Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe B: Brücken- und Ingenieurbau
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Beim Einsatz endgültiger Spritzbetonkonstruktionen im Straßentunnelbau kommen prinzipiell zwei Anwendungsfälle in Betracht: 1.) Einsatz als einschalige Konstruktionen, d.h. die Spritzbeton-Außenschale (1. Lage) stellt im Verbund mit einer zweiten Spritzbetonlage die endgültige Konstruktion dar. Die Außenschale muss dabei dauerhaft Tragfunktionen übernehmen. 2.) Einsatz als zweischalige Spritzbetonkonstruktionen, bei der anstelle des Schalbetongewölbes der Regelbauweise eine Spritzbetonschale als Innenschale aufgebracht wird. Außen- und Innenschale wirken getrennt voneinander, die Außenschale übernimmt im Endzustand keine Funktionen. Die Einsatzbereiche, aber auch -grenzen beider Anwendungsfälle sind für den Straßentunnelbau in Deutschland bislang weitestgehend unklar. Abgesicherte Erfahrungen liegen nur wenige vor. Erste Einsätze zeigen jedoch, dass für beide Fälle wirtschaftliche Anwendungsmöglichkeiten existieren. Entscheidend ist dabei allerdings die Frage, welche dauerhafte Ausführungsqualität mit diesen Konstruktionen im Vergleich zur zweischaligen Regelbauweise überhaupt erreicht werden kann. Um diese und andere Fragen beantworten zu können, wurden im Zuge der Ausführung des Rennsteigtunnels (BAB A71) beide Anwendungsfälle näher untersucht. Der erste Fall anhand einer von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) konzipierten Versuchsstrecke, der zweite Fall anhand von Ausführungen, die auf Initiative der am Rennsteigtunnel ausführenden Arbeitsgemeinschaft zurückgehen. Im vorliegenden Bericht werden die Untersuchungen, die im Rahmen der Ausführungen zur Beurteilung der Einsatzbereiche durchgeführt wurden sowie deren Ergebnisse dargestellt. Grundlage der Untersuchungen bildet dabei der Kenntnisstand, der in beiden Anwendungsfällen derzeit vorliegt. Eine Analyse ausgeführter Bauwerke zeigt, dass sich die meisten Einsätze einschaliger Konstruktionen auf den U-Bahn- und Stadtbahnbau konzentrieren. Hier liegen zwar Erfahrungen vor, diese sind allerdings, insbesondere wegen der größeren Ausbruchsquerschnitte, nur zum Teil auf den Straßentunnelbau übertragbar. Dagegen sind erste Anwendungsfälle zweischaliger Spritzbetonkonstruktionen bereits im Bahn- und Straßentunnelbau zu finden. Zur Untersuchung der Einsatzbereiche einschaliger Spritzbetonkonstruktionen wurden im Rahmen der Versuchsstrecke am Rennsteigtunnel die Ausführbarkeit, das Tragverhalten und das Dichtheitsverhalten verschiedener einschaliger Varianten untersucht. Dazu war es erforderlich, die straßentunnelspezifischen und hydrogeologischen Randbedingungen zu formulieren, die in die Konzeptionierung der Versuchsstrecke einfließen mussten. Anhand der Ergebnisse ließen sich Empfehlungen ableiten, die bei einer zukünftigen Anwendung einschaliger Spritzbetonkonstruktionen berücksichtigt werden sollten. Neben reinen Spritzbetonkonstruktionen wurden dazu vergleichend auch geschalte Konstruktionen in die Untersuchungen einbezogen. Die zweischaligen Spritzbetonkonstruktionen kamen in den Kalottenbereichen der beiden Lüfterkavernen sowie in einem der beiden Zuluftstollen des Rennsteigtunnels zum Einsatz. Durch die Begleitung der Planungen und Ausführungen konnte aufgezeigt werden, welche wesentlichen Zusatzmaßnahmen bei diesen Ausführungsvarianten zu beachten sind, um eine vergleichbare Qualität zur Regelbauweise zu erhalten. Insgesamt konnte durch die Untersuchungen gezeigt werden, dass beide Anwendungsfälle ihre Einsatzbereiche, aber auch "grenzen aufweisen. So lässt sich eine Anwendung einschaliger Spritzbetonkonstruktionen nur in den Tunnelbereichen empfehlen, die nicht unter ständigem Straßenverkehr stehen, d.h. primär in Zuluft- oder in Fluchtstollen. Die Begründungen dazu und die geeigneten Konstruktionen werden im Bericht dargelegt. Die zweischaligen Spritzbetonkonstruktionen können unter Beachtung der aufgeführten Zusatzmaßnahmen und einer hohen Ausführungsqualität gerade im Bereich von Aufweitungsbereichen oder anderen schalungsaufwendigen Bereichen eine technische Alternative zur zweischaligen Regelbauweise darstellen. Die Frage der wirtschaftlichen Vorteile zweischaliger Spritzbetonkonstruktionen gegenüber der Regelbauweise lässt sich dabei allerdings nur objektspezifisch beantworten.
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Ziel der Untersuchungen war es, die Leistungsfähigkeit von SVB für die Anwendung im Straßentunnelbau zu verifizieren. Insbesondere sollte geprüft werden, ob die Robustheit des SVB gegenüber den in der Baupraxis auftretenden Veränderungen bei den Ausgangsstoffen und den Herstellbedingungen ausreichend ist und ob Fehler bei der Umschließung komplizierter Einbauteile in Tunnelinnenschalen durch den Einsatz von SVB vermieden werden können. Die Untersuchungen erfolgten an einem Straßentunnelbauwerk. Im Zuge der Ausführung des Schlossbergtunnels (B 277, Ortsdurchfahrung Dillenburg, Hessen) wurde eine cirka 30 m lange Versuchsstrecke mit insgesamt 6 Innenschalenblöcken aus SVB ausgeführt. Dieses Pilotprojekt wurden durch das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS), vertreten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), im Jahr 2003 iniziiert. Unter Beachtung der vorhandenen Ausgangsstoffe, aber auch der vorherrschenden Gegebenheiten an der mobilen Baustellenmischanlage geschuldet, wurde ein SVB der Festigkeitsklasse C30/37 konzipiert. Die Betonzusammensetzung zeichnet sich durch eine Verarbeitungszeit von mindestens 2 Stunden, eine Ausschalfestigkeit von mindestens 3 N/mm2 nach 12 Stunden und eine durch die Verwendung von Flugasche reduzierte Hydratationswärmeentwicklung aus. Die Herstellung, der Einbau und die Nachbehandlung des SVB erfolgte entsprechend einer erteilten Zustimmung im Einzelfall (ZiE) unter Beachtung des speziell für den Tunnelbau abgestimmten Qualitätsmanagementssystems (QS-Pläne, Betonier- und Nachbehandlungskonzept). Während den sechs Betonagen der Tunnelinnenschalen, welche von Ende 2005 bis Anfang 2006 stattfanden, erfolgte ein umfangreiches Bauwerksmonitoring. Dabei wurden die relevanten Frisch- und Festbetonkennwerte, wie zum Beispiel seitlicher Frischbetondruck, Frisch- und Festbetontemperaturen sowie das Verformungserhalten bis ein Jahr nach der Herstellung überwacht. Um die Ausführungsqualität des SVB quantifizieren zu können, wurden neben einer visuellen Begutachtung, auch Wasserdichtigkeitstests und zerstörungsfreie Dickenmessungen durchgeführt. Die Untersuchungen hinsichtlich der Wasserdichtigkeit zeigten, dass es keine wasserführenden Risse bei den sechs Blöcken gibt. Eine Verbesserung der Dichtigkeit bei den Blockfugen konnte nicht nachgewiesen werden. Die gesammelten Erfahrungen beim Einbau des SVB können prinzipiell als positiv bewertet werden, SVB kann den zum Teil schwierigen tunnelbauspezifischen Bedingungen standhalten. Der eingesetzte SVB hatte im Vergleich zu konventionellen Rüttelbeton keine nachteiligen Festbetonkennwerte. Wie aus zahlreichen anderen SVB-Projekten im Ingenieurbau bekannt ist, sind allerdings erhöhte Qualitätssicherungsmaßnahmen notwendig, um alle geforderten Eigenschaften zielsicher zu erreichen. Dieser Mehraufwand macht es aber notwendig, dass vor jeder Tunnelbaumaßnahme genauestens kalkuliert wird, ob und in welchen Bereichen der Einsatz von SVB sinnvoll ist. Aufgrund der gesammelten Erfahrungen wird eine weitere Verwendung von SVB im Tunnelbau, speziell in Bereichen mit komplizierten Geometrien, hohen Bewehrungsgraden und Einbauteilen, zum Beispiel Kaverne, empfohlen. Die Anwendung für die eigentliche Tunnelinnenschale ist unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu entscheiden.
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Bei Wellstahlbauwerken handelt es sich um wirtschaftliche und dauerhafte Ingenieurbauwerke für die Unterführung von Verkehrswegen, die sich seit Jahrzehnten in der Anwendung bewährt haben. Hierbei werden wellprofilierte biegeweiche Stahlrohre in den Boden eingebettet und als Unterführungsbauwerke benutzt. Die Lastabtragung der eingebetteten biegeweichen Stahlrohre basiert auf einer Interaktion der Rohrschale mit dem umgebenden Boden und erfolgt deshalb hauptsächlich in Ringrichtung. Die Bemessung von Wellstahlbauwerken erfolgt in Deutschland derzeit gemäß den Allgemeinen Rundschreiben Straßenbau (ARS) Nr. 20/1997 und Nr. 12/1998. Die darin aufgeführten Bemessungsregeln stammen aus den 70iger Jahren und basieren auf der Veröffentlichung (KLÖPPEL & GLOCK, 1970). Diese Bemessungsregeln beruhen jedoch noch auf dem damals üblichen Globalsicherheitskonzepts für die Nachweisführung und genügen nicht mehr den Anforderungen der neuen europäischen Normengenerationen deren Sicherheitsphilosophie auf dem Teilsicherheitskonzept beruht. Im Zuge der nationalen Einführung der europäischen Bemessungsnormen (Eurocodes) im Straßenbau in Form der DIN-Fachberichte werden derzeit auch die bestehenden Bemessungsrichtlinien für Wellstahlbauwerke überarbeitet und sollen zukünftig in die Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten (ZTV ING, Teil 9, Abschnitt 4) aufgenommen werden. Neben allgemeinen Änderungen und Anpassungen der Einwirkungen wird bei der Überarbeitung hinsichtlich der Bemessung hauptsächlich die Umstellung der Nachweise vom Globalsicherheitskonzept auf das Teilsicherheitskonzept vollzogen. Durch diese Überarbeitung der bestehenden Richtlinien für Wellstahlbauwerke werden im Hinblick auf die Bemessung von Wellstahlbauwerken wesentliche Änderungen herbeigeführt, die eine genauere Betrachtung und ggf. Anpassung der Bemessungsrichtlinien erfordern. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde daher auf Grundlage von vergleichenden Betrachtungen die Anwendung der neuen Bemessungsrichtlinien fuer Wellstahlbauwerke erprobt, sowie das vorliegende Sicherheitsniveau im Vergleich zu den bisher bestehenden Bemessungsrichtlinien für Wellstahlbauwerke überprüft. Der Schwerpunkt der durchgeführten Untersuchungen lag daher auf der Durchführung von umfangreichen Vergleichsberechnungen an unterschiedlichen Einbausituationen von Wellstahlbauwerken, anhand derer die Auswirkungen der Regelwerksumstellung aufgezeigt wurden. Ergänzend zu diesen Vergleichsberechnungen wurden separate Untersuchungen zum Nachweis der Schraubenverbindung und zum Nachweis am Schrägschnitt durchgeführt. Ferner wurde in Form von Stabwerksberechnungen nach Theorie II. Ordnung noch das Stabilitäts- und Beanspruchungsverhalten von Wellstahlbauwerken mit großen Spannweiten untersucht. Auf Grundlage der durchgeführten Untersuchungen und Vergleichsberechungen konnten für Wellbauwerke nachfolgende wesentliche Erkenntnisse und Empfehlungen für die weitere Überarbeitung des Regelwerks abgeleitet werden: - Mit Ausnahme des Nachweises "Durchschlagen des Bauwerksscheitel für h/s < 0,7" führt die vorgenommen Umstellung des Nachweiskonzepts zu keinen wesentlichen Änderungen des Sicherheitsniveaus. Für diesen Nachweis wird empfohlen, auch zukünftig das höhere Sicherheitsniveau für gedrungene Querschnittsformen mit h/s < 0,7 aufrecht zu erhalten. - Die Anpassung bzw. Erhöhung der Verkehrslast von 45 kN/m2 auf 65 kN/m2 führt mit Ausnahme des Nachweises "Grundbruch im Scheitel" lediglich zu einer effektiven Vergrößerung der Beanspruchung von max. 13%. Dies begründet sich in erster Linie durch den Wegfall des Schwingbeiwertes im neuen Regelwerk. - Bezüglich der Schraubenverbindung wird empfohlen, die Festlegung der Tragfähigkeit gemäß den europäisch harmonisierten Regeln in DIN EN 1990:2002 durchzuführen. - Beim Nachweis "Grundbruch im Scheitel" kommt es infolge der Umstellung des Regelwerks zu größeren Änderungen des Sicherheitsniveaus, das in erster Linie das Ergebnis der Nachweisführung selbst und der Lastanpassung ist. Will man wie bei allen anderen Nachweisen, das bestehende Sicherheitsniveau beim Übergang vom alten ins neue Regelwerk weitestgehend aufrecht erhalten, so sind weitere Maßnahmen erforderlich. - Es wird empfohlen den im alten Regelwerk festgelegten Anwendungsbereich bzgl. der Spannweite und der Überdeckung auch im neuen Regelwerk bei zu behalten.
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Die Innenschalen von Straßentunneln in geschlossener Bauweise werden in der Regel als Stahlbetonkonstruktion ausgeführt. Die Ausführung unbewehrter Tunnelinnenschalen kann für den Bauherrn eine erhebliche Kostenersparnis bedeuten, da die Kosten für die Bewehrung und deren Einbau eingespart werden. Unbewehrte Innenschalen für Straßentunnel in geschlossener Bauweise wurden in der Vergangenheit bei einzelnen Projekten in Deutschland bereits ausgeführt. Die Anforderungen an die bauliche Durchbildung und an die Gebrauchstauglichkeitseigenschaften wurden aufgrund fehlender Regelungen in den ZTV-ING objektspezifisch festgelegt. Die im Rahmen dieses Forschungsprojektes durchgeführte Auswertung der Erfahrungen mit unbewehrten Innenschalen zeigt, dass viele der Tunnel eine hohe Anzahl von Rissen und Betonabplatzungen in den unbewehrten Bereichen aufweisen. Die hier erforderlichen nachträglichen Instandsetzungsmaßnahmen führen häufig zu hohen Kosten und Beeinträchtigungen der Tunnelverfügbarkeit. Als Fazit aus diesen Erfahrungen kann der Einsatz von unbewehrten Innenschalen nur in Ausnahmefällen bei vorliegenden besonders günstigen Randbedingungen empfohlen werden. Neben einer günstigen Geologie zählen hierzu noch weitere Parameter, die im vorliegenden Bericht ausführlich dargelegt werden. Zur Vermeidung vertragsrelevanter Probleme bei der Ausführung unbewehrter Innenschalen wird eine klare Festlegung der Gebrauchstauglichkeitseigenschaften der fertigen Tunnelinnenschale empfohlen. Bezüglich der zulaäsigen Rissweiten in unbewehrten Innenschalen wird die Anwendung der Vorgaben aus der Ril 853, Modul 853.4004 empfohlen. In den ZTV-ING sollten für den Sonderfall einer unbewehrten Innenschale auch weiterhin keine speziellen Anforderungen festgelegt werden. Kriterien für die Anwendung unbewehrter Innenschalen wurden im Rahmen dieses Forschungsprojektes erarbeitet und sollten bei Bedarf den Straßenbauverwaltungen der Länder und den Planern zur Verfügung gestellt werden.
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Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden für verschiedene Tunnel mit Rechteck- und Gewölbequerschnitt mit dem Regelquerschnitt RG 31t (bzw. RQ 10,5), die orts- und zeitabhängigen Verteilungen der Gastemperatur, der Gasgeschwindigkeit und Gaszusammensetzung, der adiabaten Decken- und Wandtemperaturen sowie der zeitliche Verlauf der Wärmefreisetzungsrate und des Durchwärmungsverhaltens bestimmt werden. Betrachtet wurden Tunnel mit konstanter Längsneigung von 3 % sowie ein Tunnel mit muldenfoermigem Längsprofil (Richtungs- und Gegenverkehr). Bezüglich der Austrittgeschwindigkeit wurden die Szenarien 20,6 kg/s und 300 kg/s unterschieden. Zusätzlich im Fall A ein mit Holzpaletten beladenen LKW und im Fall B zusätzlich noch weitere PKW und LKW berücksichtigt. In einem originalmaßstäblichen Großbrandversuch wurde zur Klärung offener, aus der Modellierung resultierender Fragen ein Unfall in einem Richtungsverkehrstunnel zwischen einem LKW, der mit ca. 3,7 t Europoolpaletten beladen war, und einem PKW nachgebildet. Insgesamt wurden 3 Mittelklasse-PKW im Versuchstunnel positioniert. Die Brandlast betrug ca. 123 GJ. Anhand durchgeführter Plattenbrandversuche wurde festgestellt, dass die Schichten aus spritzbarem Faserbeton des Systems RUB sowie die Fertigteilschutzschichten des Systems HOCHTIEF ein relativ geringes bzw. kein Abplatzverhalten aufweisen und bei Brandbeanspruchung jeweils einen signifikanten thermischen Schutz der Stahlbetonkonstruktion gewährleisten können. Es konnte gezeigt werden, dass Auswirkungen auf die Tragstruktur nicht größer sind als infolge eines Brands, dessen Temperatur-Zeit-Verlauf dem ZTV-ING-Verlauf entspricht. Es sei aber angemerkt, dass aus den Szenarien unter noch ungünstigeren Bedingungen (z.B. im Falle eingeschränkt funktionsfähiger Schlitzrinnen) Auswirkungen entstehen könnten, die nur durch den verlängerten ZTV-ING-Temperatur-Zeit-Verlauf abgedeckt wären.