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Langzeit-VerformungMessungen an hohlliegenden Wandmalereien

Author(s): Zehnder, Konrad; Voûte, Alexander

Publication Date: 2005

Permanent Link: https://doi.org/10.3929/ethz-a-004904267

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RESTAUROforum

Konrad Zehnder, Alexander Voûte

Langzeit-VerformungMessungen an hohlliegenden Wandmalereien

In einem Projekt, das die Grundlagen zur Konservierung von gefährdeten Wandmalereien im

Kloster St. Johann in Müstair erarbeitet, bildet die Erforschung von Ablösungsvorgängen mithilfe von

neuen Messtechniken einen Schwerpunkt. Untersucht werden zwei Objekte: die romanischen

Wandmalereien in der Klosterkirche und die ottonischen bis barocken, übertünchten Wandmalereien

in der Heiligkreuzkapelle. Deren Bedeutung als integraler Teil des Kulturerbes von Weltrang ist

allgemein bekannt l(Abb. 1). In beiden Fällen ist es nötig, die Vorgänge, Ursachen und zeitliche

Entwicklung der Schäden besser kennen und verstehen zu lernen, um nachhaltig richtige

Vorgehensweisen abzuleiten.

Dr. Konrad Zehnder ist Naturwissenschaftler am Institut für Denkmalpflege der ETH Zürich.

Er befasst sich mit Grundlagenforschung im Zusammenhang mit Schadensprozessen und Methoden

der Konservierung an Baudenkmälern.

Alexander Voûte ist Diplomphysiker und befasst sich mit der Analytik von Museumsobjekten sowie

physikalischen Einwirkungen auf diese Objekte.

Die romanischen Wandmalereien in der Klosterkirche vonMüstair entstanden um das Jahr 1200 auf der rund 400 Jahreälteren karolingischen Ausmalung2. Die schlechte Haftung derromanischen Malerei auf der freskal bemalten karolingischenPutzschicht ist allerdings ein altes Problem. Bei der Wieder-entdeckung der Wandmalereien von 1894 wurden nur nochRelikte der roman ischen Malerei angetroffen, und bei der Res-taurierung von 1947-51 und danach mussten weitere schlechthaftende Teile abgenommen und ins örtliche Museum ver-bracht werden.

Die Heiligkreuzkapelle, eine doppelgeschossige Dreikon-chenanlage, wurde jüngst dendrochronologisch auf das Jahr785/88 datiert. Im Obergeschoss (auch Oberkirche genannt)befinden sich bis zu 10 Malsch ichten, als älteste die ottonischeMalerei aus dem 9.110. Jahrhundert3. Das Hauptproblern derseit spätestens dem 17. Jahrhundert zugedeckten Wandmale-rei liegt darin, dass sie sich blätterteigartig aufspaltet, wobeidie Malschichten teilweise an dem sich ablösenden Tünche-paket und teilweise am Untergrund haften bleiben. Diese Mal-schichttrennung verläuft mitten durch die unterschiedlichstenGenerationen von Wandmalereien. Wegen fortschreitenderSchäden mussten in den letzten Jahren bereits ca. 10 m2 dermöglicherweise gegen 50 m2 umfassenden Malerei freigelegtund konserviert werden. Auch in diesem Fall ist der Prozessder Schichtentrennung sehr alt. Denn jede Übermalung undÜbertünchung wurde auf einem zeitlich uneinheitlichen Be-stand appliziert.

Laservideoholografie zur HohlstelIenerfassung

Hohlstellen und deren Ausbreitung wurden konventionelldurch behutsames Klopfen mit dem Finger oder mit einemStift taktil und akustisch festgestellt und kartiert. Obwohldiese Methode mit entsprechender Erfahrung sehr empfind-

1 Ansicht der Kirche (rechts) und derHeiligkreuzkapelle (links) des Klosters

in Müstair. Die durch Hohlstellen-erweiterung gefährdeten Malereien

befinden sich an den Innenseiten dermit Pfeilen markierten Bereiche.

lich und schonend sein kann, besteht ihr gravierendster Nach-teil darin, dass sie grundsätzlich subjektiv und damit schlechtreproduzierbar ist. Eine an der Universität Oldenburg vonProf. Klaus Hinsch und seiner Forschungsgruppe entwickelteMethode ermittelt Hohlstellen durch akustische Anregungund Erkennung der schwingenden Wandbereiche mit Laser-

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2 Darstellung der romanischen Wandmalerei (1:1 Strichzeichnung von Oskar Emmenegger & Söhne AG) mit überlagerter laservideoholo-grafischer Hohlstellendetektion von Gerd Gülker, Klaus Hinsch und Holger Joos des Jahres 2000. Grün und blau sind die fest verbundenen(d.h. nicht bis schwach vibrierenden), gelb und rot die hohlliegenden (d.h. stärker vibrierenden) Bereiche. Die an der Universität Oldenburgin einem aufwändigen Verfahren gewonnenen ca. 30 Einzelbilder wurden am Institut für Geodäsie und Fotogrammetrie der ETH Zürichentzerrt und maßstäblich zusammengefügt. Der grüne Kreis markiert die Stelle, an der Spiegel mikrometer montiert wurden.

videoholografie4. Bei diesem Verfahren resultiert ein qualita-tives Bild der Hohlstellenverteilung, das technisch genügendgenau reproduzierbar ist, um nach einer Wiederholungsmes-sungrelevante Hohlstellenerweiterungen objektiv festzustellen.Eine erste Messkampagne fand im Jahr 2000 statt, wovonAbb. 2 einen Ausschnitt zeigt. Die Wiederholungsmessung ist2005 geplant. Das Ergebnis der ersten Messung lässt daraufschließen, dass in der Klosterkirche rund 50 % der verblei-benden, insgesamt etwa 80 m2 mit romanischer Malerei hohl-liegen. In der Heiligkreuzkapelle, wo rund 1/3 der 110 m2

großen Gesamtfläche mit mittelalterlichem Putz untersuchtwurde, sind 60-90 Flächenprozente nicht mehr fest mit derUnterlage verbunden. Hier bildeten die interne inhomogeneSchichtentrennung der Malerei sowie eine geringe Boden-stabilität zusätzliche messtechnische Probleme, welche dieInterpretation der Messungen erschweren.

Spiegelmikrometrie zur Messung der Langzeit verformung

Bisher unbekannt sind die an Hohlstellen stattfindenden kurz-und langfristigen Bewegungen. Herkömmliche Messgerätesind wegen gravierender Nachteile für den Einsatz an Wand-malereien ungeeignet: Physikalische Verformungssensoren(z.B. induktive Wegaufnehmer) müssen mit dem Objekt

verklebt oder verschraubt werden und sind aufgrößere Gegen-drucke ab ca. 100 g ausgelegt. Die Laserinterferenzholografieund die Laser holografie sind zwar sehr genaue, aber auch sehraufwändige Systeme, die an einem historischen Objekt nichtüber längere Zeit (Wochen und Monate) kontinuierlich imEinsatz bleiben könnten.

Deshalb wurde von Alexander Voûte ein neues System zurÜberwachung von Langzeitverformungen an empfindlichenObjekten entwickelt. Mit so genannten Spiegelmikrometernwerden Bewegungen senkrecht zur Wandoberfläche, wie siez.B. an hohlliegenden Wandmalereien zu erwarten sind, miteiner Genauigkeit von 10 Mikrometern erfasst. Das Mes-sprinzip nutzt die Auslenkung eines Lichtstrahls, der über ei-nen beweglichen Spiegel reflektiert wird (Abb. 3). Mit einerexakt positionierten Lichtquelle wird ein Reflex auf der eben-falls exakt positionierten Projektionsfläche erzeugt. Dabei wer-den die Bewegungen des projizierten Lichtflecks gegenüberden Bewegungen der Wand um das 500- bis 1000fache ver-stärkt. Bei sorgfältiger Handhabung mit zentimetergenauerPositionierung der Lichtquelle und des Projektionsschirmesist mit einem Laserpointer, dessen Reflex wenige MillimeterDurchmesser hat, eine Ablesegenauigkeit von wenigen Mikro-metern erreichbar5. Die Ablesungen erfolgen vorerst manuell

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3a Schematische Skizze:Aufbau des Spiegelmikro-meter-Systems

3b Foto einesSpiegelmikrometers

(dessen Höhe be-trägt 45 mm)

3c Das ganze System mit Laserpointer als Lichtquelle. Der Lichtreflex wird an die mit weißem Magnetengekennzeichnete Stelle geworfen (Bildbreite ca. 30 cm).

in zeitlichen Abständen von einer Woche6. Entscheidend beider Entwicklung des Spiegelmikrometers war, dass der an derWand befestigt Sensor nur 20-25 g schwer ist und mit einemsehr kleinen Auflagedruck von 1-1,5 g funktioniert. Weiterebeachtliche Vorteile dieses Systems sind, dass es mit relativgeringen Eingriffen und geringen ästhetischen Beeinträchti-gungen verbunden ist. Bei einer hohlliegenden Wandmalerei,die mit Sicherungsstiften fixiert wird, können die Spiegel-mikrometer direkt an diesen Stiften montiert werden. Abb. 4zeigt einen Ausschnitt der romanischen Malerei in der Klos-terkirche, mit den montierten Spiegelmikrometern.

• Erste Ergebnisse der Langzeit-VerformungsmessungenDie seit November 2002 mit Laserpointern abgelesenen Spie-gelmikrometer7 lieferten bereits Resultate, die klare Hinweiseauf Bewegungen geben. Sie sind in Abb. 5 und 6 dargestellt.Darin bedeuten farbige Linien = horizontale Bewegungender Wandoberfläche (in Mikrometern, bei positiven Wertenbewegt sich die Wand nach außen, bei negativen nach innen,Skala am linken Rand des Diagramms), gestrichelte Linie =Relative Feuchte der Luft im Raum (Skala am rechten Randdes Diagramms), graue Linie = Lufttemperatur (Skala amrechten Rand des Diagramms).

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3d AlexanderVoûte beimJustieren einesSpiegels

3e Werner Fallet neben der Ablesevorrichtung.Diese besteht aus einem Fotostativ mit aufge-

setztem Laserpointer, einer weißen Projektions-fläche mit horizontal zu schiebendem Maßstabund einem am Stativkopf befestigten Senkblei

zur genauen Positionierung des Stativs.

Die in der Südapsis der Klosterkirche (Abb. 5) beobachte-ten Messpunkte Nr. 2, 3 und 4 geben Folgendes zu erkennen:

Im gemessenen Zeitraum fanden Bewegungen in einem Um-fang von maximal 20 Mikrometern statt. Alle drei Messpunkte,die innerhalb eines Umkreises mit Durchmesser von 50 cmliegen, haben sich annähernd parallel zueinander verschoben.Kleinere Unterschiede zwischen den Messpunkten liegen inner-halb der Messungenauigkeit und sind deshalb noch nicht zu-verlässig interpretierbar.

Die wegen derApsidenrundung konkav gewölbte, hohlliegen-de Putzfläche scheint sich tendenziell nach innen (negativeWerte = gegen die Wand) zu bewegen. Diese Drift könnte miteiner parallel dazu verlaufenden Drift in der mit tleren relativenLuftfeuchte zusammenhängen. Möglich sind aber auch weitere,noch unbekannte Zusammenhänge. Die Lufttemperatur scheintkeinen Einfluss auf die Bewegungen der Putzschicht zu haben.

In der Heiligkreuzkapelle sind insgesamt drei Messpunktemit je einem Fixpunkt an der Nord- und Südwand sowie inder Ostapsis installiert (Nr. 10 an der Nordwand, Nr. 11 inder Ostapsis, Nr. 14 an der Südwand). Es zeigten sich folgendeBewegungen der hohlliegenden Tüncheschichten (Abb. 6):

Der Messpunkt an der Südwand (14) bewegte sich stark,das heißt um ca. 50-70 Mikrometer nach außen. Dabei fälltauf, dass »sprunghafte« Bewegungen nach außen mit mar-kanten Luftfeuchte-Einbrüchen korrelieren, so beispielsweisejener von Mitte März 2003. Andererseits scheint die generelleAuswärtsdrift mit einem Absinken der mittleren relativenFeuchte zu korrelieren. Beides weist auf einen ursächlichenZusammenhang mit der relativen Feuchte hin. Vorläufig nichtauszuschließen ist aber auch ein Zusammenhang mit derTemperatur.

Die Messpunkte 10 und 12 bewegten sich um ca. 20—30Mikrometer nach innen. Diese Drift ist ähnlich wie diejenigein der Klosterkirche, auch hier lässt sich ein Zusammenhang

mit der mittleren relativen Feuchte zumindest vermuten.Ob und wie weit sich diese Vermutungen bestätigen, welcheneuen Zusammenhänge erkennbar werden und die- entschei-dende Frage - ob die Bewegungen reversibel oder irreversibelverlaufen, wird sich im Verlauf der weiteren Beobachtung zeigen.

Schlussbemerkung und Ausblick

Die hier vorgestellten Methoden machen es erstmals möglich,das Ausmaß von Hohlstellen objektiv und reproduzierbarzu umgrenzen und deren Verformungen im mikroskopischenMaßstab zeitkontinuierlich zu verfolgen. Dadurch eröffnensich wissenschaftlich interessante Einblicke in wenig bekann-te Schadensvorgänge. Diese Methoden und Erkenntnissesind auch praktisch relevant, indem kleine, graduelle Verän-derungen, die eine Wandmalerei zunehmend gefährden, ein-deutig nachgewiesen (oder im umgekehrten Fall widerlegt)werden können. Solche Untersuchungen erfordern hoch-spezialisierte Gerätschaften, die von erfahrenen Physikern be-dient und ausgewertet werden, sowie einen beträchtlichenAufwand an Zeit. Es sind also - zumindest noch - keine»Standardmethoden«. Die eigentlich naturwissenschaftlicheAufgabe besteht darin, die Ursachen und die Bedingungensolcher Bewegungen zu klären, was nur mit dem gezieltenEinbezug von Umgebungseinflüssen geschehen kann. Schließ-lich müssen diese an einem Objekt gefundenen Zusammen-hänge auch an weiteren Objekten und unter kontrolliertenBedingungen im Labor nachprüfbar sein.

Neben klimatischen Einwirkungen gibt es eine Reihe wei-terer Faktoren, die Ablösungsvorgänge verursachen undvorantreiben. Erwähnt seien Erschütterungen durch Erdbe-ben und Verkehr sowie durch bauliche Eingriffe, unsachge-mäße Berührungen, wiederholtes Übertünchen etc. All diesepotenziellen Gefährdungen gilt es bei der Beurteilung vonMessergebnissen grundsätzlich mit zu bedenken.

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Wenn es gelingt, die Kenntnisse über Umfang, Ursachenund Bedingungen von Ablösungsvorgängen an Wandmale-reien zu erweitern, können die Möglichkeiten der Konservie-rung differenzierter und effizienter angegangen werden. Den-noch bleibt die Beurteilung einer Gefährdung durch drohen-des Abfallen schwierig, weil die immanenten Risiken nichtkalkulierbar sind. Offene Fragen sind: Was geschähe bei einerErschütterung durch ein schwaches bis mittleres Erdbeben?Was wäre die voraussichtliche Standzeit bei einer kontinuier-lich fortschreitenden Ausbreitung der Hohlstellen ohne außer-ordentliche Erschütterungen? Um die zweite Frage beantwor-ten zu können, müsste nicht nur die Größe der verbleibendenHaftfläche, sondern auch deren tatsächliche Belastbarkeit unddie darauf wirkenden Kräfte (u.a. das Gewicht der hohllie-genden Malerei) bekannt oder zumindest abschätzbar sein.Davon sind die statischen Berechnungsmöglichkeiten heutenoch weit entfernt. Denn es gibt keine zuverlässigen empiri-schen Werte, die als Grundlage dienen könnten. Die Materi-alien und Materialverbände, ihre individuelle Alterungs-geschichte und ihr aktueller Zustand sind an historischenObjekten zu verschieden, um mit Standardwerten in relevanterGenauigkeit berechenbar zu sein. Die konkrete Entscheidungüber sichernde Eingriffe, Schutzmaßnahmen oder im Extrem-fall eine vorsorgliche Abnahme wird also zu einem großenTeil auch weiterhin allgemeiner Erfahrung und Risiko toleranzberuhen.

Dank

Wir danken der Stiftung Pro Kloster St. Johann in Müstairfür Mitfinanzierung dieses Projektes, sowie dem archäologi-schen Team, insbesondere Herrn Dr. Jürg Goll und HerrnWerner Fallet, für sorgfältige Betreuung der Messungen.

Anmerkungen1 http://www.unesco.ch/work-d/welterbe_ch02_frame.htm2 Alfred Wyss, Hans Rutishauser , Mare Antoni Nay: Die mittelalter-lichen Wandmalereien im Kloster Müstair. Grundlagen zu Konservierungund Pflege. Veröffentlichungen des Instituts für Denkmalpflege an derETH Zürich, Band 22. vdf Hochschulverlag an der ETH Zürich, 20023 Oskar Emmenegger, Hans Rutishauser: Vorromanische Wandbilderin der Heiligkreuzkapelle in Müstair, in: Jahresbericht 1996 desArchäologischen Dienstes Graubünden und der Kantonalen Denk-malpflege Graubünden, Chur 1997, S. 151-160.4 Thomas Fricke-Begemann, Gerd Gülker, Klaus Hinsch, Holger Joost:Mural inspection by vibration measurements with TV-holography.-SPIE, Nr. 3411, 1998, S. 431-4385 Konrad Zehnder, Alexander Voûte: Hohlliegende Wandmalereien.Messung der Langzeitverformung, in: RESTAURO 4/2001, S. 2526 Eine Verschiebung des Reflexes um 1 cm entpricht bei einem Ab-stand von ca. 4 m zwischen Lichtquelle und Projektionsschirmund Spiegel einer horizontalen Bewegung der Wandoberfläche von11,5 Mikrometern. Zur Umrechnung werden die exakten Maße desLichtstrahlenganges und der Spiegelgeometrie benötigt. Um Abwei-chungen, die sich aus der ungenauen Positionierung des Projektions-schirms ergeben, zu eliminieren, werden bei jeder Messung die beweg-lichen Messpunkte mit einem stabilen Fixpunkt im gleichen Beobach-tungsfeld korreliert.7 Versuchsweise kürzere Messintervalle hatten ergeben, dass im Bereichvon Stunden bis zu einem Tag keine messbaren Bewegungen festzu-stellen sind. Eine automatische Messvorrichtung ist geplant.

4 Ausschnitt der romanischen Wandmalerei in der Klosterkirchevon Müstair, Darstellung des Stephanus in der Südapsis. Im Zentrum

des grünen Kreises ist einer von insgesamt vier in dieser Zoneeingesetzten Spiegelmikrometern erkennbar. Befestigt wurden sie an

Sicherungsstiften, die in den 1990er-Jahren angebracht wurden.

5 Ergebnisse der Spiegelmikrometermessungenin der Klosterkirche Müstair (Erklärungen im Text)

6 Ergebnisse der Spiegelmikrometermessungenin der Heiligkreuzkapelle Müstair (Erklärungen imText)

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