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Überwachungsmessungen hoher Bauwerke

Die Überwachung hoher Bauwerke stellt besondere Anforderungen an Vermessungs- und Bauingenieure. Das Spektrum der zu überwachenden Bauwerke reicht dabei von kleinen Kirchtürmen bis zu hohen Fernsehtürmen oder auch Büro- und Wohnhäusern. Betrachtet man die Liste der weltweit höchsten Bauwerke, ist in den letzten Jahrzehnten ein Trend zu immer größeren Höhen zu verzeichnen: Allein in den letzten zehn Jahren wurden 14 Bauwerke mit einer Gesamthöhe von jeweils über 400 m fertiggestellt – den Spitzenreiter bildet dabei bekanntlich der Burj Khalifa in Dubai mit 828 m Gebäudehöhe. Der Beitrag gibt einen Einblick, welche Möglichkeiten die moderne Messtechnik bei der Beantwortung wichtiger Fragestellungen hinsichtlich der Stabilität von hohen Bauwerken bieten kann.

Überwachungsmessungen an derartigen Bauwerken können unterschiedlichster Natur sein, beispielsweise in Bezug auf das vielfältige zur Verfügung stehende Messinstrumentarium und auf das Ziel und die Anforderungen der Überwachungen (beispielsweise den Nachweis von kurz-/langperiodischen Schwingungsbewegungen bzw. von dauerhaften Deformationen, speziell Schiefstellungen). Für ein umfassendes Bauwerksmonitoring wird in den meisten Fällen eine Kombination unterschiedlicher geodätischer sowie geotechnischer Messsensoren und -verfahren erforderlich sein. Darüber hinaus ist eine enge Zusammenarbeit von Vermessungs- und Bauingenieuren sinnvoll: Informationen über das statische Verhalten des Bauwerkes, zu erwartende Größenordnungen seiner Deformationen sowie das Verhalten des Bauwerksuntergrundes sind wichtige Eingangsgrößen zur Erarbeitung eines wirksamen Mess- und Auswertekonzeptes für Überwachungsmessungen.

Untersuchungsobjekte

Im Folgenden werden zwei Beispiele für Überwachungsmessungen an Kirchtürmen dargestellt. Der Schwerpunkt liegt dabei auf geodätischen Messungen am Kirchturm der Oberkirche in Bad Frankenhausen (Thüringen), die seit nunmehr 15 Jahren in Kooperation zwischen dem Fachbereich Bauwesen der Hochschule Magdeburg-Stendal und dem Institut für Markscheidewesen und Geodäsie der TU Bergakademie Freiberg durchgeführt werden.

Mit 53 m Höhe zählt dieser Kirchturm eher zu den kleineren Bauwerken, für die Kyffhäuserregion ist er jedoch aufgrund seiner imposanten Schiefstellung (Bild 1) von nicht zu unterschätzender touristischer Bedeutung – schließlich ist seine Neigung größer als die des Schiefen Turmes von Pisa. Darüber hinaus haben die Untersuchungen einen sicherheitsrelevanten Aspekt. Aufgrund der instabilen Untergrundverhältnisse (Verkarstungen, tektonische Störungen, s. [4]) nimmt die Schiefstellung des Kirchturmes seit Messungsbeginn im Jahr 1997 permanent zu, wobei jährliche Bewegungsraten an der Kirchturmspitze im Bereich von mehreren cm zu verzeichnen sind. Sollte in naher Zukunft keine erfolgreiche Stabilisierung des Kirchturmes erfolgen, ist es eine Frage der Zeit, wann der Kirchturm ein nicht mehr beherrschbares Risiko für seine Umgebung darstellt. In Ergänzung zu diesem Objekt wird abschließend kurz auf Schiefstellungsmessungen an der Kirche in Suurhusen bei Emden in Ostfriesland eingegangen (Bild 2), die seit zwei Jahren durch Studierende des Bauingenieurwesens der Hochschule Magdeburg-Stendal im Rahmen eines Wahlpflichtfaches durchgeführt werden. Der Turm der Suurhusener Kirche erreicht zwar mit seinen ca. 25 m nicht einmal die halbe Höhe seines "Konkurrenten" in Bad Frankenhausen, hat es jedoch 2007 mit einem Neigungswinkel von 5,19° in das Guinness Buch der Rekorde geschafft. Die Ursache der Schiefstellung liegt im durch Grundwasserabsenkungen verursachten Verfaulen der Eichenstämme, die den Turm an seiner Westseite abstützen sollen.

Überwachungsmessungen am Turm der Oberkirche Bad Frankenhausen

Deformationsmessungen mittels Totalstation

Die Schiefstellung des Kirchturmes ist nicht die einzige Zielgröße geodätischer Vermessungen, sie stellt lediglich die aus geologisch-tektonischen Prozessen resultierende Wirkung dar. Vielmehr ist eine Ursachenforschung zu betreiben, die primär in die Fachgebiete Ingenieurgeologie, Geotechnik und Geophysik fallen dürfte und aus der sich unmittelbar die Notwendigkeit zum geodätischen Nachweis von Bewegungen und Deformationen der Tagesoberfläche als Ausgangspunkt für den Schiefstellungsprozess des Kirchturmes ableiten lässt. Das 1997 erarbeitete und bis heute zugrunde gelegte Vermessungskonzept ist in [3] publiziert und enthält im Wesentlichen zwei Aspekte:

  1. Schiefstellungsmessungen des Kirchturmes und
  2. Deformationsmessungen der Tagesoberfläche in näherer Umgebung der Oberkirche.

Die Ermittlung der absoluten Schiefstellung des Kirchturmes ist dabei nur von untergeordneter Bedeutung. Vielmehr geht es um den Nachweis einer zeitlichen Entwicklung der Schiefstellung, d. h. um die Neigungsgeschwindigkeit des Kirchturmes. Hierfür müssen, wie auch für die Bestimmung der Deformationen an der Tagesoberfläche, die Messungen in regelmäßigen Abständen wiederholt werden. Der Messzyklus wurde in Abhängigkeit von den zu erwartenden Bewegungsraten auf zwei Jahre festgelegt und im Wesentlichen bis heute beibehalten.

Die Grundlage langjähriger Überwachungsmessungen bildet ein flächendeckendes Basisnetz, welches aus elf Festpunkten besteht (Bild 3). Infolge diverser Baumaßnahmen mussten in den vergangenen Jahren einige zerstörte Festpunkte durch Neuvermarkungen ersetzt werden, was jedoch das Netzdesign nur unwesentlich verändert hat.

Von jedem Festpunkt werden, soweit sichtbar, die anderen Festpunkte sowie die relevanten Objektpunkte am Kirchturm mit einer Totalstation beobachtet. Um nicht nur die Auslenkung der Kirchturmspitze aus der Lotrechten, sondern auch Neigungsänderungen (d. h. Krümmungen) und Verdrehungen des Kirchturms nachweisen zu können, wurden vor der Nullmessung zehn horizontale Objektebenen (1. Ebene = Kirchturmkugel, 10. Ebene = Kirchturmfuß) mittels geometriebestimmender Punkte definiert. Das Beobachtungsnetz enthält damit insgesamt elf Fest- und ca. 35 Objekt- bzw. Kirchturmpunkte. Zwischen den Festpunkten werden alle polaren Messelemente in drei Vollsätzen beobachtet (Horizontal-/Vertikalwinkel und Schrägdistanz), zu den Kirchturmpunkten sind aufgrund der Messpunkthöhen nur Horizontal- und Vertikalwinkelmessungen (räumlicher Vorwärtseinschnitt) möglich.

Die Auswertung des hochredundanten Beobachtungsnetzes erfolgt mittels Ausgleichungsrechnung und liefert für jede Messkampagne folgende Ergebnisse:

  • dreidimensionale Koordinaten aller Fest- und Objektpunkte inklusive ihrer Genauigkeiten,
  • Auslenkungsbeträge aller Objektebenen aus der Solllage (inklusive der Kirchturmkugel),
  • Gesamtschiefstellung des Kirchturmes sowie
  • eventuelle Krümmungen und Verdrehungen des Kirchturmes.

Ein Vergleich mit den Ergebnissen der vorhergehenden Messungen führt zu Aussagen sowohl über Deformationen der Tagesoberfläche (Verschiebungen der Festpunkte in Lage und Höhe), als auch über Neigungsbewegungen und eventuelle Deformationen des Kirchturmes. In Tabelle 1 sind die Ergebnisse bezüglich der Schiefstellungszunahme des Kirchturmes zusammengefasst: Es ist erkennbar, dass der Bewegungsprozess keinen kontinuierlichen Verlauf aufweist, sondern durch wechselnde Geschwindigkeiten und sogar Sprünge gekennzeichnet ist. Die nordöstliche Richtung der maximalen Turmschiefstellung ist über die Jahre konstant geblieben. Diese Erkenntnis korreliert mit den Ergebnissen der parallel zu den Totalstationsmessungen durchgeführten Präzisionsnivellements, die ein Absenken des Kirchturmes an seiner Nordostecke im Bereich von ca. 10 cm in 15 Jahren nachweist. Eine Verdrehung des Kirchturmes konnte dagegen nicht festgestellt werden. Die ermittelten Krümmungen resultieren nicht aus Deformationsprozessen, sondern sind das Ergebnis eines Kirchenbrandes im 18. Jahrhundert. Bei den anschließenden Rekonstruktionsarbeiten im Jahr 1762 wurde die Turmhaube auf den bereits schiefen Kirchturm lotrecht aufgesetzt, was zu dem mit bloßem Auge sichtbaren Knickpunkt im oberen Turmdrittel führte.

Messung Auslenkungsbetrag
(kirchturmkegel)
Schiefstellung
(Turmhöhe: 53 m)
durchschnittliche
Auslenkungsgeschwindigkeit
1997 (März) 3,82 m 4,12°
1999 (April) 3,94 m 4,25° 6 cm/Jahr
2001 (Februar) 3,94 m 4,25° Sanierungsarbeiten an der Turmhaube
2003 (Juni) 4,08 m 4,40° 6 cm/Jahr
2005 (März) 4,22 m 4,55° 8 cm/Jahr
2008 (März) 4,41 m 4,76° 6 cm/Jahr
2010 (März) 4,45 m 4,80° 2 cm/Jahr
2012 (März) 4,52 m 4,87° 3 cm/Jahr

Hinsichtlich der Deformationen an der Tagesoberfläche konnte im Verlauf der Jahre ein diskontinuierlicher Bewegungsprozess nachgewiesen werden. Insbesondere sind die Punkte 8 und 11 im nördlichen Bereich der Kirche (Bild 3) betroffen. Sie zeigen über den Gesamtzeitraum Verschiebungen von 7 bzw. 9 cm nach Süden und damit in Richtung der ost-west-streichenden Kyffhäusersüdrandstörung, die zwischen diesen beiden Punkten und dem Kirchturm verläuft. Sämtliche Aussagen über das Bewegungsverhalten des Kirchturmes und der Tagesoberfläche sind nur bei gleichzeitiger Betrachtung der erzielten Genauigkeiten sinnvoll. Die im Zusammenhang mit der Ausgleichung der Beobachtungsdaten ermittelten Genauigkeitsmaße offenbaren eine unterschiedliche Qualität der Ergebnisse. Während die stabil vermarkten und gut signalisierbaren Festpunkte an der Tagesoberfläche millimetergenau bestimmt werden, sind die Kirchturmpunkte aufgrund ihrer schweren Reproduzierbarkeit mit Zentimeterungenauigkeiten behaftet. Das ist darauf zurückzuführen, dass letztere unvermarkte Objektpunkte darstellen, die von den einzelnen Instrumentenstandpunkten nicht mit entsprechend hoher Präzision angezielt werden können. Eine Ausnahme davon bildet die Kirchturmspitze: Die als Zielpunkt verwendete Unterkante der Kirchturmkugel ist von allen Standpunkten gut identifizierbar.

Die Ergebnisse der Schiefstellungsmessungen haben sich als sensibel gegenüber Änderungen des Netzdesigns herausgestellt. Um eine Vergleichbarkeit zwischen den Messepochen zu ermöglichen, sollte darauf geachtet werden, dass die verwendeten Festpunkte in Anzahl und Lage sowie der Beobachtungsplan über die Jahre möglichst unverändert bleiben.

Der Einsatz von Terrestrischem Laserscanning (TLS)

Die im vorhergehenden Abschnitt dargestellten Ergebnisse aus den Messungen mit Totalstationen resultieren aus einzelnen, das Messobjekt diskretisierenden Beobachtungspunkten an der Tagesoberfläche und am Kirchturm. Nähere Aussagen, beispielsweise über detaillierte Form und lokale Deformationen des Kirchturmes, sind infolge der geringen Messpunktanzahl am Objekt nicht möglich. Aus diesem Grund wurden seit 2008 ergänzende Messungen mit einem terrestrischen Laserscanner durchgeführt (Bild 4). Dabei erfolgen von insgesamt zehn Standpunkten Scannermessungen des Kirchturmes, so dass dieser vollständig mittels eines dichten Punktrasters abgebildet wird. Der für die Auswertung zur Verfügung stehende Datenumfang ist bei diesem Verfahren wesentlich umfangreicher, als bei der Messung mittels Totalstation. Aus dem Datenmaterial sind neben der Schiefstellung des Kirchturmes (die aus den TLS-Messungen ermittelte Auslenkung der Kirchturmkugel weicht in den vergleichbaren Jahren 2010 und 2012 2 bzw. 8 mm von den genaueren Ergebnissen der Totalstationsmessung ab) weitere wichtige Ergebnisse ableitbar [1], [2]. So konnten beispielsweise die sich an der Südostseite des Kirchturms befindlichen Ausbeulungen vermessen und ihre zeitlichen Veränderungen erfasst werden.

In Bild 5 ist beispielhaft für die Südostseite ein farbcodiertes Differenzbild (Zeitraum 2008–2012) dargestellt. Neben dem im oberen rechten Bereich offensichtlichen Kippen des Kirchturmes in nördlicher Richtung (gelbcodierte Objektpunkte) ist in Höhe der Fensteröffnung eine größere Ausbeulung im Mauerwerk erkennbar. Leitet man im Bereich der Ausbeulung vertikale Schnittdarstellungen ab, ist deren jährliche Vergrößerung quantifizierbar (Bild 6). Das dargestellte und im Bereich der Oberkirche Bad Frankenhausen realisierte Messkonzept wird durch Lotungs- und Präzisionsschlauchwaagemessungen im Inneren des Kirchturms ergänzt, die im Gegensatz zu den zweijährigen Totalstations- und TLS-Messungen kurzperiodische Ergebnisse sowie die Verknüpfung mit Alarmfunktionen bei akuter Gefährdung des Kirchturmes und seiner Umgebung ermöglichen. Da diese Messungen nicht im Verantwortungsbereich der Autoren liegen, soll an dieser Stelle nicht näher darauf eingegangen werden.

Abschließend bleibt festzuhalten, dass eine optimale Überwachungsmessung hoher Bauwerke nur durch die Kombination verschiedener geodätischer und geotechnischer Messinstrumente (Sensornetzwerk) möglich ist.

Schiefstellungsmessungen des Kirchturms in Suurhusen

Seit dem Jahr 2007 ist der Kirchturm von Suurhusen mit seinem Eintrag in das Guinness Buch der Rekorde als "most leaning tower" offizieller Weltrekordhalter [5]. Erste Recherchen im Jahr 2009, die einen Vergleich zwischen den Kirchtürmen in Bad Frankenhausen und Suurhusen zum Ziel hatten, offenbarten jedoch für letzteren widersprüchliche bzw. fehlerhafte Angaben. Weder die auf den Webseiten veröffentlichten Werte für Höhe und Auslenkung des Suurhusener Kirchturms, noch die dem Guinnessbucheintrag zugrunde liegenden Messwerte, welche eine Gesamtschiefstellung von 5,49° ergeben würden, führten letztlich zu der offiziell angegebenen Schiefstellung von 5,19°. Diese Diskrepanzen waren Anlass für die in den Jahren 2010 und 2011 durch Studierende der Hochschule Magdeburg-Stendal durchgeführten Schiefstellungsmessungen. Das realisierte Mess- und Auswertekonzept ist weitestgehend identisch mit dem für die Oberkirche Bad Frankenhausen. Das vermarkte Basisnetz besteht aus neun Festpunkten, die das Bauwerk gleichmäßig umschließen. Von diesen Festpunkten wurden die Messungen mit einer Totalstation zu insgesamt 16 geometriebestimmenden Kirchturmpunkten in fünf horizontalen Ebenen durchgeführt. Die Datenauswertung ergab folgende Schiefstellungsergebnisse:

  • Gesamtschiefstellung des Kirchturms in 11/2010: 5,23°
  • Gesamtschiefstellung des Kirchturms in 11/2011: 5,17°

Der im Guinness Buch der Rekorde eingetragene Wert wird damit größenordnungsmäßig bestätigt, auch wenn dessen Zustandekommen eher unklar bleibt. Genauigkeitsbegrenzend wirkten auch bei diesem Projekt die schwer identifizierbaren Objektpunkte am Kirchturm. Berücksichtigt man die Messunsicherheiten, sind durch die ersten beiden Messkampagnen im Jahresabstand weder eine Bewegung des Kirchturmes, noch Deformationen im Basisnetz nachweisbar. Um diese Feststellung zu verifizieren, sind in den kommenden Jahren weitere Schiefstellungsmessungen und zusätzliche TLS-Messungen geplant.

Autoren: Tobias Scheffler, Thomas Martienßen

Literatur

  1. Martienßen, T.; Scheffler, T.: Schiefstellungsmessungen an der Oberkirche Bad Frankenhausen mittels terrestrischem Laserscanner. Vortrag auf den 8. Oldenburger 3D-Tagen. In: Luhmann/Müller (Hrsg.): Photogrammetrie, Laserscanning, Optische 3D-Messtechnik. Beiträge der Oldenburger 3d-Tage 2009, Heidelberg 2009.
  2. Martienßen, T.; Scheffler, T.: Der Einsatz des terrestrischen Laserscannings zur Bestimmung von Deformationen an Bauwerken. Vortrag auf der BauScan2011 an der Hochschule Magdeburg-Stendal. Magdeburg 2011.
  3. Scheffler, T.; Martienßen, T.: Ein modernes Verfahren zur Bestimmung von Schiefstellungen hoher Bauwerke. In: Der Vermessungsingenieur 6/1997, Wiesbaden 1997.
  4. Tondera, D., Scheffler, T.; Martienßen, T.: Baugrundschadensdiagnose und messtechnische Untersuchungen zur Schiefstellung des Kirchturmes der Oberkirche in Bad Frankenhausen. In: Veröffentlichungen des Institutes für Geotechnik der TU Bergakademie Freiberg. Heft 2002-1.
  5. Wessels, F.: Der schiefste Kirchturm der Welt. URL: http://www.kirche-suurhusen.de (Stand: 4.11.2012).

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  • Erstellt am
    25.04.2013
  • Geändert am
    11.12.2014