Flächenbefestigungen in gebundener Bauweise

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1 Flächenbefestigungen in gebundener Bauweise Dr.-Ing. Jörn Buchholz quick-mix Gruppe GmbH & Co. KG Mühleneschweg Osnabrück j.buchholz@quick-mix.de Themen: Einführung Regelwerk Thermische Spannungen Bewegungsfugen Herausforderung Großformate Herausforderung geringe Aufbauhöhe Beispiel Pflasterrinne 1

2 Einführung Gebundene Pflasterdecke Gebundene Bettungsschicht Gebundene Tragschicht Ungebundene Tragschicht Einführung 2

3 Verwendung Anwendungsbereiche: - Multifunktional genutzte Flächen mit hohem Reinigungsaufwand z.b. Fußgängerzonen, Markplätze etc. - Hochbelastete Verkehrsflächen (mit hohem visuellen Anspruch) - Überdachte Flächen - Flächen mit hohem Gefälle (>12%) - Bereiche mit erhöhten Sicherheitsanforderungen Regelwerke 3

4 VOB C: ATV DIN ATV DIN Geltungsbereich: Die ATV DIN [ ] gilt für das Befestigen von Straßen, Wegen, Plätzen, Höfen, Terrassen und dergleichen und von Bahnsteigen und Gleisanlagen mit Pflastersteinen und Platten Aktuelle Regelwerke: VOB A, B, C Teil C: ATV DIN Produktnormen z.b. DIN EN 1342 (Pflastersteine aus Naturstein) ZTV Pflaster-StB 06 ZTV Wegebau TL Pflaster-StB 06 RStO 12 M FP 1 Flächenbefestigungen mit Pflasterdecken und Plattenbelägen Arbeitspapiere 4

5 Die ATV DIN ATV DIN 18318: Verkehrswegebauarbeiten Pflasterdecken und Plattenbeläge in ungebundener Ausführung, Einfassungen (2012) DIN bis 2006 in Bezug auf die gebundene Bauweise unbrauchbar ( Zementmörtel müssen Mörtelgruppe III (Mischungsverhältnis 1:4) der DIN Mauerwerk- Rezeptmauerwerk Berechnung und Ausführung entsprechen) Argument: Keine positiven Langzeiterfahrungen Situation Straßenbau ATV DIN 18318: Verkehrswegebauarbeiten Pflasterdecken und Plattenbeläge in ungebundener Ausführung, Einfassungen (2012) TL Pflaster StB: Verkehrswegebauarbeiten Pflasterdecken und Plattenbeläge in ungebundener Ausführung, Einfassungen (2012): [ ]zur Herstellung von Pflasterdecken und Plattenbelägen in ungebundener Ausführung [...] ZTV Pflaster StB: Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien zur Herstellung von Pflasterdecken, Plattenbelägen und Einfassungen (2006): [ ] sind in Verbindung mit den [ ] (TL-Pflaster-StB) bei der Herstellung von Pflasterdecken und Plattenbelägen in ungebundener Ausführung (Regelbauweise) auf Verkehrsflächen anzuwenden. 5

6 Situation Straßenbau? Im aktuellen Regelwerk ist die gebundene Bauweise nicht enthalten Aktuelle Richtlinien und Hinweise: FGSV-Arbeitspapier: Flächenbefestigungen mit Pflasterdecken und Plattenbelägen in gebundener Ausführung (2007) WTA-Merkblatt Gebundene Bauweise - historisches Pflaster DNV Richtlinie Pflaster- und Plattendecken Situation außerhalb des Straßenverkehrs: Die Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen für den Bau von Wegen und Plätzen außerhalb von Flächen des Straßenverkehrs ZTV Wegebau gelten für das Befestigen von Verkehrsflächen mit Pflastersteinen und Platten aus Beton, Betonwerkstein, Pflasterklinker, Pflasterziegel, Naturstein und Naturwerkstein in ungebundener, vollgebundener, teilgebundener, versickerungsfähiger und begrünbarer Bauweise außerhalb von Flächen des Straßenverkehrs. 6

7 Die Nutzungskategorien: Die Nutzungskategorien oder Belastungsklassen beschreiben die Nutzung, auf deren Grundlage eine Pflasterfläche oder ein Plattenbelag geplant wird. In der ZTV Wegebau gibt es drei Nutzungskategorien. In Abhängigkeit der Nutzungskategorien werden unterschiedliche Baustoffeigenschaften und Bauweisen zugeordnet Nutzungskategorien 1. Nutzungskategorie N1 Begehbare, nicht mit KFZ befahrene Flächenbefestigungen außerhalb von Flächen des Straßenverkehrs (z.b. Terrassen, Gartenwege, Sitzplätze in Parkanlagen) 2. Nutzungskategorie N2 Befahrbare Flächenbefestigungen für Fahrzeuge bis 3,5 t zulässiges Gesamtgewicht außerhalb von Flächen des Straßenverkehrs (z.b. Garagenzufahrten, PKW-Stellplätze) 3. Nutzungskategorie N3 Befahrbare Flächenbefestigungen wie Belastung 2, jedoch mit gelegentlichen Befahrungen mit Fahrzeugen bis 20 t zulässiges Gesamtgewicht mit Radlasten < 5 t außerhalb von Flächen des Straßenverkehrs (z.b. Pflege-, Instandhaltungs- und Rettungswege sowie Feuerwehr-, Garagen- und Gebäudezufahrten) 7

8 Bauweisen für gebundene Pflasterflächen und Plattenbeläge Bauweisen gemäß ZTV Wegebau: Mischbauweise ohne gebundener Bettung: Für die Nutzungskategorie N1 geeignet: Begehbare, nicht mit KFZ befahrene Flächenbefestigungen außerhalb von Flächen des Straßenverkehrs (z.b. Terrassen, Gartenwege, Sitzplätze in Parkanlagen) Wichtig: bei dieser Bauweise dürfen nach ZTV Wegebau keine zementären Fugenmörtel verwendet werden! Pflasterdecke gebundener Pflasterbelag (z.b. mit PFF) Ungebundene Bettungsschicht Oberbau Ungebundene Tragschichten Ggf. Frostschutzschicht 8

9 Bauweisen gemäß ZTV Wegebau: Mischbauweise mit gebundener Bettung: Für die Nutzungskategorie N1 geeignet: Begehbare, nicht mit KFZ befahrene Flächenbefestigungen außerhalb von Flächen des Straßenverkehrs (z.b. Terrassen, Gartenwege, Sitzplätze in Parkanlagen) Für die Nutzungskategorie N2 geeignet, Bettungsschicht > 10 cm (befahren): Befahrbare Flächenbefestigungen für Fahrzeuge bis 3,5 t zulässiges Gesamtgewicht außerhalb von Flächen des Straßenverkehrs (z.b. Garagenzufahrten, PKW-Stellplätze) Oberbau Pflasterdecke gebundener Pflasterbelag (z.b. mit PFN) Wasserdurchlässiger Bettungsmörtel (TDM+) Ungebundene Tragschichten Ggf. Frostschutzschicht Bauweisen gemäß ZTV Wegebau: Vollgebundene Bauweisen: Für die Nutzungskategorie N1 geeignet: Begehbare, nicht mit KFZ befahrene Flächenbefestigungen außerhalb von Flächen des Straßenverkehrs (z.b. Terrassen, Gartenwege, Sitzplätze in Parkanlagen) Für die Nutzungskategorie N2 geeignet, Befahrbare Flächenbefestigungen für Fahrzeuge bis 3,5 t zulässiges Gesamtgewicht außerhalb von Flächen des Straßenverkehrs (z.b. Garagenzufahrten, PKW-Stellplätze) Für die Nutzungskategorie N3 geeignet: Befahrbare Flächenbefestigungen wie Belastung 2, jedoch mit gelegentlichen Befahrungen mit Fahrzeugen bis 20 t zulässiges Gesamtgewicht mit Radlasten < 5 t außerhalb von Flächen des Straßenverkehrs Oberbau Pflasterdecke gebundener Pflasterbelag (z.b. PFH-light) Wasserdurchlässiger Bettungsmörtel (z.b. TPM-D 4) Drainagebeton oder Drainageasphalt (z.b. TPM-D 8) Ungebundene Tragschicht(en) 9

10 Bauweise gem. FGSV Arbeitspapier 618/2 Vollgebundene Bauweisen: Für Belastungen des Straßenverkehrs geeignet: Vorgeschlagener Aufbau für gebunden hergestellte Pflasterdecken und Plattenbeläge in RStO relevanten Bereichen. Oberbau Pflasterdecke gebundener Pflasterbelag (z.b. PFH-light) Wasserdurchlässiger Bettungsmörtel (z.b. TPM-D 4) Drainagebeton oder Drainageasphalt (z.b. TPM-D 8) Ungebundene Tragschicht(en) Bauweise gem. FGSV Arbeitspapier 618/2 Eigenschaften des Fugenmörtels: Druckfestigkeit > 45 N/mm² (keine Einschränkung nach oben) Keine Anforderung an den E-Modul Keine Unterscheidung zwischen Natur- und Betonwerkstein Für Pflastersteine und Platten aus Betonwerkstein sollten im Bereich des FGSV Arbeitspapieres 618/2 Fugenmörtel mit folgenden abweichenden Eigenschaften verwendet werden: Druckfestigkeit: zw. 30 N/mm² und 35 N/mm² E-Modul: < N/mm² (> N/mm²) 10

11 Thermische Spannungen und Bewegungsfugen Einführung -10 C 11

12 Einführung +46 C Einführung 12

13 Untersuchungen Aufbau der Messfelder Gebundene Pflasterdecke (nicht dränfähig) Gebundene Bettungsschicht (dränfähig) Gebundene Tragschicht (dränfähig) 13

14 Aufbau der Messfelder Gebundener Pflasterbelag Gebundene Bettungsschicht Stahlwinkel Gebundene Tragschicht Ungebundene Tragschicht Aufbau der Messfelder 14

15 Aufbau der Messfelder Feld-Nr. Element Haftschlämme Fugenaufbau Feld 1 Granit 17/17/15 Feld 2 Beton 20/20/16 Feld 3 Granit 17/17/15 Feld 4 Beton 20/20/16 Verschiebungen 15

16 Verschiebungen Verschiebungen 16

17 Verschiebungen Verschiebungen 17

18 Temperaturbeanspruchung Thermische Einflüsse: - Baustoffe erfahren Längenänderungen durch Temperatureinflüsse - Werden diese Längenänderungen behindert entstehen Spannungen - Verkürzungen führen bei einer behinderten Dehnung zu Zugspannungen - Positive Dehnungen führen bei behinderter Dehnung zu Druckspannungen Tiefsttemperatur Negative Dehnung Erhärtungstemperatur / Nullspannungstemperatur Positive Dehnung Höchsttemperatur -6 C 15 C 35 C Temperaturbeanspruchung Spannungsentwicklung: - Entscheidend für die Intensität der Dehnungen bzw. Spannungen ist die Nullspannungstemperatur! - Temperaturen größer der Nullspannungstemperatur = Druckspannungen - Temperaturen kleiner der Nullspannungstemperatur = Zugspannungen Tiefsttemperatur Nullspannungstemperatur Höchsttemperatur -21 C 20 C -6 C 15 C 35 C Tiefsttemperatur Nullspannungstemperatur Höchsttemperatur -36 C 5 C -6 C 30 C 35 C 18

19 Spannungen -14 Druckspannungen in N/mm² NST 35 C 25 C 20 C 15 C ET 46 C c Temperaturamplitude C 5 C Spannungen Zugspannungen in N/mm² NST 5 C 10 C 15 C 20 C 25 c 35 C ET -11 C Temperaturamplitude C 19

20 1. Fazit Großmaßstäbliche Versuche - Zwischenfazit: 1. Die Druckfestigkeit aller verwendeten Baustoffe ist in der Lage entstehende Druckspannungen schadensfrei aufzunehmen 2. Die Haftzugfestigkeit ist bei allen Materialverbindungen der kritische Faktor 3. Durch die Verwendung eines Haftkleber werden Verschiebungen und somit resultierende Spannungen deutlich reduziert Umsetzung in die Praxis 20

21 Temperaturbeanspruchung Spannungsentwicklung: - Entscheidend für die Intensität der Dehnungen bzw. Spannungen ist die Nullspannungstemperatur! - Temperaturen größer der Nullspannungstemperatur = Druckspannungen - Temperaturen kleiner der Nullspannungstemperatur = Zugspannungen Tiefsttemperatur -6 C Nullspannungstemperatur -21 C 20 C 15 C Höchsttemperatur Tiefsttemperatur -6 C Nullspannungstemperatur Höchsttemperatur -36 C 5 C 30 C Temperaturbeanspruchung Tagesgang an einem heißen Sommertag: Temperatur C C Luft oben unten Uhrzeit 21

22 Temperaturbeanspruchung Temperaturgradienten: Negativ wirken sich aus: - Eine hohe Nullspannungstemperatur - Ein positiver Nullspannungsgradient (Zugeigenspannungen oben/unten) Nachbehandlungsmaßnahmen Aktuelle Temperatur Nullspannungsgradient positiv/negativ + + = Pflasterdecke 0 C 10 C 20 C Spannungsüberlagerung Längsspannungen Biegespannungen Eigenspannungen (Abbildung geändert nach Maliha 2006) 1. Nachbehandlung 22

23 Nachbehandlung Sommerliche Temperaturen und hohe Sonneneinstrahlung können: - Eine hohe Nullspannungstemperatur hervorrufen - Positive Nullspannungsgradienten hervorrufen Außerdem können Sonne und Wind den Mörteln, die für die Hydratation notwendige Feuchtigkeit entziehen: schlechtere Festigkeitswerte sowie oberflächliches Absanden Schwinden/Risse (plastisches Schwinden/Frühschwinden) Nachbehandlung Beeinflussung des Nullspannungsgradienten: Nachbehandlung der Pflasterfläche!!! Pflasterfläche umgehend vor Austrocknung schützen - Abdecken durch z.b.: Planen (s/w) - Abdecken durch Vliese (ggf. anfeuchten) - feucht halten 23

24 Nachbehandlung 2. Haftverbund! 24

25 Haftzugfestigkeit Haftzugfestigkeit: Haftfähigkeit eines Mörtels an dem Belagselement Wird beeinflusst durch: - Verschmutzungen der Elemente (Staub, Schlamm, Schnittschlamm ) - Der Materialität der Belagselemente - Der Oberflächenbearbeitung - Der Saugfähigkeit der Elemente - Ggf. Haftbrücke (Abbildung Dr. R. Becker) 25

26 Rückblick Spannungen Das Hooke sche Gesetz: gibt im linear elastischen Bereich den Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung an. σth = E ε (Druck-/Zug-)Spannung E-Modul Dehnung L ε = L0 26

27 [E] Haftverbund Feld 1: Granit, einschichtig hydraulisch, ohne Haftkleber A B C D E F G H 12 [E] Haftverbund Gebundene Pflasterbauweisen Thermische Spannungen in Verkehrsflächenbefestigungen der gebundenen Pflasterbauweise Feld 3: Granit, einschichtig hydraulisch, mit Haftkleber A B C D E F G H Disputation Dipl.-Ing. (Fh) Jörn Buchholz Fachbereich 06 Architektur, Stadtplanung, Landschaftsplanung Universität Kassel 27

28 Hinweise Umgang mit thermischen Spannungen: - Ein guter Haftverbund zwischen Belagselement und Bettungsmörtel reduziert Dehnungen deutlich. - Eine Haftbrücke ist unabhängig von der Elementart und Größe immer zu empfehlen - Eine Haftbrücke ist unabdingbar bei großformatigen Elementen - Die Haftzugfestigkeit zwischen Element und Bettungsmörtel hängt elementar mit der Verlegung der Belagselemente zusammen. Haftschlämme 28

29 Haftschlämme Bild Platte Ostkreuz 29

30 3. Bewegungsfugen 30

31 Definition Bewegungsfugen Definition: Bewegungsfugen sind (Wartungs-) Bauteile, die in einem gebunden hergestellten Elementbelag Spannungen aus Setzungen und thermischen Dehnungen ausgleichen und resultierende Schäden reduzieren sollen. Bewegungsfugen können Risse aus thermischen Spannungen reduzieren nicht verhindern! Anordnung Wann Bewegungsfugen? - Bewegungsfugen sind grundsätzlich an Einbauten und aufgehenden Bauteilen vorzusehen (Gebäudeanschlüssen, Mauern, Schachtabdeckungen ) - Alle 4m 6m nach FGSV (5m-7m nach WTA) in Längs- und in Querrichtung - Über bestehenden Bewegungsfugen (z. B.. Betondecken) und über vorhandenen Kerben in der Dränbetontragschicht - Bei Wechseln des Untergrundes - An Hochpunkten bei Satteldachgefälle 31

32 Einflussfaktoren Welche Faktoren beeinflussen den Abstand von Bewegungsfugen? Empfehlungen für Bewegungsfugen liegen zwischen von 4m (FGSV) und max. 7m (WTA) Belagplattendicke: Bei Betonfahrbahnen soll der Fugenabstand das 25-fache der Plattendicke nicht überschreiten Mit steigender Elementdicke kann der Fugenabstand vergrößert werden Haftverbund: Größerer Haftverbund bedeutet größere Feldabmessungen für Bewegungsfugen Elementabmessung Elemente mit großen Formaten benötigen eine kleinere Rasterung Erhärtungstemperatur/Nullspannungstemperatur Bei günstigen Nullspannungsgradienten größer Rasterung Aufbau von Bewegungsfugen Bewegungsfuge in nicht von Kraftfahrzeugen befahrenen gebundenen Pflasterdecken und Plattenbelägen Fugenfüllung nach ZTV Fug-StB (elastisch, treibstoffbeständig) Trennstoff Fugenfüllung nach ZTV Fug-StB ca. 2/3 Steind. Unterlage (frei von Eigenspannungen) 32

33 Aufbau von Bewegungsfugen Aufbau von Bewegungsfugen 33

34 Aufbau von Bewegungsfugen Aufbau von Bewegungsfugen 34

35 Aufbau von Bewegungsfugen Bewegungsfuge in von Kraftfahrzeugen befahrenen gebundenen Pflasterdecken und Plattenbelägen bei vorhandener Bewegungsfuge in der Unterlage Fugenfüllung nach ZTV Fug-StB (elastisch, treibstoffbeständig) Fugenmörtel Trennstoff Fugenfüllung nach ZTV Fug-StB ca. 2/3 Steind. ca. 2/3 Steind. Pflaster Bettung Unterlage L-Stahlwinkel gelocht, oder durchbrochen d> 10mm an der Unterlage befestigt Länge = 3 x h Aufbau von Bewegungsfugen 35

36 Herausforderung Großformate Stützfunktion der Fuge Bewegungsablauf beim Überfahren eines Plattenbelags Lastangriff wandert vom linken Rand des Elementes über die Mitte zum rechten Elementrand 36

37 Großformatige Platten Großformatige Platten 37

38 Großformatige Platten Neue Nationalgalerie, Berlin 38

39 Neue Nationalgalerie, Berlin Neue Nationalgalerie, Berlin 39

40 Neue Nationalgalerie, Berlin dünnschichtige Aufbauten 40

41 Systemprüfungen der Druckbelastung gutjahr aquadrain HB-DB mit tubag TPM-D4, TNH-rapid, PFH Zwei Prüfkörpervarianten 41

42 Zwei Prüfkörpervarianten Die Prüfung 42

43 Prüfkörper nach einer Prüfung Variante V2 Probenbezeichnung Prüfalter Durchmesser Fläche Bruchlast [Tage] Prüfstempel [mm] [mm²] F max [KN] V V V Mittelwert Entspricht einer Belastung von über 40 to 43

44 Variante V3 Probenbezeichnung Prüfalter Durchmesser Fläche [Tage] Prüfstempel [mm] [mm²] V3-1 V3-2 V3-3 Mittelwert Bruchlast Fmax [KN] Entspricht einer Belastung von über 40 to Beispiel Pflasterrinne 44

45 Das Objekt: Rheinhafen Bendorf, Schüttgutverladung max. Leistung der Schüttgutanlage von 500 to/std Hohe LKW Frequenz in der Schüttgut Verladung von bis zu 30 LKW/Std. Ausgangssituation: Schäden im Übergang zum Straßenkörper Übergang Verladeplatz zum Straßenkörper: Bordstein mit Rinnenanlage (1-/2- oder 3-Zeilig) abgegrenzt. 45

46 Ausgangssituation: Schäden im Übergang zum Straßenkörper Die Lösung: BarrierefreieSanierung 4-Zeilige Rinne Pflaster, Betonwerkstein: 16/16/14 cm Pflasterfugenmörtel gem. FGSV Haftschlämme Bettung gem. FGSV, dränfähig aus Werktrockenmörtel bis 4 mm 0,80 m Dränbeton aus Werktrockenmörtel bis 8 mm (20 cm) Schottertragschicht (40 cm) 46

47 Die Lösung: Barrierefreie Sanierung weiterhin viel Erfolg bei Ihrer Arbeit! Dr.-Ing. Jörn Buchholz quick-mix Gruppe GmbH & Co. KG Mühleneschweg Osnabrück j.buchholz@quick-mix.de 47