Partieller Gerinneabbruch bei haubenförmigen Kanalprofilen

Zielsetzung kann die Schaffung günstigerer hydraulischer Verhältnisse durch die Wahl eines größeren Querschnittes oder aber die Senkung der Baukosten durch die Wahl eines kostengünstigeren Querschnittes des Reliningrohres sein. Am Beispiel einer im Stadtgebiet Radebeul durchgeführten Kanalsanierungsmaßnahme mit Hilfe verdämmter GfK-Rohre wird aufgezeigt:

– welche besonderen Aspekte vorwiegend aus statischer Sicht bei einem geplanten Eingriff in die bestehende Sohlkonstruktion zu beachten sind,

– welche Maßnahmen im Rahmen der Planung bedacht und bei der Bauausführung ergriffen werden sollten, um eine ausreichende Standsicherheit insbesondere im Bauzustand zu gewährleisten

– und schließlich welche wirtschaftlichen Vorteile erwartet werden können.

Vorteile und Risiken eines Teilabtrages bestehender Sammlerquerschnitte

Die Frage der teilweisen oder vollständigen Entnahme der Sohle wird meist bei begehbaren haubenförmigen Querschnitten mit und ohne Sohlgerinne diskutiert (Beispiele s. Bild 1). Insbesondere bei mehrschalig gemauerten Kanälen oder aber bei Kanälen aus Beton, Stahlbeton oder Stampfbeton mit innerer Klinkerauskleidung erscheint die Entnahme einer Klinkerschicht zunächst praktikabel. Wenn diese Klinkerschicht bereits starke Schädigungen aufweist (ausgewaschene Fugen, chemisch angegriffener Fugenmörtel, fehlende Steine, flächiger Abtrag der Schicht) und sie somit offensichtlich nur noch einen geringen Anteil zur Lastabtragung beisteuert, ergibt sich ferner ggf. die Notwendigkeit einer Erneuerung bzw. Ertüchtigung der Schicht. In Fällen einer bereits bestehenden hohen hydraulischen Auslastung ggf. auch Überlastung erscheint es naheliegend, die durch die Materialentnahme bedingte Vergrößerung der Querschnittsfläche für eine Ertüchtigung des Sammlers ohne Reduktion der hydraulischen Leistungsfähigkeit z.B. mit Hilfe eines Einzelrohrlinings zu nutzen (s. Bild 1a). Da aus hydraulischen Gründen nach der Sanierung meist ein möglichst großer Querschnitt verbleiben soll, werden immer häufiger GfK-Liningrohre eingesetzt, die die Querschnittsform des Bestandes einschließlich des Gerinnes, allerdings zwangsläufig in einer geringeren Dimension, nachbilden. Der Vorteil des Werkstoffes GfK liegt in der Realisierbarkeit nahezu beliebiger Querschnittsformen. Bild 2a) zeigt den für die Baumaßnahme Radebeul ursprünglich geplanten Sanierungsquerschnitt eines Maulprofils mit Sohlgerinne sowie im Vergleich hierzu den letztlich ausgeführten Querschnitt eines Drachenprofils (Bild 2b). Sofern die Kontur des Rohrquerschnittes wie in Bild 2a) Knickpunkte (nach innen) bzw. Gegenkrümmungen (Wendepunkte) aufweist, können die Rohre nicht mehr in einem Stück auf einem Dorn gewickelt werden. Sie müssen aus Einzelteilen zusammengefügt werden, die in den Längsstößen, am Beispiel des Bildes 2a) in den Gerinneecken, durch Überlaminate miteinander zu verbinden sind. Da die Herstellung der Überlaminate händisch im Werk erfolgt, stellt sie einen erheblichen Kostenfaktor dar. Durch den Abbruch der Gerinnekanten und die Reprofilierung des Sohlbereichs (Bild 3) wurde im Fall der Baumaßnahme Radebeul die Möglichkeit geschaffen, ein GfK-Drachenprofil an Stelle des ursprünglich geplanten GfK-Haubenprofils mit Gerinne einzubauen (Bild 2b). Somit konnte auf Überlaminate (in Längsrichtung) verzichtet werden. Weiterhin konnte mit dem Drachenprofil die bei dem Maulprofil erforderliche Klebeverbindung durch eine Gleitkeildichtung ersetzt werden, welche weitere Vorteile im Baufortschritt und bei der Reduzierung der Baukosten mit sich brachte.

Den genannten Vorteilen stehen einige Risiken, die sich aus der Reduktion der Traglast des Sammlers bedingt durch den Abtrag der Wandung ergeben, entgegen. Sie müssen im Rahmen von Planung und Ausführung der Baumaßnahme bedacht werden. Aus statischer Sicht kann die Sohle haubenförmiger Kanäle als versteifendes Bauteil, als Gründungsplatte oder aber auch allein durch das Sohleigengewicht zur Tragfähigkeit des Gesamtquer-schnittes beitragen. Haubenförmige Kanalquerschnitte tragen die einwirkenden Lasten primär über die Bogentragwirkung der Konstruktion ab. D.h. infolge der einwirkenden Erd- und Verkehrslasten resultieren in dem Bogen in erster Linie Druckkräfte (s. Bild 1). Sie werden unter den Gewölbefüßen als vertikale Bodenpressung in den Baugrund abgeleitet. In Abhängigkeit von der Bogenform, insbesondere vom Verhältnis Höhe/Breite sowie von den Baugrundverhältnissen ergeben sich in den Bogenfußpunkten Horizontalkräfte. Sie sind bei steilen Bögen nach innen, bei flachen Bögen nach außen gerichtet. Die Sohle kann somit als Druckstrebe (Bild 1a)) oder als Zugband (Bild 1b)) fungieren. Eine Zugtragwirkung der Sohle dürfte allerdings eine seltene Ausnahme, vermutlich beschränkt auf relativ neue Bauwerke, sein, da sie eine Zugbewehrung bedingt. Nach außen gerichtete Horizontalkräfte stellen meist den eher problemlosen Fall dar, da sie in den Baugrund eingeleitet werden können. Die Sohle alter Kanäle (z.B. aus Stampfbeton) kann sich hingegen durchaus an der Druckabtragung nach innen gerichteter Horizontalkräfte beteiligen (z.B. Bild 1a). Sofern die bestehende Sohle nicht in der Lage ist, diese Druckkräfte aufzunehmen (starke Schädigung) oder die bestehende Sohle ausgebaut wird, müssen die Kräfte anderweitig aufgenommen werden (Reibung in der Gründungsfuge, innere Aussteifung, …).

Als wesentliche in Verbindung mit einem Teilabtrag der Sammlerwandung in Zusammenhang stehende Risiken sind

– die Verringerung der Druckzone durch Reduktion der Rohrwanddicke,

– die Verringerung der Auftriebssicherheit des Gesamtquerschnittes,

– die Verringerung der Standsicherheit des Sohlbereiches,

– die Erhöhung der Grundbruchgefahr,

– die Gefahr des hydraulischen Grundbruches,

– sowie die Gefahr der Substanzschädigung durch Erschütterungen

anzusehen. Die Folgen des geplanten Eingriffs (Bauzustände) sind daher basierend auf abgesicherten Eingangsparametern (Sammlergeometrie und –material, Baugrund, Grund-wasserverhältnisse, Lasten) statisch zu bewerten. So zeigt Bild 1a) ein Beispiel, bei dem die geplante Entnahme der Sohlverklinkerung verworfen wurde, da im Rahmen der Vorerkundung Grundwasserstände oberhalb der Profilsohle und zudem eine schlechte Betonqualität im Sohlbereich festgestellt wurde. Es bestand das Risiko eines Versagens im Gründungsbereich. Im Gegensatz hierzu war bei dem später noch näher betrachteten Beispiel aus Radebeul (Bild 1b)) der Eingriff in den Bestand möglich.

BV Radebeul Serkowitzer Straße

Vorstehend wurden Vorteile und Risiken eines Teilabtrages der Sammlerwandung dargestellt. In diesem Zusammenhang wurde bereits auf das Beispiel der Kanalsanierungsmaßnahme Radebeul Serkowitzer Straße eingegangen. In der Folge werden am Beispiel der genannten Maßnahme die Vorteile wie auch die zur Minimierung der Risiken ergriffenen Maßnahmen im Detail dargestellt:

Gemäß Investplanung der Wasserversorgung und Stadtentwässerung Radebeul GmbH (WSR) war die Sanierung des Mischwasserkanals Serkowitzer Straße in Radebeul geplant. Es handelte sich hierbei um den Abschnitt Schildenstraße bis Wasastraße. Im Zuge der Bestandsbewertung wurde das Schadensbild „Betonkorrosion“ festgestellt. Der Zustand des Kanals stellt die dauerhafte Standsicherheit in Frage. Weiterhin wurde im laufenden Betrieb festgestellt, dass bei erhöhten Grundwasserständen massiv Fremdwasser in den Kanal eindrang.

Mit der Ausführung der geplanten Leistungen wurde die Bietergemeinschaft Heinrich Lauber GmbH & Co.KG / Aarsleff Rohrsanierung GmbH beauftragt. Hierbei wurde als Nebenangebot der Einbau eines GFK-Drachenprofils mit inneren Abmessungen von Bi/Hi = 1240 mm /1311 mm anstatt des ursprünglich geplanten Maulprofils Bi/Hi = 1311 mm /1311 mm mit TWR angeboten und gewertet (Vergleich der Profilgeometrien s. Bild 2).

Aufgrund der bereits beschriebenen Vorteile in der Produktion der GfK-Drachenprofile (Wegfall der Überlaminate und Klebeverbindungen) konnte somit ein Kostenvorteil von ca. 25% gegenüber dem ursprünglichen Profil mit Trockenwetterrinne erzielt werden. Hierbei sind sowohl die geringeren Produktionskosten, die erhöhten Aufwendungen durch den Abtrag der Gerinneecken und die Reprofilierung des Bermenbereiches im Pilgerschrittverfahren (Bild 3) sowie weitere Kosten für die Überwachung des Bauwerkszustandes (tägliche Messung des Grundwassers, Schürfen etc., s.u.) berücksichtigt. Der Einbau der Profile (Bild 4) , die Ringraumverdämmung sowie die Anbindung der seitlichen Anschlüsse erfolgte ohne weitere Unterschiede zum üblichen Einzelrohrlining.

Voruntersuchungen, Ermittlung von statisch

relevanten Eingangsparametern

Um eine abgesicherte Aussage hinsichtlich der Tragfähigkeit bestehender Sammler treffen zu können, ist es meist erforderlich, die maßgeblichen Eingangsparameter der statischen Berechnung (Bauwerksparameter, Baugrundparameter, Lasten) durch Feld- und Laboruntersuchungen zu bestimmen. Historische Planunterlagen sollten, sofern vorhanden, als Grundlage der Bauwerks- und Baugrunderkundung dienen. Es muss allerdings darauf hingewiesen werden, dass ihre Zuverlässigkeit zu hinterfragen ist. Abweichungen der tatsächlich ausgeführten Konstruktion, erfahrungsgemäß insbesondere im Gründungsbereich, sind keine Seltenheit. Tab. 1 fasst für das Beispiel der Baumaßnahme Radebeul die wesentlichen für die statische Modellbildung erforderlichen Parameter zusammen. Die Lasten ergeben sich aus den Sohltiefen bzw. Überdeckungshöhen, den zu erwartenden Grundwasserständen sowie den Verkehrslastangaben des Auftraggebers. In Einzelfällen können Fundamentlasten aus angrenzenden Bauwerken (ggf. auch Überbauung) und zusätzliche Flächenlasten (z.B. Lagerflächen) hinzukommen. Die Ermittlung der Bauwerksparameter umfasst zum einen die Feststellung der Geometriedaten, also innere Abmessungen und Wanddicken, zum anderen die materialtechnischen Kennwerte (Festigkeit und E-Modul, ggf. Bewehrungstyp, -abstand und -durchmesser). Die innere Kontur wurde hier mit Hilfe eines Laserscans aufgenommen, die Bestimmung der Rohrwanddicke in Scheitel, Kämpfer und Sohle (s. Tab. 1) sowie die Feststellung der Betongüte erfolgte an Bohrkernen. Zur Beurteilung der Gründungssituation wurde die Berme geöffnet (s. Bild 5). Die angetroffenen Gründungsverhältnisse sind in den Bildern 5 und 6 dargestellt. So konnte festgestellt werden, dass es sich nicht, wie zunächst vermutet, um eine durchgehende Betonsohle mit eingelegtem Gerinneformteil handelte. Stattdessen betrug die Dicke der auf Sand aufgelagerten Berme nur ca. 12 cm. Der Fußpunkt des Bogens wies zur Kanalinnenseite hin bis zur Gründungsfuge eine Verbreiterung um ca. 15 cm auf. Die Gründungsfuge schließlich lag ca. 40 cm unterhalb des inneren Verschneidungspunktes zwischen Berme und Sohle. In Bild 6 ist der Unterschied zwischen der zunächst angenommenen (Bild 6 links) und der schließlich vorgefundenen (Bild 6 rechts) Gründungssituation aufgezeigt. Bereits aufgrund der augenscheinlich feststellbaren Verhältnisse ist davon auszugehen, dass rechnerisch keine Normalkraftabtragung durch die Sohle vorausgesetzt werden kann. Die Untersuchung des Baugrundes im Bereich der Sammlertrasse erfolgt mit Hilfe von Feld- und Laboruntersuchungen. Die wesentlichen Ergebnisse, soweit sie das hier betrachtete Maulprofil betreffen, sind in Tab. 1 (Baugrundkennwerte, entnommen aus [5]) und Bild 7 (Baugrundschnitt, entnommen aus [5]) dargestellt. Aus Bild 7 wird deutlich, dass die Gründungssohle der hier betrachteten Haltung vermutlich durchgehend in dem Bereich des gut tragfähigen Terrassensandes liegt. Etwa ab Kämpferhöhe ist in Teilbereichen seitlich neben dem Bogen mit schluffigem Talsand zu rechnen. Die Verhältnisse in der Gründungssohle sind gerade bei dem geplanten Eingriff in die Sohlkonstruktion von großer Bedeutung, da sie maßgeblich die Grundbruchsicherheit bestimmen. Der durchgeführte Schurf lieferte hier wichtige Zusatzinformationen (Einbindetiefe, Fundamentbreite, Bodenart) zur Bewertung der Machbarkeit der geplanten Maßnahme. In Bild 7 ist ferner der Bemessungsgrundwasserstand (ca. 0,8 m über Kanalsohle) sowie der im Januar 2014 festgestellte Grundwasserstand (ca. 0,8 m unter Kanalsohle) dargestellt.

Traglastbewertung des Bestandes

Die statische Berechnung des maulförmigen Bogentragwerkes erfolgte mit Hilfe eines ebenen FE-Modells, da somit die geometrischen Verhältnisse des Kanals wie auch die Bodenschichtungen gem. Bild 5 realistisch in der Modellbildung berücksichtigt werden konnten. Da es sich um einen Kanalquerschnitt aus unbewehrtem Beton handelt, wurden basierend auf den Unterlagen [1] bzw. [2] in den Punkten, in denen mit einer Längsrissbildung zu rechnen ist (Zugspannungsbereiche in Scheitel und Kämpfern), Gelenke eingefügt. Ferner wurde wegen der festgestellten Gründungssituation (s. Bild 5 und 6) keinerlei Kraftübertragung zwischen Bogen und Berme angesetzt. Die einwirkenden Lasten aus Erdüberdeckung und Verkehr werden somit von dem Bogen im Bogenfußpunkt in den Baugrund eingeleitet. Die statische Nachweisführung zeigte, dass die Bogenkonstruktion für die relevanten Einwirkungssituationen eine ausreichende Standsicherheit aufweist (Nachweis der Gelenkdruckkräfte, Stabilitätsnachweis, Verformungsnachweis).

Besonderes Augenmerk galt wegen des geplanten Eingriffs in den Bestand (Abtrag der Gerinnekanten) der Betrachtung des Bogenfußpunktes. Hier sind über die Unterlagen [1, 2] hinausgehende Grundbruchnachweise zu führen. Unter Voraussetzung des vorhandenen Zustandes wurden drei Bemessungsschnitte (Schnitte I – I, II – II und III – III in Bild 7) bei Einwirkung unterschiedlicher Verkehrslasten sowie mit und ohne Grundwassereinfluss untersucht. Ohne Grundwassereinwirkung ergaben sich Ausnutzungsgrade in einer Größenordnung von 0,8 bis 1,0 (zulässig maximal 1,0). Bei der Berücksichtigung eines Grund-wasseranstieges über die Gründungssohle hinaus stieg der Ausnutzungsgrad auf einen nicht mehr zulässigen Bereich von ca. 1,6 bis 2,0 an. Obwohl davon auszugehen ist dass, während der Lebensdauer des Bauwerks mehrfach derartige Lastzustände auftraten, wurden im Rahmen durchgeführter Kanalbegehungen keine hierdurch zu erwartenden Schäden (Längsrisse in den Bermen, Aufwölbung von Bermen und Gerinne) festgestellt. Dies ist vermutlich auf eine tatsächlich mittragende Wirkung der Sohlkonstruktion sowie insbesondere auf einen während hoher Grundwasserstände wirkenden inneren Gegenduck durch Teilfüllung des Sammlers zurückzuführen.
Für den Bauzustand der Entnahme der Gerinne­ecke wurden zunächst die angetroffenen Verhältnisse (gem. Bild 5 und 6 sowie Tab. 1) vorausgesetzt. Da der geplante Materialabtrag nur eine geringfügige Reduktion der stabilisierenden Auflast bewirkt, ergab sich auch nur eine geringe Erhöhung der Auslastung. Zur Planung von Kontrolluntersuchungen, die während der Baumaßnahme durchzuführen sind, erfolgten Parameteruntersuchungen. Unter Voraussetzung einer Verkehrslast SLW 30 wurde der Reibungswinkel φ´ in einem Bereich von 27,5° bis 35°, die Einbindetiefe d in einem Bereich von 0,15 m bis 0,4 m sowie die Fundamentbreite b (in der Gründungsfuge) in einem Bereich von 0,5 m bis 0,9 m variiert. Im Rahmen der Parameteruntersuchung erfolgte eine Beschränkung auf den Bemessungsquerschnitt III-III (s. Bild 7), da er gegenüber Schnitt II-II ungünstigere Ergebnisse liefert (höhere Fundamentlasten) und da die Gründungs- bzw. Bettungsverhältnisse des Schnittes I-I nur über einen sehr kurzen, schachtnahen Kanalbereich anstehen. Die Ergebnisse der Parameteruntersuchungen sind in Tab. 2 zusammengestellt. Zulässige Auslastungen sind grün, unzulässige Auslastungen rot gekennzeichnet. Es zeigt sich, dass insbesondere ein Anstieg des Grundwasserspiegels auf oder über das Niveau der Gründungssohle in allen Fällen zu deutlichen Überschreitungen der zulässigen Auslastung führt. Ferner reagiert das System insbesondere auf Veränderungen des Reibungswinkels des Bodens sensibel (Bodenart).

Bauausführung, Bauüberwachung,

Kontrollmechanismen

Pegelmessungen, die während der vorausgehenden Sanierung der Eiprofile durchgeführt wurden, deuten darauf hin, dass im Bereich des Maulprofils vermutlich über den geplanten Sanierungszeitraum hinweg nicht mit Grundwasserständen im Bereich der Gründungssohle zu rechnen ist. Da ferner die im Bereich der Schürfe festgestellte Gründungssituation eine ausreichende Grundbruchsicherheit gewährleistet, erfolgte die Ausführung der beschriebenen Sanierungsvariante (Bild 2b)).

Zur Vermeidung unzulässiger Bauzustände wurde für die Dauer der Baumaßnahme die Durchführung nachfolgender Maßnahmen festgelegt:

–   Der Pegelstand ist täglich zu kontrollieren. Die gemessenen Grundwasserstände werden dem Bauherrn bzw. dessen Vertreter zeitnah übermittelt. Die Entnahme der Gerinneecke erfolgt allein bei Grundwasserständen unterhalb der Gründungsfuge.

– Während der Bauzustände (bis nach Einbau und Verdämmung der GfK-Profile) erfolgt eine Beschränkung der Verkehrslast auf SLW 30.

– Die Entnahme der Gerinneecke erfolgt im Pilgerschrittverfahren. Die Länge des Arbeitsbereiches wird so gewählt, dass in dem Abschnitt an einem Tag der Beton entnommen und die Wiederherstellung der neuen Berme / Bermenkante erfolgen kann (Bereichslänge ca. 3 bis 5 m). An einem Folgetag darf nicht unmittelbar im Anschluss an den vortags bearbeiteten Schritt mit den Arbeiten fortgefahren werden. Es ist mindestens eine Arbeitsschrittlänge als Abstand in Längsrichtung einzuhalten.

– Der Sanierungsabschnitt, speziell in den geöffneten Bermenbereichen, ist über ein geeignetes Vorflut­lenkungskonzept abwasserfrei zu halten, um einen Bodenaustrag zu verhindern.

– Die Berme kann bis zum Bogen abgetragen werden. Der maximale Abtrag beträgt 10 cm, so dass die Fundamenteinbindetiefe einen Wert von 25 cm nicht unterschreitet. Das Gerinne verbleibt als Bestandteil des reprofilierten Kanalquerschnittes. Der Boden unterhalb der Berme verbleibt in seinem ggw. Zustand (keine Entnahme, keine Auflockerung). Der Kanal ist abends nach Abschluss der Arbeiten zu räumen.

– Der Ausbau erfolgt weitestgehend erschütterungsarm.

– Die Gründungssituation (Bodenart, Einbindetiefe, Wanddicke zzgl. Fußpunktverbrei-terung) ist durch Schürfe (gem. Bild 5) alle 7,5 m im Wechsel der Kanalseite zu überprüfen und zu dokumentieren.

– Nach durchgeführter Reprofilierung (vor Einbau der GfK-Rohre) ist der Kanal im Falle von Grundwasserständen oberhalb der Kanalsohle zur Gewährleistung der Sohlstabilität unter Auftrieb zu fluten.

– Der Einbau der GfK-Rohre sowie die abschließende Ringraumverdämmung erfolgt ohne größeren zeitlichen Verzug nach Abschluss des partiellen Sohlaustausches (Entnahme der Gerinnekanten und Reprofilierung).

Auf die besondere Relevanz des Grundwasserstandes wurde vorstehend hingewiesen. Da der Grundwasserstand im gesamten Bauzeitraum mit ca. 1,3 m deutlich unter der Kanalsohle (Kanalsohle entspricht etwa der Gründungssohle) lag sowie die weiteren für den Grundbruchnachweis relevanten Parameter in dem gem. Tab. 2 zulässigen Bereich lagen, konnte der partielle Sohlaustausch sowie der Einbau der GfK-Rohre problemlos durchgeführt werden. Nach Einbau und Verdämmung der GfK-Rohre ergibt sich auch unter Einwirkung des Bemessungswasser-standes sowie der vorgegebenen Verkehrslast LM 1 eine ausreichende Standsicherheit der verdämmten GfK-Rohre (Bild 8).

TÜV Rheinland LGA,

Dipl.-Ing. Mirko Knechtel

Aarsleff Rohrsanierung GmbH,