Grundlagen der WU-Konstruktion

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1 Claus Flohrer Grundlagen der WU-Konstruktion von der Bedarfsermittlung zur optimalen Bauweise Neben der gemeinsam mit dem Nutzer erarbeiteten Bedarfsermittlung ist die Festlegung des für die Nutzung und Beanspruchung geeignetsten Entwurfsgrundsatzes bei wasserundurchlässigen Betonkonstruktionen für die Sicherstellung der Gebrauchstauglichkeit und der Dauerhaftigkaeit entscheidend. Der bisher fast ausschließlich angewendete Entwurfsgrundsatz b) nach WU-Richtlinie weist den gravierenden Nachteil auf, dass bis zum Eintreten der erwarteten Selbstheilung Wasser ins Innere des Gebäudes fließt und Bedingungen für eine erfolgreiche Selbstheilung in der Praxis nur selten vorliegen. Im Beitrag werden Möglichkeiten und Randbedingungen für die Entwurfsgrundsätze a) und c) der WU-Richtlinie sowie Nutzungsanforderungen genannt, bei denen diese Prinzipien angewendet werden müssen. 1 Einleitung Wasserundurchlässige Betonkonstruktionen gelten seit vielen Jahrzehnten als bewährte Bauweise beim Bauen im Grundwasser. Entsprechend WU-Richtlinie [1] sind derartige Konstruktionen bei allen Wasserbeanspruchungsklassen für Bauwerke im Hoch- und Ingenieurbau, einschließlich weißer Decken einsetzbar. Dennoch sind in den vergangenen Jahren wesentliche Veränderungen eingetreten, die es für Bauherrn, Planer und Bauausführende erforderlich machen, sich intensiver mit den unterschiedlichsten Bauweisen und der Herangehensweise von Bauen im Erdreich vor Beginn der Baumaßnahme zu befassen. Als wesentliche Änderung gegenüber früher gelten insbesondere höherwertige Nutzungsanforderungen und die deutlich schnellere Bauzeit. Dadurch haben insbesondere eine sorgfältige Bedarfsermittlung, eine auf die Nutzung und den Nutzungsbeginn abgestimmte Planung und die Koordination aller beteiligten Planer und der Ausführenden gegenüber früherer Vorgehensweise an Bedeutung gewonnen. 2 Bedarfsermittlung Mit Einbindung des planenden Architekten durch den Bauherrn hat der Architekt, gemeinsam mit dem dafür verantwortlichen Bauherrn, in der Projektvorphase Bedürfnisse und Erwartungen des Bauherrn in Bezug auf das zu errichtende Bauwerk, die Wirtschaftlichkeit und die Projektorganisation zu klären. Hilfestellungen dazu sind in [2,3] enthalten. Das Ergebnis der Bedarfsermittlung ist als Nutzungsbedarfsprogramm zu dokumentieren und vom Bauherrn freizugeben und dient als Grundlage für die Definition und Erbringung von Planungsleistungen. In Bezug auf wasserundurchlässige Bauwerke ist im Rahmen der Bedarfsanalyse insbesondere zu klären: Art der Nutzung (z. B. hochwertige Nutzung nach [4], Tiefgarage, ) Beginn der Nutzung Zulässige Feuchtigkeit Termine, Beginn der Feuchteeinwirkung Zusätzlich bei Tiefgaragen Gebrauchstauglichkeit Dauerhaftigkeitsanforderungen Ausführungsvariante Nutzungsfreundlichkeit Im Zuge der Bedarfsermittlung sollte der Bauherr bereits über die Zusammenhänge zwischen Bedarf und Umsetzbarkeit bzw. Umsetzungsaufwand aufgeklärt werden, was dann im Zuge von Variantenstudien näher untersucht werden muss. Durch die Ergebnisse der Bedarfsermittlung wird die Grundlage geschaffen für die Definition, die Vergabe und die Erbringung der weiteren Planungsleistungen. Für die Beurteilung der Beanspruchung muss ein durch den Bauherrn beauftragtes Baugrundgutachten vorliegen. Die Art der Nutzung der Untergeschosse beeinflusst die Entscheidung über die Bauart der Untergeschosse wesentlich. Je hochwertiger die Nutzung, umso mehr muss das Ziel verfolgt werden, Feuchteeinflüsse aus der äußeren Wasserbeanspruchung auf die Nutzung möglichst vollständig auszuschließen. Die Art der Feuchtebeanspruchung ist dabei nicht wesentlich. Einzig ausschließlich durch Bodenfeuchtigkeit beanspruchte Bauteile sind unkritisch. Alle anderen Arten der Wasserbeanspruchung, insbesondere auch nur zeitweise aufstauendes Wasser, stellen bei hochwertiger Nutzung hohe Anforderungen an die Baukonstruktion. 3 Bauarten für wasserbeanspruchte Untergeschosse Bauarten für wasserbeanspruchte Untergeschosse sind entweder nach DIN [5] abgedichtete Bauwerke oder wasserundurchlässige Bauwerke nach WU-Richtlinie [1]. 22

2 Bei nach DIN abgedichteten Bauwerken galt zunächst immer der Grundsatz, das Bauwerk wannenartig abzudichten, damit die Abdichtung nicht hinterlaufen werden kann. Erst mit der Entwicklung von nachträglich aufgebrachten Abdichtungen im Verbund wurde dieser Grundsatz aufgeweicht, da derartige Systeme, bis zu einer bestimmten Wasserbeanspruchung auch dann nicht hinterlaufen werden können, wenn die Abdichtung im wasserbeanspruchten Bereich endet. Bei Bahnenabdichtungen sind dazu aufwändige Los-/Festflanschkunstruktionen und Detaillösungen erforderlich. Abdichtungen nach DIN sind im Regelfall mehrlagig, um Schwächen einzelner Lagen (z. B. Verletzungen, Fehlstellen an Stößen) kompensieren zu können und müssen zielsicher vor Beschädigungen geschützt werden. Nachteil aller nicht im Verbund liegenden Bauwerksabdichtungen ist, dass die Abdichtungen im Falle eines lokalen Versagens nur dann repariert werden können, wenn diese freigelegt werden. Abdichtungen unter Bodenplatten können somit nicht repariert werden. Undichte abgedichtete Bauwerke werden deshalb häufig nachtäglich zur WU-Konstrukten ertüchtigt. Wasserundurchlässige Betonkonstruktionen nach WU-Richtlinie können bei direkter Zugänglichkeit der inneren Oberflächen bei Leckagen oder sich nicht selbst heilenden planmäßigen Rissen vergleichsweise einfach durch Injektionen mit Polyurethan ertüchtigt werden. Bei hochwertiger Nutzung [4] muss davon ausgegangen werden, dass die inneren Oberflächen nicht uneingeschränkt zugänglich sind und somit eine nachträgliche Ertüchtigung nur mit erheblichen nutzungseinschränkendem Aufwand möglich ist. Deshalb muss planmäßig eine Konstruktion gewählt werden, die von Beginn der Nutzung an uneingeschränkt dicht ist. Die Dichtheit von WU-Konstruktion wird wesentlich von drei Faktoren beeinflusst: 1. Dichtigkeit des Betons (vergleichsweise einfach erreichbar durch die Verwendung von WU-Beton und entsprechend sorgfältigem Einbau und Verdichtung) 2. Dichtigkeit der Fugen, Durchdringungen und Einbauteile durch ein geschlossenes Fugenabdichtungssystem (alle Fugeneinlagen an Stoßstellen dicht miteinander verbunden) 3. Vermeiden oder dauerhaftes Abdichten von Rissen (Entwurfsgrundsätze a oder c) Befahrene Flächen in Tiefgaragen als WU-Konstruktion müssen ebenfalls als hochwertig genutzte Flächen eingestuft werden. Die konzentrierte Einwirkung von Chloriden verbietet das Vorhandensein von Rissen oder erfordert eine dauerhafte Abdichtung. Außerdem tritt die beim Entwurfsgrundsatz b erforderliche Selbstheilung der Risse wegen der kontinuierlich einwirkenden Temperaturänderungen nicht zuverlässig ein. 4 Wasserbeanspruchung und Nutzungsklasse Für die weitere Planung von wasserundurchlässigen Betonbauwerken müssen die Art der Wasserbeanspruchung durch das Vorliegen eines Baugrundgutachtens und die Art der Nutzung, durch die zuvor beschriebene Bedarfsermittlung bekannt sein. Demnach werden einzelne Bauteile entsprechend der WU-Richtlinie [1] Beanspruchungsklassen und Nutzungsklassen zugeordnet. Beanspruchungsklasse 1 gilt für drückendes und nichtdrückendes Wasser und zeitweise aufstauendes Wasser. Beanspruchungsklasse 2 gilt für Bodenfeuchte und nichtstauendes Sickerwasser. Fälschlicherweise wird in der Praxis zeitweise stauende Wasserbeanspruchung unterschätzt und diese Bauteile der Beanspruchungsklasse 2 zugeordnet. Aus Sicht des Verfassers ist zeitweise stauendes Wasser als besonders kritisch einzustufen, da Undichtigkeiten nur während der stauenden Wasserbeanspruchung erkannt werden können, dies kann nach Übergabe während der Nutzung und auch nach Ablauf der Gewährleistung passieren. Mit Selbstheilung ist dabei nicht zu rechnen, so dass der Entwurfsgrundsatz b) dafür nicht angewendet werden kann. Wird die Beanspruchungsklasse 2 angenommen, ist dauerhaft über die gesamte Lebensdauer des Bauwerks ein Aufstauen des Wassers (auch temporär) auszuschließen. Die in der Bedarfsermittlung festgelegte Nutzung muss der Planer bauteilbezogen in die Zuordnung zu Nutzungsklassen umzusetzen [1]. Nutzungsklasse 1 kein Durchtritt von flüssigem Wasser erfordert planmäßige Maßnahmen, die sicherstellen, dass keine Feuchtstellen und auch keine wasserführenden Risse und Fugen auftreten (auch nicht temporär). Unabhängig davon können ausführungs- und planungsbedingt an Fugen oder unplanmäßigen Rissen temporäre, unplanmäßige Wasserdurchtritte entstehen, die durch Instandsetzungsmaßnahmen zu beseitigen sind. Dazu ist jedoch eine Wasserbeanspruchung erforderlich, die den Wasserdurchtritt zeigt. Nutzungsklasse 2 lässt planmäßig einen temporären Wasserdurchtritt zu, der auch langfristig zu Feuchtigkeit an der Bauteiloberfläche führen kann ohne sichtbare Wasseransammlungen an der luftseitigen Oberfläche zu hinterlassen. Die Nutzungsklasse 2 ist auch mit dem Entwurfsgrundsatz b) erfüllbar, kann jedoch für einzelne Risse mit größerer als rechnerisch angesetzter Rissweite zu zusätzlichen abdichtenden Maßnahmen führen. 5 Darstellung der Entwurfsgrundsätze Um die Wasserundurchlässigkeit einer WU-Konstruktion gegenüber den beschriebenen Beanspruchungen sicherzustellen, unterscheidet die WU-Richtlinie drei Entwurfsgrundsätze: Entwurfsgrundsatz a) Vermeidung von Trennrissen Durch konstruktive, betontechnische und ausführungstechnische Maßnahmen soll das Auftreten von Trennrissen vermieden werden. Unter den konstruktiven Maßnahmen versteht man im Wesentlichen die Reduzierung von Zwangsspannungen durch zwängungsarme Lagerung der Bauteile, die geeignete Anordnung und Wahl von Fugen und die Reduzierung der Einspannung und Festhaltung der zu betonierenden Bauteile an bereits vorhandenen Bauteilen. In besonderen Fällen kann auch eine Vorspannung von Bauteilen in Betracht kommen. Die betontechnologischen Maßnahmen zielen vor allem auf die Verring erung der Betontemperatur durch Verwendung von Betonen mit geringer Wärmeentwicklung sowie Begrenzung der Frischbetontemperatur ab. Schwindarme Betone reduzieren langfristig die Überlagerung der dadurch entstehenden Spannungen mit den Spannungen aus später einwirkenden Temperaturänderungen. Das Schwinden des Betons ist jedoch für den frühen Zwang nicht maßgebend. Ausführungstechnische Maßnahmen sind insbesondere die Nachbehandlung des Betons und die damit zu steuernde abfließende Hydratationswärme. Wärmehaltende Nachbehandlungsmaßnahmen wirken sich insbesondere zugspannungsreduzierend in der Phase nach Überschreiten der maximalen Bauteiltemperatur aus und sollten grundsätzlich bei Anwendung des Entwurfsgrundsatzes a) angeordnet werden. Entwurfsgrundsatz b) Begrenzung der Trennrissbreite Die rechnerisch zu erwartenden Zugspannungen infolge behinderter Verformung im jungen und im späten Alter (Früh- und Der Bausachverständige 23

3 Spätzwang) werden durch Bewehrungsmenge und -führung so beherrscht, dass die daraus zu erwartenden Risse in ihrer Breite so begrenzt werden, dass die Voraussetzungen für eine mögliche Selbstheilung gegeben sind. Das Eintreten einer Selbstheilung ist jedoch sehr stark von vielen Faktoren abhängig, so dass keine zuverlässige Voraussage zum Zeitpunkt und zur Sicherstellung des Eintretens und der Selbstheilung genannt werden kann. Die hierfür erforderlichen rechnerischen Rissbreiten wcal liegen zwischen 0,10 und 0,20 mm und werden in der WU-Richtlinie in Abhängigkeit von Beanspruchungsklasse, Druckhöhe des ggf. anstehenden Wassers und Bauteildicke vorgegeben. Da auch nach Eintreten der Selbstheilung nicht sicher trockene Oberflächen zu erwarten sind, ist die Anwendung dieses Entwurfsgrundsatzes eingeschränkt und weitestgehend auf untergeordnete Bauteile beschränkt. Auch Bauteile ohne sofortige Wasserbeanspruchung oder in der Wasserwechselzone scheiden dafür aus. Entwurfsgrundsatz c) Zulassen und planmäßiges Abdichten von Trennrissen Bei dem Entwurfsgrundsatz c) werden Trennrisse zugelassen, bei denen eine Selbstheilung nicht erwartet wird und diese Risse deshalb zusätzlich dauerhaft abgedichtet werden müssen. Ziel der Anwendung des Grundsatzes ist insbesondere, dadurch die Anzahl der Risse zu reduzieren. Dies gelingt durch die Reduzierung der Bewehrungsmenge für Zwang und die Wahl größerer Bewehrungsdurchmesser. Die Begrenzung der Breite erfolgt nach [1] lediglich durch die Anforderungen der DIN EN [12-14] zur Sicherstellung der Dauerhaftigkeit. Dies kann jedoch aus Sicht des Verfassers dahingehend auf breitere zulässige Risse (theoretisch bis zur sicheren Einhaltung der Fließgrenze des Stahls erweitert werden, wenn die Risse dauerhaft und vollständig verschlossen werden, so dass keine Umwelteinflüsse in den Rissen wirksam sind. 6 Anwendung der Entwurfsgrundsätze Der Planer hat die Aufgabe, aus der Bedarfsermittlung, der vorliegenden Beanspruchung und der festgelegten Nutzung bauteilabhängig einen Entwurfsgrundsatz festzulegen, der die Nutzungsanforderungen sicher erfüllt. Dabei sind insbesondere auch die Bedingungen während der Bauausführung zu berücksichtigen, die in Annahmen bei der Bemessung einfließen sollen. Beispielsweise sind die Frischbetontemperaturen zu berücksichtigen oder planmäßig zu steuern, wenn Risse vermieden oder auf Einzelrisse begrenzt werden soll. Auch die Einwirkung der Umgebungstemperaturen während der Bauzeit, die den Früh- und Spätzwang beeinflussen können, ist planmäßig zu berücksichtigen. Der derzeit immer noch von Planern häufig beschrittene Weg, ungeprüft den Entwurfsgrundsatz b) Begrenzung der Rissweite anzuwenden kann fatale Auswirkungen auf die geplante Nutzung haben, wenn die gewünschte Selbstheilung nicht eintritt. Sind Bauteile in der Nutzung nicht mehr frei zugänglich und werden hochwertig genutzt, können nur die Entwurfsgrundsätze a) oder c) angewendet werden. Hochwertige Nutzung ist in [4] definiert. Insbesondere zählen dazu Bauteile, die durch Bodenaufbauten dauerhaft belegt sind, Technikräume mit großflächigen Technikkomponenten, Lagerräume mit hochwertigem oder feuchteempfindlichem Lagergut. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass ab dem Zeitpunkt, ab dem die luftseitige Oberfläche des wasserundurchlässigen Bauteils nicht mehr zugänglich ist, rissauslösende Zwangspannungen (insbesondere Spätzwang) vermieden werden müssen. Jeder nachträglich entstehende Riss wird wasserführend sein, wenn eine Druckwasserbelastung (auch temporär) vorliegt. Auch die wasserundurchlässigen Bodenplatten von Tiefgaragen sind aus Sicht des Verfassers als hochwertig genutzte Bauteile einzustufen, weil aus Dauerhaftigkeitsgründen keine offenen Risse zulässig sind, bzw. max. ein Jahr offen sein dürfen. Würde dafür der Entwurfsgrundsatz b) Begrenzung der Rissbreite angesetzt, würde sich insbesondere die Anzahl der zu erwartenden Risse deutlich erhöhen. Dies hat jedoch aus Dauerhaftigkeitsgründen zur Folge, dass alle Risse im Nachgang dauerhaft abgedichtet werden müssen. Ein Injizieren der planmäßigen Risse mit kleiner Rissweite ist nicht zuverlässig möglich, da die Risse dafür eine Mindestrissweite von 0,2-0,3 mm aufweisen müssen. Eine rissüberbrückende Abdichtung der Risse (beispielsweise mit Oberflächenschutzsystem OS 11 [6]) ist jedoch ebenfalls nicht möglich, da aus der zu erwartenden nutzungsbedingten Temperaturänderung in Tiefgaragen Rissbewegungen zu erwarten sind, die auch selbstgeheilte Risse wieder wasserführend werden lassen. Sind Bauteiloberflächen uneingeschränkt zugänglich, könnten aus technischer Sicht alle Entwurfsgrundsätze angewendet werden, da auch bei nicht sofortiger Dichtheit jederzeit nachträglich abdichtende Maßnahmen ergriffen werden können. Aus wirtschaftlicher Sicht ist ein Einsatz des Entwurfsgrundsatzes b) Begrenzung der Rissweite nur dann sinnvoll, wenn der Nutzer akzeptiert, dass keinerlei Vorhersage über den Zeitraum getroffen werden kann und Risse auch über einen langen Zeitraum wasserführend oder stark nässend sein können, bis die Selbstheilung einsetzt. Kann keine Selbstheilung erwartet werden (beispielsweise wegen kalklösender Kohlensäure im Grundwasser oder wegen nicht auszuschließender temperaturbedingter Rissweitenänderung), darf der Entwurfsgrundsatz b) nicht verwendet werden. Wird vom Nutzer verlangt, jeden nässenden Riss sofort durch abdichtende Injektion zu schließen, ohne die Selbstheilung abzuwarten, darf ebenfalls der EG b) nicht zugrunde gelegt werden, da die dann erforderliche Injektion der schmalen Risse nicht ausreichend sicher zum Ziel führt. Die Art der Nutzung muss in der Bedarfsermittlung gemeinsam mit dem Bauherrn erfolgen. Die Einstufung, ob eine hochwertige Nutzung vorliegt, obliegt dem koordinierenden Architekten. Alle anderen beteiligten Planer müssen vom koordinierenden Planer über die Nutzung und die daraus folgenden Anforderungen für die Konstruktion aufgeklärt werden. Den Entwurfsgrundsatz legt im Regelfall der Tragwerksplaner fest. Seine Aufgabe ist es deshalb, das Ergebnis seiner Planung schriftlich zu dokumentieren. Insbesondere sind darin auch die Folgen der Planung zu beschreiben. Wird beispielsweise mit der Entstehung von Rissen geplant oder kann eine spätere Rissbildung nicht ausgeschlossen werden, muss der Tragwerksplaner die freie Zugänglichkeit der Bauteile einfordern. Ist dies nicht möglich, muss die Konstruktionsart geändert werden. Vielfach wird in Frage gestellt, ob wasserundurchlässige Betonkonstruktionen für alle Nutzungsarten einsetzbar sind. Aus Sicht des Verfassers sind für übliche Bauwerke des Hoch- und Ingenieurbaus wasserundurchlässige Betonkonstruktionen möglich. Sind wasserführende Trennrisse nicht zulässig, müssen durch die beschriebenen konstruktiven, ausführungstechnischen und betontechnischen Maßnahmen derartige Risse vermieden werden. Dazu kann es insbesondere bei großflächigen, geometrisch komplizierten Grundrissen erforderlich werden, dass Maßnahmen wie Vorspannung oder Kühlen des Betons geplant wer- 24

4 den. Alternativ kann jedoch auch die Konstruktion angepasst werden. Beispielsweise kann eine zweite, innere Bodenplatte, die entkoppelt von der wasserundurchlässigen Bodenplatte ist, die Nutzung uneingeschränkt ermöglichen, weil eventuelle Wasserzutritte durch die wasserdurchlässige Bodenplatte erfasst und schadlos abgeführt werden können. Je hochwertiger die Nutzung desto höher ist der Konstruktionsaufwand für die wasserundurchlässige Betonkonstruktion. Die bisher häufig beobachtete reine Bemessungslösung der WU-Konstruktion (beispielsweise nach dem Entwurfsgrundsatz b) durch den Tragwerksplaner wird hierbei nicht zum Ziel führen. Beton mit niedriger Frischbetontemperatur einsetzen (Empfehlung: < 20 C), evtl. Beton kühlen. Ausführungstechnische Maßnahmen Betonage in den Abend- und Nachstunden, wärmehaltende Nachbehandlung nach Erreichen der Maximaltemperatur, Zwischennachbehandlung durch Curing. In Abb. 1 sind die Auswirkungen der betontechnischen und ausführungstechnischen Maßnahmen auf die Entwicklung der Zugspannungen qualitativ dargestellt. 7 Umsetzung der Entwurfsgrundsätze Zur Umsetzung der oben beschriebenen Entwurfsgrundsätze sind insbesondere bei a) und c) konstruktive, ausführungstechnische und betontechnische Maßnahmen erforderlich. In der WU-Richtlinie sowie insbesondere in den Erläuterungen der WU-Richtlinie [7] sind die zwangsmindernden Maßnahmen und deren Anwendung ausführlich beschrieben. In Abschnitt 9 wird die Umsetzung derartiger Maßnahmen an zwei Praxisbeispielen erläutert. Die Anwendung der Entwurfsgrundsätze und deren Umsetzung wurden auch für die Planung von WU-Dächern [8] und für Parkhäuser und Tiefgaragen [9] übernommen. In beiden Fällen sind nur die Entwurfsgrundsätze a) und c) technisch zielführend, da bei beiden Nutzungsarten Trennrisse nutzungsbedingt oder wegen der Sicherstellung der Dauerhaftigkeit auszuschließen oder dauerhaft abzudichten sind. Insbesondere der Entwurfsgrundsatz a) stellt besondere Herausforderungen an die Planung dar, da hierbei rissauslösende Zwangspannungen vermieden werden müssen. Zwang entsteht durch behinderte Verformungen. Vermeiden von Zwang bedeutet somit, entweder Verformungen so klein zu halten oder Verformungsbehinderungen weitestgehend zu vermeiden, dass daraus keine rissauslösenden Zugspannungen entstehen. Die Vermeidung von Verformungsbehinderungen gelingt durch konstruktive und ausführungstechnische Maßnahmen, die Reduzierung von Verformungen durch betontechnische und ausführungstechnische Maßnahmen. Die Vermeidung von Rissen in Wänden gelingt sicherer als in Bodenplatten, da Wände einfach von angrenzenden Bauteilen entkoppelbar sind und die Abschnittslängen sich einfach durch Sollrissfugenprofile verringern lassen. Konstruktive Maßnahmen: vereinfachte Geometrie möglichst Bodenplatten gleicher Dicke und ohne Versprünge auf der Unterseite, reibungsmindernde Zwischenschichten unterhalb der Bodenplatte (z. B. Brechsandschicht mit Folie), Einspannungen vermeiden, Vorspannen der Bauteile, Temperaturgassen zwischen vorbetonierten Kanälen, Unterfahrten usw. und der Bodenplatte, kleinere, durch Arbeitsfugen unterteilte Betonierabschnitte, späte Temperatureinwirkung durch Planung möglichst ausschließen, wenn späte Rissbildung ausgeschlossen werden muss. Betontechnische Maßnahmen Verwendung von Zementen mit niedriger Hydratationswärmeentwicklung, Einsatz von Flugasche, Nachweis der Betondruckfestigkeit im Alter von 56 oder 90 Tagen (mit Tragwerkplanung abstimmen!), Abb. 1: Betontechnische und ausführungstechnische Maßnahmen zur Reduzierung der Verformungen 8 WU-Koordinator Die oben beschriebenen Zusammenhänge zeigen, dass zur nutzungsgerechten Planung und Ausführung einer WU-Kons truktion eine Vielzahl von Planungsleistungen unterschiedlich eingebundener Planer erforderlich ist. So müssen beispielsweise betontechnisch umsetzbare Kennwerte vom Tragwerksplaner erfragt und eingeplant werden. Bodenaufbauten müssen z. B. vom Objektplaner in Abstimmung mit dem Tragwerksplaner erfolgen, ebenso muss die TGA-Planung die Folgen der Tragwerksplanung (z. B. erforderliche Zugänglichkeit von Außenwänden oder Bodenplatten bei Erwartung von Trennrissen) berücksichtigen. Die Tragwerksplanung muss beispielsweise auch berücksichtigen, welche Betone zum Zeitpunkt der erwarteten Bauausführung eingesetzt werden können oder welche Frischbetontemperaturen erwartet werden können. Ist dies nicht möglich, hat der Tragwerksplaner Bedingungen für die Ausführung vorzugeben, die der Ausführende dann auch einhalten muss. Dies zeigt, dass der Informationsfluss und die daraus erforderlichen Planungsmaßnahmen über viele Schnittstellen hinweg erfolgen und funktionieren muss, um die nutzungsbedingt erforderlichen Eigenschaften einer WU-Konstruktion sicher am ausgeführten Bauwerk zu erhalten. Die Koordination der beteiligten Planer sowie die Schnittstelle zu Bauherrn, Ausführenden, Betontechnologen, Transportbetonlieferanten usw. kann aus Sicht des Verfassers nur dann erfolgreich umgesetzt werden, wenn für das Teilbauwerk»Wasserundurchlässige Betonkonstruktion«ein zuständiger Planungskoordinator eingesetzt wird. Die bisherige Praxis, nur für die Fugenplanung und die Ausführung der WU-Konstruktion WU-Fachfirmen mit ergänzenden Planungsleistungen zu beauftragen, ist deshalb oft nicht optimal, weil diese WU-Fachunternehmen und -planer lediglich Teilaspekte der erforderlichen Planungs- und Ausführungsleistung Der Bausachverständige 25

5 erbringen können. Vielfach ist zum Zeitpunkt des Einbindens der WU-Fachfirmen die gesamte übrige Ausbau- und die TGA-Planung bereits abgeschlossen, so dass erforderliche Anpassungen nicht mehr erfolgen können. Ebenso sollten für die Umsetzung der Planung in die Ausführung erforderliche qualitätssichernde Schritte geplant und die Ausführung überwacht werden. Dazu sollten Qualitätssicherungspläne von den ausführenden Unternehmen eingefordert werden und für die Überwachung können mit WU-Bauwerken erfahrene Sachverständige eingebunden werden. Nichts sollte dem Zufall überlassen werden! Aus dem Qualitätsmanagement sind Verfahren und Methoden bekannt, mit denen frühzeitig in der frühen Planungs- und Projektphase Schwachstellen und Fehlerquellen sowie deren Auswirkungen auf die Nutzung erkannt und beseitigt werden können. FMEA (Failure Mode and Effekt Analysis oder Fehlermöglichkeits- und Einfluss-Analyse) wird in der Bauindustrie noch vergleichsweise wenig angewendet, offensichtlich weil man es immer mit Einzelobjekten mit ständig wechselnden Randbedingungen zu tun hat. Wasserundurchlässige Betonkonstruktionen werden nahezu in jedem größeren Objekt angewendet, so dass sich der Einsatz systematischer Fehlervermeidungsstrategien dafür besonders eignet. In [10] sind die Grundsätze und die Anwendung der Fehlereinflussanalyse bei WU-Bauwerken beschrieben. 9 Beispiele für die Umsetzung bei tragenden Bodenplatten in Tiefgaragen [9] aufgehenden Bauteilen getrennt und durch Dehnfugenprofile an aufgehenden Bauteilen abgedichtet (Abb. 2), drei Betonierabschnitte, Bodenplatte unterhalb der Rampe vorbetoniert (Abb. 3), Gefällelose Betonoberfläche mit dem Hinweis an den Endinvestor, dass Pfützen geringer Tiefe entstehen können, Zwangarme Lagerung durch Brechsandschicht auf dem Unterbau. Betontechnische Maßnahmen: Betonsorte C35/45 mit CEM II NW und Nachweis nach 56 Tagen, Nachbehandlung mit Folie im Schutze des aufgehenden Bauwerks (Dauer zwei Wochen). Abb. 2: Konstruktionsprinzip der Bodenplatte: Zwangarme Lagerung, Entwurfsgrundsatz a 9.1 Beispiel für Ausführungsvariante 1b mit Entwurfsgrundsatz a (hohe Robustheit) Die Bodenplatte einer zweigeschossigen Tiefgarage eines Bürogebäudes in Frankfurt war ursprünglich als»wasserundurchlässige Betonkonstruktion«entsprechend Entwurfsgrundsatz b der WU-Richtlinie (Rissbreitenbegrenzung, Selbstheilung) und Ausführungsvariante 1a mit rissüberbrückender OS 11-Beschichtung geplant. Die Geometrie der Bodenplatte war zur wirtschaftlichen Optimierung als aufgelöste Bodenplatte mit Einzelund Streifenfundamenten unter den Stützen und unter den Außenwänden vorgesehen. Der Bemessungswasserstand für den Lastfall eines späteren Grundwasseranstiegs lag 10 cm über Bodenplattenoberkante. Die Herstellung der Bodenplatte war für den Hochsommer vorgesehen. Entsprechend einem Konzept des Verfassers wurde eine Bodenplatte entsprechend dem Entwurfsgrundsatz a (Risse vermeiden) der WU-Richtlinie [1] und den Hinweisen in DAfStb-Heft 555 [6] umgesetzt. Ein tiefer liegender Teil im Randbereich des Gebäudes wurde entsprechend Entwurfsgrundsatz c konzipiert. Als Ausführungsvariante der Tiefgarage wurde die Variante 1b des DBV-Merkblatts [9] mit einem ergänzenden Oberflächenschutz (starres Beschichtungssystem, d= 1,5 mm) gewählt. Zur Umsetzung des Entwurfsgrundsatzes a wurden folgende Maßnahmen umgesetzt: Konstruktive Festlegungen Bemessung der Bodenplatte nur für Last (ohne Zwang), da Zwang durch die nachfolgend beschriebenen Maßnahmen ausgeschlossen wurde, Expositionsklasse XD3 (C35/45, W/Z=0,45, c min= 40 mm), Geometrie der Bodenplatte vereinfacht, Bodenplatte ist gleichmäßig dick und wurde vollständig von Abb. 3: Grundriss der Bodenplatte mit Fugeneinteilung Ausführungstechnische Maßnahmen Die Bodenplatte wurde nicht im Hochsommer eingebaut. Durch die Trennung der Bodenplatte von den aufgehenden Bauteilen konnte die Bodenplatte bei günstigen Frischbetontemperaturen im Frühjahr des folgenden Jahres eingebaut werden. Damit wird eine Oberfläche wie bei einem Industrieboden erzielt, der nur eine sehr geringe Rauhtiefe aufweist, so dass ein wirtschaftliches Oberflächenschutzsystem mit einer Dicke von nur 1,5 mm eingebaut werden kann. Die Bodenplatte weist keinen Riss auf und hat alle Merkmale einer robusten Konstruktion. Der ergänzende Oberflächenschutz verhindert das Eindringen von Chloriden und verbessert somit weiter die Robustheit. Der Nutzer wurde auf die grundsätzlich erforderliche Wartung hingewiesen. 9.2 Beispiel für Ausführungsvariante 1b mit Entwurfsgrundsatz c Die Bodenplatte einer zweigeschossigen Tiefgarage eines Einkaufszentrums in Bayern war ursprünglich als Wasserundurchlässige Betonkonstruktion entsprechend Entwurfsgrundsatz b der WU-Richtlinie (Rissbreitenbegrenzung, Selbstheilung) und Ausführungsvariante 1a geplant. Die Geometrie der Bodenplat- 26

6 te war zur wirtschaftlichen Optimierung mit Verdickungen unter den Stützen und unter den Außenwänden vorgesehen. Die durch Hangwasser verur sachte ständige Druckwasserbeanspruchung beträgt ca. 10 m Wasserhöhe. Durch Beratung des Verfassers wurde gemeinsam mit Bauherrn, Tragwerksplanern und unter Einbeziehung des Prüfingenieurs eine auf die Sicherstellung einer robusten, dauerhaften und auf die Nutzung abgestimmten Konstruktion entwickelt. Ergebnis der Umplanung war eine Bodenplatte entsprechend Ausführungsvariante 1b und Entwurfsgrundsatz c der WU-Richtlinie bzw. des DBV-Merkblatts mit dem Ziel, Risse weitgehend zu vermeiden. Ergänzend wurde ein starres, verschleißwiderstandsfähiges flächiges Oberflächenschutzsystem OS 8 sowie OS 10-Rissbandagen für vereinzelt nicht auszuschließende Risse angeordnet. Folgende konstruktive, betontechnologische und ausführungstechnischen Maßnahmen wurden planmäßig umgesetzt, um das Ziel der Robustheit und weitestgehender Rissevermeidung infolge Zwang zu erreichen. Konstruktive Maßnahmen Bemessungsrissweite für frühen Zwang 0,4 mm, Risse werden vollständig verpresst, Expositionsklasse XD3 (C35/45, W/Z=0,45, c min= 40 mm), Geometrie der Bodenplatte vereinfacht (mittlerer Bereich dicker Querschnitt, Randbereiche dünner (entsprechend der Lastabtragung aus dem aufgehenden Bauwerk), drei Betonierabschnitte, Beginn mit mittlerem Abschnitt, 1,5 % Gefälle der Betonoberfläche, ausgebildet in der geglätteten Bodenplatte (ohne Estrich oder Aufbeton). Betontechnische und ausführungstechnische Maßnahmen Betonsorte mit CEM IIIa und Flugasche, Nachweis Betondruckfestigkeit nach 90 Tagen, Die ursprünglich geplante Kühlung des Frischbetons zur vollständigen Vermeidung von Rissen wurde wegen der Nutzung als Tiefgarage verworfen, bei hochwertiger Nutzung als Verkaufsräume wäre eine Kühlung des Frischbetons zum Einsatz gekommen. Bei der ersten Betonage der Kranfundamente wurde die Entwicklung der Temperatur im Bauwerk erfasst und der Zeitpunkt der max. Temperatur ermittelt. Curing des Betons nach dem Einbau und Abziehen der Oberfläche, Auflegen von PE Folie nach dem Glätten, Abb.4: Grundriss der Bodenplatte mit Schnitt, Kranfundament, 1. Betonierabschnitt Zusätzliche wärmedämmende Folie nach Erreichen der Maximaltemperatur (ca. zwei Tage) zur verzögerten Abkühlung, Dauer 10 Tage (siehe [11]). Das Ergebnis der zwangreduzierenden Maßnahmen ist eine ca m 2 große massige Bodenplatte, die nur zwei Risse mit Rissweiten < 0,2 mm im Bereich der Kranfundamente aufweist (Abb. 4), obwohl die Bodenplatte bei Frischbetontemperaturen von ca. 25 C betoniert wurde. Die Risse an den Kranfundamenten waren wegen der verformungsbehindernden Wirkung der zuvor betonierten Kranfundamente erwartet. Die Risse wurden vollständig verpresst und mit rissüberbrückenden Bandagen dauerhaft von oben abgedichtet. Der flächige Oberflächenschutz OS 8 stellt für die erwartete hohe Frequentierung der Tiefgarage ein widerstandsfähiges System dar, das die Robustheit des Gesamtsystems noch erhöht, obwohl die Tiefgarage wegen der zwangreduzierenden Bauweise bereits alle Merkmale einer robusten Konstruktion aufweist. Die Konstruktion ist weit wirtschaftlicher als eine vergleichbare Konstruktion nach Entwurfsgrundsatz b). Die Geschoßdecke über dem dritten Untergeschoß wurde nach dem gleichen Entwurfsgrundsatz wie die Bodenplatte geplant. Auch hierbei wurden zwangreduzierenden Maßnahmen umgesetzt, so dass auch hier ein starres Oberflächenschutzsystem mit wenigen ergänzenden rissüberbrückenden Bandagen umgesetzt werden konnte. 9.3 Negativ-Beispiel für Ausführungsvariante 1a mit Entwurfsgrundsatz b Instandsetzungsbedarf nach drei Jahren Die Bodenplatte einer Tiefgarage einer ca. 200 m langen Wohnbebauung (Eigentumswohnanlage) wurde vom Tragwerksplaner des Bauträgers als Wasserundurchlässige Betonkonstruktion entsprechend Ausführungsvariante 1a und dem Entwurfsgrundsatz b nach WU-Richtlinie [1] bzw. DBV-Merkblatt [9] entworfen. Der Verfasser sollte die Dauerhaftigkeit der Tiefgarage bewerten. Für den Entwurfsgrundsatz b wurde eine rechnerische Rissweite von 0,2 mm zugrunde gelegt. Berücksichtigt wurde Zwang aus abfließender Hydratation, kein Spätzwang. Die Wasserbeanspruchung besteht aus temporär aufstauendem Hangwasser, das jedoch vorwiegend die wasserundurchlässigen Außenwände belastet. Die Bodenplatte weist zahlreiche Vertiefungen auf aus den Aufzugsunterfahrten sowie blockweise unter den Stützenreihen angeordnete Streifenfundamenten und zusätzliche Höhenversprünge. Die Bodenplatte ist in Längs- und Querrichtung gefällelos, wegen der Hanglage ist in Längsrichtung eine innenliegende kurze Rampe zur Überwindung des Höhensprungs angelegt. Die Bodenplatte wurde entsprechend der Planung des Objektplaners mit einem starren Oberflächenschutzsystem OS 8 mit planmäßiger Dicke von 1,5 mm beschichtet. Der Oberflächenschutz wurde bezüglich der Nutzungsfreundlichkeit zur einfacheren Reinigung der Tiefgarage geplant. Die Bauausführung der Bodenplatte erfolgte im Hochsommer bei hohen Frischbetontemperaturen mit einem Beton der Güte C35/45 und einem Wasser-Zement-Wert von 0,5. Vor dem Einbau der Beschichtung wies die Bodenplatte zahlreiche Risse auf, die vom Beschichter oberflächlich verschlossen wurden. Nach ca. drei Jahren zeigte sich das in Abb. 5 auszugsweise dargestellte Rissbild mit über 1000 m Risslänge, der mittlere Rissabstand beträgt ca. 1,5 m. Die Wohnungseigentümer wurden nicht über eine erforderliche Wartung der Tiefgarage aufgeklärt, die Risse wurden nach ca. drei Jahren als Mängel beim Bauträger angezeigt Der Bausachverständige 27

7 Abb. 5: Ausschnitt des Grundrisses der WEG-Tiefgarage mit den entstandenen Trennrissen nach Ausführungsvariante 1a und Entwurfsgrundsatz b Nach Bauwerksuntersuchungen und Auswertung der Dokumentation wurde festgestellt: Rissbreiten 0,1-0,4 mm Betongüte C35/45 W/Z-Wert 0,5 Betondeckung 40 mm weitestgehend eingehalten Risse (überwiegend Trennrisse), derzeit keine Wasserführung Chloridgehalte bis ca. 1 M-% bezogen auf den Zementgehalt, keine Korrosion an der Bewehrung. Der Tiefgarage kann keine hohe Robustheit attestiert werden, da die zahlreichen Risse erhebliche Risiken des Schadenseintritts beinhalten und der Widerstand des Bauwerks nur mit dauerhaft funktionierender Abdichtung der Risse gegeben ist. Als Instandsetzungsmaßnahme wurde ein Oberflächenschutzsystem OS 11 a eingebaut, ein Wartungsintervall wurde einmal jährlich über die gesamte Restlebensdauer festgelegt. Da derzeit keine wasserführenden Risse vorliegen, kann auch keine Selbstheilung der Risse erwartet werden, die der Tragwerksplaner zugrunde gelegt hat. Die hohen Temperaturdifferenzen infolge der starken Luftdurchflutung der Tiefgarage von ca. 0 bis ca. 25 C lassen ein erneutes Öffnen einzelner Risse erwarten. Bei der Vielzahl der Risse war ein Einsatz von leistungsfähigen Rissbandagen nicht sinnvoll. DBV-Heft»WU-Dächer Ergänzende bautechnische Grundlagen und Ausführungsbeispiel zum DBV-Merkblatt«, Deutscher Betonund -Verein E.V., Berlin, Fassung Juli 2015 [12] DIN EN : , Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken Teil 1-1: Allgemeine Bemessungsregeln [13] DIN EN : /NA, Nationaler Anhang National festgelegte Parameter Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontrag-werken Teil 1-1: Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau. [14] DIN EN /NA Berichtigung 1: , Nationaler Anhang National festgelegte Parameter Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken Teil 1-1: Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau, Berichtigung zu DIN EN /NA: Literaturreferenzen [1] DAfStb-Richtlinie»Wasserundurchlässige Bauwerke aus Beton (WU-Richtlinie)«Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Berlin [2] DBV-Merkblatt»Qualität der Planung«, Deutscher Beton- und -Verein E.V., Berlin, Fassung [3] Heinrich Bastert, Dennis Kiltz»Bedarfsplanung bei Parkbauten«, in DBV-Heft 27» Wartung und Instandhaltung von Parkbauten«, Deutscher Beton- und -Verein E.V., Berlin, Fassung 2013 [4] DBV-Merkblatt»Hochwertige Nutzung von Untergeschossen«, Deutscher Beton- und -Verein E.V., Berlin, Fassung 2009 [5] DIN 18195»Bauwerksabdichtungen«, Teile 2,4,6, Beuth-Verlag Berlin [6] DAfStb-Richtlinie»Instandsetzung von Betonbauwerken«(RILI SIB), )«Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Berlin [7] DAfStb-Heft 555: Erläuterungen zur WU-Richtlinie; Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Berlin [8] DBV-Merkblatt»WU-Dächer«, Deutscher Beton- und - Verein E.V., Berlin, Fassung [9] DBV-Merkblatt»Parkhäuser und Tiefgaragen, Deutscher Beton- und -Verein E.V. Berlin [10] Flohrer, Claus: Planungsqualität mit System Anwendung der FMEA für hochwertig genutzte Weiße Wannen; DBV-Heft 32»Qualitätssicherung beim Planen und Bauen«; Deutscher Beton- und -Verein E.V., Berlin, Fassung Juli 2015 [11] Flohrer, Claus: Sind WU-Dächer anerkannte Regel der Technik?, In Der Autor Prof. Dipl.-Ing. Claus Flohrer Studium Bauingenieur TU Karlsruhe Fa. HOCHTIEF Engineering GmbH Funktionen: Bauleitung, Qualitätssicherung, Technische Beratung, Messtechnik, Baustofftechnik, Baukonstruktion Fachgebiete: Baustofftechnologie, Ausbaugewerke, Weiße Wannen, Parkhäuser/Tiefgaragen, Industrieböden, Schadensanalyse, Gutachten, Instandsetzungsplanung, ZfP Seit 1996 Ingenieurbüro Flohrer, Neu-Isenburg öbuv. Sachverständiger Betontechnologie, Instandsetzung und zerst.freie Prüfverfahren Lehrbeauftragter TAS Kaiserslautern, FH Wiesbaden Obmann»Hauptausschuss Bauausführung«beim DBV Obmann SIVV-Ausbildungsbeirat beim DBV Obmann DIN EN 13670/DIN Obmann DAfStb»WU-Richtlinie«Obmann DBV-Merkblatt»Parkhäuser und Tiefgaragen«Ingenieurbüro Flohrer Hirtengasse Neu-Isenburg claus@flohrer.de 28