Hinweise zur Verlegung (Bauweise) von Betonrinnen, Teil 1

Rinnen sind Bauteile, für deren Herstellung beim Planer und auch beim Ausführenden die nötige Fachkunde und Erfahrungen vorliegen sollten. Dies ist auch der Grund dafür, dass bei der Auswahl der Baustoffe und der Bauausführung besondere Sorgfalt aufzuwenden ist, um dauerhafte und gebrauchstaugliche Entwässerungsrinnen herstellen zu können.

Die nachfolgenden Ausführungen sollen dazu dienen, die wichtigsten Fehler bei der Planung und Ausführung von Rinnen darzustellen, um die Gefahr für die Entstehung von Schäden an Entwässerungsrinnen zu minimieren. Nachfolgend sind einige wesentliche Faktoren für die Entstehung von Schäden zusammengestellt:

über die Planung hinausgehende Belastung der Rinne, wobei auch die Belastung in der Bauphase zu berücksichtigen ist;

fehlende bzw. nicht ausreichende Berücksichtigung der in der Rinne entstehenden Temperaturspannungen bei der Festlegung der Bewegungsfugenabstände und der zu verwendenden Fugenfüllstoffe so wie nicht ausreichende Berücksichtigung der Einbautemperaturen;

ungeschützte Lagerung des Fundamentbetons auf der Baustelle und nicht ausreichende Verdichtung des Fundamentbetons;

Verwendung von Fugen- und Bettungsmörteln mit nicht ausreichender Qualität (selbstgemischte Zementmörtel);

zu hohe Festigkeit der Fugenmaterialien;

Auswahl nicht optimaler Steingrößen bzw. -geometrien;

Einstellung des Fugenmörtels in zu fließfähiger Konsistenz;

Verzahnung des Fugenmörtels im Bereich nicht verfüllter Fugen zwischen den Bordsteinen;

nicht ausreichender Verbund zwischen Pflastersteinen und dem Fugen- bzw. Bettungsmörtel (Verzicht auf die Verwendung von Haftvermittlern bei der Ausführung der Rinne).

1.1 – Belastung der Rinne

Nicht selten wird die Verkehrsbelastung von Entwässerungsrinnen von den Planern unterschätzt. So werden teilweise Verkehrsflächen geplant, bei denen mehrere negative Faktoren zusammenkommen. Das nachfolgende Beispiel aus Bild 1 zeigt eine hochbelastete Mittenrinne einer engen Straße mit Busverkehr, die unter Verwendung kleinformatiger und dichter Natursteine geplant und ausgeführt wurde. In Kombination mit einer nicht sachgerechten Füllung der Fugen mit dem Fugenmörtel resultierten teilweise die in Bild 2 dargestellten, massiven Schäden, die im Normalfall zuerst den Fugenmörtel (Rissbildung) und später die gesamte Rinne (Herausbrechen der Natursteine) zerstören.

Im Rahmen der Öffnung der Rinne zeigte sich, dass kein sachgerechter Verbund zwischen den sehr dichten Natursteinen und dem Fugenmörtel (bei dichten Natursteinen steigt das Risiko zur Ablösung des Fugenmaterials von den Pflastersteinen) vorlag. Begünstigt wurden die Abrisse zwischen dadurch, dass im Rahmen der Planung keine Randeinfassung vorgesehen worden war.

Bei der Dimensionierung von Flächenbefestigungen und auch von Rinnen ist zu berücksichtigen, dass in der Bauphase zum Teil hohe Beanspruchungen vorliegen, die ggf. deutlich über die der Nutzungszeit hinausgehen. Die nachfolgenden Bilder zeigen eine „ruhige Anliegerstraße“, die neben der PKW-Nutzung angabengemäß nur selten u. a. durch Fahrzeuge der Müllabfuhr befahren worden sein sollte. In der Bauphase entstehen aber regelmäßig hohe Beanspruchungen durch Lieferverkehr (etwa einem Transportbetonfahrzeug und einer Betonpumpe, siehe Bild 3).

1.2 – Temperaturdehnung und Bewegungsfugen

Um in Rinnenanlagen entstehende, thermische Spannungen schadensfrei abbauen zu können, sind in Bord-, Rinnen- oder Bord-/Rinnenanlagen Bewegungsfugen einzuplanen, die geradlinig und senkrecht durch den gesamten gebundenen Querschnitt verlaufen. Auch im Bereich von Einbauteilen und Anschlüssen sind entsprechende Bewegungsfugen vorzusehen.

Obwohl alle Regelwerke auf die Problematik der Bewegungsfugen hinweisen, wird die Größenordnung der resultierenden Verformungen häufig unterschätzt. So führt allein die thermische Verformung aufgrund der Temperaturveränderung in der Oberfläche einer Rinne (bei angenommenen Temperaturen zwischen ‑20°C und +50°C) ohne weiteres zu Längenänderungen von ca. 0,5 – 1,0 mm/m, wobei sich diese in Abhängigkeit von der Einbautemperatur auf die Ausdehnung und die Verkürzung der Rinne aufteilen. Geht man davon aus, dass eine Entwässerungsrinne bei einer Temperatur von 10°C hergestellt wird und im Sommer in der Oberfläche der Entwässerungsrinne Temperaturen von ca. 50°C entstehen, so resultiert bei einem Bewegungsfugenabstand von 8 m eine Temperaturdehnung der Rinne von ca. 3,2 mm, die von den Bewegungsfugen aufgenommen werden muss (siehe auch Bild 4).

Im Normalfall sollen Bewegungsfugen in gepflasterten Rinnen aus diesem Grunde möglichst in einem Abstand von maximal 8 m oder besser noch von 6 m geplant werden. Darüber hinaus müssen Bewegungsfugen beiderseits von Straßenabläufen oder Einbauteilen berücksichtigt werden.
Wird den Bewegungsfugenabständen und der Komprimierbarkeit der Fugeneinlagen (siehe Abschnitt 1.2.1) nicht genug Beachtung geschenkt, so treten häufig die in Bild 5 dargestellten, signifikanten Schäden an den Vorsatzbetonen der Betonpflastersteine neben den Bewegungsfugen auf, die nicht selten zu der fälschlichen Annahme führen, dass Pflastersteine mit einer reduzierten Qualität verwendet wurden.

Neben den Bewegungsfugenabständen, der Einbautemperatur und der Verformbarkeit der Fugeneinlagen ist das Risiko für die Entstehung von temperaturbedingten Rissen in erheblichem Umfang auch von der Verbundfestigkeit zwischen dem Fundamentbeton und den Befestigungselementen abhängig. So steigt das Risiko zur Bildung von Rissen in gebundenen Konstruktionen

mit zunehmenden Bewegungsfugenabständen,

mit abnehmender Verbundfestigkeit zwischen dem Fundamentbeton und dem Befestigungselement, und

mit zunehmender Einbautemperatur.

Erwärmt sich die gebundene Rinne, so versucht sie sich auszudehnen, wobei sie sich bei nicht ausreichender Verbundfestigkeit zwischen den Befestigungselementen und dem Fundamentbeton aufwölbt und Biegespannungen an der Oberseite der Rinne entstehen. Auch beim Abkühlen der Rinne können Risse entstehen, da die Abkühlung zur Ausbildung von Zugspannungen führt, die von zementgebundenen Baustoffen nur in geringem Umfang aufgenommen werden können. Derartige Spannungen können nur dann schadensfrei abgebaut werden, wenn Bewegungsfugen mit ausreichend geringen Fugenabständen geplant werden und ein ausreichender Verbund zwischen den Rinnensteinen und der Unterlage vorliegt.

1.2.1 – Fugeneinlagen und Einbautemperaturen

Um Temperaturdehnungen schadensfrei aufnehmen zu können, sollten dauerhaft komprimierbare Fugeneinlagen verwendet werden, die sich bei der Temperaturdehnung verformen können.
Gleichzeitig müssen die Fugeneinlagen allerdings auch eine ausreichende Steifigkeit und Rückstellfähigkeit aufweisen, damit die letzte Steinreihe vor der Bewegungsfuge einen ausreichenden Halt durch die Fuge erhält. Wie diese Ausführungen zeigen, muss die Bewegungsfuge trotz ihrer Verformbarkeit zusätzlich die Funktion einer „Rückenstütze“ für die benachbarten Befestigungselemente übernehmen, damit diese eine ausreichende „Lagestabilität“ aufweisen. Ist die Fugeneinlage zu leicht „verformbar“, so entstehen häufig Risse in den zementären Fugen neben der Bewegungsfuge (siehe Bild 6).

Der oben abgebildete Schaden ist u. a. dadurch entstanden, dass die verwendeten Fugeneinlagen keine ausreichende Verformungsstabilität aufwiesen, so dass die angrenzenden Pflastersteine durch die einwirkenden Schubkräfte verschoben wurden, wobei Abrisse im Fugenmörtel entstanden.

Genau dieser Dualismus (notwendige Verformbarkeit der Fugeneinlage, ohne dass sich diese zu leicht verformt) hat zu der in Fachkreisen häufig kontrovers geführten Diskussion geführt, ob eher harte (z. B. PU-Kautschuk oder vulkanisierter Kautschuk) oder besser weiche Materialien (z. B. Polyolefin-Schaumstoffe) als Fugeneinlagen eingesetzt werden sollten.

Aktuell geht die Fachmeinung in die Richtung, dass

weiche Fugeneinlagen eher für Rinnen mit geringeren Beanspruchungen und

harte Fugeneinlagen eher für Rinnen mit hohen Beanspruchungen verwendet werden sollten.

Wie diese Diskussion zeigt, gibt es hinsichtlich der Härte der Fugeneinlagen demnach keine allgemein gültige, „richtige“ Lösung. Vielmehr muss immer ein Kompromiss zwischen der erforderlichen Verformbarkeit der Fugeneinlagen zur Aufnahme der Temperaturdehnungen und der erforderlichen Lagestabilität der Pflastersteine neben der Fugeneinlage gefunden werden. Bei dieser Abwägung spielt auch die Einbautemperatur der Rinne eine wesentliche Rolle.

Je größer die Temperatur bei der Herstellung der Entwässerungsrinne ist, desto geringer werden die durch die Fugeneinlagen aufzunehmenden Temperaturdehnungen sein, so dass eine geringere Verformbarkeit der Fugeneinlagen erforderlich ist. Allerdings führen hohe Einbautemperaturen dazu, dass sich die Rinnen dafür beim Abkühlen stärker verkürzen und somit deutlich größere Zugspannungen in den Rinnenanlagen entstehen, so dass die Rissgefahr in den Rinnen ansteigt (siehe Bild 7).

Auch bei den in Bild 7 dargestellten, in regelmäßigen Abständen auftretenden Rissen suchen die beteiligten Parteien die Schuld üblicherweise bei den Pflastersteinen, „da diese ja gerissen sind“. Tatsächlich sind diese Schäden im Normalfall aber eher auf zu große Fugenabstände, hohe Einbautemperaturen, hohe Festigkeit des Fugenmörtels und vor allem auf einen reduzierten Verbund zwischen der Rinne und der Unterlage zurück zu führen.

Auch das Steinformat hat einen Einfluss auf den Rissverlauf in der Rinne. So steigt die Rissgefahr in den Befestigungselementen mit zunehmender Stein- bzw. Plattengröße deutlich an, während die Risse bei geringeren Stein- bzw. Plattenformaten eher in den Fugen (bzw. in der Kontaktzone zwischen Fuge und Befestigungselement) entstehen, wo sie optisch deutlich weniger in Erscheinung treten.

1.3 – Fugenmörtel

Die Aufgabe des Fugenmörtels besteht darin, die Befestigungselemente der Rinne sachgerecht zu „verkleben“ und den Wasserzutritt zur Unterlage zu minimieren. Dies ist aber nur dann möglich, wenn die Fuge vollständig mit Fugenmörtel gefüllt wird und der Fugenmörtel eine hohe Fließfähigkeit besitzt. Weiterhin müssen die Fugenmörtel einen ausreichenden Frost-Tausalz-Widerstand aufweisen, um ihre Aufgabe dauerhaft sicherzustellen und um eine angemessene Optik auch über die Nutzungszeit hinweg zu erreichen. Selbstgemischte Zementmörtel weisen üblicherweise nicht alle erforderlichen Eigenschaften auf, so dass gemäß dem aktuellen Regelwerk (M FPgeb, ATV 18 318 oder ZTV Wegebau) zwingend Materialien mit einem entsprechenden Eignungsnachweis zu verwenden sind.

Die hohen technischen Anforderungen an den Frost-Tausalz-Widerstand haben zwischenzeitlich dazu geführt, dass die Fugenmörtel immer höhere Druckfestigkeiten aufwiesen. Aus heutiger Sicht war dies eine Fehlentwicklung, da derartig hohe Druck- und damit auch Zugfestigkeiten der Fugenmörtel dazu geführt haben, dass die Risse in den Pflastersteinen und nicht im Fugenmörtel entstanden, was zu einer größeren optischen Auffälligkeit führte. Im heutigen Regelwerk (M FPgeb und ATV 18 318) wurden die Druckfestigkeiten und damit auch die E-Moduli aus diesem Grunde nach oben begrenzt, um so die Gefahr für die Rissbildung in den Pflastersteinen zu reduzieren.

Der zweite Teil der Artikelreihe erscheint in THIS 04.2022 und wird sich mit der Herstellung von Entwässerungsrinnen befassen.

Materialprüfungs- und Versuchsanstalt Neuwied

www.mpva.de