Teil 8: Instandsetzungsmörtel und -betone

Fakultät Bauingenieurwesen, Institut für Baustoffe, Prof. Dr.-Ing. Viktor Mechtcherine
Modul 4-21, WS
Bauen im Bestand – Instandsetzungsmethoden und -baustoffe
baustoffe
Teil 8:
Instandsetzungsmörtel und -betone
Viktor Mechtcherine
Institut für Baustoffe
Instandsetzungsmaßnahmen
Instandsetzungsarbeiten,
g
, geregelt
g
g nach Rili DAfStb:
a) Herstellung des dauerhaften Korrosionsschutzes der Bewehrung bei
unzureichender Betondeckung
b) Wiederherstellung des dauerhaften Korrosionsschutzes bereits
korrodierter Bewehrung
c) Erneuerung des Betons im oberflächennahen Bereich, wenn der Beton
g Korrosion der Bewehrung
g
durch äußere Einflüsse oder infolge
geschädigt ist
d) Füllen von Rissen
e) Vorbeugender zusätzlicher Schutz der Bauteile gegen das Eindringen
g
Stoffen
von beton- und stahlangreifenden
f)
Erhöhung des Widertsands von Bauteiloberflächen gegen Abrieb und
Verschleiß
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand
-2-
Instandsetzungsmaßnahmen
Für die Instandsetzung von Beton kommen in Betracht:
a) Ersatz der Teile von Querschnitten bzw.
bzw Vervollständigen von
Querschnitten mit Mörtel oder Beton
b)) Ausfüllen örtlich begrenzter
g
Fehlstellen mit Mörtel oder Beton
c) Großflächiges Auftragen von Mörtel oder Beton
d)) Auftra g
gen von Beschichtungen,
g
Imprägnierungen
p g
g bzw.
Hydrophobierungen
e) Füllen von Rissen und Hohlräumen mit Reaktionsharz, Zementleim
oder Zementsuspension
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-3-
Instandsetzungsmaßnahmen
– Widerherstellung des Querschnittes mit Beton bzw
bzw. Mörtel –
Alt Messe
Alte
M
iin Mü
München
h
Stütze in einem Wassertank
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-4-
Instandsetzungsmaßnahmen
– Ausfüllen örtlich begrenzter Fehlstellen mit Beton bzw
bzw. Mörtel –
Bereiche mit
Rissen und
Ablösungen
Fehlerhafte
Instandsetzung
TU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand
Nach Norm und
Rili empfohlene
Instandsetzung
-5-
Instandsetzungsmaßnahmen
– Lokale Instandsetzung / Fehlerhafte Ausführung –
Beispiel Parkdeck: Fehlerhafte Instandsetzung
((Erneutes Auftreten von Rissen in der Instandsetzungsschicht)
g
)
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-6-
Instandsetzungsmaßnahmen
– Lokale Instandsetzung –
Zuschnitte für lokale Instandsetzung sollen so einfach
wie möglich sein
Grenzen von losem
bzw abgeplatztem Beton
bzw.
Empfohlener
Zuschnitt
Emmons,
p 143
p.143
Draufsicht
D
f i ht auff
eine Balkonplatte
Emmons (1993)
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-7-
Instandsetzungsmaßnahmen
– Empfohlene Instandsetzungsgeometrien –
T-Trägerprofil
Stützenh itt
querschnitt
Platte- / Wandquerschnitt
Eckprofil
Emmons (2005)
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-8-
Instandsetzungsmaßnahmen
– Großflächiges Auftragen von Mörtel oder Beton –
Geotheanum, Dornach, CH
Antoniuskirche Basel,
Antoniuskirche,
Basel CH
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-9-
Oberflächeninstandsetzung – Prozessverlauf
• Ist
Ist-Zustand
Zustand
• Stemmen
• Vorbereitung
• Materialauswahl
• Verarbeitungstechnik
Vaysburd (2006)
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- 10 -
Instandsetzung als Verbundsystem
Vorhandene Substanz
Instandsetzungsmaterial
g
Übergangsphase
Vaysburd (2006)
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- 11 -
Instandsetzung als Verbundsystem
Instandsetzungssysteme sind
Materialkombinationen (z.B.:
Betonsubstrat, Haftbrücke,
Reparaturmörtel) Wichtig ist,
Reparaturmörtel).
ist
dass die Systemkomponenten
aufeinander abgestimmt sind
und als eine Einheit wirken.
E
Emmons
(2005)
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- 12 -
Instandsetzung als Verbundsystem
Neu
Instandsetzungssystem
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Alt
Altbeton
- 13 -
Instandsetzung als Verbundsystem
Neu und Alt
Wie werden sich diese beiden Materialien auf die Dauer
miteinander Verhalten?
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- 14 -
Einflüsse auf die Dauerhaftigkeit von
Betoninstandsetzungssystemen
Belastungsbedingungen des
Verbundsystems
Oberflächenvorbereitung
Applikationsmethode
Instandsetzungsprozess
Haftung
Kompatibilität
p
des Instandsetzungs
materials mit dem
Untergrund
Eigenschaften des
InstandsetzungsInstandsetzungs
materials
Eigenschaften
des
Untergrundes
Expositionsbedingungen
Entwicklung des InstandInstand
setzungssystems
Herstellung des InstandInstand
setzungssystems
Dauerhaftigkeit des Systems
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Vaysburd (2006)
- 15 -
Kompatibilität der Eigenschaften
Kompatibiliät von
Instandsetzungssystemen mit dem
Untergrund
Abmessungen
Chemie
Permeabilität
Elektrochemie
Aussehen
Trocknungsschwinden
Temperaturdehnung
Kriechen
E Modul
ETU Dresden, Institut für Baustoffe, Viktor Mechtcherine – Bauen im Bestand
- 16 -
Oberflächeninstandsetzung
– Ziele für eine dauerhafte Instandsetzung –
• Haftverbund
• keine Risse
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- 17 -
Kompabilität Instandsetzungsmaterial/Untergrund
nicht
kompatibel
kompatibel
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- 18 -
Ursachen der Inkompatibilität
– Schwinden von Instandsetzungsmörtel/
Instandsetzungsmörtel/-beton
beton –
V d
Verdunstung
t
Schwinden
autogene
Volumenveränderung
absorbiertes
Wasser
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- 19 -
Ursachen der Inkompatibilität
– Trocknungsschwinden / Beispiel Parkdeck –
Beispiel von behindertem
Trocknungsschwinden nach
einer Parkdeckinstandsetzung
Vaysburd (2006)
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- 20 -
Ursachen der Inkompatibilität
– Unterschiedliche E-Moduln
E Moduln der Materialien –
Hoher
EM d l
E-Modul
Niedriger
E-Modul
Niedriger Hoher
E Modul E-Modul
E-Modul
E Modul
Emmons (2005)
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- 21 -
Ursachen der Inkompatibilität
– Unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizient –
Repair
Concrete
S b t t
Substrate
r =  c
r >  c
Keine Spannungen
S
Rissbildung/Abplatzungen
/
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- 22 -
Ursachen der Inkompatibilität
– Unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten –
T°
Epoxidharzsystem
Vorhandener Beton
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- 23 -
Kriterien zur Auswahl eines geeigneten
Instandsetzungssystems
Neben dem geeigneten System sind ebenfalls die dafür geeigneten
Materialen Mittel und Methoden zu bestimmen
Materialen,
bestimmen.
Eigenschaften,
g
, Prüfmethoden und Bewertungen
g
•
•
•
•
Welches Material wird für die jeweilige Instandsetzungsaufgabe benötigt?
Keine leichte Entscheidung! Sachkundige Planung notwendig!
Ermittlung von Ist- und Sollzustand
Beurteilung der Standsicherheit
Eigenschaften, Klasseneinteilung
•
•
•
•
•
Ermittlung der Materialeigenschaften
Welche Eigenschaften werden benötigt?
Welche Eigenschaften sind besonders wichtig?
Wie können ggf. gegensätzliche Anforderungen bedient werden?
Haftverbund, Volumenstabilität, Dauerhaftigkeit, mechanische
Eigenschaften Applikation
Eigenschaften,
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- 24 -
Eigen- und Zwangspannungen in
Instandsetzungssystemen
Ansicht von Oben
xx
Längsschnitt
ZZ
ZZ
ZZ
x
geschwächte Zone
g
Ansicht im
Längsschnitt
Günter, Müller (2002)
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- 25 -
Materialanpassungskonzept für
Instandsetzungssysteme
maximale Zugspannung im
Mörtel [MPa]
Einaxiale Zugfestigkeit von Mörtel [MPa]
10,0
xx
Messwerte
8,0
6,0
40
4,0
8,0
0,10
6,0
40
4,0
Referenz 1)
0,00
0,05
4,0
p/z-Wert
[-]
8,8
13 2
13,2
Luftgehalt
0,43
0,46
0,50
w/z Wert
w/z-Wert
[-]
[ Vol.-%]
2,0
Steuerparameter
zv
3,0
20
2,0
2,0
1,0
0,0
0,0
Zugspannung im Verbund [MPa]
0,0
1)
Zugspannung von PCC mit p/z = 0
Luftgehalt = 4,0 Vol.-%, w/z = 0,43
Günter, Müller (2002)
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- 26 -
Instandsetzung einer Stütze
Ist das Instandsetzungssystem in der Lage, die
ursprünglichen Kräfte zu
übertragen?
Trocknungsschwinden
Emmons (2005)
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- 27 -
Kompatible Instandsetzungsmaterialien
– Allgemeine Anforderungen –
Eigenschaft
Vergleich von Instandsetzungsmaterial (R) und Betonuntergrund (C)
Trocknungsschwinden
Zugfestigkeit
E-Modul
Bruchdehnung
Thermische Ausdehnung/Kontraktion
Kriechen
D kf ti k it
Druckfestigkeit
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R<C
R>C
RC
R>C
RC
RC
RC
- 28 -
Kompatible Instandsetzungsmaterialien
– Allgemeine Anforderungen –
•
Eine allgemeine Fehlkonzeption ist, dass eine höhere Festigkeit
des zementbasierten Materials benötigt wird, um eine hohe
Dauerhaftigkeit unter scharfen Expositionen sicherzustellen.
sicherzustellen
•
Hohe Frühfestigkeitsentwicklung – wünschenswert für einige
Ausführungen – führt zu höherer Schwindneigung und damit zu
g g
Das wirkt sich negativ
g
auf die Dauerhaftigkeit
g
Rissbildungsgefahr.
der Instandsetzung aus.
•
Eine Möglichkeit die Schwindneigung zu reduzieren ist, so viel wie
g
Gesteinskörnung
g der Mischung
g hinzuzufügen.
g
Damit wird
möglich
die Zementleimmenge reduziert. Gesteinskörnungen behindern
das Schwinden.
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- 29 -
Kompatible Instandsetzungsmaterialien
– Allgemeine Anforderungen –
• Planung muss durch sachkundige Planer erfolgen.
• Di
Die ausreichenden
i h d Eigenschaften
Ei
h ft aller
ll verwendbaren
db
Schutz- und Instandsetzungsbaustoffe müssen durch
eine
i Grundprüfung
G
d üf
nachgewiesen
h
i
sein.
i
• Die erforderlichen Eigenschaften sind in der Rili in
Abhängigkeit vom Anwendungsbereich
stoffspezifisch aufgeführt
aufgeführt.
TBZ 2008
TBZ,
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- 30 -
Leistungsparameter für zementbasierte
Instandsetzungsmaterialien
Eigenschaft
Prüfmethode
Anforderung
Zugfestigkeit, min
CRD-C 164
400 psi
E Modul max
E-Modul,
ASTM C 469
3 5  106 psi
3,5
Ausdehnungskoeffizient,, max
CRD-C 39
7 millionths/deg
gF
Trocknungsschwinden, max
ASTM C 157 (modifiziert)
- nach 28 Tagen
0,4 * 10-3
- nach 1 Jahr
1,0 * 10-3
Behindertes Schwinden
Ring-Methode
- Rissbildungsbeginn
< 14 days
- resultierende Dehnung
(1 Jahr), max
1,0 * 10-3
http://www.wes.army.mil/SL/HPMS/bulletins.htm
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- 31 -
Zusammensetzung und Eigenschaften
– Zementbasierte Mörtel/Betone für Instandsetzung (CC) –
Schichtdicke und Zusammensetzung
Schichtdicke
(mm)
Zement/
Gestk.
Max.
Größtkorn
(mm)
Siebdurchgang [M.-%]
0,25
1,0
2,0
4,0
Luftgehalt
(%)
8,0
16,0
< 10
1:2-2
1:2
2,5
5
2
< 14
65-75
65
75
100
-
> 7,5
75
< 20
1:2,5-3
4
< 10
45-65
65-80
100
> 6,0
< 40
1:3-3,5
8
<8
30-45
45-60
65-80
100
< 80
1:3,5-4
16
<6
25-30
35-45
45-55
65-75
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> 5,0
100
> 4,0
- 32 -
Zusammensetzung und Eigenschaften
– Polymermodifizierte Mörtel/Betone zur Instandsetzung –
Polymermodifizierter
y
Mörtel/Beton ((PCC))
- Polymere werden in Form von Dispersionen, dispergierbarem Pulver oder
Emulsionen zugegeben
- es werden Thermoplaste Styrol-Butadien, Polyvinyl, Acrylate usw. verwendet
- außerdem kommen Duroplaste, wie Epoxydharz, zum Einsatz
- Polymere führen zu einem dichteren Porensystem und können ein
Traggerüst im Zementstein bilden.
- Das Polymer/Zement-Verhältnis liegt zwischen 0
0,05
05 und 0
0,20.
20
Polymer-basierter Mörtel/Beton (PC) - Reaktionsharzmörtel
- Polymer ist das alleinige Bindemittel
- i.d.R. Verwendung von Epoxydharzen
- schnellerhärtend, hohe Dichtigkeit, hohe Festigkeit, schwierige
Handhabung
- Das
Mischungsverhältnis
ist
D Mi
h
hält i Polymer/Gesteinskörnung
P l
/G t i kö
i t 1:4
1 4 bis
bi 1:12.
1 12
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- 33 -
Instandsetzungsmörtel – Eigenschaften
Materialeigenschaften
Mörtel/Beton
CC
PCC
PC
Druckfestigkeit [MPa]
35-55
30-45
60-90
Biegezugfestigkeit [MPa]
5-6
6-9
20-35
E-Modul [GPa]
34-39
15-25
15-30
Therm. Ausdehnungskoeff. [10-5 /K]
1,0-1,2
1,2-1,5
2-3
Schwindmaß [mm/m]
0,5-1,2
0,5-1,5
0,03
- Die Druckfestigkeit von PCC nimmt mit steigendem Verhältnis
Polymer/Zement ab, obwohl die Zugfestigkeit meist zunimmt.
- Mit steigendem
t i
d
P
Polymergehalt
l
h lt kkann di
die Ab
Abnahme
h
d
des E
E-Moduls
M d l und
d eine
i
Zunahme der Kriechneigung verzeichnet werden; die Bruchdehnung nimmt zu.
- Es
s liegen
ege keine
e ee
endgültigen
dgü ge Ergebnisse
geb sse be
bezüglich
üg c de
der
Schwindverformungen vor.
- Für in Wasser gelagerten polymermodifizierten Mörtel werden sinkende
Z f ti k it festgestellt.
Zugfestigkeiten
f t
t llt
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- 34 -
Instandsetzungsmörtel – Anwendungsbereiche
Z = zementgebunden
RH = reaktionsharzgebunden
+
geeignet
i
t
nicht geeignet
Applikationsmöglichkeit
TBZ, 2008
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- 35 -
Auswahl eines Instandsetzungssystems
– Vorgehen nach DIN EN 1504 –
Raupach, 2007
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- 36 -
Materialauswahl
1. Schritt – Ermitteln und Festlegen
aller Instandsetzungsbedingungen
2. Schritt
Festlegen der Applikationsmethode
3. Schritt
3
Auswählen der möglichen Materialien
4. Schritt
Entwicklung der Materialspezifikation
5. Schritt
Auswahl eines geeigneten Materials
6. Schritt
Durchführung von Materialprüfungen am
ausgewählten
g
Material
Nein
Hat das
M t i l
Material
die Tests
bestanden?
Ja
7. Schritt
Verwendung des gewählten Materials zur
Instandsetzung
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8. Schritt
Überwachung der Instandsetzungsprozesses.
Wenn nötig, Verbesserung des Auswahlprozesses.
- 37 -
Instandsetzungsmaterial – Datenblatt
Ziel
Erstellen eines logisch und standardgerecht aufgebauten,
informativen Datenblattes zu den jeweiligen
Instandsetzungsmaterialien und -systemen
Inhalt
• Beschreibung des Instandsetzungsmaterials
• stoffliche Zusammensetzung
• physikalische Eigenschaften
• Materialkennwerte
• Verpackung / Lagerung
• Hinweise zur Funktionsweise und Verarbeitung
• Verwendungshinweise
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- 38 -
Instandsetzungsmaterial – Zusammensetzung
Ausgangsmaterial
–
–
–
–
Artt des
A
d Bi
Bindemittels,
d itt l
mit oder ohne Füller,
mit oder ohne Polymerzusatz,
Ein- oder Zweikomponentensystem
Prüfzeugnisse und Befunde
– SO3-Gehalt im Zement
– Na2O-equivalenter Alkaligehalt im Zement
– Gesamtchloridgehalt
g
Materialeigenschaften
•
•
•
•
•
•
•
Spezifisches Gewicht/Rohdichte (Beton, Mörtel)
Frischbeton- und/oder Frischmörtelrohdichte
Erstarrungsbeginn/Abbindezeit
Luftporengehalt
Festigkeit bzw. Streckgrenze
Wasseraufnahme/Permeabilität
pH-Wert
H W t des
d erhärteten
hä t t M
Materials
t i l
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- 39 -
Instandsetzungsmaterial – Eigenschaften
• Druckfestigkeit
• Biegezugfestigkeit
• Zugfestigkeit
• E-Modul
EM d l
• Haftfestigkeit
• Schwindmaß
• Thermischer Ausdehnungskoeffizient
• Frost- bzw. Frost-TauWechselbeständigkeit
g
• Abrasionswiderstand
• Kriechen
• Chlorideindringwiderstand
• Sulfatbeständigkeit
S f
ä
• Beständigkeit gegen
chemischen Angriff
• Risswiderstand
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- 40 -
Materialeigenschaften – Schwinden
Längenänderung C157 modifiziert
– Mörtel
Mö t l 40
40x40x160
40 160 mm
• Normalerhärtung – entformen nach 23 1/2 h,
sofortige Längenmessung
• Schnellerhärtend – entformen 2 h nach Herstellung
y
Mörtel
• Polymermodifizierter
– Ablesen nach 3, 7, 14, 28 d, 2 Monaten, kontinuierlich bis
90% des Endwertes
Messung des
autogenen
Schwinden
nach Jensen
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- 41 -
Instandsetzungsmaterial – Schwinden
0.35
Sc
chwindm
maß, %
0.3
0.25
hohes
Schwinden
02
0.2
0.15
0.1
0.05
schwindarmer
Bereich
Beton
mäßiges
Schwinden
0
-0.05
steigende Rissneigung
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- 42 -
Instandsetzungsmaterial – Risswiderstand
Risswiderstand
Ri
id
t d
Ring Test nach AASHTO PP34-99
Grundplatte
– Versuchsaufbau - Schema
Betonring
– Lagerung
3 d feucht
dann 60 d Klima 23 °C; 50 % RH
Stahlring
– Durchführung der Messungen
ermitteln des ersten Risses
(Erstrissbildung)
• Dehnung = Summe der Rissweiten
nach 60 d/Ring
• Längenänderung bezogen auf Ausgangslänge (hier Umfang)
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Dichtung
- 43 -
Instandsetzungsmaterial
– Verpackung und Lagerung –
Produktkennzeichnung (nach ASTM C1107 Abschnitt 15)
–
–
–
–
–
–
Name des Herstellers
Datum der Herstellung
Verfallsdatum / Haltbarkeitsdauer
Artikelnummer (nach DIN EN 1504 Prüfzeichen)
Gewicht
Lagerungsbedingungen
Verarbeitungshinweise
– Oberflächen- / Untergrundvorbereitung
– Verwendung von Haftbrücken
– Verarbeitung und Nachbehandlung (Mischen
(Mischen, Einbringen
Einbringen,
Nachbehandeln)
– Maximale Wasserzugabemenge oder maximales Konsistenzmaß
– Fließgrenze bei maximaler Wasserzugabemenge
– Maximale Verarbeitungszeit oder Topfzeit bei entsprechender
Konsistenz
– Maximale und minimale Temperatur der Verarbeitung
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- 44 -
Instandsetzungsmaterial – Wichtige Schritte
• Oberflächenvorbereitung bzw. Vorbereiten
der Betonunterlage
• Herstellen der Mischung
• Verarbeiten / Auftragen
• Nachbehandlung
• evtl. Auftragen von Oberflächenschutzsystemen
• Planung der Eigenüberwachung für höchste
Leistungsfähigkeit
e stu gs ä g e t u
und
d Dauerhaftigkeit
aue a t g e t
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- 45 -
Instandsetzung – Prinzip Ursache/Wirkung
Die Feststellung eines Schadens ohne Verständnis der Ursache
führt unvermeidbar zu frühzeitigem Versagen der
Instandsetzungsmaßnahme.
Instandsetzungsmaßnahme
fehlgeschlagene
Instandsetzung
Schadensereignis
Fehlerbeseitigung;
Arbeitsmittel
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Fehlschlag
- 46 -