Prüfung und Bewertung der Betondeckung im Bestand

Zusammenfassung

In einer Tiefgarage waren zerstörungsfreie Messungen zur Betondeckung vorgenommen worden. Dabei hatte sich – vermeintlich – eine in weiten Bereichen zu geringe Betondeckung ergeben. Spätere Feststellungen im Rahmen eines Gerichtsverfahrens ergaben hingegen für nahezu sämtliche untersuchten Bereiche in der Tiefgarage eine technisch nicht zu bemängelnde Betondeckung der Bewehrung. Dabei war durch Kalibrierungen an stichprobenartig zerstörend geprüften Stellen berücksichtigt worden, dass z. B. vergleichsweise tief und eng liegende bzw. mehrlagige Bewehrung die Messergebnisse zerstörungsfreier Prüfungen insbesondere durch Anzeige zu kleiner Werte am Messgerät verfälschen kann.

Sachverhalt

Nach der Fertigstellung und Abnahme einer Tiefgarage hatten die Eigentümer eine Firma mit der Wartung und Instandhaltung beauftragt. Durch diese Firma war zunächst eine Bestandsaufnahme der fertig gestellten Tiefgarage erfolgt, wobei auch stichprobenartig zerstörungsfreie Messungen zur Betondeckung vorgenommen wurden. Diese Messungen ergaben in weiten Bereichen der Bodenplatte der Tiefgarage zu geringe Werte der Betondeckung. Die Eigentümer machten daraufhin gerichtlich eine zu geringe Betondeckung als technischen Mangel gegenüber dem Bauträger geltend. Im Rahmen des Gerichtsverfahrens sollte nunmehr die Betondeckung der Bodenplatte überprüft und bewertet werden.

Feststellungen

Die Tiefgarage wies einen rechteckigen Grundriss mit rund 2 500 m² Grundfläche auf. Die Zu- und Ausfahrt erfolgte über getrennte Rampen. Die knapp 100 Stellplätze waren über eine Fahrgasse erschlossen (Bild 01).

Auf den Boden war als Schutzmaßnahme zur Sicherstellung der Dauerhaftigkeit ein zementgebundener kunststoffmodifizierter Mörtel auf einer Haftbrücke aufgebracht. Die Dicke des Mörtels belief sich an mehreren stichprobenartig überprüften Stellen auf ca. 20 mm bis maximal 25 mm (Bild 02).

Die Betondeckung im Bereich der Bodenplatte wurde zunächst stichprobenartig an einzelnen über den Grundriss verteilt liegenden Stellen gemessen. Dabei wurde ein nach dem elektromag-netischen Prinzip arbeitendes Bewehrungsmessgerät verwendet. Die Bewehrungspläne lagen vor; demnach waren Bewehrungsstähle mit Durchmessern von 12 mm und 14 mm verwendet worden. Bei den Messungen wurde in jedem Messbereich zuerst das Raster der ersten und zweiten Lage der oberen Bewehrung erfasst. Sodann wurde die Betondeckung der zweiten (außen liegenden) Lage der oberen Bewehrung auf einer Messlinie senkrecht zur Achse dieser Bewehrung erfasst. Die Messlinie wurde dabei möglichst mittig zwischen jeweils zwei Bewehrungsstählen der ersten (innen liegenden) Lage der oberen Bewehrung gelegt. Die so ermittelten Werte der Betondeckung wurden für die spätere Auswertung um die Dicke des zementgebundenen kunststoffmodifizierten Mörtels vermindert.

Zur Kalibrierung der zerstörungsfreien Messungen wurden stichprobenartig Bauteilöffnungen vorgenommen und es wurde die obere Bewehrung freigelegt. Bild 03 zeigt eine solche Prüfstelle, bei der ein Bewehrungsstahl der zweiten Lage sowie zwei Bewehrungsstähle der ersten Lage der oberen Bewehrung freigelegt wurden. In der zweiten Lage war dort ein Übergreifungsstoß der Bewehrung vorhanden. Die zerstörungsfrei gemessene Betondeckung (ohne Berücksichtigung des ze-mentgebundenen kunststoffmodifizierten Mörtels) betrug hier ca. 55 mm. Die tatsächliche Betondeckung lag bei 75 mm. Somit bestand – trotz korrekt eingestelltem Bewehrungsdurchmesser – eine Differenz von rund 20 mm zwischen dem zerstörungsfrei ermittelten Wert und dem tatsächlichen Wert der Betondeckung, wobei die tatsächliche Betondeckung größer war als der Messwert. Das Messgerät war geeicht und vor Durchführung der Messungen an einem Kontrollblock überprüft bzw. kalibriert worden.

Im Rahmen eines weiteren Termins erfolgten dann deutlich umfangreichere Messungen. Hierbei kamen – zu Vergleichszwecken – ein weiteres nach dem elektromagnetischen Prinzip arbeitendes Messgerät sowie – für die umfangreichen Messungen in einem gewählten Raster – ein nach dem Radarverfahren arbeitendes Messgerät zum Einsatz. Beide Messgeräte wurden wiederum an mehreren stichprobenartig ausgewählten Stellen anhand zerstörender Prüfungen kalibriert. Dazu wurden jeweils Kernbohrungen bis zur Tiefe der oberen Bewehrungslage angelegt (Bild 04).

Bei den Bohrungen wurde dann die zerstörungsfrei gemessene Betondeckung mit der tatsächlichen Betondeckung abgeglichen und es wurde die Dicke des auf der Bodenplatte vorhandenen zementgebundenen kunststoffmodifizierten Mörtels gemessen (Bild 05).↓

Neben der Betondeckung waren auch Risse in der Bodenplatte zu untersuchen. Soweit möglich, wurden die im Rahmen der Betondeckungs-Messungen ohnehin erforderlichen Kernbohrungen daher zugleich zur Untersuchung gerissener Bereiche verwendet. Bild 06 zeigt eine solche Kernbohrung im Bereich eines Risses. Der Riss bestand sowohl im zementgebundenen kunststoffmodifizierten Mörtel wie auch im Konstruktionsbeton der Bodenplatte. Der Rissverlauf wurde für Bild 07 hervorgehoben, indem der Bohrkern kurze Zeit unter Wasser gelagert wurde. Nach Abtrocknung der Oberflächen zeichnet sich der Rissverlauf dann durch die noch feuchten Rissränder ab.

Bewertung

Entsprechend der zur Zeit der Planung und Errichtung der Tiefgarage gültigen DIN EN 1992-1-1 [1] war zur Sicherstellung der Dauerhaftigkeit insbesondere auch die Expositionsklasse XD3 zugrunde zu legen. Für diese Expositionsklasse wurden in [1] eine minimal erforderliche Betondeckung aus der Dauerhaftigkeitsanforderung c_min,dur = 40 mm und ein Vorhaltemaß Δ_cdev = 15 mm vorgegeben. Daraus ergibt sich ein Nennmaß der Betondeckung für die obere Bewehrung von c_nom = 55 mm. Diese Angabe fand sich auch auf den vorliegenden Bewehrungsplänen der Bodenplatte der Tiefgarage.

Die Bewehrung der ersten und zweiten oberen Lage (in x- und y-Richtung) der Bodenplatte war nach den Bewehrungsplänen überwiegend mit Bewehrungsstählen des Durchmessers 12 mm ausgeführt. Die Abstände der Bewehrungsstähle waren im Flächenbereich der Bodenplatte mit 15 cm vorgegeben. Bei plangemäßer Ausführung war diese Bewehrung im Rahmen der zerstörungsfreien Messungen unter Berücksichtigung des zementgebundenen kunststoffmodifizierten Mörtels auf der Bodenplatte demnach in einer (Mess-)Tiefe zwischen 75 mm und 80 mm zu erwarten. Die tatsächliche Überdeckung der Bewehrung infolge der Betondeckung und des zementgebundenen kunststoffmodifizierten Mörtels war vielfach größer. Bei der auf Bild 03  dargestellten Stelle lag die Betondeckung bei 75 mm, so dass bei einer dortigen Dicke des zementgebundenen kunststoffmodifizierten Mörtels von ca. 25 mm eine tatsächliche Überdeckung der Bewehrung von etwa 100 mm vorlag. Bei diesen Bedingungen stößt das Verfahren einer Bewehrungsortung nach dem elektromagnetischen Prinzip an seine Grenzen.

Für die Bewehrungsortung bzw. Betondeckungsmessung nach dem elektromagnetischen Prinzip kamen Messgeräte auf Basis des Wirbelstrom-Verfahrens zum Einsatz. Diese Geräte erzeugen durch periodische Stromimpulse ein Magnetfeld. Bei elektrisch leitfähigen Materialien im Wirkungsbereich des Magnetfelds entstehen dabei Wirbelströme, die ein entgegen gesetztes Magnetfeld generieren; dieses kann messtechnisch erfasst werden. Mit zunehmender (Mess-)Tiefe und insbesondere bei eng liegender Bewehrung ergibt sich mit diesem Verfahren eine zunehmende Schwierigkeit, die einzelnen Bewehrungsstähle noch im Rahmen der Messung aufzulösen und es werden zu geringe Werte der Betondeckung angezeigt. Im DBV-Merkblatt „Betondeckung und Bewehrung“ [2] wird zu zerstörungsfreien Messungen bei eng liegender Bewehrung allgemein ausgeführt: „Da beim heutigen Stand der Messtechnik Kreuzungspunkte der Bewehrung, Doppelstäbe, Stabbündel und eng liegende bzw. mehrlagige Bewehrung die Messergebnisse – insbesondere durch Anzeige zu kleiner Werte am Messgerät – verfälschen können, ist dieser Einfluss durch die Auswahl von Messlinien […] auszuschließen bzw. durch Kalibrierung auszugleichen.“ Die verwendeten Messgeräte übertreffen die Anforderungen an geeignete Messgeräte nach [2] und es erfolgte eine erfolgreiche Kalibrierung an einem Prüfblock. Dennoch zeigten die zerstörend überprüften Werte der Betondeckung hier, dass bei den zerstörungsfreien Messungen aufgrund der eng liegenden Bewehrung am Messgerät zu kleine Werte der Betondeckung ausgegeben wurden. Zwar weisen die Sensoren der verwendeten Messgeräte eine richtungsabhängige Sensivität auf; dennoch kann bei der eng liegenden Bewehrung der Einfluss parallel zur Messlinie liegender Stähle nicht vernachlässigt werden. Im Resultat ist tatsächlich eine größere Betondeckung als die zerstörungsfrei gemessene Betondeckung vorhanden.

Deutlich besser geeignet zur Ortung tief liegender Bewehrung ist das Radarverfahren. Hierbei wird die Reflexion elektromagnetischer Wellen am Bewehrungsstahl, der eine größere Dichte als der umgebende Beton aufweist, gemessen. Mit Radarimpulsen arbeitende Bewehrungsmessgeräte gehören nicht zur Standardausrüstung eines Ingenieurbüros bzw. eines Sachverständigen. Die Messungen wurden hier durch einen hinzugezogenen erfahrenen Dienstleister durchgeführt. Eine Kalibrierung der zerstörungsfreien Messungen anhand stichprobenartiger Bauteilöffnungen ist genauso erforderlich wie bei den Messungen nach dem elektromagnetischen Prinzip.

Die Messgeräte zur Ermittlung der Betondeckung sind in der Regel einfach zu bedienen. Die Bedienungsanleitungen der verwendeten Messgeräte umfassen jeweils nur vergleichsweise wenige Seiten. Insofern ist es entscheidend, dass der Anwender die Grenzen „seines“ Messgerätes kennt und beachtet. Durch eine bloße und unkritische Übernahme der angezeigten Messwerte besteht die Gefahr einer falschen Bewertung.

Nachdem für die Bodenplatte der Tiefgarage nun durch zerstörende Prüfungen abgesicherte Messwerte zur Betondeckung vorlagen, stellte sich noch die Frage der Auswertung. Hierfür werden im DBV-Merkblatt „Betondeckung und Bewehrung“ [2] statistische Verfahren bereitgestellt. Die erforderliche Betondeckung ist dabei als Quantil nachzuweisen. Das heißt, der Mindestwert der Betondeckung wird bei Zugrundelegung einer Verteilungsannahme mit einer festgelegten Wahrscheinlichkeit unterschritten. Für Bauteile der Expositionsklassen XD muss das 5%-Quantil nachgewiesen werden [2]. Der Nachweis einer ausreichenden Betondeckung ist dann erbracht, wenn die Wahrscheinlichkeit für die Unterschreitung der Mindestbetondeckung nicht größer als das nachzuweisende Quantil ist.

Beim sogenannten quantitativen Nachweis wird zunächst anhand sämtlicher Messwerte eines Messbereichs der Median bestimmt. Mit dem Median und dem kleinsten Messwert wird ein oberer Grenzwert ermittelt. Messwerte der Betondeckung oberhalb dieses oberen Grenzwertes werden bei der weiteren Auswertung nicht berücksichtigt, da sie „die Auswertung im Bereich der kleinen Messwerte und damit in Bezug auf die Mindestbetondeckung ungerechtfertigt verfälschen“ [2]. Für die verbleibenden Messwerte erfolgt dann auf Basis der Neville-Verteilung die Bestimmung einer Dichte- bzw. Verteilungsfunktion. Ergibt die Verteilungsfunktion eine Wahrscheinlichkeit für die Unterschreitung der Mindestbetondeckung von maximal 5 %, so liegt das Ergebnis der Messungen im sogenannten An­nahmebereich, bei dem von einer ausreichenden Betondeckung ausgegangen werden kann. Alternativ kann eine Grenzwertberechnung der Betondeckung für das nachzuweisende Quantil erfolgen.

In Bild 08 ist exemplarisch die Häufigkeitsverteilung 50 gemessener Werte der Betondeckung (bereits ohne die Dicke des zementgebundenen kunststoffmodifizierten Mörtels) in einem Messbereich dargestellt. Sämtliche 50 Messwerte sind kleiner oder gleich der nominellen Betondeckung c_nom = 55 mm. Einzelne Werte sind auch kleiner als die minimale Betondeckung c_min,dur = 40 mm. Alle Messwerte liegen unterhalb des oberen Grenzwertes und können somit für die Auswertung herangezogen werden. Die Berechnung der Verteilungsfunktion ergibt dann eine Wahrscheinlichkeit für eine Unterschreitung der Mindestbetondeckung von 3,5 %; diese Stichprobe liegt damit im sogenannten Annahmebereich und es liegt kein technischer Mangel hinsichtlich der Betondeckung vor. Die Grenzwerte der Betondeckung für das 5 %-Quantil und das 10 %-Quantil sind zusätzlich in das Diagramm eingetragen. Demnach liegt die Betondeckung für das 5 %-Quantil hier bei 41 mm und somit oberhalb der Mindestbetondeckung von 40 mm.

Im Resultat war bei nahezu sämtlichen untersuchten Messbereichen in der Tiefgarage eine technisch nicht zu beanstandende Betondeckung vorhanden. Dabei waren insbesondere auch Messbereiche untersucht worden, in denen die mit der Wartung und Instandhaltung beauftragte Firma zu geringe Werte der Betondeckung bemängelt hatte. Somit wurde der gerügte Mangel im Rahmen des Gerichtsverfahrens im Wesentlichen nicht betätigt.

Instandsetzung

Wenn nachträglich eine zu geringe Betondeckung festgestellt wird, stellt sich die Frage nach einer geeigneten Instandsetzung. Bei der hier beschriebenen Tiefgarage ist die „Bereitstellung“ zusätzlicher Betondeckung vergleichsweise einfach möglich, denn auf der Bodenplatte befindet sich ein 20 mm bis 25 mm dicker zementgebundener kunststoffmodifizierter Mörtel. Dieser dient planmäßig als Schutzmaßnahme zur Sicherstellung der Dauerhaftigkeit und kann somit nicht ohne Weiteres auf die Betondeckung angerechnet werden. Wird jedoch auf den Mörtel z. B. ein Ober­flächenschutzsystem OS 8 als Schutzmaßnahme aufgebracht, so kann dieser quasi von seiner Funktion als Schutzschicht entbunden werden und für die Betondeckung angerechnet werden. Dabei ist im Einzelnen zu prüfen, inwieweit der Mörtel die Anforderungen der Richtlinie „Schutz und Instandsetzung“ [3] an einen Instandsetzungsmörtel erfüllt. Durch den sachkundigen Planer ist in diesem Zusammenhang auch zu berücksichtigen, inwieweit gegebenenfalls bereits Chloride in den Mörtel bzw. Beton eingedrungen sind. Bestehende Risse müssen vorab verschlossen werden, so dass insbesondere auch dort der Eintritt von Chloriden in die Konstruktion verhindert wird.

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Literatur

[1] DIN EN 1992-1-1:2011-01: „Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken – Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau“, mit DIN EN 1992-1-1/NA:2013-04

[2] Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein (DBV): Merkblatt „Betondeckung und Bewehrung – Sicherung der Betondeckung beim Entwerfen, Herstellen und Einbauen der Bewehrung sowie des Betons nach Eurocode 2“, Fassung 12/2015

[3] Deutscher Ausschuss für Stahlbeton: „Richtlinie Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen“ , Teile 1 bis 4, Ausgabe 10/2001

[4] Schröder, M. et al.: „Schutz und Instandsetzung von Stahlbeton – Anleitung zur sachkundigen Planung und Ausführung“, 7. Auflage, expert-Verlag, 2015

[5] Raupach, M., Kosalla, M.: „Korrosion der Bewehrung im Bereich von Trennrissen nach kurzzeitiger Chlorideinwirkung“, Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein, Heft 35, 2015