620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Tunnel in Spritzbetonbauweise werden in der Regel mit einem Dichtungssystem aus Kunststoffdichtungsbahnen (KDB) gegen das anstehende Bergwasser abgedichtet. Tunnelabdichtungen aus KDB müssen dabei über die gesamte Nutzungsdauer des Bauwerks zuverlässig ihre Funktion erfüllen. Zur Verifizierung und Kalibrierung von Prüfverfahren zur Langzeitbeständigkeit von KDB können u. a. in situ gealterte KDB-Proben aus bestehenden Straßentunneln sehr nützlich sein. Die Ergebnisse umfangreicher Untersuchungen zu den Materialeigenschaften von KDB-Proben aus insgesamt acht älteren Straßentunneln zeigen, dass einige mechanische Eigenschaften der KDB auf eine bereits stattgefundene Alterung der KDB hindeuten, aber überwiegend noch die Anforderungen der Regelwerke eingehalten werden. Die Ergebnisse der Untersuchungen bestätigen die bereits in der Vergangenheit vorgenommenen Änderungen im Regelwerk und sind auch bei der aktuellen Fortschreibung der Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten (ZTV-ING) eingeflossen.
Tunnel, die in Spritzbetonweise hergestellt werden, können zum Beispiel von Kunststoffdichtungsbahnen gegen eindringendes Wasser abgedichtet werden. Die Kunststoffdichtungsbahn und deren geotextile Schutzschicht werden während der Tunnelbauphase und der Betriebsphase durch Einzellasten und Flächendruck beansprucht. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden solche Beanspruchungen in verschiedenen Versuchsreihen simuliert. Dazu wurden am Institut für Baustoffkunde der Universität Hannover Indexversuche mit Einzellasten (Durchdrück- und Zeitstandversuche) und bei der STUVA, Köln anwendungstechnische Versuche mit Flächendruckbeanspruchung sowie Berstdruckversuche durchgeführt. Die wichtigsten Versuchsergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: - Auf eine geotextile Schutzschicht darf keinesfalls verzichtet werden, da sonst die Kunststoffdichtungsbahn zu starke Eindrückungen erhält oder sogar perforiert wird; - Der Feuchtigkeitsgehalt einer geotextilen Schutzschicht aus Endlosfaservliesstoff hat keinen wesentlichen Einfluss auf die Tiefe der Eindrückungen in die Kunststoffdichtungsbahn; - Für die geotextile Schutzschicht sollte eine Mindestgeotextilmasse mit einem Mittelwert minus Standardabweichungen von 900 und größer als 1.200 g/m2 gewählt werden; - Dränmatten bieten einen gewissen Schutz, sollten jedoch mit einem luftseitigen Schutzvlies (Robustheitsgrad 4) versehen werden; - Beschädigungen der Kunststoffdichtungsbahn durch Vorbelastungen im Flächendruckversuch haben im Kurzzeit-Berstdruckversuch nur einen geringen Einfluss auf das mehrachsige Dehnungsverhalten. Die neuen Forschungsergebnisse sollten bei der Neufassung der ZTV-ING Berücksichtigung finden. Es wird empfohlen, Zeitstanddruckversuche als "Indextests" und Flächendruckversuche im Brunnentopf als "Anwendungstechnische Versuche" in die Regelwerke aufzunehmen.
Kunststoffdichtungsbahnen sind empfindlich gegenüber mechanischen Beanspruchungen. Zum Schutz vor Beschädigungen wird zwischen der Spritzbetonschale und Dichtungsbahn ein Geotextil eingebaut. Die derzeit gültigen Regelwerke enthalten keine Vorgaben zur Prüfung der Wirksamkeit von Schutzschichten. Daher wurden Versuchsserien durchgeführt, in denen Dichtungsbahnen und Geotextilien zur Simulation der Wirkungen von hervorstehenden Körnern im Spritzbeton mit einem pyramidenförmigen Stempel lokal auf Druck und in einem Teil der Versuche zusätzlich auf Zug beansprucht wurden. Zudem wurden Flächendruckversuche in einem Brunnentopf mit einer mit Zuschlagkörnern beklebten Abdichtungsrücklage ausgeführt. Die Untersuchungen ergaben: a) Bei allen gewählten Versuchsvarianten und Randbedingungen nahm die Schutzwirksamkeit mit zunehmender Geotextilmasse signifikant zu. Ungeschützte Kunststoffdichtungsbahnen wurden im Vergleich dazu unzulässig deformiert. b) Die Eigenschaften und die Dicken der Dichtungsbahnen erwiesen sich ebenfalls als wesentlich. So waren bei Druckversuchen mit gleicher Druckbelastung und Schutzschicht die Einkerbungen in die PVC-Bahn tiefer als die in die PE-Bahnen. c) Bei allen untersuchten Materialkombinationen blieben die Dichtungsbahnen trotz der extremen Last- und Verformungsbeanspruchungen dicht, wiesen aber zum Teil erhebliche punktuelle Einkerbungen durch Zuschlagkörner auf. d) Mit zunehmender Geotextilmasse wurden erwartungsgemäß geringere Einkerbungen in die Kunststoffdichtungsbahn gemessen. e) Die Einkerbungen in die Kunststoffdichtungsbahn waren bei einem Endlosfaservliesstoff geringer als bei einem Stapelfaservliesstoff. - Die Versuchsergebnisse zeigen, dass eine geeignete Schutzschicht zwingend notwendig ist, um unzulässige Beschädigungen der Kunststoffdichtungsbahnen zu vermeiden.
Für die Instandsetzung von schadhaften Betonfahrbahnplatten mittels "Heben und/oder Festlegen" werden in zunehmendem Maße Injektionsmaterialien aus Kunststoff verwendet. Aktuell existieren für die Prüfung und Bewertung derartiger Materialien mittels straßenbauspezifischer Kennwerte jedoch noch keine hinlänglichen Erfahrungen und Prüfvorschriften. In Laborversuchen wurden nunmehr geeignete Prüfungen und Auswertalgorithmen entwickelt und zweckgerichtete Festigkeitskennwerte an ausgesuchten Materialien bestimmt sowie erste Anforderungswerte formuliert. Zudem wurden die Wirksamkeit und die Dauerhaftigkeit von Unterpressungen im Hinblick auf das verwendete Injektionsmaterial in Praxisversuchen überprüft. Aus den Ergebnissen der Tragfähigkeitsmessungen ließ sich vorerst folgern, dass durch das Unterpressen von Fahrbahnplatten die Tragfähigkeits- und Lagerungsbedingungen signifikant verbessert werden können. Unterschiede in der kurzfristigen Wirksamkeit - im Hinblick auf das verwendete Injektionsmaterial - konnten hierbei nicht explizit deduziert werden. Vielmehr zeigte sich, dass die Dauerhaftigkeit maßgeblich von den vorliegenden Randbedingungen, das heisst, faktisch von der richtigen Auswahl des Materials abhängt.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, eine möglichst umfassende Literaturstudie zu erstellen, die die Möglichkeiten und Probleme aufzeigt, die beim Einsatz von Kunststoffen in Kraftfahrzeugen auftreten können. Der Begriff "Kunststoffe" ist sehr weitreichend, so dass es zweckmäßig war, den Gesamtkomplex zu unterteilen. Die ausgewählte Gliederung richtet sich einerseits nach Werkstoffgruppen und andererseits nach übergeordneten Gesichtspunkten. Die Studie wurde daher in folgende, in sich geschlossene Abschnitte unterteilt. 1. Entwicklungen und Tendenzen beim Kunststoffeinsatz, 2. Rechtsvorschriften, 3. Eigenschaften und Anwendung von Kunststoffen, 4. Elastomere, 5. Textilien und Schaumstoffe, 6. Lacke und Beschichtungsstoffe, 7. Klebtechnik, 8. Alterung, 9. Brandverhalten/Brennverhalten, 10. Recycling. Insgesamt wurden annähernd eintausend Literaturstellen erfasst. Dabei handelt es sich vorwiegend um Publikationen, die zwischen 1980 und 1988 erschienen sind. Die an den Werkstoffen orientierte Gliederung ermöglicht einen guten Überblick über alle Verwendungsbereiche der jeweiligen Werkstoffgruppe beziehungsweise über zusammenfassende Problemstellungen. Damit unterscheidet sich diese Studie von anderen Literaturzusammenstellungen, die sich in der Regel auf spezielle Teile des Kraftfahrzeuges, wie beispielsweise Motor- oder Innenraum, beschränken. Allerdings werden in dieser Studie nur Probleme bezüglich des Einsatzes von Kunststoffen in Pkw behandelt. Die Studie kann vor allem solchen Institutionen beziehungsweise Personen dienen, für die werkstoffbezogene Übersichten wichtig sind, und die sie als Basis für die Einarbeitung in Einzelprobleme nutzen wollen. Eine Weiterführung der Arbeit auf diesem Gebiet ist wünschenswert. Dabei wäre insbesondere auf die Schwerpunkte 1. Schadensfrüherkennung "life monitoring", 2. Verbesserung der Stoßabsorption, 3. Alterungsverhalten von Klebeverbindungen, 4. On-line-Lackierung unter den Belangen des Umweltschutzes, 5. Reduzierung der Verwendung von Lösemitteln und 6. Reduzierung des Shreddermülls (Rückgewinnung sortenreiner Polymerwerkstoffe) einzugehen.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung des Alterungsverhaltens von Schutzhelmen für Kraftfahrer und der Einflüsse der photochemischen Alterung der Außenseite der Helmschale auf die Schutzwirkung des Helms. Für die künstliche Bewitterung wurde ein neues Gerät mit speziellen UV-Leuchtstofflampen nach DIN 53384, Verfahren B aufgebaut, in dem neun komplette Schutzhelme gleichzeitig bestrahlt und beregnet werden können. Für die Untersuchungen wurden Schutzhelme nach der ECE-Regelung 22 mit Helmaußenschalen aus den Kunststoffen PC, PA und UP-GF bewittert, wobei eine maximale natürliche Beanspruchung in vier Jahren Gebrauch simuliert wurde. Nach der künstlichen Bewitterung wurden die Schutzhelme einer Stoßdämpfungsprüfung nach Abschnitt 7.3 der ECE-Regelung 22 unterzogen. Bei den nach ECE-Regelung 22 typgeprüften Schutzhelmen konnte keine Alterung ermittelt werden, die die Schutzwirkung der Helme beeinträchtigt hat. Vergleichsversuche mit älteren Helmen mit Helmschalen aus ABS dagegen haben nach der gleichen künstlichen Bewitterung einen deutlichen Einfluss der Alterung gezeigt.
In der BASt war ein Messverfahren für Betonoberflächen entwickelt worden, dessen Anwendung zur Prüfung von Beschichtungen auf metallischen Untergründen ebenfalls möglich erscheint. Das Messverfahren kann als zerstörungsarm eingestuft werden. Da es sich hier um einen neuen Einsatzbereich handelt, waren jedoch zur Abschätzung der Anwendung für eine Bewertung von Beschichtungen auf metallischen Untergründen grundlegende, systematische Untersuchungen notwendig. Das Messverfahren beruht auf dem Prinzip der Leistung des elektrischen Stromes in Elektrolytlösungen. Der Messwert ist proportional zu den Fehlstellen beziehungsweise Strompfaden in einer Beschichtung. Das untersuchte Messverfahren ist nach den Ergebnissen der Laboruntersuchungen als brauchbar für die Bewertung von Beschichtungen, insbesondere von Altbeschichtungen einzuschätzen.
Im Tunnelbau gibt es derzeit keine praxisorientierten Prüfverfahren zur Beurteilung der Wirksamkeit geotextiler Schutzschichten für Abdichtungen aus Kunststoffdichtungsbahnen. Die Regelwerke enthalten nur generelle Angaben. Die Auswahl und der Einsatz erfolgten aufgrund der generellen Vorgaben und nach der Einschätzung und Erfahrung der planenden Ingenieure. Durch das Forschungsvorhaben sollen bisher fehlende Kenntnisse über das Verhalten geotextiler Schutzschichten bei unterschiedlichen Beanspruchungen mittels eines praxisnahen Prüfverfahrens erlangt werden. Bisher ungeklärt waren Fragen der mechanischen Alterung und der Ausdünnung der Materialien bei Schub- und mehraxialer Beanspruchung in der Bauphase und später während des Betriebes. Die beteiligten Institute und die durchgeführten Versuchsreihen mit den Versuchseinrichtungen werden beschrieben. Die Versuchsergebnisse zeigen hinsichtlich der Schutzwirkung auch Wechselwirkungen zwischen Kunststoffdichtungsbahn und geotextiler Schutzschicht auf. Versuche ohne Schutzschicht ergaben erhebliche Beschädigungen an den Dichtungsbahnen. Es soll in keinem Fall aus Kostengründen auf eine geotextile Schutzschicht verzichtet werden. Die Schutzwirkung nimmt mit zunehmender Dicke der Schutzschicht zu. Einzelheiten werden mitgeteilt. Die einschlägigen Regelwerke werden zurzeit überarbeitet und die Versuchsergebnisse mit den bisherigen Erkenntnissen zusammengestellt.
Zur Vermeidung von Setzungen beim Bau von Straßen auf wenig tragfähigem Untergrund werden seit längerem im Ausland Bauweisen mit einer Schicht aus Expandiertem Polystyrol (EPS) im Unterbau verwendet, wobei das geringe Eigengewicht dieses Baustoffes ausgenutzt wird. Um eigene Erkenntnisse und Erfahrungen mit diesen Bauweisen zu gewinnen, wurden an einer Modellstraße im Maßstab 1:1 vergleichende Untersuchungen an insgesamt sechs Varianten durchgeführt. Die Untersuchungen umfassten eine intensive Materialprüfung sowie zahlreiche Messungen während des Einbaus und auf den Gesamtkonstruktionen. Wesentlicher Bestandteil waren dabei Überfahrtmessungen mit realer Belastung und Dauerbelastungsversuche mit Impulsgebern. Ergebnis der Untersuchungen sind zunächst der Nachweis für die Eignung des Baustoffs EPS, Erkenntnisse über die erforderliche Einbautechnik für die verschiedenen Baustoffe und über die Befahrbarkeit im Bauzustand. Dies wird ergänzt durch Erkenntnisse über die eingesetzte Versuchstechnik und die Auswerteansätze. Die Untersuchungen kommen zu dem Ergebnis, dass die Bauweise mit einer ungebundenen ersten Tragschicht nur für Straßen der Bauklassen V und VI geeignet ist. Bei einer Betonplatte als erster Tragschicht konnte hingegen die Eignung dieser Bauweise für Straßen der Bauklasse III aufgezeigt werden.
Beläge auf Brücken sind Bestandteile der Straße und haben in erster Linie die Anforderungen zu erfüllen, die sich aus verkehrstechnischer Sicht ergeben. In diesem Zusammenhang besteht eine enge Verknüpfung mit dem Straßenbau, die zur Übernahme der geltenden Regelungen für den Belag, insbesondere für die dem Verkehr zugewandte Deckschicht führt. Auch bautechnisch gelten daher für die Zusammensetzung und Ausführung der Asphaltbeläge auf Brücken grundsätzlich die ZTV-Asphalt und ebenso die entsprechenden ergänzenden Regelwerke. Da jedoch die Unterlage für die Funktionsfähigkeit des Belages eine erhebliche Bedeutung hat, beeinflusst diese Schnittstelle den Brückenbelag erheblich und muss zu einer erweiterten Betrachtung unter bautechnischen Aspekten führen. Dieses gilt in besonderem Maße für die Stahlbrücken, die mit der orthotropen Fahrbahnplatte eine sehr differenzierte Unterlage für den Belag darstellen. Infolge hoher Radlasten auf dem Belag erfährt die orthotrope Fahrbahnplatte Verformungen, die zu hohen Spannungen in der Randzone des Asphaltbelages führen. Durch die schubfeste Verbindung Fahrbahnblech/Belag wird der Belag im Verbundkörper zum Mittragen herangezogen mit besonderen Beanspruchungen im Asphaltkörper und in der Verbundfuge. In Abhängigkeit von der Temperatur und der Art der Verbindung mit der Unterlage kann die mittragende Wirkung praktisch zwischen circa 25 Prozent und circa 60 Prozent liegen, gemessen am Unterschied der Durchbiegungen des Bleches ohne beziehungsweise mit Belag, weshalb an Beläge auf Stahlbrücken zusätzliche Anforderungen gestellt werden. Zwischen der Stahloberfläche und der Schutzschicht wird eine Dichtungsschicht angeordnet, die die Stahloberfläche gegen eindringendes Oberflächenwasser schützt und zugleich eine schubfeste Verbindung zum Asphaltbelag ermöglicht. Die baustellengerechte Ausführung dieser Dichtungsschicht stellte sich, wie die im Rahmen dieses Projektes durchgeführten Schadensanalysen und Untersuchungen gezeigt haben, als sehr problematisch heraus. Durch diese Schadensanalysen konnte in Verbindung mit umfangreichen Untersuchungen eine Optimierung dieser Dichtungsschichten erarbeitet werden. Zur Absicherung der hohen Qualität der anhand dieser Untersuchungen entwickelten Dichtungsschichten wurden Prüfungen ausgearbeitet und die Anforderungen und Toleranzen ermittelt, die bei der Grundprüfung und der Güteueberwachung dieser Dichtungsschichten einzuhalten sind. Diese sind eingeflossen in die "Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Herstellung von Brückenbelägen auf Stahl" (ZTV-BEL-ST) und die TL- und TP-BEL-ST.