Ein Röhrensystem als Konstruktionsart, entwickelt aus dem Baustoff Autoreifen

Wenn man sich einmal für den Altreifen als Baustoff entschieden hat und sich weiter dafür entscheidet "in diesem Baustoff" zu arbeiten, das heißt, ohne ihn unnötig zu verändern, dann kommt als System unweigerlich der Röhrenstapel in Betracht. Hier liegt der Unterschied zur Firma Hartl, die nicht "im Baustoff" arbeitetet, sondern die Reifen zerschneidet, um einen Steilwall im Stützkäfigsystem erstellen zu können.

Aber auch aus den vegetationstechnischen Grundlagen bietet das Röhren-stapelsystem erhebliche Vorteile. Der Röhrenstapel besitzt eine waagerechte Regenaufnahmefläche, er lässt keinen Regenschatten durch die überliegende Etage entstehen, er bietet bei ausreichender Größe der Röhren genügend Wurzelraum, guten Bodenanschluss, da er durch sein hohes Eigengewicht auch mit einem gering dimensioniertem Fundament auskommt, er bietet sehr gute Vorraussetzungen zur Ausnutzung der Kapillarkräfte und er bietet ein günstiges Verhältnis der Basisbreite zur Verdunstungsfläche.

Bei der neuen Steilwall-Konstruktion auf dem Versuchsgelände der Forschungsanstalt in Geisenheim wurde der Autoreifen als kleinste Baueinheit gewählt. Aus seiner Form und Größe ergeben sich durch Vervielfachung und Anordnung die späteren Maße und Formen der Lärmschutzeinrichtung.

Es wurden ausschließlich Reifen mit einem Durchmesser von 60 cm und einer Höhe von 20 cm ausgewählt (siehe Abb. 9). Alle ausgewählten Autoreifen besitzen ferner  Seitenwangen von 12cm Länge, sodass sich ein Innenradius von 34cm ergibt. Die Autoreifen umschließen ein Volumen von 0,057m³, dieser Rauminhalt kann mit Substrat gefüllt werden. Die Gleichheit der Reifen ist später für die Stabilität und Haltbarkeit der Anlage von entscheidender Bedeutung.

Drei Reifen, lotrecht übereinander gelegt, ergeben eine Röhre. Für die Röhre errechnet sich ein Rauminhalt von 0,17m³, dies stellt auch gleichzeitig das Wurzelraumvolumen pro Röhre der neuen Anlage dar. Mehrere Röhren nebeneinander bilden eine Etage und mehrere Etagen übereinander bilden schließlich eine Wallanlage, von denen zwei errichtet werden mussten, um den Versuch zur vegetationstechnischen Tauglichkeit ordnungsgemäß durchführen zu können

Beschreibung des Aufbaues in den einzelnen Etagen

Für die Standortwahl der beiden Versuchsanlagen ist es wichtig, dass sie ganztägig unbeschattet sind und genügend Raum für beide Anlagen vorhanden ist, ohne dass sie sich gegenseitig beschatten. Es wurden zwei Flächen markiert, eine in Nord/Süd Richtung, die zweite in Ost/West Richtung. Als Größe durften die Abmaße von 6,00m x 2,50m für die späteren Anlagen jeweils leider nicht überschritten werden.
Für die Versuchsanlage wird eine Menge von 430 Autoreifen benötigt.

Das Fundament und das Planum
Für die Fundamentierung wurden zunächst die markierten Flächen gerade abgeschoben, bzw. wo es nötig war aufgefüllt, und mit einer Rüttelplatte der Firma Wacker (DPS 3050) gleichmäßig verdichtet.
Darauf wurde ein 4cm dickes Sandbett horizontal abgezogen (Abb. 13), um einen gleichmäßig waagerechten Aufbau der Anlage zu gewährleisten.
Es wurde also nur ein labiles Fundament eingebaut, da die Endhöhe von 2,40m und die Konstruktion als Röhrenstapel dies zuließen. Das Röhren-stapelsystem weißt ein sehr hohes Eigengewicht auf, außerdem ist der Baustoff Autoreifen jederzeit flexibel genug, um eventuelle, geringfügige  Veränderungen im Bereich des Planums auszugleichen.
Auf die Bettung, von 4cm Sand wurde die erste Schicht Reifen fluchtgerecht aufgebaut und mit Erdmaterial gefüllt.

Die erste Etage
Um spätere Sackungen zu vermeiden ist es notwendig nach jeder Reifenschicht gründlich zu verdichten. Besonders in den spitzen Winkeln zwischen den Reifen, sowie zwischen den Reifenwangen innerhalb eines jeden Reifens ist dies notwendig.
Die Reifen werden in einem Rechteck von 6,00m x 2,40m aufgebaut, was einer Reifenanordnung von 10 x 4 Reifen für die erste Reifenschicht entspricht.
Zum Kräfteabtrag an den 6,00m langen Längstseiten wird jeweils nach 1,20m eine Aussteifung mit der gegenüberliegenden Seite vorgenommen, in Form einer Röhrenreihe. Auf diese Weise ergeben sich zwischen den Verstrebungen nur Kammern mit einem Volumen von 0,86m³ in der ersten Etage. Das bedeutet ein sehr hohes Maß an statischer Sicherheit.
Hierauf wird lotrecht die zweite Schicht Reifen gelegt, mit Erde gefüllt und verdichtet. Nach der zweiten Reifenschicht werden die einzelnen Röhrenelemente im Boden verankert und miteinander verspannt. Dies hat den Vorteil, dass Verankerung und Verspannung nach Fertigstellung nicht nach außen sichtbar werden.
Die Materialien für Verankerung und Verspannung konnten aus Kostengründen nicht optimal gestaltet werden, sondern gehen zu einem hohen Maße auf Improvisation zurück. Aufgrund dieser Tatsache mussten in erster Linie Abstriche an die Beanspruchbarkeit, sowie die Haltbarkeit der verwendeten Materialien gemacht werden. Die Stabilität und Haltbarkeit der Anlage ist aber dennoch mindestens für 10 Jahre gewährleistet, was den Zeitraum der Forschungstätigkeit deutlich übertrifft und somit für die vorgesehenen Zwecke ausreicht.
Die Verankerung der Röhren mit dem Unterbau geschah durch verzinkte Stahlstäbe mit einem Durchmesser von 5,0mm, wie sie im Weinbau zur Aufschulung junger Reben üblich sind. Die Stäbe haben eine Länge von 1,10m und werden 60cm in das Erdreich eingeschlagen, sodass sie die zweite Reifenschicht um 10cm überragen. Sie werden parallel zur Laufrichtung der Röhrenreihe installiert. Die Röhren an den Verstrebungen erhalten zusätzlich einen weiteren Stahlstab zu den Verstrebungen hin. Die vier Eckpunkte werden gesondert gegen seitliches Ausbrechen gesichert. Sie werden jeweils durch vier Robinienpfähle (1,20m Länge und 2cm Kantenstärke) nach allen Seiten fixiert. Die Pfähle werden ebenfalls 60cm in das Erdreich getrieben, sodass sie bündig mit den Röhren abschließen. Die Verspannung der Röhren erfolgt mit verzinktem Spanndraht (2,2mm Durchmesser), wie er im Weinbau zum Aufbau der Rebzeilen verwendet wird. Die Verspannung wurde erst nach dem Aufbau der dritten Reifenschicht endgültig festgezogen, um so die dritte Schicht fest mit den Überständen der Stahlstäbe und Robinienpfähle verspannen zu können. Nachdem die dritte Schicht aufgebaut und verdichtet ist, können der überschüssige Boden aus Röhren und Kernkammern abgezogen und waagerecht auf Höhe gebracht werden. Für die erste Etage ergibt sich also eine Endhöhe von 60cm.

Die zweite Etage
Die zweite Etage wird um 30cm (eine halbe Reifenbreite) nach innen versetzt. Sie entsteht auf einer rechteckigen Grundfläche mit den Ausmaßen 5,30m x 1,80m, was einer Röhrenanordnung von 9 x 3 Röhren entspricht. Ihre Höhe ist 60cm.
Durch den Versprung wird erreicht, dass die Röhren einer Etage immer versetzt zu den Röhren der umgebenden Etagen stehen. Dies bewirkt eine erhöhte Stabilität und verhindert das Auseinanderbrechens des Walles. Es ist den Regeln entlehnt, die bei der Errichtung einer Ziegelmauer zu beachten sind. Außerdem erhält die jeweils obere Röhre einen festeren Sitz, da sie mit drei Punkten auf zwei verschiedenen Röhren der unteren Etage aufliegt. Der dritte Vorteil dieser Bauweise liegt in der sicheren Ausformung der Wangen. Sie können ohne Passstücke in abgetreppter Bauweise errichtet werden.
Die Verspannung der Röhrenreihen geschieht in der gleichen Weise, wie bei der ersten Etage. Das gleiche gilt auch für die Verankerung, das heißt die zweite Etage ist in der ersten Etage verankert. Die Verstrebung der beiden Längstseiten zum Kraftabtrag wird in der zweiten Etage nicht mehr durch verspannte Röhrenreihen bewerkstelligt, wie in der ersten Etage, sondern einfach durch Drahtverspannungen der beiden Längstseiten miteinander. Als Abstand in Längstrichtung werden wieder zwei Reifen gewählt, also 1,20m, durch die ungerade Reifenanzahl muß die letzte Verspannung nach einem Reifen (0,60m) erfolgen, will man wieder drei Verstrebungen installieren (Abb.16). Die Vereinfachung der Verstrebung in der zweiten Etage ist möglich, weil über der zweiten Etage nur noch zwei weitere kleinere Etagen errichtet werden und weil das Volumen des Erdkerns in der zweiten Etage um rund 50% geringer ist, als in der ersten Etage. Daraus ergibt sich ein wesentlich geringerer Druck auf die Seitenwände der zweiten Etage, vergleicht man sie mit denen der ersten. Nach der Vollendung der Röhren, mit der dritten Reifenschicht und dem Verdichten, kann auch diese Etage waagerecht abgezogen werden. Die Endhöhe der zweiten Etage liegt also 1,20m über dem Fuß der Anlage.

Die dritte Etage und der Kopf
Die dritte Etage wird ebenfalls um 30cm nach innen versetzt, das heißt sie besteht aus zwei Röhrenreihen zu je acht Röhren und hat die Abmaße 4,80m x 1,20m bei 0,60m Höhe. Die Verankerung und die Verspannung werden wieder in der gleichen Art durchgeführt, wie bei den unteren Etagen.
Die Reihen werden der Länge nach untereinander verspannt und erhalten zusätzlich an der Innenseite der Röhren eine dritte Verankerung, über die die beiden parallelen Reihen miteinander verspannt werden. Auf diese Weise kann ein seitliches Ausbrechen verhindert werden. Einen Erdkern gibt es in dieser Etage nicht mehr. Es ergibt sich eine Endhöhe von 1,80m über dem Fuß der Anlage.
Oberhalb wird eine abschließende Kopfreihe installiert. Die Kopfreihe besteht aus sieben Röhren, die mittels Robinienpfählen und Stahlstäben in alle vier Richtungen verankert werden und in Längstrichtung miteinander verspannt. Nach der Fertigung der Kopfreihe hat der Steilwall seine Endhöhe erreicht. Sie liegt bei 2,40m. 

Technische Angaben zur Wallkonstruktion

Der Steilwall besitzt eine Basisbreite von 2,40m und eine Höhe von 2,40m, daraus ergibt sich ein Steigungsverhältnis von 2:1, bzw. ein Böschungswinkel von 63,4°.
Ein verwendeter Autoreifen hat ein Volumen von 0,057m³.
Eine Reifenröhre besitzt ein Volumen von 0,17m³, dies ist gleichzeitig das Wurzelraumvolumen pro Röhre. Insgesamt setzt sich eine Wallanlage aus 67 Röhren (ohne Versteifungen) zusammen, das entspricht einem Wurzelraumvolumen von 11,39m³. 
Hinzu kommen 5,89m³ Erdkern, sodass zur Errichtung einer Steilwallanlage 17,28m³ Erdmaterial benötigt werden. Aus diesen Zahlen lässt sich schon der große Anteil an Wurzelraumvolumen erkennen. Er ist ungefähr doppelt so groß, wie der Anteil des Erdkerns.
Eine Wallanlage besteht aus 67 Röhren plus 4 Röhren in der Verspannung, das entspricht 213 Autoreifen.
Ohne die Kopfenden der Anlage zu berücksichtigen, errechnet sich ein Verbrauch von rund 15 Autoreifen (genau 14,6) pro m² schallgeschützte Fläche. Daraus ergibt sich ein Wert von 36000 Autoreifen für einen baugleichen Steilwall mit einer Länge von einem Kilometer.

Technische Angaben zum Aufbau

Wichtigster Grundsatz beim Bau einer Reifenanlage ist das lagenweise Verdichten nach jeder Reifenschicht. In Geisenheim geschah dies per Fuß, mit einem 5-Kg Vorschlaghammer, sowie mit dem Fäustel. Schwierig ist das Verdichten besonders in den spitzen Winkeln zwischen den Reifen und im Bereich der Reifenwangen.
Die Reifenwangen stellen bei der Errichtung das größte Problem dar. Sie sind je nach Hersteller unterschiedlich gearbeitet und lassen sich unterschiedlich stark füllen. Es ist deshalb beim Bau darauf zu achten, dass die Wangen gleichmäßig gefüllt und verdichtet werden. Andernfalls kann es zu ungleichmäßigen Sackungen kommen, die die statischen Eigenschaften negativ beeinflussen. Auch ist das Füllen der Reifenwangen sehr zeitintensiv und schwierig. Das Erdsubstrat muss mittels Fäustel und von Hand zwischen die Wangen geschoben und verdichtet werden. Dies ist besonders bei steinigen und tonigen Substraten sehr aufwendig, solche Füllsubstrate sollten für Reifenkonstruktion schon aus diesem Grund vermieden werden. Günstig für das Befüllen sind schluffig bis sandige Böden.

Es gibt deshalb auch Überlegungen die Reifenwangen innerhalb der Röhren herauszuschneiden. Darauf wurde aber beim Versuchsaufbau verzichtet, da die Auswirkungen auf die Standfestigkeit nicht geklärt sind. Die Verspannung der Röhren würde aufgehoben und die statische Sicherheit der Anlage gefährdet.

Außerdem sammelt sich in den Reifenwangen nach Niederschlägen Wasser, das dann langsam wieder an die Pflanzen abgegeben wird. Ob dieser Effekt groß genug ist, um die Pflanzen positiv in ihrem Wachstum zu beeinflussen, kann nur vermutet werden. Es wäre ein gesonderter Versuch notwendig, dies zu beweisen oder zu widerlegen.

Ein weiteres Problem stellt die Ausschwemmung von Feinteilen des Erdsubstrates aus der Reifenanlage dar. Durch kleine Öffnungen zwischen Reifen und Röhren fließen nach starken Regenereignissen feine Erdpartikel ab. Diese Erscheinung konnte in den ersten Wochen nach der Fertigstellung beobachtet werden. Die Öffnungen schließen sich aber mit der Zeit von selbst und die Ausschwemmung stoppt. Das Problem regelt sich also von allein, zumindest bei der für den Versuchsaufbau verwendeten Bodenart.

Angaben zur Wasserspeicherung und Verdunstung 

 Dieses Kapitel ist besonders wichtig für die Beurteilung der Anlage in vegetationstechnischer Sicht. Über die Vorteile eines Röhrensystens hinaus, bietet das neue System noch einige Eigenschaften, die erwähnt werden müssen.

Zuvor wurden bereits die Reifenwangen erwähnt und die mit ihnen verbundenen Schwierigkeiten beim Aufbau der Anlage. Trotzdem wurden sie nicht herausgeschnitten, da sie bei Regenereignissen in der Lage sind, überschüssigen Wassermengen zu halten und zu einem späteren Zeitpunkt wieder abzugeben, was für das Gedeihen der Pflanzen von großem Vorteil ist. Ob diese These in einem pflanzenrelevantem Maße zutrifft, müsste, wie bereits zuvor geschrieben, in einem gesonderten Versuch überprüft werden. 

Die zweite erwähnenswerte Eigenschaft dieser Reifenanlage betrifft den Verdunstungsschutz. Neben der üblichen Maßnahme zum Verdunstungsschutz, dem Mulchen, bietet dieses Röhrenstapelsystem einen konstruktiven Verdunstungsschutz, in Form der oberen Reifenwange einer jeden Röhre. Durch diese oberen Reifenwangen wird die Verdunstung über große Teile der horizontalen Walloberfläche verhindert. Mit dieser Konstruktion ist es also erstmalig gelungen, einen Steilwall zu entwickeln, dessen Verdunstungsoberfläche kleiner ist, als seine Basisfläche.

Im Detail besteht der Wall aus drei unterschiedlichen Elementen Sie sind zwar in ihrer Konstruktionsweise gleich, haben aber durch die Stapelbauart unterschiedliche Oberflächenanteile, in Bezug auf den konstruktiven Verdunstungsschutz:

1. Die Kopfröhren:
- Mit einer horizontalen Oberfläche von 2827,4cm², davon entfallen 36% auf Verdunstungsfläche und 64% auf konstruktiven Verdunstungsschutz. 

2. Die Eckröhren:
- Mit einer horizontalen Oberfläche von 2333,1cm², davon entfallen 38,5% auf Verdunstungsfläche und 61,5% auf konstruktiven Verdunstungsschutz.

3. Die normale Röhre in den Etagen:
- Mit einer horizontalen Oberfläche von 1778,1cm², davon entfallen 43,8% auf Verdunstungsfläche und 56,2% auf kontruktiven Verdunstungsschutz.

Für die gesamte Steilwallanlage ergibt sich ein Verhältnis von rund 40% (genau: 41,5%) Verdunstungsfläche zu rund 60% (genau: 58,5%) Anteil konstruktiven Verdunstungsschutz.

Die dritte Eigenschaft betrifft ebenfalls die Verdunstung. Bei der Bepflanzung mit handelsüblichen Sträuchern wird man nicht mehr als eine Pflanze in eine Röhre pflanzen. Das ergibt einen Wert von 5,2 Pflanzen pro m² Basisfläche. Das ist eine Pflanzdichte, wie sie auch bei ebenerdiger Pflanzung üblich ist. Bei vielen anderen Systemen wird  das Verhältnis  Pflanzenstückzahl zu Basisfläche nicht berücksichtigt und sehr viel mehr Pflanzen gepflanzt, um kurzfristig ein zufrieden stellendes Ergebnis zu erzielen. Einer dauerhaften Begrünung läuft solches Handeln aber zuwider. Es führt zu übermäßiger Verdunstung über die große Blattoberfläche und anschließend zu starken Ausfällen in der Pflanzung, im unglücklichsten Fall zum Totalausfall.

Durch die den höheren Wassergehalt in der Steilwallkonstruktion wird auch die Temperaturamplitude in den heißen Sommermonaten innerhalb des Wurzelraumes kleiner bei gleichzeitiger Erhöhung des Temperaturniveaus, was ebenfalls zu einer Verbesserung des Pflanzenstandortes Steilwall beiträgt. Diese These müsste aber durch weitere Untersuchungen verifiziert werden.

Die Eigenschaften zur Verdunstung und Wasserspeicherfähigkeit eines Steilwalles werden auch  durch das Substrat und die Mulchung maßgeblich beeinflusst. Diese Faktoren sind aber nicht direkt konstruktionsabhängig und werden deshalb anderer Stelle behandelt.

Schalleigenschaften der neuen Steilwall - Konstruktion

Wie für alle Steilwälle, so ist auch für die Reifenanlage ein gesondertes Gutachten notwendig, das die schalltechnischen Eigenschaften genau klassifiziert und einordnet.
Röhrenstapelsysteme sind im allgemeinen den übrigen Systemen schalltechnisch unterlegen. Sie werden zumeist als reflektierend bis absorbierend eingestuft. Das ist auch der Grund für ihren sehr geringen Marktanteil.
Für den Reifenstapel müsste gutachterlich festgestellt werden, in wie weit die Autoreifenoberfläche schallhart ist und in wie weit die Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche (Reifenprofil und spitze Winkel zwischen den Röhren) ausreichen, um die Schallabsorbtion positiv zu beeinflussen.
Sollten beide Kriterien nicht zu einer Erhöhung der Schallabsorbtion führen, was wahrscheinlich ist, da die Oberfläche recht hart erscheint und die Unregelmäßigkeiten eher gering wirken, so müsste die Reifenkonstruktion als reflektierend eingestuft werden. Sie ist damit nur eingeschränkt einsetzbar.

Vegetationstechnik