Fachartikel

Hinweise zu den Ebenheitsmessungen
nach DIN 18202 bzw. DIN 15185

Prüfung der Ebenheit als Rasternivellement

Bei der Anwendung des Rasternivellements wird die zu untersuchende Fläche in einen vor Beginn der Messungen festzulegenden Rasterabstand eingeteilt und vereinfacht als Gitternetz mit linearer Verbindung der Rasterpunkte angenommen. Die Höhenlage der zu prüfenden Fläche wird mittels eines Nivellierhorizontes (hier “Präzisionsmessgerät GeoLaser PL70“) in den Rasterschnittpunkten gemessen.

In den Aufzeichnungen des Nivellements werden die Lage des Rasters, der Rasterabstand und die Nivellierhöhe der einzelnen Rasterpunkte dokumentiert.

Die Ebenheitsabweichung wird bei dieser Vorgehensweise nicht unmittelbar als Stichmaß gemessen, sondern für jeden Rasterpunkt in Bezug auf die beiden benachbarten Rasterpunkte rechnerisch ermittelt. Die Betrachtung erfolgt jeweils getrennt für die beiden Richtungen des Rasters.

Ermittlung der Abweichungen

Die Abweichungen werden ermittelt, indem drei aufeinanderfolgende Schnittpunkte P1, P2, P3 einer Messlinie betrachtet werden (Bild 1). Die Abweichung t im Punkt P4 ist die Differenz zwischen der mittleren Höhe, die sich aus h3 und h5 ergibt, und der gemessenen Höhe h4.

Die mittlere Höhe hm wird wie folgt errechnet:
hm = ½ (h3 + h5)

und die Abweichung t im Punkt P4 ergibt sich zu:
t = h4 –hm

Grenzwerte für Ebenheitsabweichungen

Die Grenzwerte für Ebenheitsabweichungen in DIN 18202, Tabelle 3, sind für unterschiedliche Messpunktabstände gestaffelt. Die Ebenheitsanforderung an eine Fläche ist eingehalten, wenn alle Kombinationen von Messpunktabstand und zugehörigem Stichmaß eingehalten sind.

Die Toleranzwerte für Bodenplatten sind in Tabelle 3, Zeile 1 bis Zeile 4 in Abhängigkeit von den jeweiligen Messpunktabständen, z. B. P3-P5 (Bild 1) festgelegt.

Grenzwerte für Winkelabweichungen

Grenzwerte für Winkelabweichungen gelten auch für horizontale und geneigte Flächen. In Tabelle 2 „Grenzwerte für Winkelabweichungen“ sind Stichmaße in mm als Grenzwerte für Winkelabweichungen festgelegt und werden bestimmten Nennmaßbereichen in m zugeordnet.

Ebenheitstoleranzen bei Hochregallagern

Gemeint sind Industrieböden, die zum Betrieb leitliniengeführter Flurförderzeuge zur Regalbedienung im Schmalgang geeignet sind. Deshalb wurde hier die Ebenheit eines Bauteils des Hochbaus in einer Maschinenbaunorm geregelt: DIN 15185-1 „Lagersysteme mit leitliniengeführten Flurförderzeugen; Anforderungen an Boden, Regal und sonstige Anforderungen“.

Anforderungen in den Ebenheiten gelten nur für die Fahrspuren. Die Anforderungen der DIN 15185 auf eine Fläche übertragen zu wollen, ist nicht möglich.

Quer zum Fahrgang wird der zulässige Höhenunterschied in Abhängigkeit von der Spurweite des Staplers sowie der Hubhöhe festgelegt (Tab. 1). Die Ebenheiten der Fahrspuren in Längsrichtung werden nach der Toleranzdefinition der DIN 18202 nach den Stichmaßregelungen geprüft (Auswertungen z. B. nach Bild 1, Messpunktabstand P5-P9). Dabei sind die Anforderungen für Stichmaße gegenüber der DIN 18202, Tab. 3, Zeile 3, exakt halbiert (Tab. 2).

Betonermüdungen und -schäden infolge von Fugenöffnungsweiten
und Höhenversprüngen der Stahlstege von Stahldehnungsprofilen

1. Vorbemerkungen

Die Tragfähigkeit und ordnungsgemäße Funktionalität von Betonfugenkonstruktionen für Industrieböden sind bekanntlich abhängig von der Profilart, Stahlgüte, Geometrie und Einbindung in den Betonplattenquerschnitt.

Der nachfolgende Beitrag soll dazu dienen, die statischen und nutzungsbedingten Gegebenheiten im Bereich des Stahldehnungsprofils zu erfassen und die Wirkungsweise des Stahldehnungsprofils auf die empfindlichen Betonfugenflanken zu übertragen.

2. Statische Betrachtungen

Die kinetische Bewegungsenergie von Flurförderzeugen induziert neben der Rollreibung durch Rauigkeiten/Unebenheiten (f1) insbesondere horizontale Scherkräfte bei Höhenversprüngen an Betonfugen (vgl. Bild 1).

Höhenversprünge entstehen z.B. durch Aufschüsselungseffekte infolge von Betonschwinden an Betonflanken ohne Querkraftverdübelungen oder ungleichmäßige vertikale Verschiebungen der Betonflanken beim Überqueren mit Flurförderzeugen. Auch bei fehlerhafter Wahl ungeeigneter Stahldehnungsprofile mit entstehenden Höhenversätzen nach dem horizontalen Aufweiten geöffneter Fugenbreiten führen die dann ungleichen Höhen der beidseitigen Stahlkanten zu deren Verbiegungen und Abplatzungen an den angrenzenden Betonflanken.

Kleine Raddurchmesser sind ebenfalls in der Lage, bei entsprechenden Fugenöffnungen infolge von bereits geringfügigen Radeinsenkungen, schädigende Horizontalkräfte auszuüben.

Nachfolgend werden formelmäßige Zusammenhänge hergeleitet, die eine Abschätzung der nachteiligen Horizontalkraft F ermöglicht.

F1 = f1* G / r Gl. (1)
r² = f2² + b² Gl. (2)
r = a + b Gl. (3)
f2 = (r² - (r-a)²)^0,5 Gl. (4)

Gleichgewichtsbedingung: Summe der Momente = 0

F*b – V*f2 = 0 Gl. (5)
R = G = (F² + V²)^0,5 Gl. (6)
F = G (f2² / (f2² + (r-a)²)) ^0,5 Gl. (7)

Die Gleichung (7) erlaubt die Berechnung der Horizontalkraft F in Abhängigkeit von dem resultierenden Gewicht G der Lasträder, dem Radius r der Lasträder und der vertikalen Maßdifferenz a des Höhenversprunges gemäß Bild 1

Die Rollwiderstandskraft F1 nach Gl. (1) errechnet sich annähernd mit f1 ~ 1mm zu
F1 = G/r und wird im Folgenden vernachlässigt.

3. Beispielrechnungen

Beispiel 1

Vorgaben
Gesamtgewicht Hochregalstapler: 125 KN
Schwingbeiwert Phi = 1,4
Lastanteil Vorderachse (belastet): 0,9
Radlast G = 1,4 * 0,9 * 125KN / 2 =80 KN
Radius Lastrad r=150mm
Höhenversprung der Stahlstege zueinander a=2mm

Berechnung
f2 = (150² - (150-2)²)^0,5 = 24,4mm
F = 13 KN

Beispiel 2

Vorgaben
Gesamtgewicht Hochregalstapler: 125 KN
Schwingbeiwert Phi = 1,4
Lastanteil Vorderachse (belastet): 0,9
Radlast G= 1,4 * 0,9 * 125KN / 2 = 80 KN
r = 190mm
a = 2mm

Berechnung
f2 = (50² - (50-2)²)^0,5 = 27,5mm
F = 11,6 KN

Beispiel 3

Vorgaben Lastrad in der Fugenöffnung
r = 75mm
f2 = 10mm
Fugenbreite 2* f2 = 20mm

Berechnung
r² = f2² + (r-a)²
Höhenversprung a = r-(r²-f2²)^0,5 = 0,67mm
F = G*0,067

Beispiel 4

Vorgaben Lastrad in der Fugenöffnung
r = 30mm
f2 = 10mm
Fugenbreite 2* f2 = 20mm

Berechnung
Höhenversprung a = r-(r²-f2²)^0,5 = 1,72mm
F = 0,33 G

4. Beanspruchbarkeit der Fugenkonstruktion infolge von dynamischen Horizontalkräften als Druckschwellbelastungen auf den Beton

Auch Fugenkonstruktionen mit Stahldehnungsprofilen sind stets pflege- und wartungsbedürftig. Das zeigen die insbesondere in Fahrgassen von Flurförderzeugen immer wieder entstehenden Abplatzungen der Betonflanken, stellenweise einhergehend auch mit horizontalen Verbiegungen der vertikalen Stahlstege. Nachfolgend soll durch Fallbeispiele quantitativ bewertet werden, inwieweit durch einwirkende, dynamische Horizontalkräfte zwangsläufig Mängel bzw. Schäden an Fugenkonstruktionen entstehen.

Die Betonflanken unterliegen dabei einer Ermüdungsbeanspruchung infolge von Druckschwellbelastungen und in Abhängigkeit von Lastwechselzahlen. Nach Klausen/Weigler „Betonfestigkeit bei konstanter und veränderlicher Dauerschwellbeanspruchung“, Betonwerk + Fertigteil-Technik 45 (1979), H.3, S. 158-163 kann für Normalbeton von einer Quasi-Druckschwellfestigkeit ~ 0,4 fcm ausgegangen werden.

Beispiel 5

Vorgaben (aus Beispiel 1)
Gesamtgewicht Hochregalstapler: 125 KN
Schwingbeiwert Phi = 1,4
Lastanteil Vorderachse (belastet): 0,9
Radlast G = 1,4 * 0,9 * 125KN / 2 = 80 KN
Radius Lastrad r = 150mm
Höhenversprung der Stahlstege zueinander a=2mm
Betondruckfestigkeit fcm = 30 N/mm²
Breite Lastrad 160mm
Stahlstegdicke 6mm
Wirktiefe des anprallenden Lastrades auf den Stahlsteg 6mm*sin30° = 3mm
Fugenabstand der Betonfelder 35m

Berechnung
Fugenöffnungsweite 2f2 = 35.000*0,5*2/2*1000 = 17,5mm; f2 = 17,5/2 = 8,75mm
Radeinsinktiefe a = a = r-(r²-f2²)^0,5 = 0,26mm
F = 4,7 KN aus Gl. (7)

Wirkfläche des anprallenden Lastrades: Aw = (160+2*3)* 3 = 498mm² Ermüdungsdruckkraft: S = 0,4*fcm*Aw/1.000 ~ 6,0 KNSicherheit gegen Ermüdung: Ym = 6 / 4,7 = 1,3

Bei der Stahlstegdicke von nur 4mm reduziert sich die Wirkfläche Aw auf
Aw = 4*sin30°*(160+2*4*sin30°) = 328mm²
Ermüdungsdruckkraft: S = 0,4*fcm*Aw/1.000 ~ 3,9 KN
Sicherheit gegen Ermüdung: Ym = 3,9 / 4,7 = 0,84

Dauerhaftigkeit ist nicht gewährleistet!

5. Zusammenfassung und Folgerungen

Im Abschnitt 2 konnte unschwer quantitativ gezeigt werden, dass mit entstehenden Höhenversprüngen in den Fugenflanken oder starken Fugenaufweitungen beträchtlich hohe horizontale Scherkräfte F infolge der Nutzung mit Flurförderzeugen eingeleitet werden, die zwangsläufig zu Ermüdungen der Betonflanken führen.

Die quantitativ ermittelten Horizontalkräfte auf den Beton sowie die Folge von Betonabbrüchen und Betonabplatzungen durch Ermüdungen –insbesondere im Bereich von Fahrgassen- decken sich mit den Erfahrungen des Unterzeichners.

Statische Nachweise der Fugenkonstruktion haben eine außerordentliche Wichtigkeit. Diese reichen jedoch zur Beurteilung einer nachhaltigen Dauerhaftigkeit und Gebrauchsfähigkeit allein nicht aus. Die Annahme, dass mit der Einhaltung von Grundregeln in der Fugenkonstruktion ein pflege- und wartungsfreies Bauteil geschaffen wird, wurde in den vergangen Jahren stets widerlegt.

Insbesondere die Wahl von übertriebenen Fugenfeldgrößen fugenarmer Betonsohlplatten führen dann zu nachteiligen Fugenöffnungsweiten mit der Induzierung ungeplanter Schadensmechanismen.

Dieser Beitrag soll auf die Beachtung der richtig zu wählenden planerischen Vorgaben hinweisen.

Industrieböden für Hochregallager
Mess- und Kontrollmethoden für ebene Böden

Industrieböden in Schmalgängen von Hochregallagern sind extrem hohen Beanspruchungen durch Flurförderzeuge ausgesetzt. Schon geringe Höhendifferenzen zwischen den äußeren Fahrspuren können zu resonanzartigen, gefährlichen „Aufschaukelungen“ der Regalbediengeräte führen. Neben der Wahl des richtigen Bodensystems sind einbaubegleitende Kontrollmessungen nötig, um Unebenheiten zu vermeiden.

Nicht nur, dass die Bodenoberfläche durch die stets gleichen Fahrspuren hohe Lastwechselzahlen schadensfrei überstehen muss, auch Brems- und Beschleunigungsvorgänge „harter“ Bereifungen erzeugen hohe Scherkräfte, die in den Industrieboden ohne negative Auswirkungen wie Abrieb oder Verlust des Haftverbundes abgeleitet werden müssen. Daru?ber hinaus ist die Ebenheit des Industriebodens so auszubilden, dass die Laufruhe der Flurförderzeuge unter Einhaltung der Ebenheitsanforderungen gewährleistet wird (DIN 15185 „Lagersystem mit leitliniengeführten Flurförderzeugen; Anforderungen an Boden, Regale und sonstige Anforderungen“). Hinsichtlich der notwendigen Ebenheiten von Industrieböden treten erfahrungsgemäß die meisten und gravierenden Probleme auf und Höhendifferenzen zwischen den äußeren Fahrspuren mit wechselnden Vorzeichen können zu resonanzartigen, gefährlichen „Aufschaukelungen“ des Flurförderzeugs führen. Insbesondere bei Regalhöhen über 6 m mit Fahrspurweiten unter 1,5 m werden Ebenheiten des Industriebodens nötig sein, die zwar nach DIN 15185 2,0 mm Höhendifferenz zwischen den beiden äußeren Fahrspuren und 2,0 mm Stichmaß bei einem Messpunktabstand von 1 m in Längsrichtung aller Fahrspuren nicht überschreiten dürfen; ein zufriedenstellendes Ergebnis der Laufruhe mit Ausnutzung maximal möglicher Fahrgeschwindigkeit wird jedoch erst dann erreicht sein, wenn die vorhandenen „Unebenheiten“ des Industriebodens deutlich geringer sind als die zulässigen Werte nach DIN 15185.

Richtige Planung erhöht die Wirtschaftlichkeit
Betriebsabläufe in einem Hochregallager erfordern aus Zeitgründen stets Diagonalfahrten von Hochregalstaplern in Schmalgängen. Eine Diagonalfahrt bedeutet, dass die Gabel des Hochregalstaplers mit oder ohne Last bei maximaler Fahrgeschwindigkeit gesenkt oder gehoben werden kann. Wertvolle Zeit würde jedoch verloren gehen, wenn die Transportwege in einem Schmalgang wegen übermäßiger Schwankungen des Staplers infolge von Unebenheiten des Bodens zwangläufig in vertikal und horizontal getrennte Abläufe vollzogen werden müssen. Herausragend ebene Industrieböden in Hochregallagern, die derartige anspruchsvolle Kriterien erfüllen, können zum einen nur mit Hilfe von geeigneten Einbaumaterialien sowie ausführungstechnisch ausgefeilten Hilfskonstruktionen erstellt werden. Zum anderen sollte eine planungs- und baubegleitende Qualitätsüberwachung durchgeführt werden. Die Praxis hat gezeigt, dass neben der Wahl des richtigen Bodensystems unter Einbeziehung wirtschaftlicher Aspekte ständige, einbaubegleitende Kontrollmessungen durchgeführt werden müssen, um Fehler bereits im Vorfeld zu erkennen. Notwendig sind

• die Festlegung der richtigen Einbauhöhe unter Beachtung und Ebenheitsanforderungen und Zwangshöhen
• die Koordinierung mit Vor- und Nachgewerken sowie
• eine sukzessive Hinführung zum erwünschten Erfolg durch permanente neutrale Kontrollmechanismen bis zur Beendigung der Einbauarbeiten.

Bereits in der Planungsphase können durch Einbeziehung von Fachplanern wirtschaftliche Lösungen erreicht werden, wenn es beispielsweise bei Sanierungen oder Umnutzungen darum geht, Industrieböden mit den üblichen vorhandenen Bodenunebenheiten – vormals ausgelegt nach DIN 18202,  Tab. 3. Zeile 3 – nunmehr auf anspruchsvolle Ebenheitsanforderungen umzustellen.

Messinstrumente zur Höhenaufnahme
Vor der Entscheidung für die zur Ausführung anstehende Lösungsvariante steht in der Regel jedoch die Feststellung der vorhandenen Bodenebenheiten vor Ort mit Präzisionsmessinstrumenten, die eine Höhenaufnahme der Bodenoberfläche mit Genauigkeiten von 1/10 mm Differenz ermöglicht. Die punktweise Prüfung durch Rasternivellement mit Messabständen größer 0,5 m mit herkömmlichen Bau-Lasern und den Unwägbarkeiten menschlicher Einflussfehler wie

• Ablesefehler im geschätzten Millimeterbereich,
• Übertragungsfehler von Messwerten durch „Zuruf“ und
• Fehler im Handling mit dem Bau-Laser sowie Messungenauigk eiten des Bau-Lasers

sind insbesondere bei notwendigen Kontrollmessungen der Bodenoberfläche mit erhöhten Ebenheitsanforderungen nicht geeignet. Die Methode der Punktweisen Prüfung durch Rasternivellement mit Messabständen ab 0,5 m sind wenig aussagefähig, da die Bereiche zwischen den Messpunkten nicht erfasst werden. Zwischen den Messpunkten können jedoch nicht akzeptable Unebenheiten liegen, die nunmehr nicht erfasst werden. Eine Ebenheitsmessung des Bodens in den 3 Fahrspuren von Hochregalstaplern mit dem Messwagen (Bild 3) ermöglicht digitale Messwertaufzeichnungen als Höhenaufnahme des Bodens in Abständen von z.B. 10,0 cm entlang der 3 Fahrspuren der Schmalgänge. Nach der Messung werden die gespeicherten Daten mit Hilfe von spezieller Software aufbereitet und grafisch ausgewertet. Somit kann anschaulich und punktgenau dargestellt werden, ob beispielsweise die bauvertraglich vereinbarten Ebenheitstoleranzen des Bodens eingehalten sind oder nicht. Warum nun diese genaue und kontinuierliche Höhenaufnahme der Bodenoberfläche?

• Die Messergebnisse lassen Rückschlüsse auf das Fahrverhalten der Flurförderzeuge zu. Reparaturund Verschleißkosten der HRLStapler können damit minimiert werden.
• Die Effektivität des gesamten Lagersystems wird vorstellbar.
• Die Messergebnisse ermöglichen eine objektive Beurteilung der Ebenheit des Industriebodens und eventuell durchzuführender Maßnahmen.
  
  

Nach Abschluss der erfolgten Höhenaufnahme mit Hilfe des digitalen Messinstruments (Messwagen) kann die optimale und wirtschaftlichste Sanierungsmethode gewählt werden, um die Laufruhe der Flurförderzeuge gezielt zu erreichen, bzw. zu verbessern. Die vorgenannte Präzisionsvermessung der Fahrspuren in den leitliniengeführten Schmalgängen des Hochregallagers (vgl. Bild 3) liefert neben den Auswertungen nach Regelwerken, z.B. DIN 15185, (vgl. Bild 4) zunächst die absoluten Fahrspurhöhen, da mit dem Präzisions- Laser eine horizontale Bezugsebene gegeben ist. Das Wissen um die tatsächlichen Fahrspurhöhen erlaubt eine gezielte und optimierte Höhenkorrektur damit die Laufruhe für die Hochregalstapler bzw. die Einhaltung der bauvertraglich vereinbarten Regelwerke erreicht werden kann. Diese Methode mit einer möglichst „soften“ und für die Verschleißschicht schonenden Bearbeitung der Fahrspurhöhen hat sich in der Vergangenheit bestens bewärt, da auch das Kosten-Nutzen-Verhältnis wirtschaftlich und attraktiv ist.

Qualitätssteuerung und – sicherung
Um Industrieböden mit erhöhten Ebenheitsanforderungen, z.B. nach DIN 15185, ordnungsgemäß realisieren zu können, bedarf es neben der Erfahrung der ausführenden Fachfirmen insbesondere eines unabhängigen Fachplaners, der gleichzeitig als Fachbauleiter mit Hilfe von wirksamen Kontroll- und Messinstrumenten planungs- und baubegleitende Überwachungen durchführt. Der Vorteil dieser Maßnahmen liegt nicht nur in dem Einfließen optimaler Planungshinweise, sondern auch in der Qualitätssteuerung bei der Herstellung derartiger Sonderbaumaßnahmen. Die planungs- und baubegleitenden Kontrollmaßnahmen erhöhen die Wahrscheinlichkeit einer mängelfreien Erstellung des Industriebodens. Zumindest sind dann bereits fundierte Grundlagen und hohe Wissensstände über das erbrachte Gewerk vorhanden, um Fertigstellungs- und Abrechnungsbescheinigungen nach dem Gesetz zur Beschleunigung fälliger Zahlungen § 641 a BGB ausstellen zu können. Ein durch den Fachplaner ausgestelltes Zertifikat über die ordnungsgemäße Beschaffenheit des Industriebodens mit erhöhten Ebenheitsanforderungen ist für den Bauherrn ein zusätzlicher positiver Aspekt zur Beurteilung der Qualitätseinstufung hierfür geleisteter Arbeiten.