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1 Theoretische Betrachtungen
1.1 Definition Endbereich
Der Begriff des Endbereiches ist im aktuellen Regelwerk noch nicht definiert, auch wenn Endbereiche in der Praxis schon gebaut worden sind. Endbereiche von Betondecken befinden sich im Wesentlichen auf Autobahnen am Ende einer Betondecke im Anschluss an einen Asphaltoberbau an Bauwerksrampen oder der freien Strecke sowie vor engen Radien < 400 m beispielsweise auf Rastplätzen, die in Betonbauweise ausgeführt wurden. Zum Endbereich gehören das Endfeld, Felder, die durch Raumfugen voneinander getrennt sind, und Felder, die durch Scheinfugen unterteilt sind.
1.2 Länge des Endbereiches
Die Länge des Endbereiches kann berechnet werden (Villaret, Tschernack, Riwe 2013):
Formel siehe PDF.
Die Wärmedehnzahl hängt vom Anteil gebrochener, grober Gesteinskörnung im Beton ab und wird im Regelfall mit 11,5 x 10-6 K-1 angesetzt. Die angenommene maximale Temperaturänderung im Beton im Vergleich zum Ausgangszustand beträgt zwischen 20 und 30 K, bei im Herbst betonierten Betondecken und sehr heißen Sommern kann sie auch etwas höher liegen. Die Schwindschrumpfung εcs wirkt der Ausdehnung des Betons für eine bestimmte Zeit entgegen, bis der Schwindprozess abgeklungen ist. Sie hängt vom Alter des Betons ab und ist umso kleiner, je später sich der Beton durch Wärmeeinwirkung maximal ausdehnt. Sie kann zwischen ca. - 4,8 x 10-5 und ca. - 8,1 x 10-5 betragen. Ein gängiger Wert liegt bei - 5,4 x 10 -5. Zumindest für relativ jungen Beton kann davon ausgegangen werden, dass bei langsamen Spannungsaufbau infolge Temperatureinwirkung der totale E-Modul Ec,tot mit einem abgeminderten Wert von 20.000 N/mm2 berücksichtigt werden kann (Pfeifer 2004). Der Reibungskoeffizient hängt vom Material unter der Betondecke ab. Aus Literatur- und Erfahrungswerten variiert der Reibbeiwert für Schottertragschichten um 0,8 und für hydraulisch gebundene Tragschichten um 1,5, so dass diese beiden Werte vereinfachend als minimaler bzw. maximaler Grenzwert angenommen werden können. Mit einer üblichen Rohdichte des Betons von 24 kN/m3 errechnet sich die Länge des Endbereiches zu:
mit μ = 0,8 L = 303 m
mit μ = 1,5 L = 162 m.
1.3 Situation ohne konstruktiv ausgebildeten Endbereich
Werden Betondecken ohne Endbereich in konstanter Dicke bis zur letzten Plattenreihe ohne Endfeld und ohne Raumfugen gebaut, ergibt sich die im Folgenden beschriebene Situation. Da zwischen Betondecke und anschließender Asphaltkonstruktion keine Dübel zur Lastübertragung eingebaut werden, entsteht bei Überrollen durch den Verkehr eine erhöhte Biegebeanspruchung der letzten Platte der Betondecke (Eger, Ritter, Rodehack, Schwarting 2010). Ausgehend von einer bestimmten maximalen Lufttemperatur bei Einbau des Betons, die den Nullzustand der Betondecke markiert, wirken im Verlaufe der weiteren Erhärtung und Liegezeit der Betondecke in den auf den Einbau folgenden Monaten auch sommerlich hohe Temperaturen ein.Es bauen sich bei Aktivierung der Reibung mit Dehnbehinderung Längsdruckspannungen auf. Bei Erhöhung der Druckkraft durch weitere Erwärmung der Betondecke wird die Reibung überwunden, und zwar am Ende des Plattenbandes und nicht im zentralen Plattenpaket. Die Folgen wären:
- Einsenkung des letzten Plattenrandes der Betondecke um ein Vielfaches im Vergleich zu verdübelten Querfugen,
- Hohlraum- und ggf. Rissbildung unter der letzten Platte,
- Verschiebung des Betonbandes in die anschließende Asphaltkonstruktion hinein.
1.4 Verschiebung der Betondecke
Der Verschiebeweg lässt sich berechnen. Wie groß er ist, hängt von den gleichen Faktoren ab, die schon die Länge des Endbereiches bestimmen: (Villaret, Tschernack, Riwe 2013)
Formel siehe PDF.
Rechnet man mit den Zahlen aus dem Beispiel der Längenberechnung aus 1.2, so ergeben sich:
mit μ = 0,8 ΔL = 44 mm
mit μ = 1,5 ΔL = 24 mm.
Die Auswirkungen der Verschiebung in solchen Größenordnungen sind nicht zu übersehen. Die anschließende Asphaltbefestigung wölbt sich auf, anschließende Baukörper wie z. B. Querrinnen werden geschädigt und weisen Risse und Ausbrüche auf.
Bild 1: Aufwölbung in Asphaltkonstruktion
1.5 Aufgaben des Endbereiches
Aus den zum Endbereich gehörenden Komponenten und den Vorgängen im Übergangsbereich von der Betondecke zur anschließenden Asphaltkonstruktion/Bauteil ergeben sich die Aufgaben des Endbereiches:
Aufgabe des Endfeldes
Die Aufgabe des Endfeldes wird ausführlich in den Kommentaren zur ZTV Beton-StB 07 erläutert. Um die auftretenden Biegebeanspruchungen in der letzten Plattenreihe schadlos aufnehmen zu können, sind konstruktive Maßnahmen erforderlich. Nach derzeitigem Regelwerk ist dies zum einen durch die Erhöhung der Steifigkeit der Betondecke in der letzten Plattenreihe möglich, indem deren Dicke mindestens um die Dicke der gebundenen Tragschicht oder um 10 cm bei einer Schottertragschicht als Unterlage vergrößert wird. Zum anderen wird die Verankerung des Endfeldes mit der Unterlage durch einen Endsporn beschrieben, dessen Wirksamkeit aber nachgewiesenermaßen jedenfalls in der Form nach ZTV Beton-StB nicht vorhanden ist, so dass auf diese Möglichkeit besser nicht zurückzugreifen ist.
Es ist nicht die Aufgabe des Endfeldes, die Verschiebung der Betondecke aufzunehmen.
Aufgabe der Raumfugen
Die Aufgabe der Raumfugen besteht in der schadlosen Aufnahme der Verschiebung der Betondecke bei Erwärmung.
Die Verschiebung einer Betondecke kann nicht verhindert werden. Sie muss zugelassen werden. Der Platz zur Verschiebung muss der Betondecke zur Verfügung gestellt werden. Im zukünftigen Regelwerk ist diesem Sachverhalt Rechnung zu tragen.
2 Praktische Vorüberlegungen und Erfahrungen im Land Brandenburg
Das Land Brandenburg hat seit mehr als 30 Jahren Erfahrungen beim Bau von Betondecken. Seit 1990 wurden ca. 60 % des Autobahnnetzes grundhaft, davon ca. 95 % in Betonbauweise ausgebaut. Dabei wurden Raumfugen vor Asphaltbefestigungen an Bauwerken oder Streckenabschnitten vorgesehen. Die konstruktive Ausbildung von Endbereichen mit Endfeld und Raumfugen wird ca. seit 2013 praktiziert.
Bild 2: Endbereich bei Betondecke auf Schottertragschicht
Folgende Anforderungen an Raumfugeneinlagen wurden bis dato formuliert:
- 20 bis 25 mm breit,
- 80 % kompressibel bei 0,15 MPa,
- geschlossenporig.
Die Art der Raumfugeneinlagen unterlag einer zeitlichen Entwicklung. Wurden Anfang der 1990er Jahren Bretter aus Weichholz verwendet, die in keiner Weise kompressibel waren, kamen Ende der 1990er bituminierte Weichfaserplatten mit einer Kompressibilität von immerhin 10 % bei 0,15 MPa zum Einsatz. Ab Mitte der 2000er Jahre wurde mit Styropor gearbeitet, das bei der geforderten Druckspannung 50 % kompressibel war. Heute werden Sandwichplatten mit einem weichen Kern zwischen zwei sehr dünnen äußeren festen Schalen verwendet, die den Anforderungen vollständig genügen.
Aus der Breite jeder Raumfuge und dem Verschiebeweg errechnet sich die Anzahl der Raumfugen. Unter Einbeziehung der Zahlen aus dem Beispiel von 1.2, 1.4 und den Anforderungen an die Raumfugeneinlagen ergibt sich bei μ = 0,8 und 80 % Kompressibilität eine Anzahl von 3 Raumfugen.
Um nicht jedes Mal den Rechenweg beschreiten zu müssen und den Vorgang zu vereinfachen, wird in Brandenburg die Anzahl der notwendigen Raumfugen in Abhängigkeit von der maximalen Temperatur bei Betonage angegeben:
- > 25 °C keine RF
- > 18 - 25 °C 1 RF
- > 10 - 18 °C 2 RF
- < 10 °C 3 RF.
In den Ausschreibungen wird zunächst die maximale Anzahl angegeben und dann einige Tage vor Betonage, wenn das Wetter abzusehen ist, die tatsächliche Anzahl der Raumfugen festgelegt.
3 Betondecken in Brandenburg eine Bestandsaufnahme in 59 Fällen
3.1 Betondecken ohne konstruktive Endbereiche
Trotz des Grundsatzes des Landesbetriebes Straßenwesen Brandenburg, Betondecken in früheren Jahren nur mit Raumfugen, wenn notwendig, bzw. in heutiger Zeit mit konstruktiven Endbereichen zu bauen, gibt es im Land Brandenburg auch Betondecken ohne diese schadensverhindernden, erhaltungsarmen, nutzerfreundlichen und ressourcensparenden baulichen Anlagen. Die Auswirkungen der Abwesenheit von Raumfugen oder Endbereichen ist unterschiedlich, ergeben aber letztendlich in ihrer Quantität ein eindeutiges richtungsweisendes Bild.
3.1.1 Keine Raumfugen, kein Endfeld, keine Schäden
In drei von 59 Fällen traten trotz des Fehlens von Raumfugen oder des Endfeldes keine Schäden in Form von Aufwölbungen im Asphalt oder Rissen in der letzten Plattenreihe der Betondecke auf. Auf Vermutungen zur Begründung soll hier verzichtet werden, da zu wenig detaillierte Kenntnisse zum Bau dieser Streckenabschnitte vorliegen, z. B. Lufttemperatur bei Betonage, Zeitpunkt des Einbaus der Asphaltbefestigung usw.
Bild 3: Betondecke Baujahr Oktober 2004, keine Schäden am Übergang Beton zu Asphalt
3.1.2 Keine Raumfugen, kein Endfeld, Schäden, Reparaturstellen
An einer weit größeren Anzahl an Übergängen von Beton zu Asphalt mussten Schäden konstatiert werden. So wurden bei 14 betrachteten Fällen aktuelle Schäden oder Reparaturstellen, die auf frühere Schäden hinweisen, vorgefunden.
Bild 4: Aufwölbung im Asphaltbereich; darunterliegend Übergang Beton/Asphalt
Bild 5: Aufwölbung am Übergang Beton/Asphalt
Bild 6: In Mitleidenschaft gezogene Markierung
Um an Bestandsdecken mit vertretbarem Aufwand einen verkehrssicheren Zustand herstellen zu können, wurden in Anlehnung an die ZTV-ING Fahrbahnübergänge aus Asphalt angeordnet, zunächst zu je 50 % über der Betondecke bzw. der Asphaltkonstruktion, später aufgrund praktischer Erkenntnisse ausschließlich über der Asphaltbefestigung ohne Dezimierung der Dicke der Betondecke und der Möglichkeit, das Potenzial des Fahrbahnüberganges voll ausnutzen zu können und so ggf. mehr an Verschiebung als die in den ZTV-ING angegebenen 12,5 mm Stauchweg zu kompensieren.
Bild 7: Fahrbahnübergang aus Asphalt am Übergang Beton/Asphalt
Die Anordnung von Fahrbahnübergängen aus Asphalt war allerdings keine Garantie für weitere Schadensfreiheit. So wurden zum Zeitpunkt der Bestandsaufnahme zwar 2 Fälle ohne Schäden, aber auch 3 Fälle mit Schäden registriert.
Das erneute Auftreten von Schäden war unter anderem ganz sicher dem Umstand der enormen Hitze im Sommer 2015 zuzuschreiben. In 2 Schadensfällen lag der Fahrbahnübergang aus Asphalt bereits 6 Jahre, bevor eine erneute exzessive Ausdehnung der Betondecke die heilende Wirkung zunichte machte. Auch der Fahrbahnübergang aus Asphalt selbst erlag in einem Fall den extremen Witterungsbedingungen und erlitt irreparablen Schaden.
Bild 8: Aufwölbung trotz Fahrbahnüberganges aus Asphalt
Bild 9: Der gleiche Fahrbahnübergang wie im Bild 8 nach großer Hitze
Ein Fahrbahnübergang aus Asphalt rettet die Situation also nur ein bisschen. Eine dauerhafte Lösung stellt er nicht dar.
3.1.3 Besondere Situationen, keine Raumfugen, kein Endfeld, Schäden
Besondere Situationen ergeben sich immer dann, wenn das, was zu sehen ist, nicht auf den ersten Blick zu erklären ist, oder selten vorkommt.
So kann für eine innerhalb einer Asphaltstrecke positionierte Aufwölbung die darunterliegende mit Asphalt überbaute Betondecke verantwortlich sein. Auch unter Asphalt funktionieren noch die Mechanismen von Beton bei Wärmeeinwirkung.
Bild 10: Aufwölbung im Asphaltbereich mit unterliegender überbauter Betondecke
Selbst bei Überbauung mit ca. 20 cm Asphalt auf abgefräster Betondecke (noch ca. 16 cm dick) wird der Bewegung der Betondecke kein Einhalt geboten. Aufwölbungen bis zu 4 cm nach 18 Jahren Liegezeit der Betondecke sprechen eine deutliche Sprache.
Bild 11: Erhebliche Aufwölbung der abgefrästen Betondecke unter ca. 20 cm Asphalt
Rastplätze mit engen Radien sollten mehr Aufmerksamkeit in der Planung erfahren, um Erscheinungen wie in den Bildern 12 und 13 dargestellt zu vermeiden. Werden keine Raumfugen angeordnet, wandert der Beton in die Richtung, in der er den geringsten Widerstand hat. Dabei wirken Kräfte, die alles aus dem Weg räumen. Die zerstörende Wirkung ist enorm.
Bild 12: Rastplatz mit engem Radius und wanderndem Beton
Bild 13: Ablauf auf Rastplatz, durch Bewegung des Betons verschoben
3.1.4 Mit Raumfugen, kein Endfeld, Schäden
Im Bild 8 der untersuchten Fälle waren trotz vorhandener Raumfugen und teilweise nachträglich zu Sanierungszwecken angeordneter Fahrbahnübergänge aus Asphalt Schäden zu verzeichnen. Möglicherweise war die Anzahl der Raumfugen nicht auf die prognostizierte Verschiebung der Betondecke ausgelegt. In außerordentlich ausgeprägter Weise aufgetretene Schäden in Form von Aufwölbungen in einem der Fälle mussten immer und immer wieder beseitigt werden, weil zwar Raumfugen vorhanden, aber die Weichholzbretter als Einlagen jegliches Schließen der Raumfugen verhinderten. Die extremen Aufwölbungen nach der ersten großen Hitze 2015 gipfelten in einer Geschwindigkeitsbeschränkung durch die Autobahnmeisterei auf 40 km/h zur Gewährleistung der Verkehrssicherheit.
Bild 14: Extremfall Aufwölbungen durch falsche Raumfugeneinlagen
Zwei lediglich oberflächlich angedeutete Raumfugen, deren Fugenspalt aber dem einer Scheinfuge glich und in den nie eine entsprechende Einlage gelegt wurde, warf Fragen nach der Sorgfaltspflicht und Verantwortung des AN und nach einer sekündlichen Bauüberwachung auf. Die entstandenen Aufwölbungen im Asphalt waren eine logische Konsequenz.
Bild 15: Nur von oben eine Raumfuge
3.1.5 Mit Raumfugen, kein Endfeld, keine Schäden
Die beruhigende Erkenntnis der Bestandsaufnahme war die Tatsache, dass in 25 der 33 Fälle, in denen Raumfugen aber keine Endfelder gebaut worden waren, keinerlei Schäden auftraten. Sowohl mit Styropor als auch mit einem Sandwichmaterial als Einlage funktioniert das System.
Bild 16: Funktionierende Raumfuge
Auch das Experiment mit einer Raumfuge genau zwischen Betondecke und Asphaltbefestigung mit Gummigranulateinlage brachte bis jetzt keine negativen Erkenntnisse.
Bild 17: Raumfuge am Übergang Beton/Asphalt mit Einlage aus Gummigranulat
3.2 Betondecken mit Endbereich
Seit 2013 werden in Brandenburg Betondecken mit komplett ausgebildeten konstruktiven Endbereichen mit Raumfugen und Endfeld erfolgreich gebaut.
Bild 18: Endbereich mit Raumfugen und Endfeld
4 Fazit
Das Fazit ist ein ganz klares Bekenntnis zu Betondecken mit Endbereichen. Um den anschließenden Asphalt oder Baukörper zu schützen, sind Raumfugen, in die sich die Betondecke bei Ausdehnung infolge Erwärmung hineinschieben kann, unerlässlich und durch nichts zu ersetzen. Schäden aus fehlendem Endfeld sind zum gegenwärtigen Zeitpunkt hier aus Brandenburg nicht bekannt, aber möglicherweise auch nur noch nicht erkannt oder noch nicht entstanden. Betondecken sind schließlich eine langfristige Angelegenheit. Auf die richtige Raumfugeneinlage kommt es an. Zeitgemäße Raumfugeneinlagen sollten folgende Anforderungen erfüllen:
- kompressibel mit gewisser Rückstellfähigkeit, aber nicht elastisch im klassischen Sinne,
- bei Druckspannung von < 0,3 MPa Stauchung von 50 % oder von 0,15 MPa 80 % kompressibel,
- keine Wasseraufnahme,
- geschlossenporig,
- beständig im Sinne von frostsicher und nicht verrottbar,
- mögliches Material: Polyethylenschaumstoff oder gleichwertig.
Folgen Sie der Philosophie der Raumfugen, die besagt, dass das Ende einer raumfugenlosen Strecke nicht atmet, es bewegt sich nur in eine Richtung.
Bei Abkühlung zieht sich jede Platte um ihre eigene Achse zusammen. Ohne Raumfugen werden Sie in den allermeisten Fällen Schäden haben, mit Raumfugen in den allerwenigsten. Schäden mit Raumfugen entstehen durch die falsche Einlage und/oder durch eine nicht ausreichende Anzahl Raumfugen und/oder durch Baufehler. Das System ohne Raumfugen beruhigt sich auch nach Jahren nicht. Die abgeklungene Schwindschrumpfung, das Verschmutzen der Scheinfugen im Laufe der Jahre und immer mal wieder höhere Lufttemperaturen verhindern einen gleichbleibenden Status.
Bauen Sie lieber eine Raumfuge mehr als eine zu wenig.
Pflegen Sie Ihre Raumfugen, denn sie sind Wartungsbauteile wie alle Fugen.
Bild 19: Raumfuge mit vernachlässigter Pflege
Konstruktiv ausgebildete Endbereiche sind ein Beitrag zur Langlebigkeit und dauerhaft guten Qualität von Betondecken und in diesem Sinne von volkswirtschaftlichem Wert.
Bild 20: Vollständig konstruktiv ausgebildeter Endbereich
Literaturverzeichnis
E g e r, W.; R i t t e r, H-J.; R o d e h a c k, G.; S c h w a r t i n g, H. (2010): ZTV/TL Beton-StB Handbuch und Kommentar inklusive Ergänzungsband, 4. Auflage, Kirschbaum Verlag Bonn
P f e i f e r, L. (2004): Anforderungen an Raumfugen, Beitrag zum internen Qualitätszirkel des Landesbetriebes Straßenwesen Brandenburg
V i l l a r e t, S.; Ts c h e r n a c k, T.; R i w e, A. (2013): Dimensionierung und Konstruktion von Endbereichen beim Neubau und bei der Erneuerung des Oberbaus in Betonbauweise, Forschungsbericht, unveröffentlicht |
