Fachbeiträge & Interviews
Dienstag, 23. Juli 2019
Ausgabe 6546 | Nr. 204 | 18. Jahrgang
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Herausgeber: CDM Amann Infutec Consult AG & Co. KG CDM Amann Infutec Consult AG & Co. KG email-weiterempfehlendruckansicht

Gründungssanierung der Dreifaltigkeitskirche in Konstanz - Teil 1/3

# 20.08.2001

Geotechnische Untersuchung und messtechnische Überwachung einer Gründungssanierung / Teil 1: Einführung und Beschreibung der örtlichen Gegebenheiten

1. Einleitung

Abb. 1 - Dreifaltigkeitskirche in Konstanz bei Beginn der Gründungssanierung, Abb.: CDM Amann Infutec Consult AG & Co. KG Abb. 1 - Dreifaltigkeitskirche in Konstanz bei Beginn der Gründungssanierung, Abb.: CDM Amann Infutec Consult AG & Co. KG

Aus der Vergangenheit sind zahlreiche Schäden an historischen Bauwerken bekannt. Häufig sind die Ursachen dafür nicht sofort erkennbar und liegen im Untergrund der Gebäude. Das wohl bekannteste Beispiel ist der schiefe Turm von Pisa. Hinsichtlich einer Schadensursache ist grundsätzlich zwischen dem Bauteil "Gründung", z.B. Streifenfundamente oder Pfähle, dem Baugrund und dem aufgehenden Bauwerk zu unterscheiden. Wegen des meist hohen Alters historischer Bauwerke ist es möglich, dass die Gründung nicht mehr über die volle Tragfähigkeit verfügt. Beispielsweise kann das Verrotten einer Holzpfahlgründung zum vollständigen Ausfall dieses Gründungselements führen. Häufiger liegen die Ursachen für Schäden jedoch im Baugrund selbst. Bedingt durch Bautätigkeiten im innerstädtischen Bereich werden vielfach tiefe Baugruben hergestellt und das Grundwasser abgesenkt. Beides führt zu Änderungen der effektiven Spannungen im Boden und damit zu Setzungen der benachbarten Gebäude. In den Fällen, in denen der Baugrund ein sensitives Verhalten zeigt, wie beispielsweise der Seeton in Konstanz, ist er außerdem empfindlich gegenüber Laständerungen und Erschütterungen, was ebenfalls zu unkontrollierten Setzungen führt. Die an der Dreifaltigkeitskirche (Abb. 1) gemessene maximale Lotabweichung der 16 m hohen Mittelschiffswände betrug im Jahr 1990 etwa 56 cm. Die Mittelschiffswände sind auf 90 cm dicken Pfeilern aufgelagert. Die 10 m hohen Seitenschiffswände sind um bis zu 36 cm nach Norden geneigt. Eine Rückrechnung der historischen Schiefstellung seit 1900 bis heute ergibt eine Verdoppelung der Setzungsgeschwindigkeit in den vergangenen hundert Jahren. Im Zuge einer Schadensanalyse sind Informationen zur zeitlichen Entwicklung des Schadens, zur Bausubstanz, zum Lastabtrag des Bauwerks, zur Gründung und zum Baugrund sorgfältig zu untersuchen. Nur mit Hilfe dieser, bei historischen Gebäuden meist nicht vorliegenden Daten, können Sanierungsvorschläge ausgearbeitet werden. Dabei sind, wie auch im Fall der Dreifaltigkeitskirche in Konstanz, sowohl sicherheitsrelevante als auch wirtschaftliche Aspekte der Baumassnahme in Einklang zu bringen.

2. Baugrund

Abb. 2 - Lageplan der Baugrunderkundung, Abb.: CDM Amann Infutec Consult AG & Co. KG Abb. 2 - Lageplan der Baugrunderkundung, Abb.: CDM Amann Infutec Consult AG & Co. KG

Die Dreifaltigkeitskirche liegt, nach den Angaben der geologischen Karte von Konstanz zu urteilen, im Bereich von Endmoränen der Würmeiszeit. Über der Moräne sind holozäne Ablagerungen des Bodensees auf dem weichen Beckenton der pleistozänen Eiszeit zu erwarten. Darunter folgen zum Teil kiesige Geschiebemergel. In Konstanz ragt die Moräne als sog. Wallmoräne teilweise bis zur Geländeoberfläche auf. Die örtlichen Baugrundverhältnisse wurden im Zuge der Vorplanungen für die Sanierung mit Kernbohrungen und elektrischen Drucksondierungen erkundet. Insgesamt wurden drei Kernbohrungen und 12 elektrische Drucksondierungen (CPTs) durchgeführt (Abb. 2). Die Bohrungen reichten bis in 50 m, die Sondierungen bis in 30 m Tiefe.

Abb. 3 - Schnitt durch den Baugrund, Abb.: CDM Amann Infutec Consult AG & Co. KG Abb. 3 - Schnitt durch den Baugrund, Abb.: CDM Amann Infutec Consult AG & Co. KG

Um die gewünschten Aussagen zu erhalten wurde ein enges Untersuchungsraster gewählt. Dieses war wirtschaftlich nur mit Hilfe der Drucksondierungen möglich. Der Abstand der Baugrundaufschlüsse betrug etwa 4 m bis 14 m. Die Vorteile der Drucksondierungen sind: Möglichkeit zur Wahl eines engen Untersuchungsrasters; unwesentliche Störung des Baugrunds; kurze Einsatzdauer; keine weiträumigen Absperrungen; keine Schmutz- und Lärmbelastungen; große Informationsdichte über Baugrundeigenschaften, wie Lagerungsdichte bzw. Festigkeitseigenschaft, Schichtenabfolge, Konsolidierungszustand und Porenwasserdruck. Während des Sondiervorgangs werden die Gestänge mit 2 cm/s in den Boden eingedrückt und dabei der Spitzendruck (Sigma s) und die Mantelreibung (Tau m) mit der Sondierspitze gemessen. Das sog. Reibungsverhältnis berechnet sich aus dem Quotienten von Mantelreibung und Spitzendruck. Aufgrund der Sensitivität des Seetons werden häufig Reibungsverhältnisse gemessen, die sehr viel kleiner sind als für bindige Böden üblich. Die Ergebnisse der Baugrunderkundung sind in einem typischen Baugrundschnitt dargestellt (Abb. 3). Die heterogene Deckschicht ist i.M. etwa 4 m dick. Sie besteht aus tonig, sandigen Schluffen, schluffigen Tonen sowie Sanden und Kiesen, z.T. mit bindigen Bestandteilen. Unterhalb der Deckschicht wurde der Seeton mit einer Dicke von etwa 11 m bis 16 m erkundet. Beim Seeton handelt es sich überwiegend um einen tonigen, z.T. auch sandigen Schluff von weicher bis breiiger Konsistenz. Die Farbe des Seetons ist dunkelgrau. Aufgrund des feinschichtigen Aufbaus des Seetons wird dieser auch als Bänderton bezeichnet. Der Geschiebemergel besteht am Übergang zum Seeton i.w. aus sandigem, tonigem Schluff, der mit einer Schichtdicke von 17 bis 24 m erkundet wurde. Darin sind vereinzelt bis 1,6 m dicke Sandschichten eingelagert. Unterhalb der Schluffe stehen Sande und Kiese des Geschiebemergels an. Entsprechend der glazialen Entstehungsgeschichte ist keine scharfe Grenze zwischen dem Seeton und dem Geschiebemergel vorhanden. Der Übergang ist fließend. Die Festigkeit des Geschiebemergels nimmt nach der Tiefe rasch zu. Die Konsistenz ist überwiegend halbfest. Die Sande und Kiese der Moräne sind sehr dicht gelagert. Der höchste Grundwasserstand wird etwa in Höhe der Gründungssohle der Außenwände erwartet. Er korrespondiert in der Deckschicht direkt mit dem Seewasserspiegel des Bodensees.

Auffällig sind bei dem Baugrundschnitt zwei Dinge: 1) Auf der Südseite wurde die Kirche auf einer i.M. ca. 0,8 m dicken schluffig, kiesigen Sandschicht gegründet. Im Vergleich dazu befindet sich die Gründungsebene auf der Nordseite direkt auf einer natürlichen Deckschicht, bestehend aus weichen bis steifen Schluffen. 2) Die Dicke des Seetons beträgt auf der Südseite etwa 11 m und ist damit etwa um 5 m dünner als die 16 m dicke Schicht auf der Nordseite. In den Bohrlöchern der Kernbohrungen wurden Trivec-Messsysteme, System ETH/SOLEXPERTS installiert und damit die vertikalen und horizontalen Verschiebungen des Untergrundes gemessen.

Zusätzlich wurden pneumatische Porenwasserdruckaufnehmer System GLÖTZL eingebaut. Mit den Trivec-Messsystemen wurden vor Beginn der Sanierungsarbeiten in einem Zeitraum von 12/95 bis 6/99 Setzungen von 2,2 mm (Süd) bis 3,3 mm (Nord) gemessen. Die durchschnittlichen Setzungsraten betragen demnach 0.6 bis 0,9 mm/a, maximal 1,4 mm/a. Die Setzungsdifferenzen nehmen auf der Nordseite durchschnittlich um ca. 0,3 mm pro Jahr zu.

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