In den ZTV Beton-StB 07 sind die Anforderungen an die Lage der Dübel in Betondecken-Fugen enthalten. Größere Abweichungen können zu Schäden führen. Im Rahmen einer Forschungsarbeit waren die Ergebnisse der vergangenen Jahre von Dübellagemessungen mit dem Pulsinduktionsverfahren zu bewerten und aus Folgerungen Verbesserungen gegebenenfalls der Qualität des Dübeleinbaus zu erzielen. Dazu wurden von 21 Strecken 894 Querscheinfugen mit 40389 Dübeln ausgewertet. Die vorliegenden Messdaten zeigen eine sehr unterschiedliche Qualität der Lage der Dübel. Soweit bekannt, waren auch bei Überschreitungen der festgelegten Toleranzen keine Schäden vorhanden.

Durch die aufgrund der Lagemessungen vorgenommene Maßnahme, beim Verdichten geringere Energie über die Rüttler an zu tief liegende Dübel einzuleiten, wurde in einem Deckenlos abschließend ein hervorragendes Ergebnis der Dübellage erzielt.

Durch die frühzeitige Kontrolle der Dübellage und entsprechende technische Korrekturen (Kennzeichnung der Fuge, Qualität, Steifigkeit und Zusammensetzung des Betons sowie Einbaugeschwindigkeit des Fertigers) lässt sich eine gute Dübellage erreichen, bei der die Toleranzen nach den ZTV Beton-StB 07 eingehalten werden können. Aufgrund früherer Untersuchungen kann eine abweichende Höhenlage nach unten von 35 mm und eine Verschiebung der Dübel von +/- 75 mm zugelassen werden.

Bei Erweiterung der Toleranzen konnten teilweise die Toleranzüberschreitungen auf etwa die Hälfte reduziert werden. Dagegen hatte bei einigen Strecken die Toleranzerweiterung geringe Auswirkungen.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Einleitung

Die in stark belasteten Betonfahrbahnen in den Querfugen einzubauenden, kunststoffbeschichteten Dübel dienen der Sicherung der Höhenlage benachbarter Platten und gewährleisten die Querkraftübertragung von Platte zu Platte. Größere Lageabweichungen und zu geringe Betondeckungen können zu einer geringeren Querkraftübertragung, zu Schäden an der Betondecke und bei geringer Rissöffnung zu Paketreißen und außerplanmäßigen Rissen führen.

In den ZTV Beton-StB 07 [1] sind die Anforderungen an die Lage der Dübel (Standarddübel Ø 25 mm/Länge 500 mm) bezüglich

– Höhenlage dz mit Toleranz ≤ 20 mm,

– Schräglage s mit Toleranz ≤ 20 mm und

– Verschiebung in Längsrichtung dy mit Toleranz ≤ 50 mm

enthalten. Die einheitliche Durchführung und Auswertung von Messungen zum Nachweis der Lage von Dübeln und Ankern sind im Arbeitspapier Nr. 67 der FGSV beschrieben [2]. Im Rahmen einer Forschungsarbeit zur Dübellage [3] wurden erste Untersuchungen zur Messgenauigkeit der bekannten Verfahren, ein Vergleich in einem Ringversuch mit mehreren Anwendern durchgeführt und Häufigkeitsverteilungen von ersten Messungen ermittelt und bewertet.

In den ZTV Beton-StB 07 sind erstmals Prüfungen an der fertig gestellten Betonfahrbahn bezüglich der Dübellage der fertigen Betondecke als Eigenüberwachungsprüfung vorgesehen. Nach einer Fußnote mit Hinweis auf die nicht bekannten Messtoleranzen „... sind die so ermittelten Ergebnisse nicht geeignet, Vorbehalte im Rahmen der Abnahme zu erklären“. In dieser neuen Situation sollte im Rahmen dieser Forschungsarbeit die Lagegenauigkeit der Dübel in den vergangenen Jahren anhand ausgewählter Messabschnitte überprüft und jüngste Ergebnisse der Messungen nach ZTV Beton-StB 07 ausgewertet werden. Ziel der Forschungsarbeit war, die Qualität des Dübeleinbaus weiter zu verbessern und eine Basis für die Einführung von vertraglichen Schlussfolgerungen zu schaffen.

Die dieser Publikation zugrundeliegende Forschungsarbeit wurde im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) im Rahmen des FE 89.177/2006 durchgeführt und ist in der Schriftenreihe der BASt erschienen [7]. Die Messungen der Dübellage wurden durch das Referat S 3 der BASt in dankenswerter Weise unterstützt. 

2 Versuchsdurchführung

Insgesamt wurden 21 Strecken mit 894 Fugen und 40389 Dübeln ausgewertet, die mit unterschiedlichem Einbauverfahren und Dübelsetzgeräten 2003 bis 2007 hergestellt wurden. 2008 wurden zusätzlich eigene Messungen durchgeführt. Bei einigen Strecken konnten die Messwerte mit denen anderer Anwender verglichen werden.

Bild 1: Häufigkeitsverteilung der Lage-Messgrößen der Dübel und Überschreitung der Toleranzen für Abweichung der Höhenlage dz, Verschiebung dy und Schräglage s, 2008-3, nach Verbesserung der äußeren Rüttler

Die Messungen der Dübellage wurden ausschließlich mit einem Messgerät durchgeführt, das auf dem Pulsinduktionsverfahren beruht [4, 5]. Dieses nutzt die magnetischen Eigenschaften des Dübels. Ein gepulstes Magnetfeld wird erzeugt. Das von den Dübeln erzeugte Antwortfeld wird mit Hilfe eines Sensorfeldes erfasst. Das Messgerät im Messwagen wird zur Messung über ein Schienensystem aus nicht magnetischen Schienensegmenten, das über die zu messende Querscheinfuge gelegt wird, gezogen. Die Auswertung der ermittelten Rohdaten erfolgt mit der speziellen Analysesoftware MagnoProof des Herstellers. Die Messwerte werden entsprechend den Vorgaben des FGSV-Arbeitspapiers 67 [2] in den Tabellen abgelegt. Die Tabellen der gemessenen Fugen wurden zusammengefasst und statistisch [4, 5] ausgewertet. Die dargestellten Häufigkeiten (Bild 1) ergeben eine Übersicht über die Toleranzüberschreitung der Messtoleranzen. Weiterhin kann über sämtliche Messquerschnitte die Lage der Dübel bezüglich Höhenlage (z. B. Bild 5), Schräglage und Längsverschiebung dargestellt werden, um eine übersichtliche visuelle Beurteilung abgeben zu können. 

3 Versuchsergebnisse

Die vorliegenden Messdaten zeigten eine sehr unterschiedliche Qualität der Lage der Dübel. Der prozentuale Anteil der Toleranzüberschreitungen hatte große Spannen von 1 bis 70 % (Bild 2). Aus den Jahren 2006 und 2008 (Bild 1) liegen bereits hervorragende Ergebnisse der Dübellage vor, während bei anderen Abschnitten wesentlich schlechtere Ergebnisse erzielt wurden. Soweit bekannt, waren trotz der Überschreitungen der festgelegten Toleranzen keine Schäden vorhanden. Dies zeigt, dass in den derzeitigen Anforderungen der ZTV Beton-StB bei ansonsten qualitätsgerechter Bauausführung eine ausreichende Sicherheitsreserve enthalten ist.

Bild 2: Diagramm der Häufigkeit der Toleranzüberschreitung nach ZTV Beton-StB für die untersuchten Strecken, ab 2008 Messungen des Prüfamts

Die Toleranzüberschreitungen wurden auf die Toleranzen nach den ZTV Beton-StB bezogen. Im Rahmen einer beispielhaften, erweiterten statistischen Auswertung wurde eine Erweiterung der Toleranzen von dz/dy/s = 20/50/20 mm auf dz/dy/s = 24/58/26 mm (Neu-Toleranz) untersucht (Bild 3). Dabei wurde festgestellt, dass im Mittel über alle Versuchsstrecken die Toleranzüberschreitung für alle 3 Messgrößen auf etwa die Hälfte reduziert wird. Das heißt viele Dübel weisen nur eine geringe Überschreitung der Toleranz auf, was bereits aus dem Verlauf der Häufigkeitsverteilungen zu erkennen war. Bei anderen Strecken hat die Toleranzerweiterung geringe Auswirkungen.

Im Rahmen der Forschungsarbeit wurden verschiedene Einflüsse auf die Dübellage untersucht, die Auswirkungen auf die Messergebnisse haben und gegebenenfalls zu Fehlern führen können.

Bild 3: Reduzierung der Toleranzüberschreitung bei Vergrößerung der Toleranz von dz/dy/ds = 20/50/20 auf 24/58/26 mm für die untersuchten Strecken

Der von einem Anwender vermerkte Bereich einer als Störsignal bezeichneten Hochspannungsleitung wurde mit der übrigen Strecke verglichen. Die Dübellage waren in diesem Bereich bei Toleranzen nach ZTV Beton um 7 % (dz) bzw. 24 % (dy) größer als im Durchschnitt des gesamten Deckenloses, unter Berücksichtigung einer erweiterten Toleranz verdoppelte sich dies auf 13 % bis 42 %.

Größere Abweichungen bei allen Messwerten im Bereich der Längsscheinfuge sind auf das Messverfahren, dessen Ergebnis von Ankern in der Längsfuge beeinflusst werden kann [4], zurückzuführen. Eine vergleichende Auswertung der Dübellage zeigt, dass die Toleranzüberschreitungen etwas geringer werden, wenn die zwei Dübel zu beiden Seiten der Längsfuge bei den Auswertungen nicht berücksichtigt werden. Allerdings ändert sich in Summe die Aussage zur Qualität der Dübellage damit nur unwesentlich.

Differenzen bei je zwei Messgerätanwendern bezüglich der Dübellage wurden bei 3 Strecken ermittelt. Die Unterschiede bei der Verschiebung und beim Versatz können auch auf unterschiedliche Ausrichtung des aufgelegten Schienensystems zurückgeführt werden. Bei der Differenz der Schräglage und der abweichenden Höhenlage (im Bild 4 im Mittel 6 mm) könnte es sich um systematische Fehler eines oder der beiden betriebenen Messgeräte handeln wie dies bereits beim Ringversuch festgestellt wurde [3].

Bild 4: Differenz (= Messwert des Prüfamts der TUM minus Messwert des Anwenders 1) der Tiefenlage D-dz im Querschnitt von 7 Fugen; die Differenz beträgt im Mittel 6 mm

Die Position der Dübelsetzer im unbelasteten Zustand gegenüber einer Spannschnur, die zwischen erster und letzter Dübelsetzgabel gespannt wurde, hatte einen sehr geringen Einfluss auf die Tiefenlage der Dübel. Dies sollte durch weitere Untersuchungen überprüft und vertieft werden.

Der Abstand der Dübel von den T-Rüttlern, über die die Rüttelenergie in den Oberbeton nach dem Dübelsetzen eingetragen wird, hatte bei guter Tiefenlage der Dübel einen geringen Einfluss auf Unterschiede der Tiefenlage, wie eine zweidimensionale Auswertung der räumlichen Verhältnisse zeigte.

Bei einer Messstrecke wurde anhand der vorliegenden Messdaten ein geringerer Energieeintrag über die Rüttler im Bereich der äußeren, zu tief liegenden Dübel vorgenommen. Durch diese Maßnahme konnte ein hervorragendes Ergebnis der Dübellage erzielt werden (Bilder 5 und 6).

Bild 5: Abweichung der Höhenlage dz im Querschnitt von 15 Fugen 2008-3 in drei Messabschnitten M1-M3 vor der Maßnahme

Bild 6: Abweichung der Höhenlage dz im Querschnitt von 20 Fugen 2008-3 in vier Messabschnitten M4-M7 nach der Maßnahme (Veränderung der äußeren Rüttler)

4 Folgerungen für die Praxis

Durch die frühzeitige Kontrolle der Dübellage und entsprechende maschinentechnische Korrekturen beim Dübelsetzen lässt sich eine gute Dübellage erreichen, bei der auch die Toleranzen nach ZTV Beton-StB eingehalten werden. Eine sorgfältige Zuordnung des Querscheinfugenschnittes zur Lage der eingerüttelten Dübel kann eine wesentliche Verbesserung der Verschiebung dy bewirken. Weiterhin ist auf eine gleichbleibende Betonqualität, Steifigkeit und Betonzusammensetzung sowie Einbaugeschwindigkeit des Fertigers zu achten, was nicht nur zu einer Verbesserung der Qualität der Fahrbahn, sondern auch der Dübellage führt. Vor Ort muss darauf geachtet werden, dass bei ungünstigen Dübellagen Maßnahmen in Form einer Optimierung des Dübeleinbaus und gegebenenfalls der Betonzusammensetzung ergriffen werden.

Aufgrund von Laboruntersuchungen [6] und einer vorangegangenen Forschungsarbeit [3] ist eine Toleranzerweiterung einschließlich Messfehler insbesondere in der Höhenlage dz und Verschiebung dy möglich. Es kann eine abweichende Höhenlage nach unten von 35 mm einschließlich Messfehler ohne Auswirkung auf die Querkraftübertragung zugelassen werden. Dementsprechend könnte die abweichende Höhenlage von 20 mm nach oben (wie bisher) und 35 mm nach unten angesetzt werden. Eine zulässige Verschiebung dy der Dübel von +/− 75 mm einschließlich Messfehler ist möglich, da nach umfangreichen Forschungsarbeiten [6] bei einer minimalen Einbindetiefe von 175 mm die Querkraft sicher übertragen werden kann. Die vorstehend beschriebenen möglichen Toleranzerweiterungen haben, wie zusätzliche Untersuchungen (Bild 7) zeigten, sehr unterschiedliche Auswirkungen auf die Reduzierung der Toleranzüberschreitungen.

Bild 7: Häufigkeit der außerhalb der Toleranz liegenden Lage-Messgrößen der Dübel in Abhängigkeit von den drei Toleranzen, Messabschnitt 1 2008-1 

Literaturverzeichnis

1 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Fahrbahndecken aus Beton (ZTV Beton-StB 07), Ausgabe 2007, Köln, FGSV 799

2 Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: FGSV-Arbeitspapier Prüfung der Lagebestimmung von Dübeln und Ankern in Fahrbahndecken aus Beton, Ausgabe 2006, Köln, FGSV AP 67

3 Leykauf, G.; Birmann, D.: Untersuchungen zur Optimierung eines Messverfahrens zur Bestimmung der Dübellage in Fahrbahndecken aus Beton; Informationen – Forschung im Straßen- und Verkehrswesen, Teil Straßenbau und Straßenverkehrstechnik IV, 80. Lieferung, Juli 2006, S. 8–84 bis 8–89. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, Köln

4 Birmann, D.: Messung und Auswirkung der Lage von Dübel und Ankern in Betonfahrbahnen – neue zerstörungsfreie Messverfahren; Beton 56 (2006) Heft 11, S. 510–514

5 Birmann, D.: Measurement and effect of dowel bars alignment in concrete pavements, 10th International Symposium on Concrete Roads 2006, Brüssel, paper III.003

6 Freudenstein, S.: Untersuchungen über den Einfluss reduzierter Dübeleinbindelängen auf die Wirksamkeit der Fugenkonstruktion bei Betonstraßen, Mitteilungen des Prüfamtes für Bau von Landverkehrswegen der Technischen Universität München, Heft 75, 2001

7 Freudenstein, S.; Birmann, D.: Auswertung von Dübellagen zur Optimierung des Betondeckenbaus, Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Unterreihe Straßenbau S. 65, 2010, 36 Seiten