Untersuchung und Simulation der anthropogenen umweltinduzierten Verwitterung ausgewählter Naturwerksteine und ihrer Interdependenzen mit historischen und neuzeitlichen Baumaterialien am Dom zu Köln

Aktenzeichen 28253/01
Abschlussbericht:
Projektträger:
Am Hof 23
50667 Köln
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Bundesland: Nordrhein-Westfalen
Beschreibung:
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bei der Untersuchung von Natursteinverwitterung ist bisher der Aspekt der Wechselwirkung verschiedener Gesteine untereinander, die im gleichen Verbund verbaut sind, sowie der verwendeten Mörtel kaum berücksichtigt. Im Rahmen des Forschungsprojektes soll festgestellt werden, inwieweit umweltinduzierte Schadensmechanismen durch gegebene spezielle Materialkombinationen eine spezifische Ausprägung erfahren und somit umweltkritische Gegebenheiten einen entscheidenden Einfluss auf die wechselseitig ablaufenden Verwitterungsprozesse nehmen. Des Weiteren sollen allgemein gültige Kriterien formuliert werden, die Planung und Umsetzung von Instandhaltungskonzepten unterstützen und somit einen Beitrag zur Qualitätssicherung von Erhaltungsmaßnahmen im Rahmen des Kulturgüterschutzes leisten.
Beispielhaft am Kölner Dom, der aufgrund der zahlreichen verschiedenen verbauten Gesteine ein optimales Forschungsfeld darstellt, sollen Schäden erfasst und eine gegenseitige Beeinflussung der verschiedenen Gesteine in ihrem Verwitterungsverhalten untersucht werden. Im besonderen Fokus steht dabei der Trachyt vom Drachenfels im Siebengebirge, der zu den wichtigsten Denkmalgesteinen des Rheinlands zählt.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden- Literaturrecherche und Sichtung von Archivmaterial;
- Recherche zu Klimadaten und Schadstoffimmisionsraten einschließlich Messung von Klimadaten am Bauwerk;
- Material- und Schadenskartierung an ausgewählten Bereichen des Kölner, des Altenberger und des Xantener Domes;
- Systematisierung von am Bau gewonnenen Proben und Proben aus Vergleichsmaterial;
- Charakterisierung der Ausgangsmaterialien durch petrographische und gefügekundliche Analysen;
- Zerstörungsfreie und zerstörungsarme Analyse der Schäden an Materialien;
- Analyse der Wechselwirkungen verschiedener Natursteine als Funktion von Klima, Materialeigenschaften und Chemismus;
- Simulationsversuche und Studien an Rechenmodellen;
- Modellhafte Simulation von Restaurierungs- und Konservierungsmaßnahmen zur Gewinnung von Basisdaten für kennwertabhängige Einstellung einzufügender Materialien;
- Schadensbewertung und Sanierungskonzept als Synthese aller Ergebnisse.


Ergebnisse und Diskussion

Die Zusammenhänge zwischen dem Grad der Verwitterung und bauklimatischen Verhältnissen sowie der unterschiedlichen Umweltbelastung werden aufgezeigt. Die drei als Beispiele ausgewählten Dome in Köln, Xanten und Altenberg mit ihren sehr voneinander verschiedenen Umweltsituationen weisen deutliche Unterschiede der Verwitterungsausprägung auf. Das für den Drachenfels Trachyt entwickelte Verwitterungsmodell zeigt die Abhängigkeit von Umweltbelastung, bauphysikalischer Ausprägung - gerade in Hinblick auf den Feuchtehaushalt - und den benachbarten im Verbund stehenden Gesteinen auf. Die Laborversuche zu Bindemittelverträglichkeiten der untersuchten Steine weisen keine direkten Unverträglichkeiten und daraus resultierenden Schäden auf. Weitere Ergebnisse werden von den Langzeitversuchen zur Verwitterung entsprechender Nachstellproben sowie des Monitorings der Musterflächen erwartet.
In Hinblick auf Steinaustausch als Sanierungsmaßnahme stellt sich aufgrund der starken Unterschiedlichkeit der verwendeten Natursteinmaterialien eine besondere Herausforderung am Kölner Dom. Die bisher bestehenden Richtlinien sind aufgrund dieser Vielschichtigkeit schwer umsetzbar. Die entwickelte Systematik, die die entscheidenden Parameter der Kompatibilität einkreist, unterstützt die Auswahl eines geeigneten Steinmaterials, das nicht nur mit dem zu ersetzenden sondern auch mit allen anderen im Mauerwerksverbund befindlichen Steinen kompatibel ist.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Kurzberichte über den aktuellen Stand hat Dombaumeisterin Prof. Schock-Werner in den Bauberichten der Kölner Domblätter veröffentlicht. 2011 bis 2013 sind insgesamt sieben Publikationen in deutsch-sprachigem sowie internationalem Format erschienen (zwei sind in Druck) (s. Publikationen im Anhang des Berichts). Frau Klein hat eine Posterpräsentation auf dem 12th International Congress on Deterioration and Conservation of Stone vorgestellt. Frau Graue hat diverse Posterpräsentationen und Vorträge auf unterschiedlichen internationalen Tagungen vorgestellt (European Geosciences Union General Assembly 2012, European Mineralogical Conference 2012, 12th International Congress on Deterioration and Conservation of Stone). Vorgesehen ist ein Vortrag auf der DBU-Tagung im Juni 2013 zu Naturstein als Element der Kulturlandschaft.


Fazit

Die unterschiedlichen physikalischen und chemischen Prozesse der Natursteinverwitterung werden vor allem für den Drachenfels Trachyt eingehend beleuchtet und sind in einem umfassenden Zusammenhang mit umweltklimatischen und bauphysikalischen Bedingungen erfasst. Die wechselseitige Beeinflussung der Verwitterung der unterschiedlichen Gesteine wird anhand von theoretischen Modellen und Laborversuchen nachvollzogen. Damit stellt das Projekt eine umfassende Zusammenstellung der Aspekte dar, worauf aufbauend weiterführende spezifische Untersuchungen und Modellierungen wünschenswert wären. Die Umsetzung der Sanierungskonzeption und vor allem ihre Evaluierung kann durch das Monitoring der Musterfläche unterstützt werden. Darüber hinaus wäre eine weiter gefasste Diskussion unter Einbeziehung unterschiedlicher Bauwerke erstrebenswert.

Förderzeitraum: 16.06.2010 - 16.08.2013 (3 Jahre und 2 Monate)
Fördersumme: 124.810,00
Förderbereich: III.9.1
Stichworte: Stein
Publikationen: