Diplomarbeit fertig - Staatliche Studienakademie Glauchau
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<strong>Diplomarbeit</strong><br />
Festigkeitsanalyse ausgewählter Schwerpunkte von historischem<br />
Mauerwerk<br />
Vorgelegt am: 19.08.2013<br />
Von:<br />
Patricia Horst<br />
Spitzweg 3<br />
01665 Klipphausen<br />
Studiengang/<br />
Studienrichtung:<br />
Bauingenieurwesen/ Hochbau<br />
Seminargruppe: BI 10/1<br />
Matrikelnummer: 4100033<br />
Praxispartner:<br />
Henneker, Zillinger Ingenieure<br />
Zschochersche Straße 44 - 46<br />
04229 Leipzig<br />
Gutachter:<br />
Herr Dipl.Ing. (FH) Frank Helbig<br />
(Henneker, Zillinger Ingenieure)<br />
Herr Dipl.Ing. Hans Beczkowski<br />
(<strong>Staatliche</strong> <strong>Studienakademie</strong> <strong>Glauchau</strong>)<br />
I
Themenblatt<br />
II
Inhaltsverzeichnis<br />
Inhaltsverzeichnis<br />
Abbildungsverzeichnis ........................................................................................... VI<br />
Tabellenverzeichnis .............................................................................................. VIII<br />
Gleichungsverzeichnis............................................................................................ IX<br />
Abkürzungsverzeichnis .......................................................................................... XI<br />
1<br />
Einleitung und Zielsetzung ........................................................................... 1<br />
2<br />
Überblick Altes Seminar ................................................................................ 3<br />
3<br />
Baustoffe ........................................................................................................ 6<br />
3.1 Naturstein ...................................................................................................... 6<br />
3.1.1<br />
3.1.2<br />
3.1.3<br />
Einteilung der Natursteine .............................................................................. 6<br />
Eigenschaften von Natursteinen .................................................................... 7<br />
Natursteine im Alten Seminar in Grimma ..................................................... 10<br />
3.2 Ziegelsteine ................................................................................................. 11<br />
3.2.1<br />
3.2.2<br />
Festigkeitseigenschaften von Ziegelsteinen ................................................ 11<br />
Ziegel im Alten Seminar in Grimma ............................................................. 12<br />
3.3 Historischer Mauermörtel ............................................................................ 12<br />
3.3.1<br />
3.3.2<br />
3.3.3<br />
3.3.4<br />
3.3.5<br />
Lehm- und Gipsmörtel ................................................................................. 12<br />
Kalkmörtel .................................................................................................... 13<br />
Festigkeitseigenschaften historischer Kalkmörtel ........................................ 13<br />
Zementmörtel ............................................................................................... 15<br />
Mauermörtel im Alten Seminar in Grimma ................................................... 15<br />
4<br />
Historische Wandbauweisen ...................................................................... 16<br />
4.1 Natursteinmauerwerk .................................................................................. 16<br />
4.1.1<br />
Allgemein ..................................................................................................... 16<br />
III
Inhaltsverzeichnis<br />
4.1.2<br />
4.1.3<br />
Mauerwerksarten ......................................................................................... 16<br />
Mauerwerksverbände .................................................................................. 18<br />
4.2 Ziegelmauerwerk ......................................................................................... 23<br />
4.2.1<br />
4.2.2<br />
4.2.3<br />
Allgemein ..................................................................................................... 23<br />
Mauerwerksverbände .................................................................................. 24<br />
Steinformate ................................................................................................ 25<br />
4.3 Lehmmauerwerk .......................................................................................... 27<br />
4.4 Wandaufbau im Alten Seminar, Grimma ..................................................... 27<br />
4.5 Mauerwerk im Bereich der Gründung .......................................................... 28<br />
5<br />
Mauerwerksschäden .................................................................................... 30<br />
5.1 Allgemein ..................................................................................................... 30<br />
5.2 Rissschäden ................................................................................................ 31<br />
5.3 Feuchtigkeitsschäden .................................................................................. 32<br />
5.4 Biologisch bedingte Schäden ...................................................................... 33<br />
5.5 Chemisch bedingte Schäden ....................................................................... 33<br />
5.6 Mauerwerksschäden am Alten Seminar ...................................................... 34<br />
6<br />
Tragverhalten von historischen Mauerwerk .............................................. 36<br />
6.1 Allgemein ..................................................................................................... 36<br />
6.2 Grundsätzliche Versagensmechanismen von mineralischen Baustoffen .... 38<br />
6.3 Trag- & Versagensmechanismen einfacher Mauerwerksstrukturen ............ 40<br />
6.3.1<br />
Trag- & Versagensmechanismen unter Druckbeanspruchung .................... 40<br />
6.3.1.1Spannungsdehnungslinie ............................................................................ 41<br />
6.3.1.2 Einachsige Druckbeanspruchung (in der Lagerfuge) .................................. 43<br />
6.3.1.3 Einachsige Druckbeanspruchung (in der Stoßfuge) ................................... 49<br />
6.3.2<br />
6.3.3<br />
6.3.4<br />
Trag- & Versagensmechanismen unter Zugbeanspruchung ........................ 50<br />
Trag- & Versagensmechanismen unter Schubbeanspruchung .................... 51<br />
Trag- & Versagensmechanismen unter Biegung mit Normalkraft ................ 53<br />
6.4 Trag- & Versagensmechanismen mehrschaliger Mauerwerksstrukturen .... 53<br />
6.4.1<br />
6.4.2<br />
Verbundmodell der Schalenfuge .................................................................. 55<br />
Tragverhalten im Lasteinleitungsbereich ..................................................... 56<br />
IV
Inhaltsverzeichnis<br />
6.4.3<br />
Trag- & Versagensmechanismen unter Biegung mit Normalkraft ................ 59<br />
7<br />
Bemessung von historischem Mauerwerk ................................................ 66<br />
7.1 Hinweise zur Bemessung ............................................................................ 66<br />
7.2 Bemessung von Ziegelmauerwerk .............................................................. 66<br />
7.2.1<br />
7.2.2<br />
Bemessung von Ziegelmauerwerk unter Druckbeanspruchung ................... 67<br />
Bemessung von Ziegelmauerwerk nach EC 6 ............................................. 68<br />
7.3 Bemessungsansätze von Natursteinmauerwerk unter Verwendung von<br />
Bruchmodellen ............................................................................................ 68<br />
7.3.1<br />
7.3.2<br />
7.3.3<br />
7.3.4<br />
7.3.5<br />
Bruchmodell nach Mann .............................................................................. 69<br />
Bruchmodell nach Hilsdorf ........................................................................... 70<br />
Bruchmodell nach Pöschel/Sabha ............................................................... 72<br />
Bruchmodell nach Ebner .............................................................................. 74<br />
Bruchmodell nach Berndt ............................................................................. 75<br />
8<br />
Anwendung am Beispiel: Altes Seminar ................................................... 77<br />
8.1 Materialprüfung ........................................................................................... 77<br />
8.1.1<br />
8.1.2<br />
8.1.3<br />
Ergebnisse Mauerwerksgutachten ............................................................... 77<br />
Ergebnisse weiterer Druckversuche ............................................................ 78<br />
Auswertung der Prüfkörper .......................................................................... 79<br />
8.2 Bemessung ................................................................................................. 83<br />
8.2.1<br />
8.2.2<br />
8.2.3<br />
Mauerwerksstruktur ..................................................................................... 83<br />
Äußere Schale: Natursteinmauerwerk ......................................................... 86<br />
Innere Schale: Ziegelmauerwerk ................................................................. 90<br />
8.3 Zusammenfassung und Beurteilung der Berechnungsergebnisse .............. 91<br />
9<br />
Zusammenfassung ...................................................................................... 93<br />
Literaturverzeichnis ............................................................................................... 96<br />
Anhangsverzeichnis ............................................................................................... 99<br />
V
Abbildungs- und Tabellenverzeichnis<br />
Abbildungsverzeichnis<br />
Abbildung 1: Altes Seminar: Grundriss, Ansichten, Schnitt ..................................... 3<br />
Abbildung 2: Auszug aus der Liegenschaftskarte (Gemarkung: Grimma) ............... 4<br />
Abbildung 3: Spannungs-Dehnungsverlauf einer Natursteinprobe .......................... 8<br />
Abbildung 4: Verformungs- bzw. Bruchbilder im Druckversuch ............................. 10<br />
Abbildung 5: Spannungs-Dehnungsverlauf einer Ziegelsteinprobe ....................... 12<br />
Abbildung 6: Spannungs-Dehnungslinie von Kalkmörtel ....................................... 14<br />
Abbildung 7: SDL eines historischen und eines modernen Kalkmörtels ................ 14<br />
Abbildung 8: Trockenmauerwerk ........................................................................... 17<br />
Abbildung 9: Trockenmauer ................................................................................... 17<br />
Abbildung 10: Mehrschalige Mauerquerschnitte ...................................................... 18<br />
Abbildung 11: Steinbearbeitungsstufen und Natursteinverbände ............................ 19<br />
Abbildung 12: Findlingsmauerwerk .......................................................................... 19<br />
Abbildung 13: Zyklopenmauerwerk ......................................................................... 20<br />
Abbildung 14: Polygonalmauerwerk ........................................................................ 20<br />
Abbildung 15: Orthogonale Mauerwerksverbände ................................................... 21<br />
Abbildung 16: Römisches Ziegelmauerwerk............................................................ 23<br />
Abbildung 17: Zweischaliges Mauerwerk im Alten Seminar .................................... 28<br />
Abbildung 18: Mauerwerk im Bereich der Gründung ............................................... 29<br />
Abbildung 19: Fassadenansicht: Rissschäden ........................................................ 35<br />
Abbildung 20: Einaxiales Spannungs-Dehnungs-Diagramm von Beton .................. 39<br />
Abbildung 21: Biaxiale Versagenkurve .................................................................... 39<br />
Abbildung 22: Hauptspannungslinien im Kugelmodell ............................................. 40<br />
Abbildung 23: SDL eines Sandsteines und eines historischen Kalkmörtels unter<br />
DDruckbeanspruchung ........................................................................ 41<br />
Abbildung 24: SDL von druckbeanspruchten Mauerwerk nach Jäger ..................... 43<br />
Abbildung 25: Querverformung Mauerwerk ............................................................. 44<br />
Abbildung 26: Mauerwerk unter Druckbeanspruchung ............................................ 45<br />
Abbildung 27: Steinquerzugspannung aus behinderter Querdehnung .................... 45<br />
Abbildung 28: Stabwerksmodell bei ausgebrochener Lagerfuge ............................. 47<br />
Abbildung 29: Exemplarischer Trajektorienverlauf im Bruchsteinmauerwerk .......... 48<br />
Abbildung 30: Druckspannungsverteilung in Abhängigkeit der Belastungsrichtung 50<br />
Abbildung 31: Versagensformen zugbeanspruchten Mauerwerks - parallel zur<br />
xILagerfuge ......................................................................................... 51<br />
Abbildung 32: Versagensformen zugbeanspruchten Mauerwerks - senkrecht zur<br />
diLagerfuge ......................................................................................... 51<br />
Abbildung 33: Schubeinfluss nach DIN 1053 ........................................................... 52<br />
Abbildung 34: Versagensformen schubbeanspruchten Mauerwerks ....................... 52<br />
VI
Abbildungs- und Tabellenverzeichnis<br />
Abbildung 35: Grenzdehnungs- und Spannungszustände am einschaligem<br />
fgMauerwerk ........................................................................................ 53<br />
Abbildung 36: Interaktionslinie (einschaliges Mauerwerk) mit rechteckigem<br />
kiQuerschnitt unter Biegung mit Normalkraft ....................................... 53<br />
Abbildung 37: Belastungsmodell mehrschaliges Mauerwerk ................................... 54<br />
Abbildung 38: Geometrisches Modell eines Schalenverbundes .............................. 56<br />
Abbildung 39: Tragverhalten im Lasteinleitungsbereich .......................................... 57<br />
Abbildung 40: Spannungszustand bei Lasteinleitung in die mittlere<br />
hiZwischenraumschale ........................................................................ 58<br />
Abbildung 41: Spannungszustand bei Lasteinleitung in die äußeren Wetterschale. 59<br />
Abbildung 42: Interaktionslinie in Abhängigkeit der Schalenfestigkeit ..................... 61<br />
Abbildung 43: Tragverhalten mit einer nichtkohäsiven Innenschale ........................ 62<br />
Abbildung 44: Inneren Kräfte einer nichtkohäsiven Innenschale ............................. 63<br />
Abbildung 45: Tragverhalten im verschieblichem Schalenverbund ......................... 64<br />
Abbildung 46: Lastabtragungsmodell im Schalenverbund ....................................... 65<br />
Abbildung 47: Allgemeines Bruchbild Steinwürfel .................................................... 66<br />
Abbildung 48: Spannungsverteilung nach Hilsdorf .................................................. 70<br />
Abbildung 49: Bruchkurve für zentrische Druckbeanspruchung nach Hilsdorf ........ 71<br />
Abbildung 50: Bruchkurve und Bruchkriterium für zentrische Druckbeanspruchung 73<br />
Abbildung 51: Graphische Darstellung der Versuchsergebnisse ............................. 78<br />
Abbildung 52: Definition des 5%-Quantil-Wertes einer Verteilungsfunktion ............ 79<br />
Abbildung 53: Graphische Darstellung Steindruckfestigkeiten : Ziegel .................... 81<br />
Abbildung 54: Graphische Darstellung Steindruckfestigkeiten : Naturstein ............. 82<br />
Abbildung 55: Detailaufnahme der Außenwand (äußere Schale) ............................ 84<br />
Abbildung 56: Detailaufnahme der Außenwand (innere Schale) ............................. 85<br />
Abbildung 57: Repräsentative Mauerwerkssondierung ........................................... 86<br />
Abbildung 58: Darstellung der Parameter nach DIN 1053-1, Tab. 13 ...................... 88<br />
VII
Abbildungs- und Tabellenverzeichnis<br />
Tabellenverzeichnis<br />
Tabelle 1: Bautechnisch bedeutende Gesteine ........................................................ 7<br />
Tabelle 2: Mechanische Eigenschaften ausgewählter Natursteine ........................... 9<br />
Tabelle 3: Anforderungen an Verbandsarten nach DIN EN 1996-1-1/NA ............... 22<br />
Tabelle 4: Mittelalterliche Klosterformate ................................................................ 26<br />
Tabelle 5: Spannungszustand und Charakteristisches Mauerwerksversagen ........ 31<br />
Tabelle 6: Vergleich ausgewählter Parameter ........................................................ 37<br />
Tabelle 7: Rechenfestigkeit und Grundwert der zul. Druckspannung in<br />
hhhhAbhängigkeit der Mauerwerksnennfestigkeit ................................... 67<br />
Tabelle 8:Ergebnisse Steindruckfestigkeit – Ziegel ............................................... 80<br />
Tabelle 9: Werte für charakteristische Werte (5%-Fraktile) ............................... 82<br />
Tabelle 10: Ergebnisse Steindruckfestigkeit – Naturstein ......................................... 82<br />
Tabelle 11: Mauerwerksnennfestigkeit ............................................................... 87<br />
VIII
Gleichungsverzeichnis<br />
Gleichungsverzeichnis<br />
(3-1) E-Modul Mörtel ............................................................................................... 15<br />
(6-1) Steifigkeit von Mörtel und Stein ...................................................................... 42<br />
(6-2) E-Modul Mauerwerk ....................................................................................... 42<br />
(6-3) Hooke´sche Gesetz ........................................................................................ 42<br />
(6-4) Steinquerzugspannung .................................................................................. 46<br />
(6-5) Neigung der Druckkraft ................................................................................. 48<br />
(6-6) Allgemeine Gleichung der Zugkraft ................................................................ 48<br />
(6-7) Spannungsbelastung (1)................................................................................ 48<br />
(6-8) Spannungsbelastung (2)................................................................................ 48<br />
(6-9) Querzugspannung im Stein ............................................................................ 48<br />
(6-10) E-Modul für Ziegelmauerwerk ........................................................................ 55<br />
(6-11) E-Modul für eine kohäsive Innenschale ......................................................... 55<br />
(6-12) Schubbeanspruchung der Schalenfuge ......................................................... 56<br />
(6-13) Lasteinleitungslänge (allgemein).................................................................... 59<br />
(6-14) Lasteinleitungslänge (der Zwischenraumschale) ........................................... 59<br />
(6-15) Vereinfachten Berechnung der Schubspannung ............................................ 61<br />
(6-16) Belastung der mittleren Zwischenraumschale (v) .......................................... 64<br />
(6-17) Belastung der mittleren Zwischenraumschale (h) .......................................... 64<br />
(6-18) Bruchmoment ................................................................................................. 65<br />
(6-19) Allgemeine Gleichung der Schubspannung (v) .............................................. 65<br />
(6-20) Allgemeine Gleichung der Normalspannung .................................................. 65<br />
(6-21) Allgemeine Gleichung der Schubspannung ................................................... 65<br />
(7-1) Rechenfestigkeit ............................................................................................ 67<br />
(7-2) Charakteristische Druckfestigkeit nach SCHUBERT...................................... 68<br />
(7-3) Mittlere Druckfestigkeit nach EC 6 ................................................................. 68<br />
(7-4) Druckfestigkeit nach MANN ........................................................................... 69<br />
(7-5) Querspannung im Stein ................................................................................. 71<br />
(7-6) Querspannung im Mörtel ................................................................................ 71<br />
(7-7) Bedingung zur vereinfachten Berechnung ..................................................... 71<br />
(7-8) Horizontalspannung in Stein .......................................................................... 71<br />
(7-9) Mauerwerksdruckfestigkeit nach PÖSCHEL/SABHA ..................................... 73<br />
(7-10) Mauerwerksdruckfestigkeit nach EBNER ...................................................... 74<br />
(7-11) Mauerwerksdruckfestigkeit nach BERNDT .................................................... 75<br />
(8-1) Mittelwert (Ziegelsteinproben)........................................................................ 81<br />
(8-2) Streuung (Ziegelsteinproben)......................................................................... 81<br />
(8-3) Standartabweichung (Ziegelsteinproben) ...................................................... 81<br />
(8-4) Variationskoeffizient (Ziegelsteinproben) ....................................................... 81<br />
(8-5) 5% Quantil- Wert (Ziegelsteinproben)............................................................ 81<br />
IX
Gleichungsverzeichnis<br />
(8-6) Mittelwert (Natursteinproben)......................................................................... 83<br />
(8-7) Streuung (Natursteinproben).......................................................................... 83<br />
(8-8) Standartabweichung (Natursteinproben)........................................................ 83<br />
(8-9) Variationskoeffizient (Natursteinproben) ........................................................ 83<br />
(8-10) 5% Quantil- Wert (Natursteinproben .............................................................. 83<br />
(8-11) Nennfestigkeit (Bruchsteinmauerwerk) .......................................................... 87<br />
(8-12) Charakteristische Mauerwerksdruckfestigkeit nach EC 6 (Bruchstein) .......... 88<br />
(8-13) Verhältnis der Fugenhöhe zur Steinlänge (Bruchsteinmauerwerk) ................ 88<br />
(8-14) Neigung der Lagerfuge (Bruchsteinmauerwerk) ............................................ 88<br />
(8-15) Übertragungsfaktor (Bruchsteinmauerwerk) .................................................. 89<br />
(8-16) Mauerwerksdruckfestigkeit nach MANN (Bruchsteinmauerwerk) .................. 90<br />
(8-17) Nennfestigkeit (Ziegelmauerwerk).................................................................. 90<br />
(8-18) Charakteristische Mauerwerksdruckfestigkeit nach EC 6 (Ziegel) ................. 91<br />
X
Abkürzungsverzeichnis<br />
Abkürzungsverzeichnis<br />
Große lateinische Buchstaben:<br />
A<br />
A MW<br />
A st<br />
E<br />
EHS<br />
E Mö<br />
E St<br />
F<br />
FE<br />
G<br />
H<br />
M0<br />
MG<br />
Mo<br />
Mö<br />
Mu<br />
N<br />
SDL<br />
St<br />
Fläche<br />
Wandfläche in Grundriss<br />
Steinfläche im Grundriss<br />
E-Modul<br />
Echter Hausschwamm<br />
Mörtel-E-Modul<br />
Stein-E-Modul<br />
Kraft<br />
Finite Elemente<br />
Schubmodul<br />
Horizontalkraft<br />
Momentennullpunkt<br />
Mörtelgruppe<br />
Biegemoment am oberen Rand einer Wand<br />
Mörtel<br />
Biegemoment am unteren Rand einer Wand<br />
vertikal wirkende Normalkraft<br />
Spannungsdehnungslinie<br />
Stein<br />
Kleine lateinische Buchstaben:<br />
c<br />
Kohäsion<br />
d<br />
Wanddicke<br />
d St<br />
Steindicke<br />
e<br />
Lastausmittigkeit<br />
f c<br />
einaxiale Druckfestigkeit<br />
f sz<br />
Spaltzugfestigkeit<br />
f t<br />
einaxiale Zugfestigkeit<br />
h<br />
Wandhöhe<br />
h St<br />
Steinhöhe<br />
t<br />
Dicke der Lagerfuge<br />
Griechische Symbole:<br />
µ Reibbeiwert<br />
µ Mö Mörtel-Querdehnzahl<br />
µ ST Stein-Querdehnzahl<br />
BZ,St Steinbiegezugfestigkeit<br />
D<br />
Druckfestigkeit des Mauerwerks<br />
D,Mö Mörteldruckfestigkeit<br />
D,St<br />
Steindruckfestigkeit<br />
SZ,St Steinspaltzugfestigkeit<br />
Z,St<br />
Steinzugfestigkeit<br />
<br />
Dehnungen bzw. Stauchungen<br />
<br />
Stabdrehwinkel<br />
0 Grundwert der zulässigen Spannung nach DIN 1053-1<br />
XI
Abkürzungsverzeichnis<br />
I , II , III<br />
v<br />
v,u<br />
Z<br />
A<br />
B<br />
C<br />
D<br />
<br />
E<br />
F<br />
F<br />
Hauptspannungen<br />
Vertikalspannung<br />
Bruchspannung<br />
Zugspannung<br />
Querdehnzahl<br />
Ausdehnungsfaktor o. Versagenskennzahl<br />
Relativverschiebung<br />
Dichte<br />
Normalspannung<br />
Schubspannung<br />
Formfunktion<br />
Winkel der inneren Reibung<br />
Kopf- und Fußzeiger:<br />
Mö<br />
Mörteleigenschaft<br />
MW<br />
Mauerwerkseigenschaft<br />
St<br />
Steineigenschaft<br />
x,y,z Eigenschaft in Richtung x, y oder z<br />
XII
Einleitung und Zielsetzung<br />
1 Einleitung und Zielsetzung<br />
Im Rahmen der Sanierung und der Umgestaltung historischer Bausubstanzen ist die<br />
statische Einschätzung historischer Mauerwerke von großer Bedeutung. Besonders<br />
unter der Voraussetzung der für unregelmäßiges Natursteinmauerwerk<br />
unzureichenden Normung. In den heute gültigen Normen sind nur wenige Angaben<br />
zur Ermittlung von historischem Natursteinmauerwerk gegeben. Für künstliches<br />
Mauerwerk hingegen gibt die Norm hinreichend genaue Bemessungsregeln, auf<br />
Grundlage empirischer Auswertungen, welche problemlos auch auf historische<br />
Ziegelmauerwerke übertragen werden können.<br />
Mauerwerk aus Natursteinen variiert in seinem Gefüge teilweise erheblich. Um<br />
objektspezifische Kennwerte, wie Materialeigenschaften, Zustandsmerkmale oder<br />
Geometrie der verwendeten Materialien, richtig bewerten zu können, sind in der<br />
Regel umfangreiche Materialuntersuchungen notwendig. Das Tragverhalten sollte<br />
dabei möglichst realistisch beschrieben werden.<br />
Natursteinmauerwerk weist eine derart große Varianz der Material- und<br />
Strukturparameter auf, dass keine hinreichend genauen, allgemeingültigen Formeln<br />
angegeben werden können.<br />
Die in den Normen enthaltenen Angaben zu regelgerechtem Natursteinmauerwerk<br />
lassen sich üblicherweise nicht ausnahmslos auf historische Bauweisen übertragen.<br />
Aufgrund dessen werden in der Berechnung hohe Sicherheitsfaktoren einbezogen.<br />
Um die Standsicherheit bestehender Mauerwerke besser bewerten zu können, sind<br />
Kenntnisse zum allgemeinen Tragverhalten erforderlich. In der folgenden Arbeit<br />
werden grundlegende Trag- und Versagensmechanismen dargestellt.<br />
Der Einfluss der Mauerwerksinhomogenität auf das Tragverhalten kann mithilfe von<br />
experimentellen Bemessungsansätzen beurteilt werden. Im Folgenden werden einige<br />
wichtige Forschungsergebnisse dargestellt und bewertet.<br />
Der Betrachtung außenvorgelassen ist die Untersuchung der erdberührenden bzw.<br />
erdumschließenden Mauerwerkswände im Gründungsbereich.<br />
Der <strong>Diplomarbeit</strong> zugrunde liegend ist die Studienarbeit 1 mit dem Titel:<br />
„Bestandsanalyse der historischen Bausubstanz: Altes Seminar Grimma“. Alle<br />
theoretischen Ansätze werden mit objektspezifischen Angaben des Alten Seminars<br />
verglichen.<br />
1 vgl. [18]<br />
1
Einleitung und Zielsetzung<br />
Zielsetzung<br />
Die vorliegende Arbeit „Festigkeitsanalyse ausgewählter Schwerpunkte von<br />
historischem Mauerwerk“ soll einen Beitrag zum Verständnis des Tragverhaltens von<br />
historischem Mauerwerk leisten.<br />
Grundsätzliches Ziel dieser Arbeit ist es, das Tragverhalten und die Versagensmechanismen<br />
von historischem Mauerwerk zu untersuchen, um allgemeingültige<br />
Berechnungsverfahren ableiten zu können. Die grundsätzlichen Trag- und<br />
Versagensmechanismen sollen erkannt und erläutert werden.<br />
Zur Überprüfung der bereits gegebenen Materialkennwerte durch ein Gutachten 2<br />
vom 20.01.2012 wurden weitere Laborversuche hinsichtlich der Druckfestigkeit des<br />
Steinmaterials durchgeführt. Die Ergebnisse der beiden Laborprüfungen sollen als<br />
Grundlage zur Berechnung verschiedener Bemessungsansätze dienen.<br />
Abschließend werden Aussagen zur Bewertung der Bemessungsansätze hinsichtlich<br />
ihrer Aussagequalität getroffen.<br />
2 vgl. [13]<br />
2
Überblick Altes Seminar<br />
2 Überblick Altes Seminar<br />
Das ehemalige Seminargebäude bildet gemeinsam mit der Klosterkirche, den<br />
Gymnasium St. Augustin und dem Schloss die Ufersilhouette Grimmas. Das Alte<br />
Seminar soll zum Zwecke der Erweiterung des benachbarten Gymnasiums St.<br />
Augustin umgebaut werden.<br />
Ansicht West<br />
Ansicht Ost<br />
Ansicht Süd<br />
Grundriss EG<br />
Schnitt A-A<br />
A<br />
A<br />
Abbildung 1 : Altes Seminar: Grundriss, Ansichten, Schnitt<br />
Die erste noch heute teilweise erhaltene Bebauung geht auf das 17. Jahrhundert<br />
zurück und wurde in den folgenden Jahrhunderten mehrmals umgebaut und<br />
erweitert. Die ursprüngliche Bausubstanz stellt vermutlich ein kurfürstliches Kornhaus<br />
dar 3 . Es wird vermutet, dass die Längsmittelwand des vorhandenen Gebäudes in<br />
Teilen der Außenwand des eben erwähnten Kornhauses entspricht.<br />
Zuletzt wurde das Gebäude als Wohnhaus genutzt und steht letztendlich seit einigen<br />
Jahren leer. Durch die mit diesem längeren Leerstand einhergehende mangelnde<br />
Bauunterhaltung weist das Objekt massive Schäden auf.<br />
Das Seminargebäude befindet sich im historischen Stadtzentrum von Grimma, in<br />
direkter Nachbarschaft des ehemaligen Augustinerklosters, dem heutigen<br />
Gymnasium, und der ehemaligen Schlossanlage, unmittelbar am Westufer der<br />
Mulde.<br />
Der Gebäudekomplex besteht aus dem Hauptgebäude, dem zur Mulde hin<br />
gelegenen, bereits abgebrochenen Ostflügel und einem ebenfalls bereits<br />
3<br />
vgl. [25]<br />
3
Überblick Altes Seminar<br />
abgebrochenen Toilettenanbau. Entlang der Klosterstraße befinden sich zu beiden<br />
Seiten des Haupteingangs die sogenannten Kavaliershäuser als auch das<br />
Direktorengebäude. Des Weiteren steht zwischen Seminargebäude und Gymnasium<br />
St. Augustin das derzeit ungenutzte Heizhaus des Gymnasiums. Im Norden grenzt<br />
der Komplex direkt an die später als Etuisfabrik genutzte Schlossanlage an.<br />
Der an der Ostseite angebaute Toilettentrakt wurde bereits abgerissen. Zu den<br />
weiteren Abrissarbeiten gehört der Rückbau des Ostflügels, des Direktorengebäudes<br />
und des ehemaligen Heizhauses.<br />
Kavaliershäuser<br />
Hauptgebäude<br />
Toilettenanbau<br />
<br />
Ostflügel<br />
Direktorengebäude<br />
<br />
Heizhaus<br />
Abbildung 2 : Auszug aus der Liegenschaftskarte (Gemarkung: Grimma)<br />
(eigene Darstellung in Anlehnung an [1])<br />
In den nachfolgenden Ausführungen wird ausschließlich das Hauptgebäude<br />
betrachtet. Dieses besteht aus zwei Vollgeschossen und einem ausgebauten<br />
Dachgeschoss. Zusätzlich ist das Gebäude teilweise unterkellert.<br />
Der Haupteingang befindet sich zur Straße hin an der Westfassade. Dem Eingang ist<br />
außen eine Freitreppe mit einigen wenigen Stufen vorgelagert. Das Gelände in der<br />
unmittelbaren Umgebung besteht derzeitig umlaufend aus unbefestigtem<br />
Mutterboden. Es wird jedoch vermutet, dass zwischen Straßenzufahrt und<br />
Haupteingang ehemals eine Bepflasterung ausgeführt war. Die Fassaden des<br />
Gebäudes weisen massive Schäden auf. Unter anderem lassen sich im Putz große<br />
Fehlstellen erkennen. Besonders im geländenahen Bereich fehlt der Putz fast<br />
vollständig.<br />
Die Fenstergewände bestehen aus Porphyrtuff. Die unterschiedliche Struktur des<br />
Porphyrs ist ein Hinweis auf den Einbau in unterschiedlichen Zeitepochen. Die<br />
Natursteingewände sind stark verwittert. Neben den starken Gefügeschäden und<br />
dem teilweise deutlichen Substanzverlust sind zusätzlich Rissschäden zu erkennen.<br />
Die Mauerwerksergänzungen an einigen Fenstergewänden und die Überwölbung<br />
waagerechter Stürze sind ein weiterer Hinweis auf die Umbaumaßnahmen der<br />
Vergangenheit.<br />
4
Überblick Altes Seminar<br />
Die Außenwände des Gebäudes bestehen überwiegend aus Bruchsteinmauerwerk<br />
mit partiellen Mauerziegelbereichen. Dieser Wandaufbau setzt sich teilweise bei den<br />
Innenwänden fort. Alle weiteren Innenwände sind vermutlich als gewöhnliches<br />
Ziegelmauerwerk ausgeführt.<br />
Die Decken sind im Keller und Erdgeschoss als Gewölbedecken und in den oberen<br />
Etagen als Holzbalkendecken ausgebildet.<br />
Die Dacheindeckung des Walmdaches besteht aus gebrannten Falzziegeln und<br />
Biberschwänzen. Sie weist massive Fehlstellen auf. Die stärksten Schäden sind an<br />
der Ostseite zu erkennen. Der Dachaufbau wird durch Gauben und Dachfenster<br />
ergänzt. Die Dachentwässerung ist ebenfalls beschädigt. Die Regenrinnen fehlen<br />
teilweise und sind durch Pflanzenbewuchs in ihrer Funktion beeinträchtigt. Somit<br />
erfolgt die Wasserableitung derzeit unkontrolliert.<br />
5
Baustoffe<br />
3 Baustoffe<br />
3.1 Naturstein<br />
Bruchsteine stellen eines der ältesten Baumaterialien dar. Die bei der Herstellung<br />
von Mauern benötigten Steine wurden in der Vergangenheit üblicherweise aus<br />
naheliegenden Steinbrüchen bezogen, in denen sich das Gestein verhältnismäßig<br />
leicht abbauen ließ. So wurde regional über Jahrhunderte überwiegend mit folgenden<br />
Gesteinen gearbeitet: zunächst mit Tuffgestein und weichem Kalkstein, später mit<br />
Sandstein, Syenit, Granit, Quarzit, Diorit, Basalt, Porphyr und Gipsstein 4 .<br />
Um das Verhalten von Natursteinen besser bewerten zu können, ist es notwendig,<br />
grundlegende Gesteinszusammensetzungen zu kennen. Gesteine sind grundsätzlich<br />
feste Bestandteile der Erdkruste, die durch diverse geologische Prozesse, wie etwa<br />
Erkalten und Kristallisieren flüssigen Magmas, Verwitterung, Erosion, Verwerfungen<br />
und Ablagerungen entstanden. Auf diese Weise entstanden im Laufe der<br />
Erdentstehung verschiedenen Gesteinsarten. Allen Gesteinsarten gemeinsam sind<br />
Mineralien als deren Hauptbestandteil. Übliche gesteinsbildende Mineralien sind:<br />
Feldspat, Quarz, Glimmer, Kalkspat, Dolomit, Gips, Anhydrit, Tonmineralien,<br />
Steinsalze, Kalisalze und Graphit 5 . Daraus lassen sich anschließend<br />
charakteristische Kennwerte der Gesteinsarten ableiten. Die für die<br />
Tragwerksplanung wichtigsten Kennwerte sind:<br />
- die Gesteinshärte und<br />
- Dichte,<br />
- die kristalline Form und<br />
- die chemische Zusammensetzung des verwendeten Natursteinmaterials.<br />
Von einem Zusammenspiel dieser Faktoren hängt im Wesentlichen deren spätere<br />
Bewertung der im Bestandsgebäude vorhandenen Gesteine ab, mit dessen Hilfe<br />
eine Festigkeitsanalyse durchgeführt werden kann. Zusätzlich können Rückschlüsse<br />
zu wirkungsvollen, materialspezifischen Instandsetzungsmaßnahmen getroffen<br />
werden.<br />
3.1.1 Einteilung der Natursteine<br />
Alle Gesteine lassen sich hinsichtlich ihrer Entstehung in drei Hauptgruppen<br />
unterteilen.<br />
Zum einen unterscheidet man in Gesteine, die bei der magmatischen Erstarrung der<br />
Erdkruste entstanden. Abhängig von deren individuellen Entstehung unterscheiden<br />
sich diese Gesteine entscheidend in ihrer Struktur und Erscheinungsform.<br />
4 vgl. [26], S.13<br />
5 vgl. [26], S.63<br />
6
Baustoffe<br />
Die durch eine natürliche Verwitterung und anschließende Verfestigung<br />
entstandenen Gesteine werden als Sedimentgestein bezeichnet. Auch diese können<br />
wiederum nach ihren unterschiedlichen Entstehungsmechanismen unterteilt werden.<br />
Letztlich entstanden durch auf das Gestein wirkende Drücke und Temperaturen<br />
sogenannte metamorphe Gesteine. Diese Gesteine, wie etwa Marmor,<br />
Glimmerschiefer, Quarzit und Gneis haben für den Mauerwerksbau lediglich eine<br />
untergeordnete Rolle 6 .<br />
Von bautechnischer Bedeutung sind folgende in der Tabelle 1 aufgeführten<br />
Gesteine.<br />
Magmagestein<br />
Tiefengestein<br />
Ergussgestein<br />
Ganggestein<br />
Sedimentgestein<br />
Klastische Sedimente<br />
Ausfällungsgesteine<br />
metamorphe Gesteine<br />
nach Druck und Temperatur<br />
Granit, Syenit und Diorit<br />
Diabas, Quarzporphyr, Basalt,Trachyt<br />
Granitporphyr, Syenitporphyr, Dioritporphyr<br />
(Bimsgesteine und Tuffe)<br />
Sandstein (Tonschiefer)<br />
Kalkstein<br />
Kristalliner Schiefer, Gneis, Marmor<br />
Tabelle 1 : Bautechnisch bedeutende Gesteine<br />
(eigene Darstellung nach [26], S. 74)<br />
3.1.2 Eigenschaften von Natursteinen<br />
Für die Bewertung der Tragfähigkeit von Natursteinmauerwerk sind folgende<br />
mechanische Eigenschaften der Gesteine von Bedeutung:<br />
- das Elastizitätsmodul ( )<br />
- die Steindruckfestigkeit ( )<br />
- die Steinzugfestigkeit ( ) und<br />
- die Querdehnzahl (A )<br />
In der folgenden Abbildung ist ein exemplarischer Spannungsdehnungsverlauf des<br />
geprüften Natursteinmaterials (vgl. Anhang 3) dargestellt.<br />
6 vgl. [26], S. 74<br />
7
Baustoffe<br />
Abbildung 3: Spannungs-Dehnungsverlauf einer Natursteinprobe<br />
(vgl. Prüfungsergebnisse der Anlage 3)<br />
Je nach Gesteinsart unterscheiden sich diese Parameter mitunter deutlich<br />
voneinander. In der Regel sind die Steineigenschaften stark abhängig von der<br />
Steinzusammensetzung. Besonderen Einfluss haben dabei der Mineralbestand, der<br />
Porenraum und das Korngefüge.<br />
Dabei lässt sich grundsätzlich feststellen, dass mit zunehmendem Porenanteil die<br />
Druckfestigkeit und der E-Modul 7 sinken. Zusätzlich schwächt eine starke Porosität<br />
des Gesteins die Verwitterungsbeständigkeit des Materials, Feuchtigkeit dringt<br />
schneller in das Material ein. Schäden infolge von Wassereinlagerungen können die<br />
Steinsubstanz zusätzlich schwächen.<br />
Das Korngefüge kann in Abhängigkeit der Gesteinsentstehung variieren. Es wird<br />
bestimmt durch die Korngröße, -form, -verteilung und der Kornbindung.<br />
Im Folgenden sind Kenngrößen für die im Alten Seminar verwendeten Gesteine<br />
angegeben.<br />
Um die im Bestand verwendeten Steine nach ihren mechanischen Eigenschaften<br />
einordnen zu können, ist es sinnvoll Gesteinsprüfungen vorzunehmen.<br />
Die Prüfung der Festigkeiten von Natursteinen wird in der Regel nach DIN EN 772-1<br />
durchgeführt.<br />
Die Angabe des E-Moduls erfolgt häufig als Sekantenmodul bei einem Drittel der<br />
Bruchspannung im Spannungsdehnungsdiagramm.<br />
In Tabelle 2 sind Werte für ausgewählte mechanische Eigenschaften einiger<br />
Gesteine dargestellt. Die Werte der Eigenschaften von Natursteinen weisen eine<br />
hohe Streuung auf.<br />
7 Elastizitätsmodul<br />
8
Gesteinsart Druckfestigkeit Mindestdruckfestigkeit<br />
nach DIN 1053<br />
Baustoffe<br />
Elastizitätsmodul<br />
D in [kN/mm 2 ] D in [kN/mm 2 ] E dyn in [kN/mm 2 ]<br />
Granit 80-300 120 35-80<br />
Basalt 160-400 120 50-100<br />
Vulkan, Tuffgestein 5-40 20 4-10<br />
quarzitisch gebundener<br />
Sandstein<br />
60-250 80 10-70<br />
tonig/karbon. Gebundener<br />
Sandstein<br />
15-150 30 5-30<br />
poröser Kalkstein 20-90 20 5-20<br />
dichter Kalkstein, Dolomit 80-90 50 15-80<br />
Gneis 70-260 - 25-80<br />
Marmor 40-300 50 15-80<br />
Tabelle 2 : Mechanische Eigenschaften ausgewählter Natursteine<br />
(eigene Darstellung in Anlehnung an [35])<br />
Einaxiale Festigkeiten [5]<br />
Um die Gesteinsfestigkeiten von Natursteinen im Bestand zu ermitteln, ist es<br />
notwendig, Prüfungen an Probekörpern durchzuführen. Die Probekörper 8 ergeben<br />
sich aus den Entnahmemöglichkeiten am bestehenden Bauwerk.<br />
Aufgrund der sich somit unterschiedlich ergebenden Prüfkörpergeometrien müssen<br />
die Druckfestigkeiten für eine normgerechte Bezugsgröße umgerechnet werden.<br />
Weiterhin ist zu beachten, dass sich bei der Prüfung der Probekörper in den<br />
Kontaktflächen zwischen Gestein und Prüfmaschine eine Behinderung der<br />
Querdehnung einstellt. Der Stein wird in den Auflagerbereichen in einen mehraxialen<br />
Druck-Druck-Druck-Spannungszustand versetzt. Dieser Spannungszustand führt zu<br />
einem Anstieg der Bruchspannung in Abhängigkeit zum Probekörpervolumen.<br />
Generell lässt sich feststellen, dass mit abnehmender Prüfkörperhöhe die zum Bruch<br />
führende Spannung sinkt. Die Druckfestigkeit ist demzufolge anhängig von der<br />
Schlankheit der Prüfkörper. Ein annähernd einaxialer Spannungszustand stellt sich<br />
ab einer Probekörperabmessung von <br />
ein.<br />
Um bei der Prüfung von Natursteinen einen exakteren Wert ermitteln zu können, ist<br />
es vorteilhaft, eine elastische Bettung (Abbildung 4-c ) ) auszubilden. Diese verhindert<br />
weitestgehend die Querdehnungsbehinderung durch die starren Lastplatten.<br />
In Abbildung 4 sind typische Verformungs- bzw. Bruchbilder an Würfelproben<br />
dargestellt. Teilabbildung a), zeigt das Ausbeulen von Prüfkörpern, welche eine<br />
einheitliche Druck- und Zugfestigkeit aufweisen. In der Regel jedoch verhalten sich<br />
8 Entnahme Probekörper vgl. [13] und Anhang 2<br />
9
Baustoffe<br />
Natursteinmaterialien unter Druckbeanspruchung wie in b), und c), dargestellt. In<br />
Teilabbildung b), ist eine drehbehinderte Randlagerung dargestellt.<br />
Abbildung 4:<br />
Verformungs- bzw. Bruchbilder im Druckversuch<br />
([14])<br />
Weiterhin gehören zu den Materialprüfungen die Prüfungen der Spaltzugfestigkeit,<br />
der Biegezugfestigkeit und der Zugfestigkeit. Die Prüfung dieser<br />
Materialeigenschaften wurde nicht vorgenommen. Allgemeine Angaben zur Prüfung<br />
können aus den entsprechenden Normen entnommen werden. Auf eine exakte<br />
Darstellung dieser Prüfverfahren wird im Rahmen dieser <strong>Diplomarbeit</strong> verzichtet.<br />
3.1.3 Natursteine im Alten Seminar in Grimma<br />
Im Alten Seminar in Grimma wurden durch ein Gutachten 9 vom 20.Januar 2012,<br />
unterschiedliche Natursteinmaterialien festgestellt. Zum einen ließ sich feststellen,<br />
dass alle Fenster- und Türgewände mit Porphyrtuff der Rochlitzer Varietät ge<strong>fertig</strong>t<br />
wurden. Auf eine weitere Ausführung des Natursteinmaterials wird verzichtet, da die<br />
erwähnten Fenster- und Türgewände lediglich als Schmuckelemente dienen. Auf die<br />
Tragfähigkeit des Mauerwerks haben diese keinen Einfluss.<br />
Die im Mauerwerk, besonders im Außenmauerwerk, verbauten Natursteine stellen<br />
Varietäten des Quarzporphyrs dar. Dies ist eine häufig vorkommende Gesteinsart im<br />
sächsischen Raum. Sie zeichnet sich durch eine verhältnismäßig geringe Porosität<br />
des Steingefüges aus. Des Weiteren kann dem Gutachten entnommen werden, dass<br />
die geprüften Gesteinsproben eine verhältnismäßig hohe Dichte von im Mittel 2,4<br />
N/mm 2 und demzufolge eine ebenfalls hohe Festigkeit aufweisen.<br />
Festigkeitseigenschaften von Quarzporphyr<br />
Quarzporphyr ist ein vulkanisches Gestein mit rhyolithischer Zusammensetzung. Als<br />
Hauptbestandteil gilt grundsätzlich Quarz und Orthoklas 10 . Die Orthoklas-Verbindung<br />
beinhaltet in der Regel in deren Grundmasse rötlichen Alkalifeldspat, helle<br />
9 vgl. [13], S. 31ff<br />
10 Orthoklas: ein gesteinsbildendes Mineral aus der Gruppe der Feldspate und der Mineralienklasse<br />
der Silikate.<br />
10
Baustoffe<br />
Plagioklas 11 sowie Muskovit- oder Biotitglimmer. Weiterhin befinden sich häufig feinbis<br />
mittelkörnige kristalline Einsprenglinge, vor allem von Quarz, in der<br />
Gesteinsstruktur.<br />
Quarzporphyr weist ausnahmslos eine dichte rötliche bis bräunliche feinstkörnige<br />
Grundmasse auf.<br />
3.2 Ziegelsteine<br />
Das Rohmaterial eines jeden Ziegels ist Lehm. Lehm besteht grundsätzlich aus<br />
Sand, Ton und Schluff, wobei der Tonanteil maßgeblich auf diverse<br />
Ziegeleigenschaften wirkt.<br />
Zu Beginn der Ziegelherstellung wurden zunächst lediglich luftgetrockneten Ziegel<br />
verwendet. Da diese Steine eine geringe Festigkeit besaßen und zusätzlich durch<br />
den Trocknungsprozess durch entstandene Risse an Festigkeit verloren, wurden<br />
Zusatzstoffe beigemengt. Den Ziegeln wurden dabei meist zusätzliche Anteile von<br />
Sand, pflanzlichen Fasern oder anderen Füllstoffen beigemengt.<br />
Durch das spätere Brennen wird der Stein durch diverse chemische und<br />
physikalische Abläufe in seinem ursprünglichen Gefüge verändert. Der<br />
luftgetrocknete Ziegel gewinnt bei einer Brenntemperatur von etwa 950 bis 1150°C<br />
an Festigkeit. Schon im Mittelalter wurden Zuschläge, wie Sand, Asche oder<br />
Ziegelmehl der Lehmmasse zugefügt, um die Qualität des Endproduktes zu steigern.<br />
Abhängig von Eisen- oder Kalkgehalt des abgebauten Lehmmaterials unterscheiden<br />
sich die Steinfärbungen 12 .<br />
3.2.1 Festigkeitseigenschaften von Ziegelsteinen<br />
Analog zu der Bewertung der Tragfähigkeit von Natursteinmauerwerk können<br />
ebenfalls Ziegel unter folgende mechanische Eigenschaften betrachtet werden:<br />
- das Elastizitätsmodule ( )<br />
- die Steindruckfestigkeit ( )<br />
- die Steinzugfestigkeit ( ) und<br />
- die Querdehnzahl (A )<br />
Generell sind alle Angaben zu den Ziegelmaterialien in den Normen angegeben und<br />
können in der Regel auf im Bestand verwendete Ziegel übertragen werden.<br />
In der folgenden Abbildung ist ein exemplarischer Spannungsdehnungsverlauf des<br />
geprüften Ziegelmaterials (vgl. Anhang 3) dargestellt.<br />
11 Plagioklas: Klassifikation des Feldspates, auch als Kalknatronfeldspate bezeichnet.<br />
12 vgl. [26], S 77 ff.<br />
11
Baustoffe<br />
Abbildung 5: Spannungs-Dehnungsverlauf einer Ziegelsteinprobe<br />
(vgl. Prüfungsergebnisse der Anlage 3)<br />
3.2.2 Ziegel im Alten Seminar in Grimma<br />
Die durch das Gutachten 13 vom 20.Januar 2012 festgestellten Materialkennwerte<br />
sind in folgenden Abschnitten zusammengefasst.<br />
Das entnommene Ziegelmaterial besteht in der Regel aus ortsspezifischen<br />
Lehmanteilen. Die verwendeten Ziegel weisen keine Besonderheiten auf und können<br />
daher nach Eurocode eingeordnet werden.<br />
3.3 Historischer Mauermörtel<br />
3.3.1 Lehm- und Gipsmörtel<br />
Das älteste Bindemittel für Mauermörtel stellt Lehm dar. Des Weiteren wurde Gips<br />
als Bindemittel verwendet. Der abgebrochene Gipsstein wurde gebrannt und<br />
zerkleinert, um anschließend zu Mörtel verarbeitet werden zu können. Im Mittelalter<br />
wurde Gips als Bindemittel jedoch kaum mehr eingesetzt. Beide Bindemittel haben<br />
einen massiven Nachteil; sie sind im besonderen Maße feuchtigkeitsempfindlich.<br />
Generell lassen sich historische Mörtel in Mörtelgruppen nach DIN 1053-1 14 einteilen.<br />
In der Regel erreichen historische Mörtel aufgrund deren geringen Festigkeiten<br />
lediglich die Mörtelgruppe I. An Mörtelgruppe I werden nach Norm keinerlei<br />
Anforderungen gestellt.<br />
13 vgl. [13], S 30 ff.<br />
14 vgl. [4]<br />
12
Baustoffe<br />
3.3.2 Kalkmörtel<br />
Seit ca. 1000 v.Chr. begann der Einsatz von Kalk als Bindemittel. Historische<br />
Kalkmörtel sind in der Regel Mörtel einer weichen Substanz. Der benötigte Kalk<br />
wurde in Form von Kalkstein, Dolomit oder Kalkmergel in den jeweiligen<br />
Steinbrüchen abgebrochen. Anschließend wurde das Gestein, zerkleinert, gebrannt<br />
und abgelöscht. Die dabei entstandene teigähnliche Suspension, der Sumpfkalk,<br />
wurde anschließend mit feinkörnigem Sand zu Mörtel vermengt. Im Mittelalter wurde<br />
der Kalk lediglich trockengelöscht. Hydraulische Kalke enthalten Bestandteile, die im<br />
Zusammenspiel mit Wasser zementähnlich aushärten. Um eine Verbesserung der<br />
Festigkeit und der Feuchtigkeitsbeständigkeit zu bewirken, wurden hydraulische<br />
Faktoren wie vulkanische Aschen (Puzzolanerde, Trass; Santorinerde) oder<br />
Ziegelmehl oder Kalke mit hohem Kalziumaluminatanteil zugegeben. 15 Zudem<br />
wurden häufig organische Zusätze verwendet, wie etwa Eier, Essig, Wein, Butter,<br />
Milch oder Quark. Die eben erwähnten organischen Zusätze sollten den Kalkmörtel<br />
in seinen Eigenschaften hinsichtlich der Plastizität des feuchten Materials und der<br />
späteren Wetterfestigkeit verbessern.<br />
3.3.3 Festigkeitseigenschaften historischer Kalkmörtel<br />
Historische Kalkmörtel wurden in der Regel mit einem Trockenlöschverfahren<br />
hergestellt. Dieses Herstellungsverfahren und ein meist unvollständiger<br />
Brennvorgang führen in der Mörtelstruktur zu Klümpchen mit ungebrannten<br />
Kalkresten. Diese meist rundlichen Einschlüsse reduzieren das<br />
Kapillarporenvolumen und die Schwindneigung der Mörtelstruktur.<br />
Generell lässt sich feststellen, dass die Druckfestigkeit des Mörtels abhängig von<br />
dem Bindemittel, dem Mischungsverhältnis und der Porosität ist. Im Allgemeinen<br />
steigt die Druckfestigkeit mit Zunahme der hydraulischen Anteile. Gleichzeitig steigt<br />
der Elastizitätsmodul und die Duktilität sinkt. Wie schon in den beiden<br />
vorangegangenen Kapiteln erläutert, lässt sich die Tragfähigkeit über die zuvor<br />
erwähnten Eigenschaften bestimmen. Aufgrund der stark variierenden<br />
Mörtelzusammensetzungen können keine einheitlichen Eigenschaftsangaben<br />
getroffen werden. Eine umfangreiche Zusammenstellung von Untersuchungsergebnissen<br />
an historischen Mauermörtel ist in [3] dargestellt.<br />
In Abhängigkeit der gewählten Prüfmethode und des Prüfalters werden<br />
unterschiedliche Bewertungen vorgenommen. Im Folgenden werden Spannungs-<br />
Dehnungslinien von Kalkmörteln dargestellt.<br />
15 vgl. [26], S. 83 ff.<br />
13
Baustoffe<br />
Abbildung 6:<br />
Spannungs-Dehnungslinie von Kalkmörtel<br />
([16])<br />
Weitere Untersuchungen 16 von Kalkmörtel in Bruchsteinmauerwerk ergaben<br />
Gesamtporositäten von 30 bis 45%. Dieser Wert liegt etwas über den heutigen<br />
Kalkzement- und Zementmörteln. Es ergab sich eine Kapillarporosität von 70-90%<br />
des Porenvolumens (heutiger Kalkzementmörtel = 50% des Porenvolumens).<br />
Im Vergleich zu modernen Kalkzementmörteln kann folgende, in Abbildung 7<br />
dargestellte allgemeine Annahme getroffen werden. Historischer Kalkmörtel weist<br />
eine wesentlich weichere Struktur als heutige Mörtel auf. In der Regel erreicht reiner<br />
Luftkalk eine Druckfestigkeit von 0,1-2 N/mm 2 .<br />
Abbildung 7:<br />
SDL eines historischen und eines modernen Kalkmörtels<br />
(eigene Darstellung in Anlehnung an [35])<br />
16 vgl. Untersuchungsergebnisse nach [35] / [12]<br />
14
Baustoffe<br />
Mörtel weist einen funktionalen Zusammenhang zwischen E-Modul und<br />
Druckfestigkeit auf. Die Literatur gibt Gleichungen zur Berechnung des E-Modules<br />
von Mörtel an.<br />
Eine wesentliche Gleichung, die auf historischen Mörtel übertragen werden kann,<br />
gibt HUSTER in [19] an. Sie basiert auf einem Regressionsansatz der<br />
Untersuchungsergebnisse. Die Gleichung wurde für Mörtel alle Mörtelgruppen<br />
entwickelt.<br />
<br />
0,73<br />
(3-1)<br />
mit:<br />
Mörteldruckfestigkeit in [N/mm 2 ]<br />
3.3.4 Zementmörtel<br />
Durch diverse Weiterentwicklungen wurde Ende des 18. Jahrhunderts der<br />
Portlandzement entwickelt. Der Zementmörtel ist ein Gemisch aus Kalkmergel und<br />
Ton, welches bis zur Sintergrenze gebrannt und anschließend gemahlen wird.<br />
Diese Art von Mörtel wurde im Alten Seminar nicht verwendet. Aufgrund dessen wird<br />
auf eine weitere Betrachtung nicht eingegangen.<br />
3.3.5 Mauermörtel im Alten Seminar in Grimma<br />
Im Alten Seminargebäude Grimma wurde überwiegend Kalkmörtel verwendet. Es<br />
wurde ein Kalkmörtel mit geringen hydraulischen Anteilen verwendet. Dieser Mörtel<br />
kann nach heutiger Norm als Mörtel der Mörtelgruppe I mit geringer Festigkeit<br />
eingestuft werden. Das Mischungsverhältnis des vorgefundenen Mörtels kann laut<br />
Gutachten 17 mit 1:4 oder 1:8 angegeben werden. Bei den Zuschlägen der Kalkmörtel<br />
handelt es sich im Wesentlichen um Quarzsand mit einer Körnung von 0,2 bis 2 mm.<br />
Des Weiteren ergaben die Mauerwerksuntersuchungen, dass besonders im<br />
Obergeschoss Mörtel mit hohen Lehmanteilen verwendet wurde. Die Quer- und<br />
Längswände sowie Teile der westlichen Außenwand weisen einen Lehmmörtel mit<br />
geringen Kalkanteilen auf. Die Mörtelstruktur ist durchgängig gelockert. Für den<br />
Lehmmörtel kann keine Angabe zur zulässigen Spannung gegeben werden.<br />
17 vgl. [13], Mörteluntersuchug<br />
15
Historische Wandbauweisen<br />
4 Historische Wandbauweisen<br />
4.1 Natursteinmauerwerk<br />
4.1.1 Allgemein<br />
Schon früh begannen Menschen, den überaus stabilen Baustoff in zunächst sehr<br />
großen Steinblöcken lose übereinander zu schichten. Dabei entwickelten sich im<br />
Laufe der Zeit zahlreiche Mauerwerksarten. Diese sind im Wesentlichen: das<br />
Trocken-, Zyklopen- und Bruchsteinmauerwerk sowie diverse Schichten- und<br />
Quadermauerwerke. Parallel zu den Entwicklungen der Mauerwerksarten,<br />
entstanden zu jedem Mauerwerksverband unterschiedliche Regeln entsprechend der<br />
Steinschichtung, der Gesteinsbearbeitung und der allgemeinen Gestaltung.<br />
Bei der Verwendung des natürlichen Gesteins als Mauerwerk ist auf folgende<br />
grundsätzliche Gesteinsmerkmale zu achten.<br />
Von zentraler Bedeutung ist dabei die Gesteinsstruktur. Fehlstellen, Einschlüsse und<br />
Ablagerungen im Gestein mindern verhältnismäßig stark die Festigkeit des<br />
betreffenden Gesteins. So zum Beispiel sollten Steine mit einer lagenhaften Struktur,<br />
wie etwa Sedimentgesteine, vermieden werden oder auf eine rechtwinklig zum Stein<br />
treffende Lastrichtung geachtet werden. Bei einem fehlerhaften Einbau des<br />
erwähnten Gesteins und folglich einer Belastung parallel zur Schichtlage sind<br />
Abspaltungen zu erwarten. Generell sollten alle Steine des Mauerwerks analog ihrer<br />
natürlichen Schichtung eingebaut werden.<br />
Des Weiteren ist bei frei bewittertem Mauerwerk auf eine ausreichende<br />
Witterungsbeständigkeit zu achten. Gerade kalkhaltige Gesteine weisen ein hohes<br />
chemisches Reaktionspotenzial mit im Niederschlagswasser gebundenem<br />
Kohlendioxid und Schwefeldioxid auf.<br />
Durch die Natürlichkeit des Materials sind alle Steinabmessungen abhängig von der<br />
materialspezifischen Spaltbarkeit des Gesteins. Die auf aktueller Normung<br />
basierenden groben Regeln der Steinabmessungen lauten wie folgt: „Die<br />
Steinlängen sollen das Vier- bis Fünffache der Steinhöhen nicht über- und die<br />
Steinhöhe nicht unterschreiten“ 18 .<br />
4.1.2 Mauerwerksarten<br />
Eine der ältesten Mauerwerkstechniken stellt das Trockenmauerwerk 19 dar.<br />
Trockenmauern werden aus übereinandergeschichteten, meist plattenförmigen<br />
Gesteinen, ohne Verwendung von Bindemittel hergestellt. Die Steine wurden so<br />
18 vgl. [4], S, 26<br />
19 vgl. [14], S. 54 und [9], L.4.5<br />
16
Historische<br />
Wandbauweisen<br />
angeordnet, dass ein möglichst geringer Fugen- und Hohlraumanteil entstand.<br />
Unvermeidbare Hohlräume<br />
wurden mit kleineren sogenannten<br />
Zwickelsteinen<br />
verfüllt. Nach heutigen Normungen dürfen Trockenmauerwerke lediglich für<br />
Schwergewichtsmauerwerke, wie etwa Stützmauern, verwendet werden.<br />
Abbildung 8 : Trockenmauerwerk<br />
([4], S. 26)<br />
Abbildung 9 : Trockenmauer<br />
([32], S.189ff)<br />
Weiterhin ist in diesem Zusammenhang zu erwähnen, dass historische Mauerwerke<br />
in der Regel stark variierende Gefügestrukturen aufweisen.<br />
Historische Mauerwerke verfügen häufig über Wandstärken bis etwa 2,0 Meter. Da<br />
es bei diesen Abmessungen kaum möglich ist einen über den gesamten Querschnitt<br />
durchgängigen Mauerwerksverband herzustellen, wurden häufig mehrschalige<br />
Mauerwerke errichtet.<br />
Lediglich bei regellosem Bruchsteinmauerwerk kann von einem annähernd<br />
homogenen Verbund des Wandquerschnittes ausgegangen werden. Dieser Verbund<br />
resultiert aus der Unregelmäßigkeit der Steinabmessungen, welche e eine Verzahnung<br />
der einzelnen Steinelemente über den gesamten Mauerwerksquerschnitt erzeugt. In<br />
diesem Fall kann von einem einschaligen Mauerquerschnitt<br />
(Abbildung 10)<br />
ausgegangen werden.<br />
Im Allgemeinen wird mehrschaliges Mauerwerk durch einen Wechsel der<br />
Gefügestruktur innerhalb des Mauerwerkquerschnittes charakterisiert. In Kapitel zwei<br />
werden geschichtlich geprägt Schalengefüge dargestellt. Grundsätzlich können<br />
folgende Mauerwerksstrukturen unterschieden werden.<br />
17
Historische Wandbauweisen<br />
Zweischaliges Mauerwerk (Abbildung 10) besteht in der Regel aus einer äußeren,<br />
bearbeiteten Schale und einer inneren, unbearbeiteten Schale. Während die äußere<br />
Schale für gewöhnlich verhältnismäßig schmal ausgeführt wurde, kann die innere<br />
Schale Querschnittsabmessungen von bis zu 1,5 m aufweisen. Eine häufige<br />
Verwendung fand diese Mauerwerksart im Mittelalter. Eine weitere Variante von<br />
zweischaligem Mauerwerk stellt das sogenannte Mischmauerwerk dar. Es wurde mit<br />
einer inneren Ziegelsteinschale und einer äußeren repräsentativen Natursteinschale<br />
ausgeführt.<br />
Dreischalige Mauerwerksstrukturen (Abbildung 10) wurden hauptsächlich bei<br />
Natursteinmauerwerk angewandt. Die beiden äußeren Schalen wurden überwiegend<br />
aus Werksteinen hergestellt. Die sich dazwischen befindende Zwischenschale wurde<br />
entweder mit Bruchmaterial mit oder ohne Vermörtelung oder als Hohlraum<br />
ausgebildet. Die folgende Abbildung zeigt schematische Darstellungen<br />
mehrschaliger Mauerquerschnitte.<br />
einschaliges Mauerwerks Zweischaliges Mauerwerk Dreischaliges Mauerwerk<br />
Abbildung 10 : Mehrschalige Mauerquerschnitte<br />
([32], S.189 ff)<br />
4.1.3 Mauerwerksverbände<br />
Die Verwendung eines Natursteinverbandes ist abhängig von der Qualität der<br />
Steinbearbeitung, welche maßgeblich für die Festigkeit und Verformung des<br />
Mauerwerks verantwortlich ist. Es werden drei Steinbearbeitungsqualitäten<br />
unterschieden, der unbearbeitete Bruchstein, der spaltraue Hausstein und der<br />
maßgenau behauene Werkstein (Abbildung 11). In diesem Zusammenhang ist zu<br />
beachten, dass Bruchsteinmauerwerk einen Mörtelanteil in regellosen Verband von<br />
bis zu 30% aufweist. Bei der Verarbeitung von Haussteinen ist der Mörtelanteil durch<br />
eine durchschnittliche Fugenhöhe von 1,5cm geringer. Bei Werksteinmauerwerken<br />
können Fugenhöhen von 0,5 bis 1,0cm erreicht werden 20 .<br />
20 vgl. [35]<br />
18
Historische Wandbauweisen<br />
Abbildung 11: Steinbearbeitungsstufen und Natursteinverbände<br />
([35])<br />
Zu Beginn des Mauerwerkbaues in vorchristlichen Zeitepochen wurde überwiegend<br />
Zyklopen- und Polygonalmauerwerk errichtet. Alle in dieser Zeit errichteten<br />
Mauerwerke wurden als Trockenmauerwerk in einer zweischaligen Bauweise, mit<br />
einer Zwischenraumverfüllung aus kleinerem Gesteinsmaterial und Erde errichtet.<br />
Anfangs begann man lediglich, große polygonale Findlinge aufeinanderzuschichten.<br />
Das sogenannte Findlingsmauerwerk 21 zeichnet sich durch die Verwendung<br />
unbearbeiteter oder sehr gering bearbeiteter Steine aus (Abbildung 12).<br />
Abbildung 12: Findlingsmauerwerk<br />
(eigene Darstellung in Anlehnung [9], S. 56)<br />
Mit der stetigen Entwicklung von Werkzeugen konnten schließlich Steine aus der<br />
Erdkruste herausgebrochen und bearbeitet werden. Die beim Bruchstein-<br />
Zyklopenmauerwerk verwendeten bruchrauen Steine wurden wiederum ohne<br />
Verwendung von Mörtel oder mörtelähnlichen Substanzen aufeinandergeschichtet.<br />
Das Zyklopenmauerwerk 22 zeichnet sich generell durch seine unregelmäßigen,<br />
über- bzw. nebeneinander geschichteten, zumeist riesigen, vieleckigen<br />
Gesteinsblöcke aus (Abbildung 13). Diese wurden nach ihrer ungefähren<br />
Passgenauigkeit übereinandergestapelt. Dabei entstehende Unregelmäßigkeiten des<br />
Mauerverbandes wurden durch zunächst kleinere Blöcke ausgeglichen.<br />
21 vgl. [9], S. 56<br />
22 vgl. [9], S. 56 und [26], S.12ff<br />
19
Historische Wandbauweisen<br />
Abschließend wurden alle noch übrigen Fehlstellen mit sogenannten Zwickelsteinen<br />
verfüllt. Teilweise wurden die Fugen zusätzlich mit Erde oder Lehm verfüllt.<br />
Abbildung 13:<br />
Zyklopenmauerwerk<br />
(eigene Darstellung in Anlehnung [9], S. 56)<br />
Eine technische und ästhetische Weiterentwicklung stellt das<br />
Polygonalmauerwerk 23 dar. Hierbei wurden die Gesteinsblöcke grob bearbeitet,<br />
indem die Stoßflächen aneinander angeglichen wurden. Schräge Stoßfugen wurden<br />
nicht mehr willkürlich, sondern nun aus ästhetischen Gründen radial um besonders<br />
große, zentral liegende Blöcke angeordnet. Die dadurch entstehende zusätzliche<br />
Verspannung der Steine gewährleistete eine höhere Festigkeit.<br />
Abbildung 14: Polygonalmauerwerk<br />
(eigene Darstellung in Anlehnung [9], S. 56)<br />
Nach Beendigung der ersten frühen Zeitepochen schuf die Griechisch-Römische<br />
Antike eine bautechnische Hochkultur. Viele der damaligen Mauerwerkstechniken<br />
werden bis heute praktiziert.<br />
Besonderer technischer und ästhetischer Wert wurde auf sakrale Bauten gelegt. So<br />
wurden beispielsweise in Marmorblöcke, die ohne Mörtel knirsch aufeinander gesetzt<br />
werden sollten, Eisenklammern und Bleidübel eingelassen. Es wurde jetzt Wert auf<br />
winkelgerechte, sauber behauene Steine gelegt. Zudem verkleinerte sich das<br />
Steinformat aus ökonomischen Gründen. Zusätzlich erkannte man, dass das<br />
Mauerwerk, wenn es in den einzelnen Schichten mit versetzten Stoßfugen errichtet<br />
wurde, eine höhere Verbundwirkung erreichte. Das Schichten- und<br />
Quadermauerwerk entstand.<br />
23 vgl. [9], S. 56 und [1], S.12ff<br />
20
Historische Wandbauweisen<br />
Bruchstein-<br />
Unregelmäßiges<br />
Regelmäßiges<br />
Quadermauerwerk<br />
Schichtenmauerwerk<br />
Schichtenmauerwerk<br />
Schichtenmauerwerk<br />
Abbildung 15: Orthogonale Mauerwerksverbände<br />
([4], S. 26)<br />
Des Weiteren wurde nun, zunächst lediglich für profane Bauten, Kalk- oder<br />
Lehmmörtel zur Steinstabilisierung benutzt. Zusätzlich wurden Verbesserungen an<br />
der immer noch sehr beliebten zweischalige Mauerwerkstechnik vorgenommen. Man<br />
erkannte sehr schnell, dass die Verfüllung des Zwischenraums mit losen Materialien<br />
zu Ausbauchungen führte. Die Römer entwickelten zwei wesentliche Lösungen. Zum<br />
einen wurden die beiden Mauerwerksschalen durch den Querschnitt übergreifende<br />
Steine miteinander verbunden. Eine weitere Technik bestand darin, zwischen den<br />
beiden Schalen einen in sich stabilen Kern auszubilden. Für dessen Umsetzung<br />
wurden kleinere Steine oder Ziegel mit Mörtel zu einer annähernd homogenen<br />
Masse verbunden und in den Zwischenraum gefüllt. Bei sehr hohen Mauern wurden<br />
in gewissen Abständen Schichten aus Ziegelsteinen oder Eichenholzbalken ähnlich<br />
eines Fachwerkes eingebaut. Dies bewirkte eine höhere Tragfähigkeit. Durch die<br />
zunehmende Verwendung von Mörtel wurde auch dieser weiter entwickelt. Es<br />
entstand ein Kalkmörtel mit hydraulischen Zusätzen, welcher eine betonähnliche<br />
Struktur aufwies. In den Eckbereichen wurden meist große Werksteinblöcke<br />
angeordnet.<br />
Alle weiteren Epochen nutzten lediglich die Technologien der vorangegangenen<br />
Antike. In den folgenden mittelalterlichen Stilepochen wurden kaum Neuerungen<br />
entwickelt. Zweischaliges Mauerwerk mit Kalkmörtel wurde bevorzugt errichtet.<br />
Durch einen zunehmenden Steinmangel wurden zunächst die Steinformate weiter<br />
gemindert, bis schließlich Schichthöhen von 10- 18cm 24 erreicht wurden. Weitere<br />
Einsparungsmaßnahmen bestanden aus dem Verbau ungeeigneten<br />
Natursteinmaterials, Einlagen loser Schüttmassen als Füllmaterial von zweischaligen<br />
Mauerwerken und schließlich der Errichtung eines Mischmauerwerks.<br />
Das in der Renaissance entstandene Mischmauerwerk wurde mit einer Außen- und<br />
einer Innenschale ausgeführt. Die äußere Mauerwerksschale wurde aus Werksteinen<br />
ausgebildet. Die inneren Schalen jedoch galten als untergeordnete Wandflächen und<br />
wurden daher analog des Füllmauerwerks aus Backsteinen ge<strong>fertig</strong>t. In den<br />
24 vgl. [26], S.29<br />
21
Historische Wandbauweisen<br />
anschließenden Zeitepochen wurden Natursteine nur noch als Schmuckelemente an<br />
Fassaden verwendet.<br />
Nach dem heutigen Stand der Technik werden folgende grundsätzliche<br />
Anforderungen an Naturstein-Mauerwerksverbände nach DIN 1053-1 gestellt 25 .<br />
Zum einen sind mehr als drei zusammenlaufende Fugen an den außen liegenden<br />
Flächen des Mauerwerks zu vermeiden. Des Weiteren sollten Stoßfugen, die durch<br />
mehr als zwei Schichtdicken führen, ausgeschlossen werden. Eine wechselnde<br />
Binder- und Läuferschicht oder jedoch mindestens nach zwei Läuferformaten sollte<br />
ein Binderformat folgen. In den Eckbereichen sollten besonders große Steine<br />
angeordnet werden. Abschließend werden Anforderungen an Überdeckungen von<br />
Stoßfugen und grobe Angaben zu Steinabmessungen gegeben.<br />
Zusätzlich zu diesen in der alten Norm festgehaltenen Mauerwerksregeln, ist in der<br />
gültigen Norm (DIN EN 1996-1) folgende Tabelle gegeben.<br />
Tabelle 3 : Anforderungen an Verbandsarten nach DIN EN 1996-1-1/NA<br />
([9], S.55)<br />
25 vgl. [4], S. 26<br />
22
Historische<br />
Wandbauweisen<br />
4.2 Ziegelmauerwerk<br />
4.2.1 Allgemein<br />
Um historisches Ziegelmauerwerk richtig bewerten zu können, ist es notwendig,<br />
Kenntnisse über historische Herstellungstechnologien 26 zu besitzen, da diese<br />
Einfluss auf die Tragfähigkeit besitzen.<br />
Die ersten Entwicklungen n der Ziegel wurden zeitgleich mit der<br />
Verwendung von<br />
Natursteinen zur Errichtung von Mauerwerk begonnen. Doch zunächst wurden<br />
lediglich oberflächennahe, e, ton- und lehmhaltige Erden zu Quadern geformt und<br />
getrocknet. Um eine möglichst konstante Form einhalten zu können, wurde die<br />
Tonerde in einfache Holzkästen gepresst und überstehendes Material abgestrichen.<br />
Die sogenannten Luftziegel wurden anschließend, meist im Schatten gelagert und<br />
getrocknet. Die bei der<br />
Trocknung entstehenden Risse und das massive<br />
Schwindverhalten der Steine beeinträchtigten stark deren Qualität. Aufgrund dessen<br />
wurden luftgetrocknete Ziegel ausschließlich für untergeordnete Bauwerke<br />
verwendet. Erst mit der Erfindung von Brennöfen wurde die keramische Ziegelmasse<br />
zusehens stabiler. Die im Mittelalter ge<strong>fertig</strong>ten Steine wurden, ähnlich der Luftziegel,<br />
vor dem Brennen in Formkästen gepresst und mit der Hand abgestrichen. Die für das<br />
Mittelalter typischen Handstrichziegel mit der markanten Quetschfalte entstanden.<br />
Die in der römischen Antike verwendeten gebrannten Ziegelsteine schwankten<br />
wesentlich geringer in ihren<br />
Abmessungen. Abweichungen entstanden hauptsächlich<br />
durch das individuelle Brennen und Lagern der Steine. Analog des<br />
Natursteinmauerwerkes<br />
dieser Zeit wurde das Ziegelmauerwerk<br />
ebenfalls<br />
zweischalig im Kalkmörtel errichtet. Der Zwischenraum zwischen den<br />
Mauerwerksschalen wurde mit Ziegelsteinen minderer Qualität oder<br />
Ziegelbruchstücken ausgemauert. Um eine ausreichende e Stabilität der<br />
Mauerwerkswand zu erreichen, wurden die Ziegel lagenweise um einen halben Stein<br />
versetzt.<br />
Halbsteinverband<br />
Mauerwerksaufbau<br />
Abbildung 16 : Römisches Ziegelmauerwerk<br />
([26], S. 43)<br />
26 vgl. [26], S.40 ff.<br />
23
Historische Wandbauweisen<br />
Die mittelalterliche Ziegelmauerwerk-Entwicklung war zunächst regional beschränkt.<br />
Doch gerade natursteinarme Regionen bevorzugten das Ziegelmauerwerk. Während<br />
eines Großteils dieser Zeitepoche gab es aufgrund der verhältnismäßig<br />
kleinflächigen Herrschaftsgebiete kein einheitliches Steinformat. Die dabei genutzte<br />
Mauertechnik ähnelt der heutigen. Anders als heute wurden damals jedoch<br />
großzügige Mörtelfugen ausgebildet, um Unregelmäßigkeiten der Ziegel<br />
auszugleichen. Der verwendete Mauerwerksverband richtete sich nach der<br />
gewählten Mauerwerksstärke. Eine weitere Neuerung war das Einlegen von<br />
geschmiedeten Eisenbändern in der letzten Steinschicht. Die Eisenbänder dienen als<br />
Mauerwerksanker und sollten die Tragfähigkeit erhöhen und besonders den Verbund<br />
von angrenzenden Bauteilen sicherstellen.<br />
4.2.2 Mauerwerksverbände<br />
Die im Mittelalter besonders häufig verwendete Mauerwerkstechnik stellt der<br />
gotische oder Klosterverband dar. Hierbei folgen schichtweise auf einen Binder<br />
mindestens zwei Läufer. Dies bewirkt ein unregelmäßiges Abwechseln von Läufern<br />
und Bindern in den einzelnen Ziegelschichten. Zusätzlich wurde darauf geachtet,<br />
dass sich der Läufer mittig über dem darunterliegenden Binder befindet. Eine<br />
Besonderheit des gotischen Verbands stellt der Wechsel- oder Wendische<br />
Verband dar. Er zeichnet sich durch einen Wechsel von Binder- und Läufersteinen in<br />
jeder Schicht aus.<br />
Bei der Analyse mittelalterlicher Mauerwerke können folgende mittelalterliche<br />
Verbandsregeln festgestellt werden. Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts und der<br />
Einführung des Reichsformates wurden alle Mauerwerkskanten und -ecken mit<br />
ganzen Steinen begonnen. Die durch den Beginn mit ganzen Steinen entstandene<br />
Halbsteinüberdeckung wurde willkürlich durch das Einsetzen von Dreiviertel- oder<br />
Einviertelsteinen zurück zur üblichen Viertelsteinüberdeckung geführt. Die Binder<br />
wurden in der Regel so angeordnet, dass sie nicht über einer darunterliegenden<br />
Stoßfuge, sondern oberhalb eines Läufers lagen. Bindersteine wurden in drei<br />
verschiedenen Varianten eingebaut. So ergaben sich folgende Muster: zum einen ein<br />
senkrechtes Streifenmuster, ein Zickzackmuster und ein Diagonalmuster. Weiterhin<br />
wurden keine Binder in Mauerwerken zwischen zwei naheliegenden<br />
Mauerwerksöffnungen eingesetzt 27 .<br />
Ein besonders im 13. Jahrhundert verbreiteter Verband ist der sogenannte Wilde<br />
Verband. Die Binder wurden schichtweise unregelmäßig zwischen die Läufer gelegt,<br />
ebenso, wie es der Verbindung des zweischaligen Mauerwerks diente.<br />
27 vgl. [26], S.48<br />
24
Historische Wandbauweisen<br />
Charakteristisch für diesen Mauerwerksverband ist die sorgfältig ausgeführte<br />
Eckausmauerung.<br />
Ab dem 16. Jahrhundert wurden Block- und Kreuzverbände üblich. Die durch die<br />
neue Anordnung der Steine entstandene Homogenität des Mauerwerksgefüges<br />
erlaubte fortan ein durch die gesamte Mauerstärke durchgehendes Mauerwerk,<br />
welches das mittelalterliche Schalenmauerwerk ablöste. Eine weitere<br />
verbandsspezifische Neuerung stellt die Notwendigkeit dar, bei einer ungeraden<br />
Läufersteinanzahl, mit Dreiviertelsteinen zu beginnen und zu enden.<br />
Sowohl das Block- als auch das Kreuzverfahren zeichnen sich durch eine<br />
fortlaufende Binder- und Läuferschicht aus.<br />
Der Blockverband wird mit einem Viertelsteinversatz ausgeführt. Der aus dem<br />
Blockverband abgeleitete Kreuzverband wird so ausgebildet, dass sich in jeder<br />
zweiten Schicht die Läufer um einen halben Stein versetzen. Das dadurch<br />
entstehende Kreuzmuster ist charakteristisch für diesen Verbund.<br />
Im 17.Jahrhundert entstand regional der Holländische oder Flämische Verband.<br />
Die Binderschichten werden analog des Kreuz- oder Blockverbandes ausgeführt. In<br />
der Läuferschicht jedoch wechseln Läufer und Bindersteine.<br />
Ein weiterer nennenswerter Verband ist der Amerikanische Verband. Dieser wird<br />
lediglich mit Binder und Läuferschichten gemauert, wobei nach mindestens jeder<br />
dritten Läuferschicht eine Binderschicht folgt.<br />
Neben den eben erwähnten Verbänden gab es noch zahlreiche Zierverbände. Diese<br />
sind für die fortlaufenden Ausführungen jedoch nicht relevant.<br />
4.2.3 Steinformate<br />
Die zu Beginn der Ziegelherstellung erstellten Handstrichziegel wurden in beliebigen<br />
Dimensionen hergestellt. Abhängig von den verwendeten Holzformen und diversen<br />
Herstellungsprozessen schwankten die Steinformate immens. Erst mit der<br />
Einführung genormter Holzformen konnten Mauern mit einem verhältnismäßig<br />
gleichmäßigen Verband erstellt werden.<br />
Das älteste Steinformat ist das sogenannte Klosterformat. Es wurde in der Regel<br />
bis ins 16. Jahrhundert verwendet. Durch die im Mittelalter üblichen regionalen<br />
Herrschaftsgebiete konnte kein gesamteinheitliches System entstehen. Die<br />
gebrannten Ziegel wurden in ihren Abmessungen regional geringfügig voneinander<br />
abweichend ange<strong>fertig</strong>t. Im Mittel wurden Steine mit den annähernden Abmessungen<br />
von 28,5 x 13,5 x 8,5 cm 28 verwendet. Die Steinlänge ergab sich aus der Fuß- bzw.<br />
Schuhlänge, die im Mittelalter in der Regel zwischen 28 und 30 cm lag. Die<br />
28 vgl. [26], S.88<br />
25
Historische Wandbauweisen<br />
Steinhöhe folgte aus einem Drittel oder einem Viertel der Steinlänge. In folgender<br />
Tabelle sind einige Klosterformate erwähnt.<br />
Gebäude<br />
Klosterformat<br />
Bauzeit<br />
Länge<br />
[cm]<br />
Breite<br />
[cm]<br />
Dicke<br />
[cm]<br />
Speyer, Dom um 1150 30-32 16 5<br />
Bad Segeberg, St. Marien um 1150 28-29 13-13,5 8,5-9<br />
Schleswig, Dom um 1180 25-26,5 12,3-13,6 6,8-8,2<br />
Lübeck, Dom um 1220 29 14 10<br />
Lübeck, Heilig-Geist-Spital 1285 28 13,5 9<br />
Jesenwang/Oberbayern, Pfarrkirche 1414 35-37 17-18 6,5-7,5<br />
Stendal, Dom 1423 26 12 7,4-9<br />
Nürnberg, Mauthalle 1498 30 14<br />
Lübeck, Mengstraße 64 1544 28 13,5 8<br />
Pegau/Sachsen, Alte Polizei 1559 29 12 8,5<br />
Bamberg, Kutschenremise 1648 28-30 13-14 6-7<br />
Tabelle 4: Mittelalterliche Klosterformate<br />
([26], S. 78)<br />
Mit der Einführung des Reichsformates (1872) wurde im gesamtdeutschen Raum<br />
ein einheitliches Ziegelformat normiert. Durch eine Vereinheitlichung der<br />
Steinabmessungen konnten nun im Zuge der zunehmenden Industrialisierung Ziegel<br />
industriell ge<strong>fertig</strong>t werden, wodurch deren Maßgenauigkeit zunahm. Die<br />
Abmessungen wurden nicht mehr von Fußlängen abgeleitet, sondern so gewählt,<br />
dass in Verbindung mit einer etwa einem Zentimeter dicken Mörtelfuge ein<br />
oktametrisches System entstand. So ergaben 13 Mauerwerksschichten mit jeweils<br />
einem Zentimeter Mörtelfuge exakt einen Meter Mauerwerkshöhe. Die Steine waren<br />
wie folgt genormt: 25 x 12 x 6,5 cm.<br />
Nach 1952 wurde das Reichsformat durch Steine der DIN 105 ersetzt. Diese wurden<br />
in Normalformate (NF) und zunächst Dünnformate (DF) untergliedert.<br />
Normalformate besitzen bis heute die Abmessungen 24 x 11,5 x 7,1 cm. Zwölf<br />
Schichten ergaben mit einer ein Zentimeter dicken Mörtelfuge nun einen Meter<br />
Wandhöhe, wobei vier Läufer mit einer ein Zentimeter dicken Stoßfuge wiederum<br />
einen Meter Wandbreite ergeben. Dünnformate weisen lediglich eine Schichthöhe<br />
von 5,2 cm auf. Alle weiteren Formate, wie jegliche großformatige Steine sind in<br />
ihren Abmessungen lediglich ein Vielfaches der Normal- oder Dünnformat-Steine.<br />
26
Historische Wandbauweisen<br />
4.3 Lehmmauerwerk<br />
Auf eine umfangreiche Ausführung wird an dieser Stelle verzichtet. Der<br />
Vollständigkeit halber wird im Folgenden lediglich auf einzelne Punkte eingegangen.<br />
Lehm ist das älteste Baumaterial und wurde über Jahrhunderte eingesetzt. Er ist in<br />
historischen Bauweisen, vor allem in Fachwerkkonstruktionen oft zu finden. Doch<br />
aufgrund der negativen Eigenschaften hinsichtlich der Tragfähigkeit und der<br />
Feuchtigkeitsaufnahme wurden tragende Lehmmauerwerke schon in der Antike<br />
ausschließlich für untergeordnete Bauwerke eingesetzt.<br />
Tragende Lehmmauerwerke wurden in der Regel im Stampflehmbau errichtet.<br />
Weitere regional verbreitete Bauweisen stellen der Lehmwellerbau, der<br />
Lehmbatzenbau und der Lehmstragbau dar. Am häufigsten jedoch wurde Lehm als<br />
Ausfachung von Holzfachwerken verwendet.<br />
4.4 Wandaufbau im Alten Seminar, Grimma<br />
Die erste noch heute teilweise erhaltene Bebauung geht auf das 17. Jahrhundert<br />
zurück. Das Gebäude wurde in den folgenden Jahrhunderten mehrmals umgebaut<br />
und erweitert.<br />
Das Alte Seminar in Grimma wurde, wie in der Renaissance üblich und zuvor<br />
beschrieben, als zweischaliges Mischmauerwerk errichtet. Dieses Mauerwerk ist eine<br />
Kombination aus Ziegeln und Natursteinen. Diese Mauerwerksart wurde bevorzugt<br />
aus einer äußeren Natursteinschale und einer inneren Ziegelschale ge<strong>fertig</strong>t.<br />
Die Sondierungen des Mauerwerkgutachtens 29 geben Aufschluss auf den<br />
Wandaufbau des Gebäudes. Es wurden mehrere Sondierungen an den<br />
Mauerwerkswänden vorgenommen. Grundsätzlich lässt sich folgender Wandaufbau<br />
ermitteln.<br />
Das Außenmauerwerk besteht aus einem mehrschaligen, kleinformatigen<br />
Bruchsteinmauerwerk, welches ohne Zwischenraum ausgeführt ist. Die Natursteine<br />
bestehen vorherrschend aus Quarzporphyr. In der Regel besteht die äußere Schale<br />
aus größeren Natursteinen mit vereinzelten Mauerziegeleinschlüssen. Die innere<br />
Schale dagegen besteht überwiegend aus einer 12 bis 15 cm dicken<br />
Mauerziegelschicht. Im Obergeschoss dagegen wurden partiell für die innere Schale<br />
großformatige Natursteine verwendet bzw. Fehlstellen im Ziegelmauerwerk mit<br />
kleineren Natursteinen ausgefüllt.<br />
Die Außenwände sind überwiegend mit einem gering hydraulischen Kalkmörtel<br />
ausgeführt. Lediglich im Obergeschoss an der westlichen Außenwand wurde ein<br />
Lehmmörtel mit geringem Kalkanteil benutzt.<br />
29 vgl. [13], S. 48 ff.<br />
27
Historische Wandbauweisen<br />
Abbildung 17: Zweischaliges Mauerwerk im Alten Seminar<br />
(eigene Darstellung)<br />
4.5 Mauerwerk im Bereich der Gründung<br />
Um eine vollständige Tragfähigkeitsanalyse durchführen zu können, ist es von<br />
großer Bedeutung, Kenntnisse über die Fundamentausbildung und den<br />
darunterliegenden Baugrund zu besitzen. Alle nachfolgenden Betrachtungen stützen<br />
sich auf eine intakte Lastabtragung in den Baugrund.<br />
Dieser Aspekt der Tragfähigkeitsanalyse ist in der Praxis von großer Bedeutung und<br />
wird dennoch gerne vernachlässigt. Im Besonderen ist immer darauf zu achten, dass<br />
nicht nur das oberirdisch liegende Mauerwerk und der Baugrund eine genügende<br />
Tragfähigkeit ausweisen, sondern auch das unterirdisch liegende Mauerwerk der<br />
Fundamente oder Sockelbereiche. Wenn diese keine genügende Tragfähigkeit<br />
ausweisen, kann die Lastabtragung nicht ordnungsgemäß erfolgen. Es ist ratsam,<br />
grundsätzlich ein Bodengutachten mit Schürfen zu erstellen, um Schäden des<br />
unterirdischen Mauerwerkes zu erkennen.<br />
Historische Gebäude weisen in der Regel kaum tragfähige Fundamte aus<br />
Bruchsteinmauerwerk mit Kalkmörtel auf. Der Kalkmörtel wird im Laufe der Zeit,<br />
durch die ständige Feuchtigkeitsbelastung aus den Fugen herausgewaschen. Das<br />
Bruchsteinmauerwerk verliert infolge dessen seinen kraftschlüssigen Zusammenhalt.<br />
Die Lastabtragung über das Fundament ist gestört (Abbildung 18).<br />
Häufig wurde auf ein Fundament gänzlich verzichtet. Die Mauern stehen direkt auf<br />
dem umgebenden Erdreich. Die Lastabtragung erfolgt direkt in den Baugrund.<br />
Jedoch schließen die Mauerwerke in der Regel nicht mit der Oberkante des<br />
Geländes ab, sondern sich im Baugrund verankert. Ähnlich wie bei den<br />
Fundamenten kann durch die Feuchtigkeitseinwirkung die Lastabtragung gestört<br />
werden.<br />
Eine weitere Methode, die besonders bei repräsentativen Bauten eingesetzt wurde,<br />
ist die Gründung durch ins Erdreich eingeschlagene unbehandelte Eichen-, Tannen-<br />
28
Historische Wandbauweisen<br />
oder Fichtenstämme. Solange diese sich in einem ausreichenden Feuchtigkeitsmilieu<br />
befinden, sind diese Gründungen ausreichend tragfähig. Bei einem Absinken der<br />
benötigten Feuchtigkeit beginnen die Stämme zu verfaulen und verlieren an<br />
Tragfähigkeit.<br />
Abbildung 18: Mauerwerk im Bereich der Gründung<br />
(eigene Darstellung)<br />
Bei der Bestandsuntersuchung 30 des Alten Seminars wurden zwei Schürfe erstellt.<br />
Der sich daraus ergebende Mauerwerksquerschnitt ist in Anhang 5 dargestellt.<br />
Nachfolgend wird auf die Fundamentausbildung nicht weiter eingegangen.<br />
30 vgl. Bodentechnisches Gutachten [23]<br />
29
Mauerwerksschäden<br />
5 Mauerwerksschäden<br />
5.1 Allgemein<br />
Beschädigtes Mauerwerk kann grundsätzlich unter Zuhilfenahme sogenannter<br />
Schadbilder optisch nach deren Schädigungsgrad klassifiziert werden. Die einzelnen<br />
Schadbilder sind dabei immer in einem mauerwerksspezifischen, baukonstruktiven<br />
Zusammenhang zu sehen.<br />
Grundsätzliche baukonstruktive Mauerwerkszusammenhänge sind:<br />
- Fundamentausbildung in Abhängigkeit zur Tragfähigkeit des Baugrundes<br />
- Belastung aus Decken-, Gewölbe,- und/oder Dachlast<br />
- Außen und/oder Innenputz.<br />
Eine überblicksmäßige Kartierung der Materialzustände ist durch eine<br />
Schadbilddokumentation zwingend erforderlich.<br />
Zur Einstufung von Steinschäden wurde von der RWTH Aachen ein System<br />
entwickelt 31 , welches eine präzise Einteilung der Natursteine nach deren<br />
Verwitterungsformen zulässt. Die Klassifikation erfolgt nach der Erscheinungsform<br />
der Natursteinmaterialien und kann in vier Stufen unterteilt werden.<br />
- Stufe 1: 4 Gruppen der Verwitterungsformen<br />
- Stufe 2: 25 Hauptverwitterungsformen<br />
- Stufe 3: 75 Einzelverwitterungsformen<br />
- Stufe 4: 75 Einzelverwitterungsformen mit Differenzierung nach Intensität<br />
Dieses System ermöglicht eine genaue Zustandskartierung der einzelnen<br />
Steinmaterialien im Mauerwerksgefüge.<br />
Zur Klassifikation von Schäden an Ziegelsteinen kann das MDD-System (Masonry<br />
Damage Diagnostic System) angewandt werden 32 . Das System berücksichtigt elf<br />
verschiedene steinzerstörende Prozesse:<br />
- Frost<br />
- Umweltverursachte chemische Verschmutzung<br />
- Oberflächenerosion<br />
- Eindringen von Feuchtigkeit und der damit einhergehenden Salzkristallisation<br />
- mechanische Zerstörungsprozesse<br />
- Oberflächenablagerung ohne chemische Prozesse<br />
- Kondensation<br />
- Strukturzerstörung<br />
- Rostsprengung<br />
- biologisch bedingte Zerstörung<br />
31 vgl. [11]<br />
32 vgl. [34]<br />
30
Mauerwerksschäden<br />
5.2 Rissschäden<br />
Risse entstehen grundsätzlich dann, wenn die Bruchfestigkeit der Baustoffe,<br />
aufgrund verschiedener auf das Tragwerk einwirkender Einflüsse überschritten wird.<br />
Im Folgenden werden belastungsspezifische Einflüsse aufgezeigt:<br />
- Eigenlast,<br />
- Verkehrslast,<br />
- Wind-,Schnee-, Eislast,<br />
- Temperatur,<br />
- Feuchtigkeit,<br />
- Setzung,<br />
- Dynamische Einflüsse wie Erdbeben, Verkehr, Maschinen und<br />
- Ausführungsfehler.<br />
Im weiteren Verlauf wird nicht auf alle zum Mauerwerksversagen führenden<br />
Belastungen eingegangen.<br />
Spannungsdifferenzen [21]<br />
Die im Mauerwerk entstehenden Risse werden infolge der belastungsspezifischen<br />
Spannungen verursacht. Spannungen infolge Innerer Belastung werden als<br />
Zwangsspannungen bezeichnet. Die durch äußere Belastung entstehenden<br />
Spannungen werden als Lastspannungen bezeichnet. In Tabelle 5 sind typische<br />
lastspezifische Rissbilder dargestellt.<br />
Zug- Biegezugversagen<br />
Vertikallast:<br />
Versagen der Haftzugfestigkeit zwischen Mörtel und Stein (3) oder<br />
Versagen der Steinzugfestigkeit (4)<br />
Horizontallast: Treppenförmige Risse (5) oder Risse durch Stein (1)<br />
Schubversagen<br />
abscheren der Fugen (bei geringer vertikaler Auflast) (2)<br />
Versagen der Hauptzugspannung schräger Steinriss (6)<br />
vertikaler Steinriss (bei hoher vertikaler Auflast) (1)<br />
Tabelle 5 : Spannungszustand und Charakteristisches Mauerwerksversagen<br />
(eigene Darstellung in Anlehnung [21], S.82)<br />
31
Mauerwerksschäden<br />
Setzungsdifferenzen 33<br />
Eine Weitere, für historische Mauerwerks bedeutende Quelle von Rissen, sind<br />
Setzungen im Baugrund. Mauerwerk reißt, wenn sich der Baugrund unter ihm setzt.<br />
Das geschieht insbesondere, wenn:<br />
- sich die Baugrundzusammensetzung innerhalb einer Gebäudestandfläche<br />
ändert,<br />
- historische Fundamente aufgrund der jahrelangen Belastung versagen oder<br />
- Grundwasserverhältnisse sich ändern.<br />
Ein ungleichmäßiges Absinken der Gebäudestruktur verursacht dann Risse in den<br />
Mauerwerken. Diese Risse verlaufen in der Regel treppenförmig, können aber auch<br />
zum senkrechten Abreißen ganzer Gebäudeteile führen.<br />
5.3 Feuchtigkeitsschäden<br />
Feuchtigkeitsschäden in der Mauerwerksstruktur entstehen grundsätzlich durch in<br />
das Mauerwerk eindringendes Wasser. Im Allgemeinen kann von drei wesentlichen<br />
Feuchtigkeitseindringmechanismen ausgegangen werden.<br />
- durch chemische oder physikalische Wirkungsmechanismen<br />
- durch Feuchtigkeitsaufnahme über die Mauerwerksoberfläche<br />
- durch Instandsetzungs- oder Nutzungsfehler.<br />
Auf eine umfangreiche Ausführung der im Mauerwerk häufig auftretenden<br />
Feuchtigkeitsschäden wird im Folgenden verzichtet. Im Wesentlichen werden<br />
ausschließlich Schadensmechanismen infolge Feuchtigkeit betrachtet, welche<br />
Einfluss auf das Tragverhalten des Mauerwerks ausüben 34 .<br />
Schäden in der Mauerwerksstruktur treten verhältnismäßig häufig bei einer<br />
dauerhaften Durchfeuchtung des Mauerwerkquerschnittes auf. Besonders betroffen<br />
sind in diesem Fall erdberührende Mauerwerksbauteile aufgrund der mangelnden<br />
Bauwerksabdichtung in historischen Bausubstanzen. Dauerhaft eindringende<br />
Feuchtigkeit verursacht Schäden in der Mörtelstruktur.<br />
Abhängig von dem verwendeten Bindemittel des Mörtels treten unterschiedliche<br />
Schädigungsstufen auf.<br />
Dauerhaft einwirkende Feuchtigkeit zermürbt kalkgebundene Mörtel. Es bilden sich<br />
Risse in der Mörtelstruktur. Bei einer anschließenden Frostbelastung des<br />
Mauerwerks bewirkt die im Mörtel gebundene Feuchtigkeit durch die Kristallbildung<br />
beim Wechsel des Aggregatzustandes eine Sprengwirkung im Mörtelgefüge.<br />
33 vgl. [26], S.105 ff.<br />
34 vgl. [26], S.117 ff.<br />
32
Mauerwerksschäden<br />
Weiterhin wird bei einer dauerhaft einwirkenden Feuchtigkeit der Bindemittelanteil<br />
aus dem Mörtelgefüge heraus gewaschen. Der Mörtel verliert seine Haftfähigkeit.<br />
Eine Kombination dieser beiden feuchtigkeitsbedingten Mechanismen verursacht bei<br />
einer vorherigen kraftschlüssigen Konstruktion, eine Auflockerung des Gefüges und<br />
ein sich daraus ergebender Tragfähigkeitsverlust.<br />
Mit den Feuchtigkeitsschäden einhergehend wird Mauerwerk grundsätzlich durch<br />
Salze belastet. Durch eine Feuchtebelastung im Mauerwerk werden bauschädigende<br />
Salze aus dem Gefüge herausgelöst und über den Verdunstungsweg des Wassers<br />
an die Oberfläche transportiert.<br />
5.4 Biologisch bedingte Schäden<br />
Mauerwerk kann zusätzlich durch biologisch bedingte Prozesse zerstört werden. In<br />
der Regel bauen diese Prozesse auf Vorschädigungen des Mauergefüges auf, wie<br />
zum Beispiel:<br />
- bereits vorhandene Feuchtigkeitsbelastung<br />
- Hohlräume und Auflockerungen in der Gefügestruktur<br />
Die Zerstörung durch ein Wurzelwachstum bewirkt eine weitere Zerstörung des<br />
Mauergefüges. Zusätzlich bewirkt das freigesetzte CO 2 chemische Reaktionen mit<br />
den Mauerwerkssteinen. Analog dieses chemischen Prozesses wirken an den<br />
Oberflächen abgelagerte Algen und Moosbeläge.<br />
Besonders ist in diesem Zusammenhang auf die Mauerwerkszerstörung durch den<br />
Echten Hausschwamm einzugehen. Dieser holzzerstörende Pilz durchdringt auf der<br />
Suche nach Feuchtigkeit alle angrenzenden Bauteile, auch das Mauerwerk. Die<br />
zunächst feinen Myzelstränge wachsen im Laufe der Zeit zu einer erheblichen Größe<br />
an und lockern infolge dessen das Mauerwerksgefüge auf.<br />
Im Alten Seminargebäude wurde ein massiver Befall des Echten Hausschwammes<br />
festgestellt. Die Innen- und Außenwände sind durchzogen mit den Strängen des<br />
Pilzmyzels. Eine teilweise starke Lockerung des Gefüges, insbesondere in den mit<br />
Lehmmörtel ausgeführten Wandbereichen mindert die Tragfähigkeit der<br />
Wandstrukturen 35 .<br />
5.5 Chemisch bedingte Schäden<br />
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass Schmutzkrusten generell Indizien für<br />
chemische Zerstörungen der Maueroberfläche sind. Verkrustungen an der<br />
Mauerwerksoberfläche können eine Bindemittelumlagerung bewirken, welche<br />
35 vgl. [26], S.105 ff.<br />
33
Mauerwerksschäden<br />
systematisch in den Mauerwerksquerschnitt fortschreitet. Generell lassen sich<br />
folgende Prozesse häufig an historischem Mauerwerk feststellen:<br />
- Carbonatisierung von Kalk zu Gips<br />
- Korrosion von Eisenanteilen<br />
- Mikrobiologische Zerfallswirkung (Algen und Moosablagerungen)<br />
5.6 Mauerwerksschäden am Alten Seminar<br />
Infolge der Bestandsaufnahme des Alten Seminargebäudes sind einige<br />
offensichtliche Schäden der Mauerwerksstrukturen festgestellt wurden. Eine<br />
umfangreiche Bilddokumentation der im Gebäude aufgetretenen Schäden ist im<br />
Anhang 1 aufgeführt.<br />
Schon bei einer ersten Sichtung des Gebäudes fallen massive Schäden an den<br />
Fassaden des Gebäudes auf. Es lassen sich ohne weiteres große Beschädigungen<br />
des Fassadenputzes sowie massive Risse erkennen. Gegenwärtig weist der Putz<br />
große Fehlstellen auf. Besonders im geländenahen Bereich fehlt der Putz fast<br />
vollständig. Die Natursteingewände an den Fassadenfenstern sind stark verwittert.<br />
Neben den starken Gefügeschäden und den teilweise deutlichen Substanzverlust<br />
sind auch hier Rissschäden zu erkennen.<br />
An den Außen-, aber auch an den Innenwänden sind unterschiedliche Rissschäden<br />
sichtbar. Zahlreiche Risse verlaufen im Außenmauerwerk und durch die<br />
Fensterstürze. Im Innenbereich ist ein teilweiser Abriss der Querwände von den<br />
Außenwänden festzustellen.<br />
In Abbildung 19 sind die Risse der Außenwände schematisch dargestellt.<br />
Neben den eben erwähnten Rissschäden lassen sich weitere Schäden infolge von<br />
Feuchtigkeit und bauschädigenden Salzen erkennen. Niederschlagswasser gelangte<br />
in der Vergangenheit durch schadhafte Fenster, besonders im Dachgeschoss in den<br />
Innenraum des Gebäudes. Dieser Niederschlagseintritt kann als Hauptursachen für<br />
die Schäden im Innenbereich betrachtet werden. Eine weitere Feuchtigkeitsquelle<br />
stellt zum einen die wahrscheinlich desolate Bauwerksabdichung im erdnahen<br />
Bereich dar und die unkontrollierte Überflutung durch das Muldehochwasser im<br />
Jahre 2002.<br />
Einhergehend mit der eben erwähnten Feuchteentwicklung, besonders im<br />
Dachraum, lassen sich an der Holzkonstruktion ebenfalls Schäden feststellen,<br />
welche am stärksten im Bereich des Dachfußes (Anschlussbereich an Mauerkrone)<br />
sind. Konstruktionshölzer sind durch Holz zerstörende Pilze und Insektenbefall stark<br />
geschädigt. An einigen Konstruktionshölzern hat bereits Destruktionsfäule zur<br />
völligen Zerstörung geführt.<br />
34
Mauerwerksschäden<br />
Ansicht West<br />
Ansicht Süd<br />
Ansicht Ost<br />
Legende:<br />
Abbildung 19: Fassadenansicht: Rissschäden<br />
(eigene Darstellung)<br />
Einhergehend mit der eben erwähnten Feuchteentwicklung, besonders im<br />
Dachraum, lassen sich an der Holzkonstruktion ebenfalls Schäden feststellen,<br />
welche am stärksten im Bereich des Dachfußes (Anschlussbereich an Mauerkrone)<br />
sind. Konstruktionshölzer sind durch Holz zerstörende Pilze und Insektenbefall stark<br />
geschädigt. An einigen Konstruktionshölzern hat bereits Destruktionsfäule zur<br />
völligen Zerstörung geführt.<br />
Bei einer genaueren Betrachtung lassen sich im Außenbereich am offen liegenden<br />
Mauerwerk partielle Abschalungen, sowie sandender Mauermörtel mit teilweise<br />
erheblichen Verluststellen erkennen. Zum Teil lassen sich zusätzlich kristalline<br />
Ausblühungen feststellen.<br />
Der Außen- und Innenputz weist in der Gesamtheit einen hohen Schädigungsgrad<br />
auf.<br />
Zusätzlich wurden sowohl im Erdgeschoss als auch im Obergeschoss Fruchtkörper<br />
des echten Hausschwammes gefunden. Es ist von einem großflächigen<br />
Schwammbefall am bzw. im Mauerwerk auszugehen.<br />
35
Tragverhalten von historischem Mauerwerk<br />
6 Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
6.1 Allgemein<br />
Mauerwerk ist prinzipiell als Verbundbaustoff zu betrachten, welcher im<br />
Wesentlichen aus den zwei Komponenten Stein und Mörtel besteht. In Abhängigkeit<br />
der unterschiedlichen Stoffeigenschaften und der Verbundwirkung der Materialien<br />
(z.B. Abmessungen und Geometrie der Steine; Mischungsverhältnis des Bindemittels<br />
und der Zuschläge; Einbauverhältnisse) kann das Tragverhalten bestimmt werden.<br />
Infolge der Verschiedenartigkeit der beiden Materialien weist Mauerwerk in der Regel<br />
ein dreidimensionales, nichtlineares Verformungsverhalten auf, welches durch<br />
diverse Faktoren beeinflusst wird. Maßgebende Faktoren sind im Wesentlichen:<br />
- Hohlräume,<br />
- die allgemeine Inhomogenität des Materialgefüges und<br />
- die starke Rissneigung von Mauerwerk.<br />
Das Trag- und Verformungsverhalten von Mauerwerk kann nur dann hinreichend<br />
genau beschrieben werden, wenn die Verbundwirkung der beiden Materialien<br />
entsprechend berücksichtigt wird.<br />
Alle einwirkenden Vertikal- und Horizontallasten erzeugen über die<br />
Querschnittsfläche der Mauerwerkswand Spannungen, die im Gleichgewicht zur<br />
jeweiligen Belastung stehen. Die unterschiedlich einwirkenden Belastungen bewirken<br />
Druck-, Zug-, Schub-, Scher- und Torsionsspannungen im Mauerwerk. Beim<br />
Überschreiten einer bestimmten Spannungsgrenze kommt es zum Versagen des<br />
Mauerwerks. Diese Grenzspannung wird als Bruchspannung bezeichnet. Sie ist nicht<br />
nur abhängig von der jeweiligen Belastung, sondern auch von materialspezifischen<br />
Eigenschaften, wie etwa zeitlich bedingten Materialveränderungen 36 .<br />
Mauerwerk wird hauptsächlich durch Druck senkrecht zur Fuge belastet. Dem<br />
untergeordnet, kann Mauerwerk weiterhin durch Schub- und Zugkräfte belastet<br />
werden.<br />
Das Tragverhalten von historischem einschaligem Mauerwerk weicht wesentlich von<br />
modernem Mauerwerk aus industriell ge<strong>fertig</strong>ten Steinen und Mörtel ab. Eine<br />
allgemeingültige Bewertung des Tragverhaltens von historischem Mauerwerk ist<br />
nahezu unmöglich. Zu groß sind die Streuungen der einzelnen<br />
Mauerwerkseigenschaften hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften der<br />
Materialien, der Steingeometrie, der Stein- und Fugenhöhe, der Fugenanordnung<br />
und des allgemeinen Mauerwerksverbandes. Eine Zusammenstellung ausgewählter<br />
Eigenschaften, welche auf das Tragverhalten des Mauerwerkes erheblichen Einfluss<br />
nehmen, befindet sich in Tabelle 6.<br />
36 vgl. [30], S.22 ff.<br />
36
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
mechanische<br />
Eigenschaften - Stein<br />
mechanische<br />
Eigenschaften - Mörtel<br />
Steingeometrie<br />
Mauerwerk aus<br />
künstlichen Steinen<br />
geringe Streuung<br />
geringe Streuung<br />
gleichmäßige Quader<br />
Historisches Mauerwerk,<br />
insbesondere<br />
Natursteinmauerwerk<br />
große Streuung<br />
große Streuung<br />
gleichmäßige Quader bis<br />
unregelmäßige Strukturen<br />
Steinhöhe/Fugenhöhe konstant konstant bis unregelmäßig<br />
Fugendicke konstant (dünn) konstant bis unregelmäßig<br />
Richtung der Lagerfuge horizontal horizontal bis geneigt<br />
Verband im Querschnitt<br />
regelmäßig<br />
regelmäßig bis regellos,<br />
einschichtig bis mehrschichtig<br />
Verband in der Ansicht regelmäßig regelmäßig bis regellos<br />
Tabelle 6: Vergleich ausgewählter Parameter<br />
(eigene Darstellung in Anlehnung an [19], S.23)<br />
Die in Tabelle 6 dargestellten Parameter bewirken eine unterschiedliche Verteilung<br />
der Spannungen im Mauerwerk. Aus diesen Spannungsverteilungen resultieren<br />
unterschiedliche Versagensmechanismen.<br />
Alle aufgeführten Eigenschaften dienen lediglich als Grundlage einer qualitativen<br />
Berechnung. Eine quantitative und gleichzeitig allgemeingültige Berechnung der<br />
Versagensspannung ist aufgrund der Vielzahl der unterschiedlich eingehenden<br />
Parameter nahezu unmöglich. Besonders anspruchsvoll ist die Berechnung von<br />
Natursteinmauerwerk, aufgrund der verhältnismäßig hohen Inhomogenität.<br />
Die Berechnung von Ziegelmauerwerk kann nach Eurocode problemlos mithilfe<br />
empirischer Gleichungen, nach MANN [28], unter Annahme eines homogenen<br />
Mauerwerkverhaltens ermittelt werden. Historisches Mauerwerk, insbesondere<br />
Natursteinmauerwerk, kann keine einheitlichen Gleichungen zugeordnet werden. Die<br />
Berechnung erfolgt daher nur mit erhöhtem rechnerischen Aufwand, unter<br />
Verwendung diverser Rechenansätze.<br />
Um eine annähernd systemgetreue Berechnung durchführen zu können ist es<br />
notwendig, die Trag- und Versagensmechanismen zu kennen. In den folgenden<br />
Kapiteln werden verschiedene Versagensmechanismen in Abhängigkeit der<br />
Spannungsverteilung dargestellt.<br />
37
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
Zusätzlich zu den eben erwähnten einschaligen Mauerwerkssystemen wurden in der<br />
Vergangenheit häufig mehrschalige Mauerwerkssysteme mit vom<br />
Rechteckquerschnitt abweichenden Geometrien errichtet.<br />
Für das Tragmodell von historischem mehrschaligem Mauerwerk kann<br />
näherungsweise ein im Stahlbetonbau bzw. Verbundbau genutztes Tragmodell<br />
angenommen werden. Mehrschaliges Mauerwerk weist ein vergleichbares Verhalten<br />
unter Biegedruckbeanspruchung auf.<br />
6.2 Grundsätzliche Versagensmechanismen von mineralischen Baustoffen<br />
Mineralische Baustoffe 37 bestehen generell aus einer Gesteinskörnung und einem<br />
umgebenden Bindemittel. Sie unterscheiden sich im Wesentlichen in der<br />
Korngrößenverteilung der Gesteinskörnung. Im Allgemeinen jedoch weist die<br />
Gesteinskörnung eine höhere Festigkeit auf als die umgebende Bindemittelmatrix.<br />
Unabhängig von der Art des Bindemittels kann prinzipiell und qualitativ ein<br />
Zusammenhang zu Versagensmechanismen von Beton hergestellt werden.<br />
Insbesondere für die unregelmäßige Mauerwerksstruktur von Natursteinmauerwerk<br />
können aus den folgenden Betrachtungen Annahmen für Trag- und<br />
Versagensmechanismen abgeleitet werden. Die nachfolgenden Ansätze gelten in<br />
der Regel nicht für künstliches Ziegelmauerwerk.<br />
Mauerwerk weist, analog des Verbundbaustoffes Beton, eine zur Zugfestigkeit<br />
verhältnismäßig hohe Druckfestigkeit auf. Die geringe Zugfestigkeit beträgt lediglich<br />
ein Zehntel der Druckfestigkeit. Aufgrund dieses Festigkeitsverhältnisses werden<br />
mineralische Verbundbaustoffe primär auf Druck belastet. Die in folgenden Text<br />
betrachteten Mechanismen gelten daher vorrangig unter Druckbeanspruchung.<br />
Mit zunehmender Belastung entstehen zunächst Mikrorisse zwischen den<br />
Verbundmaterialien, also zwischen der Gesteinskörnung und der umgebenden<br />
Bindemittelmatrix. Die entstehenden Mikrorisse sind dabei abhängig von:<br />
- materialspezifischen Faktoren der Zuschläge,<br />
- von der allgemeinen Verbundwirkung<br />
- sowie der Bindemittelfestigkeit.<br />
Bei einer weiteren Belastung und Erreichen der Druckfestigkeit bilden sich<br />
Längsrisse, parallel zur Hauptdruckspannungsrichtung aus. Der Versagensmechanismus<br />
ist demzufolge ein kontinuierlicher Prozess, welcher aufgrund der<br />
eben erwähnten Rissbildung ein nichtlineares Spannungs-Dehnungs-Verhalten<br />
aufweist (Abbildung 20).<br />
37 vgl. [19], S. 24 ff. und [22]<br />
38
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
Abbildung 20: Einaxiales Spannungs-Dehnungs-Diagramm von Beton<br />
([22])<br />
Generell versagen druckbeanspruchte mineralische Baustoffe durch Zugspannungen<br />
aufgrund der Verbundwirkung und der damit einhergehenden belastungsbedingten<br />
Strukturänderung.<br />
In den Bauteilen herrscht ein mehraxialer Spannungszustand. In Abbildung 21 ist<br />
eine zweiaxiale Bruchumhüllende dargestellt. Die aufgezeigten Spannungskombinationen<br />
je Quadranten zeigen das prinzipielle Bruchverhalten unter den<br />
jeweiligen Spannungskombinationen 38 .<br />
Abbildung 21: Biaxiale Versagenkurve<br />
([22])<br />
Unter der Annahme, dass die Natursteine eine höhere Festigkeit als der umgebende<br />
Mörtel aufweisen, kann folgender Wirkungsmechanismus angenommen werden: Die<br />
38 vgl. [19], S. 25 ff. und [22]<br />
39
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
Drucktrajektorien 39 breiten sich im Verbund bevorzugt über die Gesteine aus und<br />
werden in ihrem Verlauf infolge dessen immer wieder umgelenkt. Diese Umlenkung<br />
erzeugt Kräfte, die je nach Richtungswechsel in Querzug- und Querdruckkräfte<br />
unterteilt werden können.<br />
Unregelmäßiges Mauerwerk kann nach Abbildung 22 als sogenanntes Kugelmodell 40<br />
idealisiert werden. Das Kugelmodell kann analog der vorangegangenen<br />
Betrachtungen ebenfalls in eine Mauerwerksstruktur übertragen werden. Eine große<br />
Bedeutung hat dieses Modell für das Tragverhalten von Bruchsteinmauerwerk.<br />
Abbildung 22 : Hauptspannungslinien im Kugelmodell<br />
([24], S. 17)<br />
Ein Versagen wird in der Regel durch eine Kombination der Hauptspannungen<br />
verursacht.<br />
6.3 Trag- & Versagensmechanismen einfacher Mauerwerksstrukturen<br />
6.3.1 Trag- & Versagensmechanismen unter Druckbeanspruchung<br />
Tragende Außen- und Innenwände dienen primär der Aufnahme der in Summe<br />
auftretenden Lasten eines Gebäudes. Sie werden überwiegend auf Druck<br />
beansprucht und nehmen neben ihrer Eigenlast zusätzlich alle einwirkenden<br />
vertikalen und ggf. horizontalen Lasten auf. Dabei müssen sie diese unter<br />
Gewährleistung der erforderlichen Standsicherheit tragen und bis in den Baugrund<br />
weiterleiten. Die Druckfestigkeit des Mauerwerkes ist daher von zentraler Bedeutung<br />
für die Bewertung der Mauerwerksfestigkeit.<br />
In dem folgenden Abschnitt wird der grundsätzliche Versagensmechanismus von<br />
historischem Mauerwerk unter Druckbeanspruchung dargestellt.<br />
39 Spannungstrajektorien: sind Bezeichnungen der Balkentheorie. Sie stellen als Vektoren infolge einer Belastung den optimalen<br />
Verlauf der Hauptspannungsrichtungen (Druck/Zug) dar. Sie dienen in der Regel zur<br />
Veranschaulichung des Tragverhaltens von Betonbauteilen.<br />
40 vgl. [19], S. 33 ff. und [22]<br />
40
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
6.3.1.1 Spannungsdehnungslinie<br />
Mauerwerk weist unter Druckbeanspruchung wie bereits erwähnt eine annähernd<br />
gleiche Spannungs-Dehnungsbeziehung wie Stahlbeton mit nicht linearem<br />
Materialverhalten 41 auf.<br />
Die beiden unterschiedlichen Mauerwerkskomponenten weisen unterschiedliche<br />
Materialeigenschaften auf. Im Bezug auf das Spannungsdehnungsverhältnis<br />
maßgebend, ist der Elastizitätsmodul (E-Modul), unter besonderer Berücksichtigung<br />
der Druckfestigkeit und der Steifigkeit der beiden Komponenten. Im Allgemeinen<br />
lässt sich feststellen, dass der Mörtel im Vergleich zum Gesteinsmaterial eine<br />
wesentlich geringere Druckfestigkeit und Steifigkeit aufweist. In der folgender<br />
Abbildung 23 ist eine exemplarische Darstellung eines Spannungsdehnungsdiagrammes<br />
unter Druckbeanspruchung eines Sandsteines und eines<br />
historischen Kalkmörtels dargestellt.<br />
Abbildung 23: SDL eines Sandsteines und eines historischen Kalkmörtels unter<br />
Druckbeanspruchung<br />
([19], S. 26)<br />
Die Spannungsdehnungsbeziehung verdeutlicht ein linear- elastisches Verhalten des<br />
Sandsteines bis zum Bruch und ein duktiles Dehnverhalten des Mörtels. Die<br />
Druckfestigkeit des Mauerwerkes liegt demzufolge zwischen der<br />
Mörteldruckfestigkeit und der Steindruckfestigkeit Unter der Betrachtung<br />
der Verbundwirkung der einzelnen Mauerwerkskomponenten lässt sich feststellen,<br />
dass die Spannungsdehnungslinie in Abhängigkeit des Mörtelanteils unterschiedlich<br />
gekrümmt wird.<br />
41 vgl. [15], S. 6<br />
41
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
Das Dehnverhalten variiert je Gesteinsart in Abhängigkeit des Elastizitätsmoduls.<br />
Unter einer theoretischen Betrachtung des Mauerwerks, mit der Annahme einer<br />
aufgehobenen Verbundwirkung der Mauerwerkskomponenten, bewirken die<br />
unterschiedlichen Elastizitätsmodule und Querdehnzahlen eine materialspezifische<br />
Querdehnung. Grundsätzlich ist die Querverformung des Mörtels aufgrund des<br />
geringen E-Moduls größer als die des Steinmaterials.<br />
Generell kann der Elastizitätsmodul als Sekantenmodul bei 1/3 der Druckfestigkeit<br />
angesetzt werden.<br />
Unter Annahme einer gleichen Vertikalspannungsverteilung sowohl im Gestein als<br />
auch im Mörtelgefüge ( ), kann folgender Zusammenhang der Steifigkeit<br />
von Mörtel und Stein angenommen werden 42 :<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
(6-1)<br />
bzw. für linear elastisches Material<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
(6-2)<br />
entspricht dabei der Steigung der Spannungsdehnungslinie.<br />
Diese Beziehung gilt jedoch nicht unter Berücksichtigung der Verbundwirkung der<br />
beiden Materialien.<br />
Die im Stahlbetonbau übliche Grenzstauchung von u = -3,5 ‰ kann jedoch nur<br />
begrenzt auf jegliches Mauerwerk übertragen werden.Unter Betrachtung allgemeiner<br />
mechanischer Grundlagen kann das HOOKE´sche Gesetz in Abhängigkeit der<br />
materialspezifischen Elastizitätsmodule angewandt werden.<br />
<br />
(6-3)<br />
<br />
Unter Berücksichtigung diverser materialspezifischer Grenzstauchungen gibt<br />
JÄGER [20] charakteristische Spannungs-Dehnungs-Beziehungen an (Abbildung<br />
24).<br />
42 vgl. [19], S. 26<br />
42
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
Abbildung 24 : SDL von druckbeanspruchten Mauerwerk nach Jäger<br />
([21], S. 88)<br />
Danach lassen sich Mauerwerke grob in drei Verlaufskurven enteilen:<br />
- linear- elastisch<br />
- nicht linear- elastisch, spröde<br />
- nicht linear- elastisch, duktil<br />
6.3.1.2 Einachsige Druckbeanspruchung (in der Lagerfuge)<br />
Eine einachsige Druckbeanspruchung senkrecht zu Lagerfuge bewirkt prinzipiell eine<br />
Stauchung des gesamten Mauerwerkgefüges. Zusätzlich bewirkt die<br />
Druckbeanspruchung einen dreiachsigen Spannungszustand der Steine und des<br />
Mörtels infolge eines ungleichen Querdehnungsverhaltens der beiden Materialien,<br />
der vorhandenen Inhomogenität der Mörtelfuge und des Verbundverhaltens der<br />
beiden Mauerwerkskomponenten.<br />
Regelmäßiges Mauerwerk 43<br />
Die durch die Verbundwirkung behinderte Querausdehnung erzwingt eine<br />
gleichmäßige Querverformung. In Abbildung 25 ist die behinderte Querausdehnung<br />
(rechts) und zum Vergleich die ungehinderte Querausdehnung (links) dargestellt.<br />
In der Regel weist der Mörtel eine höhere Querdehnung im Vergleich zum<br />
Mauerwerksstein auf.<br />
43 vgl. [19], S. 26 ff. und [30], S. 25 ff.<br />
43
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
Abbildung 25:<br />
Querverformung Mauerwerk<br />
([19], S. 28)<br />
Unter der Voraussetzung eines schubstarren Verbundes der beiden<br />
Mauerwerkskomponenten verursacht die behinderte Querausdehnung eine<br />
Querdruckspannung in der Mörtelstruktur. Der Mörtel wird infolge dessen in einen<br />
dreiaxialen Spannungszustand versetzt (Druck-Druck-Druck), welcher auf die<br />
Mörtelstruktur festigkeitssteigernd wirkt. Dementsprechend ist die<br />
Mauerwerksfestigkeit in der Regel immer größer als die reine<br />
Mörteldruckfestigkeit Der Mauerwerksstein dagegen bildet, der<br />
Gleichgewichtsbedingung folgend, an seinen Grenzflächen zur Mörtelschicht,<br />
Zugspannung aus. Im Stein entsteht ein Druck-Zug-Zug Spannungszustand.<br />
Die entstehenden Reibungskräfte bewirken aufgrund des Haftverbundes zwischen<br />
Mörtel und Steinen in den Steinen eine Zugspannung in Querrichtung. Diese<br />
Querzugspannung führt zum Steinversagen, aufgrund der Überschreitung der<br />
Steinzugfestigkeit. Es bilden sich im Steingefüge vertikale Risse, der Stein wird<br />
aufspalten.<br />
Das Mauerwerk versagt demzufolge bei einer Druckfestigkeit, welche unterhalb der<br />
Steindruckfestigkeit auftritt.<br />
Generell beeinflussen weitere Bedingungen das Bruchverhalten von Mauerwerk:<br />
- das Verhältnis von Querdehnungs- und Längsdehnungsverhalten des Mörtels<br />
- Verhältnis der Zug- und Druckfestigkeit des Steines<br />
- Fugendicke<br />
- Steinabmessungen und - geometrie.<br />
Das Druckversagen steht im direkten Zusammenhang mit der Höhe der Lagerfuge.<br />
Denn umso schmaler die Fugen ausgebildet sind, desto mehr erhöht sich die<br />
Druckfestigkeit des Mauerwerkes.<br />
44
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
Der sich einstellende dreiachsige Spannungszustand im Mauerwerk ist in Abbildung<br />
28 dargestellt. Die Abbildung verdeutlicht den Wirkungsmechanismus der<br />
Spannungsumlagerung in den beiden Materialschichten.<br />
Abbildung 26 :<br />
Mauerwerk unter Druckbeanspruchung<br />
(eigene Darstellung in Anlehnung an [21], S.85 und [30] S.26)<br />
Unter Annahme eines linear-elastischen Materialverhaltens kann der<br />
Querspannungsverlauf im vertikalen Schnitt nach folgender Abbildung dargestellt<br />
werden.<br />
Abbildung 27 : Steinquerzugspannung aus behinderter Querdehnung<br />
([19], S. 28)<br />
Bezüglich des linear-elastischen Modellansatzes und der Annahme eines<br />
unterschiedlichen Verbundes, wird der Querspannungsverlauf über die gesamte<br />
Fugenhöhe als konstante Querdruckspannung und über die Steinhöhe als<br />
parabelförmige Querzugspannung angenommen. Unter diesem theoretischen<br />
45
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
Materialverhalten lässt sich in Bezug auf die Gleichgewichtsbedingung eine Formel<br />
für die Steinquerzugspannung ( ) herleiten. Diese ist Abhängig von folgenden<br />
Parametern:<br />
- der Vertikaldruckspannung ( )<br />
- dem materialabhängigen E-Modul ( und )<br />
- den Querdehnzahlen ( und )<br />
- und dem Verhältnis zwischen Stein- und Fugenhöhe ( <br />
<br />
).<br />
Die sich daraus ergebende Gleichung wird in (6-4) dargestellt.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
(6-4)<br />
Eine Übertragung dieser Gleichung in eine horizontale Schnittbetrachtung resultiert<br />
aus der Annahme einer gleichen Querdehnung sowohl in x- als auch in y-Richtung.<br />
Unregelmäßiges Mauerwerk 44<br />
Die im vorherigen Abschnitt betrachteten Annahmen gelten nur für einen<br />
regelmäßigen Mauerwerksverbund mit einer ausreichend dünn ausgeführten<br />
Fugendicke und unter der Bedingung, dass die Haftscherfestigkeit des Mörtels die,<br />
im Verhältnis hohe Schubspannung an den Kontaktflächen übertragen kann.<br />
Die Tragfähigkeit von Natursteinmauerwerk kann mithilfe dieser Formeln aufgrund<br />
der unregelmäßigen Fugenstruktur nicht ermittelt werden.<br />
Um einen annähernd genauen Lösungsansatz darstellen zu können, werden<br />
zunächst wesentliche allgemeine Naturstein-Mauerwerksstrukturen erläutert.<br />
Historische Natursteinkonstruktionen weisen generell eine verhältnismäßig starke<br />
unregelmäßige Fugenhöhenausbildung auf. Die Fugenhöhen überschreiten in der<br />
Regel den für künstliches Mauerwerk üblichen Wert von <br />
Weiterhin wurden die Mauerwerke in der Regel mit Kalkmörtel einer geringen<br />
Festigkeit errichtet. Diese geringe Festigkeit des Mörtels bewirkt ein plastisches<br />
Verhalten infolge einer Belastung. Generell lässt dich feststellen, dass mit steigender<br />
Belastung proportional die Plastifizierung des Mörtels zunimmt.<br />
Dieser Wirkungsmechanismus bewirkt eine Abnahme der Steifigkeit und eine<br />
Zunahme der Querdehnung.<br />
Im Allgemeinen nimmt mit zunehmender Fugenhöhe die Querdruckspannung in der<br />
inneren Fugenfläche ab. Am freien Fugenrand wird die Querdruckspannung durch<br />
die freie Verformbarkeit des Mörtels in horizontaler Richtung ebenfalls abgemindert.<br />
44 vgl. [19], S. 26 ff. und [30], S. 25 ff.<br />
46
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
Eine Überschreitung der minimal benötigten Querdruckspannung am Fugenrand<br />
bewirkt den Verlust der Steifigkeit. Der Mörtel bricht partiell aus dem Gefüge aus. Im<br />
inneren der Lagerfuge kann der Mörtel sich der einaxialen Druckbeanspruchung<br />
nicht entziehen. Es entsteht ein dreiaxialer Spannungszustand, welcher wie bereits<br />
erwähnt, festigkeitssteigernd auf die Mörtelsubstanz wirkt.<br />
Selbst unter der Annahme des Versagens der Mörtelsubstanz würde weiterhin eine<br />
Lastabtragung erfolgen, da die Mörtelbestandteile durch Reibung in ihrer Lage<br />
gesichert werden. Eine erhöhte Wassersättigung im Mauerwerk jedoch könnte ein<br />
Auflösen der wasserlöslichen Mörtelbestandteile bewirken. Die Folge wäre der<br />
Verlust der inneren Reibung und die somit eintretende freie Beweglichkeit der<br />
Steinkomponenten.<br />
Durch eine Verringerung der Fugenfestigkeit am äußeren Rand wird eine<br />
Druckspannungsumlagerung auf innen liegende Mörtelflächen bewirkt. In der<br />
folgenden Abbildung ist die theoretische Spannungsabtragung im Mauerwerk infolge<br />
der Belastung dargestellt. Die Abbildung zeigt die Spannungsabtragung durch die<br />
Ausbreitung von Druckspannungstrajektorien. Zusätzlich wird die zunehmende<br />
Querzugspannung dargestellt, welche in der mittleren Steinhöhe ihr Maximum<br />
erreicht.<br />
Abbildung 28 : Stabwerksmodell bei ausgebrochener Lagerfuge<br />
([19], S.30)<br />
Die Abbildung zeigt eine Störung des Trajektorienverlaufes in Anlehnung des<br />
Prinzips von ST. VENANT 45 .<br />
45<br />
Prinzip von ST. VENANT: eine Belastung, welche lediglich auf einem kleinen Teil der Gesamtfläche einwirkt, erzeugt<br />
Spannungen und Verformungen nur in unmittelbarer Umgebung der Lastangriffsfläche. Entferntere Bereiche bleiben<br />
spannungsfrei.<br />
47
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
In Anlehnung an das Prinzip von ST. VENANT ergibt sich somit für die schräge<br />
Druckkraft () eine Neigung in Abhängigkeit des Verhältnisses der Steinlänge () zur<br />
Mörtelausbruchtiefe () von:<br />
B <br />
<br />
(6-5)<br />
Die Ausbruchtiefe () entspricht in der Regel der Fugenhöhe ( ). Daraus folgt,<br />
dass mit abnehmender Steinhöhe und zunehmender Fugenhöhe die<br />
Querzugspannung ( ) im Material zunimmt.<br />
Ebenso kann der horizontal angeordnete Zugstab () nach dem Prinzips von ST.<br />
VENANT wie folgt berechnet werden:<br />
Allgemeine Gleichung der Zugkraft:<br />
<br />
(6-6)<br />
<br />
In Abhängigkeit der jeweiligen Spannungsbelastung ergeben sich folgenden<br />
Formeln (6-7) und (6-8)<br />
<br />
(6-7)<br />
<br />
(6-8)<br />
<br />
Umgestellt und eingesetzt ergibt sich für die Querzugspannung im Stein:<br />
<br />
(6-9)<br />
<br />
Unregelmäßiges Bruchsteinmauerwerk kann mithilfe des in Kapitel 6.2 dargestellten<br />
Kugelmodells beschrieben werden.<br />
Analog dieses Modelles kann der Spannungsverlauf von Bruchsteinmauerwerk nach<br />
Abbildung 31 dargestellt werden. Die zum Versagen führenden Mechanismen<br />
entstehen aus einer Kombination der vorangegangenen Betrachtungen. Die in der<br />
Abbildung dargestellten Drucktrajektorien verlaufen im Mauerwerk, den Materialien<br />
der höhere Steifigkeit folgend.<br />
Abbildung 29 : Exemplarischer Trajektorienverlauf im Bruchsteinmauerwerk<br />
([19] S. 33)<br />
48
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
Zusammenfassung<br />
Beiden Wirkungsprinzipien gemeinsam sind die Aufhebung der in Mörtel<br />
(festigkeitssteigernd) wirkenden Querdruckspannung.<br />
Allgemein lässt sich feststellen, dass bei einer gleichmäßigen Mauerwerksstruktur,<br />
mit quaderförmigen Steinen und einer konstanten Lagerfuge mit einer geringen Höhe<br />
das Mauerwerk infolge von vertikal verlaufenden Rissen im Steingefüge versagt.<br />
Grundsätzlich entstehen diese Risse durch folgende, zuvor erläuterte Versagensmechanismen<br />
infolge einer einaxialen Druckbelastung:<br />
- Steifigkeitsverlustes im Mörtel<br />
- Überschreitung der Haftscherfestigkeit des Mörtels, infolge einer hohen<br />
Schubspannung in den Kontaktbereich<br />
Mauerwerk dagegen, welches im unregelmäßigen Verbund mit hohen bzw.<br />
geneigten Fugen ausgebildet ist, versagt durch Rissbildungen in der Mörtelstruktur.<br />
6.3.1.3 Einachsige Druckbeanspruchung (in der Stoßfuge)<br />
Für die Tragfähigkeitsuntersuchung ist es daher entscheidend, in welchen Bereichen<br />
des Mauerwerksteines Zugkräfte entstehen. Die in den vorangegangenen<br />
Abschnitten betrachteten Versagensmechanismen verursachten überwiegend<br />
Zugspannungen in der Ebene der Lagerfuge.<br />
Die sowohl im Querschnitt als auch in der Ansicht vorhandenen Stoßfugen<br />
verursachen analog der Lagerfugen ebenso Querzugspannungen im Stein. Diese<br />
Spannung wird in der Regel durch eine Umlagerung der Drucktrajektorien (die<br />
Spannungsabtragung erfolgt vorrangig durch die Mauerwerkssteine und nicht über<br />
die verhältnismäßig weiche Stoßfugensubstanz) erzeugt. Infolge dessen werden in<br />
den Mauerwerkssteinen ober- und unterhalb der Stoßfuge horizontal wirkende<br />
Zugspannungen gebildet.<br />
Des Weiteren wird entsprechend der Verbundwirkung der Komponenten eine<br />
Behinderung der Querdehnung in y-Richtung verursacht. Der Stein wird einem<br />
Druck-Zug-Zug-Spannungszustand ausgesetzt. Der durch eine Querzugspannung in<br />
der Stoßfuge verursachte Spannungsriss entsteht vertikal durch die Stoßfuge und<br />
den Stein 46 .<br />
46 vgl. [19], S. 31 ff. und [30], S. 25 ff.<br />
49
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
Abbildung 30: Druckspannungsverteilung in Abhängigkeit der Belastungsrichtung<br />
([14])<br />
6.3.2 Trag- & Versagensmechanismen unter Zugbeanspruchung<br />
Aufgrund der starken Streuung der Haftzugfestigkeit zwischen Mörtel und Steinen<br />
erreicht man durch die Ermittlung der Zug- und Biegezugfestigkeit keinen für die<br />
Bemessung geeigneten Wert 47 .<br />
Wie bereits dargestellt versagt Mauerwerk, welches auf Zug beansprucht wird,<br />
analog der Versagensmechanismen der Druckbeanspruchung.<br />
Die im Mauerwerk verlaufenden Zugspannungstrajektorien umgehen die weicheren<br />
Stroßfugenbereiche. Die durch die Umlenkung entstehenden zusätzlichen<br />
Spannungen bewirken eine Schubwirkung an den Kontaktflächen. Die<br />
Haftscherfestigkeit der Mörtelfugen ist hierbei wesentlich von den Kohäsions- und<br />
Reibungskräften abhängig.<br />
In der Regel versagen zugbeanspruchte Mauerwerke durch eine Kombination der<br />
Hauptspannungen.<br />
Mauerwerk, welches senkrecht zur Lagerfuge auf Zug- und Biegezug beansprucht<br />
wird, neigt generell zu einem Versagen in der Lagerfuge. Dieser Mechanismus ist<br />
jedoch stark abhängig von der Qualität und Dicke der Mörtelfuge. Im Eurocode ist ein<br />
Rechenwert gegeben. Dieser ist jedoch auf historisches Mauerwerk kaum<br />
übertragbar. Häufiges Schadbild von zug- und biegezugbeanspruchtem Mauerwerk<br />
ist das Verbundversagen zwischen Stein und Mörtel sowie bei weiterer Belastung<br />
das Versagen der Steinzugfestigkeit, analog dem Wirkungsmechanismus unter<br />
Druckbeanspruchung.<br />
47 vgl. [19], S. 34 ff. und [30], S. 28 ff.<br />
50
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
a, Versagen durch Überschreiten der<br />
Haftzugfestigkeit zwischen Mörtel und<br />
Stein<br />
b, Versagen durch Überschreitung<br />
der Steinzugfestigkeit<br />
Abbildung 31 : Versagensformen zugbeanspruchten Mauerwerks - parallel zur<br />
Lagerfuge<br />
([21], S. 91)<br />
Zusätzlich zu einer Belastung parallel zur Lagerfuge, kann Mauerwerk durch eine<br />
Belastung senkrecht zur Fuge Versagen. Diese Belastung tritt häufig infolge Zwangs,<br />
durch zusammenwirkende, im Verband gemauerter Mauerwerkswände auf. Die<br />
entstehende Zugfestigkeit in der Stoßfuge kann vernachlässigt werden, da diese in<br />
der Regel unvollständig vermörtelt sowie kaum verdichtet ist und somit deren<br />
Haftzugfestigkeit gegen null verläuft.<br />
b, Versagen durch<br />
Überschreitung<br />
der Steinzugfestigkeit<br />
Abbildung 32 : Versagensformen zugbeanspruchten Mauerwerks - senkrecht zur<br />
Lagerfuge<br />
([21], S. 92)<br />
6.3.3 Trag- & Versagensmechanismen unter Schubbeanspruchung<br />
Häufig entsteht eine Schubbeanspruchung 48 bei aussteifenden Mauerwerkswänden.<br />
Die Hauptspannungstrajektorien bilden sich in der Regel schräg entlang der<br />
Lagerfugen aus. Schubbeanspruchte Mauerwerke können in drei,<br />
belastungsabhängige Versagensmechanismen unterteilt werden (Abbildung 33):<br />
- geringe Vertikallast: Mörtelfugenversagen auf Reibung<br />
- mittlere Vertikallast: Steinversagen auf Zug<br />
- überwiegend Vertikallast: Steinversagen auf Druck.<br />
48 vgl. [19], S. 35 ff. und [30], S. 29 ff.<br />
a, Versagen durch Überschreiten<br />
der Verbundfestigkeit zwischen<br />
Mörtel und Stein<br />
51
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
Abbildung 33: Schubeinfluss nach DIN 1053<br />
([4], S.16)<br />
In Abbildung 34 sind die allgemeinen Versagensmechanismen unter<br />
Schubbeanspruchung dargestellt.<br />
Abbildung 34 : Versagensformen schubbeanspruchten Mauerwerks<br />
([19], S. 36)<br />
Unter der Annahme der Schubtheorie nach MANN 49 , werden in der Stoßfuge keine<br />
Schubkräfte übertragen. Die unter der allgemeinen Gleichgewichtsbedingung auf den<br />
Stein wirkende Vertikalspannung verursacht eine entgegenwirkende Kraft.<br />
49 vgl. [29], S. 110 ff<br />
52
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
6.3.4 Trag- & Versagensmechanismen unter Biegung mit Normalkraft<br />
Die Bruchschnittgrößen von einschaligem Mauerwerk unter Biegung mit Normalkraft<br />
können in Abhängigkeit des Materialverhaltens als Interaktionslinien angegeben<br />
werden. In Abbildung 35 ist eine Interaktionslinie für einen rechteckigen Querschnitt<br />
dargestellt. Die Interaktionslinien sind vom E-Modul des Mauerwerkgefüges<br />
abhängig. Infolge dieser Abhängigkeit ist die Biegedrucktragfähigkeit unabhängig von<br />
der Grenzbruchdehnung 50 .<br />
Abbildung 35 : Grenzdehnungs- und Spannungszustände am einschaligem<br />
Mauerwerk<br />
([35])<br />
Abbildung 36 : Interaktionslinie (einschaliges Mauerwerk) mit rechteckigem<br />
Querschnitt unter Biegung mit Normalkraft<br />
([35])<br />
6.4 Trag- & Versagensmechanismen mehrschaliger Mauerwerksstrukturen<br />
Mehrschalige Mauerwerksstrukturen können, analog der einschaligen Bruchsteinmauerwerke,<br />
auf das Tragmodell des Stahlbetonbaus übertragen werden.<br />
Der Grenzzustand der Tragfähigkeit wird mithilfe von Grenzdehnungszuständen<br />
beschrieben, welche aus den Baustoffeigenschaften der verwendeten Baustoffe<br />
abgeleitet werden. Über eine Integration der Spannungszustände im Querschnitt<br />
50 vgl. [35] und [30], S. 29 ff.<br />
53
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
kann anschließend die Bruchschnittgröße ermittelt werden. Unter der Annahme eines<br />
annähernd ähnlichen Bruchverhaltens kann mehrschaliges Mauerwerk analog des<br />
Stahlbetonmodells unter Biegedruckbeanspruchung berechnet werden.<br />
Der Nachweis des Grenzzustandes der Tragfähigkeit wird unter Ansatz diverser<br />
Teilsicherheitsbeiwerte geführt. Generell ergeben sich die Teilsicherheitsbeiwerte<br />
durch den Vergleich der Bruchschnittgrößen, Normalkraft und Biegemoment.<br />
Bezüglich der hohen Inhomogenität des Mauerwerks und der lediglich<br />
strichprobenartig ausgeführten Mauerwerkssondierungen müssen die<br />
Teilsicherheitsbeiwerte weiter erhöht werden. Die Norm sieht keine reguläre<br />
Erhöhung dieser Werte in Abhängigkeit der Materialstruktur vor.<br />
Die Tragfähigkeit von mehrschaligem Mauerwerk wird in der Regel durch eine<br />
separate Betrachtung der Mauerwerksschalen ermittelt. Maßgebende Faktoren für<br />
die Berechnung sind die Druckfestigkeiten und die mechanischen Eigenschaften der<br />
verwendeten Baustoffe jeder Mauerwerksschale. Zur Ermittlung der Druckfestigkeit<br />
können diverse Bruchmodelle verwendet werden 51 .<br />
Zentrische Belastung<br />
exzentrische Belastung<br />
Abbildung 37: Belastungsmodell mehrschaliges Mauerwerk<br />
([35])<br />
Mechanische Eigenschaften der Mauerwerksschalen<br />
Grundsätzlich werden die Druckfestigkeiten der einzelnen Mauerwerksschalen nach<br />
den folgenden Bruchmodellen ermittelt. Abhängig von den ermittelten<br />
Druckfestigkeiten können für Ziegelmauerwerk und Natursteinmauerwerk die<br />
jeweiligen Elastizitätsmodule ermittelt werden.<br />
Für Ziegelmauerwerk gilt nach Norm, unter Annahme eines Mauerwerkes bestehend<br />
aus einem hochfesten Steinen und einer hoher Mörtelgüte, ein linear-elastisches<br />
Materialverhalten. Im Eurocode 6 ist für Ziegelmauerwerk ein Parabel-Rechteck-<br />
51 vgl. [35]<br />
54
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
Diagramm mit einer festgelegten Grenzdehnung zwischen 2 und 3,5 Promille<br />
gegeben.<br />
Natursteinmauerwerk jedoch entwickelt unter Druckbelastung ein plastisches<br />
Verformungsverhalten. Die Grenzdehnung ist abhängig von dem jeweiligen<br />
Mauerwerksverband. Demzufolge kann für Natursteinmauerwerk in Abhängigkeit der<br />
Mauerwerksstruktur nach WARNECKE 52 einem linear-elastischen oder einem idealplastischen<br />
Materialverhalten angenommen werden.<br />
Nach WARNECKE können die E-Module wie folgt ermittelt werden:<br />
E-Modul für Ziegelmauerwerk<br />
(6-10)<br />
E-Modul für eine kohäsive Innenschale<br />
<br />
<br />
(6-11)<br />
<br />
mit:<br />
Druckfestigkeit in [N/mm 2 ]<br />
E-Modul Stein in [N/mm 2 ]<br />
E-Modul Mörtel in [N/mm 2 ]<br />
Volumenanteil Stein in [mm 3 ]<br />
Volumenanteil Mörtel in [mm 3 ]<br />
6.4.1 Verbundmodell der Schalenfuge<br />
Die Schubtragfähigkeit der Schalenfuge ist ein weiterer wichtiger Parameter für die<br />
Tragfähigkeitsanalyse mehrschaliger, zusammenwirkender Gefüge. Die Folgenden<br />
Ausführungen stützen sich auf Thesen von WARNECKE nach [35].<br />
Um die gemeinsame Tragwirkung der Schalen bewerten zu können, ist es<br />
notwendig, den Grad der Verzahnung der Schalen zu berücksichtigen. Dieser<br />
Verzahnungsgrad ist abhängig von der Geometrie der Schalenfuge. Er ist abhängig<br />
von einer idealisierten, auskragenden Fläche der einbindenden Steine. Nach<br />
WARNECKE wird in Abhängigkeit der Schalenfugenausbildung folgender<br />
Flächenfaktor gegeben.<br />
- bei ebener Schalenfuge ohne Verzahnung der Steine 0<br />
- bei regelmäßiger Verzahnung der Steine 0,5<br />
Ein weiterer Parameter zur Bestimmung der Schubtragfähigkeit der Schalenfuge<br />
stellt der Hohlraumgehalt der Mauerwerksstruktur dar. Folgende Abbildung<br />
verdeutlicht diese Parameter.<br />
52 vgl. [35]<br />
55
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
Abbildung 38 : Geometrisches Modell eines Schalenverbundes<br />
([35])<br />
Unter Annahme der vorangegangenen Parameter kann anschließend die<br />
Schubbruchspannung nach folgender Gleichung ermittelt werden. Sie ergibt sich aus<br />
der Schubtragfähigkeit unter Berücksichtigung der jeweiligen Fugenausrichtung.<br />
Bei einer vertikalen Druckbeanspruchung der vertikal ausgerichteten Stoßfugen wird<br />
die Tragfähigkeit durch die im Mörtel wirkenden Kohäsionskräfte begrenzt. Diese<br />
sind abhängig von der entsprechenden Mörtelgüte. Bei Belastung der horizontal<br />
ausgerichteten Lagerfugen wird die Bruchgrenze durch die Mörteldruckfestigkeit<br />
bestimmt. In Gleichung (6-12) ist die Schubbeanspruchung der Schalenfuge<br />
dargestellt.<br />
E B (6-12)<br />
mit:<br />
Druckfestigkeit des Schalengefüges in [N/mm 2 ]<br />
Verzahnungsgrad <br />
<br />
Druckfestigkeit Mörtel in [N/mm 2 ]<br />
B Winkel der Mörtelfugen<br />
6.4.2 Tragverhalten im Lasteinleitungsbereich<br />
Generell treten im Lasteinleitungsbereich unter Annahme eines kohäsiven<br />
Mauerwerkgefüges sogenannte Störzonen auf.<br />
In diesen Störzonen werden die Dehnungsdifferenzen zwischen den einzelnen<br />
Schalen bis zum Erreichen einer ebenen Dehnungsverteilung ausgeglichen.<br />
WARNECKE 53 untersuchte die Grenzfläche zwischen Innen- und Außenschale unter<br />
Annahme eines Verbundbruches, um die daraus resultierende Lasteinleitungslänge<br />
zu ermitteln.<br />
Auf Grundlage seiner Untersuchungen kann davon ausgegangen werden, dass<br />
bezogen auf die Schwerachse der einzelnen Schalen die Verbundspannungen in der<br />
Schalenfuge ausmittig wirken. Diese Exzentrizität der Spannung im<br />
53 vgl. [35]<br />
56
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
Lasteinleitungsbereich muss anschließend mithilfe von Horizontalspannungen<br />
ausgeglichen werden. Der Verlauf der Spannungsverteilungen kann aufgrund der<br />
Inhomogenität des Gefüges nicht exakt bestimmt werden.<br />
In Abbildung 39 ist ein mehrschaliger, kohäsiver Schalenaufbau unter exzentrischer<br />
Normalkraft dargestellt.<br />
Abbildung 39: Tragverhalten im Lasteinleitungsbereich<br />
([35])<br />
Generell können folgende Annahmen über den Spannungszustand in der<br />
Schalenfuge nach dem Verbundmodell getroffen werden 54 :<br />
- die Verbund- und Horizontalspannungen werden in der Regel über Haftung<br />
bzw. Schubverzahnung von vertikalen und horizontalen Verbundflächen<br />
übertragen<br />
- die Verbund- und Horizontalspannung setzen sich jeweils aus einem Schubund<br />
Normalspannungsanteil zusammen<br />
- die Vereinheitlichung der Normal- und Schubspannungen in den Grenzfläche<br />
werden über die Coulomb‘sche Reibungshypothese ermittelt<br />
Weiterhin nehmen materialspezifische Gefüge-Eigenschaften Einfluss auf die<br />
Spannungsverteilung.<br />
Die Adhäsion kann bei Ziegelmauerwerk mit 0,24 bis 0,40 angenommen werden. Bei<br />
Natursteinmauerwerk, unter der Annahme eines sehr dichten Gefüges, wird die<br />
Adhäsion mit 0 angenommen. Der Reibungsbeiwert kann für Ziegelmauerwerk der<br />
DIN entnommen werden. Er schwankt zwischen 0,51 und 0,75. Generell kann für alle<br />
Mörtelzusammensetzungen ein Wert von 0,65 angenommen werden.<br />
54 vgl. [35]<br />
57
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
Weiterhin wurden durch WARNECKE Annahmen für den Fall großer<br />
Schalenverschiebung und den Bereich horizontaler Zugspannungen getroffen.<br />
Es kann davon ausgegangen werden, dass die entstehenden Spannungen im<br />
Allgemeinen durch die Konsolentragwirkung der Mauerwerksschalen aufgenommen<br />
werden können.<br />
Unter Annahme folgenden Mauerwerksaufbaus gibt WARNECKE 55 einen<br />
Berechnungsansatz der unterschiedlichen Mauerwerksschalen an.<br />
- dreischaliges Mauerwerksgefüge<br />
- stoffliche und geometrische Symmetrie des Mauerwerksgefüges<br />
- keinerlei Momentenbelastung außerhalb der Störzone<br />
Mittlere Zwischenraumschale<br />
Unter den vorangegangenen Voraussetzungen wird die Belastung generell über die<br />
mittlere Zwischenraumschale abgetragen. Die Verbundspannung bewirkt horizontale<br />
Druckspannungen am oberen Rand sowie horizontale Zugspannungen am unteren<br />
Rand (Abbildung 40).<br />
Abbildung 40: Spannungszustand bei Lasteinleitung in die mittlere<br />
Zwischenraumschale<br />
([35])<br />
Bei einem linearen Normalkraftverlauf und einer linearen Verschiebung kann eine<br />
konstante Verbundspannungsverteilung angenommen werden. Dieser starrplastische<br />
Verbundansatz ergibt eine Lasteinleitungslänge nach der Gleichung<br />
(6-13). Diese Lasteinleitungslänge wird mithilfe folgender Parameter bestimmt.<br />
- Verzahnungsgrad<br />
- Geometrie ( und )<br />
Die Angaben über diese Parameter sowie weitere festigkeitsspezifische Parameter<br />
müssen einer Mauerwerkssondierung entnommen werden.<br />
55 vgl. [35]<br />
58
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
Die in der Schalenfuge zu übertragende Kraft ergibt sich aus der Belastung und der<br />
Dehnsteifigkeit der Schalen.<br />
<br />
B B (6-13)<br />
Äußere Wetterschale<br />
Der Wirkungsmechanismus der äußeren Wetterschalen erfolgt umgekehrt zum<br />
vorangegangenen Wirkungsmechanismus. Es entsteht horizontale Zugspannungen<br />
am oberen Rand und horizontale Druckspannungen am unteren Rand (Abbildung<br />
41).<br />
Abbildung 41: Spannungszustand bei Lasteinleitung in die äußeren Wetterschale<br />
([35])<br />
Unter Annahme einer ebenfalls starr-plastischer Verbundwirkung können folgende<br />
Rechnungsansätze nach WARNECKE 56 gegeben werden.<br />
Die Übertragung der Verbundspannung am oberen Rand erfolgt durch eine<br />
Konsolwirkung. Die Spannungen am unteren Rand durch Haftung bzw.<br />
Druckkontakt. Eine Belastung der Außenschale erreicht eine vergleichsweise<br />
kleinere Lasteinleitungslänge gegenüber der Lasteinleitungslänge nach der<br />
Gleichung (6-14) der Zwischenraumschale, da die horizontale Druckspannung über<br />
Druckkontakt direkt abgetragen wird.<br />
<br />
B B B B (6-14)<br />
6.4.3 Trag- & Versagensmechanismen unter Biegung mit Normalkraft<br />
Bei der Betrachtung mehrschaliger Mauerwerkssysteme unter Biegung mit<br />
Normalkraft muss die Verbundwirkung der Schalen einbezogen werden. In<br />
Abhängigkeit dieser Verbundwirkung ergeben sich unterschiedliche<br />
56 vgl. [35]<br />
59
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
Berechnungsansätze. Historische Mauerwerke entsprechen in der Regel einem<br />
verschieblichem Mauerwerksverbund. Generell unterscheidet man zwischen losem,<br />
verschieblichem und unverschieblichem Schalenverbund.<br />
Unverschieblicher Schalenverbund nach [35]<br />
In der Regel wird dieser Schalenverbund für die theoretische Berechnung des<br />
Mauerwerksgefüges angenommen. Bei mehrschaligen Mauerwerksgefügen mit<br />
einem unverschieblichen Schalenverbund und einem kohäsiven Schalengefüge<br />
können folgende Annahmen getroffen werden.<br />
Der unverschiebliche Verbund der Mauerwerksschalen bewirkt grundsätzlich die<br />
maximalen Bruchschnittgrößen des Verbundquerschnitts. Ein grundlegender<br />
Parameter für den rechnerischen Nachweis ist die entsprechende Schubtragfähigkeit<br />
der Schalenfuge.<br />
Die Kraft wirkt ausschließlich als mittig angreifende Normalkraft ohne Querkraft.<br />
Weitere grundlegende Annahmen sind:<br />
- in der Nähe der Lasteinleitung entstehen Dehnungsdiskrepanzen zwischen<br />
den Schalen<br />
- außerhalb dieser Lasteinleitung herrscht grundsätzlich ein unverschieblicher<br />
Schalenverbund<br />
- das Mauerwerksgefüge ist horizontal nicht gezwängt<br />
- die ebene Dehnungsverteilung liegt außerhalb der Lasteinleitung<br />
- das Mauerwerksgefüge wirkt als Verbundquerschnitt.<br />
Die anschließende Berechnung der Bruchschnittgrößen kann mithilfe diverser<br />
Massivbauprogramme für beliebige Querschnittsgeometrie und Werkstofflinien<br />
berechnet werden. Diese errechneten Bruchschnittgrößen können anschließend<br />
mithilfe von Interaktionslinien, analog zu einschaligem Mauerwerk, bezogen auf die<br />
Bruchkraft und das Bruchmoment dargestellt werden. Die folgende Abbildung 42<br />
zeigt Interaktionslinien eines kohäsiven dreischaliger Mauerwerksgefüge in<br />
Abhängigkeit von der Schalenfestigkeit.<br />
60
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
Abbildung 42 : Interaktionslinie in Abhängigkeit der Schalenfestigkeit<br />
([35])<br />
Bei einer zusätzlich einwirkenden Querkraft muss die gesamte, zusätzlich<br />
einwirkende Schubspannung, die Schalenfuge aufnehmen. Dabei darf die<br />
Biegedrucktragfähigkeit des Verbundquerschnittes nicht überschritten werden. Das<br />
bedeutet, die Gesamtschubspannung in der Schalenfuge muss kleiner als die<br />
maximale Schubbruchspannung sein.<br />
Bei einer vereinfachten Berechnung der Schubspannung nach Gleichung (6-15)<br />
muss die unterschiedliche Steifigkeit der Mauerwerksschalen berücksichtigt werden.<br />
E <br />
E <br />
<br />
mit:<br />
einwirkenden Querkraft in [N]<br />
(6-15)<br />
statische Moment in [cm 3 ]<br />
Flächenträgheitsmoment in [cm 4 ]<br />
Querschnittsdick in [cm]<br />
E Schubbruchspannung in [N/cm 2 ]<br />
Sicherheitsbeiwert<br />
Loser Schalenverbund nach [35]<br />
Bei kohäsiven Mauerwerksschalen ohne Schalenverbund wird die einwirkende<br />
Vertikallast in der Regel hauptsächlich über die steifere Mauerwerksschale<br />
abgetragen.<br />
Die Vertikallast wird über eine Lastverteilung im Mauerwerk eingeleitet. Prinzipiell<br />
kann bei einem Versagen einer Mauerwerksschale die Last umgelagert und so<br />
unabhängig von der versagenden Einzelschale abgetragen werden. Die Bruchlast<br />
der versagenden Mauerwerksschale addiert sich zu der Bruchlast des<br />
61
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
Mauerwerkgefüges. Generell versagt das Mauerwerk erst beim Bruch aller<br />
Mauerwerksschalen.<br />
Bei einer direkten Lasteintragung der Vertikallast in die Einzelschalen ist keine<br />
Lastumlagerung möglich. Jede der Mauerwerksschalen wird gleichmäßig belastet.<br />
Das Mauerwerk versagt bereits beim Bruch der ersten Einzelschale.<br />
Bei der Berechnung der Bruchlast ist demzufolge immer der minimale<br />
Sicherheitsbeiwert maßgebend. In Abhängigkeit dieses Beiwertes kann die<br />
Gebrauchslast ermittelt werden. Diese abgeminderte Gebrauchslast stellt die<br />
Bruchlast des Gefüges dar.<br />
Unter der Annahme einer unabhängigen Schalenausbildung können die<br />
Einzelschalen als momentenfrei erachtet werden. Das bedeutet, die Berechnung<br />
erfolgt ohne Interaktionslinien.<br />
In der Regel wird mehrschaliges Mauerwerk aus einer Kombination von Vertikal- und<br />
Horizontallasten belastet. Die Vertikalbelastung aus der Dachlast wird im<br />
Allgemeinen durch die kohäsive mittlere Zwischenraumschale abgetragen. Eine<br />
nichtkohäsive mittlere Zwischenraumschale (Abbildung 43) ist jedoch nicht am<br />
äußeren Lastabtrag beteiligt. Sie belastet lediglich die außen liegende Wetterschale<br />
horizontal und vertikal.<br />
Abbildung 43: Tragverhalten mit einer nichtkohäsiven Innenschale<br />
([35])<br />
Die innere raumseitige Schale wird in der Regel durch Gewölbelasten horizontal und<br />
vertikal belastet, sowie vertikal aus Deckenlasten.<br />
62
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
Die durch Windsog entstehende Horizontalbelastung hingegen wird grundsätzlich<br />
von der äußeren Wetterschale aufgenommen. Weiterhin kann diese Schale durch<br />
einen losen Mauerwerksverbund der Zwischenschale belastet werden. Diese<br />
Belastung erzeugt neben den durch Windbelastung entstehenden äußeren<br />
Schnittgrößen auch innere Schnittgrößen.<br />
Die in das Mauerwerk eingeleitete Vertikallast wird schalenunabhängig weitergeleitet.<br />
Die Horizontallast hingegen erzeugt Querkräfte im Mauerwerk. Diese Querkräfte<br />
werden raumseitig über die Biegesteifigkeit der Schalen abgetragen. Die innere<br />
raumseitige Schale erzeugt in dem gesamten Mauerwerksquerschnitt eine<br />
Biegeverformung der Schalen.<br />
Die Berechnung eines verschieblichen Schalenverbundes ist generell sehr ungenau.<br />
Die Biegesteifigkeiten der Einzelschalen müssen in der Regel geschätzt werden. Die<br />
Ermittlung der Verformung und Krümmung erfolgt unter der Annahme einer<br />
identischen Kopfverschiebung der Mauerwerksschalen. Anschließend können die<br />
Dehnungen und Schnittgrößen ermittelt werden.<br />
Dabei ist darauf zu achten, dass die Bruchschnittgrößen nicht aus den<br />
Interaktionslinien aufgrund der Biegeverformung der Schalen ermittelt werden<br />
können.<br />
Bei einer nichtkohäsiven Zwischenschale (Abbildung 44) ist zusätzlich auf die<br />
unterschiedliche Schnittgrößenverteilung der äußeren Wetterschale zu achten.<br />
Dabei gilt: die Summe der inneren und äußeren Schnittgrößen darf die gesamten<br />
Bruchschnittgrößen der Schale unter Berücksichtigung der Schlankheit nicht<br />
überschreiten.<br />
Die abschließende Berechnung des Bruchzustandes ist nur interativ möglich.<br />
Abbildung 44: Inneren Kräfte einer nichtkohäsiven Innenschale<br />
([35])<br />
Die Belastung der mittleren Zwischenraumschale kann als Streckenlast mit den<br />
Gleichungen (6-16) und (6-17) auf die äußere Wetterschale umgerechnet werden.<br />
63
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
<br />
D (6-16)<br />
und<br />
<br />
(6-17)<br />
C<br />
mit:<br />
D Dichte in [N/mm²]<br />
Krümmung in<br />
Ausmittliger Lastangriff in [mm]<br />
Abstand in [mm]<br />
Verformung C F <br />
<br />
<br />
C Lastangriffswinkel<br />
Verschieblicher Schalenverbund nach [35]<br />
Der in der Regel bei historischem Mauerwerk anzunehmende Verbund zwischen den<br />
Schalen ist der verschiebliche Schalenverbund. Er liegt zwischen einer losen und<br />
einer unverschieblichen Mauerwerksstruktur.<br />
Eine Verschiebung der Schalenfuge wird prinzipiell behindert aber nicht vollständig<br />
verhindert. In Abbildung 45 ist das Tragverhalten im verschieblichen Schalenverbund<br />
dargestellt.<br />
Abbildung 45 : Tragverhalten im verschieblichem Schalenverbund<br />
([35])<br />
Die Schubspannung ist gegenüber dem unverschieblichen Verbund generell geringer<br />
anzunehmen. Das heißt, dass die Biegetragfähigkeit, gegenüber den<br />
Bruchschnittgrößen abgemindert werden kann. Bei einer Schubbruchspannung,<br />
64
Tragverhalten von historischen Mauerwerk<br />
welche kleiner als die Schubspannung der Schalenfuge ist, müssen die<br />
Bruchschnittgrößen zusätzlich abgemindert werden.<br />
Ein vereinfachter Nachweis kann in Anlehnung an den Teilverbundnachweis im<br />
Verbundbau erfolgen.<br />
Grundsätzliche Parameter für die Berechnung der Bruchmomente sind die<br />
Bruchschnittgrößen und die zugehörigen Schubspannungen.<br />
Das zu ermittelnde Bruchmoment (6-18) liegt zwischen den Bruchmomenten für<br />
unverschieblichen Schalenverbund und losem Schalenverbund. Der Wert kann linear<br />
interpoliert werden.<br />
<br />
mit:<br />
Bruchmoment in [N cm]<br />
Querkraftmoment in [N cm]<br />
E Schubbruchspannung in [N/cm 2 ]<br />
E Schubspannung in [N/cm 2 ]<br />
E <br />
E <br />
(6-18)<br />
Generell lassen sich folgende Lastabtragungsmechanismen Mauerwerksverbundes<br />
annehmen:<br />
Abbildung 46 : Lastabtragungsmodell im Schalenverbund<br />
([35])<br />
Allgemeine Gleichung der Schubspannung<br />
E E <br />
(6-19)<br />
Allgemeine Gleichung der Normalspannung<br />
E <br />
(6-20)<br />
Allgemeine Gleichung der Schubspannung<br />
E <br />
(6-21)<br />
65
7 Bemessung von historischem Mauerwerk<br />
Bemessung von historischen Mauerwerk<br />
7.1 Hinweise zur Bemessung<br />
Als anerkannte Regel der Technik in Bezug auf den Mauerwerksbau steht derzeit<br />
generell der Eurocode 6 und die DIN 1053 zur Verfügung. Für die Berechnung von<br />
Mauerwerk aus künstlichen Steinen liegen nach Eurocode 6 zahlreiche<br />
Bemessungsgrößen vor. In der Regel können diese problemlos auf jegliches<br />
Mauerwerk aus künstlichen Steinen übertragen werden.<br />
Bei der Berechnung von Natursteinmauerwerk jedoch können die im Eurocode 6<br />
gegebenen Bemessungsregeln in der Regel nicht auf inhomogenes Mauerwerk<br />
übertragen werden. Im nationalen Anhang zum Eurocode 6 sind einzelne, auf<br />
Erfahrungswerten basierende Bemessungsregeln für verschiedene, regelgerechte<br />
Natursteinverbände dargestellt.<br />
Bei der Betrachtung von historischem Mauerwerk können diese Gleichungen<br />
aufgrund der Inhomogenität der Mauerwerksstruktur kaum angewandt werden.<br />
Zusätzlich werden verhältnismäßig hohe Sicherheitsfaktoren berücksichtigt.<br />
Um eine annähernd genaue Berechnung durchführen zu können, gibt die Literatur<br />
einige Bemessungsansätze unter Verwendung diverser Bruchmodelle.<br />
Die einer Berechnung zugrunde liegenden Werte stammen in der Regel aus<br />
Mauerwerksuntersuchungen mit Labortechnischen Prüfverfahren. Die Prüfkörper<br />
werden auf ihre Druckfestigkeit geprüft.<br />
querdehnungsbehinderter Rand<br />
Querdruck<br />
Querzug<br />
Querzug<br />
Querdruck<br />
querdehnungsbehinderter Rand<br />
Abbildung 47: Allgemeines Bruchbild Steinwürfel<br />
(eigene Darstellung)<br />
7.2 Bemessung von Ziegelmauerwerk<br />
Im Wesentlichen ist für die Bewertung der Tragfähigkeit die Bemessung von<br />
Ziegelmauerwerk unter Druckbeanspruchung maßgebend.<br />
66
Bemessung von historischen Mauerwerk<br />
Aufgrund der bereits erwähnten untergeordnete Bedeutung der Zugbeanspruchung<br />
und der Schubbeanspruchung auf das Mauerwerk werden diese im Folgenden nicht<br />
weiter betrachtet.<br />
7.2.1 Bemessung von Ziegelmauerwerk unter Druckbeanspruchung<br />
Generell lässt sich künstliches Mauerwerk nach gültigen Normen berechnen. Diese<br />
unterscheiden in Rezeptmauerwerk und Mauerwerk nach Eignungsprüfung.<br />
Rezeptmauerwerk<br />
Nach Norm 57 wird dem Rezeptmauerwerk zunächst in Abhängigkeit der<br />
Steinfestigkeitsklasse und der Mörtelart ein Grundwert der zulässigen<br />
Druckspannung ( ) zugeordnet. Dieser Grundwert bezieht sich auf den jeweiligen<br />
Gebrauchszustand bei einer vorgegebenen Schlankheit von: <br />
. Die in den<br />
Normen gegebenen Werte stammen aus der Auswertung von Druckversuchen nach<br />
MANN 58 .<br />
Mauerwerk nach Eignungsprüfung<br />
Gerade bei der Betrachtung von historischem Mauerwerk ist es sinnvoll, Mauerwerk<br />
nach Eignungsprüfung 59 zu berechnen.<br />
Die Prüfung erfolgt nach Norm an mindestens drei Probekörpern.<br />
Aus den<br />
Versuchsergebnissen wird eine Nennfestigkeit ( ) ermittelt. Sie entspricht einem<br />
5%-Quantil-Wert. In Abhängigkeit eines weiteren Faktors für die theoretische<br />
Schlankheit der Probekörper ( ), kann folgende Gleichung nach MANN angegeben<br />
werden:<br />
<br />
(7-1)<br />
Der Zusammenhang zwischen der Nennfestigkeit und des Schlankheitsfaktors sind<br />
in folgender Tabelle dargestellt.<br />
Nennfestigkeit ( ) 1-9 MN/m 2 11-13 MN/m 2 16-25 MN/m 2<br />
theoretische Schlankheit der<br />
Probekörper ( ) <br />
Grundwert der zul. Druckspannung<br />
( )<br />
<br />
<br />
Tabelle 7 : Rechenfestigkeit und Grundwert der zul. Druckspannung in<br />
Abhängigkeit der Mauerwerksnennfestigkeit <br />
([27])<br />
57 vgl. [4], S. 11 ff.<br />
58 vgl. [27]<br />
59 vgl. [4], Tab. 4c, S. 11 ff.<br />
67
nach Schubert [33]<br />
Bemessung von historischen Mauerwerk<br />
Generell kann die Druckfestigkeit analog des empirischen Ansatzes von Schubert<br />
berechnet werden.<br />
Empirische Ansätze für die Bestimmung der Druckfestigkeit von einschaligem<br />
Mauerwerk werden häufig, aufgrund der schematisierten Modellbildung angewandt.<br />
Im Allgemeinen dient als grundlegender Ansatz die Gleichung nach SCHUBERT für<br />
die charakteristische Druckfestigkeit von Mauerwerk:<br />
<br />
<br />
mit:<br />
Konstante<br />
Konstanten<br />
<br />
<br />
(7-2)<br />
Druckfestigkeit Stein in [N/mm 2 ]<br />
Druckfestigkeit Mörtel in [N/mm 2 ]<br />
7.2.2 Bemessung von Ziegelmauerwerk nach EC 6<br />
Der durch den Eurocode 6 60 gegebene empirische Rechenansatz wird analog der<br />
Formel nach SCHUBERT ermittelt. Die verwendeten Konstanten werden in<br />
Abhängigkeit der verwendeten Mörtelausführungen und Steinkategorie gewählt.<br />
Die im Eurocode aufgeführten Konstanten gelten nur für einschaliges Mauerwerk im<br />
Sinne der Norm. Aufgrund dessen stellt sich eine Druckfestigkeitsbewertung mithilfe<br />
dieser Formel für historisches mehrschaliges Mauerwerk kritisch dar.<br />
Im Allgemeinen, unter Verwendung des 5%-Quantil Wertes der Druckfestigkeit des<br />
Mauerwerks, kann folgende Formel für die mittlere Druckfestigkeit ermittelt werden:<br />
<br />
<br />
mit:<br />
<br />
Normierte Mauersteindruckfestigkeit in [N/mm 2 ]<br />
Druckfestigkeit Mörtel in [N/mm 2 ]<br />
Abminderungsfaktor in Abhängigkeit der Steingruppe, Verband und Mörtelart nach EC6<br />
<br />
Tab. 3.3 (i.M. = )<br />
(7-3)<br />
Aufgrund der einfachen Anwendung des Eurocodes wird auf eine ausführlichere<br />
Darstellung der Berechnungsmechanismen im weiteren Verlauf verzichtet.<br />
7.3 Bemessungsansätze von Natursteinmauerwerk unter Verwendung von<br />
Bruchmodellen<br />
Die Druckfestigkeit von Mauerwerk kann unterschiedlich ermittelt werden. Bei<br />
Ziegelmauerwerk ist es üblich, die Druckfestigkeit mithilfe diverser empirischer<br />
Rechenansätze zu ermitteln. Grundsätzlich stellt der Eurocode 6 für Mauerwerk aus<br />
60 vgl. [8]<br />
68
Bemessung von historischen Mauerwerk<br />
Vollziegeln eine Funktion, mit deren Hilfe eine mittlere Stein- und Mörtelfestigkeit<br />
ermittelt werden kann. Für eine statische Auswertung von Mauerwerksuntersuchungen<br />
können ergänzend zum Eurocode 6 Formeln von MANN<br />
angenommen werden. Die bei der Mörtelfestigkeitsberechnung ermittelten Werte<br />
sind nach DIN 18555 für ein Normalprisma dargestellt. Diese Werte müssen<br />
aufgrund abweichender Geometrie ggf. umgerechnet werden.<br />
Natursteinmauerwerk kann in der Regel nicht mithilfe empirischer Rechenansätze<br />
auf Druckfestigkeit nachgewiesen werden. Die Ermittlung der Druckfestigkeit erfolgt<br />
mithilfe diverser Bruchmodelle.<br />
Im folgenden Verlauf sind einige Bemessungsansätze aufgezeigt.<br />
7.3.1 Bruchmodell nach Mann<br />
Die Theorie nach MANN [28] wurde zur Ermittlung der Tragfähigkeit von<br />
Bruchsteinmauerwerk entwickelt.<br />
Der nach MANN beschriebene Rechenansatz basiert im Wesentlichen auf der<br />
Grundlage, dass die Mörteldruckfestigkeit maßgebend für das Mauerwerksversagen<br />
verantwortlich ist. Um die Mörteldruckfestigkeit einstufen zu können, stützt sich<br />
MANN auf die MOHR‘sche Bruchhypothese. Diese Hypothese bildet die<br />
Mörteldruckfestigkeit als Produkt aus der Normdruckfestigkeit des Mörtelprismas und<br />
einem Formfaktor (). Dieser Formfaktor berücksichtigt die Festigkeitssteigerung des<br />
Mörtels durch die dreiachsige Spannungsbelastung in Folge der<br />
Druckbeanspruchung des Mauerwerks unter Beachtung des Neigungswinkels der<br />
Lagerfuge.<br />
Weiterhin wird ein sogenannter Übertragungsfaktor () in der Gleichung<br />
berücksichtigt. Dieser Faktor stellt die Fugenfläche dar, welche an den oberhalb und<br />
unterhalb liegender Steine grenzt, zum Verhältnis der Gesamtquerschnittsfläche.<br />
Die verwendeten Natursteinmauerwerksverbände werden über die im Eurocode 6<br />
angegebenen Güteklassen ermittelt.<br />
Die folgende Gleichung gilt nur für Bruchsteinmauerwerk mit regellosen Verbänden<br />
und zusätzlich hohem Mörtelanteil sowie mit geringer Mörtelfestigkeit.<br />
Eine Übertragung der Gleichung auf andere Mauerwerksverbände oder Mörtelverteilungen<br />
ist möglich.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
B<br />
<br />
mit:<br />
Mörteldruckfestigkeit, in [N/mm 2 ]<br />
(7-4)<br />
Normdruckfestigkeit des Mörtelprismas in [N/mm 2 ]<br />
69
Bemessung von historischen Mauerwerk<br />
Formfaktor<br />
Übertragungsfaktor, <br />
<br />
in [mm 2 ]<br />
Höhe der wirksamen Fuge in (Lagerfuge) [mm]<br />
Länge der wirksamen Fuge in [mm]<br />
B Fugenneigung (< 90°)<br />
7.3.2 Bruchmodell nach Hilsdorf<br />
Das Bruchmodell nach HILSDORF [17] nimmt für die Bruchursache das<br />
Überschreiten der Steinzugfestigkeit an. Unter Annahme der vorangegangenen<br />
Theorie der über den gesamten Querschnitt wirkenden dreiaxialen Spannung erhöht<br />
sich über die gesamte Fugenfläche die Mörtelfestigkeit. Gleichzeitig nimmt die<br />
Steinbelastung quer zur Vertikallast auf Zug zu. Die entstehende Querzugfestigkeit<br />
der Steine entspricht somit der Druckbeanspruchung.<br />
Abbildung 48 : Spannungsverteilung nach Hilsdorf<br />
(eigene Darstellung in Anlehnung [17])<br />
HILSDORF beschreibt den Bruchmechanismus mithilfe folgender Bruchkurve<br />
(Abbildung 49). Dieser Bruchkurve liegen folgende Bedingungen zu Grunde:<br />
- vollkommener Verbund<br />
- Annahme eines homogenen und isotropen Mauerwerksgefüges<br />
- linear- elastisches Materialverhalten<br />
- konstante Verteilung der Horizontalspannungen über die gesamte Stein- und<br />
Mörtelhöhe.<br />
Die der Bruchtheorie zugrunde liegenden Bedingungen schließen Natursteinmauerwerk<br />
aufgrund der Unregelmäßigkeiten des Mauerwerksverbundes aus.<br />
Dieses Modell ist lediglich für homogenes Ziegelmauerwerk anwendbar.<br />
70
Bemessung von historischen Mauerwerk<br />
Bruch<br />
Rissbildung<br />
Abbildung 49: Bruchkurverve für zentrische Druckbeanspruchung nach Hilsdorf<br />
(eigene Darstellung in Anlehnung [21], S.86)<br />
In Anlehnung an die dargestellte Bruchkurve können folgende Gleichungen zur<br />
Ermittlung der Mauerwerksdruckfestigkeit gebildet werden.<br />
Um den Schnittpunkt ermitteln zu können, welcher zum Versagen des Mauerwerkes<br />
führt, muss zunächst die Querspannung in Stein und im Mörtel berechnet werden:<br />
- Querspannung im Stein<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
(7-5)<br />
- Querspannung im Mörtel<br />
<br />
<br />
<br />
Wird die Bedingung nach Gleichung (7-7) erfüllt, kann die Horizontalspannung im<br />
Stein nach Formel (7-8) ermittelt werden.<br />
<br />
<br />
<br />
(7-7)<br />
<br />
- Horizontalspannung<br />
in Stein<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
mit:<br />
Querdehnzahl Stein<br />
Querdehnzahl Mörtel<br />
Steinhöhe in [mm]<br />
<br />
<br />
<br />
Fugenhöhe (Lagerfuge) in [mm]<br />
E-Modul Stein in [N/ N/mm 2 ]<br />
E-Modul Mörtel in [N/mm 2 ]<br />
Querzugspannung im Stein in [N/mm 2 ]<br />
(7-6)<br />
(7-8)<br />
Die Tragfähigkeit kann nach HILSDORF anhand der Beziehung zweier Bruchkurven<br />
zueinander abgeleitet werden. Die Linie eins (L1) gibt die Spannungsentwicklung im<br />
71
Bemessung von historischen Mauerwerk<br />
Stein an. Sie steigt kontinuierlich an, bis sie die Steinbruchlinie im Punkt A1 erreicht.<br />
Dieser Schnittpunkt signalisiert das Versagen des Steines. Bildet sich zunächst ein<br />
Riss im Steingefüge, wird die aus der behinderten Querdehnung entstandene<br />
Zugbeanspruchung verringert. Durch eine weiter steigende Druckbeanspruchung<br />
erfolgt eine erneute Spannungsentwicklung. Diese Entwicklung ist durch die Linie<br />
zwei (L2) dargestellt.<br />
Der eben erwähnte Vorgang kann sich bei einer kontinuierlichen Lasterhöhung so<br />
lange wiederholen, bis der Schnittpunkt der beiden Materialbruchlinien (S) erreicht<br />
ist. Dieser Schnittpunkt stellt die theoretische Druckfestigkeit des Mauerwerks nach<br />
HILSDORF dar.<br />
7.3.3 Bruchmodell nach Pöschel/Sabha<br />
Zur Ermittlung der Druckfestigkeit von Quadermauerwerk kann die Gleichung nach<br />
PÖSCHEL/SABHA [31] angenommen werden. Diese Gleichung beruht auf einer<br />
Kombination von Druckversuchen an Quadermauerwerk aus Elbsandstein, mit<br />
niederfestem Kalkmörtel und einer anschließenden FE - Analyse 61 .<br />
Demnach kann die Spannungsverteilung nach Abbildung 49 nach PÖSCHEL/SABHA<br />
[31] nur als vereinfachte Annahme dienen, da die Querdehnung zum Fugenrand hin<br />
zunimmt. In den Randbereichen der Fugen wird somit, durch die ungehinderte<br />
Querdehnung, kein dreiaxialer Spannungszustand erzeugt. In den<br />
Fugenrandbereichen ist nun keine Festigkeitserhöhung mehr möglich. Wird die nun<br />
wirkende einaxiale Mörteldruckfestigkeit in den Randfugenbereichen überschritten,<br />
plastifiziert der Mörtel im diesem Bereich. Mörtelelemente neigen an<br />
oberflächennahen Fugenbereichen zum Herausbrechen. Weiterhin werden<br />
Spannungen auf innen liegende Bereiche umgelagert. Bei einer zunehmenden<br />
Lasterhöhung reduziert sich die mehraxiale Fugeninnenfläche proportional zu<br />
Lasterhöhung. Außerdem bewirkt die einaxiale Druckbeanspruchung keine<br />
sachgemäße Abtragung der Last in den Randfugenbereichen. Dieser<br />
Wirkungsmechanismus verursacht eine Zunahme der Teilflächenpressung.<br />
Zusätzlich zu der bei HILSDORF betrachteten Querzugspannung, wirkt nun eine<br />
Spaltzugspannung aus der Teilflächenpressung.<br />
Zusammenfassend entstehen demnach unter anfänglicher Belastung, ausgehend<br />
von der Lagerfuge, Risse in den Steinrandbereichen. Der Fugenmörtel neigt zu<br />
einem Herausquellen und schließlich zum Herausbrechen. Das Mauerwerk versagt<br />
infolge des senkrechten Aufreißens der Mauerwerkssteine.<br />
61 Finite Elemente - Analyse<br />
72
Bemessung von historischen Mauerwerk<br />
Die Mauerwerksdruckfestigkeit wird prinzipiell grafisch, durch den Schnittpunkt einer<br />
linearen Spannungslinie mit der dazugehörigen Steinbruchkurve ermittelt. In<br />
Abbildung 50 ist die von PÖSCHEL/SABHA entwickelte Bruchkurve dargestellt.<br />
Bruch<br />
Abbildung 50: Bruchkurve und Bruchkriterium für zentrische Druckbeanspruchung<br />
nach Pöschel/Sabha<br />
([31])<br />
Wichtige Parameter zur rechnerischen Bestimmung sind neben der<br />
Mörteldruckfestigkeit nach DIN 18555, die Druck- und Spaltzugfestigkeit des<br />
Steinmaterials sowie Mörtelfugenhöhe.<br />
Die Gleichung der Mauerwerksdruckfestigkeit kann nach folgenden Annahmen<br />
hergeleitet werden.<br />
- Grundlage des Bruchmodelles ist das Steinversagen<br />
- die Mörtelausbruchtiefe entspricht der Fugenhöhe (Ausbruch nach Erreichen<br />
der doppelten Mörtelfestigkeit, vgl. Prismenfestigkeit nach DIN 18555-3 62 )<br />
- der Restmörtel bleibt stabil<br />
- die Berechnung basiert prinzipiell auf der vorangegangenen Bruchkurve.<br />
Die Gleichung zur Ermittlung der Mauerwerksdruckfestigkeit ( ) lautet:<br />
<br />
mit:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
(7-9)<br />
Mörteldruckfestigkeit nach DIN 18555-3 in [N/mm 2 ]<br />
Steindruckfestigkeit in [N/mm 2 ]<br />
Steinzugfestigkeit in [N/mm 2 ]<br />
Fugenhöhe (Lagerfuge) in [mm]<br />
Steinbreite (von freiem Rand zu freien Rand) in [mm]<br />
62 vgl. [6]<br />
73
Bemessung von historischen Mauerwerk<br />
In der vorrangegangenen Gleichung wird das Verhältnis zwischen Fugen- und<br />
Steinhöhe nicht beachtet.<br />
7.3.4 Bruchmodell nach Ebner<br />
Ein weiteres Bruchmodel, welches in seinen Grundlagen analog dem<br />
vorangegangenen Modell gleicht, ist das Modell von EBNER [7]. Es beruht ebenfalls<br />
auf der Theorie des Zugversagens der Steine infolge Querdehnungsbehinderung und<br />
Teilflächenpressung und des Druckversagens des Mörtels. Die Mauerwerkskomponente,<br />
welche eine geringere Druckbruchspannung aufweist, bestimmt die<br />
gesamte Druckfestigkeit des Mauerwerkes.<br />
Das Bruchmodel wurde numerisch für regelmäßiges werksteinge<strong>fertig</strong>tes<br />
Schichtenmauerwerk entwickelt. Bei der Übertragung dieses Modells auf<br />
Bruchsteinmauerwerk ist ein entsprechender Abmilderungsfaktor zu wählen. EBNER<br />
berücksichtigt in seinem Modell zusätzlich die Mauerwerksfläche, welche durch<br />
Stoßfugenränder und nichttragende Lagerfugenränder eine verringerte<br />
Druckfestigkeit bewirken würde. Diese Fläche wird von der gesamten Mauerfläche<br />
abgezogen.<br />
Weitere Parameter sind:<br />
- Stein- und Fugenabmessungen<br />
- Festigkeitswerte<br />
- Kohäsion des Mörtels<br />
- Winkel der inneren Reibung<br />
- Steigung der Brucheinhüllenden des Steines<br />
Das Bruchmodell nach EBNER kann durch folgende Gleichung [56] für die<br />
Mauerwerksdruckfestigkeit beschreiben werden:<br />
<br />
F <br />
<br />
<br />
<br />
<br />
(7-10)<br />
mit:<br />
F Winkel der inneren Reibung<br />
Kohäsion<br />
Steinbreite (von freiem Rand zu freien Rand) in [mm]<br />
Fugenhöhe (Lagerfuge) in [mm]<br />
Spannung in y-Richtung in [N/mm²]<br />
Übertragungsfaktor<br />
Steinbreite in [mm]<br />
Steinlänge in [mm]<br />
Druckbruchspannung in [N/mm²]<br />
74
Bemessung von historischen Mauerwerk<br />
7.3.5 Bruchmodell nach Berndt<br />
Ebenfalls für Schichtenmauerwerk entwickelte BERNDT [2] ein weiteres Bruchmodel.<br />
Dieses Verfahren wurde ursprünglich für Schichtenmauerwerk aus Elbsandstein<br />
entwickelt. Es lässt sich jedoch auf sämtliche regelmäßigen und unregelmäßigen<br />
Schichtverbände aus Werksteinen übertragen. Dem Verfahren liegt das Zugversagen<br />
des Natursteines unter einer Druck-Zug-Zug Beanspruchung zugrunde. Dabei wird<br />
ein linear-elastisches Werkstoffverhalten angenommen. Parameter zur Bestimmung<br />
der Gleichung sind:<br />
- Zug- und Druckfestigkeit der Steine<br />
- Querdehnungszahl des Mörtels<br />
- Fugen und Steinhöhe<br />
- geschätzte Ausbruchtiefe der Lagerfuge<br />
Der Gleichung zugrunde liegend ist die Entwicklung einer Zugspannung im Stein,<br />
aufgrund der behinderten Querdehnung und einer Spaltzugspannung im Stein. Die<br />
beiden eben erwähnten Zugspannungen werden anteilig zusammengefasst. Dabei<br />
wird in der Regel die aus der Querdehnung resultierende Querzugspannung voll und<br />
die Spaltzugspannung lediglich mit 60% 63 angenommen.<br />
Die Druckfestigkeit von Mauerwerk ( ) kann wie folgt nach Berndt berechnet<br />
werden:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
(7-11)<br />
mit:<br />
Einaxiale Steindruckfestigkeit in [N/mm 2 ]<br />
Steinzugfestigkeit aus in [N/mm 2 ]<br />
Fugenhöhe (Lagerfuge) in [mm]<br />
<br />
min (Steinhöhe, 10 cm) in [mm]<br />
Steinhöhe in [mm]<br />
Steinbreite (von freiem Rand zu freien Rand) in [mm]<br />
Ausbruchtiefe, <br />
mit:<br />
D für MG I<br />
D für MG II<br />
D für MG III<br />
idealisierte Querdehnzahl<br />
<br />
<br />
<br />
in [mm]<br />
63 vgl. [19], S. 46<br />
75
Bemessung von historischen Mauerwerk<br />
mit:<br />
für MG I<br />
für MG II<br />
für MG III<br />
Abminderungsfaktor (i.d.R = 0,3)<br />
Die vorangegangen Gleichung gilt grundsätzlich für einschaliges Quader- und<br />
Schichtenmauerwerk, unter der Voraussetzung, dass das Gestein einen wesentlich<br />
höheren Elastizitätsmodul als der Mörtels aufweist ( ). Weiterhin gilt die<br />
Annahme für dünne Mörtelfugen, in Anlehnung an Ziegelmauerwerk, maximal bei<br />
etwa 12 mm. Eine erhöhte Mörtelfuge ist bei der Berechnung unzulässig.<br />
Weitere Bruchmodelle werden nicht berücksichtigt.<br />
76
8 Anwendung am Beispiel: Altes Seminar<br />
Anwendung am Beispiel: Altes Seminar<br />
8.1 Materialprüfung<br />
8.1.1 Ergebnisse Mauerwerksgutachten<br />
Um Aussagen über mechanische Materialkennwerte im Bestand treffen zu können,<br />
ist es erforderlich, eine umfangreiche Zustandsanalyse durchzuführen.<br />
Normative Faktoren einer jeden Bauwerksuntersuchung sind im Wesentlichen<br />
Angaben zur Baugeschichte, der Gebäudeabmessungen und somit deren<br />
eventuellen Verformungen, der Bausubstanz sowie der Schäden und deren<br />
Schadursachen. Da in der Regel nicht alle notwendigen Informationen problemlos<br />
verfügbar sind, muss in der Praxis eine umfangreiche Bestandserkundung und<br />
Zustandsanalyse durchgeführt werden. Eine ausführliche Darstellung der<br />
Bestandsanalyse der historischen Bausubstanz: Altes Seminar in Grimma wurde<br />
bereits in der vorausgehenden Studienarbeit 64 vorgenommen.<br />
Die durch eine umfangreiche Bestandsuntersuchung [13] gewonnenen Ergebnisse<br />
sind nachfolgend hinsichtlich des Mauerwerkes zusammengefasst.<br />
Die Gebäudestruktur des Alten Seminargebäudes ist stark geschädigt. Die Fassaden<br />
weisen umlaufend große Riss-, Feuchte- und Putzschäden auf. Ebenso sind die<br />
Innenwände stark geschädigt. Durch eine defekte Dacheindeckung und aufsteigende<br />
Feuchte sind im gesamten Objekt, besonders aber an der Ostseite massive<br />
Feuchteschäden vorhanden.<br />
Ursache für die vorhandenen Mauerwerksrisse, vor allem auf der Nord-Westseite,<br />
sind u.a. Setzungsunterschiede der Fundamente.<br />
Die Außenwände und ein Großteil der Innenwände bestehen grundsätzlich aus<br />
einem mehrschaligen, kleinformatigen Bruchsteinmauerwerk mit partiellen Ziegeleinschlüssen.<br />
In den Untersuchungsbereichen wurden meist Kalkmörtel der<br />
Mörtelgruppe MG I sowie teilweise Mörtel mit deutlichen Anteilen an Lehm und<br />
Schluff vorgefunden.<br />
Die weitere Mauerwerksuntersuchung ergab eine mittlere Ziegeldruckfestigkeit von<br />
21,9 N/mm², welche gemäß DIN 1053-1 65 einer Druckfestigkeitsklasse MZ 12<br />
zugeordnet werden kann. Bei der Betrachtung der teilweise vorhandenen raumseitig<br />
äußeren Schale des Außenmauerwerks als separater Ziegelmauerwerksquerschnitt,<br />
ergibt sich unter Berücksichtigung der Mörtelgruppe MG I, Kalkmörtel eine zulässige<br />
Druckspannung im Ziegelmauerwerk von 0,8 MN/m².<br />
Die mittlere Natursteindruckfestigkeit beträgt 91,8 N/mm². Die Rohdichte der<br />
Natursteinproben beträgt im Mittel 2,40 kg/dm³ und spiegelt damit eine hohe Dichte<br />
64 vgl. [18]<br />
65 vgl. [4], Mauerziegel<br />
77
Anwendung am Beispiel: Altes Seminar<br />
und Festigkeit des Steingefüges wider. Nach DIN 1053-1 66 entspricht die<br />
Mauerwerksstruktur der Außen- und Innenwände in ihrer Grundeinstufung dem<br />
Bruchsteinmauerwerk, Güteklasse N1. Unter Berücksichtigung der nachgewiesenen<br />
Druckfestigkeiten (50N/mm²) besitzt das Natursteinmauerwerk in Bereichen mit<br />
Kalkmörtel der Mörtelgruppe MG I eine zulässige Druckspannung von 0,3 MN/m².<br />
In Natursteinbereichen mit Lehm als Mauermörtel kann dem Mauerwerk keine<br />
zulässige Druckspannung zugeordnet werden.<br />
8.1.2 Ergebnisse weiterer Druckversuche<br />
Eine detaillierte Zusammenstellung der einzelnen Druckversuche ist in Anhang 3<br />
dargestellt.<br />
Die aus der Druckprüfung gewonnenen Ergebnisse können folgendem Diagramm<br />
entnommen werden.<br />
Der Prüfung des Natursteinmaterials kann aufgrund der geringen Anzahl der<br />
Prüfkörper und durch das Erreichen der Druckkraft der Prüfmaschine theoretisch<br />
keine realistischer Wert entnommen werden.<br />
Nichts desto trotz werden im Folgenden die Natursteinproben als regelgerecht<br />
geprüft betrachtet, um eine Vergleichsrechnung anstellen zu können.<br />
Steindruckfestigkeit in<br />
[N/mm 2 ]<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Ziegelsteine<br />
Prüfkörper<br />
Steindruckfestigkeit in<br />
[N/mm 2 ]<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Natursteine<br />
Prüfkörper<br />
Abbildung 51:<br />
Graphische Darstellung der Versuchsergebnisse<br />
Die vereinzelten Abweichungen der Werte können im Allgemeinen durch<br />
strukturbedingte Unregelmäßigkeiten begründet werden.<br />
Folgende Mittelwerte können anhand der Steinprüfung angegeben werden:<br />
- Steindruckfestigkeit Ziegel: 12,1 N/mm 2<br />
- Steindruckfestigkeit Naturstein: 75,5 N/mm 2<br />
66<br />
vgl. [4], Naturstein<br />
78
Anwendung am Beispiel: Altes Seminar<br />
8.1.3 Auswertung der Prüfkörper<br />
Historisches Mauerwerk unterliegt in der Regel einer verhältnismäßig großen<br />
Streuung der mechanischen Eigenschaften der Proben. Um eine<br />
Festigkeitskenngröße zu ermitteln, wird eine normgerechte Anzahl an Probekörpern<br />
untersucht (i.d.R mind. 10 Einzelprüfungen). Die materialspezifischen Eigenschaften<br />
folgen grundsätzlich einer statistischen Verteilung. Die nachfolgende Abbildung zeigt<br />
ein glockenförmiges Häufigkeitsdiagramm einer Normalverteilung.<br />
relative Häufigkeit in [%]<br />
5%-Quantil<br />
<br />
Mittelwert<br />
<br />
Häufigkeitsverteilung<br />
(Gauß´sche Glockenkurve,<br />
Normalverteilung)<br />
Wendepunkte<br />
<br />
<br />
Druckfestigkeit in [N/mm 2 ]<br />
Abbildung 52 : Definition des 5%-Quantil-Wertes einer Verteilungsfunktion<br />
(eigene Darstellung)<br />
Der Mittelwert stellt den im Mittel von allen Prüfkörpern erreichten Wert dar. Er kann<br />
prinzipiell als maximale Bruchlast angenommen werden.<br />
Der 5%-Quantil-Wert dagegen stellt den charakteristischen Wert der<br />
Festigkeitskenngrößen dar. Damit kann dieser Wert als unterer Grenzwert einer<br />
Materialeigenschaft angenommen werden.<br />
In den folgenden Erläuterungen wird auf eine Verteilungsfunktion der Messwerte<br />
aufgrund der hohen Streuung der Steinproben verzichtet. Die Streuung und die<br />
verhältnismäßig geringe Anzahl an Probekörpern bewirkt eine geringe<br />
Häufigkeitsanzahl der einzelnen Messwerte. Aufgrund dessen bildet sich lediglich<br />
eine flache Verteilungskurve aus.<br />
Die Auswertung der Steindruckfestigkeits-Ergebnisse wird bei der anschließenden<br />
Berechnung in der Regel durch einen 5%Quantil-Wert berücksichtigt. Die Ergebnisse<br />
der Festigkeitsuntersuchung sind in folgenden Tabellen, für die Außenwände in<br />
Abhängigkeit der Materialien dargestellt.<br />
79
Anwendung am Beispiel: Altes Seminar<br />
Ergänzend zu den Druckfestigkeitsergebnissen des Gutachtens 67 vom 20.01.2012<br />
wurden weitere Druckprüfungen vorgenommen. Die Laborergebnisse der<br />
ergänzenden Druckfestigkeitsprüfung sind in Anhang 3 dargestellt.<br />
Zusammenfassend können folgende Druckfestigkeiten angenommen werden.<br />
Extremalwerte werden in der folgenden Betrachtung nicht berücksichtigt. Sie<br />
resultieren aus Störungen im Versuchsablauf (Stein nicht planmäßig gesägt) und<br />
verfälschen infolge dessen die reale Materialstreuung.<br />
Mauerziegel:<br />
Bezeichnung<br />
Masse Länge Breite Höhe Rohdichte<br />
Bruchkraft<br />
Druckfestigkeit<br />
g mm mm mm kg/m³ kN N/mm²<br />
S 1 - - - - - - 31,5*<br />
S 4 - - - - - - 28,1*<br />
S 7 - - - - - - 13,8<br />
B1 552,7 68,6 64,9 70,5 1760,8872 58,40 12,8<br />
B2 471 64,6 61,3 67,9 1750,206 51,97 12,5<br />
B3 509 66,7 65,5 67,1 1737,3368 56,34 12,8<br />
C1 592 68,7 67,6 73,4 1736,6896 57,15 11,5<br />
C2 615 68,3 68,9 73,4 1780,1988 59,57 11,8<br />
C3 584 67,7 68,4 70,6 1786,3369 29,90 6,2*<br />
D1 533 63,3 66,9 68,8 1828,7147 57,71 12,5<br />
D2 562 69,2 65,8 74,2 1663,4143 56,69 11,6<br />
D3 510 67,7 66,9 67,4 1670,6885 56,17 12,5<br />
E1 391 60,2 61,5 59,9 1761,7528 56,02 15,2<br />
E2 386 60,4 58,6 62,6 1742,1214 45,89 12,5<br />
F1 488 66,9 66,8 65,5 1667,1549 35,43 8,1<br />
F2 501 66,8 68,3 67 1638,9502 48,43 10,6<br />
F3 513 67,6 67,9 65,9 1695,9595 44,40 9,9<br />
G1 527 65,3 66,5 68,4 1774,2699 68,73 15,1<br />
G2 522 66,6 66,7 66,4 1769,711 68,49 15,5<br />
G3 526 56,9 66,8 68,3 2026,172 59,02 12,9<br />
* Extremalwerte bleiben bei der Berechnung unberücksichtigt<br />
Tabelle 8:<br />
Ergebnisse Steindruckfestigkeit – Ziegel<br />
(eigene Darstellung in Anlehnung an [13] und [18])<br />
67 vgl. [13]<br />
80
Anwendung am Beispiel: Altes Seminar<br />
In Abhängigkeit der Tabelle 8 kann folgendes Diagramm der Steindruckfestigkeiten<br />
angenommen werden.<br />
Abbildung 53: Graphische Darstellung Steindruckfestigkeiten : Ziegel<br />
(eigene Darstellung in Anlehnung an [68] und [18])<br />
In der folgenden Berechnung wird der 5% Quantil- Wert der Steindruckfestigkeiten<br />
(Ziegelproben) ermittelt. In der Berechnung wurden die Extremalwerte nicht<br />
berücksichtigt.<br />
Nach Eurocode kann folgende Berechnung zur Ermittlung angegeben werden.<br />
Bestimmung der Parameter der Steinproben:<br />
<br />
<br />
(8-1)<br />
<br />
Streuung der Stichproben:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
(8-2)<br />
<br />
Standartabweichung:<br />
<br />
Variationskoeffizient:<br />
(8-3)<br />
A <br />
<br />
Å (8-4)<br />
Wahl der Verteilungsfunktion<br />
- Vereinfacht würde eine Normalverteilung nach Gauss<br />
angenommen<br />
- Auf eine Überprüfung der Verteilungsfunktion wurde<br />
verzichtet.<br />
charakteristischer Wert:<br />
A (8-5)<br />
mit:<br />
nach Tabelle D.1 (EC 0) als interpolierter Wert unter der Annahme,<br />
dass die Standartabweichung der Grundeinheit unbekannt ist.<br />
81
Anwendung am Beispiel: Altes Seminar<br />
Tabelle 9: Werte für charakteristische Werte (5%-Fraktile)<br />
([10], S.102)<br />
Naturstein :<br />
Bezeichnung<br />
Masse Länge Breite Höhe Rohdichte<br />
Bruchkraft<br />
Druckfestigkeit<br />
g mm mm mm kg/m³ kN N/mm²<br />
S 4 - - - - - - 117,5<br />
S 8 - - - - - - 86,0<br />
H1 1061 76,5 73,8 77,9 2411,5505 59,02 12,9*<br />
H2 1106 79,6 74,8 75,8 2450,5934 600,21 105,9<br />
H3 1029 75,8 74,1 75,6 2422,5878 599,94 107,1<br />
* Extremmalwerte bleiben bei der Berechnung unberücksichtigt<br />
Tabelle 10: Ergebnisse Steindruckfestigkeit – Naturstein<br />
(eigene Darstellung in Anlehnung an [13] und [18])<br />
In Abhängigkeit der Tabelle 10 kann folgendes Diagramm der Steindruckfestigkeiten<br />
angenommen werden.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Abbildung 54: Graphische Darstellung Steindruckfestigkeiten : Naturstein<br />
(eigene Darstellung in Anlehnung an [68] und [18])<br />
In der anschließenden Berechnung wurden wiederum die Extremalwerte nicht<br />
berücksichtigt.<br />
Nach Eurocode kann folgende Berechnung werden.<br />
82
Anwendung am Beispiel: Altes Seminar<br />
Bestimmung der Parameter der Steinproben:<br />
<br />
<br />
(8-6)<br />
<br />
Streuung der Stichproben:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
(8-7)<br />
<br />
Standardabweichung:<br />
<br />
(8-8)<br />
Variationskoeffizient:<br />
A <br />
<br />
Å (8-9)<br />
Wahl der Verteilungsfunktion<br />
- Vereinfacht würde eine Normalverteilung nach Gauss<br />
angenommen<br />
- Auf eine Überprüfung der Verteilungsfunktion wurde verzichtet.<br />
charakteristischer Wert:<br />
A (8-10)<br />
mit:<br />
nach Tabelle D.1 (EC 0) als interpolierter Wert unter der Annahme, dass<br />
die Standardabweichung der Grundeinheit unbekannt ist. (siehe Tabelle 9)<br />
Der vorangegangene 5% Quantil –Wertes der Natursteinproben ist kritisch zu sehen,<br />
da zur Ermittlung der charakteristischen Steindruckfestigkeit eine ausreichende<br />
Menge an Einzelprüfungen voraussetzt wird. Die Mindestanzahl der Proben wird<br />
wesentlich unterschritten.<br />
8.2 Bemessung<br />
8.2.1 Mauerwerksstruktur<br />
Auf Grundlage der im Vorfeld vorgenommenen Bestandsaufnahme können die<br />
zulässigen Druckspannungen angegeben werden.<br />
Die in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Werte vermerken einen<br />
repräsentativen Querschnitt der Mauerwerksstruktur.<br />
Quarzporphyr<br />
68,53 N/mm² (5% Quantil-Wert)<br />
104,13 N/mm² (Mittelwert)<br />
Mauerziegel<br />
9,03 N/mm²<br />
12,45 N/mm²<br />
(5% Quantil-Wert)<br />
(Mittelwert)<br />
83
Anwendung am Beispiel: Altes Seminar<br />
Mörtel (MG I)<br />
MG I besitzt keinerlei Anforderungen und kann daher mit 1,0<br />
angenommen N/mm² werden.<br />
Fugenhöhen<br />
Steinhöhe<br />
Steinlänge:<br />
Mauerwerksdicke<br />
Natursteinmauerwerk:<br />
Ziegelmauerwerk:<br />
Natursteinmauerwerk:<br />
Ziegelmauerwerk:<br />
Natursteinmauerwerk:<br />
Ziegelmauerwerk:<br />
Innere Schale:<br />
Äußere Schale:<br />
1,0 - 3,5 cm (Querschnitt: i.M.= 2,25cm)<br />
2,0 - 5,5 cm (Ansicht: i.M.= 2,25cm)<br />
0,5 - 1,0 cm (Querschnitt: i.M.= 2,25cm)<br />
0,5 - 1,0 cm (Ansicht: i.M.= 2,25cm)<br />
Steinhöhen variieren stark (Steine in<br />
Westansicht zwischen 10 und 20 cm)<br />
7,0 - 8,0 cm<br />
Steinlängen variieren stark<br />
- Großformatige St.: max 28cm<br />
- Kleinformatige St.: max 18cm; min 4 cm<br />
7,0 - 8,0 cm<br />
15 cm (Mittelwert über alle Geschosse)<br />
87 cm (Mittelwert über alle Geschosse)<br />
Die Versagensspannung des Mauerwerkes liegt laut Gutachten 68 zwischen = 0,3<br />
N/mm² (Naturstein) und = 0,8 N/mm² (Ziegel). In der Praxis wird in der Regel der<br />
minimale Wert für die Berechnung angenommen. In diesem Fall ist es der Wert für<br />
die Bruchsteinmauerwerksschale. Dieser liegt bei zul. = 0,3 N/mm².<br />
Exemplarisch werden im folgenden Abschnitt einige Berechnungen auf Grundlage<br />
verschiedener Bruchmodelle durchgeführt.<br />
Die äußere Schale besteht aus einem Natursteinmauerwerk. Nachstehende<br />
Annahmen können hinsichtlich der für die Berechnung notwendigen Parameter<br />
getroffen werden.<br />
Abbildung 55 : Detailaufnahme der Außenwand (äußere Schale)<br />
(eigene Darstellung [18])<br />
68 vgl. [13]<br />
84
Anwendung am Beispiel: Altes Seminar<br />
Die vorangegangene Abbildung zeigt einen Mauerwerksausschnitt der äußeren<br />
Schale. Da die Fassade im Wesentlichen durch eine Putzschicht bedeckt ist, kann<br />
nur partiell ein Einblick auf die dahinterliegende Mauerwerksstruktur gewonnen<br />
werden. Durch eine Beschädigung des Fassadenputzes an der westlichen<br />
Außenwand können folgende Annahmen über die in der Mauerwerksansicht<br />
(Abbildung 55) dargestellten Struktureigenschaften getroffen werden.<br />
Die Abbildung verdeutlicht die Unregelmäßigkeit der äußeren Natursteinschale. Im<br />
Wesentlichen ist das Mauerwerk mit regelmäßigeren Natursteinquadern ausgeführt.<br />
Zwischen diesen jedoch befindet sich ein großer Anteil an kleineren Naturstein- und<br />
Ziegelsteinelementen.<br />
Die kleineren ausfüllenden Steinmaterialien werden in der folgenden Bemessung<br />
nicht berücksichtigt. Aufgrund dessen ist immer vom ungünstigsten Wert<br />
auszugehen.<br />
Die innen Schale wurde aus Ziegelmauerwerk errichtet. Wie zuvor bereits erwähnt<br />
befindet sich auch raumseitig eine gleichmäßige Putzschicht. Partiell können<br />
Einblicke auf das darunterliegende Mauerwerk gewonnen werden.<br />
Das Ziegelmauerwerk scheint überwiegend gleichmäßig und intakt zu sein.<br />
Abweichungen sind im Obergeschoss festgestellt wurden. Auf diese Abweichungen<br />
wird im Folgenden nicht näher eingegangen.<br />
Abbildung 56 : Detailaufnahme der Außenwand (innere Schale)<br />
(eigene Darstellung [18])<br />
Weiterhin können Angaben über die Mauerwerksstruktur den<br />
Mauerwerkssondierungen entnommen werden. Diese geben grundsätzlich<br />
Aufschluss über den Mauerwerksquerschnitt.<br />
Die Ergebnisse der Mauerwerkssondierungen 69 schwanken stark. Das Objekt weist<br />
aufgrund seiner Geschichte sowohl unterschiedliche Mauerwerksstärken innerhalb<br />
eines Geschosses als auch starke Schwankungen der allgemeinen<br />
Mauerwerksstrukturen auf. In der Regel wurde ein zweischaliges Mauerwerk, ohne<br />
69 vgl. [13] S. 48 ff.<br />
85
Anwendung am Beispiel: Altes Seminar<br />
Zwischenschale errichtet. Die Natursteinschale wurde in der Regel wetterseitigen<br />
aus großformatigen Natursteinen (max= 28cm) errichtet. Im Inneren des<br />
Wandquerschnittes jedoch wurden zumeist kleinformatige Steine (min = 4cm ; max=<br />
18cm) verwendet. Die raumseitige Innenschale ist ca 15 cm dick.<br />
In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass sich in der Mauerwerksstruktur<br />
stellenweise größere Bereiche eines Mörtel-Bruchstückgemenges befinden. Weitere<br />
Abweichungen zu diesem prinzipiellen Mauerwerksaufbau konnten im Obergeschoss<br />
nachgewiesen werden. Die Abweichungen werden nachfolgend nicht berücksichtigt.<br />
Weiterhin ist zu vermerken, dass das Mauerwerk in der Regel mit Kalkmörtel<br />
ausgeführt wurde. Auch dieser Parameter unterliegt innerhalb des Gebäudes großen<br />
Schwankungen.<br />
Weitere grundsätzliche Festlegungen über Steinabmessungen können der<br />
vorangegangen allgemeinen Zusammenstellung entnommen werden.<br />
In der folgenden Berechnung wird von der repräsentativen Mauerwerkssondierung: S<br />
4.1 (Außenwand Süd, Erdgeschoss) ausgegangen.<br />
Abbildung 57: Repräsentative Mauerwerkssondierung<br />
([13] S. 54)<br />
8.2.2 Äußere Schale: Natursteinmauerwerk<br />
Die äußere Schale besteht aus einem regellosen Quarzporphyr-Mauerwerk und<br />
Mörtel der Mörtelgruppe I.<br />
Grundsätzlich wird für die Berechnung der 5% Quantil-Wert angenommen, welcher<br />
einen Eingangswert der Festigkeit aufgrund der großen Streuung der<br />
Druckfestigkeiten darstellt. Dieser liegt für die Druckfestigkeit der Steine wesentlich<br />
unter dem in der DIN 1053-1 vorgesehenen Wert von Quarzporphyrgestein<br />
( <br />
<br />
Qualität verbaut wurden.<br />
<br />
). Es wird vermutet, dass Gesteine einer minderen<br />
Nennfestigkeit ( ) des Mauerwerks nach DIN 1053-1<br />
Der von der Mörtelgruppe abhängige maximale Grundwert der zulässigen Spannung<br />
kann generell nach DIN 1053-1 70 , Tabelle 4a ermittelt werden. In Abhängigkeit der<br />
Mörtelgruppe I und unter Annahme einer maximalen Steinfestigkeitsklasse von 20<br />
70 vgl. [4], Tab. 4c, S.12<br />
86
Anwendung am Beispiel: Altes Seminar<br />
ergibt sich MN/m 2 . Für höhere Steinfestigkeitsklassen sind in der Tabelle<br />
keine Werte gegeben.<br />
Unter Annahme der Tabelle 11 von MANN kann anschließend eine Nennfestigkeit<br />
von berechnet werden.<br />
Nennfestigkeit ( ) 1-9 MN/m 2 11-13 MN/m 2 16-25 MN/m 2<br />
theoretische Schlankheit der<br />
Probekörper ( ) <br />
Grundwert der zul. Druckspannung<br />
( )<br />
<br />
<br />
Tabelle 11: Mauerwerksnennfestigkeit <br />
([27])<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
N/mm 2 (8-11)<br />
Grundwert ( ) der zulässigen Druckspannung für Natursteinmauerwerk nach<br />
DIN 1053-1<br />
Grundsätzlich sieht die Norm für regelloses Bruchsteinmauerwerk nach DIN 71 , Tab.<br />
13 eine Güteklasse N1 vor.<br />
Mit der Mörtelgruppe I kann aus Tabelle 14 der DIN 1053-1 ein maximaler Grundwert<br />
der zulässigen Druckspannung für Natursteinmauerwerk mit Normalmörtel abgelesen<br />
werden.<br />
In Abhängigkeit der Güteklasse und einer Steinfestigkeit für Quarzporphyr von 68,53<br />
N/mm² ( Æ MN/m 2 ) ergibt sich eine Gebrauchsspannung von N/mm 2 .<br />
Charakteristische Mauerwerksdruckfestigkeit nach EC 6<br />
Bei dem betrachteten Mauerwerkssystem handelt es sich um ein Einsteinmauerwerk<br />
aus Vollsteinen. Die charakteristische Druckfestigkeit kann einerseits durch<br />
Materialprüfungen oder Berechnung einer Potenzformel ermittelt werden. Die<br />
Gleichung dieser Formel ist im Eurocode 6 72 Gleichung (3.2) dargestellt.<br />
Die Mörtelfestigkeit kann nicht aus den Untersuchungsergebnissen des Gutachtens 73<br />
entnommen werden. Da die Norm ebenfalls keinen Wert für einen Mörtel der<br />
Mörtelgruppe I angibt, wird dieser in der folgenden Formel mit 1,0 N/mm 2<br />
angenommen.<br />
Um die verhältnismäßig großen Streuweiten in den Steinfestigkeiten zu<br />
berücksichtigen, wird anstelle des Mittelwertes der 5% Quantil – Wert berücksichtigt.<br />
71 vgl. [4]<br />
72 vgl. [8] S.33<br />
73 vgl. [13]<br />
87
Anwendung am Beispiel: Altes Seminar<br />
N/mm² (8-12)<br />
mit:<br />
nach EC 6 Tab. 3.3 ergibt sich i.M ein Wert von 0,40<br />
Druckfestigkeit von Bruchstein nach MANN [28]<br />
Zur Ermittlung von Bruchsteinmauerwerk kann die Berechnung nach MANN<br />
durchgeführt werden. Der Übertragungsfaktor () kann nach WARNECKE 74 mit 0,6<br />
angenommen werden. Weitere Angaben finden sich in der DIN 1053-1, Tab. 13. In<br />
dieser wird für eine Güteklasse N1 ein Übertragungsfaktor (nach Norm ) von <br />
angegeben. Weitere Parameter dieser Tabelle sind das Verhältnis der Fugenhöhe<br />
zur Steinlänge () sowie die Neigung der Lagerfuge (B). In Tabelle 13 sind<br />
Grenzwerte dieser Parameter in Abhängigkeit der Steingüteklasse angegeben. Unter<br />
Annahme der bestehenden Mauerwerksstruktur des Alten Seminars, werden diese<br />
Grenzwerte, wie im Folgenden dargestellt eingehalten.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
(8-13)<br />
B (8-14)<br />
Die folgende Abbildung zeigt eine grafische Darstellung der in der Tabelle 13 ([4])<br />
verwendeten Parameter.<br />
Ansicht:<br />
N<br />
Grundriss<br />
Wandspannung ()<br />
a<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Fugenhöhe (d St)<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
b<br />
Steinhöhe (h St)<br />
Fugenspannung ()<br />
N<br />
Abbildung 58: Darstellung der Parameter nach DIN 1053-1, Tab. 13<br />
(eigene Darstellung in Anlehnung an [4] S.28)<br />
Der Übertragungsfaktor kann auch über eine allgemeingültige Formel berechnet<br />
werden. Diese Formel stellt generell das Verhältnis zwischen dem<br />
Mörtelflächenanteil und der Querschnittsfläche dar. Um diese Formel anwenden zu<br />
können, sind Kenntnisse über einen prinzipiellen Querschnittsaufbau der<br />
Mauerwerksstruktur erforderlich.<br />
74 vgl. [35]<br />
88
Anwendung am Beispiel: Altes Seminar<br />
In der folgenden Berechnung soll der Nachweis geführt werden, dass sich die Formel<br />
nicht auf die Sondierungsabmessungen übertragen lässt.<br />
Die in der Norm berücksichtigten Werte beziehen sich auf den Grundriss des<br />
Wandquerschnittes. Analog dazu wird ebenfalls die Bohrung horizontal durch den<br />
Wandquerschnitt geführt.<br />
Die folgenden Angaben können aus der Mauerwerkssondierung 75 und einem daraus<br />
repräsentativen Mauerwerksquerschnitt der Sondierung S 4.1 (Abbildung 57)<br />
gewonnen werden.<br />
Diese Sondierung wurde beginnend mit einer Kernbohrung 50 mm ausgeführt.<br />
Anschließend wurde eine Spiralbohrung ( 20 mm) über 83 cm durchgeführt. Da in<br />
der Natursteinschale überwiegend ein Bohrer des Durchmessers von 20 mm<br />
verwendet wurde, wird dieser Wert als Gesamtwert angenommen. Des Weiteren<br />
kann aus der Sondierung der Mörtelanteil abgelesen werden. Er ergibt sich aus der<br />
Höhe der Bohrung und der Materialabfolge, welche in Abbildung 57 grafisch<br />
dargestellt ist. Der Übertragungsfaktor kann wie folgt berechnet werden.<br />
ü <br />
<br />
<br />
<br />
<br />
(8-15)<br />
Bei einer weiteren Prüfung der verbleibenden Sondierungen wurde festgestellt, dass<br />
der Übertragungsfaktor lediglich einen Maximalwert von 0,24 und im Mittel einen<br />
Wert von 0,21 annimmt. Diese Werte weichen von den Werten der Norm ab. Die in<br />
DIN 1053-1, Tabelle 13 gegebenen Werte beruhen auf einer üblichen Ausführung<br />
der Mauerwerksverbände.<br />
Der in Abhängigkeit der Sondierung errechnete Wert liegt unterhalb des in der Norm<br />
angegebenen Wertes für Bruchsteinmauerwerk. Da das vorliegende Mauerwerk<br />
jedoch nicht als typisches Bruchsteinmauerwerk ausgeführt ist, können die beiden<br />
Werte durchaus voneinander abweichen. Generell lassen sich die in der Norm<br />
gegebenen Werte jedoch so interpretieren, dass mit zunehmendem mitwirkendem<br />
Fugenanteil ebenfalls der Übertragungsfaktor steigt. Als wichtiger Kritikpunkt ist zu<br />
sehen, dass in der vorangegangenen Berechnung der gesamte Fugenanteil im<br />
Mauerwerksquerschnitt und nicht der mitwirkende Fugenanteil angenommen wurde.<br />
Eine Übertragbarkeit auf die Sondierungsabmessungen ist demzufolge nicht möglich.<br />
Bei der anschließenden Berechnung der Druckfestigkeit wird ein Übertragungsfaktor<br />
nach WARNECKE 76 von 0,6 angenommen.<br />
Die Mauerwerksdruckfestigkeit kann wie folgt berechnet werden. Weitere Parameter<br />
für die Berechnung der Druckfestigkeit sind:<br />
- eine Mörteldruckfestigkeit auf Grundlagen einer labortechnisch Untersuchung<br />
liegt nicht vor<br />
75 vgl. [13], S. 54<br />
76 vgl. [35]<br />
89
Anwendung am Beispiel: Altes Seminar<br />
- die Mörtelgruppe 1 bleibt nach Norm unberücksichtigt (Unter Berücksichtigung<br />
der fehlenden Werte wird ein Wert von 1,1 MPa gewählt)<br />
- die wirksame Fugenhöhe beträgt i.M 2,25 cm<br />
- Fugenlänge wird als Mittelwert aus allen Lagerfugen der Außenwand-<br />
Sondierungen mit rund 20 cm angenommen.<br />
Somit ergibt sich nach MANN 77 eine Mauerwerksdruckfestigkeit von:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
B<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
(8-16)<br />
Druckfestigkeit von Bruchstein nach Pöschel/Sabha [31]<br />
Generell wird bei der anschließenden Berechnung die Steinbreite mit 20 cm<br />
angenommen, analog der Mauerwerksdicke (20 cm).<br />
Die durch PÖSCHEL/SABHA angegebene Gleichung basiert auf dem Verhältnis der<br />
Steinzug- und der Steindruckfestigkeit. Da dieses Verhältnis mit den zur Verfügung<br />
stehenden Werten nicht gelöst werden kann, kann ebenfalls die Mauerwerksdruckfestigkeit<br />
nach PÖSCHEL/SABHA nicht berechnet werden.<br />
8.2.3 Innere Schale: Ziegelmauerwerk<br />
Die innere Schale besteht aus einem Ziegelmauerwerk. Durch ein<br />
Mauerwerksgutachten 78 wurde dem Mauerziegel eine Druckfestigkeitsklasse von MZ<br />
12 zugeordnet und dem Kalkmörtel die Mörtelgruppe I. Wie zuvor wird für die<br />
Berechnung der 5% Quantil-Wert angenommen.<br />
Nennfestigkeit ( ) des Mauerwerks nach DIN 1053-1<br />
In Abhängigkeit der Mörtelgruppe I kann aus Tabelle 4a der DIN 1053-1 und unter<br />
Annahme einer maximalen Steinfestigkeitsklasse von 12, mit 0,8 MN/m 2<br />
entnommen werden.<br />
Unter Annahme der Tabelle 11 von MANN 79 kann anschließend eine Nennfestigkeit<br />
von berechnet werden.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
N/mm 2 (8-17)<br />
77 vgl. [28]<br />
78 vgl. [13]<br />
79 vgl. [27]<br />
90
Charakteristische Mauerwerksdruckfestigkeit nach EC 6<br />
Anwendung am Beispiel: Altes Seminar<br />
Die Berechnung erfolgt analog der vorherigen Annahmen und einer Mauersteinart<br />
der Gruppe 1 (gültig für alle Steine).<br />
N/mm² (8-18)<br />
mit:<br />
nach EC 6 Tab. 3.3 ergibt ein Wert von 0,55.<br />
8.3 Zusammenfassung und Beurteilung der Berechnungsergebnisse<br />
In den vorangegangenen Berechnungen wurden die Mauerwerksschalen unabhängig<br />
voneinander berechnet. Die Berechnung der zusammenwirkenden<br />
Mauerwerksschalen im Verbund würde den Umfang dieser Arbeit sprengen.<br />
Um das Zusammenwirken der beiden Mauerwerksschalen möglichst realitätsgetreu<br />
berechnen zu können, müssen die Steifigkeiten der einzelnen Schalen ermittelt<br />
werden. Die durch die bestehenden Untersuchungen 80 gewonnenen Werte sind für<br />
diese Betrachtung zu ungenau. Es wurden lediglich Steinelemente und<br />
Mörtelelemente getrennt voneinander betrachtet. Für die Berechnung der<br />
Druckfestigkeit der zusammenwirkenden Mauerwerksschalen ist es sinnvoll, die<br />
Verbundwirkung zwischen Stein und Mörtel zu untersuchen und die<br />
Materialprüfungen entsprechend anzupassen.<br />
Nichts desto trotz können Rückschlüsse in Bezug auf das Tragverhalten einschaliger<br />
Mauerwerke gezogen werden. Die folgenden Ausführungen beziehen sich<br />
hauptsächlich auf das Bruchsteinmauerwerk.<br />
Die Bemessung nach DIN 1053-1 führt zu Ergebnissen, welche hohe Sicherheiten<br />
aufgrund der unregelmäßigen Fugenausbildung beinhalten. Eine Abschätzung der<br />
Differenz zwischen zulässiger Spannung und Versagensspannung 81 kann nicht<br />
vorgenommen werden.<br />
Die Ergebnisse, welche aus der Berechnung der Nennfestigkeit ( ) des<br />
Mauerwerks nach DIN 1053-1 resultieren, liegen deutlich unter der ermittelten<br />
Bruchlast der vorrangegangenen Materialprüfung 82 . Weiterhin stellt die Norm keine<br />
sinnvollen Werte für die Berechnung von Natursteinen. Es muss eine minderfeste<br />
Steindruckfestigkeit angenommen werden. Die Anwendung der Gleichungen auf<br />
Bruchsteinmauerwerk ist nicht im Sinne der Norm und somit als nicht zulässig zu<br />
bewerten.<br />
80 Mauerwerksuntersuchungen nach [13] und [18]<br />
81 Versagensspannung resultiert aus Bruchlast der Versuche nach [13] und [18]<br />
82 Mauerwerksuntersuchung nach [13], sowie eigene Laboruntersuchungen (sh. Anhang 1)<br />
91
Anwendung am Beispiel: Altes Seminar<br />
Das gleiche gilt für die Ermittlung der charakteristischen Mauerwerksdruckfestigkeit<br />
nach EC 6. Die Gleichung ist kritisch zu betrachten, da diese auf<br />
Versuchsergebnissen von Ziegelmauerwerk beruht. Weiterhin werden in der Formel<br />
keine mauerwerksspezifischen Abweichungen zwischen Fugenhöhe und<br />
Steingeometrie berücksichtig. Somit kann die Formel nicht für Bruchsteinmauerwerk<br />
angewandt werden.<br />
Das Bruchmodell nach MANN erfolgt auf Grundlage experimenteller<br />
Zusammenhänge von Bruchsteinmauerwerk mit niederfestem Mörtel. Im<br />
Allgemeinen kann dieser Berechnungsansatz als sehr genau eingestuft werden. Im<br />
Falle des vorangegangenen Berechnungsbeispiels jedoch ist das Ergebnis aufgrund<br />
hoher Materialunstimmigkeiten kritisch zu bewerten.<br />
Der Berechnungswert liegt deutlich unter den materialspezifischen<br />
Einzelergebnissen der Versuchsauswertung. Die Gleichung ist stark abhängig von<br />
dem Verhältnis der Fugenhöhe zur Fugenlänge sowie dem Übertragungsfaktor. Da<br />
diese Werte für das vorliegende Objekt nicht genau bestimmt werden können bzw.<br />
die Werte zu stark schwanken, wird das Ergebnis weiter verfälscht.<br />
Der Berechnungsansatz nach PÖSCHEL/SABHA kann aufgrund fehlender<br />
Materialangaben nicht angewendet werden.<br />
Für den Nachweis der verbliebenen Bruchmodelle fehlen in diesem Fall<br />
grundlegende Parameter, welche nicht geschätzt werden können. Aufgrund dessen<br />
wird auf eine rechnerische Ausführung verzichtet.<br />
Die Bruchmodelle nach EBNER, BERNDT, sowie HILSDORF wurden auf Grundlage<br />
ebenmäßiger Quadermauerwerke entwickelt und können nicht für<br />
Bruchsteinmauerwerk angewandt werden.<br />
Wie zuvor erläutert ist im Falle des Alten Seminars keine genaue Berechnung<br />
möglich. In der Praxis wird daher üblicherweise der nach Norm 83 errechnete<br />
Minimalwert der getrennt voneinander betrachteten Einzelschalen angenommen. Im<br />
Falle des Alten Seminars ist der Wert der Bruchsteinmauer (zul. = 0,3 N/mm²) für<br />
die anschließende statische Berechnung maßgebend.<br />
Aufgrund der verhältnismäßig geringen zulässigen Spannung sollte eine<br />
Lasterhöhung vermieden werden. Wenn diese dennoch erforderlich wird müssen<br />
Maßnahmen zur Mauerwerksertüchtigungen vorgenommen werden.<br />
Auf eine Ausführung der Mauerwerksertüchtigungen wird in dieser Arbeit verzichtet.<br />
Übliche Maßnahmen (partieller Mauerwerksaustausch, Verankerungen oder<br />
Vernadelungen) können der entsprechenden Fachliteratur entnommen werden.<br />
83 in diesem Fall wurde die zul. Spannung nach [4] ermittelt<br />
92
Zusammenfassung<br />
9 Zusammenfassung<br />
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Festigkeitsanalyse ausgewählter<br />
Schwerpunkte von historischem Mauerwerk. Sie soll einen Überblick über das<br />
Tragverhalten verschiedener Mauerwerksstrukturen geben.<br />
Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Betrachtung von druckbeanspruchtem<br />
Mauerwerk.<br />
Eine allgemeingültige Bewertung des Tragverhaltens von historischem Mauerwerk ist<br />
nahezu unmöglich. Zu groß sind die Streuungen der unterschiedlichen<br />
Stoffeigenschaften und der Verbundwirkungen der Materialien.<br />
Einhergehend mit der Vielzahl dieser Kombinationsmöglichkeiten kann auch eine<br />
quantitative und gleichzeitig allgemeingültige Berechnung der zum Versagen<br />
führenden Druckspannungen nicht gegeben werden.<br />
In der Arbeit werden gefügeabhängige Berechnungsansätze auf Grundlage diverser<br />
Bruchmodelle dargestellt.<br />
Diese Bemessungsansätze berücksichtigen unter Betrachtung der Inhomogenität<br />
des historischen Mauergefüges und der verhältnismäßig großen Streuweite der<br />
Materialkennwerte hohe Sicherheitsfaktoren.<br />
Die in der Literatur angegebenen Berechnungsansätze lassen sich in der Regel nicht<br />
auf alle Mauerwerksarten übertragen. In Hinblick auf eine zusammenfassende<br />
Beschreibung dieser Modelle werden Anwendungsgrenzen ausgewählter Modelle<br />
dargestellt.<br />
Generell kann Ziegelmauerwerk nach aktuellen Normen berechnet werden. Die<br />
Gleichungen des Eurocode 6 (Gleichung (7-3), S.68) beruhen auf experimentellen<br />
Versuchsergebnissen von künstlichen Steinen. Sie sind nur teilweise übertragbar auf<br />
Natursteinmauerwerke. Es ist jedoch eine Berechnung von Quadermauerwerk und<br />
Schichtenmauerwerk mit verhältnismäßig dünnen Fugen möglich. Voraussetzung für<br />
die Berechnung mittels normierten Gleichungen ist die Ebenmäßigkeit der Steine und<br />
eine möglichst geringe Fugenhöhe.<br />
Die Berechnung der Druckfestigkeit nach PÖSCHEL/SABHA (Gleichung (7-9), S. 73)<br />
beschränkt sich ebenfalls auf gleichmäßiges Quadermauerwerk. Eine<br />
Übertragbarkeit dieses Berechnungsansatzes auf andere Natursteinverbände ist<br />
nicht gegeben. Des Weiteren wurde dieser Berechnungsansatz aus einer<br />
Versuchsreihe eines Sandsteinmauerwerks mit niederfestem Kalkmörtel und der<br />
anschließenden FE-Analyse entwickelt. Es ist davon auszugehen, dass bei der<br />
Berechnung der Mauerwerksdruckfestigkeit eines bestehenden Quadermauerwerks<br />
annähernd ähnliche Voraussetzungen eingehalten werden müssen.<br />
93
Zusammenfassung<br />
Der Berechnung von PÖSCHEL/SABHA zugrunde liegend ist die Bruchtheorie nach<br />
HILSDORF (Gleichung (7-5) ff., S. 71). Diese schließt die Anwendung auf<br />
Natursteinmauerwerk aus. Dieses Modell ist lediglich für homogenes<br />
Ziegelmauerwerk anwendbar.<br />
Ebenfalls für Quader oder Schichtenmauerwerk entwickelte BERNDT (Gleichung<br />
(7-11), S.75) ein weiteres Bruchmodel. Dieses Verfahren wurde ursprünglich für<br />
Schichtenmauerwerk aus Elbsandstein entwickelt. Es lässt sich jedoch auf sämtliche<br />
regelmäßigen und unregelmäßigen Schichtverbände aus Werksteinen übertragen.<br />
Die vorangegangene Gleichung gilt grundsätzlich für einschaliges Quader- und<br />
Schichtenmauerwerk, unter der Voraussetzung, dass das Gestein einen wesentlich<br />
höheren Elastizitätsmodul als der Mörtel aufweist ( ). Weiterhin gilt die<br />
Annahme lediglich für dünne Mörtelfugen, in Anlehnung an Ziegelmauerwerk<br />
(maximal bis etwa 12 mm). Stärkere Mörtelfugen können bei der Berechnung nicht<br />
berücksichtigt werden.<br />
Das Bruchmodel von EBENER (Gleichung (7-10), S.74) wurde für regelmäßiges<br />
werksteinge<strong>fertig</strong>tes Schichtenmauerwerk entwickelt. Bei der Übertragung dieses<br />
Modells auf Bruchsteinmauerwerk ist ein Abminderungsfaktor zu wählen.<br />
Bruchsteinmauerwerk kann generell nach MANN (Gleichung (7-4), S.69) bemessen<br />
werden. In [28] wird darauf verwiesen, dass diese Bruchtheorie noch nicht<br />
ausreichend durch Versuche gefestigt ist. Die Gleichung gilt nur für<br />
Bruchsteinmauerwerk mit regellosen Verbänden und zusätzlich hohen Mörtelanteil,<br />
mit geringer Mörtelfestigkeit. Eine Übertragung der Gleichung auf andere<br />
Mauerwerksverbände oder Mörtelverteilungen ist nur beschränkt möglich. Für jeden<br />
Mauerwerksabschnitt müssen die maßgebenden Parameter der Stoffeigenschaften<br />
und Verbundwirkung einzeln ermittelt werden. Dies macht die Berechnung nach<br />
MANN aufwendig. weiterhin ist darauf zu achten, dass die ermittelten Ergebnisse<br />
immer mauerwerksspezifisch zu sehen sind und sich bei jedem Weiteren<br />
Mauerwerksabschnitt ändern können.<br />
Die vorangegangenen Berechnungsansätze werden problemlos für einschalige<br />
Mauerwerksgefüge übertragen. Die Tragfähigkeit von mehrschaligem Mauerwerk<br />
wird in der Regel durch eine separate Betrachtung der Mauerwerksschalen ermittelt.<br />
In Abhängigkeit der unterschiedlichen Steifigkeiten der einzelnen<br />
Mauerwerksschalen können folgende Annahmen getroffen werden.<br />
Über eine Integration der Spannungszustände im Querschnitt kann grundsätzlich die<br />
Bruchschnittgröße ermittelt werden. Eine anschließende Ermittlung der<br />
Druckfestigkeit kann durch diverse Bruchmodelle erfolgen.<br />
Die abschließende Betrachtung der zusammenwirkenden Schalen kann mithilfe<br />
eines Finiten Elemente- Programms, in Abhängigkeit der unterschiedlichen<br />
Steifigkeiten, durchgeführt werden.<br />
94
Zusammenfassung<br />
Abschließend ist zu vermerken, dass keine allgemeingültige Gleichung zur<br />
Berechnung, besonders von Natursteinmauerwerk angegeben werden kann. Die<br />
verschiedenen Berechnungsansätze sind kritisch anzuwenden, da diese in der Regel<br />
aus experimentellen Versuchsanordnungen stammen. Trotz vielfältiger<br />
Untersuchungen sind Ergebnisse immer nur bei gleichem Mauerwerkstyp mit<br />
vergleichbaren Mauerwerksbaustoffen und gleichem Gefüge hinreichend<br />
aussagekräftig.<br />
95
Literaturverzeichnis<br />
Literaturverzeichnis<br />
[1] Auszug aus der Liegenschaftskarte, Vermessungsverwaltung des Freistaates<br />
Sachsen: Landkreis Leipzig vom 12.03.2009<br />
[2] Berndt, E.: Zur Druck- und Schubfestigkeit von Mauerwerk – experimentell<br />
nachgewiesen an Strukturen aus Elbsandstein, In: Bautechnik 73 (1996) Heft<br />
4, Ernst & Sohn, Berlin, (S.222-234)<br />
[3] Bierwirth, H.: Dreiachsige Druckversuche an Mörtelproben aus Lagerfugen von<br />
Mauerwerk. Dissertation, TU München, 1995<br />
[4] DIN 1053-1: „Mauerwerk - Berechnung und Ausführung“, Nov. 1996<br />
[5] DIN EN 1926: 03.00 „Prüfverfahren für Naturstein-Bestimmung der<br />
Druckfestigkeit“, Beuth Verlag, Berlin<br />
[6] DIN 18555-3: „Prüfung von Mörteln mit mineralischen Bindemitteln; Festmörtel;<br />
Bestimmung der Biegezugfestigkeit, Druckfestigkeit und Rohdichte“, Sep. 1982<br />
[7] Ebner, B.: Das Tragverhalten von mehrschaligen Bruchsteinmauerwerk in<br />
regelmäßigem Schichtenverband, Berichte aus dem Konstruktivem<br />
Ingenieurbau, Heft 24, TU Berlin, Dissertation, 1996<br />
[8] EC 6 (DIN EN 1996-1-1): „Bemessung und Konstruktion von Mauerwerksbau –<br />
Teil 1-1: Allgemeine Regeln für bewehrtes und unbewehrtes Mauerwerk“, Feb.<br />
2013<br />
[9] EC 6 NA (DIN EN 1996-1-1/NA): „Bemessung und Konstruktion von<br />
Mauerwerksbau – Teil 1-1: Allgemeine Regeln für bewehrtes und unbewehrtes<br />
Mauerwerk“, Mai. 2012<br />
[10] EC1 (DIN EN 1990): „Grundlagen der Tragwerksplanung“, Dez. 2010<br />
[11] Fitzner, B., Heinrichs, K. & Kownatzki, R.:Verwitterungsformen - Klassifizierung<br />
und Kartierung. - Denkmalpflege und Naturwissenschaft,<br />
Natursteinkonservierung I: 41-88; Ernst & Sohn Verlag, Berlin,1995<br />
[12] Franken, S.; Müller, H.S.; Eckert, H.: Historische Mörtel und Reparaturmörtel –<br />
Untersuchungen, Bewertungen. Empfehlung für die Praxis,<br />
Sonderforschungsbericht 315, Ernst & Sohn Verlag, Berlin, 2001<br />
[13] Grigoleit, G.: Untersuchungsbericht – Bau- und Bauzustandsuntersuchung:<br />
Altes Seminar in Grimma, vom 20.01.2012<br />
[14] Haberland, D.: Historisches Mauerwerk und sein Gefüge. In: Tragwerksplaner<br />
in der Denkmalpflege Reihe12 / Seminarblock1, 2006<br />
[15] Hillemeier, B.: Skript BK I: Baustoffkunde und Baustoffprüfung. In: www.bau.tuberlin.de/uploads/media/Baustoffkunde_I_Diplom_.pdf<br />
(25.07.2013)<br />
96
Literaturverzeichnis<br />
[16] Hilsdorf, H.K., Schäfer, J.: Struktur und mechanische Eigenschaften von<br />
Kalkmörteln. In: Jahrbuch 1991, Sonderforschungsbereich 315, Ernst & Sohn<br />
Verlag, Berlin, 2001<br />
[17] Hilsdorf, H.: Untersuchungen über die Grundlagen der Mauerwerksfestigkeit,<br />
Materialprüfamt für das Bauwesen der TH München, 1965<br />
[18] Horst, P.: Bestandsanalyse der historischen Bausubstanz: Altes Seminar<br />
Grimma. Studienarbeit, BA-<strong>Glauchau</strong>, 2013<br />
[19] Huster, U.: Tragverhalten von einschaligem Natursteinmauerwerk untere<br />
zentrischer Druckbeanspruchung – Entwicklung und Anwendung eines Finiten-<br />
Elemente-Programms . Dissertation, Kassel University Press, Fachbereich<br />
Bauingenieurwesen, 2000<br />
[20] Jäger, W.; Vassilev, T.; Baier, G.; Pflücke, T.; Morlck, F.:Knicksicherheit von<br />
Mauerwerk nach EC 6: Untersuchungen zur Knicksicherheit von<br />
Mauerwerksbauteilen mit Berücksichtigung großer Exzentrizitäten und<br />
nichtlinearer Spannungs-Dehnungs-Beziehung nach ENV 1996-1-1.<br />
Forschungsbericht TU Dresden, Fakultät Architektur, Lehrstuhl<br />
Tragwerksplanung. IRB Verlag, Stuttgart, 2002<br />
[21] Kempfert, H.-G.: Interaktion zwischen Baugrund und Bauwerk-Zulässige<br />
Setzungsdifferenz sowie Beanspruchungen von Bauwerk und Gründung. In:<br />
Schriftenreihe Geotechnik der Universität Kassel, Heft 21, 2009<br />
[22] Kupfer, H.: Das Verhalten des Betons unter mehrachsiger Kurzzeitbelastung<br />
unter besonderer Berücksichtigung der zweiachsigen Beanspruchung. In:<br />
DafStb Heft 229, Ernst & Sohn Verlag, Berlin, 1973<br />
[23] Lehmert, S.: Geotechnisches Gutachten: Altes Seminar in Grimma, vom<br />
12.01.2012<br />
[24] Leonhardt, F.; u.a.: Vorlesung über Massivbau – Teil 1: Grundlagen zur<br />
Bemessung in Stahlbetonbau, Springer Verlag Berlin, 3. überarb. u. erw. Aufl.<br />
,Heidelberg 1984<br />
[25] LORENZ, M. Christian Gottlob: Die Stadt Grimma im Königreiche Sachsen,<br />
historisch beschrieben; Heft 7, Leipzig, 1856<br />
[26] Maier, Josef: Handbuch Historisches Mauerwerk, Birkhäuser Verlag, 2002<br />
[27] Mann, W.: Grundlagen der vereinfachten und der genaueren Bemessung von<br />
Mauerwerk nach DIN 1053-1, Ausgabe November 1996, In:<br />
Mauerwerkskalender 1997, Ernst & Sohn Verlag, Berlin 1997, (S.1 - 28)<br />
[28] Mann, W.: Zum Tragverhalten von Mauerwerk aus Natursteinen , In:<br />
Mauerwerkskalender 1983, Ernst & Sohn, Berlin, (S. 675 – 686)<br />
[29] Mann, W.; Müller, H.: Bruchverhalten von Schubbeanspruchten Mauerwerk in<br />
Theorie und Versuch, In Proceedings of 6th International Brick/Block Masonry<br />
Conference, Washington 1979<br />
97
Literaturverzeichnis<br />
[30] Markmann, C.: Bemessung in Mauerwerksbau, Ernst & Sohn Verlag Berlin,<br />
1998<br />
[31] Pöschel, G.; Sabha, A.: Ein theoretisches Modell zum Tragverhalten von<br />
Elbsandsteinmauerwerk. In: Jahrbuch 1993, Sonderforschungsbereich 315 –<br />
Erhaltung historisch bedeutsamer Bauwerke, Ernst & Sohn Verlag Berlin<br />
[32] Reichert, H.: Konstruktiver Mauerwerksbau, Rudolf Müller Verlag, Köln, 1992<br />
[33] Schubert, P.: Beurteilung der Druckfestigkeit von ausgeführtem Mauerwerk<br />
aus künstlichen Steinen und Natursteinen. Mauerwerkskalender 1995, Ernst &<br />
Sohn, Berlin<br />
[34] Van Hees, R.P.J.; Naldini, S.: The Masonry Damage Diagnostic System. In:<br />
Bauinstandsetzung 1, Heft 6, 1995, (S. 461-473)<br />
[35] Warnecke, P.: Tragverhalten und Konsolidierung von historischem<br />
Natursteinmauerwerk. Dissertation TU Braunschweig, Fachbereich für<br />
Bauingenieur- und Vermessungswesen, 1995<br />
98
Anhangsverzeichnis<br />
Anhangsverzeichnis<br />
Anhang 1:<br />
Bilddokumentation<br />
Anhang 2:<br />
Grundrisspläne Schadensdokumentation<br />
Anhang 3:<br />
Laboruntersuchung Druckfestigkeit<br />
Anhang 4:<br />
Auszug aus dem Mauerwerksgutachten<br />
Anhang 5:<br />
Auszug aus dem Bodengutachten<br />
99
Ehrenwörtliche Erklärung<br />
Ehrenwörtliche Erklärung<br />
"Ich erkläre hiermit ehrenwörtlich",<br />
1. dass ich meine <strong>Diplomarbeit</strong> mit dem Thema<br />
Festigkeitsanalyse ausgewählter Schwerpunkte von historischem Mauerwerk<br />
ohne fremde Hilfe ange<strong>fertig</strong>t habe,<br />
2. dass ich die Übernahme wörtlicher Zitate aus der Literatur sowie die<br />
Verwendung der Gedanken anderer Autoren an den entsprechenden Stellen<br />
innerhalb der Arbeit gekennzeichnet habe und<br />
3. dass ich meine <strong>Diplomarbeit</strong> bei keiner anderen Prüfung vorgelegt habe.<br />
Ich bin mir bewusst, dass eine falsche Erklärung rechtliche Folgen haben wird.<br />
Ort, Datum<br />
Unterschrift
Anhang 1:<br />
Bilddokumentation
Anhang 1<br />
Bild 1<br />
Altes Seminar; Blick<br />
auf die<br />
Westfassade;<br />
Bild 2<br />
Altes Seminar; Blick<br />
auf die Ostfassade;<br />
in der Mitte war ein<br />
Toilettenanbau vor<br />
der ursprünglichen<br />
Fassadenebene<br />
angebaut; dieser<br />
wurde bereits<br />
abgerissen; linker<br />
Hand befand sich<br />
der ebenfalls bereits<br />
abgerissene<br />
Muldenflügel;<br />
A 1.1
Anhang 1<br />
Bild 3<br />
Altes Seminar; Blick<br />
auf die südliche<br />
Außenwand;<br />
Bild 4<br />
Ansicht<br />
Westfassade; in der<br />
Mitte befindet sich<br />
der Haupteingang<br />
mit vorgelagerter<br />
Treppe;<br />
A 1.2
Anhang 1<br />
Riss-<br />
schäde<br />
Fehlstellen<br />
im Putz<br />
Feuchte-<br />
schäden<br />
Bild 5<br />
Straßenseitiger<br />
Fassadenabschnitt;<br />
teilweise abgelöster<br />
Fassadenputz;<br />
Risse verlaufen im<br />
Mauerwerk und in<br />
den Fensterstürzen;<br />
Feuchteschäden;<br />
Fehlstellen im<br />
Putz<br />
Bild 6<br />
Detailaufnahme der<br />
westlichen<br />
Außenwand; im<br />
Gelände nahen<br />
Bereich sind deutlich<br />
große Fehlstellen im<br />
Putz zu sehen;<br />
A 1.3
Anhang 1<br />
Bild 7<br />
Detailaufnahme der<br />
westlichen<br />
Außenwand; frei<br />
bewittertes<br />
Bruchsteinmauerwerk<br />
mit partiellen<br />
Ziegeleinschlüssen;<br />
Bild 8<br />
Detailaufnahme der<br />
westlichen<br />
Außenwand;<br />
massive<br />
Rissschäden;<br />
A 1.4
Anhang 1<br />
Bild 9<br />
Detailaufnahme der<br />
westlichen<br />
Außenwand;<br />
massive<br />
Rissschäden;<br />
Bild 10<br />
Detailaufnahme der<br />
westlichen<br />
Außenwand/<br />
Fenstergewände;<br />
massive<br />
Rissschäden;<br />
A 1.5
Anhang 1<br />
Riss-<br />
schäden<br />
Bild 11<br />
Ansicht Südfassade;<br />
vertikale Risse;<br />
Riss-<br />
schäden<br />
Bild 12<br />
Detailaufnahme der<br />
südlichen<br />
Giebelwand;<br />
erkennbar<br />
inhomogenes<br />
Mauerwerk;<br />
kleinformatige<br />
Bruchsteine sowie<br />
Ziegelsteine;<br />
A 1.6
Anhang 1<br />
Bild 13<br />
Detailaufnahme der<br />
südlichen<br />
Außenwand;<br />
massive<br />
Rissschäden;<br />
Bild 14<br />
Detailaufnahme der<br />
südlichen<br />
Außenwand;<br />
massive<br />
Rissschäden;<br />
A 1.7
Anhang 1<br />
Bereits<br />
abgerissener<br />
Bereich<br />
Bereich<br />
abgerissener<br />
Bereits<br />
Fehlstellen<br />
im Putz<br />
Bild 15<br />
Ansicht Ostfassade;<br />
flächig hoher<br />
Schädigungsgrad;<br />
Schäden analog Bild<br />
5; aber geringere<br />
Rissschädigung;<br />
Bild 16<br />
Detailaufnahme der<br />
muldenseitigen<br />
Dachgauben; starke<br />
Beschädigungen;<br />
A 1.8
Anhang 1<br />
Bild 17<br />
Detailaufnahme<br />
Ziegelmauerwerk;<br />
Partielle<br />
Abschalungen,<br />
sandender<br />
Mauermörtel mit<br />
teilw. Verlust,<br />
Ansatz von<br />
kristallinen<br />
Ausblühungen<br />
Bild 18<br />
Detailaufnahme<br />
Natursteinmauerwerk;<br />
braune<br />
Verfärbungen am<br />
Naturstein<br />
verweisen auf<br />
eisenhaltige<br />
Bestandteile;<br />
A 1.9
Anhang 1<br />
Bild 19<br />
Detailaufnahme<br />
Natursteingewände;<br />
stark verwittert;<br />
Porphyrtuff Fenster-<br />
/Türgewände mit<br />
hohen<br />
Substanzverlusten;<br />
geschädigte<br />
Putzflächen<br />
Bild 20<br />
Erdgeschoss;<br />
Eingangsbereich;<br />
umlaufend stark<br />
geschädigte<br />
Putzflächen;<br />
A 1.10
Anhang 1<br />
Bild 21<br />
Erdgeschoss;<br />
Eingangsbereich/<br />
Treppenaufgang;<br />
umlaufend stark<br />
geschädigte<br />
Putzflächen;<br />
Bild 22<br />
Erdgeschoss;<br />
Eingangsbereich;<br />
ausgemauerte<br />
Fachwerkwände<br />
A 1.11
Anhang 1<br />
Bild 23<br />
Erdgeschoss;<br />
östlicher<br />
Gebäudetrakt;<br />
ehem. Küche;<br />
umlaufend stark<br />
geschädigte<br />
Putzflächen;<br />
Bild 24<br />
Erdgeschoss; das<br />
rauchgeschwärzte<br />
Gewölbe über der<br />
ehem. Herdstelle<br />
A 1.12
Anhang 1<br />
Bild 25<br />
Erdgeschoss;<br />
Rissschäden<br />
Gewölbe;<br />
im<br />
Bild 26<br />
Detailaufnahme<br />
Gewölbe<br />
Erdgeschoss;<br />
massive<br />
Rissschäden;<br />
A 1.13
Anhang 1<br />
Bild 27<br />
Erdgeschoss;<br />
teilweise massive<br />
Rissschäden;<br />
Bild 28<br />
Erdgeschoss;<br />
Gewölbe/Außenwand<br />
Ost;<br />
Fruchtkörper Echter<br />
Hausschwamm;<br />
A 1.14
Anhang 1<br />
Bild 29<br />
Keller;<br />
Tonnengewölbe;<br />
größtenteils aus<br />
Ziegelmauerwerk;<br />
Bild 30<br />
Kellertreppe;<br />
geschädigte<br />
Treppenstufen;<br />
teilweise kristalline<br />
Ausblühungen;<br />
A 1.15
Anhang 1<br />
Bild 31<br />
Keller;<br />
Gewölbekeller mit<br />
Schildwänden;<br />
Bruchstein mit<br />
Ziegelausmauerung;<br />
visuell Feuchte- &<br />
Schad-salzbelastet;<br />
Bild 32<br />
Keller;<br />
Deckenkappe mit<br />
partiell sandenden<br />
Mauermörtel;<br />
A 1.16
Anhang 1<br />
Bild 33<br />
Treppenaufgang;<br />
Erdgeschoss/<br />
Obergeschoss;<br />
Holztreppe;<br />
Myzel<br />
Bild 34<br />
Treppenaufgang;<br />
Außenwand Ost;<br />
massive Risse<br />
zwischen Querwand<br />
und Außenwand;<br />
Myzel und Stränge<br />
des EHS;<br />
A 1.17
Anhang 1<br />
defekte<br />
Holzbalkendeck<br />
e<br />
Feuchteschäden<br />
Fruchtkörper<br />
EHS<br />
Bild 35<br />
Obergeschoss;<br />
Außenwand Ost;<br />
Fruchtkörper des<br />
EHS; beschädigte<br />
Holzbalkendecke;<br />
visuelle<br />
Feuchteschäden;<br />
Bild 36<br />
Obergeschoss;<br />
Außenwand Ost;<br />
Detailaufnahme<br />
Fruchtkörper des<br />
EHS;<br />
A 1.18
Anhang 1<br />
Bild 37<br />
Obergeschoss;<br />
Mauerwerk mit<br />
Algen/Moosen;<br />
Feuchteschäden;<br />
stark geschädigte<br />
Putzflächen;<br />
Bild 38<br />
Obergeschoss;<br />
vorgenommene<br />
abstützende<br />
Maßnahmen;<br />
A 1.19
Anhang 1<br />
Bild 39<br />
Obergeschoss;<br />
Detailaufnahme;<br />
Rissschäden;<br />
Bild 40<br />
Obergeschoss;<br />
Detailaufnahme;<br />
Rissschäden;<br />
A 1.20
Anhang 1<br />
Bild 41<br />
Treppenaufgang;<br />
Obergeschoss/<br />
Dachgeschoss<br />
Bild 42<br />
Dachkonstruktion;<br />
straßenseitige<br />
Mittelpfette, örtliche<br />
Schäden durch<br />
Nassfäule<br />
A 1.21
Anhang 1<br />
Bild 43<br />
Dachkonstruktion;<br />
Sparren und<br />
Stützen, teilweise<br />
mit Algen/Moosen<br />
durch Nassfäule<br />
Bild 44<br />
Dachkonstruktion;<br />
Fußpfette mit<br />
starken Schäden<br />
durch Braunfäule<br />
und Würfelbruch;<br />
Myzel und Stränge<br />
des EHS;<br />
A 1.22
Anhang 1<br />
Bild 45<br />
Dachkonstruktion;<br />
Deckenbalkenkopf<br />
mit starken Schäden<br />
durch Braunfäule<br />
und Würfelbruch;<br />
Myzel und Stränge<br />
des EHS<br />
Bild 46<br />
Dachkonstruktion;<br />
Sparren und Gaube<br />
mit starken Schäden<br />
durch Braunfäule<br />
und Würfelbruch;<br />
angrenzender<br />
Deckenbalken<br />
ebenfalls stark<br />
beschädigt;<br />
A 1.23
Anhang 2:<br />
Grundrisspläne<br />
Schadensdokumentation
Legende<br />
Mehrschaliges Bruchsteinmauerwerk aus<br />
Porphyrtuff/Quarzporphyr mit<br />
Mauerziegelbereichen, Kalkmörtel<br />
Fachwerkwand mit Ziegelausmauerung<br />
Schad-/Befallbereich<br />
Schad-/Befallbereich EHS<br />
P(I)<br />
P(C)<br />
S3<br />
UB VI<br />
UB VII<br />
an der Decke über EG:<br />
FK EHS<br />
EHS<br />
Risse<br />
Echter Hausschwamm<br />
S5<br />
UB X<br />
NK & BF<br />
(Stützenfuß)<br />
S4<br />
FK EHS<br />
BKW<br />
Fruchtkörper Echter Hausschwamm<br />
Brauner Keller- & Warzenschwamm<br />
NK & BF<br />
(Stützenfuß)<br />
BS 3 / Sch 2<br />
P(B)<br />
P(H)<br />
BF<br />
WB<br />
NF<br />
Braunfäule<br />
Würfelbruch<br />
Nassfäule<br />
NK<br />
Nagekäfer<br />
13.50<br />
BS 1 / Sch 1<br />
NK, gering<br />
(Schwelle & Stützenfuß)<br />
NK, gering<br />
(Stützenfuß)<br />
BS 2<br />
K<br />
S2<br />
NK & BF<br />
(Schwelle & Stützenfuß)<br />
UB VIII<br />
K<br />
NK & BF, gering<br />
(Stützenfuß)<br />
K<br />
horizontaler Riss<br />
am Wandfuß<br />
K<br />
Myzel BKW<br />
im KG<br />
K<br />
BF, WB, NF<br />
NK & BF<br />
(Stützenfuß)<br />
Gewölbe aus<br />
verputzter Holzschalung<br />
UB<br />
BS<br />
Sch<br />
S<br />
P<br />
K<br />
Untersuchungsbereich<br />
Sondierbohrung Bodengutachten [23]<br />
Schurf Bodengutachten [23]<br />
Sondierungen Mauerwerk [13]<br />
Entnahmestelle eigene Prüfkörper<br />
geplanter Abbruch<br />
unterkellerter Gebäudeteil<br />
UB I<br />
UB II UB III UB IV<br />
P(A)<br />
Myzel Nassfäule<br />
S1<br />
UB V<br />
34.75<br />
Grundriss Erdgeschoss Anhang 2.1<br />
Objekt:<br />
<strong>Diplomarbeit</strong><br />
Student:<br />
Matrikelnummer:<br />
Maßstab:<br />
Altes Seminar, Grimma<br />
Kloasterstraße 3-5<br />
04668 Grimma<br />
Patricia Horst<br />
4100033<br />
M 1:150<br />
Datum:<br />
08.04.2013<br />
Seminargruppe:<br />
BI 10/1
Legende<br />
Mehrschaliges Bruchsteinmauerwerk aus<br />
Porphyrtuff/Quarzporphyr mit<br />
Mauerziegelbereichen, Kalkmörtel<br />
Einschaliges Bruchsteinmauerwerk aus<br />
Porphyrtuff/Quarzporphyr mit geringfügigen<br />
Mauerziegelstücken,Lehmmörtel<br />
BF, WB, EHS<br />
Schad-/Befallbereich<br />
BF, TK<br />
NK, gering<br />
BF, WB<br />
EHS<br />
Myzel & Stränge EHS<br />
in Außenwand<br />
an Wänden FK EHS<br />
an Wänden FK EHS<br />
Schad-/Befallbereich EHS<br />
Risse<br />
13.50<br />
M<br />
P (E)<br />
M<br />
M<br />
S 7<br />
S 6<br />
M<br />
S 9<br />
P (G)<br />
M<br />
M<br />
P (D)<br />
P (J)<br />
S 10<br />
EHS<br />
FK EHS<br />
BKW<br />
BF<br />
WB<br />
NF<br />
NK<br />
Echter Hausschwamm<br />
Fruchtkörper Echter Hausschwamm<br />
Brauner Keller- & Warzenschwamm<br />
Braunfäule<br />
Würfelbruch<br />
Nassfäule<br />
Nagekäfer<br />
M<br />
TK<br />
S<br />
Trotzkopf<br />
Sondierungen Mauerwerk [13]<br />
S 8<br />
P (F)<br />
P<br />
Entnahmestelle eigene Prüfkörper<br />
BF, WB<br />
BF, TK, NK<br />
Myzel NF an Balkenköpfen& Mauerlatte<br />
BF, WB, TK, NK ,EHS<br />
M<br />
geplanter Abbruch<br />
Massivdecke<br />
34.75<br />
Grundriss 1.Obergeschoss Anhang 2.2<br />
Objekt:<br />
<strong>Diplomarbeit</strong><br />
Student:<br />
Matrikelnummer:<br />
Maßstab:<br />
Altes Seminar, Grimma<br />
Kloasterstraße 3-5<br />
04668 Grimma<br />
Patricia Horst<br />
4100033<br />
M 1:150<br />
Datum:<br />
08.04.2013<br />
Seminargruppe:<br />
BI 10/1
Legende<br />
Schad-/Befallbereich<br />
Schad-/Befallbereich EHS<br />
Risse<br />
BF BF, WB, EHS im Mauerwerk Myzel, stränge EHS<br />
BF, WB, EHS<br />
NK, TK, BF<br />
EHS<br />
Echter Hausschwamm<br />
FK EHS<br />
Fruchtkörper Echter Hausschwamm<br />
BKW<br />
Brauner Keller- & Warzenschwamm<br />
BF<br />
Braunfäule<br />
WB<br />
Würfelbruch<br />
13.50<br />
BF<br />
Treppe: BF,WB,MF<br />
BF, WB, EHS<br />
NF<br />
NK<br />
TK<br />
MF<br />
WF<br />
Nassfäule<br />
Nagekäfer<br />
Trotzkopf<br />
Moderfäule<br />
Weißfäule<br />
BF, WB, EHS<br />
Anbau<br />
BF, NF, TK, NK<br />
örtlich WF<br />
geplanter Abbruch<br />
einzelne Balken<br />
stärker BF<br />
Mauerlatte BF, WB<br />
BF, WB, EHS<br />
alle Balkenköpfe mit geringer BF, WB<br />
BF, WB<br />
34.50<br />
Grundriss Dachgeschoss Anhang 2.3<br />
Objekt:<br />
<strong>Diplomarbeit</strong><br />
Student:<br />
Matrikelnummer:<br />
Maßstab:<br />
Altes Seminar, Grimma<br />
Kloasterstraße 3-5<br />
04668 Grimma<br />
Patricia Horst<br />
4100033<br />
M 1:150<br />
Datum:<br />
08.04.2013<br />
Seminargruppe:<br />
BI 10/1
Anhang 3:<br />
Laboruntersuchung Druckfestigkeit
Anhang 3<br />
1 Bestimmung der Druckfestigkeit entnommener Ziegelstein- und<br />
Natursteinproben<br />
<br />
1.1 Bemerkung<br />
Die nachfolgenden Prüfkörper resultieren aus der Entnahme (am: 25.02.2013)<br />
einzelner Mauerwerkssteine aus der Außenwand im Erdgeschoss. In der Außenwand<br />
wurden giebelseitig Durchbrüche geschaffen. Die abgebrochenen Steine konnten<br />
anschließend geprobt werden.<br />
Die Außenwände bestehen aus einem zweischaligen Mauerwerk. Die zwei Schalen<br />
bestehen raumseitig aus Ziegelmauerwerk und wetterseitig aus<br />
Bruchsteinmauerwerk ohne Zwischenraum.<br />
Die Lage des Untersuchungsbereichs ist in den Geschossgrundrisse der Anlage 2<br />
dargestellt. In der Fotodokumentation der Anlage 1 ist der Untersuchungsbereich in<br />
Übersichtsfotos dokumentiert.<br />
Die repräsentative Probenahme umfasst insgesamt 7 Mauerziegel- und etwa 10<br />
Mauermörtelproben sowie 3 Natursteinproben. Diese Proben wurden<br />
stichprobenartig und ohne den Zustand und die Qualität der ausgewählten Ziegelund<br />
Natursteinproben zu berücksichtigen entnommen. Aufgrund des relativ hohen<br />
Zerstörungsgrades der Steine konnte nur eine verhältnismäßig kleine Anzahl an<br />
Proben gewonnen werden.<br />
Die nach DIN EN 772-1 geforderte Mindestanzahl der Probekörper ist für die Prüfung<br />
des Ziegelmauerwerkes, mit mind. 6 Probekörpern, eingehalten. Die Anzahl der<br />
Natursteinprobekörper muss, laut DIN EN 771-6, mindestens 10 betragen.<br />
Abweichend zur DIN konnten allerdings nur 3 Probekörper entnommen werden. Eine<br />
weitere Einschränkung wurde aufgrund der Wahl der Prüfmaschine vorgenommen.<br />
Diese lag lediglich im Prüfbereich von 1 bis 600 KN. Die Natursteinproben<br />
überschritten diesen Wert. Die Bruchlast konnte nicht exakt bestimmt werden,<br />
obwohl sich schon leichte Risse andeuteten.<br />
Aus den entnommenen Mauerwerkssteinen wurden für die Bestimmung der<br />
Druckfestigkeit würfelförmige Prüfkörper mit einer Kantenlänge von etwa 65 mm<br />
herausgeschnitten. Pro Ziegel wurde eine Probekörper-Reihe von jeweils drei<br />
Prüfkörpern angestrebt. Alle Seiten wurden planparallel und ebenflächig zugesägt.<br />
Die Ziegel- und Natursteinproben wurden vor Prüfbeginn geometrisch ausgemessen<br />
und gewogen. Die Messwerte und die Prüfergebnisse sind in den Tabellen 1 bis 7<br />
eingetragen. Nach der Bearbeitung bis zur Prüfung wurden die Prüflinge im<br />
Trockenschrank auf ihre Massekonstanz getrocknet. Die Druckprüfung erfolgte nach<br />
DIN EN 772-1.<br />
A 3.1
Anhang 3<br />
Die Prüfungen wurden in der Berufsakademie <strong>Glauchau</strong> durchgeführt. Die<br />
Bestimmung der Druckfestigkeit erfolgte an einer Druckprüfmachine der<br />
Genauigkeitsklasse 1 im Prüfbereich von 1 bis 600 kN.<br />
1.2 Druckfestigkeitsergebnisse<br />
1.2.1 Probe A<br />
Die entnommene Ziegelprobe A konnte aufgrund der geringen Abmessungen und<br />
der verhältnismäßig großen Querschnittsunregelmäßigkeiten nicht geprüft werden.<br />
Abbildung 1 – Probe A, Mauerziegel<br />
A 3.2
Anhang 3<br />
1.2.2 Probe B<br />
Die aus der Ziegelprobe B erzeugten würfelförmigen Proben wurden auf deren<br />
Druckfestigkeit nach DIN EN 772-1 geprüft. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1<br />
zusammengestellt.<br />
Die Prüfkörper weisen eine verhältnismäßig regelmäßige Gefügestruktur, mit partiell<br />
angeordneten Poren und Einschlüssen auf. Des Weiteren besitzt der Ziegel eine<br />
hellrote Färbung.<br />
In den nachfolgenden Abbildungen ist die entnommene Steinprobe dokumentiert.<br />
Abbildung 2 – Probe B, Mauerziegel, Strukturaufnahme<br />
Abbildung 3 – Probe B, Prüfkörper, Druckversuch<br />
Bezeichnung<br />
Masse Länge Breite Höhe Rohdichte<br />
Bruchkraft<br />
Druckfestigkeit<br />
g mm mm mm kg/m³ kN N/mm²<br />
B1 552,7 68,6 64,9 70,5 1760,8872 58,40 12,8<br />
B2 471 64,6 61,3 67,9 1750,206 51,97 12,5<br />
B3 509 66,7 65,5 67,1 1737,3368 56,34 12,8<br />
Mittelwert 1749,4767 12,7<br />
Tabelle 1 – Probe B, Prüfergebnisse<br />
A 3.3
Anhang 3<br />
<br />
<br />
<br />
A 3.4
Anhang 3<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
A 3.5
Anhang 3<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
A 3.6
Anhang 3<br />
1.2.3 Probe C<br />
Aus der Ziegelprobe C wurden drei würfelförmige Prüfkörper erzeugt. Die Ergebnisse<br />
der Druckversuche sind in Tabelle 2 zusammengestellt.<br />
Der Prüfkörper besitzt eine hellrote Färbung, sowie eine verhältnismäßig<br />
regelmäßige Gefügestruktur, mit partiell angeordneten Poren und Einschlüssen,<br />
ähnlich der Ziegelprobe B.<br />
In den nachfolgenden Abbildungen ist die entnommene Steinprobe dokumentiert.<br />
Abbildung 4 – Probe C, Mauerziegel<br />
Abbildung 5 – Probe C, Prüfkörper<br />
Bezeichnung<br />
Masse Länge Breite Höhe Rohdichte<br />
Bruchkraft<br />
Druckfestigkeit<br />
g mm mm mm kg/m³ kN N/mm²<br />
C1 592 68,7 67,6 73,4 1736,6896 57,15 11,5<br />
C2 615 68,3 68,9 73,4 1780,1988 59,57 11,8<br />
C3 584 67,7 68,4 70,6 1786,3369 29,90 6,2<br />
Mittelwert 1767,7418 9,8<br />
Tabelle 2 – Probe C, Prüfergebnisse<br />
A 3.7
Anhang 3<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
A 3.8
Anhang 3<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
A 3.9
Anhang 3<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
A 3.10
Anhang 3<br />
1.2.4 Probe D<br />
Die Ziegelprobe D wurde analog der beiden vorrangegangenen Proben bearbeitet.<br />
Die Ergebnisse der Druckversuche sind in Tabelle 3 dargestellt.<br />
Die augenscheinlichen Struktureigenschaften weisen eine schlierenartige<br />
Gefügestruktur mit einzelnen Poren auf. Des Weiteren besitzt der Ziegel eine hell<br />
rote Färbung.<br />
In den nachfolgenden Abbildungen ist die entnommene Steinprobe dokumentiert.<br />
Abbildung 6 – Probe D, Mauerziegel<br />
Abbildung 7 – Probe D, Prüfkörper<br />
Bezeichnung<br />
Masse Länge Breite Höhe Rohdichte<br />
Bruchkraft<br />
Druckfestigkeit<br />
g mm mm mm kg/m³ kN N/mm²<br />
D1 533 63,3 66,9 68,8 1828,7147 57,71 12,5<br />
D2 562 69,2 65,8 74,2 1663,4143 56,69 11,6<br />
D3 510 67,7 66,9 67,4 1670,6885 56,17 12,5<br />
Mittelwert 1720,9392 12,2<br />
Tabelle 3 – Probe D, Prüfergebnisse<br />
A 3.11
Anhang 3<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
A 3.12
Anhang 3<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
A 3.13
Anhang 3<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
A 3.14
Anhang 3<br />
1.2.5 Probe E<br />
Die Ziegelprobe E wurde beim Transport beschädigt, aufgrund dessen lediglich zwei<br />
Prüfkörper erzeugt werden konnten. Die Ergebnisse der Druckversuche sind in<br />
Tabelle 4 dargestellt.<br />
Die Ziegelprobe weißt eine dunkelrote Färbung mit feinen und partiell größeren<br />
Poren auf. Des Weiteren ist die Gefügestruktur grob körniger, mit verhältnismäßig<br />
vielen Kieseinschlüssen.<br />
In den nachfolgenden Abbildungen ist die entnommene Steinprobe dokumentiert.<br />
Abbildung 8 – Probe E, Mauerziegel<br />
Abbildung 9 – Probe E, Prüfkörper<br />
Bezeichnung<br />
Masse Länge Breite Höhe Rohdichte<br />
Bruchkraft<br />
Druckfestigkeit<br />
g mm mm mm kg/m³ kN N/mm²<br />
E1 391 60,2 61,5 59,9 1761,7528 56,02 15,2<br />
E2 386 60,4 58,6 62,6 1742,1214 45,89 12,5<br />
Mittelwert 1751,9371 13,9<br />
Tabelle 4 – Probe E, Prüfkörper<br />
A 3.15
Anhang 3<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
A 3.16
Anhang 3<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
A 3.17
Anhang 3<br />
1.2.6 Probe F<br />
Aus der Ziegelprobe F konnten wie schon bei den vorrangegangenen Proben drei<br />
Prüfkörper erzeugt werden. Die Ergebnisse der Druckversuche sind in Tabelle 5<br />
dargestellt.<br />
Die Ziegelprobe weist Gefügestruktur analog der Ziegelprobe D auf.<br />
In den nachfolgenden Abbildungen ist die entnommene Steinprobe dokumentiert.<br />
Abbildung 10 – Probe F, Mauerziegel<br />
Abbildung 11 – Probe F, Prüfkörper<br />
Bezeichnung<br />
Masse Länge Breite Höhe Rohdichte<br />
Bruchkraft<br />
Druckfestigkeit<br />
g mm mm mm kg/m³ kN N/mm²<br />
F1 488 66,9 66,8 65,5 1667,1549 35,43 8,1<br />
F2 501 66,8 68,3 67 1638,9502 48,43 10,6<br />
F3 513 67,6 67,9 65,9 1695,9595 44,40 9,9<br />
Mittelwert 1667,3549 9,5<br />
Tabelle 5 – Probe F, Prüfergebnisse<br />
A 3.18
Anhang 3<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
A 3.19
Anhang 3<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
A 3.20
Anhang 3<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
A 3.21
Anhang 3<br />
1.2.7 Probe G<br />
Die Ziegelprobe G wurde analog der vorrangegangenen Probekörper durch drei<br />
Prüfkörper repräsentiert.<br />
Die Ergebnisse der Druckversuche sind in Tabelle 6 dargestellt.<br />
Der Prüfkörper besitzt eine hellrote Färbung, sowie eine verhältnismäßig<br />
regelmäßige Gefügestruktur, mit partiell angeordneten größeren Poren und<br />
verhältnismäßig feinen Einschlüssen.<br />
In den nachfolgenden Abbildungen ist die entnommene Steinprobe dokumentiert.<br />
Abbildung 12 – Probe G, Mauerziegel<br />
Abbildung 13 – Probe G, Prüfkörper<br />
Bezeichnung<br />
Masse Länge Breite Höhe Rohdichte<br />
Bruchkraft<br />
Druckfestigkeit<br />
g mm mm mm kg/m³ kN N/mm²<br />
G1 527 65,3 66,5 68,4 1774,2699 68,73 15,1<br />
G2 522 66,6 66,7 66,4 1769,711 68,49 15,5<br />
G3 526 56,9 66,8 68,3 2026,172 59,02 12,9<br />
Mittelwert 1856,7177 14,5<br />
Tabelle 6 – Probe G, Prüfkörper<br />
A 3.22
Anhang 3<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
A 3.23
Anhang 3<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
A 3.24
Anhang 3<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
A 3.25
Anhang 3<br />
1.2.8 Probe H<br />
Aus der Natursteinprobe H wurde analog der vorrangegangenen Probekörper drei<br />
repräsentative Prüfkörper erzeugt und ebenfalls auf deren Druckfestigkeit nach DIN<br />
EN 772-1 geprüft. Die Ergebnisse der Druckversuche sind in Tabelle 7 dargestellt.<br />
Der Prüfkörper besitzt eine feine Materialstruktur. Das Probestück besteht aus einem<br />
harten, geringporösen Quarzporphyr. Auffällig an den Proben ist eine partielle braune<br />
Verfärbung. Diese Verfärbung kann Hinweise auf Eisenbestandteile.<br />
In den nachfolgenden Abbildungen ist die entnommene Steinprobe dokumentiert.<br />
Abbildung 14 – Probe H, Naturstein, Quarzporphyr<br />
Abbildung 15 – Probe H, Prüfkörper<br />
Bezeichnung<br />
Masse Länge Breite Höhe Rohdichte<br />
Bruchkraft<br />
Druckfestigkeit<br />
g mm mm mm kg/m³ kN N/mm²<br />
H1 1061 76,5 73,8 77,9 2411,5505 59,02 12,9<br />
H2 1106 79,6 74,8 75,8 2450,5934 600,21* 105,9<br />
H3 1029 75,8 74,1 75,6 2422,5878 599,94* 107,1<br />
Mittelwert 2428,2439 75,3<br />
* Druckkraft der Maschine erreicht<br />
Tabelle 7 – Probe H, Prüfergebnisse<br />
A 3.26
Anhang 3<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
A 3.27
Anhang 3<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
A 3.28
Anhang 3<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
A 3.29
Anhang 3<br />
1.2.9 Probe I<br />
Aus Natursteinprobe I konnten aufgrund deren geringen Abmessungen keine<br />
repräsentative Prüfkörper erzeugt werden. Die Natursteinprobe ist vermutlich ein<br />
Porphyrtuff. Er weist partiell krustenhafte Verfärbungen an der Steinoberfläche auf. In<br />
den nachfolgenden Abbildungen ist die entnommene Steinprobe dokumentiert.<br />
Abbildung 16 – Probe J, Naturstein, Porphyrtuff<br />
1.2.10 Probe J<br />
Analog der Natursteinprobe I konnten auch bei dieser Steinprobe keine<br />
repräsentativen Prüfkörper erzeugt werden. Es handelt sich bei diesem Probestück<br />
vermutlich um einen Quarzporphr, analog der Probe H. In den nachfolgenden<br />
Abbildungen ist die entnommene Steinprobe dokumentiert.<br />
Abbildung 17 – Probe J, Naturstein, Quarzporphyr<br />
A 3.30
Anhang 3<br />
1.3 Auswertung<br />
Die aus der Druckprüfung gewonnenen Ergebnisse können in folgenden<br />
Diagrammen dargestellt werden.<br />
Steindruckfestigkeit in [N/mm 2 ]<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Ziegelsteine<br />
Prüfkörper<br />
Steindruckfestigkeit in [N/mm 2 ]<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Natursteine<br />
Prüfkörper<br />
Der Prüfung des Natursteinmaterials kann aufgrund der geringen Anzahl der<br />
Prüfkörper und durch das Erreichen der Druckkraft der Prüfmaschine keine<br />
realistischen Werte entnommen werden.<br />
Folgende Mittelwert können anhand der Steinprüfung angegeben werden:<br />
- Steindruckfestigkeit Ziegel: 12,1 N/mm 2<br />
- Steindruckfestigkeit Naturstein: 75,5 N/mm 2<br />
Die vereinzelten Abweichungen der Werte können im Allgemeinen durch<br />
strukturbedingte Unregelmäßigkeiten begründet werden.<br />
A 3.31
Anhang 3<br />
Bei der Untersuchung der Ergebnisse wurde festgestellt, dass in der Probenreihe D<br />
vereinzelte Einschlüsse mit verhältnismäßig großem Gesteinsmaterial aufweist,<br />
insbesondere die Probe D1.<br />
Weiterhin wurde festgestellt, dass die Probenreihe E, kein vergleichbares<br />
Strukturgefüge zu den anderen Ziegelproben aufweist. Die Ziegelstruktur erscheint<br />
dichter. Es scheint, dass dieser Stein nicht zum Zeitpunkt der anderen Steine verbaut<br />
wurde. Vermutlich stammt dieser Stein aus einer früheren oder späteren<br />
Umbauphase. Dies würde die höheren Festigkeiten erklären.<br />
Aufgrund des Alters der Steine können diese folgende Strukturunregelmäßigkeiten<br />
aufweisen.<br />
- Hohlräume<br />
- Gesteinseinschlüsse<br />
- Vorschädigungen aus Feuchtigkeits-, Salz-, und organischer (EHS) Belastung<br />
Abschließend ist noch zu erwähnen, dass bei einer Unsauberkeit der Druckplatten<br />
die Werte verfälscht werden können.<br />
<br />
A 3.32
Anhang 4:<br />
Auszug aus dem Mauerwerksgutachten<br />
[13]
Anhang 4<br />
Laborergebnisse Mörtelprüfung (exemplarisch<br />
A 4.1
Anhang 4<br />
A 4.2
Anhang 4<br />
A 4.3
Anhang 4<br />
A 4.4
Anhang 4<br />
Mauerwerkssondierung Außenwände (exemplarisch)<br />
A 4.5
Anhang 4<br />
A 4.6
Anhang 4<br />
A 4.7
Anhang 4<br />
A 4.8
Anhang 4<br />
Laborergebnisse Schadsalzbelastung<br />
A 4.9
Anhang 4<br />
A 4.10
Anhang 4<br />
A 4.11
Anhang 4<br />
A 4.12
Anhang 4<br />
A 4.13
Anhang 4<br />
A 4.14
Anhang 5:<br />
Auszug aus dem Bodengutachten<br />
[23]
Anhang 5<br />
Die nachfolgenden Abbildungen stellen die grafischen Untersuchungsergebnisse der<br />
vorgenommenen Schürfe dar.<br />
A 5.1
A 5.2