Stabilisierung ungebundener Bodenschichten mit Geogittern

Aktuelle Entwicklungen

1. Einleitung

Die Normenreihe DIN EN 13249 ff (12/2016) regelt die Funktionen, die funktionsbezogenen wesentlichen Merkmale sowie die anzuwendenden Prüfverfahren für Geokunststoffe. Die Funktionen und Anwendungen sind in der DIN EN ISO 10318-1 (Ausgabe 10/2018) definiert sowie die zugehörigen Piktogramme in DIN EN ISO 10318-2 (Ausgabe 10/2018) vereinheitlicht.

Abb. 1a: Funktionen nach DIN EN ISO 10318-2

Abb. 1b: Anwendung Stabilisierung nach DIN EN ISO 10318-2 (10/2018)

Zusätzlich zu den in Bild 1a dargestellten Piktogrammen wurde in der Normausgabe 10/2018 das Piktogramm Stabilisierung (Bild 1b) im Rahmen der CE-Kennzeichnung der Geokunststoff-Produkte sowie der Herstellerangaben eingeführt.

Die Stabilisierung ungebundener Bodenschichten, ein im Erd- und Straßenbau bislang sowohl national als auch international seit Jahrzehnten in sehr unterschiedlichen Kontexten genutzter und daher nicht eindeutig belegter Terminus technicus, beschreibt gegenüber der Funktion Bewehren einen Effekt, der durch Trennung, Entwässerung und/oder die kleinräumige Wirkung von Bewehrungsprodukten zu einer summarischen positiven Beeinflussung des mechanischen Verhaltens der Bodenschicht unter zyklischen Lasten führt und damit die Verformungen reduziert. Ein Geokunststoff kann daher durch die Funktionen Trennen, Filtern, Drainieren und/oder Bewehren bzw. Kombinationen aus den Funktionen eine stabilisierende Wirkung ausüben [Vollmert].

Die Neuausgabe der DIN EN ISO 10318-1 (Ausgabe 10/2018) führt begrifflich zu den bereits bekannten Funktionen der Geokunststoffe zusätzlich die Funktion Stabilisieren ein als

„Verbesserung des mechanischen Verhaltens von ungebundenem körnigem Material durch eine oder mehrere geosynthetische Schichten, so dass eine Verformung durch aufgebrachte Kräfte durch Minimierung von Bewegungen des ungebundenen körnigen Materials verringert wird.”

2. Kurzzeit-Dehnsteifigkeit

Grundsätzlich spielt die Beanspruchungsrichtung des Geogitters eine entscheidende Rolle. Weist ein Produkt eine ausgeprägte Hauptzugrichtung (mit erhöhter Festigkeit oder erhöhter Steifigkeit) auf, spricht man von einaxialen Produkten, bei ähnlichem Zugkraft-Dehnungs-Verhalten in Produktionsrichtung (meist die Hauptzugrichtung, md) und quer dazu (Nebenzugrichtung, cmd) von biaxialen Produkten. Je nach Herstellungsart unterscheiden sich die Produkte zunächst in der Produktstruktur und den Abmessungen.

Zur Vereinheitlichung der Materialbeschreibung werden Bewehrungsprodukte u.a. nach ihrem Zugkraft-DehnungsVerhalten charakterisiert. Das Zugkraft-Dehnungs-Verhalten wird nach Müller-Rochholz [MüRo] danach zum einen durch den Rohstoff, zum anderen über das Herstellungsverfahren beeinflusst. Die Sekantensteigung der Zugkraft-DehnungsLinien bei einer gewählten Dehnung gibt nach Bild 2 die Dehnsteifigkeit J [kN/m] an.

Bei Anwendungen unter punktuellen und bewegten Verkehrslasten werden Geogitter in der Ebene der Bewehrung in mehrere Richtungen gleichzeitig beansprucht.

Werden Geogitter diagonal zu ihrer ausgeprägten Hauptzugrichtung (md und cmd) beansprucht, können prinzipiell Scherverformungen, z.B. bei einer rechteckigen Grundstruktur, auftreten. Bedingt durch das Herstellungsverfahren und die unter-schiedliche Steifigkeit von Verbindungsstellen zwischen Längs- und Querelementen ergibt sich bei einer Einspannung der Produkte an Luft in einer Zugprüfung diagonal zur Haupt- bzw. Nebenzugrichtung ggf. ein geringerer Wert der Dehnsteifigkeit als in Haupt- oder Nebenzugrichtung, da sich Öffnungen scherenartig ungehindert verformen können.

Ein wesentliches Merkmal stellt somit die radiale Dehnsteifigkeit bei diagonaler Zugbeanspruchung oder – je nach Geometrie des Gitters – bei einer beliebigen Winkelverdrehung zur Haupt- bzw. Nebenzugrichtung dar.

Abb. 2: Sekanten-Dehnsteifigkeiten von Geokunststoffen [EBGEO]

3. Europäisches Bewertungsdokument

Für das Inverkehrbringen sowie Handeln gemäß der europäischen Bauproduktenverordnung (EU-Bau-PVO) sind in den harmonisierten Normenreihen DIN EN 13249 ff (12/2016) keine wesentlichen Merkmale zu Geokunststoffen im Hinblick auf die Stabilisierung ungebundener Bodenschichten enthalten. Folglich sind auch keine Prüfverfahren geregelt, mit denen Kennwerte seitens der Hersteller zur Erklärung der Leistung eines Geogitters im Hinblick auf seine Dehnsteifigkeiten bei einer biaxialen Beanspruchung angegeben werden können.

Abhilfe schafft hier die Möglichkeit einer Europäisch Technischen Bewertung (ETA), auf deren Basis eine CE-Kennzeichnung für die Merkmale einer Funktion eines Geokunststoffproduktes bzw. einer Geokunststoffproduktreihe durch den Hersteller erwirkt werden kann (s. Bild 3).

Abb. 3: Wege zur CE-Kennzeichnung

Die Grundlage einer ETA stellt dabei das Technische Bewertungsdokument (kurz EAD) dar. In diesem Dokument werden wie bei den harmonisierten Normen u.a. die funktionsbezogenen wesentlichen Merkmale sowie die anzuwendenden Prüfverfahren beschrieben. Diese müssen sich auf mindestens eine der in der Bauproduktenverordnung aufgeführten Grundanforderungen beziehen (Tabelle 1). Bei Geokunststoff-Produkten wird im Regelfall auf die mechanische Festigkeit und Standsicherheit Bezug genommen.

Tabelle 1: Grundanforderungen an Bauwerke nach Bauproduktenverordnung

Für die Beschreibung der Funktion Stabilisierung wurden die in Tabelle 2 aufgeführten Merkmale auf Basis der Grundanforderungen Nrn. 1 und 7 (s. Tabelle 1) der Bauproduktenverordnung erarbeitet und mit den Technischen Bewertungsstellen (TAB-Stellen) gemäß Artikel 20 der EU-Bau-PVO abgestimmt. Danach sind insbesondere die Nrn. 3, 4 und 8 der Tabelle 2 von besonderer Bedeutung. Die Nr. 3 beschreibt als wesentliches Merkmal die SekantenDehnsteifigkeit in Hauptzug- und Nebenzugrichtungen in Winkelschritten von jeweils 15° dazu. Das Merkmal Nr. 8 erfordert für die Grundanforderung Nr. 7 Nachhaltige Nutzung der natürlichen Ressourcen eine Ökobilanzierung zur Herstellung der Produkte gemäß der DIN EN 15804 und ISO 14025 für die Produktionsphasen A1 bis A3 (Cradle to Gate). Aufgrund der Oberflächenbeschaffenheit (Rauigkeit) der Gitterstäbe ist ein Einfluss auf den Reibungswiderstand des Gitters in Abhängigkeit der ungebundenen Bodenschichten gegeben. Daher ist der Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit der Gitterstäbe auf den Scherwiderstand zu erfassen (Nr. 4, Tabelle 2). Im großen Scherkasten (300 mm x 300 mm) sind hierzu Scherversuche mit Auflasten von 20 kPa, 40 kPa und 60 kPa zwischen einer Fläche aus ausschließlich Gitterstäben und der Bodenschicht durchzuführen.

Tabelle 2: Wesentliche Merkmale für die Funktion Stabilisieren gemäß EAD No. 080013-00-0102 [EAD]

Abb. 4: links: Zug-Prüfmaschine mit hydraulischer Klemmvorrichtung (max. Einspannbreite 480 mm)
rechts: Nennmaßbreite für die Einspannung der Gitterproben sowie zu prüfende Winkelverdrehungen abweichend der Hauptzugrichtungen

Die Ermittlung der Zugkräfte erfolgt grundsätzlich nach bzw. in Anlehnung an EN ISO 10319 an einer Zug-Prüfmaschine mit breiter Klemmvorrichtung (s. Bild 4). Hierdurch wird gewährleistet, dass bei einer Diagonalbeanspruchung bzw. Beanspruchung abweichend der Haupt- bzw. Nebenzugrichtungen des Gitters eine ausreichende Probenbreite und Knotenanzahl des Gitters erfasst wird.

4. Ergebnisse

Anhand der Prüfergebnisse sind die jeweiligen Steifigkeiten für die Dehnungsbereiche 0 bis 0,5 % und 0 bis 2,0 % zu ermitteln. Die errechneten Steifigkeiten können gemäß Bild 5 aufgetragen und die minimalen Steifigkeiten des Gitters je Dehnungsbereich bestimmt werden. Im dargestellten Fall (Rohstoff PET) wurde die minimale Steifigkeit für den Dehnungsbe-reich 0 bis 0,5 % (außenliegende Rosette) von J_0-0,5% = 784 kN/m und für den Dehnungsbereich 0 bis 2,0% von J_0-0,5% = 655 kN/m ermittelt. Aufgrund der quadratischen Gitterstruktur und vergleichbaren Zugfestigkeiten in den Hauptzugrichtungen liegen bei dem geprüften Gitter die minimalen Dehnsteifigkeiten bei einer Winkelverdrehung von 45° gegenüber der Haupt- bzw. Nebenzugrichtung.

Abb. 5: Ermittlung der radialen Dehnsteifigkeiten am Beispiel des Geogitters Secugrid 40/40 Q6 (PET)

In Bild 6 sind die aus Bild 5 ermittelten Dehnsteifigkeiten im Vergleich zu anderen Geokunststoffprodukten aufgeführt. Danach erreichen die geprüften gewebten und gewirkten Gitter ähnliche Steifigkeiten in diagonaler Richtung wie das gestreckte multiaxiale Gitter, dessen Kennwerte einem Datenblatt entnommen wurden. Das Secugrid-Gitter aus PP (2. Kennlinie von außen) liegt aufgrund seines Dehnungsverhaltens unterhalb des Gitters aus PET.

Abb. 6: Radiale Dehnsteifigkeiten J_0-0,5% verschiedener Geokunststoff-Produkte im Vergleich

5. Schlussfolgerungen

Durch die aufgezeigten Prüfungen lässt sich die radiale Dehnsteifigkeit eines Geogitters im nicht eingebauten Zustand, d.h. an Luft, ermitteln. Hierdurch steht ein Kennwert zur Verfügung, der für die stabilisierende Wirkung eines Geogitters in einer ungebundenen Bodenschicht bzw. Tragschicht herangezogen werden kann. Die Formstabilität, d.h. die bei geringen Verformungen bei gleichzeitiger Beanspruchung in mehrere Richtungen hohe Zugkraftaufnahme lässt sich über die radiale Dehnsteifigkeit als Materialkennwert beschreiben. Die Einbindung der Prüfverfahren in ein Europäisches Bewertungsdokument und die anschließende Bewertung der Geokunststoff-Produkte bzw. der –Produktreihe ermöglicht dem Hersteller, seine Produkte mit dieser Eigenschaft in den Verkehr bzw. in den Handel zu bringen.

Unabhängig davon ist weiter zu klären, inwieweit die Größenordnung der radialen Dehnsteifigkeit den Nachweis der Gebrauchstauglichkeit einer ungebundenen Bodenschicht als Materialkennwert beeinflusst. Hierzu sind weitere Forschungen erforderlich.

5. Literatur

[Vollmert] Vollmert, Lars: Zur Gebrauchstauglichkeit geogitter-bewehrter Tragschichten unter zyklisch-dynamischen Beanspruchungen. Schriftenreihe Geotechnik und Markscheidewesen. Hrsg.: Institut für Geotechnik und Markscheidewesen der TU Clausthal, Heft 24, 2017

[MüRo] Müller-Rochholz, Jochen: Geokunststoffe im Erd- und Straßenbau. Werner Verlag / Wolters Kluwer, München/Unterschleißheim, 2. Auflage, 2008

[EAD] European Assessment Document: Rectangular geogrid for the stabilization of unbound granular layers under applied load, No. 080013-00-0102, EOTA, Draft Version, unveröffentlicht

[EBGEO] Empfehlungen für den Entwurf und die Berechnung von Erdkörpern mit Bewehrungen aus Geokunststoffen (EBGEO). Verlag Ernst & Sohn, 2. Auflage, 2010