Projekt 11217/01

Modellhafte Untersuchungen zu Fugenverbindungen von Alt- und Neusteinen am Beispiel der Frauenkirche in Dresden unter den Gesichtspunkten der Ressourcenschonung und der Verhinderung von Umweltschäden

Projektträger

Stiftung Frauenkirche Dresden
An der Frauenkirche 12
01067 Dresden
Telefon: 0351/49811-22

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Projektes war die qualitative und quantitative Klärung des Versagensphänomens der Stein-Mörtel-Stein-Verbindung für Sächsischen Sandstein unter Witterungseinflüssen und Umweltbelastung, um eine größere Dauerhaftigkeit der steinsichtigen Fassadenbereiche beim Wiederaufbau der Frauenkirche Dresden zu erreichen. Die Ergebnisse sollten unmittelbar in die Erhaltung der stehengebliebenen Ruinenteile sowie beim Einsatz von geborgenem und bruchfrischem Sandsteinmaterial einfließen. Die Entwicklung von optimierten Mörtelrezepturen stand dabei im Mittelpunkt der Analysen. Neben Auswahlkriterien für geeignetes Steinmaterial wurden Hinweise zur Verarbeitung und Ausführung von Sandsteinsichtmauerwerk aufgestellt. Die Ergebnisse sind allgemein auch bei anderen Sanierungsaufgaben anwendbar.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAufbauend auf einer umfangreichen Analyse des Wissensstandes zur Problematik wurden die einzelnen Arbeitsschritte und die notwendigen experimentellen und theoretischen Untersuchungen durchgeführt. Dabei wurde der Nachstellung von Umwelteinflüssen einschließlich möglicher Schadstoffbelastungen besonderes Augenmerk geschenkt. Die kritischen Bauwerksbereiche wurden hinsichtlich der real auftretenden Bauwerks- und Klimaverhältnisse untersucht. Die entscheidenden Belastungen des Stein-Mörtel-Stein-Verbundes sind: Eigenspannungszustände infolge thermischer, hygrischer, thermisch-hygrischer und mechanischer Beanspruchung. Darüber hinaus erfolgte die Analyse der Schadstoffwirkung beim Transportprozess des Wassers in die Fuge, durch den Stein und bei der anschließenden Verdunstung. Durch baustoffliche Analysen an ausgewählten Mörtelrezepturen und geeignetem Steinmaterial wurde der Versuchsablauf vorbereitet. Dabei konnten die entscheidenden Materialparameter herausgearbeitet werden. Mit numerischen Berechnungen und Parameterstudien wurden die ablaufenden thermisch-hygrischen und mechanischen Prozesse wirklichkeitsnah abgebildet und später mit den Versuchsergebnissen abgeglichen. Durch Kleinversuche wurden die herausgearbeiteten Zusammenhänge an Zwei- und Viersteinkörpern experimentell unter Ansatz realer Umwelteinflüsse in einer Klimakammer bestätigt und die theoretische Nachstellung anschließend kalibriert. Weitere Parameterstudien rundeten die Gesamtergebnisse ab. Zum Schluss erfolgte eine Zusammenfassung der theoretischen und experimentellen Ergebnisse. Ein optimierter Mörtel konnte vorgeschlagen und Kriterien für die Auswahl geeigneten Sandsteins formuliert werden.


Ergebnisse und Diskussion

Die Frauenkirche ist ein weithin sichtbares Bauwerk, das entscheidend das Erscheinungsbild der Stadt Dresden prägt. Aufgrund ihrer exponierten Lage ist die steinsichtige Kuppel ausgesprochen intensiven Witterungseinflüssen ausgesetzt. Vor diesem Hintergrund kommt der Auswahl besonders dauerhafter Baustoffe sowie der Entwicklung geeigneter Konstruktionsvarianten und -details eine besondere Bedeutung zu. Die im Rahmen dieses Forschungsprojektes behandelte Problematik erwies sich als ausgesprochen komplex und die zu lösenden Probleme als vielschichtig. Dabei mussten neben den besonderen Eigenschaften der verschiedenen sächsischen Sandsteine denkmalpflegerische Gesichtspunkte sowie Aspekte des Versetzens der Sandsteine berücksichtigt werden.Nach eingehenden Untersuchungen stellte sich heraus, dass eine Verwendung von Postaer Sandstein in Kuppeldeckschicht und Hintermauerung ohne eine zusätzliche Abdichtung bei ungünstigen Witterungsbedingungen zu einer starken Durchfeuchtung des Kuppelmauerwerks führt. Im Rahmen zusätzlicher Untersuchungen hat sich gezeigt, dass durch die Verwendung des Reinhardtsdorfer Sandsteins eine Verbesserung des feuchtetechnischen Verhaltens der Kuppelkonstruktion erzielt wird. Im Hinblick auf die Verwitterungsbeständigkeit ist jedoch die Kuppelausführungsvariante, welche die Verwendung des Postaer Sandsteins Mühlleite/Eisenhaltige Bank in der Deckschicht der Kuppel und den Reinhardtsdorfer Sandstein in der Hintermauerung vorsieht, gegenüber der Variante ausschließlich aus Reinhardtsdorfer Sandstein als wesentlich günstiger zu bewerten. Es wurde vorgeschlagen, dass die Deckschicht aus dem dauerhafteren Sandstein Mühlleite in allen Bereichen der Kuppel eine Mindestdicke von 30 cm aufweisen sollte. Damit ist der frostempfindlichere Reinhardtsdorfer Sandstein in ausreichendem Maße geschützt.Die Ergebnisse der Untersuchungen an den patinierten Altsteinen lassen darauf schließen, dass die Patina den Diffusionstransport nicht signifikant beeinflusst, während die kapillare Wasseraufnahme gegenüber dem unpatinierten Gestein deutlich reduziert wird. Diese Eigenschaften sind grundsätzlich als positiv zu bewerten, da durch den Einfluss der Patina das Eindringen der Feuchtigkeit erschwert, das Austrocknen des durchfeuchteten Gesteins jedoch kaum beeinträchtigt wird.
Als Ergebnis der Mörteluntersuchungen bzw. der Mörteloptimierung liegen im Vergleich zu den jeweiligen Ausgangsrezepturen neu entwickelte Verguss- sowie Verfugmörtelmischungen mit erheblich verbesserten Materialeigenschaften vor. Durch den Einsatz dieser optimierten Mörtel kann die Gefahr der Rissbildung insbesondere an den Fugenflanken wesentlich reduziert werden.Die für den Einsatz in der Kuppeldeckschicht entwickelten Verguss- und Verfugmörtel sind das Ergebnis einer Optimierungsaufgabe, bei der die unterschiedlichsten Anforderungen an den Fugenfüllstoff miteinander in Einklang gebracht werden mussten. Bei den Mörteln handelt es sich um verwitterungsunanfällige und dauerhafte Fugenfüllstoffe, die in Verbindung mit den Sandsteinvarietäten Mühlleite, Eisenhaltige Bank in der Kuppeldeckschicht sowie Reinhardtsdorf in der Hintermauerung eine sehr dauerhafte Kuppelausführungsvariante darstellen. Die im Rahmen der Mörtelentwicklung gewonnenen Erkenntnisse tragen somit zur Schadensminimierung bei und können auch auf ähnlich gelagerte Anwendungsfälle angewendet werden. Das Zeitintervall bis zur Notwendigkeit der Durchführung von Instandhaltungsarbeiten wird somit wesentlich verlängert. Die Ergebnisse des Projektes stellen einen wesentlichen wissenschaftlichen Beitrag zur Lösung des Problems des Versagens der Stein-Mörtel-Stein-Verbindung dar, die modellhaft in den Wiederaufbau der Frauenkirche einfließen. Gleichzeitig konnte damit eine Basis für weitere, vertiefende wissenschaftliche Arbeiten zur Problematik geschaffen werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse des geförderten Projektvorhabens wurden entsprechend den Regeln der DBU aufbereitet. Die Daten werden an das IRB Stuttgart und das Hornemann-Institut Hildesheim zur Gewährleistung einer breiten Nutzung durch die Fachöffentlichkeit und interessierte Leser weitergegeben.


Fazit

Im Ergebnis der Projektbearbeitung liegen auf der Grundlage wissenschaftlich fundierter Untersuchungen Rezepturen für optimierte Fugenfüllstoffe vor, die im Zusammenspiel mit ausgewählten Sandsteinvarietäten eine dauerhafte Konstruktion für die Hauptkuppelaußenschale der Frauenkirche zu Dresden gewährleisten. Die gesammelten Erfahrungen ermöglichen über das Vorhaben hinaus eine breite Anwendung des Wissens bei der Vorbeugung bzw. Beseitigung von Umweltschäden an historischen Bauwerken auch im Sinne der Ressourcenschonung.