Schwimmbecken als Stahlbetonkonstruktion

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1 Schwimmbäder mit keramischen Belägen Eine Tradition in Frage gestellt? Wiesbadener Planer- und Sachverständigenseminar ^Univ. Prof. Dr.-Ing. Karsten Ulrich Tichelmann Institut für Tragwerksentwicklung & Bauphysik Technische Universität Darmstadt TlSlB Ingenieurgesellschaft g mbh Beratende Ingenieure und Sachverständige

2 Schwimmbecken als Stahlbetonkonstruktion Statisches System Schwimmbecken _ vollflächig gebettet _ aufgeständert _ rostartige Systeme Betonkonstruktion mit WU-Beton _ Trinkwasserbecken mit C25/30 XC4, XF1 _ Sole oder Meerwasserbecken mit C35/45 XS2, XD2, XA2 Betonkonstruktion mit Verbundabdichtung Beckenauskleidung Wartezeit 2

3 Beckenauskleidung / -Ausbau: Schwimmende Beläge Quelle: villeroy-boch Innovation und Kompetenz Schwimmbadbau Anwendungstechnik Der keramische Belag 3

4 Beckenauskleidung / -Ausbau: Verbundbeläge Quelle: villeroy-boch Innovation und Kompetenz Schwimmbadbau Anwendungstechnik Der keramische Belag 4

5 Normen und Vorschriften _ DIN _ DIN EN _ DAfStB-Richtlinie Wasserundurchlässige Bauwerke aus Beton (WU-Richtlinie) _ Merkblatt ZDB Schwimmbadbau 2008 _ Merkblatt der DGfdB 2002 _ Merkblatt der DGfdB 2004 _ KOK Richtlinien Ri htli i für fü den d Bäderbau Bäd b 5

6 Merkblatt ZDB Schwimmbadbau Wasserundurchlässige Schwimmbecken mit keramischen Belägen _ Herstellung aus WU-Beton oder mit abdichtenden Maßnahmen _ Nachweis Wasserundurchlässigkeit it Mindestdicke Beckenwand und boden: 25 cm Anforderungen an den Beton _ Trinkwasser: _ Sole- oder Meerwasser C25/30 C35/45 w/z=0,55 XC4 XF1 w/z=0,50 XS2 XD2 XA2 nom c 5cm nom c 5,5cm Rissbreite 0,15 mm bzw. 0,10 Herstellen der Beckensohle und wände in einem Arbeitsgang Beginn der Auskleidungsarbeiten nach 6 Monaten Quelle: ZDB (Zentralverband Deutsches Baugewerbe), Merkblatt vom Juli 2008 Hinweise für Planung und Ausführung keramischer Beläge im Schwimmbadbau 6

7 Merkblatt der DGfdB Bauwerksfugen im Beckenkörper kö auch analog in keramischer Bekleidung Bklid Beginn der Auskleidungsarbeiten _ Merkblatt Fassung 1985:05 nach etwa 3 Monaten _ Merkblatt Fassung 2002:11 nach Erreichen der Beton-Nenndruckfestigkeit Herstellung des keramischen Beckenbodens: _ Dickbettverfahren (DIN 18352) _ Dünnbettverfahren (DIN 18157) Mörtelbettdicke 15 bis 50 mm keramischer Belag im kombinierten Verfahren (Floating / Buttering) Verfugung der keramischen Bekleidung im Becken _ hydraulisch erhärtender Fertigfugenmörtel _ In besonders beanspruchten Bereichen: Epoxydharz-Fugenmörtel _ Bei Beckenwasserfüllung mit zementangreifenden Eigenschaften: Epoxydharz-Fugenmörtel Quelle: DGfdB (Deutsche Gesellschaft für das Badewesen), Merkblatt vom Nov Stahlbetonbecken mit keramischen Auskleidungen Schwinden und dessen Einfluss auf das Verbundverhalten 7

8 Merkblatt der DGfdB... über ZDB Schwimmbäder und Merkblatt hinaus gehend: Wassereindringtiefe: _ bei Sole- oder Meerwasser 30 mm _ sonst 50 mm Berücksichtigung des Betonschwinden im Normalfall vernachlässigbar, wenn richtige _ Zusammensetzung, Bewehrungsführung, Herstellung, Verarbeitung und _ Nachbehandlung (Mindestdauer nach DIN mit Faktor 2 multiplizieren) Beginn der Auskleidungsarbeiten nach Erreichen der Beton-Nenndruckfestigkeit Quelle: DGfdB (Deutsche Gesellschaft für das Badewesen), Merkblatt vom Febr Schwimm- und Badebecken aus Stahlbeton 8

9 Merkmale der Konstruktion und deren Ausführungsanforderungen exponierte exponierte Systeme Hybridsysteme Heterogene Verbundsysteme Multiaxiale Beanspruchungen Uniaxiale Beanspruchung Homogene Systeme Lineare Systeme Geschlossene Systeme niedrig hoch Sensibilität des Systems 9

10 Schäden an Keramik-Fliesen Quelle: Sopro Bauchemie GmbH 10

12 Schäden an Keramik-Fliesen 12

16 Schäden an keramischen Belägen vielfältige Ursachen Stahlbetonkonstruktion Verformungen aus äußeren Lasten _ hydrostatischer Wasserdruck _ Temperatur (Temperaturwechsel / Temperaturdifferenzen) _ Wechselnde Feuchteverhältnisse im Beton _ Baugrundverformungen Kriechverformungen schwindbedingte Verformungen _ autogenes Schwinden (Schrumpfdehnung) ng) _ Trocknungsschwinden Quelle: Keramische Beckenauskleidung / Untergrund hydrostatischer Wasserdruck im Zwischenraum Stahlbetonkonstruktion Fliese Temperaturdehnungen / Temperaturspannungen mangelnder Haftverbund 16

17 Weitere Beanspruchung des Fliesenklebers beim Ablassen Keramische Beckenauskleidung: Wasserdruck im Zwischenraum Keramikfliese - Beton Keramikfliese Fugenmörtel Feinspachtelung/Dünnbettmörtel C2 Zementestrich CT-C 25 F4 C25/30 17

18 Schäden an Keramik-Fliesen mögliche Ursachen Stahlbetonkonstruktion - Autogenes Schwinden: Quelle: Autogenes Schwinden und adiabatische Wärmeentwicklung, Zement und Beton 18

19 Schäden an Keramik-Fliesen mögliche Ursachen Unterschiedliche Längenänderung von Fliesen und Unterkonstruktion führt zu Spannungen in Grenzfläche Differenzverformung durch _ thermische Längenänderung der Keramikfliesen nur etwa halb so groß wie die von Beton _ Keramische Beläge kriechen und schwinden nicht _ Kriech- und Schwindverformungen = f (relative Luftfeuchte bzw. Beckenfüllung) Verwölben des Fliesenbelags wenn Spannungen größer als Kleber-Haftverbundfestigkeit (Haftzugversagen) Schlagartiges Ablösen der Fliesen 19

20 Beanspruchungen des Verbundsystems Stahlbeton-Keramikfliese Exemplarische Beanspruchung anhand eines Sportbeckens: Länge/Breite/Höhe=25/50/2m /Höh Betongüte C25/30 Bauteildicken 30cm Trinkwasser mit 25-28, Hallentemperatur 30 Luftfeuchte 65% 20

21 Beanspruchungen des Verbundsystems Stahlbeton-Keramikfliese Beckensohle im Querschnitt (schematisch): Keramikfliese Fugenmörtel, hydraulisch erhärtend (Zementhaltig) CG Feinspachtelung/Dünnbettmörtel C2 Zementestrich CT-C 25 F4 Grundierung (Kunstharzbasis) C25/30 Estrich CT C25-F4 Dünnbettmörtel C2 siehe DIN u. DIN EN 13813, mm siehe DIN EN 12004, 2-5 mm Fugenmörtel siehe DIN EN Fugenbreite siehe DIN Tab. 2, 2-8 mm Keramikfliese siehe auch DIN EN

22 Beanspruchungen des Verbundsystems Stahlbeton-Keramikfliese Beanspruchung: Wasser, Temperatur, Kriechen und Schwinden Temperatur: Betriebstemperatur vs. Aufstelltemperatur T N ~ = +20K Revisionsphase T N ~ 15 C (Luft) - 25 C (Wasser) = -10K Temperaturdifferenz T vernachlässigbar ,0 m 22

23 Beanspruchungen des Verbundsystems Stahlbeton-Keramikfliese Beanspruchungen im zeitlichen Verlauf: t Jahrt Tage t 2 t Einbau Fliesen Betrieb des Schwimmbades Revision Betrieb des Schwimmbades 23

24 Beanspruchungen des Verbundsystems Stahlbeton-Keramikfliese Materialkennwerte / Festigkeiten: Fliesenkleber (zementärer Flexkleber) Haftfestigkeiten (Trockenlagerung, Wasserlagerung, Warmlagerung) 1,0 MN/m² Quelle: Aufnehmbare Verformung / Biegeweg 2,5mm Sopro Bauchemie GmbH, Sopro s No Keramik (Steinzeugplatte mit glasierter Oberfläche) Biegefestigkeit EN N/m², mindestens 20N/m² Wasseraufnahme EN 99 0,70%, maximal 3% Thermische Wärmeausdehnungskoeffizient EN 103 5,2*10-6 1/K, maximal 13*10-6 1/K E-Modul ca bis N/m² Quelle: Agrob Buchtal (Deutsche Steinzeug) Serie Chroma 18120H 24

25 Beanspruchungen des Verbundsystems Stahlbeton-Keramikfliese Beanspruchung der Keramikfliese aus unterschiedlichen Verformungen unter Berücksichtigung der spezifischen Wärmespeicherfähigkeit der Betonbodenplatte l( T N ) Keramikfliese Fugenmörtel Feinspachtelung/Dünnbettmörtel C2 Zementestrich CT-C 25 F4 LF: T N C25/30 l(s) l LF: s 25

26 Beanspruchungen des Verbundsystems Stahlbeton-Keramikfliese Beanspruchungen (Keramik/Grenzfläche/Beton) L σ Keramik [N/m²] Keramik Grenzfläche Beton σ Beton [N/m²] 26

27 Beanspruchungen des Verbundsystems Stahlbeton-Keramikfliese Hauptspannungen am Beispiel i des Sportbeckens (Draufsicht): Exemplarisch für LF Temperatur Keramik: σ 1,Mitte ~ 12,0 0 (Druck) Beton: σ 1,Mitte ~ +0,4 (Zug) 27

28 Beanspruchungen des Verbundsystems Stahlbeton-Keramikfliese Verformungen u x in Richtung der langen Beckenseite: Beanspruchung Fliesenkleber Verformungsnachweis l = 1,6mm ~ 2,5mm = zul l t 1 Jahrt t t Tage

29 Beanspruchungen des Verbundsystems Stahlbeton-Keramikfliese Größenordnung der Verformungen: Vergleich mit Praxisbeispiel 20 [mm] 239,22 239,22 l = ( ,2) x 2 = 1,6mm 29

30 Beanspruchungen des Verbundsystems Stahlbeton-Keramikfliese Trocknungsschwinddehnung Normalbeton ε cs = ε cas + ε cds Quelle: DIN : : Trocknungsschwinddehnung g ε cds Bild 21 30

31 Beanspruchungen des Verbundsystems Stahlbeton-Keramikfliese Trocknungsschwinddehnung Normalbeton (qualitativ) ε s,t = ε s,0 (k s,t -k s,t0 ) 0, ,30 3 Mon Einfluss der Luftfeuchte auf Grundschwindmaß ε s,0 Beiwert k S 6 Mon. Quelle: Weigler/Karl, Beton Beton, Verlag Ernst & Sohn nach DIN 4227 Teil1 28 T ε s3mon / ε s6mon = 133% s,3mon / s,6mon 31

32 Beanspruchungen des Verbundsystems Stahlbeton-Keramikfliese Schwinden und Quellen von Zementmörtel: Wechselnde Austrocknung und Wiederbefeuchtung s m - 30 Tage Revisionsdauer: 10 vs. 30 Tage s m - 10 Tage s 30 / s 10 ~ 150% 10 Tage Quelle: Weigler/Karl, l Beton, Verlag Ernst & Sohn 32

33 Korrelation zwischen Schadensereignis und dem Zeitpunkt des Aufbringens des Belags nach Fertigstellung des Untergrundes (Bauzeiten zwischen 1998 bis 2009) liesenablösen n nach Monaten t des Schaden nsereignis F Befüllung szeitpunkt in Eintritt Ablösungen Wand- und Bodenfliesen Ablösungen Bodenfliesen Aufbringen Spaltplattenbelag nach Fertigstellung des Betonbeckens/Untergrund in Wochen 33

34 Schadensursachen Hauptursachen Nicht durchgetrockneter und durchgehärteter Dünnbettmörtel, Zu hohe Restfeuchte im Estrich / nicht ausgehärtete und formstabile Estrichscheibe, Begünstigtes Versagen durch haftungsfeindliche Oberflächen der Fliesenrückseiten, zu große Längenänderungen des Betonkörpers durch Schwindprozesse durch zu frühe Verlegung, Untergründe, die keine ausreichende Haftung bieten, (bedingt zu enge Fugen) 34

35 Neptune Pool, Hearst Castle, San Simeon/Kalifornien von William Randolph Hearst 1924 bis 1936, Wände und der Boden aus weißem Vermont Marmor und Murano-Fliesen 35

36 Zusammenfassung und Lösungsansätze Betonkonstruktion Reduktion der Schwindverformungen durch _ Betoneigenschaften (Wassergehalt, f ck, Zementfestigkeit etc.) _ Zeitraum zwischen Betonage und Fliesenausbau: Ausreichende Nachbehandlung Möglichst lange Wartefrist (3 bzw. 6 Monate ohne Estrich) Möglichst trockene Luft (Beschleunigung Schwindvorgangs) Beurteilung der Belegreife durch Prognose-Berechnungen _ Frühzeitige Inbetriebnahme nach Abschluss der Fliesenarbeiten (Unterbrechen Schwindvorgang, verhindern extremer Austrocknung) _ Revision (Zeitraum der Beckenentleerung) : Möglichst kurze Wartungsdauer Vermeiden des vollständigen Fliesenaustrocknens Betriebstemperatur nicht reduzieren Einbau von Entkopplungsschicht, z. B. Verbundabdichtung, elastischer Kleber 36

37 Zusammenfassung und Lösungsansätze Fliesenausbau Dehnungsfugen (Felder mit Seitenverhältnis 1:2) elastischer Fugenmörtel Zum Einbau der Keramikfliesen _ ausreichende Dicke des Kleberbettes _ Sorgfalt beim Fliesenausbau (z. B. Floating-Buttering Verfahren) (Optimierung / größtmögliche Adhäsionsfläche) _ Qualitätssicherung: stichprobenartige Kontrolle der Kontaktflächen durch Abnahme frisch verlegter Fliesen Fliesenkleber mit großer Scher-/Haftzugfestigkeit/großem Verformungsvermögen 37