Donnerstag, den 23. Nov 2017

3D-Dokumentation zur Sanierung historischer Gebäude

Die Kirche San Michele Arcangelo aus dem Jahr 1735 liegt im Zentrum von Borgo di Terzo nahe Bergamo in Italien. An der Vorderseite der Fassade zeichneten sich deutliche Mauerwerksrisse ab, die auf die auf schwere Schäden des Gebäudes hinwiesen. Aufgrund ihrer unregelmäßigen Architektur erforderte die Kirche – wie alle historischen Bauwerke – eine präzise Bestandsanalyse als Basis für die Sanierungsarbeiten.

Genaue Vermessungsdaten sind besonders bei Eingriffen in die Statik von größter Bedeutung und bilden die Grundlage für eine Strukturanalyse mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM). Für solche exakten Bestandsaufnahmen ist 3D-Laserscanning hervorragend geeignet. Schnell und einfach stehen umfassende räumliche Daten zur Verfügung, die mit gängigen Softwarelösungen für Strukturanalysen genutzt werden können. Zugleich stehen alle Daten zur CAD-Planung der Sanierung zur Verfügung. Im Vergleich zu klassischen Vermessungsmethoden ist das Laserscanning präziser und effizienter. Die Geräte lassen sich einfacher bedienen und ermöglichen eine 360-Grad-Datenerfassung. Laserscanning liefert Datensätze, in denen jeder einzelne Punkt die gleiche Genauigkeit im räumlichen Koordinatensystem aufweist. Deshalb ist es möglich, die erzeugte Wolke aus Einzelpunkten (Punktewolke) nicht nur zur Untersuchung eines Bauteils heranzuziehen – wie das bei der Vermessung mit einem Tachymeter der Fall wäre –, sondern auch strukturelle Deformationen weiterer Bauteile automatisch und gleichzeitig zu erfassen.

Als Grundlage für die anstehende statische Ertüchtigung der Kirche in Borgo di Terzo nahm der Fachbereich Ingenieurwesen der Universität Bergamo einen Faro Laser Scanner zur Hilfe und konnte so den Innenraum des Bauwerks innerhalb von nur einem Tag erfassen. Zur Filterung und Interpolation der Scandaten wurde für die folgenden detaillierten Untersuchungen im Vorfeld der Sanierung ein grafischer Ansatz gewählt. Dieser ermöglicht, für die Gebäudeanalyse architekturübliche Verfahren anzuwenden: etwa die systematische Untersuchung von Rissmustern im Mauerwerk zur Darstellung der Schäden in der Orthogonalprojektion oder ein Vergleich der realen Geometrie eines durch das Eigengewicht deformierten Gewölbes mit seiner idealen Geometrie.

Um die Scandaten der Kirche mit der FEM-Methode nutzen zu können, musste die Punktewolke von einem kontinuierlichen Modell in ein numerisches Modell transformiert werden. Anschließend konnten für die Schadensuntersuchung relevante, orthogonal zueinander liegende Schnittebenen gewählt werden. Hier erwiesen sich Elementraster in regelmäßigen Abständen von 30 x 30 x 30 Zentimeter als guter Kompromiss, um wesentliche Teile der Gebäudestruktur abzubilden.

Im Zuge der 3D-Dokumentation mit dem Faro Laser Scanner wurde die Ursache für die beobachteten Schäden deutlich: Als Folge einer früheren Restaurierung kam es zu einer Setzung der hölzernen Dachkonstruktion. Davon sind sowohl die Anker eines Binders als auch der auf dem Gewölbe aufliegende Gewölberücken betroffen. Das führte zu einer starken Durchbiegung und zu schweren Schäden des darunter liegenden Gewölbemauerwerks. Mit der FEM-Analyse wurde der aktuelle Belastungsverlauf im Gewölbe bewertet und der Verlauf nach der geplanten Restaurierung überprüft. Sie ergab, dass sowohl die Auflager der Bogenpfeiler als auch die korrespondierenden Anker saniert werden müssen. Zudem ist der mittlere Bogen mit einem Stahlnetz und Kalkmörtel zu verstärken. Die Verformung des Gewölbes unter Last zeigt außerdem, dass ein Bindeglied zum Gewölberücken nachgegeben hat, was den Austausch dieses Ankers nahelegte. Nachdem diese Verstärkungsmaßnahmen in das Bestands-FEM-Modell eingefügt worden waren, zeigte sich eine allgemeine Verbesserung der gesamten statischen Struktur.

Faro Europe GmbH & Co. KG, www.faro.com

Abbildungen: University of Bergamo, Faculty of Engineering

 

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