Der Einsatz von Kraft- und Verformungsmesstechnik bei der Umsetzung eines innovativen Sanierungskonzeptes am Schloss Friedenstein Gotha

Bedingt durch Schädigungen an der Tragkonstruktion sowie den Auflagerpunkten des Dachtragwerks auf dem Außenmauerwerk traten im Laufe der Zeit starke Deckendurchbiegungen im 2. und 3.Obergeschoss auf. Für die Durchführung der Sanierung wurde in Abstimmung aller Beteiligten ein Konzept entwickelt, dessen Kernstück eine komplexe Umlagerung der Laternenlast von den Sprengwerksäulen in die Sprengwerkstreben bildete.

1. Einleitung und Problemstellung

Das Schloss Friedenstein ist Thüringens größter Schlossbau nach dem 30jährigen Krieg sowie Deutschlands größte frühbarocke Schlossanlage. Der Grundstein wurde 1643 durch Herzog Ernst I. gelegt. Unter Leitung des Magdeburger Festungsbauers Andreas Rudolph wurde der Bau errichtet und bis 1654 fertig gestellt.

Abb. 1: Schloss Friedenstein im heutigen Zustand
(Bild: Ingenieurbüro Hirsch, Erfurt)

 

Neben der Nutzung als fürstliche Residenz wurde das Schloss in der Zeit des Barocks bis zum Klassizismus für Wohn- und Repräsentationszwecke genutzt. Das Schloss wird derzeit maßgeblich von der Forschungs- und Landesbibliothek Gotha und vom Thüringischen Staatsarchiv Gotha genutzt. Darüber hinaus findet eine erhebliche touristische Nutzung statt. Der Westturm bildet mit einer Kantenlänge von 26m und einer Höhe von 40m die Südwestecke des Schlosskarrees. Er beherbergt unter anderem das Ekhoftheater aus der Zeit um 1681, welches zu einem der ältesten barocken Theater mit noch original erhaltener Bühnentechnik zählt.

Die Dachkonstruktion des Westturmes ist als Zeltdachkonstruktion mit einer achteckig aufgesetzten Laterne (kuppelartiger Aufbau) ausgeführt. Um eine nahezu stützenfreie und somit großzügige Raumsituation im Turm zu erreichen, wurden die Lasten aus der Laterne bereits in der ursprünglichen Bauweise durch Sprengwerke in das Außenmauerwerk abgeleitet. Als Sprengwerke werden Tragkonstruktionen bezeichnet, bei denen Kräfte durch Schrägstreben abgetragen werden.

Abb. 2: Ansicht des Westturms

 

Abb. 3: Querschnitt des Westturms

 

Bedingt durch Schädigungen an der Tragkonstruktion sowie den Auflagerpunkten des Dachtragwerks auf dem Außenmauerwerk traten im Laufe der Zeit starke Deckendurchbiegungen im 2. und 3.Obergeschoss auf. Dadurch war der ursprüngliche historische Lastabtrag der Laterne nicht mehr gegeben und es fand eine Lastumlagerung auf die Decken und Unterzüge der darunter liegenden Geschosse mit der Folge der Überlastung dieser Bereiche statt. In Abb. 4 sind links der geplante Lastabtrag und rechts der sich infolge der Schädigung ergebende Kraftfluss dargestellt.

 

Ursprünglich geplanter Kräfteverlauf

 

 

Tatsächlicher Kräfteverlauf

Abb. 4: Vergleichende Darstellung des Kraftverlaufs (Kraftfluss) im Bereich der Sprengwerke

2. Sanierungskonzept

Bei der eingeleiteten Sanierung sahen sich die Planer und Ausführenden mit folgenden Anforderungen konfrontiert:

• Umsetzung eines denkmalgerechten Lösungsansatzes
• keine zusätzlichen Tragwerksverstärkungen in den genutzten Geschossen
• Sanierung bei laufender Nutzung
• Erhaltung historischer Bausubstanz
• Verstärkungsmaßnahmen weitestgehend lokal begrenzt und reversibel
• kostenoptimierte Sanierungsvariante

Auf Grundlage dieser Aufgabenstellung sowie nach Abwägung unterschiedlicher Sanierungsvarianten sah die Planung die Wiederherstellung der historischen Lastabtragung der Laternenlast vor. Für die Durchführung der Sanierung wurde in Abstimmung aller Beteiligten ein Konzept entwickelt, dessen Kernstück eine komplexe Umlagerung der Laternenlast von den Sprengwerksäulen in die Sprengwerkstreben bildete. Dazu wurden nach Ertüchtigung der Holz-Sprengwerke 8 Spannelemente mit integrierter Kraftmessung in die Druckstreben integriert. Zur Aktivierung der Sprengwerke musste der bisherige Kraftfluss umgelastet werden. Die Vorgehensweise dazu ist in der Abb 5 schematisch dargestellt.

Die Last aus den Sprengwerksäulen wurde temporär auf 8 Paare hydraulischer Pressen umgelastet, um die Fußschwelle und den darunter befindlichen Mauerwerkssockel lastfrei stellen und rückbauen zu können. Mit Hilfe der kombinierten Kraft-/ Wegmessung je Pressenstandort erfolgte die Überwachung des Last-Verformungsverhalten. Der Eintrag zusätzlicher Lasten in den bereits stark überlasteten Bereich unterhalb der Fußschwelle konnte somit verhindert werden. Mit dem Rückfahren der Hydraulikpressen erfolgte die Entlastung der Decke und der Lastabtrag über die Sprengwerkstreben in das Außenmauerwerk. Hierbei muss eine vordefinierte Lastverteilung zwischen den einzelnen Streben eingestellt werden.

Diese Umlagerung des Kraftflusses ist nur realisierbar, wenn prozessbegleitend die dabei auftretenden Kräfte und Verformungen an verschiedenen Punkten des Sprengwerkes mit hoher Genauigkeit gemessen und vor Ort dargestellt werden.

 

Abb. 5: Umlastung des Kraftflusses
oben schematische Darstellung, unten Bausituation vor Ort

 

Darüber hinaus besteht ein wichtiger Bestandteil des Sanierungskonzepts darin, die Kraftflüsse und das Verformungsverhalten auch über die Sanierungsphase hinaus messtechnisch zu überwachen. Daraus leitete sich die Entwicklung und Durchführung eines kombinierten Monitorings aus elektrischen Onlinemessungen und geodätischer Überwachung zur Ermittlung der Verformungszustände ab.

3. Einsatzgebiete der Messtechnik

Zur Steuerung und Überwachung der komplexen Abläufe bei der Lastumlagerung kam der Messtechnik eine bedeutende Rolle innerhalb des Sanierungskonzepts zu. Diese erstreckte sich auf verschiedene Teilbereiche:

3.1 Messung der Pressenkräfte an den Sprengwerksäulen

Bei der temporären Lastumlagerung wurde die von jedem Pressenpaar aufgebrachte Kraft mittels im Kraftfluss befindlicher Kraftaufnehmer erfasst. Zum Einsatz kamen Sensoren des Typs C6A (HBM) mit einer Nennlast von 200kN, die an einen Messverstärker Spider8 (HBM) angeschlossen waren. Der Messverstärker wurde mit einem Erweiterungsmodul SR55 auf 8 Trägerfrequenzmesskanäle erweitert. Die Kraftmessung erfolgte an jeweils einer der Pressen der Pressenpaare, da durch die hydraulische Kopplung beider Zylinder von einer symmetrischen Lastverteilung ausgegangen werden konnte. Abb. 6: zeigt eine solche Messstelle.

Durch die gezielte Ansteuerung der einzelnen Pressenpaare sollte eine gleichmäßige Lastverteilung auf die eingesetzten Hydraulikzylinder erreicht werden. Zudem waren bestimmte Grenzlasten nicht zu überschreiten, da es ansonsten zu punktuellen Überlastungen der Deckenkonstruktion und damit zu einer weiteren Schädigung durch die Sanierungsarbeiten kommen konnte. Dieses war verständlicherweise auf jeden Fall zu vermeiden. Des Weiteren sollte auf diesem Wege die ursprünglich unbekannte Gesamtlast der Laterne auf messtechnischem Wege bestimmt und damit für die weiteren statischen Berechnungen des Tragwerks zu Verfügung gestellt werden.

Die Messdaten aus der Hydraulikkraftmessung wurden in Echtzeit dem verantwortlichen Statiker vor Ort zu Verfügung gestellt.

Abb. 6: Hydraulikpresse mit Kraftaufnehmer und Wegsensor am Fuß einer Sprengwerksäule

3.2 Messung der Hubwege an den Sprengwerksäulen

Parallel zur Messung der Hydraulikkräfte wurde die Hebung der Sprengwerksäulen relativ zur darunter liegenden Deckenkonstruktion des 3.OG messtechnisch erfasst. Zum Einsatz kamen potentiometrische Wegaufnehmer, die an einen weiteren achtkanaligen Spider8 Messverstärker angeschlossen waren. Wie in Abb. 6 zu sehen, befanden sich die Messstellen unmittelbar benachbart zu den Hydraulikpressen.

Die Messung diente unter anderem dazu, den Zustand der vollständigen Lastübernahme durch die Hydraulikpressen zu erkennen.

Dieser war gekennzeichnet durch eine Lastfreistellung der Sprengwerksäulen von der darunter liegenden Balkenlage, was sich in der Kraft-Verformungs-Kennlinie der kombinierten Kraft-Weg-Messung widerspiegelte. Zudem erfolgte die Steuerung der Hydraulikpressen manuell anhand des sich einstellenden Weges.

3.3 Bestimmung der Strebenkräfte durch Dehnungsmessung an den Sprengwerkstreben

Ein weiterer wichtiger Teil der messtechnischen Begleitung der Sanierungsarbeiten bestand in der Messung der Druckkräfte in den Sprengwerkstreben. Hintergrund war die Forderung durch den Tragwerksplaner, eine vorgegebene Lastverteilung zwischen den einzelnen Streben zu realisieren, die durch selektives Anspannen im Zuge einer Feinjustage herzustellen war. Zur Vermeidung von Überlastungen musste auch hier die Einhaltung einer vorgegebenen Grenzlast sichergestellt werden. Zudem sollte die Lastsituation im Sprengwerk über einen auf die Sanierung folgenden längeren Zeitraum überwacht werden.

Abb. 7: Schematischer Aufbau des kombinierten Hänge-/Sprengwerks mit Spannelementen in den Druckstreben

 

Angesichts dieser Anforderungen wurde ein kombiniertes Mess- und Spannelement (MSE) entworfen und im Kraftfluss jeder Sprengwerkstrebe angebracht. Der schematische Aufbau ist in Abb. 7 zu sehen. Über ein Gewinde konnte die Länge des Elements variiert und damit der Lastanteil der Strebe kontrolliert beeinflusst werden. Die Betätigung erfolgte manuell.

Abb. 8: Spannelement mit DMS-Vollbrücke
oben Testobjekt, unten Einbau in das Sprengwerk

 

Das gleiche Element diente zusätzlich der Kraftmessung, indem mittels elektrischer Folien-DMS eine Dehnungsmessung vorgenommen und unter Ausnutzung der linearen Spannungs-Dehnungs-Beziehung eine entsprechende Kraftberechnung ausgeführt wurde. Die Messstellen bestanden aus zwei am Umfang gegenüberliegenden T-Rosetten des Typs 6/120 XY 31 von HBM. Die DMS wurden elektrisch zur Vollbrücke verschaltet. Beabsichtigt war, auf diesem Wege Signaländerungen aufgrund veränderlicher Temperatur und Luftfeuchte zu kompensieren. Darüber hinaus kompensieren sich bei der gewählten DMS-Anordnung und -Verschaltung auch die Biegeanteile, die aufgrund des erheblichen Eigengewichts der Strebe und der Schrägstellung unvermeidbar sind.

Die Präparation der Messstellen erfolgte mit dem Klebstoff Z70. Zur Abdeckung wurde das von HBM empfohlene Mehrschichtsystem verwendet, bei dem die Dehnungsmessstreifen zunächst mit Polyurethanlack PU120 und anschließend mit Silikonkautschuk SG250 abgedeckt werden. Nach dem Aushärten folgt dann eine zusätzliche Abdeckung der Messstelle mit dem Abdeckband ABM75. Dieses Band besteht aus einer 0,05 mm dicken Aluminiumfolie mit einer darunterliegenden 3mm dicken Schicht Knetmasse. Es versperrt hochgradig das Eindringen von Feuchtigkeit.

Abb. 9: Prüfvorrichtung zum Kalibrieren der Spannelemente

 

Ein solches Mess- und Spannelement ist in Abb. 8 dargestellt. Ein baugleiches Modell des MSE wurde im Labor auf experimentellem Wege kalibriert. Zu diesem Zweck wurde der in Abb.9 gezeigte Lastrahmen hergestellt, in dem ein Teil der Spannvorrichtung mit bereits applizierter DMS-Messstelle über eine Hydraulik mit einer realen Last beaufschlagt werden konnte. Zur Kraftmessung wurde ein Kraftaufnehmer zwischengeschaltet. Aus den Messwerten bei verschiedenen Laststufen konnte ein Kennwert zur Bestimmung der Strebenkraft aus der Bückenausgangsspannung bestimmt werden. Die Messwerte der unterschiedlichen Laststufen zeigen, dass im gesamten Messbereich in sehr guter Näherung ein linearer Zusammenhang zwischen diesen Größen besteht.

3.4 Begleitende geodätische Messungen

Die Relativmessungen des Online-Messsystems wurden während der Umlastung mit geodätischen Messverfahren ergänzt. Obwohl die Messgenauigkeiten dieser Messungen deutlich geringer einzuschätzen sind, bieten sie doch den Vorteil eines absoluten Verformungsbezugs zum massiven Außenmauerwerk. Dadurch sind die elektronischen Messungen auf unabhängigem Wege überprüfbar. Folgende Größen wurden erfasst

• Höhenlage der Sprengwerksäulen in Bezug zum Außenmauerwerk
• Höhenlage des Hauptunterzugs der Decke des 3.OG in Bezug zum Außenmauerwerk
• Biegelinien der Decken im 2. und 3.OG an ausgewählten Punkten

Durch die Festinstallation ausgewählter geodätischer Messpunkte lassen sich Verformungsänderungen auch zu späteren Zeitpunkten erfassen.

3.5 Messwertverarbeitung und Visualisierung

Eine besondere Herausforderung stellte die Visualisierung der Messsignale vor Ort dar. Die Daten von 32 elektronischen Messstellen mussten aufbereitet und optisch übersichtlich zusammengefasst werden, um dem Tragwerksplaner die Möglichkeit zu geben, die Last und Verformungszustände im Tragwerk zu jedem Zeitpunkt des Umlastvorgangs rasch erkennen und beurteilen zu können.

Zudem sollte die Überschreitung vorgegebener Grenzwerte augenblicklich erfasst werden können. Die elektrischen Messwerte waren in Echtzeit in die entsprechenden physikalischen Größen umzuwandeln und verschiedene davon abgeleitete Berechnungsergebnisse, z.B. Kräftesummen zu ermitteln. Ein entsprechendes Visualisierungskonzept wurde im Vorfeld der Messung erarbeitet, mit dem verantwortlichen Tragwerksplaner abgestimmt und anschließend umgesetzt.

Kernstück der Messwertverarbeitung und –Darstellung sind der Mehrkanal Messverstärker Spider 8 und die zugehörige Software Catman 5 der Firma HBM.

Mit Catman wurden sowohl die Konfiguration der Hardware, als auch die Messwerterfassung, die Speicherung und die Echtzeitdarstellung der Ergebnisse ausgeführt. Als Messrate wurde 1Hz als ausreichend erachtet. Die Visualisierung erfolgte auf mehreren Bildschirmen sowie gleichzeitig  über Beamer auf Leinwänden. Als ein Beispiel ist in Abb.10 die Gestaltung einer solchen Bildschirmseite zu sehen. Im Mittelteil sind die gemessenen Pressenkräfte und die vorgegebenen Grenzlasten aufgeführt, wobei eine Grenzwertüberschreitung zu einem Farbumschlag führt. Ober- bzw. unterhalb sind die zugehörigen Wege der Sprengwerksäulen zu sehen, deren Größe mehrfach farblich abgestuft mit einem Blick zu erfassen ist. Am rechten Bildschirmrand sind weitere berechnete Werte platziert.

Abb. 10: Vor-Ort-Darstellung der Messwerte in Echtzeit, Catman –Onlinedokument, projiziert mit Beamer auf Projektionswand

4. Dauerüberwachung

Seit Abschluss der Umlastung wird mit einer zweijährigen Dauerüberwachung der Lastzustand der Sprengwerkstreben kontrolliert. Mit einer elektronischen Messeinrichtung werden mit einem Messzyklus von 2 Stunden die Daten erfasst und gespeichert. Die Messdaten werden über Datenfernübertragung regelmäßig übertragen und ausgewertet, um sie zeitnah dem Tragwerksplaner zur Bewertung bereitzustellen.

Bei der Bewertung von Messdaten aus Langzeitmessungen kommt dem jahreszeitlich bedingten klimatischen Einfluss eine erhebliche Bedeutung zu, da sich insbesondere temperaturbedingte Messwertänderungen erheblich auf das Messergebnis auswirken können. Um derartige Einflüsse richtig bewerten zu können, werden die Temperaturen sowie auch die relative Luftfeuchtigkeit im Zuge der Dauerüberwachung mit erfasst.

Die derzeit laufenden Messungen haben bereits gezeigt, dass ein gewisser Zeitraum erforderlich ist, bis sich ein stabiler Lastzustand eingestellt hat. Nach einem Jahr Dauerüberwachung wurde die Lastsituation der Sprengwerke nach Vorgabe des Tragwerksplaners durch Nachstellen der Spannelemente korrigiert. Der Zeitpunkt des Nachstellens der Spannelemente wurde daher so gewählt, dass ein voller Jahreszyklus seit der Umlastung vorlag.