Besondere Aspekte bei der Planung und Ausführung Wasser undurchlässiger Stahlbetonbauwerke im Untergrund, Weiße Wanne

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1 Besondere Aspekte bei der Planung und Ausführung Wasser undurchlässiger Stahlbetonbauwerke im Untergrund, Weiße Wanne Prof. Dr.-Ing. Klaus Müller 1. VORBEMERKUNGEN In dem folgenden Beitrag wird auf besondere Aspekte bei der Planung und Bauausführung von Weißen Wannen eingegangen, mit Bezug auf die Abdichtungsfunktion, wobei der terminus technicus Weiße Wanne sich hier allgemein bezieht auf eine Stahlbetonkonstruktion aus wu-beton nach DIN 1045 mit einer der jeweils geschuldeten Verwendungs- und/oder Beschaffenheitsvereinbarung genügenden Wasserundurchlässigkeit für von außen drückendes Wasser; z.b. Gründungsbauwerke des Hoch- und Industriebaus (Keller), Tunnel in offener Bauweise, Wannen (z.b. Straßentröge) usw. Obwohl Weiße Wannen seit ca. drei Jahrzehnten geplant und gebaut werden, gibt es in Deutschland zur Zeit kein übergeordnetes Regelwerk des DIN, eine entsprechende Richtlinie wird vom DAfStb erarbeitet, so dass die planenden und ausführenden Firmen den Stand der Regeln und der Technik für die jeweiligen Bauwerke der Literatur, den Merkblättern, den zusätzlichen technischen Vorschriften (ZTV) usw. entnehmen müssen, wie z.b. nach [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10]. Im folgenden soll auf besondere Aspekte eingegangen werden, die sich für die Planung und Ausführung ergeben aus häufigen Mängeln/Schäden infolge von Wasser führenden Trennrissen im jungen Betonalter (Ursache: Zwang aus abfließender Hydratationswärme) und späten Betonalter (Ursache: Zwang aus Temperaturdifferenzen Sommer-Winter). 1

2 2. Zu Ursachen häufiger Mängel/Schäden infolge Wasser führender Trennrisse 2.1 Trennrisse im jungen Betonalter Häufigste Ursache für zum Teil Wasser führende Trennrisse (Risse durch die gesamte Dicke eines Bauteils, z.b. Wand oder Sohle) sind Zugzwangsbeanspruchungen aus abfließender Hydratationswärme. Durch den Abbindevorgang des Zements erwärmen sich Betonbauteile und falls die Bauteile, bereits weitgehend erhärtet, bei dem anschließenden Verkürzen infolge natürlicher Abkühlung behindert werden, werden Zugzwangsschnittgrößen geweckt, und es kommt zu Rissen, falls die jeweilige Zugfestigkeit ß ct bzw. Zugbruchdehnung ε cu überschritten wird. Diese Risse können z.b. auftreten in Sohlen durch Zwangsbehinderungen infolge der Reibungswiderstände zwischen Sohle und Baugrund, durch Behinderungen infolge tiefer liegender Bauteile (Kanäle, Fahrstuhlunterfahrten und Einzel- bzw. Streifenfundamente) sowie durch Behinderungen durch das Betonieren direkt gegen bereits erhärtete und abgekühlte Betonierabschnitte. Die letztgenannte Ursache ist häufig Ursache für Trennrisse in Wänden, die auf die bereits abgekühlten Sohlen betoniert wurden. Unter Berücksichtigung des Zwangsgrades und der Relaxation des Betons muss bei abschnittsweise hergestellten Betonbauteilen mit Trennrissen gerechnet werden ab einer Temperaturdifferenz zwischen Beton (neu) und Beton (alt) von T = T max, neu T c,alt > K. Schlussfolgerungen Ohne auf eine detaillierte Interpretation der zahlreichen Versuchsergebnisse zu Trennrissen aus abfließender Hydratationswärme einzugehen, lassen sich qualitativ folgende maßgebliche betontechnologische Erkenntnisse (im Prinzip seit langem bekannt) ableiten, um die Wahrscheinlichkeit von Rissen infolge abfließender Hydratationswärme zu begrenzen: Möglichst geringe Erwärmung des Bauteils während der Hydratation unter Berücksichtigung der jeweiligen baupraktischen Forderungen (z.b. Abhängigkeit des Ausschalzeitpunktes von der Frühfestigkeit des Betons); ein möglichst niedriges max T kann maßgebend beeinflusst werden durch (Bauteildicke und Lufttemperatur beachten): 2

3 - die Frischbetontemperatur, - die Zementmenge, - die Zementsorte (z.b. NW-Zemente, ab 1 m Bauteildicke). Möglichst langsame Wärmefreisetzung des Betons durch - längere Schaldauer (Holzschalung) und/oder Auflegen von wärmedämmenden Matten bei niedrigen Lufttemperaturen nach Erreichen der maximalen Betontemperatur, um die Zwangsbeanspruchung des Betons durch Relaxation zu verringern. 2.2 Trennrisse im späten Betonalter infolge Klimaeinwirkung Mit der Entwicklung Weißer Wannen hat sich zunehmend mit großem Erfolg durchgesetzt, in das Grundwasser eintauchende Untergeschosse allgemeiner Hochbauten ohne Dehnfugen auch bei großen Bauwerksabmessungen auszuführen, da für die durch Wasser benetzten Außenbauteile wie Sohlen und Wände Schwindeinflüsse mit Bezug auf Längenänderungen vernachlässigt werden können. Wichtige Voraussetzung für derartige Bauwerke ist jedoch, dass während der Bauausführung und bei der späteren Nutzung keine größeren Temperaturdifferenzen auf das Bauwerk einwirken, z.b. aus Klimaeinwirkung Sommer-Winter. Da die Zugbruchdehnung eines erhärteten Betons bei schneller Abkühlung und 100 % Zwang lediglich ~ 0,1 (entspricht einem T ~ 10 K) [13] beträgt, muss bei Weißen Wannen oder Teilen Weißer Wannen allgemeiner Tiefgeschosse kritisch die Einwirkung aus Klima geprüft werden, um gegebenenfalls Bewegungsfugen anzuordnen, wie bei langgestreckten Bauwerken des Ingenieurbaus üblich, und um so Wasser führende Trennrisse zu vermeiden. So sollen die Blocklängen für Konstruktionen im Grundwasser als wasserundurchlässige Betonkonstruktionen (Straßentröge und tunnel nach [11] )10 m nicht überschreiten. 3. Zu Folgerungen aus Mängeln/Schäden Wasser führender Trennrisse 3.1 Leistungsbereich Objektplanung 3

4 Da es in der Baupraxis sehr häufig Streit um den jeweils geschuldeten Dichtigkeitsgrad einer Weißen Wanne gab und noch gibt (z.b. im Bereich feuchter Trennrisse), wurden in [3] zum ersten Mal Dichtigkeitsklassen (siehe auch Tabelle 1) definiert, die in [7] und [11] übernommen wurden. So wird z.b. nach [11] für einen Straßentunnel die Dichtigkeitsklasse 2 (weitgehend trocken) gefordert. Dichtigkeits- Feuchtigkeits- Definition (Auszug) klasse merkmal 1 vollständig trocken Keine Feuchtstelle an den Innenseiten feststellbar. 2 weitgehend trocken Vereinzelt schwache Durchfeuchtung. Ein aufgelegtes Löschpapier darf sich nicht infolge Feuchtigkeitsaufnahme verfärben. 3 kapillar durchfeuchtet Ein aufgelegtes Löschpapier verfärbt sich infolge der Feuchtigkeitsaufnahme, kein Tropfwasser. Tabelle 1: Dichtigkeitsklassen nach [7] 4

5 Ausgehend von den drei vorgenannten Dichtigkeitsklassen sind in [12] fünf Anforderungsklassen (nass bis vollständig trocken) aufgestellt worden mit jeweiligen Bezügen zu Bauwerken bzw. Bauteilen unterschiedlicher Verwendung. Es ist also in der Leistungsbeschreibung, erstellt durch die Objektplanung, die Verwendung Weißer Wannen eindeutig zu vereinbaren (gegebenenfalls unter Beachtung möglicher späterer Umwidmungen) und die Beschaffenheit der Betonoberflächen mit Bezug auf Feuchtstellen, z.b. nach [7] bzw. [12]. Eine Verwendungsvereinbarung bei allgemeinen Bauwerken für sich allein genügt nicht, da sonst anschließend der Dichtigkeitsgrad (Beschaffenheit) bei vorhandenen Feuchtstellen verhandelbar wäre. So wäre z.b. bei einer Tiefgarage (Verwendung) der Dichtigkeitsgrad (Beschaffenheit) 2 oder 3 (weitgehend trocken bzw. kapillar durchfeuchtet) möglich. 3.2 Leistungsbereich Tragwerksplanung Nach dem Stand der Technik gibt es drei Nachweisverfahren, um Zwangseinwirkungen aus abfließender Hydratationswärme so weit zu berücksichtigen, dass die geschuldete Beschaffenheit mit dem Bezug auf keine oder mögliche Feuchtstellen auf Bauteiloberflächen nachgewiesen wird. Folgend werden diese Verfahren beschrieben und bewertet.. I. Rechnerische Nachweise für beschränkte Trennrissbreiten Mit diesem Verfahren werden rechnerisch Trennrissbreiten (w cal ) ermittelt (maßgeblich in Abhängigkeit von der Betonqualität und dem Bewehrungsgehalt) und mit zulässigen Rissbreiten (siehe Tabelle 2) verglichen, die nach Versuchen [10] oder Erfahrungen [1] eine genügende Abdichtung durch Selbstheilung (u.a. Bildung von Kalziumkarbonat) erwarten lassen. 5

6 Rechnerische Rissbreite W cal [mm] < 0,20 mm < 0,15 mm < 0,10 mm das zulässige Druckgefälle h w /d berechnet sich aus Wasserdruckhöhe h w in m und Bauteildicke d in m. Beobachtungen Untersuchungen nach [1] DAfStb [10] < 2,5 < 10 < 5 < 15 > 5 < 25 Tabelle 2: Erfahrungswerte bzw. Versuchsergebnisse für rechnerische Rissbreiten für die Selbstheilung von Rissen im Beton, abhängig vom Druckgefälle Die rechnerisch ermittelten Rissbreiten aus abfließender Hydratationswärme haben die Qualität einer Schätzung; d.h. am späteren Bauwerk können auch breitere Risse auftreten. Die zulässigen Rissbreiten mit Bezug auf den hydraulischen Gradienten unterscheiden sich stark je nach Quelle, siehe Tabelle 2. Weiterhin könnte jetzt die ausführende Firma theoretisch einen Beton verwenden, ohne Maßnahmen ergreifen zu müssen, die Wärmeentwicklung möglichst gering zu halten. D.h. die Wahrscheinlichkeit dauerhaft Wasser führender Risse, die nachträglich abgedichtet werden müssen, ist sehr groß, wie Schadensfälle zeigen. Die Haftungsproblematik mit Bezug auf die Mängelbeseitigungskosten ist unklar. II. Rechnerische Nachweise zur Vermeidung von Trennrissen Falls formal, mit allen baurechtlichen Konsequenzen, rechnerisch nachgewiesen werden soll, dass Trennrisse infolge Zwangseinwirkungen aus abfließender Hydratationswärme zu keinem Zeitpunkt zu erwarten sind, sind mit großem Aufwand nichtlineare, zeitabhängige FEM- Berechnungen [32] durchzuführen, deren Kostenaufwand jedoch nur bei großen, komplexen Bauvorhaben gerechtfertigt wäre. Weiterhin wären die Berechnungsannahmen mit der späteren Betontechnologie auf der Baustelle detailliert abzugleichen, wobei das Relaxationsverhalten des jungen Betons (sehr großer Einfluss) in Abhängigkeit von der Methode der Nachbehandlung nur grob abgeschätzt werden kann. 6

7 Vereinfachte Rechenansätze können nur die Qualität einer Schätzung haben. Dafür sollten dem Tragwerksplaner jedoch für Regelfälle nach dem Stand der Technik mittlere Berechnungswerte für die maßgebenden Parameter wie Betonzugfestigkeit, E-Modul, Zwangsgrad und Relaxationsgrad zur Verfügung gestellt werden mit Bezug auf eine vorgegebene Betontechnologie auf der Baustelle, um das Haftungsrisiko des Tragwerksplaners einzugrenzen bzw. eindeutig zu definieren. III. Konstruktive Maßnahmen zur Vermeidung von Trennrissen Der Tragwerkplaner gibt unter Berücksichtigung von zu erwartenden Zwängungen und auf Grund von Erfahrungen die Größe der Betonierabschnitte für Sohlen vor und entwickelt ein entsprechendes Konzept für die Arbeitsfugen (z.b. in Verbindung mit V-förmigen Fugenabstellungen einschließlich der Dichtelemente). In Wänden werden Sollrissfugen angeordnet. Die Abstände dieser Fugen sind Stand der Technik. Als Bewehrung genügt die Mindestbewehrung nach DIN Die ausführende Baufirma hat dann die Betontechnologie auf die Vorgaben des Tragwerkplaners hin abzustimmen. Damit liegt das Haftungsrisiko für Trennrisse aus abfließender Hydratationswärme in dem Leistungsbereich des Rohbauunternehmers. 3.3 Leistungsbereich Bauausführung Unabhängig von dem Nachweiskonzept des Tragwerksplaners ist für den Rohbauunternehmer folgende Vorgehensweise zu empfehlen, um Mängel infolge Wasser führender Trennrisse zu vermeiden: 1. Prüfen der geschuldeten Dichtigkeitsklasse 2. Wahl einer Betonrezeptur (wu-beton) unter Berücksichtigung der Größe der Betonierabschnitte und des Arbeitsfugenkonzeptes, der jeweiligen Betondicken, der Jahreszeit und Frischbetontemperaturen, der Schalungsart, um T (T c, neu T c, alt ) möglichst gering zu halten. T ist maßgeblich zu beeinflussen durch: Zementart (u.u. NW-Zement), Zementmenge < kg/m³. 3. Entwicklung eines Programms für die Nachbehandlung: Schutz gegen zu schnelles Abkühlen, um Relaxation des jungen Betons zu ermöglichen. 7

8 4. U.U. nachträgliches Abdichten durch Füllen (Verpressen) von Trennrissen nach Prüfen der Dichtigkeit. 4. Offene Probleme Seit Jahren wird das Problem des Wassertransports in wu-bauteilen Weißer Wannen in der Fachwelt kontrovers diskutiert, so auch noch auf den Aachener Bausachverständigentagen 2002 [14], mit Bezug auf den Fußbodenaufbau hochwertig genutzter Räume (schwimmender Estrich mit zum Teil dichten Belägen). Aufgrund mehr theoretischer Überlegungen war man bisher davon ausgegangen, dass bei Weißen Wannen eine geringe, kontinuierliche Wassermenge durch das Bauteil hindurch tritt, begründet durch die Kapillarporosität des Zementsteins. So schlägt Cziesielski im Bauphysikkalender 2002 bei hochwertiger Nutzung von Räumen einen aufgeständerten Fußboden vor, damit das durch die Fundamentplatte transportierte Grundwasser im Rauminnern verdunsten kann. Die Ergebnisse von Wassereindringversuchen, jedoch drucklos, von Beddoe/Springenschmid lassen das Autorenteam Eifert/Beddoe/Springenschmid in [15] jedoch zu der Schlussfolgerung kommen, dass bei Bauteildicken von mindestens 200 mm (w/z-wert des Betons höchstens 0,55) praktisch keine Feuchtigkeit von außen durch die Betonwand durchsickern bzw. hindurch diffundieren kann und dass Betonbauwerke, ob schwarz abgedichtet oder nicht, sich langfristig gleich verhalten. Diese Kernaussage würde bedeuten, dass bei der Planung eines hochwertigen Ausbaus lediglich die übliche Baufeuchte zu berücksichtigen wäre. Es ist zu hoffen, dass in der zur Zeit erarbeiteten DAfStb-Richtlinie (Wasserundurchlässige Bauwerke aus Beton) zu diesem Problem Stellung genommen wird, um eine entsprechende Planungssicherheit zu gewährleisten, z.b. durch Empfehlung der Qualität einer Dampfsperre auf der Sohle einer Weißen Wanne unter Berücksichtigung des jeweiligen Fußbodenaufbaus. Prof. Dr.-Ing. Klaus Müller 8

9 LITERATUR [1] Lohmeier, G.: Weiße Wanne einfach und sicher, VBT, Düsseldorf 2000 [2] ZTV-K 96 Zusätzliche Technische Vorschriften für Kunstbauten, Bundesminister für Verkehr, 1996 [3] DS 804, 853; Bahn-AG [4] Planung und Bau von Wasserbehältern, Technische Regeln Blatt W 311, 1988; Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches 3.V. [5] DBV-Sachstandbericht, Beschränkung von Temperaturrissen im Beton, 1996 [6] DBV-Merkblatt, Verpresste Injektionsschläuche für Arbeitsfugen, 1996 [7] DBV-Merkblatt, Wasserundurchlässige Baukörper aus Beton, 1996 [8] DBV-Merkblatt, Begrenzung der Rissbildung im Stahlbeton- und Spannbetonbau, 1996 [9] DAfStb, Heft 400 [10] Edvardsen: Wasserdurchlässigkeit und Selbstheilung von Trennrissen in Beton, DAfStb Heft 455 [11] ZTV-TUNNEL, Teil 2: Offene Bauweise, 1999 II [12] Richtlinie wasserundurchlässige Betonbauwerke Weiße Wannen, Österreichischer Betonverein, März 1999 [13] Weigler, Karl: Beton; Ernst & Sohn, Berlin 1989 [14] Oswald, Aachener Bausachverständigentage 2002, Vieweg Nov [15] Eifert, Beddoe, Springenschmid, Feuchtetransport in wu-bauteilen unter baupraktischen Bedingungen, beton 2/2002 9