometrische Form sind in jeder Kluft unterschiedlich und rechnerisch nicht zutreffend erfassbar. So bot sich auch in diesem Fall die Kombination rechnerischer und experimenteller Nachweisführung an:
Mit präparierten Trommeln aus Säulenbruchstücken unter zentrischer und exzentrischer Belastung wurden zunächst unter Verwendung der SEA zur genaueren Einschätzung des Traglastpotenzials sowohl zerstörungsfreie als auch Grenzlastversuche durchgeführt. Danach belastete man, wiederum unter Kontrolle durch die SEA, mittels mobiler Prüfeinrichtung die beiden Säulenschäfte liegend mit den um den Sicherheitsbeiwert erhöhten Gebrauchswert zentrisch und exzentrisch. Für zentrische Beanspruchung ergab sich ausreichende Tragsicherheit, jedoch musste bereits bei geringen Exzentrizitäten die zulässige Beanspruchung infolge der Inhomogenität des Kalksteins eingeschränkt werden. Für die Konstruktion bedeutet dies im Umkehrschluss, dass die auftretenden Beanspruchungen möglich sind, wenn die Exzentrizitäten bei der Lasteinleitung gering gehalten werden können. Anschließend testete man erfolgreich auch einen durch die Voruntersuchungen als besonders kritisch detektierten Säulenschaft stehend im Einbauzustand mit einer entsprechend modifizierten Belastungseinrichtung. Aufgrund der Reduzierung der Tragfähigkeiten infolge Exzentrizitäten wurden die tatsächlich vorhandenen geometrischen Inhomogenitäten an den Säulen vor Ort aufgemessen und direkt in die rechnerischen Nachweise eingeführt. Durch Vergleich mit den im Versuch erreichten Ausmitten für einzelne Lastszenarien konnte dann die zulässige Tragfähigkeit rechnerisch abgeschätzt werden.
Ähnliche Wege ging man beim Nachweis gusseiserner Biegeträger, die nach einer denkmalverträglichen reversiblen Verstärkung mittels CFK-Lamellen ebenso in heutige Last- und Sicherheitsszenarien eingeordnet werden konnten. G. E., M. G., J. S., K. S.
Literatur: Eine ausführlichere Dokumentation der Arbeiten im Neuen Museum in Berlin in: Eisele, Gerhard, u.a.: Wiederaufbau des Neuen Museums in Berlin, Tragwerksplanung pro Baudenkmalpflege, Bautechnik 81, 6/2004, Ernst und Sohn, Berlin