Betoninstandsetzung eines Wasserturms

Der Wasserturm Borken ist das weithin sichtbare Wahrzeichen der Stadt. Seit 1971 versorgt der ca. 41 m und 8 Etagen hohe Bau die hessische Kommune mit Trinkwasser Insgesamt 345 m³ Wasser, davon rund 245 m³ Brauchwasser und ca. 100 m³ Löschwasser, fassen die beiden konzentrisch um die Mittelachse angeordneten Kammern, deren Sohle auf einer Höhe von etwa 33 Metern liegt.

Rund 1.223 Kubikmeter Beton und 126 Tonnen Stahl wurden seinerzeit für das Bauwerk verarbeitet. Im Inneren des Turms führt eine Podesttreppe hinauf ins 8. Obergeschoss. Hier sind gleichzeitig ein Aussichtsumgang sowie die Schieberkammer angeordnet. Konzentrisch um die Mittelachse gruppiert, führt von hier außerdem eine Wendeltreppe in die Spitze des Wasserturms.

Die Wände des Turmschafts sind 30 cm dick. Dagegen sind die Behälteraußenwände mit einer Gesamtstärke von ca. 56 cm als 2-schalige Konstruktion mit innenliegender, 60 cm dicker Dämmung ausgeführt. Die Sichtbeton-Außenflächen präsentieren sich mit beigefarbenem Schutzanstrich.

Schäden trotz früherer Instandsetzung

Bereits 1993 fand eine erste Instandsetzung statt. Sichtbare Risse und Abplatzungen auf der Oberfläche waren jetzt Anlass für die Stadtwerke Borken, erneut einen Sachkundigen Planer mit einer umfassenden Diagnose zu beauftragen. Ziel war, die langfristige Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit zu sichern und ein intaktes optisches Erscheinungsbild zu erreichen.

Der Auftrag zur Ist-Zustandsfeststellung ging an die SiB Ingenieurgesellschaft mbH aus Ober-Mörlen, ein Mitglied der Landesgütegemeinschaft Betoninstandsetzung und Bauwerkserhaltung Hessen - Thüringen e.V., die später auch mit den weiteren Planungsleistungen beauftragt wurde.

Aufwendige Schadensfeststellung

Für die Schadensfeststellung an der Außenhülle stand ein Hub-steiger zur Verfügung, mit dem die Betonfassade ringweise abgefahren werden konnte. Die Ringe entsprechen unterschiedlichen Betonierarabschnitten, welche sich durch Schalungsgrate an der Oberfläche der Außenhülle abzeichneten.

Die Spezialisten der SiB Ingenieurgesellschaft klopften die gesamte Fassade vom Personenkorb aus auf Fehlstellen und Hohllagen ab. Mit einem elektronischen Bewehrungs-Prüfgerät ermittelten sie gleichzeitig die Betondeckung (zerstörungsfrei gemäß DAfStb-Richtlinie) und gewannen so Informationen zu Lage und Durchmesser der Bewehrungsstähle.

Die Bestimmung der Karbonatisierungstiefe erfolgte in Anlehnung an die DAfStb-Richtlinien durch Besprühen frischer Stemmstellen bzw. frisch entnommener Bohrkerne mit Phenolphthalein-Lösung. So konnte genau der Bereich des Betons bestimmt werden, der dem Stahl noch ein alkalisches Milieu bietet.

Zusätzlich entnahmen die Ingenieure Bohrkerne zur Ermittlung der Betondruckfestigkeit bzw. der Oberflächenzugfestigkeit (Abreißfestigkeit). Diese gibt die maximale Zugkraft an, die erforderlich ist, um einen Kohäsionsbruch der Betonrandzone zu erzeugen und bietet Aufschluss darüber, in welcher Weise die Betonoberflächen für eine erfolgreiche Betoninstandsetzung vorbehandelt werden müssen. An exemplarisch ausgesuchten Rissen wurden die Rissbreiten bestimmt.

Die Ergebnisse der Bauwerksuntersuchung

Die Auswertung der Ergebnisse der Bestandsaufnahme vor Ort sowie die betontechnologische Untersuchung ergaben, dass die Schutzfunktion des Betons nicht mehr gegeben war. Bei 8 von insgesamt 24 Messstellen an den Stahlbetonringen des Turms wurde die erforderliche Betondeckung unterschritten. Zum Teil hatte die Karbonatisierungstiefe den Bewehrungsstahl erreicht, stellenweise sogar hinterwandert.

Während die Betondruckfestigkeit ausreichend war, wurden an verschiedenen Messstellen die von der DAfStb-Instandsetzungs-Richtlinie vorgegebenen Mindestwerte zur Oberflächenzugfestigkeit unterschritten. Zudem begünstigten die festgestellten Risse mit deutlichen Aussinterungen ein Eindringen korrosionsfördernder Stoffe. „Auffällig war dabei vor allem eine Konzentration der Schadstellen am 3. Betonring von oben“, berichtet Karl-Jörg Seelbach. „Wir hatten den Eindruck, dass dies auf Undichtigkeiten im Inneren des Wassertanks zurückzuführen ist.“

Betonschadensdiagnose im Innenbereich der Wasserkammern

Als Ursache für die Konzentration der Schadstellen am 3. Betonring stellten die Ingenieure der SiB Ingenieurgesellschaft bei einer – zunächst nicht vorgesehenen – ausführlichen Betonschadensdiagnose im Innenbereich der Wasserkammern fest, dass aus Schadstellen über der direkt unterhalb der Wasserkammerdecke gelegenen Fensterreihe Feuchtigkeit austritt.

Weitere Ergebnisse der Untersuchungen in den Wasserkammern waren Undichtigkeiten im Bereich des Fliesen- und Estrichbelags sowie zahlreiche Schadstellen mit freiliegender korrodierender Bewehrung im Deckenbereich.

Das Instandsetzungskonzept

Die detaillierte Erfassung des Ist-Zustandes war Grundlage für die Erarbeitung eines Instandsetzungskonzeptes auf Basis der geltenden Regelwerke. Dieses sollte Maßnahmen beschreiben, die den aktuellen Schadensmechanismus nicht nur stoppen, sondern auch zukünftige Schädigungen weitgehend ausschließen, um das Bauwerk für die nächsten Jahre fit zu machen.

Für den Außenbereich stellte die SiB zwei Varianten zur Wahl: Das Instandsetzungsprinzip R, Grundsatzlösung R1 (Repassivierung) bzw. das Instandsetzungsprinzip W (Absenkung des Wassergehaltes). Beim Instandsetzungsprinzip R geht es im Kern um die Realkalisierung der karbonatisierten obersten Betonschicht, um den Bewehrungsstahl wieder zu passivieren durch Auftragen von zementgebundenen Instandsetzungsstoffen auf den Beton. Der Beton muss dabei so weit abgetragen werden, wie er infolge von Korrosion der Bewehrung gerissen oder gelockert ist. Der Bewehrungsstahl erhält zusätzlich einen Korrosionsschutz durch den Auftrag einer Beschichtung.

Das Instandsetzungsprinzip W beruht auf der Absenkung des Wassergehaltes im Beton durch den Auftrag einer Beschichtung, d.h. die elektrische Leitfähigkeit wird so weit reduziert, dass die Korrosionsgeschwindigkeit vernachlässigbar klein wird. Der Beton ist im Bereich von Fehlstellen und darüber hinaus bis zum korrosionsfreien Bereich des Stahls zu entfernen. Der Erfolg der Maßnahme hängt von der Wirksamkeit der Oberflächenschutzmaßnahme ab. Es dürfen nur für dieses Verfahren zugelassene Oberflächenschutzsysteme verwendet werden. Eine regelmäßige Inspektion des Oberflächenschutzsystems ist notwendig.

Für Risse mit einer Rissbreite von > 0,2 mm empfahl das Instandsetzungskonzept der SIB Ingenieurgesellschaft eine kraftschlüssige Injektion. Als zusätzliche Maßnahme wurden der Ausbau und Ersatz der Fensterbänke sowie die Erneuerung des Blitzschutzes angeregt.

Zur Instandsetzung des Innenbereichs sollen zunächst Fliesenbelag und Estrich entfernt und anschließend ein mineralisches Oberflächenschutzsystem gemäß DAfStb-Instandsetzungs-Richtlinie und DVGW-Arbeitsblatt W 300-4 aufgetragen werden. Risse im Übergang Boden/Wand werden über den gesamten Behälterumfang hinweg verpresst.

Vorarbeiten zur Schadensbehebung

Die Behebung der Schäden konnte wegen der Höhe des Wasserturms nur über ein Gerüst ausgeführt werden. Planung und Aufbau des Gerüstes stellten eine besondere Herausforderung dar: Der konisch nach oben ausladende Turm erforderte eine Konstruktion, die im Bereich des Konus an den überhängenden Außenwänden verankert werden musste.

„Wegen der Aufstellung auf dem Dach des am Fuße des Turms angeordneten Restaurants musste außerdem die Lastverteilung sorgfältig geplant werden, um die maximale Flächenbelastung für die Geschossdecke nicht zu überschreiten“, erklärt Seelbach die Situation. Um das Gerüst stellen zu können, war es notwendig, die am Turm montierten Mobilfunkantennen zurückzubauen und mit dem Gerüstaufbau „Zug um Zug“ wieder an der Außenseite des Gerüstes provisorisch zu montieren. Diese Arbeiten mussten terminlich sehr genau aufeinander abgestimmt werden.

Beim Abbau des Gerüstes musste anschließend wieder umgekehrt verfahren werden. Für die Bauzeit wurde der Blitzschutz provisorisch auf das Gerüst verlegt und nach Abschluss der Arbeiten erneuert. Auch eine auf der Turmaußenwand verlaufende Kabeltrasse wurde im Vorfeld der Arbeiten angehoben und am Gerüst gesichert. Für die Maßnahmen mussten außerdem die Mobilfunkantennen der verschiedenen Anbieter von der Turmaußenwand an die Außenseite des Gerüstes verlegt werden.

Schadensbehebung Außenhülle

Der Auftraggeber entschied, dass die Instandsetzung der Außenhülle nach dem Instandsetzungsprinzip R, Grundsatzlösung R1 ausgeführt werden sollte. Voraussetzung für eine fachgerechte Ausführung ist dabei vor allem die richtige Vorbereitung des Untergrundes. Dazu trug das ausführende Unternehmen, die GSB Haungs GmbH, Niederlassung Leipzig, entsprechend der Ausführungsplanung zunächst mittels Höchstdruckwasserstrahlen die Betonoberfläche bis zu einer Tiefe von 20 mm ab. Die freigelegte Fläche wurde dann nochmals auf Schäden überprüft.

Altmaterialien auf EP-Harzbasis aus der vorausgegangenen Instandsetzung wurden herausgestemmt, da kein ausreichender Haftverbund zu den neuen Instandsetzungsmaterialien garantiert werden konnte. Zur Reprofilierung bauten die Verarbeiter dann in den betroffenen Bereichen einen kunststoffmodifizierten Instandsetzungsmörtel (PCC) in Kombination mit einer mineralischen Haftbrücke ein.

Überall dort, wo es nötig war, ersetzten sie außerdem querschnittsgeminderte Bewehrungsstähle, die vor der Schadstellenreprofilierung mit einem Korrosionsschutz versehen wurden. Risse mit einer Rissweite von w > 0,2 mm wurden – wie im Instandsetzungskonzept vorgesehen – mit zweikomponentigen Injektionsharzen kraftschlüssig verpresst.

An die Instandsetzung der Schadstellen schloss sich der ganzflächige Auftrag eines SPCC-Mörtel im Trockenspritzverfahren an. Abschließend erhielt die Oberfläche ein vollflächiges, rissüberbrückendes Oberflächenschutzsystem gemäß OS 5a in Weiß. Dies wurde in einer Schichtdicke von d_min=380 µm aufgetragen und schützt die äußere Betonschicht vor eindringendem Wasser und Schadstoffen.

Strenge Hygiene-Vorgaben für die Instandsetzung

Für die Instandsetzungsarbeiten in den Wasserkammern bestanden strenge hygienische Anforderungen. Diese sollen verhindern, dass nach Abschluss der Arbeiten von dem Trinkwasser eine Gesundheitsgefährdung ausgeht. Die GSB Haungs GmbH, die neben einschlägigen Qualifikationen für die Betoninstandsetzung auch gemäß den DVGW-Arbeitsblättern W 316 für die Instandsetzung von Trinkwasserbehältern qualifiziert ist, erstellte daher im Vorfeld der Behälterinstandsetzung ein Hygienekonzept für die Ausführung der Arbeiten. Es sah unter anderem vor, dass der Zugang zu den Wasserkammern über eine Desinfektionsschleuse erfolgt.

Alle Mitarbeiter wurden verpflichtet, ihre Arbeitsmittel sowie die Arbeitskleidung in einem hygienisch einwandfreien Zustand zu halten. Essen und Trinken sowie Rauchen waren im Behälter strikt untersagt. Eine staubdichte Schutzwand trennte Arbeitsort und die in Betrieb befindlichen Bereiche voneinander ab. Alle Mitarbeiter erhielten eine schriftliche Einweisung in das Hygienekonzept, die sie durch ihre Unterschrift bestätigen mussten. Die Überwachung erfolgte durch einen vom ausführenden Fachunternehmen bestimmten Hygienebeauftragten.

Die Arbeiten selbst wurden unter Berücksichtigung der DVGW-Arbeitsblätter W 300-1 bis 300-5 durchgeführt. Es kamen dabei ausschließlich Baustoffe zum Einsatz, die für die Anwendung im Kontakt mit Trinkwasser geprüft waren. Die Hersteller hatten zuvor auf Nachfrage die entsprechenden schriftlichen Bestätigungen dazu vorgelegt. Das Gesundheitsamt begleitete die gesamte Maßnahme und überprüfte die Einhaltung der Vorgaben.

Schadensbehebung Wasserkammern

Die Instandsetzung der Betonoberflächen der Trinkwasserkammern erfolgte ebenfalls nach dem Instandsetzungsprinzip R, Grundsatzlösung R1. Mit Höchstdruckwasserstrahlen (ca. 2.500 bar) bereiteten die Facharbeiter zunächst den Betonuntergrund der Wasserbehälter vor und stemmten korrodierte Bewehrungen frei. Danach wurde die Bewehrung durch Druckluftstrahlen mit einem festen, quarzfreien Strahlmittel bis zu einem Normeinheitsgrad Sa 2½ gemäß DIN ISO 12944-4 vorbereitet und im nächsten Schritt auf den Bewehrungsstahl eine einkomponentige Korrosionsschutzbeschichtung aufgetragen.

Anschließend wurden die Stemmstellen reprofiliert und durch den Einbau eines zementgebundenen statisch anrechenbaren Reprofilierungsmörtels verschlossen. Auf dem so vorbereiteten Betonuntergrund erfolgte abschließend die flächige Applikation einer zementgebundenen Beschichtung in mehrschichtiger Spritzverarbeitung.

Nachdem bei der Wasserdichtheitsprüfung nach DVGW-Arbeitsblatt 300-1 weder ein sichtbarer Wasseraustritt nach außen beobachtet wurde noch bleibende Durchfeuchtungen aufgetreten waren und auch nach einem Zeitraum von 48 Stunden kein messbares Absinken des Wasserspiegels festgestellt werden konnte, galt die Wasserdichtheitsprüfung als bestanden. Nach Reinigung und Desinfektion der Kammern gemäß DVGW-Richtlinie und einer mikrobiologischen Untersuchung, die die einwandfreie Wasserqualität bestätigte, wurden die Wasserkammern vom Gesundheitsamt freigegeben.

Eigen- und Fremdüberwachung

Insgesamt konnte durch die Instandsetzungsmaßnahme die Tragfähigkeit der Turmaußenseiten bzw. die Dichtigkeit des Wasserbehälters durch Herstellung des ursprünglichen Zustandes und der tragfähigen Einbindung vorhandener Bewehrung wiederhergestellt werden. Das Aufbringen eines Oberflächenschutzsystems erhöht die Widerstandsfähigkeit der gesamten Konstruktion gegen das Eindringen von Stoffen, die den Beton angreifen oder die Korrosion begünstigen.

Umfangreiche und gründliche Vorbereitungen der Arbeiten durch eine umfassende Bestandsaufnahme und ein darauf basierendes Instandsetzungskonzept waren die Grundlage für die hohe Qualität der Betoninstandsetzung. Um die Dauerhaftigkeit der Maßnahme zu gewährleisten, empfahl die beauftragte SiB Ingenieurgesellschaft mbH die Aufstellung eines Instandhaltungsplans gemäß Teil 1, Abschnitt 3.3 der DAfStb-Instandsetzungs-Richtlinie mit einem Inspektionsintervall von einem Jahr.

Die fachgerechte Ausführung der Arbeiten wird durch die Eigen- und Fremdüberwachung sichergestellt. Bedingung bei der Auftragsvergabe war, dass die Eigenüberwachung von der qualifizierten Führungskraft des Unternehmens geplant und von einer verantwortlichen Fachkraft mit SIVV-Schein durchgeführt wurde. Bereits bei Abgabe des Angebotes mussten sich die Bieter verpflichten, Eigenüberwachungen gemäß der DAfStb-Instandsetzungs-Richtline (Teil 3) während der gesamten Dauer der Maßnahme durchzuführen und zu dokumentieren. Die SiB-Ingenieurgesellschaft schrieb für die gesamte Dauer der Maßnahme die ständige Anwesenheit der SIVV-Fachkraft vor Ort vor. Die SIVV-Bescheinigung der vorgesehenen verantwortlichen Fachkraft musste gemeinsam mit dem Angebot eingereicht werden. Konnte dieser Nachweis nicht erbracht werden, wurden die Bieter im weiteren Vergabeverfahren nicht berücksichtigt.

Voraussetzung für die Auftragsvergabe war außerdem die Mitgliedschaft in einer Gütegemeinschaft für Betoninstandsetzung, die die Eigenüberwachung kontrolliert und beurteilt (Fremdüberwachung durch eine anerkannte Überwachungsstelle). Für die Fremdüberwachung kommen nur Überwachungsstellen in Frage, die eine bauaufsichtliche Anerkennung des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBt) bzw. der Obersten Bauaufsichtsbehörden der Länder vorweisen können.

Bundesgütegemeinschaft Instandsetzung von Betonbauwerken e.V.

www.betonerhaltung.com