Alternative Tragsicherheitsbewertung im Bestand

Experimentierfelder

Das Argument der »nicht ausreichenden Tragsicherheit des Bestands« lässt sich entkräften, wenn eine experimentell gestützte Tragsicherheitsbewertung das Gegenteil beweist – und so einem Abrisskandidaten noch einige Jahrzehnte Leben geschenkt werden.

Text: Marc Gutermann; Fotos: Marc Gutermann, Thomas Bruns

»Die Baukunst zerstört die Baukunst« — das Zitat des deutschen Kunsthistorikers Georg Dehio ist auch über 100 Jahre später noch aktuell, betrachtet man viele voreilige Schlüsse zugunsten eines Gebäudeabrisses und Ersatzneubaus. Mehr als 60 % der Bauaufträge werden derzeit im Bestand umgesetzt. Die Bandbreite reicht vom Umbau moderner Stahlbeton-Skelettbauten bis hin zu historischen Unikaten mit besonderen, baugeschichtlich bedeutsamen Tragkonstruktionen. Eine wesentliche Voraussetzung für Nutzungs- und Investitionsentscheidungen zugunsten eines Bestandserhalts ist der Nachweis ausreichender Tragsicherheit für die gewünschten Lastansätze. Dies ist jedoch v. a. dann eine Herausforderung für den Tragwerksplaner, wenn zuverlässige Daten über die Konstruktion und über die Baustoffe fehlen. Gelingt der rechnerische Nachweis nicht, wird meist konventionell verstärkt – oder abgerissen und neu gebaut, was nicht immer wirtschaftlich sinnvoll und bei denkmalgeschützten Bauten ferner inakzeptabel ist. Eine alternative Vorgehensweise ist der experimentell gestützte Nachweis, bei dem entweder wesentliche Parameter für einen rechnerischen Nachweis durch Versuche ermittelt werden oder direkt Belastungstests Planungssicherheit für den Baufortschritt bringen.

Belastungstests

Das grundsätzliche Prinzip der Tragsicherheitsbewertung ist einfach und bewährt: Es wird ein Bauteil belastet und seine Reaktionen gemessen. Dabei ist die historische Methode, Versuchslasten durch Ballast zu erzeugen, der modernen und regelbaren Technik gewichen, mittels mobiler Belastungsvorrichtungen Beanspruchungen selbstsichernd hydraulisch im Kräftekreislauf zu simulieren.

Die charakteristischen Daten eines Versuchsablaufs wie z. B. Lastgrößen, Verformungen oder Dehnungen werden über elektrische Messsysteme gespeichert und zeitgleich auf einem Monitor als Grafik angezeigt. Dabei ist jedoch Vorsicht geboten. Das geflügelte Wort »Wer viel misst, misst Mist« verweist darauf, dass die gewonnenen Daten sofort auf Plausibilität geprüft sowie analysiert werden müssen. Denn der Belastungsversuch darf sich weder negativ auf die Gebrauchstauglichkeit noch auf die Dauerhaftigkeit des Bauteils auswirken. Bedingung für die Durchführung ist daher, die Aufgabe umfassend zu analysieren, erwartete Reaktionen zu berechnen und die Versuchsplanung auf die Ergebnisse abzustimmen. Dies setzt eine gewisse Erfahrung voraus, denn auch die »Richtlinie für Belastungsversuche an Betonbauwerken« des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton enthält keine detaillierten Hinweise zur Versuchsdurchführung. Dort werden lediglich die grundsätzlichen Vorgehensweisen sowie die Formeln aufgezeigt, mit denen z. B. die Versuchsziellasten oder Grenzwertkriterien zu ermitteln sind.

Beim Belastungsversuch wird der Tragwerkszustand inklusive aller realen Randbedingungen getestet. So fallen (im Rechenmodell durch Berechnungsannahmen einkalkulierte) Unsicherheiten weg und die Lasten können deutlich über das rechnerisch nachgewiesene Lastniveau gesteigert werden. Die Zuwächse betragen meist 30-50 %, in Ausnahmefällen auch über 100 % (Abb. 2). Das Ergebnis liegt direkt nach Beendigung der Versuche vor und ist so lange gültig, bis – wie bei einem Neubau auch – wiederkehrende Bauwerksprüfungen Anlass für weitere Untersuchungen geben. Die folgenden Anwendungsbeispiele einer experimentell gestützten Tragsicherheitsbewertung zeigen exemplarisch sowohl die Bandbreite der Einsatzmöglichkeiten als auch wiederkehrende Besonderheiten.

Kassettendecken

Die Neue Nationalgalerie in Berlin, nach den Entwürfen von Ludwig Mies van der Rohe 1965-68 erbaut, wird seit 2016 saniert. Bei Sondierungen der Stahlbeton-Kassettendecken wurde festgestellt, dass die Bügelbewehrung nicht normgerecht eingebaut war. Der auflagernahe Schubnachweis konnte rechnerisch nicht geführt werden. Während der Belastungstests (Abb. 1) wurde das Risiko eines schlagartigen Schubversagens durch umfangreiche Schubdehnungsmessungen und den Einsatz der Schallemissionsanalyse minimiert. Letztere horcht während der Belastung in den Beton hinein und lässt über den Schall besondere Ereignisse erkennen, wie z. B. Rissbildung oder Rissuferreibung. Der damit erbrachte statische Nachweis vermied eine aufwendige konventionelle Ertüchtigung der Decken.

Eisenbetondecken

Der »Löwenhof« ist eins der wenigen erhaltenen, nicht sakralen Bauwerke innerhalb des Dortmunder Wallrings. Im Vorfeld einer brandschutztechnischen Ertüchtigung wurde die Deckenkonstruktion stellenweise freigelegt. Der schlechte Zustand des Tragwerks führte zu einer Nachrechnung, die Mängel in der Aufstellungsstatik, der Konstruktion und der Bauausführung offenbarte. Das Gebäude wurde für den Publikumsverkehr gesperrt. Da die Geometrien, die Betonfestigkeiten sowie die Bewehrungsmenge und -führung stark streuten, wurden in Voruntersuchungen maßgebende Bereiche bestimmt, um die dort gemessenen Ergebnisse anschließend auf ungetestete Eisenbetondecken übertragen zu können (Abb. 3 und 4). Die Tragreserven, die offenbar im statischen System (Durchlaufwirkung), im Bauteilwiderstand (mittragender Aufbau) und im Bemessungsmodell (Zugspannungen im Beton) vorhanden sind, waren ausreichend groß, um die zulässigen Nutzlasten fast zu verdoppeln.

Kaiserdecke

Ein Hamburger Geschäftshaus, ein Stahlbetonskelettbau aus dem Jahr 1965, wurde 2014 umfangreich umgebaut. Während des Bauprozesses wurden innenliegende Deckenbereiche abgerissen, wodurch sich die statischen Systeme und Beanspruchungen der durchlaufenden Rippendecken erheblich veränderten: Aus ehemaligen Innenfeldern wurden Endfelder mit Veränderungen von Feld- und Stützmomenten (bis 37 %), die nur noch experimentell unter Ausnutzung vorhandener Tragreserven nachgewiesen werden konnten (Abb. 5).

Spannbetonbinder

Bei Spannbetonbindern muss zur Berechnung neben Anzahl und Lage der Spannglieder auch die Vorspannkraft bekannt sein. Bei einem Verbrauchermarkt in Bremerhaven waren dazu keine Unterlagen mehr vorhanden. Das Messkonzept umfasste neben der üblichen Messtechnik daher zusätzlich eine Schallemissionsanalyse. Diese Absicherung war auch deswegen geboten, weil durch Endoskopie von Installationsbohrungen festgestellt wurde, dass einige Spannglieder angebohrt und damit beschädigt waren. Rechnerisch als Totalausfall zu bewerten, wurde im Belastungsversuch (Abb. 6) eine ausreichende Resttragfähigkeit der beschädigten Spannbetonbinder nachgewiesen.

Gusseiserne Treppe

Das dreigeschossige Verwaltungsgebäude der damals Königlich-Preußischen Bergwerksdirektion Saarbrücken wurde 1877-80 von der Berliner Architektengemeinschaft Martin Philipp Gropius und Heino Schmieden errichtet. Das im Innern des Eckhauses angeordnete, repräsentative gusseiserne Treppenhaus war dabei einem nicht realisierten Entwurf des großen Berliner Architekten Karl Friedrich Schinkel nachempfunden.

Weil Voruntersuchungen für das (sonst als spröde geltende) Gusseisen ein nichtlineares Verformungsverhalten offenbarten, wurden 2006 während der Entkernung Belastungsversuche am kompletten Treppenhaus, bestehend aus Haupt- und Nebenläufen, Podesten und Stützen, durchgeführt, die sich äußerst knifflig gestalteten (Abb. 7). Es wurde nicht nur festgestellt, dass einzelne Träger nur mit Gusseisen bekleidete Stahlträger waren, sondern auch durch große Verformungen Verzierungen am Geländer beschädigt. Nach Rücksprache mit der Denkmalpflege wurden die Versuche fortgesetzt, da die wenigen Bruchstellen anschließend restauriert werden konnten. Das Tragwerk ist inzwischen ein öffentlich zugängliches Treppenhaus in einem Einkaufszentrum (Europa-Galerie).

Natursteingeländer

In einem um die Jahrhundertwende errichteten Museumsbau sollte im Rahmen einer umfangreichen Sanierung das Natursteingeländer des Treppenhauses mit neuen Handläufen versehen werden, sodass die Holmhöhen den vorgeschriebenen Maßen entsprechen. Weil keine Konstruktionsunterlagen vorhanden waren, musste der Nachweis experimentell geführt werden (Abb. 8 und 9). Die Belastungsversuche wurden jedoch bereits bei geringen Lastniveaus wegen nichtlinearem und irreversiblem Kraft-Verformungsverhalten abgebrochen. Nur zwei Geländer erreichten annähernd die Tragfähigkeit historischer Berechnungsvorschriften. Ein eindrucksvoller Beleg, dass Schadenfreiheit während der Nutzung kein Beleg für ausreichende Tragsicherheit ist. Zur Kompensation wurde ein vorgelagertes Stahlgeländer ergänzt.

Für den Erhalt!

Experimentelle Methoden sind eine wirtschaftliche Alternative, wenn umfangreiche rechnerische Analysen unbefriedigende Ergebnisse erzielt haben. Voranschreitender Computerhörigkeit trotzend, leistet diese Art der Tragsicherheitsbewertung einen wichtigen Beitrag, um Baukultur zu bewahren.


Weitere Informationen:

Der Autor dieses Beitrags, Prof. Marc Gutermann von der Hochschule Bremen, wird am 22. Januar 2019 zu diesem Thema auch einen ausführlichen Fachvortrag beim Kolloquium »Erhaltung von Bauwerken« halten. Die zweitägige Veranstaltung der Technischen Akademie Esslingen richtet sich an Architekten und Ingenieure und findet in Ostfildern/Nellingen im Großraum Stuttgart statt. Weitere rund 70 Beiträge befassen sich in jeweils parallelen Themenblöcken ebenso mit Bauwerksdiagnostik und Instandsetzungsmaßnahmen oder stellen neu entwickelte Materialien und Untersuchungsmethoden vor.

Eine ausführliche Dokumentation zweier Anwendungsbeispiele wurde veröffentlicht in:

Gutermann, Marc, u. a., Der Löwenhof in Dortmund: Experimentelle Statik zum Erhalt historischer Eisenbetondecken, Bautechnik 1/2018, Verlag Ernst & Sohn, Berlin

Gutermann, Marc, Wenn der Schein trügt – Belastungsversuche an einer gusseisernen Treppenkonstruktion, Tagungsband 5. Symposium »Experimentelle Untersuchungen von Baukonstruktionen« an der TU Dresden, 11. September 2009

»Neu bewertet«, Tragwerksberechnungen und -versuche beim Neuen Museum Berlin


Marc Gutermann

1993-98 Studium des Bauingenieurwesens an der Universität Hannover. 1998-2002 Wiss. Mitarbeit an der HS Bremen, 2003 Promotion. 2003-07 Geschäftsführung der PSI GmbH. Seit 2007 Leitung des Instituts für Experimentelle Statik an der HS Bremen. Seit 2008 Geschäftsführender Gesellschafter der IGES GmbH.