Was sind Dübelstäbe in Betonfahrbahndecken-Fugen?

Definition

Ein Dübelstab ist ein glatter Stahlstab, der eine Fuge in einer Betonfahrbahndecke quert und Lasten von einer Platte auf die nächste überträgt. Die FAA verwendet für eine Platte das Wort „panel“. AC 150/5320-6G sagt, Dübel sichern die Lastübertragung über die Fuge und verhindern eine relative vertikale Verschiebung der benachbarten Plattenenden (3.16.10.2).

Der Stab ist glatt, nicht profiliert. Ein glatter Stab kann im Beton gleiten, sodass sich die Fuge öffnen und schließen kann. Item P-501 verlangt glatte Stahlstäbe nach ASTM A615, frei von Graten, die das Gleiten behindern. Jeder Stab hat eine Epoxidbeschichtung nach ASTM A1078 Typ 1, dicker als 10 mils, und eine Trennschicht des Herstellers. Dübelhülsen und Einsätze sind nicht zulässig (501-2.7). Der Ingenieur kann nach Abstimmung mit der FAA Chromstäbe (ASTM A1035) oder Edelstahlstäbe (ASTM A955) verlangen.

Wie ein Dübelstab wirkt

Wenn ein Rad eine Platte belastet, gibt der Dübel einen Teil der Last an die nächste Platte weiter. Die FHWA sagt, Dübelstäbe sorgen für eine positive Lastübertragung über die Fuge. Das verringert die Durchbiegungen und Spannungen an der Fuge deutlich und damit das Potenzial für Pumpen, Faulting und Plattenrisse (FHWA-HIF-07-021, S. 1).

Untersuchungen zeigen, dass der wichtigste Lastübertragungsmechanismus eines Dübels die Scherung ist. Die Biegung des Stabes spielt kaum eine Rolle, besonders dort, wo sich die Fuge um weniger als 1/4 in öffnet (Snyder, S. 2). Snyder berichtet, dass der kritische Dübel einer Straßenfuge in der Regel weniger als 3.000 lb trägt. Scherung und Biegung bestimmen daher nicht den Durchmesser des Stahlstabs. Der Durchmesser ist aus einem anderen Grund wichtig. Ein steiferer Dübel senkt die Lagerpressung zwischen Stab und Beton, und das verlangsamt das Wachstum von Faulting (Snyder, S. 2 bis 3).

Der Stab muss außerdem die Bewegung der Fuge zulassen. Temperatur und Trocknungsschwinden öffnen und schließen die Fugen. Bei 15 ft (4,6 m) langen Platten gibt die FHWA eine typische Fugenbewegung von 2 bis 3 mm (0,08 bis 0,12 in) an. Das gilt auch in kälteren Regionen (FHWA-HIF-07-021, S. 3). Die Trennschicht am Stab lässt ihn bei dieser Bewegung im Beton gleiten. Snyder empfiehlt eine Trennschicht auf mindestens der halben Länge jedes Stabes. Eine halbfeste Beschichtung muss dünn sein, denn eine dicke Schicht kann wie ein Verlust der Lastübertragung aussehen (Snyder, S. 11).

Stahldübel sind eine alte Technik. Der erste dokumentierte Einbau in den USA erfolgte im Winter 1917 bis 1918, und bis 1930 verlangte fast die Hälfte der Bundesstaaten sie (Snyder, S. 1).

Dübelstäbe und Ankerstäbe

Ein Ankerstab (tie bar) ist ein anderes Bauteil. Er ist ein profilierter Stab, der eine Längsfuge geschlossen hält. AC 150/5320-6G sagt, Ankerstäbe wirken nicht als Lastübertragungselemente. Sie halten die Plattenflächen in engem Kontakt, sodass die Kornverzahnung die Last übertragen kann (3.16.10.1). Die beiden Bauteile unterscheiden sich wie folgt:

• Ein Dübel ist glatter Stahl, mit Epoxid und einer Trennschicht beschichtet. Ein Ankerstab ist profilierter Stahl nach ASTM A615 (501-2.7).
• Ein Dübel liegt parallel zur Oberfläche und gleitet im Beton (FHWA-HIF-07-021, S. 2). Ein Ankerstab wird nie gestrichen, gefettet oder in eine Hülse gesteckt, und er liegt in der Mitte der Plattendicke (501-4.10).
• Ein Dübel überträgt Last über eine Quer- oder Baufuge. Ein Ankerstab hält eine Längsfuge geschlossen. AC 150/5320-6G sieht Anker in Längsscheinfugen innerhalb von 20 ft (6 m) von einem freien Rand vor, wenn die Platte 9 in (225 mm) oder dünner ist. Eine Platte von 6 in (150 mm) oder weniger erhält Stäbe Nr. 4, 20 in (510 mm) lang, im Achsabstand von 36 in (900 mm). Eine dickere Platte erhält Stäbe Nr. 5, 30 in (762 mm) lang, im Achsabstand von 30 in (3.16.10.1).

Wo Flugplätze Dübel einsetzen

• Die letzten drei Querscheinfugen von einem freien Rand aus (3.16.10.2.1). Die AC sagt, eine stabilisierte Tragschicht stützt die Platten, deshalb bringen mehr Dübel wenig Nutzen.
• Alle Baufugen, längs oder quer. Ein verdickter oder bewehrter Rand kann die Dübel ersetzen (3.16.10.2.2). Bei Flugzeugen mit 30.000 lb (13.610 kg) oder mehr nutzt die AC eine gedübelte Fuge vom Typ E. Eine Stoßfuge (Typ F) hat keine Dübel. Sie darf bei Befestigungen für Flugzeuge unter 30.000 lb verwendet werden, die auf einer stabilisierten Tragschicht liegen oder ein Betonüberzug einer flexiblen Befestigung sind (3.16.9.5).
• Längsscheinfugen höchstens 20 ft (6 m) von einem freien Rand, in Platten dicker als 9 in (Tabelle 3-5, Fugentyp C).

Wo sich eine Längs- und eine Querfuge treffen, entfernt die AC bei Bedarf einen Dübel oder Anker aus der Längsfuge. Der verbleibende Stab bleibt 12 in (300 mm) vom Ende der Querdübel entfernt (Abbildung 3-5, Anmerkung 1).

Dübel in Isolations- und Raumfugen

Isolationsfugen erhalten keine Dübel. P-501 sagt, eine Isolationsfuge dient hauptsächlich dazu, Bauwerke mit unterschiedlichen Gründungen und Befestigungen mit unterschiedlichem Fugenbild zu trennen. Sie sieht keine Ausdehnung durch Zusammendrücken des Materials vor. Sie lässt die Fuge gleiten, deshalb sollte es selten Anlass geben, sie zu dübeln. Dort ist ein verdickter Rand die bevorzugte Art der Lastübertragung (501-4.10).

Die Straßenpraxis ist anders. Ein Leitfaden der Iowa State University empfiehlt Dehnkappen auf den Dübelenden im Neubau nur an Raumfugen. Die Kappe sitzt auf dem nicht verschweißten Ende jedes Dübels im Korb. Der Leitfaden sagt, an Scheinfugen und Baufugen sind Kappen nicht nötig (Snyder, S. 11). Die Checkliste der FHWA zur Nachrüstung verlangt außerdem Kunststoffkappen an jedem Ende eines Nachrüstdübels, um die Ausdehnung der Befestigung aufzunehmen.

Größe und Abstand

AC 150/5320-6G, Tabelle 3-6, nennt Durchmesser, Länge und Abstand der Stahldübel nach Plattendicke.

Die AC verlangt, Dübel für die Scher- und Biegespannungen aus der Last zu bemessen. Sie verlangt außerdem eine Länge und einen Abstand, die ein Versagen des Betons durch die Lagerpressung verhindern (3.16.10.2.3). Ein Entwurfshinweis in P-501 setzt eine Grenze nahe der Fugenlinie. Ein Dübel oder Ankerstab darf nicht näher als das 0,6-Fache seiner Länge an die geplante Fugenlinie gesetzt werden. Liegt der letzte reguläre Stab näher, rückt er auf diesen Abstand, aber nicht näher als 6 in (150 mm) an seinen Nachbarn (501-4.10).

Die Straßenpraxis ist ähnlich, aber nicht gleich. Die Faustregel seit den 1960er-Jahren setzt den Dübeldurchmesser in Achteln eines Zolls gleich der Plattendicke in Zoll. Die Stäbe sind 18 in lang im Achsabstand von 12 in. Das ACI-Komitee 325 empfahl 1956 die Länge von 18 in und den Abstand von 12 in. Die Behörden handhaben es heute unterschiedlich. In Snyders Umfrage von 2009 liegen die Durchmesser, die Staaten für eine 10 in dicke Platte verwenden, zwischen 1 1/4 in und 1 1/2 in (Snyder, S. 1 bis 3).

Einbau

Ausrichtung und Höhenlage bestimmen, wie gut eine gedübelte Fuge arbeitet (3.16.10.2.4). Die AC hält die Dübel in einem Drahtkorb oder Gitter, das fest am Unterbau verankert ist. Sie lässt auch einen Fertiger mit automatischem Dübelstab-Einleger zu.

Item P-501 setzt diese Grenzen (501-4.10):

• Horizontaler Abstand innerhalb von 3/4 in (19 mm).
• Vertikale Lage innerhalb von 1/2 in (12 mm).
• Horizontale und vertikale Ausrichtung nicht mehr als 1/4 in je ft (6 mm je 0,3 m).

Der bewegliche Teil jedes Dübels erhält einen dünnen Film aus Schmieröl oder leichtem Fett, bevor der Fertiger den Beton einbaut. Der Auftragnehmer darf die Dübel in den plastischen Beton einsetzen. Der RPR genehmigt dieses Verfahren anhand eines Kontrollstreifens, auf dem Bohrkerne oder zerstörungsfreie Bewehrungsortungsgeräte zeigen, dass die Dübel innerhalb der Toleranz liegen. P-501 nennt als Beispiele den MIT-Scanner, das Pachometer und das R-Meter. In erhärtetem Beton werden die Dübel in gebohrte Löcher gesetzt und mit Epoxidharz verankert. Die Löcher sind 1/8 in (3 mm) größer als der Dübel. Der Beton muss 7 Tage alt sein oder die in der Spezifikation genannte Festigkeit erreicht haben, bevor das Bohren beginnt.

Fehlausrichtung

Die FHWA nennt vier Arten von Fehlausrichtung (FHWA-HIF-07-021, S. 2):

• Horizontale Schiefstellung: Der Stab dreht sich in der horizontalen Ebene, sodass er nicht parallel zur Längsfuge liegt.
• Vertikale Neigung: Der Stab kippt in der vertikalen Ebene, sodass er nicht parallel zur Belagsoberfläche liegt.
• Längsversatz: Der Stab sitzt außermittig, sodass eine Seite weniger Einbindung hat.
• Vertikaler Versatz: Der Stab sitzt über oder unter der halben Plattendicke, sodass eine Fläche weniger Überdeckung hat.

Allgemein beeinflussen Schiefstellung und Neigung die freie Bewegung der Fuge. Versatz beeinflusst, wie gut jeder Stab Last überträgt. Das kritische Maß für Schiefstellung oder Neigung ist das Maß, bei dem die Fuge blockieren oder der Beton um den Stab abplatzen kann. Die übliche US-Grenze für Schiefstellung oder Neigung liegt bei 6 bis 10 mm (0,25 bis 0,375 in) bei einem 18 in langen Stab. Die übliche Grenze für Versatz liegt bei 25 mm (1 in), weil der Spielraum für Versatz viel größer ist (FHWA-HIF-07-021, S. 2). P-501 begrenzt die Ausrichtung auf 1/4 in je ft. Das sind 3/8 in bei einem 18 in langen Stab und damit innerhalb dieses Bereichs.

Die Wirkung der Fehlausrichtung ist real, aber geringer, als viele Vorgaben vermuten lassen. Die FHWA sagt, viele Befestigungen im Betrieb haben einige stark fehlausgerichtete Stäbe und keine sichtbaren Schäden. Im Labor traten Abplatzungen und Risse erst bei Verschiebungen auf, die ein Mehrfaches der Fugenbewegung im Feld betragen. Eine blockierte Fuge schadet einer Befestigung nicht, aber viele aufeinanderfolgende blockierte Fugen sind unerwünscht, weil sich Zwangsspannungen aufbauen (FHWA-HIF-07-021, S. 3). Starke Fehlausrichtung kann Spannungen konzentrieren, was zu Auskesselung (Trichterbildung) um den Stab und zum Verlust der Lastübertragung führt.

Eine FHWA-Studie von 2020 nutzte MIT-Scanning an Versuchsabschnitten des Long-Term Pavement Performance (LTPP) Programms. Sie fand, dass die Mehrheit der Dübel gut ausgerichtet war. Die Fehlausrichtung wirkte sich am stärksten auf die Lastübertragung an den Querfugen aus, und ihre Wirkung auf das Faulting hängt von anderen Faktoren ab. Einen eindeutigen Zusammenhang zwischen Fehlausrichtung und Rissen oder Abplatzungen fand sie nicht, außer einer gewissen Wirkung in drei Staaten. Die FHWA betont außerdem, dass das nicht heißt, stark fehlausgerichtete Dübel hätten keine Wirkung, vor allem nicht auf lokal begrenzte Schäden (FHWA-HRT-20-070). Dies sind Befunde zu Straßen. Die FAA-Dokumente legen eigene Toleranzen für Flugplätze fest.

Korrosion und Lockerung

Dübel aus Kohlenstoffstahl korrodieren leicht, besonders dort, wo Enteisungsmittel die Fuge erreichen. Snyder beschreibt zwei Schäden. Beginnt die Korrosion an der Fuge und wandert sie in die Platten, wächst der Spalt zwischen Dübel und Beton. Durchbiegungen und Spannungen nehmen zu, die Lastübertragung sinkt, und es folgen Pumpen und Faulting. Die Korrosionsprodukte dehnen sich außerdem um den Stab aus, was starke Fugenabplatzungen oder Risse in der Plattenmitte verursachen kann (Snyder, S. 6).

Die Epoxidbeschichtung ist der meistverbreitete Schutz. Sie wirkt als Sperrschicht. Ihre langfristige Leistung war unterschiedlich. Wo Taumittel eingesetzt werden, kann ein kleiner Fehler bei Herstellung, Transport oder Handhabung die Korrosion auslösen (Snyder, S. 6 bis 7). Edelstahldübel sind eine Alternative. P-501 erlaubt dem Ingenieur, nach Abstimmung mit der FAA Chrom- oder Edelstahlstäbe zu verlangen (501-2.7).

Lastübertragungseffizienz (LTE)

Die Lastübertragungseffizienz (LTE) zeigt, wie viel Last eine Fuge an die nächste Platte weitergibt. Die AC definiert die LTE aus der Durchbiegung als Durchbiegung der unbelasteten Platte geteilt durch die Durchbiegung der belasteten Platte, mal 100 Prozent (Gleichung C-3). FWD- und HWD-Messungen an Fugen ermitteln sie (C.8.3). Das Ausmaß der Lastübertragung hängt von der Fahrwerkskonfiguration, der Reifenaufstandsfläche, der Belagstemperatur, den Dübeln und einer stabilisierten Tragschicht ab (C.15.3).

Die Bemessung der FAA setzt voraus, dass die Lastübertragung die Spannung am freien Rand einer Platte um 25 Prozent senkt. Der Zusammenhang zwischen LTE aus der Durchbiegung und LTE aus der Spannung ist nicht linear, deshalb verlangt die AC eine zusätzliche Analyse (C.15.5). Die AC sagt außerdem, dass eine Verschlechterung der Fugen und sinkende LTE die Durchbiegungen an den Plattenecken erhöhen, was Hohlräume unter der Platte erzeugen kann (C.5.3).

Straßenbehörden handeln oft nach einem Grenzwert. Snyder nennt typische Auslöseschwellen von 50 bis 70 Prozent LTE für die Wiederherstellung der Lastübertragung, das Unterpressen oder den Fugenersatz. Er warnt außerdem, dass die LTE allein nicht das ganze Bild zeigt. Eine gut gestützte Befestigung kann 40 Prozent LTE bei sehr kleinen Durchbiegungen zeigen. Eine schwache kann 70 Prozent bei großen Durchbiegungen und einem großen Unterschied über die Fuge zeigen. Prüfen Sie die LTE, wenn die Platte bei 70 °F (21 °C) oder kälter ist. Eine warme Platte schließt die Fuge und ergibt hohe LTE-Werte (Snyder, S. 20).

Dübel bei der Inspektion

Dübel liegen im Inneren der Platte, deshalb sieht ein Prüfer nur Symptome. AC 150/5380-6C nennt diese (3.2.2):

• Abplatzungen an Fugen, die auch entstehen, wenn Dübel fehlausgerichtet sind.
• Eckbrüche, deren Ursache ein Verlust der Abstützung durch Pumpen oder ein Verlust der Lastübertragung an der Fuge sein kann.
• Setzungen oder Faulting, ein Höhenunterschied an einer Fuge oder einem Riss.
• Pumpen, das Austreten von Wasser und darunterliegendem Material durch Fugen oder Risse. Pumpen nahe Fugen deutet auf eine schlechte Lastübertragung, eine schlechte Fugenabdichtung oder Grundwasser hin.

Das PAVER-Handbuch bewertet Faulting nach dem Höhenunterschied über die Fuge. Auf Pisten und Rollbahnen ist ein Unterschied von weniger als 6 mm (1/4 in) geringe Schwere. Ein Unterschied von 6 bis 13 mm (1/4 bis 1/2 in) ist mittel, und mehr als 13 mm (1/2 in) ist hoch. Auf Vorfeldern ist 3 bis 13 mm (1/8 bis 1/2 in) gering und 13 bis 25 mm (1/2 bis 1 in) mittel. Mehr als 25 mm (1 in) ist hoch. Eine Richtlatte oder eine Wasserwaage misst den Unterschied.

Um die Dübel selbst zu sehen, braucht ein Prüfer ein Werkzeug, das in die Platte hineinsieht:

• Bohrkerne zeigen den Stab, seine Beschichtung und den Spalt darum, beschädigen aber die Platte.
• Zerstörungsfreie Bewehrungssuchgeräte wie der MIT-Scanner, das Pachometer und das R-Meter. P-501 setzt sie ein, um den Einbau zu prüfen (501-4.10). Die FHWA sagt, MIT-Scanning misst die Dübelausrichtung ohne Schaden. Im Jahr 2007 berichtete sie, dass eine Zweierkolonne an einem 8-Stunden-Tag 400 oder mehr Fugen mit dem MIT Scan-2 prüfen konnte (FHWA-HIF-07-021, S. 1).
• Georadar (GPR) kann Bewehrungsstahl im Beton orten, und hohe Frequenzen liefern die beste Auflösung in geringer Tiefe (AC 150/5320-6G, E.1).

Dübelstab-Nachrüstung

AC 150/5320-6G sagt, dass eine Dübelstab-Nachrüstung oder ein Neubau nötig sein kann, wenn große Flächen pumpen oder wackeln (4.10.2). Bei einer Nachrüstung sägen die Bautrupps parallele Schlitze quer über die Fuge und setzen beschichtete Dübel in die Schlitze. Anschließend füllen sie die Schlitze mit Reparaturmaterial und bilden die Fuge neu. Die Checkliste der FHWA nennt diese Punkte für die Prüfung:

• Die Schlitze verlaufen parallel zueinander und zur Mittellinie, in der Regel innerhalb von 1/4 in je 12 in Stablänge.
• Üblich sind drei oder vier Schlitze je Radspur.
• Kunststoffkappen sitzen an jedem Ende des Dübels, und ein Trennmittel verhindert, dass die Reparatur am Stab haftet.
• Stühle halten den Dübel im Schlitz, in der Regel mit 1/2 in Freiraum darunter, sodass das Reparaturmaterial den Stab umgibt.

Die Reparatur eines Eckbruchs über die volle Plattendicke ist eine andere Arbeit. AC 150/5380-6C nennt zwei Möglichkeiten (Anhang A). Die Bautrupps können freiliegende Dübel erhalten, indem sie knapp hinter deren Enden sägen. Sie können die Fuge auch aufschneiden und neue Dübel desselben Typs und derselben Größe in gebohrte und mit Epoxid verklebte Löcher einbauen.