10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 95 Nutzungsgerechte Anforderungen an Industrieböden Dr.-Ing. Gerhard Stenzel ö. b. v. Sachverständiger für Beton-, Stahlbeton- und Spannbetonbau ALLVIA Ingenieurgesellschaft mbH, Maisach Einführung Beton-Bodenplatten im Industrie-und Hallenbau dienen als Fahrbahn, Lagerfläche und Gründungsbauteil. An die Gebrauchseigenschaften der Beton-Bodenplatten werden hohe Anforderungen gestellt, um die Funktionstauglichkeit des Industriebodens sicherzustellen. Deshalb ist gerade bei Beton-Bodenplatten eine ganzheitliche Betrachtung der Planungs- und Bauaufgabe besonders wichtig, damit der Planer gemeinsam mit dem Bauherrn eine wirtschaftliche Konstruktion (niedrige Herstellkosten und geringer Unterhaltsaufwand) erarbeiten kann. Wichtiges Hilfsmittel für Planer und Bauherrn ist das DBV-Merkblatt „Industrieböden aus Beton“ [1]. In diesem Merkblatt werden insbesondere den Planern wertvolle Hinweise gegeben für die Festlegung von nutzungsgerechten Anforderungen an Industriefußböden im Rahmen der Bedarfsplanung. 1. Planung Die Anforderungen an Industriefußböden aus deren Nutzung sind so vielfältig wie die Tätigkeitsfelder der Nutzer. Die wesentlichen Anforderungen an die Gebrauchseigenschaften sind: - Rutschfestigkeit, - Ebenheit, keine Höhenversätze an Fugen, - einwandfreie Entwässerung in Nassbereichen, - Verschleißfestigkeit, - Widerstand gegen chemischen Angriff, - elektrische Ableitfähigkeit, - Wärmedämmung zum Erdreich (selten: Beheizung), - geringe Unterhaltskosten, - leicht zu pflegen und zu reinigen. Dies alles ist erfüllbar, wenn sorgfältig geplant, konstruiert, bemessen und ausgeführt wird. Hierbei kommt naturgemäß der Planung die größte Bedeutung zu, weil der Planer den Bauherrn hinsichtlich der technischen Machbarkeit und der Wirtschaftlichkeit seiner Wünsche berät. Anschließend setzt der Planer die im Rahmen der Entwurfsplanung erarbeiteten Anforderungen in eine Ausschreibung, in Ausführungsunterlagen und in ein Überwachungs- und Abnahmekonzept um. Allerdings erwartet der Bauherr manchmal von der Planung und Bauausführung mehr, als in der Praxis erfüllbar ist. Zu den Anforderungen, die nicht oder nicht vollständig erfüllt werden können, gehören beispielsweise: - eine fugenlose und zugleich rissefreie Ausführung, - rissefreie Betonflächen mit großen Fugenabständen, - besondere Anforderungen an die Ebenheit, die über die in Zeile 2b, Tabelle 3, nach DIN 18202 [2] (12 mm bei 4 m Messstrecke) definierten Anforderungen hinaus gehen, - die Einhaltung der VDMA-Richtlinie (vormals DIN 15185-1) für Schmalgang-Flurförderzeuge ohne nachträgliches Schleifen oder den zusätzlichen Einbau eines Verbundestrichs, - eine schadensfreie maschinelle Glättung von Beton mit Luftporenbildner, - optisch einheitliche Betonflächen ohne beton- und glätttypische Marmorierungen, ohne Krakeléerisse und/ oder ohne teilflächige Unterschiede in der Farbtönung. Im DBV-Merkblatt [1] finden Planer insbesondere in den Tabellen 1 und 2 die für die Funktionstauglichkeit wesentlichen Empfehlungen und Grundsätze: Buch IB.indb 95 11.02.20 12: 53 96 10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 Nutzungsgerechte Anforderungen an Industrieböden Buch IB.indb 96 11.02.20 12: 53 10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 97 Nutzungsgerechte Anforderungen an Industrieböden Diese Grundsätze gelten uneingeschränkt für im baurechtlichen Sinn nichttragende Beton-Bodenplatten. Tragende oder aussteifende Bodenplatten sind darüber hinaus bei entsprechenden Einwirkungen in die Expositionsklassen der DIN EN 1992-1-1 [3] einzuordnen. Eine wesentliche Ursache von Schäden bzw. Streitigkeiten mit dem Bauherrn sind Fugen. Die sorgfältige Planung aller Arten von Fugen ist Aufgabe des Planers und muss in einem Fugenplan (in der Regel im Maßstab 1: 50) oder in den Rohbauzeichnungen dargestellt werden. Bei Konstruktionen mit Scheinfugen ist der Bauherr vom Planer darauf hinzuweisen, dass diese Fugen bei dynamischer Belastung reparaturanfällig sind, weil die Kanten ausbrechen können und dass Risse außerhalb der planmäßigen Scheinfugen nicht ausgeschlossen werden können. Beton-Bodenplatten sind multifunktionale Bauglieder, auf die unter anderem folgende Beanspruchungen einwirken können: - Gabelstapler- und LKW-Verkehr, - Lagerlasten (Paletten, Schüttgüter), - Regallasten (inkl. Aussteifungen), - Belastung durch tragende/ nichttragende Wände, - Aufstellung von Maschinen, - mechanische und chemische Beanspruchungen, - Wasserdruck (von unten oder oben), - Setzungen und Bergsenkungen, - Gleichmäßige Temperaturänderungen ts, - Temperaturgradienten Dt, - Schwinden und Quellen des Betons, - Kriechverformungen des Betons, - Frost. An dieser Stelle sei besonders auf die dynamisch wirkenden Einzellasten aus Maschinen- oder Gabelstaplerbetrieb hingewiesen. Schwingbeiwerte aus Radlasten (z. B. aus Gabelstapler- oder LKW-Verkehr) dürfen wegen der elastischen Bettung des Industriebodens auf φ = 1,2 begrenzt werden. Dies gilt nicht für direkt befahrene Bodenkanäle, Kellerdecken oder Geschossdecken (φ = 1,4 oder 2,0). Die folgende Tabelle 5 aus dem DBV-Merkblatt zeigt die charakteristischen Werte für Gabelstaplerbetrieb gemäß DIN EN 1991-1-1 [4]: Bei der Ermittlung der Eigen- und Nutzlasten von Regalanlagen ist es notwendig, die Angaben der Hersteller kritisch zu hinterfragen. Auch wenn der Regalhersteller dies nicht angibt, ist zur Erzielung einer ausreichenden Sicherheit gegen Umkippen immer eine Horizontallast in Höhe von 1/ 100 der Gesamtlast in Höhe des Schwerpunkts anzunehmen. Der Ansatz der vollen Regallasten bzw. der Flächenlasten gemäß Tabelle 5 des DBV-Merkblatts ist insbesondere notwendig für die Ermittlung von zentrischen Zwangbeanspruchungen der Beton-Bodenplatte bei Reibungsbehinderung. Vor allem bei Beton-Bodenplatten im Freien und in offenen Hallen, aber auch bei Hallenböden im Bereich von Toren und Glasfassaden, sind gleichmäßige Temperaturänderungen ts zu berücksichtigen. In Deutschland soll die minimale Außenlufttemperatur zu -24 °C und die Buch IB.indb 97 11.02.20 12: 53 98 10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 Nutzungsgerechte Anforderungen an Industrieböden maximale Außenlufttemperatur zu +37°C angenommen werden. Das heißt, Längenänderungen von Plattenfeldern im Freien sind für 24 K + 37 K @ 60 K zu ermöglichen. Dabei ist als Herstelltemperatur die um den Betrag der Hydratationswärmeentwicklung (ca. 10 K bis 30 K) erhöhte durchschnittliche Frischbetontemperatur anzunehmen. Zusätzlich sind Schwind- und Quellverformungen des Betons bei der Dimensionierung von Fugenkonstruktionen anzusetzen. Der Verfasser empfiehlt, für Freiflächen und offene Hallen 0,09 K/ mm (oben wärmer) bzw. 0,04 K/ mm (unten wärmer) anzusetzen (dies gilt unter Umständen auch für den Bauzustand bei Hallenböden). In geschlossenen Hallen ist der Ansatz eines Temperaturgradienten nicht erforderlich, wenn die Beton-Bodenplatte erst nach der Fertigstellung von Dach und Außenwänden betoniert und die Halle vor der Frostperiode bereits beheizt wird. Der Regelfall ist aber, dass aus baubetrieblichen Gründen zwar das Dach fertiggestellt, aber die Außenwände noch nicht geschlossen sind, wenn die Beton-Bodenplatte betoniert wird. In diesem Fall und wenn große Fassadenverglasungen oder viele Tore (Logistikzentren) vorhanden sind empfiehlt der Verfasser, bei der Bemessung einen Temperaturgradienten von 0,04 K/ mm (sowohl für oben als auch für unten wärmer) anzusetzen. Der Ansatz eines Temperaturgradienten Dt = 0,04 K/ mm ist insbesondere auch bei Hallenböden erforderlich, die zwar nach Herstellen des Hallendachs, aber vor dem vollständigen Schließen aller Fassadenflächen betoniert werden. Die daraus resultierende Reduzierung des Fugenabstands könnte vermieden werden, wenn bis zum vollständigen Schließen der Fassadenflächen ein Befahren des Hallenbodens untersagt wird; dies dürfte aber bei den immer kürzer werdenden Bauzeiten kaum praxisgerecht sein. 2. Konstruktion Den prinzipiellen Aufbau einer Beton-Bodenplatte zeigt das folgende Bild: Zur Erreichung einer gleichmäßigen und homogenen Auflagerung ist die Anordnung einer Tragschicht immer erforderlich. Bei sehr tragfähigem Untergrund kann die Tragschicht selbstverständlich durch Aufnehmen und Wiedereinbauen des vorhandenen Bodenmaterials hergestellt werden. Gleichermaßen wichtig ist, dass der vorhandene Untergrund auch im Bereich von Fundament-arbeitsräumen und Rohrleitungsgräben sorgfältig wieder eingebaut wird. Beim Einbau des Betons von Hand ist die Anordnung einer Gleitschicht (z. B. eine Lage Vlies oder PEFolie) immer sinnvoll, während sich beim Einbau mit Straßendeckenfertigern die Verwendung eines Vliesstoffes auf hydraulisch gebundenen Tragschichten durchgesetzt hat. Dies gilt selbstverständlich auch, wenn statt einer hydraulisch gebundenen Tragschicht eine Sauberkeitsschicht geplant wird. Konstruktionsarten mit Scheinfugen eignen sich in der Regel nicht für spätere Beschichtungen. Wenn ein Gefälle erforderlich ist, so ist dies bereits in der Planung mit mindestens 2,5% zu berücksichtigen. Die Anforderung an die Ebenheit der Oberfläche der Betonplatte ist nach DIN 18202 [2] zu vereinbaren. Liegt keine Vereinbarung vor, gilt DIN 18202, Tabelle 3, Zeile 2b als Mindeststandard. Zum Thema Untergrund und Tragschicht enthält das DBV-Merkblatt [1] ebenfalls Angaben, die aber projektspezifisch angepasst werden können. Als Anhaltswerte für die Mindestdicke von Tragschichten kann die folgende Tabelle 2 aus [5] herangezogen werden: Buch IB.indb 98 11.02.20 12: 53 10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 99 Nutzungsgerechte Anforderungen an Industrieböden Als Konstruktionsarten stehen unbewehrte Beton-Bodenplatten, Stahlfaserbeton-Bodenplatten, Stahlbeton-Bodenplatten oder Spannbeton-Bodenplatten zur Verfügung. Unbewehrte Beton-Bodenplatten eignen sich besonders für Freiflächen, eine sorgfältige Planung und Ausführung analog zum Betonstraßenbau ist Voraussetzung. Beim Einsatz in Hallen muss ebenfalls besonderer Wert auf das rechtzeitige Einschneiden von Scheinfugen in engem Raster gelegt werden. Diese Scheinfugen müssen im Regelfall verdübelt werden, z. B. gemäß ZTV Fug StB 15. Es wird darauf hingewiesen, dass Scheinfugen im Bereich von Fahrgassen bei Gabelstaplerbetrieb sehr wartungsintensiv sind und zu Kantenausbrüchen neigen. Die Bemessung erfolgt gemäß dem Entwurfsgrundsatz a (rissvermeidende Bauweise) im Zustand I. Für die Konstruktion von Industriefußböden aus Stahlfaserbeton gelten die Anforderungen an den Untergrund und die Tragschicht genauso wie auch für alle anderen Konstruktionsarten von Beton-Bodenplatten. Auch müssen Stahlfaserbeton-Bodenplatten (genauso wie unbewehrte Betonplatten) in Plattenfelder (max. 35 x h < 8,50 m) eingeteilt werden, die im Regelfall zu verdübeln sind. Als Mindestdicke wird in [1] 180 mm angegeben. Der Verfasser empfiehlt, mindestens 200 mm zu wählen und Stahlfaserbeton-Bodenplatten bei Gabelstaplerbetrieb nur bis zur Kategorie FL3 einzusetzen. Wegen der Gefahr des Herausrostens der Stahlfasern an der Bodenplattenoberfläche ist ein Einsatz nur in trockenen Bereichen von geschlossenen Hallen sinnvoll. Die Anwendung von Stahlfaserbeton für tragende Bodenplatten erfordert in Deutschland einen Nachweis gemäß DAfStb-Richtlinie Stahlfaserbeton und führt in der Regel zum Einbau einer bereichsweisen Betonstahlbewehrung. Die Verwendung von Kunststofffasern stellt eine ungeregelte Bauweise dar und wird vom Verfasser wegen mangelnder Eignung nicht empfohlen. Zur Erzielung einer gleichwertigen Dauerhaftigkeit werden Stahlbeton-Bodenplatten nach den gleichen Konstruktionsprinzipien wie unbewehrte Beton-Bodenplatten konstruiert. Als Mindestdicke wird im DBV-Merkblatt 180 mm angegeben. Der Verfasser empfiehlt, bei Gabelstaplerbetrieb bis Kategorie FL3 eine Mindestdicke von 200 mm und ab Kategorie FL4 mindestens 220 mm zu planen. Zweilagig bewehrte, fugenlose Stahlbeton-Bodenplatten sind immer dann zweckmäßig, wenn: - die Bodenplatte beschichtet werden soll, - die Bodenplatte wasserundurchlässig sein soll, - hohe Regallasten aufzunehmen sind, - Gabelstapler der Kategorie FL4 und schwerer verkehren, - ungleichmäßige Baugrundsetzungen erwartet werden. Die Bemessung einer Stahlbeton-Bodenplatte kann bei nichttragenden Bodenplatten, z. B. gemäß DIN EN 199211 [3] erfolgen, für (baurechtlich) tragende Bodenplatten muss der Tragfähigkeitsnachweis gemäß DIN EN 199211 geführt werden. Der Tragwerksplaner hat bei bewehrten Bodenplatten in Abhängigkeit von der Beanspruchung und der Nutzung die rechnerische Rissbreite festzulegen (Entwurfsgrundsatz b) und mit dem Objektplaner und dem Bauherrn abzustimmen. Die Bewehrung zur Begrenzung der Rissbreiten infolge Zwang kann durch die planerische Festlegung kleinerer Feldgrößen oder durch Vorspannung reduziert werden. Buch IB.indb 99 11.02.20 12: 53 100 10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 Nutzungsgerechte Anforderungen an Industrieböden Bei besonders hohen Anforderungen an den Industriefußboden kann die Wahl einer Spannbeton-Bodenplatte zweckmäßig sein, z. B. für: - große Flächen mit großen Fugenabständen, - hoch beanspruchte Flächen, - Flächen, die weitgehend frei von Rissen sein sollen, - mit einbetonierten Heizleitungen ausgerüstete Flächen, - Auffangwannen gemäß Wasserhaushaltsgesetz (WHG), - Freiflächen im Flugplatzbau. Zur Ausführung kommt üblicherweise eine mittig angeordnete Vorspannbewehrung, z. B. aus gefetteten Monolitzen ohne Verbund im PE-Hüllrohr (Fettlitzen) aus St 1860. 3. Ausführung An die Ausführung von Beton-Bodenplatten werden hohe Anforderungen gestellt, weil die fertige Oberfläche unmittelbar vom Nutzer beansprucht wird. Folgende Punkte sind für die Gebrauchsfähigkeit und Dauerhaftigkeit besonders zu beachten: - Überprüfung der Tragfähigkeit des Untergrunds, - Kontrolle des Verdichtungsgrads der Tragschicht, - bei Freiflächen: wirksame Entwässerung der Tragschicht/ Frostschutzschicht, - Ebenheit des Untergrunds (max. 3 cm bei 4,00 m Messstrecke), - Ebenheit der Tragschicht (max. 2 cm bei 4,00 m Messstrecke), - sorgfältiges und faltenfreies Verlegen von Trennschichten, - lagegenaues Einbringen der Bewehrung beziehungsweise der Fugenverdübelung auf ausreichend dimensionierten, stabilen Abstandhaltern, - rechtzeitige Bestellung der vom Planer vorgegebenen Betonsorte (mind. C 25/ 30, besser XD1 mit w/ z = 0,55, geeignet für maschinelle Glättung, ohne Fremdeinschlüsse wie Altholz oder Kreide, ohne Restwasser), - Frischbetontemperatur max. 25° C (20° C sind anzustreben), - sorgfältiger Einbau und gewissenhaftes Verdichten des Betons, - profilgerechtes Abziehen und Abscheiben/ Glätten der Betonoberfläche, - bei Bedarf Ausführung einer Zwischennachbehandlung, - rechtzeitiges Einarbeiten einer Hartstoffeinstreuung (falls geplant), - rechtzeitiger Beginn der Nachbehandlung, - ggf. Einschneiden von Scheinfugen zum frühestmöglichen Zeitpunkt, - volle Belastung der Bodenplatte frühestens nach 14 Tagen. Vor allem bei Freiflächen sollte eine Beaufschlagung mit Tausalz oder Taumitteln in den ersten zwei Monaten nach der Herstellung vermieden werden. Falls das nicht möglich ist, hat sich das Aufbringen einer hydrophobierenden Imprägnierung bewährt. Die Imprägnierung bewirkt eine zeitlich begrenzte Verbesserung des Frost- und Tausalzwiderstandes durch die Verringerung der kapillaren Wasseraufnahme. An dieser Stelle sei besonders auf die Notwendigkeit der betontechnologischen Betreuung der Bauausführung hingewiesen. Die optimale Betonzusammensetzung und Zementauswahl kann nur in enger Zusammenarbeit von Tragwerksplaner, Baustofftechnologen und bauausführendem Unternehmen gefunden werden. Insbesondere beim Betonieren im Sommer ist eine realistische Eignungsprüfung und Festlegung der maximalen Frischbetontemperatur notwendig. Hierzu wird im DBV-Merkblatt [1] empfohlen, die Frischbetontemperatur auf max. 25 °C zu beschränken. Darüber hinaus empfiehlt der Verfasser die infolge der Hydratationswärme entstehende Zwangbeanspruchung rechnerisch nachzuweisen (Temperaturanstieg z. B. von 25 °C auf 55 °C). Das heute weit verbreitete und übliche Einstreuen eines Hartstoff-/ Zementgemischs (ca. 4 bis 5 kg/ m²) zur Erhöhung des Verschleißwiderstands als Alternative (nur möglich bei nichttragenden Bodenplatten) zu einer Betonbestellung XM2 hat sich bewährt, wenn die Einarbeitung mit dem Flügelglätter rechtzeitig (nicht zu früh, aber auf keinen Fall zu spät) von einer handwerklich guten Fachfirma erfolgt. Bei zu später oder mangelhafter Einarbeitung löst sich die Hartstoffeinstreuung ab und die Oberfläche wird zu Recht bemängelt. Besondere Sorgfalt erfordert die Ausführung von Scheinfugen und Dehnfugen: Im Freien ist immer ein elastischer Fugendichtstoff einzusetzen, der allerdings intensive Pflege und Wartung benötigt, z. B. gemäß dem folgenden Bild aus der ZTV Fug StB 15: Buch IB.indb 100 11.02.20 12: 53 10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 101 Nutzungsgerechte Anforderungen an Industrieböden Kleine Fehlstellen müssen laufend ausgebessert werden, weil Feuchtigkeit und Schmutz eindringen können und die Fuge dann nicht mehr „funktioniert“. In geschlossenen Hallen ohne große thermische Beanspruchungen können Scheinfugen ebenfalls elastisch geschlossen werden. Ein beispielhaftes Detail dafür enthält das DBV-Merkblatt [1]: Dabei ist zu beachten, dass die Fugenbreite 8 mm nur bei optimalen Randbedingungen gilt, sie muss vom Planer im Einzelfall ermittelt werden. Die Fugenflanken müssen angefast oder mit einem Korundstein gebrochen werden. Eine intensive Pflege und Wartung benötigen auch Beschichtungen, die naturgemäß weit weniger dauerhaft als der Baustoff Beton sind. Das DBV-Merkblatt [1] empfiehlt die Ausführung eines Oberflächenschutzsystems OS 8 gemäß Richtlinie für Schutz und Instandsetzung von Betonbauteilen, weil rissüberbrückende Beschichtungen OS 11 bei starker mechanischer Beanspruchung (z. B. durch Gabelstaplerverkehr) keine ausreichende Dauerhaftigkeit zeigen. 4. Zusammenfassung Für die Herstellung von Beton-Bodenplatten stehen verschiedene Konstruktionsmöglichkeiten zur Auswahl. Für jeden Einzelfall, ob Freifläche oder Hallenboden, ob tragend oder nichttragend, stehen optimale Lösungen zur Verfügung: unbewehrter Beton, Stahlfaserbeton, Stahlbeton oder vorgespannter Beton. Alle vier Konstruktionsarten weisen vom Grundsatz her ein ähnliches Tragverhalten auf und benötigen immer sowohl einen tragfähigen Untergrund als auch eine richtig dimensionierte Tragschicht, damit eine funktionstaugliche, wartungsarme und dauerhafte Konstruktion entsteht. Beschichtungen und Fugenkonstruktionen sind weniger dauerhaft als der Baustoff Beton und erfordern deshalb eine regelmäßige Pflege und Instandhaltung. Buch IB.indb 101 11.02.20 12: 53 102 10. Kolloquium Industrieböden - März 2020 Nutzungsgerechte Anforderungen an Industrieböden 5. Literatur [1] Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein e.V.: DBV-Merkblatt Industrieböden aus Beton, Fassung Februar 2017 [2] DIN 18202: 2013-04: Toleranzen im Hochbau - Bauwerke, Berlin: Beuth Verlag GmbH [3] DIN EN 1992-1-1: 2011-01: Eurocode 2: Bemessung und Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken - Teil 1-1: Allgemeine Bemessungsregeln und Regeln für den Hochbau, Berlin: Beuth Verlag GmbH [4] DIN EN 1991-1-1: 2010-12: Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke - Teil 1-1: Allgemeine Einwirkungen auf Tragwerke - Wichten, Eigengewicht und Nutzlasten im Hochbau, Berlin: Beuth Verlag GmbH [5] Stenzel, Gerhard: BetonBodenplatten für Hallen- und Freiflächen - Konstruktion und Bemessung, in: Beton- und Stahlbetonbau 100 (2005), Heft 4, S. 277 bis 288 [6] Stenzel, Gerhard: Industriefußböden, Berlin: Ernst & Sohn Verlag, in: Beton Kalender 2006, Teil II, S. 263 bis 288 Buch IB.indb 102 11.02.20 12: 53