| FGSV-Nr. | FGSV B 29 |
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| Ort | Würzburg |
| Datum | 17.09.2009 |
| Titel | Dimensionierung von unbewehrten Betondecken für Sonderlasten |
| Autoren | Dipl.-Ing. Stephan Villaret |
| Kategorien | Betonstraßen |
| Einleitung | Verkehrsflächen für Sonderlasten werden oftmals in Stahlbetonbauweise konzipiert und als doppelt bewehrte Konstruktion ausgeführt. Dabei sind Plattendicken von 40 cm nicht selten anzutreffen. Neben den hohen Baukosten treten Probleme bei der Anordnung und Ausbildung der Fugen auf, wenn ungewollte Risse und Stahlkorrosion vermieden werden sollen. Eine gute Alternative bietet die Bauweise mit unbewehrten Betondecken. Die Dimensionierung kann in Deutschland nach dem in den RDO Beton (E) 09 beschriebenen Verfahren nach Grenzzuständen bzw. mit dem Dimensionierungsprogramm AWDSTAKO erfolgen. In diesem Fall werden die Betonflächen durch verdübelte bzw. verankerte Fugen unterteilt, so dass ungewollte Risse vermieden werden. Die Ergebnisse der theoretischen Berechnungen sind natürlich abhängig von den Eingangsgrößen. Dabei spielen die zu erwartende Spaltzugfestigkeit in der oberen und unteren Randfaser, die Auflagerung der Betonplatten und die Plattengeometrie eine wesentliche Rolle. Die Sonderverkehrslasten mit ihrer Konfiguration und Lasteintragungsart, die Zahl der Lastübergänge während der geplanten Nutzungszeit sowie die von der Deckendicke abhängigen Temperaturgradienten sind bei der Ermittlung des einwirkenden Moments zu beachten. Dabei stellen die Belastungen, wie sie zum Beispiel durch Reach Stacker oder Containerecken hervorgerufen werden, eine besondere Herausforderung dar. Mit vorliegendem Beitrag wird gezeigt, dass unbewehrte Betondecken für Sonderlasten geeignet sind, wenn die richtigen Eingangsgrößen für die Dimensionierung und Konstruktion zugrunde gelegt werden. Im Ergebnis kann wirtschaftlicher gebaut und zugleich können die Erhaltungskosten gesenkt werden. |
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| Volltext | Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.1 VerkehrsbelastungVerkehrsflächen, die als Umschlagflächen bzw. zur Zwischenlagerung von Gütern und Containern genutzt werden, werden oftmals nicht nur von schweren Lkw befahren, sondern auch von Containerhubfahrzeugen, Gabelstaplern und weiteren Spezialfahrzeugen, z. B. in Häfen. 1.1 Besondere Beanspruchung durch VerkehrBeispielhaft für viele Sonderverkehrslasten werden hier zwei Fahrzeugtypen näher beschrieben. Die so genannten Reach Stacker weisen Achslasten und somit auch Radlasten auf, die weit über denen eines Lkw liegen. Das Bild 1 zeigt einen Reach Stacker vom Typ „Kalmar“. Ein solches Hubfahrzeug kann voll beladene Container heben, kurze Strecken transportieren und stapeln. Das Bild 2 zeigt einen Auszug aus einer Tabelle für maximal zugelassene Achslasten derartiger Fahrzeuge und das dazugehörige Bild der Lasteintragungspunkte, die sich aus der Achs- und Radkonstellation ergeben. Bild 1: Reach Stacker „Kalmar“ Bild 2: Achslasten und Lastkonstellation für DRF 450 Üblicherweise können die größten dieser Containerhubfahrzeuge maximal 5 Container übereinander stapeln. Das Bild 3 zeigt ein Beispiel für die maximale Stapelhöhe beim Einsatz von Containerhubfahrzeugen. Bild 3: Abmaße des Kalmar Containerhubfahrzeuge werden oftmals auf Umschlagflächen eingesetzt, auf denen sie Güterzüge be- und entladen. Dabei werden die Container vor oder nach dem Transport in den meisten Fällen auf der Fläche zwischengelagert. Das Bild 4 zeigt den typischen Arbeitsraum eines Containerhubfahrzeuges und weist auf die Rangierbewegungen auf der Fläche hin. Dabei kommt es zu einer häufigen Überfahrung der Längs- und Querfugen. Bild 4: Arbeitsraum des Kalmar – Anzahl der Achsübergänge über Quer- und Längsfugen Auf Flugbetriebsflächen kommen oftmals große Tanklastzüge SLW 80, wie im Bild 5 gezeigt, zum Einsatz. Das maßgebende Lastbild weist dabei Radlasten von 100 kN aus, die damit deutlich höher sind wie die Radlasten des Schwerverkehrs auf dem öffentlichen Straßennetz. Bild 5: Tanklastzug SLW 80 – z. B. Einsatz auf Flugbetriebsflächen Bei der Ermittlung der maßgebenden Verkehrsbelastung für die Dimensionierung einer unbewehrten Betondecke sind daher die sich aus der Nutzung ergebenden Belastungen zu ermitteln:
Hinzu kommt die Beanspruchung aus ungleichmäßiger Temperaturverteilung über die Deckendicke, die sich aber wegen der recht hohen Deckendicken relativiert. Für die Ermüdungsbeanspruchung erfolgt bei dem hier beschriebenen Verfahren näherungsweise die Ermittlung von gewichteten Achslastübergängen Bn bezogen auf die Bezugsachslast. Das Bild 6 zeigt die Berechnungsformel und eine Beispieltabelle, mit deren Hilfe Einzel-, Doppel- und Dreifachachsen in einzelnen Achslastgruppen erfasst und in gewichtete Achslastgruppen umgerechnet werden können. Nach Aufsummierung erhält man dann die Verkehrsbelastungszahl Bn, bezogen auf eine äquivalente Achslast gleich Bezugsachslast, oberhalb derer nur 10 % aller Achslasten liegen. Entscheidend ist, dass die Momentenermittlung bei der Dimensionierung mit der halben Bezugsachslast zu führen ist. Bild 6: Ermittlung der Verkehrsbelastungszahl Bn 1.2 Besondere Beanspruchungen durch statische LastenBesondere Beanspruchungen durch statische Lasten ergeben sich im Regelfall durch übereinander gestapelte Container, die oftmals in mehreren Reihen dicht nebeneinanderstehen. Die gebräuchlichsten Containertypen sind 20´, 40´, 45´(foot) mit Abmessungen von 2,40 m Breite und unterschiedlichen Längen ~6,00 m, ~12,00 m, ~13,50 m. Das Gesamtgewicht ist jeweils auf maximal 35 t (350 kN) begrenzt. Dabei sind bis zu 5 übereinander gestapelte Container bei dem zugelassenen Gesamtgewicht zu berücksichtigen. Bild 7: Standardcontainer und Stapelschema Die Gewichtslasten werden über Containerecken aus Stahl punktförmig in die Verkehrsfläche eingetragen. Der dabei auftretende spezifische Kontaktdruck liegt beispielsweise für drei übereinander gestapelte Container mit Maximalgewicht bereits bei 7,70 N/mm². Beispiel: Typ BLR 91300 nach ISO 1161 und DIN 15190 mit der Fläche eines Beschlags: A =180 ´ 165 mm² Bild 8: Beispiel einer Standardcontainerecke – ungünstige Lasteintragung für Verkehrsflächen Die unbewehrte Betondecke sollte aus technologischen Gründen auf der gesamten betrachteten Fläche gleich dick ausgebildet werden. Das Moment bei Belastung des Plattenrandes der durch Fugen begrenzten einzelnen Platte ist etwa 2,5 Mal so groß wie das Moment im Lastfall Plattenmitte und daher maßgeblich. Bild 9: Abstand der Eckbeschläge in praxi Da die Container und somit auch die Eckbeschläge in praxi meist relativ dicht nebeneinander gestapelt werden (Bild 9) ist es erforderlich, zur Ermittlung des nach dem Westergaard-Verfahren [Westergaard 1 und 2], weiterentwickelt durch [Teller & Sutherland], zu ermittelnden Radius der äquivalenten kreisförmigen Ersatzaufstandsfläche, die Eckbeschläge zweier bzw. vierer benachbarter Container bezüglich ihrer Last zusammenzufassen. Schematisiert kann von einem Abstand von 5 cm bei vier benachbarten Eckbeschlägen, wie im Bild 10 dargestellt, ausgegangen werden. Bild 10: Schematisierung des Abstands von 4 benachbarten Eckbeschlägen Eine solche Lastkonstellation ist jedoch insbesondere an den Längsfugen und an Fugen zu eingebauten Entwässerungsrinnen zu vermeiden. Längsmarkierungen schützen die Befestigung vor extremen Lastkombinationen am Plattenrand. Durch eine durchgehende Längsmarkierung entlang der Entwässerungsrinnen ist erreichbar, dass mit den weiteren sich ergebenden Längsfugenabständen die Plattenlängskante an keiner Stelle unmittelbar durch die Eckbeschläge belastet wird. Bild 11: Markierungen als Schutz vor extremer Eck- und Kantenbelastung Zusammenfassend sind bei der Ermittlung der statischen Lasten folgende Punkte zu beachten:
2 Widerstandsgröße BetonfestigkeitVerkehrsflächen, die in unbewehrter Plattenbauweise hergestellt werden, widerstehen den Belastungen aus Verkehrslasten, statischen Lasten und Witterung unter Berücksichtigung der jeweiligen konstruktiven Ausbildung allein durch die Festigkeit der Betondecke. Bedingt durch die Konstruktion und die Bauweisenspezifik treten dabei an der Ober- und Unterseite der Betondecke Zugkräfte auf, die zum Versagen der Konstruktion führen können. Dem Nachweis der Betonfestigkeit kommt somit eine besondere Bedeutung zu. Als entscheidende relevante Größe ist die Spaltzugfestigkeit an der oberen und unteren Randfaser der Betonplatte in der Dimensionierung zu berücksichtigen und nach Herstellung einer Fläche in situ zu prüfen. Spaltzugversagen tritt vor Biegezugversagen ein. Bild 12: Spaltzugprüfung – Prüfkörper und Spannungsverlauf Für die Spaltzugprüfung wurde ein einfaches Prüfverfahren mit geringen Streuungen entwickelt [AL Sp-Beton 06], das die Spaltzugfestigkeiten an der relevanten Ober-/Unterseite der Betonplatte feststellen kann. Die Grundlagen der Mechanik, nach denen Spaltzug für Scheiben mit dem Verhältnis h/d ~ 0,5 zu ermitteln ist, sind bei der Prüfmethode beachtet worden. Diese ist gleichermaßen bei Erst- und Kontrollprüfungen anwendbar. Infolge der Kenntnis der Korrelation zwischen statischer Spaltzugfestigkeit und Ermüdungsspaltzugfestigkeit ergibt sich für die Praxis eine einfache Prüfung. Die Spaltzugfestigkeit ist für die Dimensionierung als Eingangs- und Prüfgröße definiert und im Regelwerk [RDO Beton] verankert. Die Prüfmethodik ist für die Kontrollprüfung wirtschaftlich, weil die benötigte Probenzahl einer Stichprobe für die statistische Auswertung dem Baulos (der Grundgesamtheit) problemlos entnommen werden kann (Bohrkerne Ø 100 mm im gleichen Abstand wie bisher Ø 150 mm). Darüber hinaus kann mit Hilfe der Kenngröße Spaltzugfestigkeit eine Aussage über die Dauerhaftigkeit der Konstruktion durch direkte Prüfung am Bauwerk getroffen werden.
3 Dimensionierung der Betondecke3.1 Verfahren und Randbedingungen für die DimensionierungEs wird das Verfahren [Pfeifer/Villaret] gemäß [RDO Beton] angewandt. Die rechnerische Dimensionierung kann demzufolge mit [AWDSTAKO] erfolgen. Die Berechnung und Nachweisführung erfolgt nach Grenzzuständen gemäß DIN 1045 unter Berücksichtigung der erforderlichen Modifizierung für Verkehrsflächen. Es gilt die Systematik der Nachweisführung gemäß dem Bild 13. Bild 13: Systematik der Nachweisführung Anwendung findet somit eine semiprobabilistische Verfahrensweise [Ber 02] [Ber 07], mit der alle maßgebenden Einflüsse in Form von Last-, Anpassungs- und Materialfaktoren berücksichtigt werden. Die Grundbeziehung der Nachweisführung ist gemäß der allgemeinen Verfahrensweise im Rahmen der europäischen Normung für Betonbauweisen definiert. einwirkendes Moment ME < aufnehmbares Moment MR Sie wurde wie folgt für den Betonstraßenbau spezifiziert: Die Nachweisführung erfolgt für die Lastfälle Quer- und Längsfuge. Die Ermittlung des einwirkenden Moments infolge Verkehr erfolgt dabei auf der Grundlage der von [Teller & Sutherland] weiterentwickelten Westergaardformeln [Westergaard 1 und 2], sowie – wegen der besonderen Lastkonstellation und -eintragung, z. B. bei Containern – unter Einbeziehung der Einflussflächen von [Pickett & Ray]. Bei der Wahl des Befestigungsaufbaus sollte berücksichtigt werden, dass
Der Absicherung der Eingangsgrößen in die Dimensionierung kommt eine große Bedeutung zu. Vier Komplexe sind dabei zu betrachten: a) Belastung infolge Verkehr und ständiger Lasten Ständige Lasten ergeben sich z. B. aus der Aufstellung und Stapelung von Containern oder Schwerlastregalen. Die Belastung muss im Einzelfall ermittelt werden. Die Verkehrsbelastung und deren Prognose sind einzukalkulieren. b) Einhaltung der Solldicke bei der Fertigung der Betondecke Die rechnerisch ermittelten Solldicken der Betondecke müssen statistisch abgesichert auf der Baustelle hergestellt werden. Das nötige Vorhaltemaß für eine mittlere Fertigereinstellung ist von der Präzision des gesamten Herstellungsvorgangs abhängig, der sich aus Auswertungen bereits hergestellter Befestigungen/Strecken ableiten lässt. c) Nachweis der Betonfestigkeit Von entscheidender Bedeutung ist eine nur gering streuende Betonfestigkeit, insbesondere Spaltzugfestigkeit in der oberen und unteren Randfaser der Betondecke. Dort müssen die Betonplatten die auftretenden Zugspannungen aufnehmen, sowohl im Falle einer erhöhten Einzelbelastung als auch auf Dauer im Ermüdungsfall. Die zu konzipierenden Betone für den Straßenbeton müssen mit den ausgewählten Zuschlagstoffen und dem ausgewählten Zement als Grundlage der Berechnungsfestigkeit hergestellt und auf ihre Eignung geprüft werden. Die Ergebnisse und deren statistische Auswertung sind vorzulegen. d) Anforderungen an die Unterlage der Betondecke Der dauerhaft tragfähigen, gleichmäßigen und gleichzeitig umlagerungs- und erosionsbeständigen Auflage der Betondecke kommt ebenfalls eine große Bedeutung zu. Die Anforderungen an die Unterlage bezüglich Geometrie und bautechnischen Eigenschaften sind zu formulieren. Im Programmablauf der Dimensionierung nicht abgefragte Eingangsgrößen sind aus bekannten Verteilungen angepasst und hinterlegt worden. 3.2 Ergebnis der DimensionierungIm Folgenden wird eine beispielhafte Dimensionierung [Pfeifer/Villaret] bei konstanten Plattenbreiten und Plattenlängen gezeigt (Bild 16). Die Berechnung erfolgt dabei für den Lastfall Containerstellfläche als auch für die Befahrung mit den Reach Stackern Kalmar DRF 450-65C. Der Nachweisführung für die Containerstellfläche liegt eine Ausfallwahrscheinlichkeit von 5 % zugrunde. Für die Fahrgassen/Fahrbereiche erfolgt hier der Nachweis auf Ermüdung im Zeitraum von 20 Jahren mit einer Ausfallwahrscheinlichkeit von 10 % [Ber 07]. Die Betonnacherhärtung wird nicht in Ansatz gebracht. Bild 16: Ergebnis – Dimensionierung für Kalmar Es ergibt sich bei Verwendung eines Straßenbetons StC 35/45 – 3,7 eine Solldicke von 46,5 cm, die beim 10 %-Quantilwert einzuhalten ist. Der Lastfall Containeraufstellung ist in diesem Fall maßgebend. Bei sehr guter Ebenheit und Profiltreue der Unterlage sowie gleichmäßiger Fertigung der Betondecke ergibt sich daraus eine mittlere Deckendicke von 48 cm. Bild 17: Ergebnis – Dimensionierung für Containerstapelung
4 Besonderheiten für den Bereich der EntwässerungsrinnenEine rechnerische Dimensionierung für Sonderlasten erfolgt hauptsächlich für Flächen. Diese bedürfen einer speziellen Entwässerung. Die konstruktive Lösung einer monolithisch hergestellten Schlitzrinne mit Einbaukorpus sollte der Vorzug gegeben werden, wenn eine Befahrung der Rinne Horizontalkräfte eintragen kann. Bei größeren Betonflächen können auch horizontale Belastungen auftreten, die allein aus den jahreszeitlichen Temperaturverläufen in der Betondecke resultieren. Die folgende Lösung (Bild 18) verspricht eine dauerhafte Funktionalität und soll daher vorgestellt werden. Bild 18: Monolithische Schlitzrinne mit Einbaukorpus Für die spezielle Anwendung sind weitere konstruktive Schritte und Optimierungen erforderlich. So bedingt z. B. die Auflage auf einer wasserdurchlässigen Schottertragschicht die Anschrägung der Stege der Konstruktion, da das Aufstellen bzw. Abbauen einer Schalung nicht möglich ist. Eine hydraulisch gebundene Tragschicht ist nicht erforderlich und bezüglich der entwässerungstechnischen Eigenschaften der Gesamtkonstruktion eher kontraproduktiv. Zur Vermeidung von Stufenbildungen und vor allem zur besseren Übertragung/Verteilung von Querkräften sind Dübel zu den benachbarten unbewehrten Betonplatten zielführend. In den Rand-bereichen der Schlitzrinnenelemente (bewehrt) ist bemessungstechnisch eine Betondecken-dicke von 40 cm in diesem Beispiel erforderlich. Eine technologische Dickenanpassung wurde im Bild 18 vorgenommen und damit diese Betondeckendicke an die der benachbarten Platten angeglichen.
5 ZusammenfassungDie Dimensionierung von unbewehrten Betondecken für Sonderlasten hat erhebliche Vorteile gegenüber einer bewehrten Bauweise:
Bei richtiger Dimensionierung und Konstruktion sowie fachgerechter Bauausführung ist mit einer langen Nutzungsdauer zu rechnen.
6 Literaturverzeichnis
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