Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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1 Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)
3. Plattengründungen 3.1 Einleitung Plattenfundamente oder Sohlplatten werden eingesetzt, um hohe Einzel- oder Linienlasten bei schlechtem Baugrund über größere Flächen abtragen zu können. Fundamentplatten haben auch den Vorteil, dass sie bei unregelmäßiger Bodenqualität einen flächigen Ausgleich schaffen. Es kann auch bei geringen Lasten wirtschaftlicher sein eine Sohlplatte einzusetzen, da der Arbeitsaufwand unter Umständen geringer ist (Beispiel: Abdichtung). Man führt die gesamte Bodenplatte als Gründungsplatte aus. Eine Gründungsplatte ist stets an der Ober- und Unterseite bewehrt. Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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Große Verformungen und Lasten, die über große zusammenhängende Bereiche Baugrundbeanspruchungen in der Nähe seiner Scherfestigkeit erzeugen Grenze der Spannungs- und Verformungsberechnungen mit Hilfe des elastisch isotropen Halbraums  Verfahren, die nichtlineares Spannungs-Dehnungsverhalten abbilden (z.B. Finite-Element-Berechnungen) Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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3.2 Steifemodulverfahren Ziel = Beschreibung der Interaktion zwischen Baugrund und Bauwerk Modell mit errechneten Spannungsverteilung an der Unterseite eines Bauwerks (also unter einer belasteten Gründung), die sowohl - die Gleichgewichtsbedingungen für die eingeprägten Lasten erfüllt, - von oben nach unten auf den Halbraum wirkend eine Setzungsmulde erzeugt, - als auch von unten nach oben wirkend in der Gründung (unter Berück- sichtigung der Steifigkeit des darüber liegenden Gesamtbauwerks) zu einer Biegeform führt, wobei die Verformungsverteilungen zusammenpassen müssen Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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Ermittlung der o.g. Spannungsverteilungen in geschlossener Form nicht möglich: diskrete Verfahren und numerische Berechnungen Kopplung zwischen Halbraum und Bauwerk an einzelnen diskreten Koppelpunkte. Kräfte und Verformungen an Koppelpunkten zunächst unbekannt. jedoch Abhängigkeiten zwischen den Unbekannten, die in linearen Gleichungssystemen ausgedrückt werden können. Lösung mit Hilfe der EDV. Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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Gründungsplatte  in ihrer Steifigkeit sind auch die Steifigkeitsanteile aus dem darüber liegenden Bauwerk erfasst (vor allem Wandscheiben haben erheblichen Einfluss) Gedanklich wird beim Steifemodulverfahren eine Gründungsplatte in einzelne Elemente zerlegt. Im Zentrum eines jeden Plattenelementes befindet sich ein Koppelpunkt, den man als kleine Stütze auffassen kann, der mit einem Einzelfundament auf dem Halbraum verknüpft ist. Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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3.3 Bettungsmodulverfahren gängiges Verfahren der Statik: Auflagerbedingung, Balken oder Platte flächig elastisch unterstützt  stützende Auflagerspannung proportional zur (Biege-)verformung Balkenstatik  Differentialgleichungen für einfache Fälle geschlossen gelöst und ausgewertet. Flächenfeder Steifigkeit = Verhältnis zwischen Auflagerspannungen s und Verformungen v ks = s / v [kN/m³] bzw. ks = s / s Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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Bettungsmodulverfahren in der Grundbaustatik: Plattengründungen (mit Biegung wirkende ebene Platten von Bauwerksgründungen) Tunnelschalen, gebettete Rohre, eingespannte Verbauwände, eingespannte Pfählen etc. Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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Problem: realistisches Bettungsmodul bzw. realitische Bettungsmodulverteilung (Interaktion Bauwerk – Baugrund) Beispiele: kleines starres Fundament (1,5 m x 1,5 m), s = 200 kN/m² auf tragfähigem Sand (Es = 50 MN/m²)  sk = 4 mm  ks = 50 MN/m³ Fundament (4 m x 5 m)  sk = 10 mm  s = 20 MN/m³  ks = f(Lastfläche) Fundament (4 m x 5 m), s = 400 kN/m²  sk = 23 mm (größer Grenztiefe)  s = 17 MN/m³  ks = f(Last) Fundamentlast  Grundbruchlast: (plastische) Verformungen steigen überproportional und Bettungsmodul fällt rasch ab Steigende Beanspruchung  steigender Steifemodul  Anstieg des Bettungsmoduls bei steigender Belastung aus iv. und v. folgt Superpositionsprinzip nicht mehr gültig Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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Problem: realistisches Bettungsmodul bzw. realitische Bettungsmodulverteilung (Interaktion Bauwerk – Baugrund) Weitere Beispiele: Tank mit 30 m Durchmesser und 20 m Wassersäule: s = 200 kN/m schlaffe Last  sRand = 20 mm (ks = 10 MN/m³) sMitte = 50 mm (ks = 4 MN/m³)  Bettungsmodul ks ist ortsabhängig. wassergesättigter bindiger Boden  Konsolidierung (Auspressen des Porenwassers)  Verformungen nehmen bei unveränderten Spannungen zu und das Bettungsmodul ab  Bettungsmodul ks ist zeitabhängig. Noch komplizierter, wenn Baugrund unter einer belasteten Fläche nachgibt, ohne Belastungsänderung (z.B. Änderungen des Grundwasserspiegels, Verrottung von Torf o.ä.)  Bettungsmodul nicht mehr geeignet, die Interaktion zwischen Bauwerk und Baugrund zu beschreiben. - Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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gleichmäßig belastete Lastfläche + konstanter Bettungsmodul nach Bettungsmodulverfahren: gleichmäßige, konstante Setzung (keine Setzungsmulde) konstanter Bettungsmodul kann Interaktion zwischen Bauwerk und Baugrund nicht zutreffend beschreiben Die Annahme eines konstanten Bettungsmoduls für die Berechnung einer Struktur stellt im Baugrund immer eine – meist sogar grobe – Vereinfachung dar. Hinreichend zutreffende Bettungsmodulverteilung kann z.B. mit Hilfe des Steifemodulverfahrens ermittelt werden (Verhältniswerte der verteilten Sohlspannungen und zugehörigen Setzungen zeigen eine verteilte Funktion des Bettungsmoduls). Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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3.4 Tragfähigkeit von Plattengründungen Platte: Lastverteilung auf große Flächen mit geringen mittleren Spannungen  hohen Grundbruchlasten  großer Widerstand gegen Gleiten und Kippen Nachweise gegen Versagen (Grenzzustand GZ 1) nur in seltenen Ausnahmefällen (Böden mit geringer undränierter Scherfestigkeit) maßgebend. Tragfähigkeit ergibt sich aus Kriterien der Gebrauchstauglichkeit (Setzungen)  eher Schiefstellungen (nicht gängige Fenster und Türen, Umkehr des Gefälles in Abwasserleitungen etc.) Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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3.5 Vergleich Steife- und Bettungsmodulverfahren Steifemodulverfahren  variabler Bettungsmodulverlauf Quotient aus Sohlspannung und Setzung für jedes diskretisierte Intervall. Berechnung des gleichen Systems unter der gleichen Last mit derart ermittelten Bettungsmodulverlauf  identische Größen Bei konstanten Bettungsmodul unter der gesamten Gründung: ks = mittlere Sohlspannung / mittlere Setzung Biegemomente weichen um so mehr voneinander ab, je steifer die Platte und je weicher der Baugrund ist. Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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Ansatz eines konstanten Bettungsmoduls nur, wenn genügend weiche Gründungskörper mit Einzellasten in großen Abständen und hinreichend steifer Baugrund gegeben sind. Nach dem Bettungsmodulverfahren errechnete M-Linien zu weit oben  Stahlverbrauch bei einer Bemessung nach Bettungsmodulverfahren unter Ansatz eines konstanten Bettungsmoduls zu hoch Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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4. Pfahlgründungen 4.1 Einleitung Bauwerkslasten können über Flachgründungen oder Tiefgründungen auf den tragfähigen Baugrund übertragen werden. tragfähige Schichten in zu großer Tiefe unter dem Bauwerk und sind die Setzungen auch durch eine Baugrundverbesserung nicht auf ein erträgliches Maß abzumindern (aus technischen und/oder wirtschaftlichen Gründen)  Tiefgründung. häufigste Art der Tiefgründung = Pfahlgründung, bei der die Lasten über stabförmige Bauteile, die überwiegend normal belastet werden, in den Baugrund übertragen werden. Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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4.2 Pfahlsysteme Pfähle können entweder als Fertigteile durch Rammen, Drücken, Drehen oder Rütteln (oder einer Kombination daraus) bis in die planmäßige Tiefe gebracht werden oder an der Einbaustelle in einem durch Rammen, Drücken, Rütteln oder Bohren erzeugten Hohlraum hergestellt werden. Fertigpfähle sind aus Stahlbeton, Spannbeton, Stahl oder (vor allem historisch) aus Holz gefertigt, auf der Baustelle hergestellte Pfähle (Ortpfähle) können aus Beton oder Stahlbeton bestehen. Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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Nach den Herstellungsnormen unterscheidet man 3 Gruppen (nach den Empfehlungen des Arbeitskreises „Pfähle“ der DGGT, 2007): Bohrpfähle nach DIN EN 1536 Verdrängungspfähle nach DIN EN Mikropfähle nach DIN 14199 Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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zu 1. Bohrpfähle nach DIN EN 1536 sind dadurch gekennzeichnet, dass bei ihrer Herstellung Boden gefördert wird. Innerhalb der Bohrpfähle wird weiter unterschieden zwischen - verrohrt und unverrohrt hergestellten Pfählen - unverrohrt mit Stützflüssigkeit hergestellten Pfählen - unverrohrt mit durchgehender Bohrschnecke hergestellten Pfählen. Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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zu 2. Verdrängungspfähle nach DIN EN zeichnen sich dadurch aus, dass bei ihrer Herstellung der Boden vollständig verdrängt wird (keine relevante Bodenförderung). Pfahldurchmesser >150 mm! Innerhalb der Gruppe der Verdrängungspfähle wird weiter unter- schieden: - Fertigrammpfähle aus Stahlbeton, Spannbeton, Stahl und Holz - Ortbetonrammpfähle - Schraubpfähle (Vollverdrängungsbohrpfähle) - verpresste Verdrängungspfähle Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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zu 3. Mikropfähle nach DIN EN sind gekennzeichnet durch Durchmesser < 30 cm (gebohrte Pfähle) bzw. < 15 cm (Verdrängungspfähle). Innerhalb der Gruppe unterscheidet man zwischen - Ortbetonpfählen - Verbundpfählen Bemessung von Pfählen gemäß Abschnitt 8 der DIN Pfahlähnliche Gründungselemente wie Betonrüttelsäulen, Brunnen-gründungen, Schlitzwandelemente oder im Düsenstrahlverfahren hergestellte Säulen unterliegen einer anderen Normung. Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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4.3 Herstellung von Pfählen Wahl des Herstellungsverfahrens in Abhängigkeit von benachbarten baulichen Anlagen (insbesondere Verformungs- und Erschütterungs-empfindlichkeit). DIN 1054 empfiehlt ausdrücklich die Durchführung eines Beweis-sicherungsverfahrens. Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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Vorlaufende Untersuchungen bei Pfahlgründungen: Untersuchung des Grundwassers und des Bodens auf beton-angreifende (DIN ) bzw. stahlkorrosionsfördernde Stoffe; Suspensionsstützung: Untersuchung von Wasser und Boden auf Eigenschaften, welche die Stabilität einer stützenden Flüssigkeit beeinträchtigen können; Ramm- bzw. Bohrhindernisse; Verdrängungspfähle: Untersuchung, ob durch den Ramm- oder Rüttelvorgang die Scherfestigkeit des Bodens beeinträchtigt wird ob bei den gegebenen Baugrundverhältnissen die Pfähle überhaupt auf die erforderliche Tiefe gebracht werden können; Ortbetonpfähle: können die anstehenden Böden den Druck des Frischbetons aufnehmen Bodenkenngrößen zur Abschätzung der Bodenreaktionen Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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Herstellung von Bohrpfählen Bei Bohrpfählen wird zunächst ein temporärer Hohlraum mit oder ohne Verrohrung hergestellt. Aushubverfahren (Beispiele): Drehbohrverfahren (Kellybohren) mit Schneckenbohrer oder Bohreimern als Bohrwerkzeug. Aushub mit seilgeführten Bohrgreifern. Unverrohrte Bohrungen können durch eine Stützflüssigkeit, z.B. eine Bentonitsuspension, stabilisiert werden. Bohren mit durchgehender Bohrschnecke  Stützung der Bohrloch-wandung durch den auf den Schneckengängen liegenden Boden Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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Drehbohrverfahren (Kellybohren) Drehmoment und Vorschubkraft wird über teleskopierbare Kellystange auf das Bohrwerkzeug übertragen. Sehr unterschiedliche Bohrwerkzeuge einsetzbar  Verfahren für alle Bodenarten (einschließlich Fels) geeignet Bohrdurchmesser zwischen 600 und 3000 mm Erreichbare Bohrtiefen bis zu 90 m Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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Drehbohrverfahren (Kellybohren) Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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1 Einbau der Bohrrohre (drehend und drückend) mit Drehantrieb des Bohrgerätes 2 Abbohren mit Bohreimer, Schnecke oder Kernrohr. Stabilisierung der Bohrlochwandung durch Bohrrohre 3 Einbau Bewehrungskorb mit der Hilfswinde des Bohrgerätes 4 Betonieren im Kontraktorverfahren 5 Ausbauen der Bohrrohre während des Betonierens (Drehantrieb) Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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1 Eindrehen eines Standrohres mit dem Drehgetriebe des Bohrgerätes Abbohren mit Bohreimer, Stabilisierung der Bohrlochwandung mit Stützflüssigkeit (Bentonit oder Polymere und Reinigen der Stützflüssigkeit mit einer Entsandungsanlage) 4 Betonieren im Kontraktorverfahren, Stützsuspension wird durch den Beton verdrängt und oben abgepumpt 5 Ausbauen des Standrohres mit dem Drehgetriebe des Bohrgerätes Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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eingängige Schnecke mit Rundschaftmeißeln einschneidig bzw. zweischneidig (ohne Pilot) Kernrohr mit Rollenmeißeln, Kastenbohrer mit Flachzähnen Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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Bohren mit langer Hohlschnecke lange Bohrschnecken, die in einem Stück in den Boden eingedreht werden  Steigerung der Bohrleistung Lösen des Bodens an der Schnecken-spitze und Fördern über die Wendeln. Betonieren über Hohlseele der Schnecke, bei gleichzeitigem Ziehen. Durchmesser von 500 bis 1200 mm und Bohrtiefen von m Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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4.3.2 Herstellung von Fertigrammpfählen Rammpfähle werden in den Boden eingerammt oder gerüttelt. Auf voller Länge vorgefertigte Rammpfähle aus Beton, Stahl oder Holz Boden wird seitlich verdrängt und dadurch verdichtet. Holzpfähle werden schon seit mehreren Jahrtausenden zur Gründung verwendet. Solange das Holz nicht mit Luftsauerstoff in Berührung kommt, ist es nahezu „unendlich“ haltbar (Venedig komplett auf Pfählen erbaut). Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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Heute vornehmlich Fertigpfähle aus Beton oder Stahl Fertigrammpfähle aus Stahlbeton (auf voller Länge bewehrt): üblicherweise quadratische Querschnitte zwischen 20 x 20 bis zu 45 x 45 cm, seltener auch runde Querschnitte. Stahlpfähle: H-Profile, Stahlrohrprofile, Trägerprofile oder Spundwandprofile mit verschiedenen Querschnitten und Wandstärken. Stahlpfähle anfälliger gegen Korrosion und zudem teurer. Einsatz, da wo hohe Materialfestig-keit des Stahls (z.B. bei Biegebeanspruchung) erforderlich ist. Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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Schlagrammen aller Art - pneumatische Schnellschlagbären Hydraulikhämmer langsam schlagende Dieselbären Vibrationsrammen Zwischen Rammgewicht und Pfahl befindet sich eine Schlaghaube mit Puffermaterial (Holz oder Kunststoff). Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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Herstellung von Ortbetonrammpfählen Ortbetonrammpfählen (Ortbetonverdrängungspfählen) Hohlraum durch Bodenverdrängung und anschließendes Einbringen von Beton, gegebenenfalls mit Bewehrung Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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Beispiel Frankipfahl Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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Herstellung von Schraubpfählen (Beispiel Atlaspfahl) Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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4.3.5 Mikropfähle Die Pfähle mit kleinem Durchmesser bestehen in der Regel entweder aus bewehrtem Ortbeton oder (als Verbundpfähle) aus einem Tragglied aus Stahl. Kraftübertragung auf den Baugrund durch Verpressen mit Beton oder Zementmörtel. Auch bei geringen Höhen (Keller) einsetzbar. Herstellung weitgehend lärm- und erschütterungsfrei. Neigung des Pfahles beliebig. Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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Verpresspfahl aus Ortbeton Dieser Pfahltyp kann aus Beton oder Zementmörtel hergestellt werden und ist durchgehend längsbewehrt. Der Mindestschaftdurchmesser beträgt 150 mm. Verrohrte Bohrung, in die der Bewehrungskorb eingestellt wird. Unmittelbar anschließend wird von der Sohle beginnend abschnitts-weise das Verpressgut eingebracht und verpresst. Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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Einstabpfähle (System GEWI®) verrohrte Bohrung mit Zementmörtel verfüllt Einstab-GEWI-Stahl Ziehen des Bohrrohrs und Verpressen des Zementmörtel Nach dem Abbinden/Aushärten der ersten Verpressung kann ein- oder mehrmals nachverpresst werden. Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

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1 Zusatzbewehrung Lastfall Druck 2 gekontertes Ankerstück 3 Pfahlhalsverstärkung (Ripprohr) 4 Abstandhalter 5 Gewindemuffe 6 GEWI-Stab Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)