18.05.2015 Geosynthetics In Civil Engineering Dipl.Ing. Klaus Oberreiter, MBA Teil 2: Baugrundstabilisierung, Tragschichtbewehrung, Bemessungsansätze Überblick Verkehrswegebau Anwendungsgebiete 1 18.05.2015 Tragschichtbewehrung/Baugrundstabilisierung Definition Der Einsatz von Geokunststoffen zur Stabilisierung und Bewehrung von Tragschichten ist vielfältig. Erreicht werden sollen einerseits eine Verbesserung der Tragfähigkeit und andererseits eine Reduktion der Verformungen (absolute und differenzielle Setzungen). Die Anwendung ist eine Maßnahme im Verkehrswegebau mit vorwiegend dynamischer Belastung (Verkehr). Der Einsatz erfolgt im Allgemeinen auf weichen Böden mit hoher Zusammendrückbarkeit. Tragschicht-bewehrung HTS < 1.5 m Baugrund-stabilisierung HTS < 1.5 m Die Geokunststofflage sollte ca. 0,5 - 0,75 m unterhalb der Asphaltoberfläche eingebaut werden (oder max. 0,3 m unterhalb OK der mineralischen Tragschicht) Die Geokunststofflage wird zw. Untergrund und Tragschicht eingebaut Baugrundstabilisierung Ziele bei der Baugrundstabilisierung: • Verminderung der erforderlichen Dicke der Tragschicht bis zum Erreichen der verlangten Verdichtungswerte und der Tragfähigkeit • Reduktion der Spurrinnentiefe in Abhängigkeit der Verkehrsbelastung • Verlängerung der Gebrauchsdauer von Verkehrswegen 2 18.05.2015 Baugrundstabilisierung 2 Funktionen Baugrundstabilisierung kann durch die Kombination zweier Funktionen beschrieben werden: Trennen und Bewehren. Tragfähigkeit Erhöhte Tragfähigkeit aufgrund des Geokunststoffs Tragfähigkeit des Untergrundes ohne GTX unter gegebener Verformung Erhöhte Tragfähigkeit durch die Funktion TRENNEN Setzung Erhöhte Tragfähigkeit durch die Funktion BEWEHREN Baugrundstabilisierung Trennen Durch die dynamische Verkehrsbelastung werden Feinteile aus dem Untergrund in die Tragschichte gepumpt. Das qualitativ hochwertige Schüttmaterial verliert an Elastizität. Aufgrund der Trennfunktion des Geotextils wird eine Durchmischung der Tragschicht mit feinem Untergrundmaterial verhindert. Die Qualität des Füllmaterials bleibt gewährleistet. 3 18.05.2015 Baugrundstabilisierung Bewehren Aufgrund der hohen lokalen Lasten kommt es zu Spurrinnen. Aufgrund der bereitgestellten Zugkraft des Geotextils können Spurrinnen verringert bzw. verhindert werden. Baugrundstabilisierung Nationale Regulative, Spezifikationen: Anforderungen an Trennlage VTT-Geo Specifications, Geotextiles in Road Constructions NorGeoSpec RVS 08.97.03 Baustoffe „Geotextilien im Unterbau“ (ehem. RVS 8S.01.2) French Commitee of Geotextiles and Geomembranes FGSV: „Merkblatt für die Anwendung von Geotextilien im Erdbau des Straßenbaus“ Schweizer Geotextilhandbuch BS, ASSHTO,...... TL 918039, DB 836 Richtlinien 4 18.05.2015 Baugrundstabilisierung RVS 08.97.03 (ehem. RVS 8S.01.2): Anforderungen an die geotextile Trennlage Eingangsgrößen Tragfähigkeit Untergrund EV1 U1: 5 MN/m² U2: 5-15 MN/m² U3: > 15 MN/m² Schüttmaterial gerundeter oder gebrochener Kies dmax 63mm gebrochener Kies dmax > 63mm Verkehrsbelastung (LKW pro Tag) LKL: I-IV LKL: V Geforderte Geotextilkennwerte Höchstzugkraft Höchstzugkraftdehnung Stempeldurchdrückkraft Loch- Kegelfallversuch 11 – 26 kN/m > 55% 1850 – 4200 N 27 – 14 mm Baugrundstabilisierung FGSV Merkblatt: Anforderungen an die geotextile Trennlage Eingangsgrößen Einteilung nach der Beanspruchung durch das Schüttmaterial: AS1 – AS5 Einfluss der Beanspruchung durch Einbau und Baubetrieb: AB1 – AB4 Diese zwei Werte führen zu einer Klassifizierung gemäß Geotextilrobustheitsklasse: GRK1 – GRK5 Geforderte Geotextilkennwerte Stempeldurchdrückkraft 500 – 3500 N Masse pro Flächeneinheit 80 – 300 g/m² 5 18.05.2015 Baugrundstabilisierung Ablauf der Arbeiten / Verlegung einer Trennlage Baugrundstabilisierung Verbindungsmöglichkeiten für eine Trennlage 10 cm Vernähen 30 - 50 cm Überlappen 15 - 20 cm Verschweißen 6 18.05.2015 Baugrundstabilisierung Beispiel Trennfunktion Baugrundstabilisierung Beispiele 7 18.05.2015 Baugrundstabilisierung Beispiel Trennfunktion: Contournement St.Lo, France Baugrundstabilisierung Beispiel Trennfunktion: A2 Klagenfurt, Austria 8 18.05.2015 Baugrundstabilisierung Beispiel Trennfunktion: Autobahn A7, Austria Baugrundstabilisierung Beispiel Trennfunktion: Flughafen, Thailand 9 18.05.2015 Baugrundstabilisierung Beispiel Trennfunktion: Motorway Asti-Cuneo, Italy Baugrundstabilisierung Beispiel Trennfunktion: Salym, Estonia 10 18.05.2015 Baugrundstabilisierung Beispiel Trennfunktion: Schnellstrasse S5, Krems, Austria Baugrundstabilisierung Beispiel Trennfunktion: Speedway R6-Tisova-Kamenny Dvur; CZ 11 18.05.2015 Baugrundstabilisierung Beispiel Trennfunktion: Umfahrung Plus City/Linz, Austria Baugrundstabilisierung Beispiel Trennfunktion: Forststraße St.Martin, Austria 12 18.05.2015 Baugrundstabilisierung Funktion Trennen + Bewehren: Bemessungs-Modelle Multilayer-Theorie Empirische Modelle Magnus (2002) Jaecklin/Floss (1988) Beckmann/Kennephol (1994) Schweizer Geotextilhandbuch (2003) Membrantheorie Giroud/Noiray (1981) Holtz/Sivakugan (1987) Tragfähigkeitsmodelle Houlsby/Jewell (1990) Ingold (1998) Meyer/Elias (1999) Giroud/Han (2003) Lastausbreitungsmodelle Staggl/Jaecklin (2002) Baugrundstabilisierung Vergleich der Bemessungs-Modelle Bewertung nach BERG et.al. (2000) Im Auftrag von AASHTO wurde eine detaillierte Analyse aller existierenden Bemessungsmodelle durchgeführt Ergebnis war ein Bemessungs-Algorithmus für permanente, gebundene Straßen Klassifizierung hinsichtlich Lebensdauer und Struktur Permanente, gebundene Straßen / temporäre, gebundene Straßen Permanente, ungebundene Straßen / Temporäre, ungebundene Straßen Gropius Institut, Dessau: Vergleich von Testergebnissen mit Bemessungsmethoden für Baugrundstabilisierung Giroud/Noiray: bestes Ergebnis SVG-Methode: sehr gute Ergebnisse, konservativ Jaecklin/Floss: gute Ergebnisse für Gewebe und Produkte mit geringem Steifemodul Giroud/Han: sollte nicht verwendet werden 13 18.05.2015 Baugrundstabilisierung Giroud/Noiray - Konzept für ungebundene Straßen Grundlagen: Membranmodell Theoretische Grundlage von Giroud/Noiray (1981) Gering tragfähiger Untergrund ist nicht verdichtbar Bei Belastung kommt es zu Verformungen des Untergrunds. Ein zw. Tragschicht und Untergrund eingelegter Geokunststoff wird wellig verformt und dabei gedehnt. Die Spannungen auf die konkave Fläche sind größer als auf die konvexen Flächen. Dadurch sind die Spannungen zwischen den Rädern einer Achse, die durch den Geokunststoff auf den Untergrund übertragen werden, größer als die Spannungen, die durch die Tragschicht auf den Geokunststoff wirken. Unter den Rädern sind die Spannungen, die durch den Geokunststoff auf den Untergrund übertragen werden geringer, als die Spannungen, die durch die Räder und die Tragschicht auf den Geokunststoff wirken. Der Geokunststoff reduziert die Spannungen auf den Untergrund durch Verformung. Baugrundstabilisierung Giroud/Noiray - Konzept für ungebundene Straßen Eingabegrößen: Charakteristische Last P: Radersatzlast LKW • Charakteristischer Reifendruck pc • Achsbreite e • max. erlaubte Spurrinnentiefe r • Lastwechsel N • Bodenparameter Schüttmat.: Lastausbreitungswinkel • Bodenparameter Untergrund: undrainierte Scherfestigkeit cu • Steifemodul GEOKUNSTSTOFF: K 14 18.05.2015 Baugrundstabilisierung Giroud/Noiray - Konzept für ungebundene Straßen Baugrundstabilisierung EBGEO 2009: Grundlage Giroud/Noiray (bzw. Holtz/Sivakugan) 15 18.05.2015 Baugrundstabilisierung Funktion Trennen + Bewehren: Bemessungs-Modelle / SVG Baugrundstabilisierung Schweizer Geotextilhandbuch Empirisches Modell Design Goals Modellannahmen Maximal erlaubte Spurrinnentiefe Tragfähigkeit (Ev2 = 45MN/m²) Geokunststoff hat eine rückhaltende Kraft aufgrund der Zugfestigkeit Geokunststoff verbessert die Lastverteilung (Reduktion der Kräfte auf den Untergrund) Voraussetzung für beides sind Deformationen im Untergrund Inputparameter Bodenparameter des Untergrunds Verkehrsbelastung Körnung des Schüttmaterials Output Dicke der bewehrten vs. unbewehrten Tragschicht Bemessungsgrafiken 16 18.05.2015 Baugrundstabilisierung Schweizer Geotextilhandbuch Design Charts Basierend auf einem groß angelegten Feldversuch (VSS 2000-450) in der Schweiz Tabellen/Grafiken sind eher konservativ Mindestanforderungen Minimale Dicke der Tragschicht Bemessungswerte für den Geokunststoff 30 cm für Rundkorn 25 cm für Kantkorn E-Modul: min 400kN/m² im Dehnungsbereich von 1-3% und einem Untergrund von CBR 0,5-3% Zugfestigkeit: min 8kN/m bei 2% Dehnung Für Böden CBR>3% wird keine Bewehrung benötigt Baugrundstabilisierung Schweizer Geotextilhandbuch 1,00 bew ehrt 0,90 unbew ehrt Tragschichtreduzierung 0,80 Dehnsteifigkeit = 123,5 kN/m Tragschichtdicke in m Spurrinnentiefe = 0,15 m 0,70 Verkehrsbelastung = 750 Lw 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 CBR-Wert in % 17 18.05.2015 Baugrundstabilisierung Beispiel Trennen + Bewehren: Bellaflora, Liezen, Austria Baugrundstabilisierung Beispiel Trennen + Bewehren: Bellaflora, Liezen, Austria 18 18.05.2015 Baugrundstabilisierung Beispiel Trennen + Bewehren: ABB, Thailand Baugrundstabilisierung Beispiel Trennen + Bewehren: Kisaran, Caltex, Borneo 19 18.05.2015 Baugrundstabilisierung Beispiel Trennen + Bewehren: Meaux, France Baugrundstabilisierung Beispiel Trennen + Bewehren: Parkplatz IKEA, Schweden 20 18.05.2015 Baugrundstabilisierung Beispiel Trennen + Bewehren: Autobahn A26, Stade, Germany Baugrundstabilisierung Beispiel Trennen + Bewehren: Schnellstraße MM 1001-139, CZ 21 18.05.2015 Baugrundstabilisierung Beispiel Trennen + Bewehren: Hallenfundierung, Kufstein, Austria Baugrundstabilisierung Beispiel Trennen + Bewehren: 22 18.05.2015 Baugrundstabilisierung Beispiel Trennen + Bewehren: Hafen Koper, Slowenien Baugrundstabilisierung Beispiel Trennen + Bewehren: Shopping Center Zapresic, Kroatien 23 18.05.2015 Baugrundstabilisierung Beispiel Trennen + Bewehren: Landstraße, Schweden Baugrundstabilisierung Beispiel Trennen + Bewehren: Calanas, Spain 24 18.05.2015 Tragschichtbewehrung Ziele bei der Tragschichtbewehrung • Reduktion und Einschränkung der seitlichen Verformung der Tragschicht • Erhöhung der Steifigkeit und somit der Tragfähigkeit der Tragschicht Tragschichtbewehrung Theoretische Überlegungen Die Baugrundbewehrung ist idealerweise in einer Tiefe anzuordnen in der Sie die max. auftretenden Spannungen „kreuzt“. Besagte Tiefe sollte für normales Schüttmaterial bei etwa 1,0 – 1,5 x Lasteintragsbreite liegen (Theorie „Druckzwiebel“). Ideale Lage der Bewehrung 25 18.05.2015 Tragschichtbewehrung Ingold - Konzept für gebundene Straßen Grundlagen: • Tragfähigkeitsmodell • Es wird überprüft, ob die Mächtigkeit der Tragschicht ausreicht, um Vertikalspannungen aus der Verkehrsbelastung in den wenig tragfähigen Untergrund abzuleiten. • GS minimiert die Beanspruchung auf den Untergrund durch eine Verbesserung der Lastverteilung. • Zur Ermittlung der Tragfähigkeit werden die undränierten Scherparameter des Untergrundes herangezogen. Ferner wird eine teilweise Lastabtragung über Reibung an den Rändern des Lastausbreitungsbereiches angenommen. Tragschichtbewehrung Ingold - Konzept für gebundene Straßen Bemessungsgrundsätze: Das Verfahren gliedert sich in zwei Abschnitte: 1) Zunächst wird die unbewehrte Tragfähigkeit des Untergrundes bestimmt. Dabei wird angenommen, dass durch die darüber liegende Tragschicht eine Lastverteilung erfolgt. 2) Im zweiten Schritt wird die erforderliche Zugfestigkeit für den Fall bestimmt, dass ein Geokunststoff zur Erhöhung der Tragfähigkeit eingelegt wird. 26 18.05.2015 Tragschichtbewehrung Ingold - Konzept für gebundene Straßen Eingabegrößen: • Charakteristische Last P: Radersatzlast LKW • Lasteintragsfläche b: Breite LKW-Rad • Formbeiwert für Lasteintragsfläche: c • Bodenparameter Schüttmaterial: Wichte Reibungswinkel • Bodenparameter Untergrund: undrainierte Scherfestigkeit cu • Lastausbreitungswinkel: Θ • Sicherheitsfaktor Tragfähigkeit Untergrund: η Tragschichtbewehrung Ingold - Konzept für befestigte Straßen Ergebnisse: Folgende Ergebnisse können mit dem auf Ingold basierendem Bemessungskonzept erzielt werden: 1) Ermittlung der zulässigen Belastung des unbewehrten Untergrundes 2) Ermittlung der erforderlichen bewehrten Tragschichtdicke 3) Ermittlung der Tragfähigkeit des unbewehrten Untergrundes 4) Erforderliche BEMESSUNGSZUGKRAFT des Geokunststoffs 5) Erforderliche Verankerungslänge des Geokunststoffs 6) Einsenkung der Fahrbahnoberfläche (nach ODEMARK) 7) Erreichter mittlerer Verformungsmodul 27 18.05.2015 Tragschichtbewehrung Ingold - Konzept für gebundene Straßen Tragschichtbewehrung 28 18.05.2015 Tragschichtbewehrung Bemessungskonzept HUESKER Beispiel: Tragfähigkeit des Untergrundes: EV2 = 15 MN/m² Tragschichtmaterial: Schotter Erforderliche Tragfähigkeit auf der Tragschicht: EV2 = 120 MN/m² Erforderliche Tragschichtdicke ohne Bewehrung: 60 cm Erforderliche Tragschichtdicke mit : Fornit D 30/30-40 T 49 cm Ersparnis: 11 cm Tragschichtmaterial Schotter Tragschichtbewehrung Beispiel: Autobahn D11, Tschechien 29 18.05.2015 Tragschichtbewehrung Beispiel: Hietannen Harbour, Lisää kuvia, Finnland Tragschichtbewehrung Beispiel: Casino Besancon, France 30 18.05.2015 Tragschichtbewehrung Beispiel: CSD Dijon, France Tragschichtbewehrung Beispiel: Motorway Zvolen, Slovakia 31 18.05.2015 Tragschichtbewehrung Beispiel: Windmolenpark Oudendijk, NL Tragschichtbewehrung Beispiel: Osterholz-Scharmeck 32 18.05.2015 Tragschichtbewehrung Baugrundstabilisierung/Tragschichtbewehrung Bemessungsansätze: Polyfelt – Giroud/Noiray 33 18.05.2015 Baugrundstabilisierung/Tragschichtbewehrung Bemessungsansätze: TenCate – Giroud/Noiray bzw. SVG, 2003 Baugrundstabilisierung/Tragschichtbewehrung Bemessungsansätze: TenCate Asia – AASHTO / Steward 34 18.05.2015 Baugrundstabilisierung/Tragschichtbewehrung Bemessungsansätze: NAUE Baugrundstabilisierung/Tragschichtbewehrung Bemessungsansätze: Tensar 35 18.05.2015 Baugrundstabilisierung/Tragschichtbewehrung Bemessungsansätze: Terram Baugrundstabilisierung/Tragschichtbewehrung Bemessungsansätze: Huesker 36 18.05.2015 Baugrundstabilisierung/Tragschichtbewehrung Bemessungskonzept HUESKER „Bemessungskonzept HUESKER“ basiert auf Auswertung bestehender Methoden und eigenen Erfahrungen Baugrundstabilisierung/Tragschichtbewehrung Bemessungsansätze: Tenax 37 18.05.2015 Baugrundstabilisierung/Tragschichtbewehrung Bemessungsansätze: Nicolon Baugrundstabilisierung/Tragschichtbewehrung Bemessungsansätze: Colbond 38 18.05.2015 Baugrundstabilisierung/Tragschichtbewehrung Eisenbahnbau Baugrundstabilisierung/Tragschichtbewehrung Eisenbahnbau Als Trennschicht zwischen wenig tragfähigem Untergrund und dem Tragschichtmaterial verhindern Geokunststoffe die Durchmischung der Erdstoffe im Unterbau; Tragschichtmaterial und Schotterbett bleiben sauber, Tragfähigkeit des Untergrundes und Elastizität der Anlage bleiben dauerhaft erhalten. Als Dränageprodukt nimmt der Geokunststoff zuströmendes Wasser auf und leitet es in der Ebene ab; die Konsolidierung des Untergrundes wird beschleunigt, der Boden ist dauerhaft tragfähig. 39 18.05.2015 Baugrundstabilisierung/Tragschichtbewehrung Eisenbahnbau Baugrundstabilisierung/Tragschichtbewehrung EBGEO Empfehlungen / Eisenbahnbau 40 18.05.2015 Baugrundstabilisierung/Tragschichtbewehrung Eisenbahnbau: AHM 800R Baugrundstabilisierung/Tragschichtbewehrung Eisenbahnbau: AHM-Dürnkrut-Angern, Austria 41 18.05.2015 Baugrundstabilisierung/Tragschichtbewehrung Eisenbahnbau: Canadian Railway Baugrundstabilisierung/Tragschichtbewehrung Eisenbahnbau: Betuwe Route, NL 42 18.05.2015 Baugrundstabilisierung/Tragschichtbewehrung Eisenbahnbau: Trassenerweiterung, Austria Ende 43
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