Anwendung DIN en 13383 Rip Rap

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Zur Handhabung der neuen Norm DIN EN 13383 für Wasserbausteine und deren Umsetzung ineiner Steinbemessung

Dr.-Ing. Jan KayserBundesanstalt für [email protected]

1 Einleitung

Seit 2002 gilt die europäische Norm DIN EN13383 „Wasserbausteine“ [1]. Sie besteht ausden 2 Teilen „Teil 1: Anforderungen“ von August2002 und „Teil 2: Prüfverfahren“ von Juli 2002.Hiermit sind erstmals in Deutschland die Anfor-derungen an Wasserbausteine normativ gere-gelt.Die DIN EN 13383 ist als deutsche Norm anzu-wenden und dementsprechend auch in dendeutschen Regelwerken zu berücksichtigen. Alswesentlicher Schritt hierzu wurden dieTECHNISCHEN LIEFERBEDINGUNGEN WASSER-

BAUSTEINE überarbeitet und zum April 2004 als„TLW 2003“ in der WSV eingeführt. Sie ersetztdie Ausgabe „TLW 1997“.Als wesentliche Änderung gegenüber den frühe-ren Regelungen der TLW 1997 wurden mit denneuen Regelwerken neue Größen- und Ge-wichtsklassen eingeführt. Weitere Neuerungensind in [3] erläutert.Nachfolgend werden die ersten Erfahrungen mitden Größenklassen wiedergegeben und daraufaufbauend Empfehlungen für deren Anwendunggegeben.Zeitgleich zur neuen TLW sind mit den „Grund-lagen zur Bemessung von Böschungs- undSohlensicherungen an Binnenwasserstraßen,GBB“ [5] erstmals Bemessungsregeln für Deck-schichten mit Wasserbausteinen erschienen.Der vorliegende BAW-Brief geht darauf ein, wieein berechneter Bemessungswert in eine Stein-klasse entsprechend der neuen Normung um-gesetzt werden kann.

2 Anpassung der Steinklassen

2.1 Klassifizierungsmerkmale

Für die Ausschreibung von Wasserbausteinengalt bis zum April 2004 (Einführung der TLW2003) in Deutschland die Klassifizierung der

TLW 1997. Das Klassifizierungsmerkmal derTLW 1997 ist die größte Steinlänge, die euro-päisch mit L, nachfolgend als DTLW97 (Steinlängenach TLW 1997) bezeichnet wird. DTLW97 wirdüber Ausmessen des Wasserbausteins über diegrößte Steinlänge (größte Diagonale durch denStein) ermittelt, wie es in Bild 1 dargestellt ist.

Bild 1: Größte Steinlänge DTLW97

Anhand des DTLW97 wurden in der TLW 1997 dieSteinklassen festgelegt. Tabelle 1 zeigt die Ein-teilung für die üblicherweise in Deckschichteneingebauten Steinklassen II – IV. Es war jeweilsein Unterkorn von 15 % und ein Überkorn von10 % zugelassen. Die maximale Steingrößedurfte das 1,3-fache der oberen Klassengrenzenicht überschreiten.

Tabelle 1: Steingrößen nach TLW 1997

Klasse DTLW97 [cm]II 10 – 30III 15 – 45IV 20 – 60

Für diese seit langen Jahren existierenden Klas-sen liegen umfangreiche Erfahrungen für dieverschiedenen Einsatzgebiete an den Wasser-straßen vor.Mit Erscheinen der neuen DIN EN 13383 wurdees erforderlich, die Technischen Lieferbedin-gungen für Wasserbausteine TLW anzupassen.Die bedeutendste Änderung war dabei in der

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Definition der Steinklassen vorzunehmen. DieEN 13383 beinhaltet die 3 verschiedenenGrundklassen• Größenklassen CP (Coarse Particles),• leichte Gewichtsklassen LM (Light Mass),• schwere Gewichtsklassen HM (Heavy

Mass).die in jeweils 5 Unterklassen weiter differenziertwerden.Die Größenklassen werden über den Durchgangdurch ein Quadratlochsieb definiert, d. h. überden Durchmesser D. Bild 2 zeigt diese Korngrö-ßendefinition anschaulich. Entsprechend denKlassengrenzen werden die Korngrößenklassenals CPx/y bezeichnet, mit x als unterer und y alsoberer Klassengrenze jeweils in mm. Für dieVerwendung in Deckschichten ist nur die KlasseCP90/250 mit Korngrößen i. w. zwischen 9 und 25cm relevant (genaueres s. [1]).

Bild 2: Größenermittlung D über ein Quadrat-lochsieb

Die Gewichtsklassen LM und HM sind über dieMasse der Einzelsteine definiert. Sie werdenweiter unterschieden in Klassen mit einem vor-gegebenen Wertebereich für das mittlere Stein-gewicht (Klassen A: LMA und HMA) und ohnediesbezügliche Vorgaben (Klassen LMB undHMB). In die TLW 2003 wurden die B-Klassenaufgenommen. Für Deckschichten relevant sinddie Klassen LMB5/40 und LMB10/60, seltenerLMB40/200.Grundsätzlich ist festzustellen, dass die in DINEN 13383 definierten Grenzen der Gewichts-klassen deutlich enger gefasst sind als die altenKlassengrenzen der TLW 1997. Bei den neuenGrößenklassen CP und den alten TLW 1997-

Klassen sind die Klassengrenze ähnlich weitgestreckt.

2.2 Vergleich Steinklassen alt - neu

Für den möglichst einfachen Übergang von denalten zu den neuen Steinklassen ist es erforder-lich, die alten und neuen Klassen einander zu-zuordnen.Hierzu wurden vergleichende Messungen anWasserbausteinen aus verschiedenen natürli-chen Gesteinen mit unterschiedlichen Größen(überwiegend Klasse III nach TLW 1997) durch-geführt. Diese Messungen sind in Bild 3 darge-stellt.

Bild 3: Vergleich Steingrößen DTLW97 (unten)und LMB5/40 (oben)

Im Bild 3 oben sind Ergebnisse der Gewichtsbe-stimmung als Summenkurve über der logarith-mischen Gewichtsskala dargestellt. Zur Orientie-rung sind die Klassengrenzen der KlasseLMB5/40 entsprechend der EN 13383-1 mit demzulässigen Über- und Unterkorn eingezeichnet.Im unteren Teil von Bild 3 ist die Einordnung derselben Steine entsprechend dem Kriterium deralten TLW 1997 (größten Steinlänge DTLW97)dargestellt.


Für vergleichende Berechnungen wurden dieFormeln (1) bis (3) aus [3] verwendet.

DTLW97 = 1,6 Dn (1)Dn = 0,866 D (2)G = Dn

3 ρs (3)mit: Dn = nominaler Durchmesser (Kantenlänge einesgewichtsgleichen Würfels), D = Siebdurchmesser,ρs = Rohdichte, G = Masse Einzelstein

Die Formeln (1) und (2) enthalten Mittelwerte fürempirische Faktoren, die auf langjährigen Erfah-rungen hinsichtlich der geometrischen Formenvon Wasserbausteinen beruhen. Diese Faktorenkönnen im Einzelfall abhängig von der Steinartund der Produktionstechnik der Wasserbaustei-ne deutlich variieren, so dass die berechnetenvon den tatsächlichen Werten deutlich abwei-chen können.Anhand der Messungen und der Berechnungenwerden nachfolgend die alten Klassen II, III undIV der TLW 1997 den neuen Klassen zugeord-net. Die Betrachtungen beziehen sich, soweitnicht anders erwähnt, auf natürliche Gesteinemit Rohdichten ρs = 2,3 bis 3,0 t/m³. Zur Veran-schaulichung wird noch in „grobe/schwere“ bzw.„mittlere“ bzw. „leichte/kleine" (Lage der Sum-menlinie deutlich über bzw. auf bzw. deutlichunter der linearen Verbindung der Klassengren-zen) Klasse unterschieden.

Klasse II, TLW 1997Anhand der in Bild 3 dargestellten Messungenist erkennbar, dass die Steinfraktionen mit ei-nem für LMB5/40 erhöhten Feinkornanteil (4Fraktionen links in Bild 3) in die alte Klasse IIIeingeordnet werden können. Für die bereitsnach neuer Norm für CP 90/250 hergestelltenSteinfraktion (hellblau, Granodiorit) ist auch eineEinordnung in Klasse II möglich.Es kann daher geschlossen werden, die Sieb-größenklasse CP90/250 zwischen den alten Klas-sen II und III liegt. Die Verwendung von CP90/250

an Stelle der alten Klasse II liegt somit beiDichten ρs = 2,3-3,0 t/m³ auf der sicheren Seite.

Klasse III, TLW 1997Rechnerisch beträgt die Masse G des Einzel-steins an der Obergrenze der Klasse III (DTLW97,III

= 45 cm) G = 59,0 kg. Zur sicheren Gewährlei-stung des oberen Spektrums der alten Klasse IIIwäre es erforderlich, die Klasse III (TLW 1997)der Klasse LMB10/60 (EN 13383) zuzuordnen.Die untere Klassengrenze (DTLW97,III = 15 cm, G= 2,2 kg) entspricht dagegen einem Unterkorn inder leichteren Gewichtsklasse LMB5/40.Aus Bild 3 (oben) ist erkennbar, dass die aus-gemessenen Steinfraktionen z. T. deutlich denzulässigen Anteil an Unterkorn überschreiten, d.h. sie sind kleiner als LMB5/40. Demnach genü-gen auch die untersuchten Steinfraktionen, dieeinen für LMB5/40 zu großen Unterkornanteilhaben, den Anforderungen der Klasse III.Die zwei größten Fraktionen (orange, hellgrün)überschreiten die Kriterien der Klasse III (Über-korn DTLW97> 58,5 cm bzw. Überkornanteil beiDTLW97 > 45 cm über 10 Gew.-%). Sie sind dem-nach in Klasse IV der TLW 1997 einzuordnen,wobei sie im unteren Bereich dieser Klasse lie-gen („kleine Klasse“). Nach neuer Norm ent-sprechen beide Fraktionen der LMB5/40.Im Ergebnis dieser Vergleiche kann festgestelltwerden, dass die alte Steinklasse III bei natürli-chen Gesteinen (Dichten ρs = 2,3-3,0 t/m³) mithinreichender Sicherheit durch die neue KlasseLMB5/40 abgebildet wird. Bei hohen Dichtenρs ≥ 3,6 t/m³ wird die alte Klasse III durch dieneue Klasse LMB10/60 ersetzt.

Klasse IV, TLW 1997Die alte Klasse IV entspricht nach Messungenbei Steindichten ρs = 2,6 – 3,0 t/m³ ungefähr derneuen Klasse LMB10/60.Dies deckt sich auch mit den Praxiserfahrungen,nach der die Klasse LMB10/60 beim Einbau mitden für Klasse III konstruierten SchüttgerüstenProbleme bereitet, da die Steine zu groß sind.Allerdings kann auch eine „schwere“ LMB5/40

bereits einer „kleinen“ Klasse IV entsprechen.Wo bisher eine Klasse IV nach alter TLW mit ρs

> 3,0 t/m³ erforderlich war, sollte zukünftig dieKasse LMB40/200 gewählt werden.


Zusammenfassender Vergleich der Stein-klassenAufgrund der bisherigen Erfahrungen können fürnatürliche Gesteine mit ρs = 2,3-3,0t/m³ die altenSteinklassen wie in Tabelle 2 aufgeführt in dieneuen Steinklassen überführt werden.

Tabelle 2: Überführung der alten in die neuenSteinklassen, ρs = 2,3-3,0 t/m³

TLW 1997 (alt) TLW 2003 (neu)

Klasse II CP90/250

Klasse III LMB5/40

Klasse IV LMB10/60

2.3 Wasserbausteine für verklammerteDeckwerke

Insbesondere bei hoher hydraulischer Belastungoder unter beengten Platzverhältnissen kann eserforderlich sein, ein verklammertes Deckwerkherzustellen. Das Steingerüst eines zu ver-klammernden Deckwerks muss hinsichtlich desPorenraums optimiert sein. Zum einen dürfendie Poren nicht zu groß sein, damit der Ver-klammerungsmörtel nicht durch das Deckwerk„durchfällt“. Zum anderen dürfen die Poren nichtzu klein werden, da dann der Verklammerungs-mörtel nicht im erforderlichen Umfang in denPorenraum eindringen kann.In der Vergangenheit hat sich für die Verklam-merung eine „grobe“ Steinklasse II, ggf. aucheine Mischklasse II/III, nach alter TLW 1997bewährt. Dementsprechend sollte für verklam-merte Deckwerke zukünftig die Klasse CP90/250

gewählt werden.

3 Festlegung der Steinklasse aus einerBemessung nach GBB

3.1 Festlegung der erforderlichen Stein-größe

Im „Merkblatt für die Anwendung von Regel-bauweisen MAR“ [4] sind die Erfahrungen mitDeckwerken bis Anfang der 90-er Jahre wieder-gegeben. Hierbei sind für Regelfälle die mögli-chen Deckwerksbauweisen aufgeführt. In denletzten Jahren hat sich von diesen Regelbau-weisen die Verwendung von Wasserbausteinen

der Klasse III mit einer Korndichte ρs ≥ 2,6 t/m³und einer Deckwerksdicke dD ≥ 60 cm für dieAusbaumaßnahmen an den großen Kanalstrek-ken durchgesetzt.Mit den im Mai 2004 erschienenen „Grundlagenzur Bemessung von Böschungs- und Sohlensi-cherungen an Binnenwasserstaßen, GBB“ [5] istergänzend zu den Regelbauweisen auch eineBemessung der erforderliche Steingröße für denEinzelfall möglich. Grundlage der Bemessung isteine Ermittlung der hydraulischen Einwirkungen(Wellen und Strömungen) auf das Deckwerk.Die wesentlichen Einwirkungen resultieren ausdem Schiffsbetrieb. Es sind:• Heckquerwelle• Rückströmung• Wiederauffüllungsströmung der brechenden

Heckquerwelle• Propulsionsströmung der AntriebeAus den Einwirkungsgrößen wird die erforderli-che Bemessungsgröße der WasserbausteineD50 berechnet. D50 ist die Siebgröße bei 50 %Siebdurchgang, d. h. 50 % der Steine sind grö-ßer als die Bemessungsgröße D50. Die entspre-chenden Rechenvorschriften sind im GBB [5]enthalten.Da die CP-Klassen wie das D50 über quadrati-sche Siebgrößen definiert sind, ist eine direkteZuordnung zwischen dem Bemessungsergebnisund der Steinklasse möglich.Für die Auswahl der Gewichtsklassen ist zu-nächst eine Umrechnung des Bemessungswer-tes D50 in ein G50 erforderlich. Auf den Formeln(2) und (3) basierend gilt der Zusammenhang

( )465,0 35050 DG sρ= .

Die Ermittlung des Bemessungswertes G50 aneiner Steinfraktion ist beispielhaft in Bild 4 ge-zeigt.


Bild 4: Klassengrenzen LMB5/40 und Bemes-sungswert G50

Der Bemessungswert D50 bzw. G50 ist jedochkeine in der DIN EN 13383 festgelegte Größe.Mit der Angabe einer Steinklasse allein wird dasBemessungsziel nur dann sicher erreicht, wenndie untere Klassengrenze der gewählten Stein-klasse größer oder gleich dem Bemessungswertist. Dies ist jedoch unwirtschaftlich, da die Steineund damit auch die erforderliche Deckwerks-dicken i. d. R. viel größer werden als nach derBemessung erforderlich. Bei Auswahl einerSteinklasse der DIN EN 13383 auf der Grundla-ge einer Bemessung ist daher zusätzlich der50% - Wert, je nach Klassenparameter als D50

oder G50, vorgzugeben.

3.2 Hydraulisch gleichwertige Steine

Im Rahmen von Bauvergaben werden alternativzum Amtsentwurf häufig geänderte – i. d. R.höhere - Gesteinsdichten ρs angeboten.Die Gesteinsdichte geht reziprok in den Bemes-sungswert ein. Daher sind bei höheren Ge-steinsdichte kleinere bzw. leichtere Steine zu-lässig.Die Bewertung der technischen Gleichwertigkeitbei geänderter Dichte ist u. a. unter dem Ge-sichtspunkt der Lagestabilität des Einzelsteinsdurch die Nachweise entsprechend dem GBB[5] durchzuführen.

3.3 Ausschreibung und Kontrollprüfungbei Bemessung nach GBB

Wurde die erforderliche Steinklasse in einerBemessung nach GBB [5] ermittelt, so muss ineiner Ausschreibung neben der gewähltenSteinklasse auch die der Bemessung zugrundegelegte Gesteinsdichte ρs (nach DIN EN 13383-

2 [1]) als Mindestwert angegeben werden. DieVerwendung einer höheren Gesteinsdichte liegt– soweit die übrigen Parameter der Deckschicht(z. B Dicke dD) nicht verändert werden – auf dersicheren Seite. Bezüglich der Steindichte istauch zu beachten, dass die DIN EN 13383 rela-tiv geringe Toleranzen beinhaltet.Weiterhin ist in der Ausschreibung der Bemes-sungswert der Steingröße D50 bzw. G50 festzule-gen. Für die Kontrolle auf Einhaltung des Be-messungswertes sollten in Kontrollprüfungen100 Steine untersucht weden. Diese sind ent-sprechend EN 13383-2 [1] und DIN 52101 [7]aus dem gelieferten Material zu entnehmen.G50 ist einfach aus der Summenkurve der gewo-genen Steine hinreichend genau ablesbar.Die Ermittlung von D50 ist nicht zielgenau mög-lich, da die Kornverteilung versuchstechnischbedingt stufenweise über diskrete Quadratloch-siebe ermittelt wird. Zur Ermittlung von D50 wirddie folgende Methodik vorgeschlagen.Es sind bei der Ermittlung der Größenverteilungalle im Wertebereich der jeweiligen Steinklassevorhandenen Standardsiebe zu verwenden (z.B.bei CP90/250: 45/63/90/125/180/250/360 mm). Dieden 50% am nächsten liegenden prozentualenSiebdurchgänge P in % (nach unten Pu, nachoben Po) und die entsprechenden Siebdurch-messer Do und Du werden für die Ermittlung vonD50 herangezogen, indem zwischen den zweiWertepaaren Pu/Du und Po/Do logaritmisch-linearinterpoliert wird (s.Bild 5).

Bild 5: Ermittlung von D50


Bei der log-linearen Interpolation berechnet sichD50 zu

( )550

50

uo

u

PPP

u

ou DDDD

−−

= .

4 Erforderliche Deckschichtdicken dD fürdie Stabilität des Steingerüsts

Die erforderliche Deckwerksdicke dD ergibt sichaus 3 Kriterien:1. Stabilität des Steingrüstes,2. Mindestdicken aus Ankerwurf und Schiffs-

anfahrt,3. Stabilität der Gewässerböschung.Mit der Einführung der neuen Steinklassen müs-sen auch die erforderlichen Deckwerksdicken dD

hinsichtlich der Stabilität des Steingerüstes (1.Kriterium) überdacht werden.In der Vergangenheit bewährt hat sich der Auf-bau von dD = 60 cm, Klasse III, ρs ≥ 2,65 t/m³.Hierbei entspricht die Deckwerksdicke dD ca.dem 1,33-fachen der oberen KlassengrenzeDTLW97 = L = 45 cm bzw. der einfachen Längedes längsten Überkorns.Zur Übertragung dieser Erfahrung auf die neuenSteinklassen ist es erforderlich, die größten zuerwartenden Steinlängen L (= DTLW97) abzu-schätzen. Bei Annäherung der Steinform durcheinen Ellipsoid unter der Annahme, dass dergrößte Halbmesser des Ellipsoids entsprechendEN 13383 nicht größer als das 3-fache derkleinsten Halbmesser ist, berechnet sich dieSteinlänge L eines Steines mit dem Gewicht Gzu

( )6183

s

GLρπ

=

Zusammen mit den Formeln (1) und (2) ergebensich die in Tabelle 3 aufgeführten größtenSteinlängen L für die Klassenobergrenze unddas zulässige Überkorn. Diese berechnetenWerte wurden bereits durch einige Messungenbestätigt. Zu beachten ist, dass eine Rohdichteρs = 2,65 t/m³ zu Grunde gelegt wurde, was für

alle natürlichen Gesteine (ρs = 2,3 bis 3,0 t/m³)hinreichend genau ist.

Tabelle 3: Berechnete größte Steinlängen L(DTLW97), Ellipsoid

Steinlänge L [cm]

CP90/250 LMB5/40 LMB10/60

obereGrenze 35 44 51

Überkorn 50 56 64

Abgeleitet aus den Steinlängen ergeben sich fürdie verschiedenen Steinklassen die in Tabelle 4aufgeführten Mindestdicken der DeckschichtendD. Hierbei wurde auf die erreichbare Einbau-genauigkeit von 5 cm gerundet. Zu beachten ist,dass in den Gewichtsklassen für Rohdichtenρs>3,0 t/m³ (i. d. R. nur industriell hergestellteSteine) kleinere Steine und somit geringereDeckschichtdicken erforderlich werden. Diesesind ergänzend angegeben.

Tabelle 4: Mindestdicken dD, min der Deckschicht

Steinklasse dD,min [cm]

CP90/250 50

LMB5/40 60 (55)*

LMB10/60 70 (65)* * (Werte für ρs > 3,0 t/m³)

Diese Werte sind als Mindestdicken anzuse-hen, die sich aus der Erfordernis eines stabilenSteingerüsts ergeben. Bei der Festlegung derDeckwerksdicke nach GBB [5] oder MAR [4]sind weiterhin noch unbedingt die weiteren Krite-rien hinsichtlich der Mindestdicke von Deck-schichten zu beachten.

5 Ausblick

In dem vorliegenden BAW-Brief werden bau-praktische Vorschläge zur Umsetzung der Stein-klassen nach neuer Norm gemacht. Ebenso istdargelegt, wie aus einer Bemessung nach GBB[5] die passende Steinklasse gewählt werdenkann und welche Kriterien dabei zu berücksich-tigen sind. Die Praxis wird diesbezüglich weitereErkenntnissen liefern, die in die Regelwerke undVorschriften einfließen sollen. Daher wird um


Rückmeldung an den Autor hinsichtlich ein-schlägiger Erfahrungen zu den behandeltenThemenkomplexen gebeten.

Literatur

[1] DIN EN 13383 Wasserbausteine, Teil1:Anforderungen, August 2002, Teil2:Prüfverfahren, Juli 2002

[2] Technische Lieferbedingung Wasserbau-steine TLW 2003

[3] BAW-Brief „Anpassung der TechnischenLieferbedingungen Wasserbausteine an dieneue DIN EN 13383 – Wasserbausteine“,H.-U. Abromeit, März 2004

[4] „Merkblatt Anwendung von Regelbauweisenfür Böschungs- und Sohlensicherungen anWasserstraßen (MAR)“, BAW 1993

[5] „Grundlagen zur Bemessung von Bö-schungs- und Sohlensicherungen an Bin-nenwasserstraßen“, Mitteilung Nr. 87 derBAW, Karlsruhe, Mai 2004

[6] Abromeit, H.-U.: „Ermittlung technischgleichwertiger Deckschichtdicken“, in: Mit-teilung Nr. 75 BAW, Karlsruhe, Januar 1997

[7] DIN 52101, Ausgabe:2005-06, Prüfverfah-ren für Gesteinskörnungen - Probenahme

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