Was ist ein Unterdrän?

An Unterdrän ist ein perforiertes Rohr in einem Graben aus durchlässiger Verfüllung, das Wasser unter einer Befestigung sammelt und zu einem Auslass führt. FAA-Richtlinien nennen ihn auch Subdrain oder Untergrunddrän.

Unterdrän, Randdrän und Dränschicht

Drei Begriffe tauchen in FAA-Dokumenten gemeinsam auf.

• Unterdrän oder Untergrunddrän. FAA AC 150/5380-6C beschreibt Untergrunddränagen als perforierte Rohre in einem durchlässigen Sand- oder Kiesgraben. Geotextil umhüllt den Graben, und Auslassrohre führen das Wasser ab.
• Randdrän. Er ist ein Unterdrän entlang des Befestigungsrandes. FAA AC 150/5320-5D legt die Sammeldräns üblicherweise entlang des Banketts an. Dräns unter der Befestigung können Setzungen oder Hebungen verursachen, daher sagt die AC, sie wenn möglich zu vermeiden. Große Befestigungen brauchen sie unter Umständen. Dann legt der Planer sie abseits stark befahrener Bereiche.
• Dränschicht. Sie ist eine Schicht im Befestigungsaufbau, die Wasser schnell zur Seite ableitet. Sie ist außerdem eine tragende Schicht und kann als Teil der Trag- oder Frostschutzschicht dienen. FAA AC 150/5320-5D sagt, dass die Dränschicht ein Sammelsystem aus Gräben mit Dränrohr, Verfüllung und Filter speist. Eine Befestigung ohne Sammelsystem braucht Trag- und Frostschutzschichten, die an den Banketten zutage treten. Dort fließt das Wasser ab.

AC 150/5320-6G sagt, dass Randdrainagesysteme am besten zusammen mit einer Untergrunddrainageschicht wirken. FAA AC 150/5320-5D nennt ein werkseitig gefertigtes Geokomposit-Randdrän als Option anstelle eines Grabens mit Rohr. Es braucht eine Änderung der FAA-Standards. Die AC empfiehlt, es nur für Befestigungen ohne Dränschicht zu erwägen.

Was ein Unterdrän enthält

Die FAA-Bauspezifikation für Flugplätze, Item D-705, Pipe Underdrains for Airports, legt die Teile fest:

• Rohr. Die Spezifikation nennt mehrere Rohrtypen. Dazu gehören Wellaluminium, Wellpolyethylen, PVC, stahlverstärktes Polyethylen, Wellstahl, perforiertes oder poröses Betonrohr und Glasfaser. Der Ingenieur wählt einen aus. Die AC 150/5320-5D merkt an, dass die meisten US-Straßenbehörden der Bundesstaaten Wellpolyethylen oder PVC verwenden.
• Durchlässige Verfüllung. Sie muss frei von Ton, Humus und anderen störenden Stoffen sein. Sie muss eine der beiden Körnungen aus der Tabelle erfüllen. Sehen die Pläne zwei Lagen vor, folgt das feinere Material auf Nr. 1 und das gröbere auf Nr. 2.

• Filtervlies. Es muss AASHTO M288 Klasse 2 oder einer gleichwertigen Norm entsprechen. Die AC 150/5320-5D beschreibt ein nadelgelochtes Geotextil aus Vliesstoff. Es kleidet den Graben aus und hält Feinanteile aus der Verfüllung fern, ohne den Fluss zum Rohr zu blockieren.
• Graben, Bettung und Überdeckung. Der Graben ist mindestens so breit wie das Rohr plus 6 Zoll (150 mm) auf jeder Seite. Perforiertes Rohr liegt mit den Löchern nach unten auf einer 4 Zoll (100 mm) starken Bettung aus körniger Verfüllung. Über dem Unterdrän bleiben mindestens 12 Zoll (300 mm) körnige Verfüllung. Bei Betonrohr zeigen die Löcher nach unten.
• Auslässe. Das Rohr leitet an Auslässen ab, die dort gebaut werden, wo die Pläne sie vorsehen. Um die Auslassrohre und über ihnen ist keine durchlässige Verfüllung nötig.

Für ein Sammelrohr empfiehlt AC 150/5320-5D einen Mindestdurchmesser von 150 mm (6 in) und ein Mindestgefälle von 0,15 Prozent. Der Rohrdurchmesser richtet sich nach dem Spitzenabfluss unter der Befestigung. Die AC verlangt mindestens 80 mm (3 in) körnige Schicht unter dem Rohr. Item D-705 schreibt eine 4 Zoll (100 mm) starke Bettung vor, sofern die Pläne nichts anderes zeigen.

Ein Hinweis in Item D-705 betrifft Rohre in Sicherheitsflächen von Start- und Landebahnen und Rollwegen. Sie müssen die größte von drei Lasten tragen: die Einzelradlast des größten Luftfahrzeugs, die größte Last eines Wartungsgeräts oder die Erdlast.

Warum Flugplatzbefestigungen sie brauchen

Wasser schwächt den Unterbau und den Untergrund einer flexiblen Befestigung. FAA AC 150/5380-6C nennt diese Schwächung eine der Hauptursachen für das Versagen einer flexiblen Befestigung. Bei einer starren Befestigung drückt der Verkehr freies Wasser unter der Platte durch Fugen und Risse nach oben. Das nennt man Pumpen. Dabei wird das Material unter der Platte ausgespült, und es entstehen Hohlräume. In Frostgebieten verursacht Wasser im Boden außerdem Frosthebung, wenn es gefriert, und Verlust der Tragfähigkeit, wenn es taut. Ungenügende Untergrunddrainage kann außerdem zu Dauerhaftigkeitsrissen (D-cracking) und zum Quellen von Untergrundmaterialien beitragen.

AC 150/5320-5D nennt zwei Wasserquellen. Infiltration ist Oberflächenwasser, das durch Risse, Fugen, die Fuge zwischen Befestigung und Bankett und Poren der Befestigung eindringt. Die AC nennt sie die wichtigste Quelle. Untergrundwasser stammt aus einem hohen Grundwasserspiegel, kapillaren Kräften, artesischem Druck und Frost-Tau-Wechseln. Es ist vor allem in Frostgebieten bedeutend.

Die Kriterien unter Start- und Landebahnen und Rollwegen sind strenger als unter Vorfeldern. Bei einer starren Befestigung wächst das Pumpen mit Verkehrsmenge und -geschwindigkeit. Bei einer flexiblen Befestigung baut hoher Verkehr mit hoher Geschwindigkeit Porendruck auf und schwächt die Struktur.

Wann eine Befestigung ein Untergrunddrainagesystem braucht

AC 150/5320-5D, Anhang G, gibt die Regel für eine Befestigung, aus der Wasser durch Schwerkraft abfließen kann. In diesen zwei Fällen ist ein System nicht vorgeschrieben:

• Die Befestigung liegt in einem frostfreien Gebiet, und der Untergrund hat eine Durchlässigkeit über 6 m/Tag (20 ft/Tag).
• Die Befestigung ist flexibel, liegt in einem frostfreien Gebiet und hat eine Gesamtdicke über dem Untergrund von 200 mm (8 in) oder weniger.

Alle anderen Befestigungen brauchen nach dem Anhang ein Untergrunddrainagesystem. Auch wenn eine Befestigung die Ausnahme erfüllt, sollte der Planer den möglichen Nutzen analysieren. Eine starre Befestigung braucht besondere Sorgfalt, damit das Wasser schnell an der Plattenunterseite abfließt.

AC 150/5320-6G hat eine verwandte Empfehlung. Sie empfiehlt eine Dränschicht für Befestigungen, die Luftfahrzeuge über 60 000 Pfund bedienen. Das Gebiet muss übermäßig viel Untergrundfeuchtigkeit haben, und die Böden müssen eine Durchlässigkeit unter 20 ft/Tag (6 m/Tag) aufweisen. Der geotechnische Bericht muss die Notwendigkeit stützen.

Bemessungskriterien

Die Bemessungsgrundlage in AC 150/5320-5D, Anhang G, lautet wie folgt.

• Bemessungssturm. Das System nimmt den Zufluss aus einem Sturm von 1 Stunde Dauer und einer Wiederkehrperiode von 2 Jahren auf. Der Zufluss ist der Sturmindex mal einem Infiltrationskoeffizienten. Die AC erlaubt einen Koeffizienten von 0,5, wenn ein genauer Wert schwer zu finden ist.
• Entwässerungszeit. Eine wassergesättigte Dränschicht muss unter Start- und Landebahnen und Rollwegen innerhalb von 24 Stunden 85 Prozent Entwässerung erreichen. Für Vorfelder und andere Bereiche mit niedriger Geschwindigkeit und geringem Verkehr beträgt die Zeit 10 Tage. AC 150/5320-6G nennt dieselben beiden Zeiten.
• Materialien der Dränschicht. Die AC definiert ein offenporiges Material als körniges Material mit einer Durchlässigkeit über 1 500 m/Tag (5 000 ft/Tag). Eine durchlässige Tragschicht hat eine Durchlässigkeit von 305 m/Tag (1 000 ft/Tag) oder mehr. Ein schnell entwässerndes Material hat 300 bis 1 500 m/Tag (1 000 bis 5 000 ft/Tag) und ist stabil genug, um als Trag- oder Frostschutzschicht zu dienen. AC 150/5320-6G erlaubt eine Dränschicht mit einer Durchlässigkeit von 500 bis 1 500 ft/Tag ohne Berechnungen.
• Trennschicht. Eine Schicht unter der Dränschicht hält Feinanteile von ihr fern und bietet eine Arbeitsplattform. Ein Filtervlies kann sie ersetzen, wenn der Untergrund bereits fest ist.
• Einbau. Unter einer starren Befestigung liegt die Dränschicht direkt unter der Platte. Unter einer flexiblen Befestigung legt AC 150/5320-6G sie direkt über den Untergrund, sofern der geotechnische Planer nichts anderes empfiehlt. Ist der ganze Aufbau dünner als 300 mm (12 in), kann sie direkt unter der Deckschicht liegen.

Offeneres Material entwässert schneller, ist aber weniger stabil und anfälliger für Spurrinnen. Die AC empfiehlt deshalb, das Dränmaterial so dicht wie möglich zu halten.

Auslässe und Zugang

Auslässe lassen das Wasser ab und erlauben dem Personal, das System zu reinigen und zu prüfen. AC 150/5320-5D empfiehlt diese Details:

• Seitliche Auslassrohre in Abständen von 90 bis 150 m (300 bis 500 ft) entlang des Randdräns. Einen zusätzlichen am tiefsten Punkt jeder Vertikalkurve.
• Auslassrohre aus Metall oder starrem Rohr mit massiver Wand. Sie liegen etwa im Winkel von 45 Grad zur Strömung im Sammelrohr und fallen mit 3 Prozent zum Auslassbauwerk.
• Ein Auslaufende mindestens 150 mm (6 in) über dem Bemessungsabfluss eines 2-jährlichen Ereignisses im Graben.
• Doppelte Auslässe, damit das Personal einen Abschnitt des Sammlers von beiden Enden spülen kann.
• Eine Stirnwand bündig mit der Böschung, damit das Mähen nicht behindert wird, und ein abnehmbares Nagetiergitter am Rohrauslass.
• Markierungen für jeden Auslass. Die AC nennt sie empfohlen, aber nicht vorgeschrieben.
• Schächte, Beobachtungsbecken oder Steigrohre in Abständen von 300 m (1 000 ft) oder weniger, mit einem Spülsteigrohr zwischen den Schächten und an den Sackenden.

In Frostgebieten sagt die AC, den Sammler wo möglich unter die Frosteindringtiefe zu legen. Sie sagt außerdem, die Auslassrohre so zu legen, dass Eis und Schnee sie nicht verstopfen.

Inspektion und Wartung

Ein Drän, der nicht gewartet wird, kann der Befestigung mehr schaden als gar kein Drän. FAA AC 150/5380-6C nennt die Mängel: verschlammte oder verstopfte Auslässe und Randdrän-Rohre, fehlende Nagetiergitter, Bewuchs, der Auslässe blockiert, und Bewuchs in den Seitengräben. Sie lassen Wasser in der Befestigung zurückstauen.

AC 150/5380-6C verlangt eine regelmäßige Prüfung der Randdräns von Start- und Landebahnen und Rollwegen, zum Beispiel jede Jahreszeit, und nach ungewöhnlich starkem Regen. Auf folgende Anzeichen ist zu achten:

• Wasserstau
• Boden, der sich am Befestigungsrand aufgebaut hat
• ausgespülte Gräben
• verstopfte Auslässe der Untergrundentwässerung
• gebrochene oder verformte Rohre
• Verfüllung, die über den Rohren abgesackt ist
• Verfärbung der Befestigung an Fugen oder Rissen

AC 150/5320-5D teilt die Prüfung in zwei Teile.

• Sichtprüfung. Der Prüfer misst die Grabentiefen. Er prüft auf zerdrückte Auslässe, zu viel Bewuchs, Schutt in freigelegten Öffnungen, den Zustand der Stirnwand, Erosion und fehlende Nagetiergitter. Die AC verlangt dies mindestens einmal im Jahr. Sie verlangt außerdem eine Bewertung des Befestigungszustands auf feuchtigkeitsbedingte Schäden. Beispiele sind Pumpen, Versatz und D-cracking in Beton sowie Ermüdungsrissbildung in Asphalt. Sie empfiehlt diese Bewertung alle 2 Jahre, als vollständige PCI-Erhebung oder als kurze Übersicht.
• Videoprüfung. Ein Kamerakopf an einer flexiblen Sonde fährt in das Rohr. Er findet Verschlammung, eindringenden Boden, geborstene Rohre und gebrochene Verbindungen. Die AC verlangt sie, wenn Hinweise auf ein Drainageproblem vorliegen. Sie findet außerdem Baumängel, bevor der Eigentümer das Projekt abnimmt.

Für die Wartung sagt AC 150/5320-5D, Sammler und Auslässe mit Hochdruck-Wasserstrahlen zu spülen, um Sediment zu entfernen. Doppelte Auslässe machen das möglich. Den Bereich um die Auslässe mähen und die Gräben und freigelegten Öffnungen freihalten. Fehlende Nagetiergitter und Markierungen sowie beschädigte Rohre und Stirnwände ersetzen.

EASA-Leitlinien verlangen, dass der Flugplatzbetreiber Entwässerungs- und Regenwassersammelsysteme mindestens wöchentlich prüft (AMC1 ADR.OPS.B.015). FAA AC 150/5380-6C verlangt von Flugplätzen außerdem, Entwässerungsanlagen so auszulegen und zu warten, dass sie keine gefährlichen Wildtiere anlocken. Für Ausführungsdetails verweisen beide FAA-Befestigungsrichtlinien auf AC 150/5320-5, Airport Drainage Design.

Was ein ausgefallener Unterdrän bewirkt

AC 150/5320-6G warnt, dass eine Deckschicht auf einer Befestigung mit schlechter Untergrunddrainage meist schlecht abschneidet. Die Behebung der Drainage kann den Wiederaufbau des gesamten Befestigungsaufbaus erfordern.

Pumpen ist das sichtbare Anzeichen bei einer starren Befestigung. FAA AC 150/5380-6C und das PAVER-Handbuch beschreiben es als Austreten von Wasser und Material durch Fugen oder Risse. Es hinterlässt Verfärbungen an der Oberfläche und Unterbau- oder Untergrundmaterial nahe Fugen oder Rissen. Pumpen allein beweist nicht, dass ein Unterdrän versagt hat. FAA AC 150/5380-6C sagt, dass Pumpen nahe Fugen auf schlechte Lastübertragung, eine schlechte Fugenabdichtung oder das Vorhandensein von Grundwasser hinweist. PAVER bewertet Pumpen nur dort, wo die Fugenabdichtung schadhaft ist.

Drohnenbefliegung

Mehrere Anzeichen aus der Prüfliste sind an der Oberfläche sichtbar: Wasserstau, Boden am Befestigungsrand und Verfärbungen an Fugen und Rissen. Eine Drohnenbefliegung kann sie erfassen. Rohr, Verfüllung oder Vlies unter der Befestigung sieht sie nicht. Dafür braucht es eine Kamera im Rohr oder eine Aufgrabung.