Geosynthetics In Civil Engineering

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1 Geosynthetics In Civil Engineering Dipl.Ing. Klaus Oberreiter, MBA Teil 2:, Tragschichtbewehrung, Bemessungsansätze Überblick Verkehrswegebau Anwendungsgebiete 1

2 Tragschichtbewehrung/ Definition Der Einsatz von Geokunststoffen zur Stabilisierung und Bewehrung von Tragschichten ist vielfältig. Erreicht werden sollen einerseits eine Verbesserung der Tragfähigkeit und andererseits eine Reduktion der Verformungen (absolute und differenzielle Setzungen). Die Anwendung ist eine Maßnahme im Verkehrswegebau mit vorwiegend dynamischer Belastung (Verkehr). Der Einsatz erfolgt im Allgemeinen auf weichen Böden mit hoher Zusammendrückbarkeit. Tragschicht-bewehrung H TS < 1.5 m Die Geokunststofflage sollte ca. 0,5-0,75 m unterhalb der Asphaltoberfläche eingebaut werden (oder max. 0,3 m unterhalb OK der mineralischen Tragschicht) Baugrund-stabilisierung H TS < 1.5 m Die Geokunststofflage wird zw. Untergrund und Tragschicht eingebaut Ziele bei der : Verminderung der erforderlichen Dicke der Tragschicht bis zum Erreichen der verlangten Verdichtungswerte und der Tragfähigkeit Reduktion der Spurrinnentiefe in Abhängigkeit der Verkehrsbelastung Verlängerung der Gebrauchsdauer von Verkehrswegen 2

3 2 Funktionen kann durch die Kombination zweier Funktionen beschrieben werden: Trennen und Bewehren. Tragfähigkeit Erhöhte Tragfähigkeit aufgrund des Geokunststoffs Tragfähigkeit des Untergrundes ohne GTX unter gegebener Verformung Erhöhte Tragfähigkeit durch die Funktion TRENNEN Setzung Erhöhte Tragfähigkeit durch die Funktion BEWEHREN Trennen Durch die dynamische Verkehrsbelastung werden Feinteile aus dem Untergrund in die Tragschichte gepumpt. Das qualitativ hochwertige Schüttmaterial verliert an Elastizität. Aufgrund der Trennfunktion des Geotextils wird eine Durchmischung der Tragschicht mit feinem Untergrundmaterial verhindert. Die Qualität des Füllmaterials bleibt gewährleistet. 3

4 Bewehren Aufgrund der hohen lokalen Lasten kommt es zu Spurrinnen. Aufgrund der bereitgestellten Zugkraft des Geotextils können Spurrinnen verringert bzw. verhindert werden. Nationale Regulative, Spezifikationen: Anforderungen an Trennlage VTT-Geo Specifications, Geotextiles in Road Constructions NorGeoSpec RVS Baustoffe Geotextilien im Unterbau (ehem. RVS 8S.01.2) French Commitee of Geotextiles and Geomembranes FGSV: Merkblatt für die Anwendung von Geotextilien im Erdbau des Straßenbaus Schweizer Geotextilhandbuch BS, ASSHTO,... TL , DB 836 Richtlinien 4

5 RVS (ehem. RVS 8S.01.2): Anforderungen an die geotextile Trennlage Eingangsgrößen Tragfähigkeit Untergrund E V1 Schüttmaterial U1: 5 MN/m² U2: 5-15 MN/m² U3: > 15 MN/m² gerundeter oder gebrochener Kies d max 63mm gebrochener Kies d max > 63mm Verkehrsbelastung (LKW pro Tag) LKL: I-IV LKL: V Geforderte Geotextilkennwerte Höchstzugkraft kn/m Höchstzugkraftdehnung > 55% Stempeldurchdrückkraft N Loch- Kegelfallversuch mm FGSV Merkblatt: Anforderungen an die geotextile Trennlage Eingangsgrößen Einteilung nach der Beanspruchung durch das Schüttmaterial: AS1 AS5 Einfluss der Beanspruchung durch Einbau und Baubetrieb: AB1 AB4 Diese zwei Werte führen zu einer Klassifizierung gemäß Geotextilrobustheitsklasse: GRK1 GRK5 Geforderte Geotextilkennwerte Stempeldurchdrückkraft Masse pro Flächeneinheit N g/m² 5

6 Ablauf der Arbeiten / Verlegung einer Trennlage Verbindungsmöglichkeiten für eine Trennlage 10 cm Vernähen cm cm Überlappen Verschweißen 6

7 Beispiel Trennfunktion Beispiele 7

8 Beispiel Trennfunktion: Contournement St.Lo, France Beispiel Trennfunktion: A2 Klagenfurt, Austria 8

9 Beispiel Trennfunktion: Autobahn A7, Austria Beispiel Trennfunktion: Flughafen, Thailand 9

10 Beispiel Trennfunktion: Motorway Asti-Cuneo, Italy Beispiel Trennfunktion: Salym, Estonia 10

11 Beispiel Trennfunktion: Schnellstrasse S5, Krems, Austria Beispiel Trennfunktion: Speedway R6-Tisova-Kamenny Dvur; CZ 11

12 Beispiel Trennfunktion: Umfahrung Plus City/Linz, Austria Beispiel Trennfunktion: Forststraße St.Martin, Austria 12

13 Funktion Trennen + Bewehren: Bemessungs-Modelle Multilayer-Theorie Magnus (2002) Empirische Modelle Jaecklin/Floss (1988) Beckmann/Kennephol (1994) Schweizer Geotextilhandbuch (2003) Membrantheorie Giroud/Noiray (1981) Holtz/Sivakugan (1987) Tragfähigkeitsmodelle Houlsby/Jewell (1990) Ingold (1998) Meyer/Elias (1999) Giroud/Han (2003) Lastausbreitungsmodelle Staggl/Jaecklin (2002) Vergleich der Bemessungs-Modelle Bewertung nach BERG et.al. (2000) Im Auftrag von AASHTO wurde eine detaillierte Analyse aller existierenden Bemessungsmodelle durchgeführt Ergebnis war ein Bemessungs-Algorithmus für permanente, gebundene Straßen Klassifizierung hinsichtlich Lebensdauer und Struktur Permanente, gebundene Straßen / temporäre, gebundene Straßen Permanente, ungebundene Straßen / Temporäre, ungebundene Straßen Gropius Institut, Dessau: Vergleich von Testergebnissen mit Bemessungsmethoden für Giroud/Noiray: bestes Ergebnis SVG-Methode: sehr gute Ergebnisse, konservativ Jaecklin/Floss: gute Ergebnisse für Gewebe und Produkte mit geringem Steifemodul Giroud/Han: sollte nicht verwendet werden 13

14 Giroud/Noiray - Konzept für ungebundene Straßen Grundlagen: Membranmodell Theoretische Grundlage von Giroud/Noiray (1981) Gering tragfähiger Untergrund ist nicht verdichtbar Bei Belastung kommt es zu Verformungen des Untergrunds. Ein zw. Tragschicht und Untergrund eingelegter Geokunststoff wird wellig verformt und dabei gedehnt. Die Spannungen auf die konkave Fläche sind größer als auf die konvexen Flächen. Dadurch sind die Spannungen zwischen den Rädern einer Achse, die durch den Geokunststoff auf den Untergrund übertragen werden, größer als die Spannungen, die durch die Tragschicht auf den Geokunststoff wirken. Unter den Rädern sind die Spannungen, die durch den Geokunststoff auf den Untergrund übertragen werden geringer, als die Spannungen, die durch die Räder und die Tragschicht auf den Geokunststoff wirken. Der Geokunststoff reduziert die Spannungen auf den Untergrund durch Verformung. Giroud/Noiray - Konzept für ungebundene Straßen Eingabegrößen: Charakteristische Last P: Radersatzlast LKW Charakteristischer Reifendruck p c Achsbreite e max. erlaubte Spurrinnentiefe r Lastwechsel N Bodenparameter Schüttmat.: Lastausbreitungswinkel Bodenparameter Untergrund: undrainierte Scherfestigkeit c u Steifemodul GEOKUNSTSTOFF: K 14

15 Giroud/Noiray - Konzept für ungebundene Straßen EBGEO 2009: Grundlage Giroud/Noiray (bzw. Holtz/Sivakugan) 15

16 Funktion Trennen + Bewehren: Bemessungs-Modelle / SVG Schweizer Geotextilhandbuch Empirisches Modell Design Goals Maximal erlaubte Spurrinnentiefe Tragfähigkeit (Ev2 = 45MN/m²) Modellannahmen Geokunststoff hat eine rückhaltende Kraft aufgrund der Zugfestigkeit Geokunststoff verbessert die Lastverteilung (Reduktion der Kräfte auf den Untergrund) Voraussetzung für beides sind Deformationen im Untergrund Inputparameter Bodenparameter des Untergrunds Verkehrsbelastung Körnung des Schüttmaterials Output Dicke der bewehrten vs. unbewehrten Tragschicht Bemessungsgrafiken 16

17 Tragschichtdicke in m Schweizer Geotextilhandbuch Design Charts Basierend auf einem groß angelegten Feldversuch (VSS ) in der Schweiz Tabellen/Grafiken sind eher konservativ Mindestanforderungen Minimale Dicke der Tragschicht 30 cm für Rundkorn 25 cm für Kantkorn Bemessungswerte für den Geokunststoff E-Modul: min 400kN/m² im Dehnungsbereich von 1-3% und einem Untergrund von CBR 0,5-3% Zugfestigkeit: min 8kN/m bei 2% Dehnung Für Böden CBR>3% wird keine Bewehrung benötigt Schweizer Geotextilhandbuch 1,00 0,90 0,80 0,70 bew ehrt unbew ehrt Tragschichtreduzierung Dehnsteifigkeit = 123,5 kn/m Spurrinnentiefe = 0,15 m Verkehrsbelastung = 750 Lw 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 CBR-Wert in % 17

18 Beispiel Trennen + Bewehren: Bellaflora, Liezen, Austria Beispiel Trennen + Bewehren: Bellaflora, Liezen, Austria 18

19 Beispiel Trennen + Bewehren: ABB, Thailand Beispiel Trennen + Bewehren: Kisaran, Caltex, Borneo 19

20 Beispiel Trennen + Bewehren: Meaux, France Beispiel Trennen + Bewehren: Parkplatz IKEA, Schweden 20

21 Beispiel Trennen + Bewehren: Autobahn A26, Stade, Germany Beispiel Trennen + Bewehren: Schnellstraße MM , CZ 21

22 Beispiel Trennen + Bewehren: Hallenfundierung, Kufstein, Austria Beispiel Trennen + Bewehren: 22

23 Beispiel Trennen + Bewehren: Hafen Koper, Slowenien Beispiel Trennen + Bewehren: Shopping Center Zapresic, Kroatien 23

24 Beispiel Trennen + Bewehren: Landstraße, Schweden Beispiel Trennen + Bewehren: Calanas, Spain 24

25 Tragschichtbewehrung Ziele bei der Tragschichtbewehrung Reduktion und Einschränkung der seitlichen Verformung der Tragschicht Erhöhung der Steifigkeit und somit der Tragfähigkeit der Tragschicht Tragschichtbewehrung Theoretische Überlegungen Die Baugrundbewehrung ist idealerweise in einer Tiefe anzuordnen in der Sie die max. auftretenden Spannungen kreuzt. Besagte Tiefe sollte für normales Schüttmaterial bei etwa 1,0 1,5 x Lasteintragsbreite liegen (Theorie Druckzwiebel ). Ideale Lage der Bewehrung 25

26 Tragschichtbewehrung Ingold - Konzept für gebundene Straßen Grundlagen: Tragfähigkeitsmodell Es wird überprüft, ob die Mächtigkeit der Tragschicht ausreicht, um Vertikalspannungen aus der Verkehrsbelastung in den wenig tragfähigen Untergrund abzuleiten. GS minimiert die Beanspruchung auf den Untergrund durch eine Verbesserung der Lastverteilung. Zur Ermittlung der Tragfähigkeit werden die undränierten Scherparameter des Untergrundes herangezogen. Ferner wird eine teilweise Lastabtragung über Reibung an den Rändern des Lastausbreitungsbereiches angenommen. Tragschichtbewehrung Ingold - Konzept für gebundene Straßen Bemessungsgrundsätze: Das Verfahren gliedert sich in zwei Abschnitte: 1) Zunächst wird die unbewehrte Tragfähigkeit des Untergrundes bestimmt. Dabei wird angenommen, dass durch die darüber liegende Tragschicht eine Lastverteilung erfolgt. 2) Im zweiten Schritt wird die erforderliche Zugfestigkeit für den Fall bestimmt, dass ein Geokunststoff zur Erhöhung der Tragfähigkeit eingelegt wird. 26

27 Tragschichtbewehrung Ingold - Konzept für gebundene Straßen Eingabegrößen: Charakteristische Last P: Radersatzlast LKW Lasteintragsfläche b: Breite LKW-Rad Formbeiwert für Lasteintragsfläche: c Bodenparameter Schüttmaterial: Wichte Reibungswinkel Bodenparameter Untergrund: undrainierte Scherfestigkeit c u Lastausbreitungswinkel: Θ Sicherheitsfaktor Tragfähigkeit Untergrund: η Tragschichtbewehrung Ingold - Konzept für befestigte Straßen Ergebnisse: Folgende Ergebnisse können mit dem auf Ingold basierendem Bemessungskonzept erzielt werden: 1) Ermittlung der zulässigen Belastung des unbewehrten Untergrundes 2) Ermittlung der erforderlichen bewehrten Tragschichtdicke 3) Ermittlung der Tragfähigkeit des unbewehrten Untergrundes 4) Erforderliche BEMESSUNGSZUGKRAFT des Geokunststoffs 5) Erforderliche Verankerungslänge des Geokunststoffs 6) Einsenkung der Fahrbahnoberfläche (nach ODEMARK) 7) Erreichter mittlerer Verformungsmodul 27

28 Tragschichtbewehrung Ingold - Konzept für gebundene Straßen Tragschichtbewehrung 28

29 Tragschichtbewehrung Bemessungskonzept HUESKER Beispiel: Tragfähigkeit des Untergrundes: E V2 = 15 MN/m² Tragschichtmaterial: Schotter Erforderliche Tragfähigkeit auf der Tragschicht: E V2 = 120 MN/m² Erforderliche Tragschichtdicke ohne Bewehrung: 60 cm Erforderliche Tragschichtdicke mit : Fornit D 30/30-40 T 49 cm Ersparnis: 11 cm Tragschichtmaterial Schotter Tragschichtbewehrung Beispiel: Autobahn D11, Tschechien 29

30 Tragschichtbewehrung Beispiel: Hietannen Harbour, Lisää kuvia, Finnland Tragschichtbewehrung Beispiel: Casino Besancon, France 30

31 Tragschichtbewehrung Beispiel: CSD Dijon, France Tragschichtbewehrung Beispiel: Motorway Zvolen, Slovakia 31

32 Tragschichtbewehrung Beispiel: Windmolenpark Oudendijk, NL Tragschichtbewehrung Beispiel: Osterholz-Scharmeck 32

33 Tragschichtbewehrung /Tragschichtbewehrung Bemessungsansätze: Polyfelt Giroud/Noiray 33

34 /Tragschichtbewehrung Bemessungsansätze: TenCate Giroud/Noiray bzw. SVG, 2003 /Tragschichtbewehrung Bemessungsansätze: TenCate Asia AASHTO / Steward 34

35 /Tragschichtbewehrung Bemessungsansätze: NAUE /Tragschichtbewehrung Bemessungsansätze: Tensar 35

36 /Tragschichtbewehrung Bemessungsansätze: Terram /Tragschichtbewehrung Bemessungsansätze: Huesker 36

37 /Tragschichtbewehrung Bemessungskonzept HUESKER Bemessungskonzept HUESKER basiert auf Auswertung bestehender Methoden und eigenen Erfahrungen /Tragschichtbewehrung Bemessungsansätze: Tenax 37

38 /Tragschichtbewehrung Bemessungsansätze: Nicolon /Tragschichtbewehrung Bemessungsansätze: Colbond 38

39 /Tragschichtbewehrung Eisenbahnbau /Tragschichtbewehrung Eisenbahnbau Als Trennschicht zwischen wenig tragfähigem Untergrund und dem Tragschichtmaterial verhindern Geokunststoffe die Durchmischung der Erdstoffe im Unterbau; Tragschichtmaterial und Schotterbett bleiben sauber, Tragfähigkeit des Untergrundes und Elastizität der Anlage bleiben dauerhaft erhalten. Als Dränageprodukt nimmt der Geokunststoff zuströmendes Wasser auf und leitet es in der Ebene ab; die Konsolidierung des Untergrundes wird beschleunigt, der Boden ist dauerhaft tragfähig. 39