Projekt 22913/01

Modellhafter Einsatz eines Sensorensystems zur Qualitätssicherung von Substanzerhaltungsmaßnahmen am Aachener Dom unter besonderer Berücksichtigung des Aspekts der Ressourcenschonung

Projektträger

Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) Aachen Institut für Bauforschung (ibac)
Schinkelstr. 3
52062 Aachen
Telefon: 0241/80-95100

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Am Aachener Dom wurden umfassende Baumaßnahmen zum Erhalt der historischen Bausubstanz durchgeführt. Bis Anfang 2006 erfolgte insbesondere ein teilweiser Stein- und Mörtelersatz an der Anna- und der Matthiaskapelle. Zum Schutz der wertvollen Malereien an den Innenseiten der Mauerwerke sollte das Eindringen von Feuchtigkeit verstärkt während der Instandsetzungsphase überwacht werden. Zur Beurteilung des Feuchtehaushaltes im Mauerwerk sollten verschiedene Sensoren basierend auf den vorliegenden Randbedingungen entwickelt und erprobt werden. Die Kenntnis der Feuchtigkeit im Mauerwerk in Abhängigkeit von der Exposition erlaubt eine auf die einzelnen Problembereiche gezielt abgestimmte und langfristig wirksame Instandsetzung.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenGemeinsam mit der Bauleitung des Aachener Doms wurden die erforderlichen Arten und Positionen der Sensoren festgelegt. Die Sensoren sollten sowohl in der Anna- als auch in der Matthiaskapelle eingebracht werden. Nach dem die Positionen am Aachener Dom festgelegt waren, erfolgte die Entwicklung der entsprechenden Sensoren und deren Erprobung im Labor des ibac. Es kamen Sensoren zur direkten Luftfeuchtemessung und zur indirekten Feuchtemessung mittels Widerstandsmessungen zum Einsatz. Die Sensoren wurden im Labor des ibac kalibriert, indem eine mathematische Beziehung zwischen Wassergehalt und spezifischem Widerstand ermittelt wurde. Im Anschluss erfolgte der Einbau der Sensoren am Aachener Dom, wobei insbesondere die Kabelverlegung sehr sorgfältig durchzuführen war. Der Einbau der Sensoren fand in Absprache mit der Dombauleitung während der Instandsetzungsmaßnahme statt, um den Feuchtehaushalt zu überwachen. Darüber hinaus verbleiben die Sensoren nach der Instandsetzung noch im Bauwerk, um zusätzlich jahreszeitlich bedingte Feuchteveränderungen an besonderen Stellen des Mauerwerkes zu ermitteln und ggf. mit Maßnahmen rechtzeitig eine Veränderung der Mauerwerkfeuchtigkeit herbeiführen zu können. So ist u. a. zu überprüfen, ob eine weitere, langfristige Korrosion des Ringankers durch die Instandsetzungsmaßnahmen unterbunden wird.


Ergebnisse und Diskussion

Die Ermittlung der Feuchte im Fugenbereich hinter dem Fassadenstein ist mit Gitterelektroden möglich. Es wurde festgestellt, dass der Fugenbereich innerhalb der ersten 8 Monate nicht nennenswert abgetrocknet ist. Eine Umrechnung des spezifischen Widerstands der Gitterelektroden in Materialfeuchte anhand der Laborversuche, ergab nach der Sommerperiode eine im Fugenbereich vorliegende Feuchte zwischen 92 und 99 %.
Die tiefenabhängige Feuchte im Nivelsteiner Sandstein wurde anhand von Multiringelektroden ermittelt. Die Messtiefe betrug 42 mm und erfasste den zur Fuge gewandten Steinbereich. Die Ergebnisse zeigen, dass dieser Steinbereich während der ersten 8 Monate ebenfalls nicht nennenswert abgetrocknet ist. Nach der Sommerperiode liegen auch hier Feuchten zwischen 92 und 99 % vor. Der Widerstandsverlauf zwischen den einzelnen Ringen deutet darauf hin, dass die Feuchtigkeit bei der direkt bewitterten Westfassade über die Fuge in den Stein hineingetragen wird. Die Daten aus dem geschützteren Fassadenbereich zeigen hingegen eine Abtrocknung des Steins über die Fuge. Für zukünftige Projekte sollten Multiringelektroden in unterschiedlichen Steintiefen eingesetzt werden, um die Steinfeuchte auch an der Oberfläche zu ermitteln.
Die Korrosionsmessungen am Ringanker zeigen innerhalb der ersten 8 Monate keine Korrosion. Da der Ringanker im Zuge der Instandsetzung gereinigt und geölt wurde, war dieses Ergebnis trotz der hohen Feuchtigkeit zu erwarten.
Die anhand von Multiringelektroden ermittelten Wassergehalte in der Fuge der Fensterbänke zeigen über die Sommerperiode ein Trocknen des Mörtels auf Feuchten unterhalb von 80 %. Mit dem Einsetzen vermehrter Niederschläge nimmt der Wassergehalt jedoch wieder zu. Insbesondere an der Wetterseite ist der Mörtel nach heftigen Niederschlägen nahezu wassergesättigt.
Innerhalb der ersten 8 Monate gaben die Gitterelektroden und Multiringelektroden Messwerte in den erwarteten Größenordnungen an. Lediglich die SHT Sensoren erwiesen sich als ungeeignet. Mit den Gitterelektroden und Multiringelektroden können voraussichtlich Messungen über Jahrzehnte durchgeführt werden.
Die automatische Datenerfassung und Speicherung sowie das Auslesen der Daten funktioniert problemlos. Lediglich zu Beginn der Messungen ist die Messtechnik im Februar 2006 einmal ausgefallen. Die Domfassade wird durch die Sensoren nicht beeinträchtigt. Im Bereich der Fensterbänke ist am Fuße des Doms temporär ein grauer Messkasten von etwa 40 x 30 cm² aufgestellt. Dieser kann jedoch problemlos jederzeit entfernt werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Sensorentwicklung und Ergebnisse wurden auf der Internationalen Baustofftagung ibausil 2006 im Rahmen eines schriftlichen Beitrages und eines Vortrags vorgestellt:
Verstrynge, E. ; Orlowsky, J.; Harnisch, J.; Raupach, M.: Calibration of Sensors for Measuring the Humidity of the Masonary of the Cathedral in Aachen. Weimar: Bauhaus-Universität, 2006. - In: 16. Internationale Baustofftagung, 20.-22. September 2006, Weimar, S. 2-751-2-758
Weitere Veröffentlichungen u. a. im Rahmen des zweimal jährlich stattfindenden Aachener Baustofftages und in der Zeitschrift Bauinstandsetzen und Baudenkmalpflege sind geplant.
Zudem wird der Bericht bei Anfragen an interessierten Institutionen verschickt.


Fazit

Mit dem entwickelten Sensorsystem konnten eindeutige Aussagen zum Feuchtehaushalt im Mauerwerk der Kapellen des Aachener Doms getroffen werden. Die Messungen werden mit der Erlaubnis der Dombauleitung des Aachener Doms fortgeführt. Insbesondere die Feuchte im Fugenbereich hinter dem Fassadenstein und das Korrosionsverhalten des historischen Ringankers sind über einen längeren Zeitraum von großem Interesse, um im Sinne einer Ressourcenschonung rechtzeitig erforderliche Schutzmaßnahmen einleiten zu können.