Massive Bauteile aus Naturstein

Nachdem andere Werkstoffe den Naturstein als konstruktives Baumaterial marginalisiert haben, gibt es seit einigen Jahren allerdings eine Rückbesinnung auf die konstruktiven Vorteile der teils hochertüchtigten, roboterbearbeiteten Naturwerksteine.

Die traditionelle Bauweise mit Naturwerkstein, dem für Bauteile bearbeiteten Naturstein, unterlag im vergangenen Jahrhundert einem wesentlichen Wandel. Bis Ende des 19. Jahrhunderts wurden viele Bauwerke fast vollständig aus Naturwerkstein errichtet. Für wesentliche Gebäudeteile wie Mauerwerk, Pfeiler und Stützen sowie Architrave und Gewölbedecken wurden massive Naturwerksteine verwendet. Mit der Einführung des Stahlbetons und der zunehmenden Verwendung von Stahlträgern im Bauwesen verlor der Naturstein an Bedeutung als konstruktiver Baustoff. Durch die Kombination von Beton, einem künstlich hergestellten Steinersatz, mit Baustählen zur Aufnahme von Zugspannungen, ist die Herstellung schlanker Bauteile mit hoher Lastaufnahme möglich. Dies hat zu einer Verdrängung des Natursteins als tragendes Bauelement geführt. Im aktuellen Bauwesen wird der Naturstein meist nur noch als dekoratives Element ohne lastabtragende Eigenschaften verwendet. An Stelle massiver Bauteile mit Dicken von 10  150 cm werden heute überwiegend dünne Platten aus Naturstein mit Dicken von 10  50 mm verbaut.

Naturwerkstein ist ein spröder Baustoff, der enor-me Druckbelastungen aufnehmen kann, aber nur relativ geringe Biegespannungen. Während die Druckfestigkeit bei magmatischen Natursteinen bis 300 MPa betragen kann, ist die aufnehmbare Biegezugfestigkeit nur ungefähr ein Zehntel der Druckfestigkeit. Dies bedeutet, dass Naturwerkstein für überwiegend druckbelastete Mauern und vergleichbare Bauteile hervorragend geeignet ist. Für Unterzüge und Decken, die überwiegend Biegezugbeanspruchungen erfahren, gilt das nur sehr eingeschränkt.

In der römisch-griechischen Bauweise hat man für horizontale Tragelement große Querschnitte gewählt, so dass zur Lastabtragung eine große statisch wirksame Höhe zur Verfügung stand. Dennoch waren die Stützweiten dieser Tragelemente aus massiven Natursteinblöcken sehr eingeschränkt. Um größere Stützweiten zu ermöglich, ermöglichen, wurden die Gewölbedecken entwickelt. Diese bogenförmigen Konstruktionen haben den Vorteil, dass die Lastabtragung überwiegend über Druckspannungen erfolgt.

Imposante Kirchen, Dome und Kuppeldecken und Brückenbauwerke aus Naturwerkstein zeugen auch heute noch von der Leistungsfähigkeit und Dauerhaftigkeit dieser Konstruktionen Konstruktionen. (Abb. 01). 01)

Dreidimensionalität macht Oberflächen
lebendig

In den vergangenen Jahren ist jedoch eine zunehmende Rückbesinnung auf die konstruktiven Vorteile der Naturwerksteine zu verzeichnen. Neue Entwicklungen erlauben es, den Naturwerkstein wieder als tragendes Element in massiver Bauweise zu verwenden. Die zunehmend höherwertigen Ansprüche an die Gestaltung führen zu einer verstärkten Anwendung von massiven Steinbauteilen, die durch die individuelle Bearbeitung der Oberflächen sowie der Ausarbeitung von Profilen, Kanneluren, Riffelungen und sonstiger Gestaltungselemente besondere Akzente setzen. Dies ermöglicht besondere Licht- und Schatteneffekten, Schatteneffekte, die mit einfachen plattierten Wandbekleidungen nicht zu erzielen sind. Moderne Bearbeitungszentren mit computergesteuerten Maschinen erlauben die kostengünstige Herstellung von präzise gefertigten Einzelbauteilen aus Naturstein. Zwei- und dreidimensionale Planungen auf CAD-Basis können direkt eingelesen und von den Bearbeitungszentren in maßgenaue Massivbauteile aus Naturstein umgesetzt werden. Die Herstellung aufwendig gegliederter Bauteile und massiver Werkstücke, die früher in Handarbeit in mehreren Wochen gefertigt wurden, erfolgt nun wesentlich kostengünstiger mit automatischen Bearbeitungsanlagen in wenigen Stunden.

Neben dreidimensionalen Wandelementen können beliebig strukturierte Oberflächen im Naturstein kostengünstig hergestellt und neue Akzente in der Fassadengestaltung realisiert werden. (Abb. 02)

Aufgrund der großen Gewichte der massiven Naturwerksteine und den Anforderungen an die Standsicherheit, sind bei der Konstruktion und Montage von massiven Bauteilen aus Naturstein die drei goldenen Regeln des fachgerechten Steinbaus zu beachten:

– steingerechte Anwendung

– fester Aufstand

– feste Verankerung.

Steingerechte Anwendung

Naturwerksteine im Außenbereich müssen eine ausreichende Witterungsbeständigkeit aufweisen. Liegen keine Erfahrungen hinsichtlich der Witterungsbeständigkeit des verwendeten Natursteins vor, ist ein Nachweis der Frostwiderstandsfähigkeit nach DIN EN 12371 oder nach DIN 52008 zu fordern.

Naturwerksteine müssen ebenfalls eine ausreichende Festigkeit aufweisen, um die einwirkenden Belastungen aus Eigengewicht, Auflasten, Wind und Schnee sowie Temperaturbeanspruchungen schadensfrei aufnehmen zu können. Bei geschichteten Natursteinen ist darauf zu achten, dass die Festigkeitswerte je nach Schichtungsrichtung sehr unterschiedlich sein können. Naturwerksteine sind vorzugsweise so einzubauen, dass die Schichtungsrichtung rechtwinklig zu der resultierenden Lastkomponente liegt.

In der Gesteinskunde werden die Naturwerksteine entsprechend ihrer Entstehung, die einen wesentlichen Einfluss auf die Gesteinseigenschaften hat, in drei Gruppen unterteilt:

– Erstarrungsgesteine (Magmatite), z. B. Granit, Syenit, Gabbro, Rhyolit, Basalt(-lava)

– Ablagerungsgesteine (Sedimentite), z. B. Sandstein, Kalkstein (Travertin, Muschelkalk), Dolomit

– Umwandlungsgesteine (Metamorphite), z. B. Gneis, Quarzit, Marmor, Schiefer.

Für die praktische Anwendung ist die genaue Gesteinsbezeichnung nach DIN EN 12407 von Bedeutung, da sich aus dem wissenschaftlich exakten Namen bereits Hinweise auf die technischen Eigenschaften ergeben. Um Missverständnisse bei der Verwendung des ausgewählten Steinmaterials zu vermeiden, ist ein Gestein mindestens mit dem Handelsnamen, dem petrografischen Namen (Gesteinsfamilie), der typischen Gesteinsfarbe sowie mit dem Bruchort zu bezeichnen.

Einige Natursteine, insbesondere Sedimentgesteine, weisen aufgrund der entstehungsbedingten Schichtungen unterschiedliche Festigkeiten in Abhängigkeit von den Schichtungsebenen auf. Dies ist bei der Prüfung der Festigkeitswerte und dem Einbau der Massivsteine zu berücksichtigen. Im Idealfall erfolgt die Lasteinwirkung immer senkrecht zur Schichtung.

Fester Aufstand

Das Eigengewicht der Naturwerksteine muss schadensfrei in den tragenden Untergrund abgeleitet werden. Aufgrund der hohen Druckfestigkeit der Naturwerksteine können massive Bauteile aus Naturstein auf Fundamenten oder Konsolen aufgestellt werden. Neben dem Eigengewicht können massive Bauteile aus Naturstein auch zusätzliche Lasten, beispielsweise von darüber lie-
genden Bauteilen, aufnehmen. In solchen Fällen ist ein statischer Nachweis der Tragfähigkeit erforderlich.

Es ist zu beachten, dass die Auflager unnachgiebig und dauerhaft sein müssen. Die Lastabtragung ist grundsätzlich statisch nachzuweisen.

Feste Verankerung

Neben der Ableitung des Eigengewichtes der massiven Bauteile aus Naturstein ist deren Lagesicherheit nachzuweisen. In der Regel werden die Bauteile aus Naturstein durch Ankersysteme aus nichtrostenden Stählen der Korrosion-Widerstandsklasse III gesichert. Je nach Konstruktionsart werden auch Verdübelungen und eingemörtelte Ankerstäbe zur Lagesicherung verwendet. Bei einer ausreichenden Einbindung in eine tragende Wand können die Natursteinbauteile auch im direkten Verbund versetzt werden.

In der Massivbauweise kommen insbesondere die nachstehenden Steinkonstruktionen zur Anwendung:

Mauerwerk aus Naturstein

Mauerwerk aus Naturstein bietet zahlreiche Gestaltungsmöglichkeiten. Es gibt eine Vielzahl von Varietäten von Natursteinen, die durch ihre Entstehung in Farbe und Gefüge in einzigartiger Weise geprägt sind. Das Spektrum der möglichen Oberflächenbearbeitungen reicht von der natürlich gebrochenen Oberfläche bis zur polierten Oberfläche und schließt alle handwerklich und maschinell herstellbaren Bearbeitungsarten ein. Die Abmessungen der Einzelsteine reichen vom kleinen Bruchstein bis zum allseits gesägten Quaderstein. Dies zusammengenommen ermöglicht den Planern und den Ausführenden eine einzigartige Gestaltungsvielfalt.

Anforderungen an Mauersteine aus Naturstein für tragendes oder nichttragendes Mauerwerk mit einer Breite von ≥ 80 mm sind in DIN EN 771-6 Festlegungen für Mauersteine – Teil 6: Natursteine geregelt. Der Nachweis der Leistungen (Materialprüfungen) sowie die Bemusterung der Mauersteine aus Naturstein sollte in Anlehnung an DIN EN 1469 Wandbekleidungen aus Naturstein erfolgen.

Für den Wiederaufbau der Frauenkirche in Dresden wurden Sandsteine aus dem naheliegenden Elbsandsteingebirge als tragendes Mauerwerk verwendet. (Abb. 03)

Verblendmauerwerk

Verblendmauerwerk wird im Verbund mit der tragenden Wand (Hintermauerung) hergestellt. Die Verblendsteine aus Naturstein müssen eine ausreichende Verzahnung mit der Hintermauerung aufweisen. Hierzu ist eine Einbindetiefe von mind. 120 mm erforderlich. Für die Ermittlung der zulässigen Beanspruchung des Gesamtmauerwerks ist der Baustoff (Mauerwerk, Beton) mit der niedrigsten zulässigen Beanspruchung maßgebend. Wird der Naturwerkstein zum tragenden Querschnitt hinzugerechnet, sind maßhaltige Natursteine nach DIN EN 771 – 6 zu verwenden.

Vorsatzmauerwerk

Vorsatzmauerwerk besteht aus Vorsatzschalen aus Naturstein in einer Mindestdicke von 90 mm, die in der Regel durch eine Luftschicht oder Mörtelfuge von der tragenden Wand getrennt sind. Bei diesen zweischaligen Außenwänden wird eine funktionale Trennung der Mauerscheiben vorgenommen. Während die Innenschale die Lasten des Gebäudes aufnimmt und somit eine tragende Funktion erfüllt, dient die äußere Wandscheibe dem Wetterschutz, insbesondere dem Schlagregenschutz. Zwischen der Außen- und Innenschale wird eine Wärmedämmschicht, entsprechend den Anforderungen an den Wärmeschutz, und eine Luftschicht zur Ableitung der Diffusionsfeuchte angeordnet. Zur tragenden Wand des Gebäudes wird keine Verzahnung hergestellt.

Vorsatzschalen

Vorsatzschalen benötigen ein starres Auflager (z. B. Beton- oder Stahlkonsole) und müssen in der tragenden Wand grundsätzlich mit Halteankern aus nichtrostendem Stahl mechanisch gesichert werden. Es werden – mit Ausnahme der ausreichenden Frostwiderstandsfähigkeit – keine besonderen Anforderungen an die Mauersteine aus Naturstein gestellt. (Abb. 04)

Tragendes Mauerwerk

Tragendes Mauerwerk wird überwiegend im Hochbau und Ingenieurbau für die Herstellung von Bauwerken verwendet. Tragendes Mauerwerk ist entsprechend DIN EN 1996-1-1 so herzustellen, dass neben der Eigenlast auch weitere Nutzlasten aufnehmbar sind. Hierfür ist ein statischer Nachweis der Standsicherheit erforderlich. Neben dem Eigengewicht sind in der Regel zusätzliche statische Lasten, beispielsweise aus Geschossdecken, Dächern oder Unterzügen, zu berücksichtigen. Tragendes Mauerwerk kann auch zur Gebäudeaussteifung herangezogen werden.

Mauersteine für tragendes Mauerwerk müssen maßhaltige Natursteine nach DIN EN 771-6, Kategorie I mit Grenzabmaßen D1 nach Tabelle 1 sein. Für den Nachweis der Frostwiderstandsfähigkeit sind 56 Frost-Tau-Wechsel durchzuführen.

Die Entwicklung dampfdiffusionsoffener Innenwanddämmungen gestattet die Verwendung von tragendem Mauerwerk aus Naturstein, die neben der Lastabtragung der Decken- und Dachlasten auch eine optisch ansprechende Fassade ermöglicht, die den Witterungsschutz erbringt. So wurde beispielsweise in Paris, 62 Rue Oberkampf, ein Mehrfamilienhaus aus massiven Mauersteinen aus Naturstein mit einer innen liegenden Dämmung errichtet (hier im Heft S. 48ff.).

Gesimse aus Naturstein

Gesimse innerhalb der Fassadenfläche sind meis-tens optische Schmuckelemente, die der Gliederung der Fassaden dienen. Gesimse benötigen einen festen Aufstand zur Abtragung des Eigenwichtes und den Schneelasten sowie eine Lagesicherung durch Verankerungen aus nichtrostendem Stahl. Gesimse können bei ausreichender Dicke in eine tragfähige Wand eingebunden werden, wobei die Einbindetiefe E größer als die frei auskragende Länge A sein sollte. Bei nicht tragfähigen Untergründen sind Konsolen aus Stahl oder Stahlbeton als Tragelemente sowie Halteanker aus nichtrostendem Stahl zur Lagesicherung vorzusehen. (Abb. 05)

Fenster- und Türumrahmungen aus Naturstein

Die massiven Umrahmungssteine werden mit einer Mörtelauflage (ggf. mit Abstandshaltern) auf die Gewändeaufstände der Sohlbank aufgesetzt. Die Sohlbank wird nur unter dem Bereich der Sohlbankenden kraftschlüssig vermörtelt, zwischen den Mörtelauflagern darf kein kraftschlüssiger Kontakt des Baukörpers zur Sohlbank bestehen. Freitragende, auskragende und stehende Werkstücke, die keine zusätzlichen Belastungen erfahren dürfen, sind so zu bemessen, dass sie durch ihr Eigengewicht weder brechen noch sich durchbiegen können. Die Werkstücke müssen lagesicher versetzt werden, d. h. sie sind gegen Verdrehen und Verschieben zu verankern.

Generell müssen massive Steinelemente , die der Gefahr des Brechens ausgesetzt sind, komplett druckfrei versetzt werden. Gemäß ATV-DIN 18332, Abschnitt 3.2.12 gilt: Sohlbänke und Stürze sind hohlfugig und druckfrei einzubauen und zu versetzen. Demzufolge ist die Fuge über dem Sturz so auszuführen, dass keinerlei Kraftübertragung vom Baukörper auf den Sturz stattfinden kann. Alternativ besteht die Möglichkeit, den Sturz aus Naturstein als (dann tragenden) Architrav auszubilden.

Architrave und sonstige tragende Stürze aus Naturstein

Architrave oder Stürze sind horizontale Bauteile, welche Öffnungen überbrücken. Solche Öffnungen können z. B. Fenster-, Tür-, Tor- oder Durchfahrtsöffnungen sowie Zwischenräume zwischen anderen Bauteilen (z. B. zwischen Säulen und Pfeilern) sein. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Last des darüber befindlichen Mauerwerks nicht zu Schäden oder Rissen führt. Deshalb sind solche horizontalen Bauteile statisch zu bemessen.

Wenn die massiven Natursteinelemente Natursteinelemente, die aus den statischen Belastungen resultierenden Biegezugspannungen nicht aufnehmen können, sind diese mit Stahl zu bewehren. In besonderen Fällen werden auch eingeklebte Zugstäbe aus Glasfasern oder Kohlenstofffasern verwendet. Die Stahlbewehrungen zur Aufnahme der Zugspannungen können schlaff oder mit Vorspannung ausgeführt werden. Hierbei ist der erforderliche Korrosionsschutz der Stahlbewehrung zu beachten.

Bewehrungen können in Bohrungen im Naturstein oder in eingefrästen Nuten eingesetzt werden. Aufgrund der hervorragenden Druckfestigkeit in Verbindung mit der Dauerhaftigkeit von Naturstein lässt sich dieser auch für tragende Bauteile mit hohen Belastungen einsetzen. Hierbei ist die relativ geringe Zugfestigkeit der Natursteine mittels Vorspannung zu kompensieren. Aufgrund der sehr geringen Verformbarkeit unter Lasteinwirkung eignen sich Naturwerksteine hervorragend für vorgespannte Tragelemente.

Vorgespannte Natursteinelemente können beispielsweise für hochtragfähige Bogenkonstruktionen wie die Wallfahrtskirche in San Giovanni Rotondo des italienischen Architekten Renzo Piano verwendet werden, deren tragende Bögen aus vorgespannten Natursteinblöcken besteht. Die Konstruktion aus Naturwerkstein mit innenliegenden Spannstählen nimmt die gesamten Dachlasten auf und trägt diese in den Untergrund ab.

Eine weitere Anwendung für vorgespannte Natursteinelemente sind schlanke Fußgängerbrücken mit bis zu 20 m Spannweite und nur ca. 25 cm Konstruktionsdicke. Die Fußgängerbrücken bestehen aus einzelnen Granitplatten, die mittels Vorspannstählen miteinander verbunden sind. Für vorgespannten Naturstein eignen sich besonders Vorspannsysteme ohne Verbund mittels Gewindestäben oder Spannlitzen. Bei der Verwendung von Spannlitzen kann die Vorspannung gemäß des Momentenverlaufs geführt werden, so dass im Bereich der höchsten Bauteilbelastung die Exzentrizität des Spannglieds der Bauteilbelastung entgegenwirkt. (Abb. 06)

Produkte mit Vorspannung stellen sehr hohe Anforderungen an den Herstellungsprozess und an die statische Bemessung. Sämtliche Bauteile sind auf den konkreten Anwendungsfall zu bemessen und von erfahrenen Herstellern nach Vorgaben der Planer zu produzieren. Hersteller von vorgespannten Natursteinprodukten sollten über mehrjährige Erfahrung im Umgang mit Vorspannung an Naturstein verfügen. Es ist empfehlenswert, bereits im frühen Planungsstatus einen Naturwerkstein-Fachbetrieb mit entsprechenden Erfahrungen als Ansprechpartner auszuwählen.

Säulen und Stützen

Säulen und Pfeiler können als tragendes oder nichttragendes Bauteil ausgeführt werden. Bei Ausführung als tragendes Bauteil sind sie statisch zu bemessen und entsprechend zu dimensionieren, auch sind die Anforderungen des Brandschutzes zu berücksichtigen.

Es sind nachstehende konstruktive Ausführungen möglich:

a) Massivsteine mit Verdübelung untereinander

b) Massivsteine durchgebohrt mit eingelegten Spannstählen

c) Massivsteine mit Aussparungen oder Bohrungen für Stahl- oder Stahlbetonstützen.

Bei der Ausführung c) kann der Beton auch direkt in die Aussparung der Massivsteine eingebracht werden. Hierbei dürfen keine Verfleckungen oder Ausblühungen am Naturstein entstehen. (Abb. 08) 08)

Beim Versetzen massiver Bauteile aus Naturstein müssen schwere Lasten bewegt werden. Das Überspannen von Öffnungen erfordert Lehrgerüste. Lehrgerüste bilden das Auflager für die zu versetzenden Steine, sie müssen entsprechend der Auflast dimensioniert sein und die Lasten standsicher in die Auflager der Lehrgerüste einleiten. Lehrgerüste werden annähernd passgenau hergestellt, so dass die Steine beim Aufsetzen auf das Lehrgerüst die vorgesehene Lage erhalten. Ein Feinjustieren der einzelnen Werkstücke erfolgt mit Unterlagshölzern und Keilen.

Als Hebezeuge zum Versetzen der Steine werden je nach Lastanfall Flaschenzüge bis zum schwersten Autokran eingesetzt. (Abb. 07) Massive Steine werden dabei mittels eines „Wolfs“ am Kranseil zum Bestimmungsort transportiert. Ein „Wolf“ ist eine Art Klaue, die sich beim Anheben in einem im Stein eingelassenen konischen „Wolfsloch“ verspannt. Alternativ werden auch Dübel ohne Spreizkräfte eingesetzt, die eine Anhängung der massiven Bauteile an Kranseile ermöglichen.

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