Voruntersuchungen mit zerstörungsfreien Verfahren an Bestandsbauten

Radarkontrolle

Belassen, sanieren oder neu bauen? Diese Frage hat sich wohl jedem Planer im Umgang mit Bestandsbauten schon gestellt. Dass diese aber gewissenhaft nur mit einer gründlichen Voruntersuchung beantwortet werden kann und dies auch mit zerstörungsfreien Techniken möglich ist, mag nicht jedem klar sein. Zwei Beispiele aus der Praxis demonstrieren die Vorzüge einer Bauwerksuntersuchung mittels Bauradar.

Text und Fotos: Gabriele Patitz

Der Umgang mit alter Bausubstanz, denkmalgeschützt oder nicht, erfordert eine durchdachte und interdisziplinäre Herangehensweise erfahrener Fachleute. Je mehr Informationen über den Bestand erfasst werden, desto effizienter und kostengünstiger können Erhaltungs- und Instandsetzungsmaßnahmen geplant und ausgeführt werden. Veränderungen und Eingriffe lassen sich dann auf das wirklich Notwendige beschränken und zielgerichtet planen. Dazu sind gründliche und ausreichende Voruntersuchungen erforderlich. Die mittels Aktenstudium, Bauaufnahme bzw. durch die Erstellung von Planunterlagen, visuelle Begutachtungen und Schadenserfassungen am Bauwerk gewonnenen Erkenntnisse bleiben aber meistens auf die Oberflächen bezogen. Abhilfe können Bauteilöffnungen schaffen. Diese Eingriffe sind aber stets nur lokal möglich und die Erkenntnisse können nicht einfach auf andere Bereiche übertragen werden.
Seit etwa 15 Jahren kann jedoch mit großflächig und auch im Detail einsetzbaren indirekten Erkundungsverfahren aus der Geophysik Abhilfe geschaffen werden. Dazu zählen das Bauradar- und Ultraschallverfahren, die Widerstandselektrik und die Mikroseismik. In der Praxis hat sich aber das Bauradar für Untersuchungen an Mauerwerk, Natursteinen, Beton und Mischkonstruktionen etabliert, das zunächst physikalische Größen wie beispielsweise Wellengeschwindigkeiten, Reflexionsverhalten und Absorption in einem Bauteil erfasst. Diese müssen dann für die bauspezifischen Informationen interpretiert und bewertet werden. Dazu ist unbedingt eine interdisziplinäre Zusammenarbeit von erfahrenen Spezialisten aus dem Bauwesen und der Geophysik erforderlich, denn nur langjährige Erfahrungen an verschiedenen Bauwerken und Baumaterialien sind die Basis für den erfolgreichen Einsatz dieser Technik.
Einsatzmöglichkeiten zerstörungsfreier Verfahren
Bei Betonbauwerken stehen meistens Fragen nach der vorhandenen Bewehrung im Mittelpunkt. Es muss erkundet werden, ob in dem entsprechenden Bauteil Bewehrung ist oder nicht, in welcher Tiefenlage diese liegt und wie der Bewehrungsabstand ist. Durchmesser und Korrosionszustand können mit diesen Verfahren jedoch nicht bestimmt werden. Weitere wichtige Fragestellungen sind die Bewertung des Betonzustands, die Suche nach Kiesnestern bzw. Verdichtungsmängeln und die Ortung von Hohllagen bei Vorsatzschalen. Das betrifft die Erfassung des Bestands im Altbau, aber auch die Qualitätskontrolle beim Neubau.
An alten Mauerwerksbauten sind der Wand- oder Gewölbeaufbau, die Bauteildicken, Steineinbindetiefen, Hohlräume, metallische Verbindungsmittel wie Anker oder Steinklammern sowie die Verteilung von Feuchte- und Salzhorizonten abzuklären. Im Baugrund oder etwa unter alten Betonplatten in Industriebauten können mit dieser Technik alte Fundamentreste, Hohlräume, Kanäle und Leitungen geortet werden. Insbesondere bei Stützwänden ist für den Standsicherheitsnachweis die Kenntnis der Wanddicken in verschiedenen Höhen wichtig. Weiterhin muss bekannt sein, ob hinter solchen Wänden Ausspülungen, Hohllagen oder ähnliche Inhomogenitäten im anstehenden Erdreich vorhanden sind. Bei Geschossdecken kann zerstörungsfrei deren konstruktiver Aufbau und die Lage der Tragelemente erfasst werden.
Chancen und Grenzen
Standardlösungen für die Verwendung von Bauradaren gibt es nicht. Bei jedem Bauwerk oder Bauteil müssen immer wieder die speziellen Randbedingungen und örtlichen Gegebenheiten analysiert und bewertet und ein objektbezogenes Untersuchungskonzept erarbeitet werden. Dabei sind in Abstimmung mit dem Auftraggeber oder Planer die Erkundungsziele und der zu erwartende Kostenrahmen abzuklären. Die Größe der Untersuchungsflächen und das zu wählende Messraster richten sich nach der Fragestellung, spiegeln sich aber direkt im Untersuchungsaufwand und den Kosten wider, die natürlich in einem vertretbaren Verhältnis stehen sollten. So kann es durchaus ausreichen, wichtige und typische Bereiche nur exemplarisch zu bearbeiten. Auch können nicht immer alle Fragestellungen zuverlässig mit zerstörungsfreien Verfahren bearbeitet werden. Hier liegt es in der Verantwortung der diese zerstörungsfreien Messtechniken einsetzenden Spezialisten, die Erfolgschancen und Grenzen realistisch einzuschätzen. Als Endergebnis muss ein Gutachten vorliegen, das für andere Fachingenieure und Spezialisten verständliche und sofort weiter nutzbare Informationen enthält.
Das Radarverfahren
In den meisten Fällen wird für zerstörungsfreie Erkundungen das Radarverfahren in einer Reflexionsanordnung eingesetzt. Die Bauteile müssen dabei nur von einer Seite zugänglich sein. Der Zeitaufwand wird durch die Zugänglichkeit bestimmt. Eine sehr schnelle Datenaufnahme erfolgt dann, wenn mittels eines leistungsfähigen Hubsteigers an der Bauwerksoberfläche entlanggefahren werden kann. Es stehen für verschiedene Fragestellungen ausreichend unterschiedlich leistungsfähige Sensoren zur Verfügung. Deren Einsatz erfolgt auch kombiniert je nach gewünschter Fragestellung und Eindringtiefe. So werden niederfrequente Sensoren mit 150 mHz und 400 MHz eingesetzt, wenn große Bauteiltiefen erreicht werden müssen. Für die Erkundung von Mauerwerk kommt meistens ein 900-MHz-Sensor zur Anwendung. Müssen die Betondeckung, Bewehrungslage, Steinklammern oder Steinlängen erfasst werden, greift man auf hochfrequente Geräte von 1,5 GHz oder 2-GHZ-Sensoren zurück.
Fallbeispiel 1: Untersuchungen zum Mauerwerksaufbau
An der Westfassade des Turmmauerwerks der Klosterkirche Wennigsen waren Risse und zahlreiche ausgebrochene Fugen vorhanden. Weiterhin lagen Hinweise auf Hohlräume im Mauergefüge vor. Anhand einer visuellen Bestandserfassung und einiger weniger Bohrungen wurde festgestellt, dass es sich vermutlich um ein mehrschaliges Mauerwerk handelt: Die äußere Wandschale besteht aus einem unverputzten, sehr ebenen, in unregelmäßigem und regelmäßigem Verband hergestellten Mauerwerk aus Natursteinquadern. Oberhalb der beiden Schallfenster ist das Mauerwerk aus unbearbeiteten oder wenig bearbeiteten und ungleichförmigen Bruchsteinen (Abb. 5). Die Fugen sind hier deutlich dicker und ungleichmäßiger. Die Gesamtwanddicken betragen im EG ca. 1,70-1,90 m und im 4. OG nur noch rund 90 cm.
Es wurde vermutet, dass sich die äußere Wandschale an der Westfassade vom Mauerkern gelöst hat. Daher war zunächst geplant, mittels vollflächiger Vernadelung und Verpressungen wieder ein kompaktes Mauerwerk zu erzielen und dazu Kernbohrungen mit 50 mm Durchmesser in einem sehr engen Raster einzubringen. Das hätte für dieses Bauwerk jedoch einen enormen Eingriff einhergehend mit großen baustofflichen Veränderungen bedeutet. Der Bauherr entschied sich deshalb für weitere Voruntersuchungen mit zerstörungsfreien Verfahren, um zu erkunden, ob sich die äußere Mauerwerksschale tatsächlich vollflächig gelöst hat. Weiterhin sollte nach Gefügestörungen und Hohlräumen in der Innenfüllung gesucht werden. Ziel war es, anhand dieser Erkenntnisse die Anzahl der notwendigen Nadeln und deren Position zu optimieren.
Mit einem 900-MHz-Sensor konnte die erforderlich Eindringtiefe von ca. 1 m mit ausreichender Genauigkeit erzielt werden. Mithilfe eines sehr leistungsfähigen Hubsteigers wurde die Westwand in ca. vier Stunden vollflächig vertikal abgefahren. ›
› Die Radarergebnisse (Abb. 6) zeigen die Reflexionen aus dem Wandinneren in einer Tiefe von ca. 20-70 cm, was der Fuge zwischen äußerer Mauerschale und Mauerkern (Innenfüllung) entspricht. Die blauen bis schwarzen Bereiche sind wenig reflektiv und können als homogenes und kompaktes Mauerwerk bewertet werden. Starke Reflexionen, verursacht durch den Materialkontrast zwischen Luft und Mauerwerk, zeichnen sich durch eine rötliche bis gelbe Farbgebung ab. Neben zahlreichen kleinen Stellen traten nur zwei größere, stark reflektive Bereiche in Erscheinung, die wie folgt interpretiert und bewertet wurden:
  • Ursache für die Reflexionen im Bereich 1 unterhalb der beiden Schallfenster können zum einen bauliche Veränderungen wie Wechsel im Material, in der Zusammensetzung und in der Konstruktion sein, zum anderen aber auch ein vergleichsweise inhomogenes und hohlraumreiches Gefüge des Mauerkerns. Da keine ausreichenden Hinweise auf bauliche Veränderungen vorlagen, musste in diesem Bereich von einem Mauerkern sehr schlechter Qualität mit zahlreichen kleinen Hohlstellen, kleinen Steinen und größeren Mörtelbatzen ausgegangen werden. Hier sollten folglich Vernadelungen erfolgen.
  • Im Bereich 2 zwischen Unterkante Dach und Oberkante der beiden Schallfenster waren ebenso im Tiefenbereich von ca. 20-70 cm starke Reflexionen vorhanden, die u. a. mit den Radardaten und der baulichen Situation an der Südfassade in gleicher Höhe verglichen wurden. Hier jedoch ist der Mörtelanteil deutlich höher, die Lager- und Stoßfugen sind ungleichmäßig und sehr breit, das Mauerwerksinnere hat zahlreiche größere vermörtelte Zwickel und/oder kleine Hohlräume. So wurden die elektromagnetischen Wellen an zahlreichen Materialgrenzen gebrochen. Die Einbindetiefen der äußeren Steine von ca. 25-35 cm waren gut erkennbar. Im Umfeld eines neuen Spannankers wurden daher Vernadelungen zur Mauerwerkskonsolidierung angeordnet.
Weitere zahlreiche, aber kleinere Stellen mit starken Reflexionen waren an den nord- und südseitigen Rändern der Westwand vorhanden. Ursächlich sind Reflexionen von den Steinrückseiten, da Hohlstellen in der rückwärtigen Stoßfuge der Randeinfassungssteine vorhanden sind. Das jedoch ist bautypisch und dem Alter geschuldet. Nur im Bereich 3 zwischen 9 und 10 m Höhe mussten aufgrund eines etwas größeren Hohlraums vier zusätzliche Nadeln gesetzt werden.
Die vorliegenden Radarergebnisse führten dazu, dass sich die Eingriffe in das Bauwerk im Vergleich zum zunächst geplanten Instandsetzungskonzept wesentlich reduzierten: Der Bauherr konnte Kosten im Rahmen von ca. 20 % einsparen.
Fallbeispiel 2: Untersuchungen an einer Stützwand
Ähnlich verhielt sich der Fall bei einer ca. 70 m langen Stützwand in Neckarelz, die größtenteils aus unverputzten Natursteinen (Abb. 7) besteht und deren Höhe zwischen 1,70 m und 3,90 m variiert. Hier stand bereits ein Abriss zur Diskussion, da lokal starke Ausbauchungen, Frostschäden, Steinverschiebungen und teils offene und scharfkantige Risse (was auf eine eher in jüngerer Vergangenheit erfolgte Verschiebung schließen lässt) erkennbar waren. Auch war der Mauerverband je nach Bereich sehr unterschiedlich, der Mörtelanteil an manchen Stellen sehr hoch und seine Qualität teilweise dürftig.
Durch eine Bauradar-Untersuchung sollte zunächst aber der Zustand der denkmalgeschützten Wand hinsichtlich Ablösungen und Hohlstellen, des Mauerwerksverbands, der Schalendicke und des Zustands der Innenfüllung beantwortet werden. Des Weiteren sollten für den Standsicherheitsnachweis an einigen Stellen die Wanddicken ermittelt werden, da die Wanddicke am Wandfuß nicht bekannt war.
Zunächst wurde die Wand mit einem 900-MHz-Sensor vollflächig abgefahren. Ergänzend wurde dann der tiefer frequente 400-MHz-Sensor eingesetzt, um in größeren Bauteiltiefen die Wanddicken zu bestimmen. Hilfsmittel waren nicht erforderlich.
Die Radarergebnisse (Abb. 8) zeigen, dass der Wandaufbau prinzipiell mehrschalig ist und sich die Wand in zwei beispielhafte Wandabschnitte unterteilen lässt. In einer Tiefe von ca. 20-30 cm befindet sich die Schalengrenze zu einer Innenfüllung. Es gibt bis auf die Ausbauchungsstellen keine Hinweise auf größere Hohlräume o. Ä. in der Innenfüllung. Anhand der hellen Rottöne, verursacht durch starke Reflexionen, musste im Bereich 4 im Umfeld der Ausbauchung von Hohlräumen und Schalenablösungen im Mauerverband ausgegangen werden. Der anschließende Bereich 3 ist dagegen fast völlig unauffällig. Hier ist ein weitgehend kompakter und ungeschädigter Wandquerschnitt vorhanden. Dies betraf auch alle anderen Mauerabschnitte.
So kam aufgrund der Radarergebnisse und einer gründlichen visuellen Begutachtung der Abriss der kompletten Wand nicht mehr infrage. Sie wurde nicht nach einem einheitlichen Instandsetzungskonzept bearbeitet, sondern, angepasst an den vorhandenen Zustand, nur an einigen Abschnitten ab- und wieder aufgebaut. In den restlichen Bereichen reichte es aus, schadhafte Steine auszutauschen und das Mauerwerk neu zu verfugen. Der Bauherr konnte folglich nicht nur die denkmalgeschützte Wand erhalten, sondern auch im Vergleich zu einer Generalsanierung ca. 20 % Kosten einsparen. •
Literaturhinweise:
Patitz, Gabriele, Zerstörungsfreie Untersuchungen an altem Mauerwerk. S. 1-155, Berlin, Beuth, 2010
Patitz, Gabriele, Altes Mauerwerk zerstörungsarm mit Radar und Ultraschall erkunden und bewerten, Bauphysik-Kalender 2012, Ernst & Sohn Berlin, S. 203-245
Klosterkirche in Wennigsen: Bauherr: Klosterkammer Hannover Architekt: Werner Lemke Bauleitung: Mathias Riethmüller Tragwerksplanung: Prof. Michael Ullrich Münster
Stützwand in Neckarelz: Bauherr: pro ki ba / Gesellschaft für Projektentwicklung und Projektsteuerung für kirchliches Bauen in Baden, Karlsruhe Planung, Statik, Ausschreibung und Bauleitung: Kist Ingenieurbüro, Mosbach
Veranstaltungshinweis: Am 15. und 16. April finden die 39. Aachener Bausachverständigentage statt, dieses Mal zum Thema »Bauen und Beurteilen im Bestand«. Die Autorin dieses Beitrags wird dort zu Radar- und Ultraschalluntersuchungen referieren, des Weiteren widmet sich ein Themenblock dem Wärmedämmverbundsystem. Anmeldungen und weitere Informationen über www.aibau.de.

Schwachstellen (S. 134)
Gabriele Patitz
Studium des Bauingenieurwesens, 1998 Promotion über mikroseismische Verfahren zur Erkundung alten Mauerwerks an der Universität Karlsruhe. Seit 1998 eigenes Ingenieurbüro fürBauwerksdiagnostik und Schadensgutachten (IGP). 2004 Gründung und Vorstandsvorsitz des Vereins »Erhalten historischer Bauwerke«. Seit 2004 Veranstaltung der Fachtagung »Natursteinsanierung Stuttgart«. Seit 2012 stellv. Leitung des Forschungs- und Prüfinstituts Steine und Erden, Karlsruhe. Mitglied der Wissenschaftlich-Technischen Arbeitsgemeinschaft für Bauwerkserhaltung und Denkmalpflege (WTA).