Um bauliche Veränderungen an historischen Gebäuden vorzunehmen muss eine präzise Erfassung des Bestands vorausgehen. An der Kirche San Michele Arcangelo half die Methode die Sanierung zu planen.
Die Kirche San Michele Arcangelo aus dem Jahr 1735 liegt im Zentrum von Borgo di Terzo nahe Bergamo in Italien. An der Vorderseite der Fassade zeichneten sich deutliche Mauerwerksrisse ab, die auf die auf schwere Schäden des Gebäudes hinwiesen. Aufgrund ihrer unregelmäßigen Architektur erforderte die Kirche eine präzise Bestandsanalyse als Basis für die Sanierungsarbeiten.
Mit dem Laserscanner den Innenraum erfassen
Als Grundlage für die anstehende statische Ertüchtigung der Kirche in Borgo di Terzo nahm der Fachbereich Ingenieurwesen der Universität Bergamo einen Laser Scanner zur Hilfe. Somit war es möglich den Innenraum des Bauwerks innerhalb von einem Tag zu erfassen. Zur Filterung und Interpolation der Scandaten wurde für die detaillierten Untersuchungen im Vorfeld der Sanierung ein grafischer Ansatz gewählt. Dieser ermöglicht, für die Gebäudeanalyse architekturübliche Verfahren anzuwenden: etwa die systematische Untersuchung von Rissmustern im Mauerwerk zur Darstellung der Schäden in der Orthogonalprojektion oder ein Vergleich der realen Geometrie eines durch das Eigengewicht deformierten Gewölbes mit seiner idealen Geometrie.
Um die Scandaten der Kirche mit der Finite-Elemente-Methode (EM-Methode) nutzen zu können, musste die Punktewolke von einem kontinuierlichen Modell in ein numerisches Modell transformiert werden. Anschließend konnten für die Schadensuntersuchung relevante, orthogonal zueinander liegende Schnittebenen gewählt werden. Hier erwiesen sich Elementraster in regelmäßigen Abständen von 30 x 30 x 30 cm als guter Kompromiss, um wesentliche Teile der Gebäudestruktur abzubilden.
Die Dachkonstruktion hatte sich gesetzt
Im Zuge der 3D-Dokumentation mit dem Laser Scanner wurde die Ursache für die beobachteten Schäden deutlich: Als Folge einer früheren Restaurierung kam es zu einer Setzung der hölzernen Dachkonstruktion. Davon sind sowohl die Anker eines Binders als auch der auf dem Gewölbe aufliegende Gewölberücken betroffen. Das führte zu einer starken Durchbiegung und zu schweren Schäden des darunter liegenden Gewölbemauerwerks. Mit der FEM-Analyse wurde der aktuelle Belastungsverlauf im Gewölbe bewertet und der Verlauf nach der geplanten Restaurierung überprüft. Sie ergab, dass sowohl die Auflager der Bogenpfeiler als auch die korrespondierenden Anker saniert werden müssen. Zudem ist der mittlere Bogen mit einem Stahlnetz und Kalkmörtel zu verstärken. Die Verformung des Gewölbes unter Last zeigt außerdem, dass ein Bindeglied zum Gewölberücken nachgegeben hat, was den Austausch dieses Ankers nahelegte. Nachdem diese Verstärkungsmaßnahmen in das Bestands-FEM-Modell eingefügt worden waren, zeigte sich eine allgemeine Verbesserung der gesamten statischen Struktur.
3D-Laserscanning
Genaue Vermessungsdaten sind bei Eingriffen in die Statik von großer Bedeutung und bilden die Grundlage für eine Strukturanalyse mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM). Für solche Bestandsaufnahmen ist 3D-Laserscanning geeignet. Die räumlichen Daten können mit gängigen Softwarelösungen für Strukturanalysen genutzt werden und stehen zur CAD-Planung der Sanierung zur Verfügung.
Mit den 3D-Laserscanner sind 360-Grad-Datenerfassungen möglich und sie liefern Datensätze, in denen jeder einzelne Punkt die gleiche Genauigkeit im räumlichen Koordinatensystem aufweist. Deshalb ist es möglich, die erzeugte Wolke aus Einzelpunkten (Punktewolke) nicht nur zur Untersuchung eines Bauteils heranzuziehen, sondern auch strukturelle Deformationen weiterer Bauteile automatisch und gleichzeitig zu erfassen.