Univ.-Prof. DI Dr.techn. Ronald Blab Institut für Straßenbau und Straßenerhaltung, Technische Universität Wien Kreisverkehrsanlagen in Beton konstruktive Ausbildung und Dimensionierung 17 1 Einleitung Oberbaukonstruktionen von Kreisverkehren unterliegen aufgrund der Flieh- und Bremskräfte des den Kreisverkehr durchfahrenden Schwerverkehrs besonders hohen Beanspruchungen. Bei Ausführung von Kreisverkehrsanlagen in Betonbauweise kann aufgrund der materialbedingten Eigenschaften von Beton mit seiner hohen Verformungsbeständigkeit bei ausreichender Dimensionierung und fachgerechter konstruktiver Ausbildung eine längere Gebrauchsdauer bei geringerem Erhaltungsaufwand erzielt werden. Im Folgenden werden die wesentlichen Baugrundsätze und Herstellungshinweise für Kreisverkehre in Betonbauweise zusammengefasst, die in Zusammenarbeit mit Verwaltung und bauausführenden Firmen im Arbeitskreis Betonfahrbahnen der Österreichischen Vereinigung für Beton und Bautechnik (ÖVVB) erarbeitet wurden. 1. Zentraler Bereich: Dieser umfasst die eigentliche Kreisverkehrsfl äche. 2. Übergangsbereich: Dieser stellt den Übergang zwischen zentralem Bereich und dem anzuschließenden Ein-/Ausfahrtsbereich dar. 3. Ein-/Ausfahrtsbereich: Dieser reicht vom Ende des Übergangsbereichs bis zum Ende des mit einer Betonfahrbahndecke ausgeführten Kreisverkehrs. 2.2 Fugenteilung und -ausbildung Betondecken für Kreisverkehre sind grundsätzlich lt. RVS 08.17.02 [1] ohne Bewehrung und mit Plattenlängen kleiner als die 25-fache Plattendicke herzustellen (Standardbauweise). Um eine ungewollte Rissbildung zu Abbildung 1: Bereiche eines Kreisverkehrs vermeiden, sind diese in Felder einzuteilen, welche durch Stahleinlagen (Dübel, Anker) miteinander zu verbinden sind. Die Feldeinteilung erfolgt durch die Anordnung von Fugen, wobei zwischen längs zur Fahrtrichtung angeordneten Fugen (Längsfugen) und quer zur Fahrtrichtung angeordneten Fugen (Querfugen) zu unterscheiden ist (siehe Abbildung 2). Querfugen sind in der Regel im Abstand der 25-fachen Deckendicke, 2 Baugrundsätze 2.1 Bereiche eines Kreisverkehrs Ein Kreisverkehr ist in bautechnischer Hinsicht in drei Bereiche zu teilen (Abbildung 1): Abbildung 2: Standardbauweise mit Fugenanordnung im zentralen Bereich einer Kreisverkehrsanlage gem. RVS 08.17.02 [1]
18 jedoch höchstens im Abstand von 5,5 m anzuordnen. Die Feldlänge darf im Allgemeinen das 1,5-Fache der Feldbreite nicht überschreiten (siehe Abbildung 2): L 1,5 * B L 25 * D L 5,5 m α > 85 L... Feldlänge: Abstand von Querfuge zu Querfuge. B... Feldbreite: Abstand vom Plattenrand zur Längsfuge bzw. Pressfuge. D... Dicke der Betondecke α... Eckwinkel einer Betonplatte In den einzelnen Bereichen eines Kreisverkehrs ergeben sich unterschiedliche Plattengeometrien: Zentraler Bereich: Im zentralen Bereich ist die Betondecke in kreisringsegmentförmige Betonplatten aufzuteilen, wobei zwischen den Platten des Zentral- und des Übergansbereichs Abschlussfugen AF anzuordnen sind. Diese Abschlussfugen sind mit Dübeln auszustatten. Übergangsbereich: Im Übergangsbereich dürfen unregelmäßig geformte Betonplatten angeordnet werden. Bei diesen Betonplatten ist auf eine sorgfältige Ausbildung der Geometrien zu achten, um so Spannungskonzentrationen und in der Folge Platten- sowie Kantenbrüche zu vermeiden. Die Kantenlänge einer Betonplatte soll ein Mindestmaß von 30 cm nicht unterschreiten, um so sehr spitz zusammenlaufende Plattengeometrien zu vermeiden. Der Eckwinkel einer Betonplatte ist in der Regel α > 85 auszuführen. Ein-/Ausfahrtsbereiche: Die Fugenaufteilung erfolgt in Ein- und Ausfahrtsbereichen der Kreisverkehrsarme in üblicher rechteckiger Form. Besondere Sorgfalt ist bei der Fugenausbildung im Einfahrtsbereich in den Kreisverkehr und im Übergangsbereich Belagswechsel Asphalt Beton zu legen. In jedem Fall ist rechtzeitig vor Baubeginn ein entsprechender Fugenteilungsplan zu erstellen, der auch die Verkehrsführung in den verschiedenen Bauphasen und Betoneinbauzeiten berücksichtigt. Bei der Erstellung eines Fugenteilungsplans ist je nach Einbaumethode, örtlichen Bedingungen etc. auf folgende Baugrundsätze zu achten. Die Anordnung von Schächten oder sonstigen Einbauten im Bereich eines Kreisverkehrs ist grundsätzlich zu vermeiden. Können diese nicht außerhalb eines Kreisverkehrs angeordnet werden, so ist die Fugenteilung an die Anordnung der Schächte anzupassen (Plattenränder oder Plattenkreuze). Schächte und sonstige Einbauten sind durch eine Trennfuge von der Betondecke des Kreisverkehrs zu trennen, da diese ein unterschiedliches Bewegungsund Setzungsverhalten aufweisen. Um ein häufiges Überfahren der Längsfugen zu vermeiden, soll die Anordnung der Fugen mit den horizontalen Leiteinrichtungen (Bodenmarkierung) abgestimmt werden. Bei der Erstellung des Fugenteilungsplans ist auf fertigungstechnische Gesichtspunkte zu achten (z. B. Abstimmung mit der Einbaubreite des Gleitschalungsfertigers). Die Querfugen sollen immer als Scheinfugen und die Längsfugen, welche die Kreisfahrbahn in einen inneren und einen äußeren Bereich trennen, können je nach Herstellungsweise als Pressfuge oder ebenfalls als Scheinfuge ausgebildet werden. Bei den Anschlussbereichen der Zu- und Ausfahrtsäste an die Kreisfahrbahn sind verdübelte Pressfugen (Anschlussfugen AF) anzuordnen. Bei den Längsfugen werden wegen der häufi gen Überfahrten jeweils 6 Anker (d = 14 mm, l = 700 mm) je Feld empfohlen. Bei Ausführung der Längsfuge im Bereich der Kreisfahrbahn als Scheinfuge können auch Dübel zur Querkraftübertragung eingesetzt werden. Die Anzahl der Dübel für die Querscheinfugen der Kreisfahrbahn und der Kreisfahrbahn äste soll zwischen 3,4 bis 4,5 Dübel/Laufmeter (d = 50 mm, l = 500 mm) betragen. 2.3 Anforderungen an den Beton Bei Beton gelten die üblichen Anforderungen an Straßenbeton gemäß dem österreichischen Regelwerk [1]: Frost-Tausalz-Beständigkeit Witterungsbeständigkeit Biegezugfestigkeit (28 Tage): 5,5 MPa im Allgemeinen 7,0 MPa bei Waschbeton Druckfestigkeit (28 Tage): Oberbeton 40 MPa Unterbeton 35 MPa Verwendung verschleißfester/ polierresistenter Körnungen,
19 Konsistenz entsprechend der Einbaumethode (händisch/maschinell) Eine wesentliche Überlegung hinsichtlich der Zusammensetzung und Anforderungen an den Beton betrifft auch die Verkehrsführung bzw. die Verkehrsfreigabe. Im Einzelfall kann es erforderlich sein, die Anlage bereits sehr früh dem Verkehr zu übergeben. Im Zuge von größeren Baumaßnahmen stellen diese Anforderungen im Allgemeinen kein Problem dar. Häufi g werden jedoch Kreisverkehrsanlagen als kleinere, einzelne Baumaßnahmen oder an sehr entlegenen Plätzen errichtet und der Beton wird dann im nächstgelegenen Transportbetonwerk nach ÖNORM B 4710-1 [7] bestellt. Empfohlen werden nach [2] die Betonsorten C30/37/XF4/XM2 Oberbeton C30/37/XF4 Unterbeton (bei zweischichtigem Einbau). Wesentlich erscheint jedoch, dass die Konsistenz auf die jeweilige Einbaumethode und das entsprechende Verfahren gut abgestimmt, eine ausreichende Verdichtung ermöglicht und ein hochwertiger Oberfl ächenschluss mit entsprechender Strukturierung gewährleistet wird. 2.4 Herstellung Tragschichten Aus fertigungstechnischen Gründen sind diese auch breiter als die fertige Betondecke auszuführen. Beim händischen Einbau sollte die zusätzliche Breite der unter der Betondecke angeordneten Tragschichten mind. Abbildung 3: Ausbildung der bituminösen Tragschichte unter der Betondecke 20 cm betragen, um so die Schalung, z. B. mithilfe von Steckeisen, in der bituminösen Unterlage befestigen zu können. Wird hingegen maschinell mittels Gleitschalungsfertiger eingebaut, ist eine zusätzliche Breite der unter der fertigen Betondecke angeordneten Tragschichten von mind. 50 cm sicherzustellen, damit sich der Fertiger auf einer ausreichend tragfähigen Unterlage fortbewegen kann (Abbildung 3). Schalung Grundsätzlich gelten die diesbezüglichen Bestimmungen der RVS 08.17.02 [1].Für den Einbau von Straßenbeton mit Fließmittel sind Schalungen so auszuführen, dass die geforderte profi lgerechte Seitenund Höhenlage der Decke sowie die Ebenheit der Betonoberfl äche sicher eingehalten werden. Es soll sichergestellt sein, dass die stehende Schalung unverrückbar aufgestellt wurde und beim Einbringen des Betonmischgutes ein Durchbiegen verhindert wird. Dies kann z. B. mit Hilfe von Steckeisen erfolgen, welche in der bituminösen Unterlage befestigt werden. Die Verwendung von Holzschalungen ist zulässig. Beim Einsatz einer geschleppten Schalung (Gleitschalungsfertiger) muss der Frischbeton eine ausreichende Grünstandfestigkeit aufweisen, d. h. die Kante der frisch betonierten Fahrbahndecke darf nicht absacken. Einbau Grundsätzlich gelten auch hier die diesbezüglichen Bestimmungen der RVS 08.17.02 [1]. Der Beton kann ein- oder zweischichtig eingebaut werden, wobei die obere Schicht als Oberbeton und die darunter liegende Schicht als Unterbeton bezeichnet wird. In der Regel wird bei Kreisverkehren das Betonmischgut einschichtig und einlagig eingebaut. Der höherwertige Oberbeton muss dann über die gesamte Deckendicke eingebaut werden.
20 Der kostengünstigere zweischichtige Einbau hingegen benötigt einen höheren logistischen Aufwand, der für die vergleichsweise kleine Fläche einer Kreisverkehrsanlage erfahrungsgemäß nicht gerechtfertigt ist. Weiters besteht eine höhere Gefahr von Fehlerquellen, da die beiden Schichten frisch auf frisch einzubauen sind. Verdichtung Es ist auf eine sorgfältige Einhaltung der Konsistenz und der Schüttdichte des Frischbetons zu achten, wobei das Betonmischgut gleichmäßig über den gesamten Querschnitt zu verteilen ist. Beim Einbau mittels Gleitschalungsfertiger dürfen keine Rüttelgassen entstehen. Ein maschineller und stetiger Vorschub verhindert Unebenheiten infolge ungleichmäßiger Verdichtung. Beim händischen Einbau des Betonmischgutes wird der Beton gleichmäßig über den Querschnitt verteilt, verdichtet und mittels einer Abziehbohle auf die gewünschte Höhenlage der fertigen Betonfahrbahndecke abgezogen. Oberfl ächenstruktur Im Allgemeinen erfolgt die Strukturierung der Oberfl äche mit einem Besen (Stahlbesen). Die Oberfl äche ist dazu so auszubilden, dass die Oberfl ä- chenwässer sicher abgeleitet werden können (in der Regel quer zur Fahrtrichtung). 3 Dimensionierung Bei der Oberbaudimensionierung ist grundsätzlich nach RVS 03.08.63 [1] vorzugehen. Aufgrund der erhöhten Beanspruchung ist ein Oberbau gemäß Lastklasse I mit einer Betondeckendicke von 22 cm als Mindestanforderung auszuführen. Bei Straßen mit hohem Schwerverkehranteil wird die Ausführung des Oberbaus gem. Lastklasse S mit einer Betondeckendicke von 25 cm empfohlen, da bei zu gering dimensionierten Plattendicken in Verbindung mit schlechten Bettungsverhältnissen mit dem Auftreten von Kanten- und Plattenbrüchen zu rechnen ist. Aufgrund der Geometrien eines Kreisverkehrs ist die Ausbildung von unregelmäßig geformten Betonplatten notwendig. Gerade im Übergangsbereich ergeben sich bei der Fugenauf- (a) Plattengeometrie im Anschlussbereich bei maschinellem Einbau [3] (b) Plattengeometrie im Anschlussbereich bei händischem Einbau Abbildung 4: Numerisch modellierte unregelmäßige Plattengeometrien (QSF: Querscheinfuge, AF: Anschlussfuge, PF: Pressfuge) [3]
21 teilung spitz zusammenlaufende Geometrien. Um hier die Biegezugspannungen möglichst gering zu halten, ist auf eine sorgfältige Ausbildung zu achten. Bei [3] wurden mit Hilfe von Finiten Elemente FE Methoden die Verkehrslastspannungen von verschiedenen unregelmäßig geformten Betonplatten quantifi ziert. Untersucht wurden die in der Abbildung 4 dargestellten Plattengeometrien. Im Fall (a) handelt es sich um eine spitz zusammenlaufende Betonplatte im Übergangsbereich. Solche Geometrien ergeben sich im Übergangsbereich eines Kreisverkehrs, wenn der zentrale Bereich und der Ein-/Ausfahrtsbereich maschinell mittels Gleitschalungsfertiger aufgefahren werden. Die im Fall (b) dargestellte unregelmäßige Plattengeometrie ergibt sich häufi g beim händischen Einbau. Abbildung 5: Verkehrslastspannungen an der Plattenoberseite für die ungleichmäßige Plattengeometrie im Übergangsbereich, lastfallfreier Plattenrand (25 cm Plattendicke, 50 kn Radlast) [3] Für die in Abbildung 4 dargestellten unregelmäßigen Plattengeometrien wurden jeweils die Verkehrslastspannungen für die Lastfälle freier Plattenrand sowie mit Querkraftübertragung am Plattenrand in Abhängigkeit von Radlast und Betondeckendicke untersucht. Bei einem ungünstigen Lastangriff der Radlast am Beginn der spitz zusammenlaufenden Betonplatte (siehe Abbildung 4a) und einer Plattendicke von 25 cm entsprechend der Lastklasse S nach RVS 03.08.63 [1] ergibt sich die in der Abbildung 5 dargestellte Spannungsverteilung. Wobei eine maßgebende Biegezugspannung an der Plattenoberseite von σ = 3,84 N/mm² auftritt. Dabei würde bei Verwendung der Betonfestigkeits- Abbildung 6: Verkehrslastspannungen an der Plattenoberseite für die ungleichmäßige Plattengeometrie im Übergangsbereich mit Querkraftübertragung durch Verdübelung (25 cm Plattendicke, 50 kn Radlast) [3]
22 klasse C 30/37 der Bemessungswert der Biegezugfestigkeit (fctm = 2,9 N/ mm²) überschritten. Gerade bei zu gering dimensionierten Betonplatten in Verbindung mit höheren Radlasten ist daher bei Anordnung derartiger Plattengeometrien mit Brüchen zu rechnen. Die auftretenden Kräfte in der Zugzone der Betonplatten müssen deshalb durch eine Bewehrung aufgenommen werden, wobei auf die Einhaltung einer Mindestüberdeckung von 4,5 cm zu achten ist. Betrachtet man die in der Abbildung 4b dargestellte Plattenanordnung, so ergeben sich durch die Verdübelung der Anschlussfuge, für die in der numerischen FE-Simulation eine Querkraftübertragung von 60 % angesetzt wurde, die maximalen Biegezugspannungen in der Nachbarplatte des Kreisringsegments (Abbildung 1). Die Ausführung dieser Plattenanordnung ist anzustreben, da es zu Verkehrslastspannungen kommt, die jeweils weit unter der Biegezugfestigkeit liegen. Die Lastklasse I nach RVS 03.08.63 [1] ist für die Dimensionierung einer derartigen Plattenanordnung somit ausreichend, da auch bei höheren Radlasten die max. Biegezuspannungen unter dem Bemessungswert der Biegezugfestigkeit liegen [3]. 4 Zusammenfassung Für die Ausführung von Kreisverkehrsanlagen in Betonbauweise lassen sich somit aus den Ausführungen folgende Empfehlungen ableiten: Betondecke: Mindestdicke 22 cm (Lastklasse I), besser 25 cm (Lastklasse S) Fugenteilungsplan rechtzeitig vor Baubeginn sorgfältige Wahl der Plattengeometrie im Übergangsbereich Ein-/ Ausfahrt Kreisverkehr (Vermeidung von spitzwinkelig zusammenlaufenden Ecken) Dübelanordnung auch in befahrenen Längsfugen Betonsorte C30/37/XF4/XM2 (im Allgemeinen für den Oberbeton) Konsistenz entsprechend den Anforderungen beim Einbau (Einbaumethode, Verdichtungsverfahren, Oberfl ächenstruktur) Anbindungen (Ein-/Ausfahrt) etwa 50 m lang in Beton Bei der Ausführung von Kreisverkehren mit Betonfahrbahndecken kann dann bei ausreichender Dimensionierung und fachgerechter Herstellung eine lange technische Gebrauchsdauer bei geringem Erhaltungsaufwand erzielt werden. Als Hilfestellung für die praktische Ausführung steht dafür ein entsprechendes österreichisches Merkblatt Kreisverkehrsanlagen mit Betonfahrbahndecke vor der Veröffentlichung. Literatur [1] RVS, Richtlinien und Vorschriften für den Straßenbau. Österreichische Forschungsgemeinschaft Straße und Verkehr. RVS 03.08.63: Bautechnische Details, Oberbaubemessung. RVS 08.17.02: Deckenarbeiten, Betondecken, Deckenherstellung. [2] Blab, R. u. Steigenberger, J.: Kreisverkehrsanlagen in Betonbauweise. Zement + Beton, 2/2007, S. 18-21. [3] Wedl, S.: Kreisverkehre mit Betonfahrbahndecken Bemessung und Ausführung. Diplomarbeit am Institut für Straßenbau und Straßenerhaltung, Fakultät für Bauingenieurwesen, Technische Universität Wien, Wien, 2007.