Löwenhof
Dortmund
Löwenhof
Der Löwenhof in Dortmund –
Experimentelle Statik zum Erhalt historischer Eisenbetondecken
Martin Gersiek, Marc Gutermann,
Friedhelm Löschmann, Marcus Patrias
Zusammenfassung:
Der „Löwenhof“ ist eines der wenigen erhaltenen historischen, nicht sakralen Bauwerke innerhalb des Dortmunder Wallrings. Im Vorfeld einer brandschutztechnischen Ertüchtigung wurde die Deckenkonstruktion stellenweise freigelegt. Der schlechte Zustand des Tragwerks führte zu einer Nachrechnung, die Mängel in der Aufstellungsstatik, der Konstruktion und der Bauausführung offenbarte. Das Gebäude, durch die Volkshochschule Dortmund als Veranstaltungsstätte genutzt, wurde für den Publikumsverkehr gesperrt. Dieser Artikel beschreibt den Weg der Planungsgruppe, der über Bauwerksdiagnostik, Tragwerksplanung und experimentelle Methoden letztendlich zum Erhalt des Bauwerks führt.
1 Einleitung
Der „Löwenhof“ ist ein Hofgebäude in der Innenstadt von Dortmund und wurde in den Jahren 1912/1913 nach Plänen der Architekten Paul Lutter und Hugo Steinbach im Auftrag der Löwenhof Baugesellschaft als Hotel mit Gastronomie errichtet. Es ist das letzte, verbliebene große Hofgebäude von denen, die den Dortmunder Wall in der Epoche der Großstadtwerdung säumten. Das Gebäude ist als Baudenkmal in der Denkmalliste der Stadt Dortmund eingetragen. Durch einen Bombentreffer im Mai 1943 brannte das Gebäude aus und wurde später nach den ursprünglichen Plänen wieder aufgebaut. Es beherbergte im Laufe seiner Geschichte u.a. den Firmensitz der Heinrich August Schulte Eisenhandlung und ist heute Sitz der Volkshochschule Dortmund. Im Jahre 2015 wurden im Zuge von Planungsleistungen zum Brandschutz Mängel bei der Eisenbetonkonstruktion aus dem Jahre 1912 festgestellt. Eine Nachrechnung durch den Tragwerksplaner offenbarte Fehler in der Aufstellungsstatik [1], der Konstruktion und der Bauausführung. Die Berechnungen ergaben keine ausreichende Tragsicherheit für die Massivdecken und Unterzüge, weder für die gewünschte Nutzung als Schulungsraum (p = 3,0 kN/m²) noch für die Nutzung als Aufenthaltsraum (p = 1,5 kN/m²). Das Gebäude wurde für den Publikumsverkehr gesperrt. Es wurden verschiedene Sanierungskonzepte skizziert:
- ein totaler Rückbau und Wiederaufbau bis auf die Fassade,
- Ersatzmaßnahmen in Stahlbau, wie Armierungen an sämtlichen Unterzügen in Stahl, sowie das Aufbringen von neuen Stahlbetondecken.
Es drängte sich jedoch die Frage auf, ob diese sehr kostspieligen Maßnahmen überhaupt erforderlich sind, da das Gebäude seit über 100 Jahren in Nutzung ist, ohne nur einen erkennbaren Hinweis auf eine konkrete Gefahr. Als Alternative wurde daher ein experimenteller Tragsicherheitsnachweis in Erwägung gezogen, der oft wesentlich bessere Ergebnisse erzielt, als rein rechnerische Nachweiskonzepte.
2 Lösungskonzept
2.1 Steuerungsgruppe
Ziel war es, den „Löwenhof“ als wichtiges historisches Gebäude am Dortmunder Wall im Stadtbild zu erhalten und gleichermaßen die wirtschaftlichste Lösung zu finden. Hierzu wurde eine Steuerungsgruppe eingesetzt, die bestehend aus Bauherrenvertretern, Architekten, Ingenieuren und Sondergutachtern den Planungsablauf in einem Flussdiagramm vorab definierte.
2.2 Datenerhebung
Da die Betonfestigkeiten, die Bewehrungsmenge und -führung sowie die Geometrie der Massivbauteile stark streuten (Tabelle 1), wurde das Ingenieurbüro für Betontechnologie und Bauwerksuntersuchung, H. V. Finette + A. Schönborn, Köln, hinzugezogen, um die benötigten Kennwerte an den Decken und Unterzügen zu ermitteln [3]. Auf der Grundlage der aufgenommenen Parameter berechnete das Ingenieurbüro HEG Ausnutzungsgrade der insgesamt 88 Deckenfelder unter Annahme einer Verkehrslast pk = 3,0 kN/m² [4]. Die Ergebnisse streuten zwischen 0,37 ≤ η ≤ 1,46 (Bilder 3 und 4) und lagen damit bereits bei charakteristischen Lasten deutlich unter η < 1,0 (η = Ek/Rd).
2.3 Auswahl der Versuchsorte
Mit den Ergebnissen der Voruntersuchungen wurden aus der Grundgesamtheit die maßgebenden Bereiche ausgewählt, d. h. die Decken mit den kleinsten Ausnutzungsgraden η. Es konnten 5 der insgesamt 88 Deckenfelder für Belastungsversuche identifiziert werden, die übereinander lagen und alle einen kleineren Ausnutzungsgrad als den Mittelwert ηM = 0,81 aller vorab untersuchten Decken auswiesen (Bild 3, gelb markiert). Es handelte sich bei allen Deckenkonstruktionen um 1-Feld-Systeme ohne Durchlaufwirkung, so dass keine Stützmomente nachgewiesen werden mussten. Mit dieser Stichprobe wurden vier einachsig gespannte Decken (Decke über 1. bis 4. OG) und eine zweiachsig gespannte Decke (Decke über EG) getestet. Aufgrund der umfangreichen Voruntersuchungen war die gewählte Stichprobe ausreichend, um die Ergebnisse auf alle weiteren Decken direkt übertragen zu können, ohne weitere Berechnungen oder Nachweise führen zu müssen. Das Verfahren wurde vom Prüfingenieur begleitet und freigegeben.
3 Versuchstechnik
3.1 Belastungstechnik
Die Erzeugung der Versuchslasten erfolgte geregelt mit hydraulischen Pressen in mobilen Belastungsrahmen, die rückverankert werden mussten. Die Rahmen wurden im 1. OG aufgebaut und an den Unterzügen mittels Traversen oder durch eine Stützkonstruktion rückverankert (Bilder 5 und 6). Dazu wurden Löcher durch die Decken gebohrt und Stahltraversen unterhalb der Unterzüge mit Zugstangen verbunden. Zusätzlich wurden die Unterzüge gegen die darüberliegende Etage durchgesteift. Es wurde bei der Planung des Versuchsaufbaus auf denkmalgeschützte Bereiche (Solnhofener Platten) Rücksicht genommen.
3.1.1 Versuchslasten
Die gewünschten Nutzlasten pk und damit (Teil-)Ziele für die Versuche waren: § Schulraum: pk = 3,00 kN/m² § Büroraum: pk = 2,00 kN/m² § Aufenthaltsraum: pk = 1,50 kN/m² § Trennwandzuschlag: pk = 1,50 kN/m² (zzgl. zu den Nutzlasten) Aus den maßgebenden Lastbildern ergaben sich maximale Beanspruchungen (z. B.Querkräfte und Biegemomente), die im Versuch durch ein äquivalentes Lastbild (Einzellasten) nachgebildet wurden. Das Eigengewicht g1 der Deckentragwerke musste bei der Versuchslastermittlung nicht berücksichtigt werden, da es bereits wirkte [5]. Die geplanten Ausbaulasten g2 wurden dagegen mit den vorgesehenen Teilsicherheitsbeiwerten berücksichtigt. § g1 (Massivdecke, Rohdicke do ~ 13,0 cm, Tab. 2) = 3,1 kN/m² Die Gebrauchslast ext FQ und die Versuchsziellast ext FZiel ≤ 400 kN wurden mit Ansätzen aus der Richtlinie für Belastungsversuche [5] für mehrere Nutzungslastniveaus ermittelt (Tabellen 3 und 4), da es aufgrund der schlechten Ergebnisse der Voruntersuchungen völlig unklar war, welche Tragsicherheiten tatsächlich nachweisbar sein würden.
3.1.2 Belastungsprogramm
Die Versuchslasten wurden im Kräftekreislauf durch mobiles Belastungsgerät aufgebracht. Da die Position der Belastungsrahmen und damit die Lasteinleitung an die örtlichen Gegebenheiten angepasst werden mussten, wurden die Lastniveaus entsprechend angeglichen. Dabei wurden einzelne Schnittgrößen (Biegemomente) um bis zu 20 % überfahren. Die Laststeuerung erfolgte einheitlich nach folgendem Schema, Zwischenlaststufen wurden nach Bedarf bzw. Verlauf der Messungen eingefügt: 1. 0 | Gebrauchslast | 0 | Gebrauchslast | 0 | Versuchsziellast | 0 | Gebrauchslast | 0 2. Zeitstandversuch (Gebrauchslastniveau)
3.2 Messtechnik
Die messtechnische Ausstattung der Bauteile erfolgte so, dass alle notwendigen Informationen gewonnen werden konnten (z. B. Dehnungen, Durchbiegung und Verschiebungen). Es wurden zusätzliche Sensoren eingesetzt, um Annahmen für Berechnungsmodelle zu stützen sowie das Tragverhalten der Flurwände zu analysieren. Zur Messwertverarbeitung mit Messraten von ≥20 Hz dienten Messverstärker QuantumX und ein PC zur simultanen grafischen Darstellung und Speicherung. Die folgende Sensorien wurde verwendet.
3.2.1 Kraftmessung
Zur Kraftmessung kamen max. 6 Kraftmessdosen mit einem Messbereich bis 500 kN und einer Anzeigegenauigkeit von ±2 kN zum Einsatz.
3.2.2 Wegmessung (Durchbiegungen und Verschiebungen)
Die Vertikalverformung der Massivdecke wurde durch induktive Wegaufnehmer WT 10 relativ zu den Unterzügen bestimmt (Messbereich von ±10 mm, reproduzierbare Auflösung unter Baustellenbedingungen ca. 0,01 mm; Bild 7, Pos. 2). Die relative Horizontalverformung der Unterzüge wurde durch induktive Wegaufnehmer WT 5 gemessen (Messbereich von ±5 mm, reproduzierbare Auflösung unter Baustellenbedingungen ca. 0,01 mm). Die im Feld stehenden Wände wurden mit den gleichen Sensoren ausgestattet, um festzustellen, ob sie der Deckenverformung folgen oder nicht.
3.2.3 Integrale Dehnungsmessungen
An der Deckenunterseite in Feldmitte und über den Unterzügen wurden Dehnungen mit induktiven Wegaufnehmern WT 5 integral gemessen. Durch die Wegänderungen Δl konnte über die Beziehung ε = Δl/l, bei bekannter Basislänge l, eine integrierte Dehnung ε errechnet werden. Die Sensorik kam bei den im Feld stehenden Mauerwerkswänden zum Einsatz um festzustellen, ob sich bei großen Deckenverformungen ein Druckgewölbe ausbildet (Bild 7, Pos. 1).
3.2.4 Umweltbedingungen
Die Umweltbedingungen wurden ebenfalls bestimmt und in die Messprotokolle aufgenommen (Temperatur etwa 16 °C; relative Luftfeuchte etwa 48 %).
4 Messergebnisse
4.1 Messwertanalyse
Während der Versuche wurden die maßgebenden Bauteilreaktionen in Abhängigkeit der Versuchslast grafisch auf dem Monitor dargestellt und zeitgleich nach den folgenden Abbruchkriterien analysiert: § Reproduzierbarkeit (gleiche Bauwerksreaktion bei wiederholter Belastung), § Reversibilität (keine bzw. geringe bleibende Verformung), § Grenzwertkriterien (Einzelmesswerte: Rissweiten, Durchbiegung, Schubverformungen, …).
4.2 Globales Tragverhalten
Aus den Kraft-Reaktionskurven ließ sich entnehmen, dass die Massivdecken ein annähernd lineares Last-Durchbiegungsverhalten bis zur Gebrauchslast aufwiesen. Ausgeprägte nichtlineare Verformungen traten nur vereinzelt auf (Decke über 2. OG) und dann oberhalb der Gebrauchslast. Verbleibende Verformungen sind hauptsächlich auf Umlagerungen im System nach der Erstbelastung zurückzuführen. Wiederholungsmessungen zeigten jedoch einen reproduzierbaren und reversiblen Kurvenverlauf. Biegerisse konnten visuell nicht identifiziert werden.
4.2.1 Durchbiegungen
Die Durchbiegungen fQ unter Gebrauchslast blieben in Relation zur Deckenstützweite ls unter dem Gebrauchstauglichkeitskriterium fQ < ls/1000 (Tabellen 5 und 6): § OG: 1,28 mm ≤ fQ ≤ 1,90 mm mit fQ,zul < ls/1000 (5,05 mm ≤ ls/1000 ≤ 5,24 mm) § EG: fQ ≤ 3,91 mm mit fQ,zul = ls/1000 = 6,43 mm (kurze Stützweite)
4.2.2 Mittragende Wirkung des Deckenaufbaus
Die Voruntersuchungen hatten durchweg schlechte Ergebnisse für die Tragsicherheiten ergeben. Sofern beim Belastungsversuch bessere Ergebnisse erzielt werden, musste vermutet werden, dass der Aufbau aus Leichtbeton sich am Lastabtrag beteiligt. Daher wurden die Betondehnungen in Feldmitte an 1 bis 2 Stellen integral gemessen und mit theoretischen Werten verglichen, die ohne und mit Verbund des Aufbaus bei Gebrauchslast entstehen könnten. Aus dem Vergleich (Tabelle 7) lässt sich ablesen, dass sich der Deckenaufbau am Lastabtrag beteiligt hat. Die gemessenen Biegedehnungen liegen oberhalb des Wertes, wenn der komplette Aufbau als mittragend angesetzt wurde, und unterhalb des Wertes, wenn nur der Konstruktionsbeton Lasten abträgt. Ein weiterer Einfluss wurde durch gemessene Biegedehnungen über den Unterzügen identifiziert. Die Randbedingungen müssten nach den theoretischen Annahmen hier frei drehbar sein. Tatsächlich ließ sich durch Messungen bei einzelnen Feldern ebenfalls eine geringe Durchlaufwirkung feststellen.
4.2.3 Zusatzbelastung aus den Flurwänden
Einige Flurwände waren mit denkmalgeschützten Solnhofener Platten verkleidet. Diese verblieben daher unangetastet in den Versuchsfeldern und wurden auf der sicheren Seite liegend nicht bei der Versuchslastermittlung berücksichtigt. Mit Messtechnik (s. o.) wurde überprüft, ob die Wände bei verformter Decke als Last anzusetzen sind oder sich die Wände über ein Druckgewölbe selbst tragen. Aus den Kraft-Reaktions-Kurven ließ sich entnehmen, dass sich die gemauerten Wände (Decke über 1.–3. OG) während der Versuche von der Decke lösten, so dass hier anschließend Risse erkennbar waren. Die Stauchungssensoren bestätigten die Ausbildung eines Druckgewölbes durch Anzeige geringer Stauchungen. Es war also richtig, die Wände nicht als Zusatzbelastung zu berücksichtigen.
4.3 Schlussfolgerung
Die Tragreserven, die offenbar im statischen System (Durchlaufwirkung), im Bauteilwiderstand (mittragender Aufbau) und im Bemessungsmodell (Zugspannungen im Beton) vorhanden waren, waren so groß, dass die Lasten bei allen Versuchen ohne Erreichen eines Grenzwertkriteriums bis zur Versuchsziellast Fmax ≤ 430 kN gesteigert werden konnten. Die Massivdecken wurden daher als gebrauchstauglich und tragsicher für die gewünschte Nutzlast pk = 3,0 kN zzgl. Trennwandzuschlag eingestuft.
5 Zusammenfassung und Ausblick
lm Zuge von Baumaßnahmen wurden beim Dortmunder „Löwenhof“ Mängel bei Massivdecken und Unterzügen festgestellt. Eine erste Bewertung der Tragsicherheiten ergab keine ausreichende Tragsicherheit für die Eisenbetonkonstruktion aus dem Jahre 1912, weder für die gewünschte Nutzung als Schulungsraum (pk = 3,0 kN/m²) noch für die Nutzung als Aufenthaltsraum (pk = 1,5 kN/m²). Als Alternative wurde ein experimenteller Tragsicherheitsnachweis in Erwägung gezogen. Da die Betonfestigkeiten, die Bewehrungsmenge und -führung sowie die Geometrien stark streuten, wurden durch das Ingenieurbüro für Betontechnologie und Bauwerksuntersuchung, H. V. Finette + A. an den Decken zu ermitteln. Das Büro HEG Beratende Ingenieure GmbH, Dortmund, berechnete anschließend Ausnutzungsrade η für jede der 88 Decken unter Annahme einer Verkehrslast pk = 3,0 kN/m². Die Ergebnisse streuten zwischen 0,37 ≤ η ≤ 1,46 und lagen bereits bei charakteristischen Lasten deutlich unter η < 1,0. Auf dieser Grundlage wurden der experimentelle Tragsicherheitsnachweis geplant und 5 geeignete Deckenfelder ausgesucht, die einen möglichst kleinen Tragwerkswiderstand haben und zur Minimierung des Aufwandes übereinanderliegen. Die Versuche ergaben erstaunlicherweise, dass die Eisenbetondecken für die Belastungen pk = 3,0 kN/m² zzgl. Trennwandzuschlag (pk = 1,5 kN/m²) gebrauchstauglich sind und eine ausreichende Tragsicherheit besitzen. Die Tragreserven der Decken, die offenbar im statischen System (Durchlaufwirkung), im Bauteilwiderstand (mittragender Aufbau) und im Bemessungsmodell (Zugspannungen im Beton) vorhanden waren, waren ausreichend groß. Die Unterzüge ließen sich leider nicht durch Belastungsversuche nachweisen, da hier die Auswahl einer Stichprobe unmöglich war: die Schubbereiche wiesen keine nennenswerte Bügelbewehrung auf und die vorhandenen aufgebogenen Eisen waren nicht einheitlich ausgeführt. Sie müssen konventionell verstärkt werden.
Danksagung
Ein herzlicher Dank gilt allen Projektbeteiligen, die mit ihrem Engagement und der konstruktiven Zusammenarbeit wesentlich zum Gelingen der komplexen Aufgabe
beigetragen haben.
Literatur
[1] Special-Geschäft für Beton- und Monierbau: Statische Berechnung der
Eisenbetonkonstruktion für den Neubau Löwenhof, Hansastraße, Dortmund. S. 1–97,
aufgestellt am 23.5.1912.
[2] Gutermann, M.; Schröder, C.: Numerical Discretization of built structures – assumption
and reality. Acta Polytechnica CTU Proceedings 7 (2017), pp. 17–21.
[3] IB Finette & Schönborn: Diverse Untersuchungen zu Deckenaufbau, Bewehrungen und
Betonfestigkeiten. Unveröffentlicht, 2016.
[4] HEG Beratende Ingenieure GmbH, Dortmund: Sicherheitsbeiwerte der Deckenfelder;
diverse Grundrisse mit Ausnutzungsgraden. Unveröffentlicht, 11/2016.
[5] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb, Hrsg.): Richtlinie für Belastungsversuche
an Betonbauwerken. Berlin: Beuth, 9/2000.
