Beton im Wasserbau. Stundenplan. Empfohlene Literatur. Modul 4-52: Beton im Wasserbau und Stahlwasserbau WS 2011/12

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1 Fakultät Bauingenieurwesen, Institut für Baustoffe, Prof. Dr.-Ing. Viktor Mechtcherine Modul 4-52: Beton im Wasserbau und Stahlwasserbau WS 2011/12 Beton im Wasserbau Teil 1: Einführung, Anforderungen an Beton Viktor Mechtcherine Institut für Baustoffe Stundenplan Datum Uhrzeit Betreuer Ort Thema/Inhalt Donnerstag, Mechtcherine GER 51U V_BiWbau_Einführung Dienstag, Mechtcherine BEY149 V_BiWbau_Massenbeton Donnerstag, Mechtcherine GER 51U V_BiWbau_Unterwasserbeton Donnerstag, Kratz GSS 7A Ü_BiWbau_prakt. Übung_Massenbetone Dienstag, Mechtcherine BEY149 V_BiWbau_SVB im Wasserbau I Donnerstag, Mechtcherine GER 51U V_BiWbau_SVB im Wasserbau II Donnerstag, Kratz GSS 7A Ü_BiWbau_Übung_ SVB und UWB Dienstag, Kratz BEY149 V_BiWbau_Frostbeständigkeit Donnerstag, Kratz GSS 7A Ü_BiWbau_ Übung_ Frostbeständigkeit _ CDF-Verfahren Donnerstag, Mechtcherine GER 51U V_BiWbau_Wasserpermeation Dienstag, Mechtcherine BEY149 V_BiWbau_Hydratationswärme Donnerstag, Bellmann GER 51U Ü_BiWbau_Übung_Hydratationswärme Donnerstag, Bellmann GER 51U V_BiWbau_Betonverschleiß Dienstag, Lieboldt GSS 7A Ü_BiWbau_Permeation und Betonverschleiß Donnerstag, Mechtcherine GER 51U V_BiWbau_Dauerhaftigkeitsprognose Donnerstag, Mechtcherine GER 51U V_BiWbau_Untersuchungsmethoden Dienstag, Butler GSS 7A Ü_BiWbau_Bewehrungsortung etc. Donnerstag, Mechtcherine GER 51U V_BiWbau_Instandsetzung I Donnerstag, Barhum GER 51U V_BiWbau_Instandsetzung II Dienstag, Butler/Barhum GSS 7A Ü_BiWbau_Instandsetzungsmöglichkeiten Donnerstag, Mechtcherine GER 51U V_BiWbau_Instandsetzung III Donnerstag, Mechtcherine GER51U V_BiWbau_Prüfungsvorbereitung Empfohlene Literatur Schießl, P. u.a.: Dauerhafter Konstruktionsbeton für Wasserbauwerke. Betonkalender 2008, Berlin, Verlag Ernst & Sohn, Wiley Company 2008, 165,00 EUR Strobl, T., Zunic, F. Wasserbau Aktuelle Grundlagen neue Entwicklungen. Verlag Springer 2006, 109,95 EUR Kollo, H.: Massenbeton, Schriftenreihe Spezialbetone, Band 4. Verlag Bau+Technik 2001, 29,80 EUR Drinkgern, G.: Dränbeton, Schriftenreihe Spezialbetone, Band 2. Verlag Bau+Technik 1999, 29,80 EUR Tegelaar, R.: Unterwasserbeton, Schriftenreihe Spezialbetone, Band 1. Verlag Bau+Technik 1998, 29,80 EUR

2 Wasserbau von der Antike bis heute Vor unserer Zeitrechnung (v. Chr.) 7000 v. Chr. Bodenbeläge auf Kalkbasis (Israel) 5000 v. Chr. Haus- und Brauchwasserversorgung 3200 v. Chr. Talsperre Jawa (Jordanien) 2400 v. Chr. Schifffahrtskanal am 1. Nilkatarakt vor ca Jahren Phönizier mischen Mörtel mit vulkanischem Gestein 100 v. Chr. Entwicklung hydraulischer Bindemittel; Voraussetzung für den Bau von Aquädukten und Häfen Talsperre Jawa Jordanien Wasserbau von der Antike bis heute Wasserbau von der Antike bis heute Nach unserer Zeitrechnung (n. Chr.) 80 Beginn des Betonbaus in Rom 1./2. Jhd. n. Chr. Hafenanlagen von Ostia/Italien 1804 Erste Betonrohre in Frankreich 1844 Portlandzement erfunden 1850 Anfang des modernen Betons 1898 Bau der Assuan-Staumauer 1901 Eisenportlandzement 1914 Schiffshebewerk Niederfinow 1960 Bau des Assuan Hochdammes Assuanstaudamm

3 Wasserbauwerke aus Beton heute Talsperren Staudämme Staumauern Wehre Wasserkraftanlagen Kanäle / Binnenschifffahrtsschleusen h hl Schöpfwerke / Pumpwerke Böschungsschutz / Ufereinfassung Schleuse Kachlet Schöpfwerk Wasserhorst [Deichverband Bremen] Innkanal mit Wasserschloss Besondere Betone und Betonierverfahren Trinkwassertalsperre Leibis/Lichte Massenbeton Für die Gewichtsmauer in Blockbauweise werden 5 Betonsorten verwendet: Sohlenfeinbeton (SFB) mit Größtkorn (GK) 32 mm Arbeitsfugenbeton (AFB) mit GK 32 mm Sohlenbeton Konstruktionsbeton (SB) für Wasserbauwerke - Massenbeton mit GK 125 mm Vorsatzbeton (VB) mit GK 125 mm, Mindestfestbetonrohdichte: 2,30 kg/dm³ Kernbeton (KB) mit GK 125 mm, Mindestfestbetonrohdichte: 2,30 kg/dm³ Staumauer mit Kübelkrananlage [Wagner, Nietner, Nicklas; 2004] Besondere Betone und Betonierverfahren Trinkwassertalsperre Leibis/Lichte Massenbeton Konstruktionsbeton für Wasserbauwerke - Massenbeton [Wagner, Nietner, Nicklas, 2004]

4 Besondere Betone und Betonierverfahren Dränbeton Klärbecken Böschung Lebensraum für Wassertiere Hochwasserdamm Besondere Betone und Betonierverfahren Betonieren unter Wasser Dauerhaftigkeit / Nutzungsdauer (DIN EN 1990) 50 Jahre: allgemeiner Hochbau (DIN ) Jahre: Landwirtschaft 20 Jahre: Türme für Windanlagen; verfahrenstechnische Anlagen 100 Jahre: Wasserbau Jahre: Meeresbrücken in Nordeuropa Dauerhaftigkeit = Besonderheiten im Wasserbau Funktion von: - Bemessung und Konstruktion - Baustoffauswahl und Bauausführung - Instandhaltung Intensive Frostbeanspruchung (hohe Wassersättigung, häufige Frost-Tau- Wechsel) Mechanische Beanspruchung (Geschiebetransport, Schiffsanfahrt, Güterumschlag)

5 Dauerhaftigkeit und Instandsetzung Beispiel Wasserkraftwerk Wolzhskaja bei Wolgograd Dauerhaftigkeit und Instandsetzung Beispiel Plan des Bauwerks 1. Erddamm Gesamtlänge: 3250 m 2. Kraftwerksgebäude Länge: 736 m 22 Turbinen jährliche Leistung: 11, kwh 3. Wehr Länge: 725 m max. Höhe: 44 m 4. Schleusen 5. Schieffahrtkanal 6. Leitdamm Dauerhaftigkeit und Instandsetzung Beispiel Rissbildungen / Ausbrüche Problembereich Wehrüberlauf Abwitterung / Erosion Hohllagen / Ausbrüche Beeinträchtigung der Dauerhaftigkeit Betriebssicherheit Standsicherheit hydraulischen Eigenschaften

6 Dauerhaftigkeit und Instandsetzung Beispiel 0 1. Führungsschiene des Schützes 5 m KI KIII m KII m Schadenskartierung des Wehrüberlaufes (Wehranlage 26) Legende: ca. 5-7 cm 10 m... Freiliegende Bewehrung mit Durchmesser... in mm K... Bohrkernentnahmestelle K... ca. 5 cm 15 m... Höhenversatz der Betonoberfläche... in cm Hohlliegende Bereiche ca. 7 cm ca. 7 cm 20 m Erosion, scharfkantig Erosion, nicht scharfkantig ca. 5 cm 25 m Schüttfuge -16- Dauerhaftigkeit und Instandsetzung Beispiel Instandsetzungskonzept (exemplarisch am Wehrüberlauf) Ausbruchstelle ausstemmen Spritzbeton aufbringen Ausbruchstelle großflächig ausstemmen Spritzbeton in mehreren Lagen aufbringen (evtl. Betonieren mit Schalung) Kantenausbrüche an Arbeitsfugen Riss Risse mit Zementleim verpressen Ausbruchstelle ausstemmen Spritzbeton aufbringen (Kantenschalung) keine Maßnahmen erforderlich Kantenausbrüche an der Bauwerksfuge geringfügige Abwitterungen Querschnitt des Wehrüberlaufes -17- Dauerhaftigkeit und Instandsetzung Beispiel Problembereich Turbinenschacht Zerrüttung des Vergussbetons Ausbeulen der Stahlverkleidung Havarie der Turbine umfangreiche materielle Schäden Ölverschmutzung der Wolga Tiefe Ausbruchstellen -18-6

7 Dauerhaftigkeit und Instandsetzung Beispiel Mögliche Lösungen Verwendung von selbstverdichtendem Beton Optimierung der Ausführungstechnik (u.a. Verbesserung der Entlüftung während der Betonage) Vorspannung der vorhandenen Anker Verbesserung des Verbundes zum Konstruktionsbeton (u.a. Untergrundvorbereitung durch Sandstrahlen) Verbesserung des Verbundes zur Stahlverkleidung durch Anker vorhandene Entlüftungsöffnung Anbringung von zusätzlichen Ankern zusätzliche Entlüftungsöffnungen Dauerhaftigkeit und Instandsetzung Beispiel Problembereich Wehrpfeiler Problembereich Transformatoren Betonabplatzungen freiliegende Bewehrung Ölleckage Beeinträchtigung der Dauerhaftigkeit Gefährdung der Standsicherheit durch korrodierende Bewehrung Beeinträchtigung der ökologischen Sicherheit Probleme beim Öffnen und Schließen des Schützes (Betriebssicherheit) Beeinträchtigung der Standsicherheit und Dauerhaftigkeit Dauerhaftigkeit und Instandsetzung Beispiel Lösungen Schutz der Geräte durch Abdeckung sonst keine Maßnahmen erforderlich, da - Probleme gering bzw. beherrschbar (z.b. Abpumpen von Sickerwasser) - Aufbringen einer Beschichtung unwirksam (nicht dauerhaft) Verdichtungsstörungen Rissbildungen Kalkaussinterungen Problembereich Poterne Rissbildungen oberflächennahe Verdichtungsstörungen Hohllagen / Ablösungen bereits aufgebrachter Beschichtungen Austritt von Feuchte an Rissen, Arbeits- und Schüttfugen sowie Kalkaussinterungen -21-7

8 Grundsätzliche Anforderungen im Wasserbau - Dichter Beton (w/z, Verdichtung, NB) - Beton mit besonderen Eigenschaften (Baustoffeignung, spezielle Nachweise) - Sicherung Mindestfestigkeit - sachgerechte Voruntersuchungen Ausreichend - Planungsaufgabe (Ausbildung, Art, dichte geschlossenes System) Bauteilfugen - zweckentsprechende Dichtungselemente, Verbindung, Lagesicherung - Fugenbehandlung Vermeidung durchlässiger Risse - Bauteilbeanspruchung (z.b.: Zwang) - Rissbreitenbeschränkung / Bewehrung - Geometrie, Fugen, Verformungslagen - Baustoffeignung, Betonaufbau - Beherrschung der Temperaturverhältnisse Wasserbauspezifische Einwirkungen ständige Einwirkungen veränderliche Einwirkungen außergewöhnliche Einwirkungen Eigengewicht Verkehrslasten Anpralllasten Ed Erdruck aus Hinterfüllung Temperatur Wasserdruck (Betriebs-/ Wellenschlag Bemessungswasserstände) Grundwasser, Eisdruck Sohlwasserdruck Schiffsanlegestoß, Trossenzug extreme Wasserstände gesunkenes Schiff Erdbeben Normen und Richtlinien Ausgewählte Regelwerke DIN 1045/T1-4 DIN 1055/T100 DIN DIN EN 206/T1 DIN 4030/T1,2 DIN EN 12255/T1 DIN 19569/T1-9 DIN 19700/T10-15 DIN DIN Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton Einwirkungen auf Tragwerke. Grundlagen der Tragwerksplanung, Sicherheitskonzept und Bemessungsregeln Standsicherheit von Massivbauwerken im Wasserbau Beton, Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität Beurteilung betonaggressiver Wässer, Böden und Gase Kläranlagen. Allgemeine Baugrundsätze Kläranlagen. Baugrundsätze für Bauwerke und technische Ausrüstungen Stauanlagen; Talsperren, Rückhaltebecken, Staustufen Schleusen der Binnenschifffahrtsstraßen, Abmessungen und Ausrüstungen Stahlwasserbauten Hoher Baustoffwiderstand

9 Normen und Richtlinien Ausgewählte Regelwerke ZTV-W (LB 215) ZTV-W (LB 219) ZTV-ING Wasserbauwerke aus Beton und Stahlbeton (und) Richtlinien für Ingenieurbauten RILI-DAfStb DBV-Merkblätter Merkblatt FGSV VDB Report 12 BAW Merkblätter Massige Bauteile aus Beton; WU-RILI; Alkali-RILI WU-Baukörper aus Beton; Beschränkungen von Temperaturrissen im Beton; Betondeckung und Bewehrung Massenbeton für Staumauern Herstellung und Verarbeitung von LP-Beton Maßnahmen zur Vermeidung von Zwangsbeanspruchungen infolge Hydratationswärme Frostprüfung von Beton; Chlorideindringwiderstand; Rissbreitenbegrenzung für frühen Zwang; Zweitbeton Schutz und Instandsetzung der Betonbauteile von Wasserbauwerken -25- Normen und Richtlinien Ausgewählte Regelwerke Maßgebende Umwelteinwirkungen Klassifizierung Makroklima Mesoklima Mikroklima Erläuterung Klima der Region, in der das Bauwerk errichtet wird Spezifische Bedingungen am Ort des Bauwerkes Spezifische Bedingungen an der Betonoberfläche Anforderungen an Konstruktionsbeton im Wasserbau: - Festlegung von Expositionsklassen - konstruktive Gestaltung des Bauwerks - Betonzusammensetzung - Technologie der Betonverarbeitung DBV-Sachstandsbericht

10 Sicherung der Dauerhaftigkeit von Beton Allgemeines Konzept für Beton und Stahlbeton Einwirkung DIN Expositionsklassen Widerstand DIN Mindestbetondeckung Abgestimmt! DIN DIN Betonzusammensetzung Nachbehandlung Sicherung der Dauerhaftigkeit von Beton Expositionsklassen DIN EN 206-1/DIN Europäische Namen Erläuterung X0 Zero Risk Kein Angriffsrisiko XC1-XC4 Carbonation Bewehrungskorrosion durch Karbonatisierung XD1-XD3 Deicing-Salt Chloride XS1-XS3 Seawater Meerwasser XF1-XF4 XA1-XA3 XM1-XM3 Frost Chemical Attack Mechanical Abrasion Betonkorrosion durch Betonkorrosion verursacht durch Frost und Frost- Tausalz Chemischer Angriff Verschleiß -28- Expositionsklasse -29- Zuordnung von Expositionsklassen im Wasserbau Auszug ZTV-W LB 215, Tabelle Expositionsklassen

11 Fortsetzung Auszug ZTV-W LB 215, Tabelle Expositionsklassen Fortsetzung Auszug ZTV-W LB 215, Tabelle Expositionsklassen Expositionsklassen für Flächen im Wasserbau Die BAW (Bundesanstalt für Wasserbau) legt für Bauwerke an Bundeswasserstraßen eine Aufteilung der Bauwerke in unterschiedlich beanspruchte Flächen fest und ordnet diese den Expositionsklassen zu. Beispiel: Schleusenbauwerk (Binnenbereich; Regelfall) [Eisenhauer HTW Karlsruhe]

12 Expositionsklassen für Flächen im Wasserbau Beispiel: Schleusenkammerbauwerk Hohenwarthe Schleusenkammern und Mittelmole mit Dehnfugen [Weisner, 2003] Blick in die Nordkammer, Kammerwandhöhe 24,45 m [Weisner, 2003] Expositionsklassen für Flächen im Wasserbau Beispiel: Schleusenbauwerk (Binnenbereich; Regelfall) Flächen I II III IV V VI VII VIII XC XD XS XF XA? 1) - - -? 1)? 1) -? 1) XM ) Bewertung anstehender Böden und Wässer auf Basis DIN ;2001, Tab.3, ggf. Zuordnung zu einer Expositionsklasse XA Expositionsklassen im Wasserbau Zusammenstellung der Anforderungen an die Betonqualität [Eisenhauer HTW Karlsruhe] -34- Expositionsklasse

13 Expositionsklassen im Wasserbau Beispiele / Zuordnung Hochwasserschutzwand C25/30 XC4, XF1, WF Fundament (erdüberdeckt) C16/20 XC2, WF C25/30 XC2, XF1, WF Einzelfallentscheidung Hochwasserschutzwand, permanent eingeströmt C35/45 XC4, XF3, WF alternativ C30/37 XC4, XF3, WF (bei r < 0,30, Festigkeitsnachweis nach 28 Tagen) alternativ C 25/30(LP) XC4, XF3, WF [BetonMarketing Ost, 2009] Expositionsklassen im Wasserbau Beispiele/Zuordnung Wehranlagen [BetonMarketing Ost, 2009] Wehrpfeiler oberhalb HW C25/30 XC4, XF1 Wehrpfeiler zwischen HW und NW C25/30(LP) XC4, XF3, XM1, WF C35/45 XC4, XF3, XM1, WF C30/37 XC4, XF3, XM1, WF (r<0,30) Wehrrücken C35/45 XC1, XM2, WF Wehrrücken ohne Stauklappe C35/45 XC4, XF1, XM2, WF Tosbecken C35/45 XC1, XM2, WF im Einzelfall C35/45 XC1, XM3, WF Wehrpfeilerplattform C30/37(LP) XC4, XD3, XF4, XM1, WA Zemente im Wasserbau CEM I CEM II/A-S, CEM II/B-S CEM II/A-T, CEM II/B-T CEM II/A-M(S-LL) (S-T) (T-LL) CEM II/B-M(S-T) CEM III/A, CEM III/B andere Zemente mit Zustimmung des AG LH-Zemente für massige Bauteile [BetonMarketing Ost, 2009]

14 Eignung einiger ausgewählter Bindemittel hinsichtlich ausgewählter Betoneigenschaften Bindemittel Eigenschaften CEM I CEM I HS CEM II/A-LL CEM II/B-S CEM III/A CEM III/B NW HS Festikeitsentwicklung o Abstufung: sehr gut bis ungünstig: ++, +, o, -, -- Tabelle ohne Flugascheeinsatz [Schießl et.all., 2008] Verwendung von Gesteinskörnungen Prüfung des Frost- / Frost-Tausalz-Widerstands nicht älter als 6 Monate Konformitätsbescheinigung 2+ (Überwachung und Zertifizierung durch anerkannte Prüfstelle) leichtgewichtige organische Verunreinigungen feine Gesteinskörnung 0,25 M.-% grobe Gesteinskörnung 0,50 M.-% Kornform grobe Gesteinskörnung SI40 Widerstand gegen Zertrümmerung LA50, SZ32 eng gestufte grobe Gesteinskörnungen Einsatz zertifizierter Zusatzmittel aus einer Wirkungsgruppe nur ein ZM ein Hersteller Gesamtmenge 50 g/kg PCE in Erstprüfung abtesten (Temperaturbereich, gleiche Ausgangsstoffe) keine ZM auf Saccharose- / Hydroxycarbonsäure-Basis F4 nur mit BV/FM (Ausgangsbeton F2) einmalige Nachdosierung auf der Baustelle Verzögerungszeiten >12 h abstimmen [BetonMarketing Ost, 2009] -40- Hydratationswärmeentwicklung - o - o + ++ Carbonatisierungswiderstand o CL-Diffusionswiderstand o o/- o Sulfatwiderstand Frostwiderstand o o Frost-Tausalz-Widerstand (LP) o [BetonMarketing Ost, 2009]

15 Empfehlungen zum Entwurf dauerhafter Wasserbauwerke Festlegung von Expositionsklassen auf Bauwerksebene Zuweisung von Expositionsklassen zu Bauteiloberflächen - Weitere Untergliederung von Bauteilen sinnvoll/erforderlich? - Anforderungen aus Expositionsklassen nach DIN 1045 ausreichend? Schwachstellenanalyse - Festlegung geplanter Nutzungsdauern für Bauteile - Identifizierung von Bereichen - lokal erhöhte Exposition (Tiefpunktbereiche, Fugen) - geringer Redundanz bzw. hoher Anforderungen (Spanngliedverankerung) - mangelnder Überwachbarkeit / Instandsetzbarkeit Konstruktive Durchbildung - Abschwächen der Exposition konstruktiv möglich? - Zusätzliche Schutzmaßnahmen erforderlich? - Anforderungen aus Konstruktionsdetails an Konsistenz/Verarbeitbarkeit/Größtkorn - statische Anforderungen Betonentwurf - Auswahl von Zement und Zusatzstoffen, evtl. Zusatzmitteln - Festlegung w/z-wert - Festlegung Gesteinskörnung, Sieblinie, Größtkorn [Schießl et. al., 2008]