11. Kolloquium Parkbauten - Februar 2024 237 KKS-Instandsetzung am Beispiel des Parkhauses P+R in Leinfelden-Echterdingen Hannah Gieler, M. Eng. suicorr Deutschland GmbH, Singen Dipl.-Bauing. (FH) Daniel Oberhänsli suicorr Deutschland GmbH, Singen Zusammenfassung Durch die Einwirkung von Chloriden oder Karbonatisierung entstehen unterschiedliche Bedingungen für den Stahl im Beton, wodurch Korrosion auftreten kann. Beim Einsatz des kathodischen Korrosionsschutzes wird von einem Schutzstromgerät ein, dem Korrosionsstrom entgegen gerichteter, leicht größerer Schutzstrom (Gleichstrom) abgegeben. Damit reduziert sich der aktive Korrosionsprozess auf eine technisch vernachlässigbare Größe. Der noch vorhandene Querschnitt des Bewehrungsstahles bleibt langfristig erhalten. Dafür werden dauerhafte Anoden in das Objekt eingebaut, über die der Schutzstrom abgegeben wird. Beim Parkhaus P+R wurde als Anodensystem ein Carbongelege verbaut, dass zusätzlich die konstruktionsbedingten Risse über den Auflagerträgern begrenzen soll. Aufgrund der Lage des Parkhauses direkt über der S-Bahn-Haltestelle und den Gleisen war für die untersten Ebenen kein anderes Instandsetzungsprinzip möglich. 1. Einführung Grundlagen KKS Der kathodische Korrosionsschutz (KKS) wird in Europa seit Mitte der Achtzigerjahre erfolgreich für die Instandsetzung von Stahlbetonsbauten eingesetzt. Geregelt wird die Projektierung und Ausführung des KKS in der EN ISO 12696 [1]. Aktuell wird in Europa diese Art des Korrosionsschutzes vorwiegend im Rahmen von Instandsetzungsmaßnahmen verwendet, wenn die Integrität des Bauwerks noch nicht so stark gefährdet ist, dass eine statische Ertüchtigung erforderlich wäre und der Ist-Zustand im Wesentlichen konserviert werden soll. Die präventive Anwendung des Verfahrens im Zuge des Neubaus eines Objektes ist nicht nur möglich, sondern wäre häufig eine wünschenswerte und geeignete Maßnahme um die Lebensdauer des Bauwerks mit wirtschaftlichen Mitteln signifikant zu erhöhen. Aufgrund der Einwirkung von Chloriden (Tausalze) oder der Karbonatisierung (CO 2 in der Luft) entstehen unterschiedliche Bedingungen für den Stahl im Beton. Abhängig von den Rahmenbedingungen verliert der Bewehrungsstahl stellenweise seine Passivität. Er ist damit teilweise ungeschützt und der Korrosionsprozess setzt ein. Dabei kann es am Stahl zu starker Elementbildung kommen, die mit sehr hohen Korrosionsraten einhergeht. An den weiterhin geschützten Stellen wird der Stahl zur Kathode und an der ungeschützten Stelle zur Anode. Infolge der daraus resultierenden Potentialdifferenz und der, notwendigerweise, fließenden Elementströme korrodiert der Stahl in den anodischen Bereichen. Beim Einsatz des kathodischen Korrosionsschutzes wird von einem Schutzstromgerät ein, dem Korrosionsstrom entgegen gerichteter, leicht größerer Schutzstrom (Gleichstrom) abgegeben. Damit reduziert sich der aktive Korrosionsprozess auf eine technisch vernachlässigbare Größe. Der noch vorhandene Querschnitt des Bewehrungsstahles bleibt langfristig erhalten. Dieses Verfahren hat den großen Vorteil, dass chloridkontaminierte oder karbonatisierte Betonschichten nicht abgetragen werden müssen. Bereits vorhandene oder neu eintretende Chloride können in Beton verbleiben. Dadurch gestaltet sich der Eingriff in die Tragstruktur deutlich geringer. Lärmemissionen aufgrund von Höchstdruckwasser-strahlarbeiten werden reduziert und Bauzeiten verkürzt. Außerdem werden provisorische statische Abstützungs-Maßnahmen wesentlich verringert oder sind nicht mehr notwendig. 2. Instandsetzung des Parkhauses P+R 2.1 Baubeschreibung Das P+R Parkhaus S-Bahn in Leinfelden-Echterdingen befindet sich direkt über der 2-gleisigen S-Bahn-Strecke, die zum Flughafen Stuttgart führt. Bei der Bauweise handelt es sich um eine 6-geschossige Stahlverbundkonstruktion mit 316 Parkplätzen. Das Parkhaus besteht aus 2 Teilen, einem nördlichen Teil mit ca. 60 m Länge und einem südlichen Teil mit ca. 100 m Länge. Die Gesamtbreite aus beiden Teilen beträgt 32,5 m. Die Parkdecks Deck 0-5 sind im halbgeschossigen Splitt-Level angeordnet. Die Erschließung erfolgt über eine gemeinsame Ein- und Ausfahrtsrampe, die weitern Ebenen werden jeweils über Auf- und Abfahrtsrampen erreicht. Deck 4 und 5 sind Freidecks, die zum größten Teil mit einem Trapezblech überdacht sind. Die Stahlverbundkonstruktion besteht aus Æ 40 cm Stahlrundstützen und IPEA Stahlquerträgern, die über die Geschosse in ihrer Dimension variieren, mit einem Achsabstand von 7,50 m. Die Aussteifung erfolgt über ein Fachwerksystem auf der Außenseite. Die somit stützen- 238 11. Kolloquium Parkbauten - Februar 2024 KKS-Instandsetzung am Beispiel des Parkhauses P+R in Leinfelden-Echterdingen freie Stahlbetondecke liegt auf den Querträgern auf. Diese wurden aus Großflächenfertigteildecken mit einer Stärke von 5 cm und einer 10 cm starken Ortbetonschicht hergestellt. Die Gesamtstärke beträgt nur 15 cm. Die Betondeckung ist auf der Deckenunterseite mit 2 cm und auf der Deckenoberseite mit 2,8 cm angegeben. Über Kopf bolzen wird die Decke mit den Stahlträgern verbunden. Die Bewehrung besteht aus Listenmatten und über den Stahlträgern wurde eine zusätzliche Stoßbewehrung eingebaut. Abb. 1: Ansicht Stahlkonstruktion und Situation über den S-Bahn-Gleisen Die Geschossdecken weisen ein Gefälle von 2 % auf und waren mit einer starren Oberflächenschutz-beschichtung (vermutlich im System OS 8) beschichtet. Auf den Freidecks befand sich eine einschichtige, elastische Oberflächenschutzbeschichtung (vermutlich im System OS 11b). Die Verbindungsrampen waren unbeschichtet. Die Stahlkonstruktionen sind zum Teil feuerverzinkt und zusätzlich mit einer Korrosionsschutzbeschichtung versehen (DUPLEX-Verfahren) und zum Teil nur mit Korrosionsschutz beschichtet. [2] 2.2 Schadensbild Über den Auflagerträgern wiesen die befahrenen Geschossdecken konstruktionsbedingte Risse auf. Aufgrund des starren Oberflächenschutzsystems führten diese Risse zu einem Durchreißen, sodass Chlorid ungehindert in das Bauteil eindringen konnte. Einige Risse waren durchgehende Trennrisse, sodass die Stahlkonstruktion an der Unterseite bereits korrodiert war. Im Bereich der Risse wurden sehr hohe Chloridgehalte im Beton bis in große Bauteiltiefen festgestellt. Der Bewehrungsstahl im Rissbereich lag daher schon vollständig in einem Beton mit korrosionsauslösendem Chloridgehalt, sodass hier bereits eine starke chloridinduzierte Korrosion am Bewehrungsstahl vorhanden war. Probeöffnungen ergaben, dass insbesondere in den Ebenen 1 und 3 eine starke Lochkorrosion am Bewehrungsstahl entlang der Risse mit Querschnittsverlusten von 50 % bis zu 100 % vorhanden war. Die Ebenen 0 und 2 zeigten ebenfalls eine Vielzahl von Rissen über den Auflagern, jedoch war das Ausmaß der chloridinduzierten Korrosion nicht so groß wie in Geschossen 1 und 3. Da die Freidecks in Ebene 4 und 5 mit einem elastischen System beschichtet waren und regelmäßig an entstandenen Rissen mit Bandagen instandgesetzt wurde, war ein deutlich geringerer Chlorideintrag feststellbar. Die Verbindungsrampen der einzelnen Parkdecks waren nicht mit einer Oberflächenschutzbeschichtung versehen. Großflächige Betonabplatzungen und leichter Querschnittsverlust an korrodierendem Bewehrungsstahl waren die Folge der starken Chloridbelastung. Die Ein-/ Ausfahrtsrampe zeigte eine erhebliche stärkere Schädigung mit starker Durchfeuchtung aufgrund von Trennrissen. Auch die Stahlkonstruktion wies einige Schäden auf. Über die konstruktionsbedingten Trennrisse in der Stahlbeton-deckenplatte an den Auflagerträgern drang das chloridhaltige Wasser bis auf die oberen Flansche der Träger und induzierte hier erheblich Korrosionsschäden. Die Kopf bolzen, für den Verbund zur Stahlbetondecke, befinden sich auch im Rissbereich und wiesen starke Korrosion auf. Insbesondere auf Deck 1 führte diese Korrosion zu starken Abplatzungen des Betons an der Deckenoberseite. Durch Undichtigkeiten in der Entwässerungsrinne sind vor allem die Knotenpunkte der Stahlkonstruktion von Korrosion betroffen gewesen. An einem Punkt war die Korrosion soweit fortgeschritten, dass die Standsicherheit gefährdet war. [2] 2.3 Instandsetzungskonzept Das Instandsetzungskonzept für das P+R Parkhaus wurde auf der Grundlage der TR-Instandhaltung erarbeitet. Wir beziehen uns in unserem Vortrag hauptsächlich auf die Instandsetzung der Stahlbetonteile, wobei auch umfangreiche Maßnahmen an der Stahlkonstruktion, dem Anfahrschutz und dem Dach über Deck 4 und 5 notwendig waren und durchgeführt wurden. Diese Maßnahmen werden hier nicht näher beschrieben. Ziel der Instandsetzung war die Sicherstellung und Wiederherstellung der Standsicherheit und der Gebrauchstauglichkeit über die Länge der Restnutzungsdauer. Die Instandsetzungskonzepte der Stahlbetonbauteile können wie folgt gruppiert werden: - die Geschossdecken der Decks 0 und 3-5 - die Geschossdecken Deck 1 und 2 - die Rampen Die konstruktionsbedingten Risse über den Auflagerträgern der Stahlverbundkonstruktion werden dauerhaft auftreten. Eine Vermeidung der Risse kann nur über einen großflächigen Betonabtrag und rissbreitenbegrenzende Zulagebewehrung erreicht werden. Die Rissbreitenberechnung des Tragwerks-planers ergab, dass die Rissüberbrückungsfähigkeit einer Oberflächenschutzbeschichtung im System OS 11a ausreichend ist. Daher wurde von der Zulagebewehrung abgesehen, insofern die Bewehrung noch einen ausreichenden Querschnitt aufwies. Somit wurde für die Geschossdecken der Decks 0 und 3-5 das Instandsetzungsprinzip 7 „Erhalt und Wiederherstellung der Passivität“ Verfahren 7.2 „Ersatz des chloridhaltigen Betons“ gewählt. [2] 11. Kolloquium Parkbauten - Februar 2024 239 KKS-Instandsetzung am Beispiel des Parkhauses P+R in Leinfelden-Echterdingen Abb. 2: Grundriss Deck 1 und Ein-/ Ausfahrtsrampe mit Darstellung der Anodensysteme Für die beiden Decks, die sich direkt über den S-Bahn- Gleisen befinden, kam der das Prinzip 7 (Betonabtrag mit HDW) nicht infrage. Umfangreiche Schutz- und Abstützungsmaßnahmen, um den Bahnverkehr nicht zu gefährden, wären nicht umsetzbar gewesen. Es ist beim Höchstdruckwasserstrahlen mit erheblichem Wasser-anfall und aufgrund der geringen Deckenstärkeauch mit Durchschüssen zu rechnen, was den Bahnverkehr gefährdet hätte. Die Instandsetzungsmaßnahmen durften jedoch keine Gefährdung für den Bahnverkehr darstellen. Daher war für diese beiden Decks nur das Instandsetzungsprinzip 10 „Kathodischer Korrosionsschutz“ KKS möglich. Planmäßig sind die obere Bewehrungslage der Zwischendecke und die Kopf bolzen dauerhaft vor korrosionsbedingten Schädigungsprozessen zu schützen. Um dieses Ziel zu erreichen wurden vom KKS-Fachplaner zwei verschiedene Anodensysteme gewählt. Um die Kopf bolzen und die Bewehrung in den Rissbereichen zu schützen wurden Ti/ MMO-Stabanoden jeweils links und rechts im regelmäßigen Abstand geplant. Als flächiges Anodensystem, welches in den geschädigten Bereichen über den Auflagerträgern eingesetzt wird, wurde eine Carbonnetz-Anode mit einer Entladungsrate von min. 20,0mA/ m² gewählt. [4] Die Carbonnetz-Anode hat zusätzlich zum kathodischen Korrosionsschutz eine rissüberbrückende Wirkung. Abb. 3: Detailquerschnitt der kombinierten Anodensysteme im Rissbereich über dem Auflagerträger [3] 240 11. Kolloquium Parkbauten - Februar 2024 KKS-Instandsetzung am Beispiel des Parkhauses P+R in Leinfelden-Echterdingen Abb. 4: Einbau Carbon-Anode Für die Bewehrungsergänzung der zum Teil stark korrodierte Zulagebewehrung mit bis zu 100 % Querschnittsverlust wurden eingeschlitzte Glasfaserbewehrungsstäbe geplant. Aufgrund der direkten Nähe zur KKS-Anode konnte die Mindestbetondeckung von 15 mm nicht eingehalten werden. Um eventuelle Kurzschlüsse auszuschließen wurde die nicht-leitende Glasfaserbewehrung geplant. Aufgrund der fehlenden Beschichtung auf den Rampen ist von einer flächigen Chloridbelastung auszugehen. Daher wurde für die Rampen ebenfalls das Instandsetzungsprinzip 10 „Kathodischer Korrosionsschutz“ KKS gewählt. Als Anodensystem wurden Netzanoden gewählt und verbaut, die keine zusätzliche Funktion der Rissüberbrückung haben. 2.4 Herausforderungen bei der Ausführung Bei der Umsetzung der Instandsetzungsmaßnahme sind einige Herausforderungen gemeistert worden. Die Lage des P+R Parkhauses in einem Wohngebiet mit einem angrenzenden Kindergarten auf der einen Seite und einem Friedhof auf der anderen Seite erforderte hohe Maßnahmen zur Reduzierung der Staub- und Lärmemission. Umgesetzt wurde dies mit einem Flächengerüst mit vorgehängten Schallschutzplatten, sowie Pausen der lärmintensiven Arbeiten zu angeordneten Zeiten. Besondere Maßnahmen waren auch zur Sicherstellung des Schutzes der wartenden Fahrgäste auf dem überbauten Bahnsteig, sowie der S-Bahngleise notwendig. Arbeiten an Bauteilen, die direkt angrenzend zum Bahnverkehr liegen, waren nur zu lange im Voraus bei der DB angekündigten und genehmigten Sperrzeit in der Nacht möglich. Aufgrund der schlechten Zugänglichkeit und der steilen Böschung mussten die erforderlichen Hebebühnen mit großem Aufwand und einem Mobilkran auf dem Gleisbett abgesetzt werden. Das Parkhaus befindet sich zudem am Ende einer Sackgasse und die Außenflächen bieten nicht viel Raum für die Baustelleneinrichtung. Dies erforderte genaue Planung bei der Beschickung und Anlieferung aller notwendigen Geräte und Materialien. Abb. 5: Elektroinstallation am Anfahrschutz Für die Ausführung der KKS-Arbeiten war die Elektroinstallation eine Herausforderung. Bei der stützenfreien Bauweise und dem Gleisfeld direkt unter der Decke mussten Sonderlösungen für die Verlegung der Signal- und schutzstromführenden Leitungen gefunden werden. Die Verlegung an der Deckenunterseite war aus den bekannten Gründen nicht möglich, somit mussten alle Leitungen bis zum Deckenrand im Anodeneinbettmörtel geführt werden. Anschließend werden diese in Kabelkanälen, die an den Leitplanken des Anfahrschutzes montiert sind, zum zentralen Gleichrichter geführt. Literatur [1] DIN EN ISO 12696 Kathodischer Korrosionsschutz von Stahl in Beton (ISO 12696: 2022) [2] IGF; Baubeschreibung der Ausschreibung [3] IGF; Anlagen der Ausschreibung [4] CORR-LESS; Regelplanung zum kathodischen Korrosionsschutz von Stahl in Beton (KKSB): Instandsetzung unter Anwendung des Prinzips 10 der TR-Instandhaltung: KKSB P+R Parkhaus Echterdingen Danksagung: Für die äußerst angenehme und gute Zusammenarbeit bedanken wir uns bei: - Herrn Kemmner, Stadtwerke Leinfelden-Echterdingen - Herrn Zeneli; AZ Bautenschutz GmbH - Herrn Fahrenkamp, IGF Ingenieur-Gesellschaft für Bauwerksinstandsetzung Gieler-Breßmer & Fahrenkamp - Herrn Eichler, CORR-LESS Isecke & Eichler Consulting GmbH & Co. KG