Reduktion der Turmschwingungen bei gleichbleibender Klang-Qualität des «Kulturläutens» – Kirche St. Luzi, Zouz

Ausgangslage

Die evangelisch-reformierte Kirche San Luzi in Zuoz GR, die unter kantonalem Denkmalschutz steht, zählt zu den drei ältesten Tal- und Taufkirchen im Engadin. Teile des Turms sowie des Kirchenschiffs datieren aus dem Jahr 1139. Der rund 60 m hohe Turm aus Bruchsteinmauerwerk mit Aussenmassen von 5 × 5 m erscheint ausgesprochen schlank und elegant. In seinem Innern schwingen ober- und unterhalb der Turmuhr vier Glocken mit Einzelmassen von bis zu 1100 kg.

Im Jahr 2003 wurden beim Läuten der Glocken aussergewöhnlich starke Schwingungen festgestellt, worauf im Mai 2004 erste dynamische Messungen durchgeführt wurden.
Während des Glockenläutens wurden auf Höhe des Glockenstuhls Schwinggeschwindigkeiten von bis zu 20 mm/s gemessen (Daten aus aktuellen Messungen mit Glockenaufhängungen und Läutwinkeln entsprechend dem Zustand von 2003). Da diese Schwinggeschwindigkeiten den Schwellenwert für historische Türme gemäss DIN 4178:2021 (Glockentürme) deutlich überschritten, wurden damals umfangreiche Massnahmen umgesetzt. Die beiden grössten Glocken wurden mit gekröpften Jochen ausgestattet und die Schlagzahlen deutlich reduziert. Dadurch liessen sich die Schwinggeschwindigkeiten zwar etwas senken, sie lagen jedoch mit 13.4 mm/s (Messung 2024) weiterhin über dem Schwellenwert der DIN 4178.
Zudem führten die Umbaumassnahmen zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Qualität des «Kulturläutens», was von der Kirchgemeinde und der Bevölkerung beanstandet wurde. Das dynamische Verhalten des Kirchturmes gab zudem Rätsel auf, weshalb eine Lösungsfindung unter Berücksichtigung aller Randbedingungen als sehr schwierig beurteilt wurde (siehe https://www.espazium.ch/de/aktuelles/baudynamik-der-besonderen-art).

Problemlösung

Anfangs 2025 beauftragte die Gemeinde Zuoz die Muff Kirchturmtechnik AG aus Triengen eine Lösung für die beschriebenen Problemstellungen zu entwickeln und umzusetzen. Die Zielsetzungen waren klar definiert: Einerseits sollte das ursprüngliche Kulturläuten wiederhergestellt werden, andererseits war eine Reduktion der Schwinggeschwindigkeiten auf ein für die Tragstruktur des Turms verträgliches Mass anzustreben.

Auf Grundlage unserer Schwingungsmessungen war für Thomas Muff mit seinem Team und unserer Beratung rasch ersichtlich, dass sich das Problem nur durch die Installation einer Gegenpendelanlage für die beiden schwersten Glocken lösen lässt. Ziel dieser Anlage ist es, die von den Glocken auf den Kirchturm übertragenen Horizontalkräfte möglichst vollständig zu kompensieren. Dazu müssen für die beiden schwersten Glocken pendelnde Massen vorgesehen werden, die exakt in Gegenphase zu den Glocken schwingen.

Darüber hinaus sind sowohl die Massen der Gegenpendel als auch deren Trägheitsmomente so auszulegen, dass die resultierenden Horizontalkräfte jenen der jeweiligen Glocken entsprechen. Eine der grössten Herausforderungen bestand daher darin, die beiden Gegenpendel im sehr begrenzten vorhandenen Raum unterzubringen.

Üblicherweise werden Gegenpendelanlagen mechanisch direkt mit dem Antrieb derjenigen Glocke gekoppelt, deren Horizontalkräfte kompensiert werden sollen. Dies führt jedoch häufig zu einer Beeinträchtigung des Klangverhaltens. Eine Glocke zu einem klaren und reinen Klang zu führen, ist eine Kunst für sich. Neben der sorgfältigen Abstimmung von Glockenkörper und Klöppel kommt auch dem Läutwinkel eine wesentliche Bedeutung zu, da er den entstehenden Klang massgeblich prägt.

Aus diesem Grund entschieden sich Thomas Muff und sein Team, die Glocken und die Gegenpendelanlagen nicht mechanisch zu verbinden, sondern die Ansteuerung der Gegenpendel rein elektronisch umzusetzen. Die Steuerung erfolgt dabei in einem Master-(Glocke)-Slave-(Gegenpendel)-Betrieb, was nach unserem Kenntnisstand einer Weltneuheit entspricht.

Erste Messungen nach Umsetzung der Massnahme zeigen, dass die Gegenpendelanlage beim Betrieb einzelner Glocken in der Lage ist, die Schwinggeschwindigkeiten um mehr als einen Faktor 4 zu reduzieren. Beim gleichzeitigen Läuten aller Glocken liegen die resultierenden Schwinggeschwindigkeiten nun deutlich tiefer, in einem akzeptablen Rahmen.

Als weitere Neuerung wurde von der Muff Kirchturmtechnik AG ein neuartiger Klöppel eingesetzt. Dessen spezielle Form führt zu einer Reduktion der Lautstärke beim Läuten. Gleichzeitig wird die Glocke nun so angeschlagen, dass beim Anschlag eine sehr ausgewogene klangliche Charakteristik entsteht.

 

Leistungen ZC Engineering AG

Die ZC Engineering AG hat Schwingungsmessungen vor dem Projektbeginn durchgeführt und ausgewertet. Dabei wurden unter anderem die horizontalen Schwinggeschwindigkeiten des Kirchturmes während dem Läuten der Glocken ermittelt und beurteilt. Zudem wurden die Glocken mit unterschiedlichen Läutwinkeln und somit Schlagzahlen betrieben.
Damit kann die Eigenfrequenz des Turmes bei den typischen Auslenkungen beim Läuten ermittelt werden. Diese so ermittelte Eigenfrequenz liegt über 10 % tiefer als die aus ambienten Schwingungen ermittelte. Basierend auf diesen Messungen wurden mit der Muff Kirchturmtechnik AG die notwendigen Massnahmen definiert. Nach der Umsetzung der Massnahmen wurden erneut die Schwinggeschwindigkeiten gemessen und beurteilt. Neben den Messungen der Schwinggeschwindigkeiten wurde die Bewegungen der Glocken und der Gegenpendel mit einer hochauflösenden Video-Kamera aufgezeichnet. Damit konnte im Sinne einer Qualitätssicherung gezeigt werden (was nicht anders zu erwarten war), dass die Bewegung des Gegenpendels sauber in Gegenphase zur Glocke sind.