Wände im Bestand, Wandertüchtigung - Denkmalpflege TU-Wien

Kapitel 04 –Wände im Bestand - Wandertüchtigung- Konstruktionstypen – Historische Entwicklung- Materialeigenschaften- Mauerwerksgutachten- Vertikaler Bemessungswiderstand einer Wand- Bespiel: Vertikale Bemessungslast- Mauerwerksgutachten- Wanddurchbrüche und Auswechslungen- MWK Schadensbilder- MWK Verpressung1

Konstruktionstypen (histor. Entwicklung):Antikes Mauerwerk:Im Zwischenstromland wurde zunächst Mauerwerk ausungebrannten Lehmziegeln, später aus gebranntenZiegeln hergestellt. Die Vermörtelung erfolgte anfangsmittels Lehm, danach verwendete man Kalkmörtel.In Griechenland und Ägypten erreichte derMauerwerksbau seine Blütezeit. Das Mauerwerk wurdeals Trockenmauerwerk ein- und dreischalig (mitLockerkern) hergestellt.Im römischen Imperium wurden standardisierteAusführungen unter Verwendung von hydraulischenBindemitteln errichtet.2

Konstruktionstypen (histor. Entwicklung):Bautechnik des MittelaltersDer Natursteinmauerwerksbau wurde forciert(Sakralbauten,..).Oft wurden mehrschalige Mauerwerke (mit sehr wenigBindemitteleinsatz) errichtet Standsicherheit heute??3

Konstruktionstypen:Industrialisierung:Es wurden keramische Mauersteine in Manufakturenhergestellt mechanische Kennwerte wurden zwareinheitlicher, aber gegenüber der handwerklichenHerstellung gesenkt.Mauerwerksbauten wurden bis 1859(Veröffentlichung der Wiener Bauordnung) weiterhin„geschätzt“.4

Konstruktionstypen:Gründerzeit (um 1900):Mauerwerke wurden mittels NF-Ziegeln unterVerwendung von Mörteln höherer Festigkeit erstellt.Die Ziegelherstellung erfolgte industriell. Diemechanischen Eigenschaften der Ziegeln können imAllgemeinen der Güteklasse I zugeordnet werden.Entwicklung von 1920 bis 1950:Es wurden in der Zwischenkriegszeit zwar wenigGebäude gebaut, aber neue Methoden, wie die Mantel-,oder Schüttbetonbauweise entwickelt.5

Materialeigenschaften:Mechanische Kennwerte werden in der Regel durchUntersuchung der Komponenten Mörtel und Mauersteinerhoben. Erste Anhaltspunkte liefern Baustoff- und zeit.Stein:Bestandsmauerwerk kann je nach Art der verwendetenMauersteinen den folgenden Materialien zugeordnetwerden:Tabelle 1: Festigkeitsangaben zu Mauersteinen um 1900 nach EC8:SteinZiegel, gewöhnlichZiegel, gutHandschlagziegelMaschinziegelWölbziegelLochziegelMaschinlochziegelPröse VollziegelPröse WölbziegelKlinkerDruckfestigkeit fb[N/mm²]6,0 – 12,014,0 – 25,015,0 – 30,020,5 – 23,012,319,415,015,02,730,0 – 90,0Zugfestigkeit fz N/mm²]1,02,02,5 – 5,01006

Materialeigenschaften:Mörtel:Anders als bei den Mauersteinen, deren angeführtemechanische Kennwerte gut beschrieben werden können,ist es bei den Mörteln notwendig (zumindeststichprobenartig) Proben zu entnehmen und diese zuüberprüfen, bevor die in die Rechnung übernommenwerden.Tabelle 2: Mechanische Kennwerte von Mauermörteln, Angaben um 1900:BezeichnungMischungDichte[kg/m³]Druckfestigkeitfb [N/mm²]Zugfestigkeitfz N/mm²]Kalksandmörtel(Weißkalk)Kalkteig/Sand16504,0 – 5,00,5 – 0,6Mörtel aus hydr.KalkKalk/Sand-3,0 – 5,0 (15,0)0,6 – 0,8 (1,8)RomanzementmörtelRomanz./Sand17008,0 – 13,01,0 – 2,0PortlandzementmörtelPZ/Sand170012,0 – 16,00,8 – 1,6KalkzementmörtelZ/KT/Hydr.K./Sd.-8,5 – 29,01-37

Aktuelle Messungen ergeben deutlich geringereWerte, die bis zu 80% unter den Angaben aus derBauzeit liegen können.Die Mörtelqualität die wir in Gründerzeithäusernmessen liegt zwischen 1 – 3 N/mm2Die Mauerwerksnorm nach Eurocode verlangt eineMindestdruckfestigkeit von 2,5 N/mm2.Diese wird nur mit wenigen Bestandhäusern erreicht.Ausweg:Erleichterung im NAD (NationalesAnwendungsdokument)In Wien geregelt mit einem Merkblatt der MA 37-S, daseine Lasterhöhung regelt und festlegt, dass dieSicherheit des Bestandes sich durch Bau- undUmbaumaßnahmen nicht verschlechtern darf.8

Mauerwerksfestigkeit:• Ziegelfestigkeit (Steinfestigkeit) fb• Mörtelfestigkeit fmDie Festigkeiten des Mörtels sind kleiner als die desZiegels. Beide Festigkeiten können durch die Entnahmevon Probezylindern (ca. ø 15 cm) und Festigkeitsprüfungim Labor ermittelt werden.Die endgültige Mauerwerksbelastung (ÖNORM B 3350) fkwird mit der Formel berechnet:fk = K * fb a * fm b[N/mm²]K … Beiwert ca. 0,5 bis 0,6 für Normalmörtela … Beiwert a = 0,65 für Ziegelmauerwerkb … Beiwert b = 0,25 für Ziegelmauerwerkfb … Steinfestigkeit: z.B.: 15 N/mm²fm … Mörtelfestigkeit z.B.:1N/mm² bis 3N/mm²Mehr Details finden Sie in der MauerwerksnormÖNORM B 33509

Auszug aus der ÖNorm B 3350, Seite 15Vertikale Bemessungslast einer Wand:Die vertikale Bemessungslast einer Wand N Sdwird wie folgterrechnet:N Sd= γ G* ΣG k,j+ γ Q* ΣQ k,,jHierin bedeutet:G k,jQ k,,jγ G(γ G= 1,35)γ Qcharakt. Wert ständiger Einwirkungencharakt. Wert veränderlicher EinwirkungenTeilsicherheitsbeiwert für ständiger EinwirkungenTeilsicherheitsbeiwert für veränderlicherEinwirkungen (γ Q= 1,50)Näherungsweise kann mit einem globalenSicherheitsbeiwert von 1,4 (=2/3 * 1,35 + 1/3 * 1,50)gerechnet werden.10

Auszug aus der ÖNorm B 3350, Seite 15Vertikale Bemessungswiderstand einer Wand:Die vertikale Bemessungswiderstand einer Wand N Rdwird wie folgt errechnet:N Rd= Ø * f k* A / γMØ … Beiwert aus der Schlankheit der WandØ = 0,85 - 0,0011 * (b/h)² für h/t ≤ 0,25fk ... Mauerwerksfestigkeit, siehe obenA … Wandflächeγ M… 2,2 für Mauerwerk (Sicherheit Material)→ Gesamtfestigkeitf k/ γ = zulσ (ca. 10 kg/m²)f… Festigkeitγ… Sicherheitσ…Spannung11

Auszug aus der ÖNorm B 3350, Seite 16Mauerwerksprüfung:Es sind Ergebnisse von 2 Prüfungen zu je 3 Pfeilern oderStützen heranzuziehen und daraus ist die 5 %-Fraktile zuberechnen. Die dabei jeweils verwendeten Steine müssenaus unterschiedlichen Produktions-Chargen stammen. Diezweite Prüfserie darf frühestens einen Monat, muss aberinnerhalb von 6 Monaten nach der ersten geprüft werden.Beide Prüfprotokolle gemeinsam bilden die Grundlage fürden dieser Stein-Mörtel-Kombination zugeordneten Wertder charakt. Druckfestigkeit der Wand f k.(1) Die Mauerwerksprüfung erfolgt an 28 Tage altenRILEM-Prüfkörpern. Das Prüfergebnis kann einerSchlankheit λ = 5 (f RILEM= 0,9 * f k) zugeordnet werden undist auf die jeweiligen Material-Nennfestigkeiten mittelsfolgender Beziehungen umzurechnen, wobei gelten muss:12

Die Exponenten a und b sind entsprechend derStein-Mörtel-Kombination der Tabelle 1 (Seite 17) zuentnehmen.(2) Falls bereits nach Vorliegen der Ergebnisse derersten Prüfserie (3 Pfeiler) ein Wert für f kangegebenwerden soll, so ist der Mittelwert der Prüfergebnissedieser ersten Serie durch 1,2 zu dividieren. Ist derkleinste Einzelwert kleiner als der so ermittelte fiktiveWert für f kso ist f kdem kleinsten Einzelwertgleichzusetzen.13

Abminderungsfaktor Ø:15

Bsp.: Vorhandene Vertikale BemessungslastProjekt: 1010 WienKlassischer Jahrhundertwendebau mit Außenwänden ausZiegel. Wandbreiten springen je Geschoß um 15 cmzurück.Lastmäßig sind die Mittelwände besonders zu beachten,da diese die halben Lasten des straßen- und hofseitigenHaustraktes ableiten müssen.16

Projekt: 1010 WienJe Geschoß kann hier von einer Last vong = 300 kg/m² (für Holzdecken) für das Eigengewicht undg = 500 kg/m² (für Massivdecken; Stahlträger mitdazwischen gespannten Gewölbekappen) für dieEigenlast angenommen werden.17

Jahrhundertwendebau in 1010 WienHofverbauung imLeichtbau 2-geschoßigAW HofMittelwandAW Strasse3-Teilung des Gebäudes – Außenwandachse,Mittelwandachse und Hofwandachse; Wanddicken ca.80cm, pro Geschoss um 15cm reduziertZugang zu den Wohnungen – Laubengang mitGlasbausteinen18

Projekt: 1010 WienSchnitteLasten maximal in derMW-Achse (2x diehalbe Einflussbreiteder Decke)AW StrasseMWAW Hof19

Zulässige Mauerwerkspressung 8-12 kg/cm²MITTELWAND:hier sind genaue Bestandsuntersuchungen notwendig.Die Lasten werden auf wenige Pfeiler bzw.Mauerwerksquerschnitte zwischen den Kamingruppengestützt.KRITISCH: Pfeilerflächen der Mittelwand im EG(Kaminflächen statisch nicht belaste t+ doppeltenEinflussflächen aus den Geschossdecken)20

Man unterscheidet zwischen:MWK - Gutachten:• Prüfung der Mauerwerksfestigkeit• Prüfung der Einzelkomponenten1. Mauerwerksfestigkeit:Die Mauerwerksprüfung kann entweder durchdirekte Methoden (Pfeilerentnahmen mitanschließender Laborprüfung, Entnahme vonBohrkernen,…) oder mitteln indirekter Methoden(Anwendung mechanischer Wellen,…) passieren.Nur mit einer ausreichenden Anzahl an Probestellen isteine aussagekräftige Beurteilung erzielbar.Für den Probekörper giltfolgendes:- Mauerwerk im Verband- mind. 2 Steinlängen- mind. 5 Steinscharen hoch- Dicke gleich der Steinbreite- Verhältnis h/b ≥1,- Schlankheit 3 ≤ h/d ≤ 521

MWK - Gutachten:2. Komponentenfestigkeit:Die Steindruckfestigkeit f b kann ermittelt werden über:- Ganze Steine- Halbsteine- Würfel 3/3 bis 5/5- BohrkernDie Mörteldruckfestigkeit f m kann ermittelt werden über:-Normprüfung 4/4/16cm-Prisma-Stempeldruckfestigkeit-Rückprall-/Eindring-PrüfungDas Prüfverfahren – Komponente Stein/Ziegel:Üblicherweise werden 4-6 Halbsteine bei einer Prüfstelleentnommen. Im Labor wird die Probe auf ein passendes Maßabgeschnitten, die Oberfläche abgeglichen und anschließendgeprüft.Das Prüfverfahren – Komponente Mörtel:Vor dem Stempeldruckversuch wird die Probe mit einerGipsschicht abgeglichen, anschließend zentrisch zwischendie beiden Prüfstempel eingebaut und anschließend mit einerBelastungsgeschwindigkeit von 0,1N/mm²/sec abgedrückt.22

MWK - Gutachten:Beispiel einer Komponentenprüfung:Vorgangsweise:Die entnommenen Ziegeln werden plan geschliffen undanschließend im Druckversuch geprüft.Die Oberfläche der Mörtelprobe wird abgeschliffen,anschließend mit einer dünnen Gipsschicht abgeglichen undnach entsprechender Erhärtungszeit in quadratische Blöcke vonca. 40mm geschnitten und ebenfalls hinsichtlich ihrerDruckfestigkeit geprüft.Auswertung:Zunächst werdendie einzelnen Probestellenüberblicksmäßigeingezeichnet:Kennzeichnung einer Probestelle23

MWK - Gutachten:Danach wird an jeder Probestelle eine Probe des Ziegel sind desMörtels genommen und die zugehörigen Festigkeiten ermittelt.Abb.: Ermittlung der Ziegel- und Mörteldruckfestigkeit24

Wanddurchbrücheund-auswechslungenNeue Durchgangssituationerfordert Vermauerung undAuswechslung25

VerteilerplatteProjekt:1010 WienMauerauswechslungDimensionierung derStahlträger:Durchbiegung l/500 bzw.eine Mauerwerksverformung< 1 cmEmpfehlung: Ausrichtung an den Fensterachsen undÖffnungen max. 5 mBetonsockel zur Lastverteilung von etwa 25 cm Höhe *Auflagerbreite * 25 cm Tiefe haben. Zwischen Stahlträger undBetonsockel NeoprenlagerDie Stahlstützen werden nachträglich ausgemauert bzw. dieHohlräume mit Beton vergossen (Brandschutzverordnung).26

Projekt: 1030 WienErkennbar ist eine ehemaligeZwischenwand, die in dieReste des Pfeilers verschmatztist. Der neue Unterzug ist einStahlträger, der die Lasten derMittelwand sowie dieDeckenlasten samtZwischenwänden übernehmenwird.Der Mauerwerkspfeiler wirderst dann entfernt, wenn der I-Träger kraftschlüssig mit derDecke verbunden ist.27

Projekt: 1010 WienWand- undDeckenbohrungen fürHaustechnik LeitungenRunde Bohrungen sindeinfacher herzustellenals rechteckigeStemmlöcher undstatisch günstiger28

Projekt: 1010 WienStiegenhausUnd zum Abschluss stemmt die Wien Gas in diehoch belasteten Stiegenhauswände tiefe Schlitzeohne Rücksprache mit dem Statiker....29

Typische Schadensbilder eines MWKs:Rissschäden:- Zufolge Setzungen- Laststeigerung durch UmbautenÜberbeanspruchung im Nahbereich Auflager:- Konzentrierte Lasten- Querschnittsschwächung durch Einbauten- Veränderung des Kraftflusses in kleinere BereicheVeränderung im Bestand:- Durchbrüche- Gefügeänderung durch BindemittelauswaschungFeuchteschäden:- Durch aufsteigende Feuchte- Durch Feuchte aus anderen Gebieten (undichteAbwasserleitung,..)30

Grundlagen der konstruktiven Bewertung:Einwirkung:Die Einwirkungen auf Mauerwerkskonstruktionen könnennach folgender Abbildung leicht in Direkte und IndirekteEinwirkungen eingeteilt werden.Im Vordergrund sollte nach derzeitigem Wissensstand derTragsicherheitsnachweis bei außergewöhnlicherBeanspruchung stehen.EinwirkungDirekte Einwirkung(Lasteinwirkung)Indirekte Einwirkung(Verformungseinwirkung)Ständige EinwirkungVeränderliche EinwirkungAußergewöhnliche EinwirkungTemperatureinwirkungStützensenkungZeitabhängige und plastischeVerformungen (Kriechen, Schwinden)31

Grundlagen der konstruktiven Bewertung:Einwirkung:Die momentan wahrscheinlich wichtigste Beanspruchungfür historische Mauerwerkskonstruktionen Stelltwahrscheinlich die Erdbebenbeanspruchung dar.Dies ist eine dynamische Beanspruchung und kann alszyklische Horizontaleinwirkung modelliert werden.Typisches Bruchverhalten von Mauerwerk bei zyklischerBeanspruchung. Es kommt zur Bildung von Kreuzrissen zwischenden Wandöffnungen32

Kreuzrisse Lastfall Erdbeben33

Grundlagen der konstruktiven Bewertung:Beanspruchbarkeit:Für Mauerwerk ist meist nicht die Biegebeanspruchung,sondern die Druckfestigkeit und Schubtragfähigkeitmaßgebend.Strukturelle Bewertung des Mauerwerks:- Identifikation des Tragsystems- Dokumentation der seit der Errichtung vorgenommenenÄnderungen- Feststellung von Schäden- Feststellung des vorhandenen Baugrundes- Beschreibung der geplanten NutzungDiese Informationen können im sogenanntenIngenieurbefund zusammengefasst werden.34

Grundlagen der konstruktiven Bewertung:Beanspruchbarkeit:Empfindlichkeitsbewertung:Um das Sicherheitsniveau eines Bauwerks zubeurteilen wird eine Empfindlichkeitsbewertungdurchgeführt, die so genau sein muss, wie es dieAufgabenstellung erfordert. Sie soll möglicheSchädigungen eines bestehenden Bauwerks infolgeeiner möglichen Einwirkung (z.B.: Erdbeben)beschreiben.Nach EC8 werden 3 Ebenen unterschieden:Ebene1:- Rasche Risikoermittlung- Allgemeine Gebäudedaten werden erhobenEbene2:- Genauere Erhebung mit genaueren GebäudedatenEbene3:- Genau Analyse des Tragwerks unterBerücksichtigung aller geometrischer undmechanischer StrukturenDie „Wahl der Ebene“ wird dem Tragwerksplanerüberlassen.35

EG - Umbau in1010 Wien36

Bsp. Auswechslungsplan (Phasenplan):37

Bsp. Auswechslungsplan (Phasenplan):38

Bsp. Auswechslungsplan (Phasenplan):39

MWK Verpressung:Möglichkeit der Verstärkung:Folgende Verfahren wurden als günstig für bestehendeMauerwerkskonstruktionen eingestuft.Verpressen:Es müssen zugängliche Poren vorhanden sein, die auchausreichend vom Injektionsgut durchdrungen werdenkönnen müssen.- Injektion mit Schaummörtel- Zementinjektion- Injektionsmaterial mit hydraulischen BindemittelnVerstärkende Verfahren:Die Hohlraumstruktur wird verpresst und verfestigt denbearbeiteten Bauteil.- Mikrozementinjektion- Kunstharzinjektion, PU, PE-HarzeExterne Verstärkungselemente:Lastumlagerung auf Verstärkungselemente.- Vernadelung- Vorspannung40

Ertüchtigungsmaßnahmen:Mauerwerksverpressung 1060 Wien41

Bruchsteinmauerwerk bei etwa 3-5 kg/cm²Ziegelmauerwerks bei etwa 12-15 kg/cm²Es handelt sich hier also um eine Art Sandwichbauweise, wosich tragende und nicht tragende Schichten abwechseln.Schlußendlich wurde ein Injizieren der hoch belastetenWände im EG beschlossen. Dabei wird mit hohem Druck einKunstharzmörtel injiziert, was die Hohlräume desMauerwerks und den Mörtel verfestigt, wobei nachher Wertebis zu 20-25 kg/cm² Druckfestigkeit erreichbar sind. Nachteildes Verfahrens: Verunreinigung der Umgebung42

Injizierung – Anker greifen in 2/3 der Wandstärke ein. In dieBohrlöcher (Rasterung siehe Bild) werden Injektionsdüsengesetzt. Danach erfolgt die Injektion schachbrettartig überdie Wand verteilt (siehe die ersten 3 Vertikalreihen nebendem Türstock).43

Stahlbeton-Vorsatzschalen:Eine weitere Möglichkeit der Verbesserung einerBestandsmauer besteht darin eine Vorsatzschale ausStahlbeton vor der bestehenden Zwischen- od.Feuerwand herzustellen.44

Projekt 1150 Wien:45

Projekt 1050 Wien – Verstärkung der Feuermauer:46