Untersuchung des hydraulischen und mechanischen Langzeitverhaltens von Vertikaldränagen an erdberührten Bauwerken

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1 Fachhochschule Nordhausen Fachbereich Ingenieurwesen Studiengang Flächen- und Stoffrecycling Weinberghof 4 / Nordhausen Kurzfassung zum Forschungsbericht Untersuchung des hydraulischen und mechanischen Langzeitverhaltens von Vertikaldränagen an erdberührten Bauwerken Projektleiter: Dr. Ing. Uwe Groß (Vertretungsprofessor an der FH Nordhausen) Dr. Ing. Ulf Köhler (ehem. Vertretungsprofessor an der FH Nordhausen) Prof. Dr. Ch. C. Juckenack (Rektor an der FH Nordhausen) Mitarbeiter: Dipl. Ing. Helmut Zanzinger (SKZ Würzburg) Dipl. Geol. Norbert Stuth (FH Nordhausen) Dipl. Geol. Dipl. Ing. Karsten Kurch (FH Nordhausen) Dipl. Ing. (FH) Torsten Buchwald (FH Nordhausen) Nordhausen / Würzburg, Juni 2003

2 1 Abstract In vielen Bereichen des Ingenieurbaus hat der Schutz erdberührter Bauwerke vor Bodenfeuchtigkeit und Wasser eine große Bedeutung. Dafür werden heutzutage die unterschiedlichsten Abdichtungsund Dränelemente verwendet. Durch falsche Produktauswahl und -verarbeitung sind Bauschäden an erdberührten Bauwerken vorprogrammiert. Begründet durch einen sehr hohen Schadensanteil und die zunehmende Bedeutung von Abdichtungs- und Dränelementen, wurden Betrachtungen und Untersuchungen am System der Vertikaldränagen als notwendig erachtet. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurde ein Großversuch zur Simulation der Einbaubeanspruchungen und der Beanspruchungen durch Bewegungen des Baugrundes von Geokunststoffen, im Maßstab 1:1 entwickelt. Die in diesem Großversuch verwendeten Dränprodukte wurden parallel dazu am Süddeutschen Kunststoffzentrum (SKZ) in Würzburg hinsichtlich ihrer physikalischen und hydraulischen Eigenschaften untersucht. 2 Ziel der Forschungsaufgabe Die Notwendigkeit der Untersuchungen in diesem Bereich begründen sich durch den starken Anteil an Schäden im Bereich des Kellers mit den dazugehörigen Gewerken, Dränagen und Abdichtungen. Ziel der Untersuchungen stellen hierbei die gewonnenen Erkenntnisse der durchgeführten Versuche dar. Aus ihnen können Empfehlungen zum Einsatz und Einbau von Geokunststoffen als Dränageelemente abgeleitet werden. Mit 16,4 % stehen sie an dritter Stelle der Schadensfälle an Gebäuden. Die anteiligen Verhältnisse der Abdichtungen und der Dränage an den Schäden im Bereich des Kellers stellen sich folgendermaßen dar: die Schäden an der Bauwerksabdichtung betragen 38,3 %, Schäden, die durch eine defekte Dränage entstehen, belaufen sich auf 23,3 %. Ein Versagen der Dränage kann die unterschiedlichsten Ursachen haben. So haben biologische und chemische Einflüsse, die durch spezielle Umstände im Baugrund vorherrschen können, einen starken Einfluß auf die Wirksamkeit der Dränage.

3 3 Inhalt und Durchführung der Forschungsaufgabe Der Forschungsbericht, der im Auftrag des Bundesamtes für Bauwesen und Raumordnung erstellt wurde, beinhaltet eine Zusammenstellung möglicher Ursachen des Versagens der Gebäudedränage. Die Schwerpunkte im Rahmen des Forschungsprojektes waren die Grundlagenermittlung, der Entwurf und die Durchführung des Großversuches sowie die Laboruntersuchungen. Grundlagen (Richtlinien und Einbauvorschriften) Die von den Herstellern gelieferten Richtzeichnungen und Einbauanleitungen wurden hinsichtlich ihrer Richtigkeit und Verständlichkeit untersucht. Es wurden die Einbauvorschriften mit den gültigen Normen sowie untereinander verglichen und bewertet. Ausgewählt wurden 16 Hersteller aus 7 Ländern der Europäischen Union. Durchführung des Großversuches Materialauswahl Aus dem großen Angebot von Dränageprodukten wurden in Abstimmung mit dem SKZ 7 repräsentative Geokunststoffe für die Untersuchungen ausgewählt. Die Materialauswahl verteilte sich wie folgt: 3 Geomatten, 2 Noppenbahnen, 1 Schaumstoffbahn und 1 Dränageplatte. Die ausgewählten Materialien wurden dafür in den hierfür entwickelten Versuchsstand eingebaut. Aufbau und Ablauf des Großversuches Der realisierte Versuchsstand besteht aus einem bewehrten Mauerwerk aus Kalksandsteinen. Die Gesamthöhe des Bauwerkes beträgt 2,25 m. Die Innenabmessungen des Versuchsstandes wurden durch die Größe der Hebekissen (3,57m x 0,78m) vorgegeben. Das Bauwerk hat eine Innenlänge von 3,70 m und eine Innenbreite von 1,75 m. Der Bereich des Anschlusses vom Mauerwerk an die Bodenplatte wurde durch einen Vorsprung realisiert. Damit können die Auswirkungen der Belastungen im Bereich einer Hohlkehle auf die Geokunststoffe untersucht werden. Bild 1: Geotechnischer Versuchsstand der FH Nordhausen

4 Die Absenkung des Kiesmaterials und damit die Simulation von Setzungen erfolgte durch Ablassen der pneumatischen Hebekissen, wobei die Absenkung in Anlehnung an reale Gegebenheiten in einer Größenordnung von 10 % lag. Der Versuchsaufbau stellt somit eine Simulation des Gesamtsystems der Bauwerkswand Bitumendickbeschichtung Dränanlage Verfüllung dar. Auswertung des Grossversuches Es wurde eine Fotodokumentation der untersuchten Dränmaterialien während aller Einbau-, Absenkungs- und Ausbauzustände vorgenommen. Die Setzungserscheinungen konnten durch differenzierte Höhenmessungen des zuvor angelegten Rasters belegt werden. Die aufgetretenen Beschädigungen an den Dränelementen wurden dokumentiert (fotografiert, vermessen, Probenstücke mikroskopiert). Laboruntersuchungen Die nachfolgend aufgeführten Laboruntersuchungen wurden an den 7 ausgewählten Dränageprodukten durchgeführt. Dabei wurden die Geokunststoffe im Originalzustand und nach erfolgter Beanspruchung durch den Großversuch im Labor des SKZ hinsichtlich ihrer physikalischen und hydraulischen Eigenschaften untersucht und beurteilt. Die Untersuchungen beruhen in der Regel auf akkreditierten Normen. - Die Prüfung der Druckfestigkeit erfolgte in Anlehnung an DIN EN 826: 1996 Wärmedämmstoffe für das Bauwesen Bestimmung des Verhaltens bei Druckbeanspruchung. - Die Untersuchung des Verhaltens bei Fallbeanspruchung erfolgte in Anlehnung an E DIN EN ISO 13428: 2002 Geokunststoffe Bestimmung der Schutzwirksamkeit eines Geokunststoffs bei Stoßbeanspruchung. - Die Untersuchung der Schutzwirksamkeit erfolgte in Anlehnung an E DIN EN 13719: 2000 Geotextilien und geotextilverwandte Produkte Bestimmung der langfristigen Schutzwirksamkeit von Geotextilien, die an Geomembranen anliegen. - Die Simulation der Einbaubeschädigung erfolgte in Anlehnung an DINV ENV ISO : 1998 Geotextilien und geotextilverwandte Produkte Verfahren zur Nachahmung von beim Einbau auftretenden Beschädigungen - Teil 1: Einbau in körnige Materialien. - Die Scherversuche wurden in Anlehnung an E DIN EN ISO : 1998 Geotextilien und geotextilverwandte Produkte Bestimmung der Reibungseigenschaften, Teil 1: Scherkasten- Versuch durchgeführt. Es wurden sowohl die Scherfestigkeit der Dränmatten in der oberseitigen Kontaktfläche gegen gebrochenkörnigen Kies 8/32 und die Scherfestigkeit der Dränmatten in der unterseitigen Kontaktfläche gegen eine Einkomponenten-Bitumen-Dickbeschichtung bestimmt. - Das Druck-Kriechverhalten bei gleichzeitiger Schubbeanspruchung wurde nach DIN EN 1897: 2002 Geotextilien und geotextilverwandte Produkte Bestimmung des Kriechverhaltens unter Druckbeanspruchung durchgeführt. - Das Wasserableitvermögen Proben wurde nach DIN EN ISO 12958: 1999 Geotextilien und geotextilverwandte Produkte Bestimmung des Wasserableitvermögens in der Ebene durchgeführt.

5 - Das Wasserableitvermögen, der durch Einbau beschädigten Proben, wurde nach DIN EN ISO 12958: 1999 Geotextilien und geotextilverwandte Produkte Bestimmung des Wasserableitvermögens in der Ebene durchgeführt. 4 se der Untersuchungen Grundlagen (Richtlinien und Einbauvorschriften) Anhand der Richtzeichnungen und Einbauvorschriften der genannten Firmen wurden die nachfolgend aufgeführten Abweichungen untereinander und von der momentan gültigen Norm der DIN 4095 festgestellt. Zeichenfehler - Darstellung der Richtzeichnungen zu sehr vereinfacht - Ungenügende oder fehlende Beschriftungen - Detailzeichnungen fehlen - Geländeoberkante fehlt - Oberkante Planum fehlt - Darstellungen abweichend von der DIN Maßstab nicht angegeben - Keine Darstellung des Gesamtsystems Einbaufehler - Falsche Einbaulage der Dränagerohre - Einbaurichtung der Dränagematerialien nicht angegeben - Dränageelement falsch dargestellt - Bauwerksanschlüsse fehlerhaft - Keine Angaben über die Abdichtung des Bauwerkes - Keine Angaben über eine Befestigung der Dränageschichten am Gebäude Systematische Fehler - Lastfallunterschiede nicht angegeben - Angaben über die mineralische Filterschicht fehlen - Bodenart nicht angegeben - Unverhältnismäßigkeit der Darstellung - Abdichtungsschicht des Gebäudes fehlt - Gebäudezweck fehlt

6 Großversuch Noppenbahn mit Gleitfolie und aufkaschiertem Vlies - Es konnte ein Gleiten der Noppenbahn an der Gleitfolie beobachtet werden. - Im Sockelbereich wurde ein Abknicken der Bahn, kollabierte Noppen und ein Verziehen von Teilbereichen festgestellt. - Es traten Stauchungen an den Rändern einzelner Noppen auf. - Das Vlies löst sich nicht von der Noppenbahn, da alle Noppen mit Vlies verbunden waren. Dieses wirkte sich begünstigend auf die Gesamtstabilität aus. - Es konnten Abdrücke der Noppennegativformen auf der Dickbeschichtungen festgestellt werden. Bild 2: Gefaltete Noppenbahn im Bereich der Hohlkehle mit kollabierten Noppen Noppenbahn mit losem Vlies - Ein Abrutschen des erdseitigen Vlieses auf der Noppenbahn führte zum Überspannen des Vlieses und einer Verfaltung der Noppenbahnen. - Großflächige Verschiebungen des Dränelementes waren deutlich sichtbar. - Im Sockelbereich der Noppenbahn kam es zum Abknicken und zu einem Verziehen von Teilbereichen, bis hin zur Bildung von Falten. Zusätzlich konnte ein Kolabieren einzelner Noppen beobachtet werden. - Flächiges Eindrücken des mechanisch verfestigten, weichen Vlieses zwischen die Noppen. - Flächenhafte, durch die Noppen verursachte Abdrücke, zeigten sich auf der Dickbeschichtung. Geomatten - Gutes Abgleiten des Bodens an der Vliesoberfläche. - Bei der Geomatte mit Gleitfolie kam es zu einem Abrutschen des Mattenkerns auf der Folie. - Die Geomatten wurde in den Tiefenbereichen plastisch verformt (gleichmäßige Abnahme der Dicke in Abhängigkeit vom Erddruck). - Verschiebung der Vliese in Richtung der Absenkbewegung durch ein Verziehen des Produktkerns. - Die Geomatten wurde an Kanten abgeknickt. - Es kam zu flächenhaften Abdrücken der Geomatte auf der Dickbeschichtung. - Durch Eindrücke einzelner Steine wurden die Vliese leicht beschädigt.

7 Bild 3: Abdrücke einer Geomatte in der Bitumendickbeschichtung durch die Setzung verursacht Bild 4: Auf der Gleitfolie abgerutschte Geomatte Bild 5: Hohlkehle mit Geomatte

8 Laboruntersuchungen Die se für die Fallversuche, die Schutzwirksamkeitsversuche, Druckfestigkeit, Scherversuche, Kriechverhalten bei Druckbeanspruchung und die hydraulischen Versuche nach den Einbaubeschädigungssimulationen wurden in Tabellen und Diagrammen zusammengefasst. Tabelle 1: Zusammenfassung der physikalischen Eigenschaften Eigenschaft Einheit Noppenbahn1 Noppenbahn2 Geomatte 1 Geomatte 2 Geomatte 3 Schaumstoffb. Dränageplatte Druckfestigkeit kpa Stauchung bei Druckfestigkeit % bei kPa bei 200kPa bei 200kPa bei 200kPa Restdicke KSB nach Fallbeanspruchung Fallhöhe 0,25 m mm 1,0 1,1 1,3 1,0 1,1 - - Fallhöhe 0,5 m mm 0,8 1,1 0,9 0,0 1,0 - - Fallhöhe 1,0 m mm 0,0 0,0 0,0 (Durchsch.) (Durchsch.) - 0,0 (Durchsch.) 1,2 3) 0,0 4) Fallhöhe 2,0 m mm ,0 0,0 Restdicke der KSB nach Schutzwirksamkeitsprüfung mm 0,6 0,6 0,6 1,1 1,2 0,6 1,1 Scherfestigkeit in der Kontaktfläche Schotter gegen Dränmatten-Oberseite Reibungswinkel 45,0 31,0 47,2 40,0 36,1 38,3 35,4 Adhäsion kpa 8,5 4,7 4,8 7,2 3,4 6,4 4,4 Scherspannung bei 20 kpa Auflast Schotter gegen Dränmatten-Oberseite kpa 28,5 16,7 26,5 24,1 18,2 22,1 18,7 Scherfestigkeit in der Kontaktfläche Bitumen-Dickbeschichtung gegen Dränmattenunterseite Reibungswinkel 37,2 21,8 27,9 22,3 18,3 29,7 27,9 Adhäsion kpa 1,5 4,3 11,9 20,4 8,4 13,9 6,9 Scherspannung bei 20 kpa Auflast Bitumen-Dickbeschichtung gegen Dränmattenunterseite kpa 16,9 12,4 22,5 28,6 15,1 25,2 17,6 Dicke (2 kpa) mm 10,1 0,2 9,2 0,6 19,8 0,5 17,2 0,6 9,9 0,1 31,8 0,7 33,8 0,2 Verformung im Druck-Kriechversuch mit Schubbelastung (4 kpa) Dicke nach 1000 h Schubverformung nach 1000 h mm mm 9,0 1) 1,0 1) 0,8 2) 5,4 7,9 12,6 2) 5,5 2,0 7,8 1) 1,1 1) 19,4 3,2 33,5 3,4 Verformung im Druck-Kriechversuch mit Schubbelastung (6 kpa) Dicke nach 1000 h Schubverformung nach 1000 h mm mm 9,0 1) 1,3 1) 1,6 2) 10,2 8,5 10,8 2) 5,3 5,0 7,7 1) 2,0 1) 18,3 6,3 33,4 8,6 1) Die Druck-Kriechversuche wurden ohne Gleitfolie durchgeführt. 2) Die Druck-Kriechversuche wurden ohne Vliesstofflagen durchgeführt. 3) Im Bereich der Rillen 4) erster Aufschlag ohne Schaden (Dränplatte war seitlich nicht eingespannt)

9 5 Schlussfolgerungen aus den Untersuchungen Mehrere se die sich im Großversuch zeigten, konnten ebenfalls in den verschiedenen Laborversuchen festgestellt werden. Nachfolgend werden diese Erkenntnisse und Forderungen an die Geokunststoffe und deren Einbau aufgelistet: - Die Dränmatte darf nicht auf der Bitumen-Dickbeschichtung gleiten. - Zwischen Sickerkörper und Bitumen-Dickbeschichtung muss eine Gleitschicht eingebaut werden. Diese kann aus einem Geotextil oder alternativ aus einer Folie bestehen. - Empfehlenswert ist, dass die Dränmatte ausreichend am Bauwerk fixiert wird und der Boden an der Dränmatte gleiten kann. - Am Ende der Dränmatte in der Baugrubensohle muss eine Kiesrigole über dem Bereich der Hohlkehle angeordnet sein, um das aus der Dränmatte ankommende Wasser sicher fassen zu können, auch wenn die Dränmatte infolge von Sackungsvorgängen im unteren Bereich gestaucht würde. - Die Oberfläche des Geotextil muss möglichst glatt sein. - Das Geotextil muss ausreichend robust sein. - Das Geotextil muss möglichst dehnsteif sein. - Der Sickerkörper sollte elastisch sein, um Einzellasten aus dem Boden ausweichen zu können (Ausweichungsprinzip), denn starre Strukturen ziehen Lasten (Schublasten) an. - Große Schubkräfte infolge von Setzungen des Bodens erfordern starke Befestigungen am Bauwerk - Das erdseitige Geotextil muss vollflächig und innig am Sickerkörper fixiert werden. - Das wandseitige Geotextil oder eine Folie sind zweckmäßigerweise nur punktuell zu fixieren, um sich im eingebauten Zustand leicht lösen zu können.