2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 405 Betonfertigteile für den Bau kommunaler Verkehrflächen - Eine Systemlösung für die Zukunft? Dipl. Ing. (FH) Dirk-Uwe Spengler BTE stelcon GmbH, Germersheim, Deutschland Zusammenfassung: Durch den Einsatz von Betonfertigteilen können Verkehrsflächen mit besonders hoher Dauerhaftigkeit hergestellt werden, weil die Herstellung im Betonwerk einen kontinuierlichen Qualitätsüberwachungsprozess der eingesetzten Ausgangsstoffe sowie des fertigen Produktes gewährleistet. Gegenüber dem monolithischen Einbau spielen sich ändernde äußere Einflüsse (Witterungsbedingungen) während der Bauphase keine Rolle. Die Bauzeit und damit verbunden die notwendige Sperrzeit wird durch den Einsatz von Betonfertigteilen im Verkehrsflächenbau erheblich verkürzt. Hochbelastete Knoten-, Halte- und Abstellpunkte in Verkehrsflächen können durch den Einsatz von Betonfertigteilen langfristig, dauerhaft und damit wirtschaftlich sowie umweltschonend erneuert werden. 1. Allgemeines Neue Werkstoffe für den Einsatz in urbanen Infrastrukturen tragen dazu bei, Baumaßnahmen mit dem Ziel einer langlebigen und beständigen Konstruktion energie- und ressourceneffizient durchzuführen und somit eine nachhaltige Mobilität zu unterstützen. Eine erfolgreiche Wirtschaft benötigt eine leistungsfähige, dauerhafte und verfügbare Straßeninfrastruktur. Entscheidend sind dabei unter anderem die Lebenszykluskosten, die sich innerhalb der Nutzungsdauer einer Verkehrsfläche akkumulieren. Straßenbefestigungen sind sowohl verkehrsbedingten als auch klimatischen äußeren Einwirkungen ausgesetzt. Da diese beiden Größen in der letzten Zeit zunehmend Veränderungen unterliegen, kann hinsichtlich der Dauerhaftigkeit der Straßenbefestigungen nur bedingt auf Erfahrungswerte aus der Vergangenheit zurückgegriffen werden. Für die Verfügbarkeit der Straßen werden Ertüchtigungssysteme benötigt, die nach kurzer Sperrzeit wieder nutzbar sein müssen. Priorität sollte dabei die Dauerhaftigkeit der durchgeführten Erhaltungsmaßnahme haben, sodass möglichst große Zeiträume zwischen den Erhaltungsmaßnahmen mit dem Ziel einer hohen Verfügbarkeit erreicht werden können. Dieses Ziel kann durch den Einsatz der Betonfertigteilbauweise im Verkehrswegebau erreicht werden. Bei einer Fertigteilproduktion wird die höchst mögliche Betonqualitäten zielsicher erreicht. Auch die Bauzeiten vor Ort und damit Verkehrsbehinderungen werden gegenüber monolithisch hergestellten Betonbefestigungen drastisch reduziert. Die Betonfertigteilbauweise für Straßenbefestigungen bietet die Chance, die Dauerhaftigkeit der Befestigungen zu erhöhen, die Bauzeiten vor Ort siknifikant zu senken, die Wirtschaftlichkeit langfristig zu verbessern und somit auch einen schonenden Umgang mit Ressourcen zu fördern. [1] 2. Stand der Technik Die nachhaltige und dauerhafte Sanierung und Ertüchtigung von Straßen im öffentlichen Verkehrsnetz ist an eine Reihe von Randbedingungen geknüpft, die volkswirtschaftlich von großer Bedeutung sind: - Dauerhaftigkeit und Langlebigkeit der Konstruktion - Erhaltungsarmut, Instandhaltungskosten - Betriebsfreundlichkeit / kurze Sperrzeiten - Geringe Bauzeit in der Ausführung - Optimierte Baukosten in Relation zur Nutzungsdauer - Gute Wiederherstellbarkeit nach Aufgrabungen - Recyclingkosten / Wiederverwendbarkeit der eingesetzten Baustoffe Hochbelastete Verkehrsflächen werden in Deutschland ausschließlich monolithisch und vor Ort hergestellt. Dies führt zwangsläufig zu längeren Sperrzeiten bei Sanierungs- und Erneuerungsmaßnahmen. Gerade bei der Sanierung hochbelasteter Streckenabschnitte und Knotenpunkte ist es aber erforderlich, qualitativ hochwertige und dauerhafte Straßenkonstruktionen in kurzer Zeit zu realisieren. Gegenwärtig wird diese Technologie im deutschen Straßenbau aber nicht genutzt. Eine wesentliche Ursache 406 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 Betonfertigteile für den Bau kommunaler Verkehrflächen - Eine Systemlösung für die Zukunft? dafür sind die schwer zu gestaltenden Auflagerbedingungen der für sich arbeitenden Betonfertigteilplatten, welche durch die unabhängig voneinander und damit nicht passgerechte Herstellung der Oberfläche der Unterlage und der Unterseite der aufliegenden Betonfertigteilplatte bedingt ist. Bisherige Versuche, diese Problematik durch entsprechende Verdichtungsmethoden oder auch durch Unterpressungen mit i. d. R. hydraulisch gebundenen Materialien zu klären, haben zu keinen befriedigenden Ergebnissen geführt. Mit den im Ausland genutzten Technologien lassen sich keine Resultate erzielen, die dem Qualitätsanspruch im deutschen Straßenbau gerecht werden. Weiterhin sind für Fertigteilanwendungen im Straßenbau bisher auch keine bautechnisch sinnvollen und bewährten Fugenkonstruktionen bekannt, welche während der Nutzung eine Querkraftübertragung zur Lastverteilung auf beide Platten im Fugenbereich und zur Verhinderung von Erosion unter der Platte mit allen negativen Folgen (Materialzerstörung, Stufenbildungen) dauerhaft gewährleisten. [1] 3. Forschung und Entwicklung zum Einsatz von Betonfertigteilen im Verkehrswegebau 3.1 Forschungsprojekt HESTER Neben theoretischen Untersuchungen und Berechnungen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) wurden im Forschungsvorhaben HESTER (Hybrides Ertüchtigungssystem für die Straßenerhaltung unter Einsatz neuartiger Werkstoffe) verschiedene Materialuntersuchungen durchgeführt. Auf der Grundlage erster Versuche konnten zunächst drei verschiedene Betongrundrezepturen definiert und jeweils für den Einsatz mit Glas- und Kunststofffasern modifiziert werden. Aus den insgesamt neun Betonrezepturen wurden Probekörper hergestellt, anhand deren die Spaltzug- und Druckfestigkeiten sowie die Nacherhärtung ermittelt werden konnten. Basierend auf diesen Ergebnissen sowie weiterführenden Betrachtungen (Ermittlung von Ermüdungsfunktionen), stellte sich eine Vorzugsbetonrezeptur heraus, die für die im Projekt herzustellenden Platten Verwendung finden sollte. Im Rahmen des Projektes wurden Fertigteilplatten für Laborgroßversuche, für einen Großversuch auf einem Versuchsgelände und schließlich für zwei Demonstratoren hergestellt, eingebaut und messtechnisch überwacht. [1] Abbildung 1: 3D FEM Detail zu möglichen Kopplungssystemen zwischen einzelnen Betonfertigteilen (Quelle: Villaret Ingenieurgesellschaft mbH) 3.2 Großversuch Prüfhalle Parallel zu den Betonversuchen erfolgten Untersuchungen insbesondere im Hinblick auf die Fertigteilkopplung sowie auf die höhen- und lagegerechte Ausrichtung der Fertigteilplatten. Für die Fertigteilkopplung erarbeiteten die Verbundpartner verschiedene Systeme. Um die jeweilige Anwendbarkeit zu prüfen, wurden in einem Versuch im Labor der TU Dresden in zwei Durchgängen jeweils zwei Fertigteilplatten (je Plattenpaar waren vier Kopplungssysteme möglich) eingebaut und mit einer zyklischen Dauerbelastung mit 1 Mio. LW und 80 kN belastet. Jeweils vor und nach der Belastung sowie nach dem Durchtrennen im Bereich der Kopplung wurde eine statische Rampe bis 80 kN aufgebracht. Über zuvor an den Fertigteilen angebrachte Dehnmessstreifen und induktive Wegaufnehmer konnten dabei Dehnungen und Verschiebungen gemessen werden. Abbildung 2: Prinzipeller Versuchsaufbau von 2,00 x 5,00 m unbewehrten Betonfertigteilen, auf einer lagenweise eingebrachten und verdichteten Schottertragschicht, die mit Silikatharz unterpresst wurden (Quelle: Villaret Ingenieurgesellschaft mbH) 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 407 Betonfertigteile für den Bau kommunaler Verkehrflächen - Eine Systemlösung für die Zukunft? Mit diesem Vorgehen war es möglich, insgesamt acht Kopplungssysteme zu testen. Im Ergebnis konnte festgestellt werden, dass sich alle untersuchten Varianten gleichermaßen eignen, eine Vorzugsvariante daher anhand weiterer Randbedingungen (z. B. Einbautechnologie) zu definieren ist. [1] Abbildung 3: Getestete Kopplungssysteme (Quelle: Villaret Ingenieurgesellschaft mbH) 3.3 Höhenjustierung In zuvor durchgeführten Projekten erfolgte die Ausrichtung der Platten stets durch Traversen, die auf der angrenzenden Fahrbahnkonstruktion aufgelegt wurden. Dabei hat sich gezeigt, das diese System technisch möglich sind, jedoch in der praktischen Anwendung nicht den gewünschten Effekt erreichen. Bild 1: Traversensystem I mit Anschluß an angrenzende Fahrbahnkonstruktion (Quelle: Schorpfeil GmbH) Bild 2: Traversensystem II mit Anschlß an angrenzende Fahrbahnkonstruktion (Quelle: Otto Alte-Teigeler GmbH) Im Zuge des Forschungsvorhabens wurde daher von dem Verbundpartner STELCON das Höhenjustiersystem «HESTER-Kombi» in unterschiedlichen Ausprägungen erarbeitet, das es ermöglicht, die Platten unabhängig von der Bestandsfahrbahn auszurichten. 408 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 Betonfertigteile für den Bau kommunaler Verkehrflächen - Eine Systemlösung für die Zukunft? Abbildung 4: Systemskizze „HESTER Kombi“ - (Quelle: BTE Stelcon GmbH) Zudem dienen die Elemente gleichermaßen dem Transport der Fertigteile zur Baustelle und je nach Typ auch zum Einbringen des Unterfüllmaterials. Ein wichtiger Aspekt ist die Möglichkeit, die Punkte, auf denen die Platte durch das Höhenjustiersystem während des Einbaus aufliegt, wieder zu entlasten. Dadurch soll eine vollflächige Auflagerung auf der Unterlage gewährleistet und somit die Dauerhaftigkeit erhöht werden. Dies ist bei allen erarbeiteten Varianten möglich und wurde in der Praxis bereits mehrfach erprobt. [1] 3.4 Versuchsbaustelle(n) Auf den theoretischen Untersuchungen und den Versuchen im Labor basierend, erfolgte im Juli 2017 schließlich ein Großversuch auf dem Gelände des duraBASt, dem Demonstrations-, Untersuchungs- und Referenzareal der BASt. Auf einer Fläche mit einer Länge von ca. 20 m und einer Breite von 3,90 m wurden die Fertigteilplatten verlegt. Dabei war es unter anderem auch möglich, neben den einzelnen verschiedenen Kopplungssystemen erst neu entwickelte Höhenjustiersystem «HESTER-Kombi» zu testen. Bild: 3: Versetzen der Betonfertigteilplatten auf dem duraBASt Gelände - Betonfertigteil mit Dübelkammern (Quelle: BTE stelcon GmbH) Im Versuch wurden acht Fertigteilplatten mit den Abmessungen je Fertigteil von 2,47 m × 3,90 m × 0,24 m und einem Gewicht je Fertigteil von 5,8 t eingebaut. Für den Einbau und das Unterfüllen der Fertigteile waren zunächst zwei Tage veranschlagt. Das Einheben und Ausrichten der Fertigteile erfolgte innerhalb weniger Stunden, sodass die restlichen Arbeiten bereits am ersten Tag abgeschlossen werden konnten. Im Ergebnis wurde fest- 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 409 Betonfertigteile für den Bau kommunaler Verkehrflächen - Eine Systemlösung für die Zukunft? gestellt, dass alle Kopplungsvarianten auf der Baustelle praktikabel sind und das Höhenjustiersystem für die vorgesehene Aufgabe geeignet ist. [1] Bild 5: Verlegung Betonfertigteilen mit Dübel-Dübelkammer-verbingung (Quelle: BTE stelcon GmbH) Bild 6: Verlegung Betonfertigteil mit Nut-Feder-Verbindung (Quelle: BTE stelcon GmbH) Bild 7: Verlegung Betonfertigteil mit Schiebedübelaussparung (Quelle: BTE stelcon GmbH) 4. Anwendungsbeispiele aus der Praxis 4.1 HST Klettwitzer Str., Berlin Aufgabenstellung: Erneuerung einer Bushaltestelle mit Betonfertigteilen unter dem Einsatz neuartiger Werkstoffe. Fläche: ca. 90 m² Besonderheiten: - Lärmminderung durch gebogene Fuge - Lärmminderung durch Waschbeton - Nut-Nut-Federsystem Bild 8: Örtliche Situation vor Beginn der Erneuerungsmaßnahme (Quelle: Hrvoje Prskalo, mag.ing.traff.) 410 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 Betonfertigteile für den Bau kommunaler Verkehrflächen - Eine Systemlösung für die Zukunft? Abbildung 5: Ausführungsplan zur Erneuerung der Bushaltstelle mit Betonfertigteilen (Quelle: Hrvoje Prskalo, mag.ing. traff.) Bild 9: Verlegen der Betonfertigteile mit dem „HESTER Kombi“ (Quelle: Hrvoje Prskalo, mag.ing.traff.) Bild 10: verlegte Betonfertigteile mit gebogener Fuge zur Lärmminimierung und einer Nut-Nut-Verbingung (Quelle: Hrvoje Prskalo, mag.ing.traff.) Bild 11: Füllstand der Unterpressung mit dem Silikatharz (Quelle: Hrvoje Prskalo, mag.ing.traff.) 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 411 Betonfertigteile für den Bau kommunaler Verkehrflächen - Eine Systemlösung für die Zukunft? Bild 12: Verlegter Flächenbelag mit Betonfertigteilen - Vorbereitung zur Anarbeitung an den vorhandenen Flächenbelag (Quelle: Hrvoje Prskalo, mag.ing.traff.) 4.2 Moorburger Str., Hamburg Aufgabenstellung: Erneuerung einer Werksausfahrt mit Betonfertigteilen zur Verlängerung der Standfestigkeit. Fläche: 180 m² Besonderheiten: - Dreidimensionaler Höhenangleich im Unterbau und in der Betonfertigteilgeometrie - Integration vorhandener Verkehrsbauteile in die Flächenkonstruktion - Herstellung ungleichförmiger Betonfertigteile Bild 13: Örtliche Situation vor Beginn der Sanierungsarbeiten - sichtbare Spurrillen, Verdückungen und Verschiebungen im Flächenbelag (Quelle: BTE stelcon GmbH) Abbildung 6: Konstruktionsplan zur Neugestaltung der Werksausfahrt mit Betonfertigteilen (Quelle: BTE stelcon GmbH) Bild 14: Anlieferung der ungleichförmigen Betonfertigteile mit einem Schräglader (Quelle: BTE stelcon GmbH) Bild 15: Verlegte Betonfertigteile in der Fläche - vorbereitet zur Höhenjustierung mittels Stellschrauben „HESTER Kombi“ (Quelle: BTE stelcon GmbH) 412 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 Betonfertigteile für den Bau kommunaler Verkehrflächen - Eine Systemlösung für die Zukunft? Bild 16: Einsetzen eines Betonfertigteil - Aussparung zur Anpassung an vorhandene Verkehrsbauteile (Quelle: BTE stelcon GmbH) Bild 17: Verlegter Flächenbelag mit Betonfertigteilen - Vorbereitet zum verschließen der Flächenfuge (Quelle: BTE stelcon GmbH) 4.3 A 8, FR München, km 354 Aufgabenstellung : Sanierung von Brandschäden auf der Autobahn innerhalb einer Nachtschicht mit Betonfertigteilen. Fläche: insg. 50 m² Besonderheiten: Oberflächenbeschaffenheit an die Örtlichkeiten angepasst Just in Time Anlieferung Dübel-Dübelkammer-Verbindung Bild 18: Anlieferung der Betonfertigteile zur Baustelle gemäß abgestimmtem Zeitfenster (Quelle: BTE stelcon GmbH) Bild 19: Trennschnitte gemäß Planvorlage (Quelle: BTE stelcon GmbH) 2. Kolloquium Straßenbau - September 2021 413 Betonfertigteile für den Bau kommunaler Verkehrflächen - Eine Systemlösung für die Zukunft? Bild 20: Vorbereiten der Sanierungsfläche - Anbringen der Dübelbohrungen (Quelle: BTE stelcon GmbH) Bild 21: Einsetzen der Verschiebedübel in die vorhanden Fläche (Quelle: BTE stelcon GmbH) Bild 22: Verlengen der Betonfertigteile mit den Dübelkammern (Quelle: BTE stelcon GmbH) Bild 23: Verbindung Dübel - Dübelkammer (Quelle: BTE stelcon GmbH) Bild 24: Justierschraube „HESTER Kombi“ zum Höhenangleich und gleichzeitigem unterpressen (Quelle: BTE stelcon GmbH) 5. Wirtschaftliche Betrachtung 5.1 Zielsetzung Die Realisierung einer Flächenerneurung mit Betonfertigteilen sollte nach dem Ampelsystem geplant werden, d.h. eine sorgfältige Vorbereitung in Planung, Vorfertigung der Betonbauteile und logistische Abstimmung sowie eine enge Integartion alle Projektbeteiligten in der Ausführungsphase. Nur dann kommt der Systemvorteil von Betonfertigteilen, von einer kürzesten Bauzeit, voll zu seiner Entfaltung.