Regenüberlaufbauwerk in Kombinationsbewehrung - Cemex ...

Regenüberlaufbauwerk
in Kombinationsbewehrung
Planung und Ausführung
Sonderdruck
Heinz-Rainer Becker, Hagen
Sonderdruck 114, aus „beton“, Heft 10/2003, Verlag Bau+Technik, Düsseldorf

Planung und Ausführung
Regenüberlaufbauwerk in
Kombinationsbewehrung
Heinz-Rainer Becker, Hagen
Zwischen St. Ingbert und Rohrbach, nahe Saarbrücken, wurden 2003 umfangreiche Arbeiten am Kanalsystem durchgeführt.
Dabei wurde ein unterirdischer, wasserundurchlässiger Regenüberlauf des neugebauten Hauptsammlers 1.0 der Abwasseranlage
Saarbrücken-Brebach mit Kombinationsbewehrung ausgeführt. Die herkömmliche Stabstahlbewehrung wurde hierbei
durch Stahlfaserbeton ergänzt. Obwohl die Vorteile dieser Bauweise für wasserundurchlässige Ausführungen damals bereits
bekannt und auch entsprechende Regelwerke veröffentlicht waren, wurde sie bis dahin selten angewendet.
Nach fast sieben Jahren ist festzustellen, dass eine dauerhafte Lösung mit dieser Technik geschaffen wurde. Daher ist der
damals verfasste Bericht über Anforderungen, Auswahl der Baustoffe und Durchführung immer noch aktuell. Es ist lediglich
darauf hinzuweisen, dass damals gültige Regelwerke aktualisiert wurden.
1 Aufbau des Regenüberlaufs
Bei starken Regenfällen fließen große Wassermassen
in die Kanalisation und verdünnen
das darin befindliche Abwasser sehr stark.
Damit dieses nahezu saubere Mischwasser
nicht die Kläranlagen belastet, wird es an
wichtigen Knotenpunkten in der Kanalisation
durch Regenüberläufe abgeleitet.
Bild 1: Betonage in der Baugrube
Der Regenüberlauf in St. Ingbert steht auf
einer Grundfläche von 23 m 2 (Bild 1). Er hat
in etwa die Form eines Quaders mit den Seitenlängen
6,25 m x 4,75 m und einer Höhe
von 4,20 m. Decke und Bodenplatte sind
30 cm dick, die Wände 25 cm. Mittels einer
Drossel im Inneren wird auch bei Spitzenauslastung
nur eine gewisse Menge des anfallenden
Mischwassers aus der Kanalisation in die
Kläranlage weitergeleitet. Das darüber hi -
nausgehende Wasser steigt in einem Becken
weiter, eine Tauchwand filtert schwimmende
Feststoffe aus dem Wasser, um sie nach dem
Absinken des Wasserspiegels in die Kläranlage
zu fördern. Überschreitet das Wasser einen
Stauschild, wird der Regenwasseranteil in das
benachbarte Becken und von dort durch ein
800er Stahlbetonrohr in den nahe gelegenen
Rohrbach abgeleitet (Bild 2).
In der Decke sind neben einem Wartungsschacht
zwei Schächte zur späteren Installa -
tion der notwendigen Edelstahleinbauteile
angeordnet.
2 Konstruktion
Der Regenüberlauf ist als wasserundurchlässiges
Bauteil konstruiert worden, um sowohl
den Austritt von Abwasser als auch den Eintritt
von Grundwasser zu vermeiden. Hieraus
resultierten neben besonderen Anforderungen
an den Beton auch solche an die Gestaltung
der Konstruktion, nämlich eine weit -
gehend fugenlose Bauweise sowie eine Bewehrung,
die die Rissbreite auf max. 0,25 mm
beschränkt.
3 Planung
Der Bauherr des Regenüberlaufs, der Entsorgungsverband
Saar, hatte das Becken als herkömmliche
Stahlbetonkonstruktion ausgeschrieben
und entsprechend planen lassen.
Um die Qualität des Bauteils zu steigern,
machte das Transportbetonunternehmen, die
Readymix Saar Mosel GmbH, heute CEMEX
Deutschland AG, Region Rhein-Saar-
Mosel, den Sondervorschlag, Stahlfaserbeton
in Kombinationsbewehrung einzusetzen, womit
bei mehreren Projekten bereits Erfah -
rungen gesammelt werden konnten. Über die
positiven Eigenschaften von Stahlfaserbeton
4,75
Zulauf
DN 900
Grundriss
6,25
Zum
Vorfluter
DN 800
Drosselklappe
Ablauf
DN 300
Bild 2: Funktionsskizze des Regenüberlaufs
Der Autor:
Dipl.-Ing. Heinz-Rainer Becker studierte an
der Bergischen Universität Wuppertal. Von
1989 bis 1991 war er wissenschaftlicher Mitarbeiter
in der Arbeitsgruppe: Viskoelastisches
Stoffverhalten anisotroper Stahlbetontragwerke.
Nach der Mitarbeit in verschiedenen
Ingenieurbüros ist er seit 1985
selbstständig als Beratender Ingenieur tätig.
Hauptschwerpunkte seines Wirkens ist der
Industrie- und Wohnungsbau.
2,50
2 [10/2003] beton

Last [N]
Rissbreite [1/100 mm]
90
80
70
ohne Stahlfasern
mit Stahlfasern
60
50
40
30
20
10
0
1 10 100 1 000 10 000 100 000 3 Million
1 Million
Lastwechsel
Bild 3: Rissbreitenentwicklung im Schwellenversuch, aus [3]
bezüglich der Rissbreitenbeschränkung liegen
Erkenntnisse, z.B. aus dem Bereich Fester
Fahrbahnen sowie bei der Anwendung in
Weißen Wannen im Hoch- und Industriebau,
vor. Bei dem Regenüberlauf sollte nun
der Einsatz einer Kombinationsbewehrung
bei einem wasser undurchlässigen Bauwerk
der Wasserwirtschaft erprobt werden.
3.1 Bemessung der
Kombinationsbewehrung
Die Bemessung der Tragfähigkeit und die
Mindestbewehrung zur Begrenzung der Riss -
breite basieren auf dem DBV-Merkblatt
„Stahlfaserbeton“ [1] und der neuen DIN
1045-1 [2]. Da die Stahlfasern bei dieser
Konstruktion keine statische Funktion zur
Erhöhung der Tragfähigkeit übernehmen,
sondern lediglich zur Reduzierung der Riss -
breite eingesetzt werden, ist in diesem Fall
auch keine Zustimmung im Einzelfall oder
Bauartzulassung erforderlich.
Bei der Berechnung der Mindestbewehrung
zur Begrenzung der Rissbreite darf nach
DBV-Merkblatt die wirksame Zugfestigkeit
f ct,eff des Betons zum betrachteten Zeitpunkt
um den charakteristischen Wert der äquiva-
0,65
Verformungsbereich I
Faser mit
kontinuierlicher Verankerung
Durchbiegung [mm]
Faser mit
Endverankerung
Bild 5: Schematischer Vergleich des Leistungsprofils verschiedener
Fasertypen
lenten Zugfestigkeit
f eq, ctkl des Stahlfaserbetons
reduziert
werden. Im Ergebnis
dieser Bemessung
erhält man
ein Bauteil mit oft
deutlich reduziertem
Stab stahlanteil.
Dass die Zugabe
von Stahlfaserbeton
bei gleich bleibendem
Stabstahlanteil
die Riss breite deutlich
reduziert, haben
Untersuchungsergebnisse
der TU
Braunschweig zum
System der Festen
Fahrbahn der Firma
Hochtief gezeigt
(Bild 3) [3]. Außerdem zeigen dynamische
Versuche, dass auch die mechanische
Dauerhaftigkeit erhöht wird.
Neben der Grünstandfes tigkeit
werden durch die oberflächennahen
Stahlfasern
auch die
Schlagfes tigkeit
und der Abriebwiderstand
höht [4, 5].
er-
3.2 Statische
Berechnung
Für die Konstruktion
des Sondervorschlags
in Kombinationsbewehrung
erstellte das Ingenieurbüro
Becker – Görz –
Meister, Hagen, eine Statik,
bei der im Gegensatz zur ursprünglichen
Statik des Bauherrn jeder
einzelne Bereich des Bauteils mit der Finite-
Elemente-Methode dreidimensional betrachtet
und sein Anteil an der Lastabtragung
berücksichtigt wurde (Bild 4).
Das Ergebnis war
eine genauere Berechnung
der für die
Tragfähigkeit be -
nötigten Stabstahlbewehrung,
die nun
wesentlich geringer
ausfiel als in der ursprünglichen
Statik.
So wurden jetzt z.B.
in den Wänden statt
der vorher eingeplanten
8 cm 2 /m nur
noch 4 cm 2 /m Stabstahl
als statische
Bewehrung be nö -
tigt. Um darüber
hinaus die Anforderung
an die Gebrauchstauglichkeit
zu erfüllen, die für
das Bauteil eine Begrenzung
der Riss -
breiten auf max. 0,25 mm vorsieht, hätte ergänzend
zur statischen Bewehrung noch ein
zusätzlicher Stahlquerschnitt von 5 cm 2 /m
eingelegt werden müssen. Der Tragwerksplaner
ließ diesen Anteil der Bewehrung adäquat
durch einen Stahlfaserbeton der Faserbetonklasse
1,2 im Verformungsbereich I (kleine
Verformungen und Risse) ersetzen. Die Gewährleistung
dieser Anforderung an den Beton
musste vom Transportbetonwerk erbracht
werden.
3.3 Auswahl der Stahlfaser
Bei Stahlfasern, die im „gerissenen“ Baustoff
Beton eingesetzt werden, unterscheidet man
zwischen zwei Fasertypen: Auf der einen Seite
Fasern, die bei kleinen Rissbreiten ihre optimale
Wirkung entfalten, und auf der anderen
Seite die, deren Einsatz
bei größeren
Riss breiten
Bild 4: Dreidimensionale Betrachtung des Bauteils
per Finite-Elemente-Methode
vorteilhafter ist (Bild 5). Sie unterscheiden
sich hinsichtlich Materialgüte, Länge, Querschnitt
und Profilierung. Außerdem muss der
Anwender bei der Auswahl der Fasern immer
einen Kompromiss eingehen: Für eine hohe
Tragfähigkeit müsste ein hoher Stahlfaser -
gehalt mit starker Profilierung der Faser eingesetzt
werden. Zur Erzielung einer guten
Verarbeitbarkeit wird hingegen gerne ein
niedrigerer Stahlfasergehalt mit geringer Profilierung
der Faser verwendet.
Nach Abwägen aller Vorgaben und einem
Preis-Leis tungs-Vergleich der auf dem Markt
angebotenen Fasern entschied sich der Tragwerksplaner
für eine Zusammenarbeit mit der
Stratec Strahl- und Fasertechnik GmbH aus
Hemer. Basierend auf deren langjährige Erfahrungen
aus Versuchen und Praxiseinsätzen
wurde gemeinsam mit der Firma Readymix,
der heutigen CEMEX Deutschland AG und
dem Planer der Fasertyp „FFW“ ausgewählt,
mit dem die Faserbetonklasse 1,2 erreicht
wird. Diese Faser entfaltet durch ihre kontinuierliche
Wellung bzw. Verankerung eine
zuverlässige Wirkung bei kleinen Rissen. Da
die Fasern trotzdem klein und in den Beton
beton [10/2003] 3

Bild 6: Betonage der Bodenplatte
Bild 7: Faserfreie, geschlossene Oberfläche
gut einzumischen sind, ermöglichen sie einen
leicht verarbeitbaren Beton.
4 Herstellen des Betons
4.1 Betonzusammensetzung
Um die Gefahr von Anfangsrissen infolge
der Hydratationswärmeentwicklung des Zements
zu reduzieren, entschieden sich Tragwerksplaner
und Bauunternehmen für den
Einsatz eines Hochofenzements CEM III/A
32,5 N. Mit einem Zementgehalt von 330
kg/m 3 , einem Wasserzementwert ≤ 0,54 sowie
einer nach 56 Tagen ermittelten Druckfestigkeit,
die einem C25/30 entsprach, wurden
die Anforderungen an einen Beton für
die Expositionsklassen XC4, XF1 und XA1
erfüllt. Das Schwindmaß war gering, wodurch
sich niedrige Zwängungskräfte einstellten.
Ebenso wurde eine sehr geringe
Wassereindringtiefe erzielt. Zur besseren
Verarbeitbarkeit des Betons wurde das
Größtkorn der Gesteinskörnung auf 16 mm
begrenzt und ein Fließmittel (1 M.-% vom
Zement) zugegeben.
4.2 Vorversuche
Einige Vorversuche im Labor des Transportbetonlieferanten
sollten das Verhalten der
Stahlfasern bei der Zugabe und im fertig gemischten
Beton zeigen. Um eine homogene
Untermischung der Fasern im Beton zu gewährleisten,
wurde eine Mischanweisung
entwickelt. Die Kontrolle der Betonmischung
durch Auswaschversuche und Pumpversuche
erbrachte ein zufrieden stellendes
Ergebnis.
4.3 Mischvorgang
Im Transportbetonwerk wurden die Stahl -
fasern gemeinsam mit dem Kies über ein Förderband
dem Tellermischer zugeführt. Die
Fasern verballten nicht, sodass sich eine homogene,
gut verarbeitbare Mischung ergab.
Der Beton wies auf der Baustelle mit einem
Ausbreitmaß von 50 cm bis 53 cm eine sehr
weiche Konsistenz (Konsistenzklasse F4) auf.
5 Durchführung der Betonarbeiten
Auf dem verdichteten Schotter wurde
zunächst eine Sauberkeitsschicht aus Magerbeton
eingebracht. Nach der Erstellung der
Randschalung und der Verlegung der Bewehrung
für die Bodenplatte und der Anschluss -
bewehrung für die Wände wurden rd. 10 m 3
Profilbeton eingebracht (Bild 6), etwa 7 m 3
davon für die Bodenplatte und der Rest als
Bettung für die Betonrohre der Zu- und Abflüsse.
Etwaige Bedenken zur Verarbeitbarkeit
des Stahlfaserbetons wurden gleich bei seinem
ersten Einsatz zerstreut. Die Kon -
sistenz des Betons war einwandfrei und er
ließ sich ebenso gut wie ein normaler Beton
einbringen und verdichten. Eine Entmischung
des Baustoffs wurde in keinem Fall
beobachtet.
Am nächsten Tag wurde die Innenschalung
gestellt, die Bewehrung für die Wände
verlegt und die Außenschalung errichtet. Die
Wände, für die rd. 14,5 m 3 Beton notwendig
waren, verblieben nach der Betonage noch
vier Tage in der Schalung, um ein langsames
und gleichmäßiges Erhärten des Betons zu
gewährleisten.
Die durch die Umplanung erreichte Reduzierung
der Bewehrung um 40 % und die damit
einhergehende Reduzierung der Stabstahldurchmesser
wirkte sich vor allem auf
das Einbringen des Betons für die 25 cm
dicken Wände positiv aus. Hätte nach der ursprünglichen
Planung eine durch die eng liegende
Bewehrung sehr schmale Betoniergasse
den Einbau des Betons erschwert, war nun
mit 11 cm genügend Platz vorhanden, um das
Schüttrohr optimal zu positionieren und den
Beton gleichmäßig einzubauen.
Nach dem Ausschalen der Wände wurden
die Schalung für die Decke und die Schächte
aufgebaut, die Bewehrung verlegt sowie rd.
7m 3 Beton eingebracht.
6 Fertigstellung des Regenüberlaufs
Nach Beendigung der Rohbauarbeiten wurden
die in den Arbeitsfugen zwischen Bodenplatte,
Wänden und Decke bzw. zwischen Außenwänden
und Rohren verlegten Fugenverpressschläuche
verfüllt und der Innenausbau vorgenommen.
Die Inbetriebnahme des Regenüberlaufs
erfolgte Ende September 2003.
7 Zusammenfassung
Der Bauablauf und die Betonierergebnisse haben
Bauherrn, Bauunternehmen und Planer
darin bestärkt, dass die Umplanung des Regenüberlaufbauwerks
ein guter Schritt war.
Durch den Einsatz der Kombinationsbewehrung
und die damit verbundene Reduzierung
der Stabstahlmenge ergab sich ein eindeutiger
Zeit- und Kostenvorteil. Gleichzeitig ist dieses
Bauteil widerstandsfähiger gegen Verschleiß
und damit robuster und somit langlebiger als
vergleichbare Bauteile mit reiner Stabstahlbewehrung.
Der Stahlfaserbeton zeigte eine nahezu
vollständig geschlossene Oberfläche
(Bild 7). Was in St. Ingbert mit einem ersten
Bauteil begonnen hat, soll bei wasserundurchlässigen
Stahlbetonbauteilen bald schon zum
Tagesgeschäft des Bauteams werden. Weitere
Abwasseranlagen mit Kombinationsbewehrung
befinden sich bereits in der Planung.
Literatur
[1] DBV-Merkblatt „Stahlfaserbeton“ (Fassung Oktober
2001), Deutscher Beton-Verein E.V., Berlin
[2] DIN 1045-1: Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und
Spannbeton; Teil 1: Bemessung und Konstruktion
(Fassung Juli 2001)
[3] Dorgarten, H.-W.; Dahl, J.: Feste Fahrbahn System
Hochtief. Beitrag in dem Buch Faserbeton von
G. König, K. Holschemacher, F. Dehn (Hrsg.), Bauwerk
Verlag GmbH, Berlin 2002
[4] Zitzelsberger, T.; Mandl, J.: Neues DBV-Merkblatt
„Stahlfaserbeton“. beton 52 (2002) H. 1, S. 16–20
[5] Jacobs, F.: Betonabrasion im Wasserbau. beton 53
(2003) H. 1, S. 16–23
4 [10/2003] beton