Gründungen [2., erw. Auflage] 9783035620467, 9783035619768

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Birkhäuser

Baukonstruktionen Band 3

Herausgegeben von Anton Pech

Anton Pech Robert Hofmann Erik Würger

Gründungen Zweite, erweiterte Auflage

Birkhäuser Basel

FH-Hon.Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Anton Pech Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Robert Hofmann Dipl.-Ing. Dr. techn. Erik Würger Wien, Österreich

Acquisitions Editor: David Marold, Birkhäuser Verlag, Wien, Österreich Project and Production Editor: Angelika Gaal, Birkhäuser Verlag, Wien, Österreich Korrektorat: Monika Paff, Langenfeld, Deutschland Layout und Satz: Dr. Pech Ziviltechniker GmbH, Wien, Österreich Reihencover: Sven Schrape, Berlin, Deutschland Druck und Bindearbeiten: BELTZ Bad Langensalza GmbH, Bad Langensalza, Deutschland Library of Congress Control Number: 2019947197 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar. Der Abdruck der zitierten ÖNORMen erfolgt mit Genehmigung des Austrian Standards Institute (ASI), Heinestraße 38, 1020 Wien. Benutzungshinweis: ASI Austrian Standards Institute, Heinestraße 38, 1020 Wien. Tel.: +43-1-21300-300, E-Mail: [email protected] Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechts. Fehler können passieren! Um etwaige Korrekturen schon vor der Neuauflage einzusehen, gehen Sie bitte auf www.zt-pech.at und navigieren Sie zur Titelseite Ihres Buches. Dort finden Sie, falls Druckfehler bekannt sind, unter dem Inhaltsverzeichnis den Link „Druckfehlerberichtigung“. Laden Sie dort Ihr Korrektur-PDF für die aktuelle Auflage des Bandes herunter.

ISBN 978-3-0356-1976-8 (2. Auflage, Birkhäuser) ISBN 978-3-211-21497-6 (1. Auflage, Springer 2005)

e-ISBN (PDF) 978-3-0356-2046-7 ISSN 1614-1288

© 2020 Birkhäuser Verlag GmbH, Basel Postfach 44, 4009 Basel, Schweiz Ein Unternehmen der Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston

98765432

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Vorwort zur 1. Auflage Die Fachbuchreihe Baukonstruktionen mit ihren 17 Basisbänden stellt eine Zusammenfassung des derzeitigen technischen Wissens bei der Errichtung von Bauwerken des Hochbaues dar. Es wird versucht, mit einfachen Zusammenhängen oft komplexe Bereiche des Bauwesens zu erläutern und mit zahlreichen Plänen, Skizzen und Bildern zu veranschaulichen. Der vorliegende Band „Gründungen“ umfasst die grundbautechnischen Grundlagen sowie die Erddrucktheorien als Basis für eine wirtschaftliche und konstruktive Planung. Aufbauend auf den Bodenerkundungen werden die Möglichkeiten und Einsatzgrenzen von Flach- und Tiefgründungen erläutert sowie Bauweisen und Baumethoden beschrieben. Nachdem sich bei der Erstellung des Basisbandes zeigte, dass eine Zusammenstellung der einzelnen Fachbereiche, einschließlich der Baugrubenherstellung, den festgesetzten Buchumfang bei weitem überschritten hätte, beschränkt sich der Basisband nur auf die theoretischen Grundlagen, den Erddruck sowie Flach- und Tiefgründungen. Die im Zuge der Bauwerksherstellung erforderlichen zusätzlichen Maßnahmen wie Baugrubensicherungen und Unterfangungen sowie die Problematik des Bauens im Wasser, die Herstellung von Böschungen und die Ausführung von Bodenverbesserungen werden in einem Erweiterungsband behandelt. Der Herausgeber

zur 2. Auflage Die Fachbuchreihe Baukonstruktionen mit ihren 17 Basisbänden hat das Ziel, eine Zusammenfassung des derzeitigen technischen Wissens bei der Errichtung von Bauwerken des Hochbaus darzustellen. Durch die laufenden Änderungen an der Normung und den gesetzlichen Vorgaben sowie die technische Weiterentwicklung einiger Verfahren sind Anpassungen der Inhalte erforderlich geworden. In dieser Auflage wurde versucht, weitgehend die aktuellen Inhalte der EN ISO Normen, der EN Normen und der ÖNORMen aufzunehmen. Dies betrifft auch Nachweisführungen der Geotechnik, des Aufschwimmens und des hydraulischen Grundbruchs. Das Ziel der Fachbuchreihe ist weiterhin, mit einfachen Zusammenhängen oft komplexe Bereiche des Bauwesens zu erläutern und mit zahlreichen Plänen, Skizzen und Bildern darzustellen und zu veranschaulichen. Für detaillierte geotechnische Nachweise wird auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen. Der Ankündigung im Vorwort zur 1. Auflage für einen Erweiterungsband wird mit dieser zweiten erweiterten Auflage und mit den beiden neuen Kapiteln über Baugrubensicherungen und das Bauen im Grundwasser in einem ersten Ansatz nachgekommen. Die Herstellung und der Nachweis von Böschungen und Bodenverdichtungen sind als Erweiterung für weitere Neuauflagen vorgesehen. Mit dieser Abweichung vom ursprünglich festgesetzten Buchumfang der einzelnen Bände der Fachbuchreihe hat der Verlag die Möglichkeit geschaffen, den sehr umfangreichen Inhalt der Gründung und Fundierung von Hochbauten auch in einem Band zusammenzustellen. Der Herausgeber

Vorwort | V

Fachbuchreihe BAUKONSTRUKTIONEN Band 1:

Bauphysik 010|1 010|2 010|3 010|4 010|5 010|6 010|7

Band 1/1:

Bauphysik — Erweiterung 1

Band 2:

Tragwerke

3. Auflage 2018 Energieeinsparung und Wärmeschutz, Energieausweis — Gesamtenergieeffizienz 011|1 Grundlagen 011|2 Heizwärmebedarf 011|3 Beleuchtungsenergiebedarf 011|4 Kühlbedarf 011|5 Heiztechnikenergiebedarf 011|6 Raumlufttechnikenergiebedarf 011|7 Befeuchtungsenergiebedarf 011|8 Kühltechnikenergiebedarf 011|9 Bilanzierung 011|10 Energieausweis und Energiekennzahlen 011|11 Tabellen 020|1 020|2 020|3 020|4 020|5 020|6 020|7 020|8

Band 3:

Band 5:

Band 6:

2. Auflage 2019 Grundlagen Gemauerte Wände Homogene Wände Holzwände Pfeiler und Stützen Trennwände

Decken 050.1 050.2 050.3 050.4 050.5 050.6

1. Auflage 2006 Grundlagen Massivdecken Holzdecken Verbunddecken Balkone und Loggien Unterdecken

Keller 060.1 060.2 060.3 060.4 060.5

2. Auflage 2020

Baugrund Erddruck Flachgründungen Tiefgründungen Baugruben Bauen im Grundwasser

Wände 040|1 040|2 040|3 040|4 040|5 040|6

2. Auflage 2018

Grundlagen Einwirkungen Sicherheit Linientragwerke Flächentragwerke Raumtragwerke Bauwerke Tabellen

Gründungen 030|1 030|2 030|3 030|4 030|5 030|6

Band 4:

2. Auflage 2018

Grundlagen Winterlicher Wärmeschutz Tauwasserschutz Sommerlicher Wärmeschutz Schallschutz Brandschutz Tabellen

1. Auflage 2006 Funktion und Anforderung Konstruktionselemente Feuchtigkeitsschutz Detailausbildungen Schutzräume

VI | Fachbuchreihe BAUKONSTRUKTIONEN

Band 7:

Dachstühle 070|1 070|2 070|3 070|4 070|5

Band 8:

Steildach 080|1 080|2 080|3 080|4 080|5 080|6

Band 9:

1. Auflage 2007

Grundlagen Funktionen und Anforderungen Materialien Beschläge und Zusatzbauteile Türkonstruktionen Torkonstruktionen

Fassaden 130.1 130.2 130.3 130.4 130.5 130.6 130.7

Band 14:

1. Auflage 2005 Grundlagen Typenentwicklung Funktionen und Anforderungen Verglasungs- und Beschlagstechnik Baukörperanschlüsse

Türen und Tore 120.1 120.2 120.3 120.4 120.5 120.6

Band 13:

1. Auflage 2005

Grundlagen Entwurfskriterien Barrierefreie Erschließungen Konstruktionsformen Aufzüge

Fenster 110.1 110.2 110.3 110.4 110.5

Band 12:

1. Auflage 2011

Grundlagen Konstruktionsschichten und Materialien Nicht belüftete Dächer Zweischaliges Dach Genutzte Dachflächen Dachentwässerung

Treppen/Stiegen 100.1 100.2 100.3 100.4 100.5

Band 11:

1. Auflage 2015

Grundlagen Dachdeckungen und Materialien Ungedämmte Dachflächen Gedämmte Dachflächen Metalldeckungen Dachentwässerung

Flachdach 090.1 090.2 090.3 090.4 090.5 090.6

Band 10:

2. Auflage 2017

Dachformen und Holztechnologie Beanspruchungen und Bemessung Verbindungsmittel Dachstuhlarten Sonderformen

1. Auflage 2014 Grundlagen und Anforderungen Putzfassaden Wärmedämmverbundsysteme Leichte Wandbekleidung Massive Wandbekleidungen Selbsttragende Fassaden Glasfassaden

Fußböden 140|1 140|2 140|3 140|4 140|5

1. Auflage 2016

Grundlagen Konstruktionen und Materialien Bodenbeläge Fußbodenaufbauten und Details Sportböden

Fachbuchreihe BAUKONSTRUKTIONEN | VII

Band 15:

Heizung und Kühlung 150.1 150.2 150.3 150.4 150.5 150.6 150.7

Band 16:

Lüftung und Sanitär 160.1 160.2 160.3 160.4 160.5 160.6 160.7 160.8

Band 17:

Sonderband:

Sonderband:

Sonderband:

3. Auflage 2018 Problematik Verkehr Planungsprozess Gesetzliche Rahmenbedingungen Entwurfsgrundlagen Garage Entwurf Bauwerk Mechanische Parksysteme Oberflächengestaltung Technische Ausrüstung Benützung und Betrieb Ausführungsbeispiele Entwurfsschablonen PKW

Ziegel im Hochbau 1 2 3 4 5 6 7 8 9

2. Auflage 2018

Ziegelarchitektur Baustoffe, Produkte Bauphysik Gebäudephysik Mauerwerk – ein Verbundwerkstoff Mauerwerksbemessung Ausführung, Verarbeitung, Details Nachhaltigkeit Ausführungsbeispiele

Holz im Hochbau 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1. Auflage 2007

Grundlagen der Elektrotechnik Erdungs- und Blitzschutzanlagen Stromversorgung Schalter, Steckgeräte, Leuchten, Lampen Messwertgeber und Stellgeräte Mess-, Steuer- und Regelanlagen Kommunikationsanlagen Planung Elektro- und Regelanlagen

Garagen 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1. Auflage 2006

Grundlagen der Lüftungs- und Klimatechnik Lüftungs- und Klimaanlagen Wärmerückgewinnung Planung von Lüftungs- und Klimaanlagen Begriffsbestimmungen zur Sanitärtechnik Wasserversorgung Entwässerung Planung von Sanitäranlagen

Elektro- und Regeltechnik 170.1 170.2 170.3 170.4 170.5 170.6 170.7 170.8

1. Auflage 2005

Grundlagen Wärmeversorgungsanlagen Abgasanlagen Kälteversorgungsanlagen Wärme- und Kälteverteilung Planung von Heizungs- und Kühlungssystemen Nachhaltigkeit

Holzarchitektur Holztechnologie – Baustoffe und Produkte Bauphysik Gebäudephysik Konstruktionen des Holzbaus Bemessung von Holzbauten Bauteile, Aufbauten und Details Ausführung und Vorfertigung Verarbeitung und Qualitätssicherung Ausschreibung Nachhaltigkeit

VIII | Fachbuchreihe BAUKONSTRUKTIONEN

1. Auflage 2016

Inhaltsverzeichnis Band 3: Gründungen 030|1   Grundlagen – Baugrund ............................................................................................... 1   030|1|1  Bodenarten und Klassifikation ........................................................................................... 3  030|1|2  Spannungen im Boden ....................................................................................................... 11 

   

Eigengewichtsspannungen ............................................................................................................ 11  Spannungen zufolge Belastungen .............................................................................................. 12 

     

Methoden der Setzungsberechnung .......................................................................................... 19  Setzungen bei Grundwasserabsenkung ..................................................................................... 23  Zeitlicher Verlauf der Setzung...................................................................................................... 24 

   

Strömung ............................................................................................................................................. 25  Wasserdruck........................................................................................................................................ 26 

             

Voruntersuchungen.......................................................................................................................... 28  Probeschächte.................................................................................................................................... 29  Aufschlussbohrungen ...................................................................................................................... 29  Rammsondierung .............................................................................................................................. 31  Fundamentaufschließungsschächte ........................................................................................... 33  Geophysikalische Methoden ......................................................................................................... 33  Grundwassererkundungen ............................................................................................................. 34 

 

Bodenphysikalische Untersuchungen ........................................................................................ 35 

030|1|3 

Setzungen............................................................................................................................... 15 

030|1|4 

Wasser im Boden .................................................................................................................. 24 

030|1|5 

Baugrunderkundungen ...................................................................................................... 27 

030|1|6 

Bodenuntersuchungen ....................................................................................................... 35 

030|1|7 

Bodenkennwerte .................................................................................................................. 35 

030|2   Erddruck ........................................................................................................................ 41  030|2|1  Erddrucktheorien ................................................................................................................. 42 

   

Rankine'sche Theorie ....................................................................................................................... 42  Coulomb'sche Erddrucktheorie .................................................................................................... 43 

     

Punkt-, Linien- und Streifenlasten ............................................................................................. 52  Siloerddruck, Erddruck auf Kellerwände ................................................................................... 54  Erddruck auf schmale Baukörper ................................................................................................ 55 

030|2|2  030|2|3  030|2|4 

Grafische Verfahren ............................................................................................................ 45  Erddruckberechnung ........................................................................................................... 47  Spezielle Erddrücke.............................................................................................................. 52 

030|2|5 

Erddruckumlagerungen ...................................................................................................... 55 

030|3   Flachgründungen ........................................................................................................ 57   030|3|1  Streifenfundamente ............................................................................................................ 58  030|3|2  Einzelfundamente ................................................................................................................ 60  030|3|3  Fundamentplatten ............................................................................................................... 61  030|3|4  Dimensionierung Flachgründungen ............................................................................... 62 

           

Streifenfundamente, Einzelfundamente ................................................................................... 63  Bodenplatten ...................................................................................................................................... 66  Grundbruchwiderstand ................................................................................................................... 68  Nachweis Grenzzustand Gleiten .................................................................................................. 73  Nachweis Grenzzustand Kippen................................................................................................... 74  Aufschwimmen .................................................................................................................................. 75 

030|4   Tiefgründungen ........................................................................................................... 81   030|4|1  Pfahlgründungen ................................................................................................................. 82  030|4|1|1 

     

Rammpfähle ....................................................................................................................................... 85  Bohrpfähle .......................................................................................................................................... 88  Pfähle mit kleinen Durchmessern – Mikropfähle................................................................... 90  Zugpfähle ............................................................................................................................................ 91 

Inhaltsverzeichnis Band 3: Gründungen | IX

030|4|2 

Schlitzwände ......................................................................................................................... 92 

030|4|3  030|4|4  030|4|5  030|4|6  030|4|7  030|4|8 

Senkkästen ............................................................................................................................. 96  Brunnen .................................................................................................................................. 97  Pfahl- und Schlitzwandkästen, Kastengründungen .................................................. 97  Kombinierte Pfahl-Plattengründung (KPP) .................................................................. 99  Quer zur Pfahlachse beanspruchte Pfähle ................................................................ 101  Bemessung von Tiefgründungen .................................................................................. 101 

   

Greiferschlitzwand ........................................................................................................................... 93  Gefräste Schlitzwand....................................................................................................................... 94 

       

Pfahl-Probebelastungen ...............................................................................................................101  Nachweisführung bei Pfählen ....................................................................................................103  Setzungen von Pfählen .................................................................................................................105  Setzungen von Pfahl-Plattengründungen .............................................................................105 

030|5   Baugruben .................................................................................................................. 115   030|5|1  Trägerwände ....................................................................................................................... 116  030|5|2  Spundwände ....................................................................................................................... 118  030|5|3  Bohrpfahlwände ................................................................................................................ 119  030|5|4  Wände im Düsenstrahlverfahren .................................................................................. 121  030|5|5  Elementwände.................................................................................................................... 122  030|5|6  Bodenvernagelung ............................................................................................................ 123  030|5|7  Verankerungen ................................................................................................................... 126 

 

Ankerkräfte .......................................................................................................................................129 

       

Abschnittsweise Unterfangung ..................................................................................................133  Unterfangung mit Injektionskörper .........................................................................................134  Unterfangung durch Düsenstrahlverfahren ..........................................................................135  Aussteifungen ..................................................................................................................................136 

         

Bemessungssituationen und Bemessungswerte ...................................................................136  Nachweisverfahren.........................................................................................................................138  Abgestützte Baugrubenwand .....................................................................................................138  Eingespannte Baugrubenwand...................................................................................................140  Verankerte Baugrubenwand........................................................................................................141 

030|5|8 

Unterfangungen ................................................................................................................ 131 

030|5|9 

Dimensionierung von Baugrubenwänden ................................................................. 136 

030|6   Bauen im Grundwasser ............................................................................................ 149   030|6|1  Grundwassererkundungen ............................................................................................. 149 

     

Pumpversuche im Feld ..................................................................................................................151  Pumpversuche in einem Pegel....................................................................................................151  Versickerungsversuch mit Rohr ..................................................................................................152 

   

Brunnen und Drainagen ...............................................................................................................153  Grundwasserabsenkung ................................................................................................................158 

     

Unterströmung und Durchsickerung........................................................................................163  Grundwasserentspannung und hydraulischer Grundbruch ..............................................166  Grundwasserausgleich...................................................................................................................170 

030|6|2 

Wasserhaltung ................................................................................................................... 153 

030|6|3 

Dichte Baugruben ............................................................................................................. 160 

Quellennachweis ............................................................................................................................ 175   Literaturverzeichnis ...................................................................................................................... 177   Sachverzeichnis ............................................................................................................................. 180  

X | Inhaltsverzeichnis Band 3: Gründungen

Grundlagen – Baugrund

030|1

Die Gründung eines Bauwerkes ist seine Verbindung mit dem Baugrund, der bis auf einige Ausnahmen nicht so hoch beansprucht werden kann wie die Materialien der lastabtragenden Bauteile. Um eine Weiterleitung von vertikalen und horizontalen Einwirkungen in den Boden zu ermöglichen, sind Gründungskonstruktionen erforderlich, welche die auftretenden Kräfte über eine größere Fläche verteilen oder in tragfähige Schichten ableiten. Die Gründungsart eines Bauwerkes ist von verschiedenen Einflüssen abhängig, und es ist die Aufgabe der Bauingenieure, jene Gründungsart zu wählen, die bei vertretbarem Kostenaufwand und ausreichender Sicherheit diese Einflüsse bestmöglich erfüllen kann. Entscheidend für die richtige Wahl sind:  Art und Gestalt des Bauwerkes  Größe und Verteilung der Einwirkungen  Beschaffenheit des Baugrundes  Einwirkung von Grundwasser  Setzungsempfindlichkeit des Bauwerkes  dynamische Einwirkungen Ein wesentlicher Unterschied zwischen dem Grundbau und anderen Disziplinen des Bauwesens – wie z. B. dem Stahlbau – besteht darin, dass die Eigenschaften des Baugrundes in weiten Grenzen schwanken können. In der Geotechnik stellt der Baugrund eine gegebene Tatsache dar, und seine Eigenschaften sind zunächst zu untersuchen. Eine Verbesserung ungünstiger Bodeneigenschaften ist nur bis zu gewissen Grenzen möglich. Zusätzlich zu dieser Problematik handelt es sich beim Baugrund um ein sehr großes Volumen, während Bodenuntersuchungen nur in beschränktem Umfang durchführbar sind, d. h., es ist von nur wenigen Untersuchungen (Stichproben) auf große Untergrundbereiche zu schließen. Überdies zeigt sich unter Umständen bei der Ausführung ein ganz anderes Bild, als aus den Baugrunduntersuchungen gewonnen wurde.

Gründungen haben die Aufgabe, vertikale und horizontale Einwirkungen in den Boden abzuleiten.

Die Eigenschaften des Baugrundes können in weiten Grenzen schwanken.

Abbildung 030|1-01: Gründung allgemein

Der Geotechnik obliegt die Erkundung der Bodeneigenschaften und gemeinsam mit dem Tragwerksplaner die Voraussage der Interaktion zwischen Boden und Bauwerk. Die Aufgabe des Grundbaues ist, jene Teile des Bauwerkes, die mit dem Baugrund in Wechselwirkung treten, in richtiger und wirtschaftlicher Weise zu planen und auszuführen.

Bodenarten und Klassifikation | 1

Jener Teil des Bauwerkes, der das eigentliche Grundbauwerk darstellt, ist das Fundament, auch Fundierung oder Gründung. Eine strenge Trennungslinie zwischen dem Grundbauwerk und dem Überbau, d. h. eine getrennte Planung der beiden Teile ohne Koordinierung, führt zu Fehlern und ist daher unbedingt zu vermeiden. Die Steifigkeiten von Bauwerk und Untergrund beeinflussen einander und müssen deshalb immer gemeinsam betrachtet werden. Die Konstruktionen von Bauwerken können grundsätzlich statisch bestimmt oder unbestimmt ausgeführt sein, die Bodenverhältnisse bestimmen jedoch die sinnvolle Systemwahl. Sind große Setzungsunterschiede innerhalb des Bauwerks zu erwarten, sollten statisch unbestimmte Konstruktionen vermieden werden. So sind z. B. statisch unbestimmte Durchlaufträger dann nicht ausführbar, wenn verschieden starke Setzungen unter den Auflagern auftreten. Gleiches gilt für Rahmenkonstruktionen mit eingespannten Stielen, wo sich aus konstruktiver Sicht die Frage der erforderlichen und auch möglichen Einspannung stellt, da sich das Fundament als Ganzes verdrehen könnte, sodass dann nur eine teilweise Einspannung auftritt. Gute und ausreichende Bodenaufschlüsse sind daher wichtig, doch wird gegen diesen Grundsatz sehr oft verstoßen. So ist die Detailplanung eines Bauwerkes oft schon fertig, aber die Fundierung dem vorhandenen Boden noch nicht entsprechend angepasst – größere Schäden am Bauwerk sind dadurch vorprogrammiert. Da der Baugrund die Lasten des Bauwerkes aufzunehmen hat, kann er auch als letztes Glied der lastabtragenden Bauteile angesehen werden und ist daher noch ein Bestandteil des Tragwerkes. Wird die gewählte Gründung den Anforderungen nicht gerecht und der Untergrund zu hoch beansprucht, können große Verformungen, große Setzungen und/oder eine unzulässige Schiefstellung und daraus resultierend Bauwerksschäden entstehen. Der Fall von Schiefstellungen tritt zwar seltener ein, kann aber bei sehr steifen Bauwerken, z. B. bei Silos, auftreten, wenn diese auf weichen, ungleichmäßigen Bodenschichten fundiert sind. Setzungen können von „Schönheitsfehlern“ bis zu einer Standsicherheitsgefährdung des Bauwerkes reichen. Bei Hochbauten werden ungleichmäßige Setzungen meistens nur „Schönheitsfehler“ in Form von Setzungsrissen bedeuten, dieselben Risse verhindern aber bei Wasserbehältern die geforderte Nutzung, da die Undichtheit des Behälters die Unbrauchbarkeit zur Folge hat (keine Gebrauchstauglichkeit gegeben). Der Zeit-Setzungs-Verlauf hängt von der Bodenart ab. Die Setzungen können dabei plötzlich (z. B. Lösssackung), relativ rasch (bei nichtbindigen Böden) oder über Jahre und Jahrzehnte (Konsolidierung bindiger Böden) auftreten. Im weiteren Sinn werden unter Grundbauwerken nicht nur massive Bauteile, sondern auch Erdbauwerke, also Dämme und Einschnitte, verstanden. Diese müssen standsicher ausgeführt werden. Es können hier eine Reihe von Gefährdungen auftreten, vor allem Rutschungen. Bei einem Bauwerk sind aus der Sicht der Bodenmechanik bzw. des Grundbaus folgende Nachweise zu führen:  Grundbruchwiderstand (GEO) des Fundamentes  Kippsicherheit und Gleitwiderstand (GEO)  bei Bauwerken unter dem Grundwasser der Nachweis gegen Aufschwimmen (UPL) und hydraulischen Grundbruch (HYD)  Gebrauchstauglichkeit – Setzungen und Verdrehungen  Gesamtstandsicherheit (GEO)

2 | Grundlagen – Baugrund

Der Baugrund kann auch als letztes Glied der lastabtragenden Bauteile angesehen werden und muss die Lasten des Bauwerkes aufnehmen, er ist daher auch ein Bestandteil des Tragwerkes.

Auch in den Baugesetzen ist bereits die Forderung einer gesicherten Gründung von Bauwerken durch unterschiedlichste Bestimmungen verankert. Auszugsweise sind nachfolgend einige Passagen aus den OIB-Richtlinien und Baugesetzen angeführt: OIB-Richtlinie 1 [36]: 2.1.1.

Tragwerke sind so zu planen und herzustellen, dass sie eine ausreichende Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit aufweisen, um die Einwirkungen, denen das Bauwerk ausgesetzt ist, aufzunehmen und in den Boden abzutragen.

In der Bauordnung von Wien aus dem Jahr 2003, Bestimmung derzeit durch die OIB-Richtlinie 1 ersetzt, war noch enthalten: § 98 Fundierung und Abdichtung (Bauordnung für WIEN) (1) Die tragenden Bestandteile aller Bauten sind auf tragfähigem Grund unter Berücksichtigung der Einwirkungen des Frostes derart zu fundieren, dass der Untergrund nur in den Bodenverhältnissen entsprechendem Maße in Anspruch genommen wird und die Belastung auf die Fundamente derart verteilt wird, dass ungleichmäßige Senkungen (Setzungen) nicht oder nur in einem die Standsicherheit nicht beeinträchtigenden Ausmaß auftreten können.

Bayerische Bauordnung: Art. 13: Standsicherheit Jede bauliche Anlage muss im Ganzen, in ihren einzelnen Teilen und für sich allein standsicher sein. Die Standsicherheit muss auch während der Errichtung und bei der Änderung und dem Abbruch gewährleistet sein. Die Standsicherheit anderer baulicher Anlagen und die Tragfähigkeit des Baugrunds des Nachbargrundstücks dürfen nicht gefährdet werden.

Bodenarten und Klassifikation

030|1|1

Die Entstehung von Sedimenten begann durch die Verwitterung, den Transport und die Ablagerung von festen Gesteinen. Der größte Teil der Bauwerke ist in dieser Bodenart fundiert, die in ihrer Beschaffenheit sehr unterschiedliche Eigenschaften aufweisen kann. Die Erdoberfläche besteht aus einem Gesteinsgerüst, das von einer verschieden starken Schutthülle umgeben ist, welche durch mechanische, chemische und biologische Verwitterung entstanden ist und immer noch entsteht. Die wichtigste dieser Verwitterungsarten ist die mechanische Verwitterung.

Die Erdoberfläche besteht aus einem Gesteinsgerüst, das von einer verschieden starken Schutthülle umgeben ist.

Abbildung 030|1-02: Entstehung und Wandlung der Gesteine

Bodenarten und Klassifikation | 3

Das Felsgerüst ist jedoch keine homogene Masse, sondern zerlegt und zerklüftet. Sehr großer Gebirgsdruck kann bis zur vollkommenen Zerquetschung führen. Durch Frostwechsel und sonstige Einflüsse zerbrechen Felswände, Steine fallen herab, und es bilden sich Schutthalden. Gesteinsbrocken werden durch die Fortbewegung der Gletscher aus dem Berg gerissen, mittransportiert und in Form von Moränen abgelagert. Durch die Wirkung des Wassers erfolgt eine Zerlegung der Blöcke und ein Weitertransport dieses Zerlegungsmaterials. Dieses so genannte Geschiebe in den Flüssen wird durch den ständigen Transport abgerieben und dadurch immer kleiner. An den Flussmündungen werden die größeren Teile abgelagert, es kommt zu Deltabildungen. Die Feinteile werden hingegen oft weit ins Meer hinausgetragen, und es kommt zu den sehr feinkörnigen Tiefseeablagerungen. Auch durch die Wirkung des Windes kann es zu Ablagerungen kommen. Staub wird sehr oft über große Entfernungen getragen. Windablagerungen spielen eine größere Rolle, als man glauben möchte – Ruinen und Straßen der Antike sind heute bereits unter beträchtlichen Sandschichten begraben, die hauptsächlich aus Windablagerungen bestehen. Die Grundlage für die Beurteilung des Baugrundes in Bezug auf Material, Homogenität, Dichte, Wassergehalt, Scherfestigkeit und Tragfähigkeit bilden unter anderem geologische Karten, Archivunterlagen und Bodenuntersuchungen wie Schürfe, Sondierungen und Bohrungen. Erst nachdem die Bodenart, die Lagerungsdichte und die Mächtigkeit der einzelnen Schichten beurteilt sind sowie die Lage des höchsten Grundwasserspiegels ermittelt ist, können Art und Form der Gründung, eventuell erforderliche Begleitmaßnahmen und Maßnahmen zur Baugrubenherstellung und -sicherung festgelegt werden. Bei der Untersuchung des Grundwassers ist nicht nur auf den höchsten Grundwasserstand zu achten, sondern auch auf die Qualität des Wassers im Hinblick auf aggressive Bestandteile, die eine Verwendung von Spezialzementen und eine höhere Betondeckung erfordern. Hinsichtlich des Tragverhaltens von Böden wurden früher gewachsene Böden, Fels und geschüttete Böden (Tabelle 030|1-01) mit entsprechenden Untergruppen unterschieden. Die nach ÖNORM B 1997-1-3 [50] geltende Einteilung gliedert die Böden in die Hauptbereiche Lockergestein und Festgestein (Tabelle 030|1-02) mit ebenfalls einer entsprechenden Untergliederung.

Die Grundlage für die Beurteilung des Baugrundes bilden Bodenuntersuchungen.

Tabelle 030|1-01: Baugrundarten nach ÖNORM B 4430-1:1974 [59] Hauptgruppen

Untergruppen nichtbindige Böden bindige Böden organische Böden

gewachsene Böden

Beispiele Sand, Kies, Steine Ton, tonige Schluffe Torf, Faulschlamm

Fels geschüttete Böden

unverdichtete Schüttungen verdichtete Schüttungen

Tabelle 030|1-02: Bodenarten nach ÖNORM B 1997-1-3:2015 [50] nichtbindige Böden Lockergestein bindige Böden Festgestein

Fels

grobkörnige Böden gemischtkörnige Böden, wenn der Feinkorn-Massenanteil das Verhalten des Bodens nicht bestimmt feinkörnige Böden gemischtkörnige Böden, wenn der Feinkorn-Massenanteil das Verhalten des Bodens bestimmt unverwittert angewittert mäßig bis stark verwittert

Die für die Ausschreibung zuständige Werkvertragsnorm ÖNORM B 2205 [53] klassifiziert nach ihrer Lösbarkeit die Böden in Bodenklassen vom Oberboden,

4 | Grundlagen – Baugrund

wasserhaltenden, leicht lösbaren, mittelschwer lösbaren und schwer lösbaren Boden bis zum leicht lösbaren und schwer lösbaren Fels (Tabelle 030|1-03). Tabelle 030|1-03: Gliederung Böden gemäß Werkvertragsnorm B 2205 [53] Bodenklasse 1 2 3 Lockergestein 4 5 6 Festgestein 7

Bezeichnung Oberboden (Mutterboden, Humus, Zwischenboden) wasserhaltiger, fließender Boden (Schöpfboden) leicht lösbarer Boden (loser Boden) mittelschwer lösbarer Boden (Stichboden) schwer lösbarer Boden (Hackboden) leicht lösbarer Fels (Reißfels, Schrämmboden) schwer lösbarer Fels

typische Löseart Stichschaufel, Spaten Schlammschaufel, Schöpfgefäß Wurfschaufel Stichschaufel, Spaten Krampen, Spitz-, Breithacke Brechstange, Meisel, Schlägel sprengen

Der Wassergehalt im Boden hat je nach Bodenart unterschiedliche Auswirkungen auf Konsistenz und Tragfähigkeit. In feinen Poren entwickelt sich aus der Oberflächenspannung des Wassers eine kapillare Saugwirkung, wodurch auch bei Gründungen über dem Grundwasserspiegel ein erheblicher Feuchtigkeitsandrang an der Fundamentsohle entsteht. Abbildung 030|1-03: Bodenstrukturen nichtbindige Böden – bindige Böden [8] nichtbindiger Boden

bindiger Boden

Flockenstruktur

Wabenstruktur

Bindige Böden verlieren mit steigendem Wassergehalt stark an Tragfähigkeit. Durch langes Offenhalten der Baugrube kann ein anstehender trockener Boden mit hoher Belastbarkeit durch Wasserzutritt und anschließendes Quellen oder Sacken völlig unbrauchbar werden. Stark bindige Böden setzen sich im Allgemeinen unter Belastung merklich und über einen großen Zeitraum, was auf das langsame Ausdrücken des Porenwassers zurückzuführen ist. Die Frostsicherheit einer Gründung hängt in erster Linie von der Gründungstiefe unter Niveau ab. In Österreich kann die durchschnittliche Frosttiefe, die von der Dauer und Intensität der Frostperiode sowie der Art und Zusammensetzung des Bodens abhängig ist, in der Regel mit 0,80 bis 1,20 m angenommen werden. Die ÖNORM B 1991-1-5 [45] enthält Bodentemperaturen in drei Tiefenstufen in Abhängigkeit von der Seehöhe des Standortes, aus denen auch die Frosttiefe ermittelt werden kann. Die Erdbodentemperaturen als Monatsmitteltemperaturen werden nach Formel (030|1-01) in Abhängigkeit der Koeffizienten und (Tabelle 030|1-04) berechnet. ⋅ Koeffizient Koeffizient Seehöhe

Der Wassergehalt im Boden hat unterschiedliche Auswirkungen auf Konsistenz und Tragfähigkeit.

Die Frostsicherheit einer Gründung hängt von der Gründungstiefe unter Niveau ab.

(030|1-01) °C °C/m m

Eine Auswertung der Formel für Seehöhen von 500 m, 1000 m, 1500 m und 2000 m sowie für die Wintermonate Dezember bis April zeigt ab Bodentiefen von 20 cm erst ab 800 m Seehöhe Temperaturen unter 0 °C. Beispielsweise liegt

Bodenarten und Klassifikation | 5

bei 1000 m Seehöhe die Frosttiefe im Februar bei rund 45 cm und bei Seehöhen von 1500 m bereits bei mehr als 100 cm. Tabelle 030|1-04: Koeffizienten und für die Berechnung der mittleren Erdbodentemperaturen nach ÖNORM B 1991-1-5 [45] Monat Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jahr

Bodentiefe 20 cm

Bodentiefe 50 cm

Bodentiefe 100 cm

1,75 2,70 6,19 10,86 16,54 19,67 21,67 21,76 17,62 12,76 7,14 3,32 11,83

2,80 3,54 6,66 11,11 16,42 19,36 21,34 21,98 18,34 14,10 8,74 4,65 12,42

4,66 4,37 6,11 9,72 14,30 17,47 19,74 20,53 18,57 15,11 10,66 6,86 12,34

-0,00198 -0,00335 -0,00488 -0,00444 -0,00444 -0,00435 -0,00398 -0,00393 -0,00315 -0,00259 -0,00263 -0,00232 -0,00350

-0,00161 -0,00340 -0,00533 -0,00608 -0,00639 -0,00559 -0,00483 -0,00486 -0,00342 -0,00270 -0,00232 -0,00186 -0,00403

-0,00214 -0,00295 -0,00427 -0,00512 -0,00574 -0,00525 -0,00508 -0,00437 -0,00393 -0,00287 -0,00271 -0,00255 -0,00392

Abbildung 030|1-04: Bodentemperaturen in den Monaten Dezember bis April bei ausgewählten Seehöhen nach ÖNORM B 1991-1-5 [45]

Nichtbindige Böden werden im Hinblick auf ihre Frostgefährdung nach ihrem Feinanteil beurteilt. Nach Casagrande gilt ein Boden als frostsicher, wenn bei

6 | Grundlagen – Baugrund

einer Ungleichförmigkeitszahl > 5 der Anteil an Körnern 200 mm Steine: 63–200 mm Kies: 2–63 mm Sand: 0,063–2,00 mm Schluff: Die Körner sind nicht mehr mit freiem Auge, sondern nur im Mikroskop sichtbar, Korngrößen 0,002–0,063 mm. Wenn man reinen Schluff an der Luft trocknet, so haften die Körner aneinander, dieser Boden ist zwischen den Fingern leicht zerdrückbar, also ist die Haftung zwischen den Körnern sehr gering. Mineralisch gesehen handelt es sich bei Schluff um Quarze, Silikate, Kalke und Glimmer.  Ton: Bei Korngrößen 200 63–200 2,0–63 0,063–2,0 0,002–0,063 0,5 ( = Breite des Pfeilers und = mittlerer Achsabstand der Pfeiler) der volle Erddruck ∙ anzusetzen. Weitere Ansätze sind in der ÖNORM B 4434 [61] sowie in der DIN 4085 [43] enthalten. Abbildung 030|2-14: vergrößerter Erddruck auf zwei Bauwerke infolge Gewölbebildung

Belastet eine schmale Druckfläche das Erdreich, so wird bei Überschreiten der Widerstandskraft des Bodens ein muschelförmiger Erdkörper abgeschoben. Die Ermittlung des Erdwiderstandes ist in diesem Falle ein räumliches Problem. Krey geht bei seinem Lösungsansatz davon aus, dass – wie bei dem ebenen Fall – ein Erdkörper abgeschoben wird. Die Breite dieses Erdkörpers ist gleich der Breite der Druckfläche. Auf den Erdkörper wirken zusätzlich zu den Reibungskräften des ebenen Falles Reibungskräfte in den Seitenflächen.

Belastet eine schmale Druckfläche das Erdreich, so wird bei Überschreiten der Widerstandskraft ein muschelförmiger Erdkörper abgeschoben.

Abbildung 030|2-15: Kräfte am begrenzten Erdkörper bei passivem Erddruck

Erddruckumlagerungen

030|2|5

Die klassische, dreieckförmige Erddruckverteilung stellt sich tatsächlich nur durch ganz bestimmte Deformationszustände der durch den Erddruck belasteten Konstruktion ein. Ist diese Deformationsart, z. B. die Verdrehung um den Fußpunkt, nicht gegeben, so stellen sich andere Erddruckverteilungen ein. Man spricht dann von einer Erddruckumlagerung. Die Umlagerungen sind von der Verformung des Stützbauwerkes, von den Bauzuständen und auch von der Steifigkeit bzw. Qualität der Konstruktion abhängig. Es sind mehrere einfache Formen der Umlagerung in Verwendung, wobei z. B. Terzaghi die Erhöhung des als rechteckförmig verteilt angenommenen Erddruckes auf 130 % vorschlägt. Damit soll der Unsicherheit über die Größe

Erddruckumlagerungen | 55

der tatsächlichen Verformungen und Erddruckspannungen Rechnung getragen werden. Nachfolgende Abbildungen zeigen Möglichkeiten für den Ansatz des umgelagerten Erddruckes. In der Praxis werden die Empfehlungen des Arbeitskreises „Baugruben“ verwendet. Abbildung 030|2-16: Verteilung des Erddruckes auf Baugrubenumschließungen

a)

klassische Erddruckverteilung

b)

Erddruckverteilung (nach Klenner) (1 = nach Messungen 2 = nach vereinfachtem Ansatz)

c)

Erddruckverteilung (nach Spilker und Lehmann)

56 | Erddruck

Flachgründungen Flachgründungen sind mehr oder weniger flächenhafte Gründungskörper, die eine konzentrierte Bauwerkslast auf eine entsprechend große Bodenfläche verteilen und damit die zulässigen Bodenpressungen nicht überschreiten. Durch die Lastverteilung wird eine flächenhaft verteilte, überwiegend vertikale Bodenreaktion, eine Sohlspannung, verursacht. Bei Setzung des Bodens verbiegt sich und gegebenenfalls verkantet sich der Gründungskörper. Flachgründungen sind Flächengründungen mit begrenzter Einbindetiefe. Der Gründungskörper einer Flachgründung wird als Fundament bezeichnet. Die Dimensionierung von Flachgründungen kann als Funktion des anstehenden Bodens und der abzuleitenden Last unter Einbeziehung der Konstruktion angesehen werden. Flachgründungen stellen die wirtschaftlichsten Gründungsformen dar, erfordern aber einen ausreichend tragfähigen Baugrund unter der Gründungssohle. Entwurfsgrundlagen für eine Flachgründung sind:  Art, Form und Belastung des Bauwerkes  Beschreibung des Baugrundes, Bodenprofile  Angaben über die Verträglichkeit des Oberbaus hinsichtlich Setzungsunterschieden  Angaben über die Nachbargebäude  eventuelle Erweiterungswünsche  geometrische Zwangspunkte und Höhenlagen  eventuelle Verkehrsbehinderungen etc. Voraussetzung für alle Flachgründungen ist die Einhaltung der Frostsicherheit, d. h., dass der Boden unter der Gründungssohle außerhalb der Frostzone liegen muss. Durch Frosteinwirkung kommt es anfänglich zu Fundamenthebungen und beim Auftauen zu Setzungen. Bei über den Winter offenen Rohbauten, bei denen der Frost freien Zugang zur Gründungssohle hat, können die ersten Schäden bereits am noch unfertigen Bauwerk entstehen. Man unterscheidet Einzelfundamente unter Stützen (= Punktlasten), Streifenfundamente unter Stützenreihen oder Wänden (= Linienlasten) und Fundamentplatten. Ein Fundament kann auch wie eine Stützmauer mit dem Bauwerk ident sein oder nur aus dem Fundament selbst bestehen (z. B. Fahrbahnplatte).

030|3

Flachgründungen stellen die wirtschaftlichsten Gründungsformen dar, erfordern aber einen ausreichend tragfähigen Baugrund.

Abbildung 030|3-01: Flachgründungen

Grundriss und Querschnitt eines Fundamentes ergeben sich aus seiner Funktion als Lager für eine von oben kommende Kraft (= Lasten). Horizontale Kräfte sollten womöglich schon an der Fundamentoberkante in den Fundierungskörper eingeleitet werden. Für die Grundrissgestaltung eines Fundamentes ist eine möglichst einfache und symmetrische Form günstig.

Streifenfundamente | 57

Abbildung 030|3-02: Fundamentbeispiele günstig

ungünstig

Da sich Fundamente gegenseitig beeinflussen können, ist zu empfehlen, wenn eine Anpassung der setzungserzeugenden Spannungen nicht möglich ist, unterschiedliche Fundamente nicht gleichzeitig auszuführen. Größere bzw. höher belastete Fundamente sind vorher, setzungsempfindlichere Fundamente später herzustellen. Nach der bereits zurückgezogenen ÖNORM B 4430/Teil 1 (Ausgabe 01.10.1974) [59] wurden die erforderlichen Nachweise zur Standsicherheit nach zwei verschiedenen Lastfällen unterschieden:  Regellastfall: umfasst die bei normaler Nutzung zu erwartenden Lasten und Lastkombinationen aus ständiger Last, ständig vorhandener Nutzlast und regelmäßig auftretender Verkehrslast  Ausnahmelastfall: umfasst nicht regelmäßig auftretende größere Verkehrslasten, extremes Grundwasser und Ähnliches sowie Katastrophenlastfälle Tabelle 030|3-01: globale Sicherheiten – Standsicherheitsnachweise [59] Nachweis Kippen Grundbruch Gleiten Auftrieb

Regellastfall /6 2,00 1,50 1,10

Ausnahmelastfall /3 1,50 1,30 1,05

Eine Abschätzung der Fundamentabmessungen mit globalen Sicherheiten ist eine wertvolle Hilfestellung für den Entwurf.

Ein genauer Nachweis mit diesen globalen Sicherheiten ist zwar heute nicht mehr zulässig, für eine erste Abschätzung einer Gründung können sie jedoch eine wertvolle Hilfestellung bieten. Abbildung 030|3-03: Standsicherheitsnachweise für Gründungen

Streifenfundamente Je nach Konstruktionsart und Belastung ist eine Ausführung als unbewehrtes oder bewehrtes Streifenfundament möglich. Der Nachweis des Grenzzustandes der Tragfähigkeit wird näherungsweise unter der Annahme einer geradlinigen Spannungsverteilung geführt. Unbewehrte Streifenfundamente können im Allgemeinen im tragfähigen Baugrund und gleichmäßiger Belastung ausgeführt werden. Die erforderliche Fundamentbreite ergibt sich aus dem Bemessungswert der Bodenpressung, der

58 | Flachgründungen

030|3|1

Belastung und der gewählten Betonfestigkeitsklasse. Für die Ausbreitung der Last innerhalb des Fundamentkörpers kann vereinfachend ein Winkel von 60 zur Dimensionierung der Fundamenthöhe angenommen werden. Andernfalls ist ein genauer Nachweis nach ÖNORM B 1992-1-1 [46] in Abhängigkeit von der Betonfestigkeitsklasse zu führen. Abbildung 030|3-04: Ausführungsbeispiele von Streifen- und Einzelfundamenten

unbewehrt

Unbewehrte Streifenfundamente können bei tragfähigem Baugrund und gleichmäßiger Belastung ausgeführt werden.

bewehrt

Bewehrte Streifenfundamente mit Quer- und/oder Längsbewehrung gelangen zur Ausführung, wenn nur verhältnismäßig kleine Fundamentdicken ausgebildet werden können, die Bemessungswerte der Bodenpressungen so gering sind, dass zu große Fundamentbreiten entstehen würden oder bauliche Vorgaben das erfordern. Die seitlichen Fundamentvorsprünge werden als Kragarme bemessen und bewehrt. Zur Gewährleistung der gewünschten Betondeckung und zur Verlegung der Bewehrung ist das Einbringen einer 5 bis 10 cm dicken Sauberkeitsschicht erforderlich. Abbildung 030|3-05: Zusatzbewehrung bei unterbrochenen Wänden

Bei wechselnden Bodenverhältnissen oder ungleichmäßiger Belastung, wie sie z. B. durch die Unterbrechung von Wänden entsteht, ist auch bei unbewehrten Streifenfundamenten eine Längsbewehrung anzuordnen, wobei Maßnahmen zur Einhaltung der geforderten Betondeckung zu setzen sind. Abbildung 030|3-06: Höhenversatz und Abtreppung bei Streifenfundamenten

Bei Fundierung mit unterschiedlichen Gründungshorizonten, bedingt durch Nichtunterkellerung eines Gebäudeteiles oder durch Hanglage, ist besondere Rücksicht auf die Standsicherheit der höher gelegenen Gründungen und die Frostsicherheit der Abtreppungen zu legen.

Streifenfundamente | 59

An Grundstücksgrenzen, d. h. im Bereich von Feuer- und Giebelwänden, ist eine zentrische Belastung von Streifenfundamenten nicht möglich, sodass durch Aussteifungsmaßnahmen versucht werden muss, entweder eine Lastzentrierung zu erreichen oder die Aufnahme von Torsions- bzw. Kragmomenten im Fundament zu ermöglichen. Eine Variante besteht in der Ausbildung von Querwänden oder Pfeilervorlagen (als Aussteifungsrippen wirksam), eine andere in der Heranziehung eines bewehrten Unterbetons mit Zugbandwirkung (als Verdrehungsbehinderung des Fundamentes wirksam). Bei nur geringen Auflasten in Verbindung mit größeren Wandstärken ist in der Regel ein Nachweis der Bodenpressungen (meist mit klaffender Sohlfuge) möglich, sodass keine Zusatzmaßnahmen resultieren. Bei hohen Auflasten und/oder großen Lastexzentrizitäten empfiehlt es sich, von einer Ausbildung von Streifenfundamenten Abstand zu nehmen und eine Bodenplatte auszuführen.

An Grundstücksgrenzen tritt bei Streifenfundamenten eine exzentrische Lasteinleitung auf.

Abbildung 030|3-07: Spannungsverteilungen – einseitige Streifenfundamente

ohne Aussteifung

Einspannung

Aussteifungspfeiler

Einzelfundamente

030|3|2

Einzelfundamente dienen zur Übertragung von punktförmigen Lasten in den Boden. Für sie gelten die gleichen Grundsätze wie für Streifenfundamente. Bei stark unterschiedlicher Belastung benachbarter Fundamente können die einzelnen Fundamentkörper zur Vermeidung bzw. zur Verringerung unterschiedlicher Setzungen zu Rosten verbunden werden. Ein besonderes Einsatzgebiet von Einzelfundamenten ist im Fertigteilbau die Verwendung von Köcherund Blockfundamenten. Abbildung 030|3-08: Köcherfundament, Blockfundamente

Köcherfundament

Blockfundamente

Köcherfundamente bestehen aus einem Fundamentsockel, verbunden mit einem köcherartigen Aufsatz, der vorerst der Justierung der Stütze und im Endzustand zur biegesteifen Kopplung zwischen Stütze und Fundament dient.

60 | Flachgründungen

Einzelfundamente dienen zur Abtragung von punktförmigen Lasten.

Die Lastabtragung der Vertikalkräfte beansprucht den Fundamentsockel über die Stirnfläche der Stütze, weshalb auch die Aufnahme der Durchstanzlast ein Bemessungsparameter wird. Dem Blockfundament liegt eine andere Zielsetzung zugrunde. Hier wird, um an Fundamenthöhe zu sparen, über die Länge der Stützeneinbindung ein schubfester Anschluss (Scherverbund) gewählt und die Stützenkraft kontinuierlich in den Fundamentkörper übertragen oder die Stütze direkt auf das Blockfundament montiert. Für die Abtragung von horizontalen Kräften und Einspannmomenten kann durch ein einfaches Tragmodell eine Dimensionierung des Köchers bzw. des Fundamentkörpers vorgenommen werden. Die in den Formeln (030|3-01) (030|3-02) angegebenen Kräfte sind auf den gesamten Köcher, d. h. auf beide Seitenwände, anzusetzen. 3 ∙ 2

5 4

3 ∙ 2

1 4

(030|3-01)

6 ∙ 5

6 5

6 ∙ 5

1 5

(030|3-02)

Fundamentplatten Fundamentplatten stellen eine herstellungstechnisch einfache und oft wirtschaftliche Gründungsart dar. Ihre Vorteile liegen besonders im ebenflächigen Aushub der Baugrube, der rasch herstellbaren ebenen und sauberen Arbeitsfläche und der gleichmäßigen Verteilung von zum Teil unterschiedlichen Belastungen auf den Baugrund. Bei Vorhandensein von Grundwasser sind sie zugleich ein Teil der Wannenkonstruktion. Zur Dimensionierung der Platten stehen neben vereinfachenden Verfahren das Bettungsmodul- und das Steifemodulverfahren zur Verfügung. Grundsätzlich ist jedoch immer das Steifigkeitsverhältnis zwischen dem Boden und der Platte einerseits bzw. der Platte und dem Bauwerk andererseits bestimmend für die Verteilung der Bodenpressungen. Abbildung 030|3-09 zeigt den Verlauf der Bodenpressungen bei gleichen Bodenverhältnissen, aber unterschiedlichen Plattensteifigkeiten nach der Bettungsmodultheorie. Ein gleiches Bild würde bei gleichen Plattenabmessungen und veränderlichen Bodensteifigkeiten entstehen. Durch eine größere Plattensteifigkeit und damit gleichmäßigere Verteilung der Bodenpressungen entsteht eine größere Momentenbelastung in der Bodenplatte.

030|3|3

Der Vorteil von Fundamentplatten liegt auch in der gleichmäßigen Verteilung von zum Teil unterschiedlichen Belastungen.

Fundamentplatten | 61

Stehen Stützen auf Bodenplatten, wird die Plattendicke in der Regel durch die Schubbeanspruchung im Stützenbereich (Durchstanzen) bestimmt. Abbildung 030|3-09: Bodenpressungen bei unterschiedlichen Steifigkeitsverhältnissen

Abbildung 030|3-10: typische Bewehrungsführung in Bodenplatten

Schubsicherung durch Aufbiegungen

Schubsicherung durch Bügelkörbe oder Bolzenleisten

Bei Fundamentplatten mit großen Spannweiten zwischen den lastabtragenden Bauteilen ist die Herstellung dicker Platten über die gesamte Fläche nicht immer sinnvoll, es besteht auch die Möglichkeit der Ausbildung von Anvoutungen unter Wänden und Stützen. Im Hinblick auf einen wirtschaftlichen Baugrubenaushub wird diese Ausführung heute jedoch nur mehr seltener angewandt. Die unterschiedlichen Plattenstärken beeinflussen dann das Steifigkeitsverhältnis zwischen Platte und Boden und ziehen damit im angevouteten Bereich Schnittkräfte an. Zusätzlich entstehen durch Anvoutungen auch Behinderungen der Längenänderungen zufolge Schwinden und Kriechen. Abbildung 030|3-11: Anvoutungen von Bodenplatten

Dimensionierung Flachgründungen Eine Dimensionierung der Fundamente hat bei Streifen- und Einzelfundamenten die Nachweise der Grenzzustände Grundbruch, Gleiten und jener der Kippsicherheit, den Nachweis der Sohlspannungen mit einem eventuellen Klaffen der Sohlfuge sowie bei einer Gründung in der Nähe eines Geländesprunges die Böschungsstandsicherheit zu beinhalten. Bei Plattengründungen basieren die Nachweise hauptsächlich auf einer Interaktion des

62 | Flachgründungen

Unterschiedliche Plattenstärken bei Anvoutungen beeinflussen das Steifigkeitsverhältnis zwischen Platte und Boden und sind bei der Bemessung zu berücksichtigen.

030|3|4

Bauwerkes über die Bettung des Baugrundes. Bei Gründungskonstruktionen im Grundwasserbereich ist ergänzend noch der Nachweis gegen Auftrieb zu berücksichtigen.

Streifenfundamente, Einzelfundamente

030|3|4|1

Für Streifenfundamente und Einzelfundamente kann bei einfachen Bodenverhältnissen eine überschlägige Dimensionierung über die Einhaltung des Bemessungswertes der Bodenpressungen, d. h. über die Ermittlung der erforderlichen Fundamentgröße, erfolgen. Die Lastermittlung für Außen- und Innenwände ist dabei abhängig von der Bauweise der Bauwerke, den verwendeten Materialien und der Nutzung. Die Vorgangsweise der detaillierten Lastaufstellung kann Band 2: Tagwerke [15] entnommen werden. ∙

,

∙

, , ,

∙ ∙ 2 ∙ ∙

⋅

(030|3-03)

⋅

Bemessungsauflast auf Außenwänden Bemessungsauflast auf Innenwänden gesamte Wandhöhe Geschoßanzahl Wandlasten Deckenlasten gesamt Teilsicherheitsbeiwert Einwirkung im Mittel = 1,40

kN/m kN/m m – kN/m2 kN/m2 Für den Vorentwurf kann bei einfachen Bodenverhältnissen eine überschlägige Dimensionierung über die Einhaltung des Bemessungswertes der Bodenpressungen erfolgen.

Flächenlasten in kN/m² HLZ-, HBL-Mauerwerk Beton-, Stahlbetonwände Vollziegelaußenwand Vollziegelkaminwand Holzdecken Hohlkörperdecken Stahlbetondecken Holzfußböden massive Fußböden Zwischenwandzuschlag Nutzlast Wohnung Nutzlast Büro

4,0 5,0 6,0 10,0 3,0 5,0 6,0 1,0 2,0 1,0 2,0 3,0

Bei Altbauten (große Wandstärken aus Vollziegel und Holzdecken) vereinfachen sich die Faustformeln, und für die Berechnung sind nur mehr die gesamte Wandhöhe und die Deckenspannweite (zwischen 4,0 m und 6,0 m) maßgebend, wobei der jeweils geringere Wert für 4,0 m Deckenspannweite und der höhere Wert für 6,0 m Deckenspannweite anzusetzen ist. Zwischenwerte sind interpolierbar.

Dimensionierung Flachgründungen | 63

, ,

⋅

∙ 10 bis 12

⋅

∙ 18 bis 20

(030|3-04)

Für die Tragfähigkeit der Böden im homogenen Zustand können in Anlehnung an die zurückgezogene ÖNORM B 4430-1:1974 [59] Richtwerte für den Bemessungswert der Bodenpressungen im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit ( = 1,00 und = 1,00) bei Streifenfundamenten angegeben werden. Als weitere Voraussetzung galt eine frostfreie Gründungssohle, eine Gründung oberhalb des höchsten Grundwasserspiegels und das Einhalten von Mindestfundamentabmessungen. Tabelle 030|3-02: Tragfähigkeit Böden im homogenen Zustand im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit – ÖNORM B 4430-1:1974 [59] bindige Böden (steife Zustandsform) nichtbindige Böden (mitteldichte Lagerung) Fels

Bodenpressung bei Streifenfundamenten 120 – 200 – 1000 –

[kN/m²] 350 500 4000

Abbildung 030|3-12: Streifenfundamente nach ÖNORM B 4430-1:1974 [59]

nichtbindiger Baugrund

bindiger Baugrund

Gemäß der zurückgezogenen ÖNORM B 4435-1:2003 [62] können mittig und vertikal belastete Streifenfundamente bei Vorliegen einfacher Bodenverhältnisse über Bemessungswerte des Sohldruckwiderstandes in , Abhängigkeit von der Bodenart, der Fundamentbreite und der Einbindetiefe über Diagramme dimensioniert werden. Ergänzend sind in Abhängigkeit der Fundamentabmessungen und des Grundwasserspiegels Erhöhungen und Abminderungen des Sohldruckwiderstandes zu berücksichtigen. Das Bemessungskriterium nach der zurückgezogenen ÖNORM B 4435-1:2003 ist die Gegenüberstellung der charakteristischen Einwirkung ( = 1,00) mit dem Bemessungswert des Sohldruckwiderstandes (Abbildung 030|3-13). Tabelle 030|3-03: Bemessungswerte des Sohldruckwiderstandes von Fels im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit [62] Gebirgszustand massiger und dickbankiger Fels klüftiger Fels bzw. Fels in Wechsellagerung

64 | Flachgründungen

bei festem und unverwittertem Gestein [kN/m²] 4000 2000

bei weniger festem und/oder angewittertem Gestein [kN/m²] 1500 250

Abbildung 030|3-13: Sohldruckwiderstände bindiger und nichtbindiger Böden [62]

Kies, Sand

Schluff

steife gemischtkörnige Böden

halbfeste gemischtkörnige Böden

steifer Schluff – Ton

halbfester Schluff – Ton

steifer Ton

halbfester Ton

Dimensionierung Flachgründungen | 65

Beispiel 030|3-01: Vordimensionierung Streifenfundament = 15 m;

= 6 m;

1. 5 kN⁄m

2. 3. 4.

= 4; Stahlbetonwände, massive Fußböden, nichtbindiger Boden, Wohngebäude 6 2 1 2 11 kN⁄m

, ,

∙ ∙

1,00 ∙ ∙ 2 ∙ ∙

⋅ ⋅

5 ∙ 15 5 ∙ 15

6 4 ∙ ∙ 11 ⋅ 1,00 207 kN⁄m 2 4 ∙ 6 ∙ 11 ⋅ 1,00 339 kN⁄m

5.

Einbindetiefe außen = 0,50 m  Abbildung 030|3-13 Fundamentbreite = 1,00 m  , 300 kN/m² 207 Bodenpressung , 207 kN⁄m 300 kN⁄m 1,00 6. Einbindetiefe innen = 0,50 m  Abbildung 030|3-13 Fundamentbreite = 1,40 m  , 370 kN/m² 339 Bodenpressung , 242 kN⁄m 370 kN⁄m 1,40

Bodenplatten

030|3|4|2

Die Dicke von Bodenplatten ist abhängig von der Belastung, dem Baugrund und dem Stützen- oder Wandraster. Die Platten werden kreuzweise bewehrt. Als grobe Faustformel für die Fundamentplattendicke kann Formel (030|3-05) angenommen werden, wobei die größeren Dicken für den eher schlechteren Baugrund (bindige Böden) anzusetzen sind und die Mindestdicke 30 cm nicht unterschreiten sollte. ∙ 8 bis 10

30 cm

(030|3-05)

Dicke der Bodenplatte Geschoßanzahl

cm –

Beispiel 030|3-02: überschlägige Dimensionierung Bodenplatte Geschoßanzahl: 4 1.

4 ∙ 8 bis 4 ∙ 10

2. nichtbindiger Boden: bindiger Boden:

32 bis 40 cm

30 cm

= 35 cm = 40 cm

Das bei Einzel- und Streifenfundamenten meist angewendete Spannungstrapezverfahren ist für eine genaue Bemessung von Bodenplatten zu unwirtschaftlich, da weder die Verformungseigenschaften des Baugrundes, die Steifigkeit des Bauwerkes noch Bauzustände oder das Betonkriechen Berücksichtigung finden. Als realistischere Baugrundmodelle haben sich das Bettungsmodulverfahren und das Steifemodulverfahren durchgesetzt, wobei das Bettungsmodulverfahren durch die einfachere Handhabung bevorzugt wird. Beide Verfahren erfordern einen hohen Rechenaufwand und sind nur mit entsprechenden EDV-Programmen wirtschaftlich anwendbar. Die theoretischen Grundlagen des Bettungsmodulverfahrens basieren auf dem Ansatz, dass die Sohlspannungen proportional zur Einsenkung sind. Der Proportionalitätsfaktor entspricht dabei dem Bettungsmodul . Für den praktischen Gebrauch hat sich die Festlegung des Bettungsmoduls aus Setzungsberechnungen als zweckmäßig erwiesen, wobei sich im Normalfall an jeder Stelle der Platte ein anderes Verhältnis aus Sohldruck und Setzung ergibt,

66 | Flachgründungen

Die Dicke von Bodenplatten ist abhängig von der Belastung, dem Baugrund und dem Stützen- oder Wandraster.

d. h., der Bettungsmodul ist nicht konstant über die Plattenfläche. Aus Gründen der Vereinfachung wird meist eine mittlere Spannung mit einer mittleren Setzung verglichen und gegebenenfalls bei großen Platten oder stark unterschiedlichen Bodenverhältnissen die Berechnung in einzelnen Abschnitten durchgeführt. Die Festlegung des Bettungsmoduls fällt in das Aufgabengebiet des geotechnischen Sachverständigen und sollte in Abstimmung mit dem Tragwerksplaner erfolgen. Die Angabe einer oberen und unteren „Schranke“ wird dabei empfohlen. Tabelle 030|3-04: Erfahrungswerte für Bettungsmodule [11] Bodenart leichter Torf und Moorboden schwerer Torf und Moorboden feiner Ufersand Schüttungen von Humus, Sand, Kies Lehmboden nass Lehmboden feucht Lehmboden trocken Lehmboden trocken, hart festgelagerter Humus mit Sand und wenig Steinen festgelagerter Humus mit Sand und vielen Steinen feiner Kies mit viel feinem Sand mittlerer Kies mit feinem Sand mittlerer Kies mit grobem Sand grober Kies mit grobem Sand grober Kies mit wenig Sand grober Kies mit wenig Sand, sehr fest gelagert

[MN/m³] 5 10 10 10 20 40 60 90 80 100 80 100 20 150 150 200

-

10 15 15 20 30 50 80 100 100 120 100 120 150 200 200 250

Für das Steifemodulverfahren werden die Bodenschichten entsprechend ihrem als linear elastischer Halbraum angesehen und auch die Steifemodul Bauwerkssteifigkeiten bei der Berechnung berücksichtigt. Für einen rechteckigen Fundamentbalken ergeben sich unter Vernachlässigung der Steifigkeit des Bauwerkes oberhalb der Fundierung die Systemsteifigkeiten und , aus denen wiederum auf die Notwendigkeit der Anwendung einer genauen oder vereinfachten Theorie geschlossen werden kann. Es gilt der Grundsatz: je schlaffer das System, desto genauer die Berechnung. Das heißt, für sehr starre Bauwerke liefern auch vereinfachte Ansätze wirtschaftliche Lösungen.

Für das Steifemodulverfahren werden bei der Berechnung die Bodenschichten entsprechend ihrem Steifemodul und auch die Bauwerkssteifigkeiten berücksichtigt.

∙ ∙

∙

12 ∙

∙

12 ∙

(030|3-06)

∙ ∙

Systemsteifigkeit für das Steifemodulverfahren Systemsteifigkeit für das Bettungsmodulverfahren E-Modul des Gründungsbalkens Trägheitsmoment des Gründungsbalkens Länge des Balkens Breite des Balkens Dicke des Balkens Bettungsmodul

– – kN/m2 m4 m m m kN/m3

Tabelle 030|3-05: Grenzen der Systemsteifigkeiten [11] Bezeichnung der Steifigkeit starr halbstarr halbschlaff schlaff weich

 0,100 0,010 0,001 0,000

Dimensionierung Flachgründungen | 67

Unter weiterer Berücksichtigung der Steifigkeit der aufgehenden Konstruktion, die sich additiv zur Biegesteifigkeit der Gründung auswirkt, ergeben sich stark unterschiedliche Beanspruchungen der Fundierungsplatte. Abbildung 030|3-14: qualitativer Momentenverlauf Bodenplatte [11]

weiches Bauwerk

steifes Bauwerk

Grundbruchwiderstand

030|3|4|3

Der Nachweis des Grenzzustandes der Tragfähigkeit (Grundbruchwiderstand) kann nach ÖNORM B 1997-1-2 [49] erfolgen. ′∙ ′∙

′∙

2 ∙

′ , , ′

,

,

,



2∙

,

∙

∙

∙

∙

,

∙

∙

∙

∙

∙

∙

, ,

′∙

∙

∙ ⋅

charakteristischer Wert des Grundbruchwiderstandes rechnerische Länge des Fundamentes Länge des Fundamentes rechnerische Breite des Fundamentes Breite des Fundamentes Exzentrizitäten Grundrissflächen Wichte des Bodens unterhalb der Gründungssohle Wichte des Bodens oberhalb der Gründungssohle geringste Gründungstiefe Kohäsion des Bodens Tragfähigkeitsbeiwerte

′

,

∙

,

, , , , , , , ,

,

∙

kN m m m m m m² kN/m3 kN/m3 m kN/m2 –

Der Nachweis des Grenzzustandes der Tragfähigkeit ist nach ÖNORM B 1997-1-2 zu führen.

(030|3-08)

∙

Tragfähigkeitsbeiwert für den Grundfall = = = 0 Beiwert zur Berücksichtigung der Lastneigung Beiwert zur Berücksichtigung der Geländeneigung Beiwert zur Berücksichtigung der Sohlneigung Beiwert zur Berücksichtigung der Fundamentform Reibungswinkel Sohlneigungswinkel Lastneigungswinkel

68 | Flachgründungen

(030|3-07)

′⋅ ′

– – – – – r r r

Abbildung 030|3-15: Lastneigungsbeiwerte, Geländeneigungsbeiwerte, Sohlneigungsbeiwerte [49]

Lastneigungsbeiwerte

Lastneigungsbeiwerte ,

Lastneigungsbeiwerte

10°

Geländeneigungsbeiwerte

Geländeneigungsbeiwerte

20°

Lastneigungsbeiwerte ,

20°

40°

Geländeneigungsbeiwerte

Sohlneigungsbeiwerte

Dimensionierung Flachgründungen | 69

Abbildung 030|3-16: Gleitfläche des Grundbruchs [49]

Tabelle 030|3-06: Tragfähigkeitsbeiwerte für den Grundfall (= = s = 0) [49] , [-] 0,00 0,01 0,05 0,13 0,26 0,47 0,79 1,26 1,96 2,99 4,51 6,73 10,05 15,02 22,61 34,38 53,03

[°] 0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 22,5 25,0 27,5 30,0 32,5 35,0 37,5 40,0 ,

1 ∙ tan

,

1 ∙ cot

, , ,

,

,

,

1 1

,

sin sin

∙

, [-] 5,14 5,76 6,49 7,34 8,34 9,54 10,98 12,71 14,84 17,45 20,72 24,85 30,14 37,02 46,12 58,40 75,31

∙

(030|3-09)

Tabelle 030|3-06 Reibungswinkel

,

1 1

– °

0,5 ⋅ tan , tan ,



, [-] 1,00 1,25 1,57 1,97 2,47 3,12 3,94 5,01 6,40 8,23 10,66 13,94 18,40 24,58 33,30 45,81 64,20

⋅

, ⋅ ⋅

⋅

,

1

1

(030|3-10)



Geländeneigungswinkel ,

∙ ⋅

°

∙

(030|3-11)

Sohlneigungswinkel

1 ′ für ′

0,3 ∙

′ ′

5 gilt:

70 | Flachgründungen

1

°

′ ∙ sin ′ 1,0

,

∙ ,

1 1

(030|3-12)

0 0 0 0

2 = 2,0 = 1,5

1 tan , , ∙ 1 2,29 ∙ cos 1 tan , , ∙ 1 1,40 ∙ cos ⋅ , 1 1 tan 1 , , ′ 2′ ⋅ sin² ⋅ cos² ′ ′ ′ Streifenfundamente 0 und ′ ′ Quadratfundamente 1 und ′

(030|3-13)

0 0 bzw.

–

/2

Reibungswinkel Lastneigungswinkel Winkel der Horizontalkomponente

– ° ° °

Bei der Berechnung der Geländeneigungsbeiwerte wird vorausgesetzt, dass die Böschung ab der Vorderkante des Fundamentes bis zur Höhe des tiefsten Punktes der Gleitfläche gleichmäßig geneigt ist (Abbildung 030|3-17). Abbildung 030|3-17: Gleitflächenbild [49]

Der Nachweis des Grundbruchwiderstandes erfolgt immer normal auf die Sohlfläche.

Der Nachweis des Grundbruchwiderstandes erfolgt normal auf die Sohlfläche, wo der charakteristische Grundbruchwiderstand durch den Teilsicherheitsbeiwert ; dividiert und mit der Bemessungseinwirkung verglichen wird. ⁄

;

(030|3-14)

⋅ cos d d ;

Bemessungswert der Einwirkung normal auf die Sohlfläche Bemessungswert des Grundbruchwiderstandes Teilsicherheitsbeiwert Erdwiderstand = 1,40 Lastneigungswinkel

kN kN °

Dimensionierung Flachgründungen | 71

Beispiel 030|3-03: Bemessung Einzelfundament Grundbruch – ÖNORM B 4435-1 Einwirkungen: = 2320 kN = 125 kN Annahme:

= 2,10 m, = 2,00 m, ∙

∙

∙

2320

= 1,0 m

2,0 ∙ 2,1 ∙ 1,0 ∙ 25,0

2425 kN

lt. Abbildung 030|3-13: , ( = 2,0, = 1,5) = 340 kN/m² Erhöhungen: a) dichte Lagerung: 30 % b) Einzelfundament: 20 % Abminderungen: Grundwasser: für = 0,0 m und = 2,0 m  25,00 % für = 2,0 m und = 2,0 m  0,00 % lineare Interpolation zwischen 0,0 und 2,0: für = 1,5 m und = 2,0 m  1 ∙

0,876

1,0 ∙ 2∙

125 0,052 m 2425 1,996 m

,

340 ∙ 1

,

428,1 ∙ 2,0 ∙ 1,996

0,3

0,2

428,1 kN⁄m

0,0625 ∙ 0,876 1709 kN



,

6,25 %

,

125 2425



 Nachweis nicht erfüllt, Fundamentvergößerung erforderlich

Beispiel 030|3-04: Bemessung Einzelfundament Grundbruch – ÖNORM B 1997-1-2 Einwirkungen:

= 1800 kN = 520 kN

; ;

= 100 kN = 25 kN

, ;

= 1,35 = 1,50

Bemessungseinwirkungen:

= 18001,35+5201,50 = 3210 kN = 1001,35+251,50 = 173 kN

charakteristische Einwirkung:

= 1800+520 = 2320 kN = 100+25 = 125 kN

Fundamentabmessungen: = ′ = 2,00 m = ′ = 2,10 m = 1,00 m Teilsicherheitsbeiwert: tan

=

= 125/2320 = 0,051 

/

∙

∙

,

= 1,40

= 33,3

⋅ sin² 1

,

⋅ cos²

tan

= 2,95°

=

,

⋅ , ,

,

1

= 0,876

1 ∙ cot = 46,12

,

tan

∙

′∙ ′∙ /

∙

∙ ′∙

⋅

= 0,923

,

= 0,921

,

= 1,0

0,3 ∙ = 0,714 ,

1 ∙ tan = 22,61

,

⋅ cos² 0 = 1,512

= 1,0 1

,

∙ ∙

1 = 14,141 ′∙

∙ sin q,0

∙

∙

∙

q

∙

,

= 1,546 q

∙

q

∙

∙

= 1,563

,

q

= 47,518

,

∙

∙

∙

72 | Flachgründungen

= 66,391

= 2,12,0(18,02,014,141+18,01,547,518+266,391) = 8084 kN

= 8084/1,40 = 5775 kN

= 3210 kN 

∙

= 5775 kN  Nachweis erfüllt, Fundamentabmessungen ausreichend

Nachweis Grenzzustand Gleiten

030|3|4|4

Der Nachweis des Grenzzustandes Gleiten ist immer dann zu führen, wenn der Lastneigungswinkel ungleich 0 ist, d. h., die resultierende Last von der Vertikalen abweicht. Die Nachweisführung gemäß ÖNORM B 1997-1-2 [49] erfolgt durch Vergleich des Bemessungswertes der Beanspruchung parallel zur Sohlfläche mit dem Bemessungswert des Gleitwiderstandes. ,

;

⋅ tan

,

,

, ,

tan t,d d p;d ,

; ;

, ,

⁄

⋅ tan ⋅

;

⁄

;

(030|3-15)

;

Bemessungswert der Beanspruchung parallel zur Sohlfläche Bemessungswert des Gleitwiderstandes

kN kN

Bemessungswert des passiven Erdwiderstandes vor dem Fundament charakteristischer Wert des Grundbruchwiderstandes normal auf die Sohlfuge charakteristischer Sohlreibungswinkel Teilsicherheitsbeiwert Gleiten = 1,10 Teilsicherheitsbeiwert Erdwiderstand = 1,40 (BS1)

kN kN ° – –

Nachweis des Grenzzustandes Gleiten ist immer dann zu führen, wenn der Lastneigungswinkel von der Normalen auf die Sohlfläche abweicht.

Die Festlegung des charakteristischen Sohlreibungswinkels obliegt dem geotechnischen Sachverständigen auf der Grundlage von bodenphysikalischen Laboruntersuchungen. Sollte die Gleitsicherheit nicht gegeben sein, besteht die Möglichkeit, die Unterkante der Gründung schräg auszuführen und somit eine neue Vertikalkraft mit einer fiktiven horizontalen Gründungsfläche zu errechnen, dem Nachweis darf aber kein größerer Sohlneigungswinkel als /3 zugrunde gelegt werden. Beispiel 030|3-05: Bemessung Einzelfundament Grenzzustand Gleiten – ÖNORM B 1997-1-2 Einwirkungen:

; ;

= 1800 kN = 520 kN

; ;

= 100 kN = 25 kN

= 1,35 = 1,50

Bemessungseinwirkungen:

= 18001,35+5201,50 = 3210 kN = 1001,35+251,50 = 173 kN =

charakteristische Einwirkung:

= 1800+520 = 2320 kN = = 100+25 = 125 kN

,

,

Fundamentabmessungen: = ′ = 2,00 m = ′ = 2,10 m = 1,00 m Teilsicherheitsbeiwert: = tan = ,

,

= 1,10

= 35° tan ,

⋅ tan

173 kN

⁄

;

= tan 35° / 1,10 = 0,637

= 23200,637 = 1477 kN 1477 kN  Nachweis erfüllt

Dimensionierung Flachgründungen | 73

Nachweis Grenzzustand Kippen

030|3|4|5

Der Nachweis des Grenzzustandes Kippen ist in Fällen einer ausmittigen Resultierenden bei kippempfindlichen Bauwerken zu führen. Um die Sicherheit zu gewährleisten, sind die folgenden zwei Bedingungen einzuhalten: a) Die aus den ständigen charakteristischen Einwirkungen resultierende Sohldruckkraft muss innerhalb der Kernfläche liegen. 1 6 Exzentrizität in Richtung bzw. Länge der Gründung Breite der Gründung

,

(030|3-16)

m m m Nachweis des Grenzzustandes Kippen ist bei kippempfindlichen Bauwerken in Fällen einer ausmittigen Resultierenden zu führen.

b) Die aus den ständigen und veränderlichen charakteristischen Einwirkungen resultierende Sohldruckkraft darf in begrenztem Umfang ein Klaffen der Sohlfläche hervorrufen. Die Bedingung ist eingehalten, wenn die Gleichung (030|3-17) erfüllt ist. 1 rechteckiger Vollquerschnitt 9 ⁄

0,59

(030|3-17)

kreisförmiger Vollquerschnitt

2⋅

²

2⋅

Radius der Gründung

m

Beispiel 030|3-06: Bemessung Streifenfundament Grenzzustand Kippen – ÖNORM B 1997-1-2 Einwirkungen:

; ;

= 1000 kN/m = 200 kN/m

Fundamentabmessungen: = 2,50 m = 1,00 m (Streifenfundament) = 1,50 m

74 | Flachgründungen

; ;

= 150 kN/m = 50 kN/m

; ;

= 100 kNm/m = 20 kNm/m

Fundamentgewicht: Wichte Stahlbeton= 25,0 kN/m³ ; = 2,501,501,0025,0 = 94 kN/m 1. ständige charakteristische Einwirkungen resultierende Vertikalkraft resultierendes Kippmoment Exzentrizität

= 1000+94 = 1094 kN/m = 100+1501,50 = 325 kNm/m = 325/1094 = 0,30 m / = 0,30/2,50 = 0,12 / = 0,12  1/6 = 0,17  Nachweis erfüllt ;

, ;

2. ständige und veränderliche charakteristische Einwirkungen resultierende Vertikalkraft = 1000+200+94 = 1294 kN/m resultierendes Kippmoment ; = 100+20+(150+50)1,50 = 420 kNm/m Exzentrizität = 420/1294 = 0,32 m / ² = (0,32/2,50)2 = 0,02 / ² = 0,02  1/9 = 0,11  Nachweis erfüllt

Aufschwimmen

030|3|4|6

Bei Bauwerken im Grundwasser ist der Auftrieb als resultierende Kraft der auf die Begrenzungsflächen des Baukörpers wirkenden Wasserdrücke zu berücksichtigen. Der Nachweis gegen ein Versagen durch Aufschwimmen erfolgt mittels Vergleichs der ständigen stabilisierenden Einwirkungen wie Auflasten und Wandreibungskräften mit den ständigen und veränderlichen destabilisierenden Einwirkungen des Wassers oder anderer Einwirkungen. ; dst;d stb;d d

(030|3-18)

;

Bemessungswert der Summe der Wasserdrücke unter dem Tragwerk und aller sonstigen aufwärts gerichteten Einwirkungen Bemessungswert der stabilisierenden ständigen vertikalen Einwirkungen Bemessungswert der Summe von Wandreibungskräften und Ankerkräften

kN kN Der Nachweis gegen ein Versagen durch Aufschwimmen erfolgt mittels Vergleichs der ständigen stabilisierenden Einwirkungen mit den destabilisierenden Einwirkungen.

Für den Nachweis sind die charakteristischen Werte der jeweiligen Einwirkungen mit den in der ÖNORM B 1997-1-1 [48] angeführten Teilsicherheitsbeiwerten durch Multiplikation auf die Bemessungswerte umzurechnen. Tabelle 030|3-07: Teilsicherheitsbeiwerte Einwirkungen – ÖNORM B 1997-1-1 [48] Einwirkung ständig veränderlich

Symbol ungünstig – destabilisierend günstig – stabilisierend ungünstig – destabilisierend günstig – stabilisierend

; ; ; ;

Wert 1,00 0,90 1,50 0,00

Rückhaltekräfte aus Verankerungen sind bei der Gegenüberstellung wie ständig günstige Einwirkungen zu betrachten.

Dimensionierung Flachgründungen | 75

; ; ; ;

⋅

;

;

⋅

;

;

⋅

(030|3-19)

;

charakteristische ständige destabilisierende Einwirkung, z. B. Wasserdruck charakteristische veränderliche destabilisierende Einwirkung charakteristische ständige stabilisierende Einwirkung, z. B. Eigengewicht Tragwerk, günstig wirkende Ankerkräfte

kN kN kN

Bei zusätzlicher Anordnung von lotrechten Verankerungen durch Zugpfähle oder Anker ist noch der Nachweis über die Bruchlast der Verankerung als auch über das Gewicht des durch die Anker gehaltenen Bodens zu führen.

76 | Flachgründungen

Bild 030|3-01

Bild 030|3-02

Fundamentplatte mit Aufvoutungen – Profilierung und Sauberkeitsschicht Fundamentplatte mit Aufvoutungen – Profilierung und Sauberkeitsschicht

Bild 030|3-01 Bild 030|3-02

Bild 030|3-03

Bild 030|3-04

Bild 030|3-05

Bild 030|3-06

Bild 030|3-07

Bild 030|3-08

Herstellung Fundamentplatte mit Niveausprüngen

Bild 030|3-09

Fundamentplatte – Verlegen der Bewehrung Fundamentplatte – Verlegen der Bewehrung

Bilder 030|3-03 bis 08

Bild 030|3-10

Bild 030|3-09 Bild 030|3-10

Farbteil 030|3 | 77

Bild 030|3-11

Bild 030|3-12

Einzelfundament Windkraftwerk – Bewehrung Randbereich Einzelfundament Windkraftwerk

Bild 030|3-13

Bild 030|3-11 Bild 030|3-12

Bild 030|3-14

Bild 030|3-15

Aushub Streifenfundament mit Pfählen Bodenplatte – Teilbereich Aushub und Sauberkeitsschicht – Einzelfundament mit Pfählen

Bild 030|3-16

Fundamentplatte – Verlegen der Bewehrung Bewehrungskorb für Einzelfundament mit Pfählen

78 | Flachgründungen

Bild 030|3-13 Bild 030|3-14 Bild 030|3-15

Bild 030|3-17

Bild 030|3-16 Bild 030|3-17

Bild 030|3-18

Bild 030|3-19

Herstellen Streifenfundamente Streifenfundament mit Rammpfählen

Bild 030|3-18 Bild 030|3-19

Bild 030|3-20

Bild 030|3-21

Köcherfundamente Köcherfundament – Köcherfertigteil und Bewehrung

Bild 030|3-22

Bild 030|3-23

Streifenfundament für Werbetafel Herstellung Gründungsstreifen Herstellung – Köcherfundamente mit Frostschürze

Bild 030|3-20 Bild 030|3-21

Bild 030|3-24

Bild 030|3-22 Bild 030|3-23 Bild 030|3-24

Farbteil 030|3 | 79

Bild 030|3-25

Bild 030|3-26

Bild 030|3-27

Köcherfundament mit Fertigteilstütze Stahlbetonstützen auf Blockfundamenten Stützenanschluss – Blockfundament

Bild 030|3-28

Bild 030|3-25 Bild 030|3-26 Bild 030|3-27

Bild 030|3-29

Bewehren Bodenplatte Betonieren Bodenplatte

Bild 030|3-30

Betonieren Bodenplatte Betonieren Bodenplatte

80 | Flachgründungen

Bild 030|3-28 Bild 030|3-29

Bild 030|3-31

Bild 030|3-30 Bild 030|3-31

Tiefgründungen Wenn bis in größere Tiefen nicht tragfähiger oder stark setzungsempfindlicher Boden ansteht oder Setzungen reduziert werden müssen, ein hoher Grundwasserstand vorliegt oder setzungsempfindliche Nachbarobjekte nicht beeinflusst werden dürfen, sind Tiefgründungen vorzusehen. Sie bestehen in der Regel aus Einzelpfählen, Pfahlgruppen, kombinierten Pfahl-Plattengründungen (KPP) oder Kastengründungen (KG) und können gegebenenfalls gleichzeitig zur Baugrubensicherung herangezogen werden. Grundsätzlich gilt, dass zur Vermeidung unterschiedlicher Setzungen eine kombinierte Verwendung der Gründungsarten Flach- und Tiefgründung nur unter gemeinsamer Betrachtung beider Tragmechanismen erfolgen darf. Bei einer Tiefgründung werden die Lasten sowohl über die Sohle des Gründungskörpers als auch über die Mantelfläche des Gründungskörpers in den Boden abgetragen. Sie werden ausgeführt, wenn: - der tragfähige Boden erst in größeren Tiefen ansteht - die Bodenpressungen unter einer Flachgründung zu groß werden - sehr hohe konzentrierte Gebäudelasten auftreten - ein für Flachgründungen zu hoher Grundwasserstand vorliegt - das zu gründende Objekt nur geringe Setzungen erleiden soll - Raumverhältnisse und Grundwassersituation eine Flachgründung nicht ermöglichen - nachträgliche Zu- und Einbauten nicht ausgeschlossen werden

030|4

Bei einer Tiefgründung werden die Lasten sowohl über die Sohle des Gründungskörpers als auch über die Mantelfläche in den Boden abgetragen.

Arten der Tiefgründungen:  Pfähle  Schlitzwände  Brunnen  Pfahl- und Schlitzwandkästen, Spundwandkästen  kombinierte Pfahl-Plattengründungen (KPP)  Kastengründungen (KG)  Senkkästen  Sonderformen Bei jedem dieser Bauteile einer Tiefgründung sind Regeln zu beachten, die einerseits besondere Kenntnisse erfordern und andererseits einer Überwachung bedürfen. Daher sollten Tiefgründungen durch Spezialfirmen ausgeführt werden bzw. ist eine geotechnische Bauaufsicht erforderlich. Bei Tiefgründungen ist nicht nur eine geotechnische Planung notwendig, sondern auch erfahrenes Personal. Zufolge der hohen Tragfähigkeit einer Tiefgründung kann ein Fehler bei der Herstellung erst nach der Vollendung des Bauwerkes merkbar und nur noch schwer zu sanieren sein. Eine Qualitätskontrolle ist ebenfalls nur im beschränkten Umfang möglich. Unter diesen Gesichtspunkten müssen, entsprechend der Ausführungsnormen, die Gründungsarbeiten sorgfältig dokumentiert werden. Für die endgültige Wahl der Gründungsmethode sind zuerst technische Gesichtspunkte maßgeblich, danach erst wirtschaftliche. Aufgrund der Vielfalt der technischen Möglichkeiten und der rasanten Entwicklung auf dem Sektor „Spezialtiefbau“ gibt es sehr oft Variantenangebote. Insbesondere bei der Fundierung besteht so für den Anbieter die Möglichkeit, gegenüber dem

Pfahlgründungen | 81

„Ausschreibungsprojekt“ als „Bestbieter“ im Gespräch zu bleiben. Außerdem gibt es kaum einen Anbieter, der alle Tiefgründungsvarianten ausführen kann. In den letzten Jahrzehnten haben sich auf dem Gebiet der Tiefgründungen Spezialfirmen etabliert, die meist nur noch als Subunternehmer auftreten. Aus diesen Gründen werden vereinzelt die Gründungen extra ausgeschrieben und vergeben. Hier entsteht die Frage der Haftung nach der Fertigstellung des Bauwerkes durch andere Unternehmen. Als Entwurfsgrundlagen für eine Tiefgründung können angesehen werden: - Art, Form und Belastung des Bauwerkes - Beschreibung des Baugrundes und Kenntnis der Schichtabfolge (Homogenbereiche nach ÖNORM B 1997-2) - Kenntnis der Grundwasserverhältnisse, insbesondere gespannter Grundwasserhorizonte - Angaben über die Verträglichkeit des Oberbaus hinsichtlich Setzungsunterschiede - Angaben über die Nachbargebäude - eventuelle Erweiterungswünsche - geometrische Zwangspunkte und Höhenlagen - eventuelle Verkehrsbehinderungen - Bauzeit

Pfahlgründungen Pfähle übertragen Beanspruchungen an ihrem unteren Ende als Pfahlsohldruck und entlang ihres Mantels über Mantelwiderstand. Die Größe der einzelnen Anteile hängt dabei von den Steifigkeiten der beeinflussten Bodenschichten und dem Verhältnis von Pfahllänge zu Pfahldurchmesser ab. So ergeben z. B. feste Böden im Bereich der Sohle große Sohlwiderstände, da durch die geringe Setzung unter Last der weichere und setzungsempfindlichere Boden im Bereich des Schaftes kaum zum Mittragen angeregt wird. Besteht eine Fundierung nur aus Pfählen, die auf Sohlwiderstand tragen, spricht man von einer „stehenden“, bei Aufnahme aller Lasten durch Mantelwiderstand von einer „schwimmenden“ Pfahlgründung. In der Mehrzahl der Fälle ist eine Ableitung der axialen Beanspruchungen durch Sohldruck und Mantelwiderstand gegeben. Abbildung 030|4-01: Wirkungsweise von Pfählen [14]

82 | Tiefgründungen

030|4|1

Tragen Pfähle nur über den Sohlwiderstand, spricht man von einer „stehenden“, bei Aufnahme aller Lasten durch den Mantelwiderstand von einer „schwimmenden“ Pfahlgründung.

Für die gemeinsame Wirkung einzelner Pfähle ist es erforderlich, diese durch Pfahlköpfe zu Pfahlgruppen zusammenzuschließen. Abbildung 030|4-02: Pfahlrost für zwei Pfähle

Tabelle 030|4-01: Pfahlarten – Vor- und Nachteile [21] Pfahlart Ortbetonrammpfähle

Vorteile  beständig  Lagerhaltung und Transport entfallen  Durchmesser von Schaft und Fuß wie auch die Länge können dem Boden angepasst werden Ortbetonbohr Vorteile wie vorher pfähle  Hindernisbeseitigung möglich  weniger Belästigung als beim Rammpfahl  Verpressmöglichkeit Ortbetonverpress  geringe Bauhöhe erforderlich -pfähle  deshalb günstig für Haussanierungen und Unterfangungen vom Keller aus Stahlbetonfertig-  beständig in fast jeder Umgebung pfähle Stahlpfähle

Holzpfähle

     

leicht zu handhaben variable Länge hartes Rammen möglich günstig bei Biegebeanspruchung leicht zu handhaben billig

Nachteile  Rammerschütterungen  Nachbarpfähle aus frischem Beton können beschädigt werden  Bodenentnahme  Gefahr der Bodenauflockerung und somit Verschlechterung des Tragverhaltens        

Nachteile wie vorher relativ geringes Tragverhalten Ausknicken des Pfahles empfindlich beim Transport und beim Rammen schwierig zu kürzen und zu verlängern Rammerschütterungen relativ teuer Sandschliff im Wasser

 dauernd haltbar nur unter Wasser  geringe Tragfähigkeit  kein hartes Rammen möglich

Pfähle aller Art gehören zu den wichtigsten Bestandteilen der Tiefgründung. Die Weiterentwicklungen des Großbohrpfahles bis Durchmesser von rund 2,00 m und mehr und die fortlaufende Verbesserung der Verfahren und Geräte zur Pfahlherstellung haben dazu geführt, dass heute immer größere Pfahltiefen erreichbar sind bzw. immer größere Lasten verformungsarm abgetragen werden können. Die Bedeutung der Pfahlgründungen spiegelt sich auch in der Vielzahl der Pfahlsysteme wider, die auf dem Baumarkt angeboten werden. Grundsätzlich gibt es nur zwei Pfahltypen, die sich seit Jahrzehnten auf dem Markt behaupten und sowohl Vor- als auch Nachteile aufweisen.  Verdrängungspfähle: Der Boden wird durch einen eingerüttelten oder eingeschlagenen Pfahl verdrängt und verdichtet (Rammpfähle, Verdichtungspfähle).  Bohrpfähle: Ein im Boden hergestellter Hohlraum wird mit Beton gefüllt. Als Materialien der Pfähle kommen Beton, Stahlbeton, Stahl und Holz in Frage, wobei der Holzrammpfahl bereits seit Jahrtausenden hergestellt wird (Hallstadtkultur, Venedig, Amsterdam etc.).

Grundsätzlich gibt es nur zwei Pfahltypen, die Verdrängungspfähle (Rammpfähle) und die Bohrpfähle.

Pfahlgründungen | 83

Abbildung 030|4-03: Pfahltypen

84 | Tiefgründungen

Eine weitere Einteilung kann nach dem Pfahldurchmesser in Großbohrpfähle und Kleinbohrpfähle sowie nach der Art der Lastabtragungen in Druck- oder Zugpfähle erfolgen. Pfähle können bei entsprechender Ausbildung auch horizontale Kräfte abtragen und werden daher auch als Baugrubensicherung herangezogen. Sie können bewehrt oder unbewehrt hergestellt werden, wobei beim unbewehrten Pfahl der Übergang zu einer Hochdruckbodenvermörtelungssäule (Düsenstrahlverfahren) bereits fließend ist.

Rammpfähle

030|4|1|1

Rammpfähle aus Holz werden bereits seit Jahrtausenden für Pfahlbauten in Sümpfen und Seen bzw. Küstengewässern etc. ausgeführt. Sie werden, wie der Name sagt, mittels Rammgeräten gerammt. Mit einem schlagenden Bären (Rammgewicht) wird über eine Rammhaube der Pfahl, der aus Holz, Stahl oder Stahlbeton besteht, in den Boden geschlagen. In den letzten Jahrzehnten werden vor allem Schnellschlagrammen oder Vibrationsbären eingesetzt. Wichtig für eine gute und wirksame Rammarbeit ist ein stabiles und leicht bewegliches Rammgerüst und eine exakte Führung des Rammbären. Die Rammhaube muss gerade und fest am Pfahlkopf aufsitzen, da andernfalls der Pfahl brechen kann bzw. die Rammenergie nicht vollständig auf den Pfahl übertragen wird und daraus oft eine falsche Einschätzung der Pfahltragfähigkeit resultiert. Die zulässige Tragfähigkeit (im Sinne des alten Sicherheitskonzeptes) eines Pfahles kann mithilfe von Rammformeln (Formel (030|4-01) nach Fröhlich), die sich auf Aufzeichnungen und Beobachtungen während der Pfahlabteufung stützen, abgeschätzt werden. ∙ ∙

∙ 1

∙

∙ 2 ∙

∙

für

∙

für

∙

Die zulässige Tragfähigkeit eines Rammpfahles kann auch mithilfe von Rammformeln abgeschätzt werden.

(030|4-01)

2 ⋅ ⋅

⋅

⋅

⋅

zulässiger Pfahlwiderstand Bemessungseinwirkung bei nichtbindigem Boden Widerstand des Bodens Gewicht des Rammbären Pfahlgewicht Fallhöhe des Rammbären Stoßziffer (abhängig von Material und Rammhaube) Sicherheitsbeiwert = 2,00 Teilsicherheitsbeiwert Widerstand = 1,10 Modellfaktor = 1,30 eingeprägte Verformung elastische Verformung

kN kN kN kN kN m – – – – m m

Rammdiagramm Hitze

Pfahlgründungen | 85

Die Sicherheit wird bei nichtbindigen Böden mit rund 2,00 angesetzt, bei bindigen Böden kann es zufolge des Rammens zu Porenwasserüberdrücken kommen, die einen höheren Widerstand des Bodens vortäuschen. Daher setzt man hier eine höhere Sicherheit an bzw. bestimmt den Bodenwiderstand mittels einer erst zu einem späteren Zeitpunkt ausgeführten Hitze (1 Hitze = 10 Schläge). Tabelle 030|4-02: Vor- und Nachteile von Rammpfählen Vorteile  Die Herstellung ist einfach.  Die Herstellung erfolgt relativ rasch.  Einschnürungen des Pfahlschaftes sind nicht zu erwarten.  Der umgebende Boden wird verdichtet und dadurch die Tragfähigkeit erhöht.  Durch eine konische Form kann die Tragfähigkeit erhöht werden.  Das Rammdiagramm während der Herstellung erlaubt eine sofortige Abschätzung der Tragfähigkeit. Das ermöglicht die Anpassung an die Untergrundverhältnisse.  kein Bodenaushub, der im Falle einer Kontaminierung kostenpflichtig deponiert werden muss

Nachteile  Beschränkung des Pfahldurchmessers  große Lärmentwicklung  Erschütterungen und Vibrationen von in der Nähe liegenden oder anschließenden Gebäuden  Rammhindernisse z. B. Findlinge, alte Betonfundamente  begrenzte Rammtiefen  Die Pfähle können durch unsachgemäßes Rammen zerstört werden.  Eine Begutachtung der durchfahrenen Bodenschichten ist nicht möglich.  falsche Einschätzung der Tragfähigkeit zufolge Porenwasserüberdrücken

Abbildung 030|4-04: Herstellung Ortbetonrammpfahl – „Zeissl-Pfahl“

1.

2. 3. 4.

5. 6.

Rammen des Pfahlrohres mit geschlossener Rohrklappe am Pfahlort bis in den tragfähigen Baugrund. Reicht die Rohrlänge nicht aus, wird ein Verlängerungsrohr aufgesetzt. Abheben von Rammbär und Schlaghaube, Einfüllen von Beton in das leere, trockene Rohr Ziehen des Rohres, wobei sich die Rohrklappe selbstständig öffnet und der untere Teil des Pfahlschaftes ausbetoniert wird Herstellen der Fußverbreiterung: Dazu werden der Rammbär und die Schlageinrichtung wieder aufgesetzt, wodurch das Rohr einsinkt und die Rohrklappe wieder selbstständig schließt. Das Rammrohr mit geschlossener Rohrklappe wirkt nun als Stampfer und wird mit voller Rammenergie eingerammt, wodurch eine Fußverbreiterung entsteht. Einsetzen des Stahlbewehrungskorbes und Füllen des Rohres mit Beton Hochziehen des Rohres, wobei sich die Rohrklappe wieder öffnet. Gleichzeitig wird das Rammrohr durch leichte und schnelle Bärschläge in Vibration versetzt. Der ausfließende Beton wird dabei gut verdichtet und füllt den Pfahlschaft vollständig aus.

86 | Tiefgründungen

Die derzeit gängigsten Rammpfahltypen sind der „Zeissl-Pfahl“ und der duktile Rammpfahl, es sind auch noch der „Franki-Pfahl“ und eine Reihe weiterer Mikrorammpfähle am Markt. Der „Zeissl-Pfahl“ wird als Ortbetonrammpfahl hergestellt, durch Ausrammen des Pfahlfußes ist eine Erhöhung der Tragfähigkeit möglich. Der duktile Pfahl ist ein Fertigrammpfahl aus duktilem Stahl, der mit oder ohne Mantelverpressung ausgeführt werden kann. Mikropfähle weisen einen Durchmesser kleiner 300 mm auf (ÖNORM EN 14199 [75]).

Duktile Rammpfähle sind Fertigrammpfähle aus duktilem Stahl mit oder ohne Mantelverpressung.

Abbildung 030|4-05: duktile Rammpfähle – Pfahlkopf, Pfahlfuß

Pfahlköpfe

Fußstücke nicht verpresst

Fußstück verpresst

Abbildung 030|4-06: Herstellung Ortbetonrammpfahl – „Franki-Pfahl“

1. 2. 3. 4. 5.

In das Vortriebrohr wird ein erdfeuchter Pfropfenbeton mit einer Höhe von 0,8 bis 1,0 m eingefüllt und ausgestampft. Das Eintreiben erfolgt durch Rammung auf den Pfropfen. Nach Erreichen des tragfähigen Baugrundes wird das Vortriebrohr festgehalten und der Pfropfenbeton zu einem Pfahlfuß ausgestampft. Der weitere Beton wird nach dem Einsetzen der Bewehrung abschnittsweise eingebracht und ausgestampft. Der fertige Pfahl besitzt einen großen Pfahlfuß, einen rauen Pfahlschaft und eine hohe Tragfähigkeit.

Pfahlgründungen | 87

Rammpfähle aus duktilem Gusseisen weisen eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen mechanische und chemische Einflüsse auf. Die Rohre werden im Schleudergussverfahren mit Außendurchmessern bis 170 mm hergestellt. Je nach Erfordernis einer Mantelverpressung oder einer Zugbewehrung erfolgt die Ausbildung des Pfahlfußes und des Pfahlkopfes. Der Nachweis der Tragfähigkeit erfolgt einerseits über die Mantelreibung des Pfahles und andererseits über die innere Tragfähigkeit des Rohres.

Bohrpfähle Die Bohrpfahlherstellung erfolgt an Ort und Stelle in Abhängigkeit von den Untergrundverhältnissen ohne Vortriebsrohr, mit verlorenem oder mit wiedergewonnenem Vortriebsrohr (verrohrte und unverrohrte Bohrpfähle). Das Vortriebsrohr stützt die Bohrlochwandung bis zum Betonieren des Pfahles und verhindert ein Auflockern oder Entspannen des umgebenden Bodens. Es ist aber auch möglich, die Bohrlochwandung durch eine Stützflüssigkeit (Bentonit etc.) zu sichern. Durch den Druck des flüssigen Betons entsteht eine gute Verzahnung mit dem Baugrund. Weiters ist es möglich, die Tragfähigkeit des Pfahles durch ein nachträgliches Verpressen der Mantelfläche und der Pfahlsohle zu erhöhen. Abbildung 030|4-07: Herstellung Bohrpfahl – Greiferbohrung

1. 2. 3. 4. 5.

Abteufen des Bohrrohres durch hin- und herdrehende und nach unten drückende Bewegungen gleichzeitiges Fördern des Bohrgutes mit Greifer Einsetzen des Bewehrungskorbes Betonieren des Pfahles bei gleichzeitigem Ziehen des Rohres durch Drehbewegungen und Verdichten des Betons Fertigstellung des Pfahles

Die gängigsten Bohrpfahlsysteme basieren auf der Pfahlherstellung mittels Drehbohren, Schlagbohren oder Bohren mit einer Endlosschnecke. Um hydraulische Grundbrüche zu verhindern, muss beim Dreh- oder Schlagbohren im Grundwasser mit Wasserauflast gebohrt werden.

88 | Tiefgründungen

030|4|1|2

Die Bohrpfahlherstellung erfolgt an Ort und Stelle mit oder ohne Vortriebsrohr.

Abbildung 030|4-08: Herstellung Bohrpfahl – Drehbohrung

1. 2. 3. 4. 5.

Abteufen der Bohrung durch Schnecke und Kellystange Säubern der Pfahlsohle mit Bohreimer Einbringen des Bewehrungskorbes Betonieren des Pfahles mit Schüttrohren Fertigstellung des Pfahles

Abbildung 030|4-09: Herstellung Bohrpfahl – Endlosschnecke

1. 2. 3. 4. 5.

Abteufen der Bohrung durch Endlosschnecke Erreichen der Endtiefe Einpressen des Betons durch das Schneckenrohr bei gleichzeitigem Ziehen der Schnecke Fertigstellung des Betonpfahles Einbringen der Bewehrung mit Abstandhaltern

Pfahlgründungen | 89

Tabelle 030|4-03: Vor- und Nachteile von Bohrpfählen Vorteile  Die Herstellung verursacht keine Erschütterungen.  Eine genaue Beobachtung der durchfahrenen Bodenschichten ist möglich.  Die Herstellung ist auch bei geringen Arbeitshöhen (Keller etc.) möglich.  Die Pfahllängen können beim Antreffen ungünstiger Bodenschichten verändert werden.  Größere Tiefen können erreicht werden.  Große Durchmesser sind möglich.  Bohrhindernisse können durchmeißelt werden. Es wurden sogar schon Sprengungen im Pfahl durchgeführt.  Während der Herstellung können im beschränkten Ausmaß Bodenproben gewonnen werden.

Nachteile  Der durchfahrene Boden kann bei nicht sachgemäßer Herstellung aufgelockert bzw. entspannt werden. Daher sollte im Falle einer Verrohrung das Bohrrohr immer vorauseilend abgeteuft werden.  Hydraulische Grundbrüche sind möglich.  Bei zu raschem Ziehen des Vortriebsrohres kann die Betonsäule unterbrochen bzw. eingeschnürt werden.  Die Bewehrung kann mitgezogen werden.  Das ausgehobene Material muss deponiert werden.

Abbildung 030|4-10: Herstellung von Bohrpfählen mit Pfahlfuß

1. 2. 3. 4.

Abteufen des Bohrrohres bis in den Bereich des tragfähigen Bodens und Förderung des Bohrgutes mittels Greifer oder Schnecke Betoneinbringung und Ausstampfen des Pfahlfußes Einbringen der Bewehrung Betonieren und gleichzeitiges Herausziehen des Bohrrohres

Pfähle mit kleinen Durchmessern – Mikropfähle Diese werden auf unterschiedlichste Art und Weise hergestellt. Besonders bekannt sind Wurzelpfähle, Einstab-, Rohr-, Stahlhülsen- und Mikropfähle. Im Allgemeinen wird eine Teillänge des Pfahles mit größerem Druck verpresst, wobei diese Verpressung entweder unmittelbar beim Hochziehen der Verrohrung erfolgt (Primärverpressung) oder nach dem Erhärten des Pfahlmörtels durch ein- oder mehrmaliges Nachverpressen mithilfe von Manschetten oder Ventilrohren durchgeführt wird.

90 | Tiefgründungen

030|4|1|3

Abbildung 030|4-11: Herstellung von „MESI-Pfählen“ [81]

Pfähle mit kleinen Durchmessern werden zumeist gekuppelt als Pfahlgruppen hergestellt. Die Krafteinleitung erfolgt fast ausschließlich über den Mantelwiderstand. Die Tragfähigkeit von Pfählen mit kleinen Durchmessern, die auch unter beengten Raumverhältnissen herstellbar sind, kann mit zwischen 250 kN und 700 kN für den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit abgeschätzt werden.

Zugpfähle Zugpfähle werden oft zur Erzielung der Auftriebssicherheit von Bodenplatten unter dem Grundwasserspiegel hergestellt. Der Zugwiderstand setzt sich zusammen aus dem Eigengewicht des Pfahles und der Mantelreibung. In der Praxis wird die charakteristische Mantelreibung eines Zugpfahles mit 50,0 % der eines Druckpfahles angesetzt. Weiters muss nachgewiesen werden, dass das Gewicht eines Bodenkörpers – bestehend aus einem rund 1,00 m über der Pfahlspitze beginnenden Kegelstumpf, dessen Öffnungswinkel dem Reibungswinkel des Bodens entspricht, und einem aufgesetzten Zylinder – größer ist als die Zugbeanspruchung. Der Radius der Basis des Kegelstumpfes bzw. des Zylinders darf maximal 2,00 m betragen, und die dadurch gebildeten Erdkörper zweier benachbarter Pfähle dürfen sich nicht überschneiden.

Die Krafteinleitung bei Mikropfählen erfolgt fast ausschließlich über den Mantelwiderstand.

030|4|1|4

Bei Zugpfählen resultiert der Zugwiderstand aus dem Eigengewicht des Pfahles und der Mantelreibung.

Abbildung 030|4-12: aufnehmbare Zugkräfte – Zugpfähle nach ÖNORM B 4435-2

Pfahlgründungen | 91

Schlitzwände Schlitzwände und Bohrpfahlwände (siehe Kapitel 030|5) sind wandartige Fundierungskörper. Ihr Hauptanwendungsgebiet im Hochbau ist die Errichtung einer massiven, verbleibenden Umschließung der Baugrube bei schwierigen Bodenverhältnissen und bei mehreren Tiefgeschoßen. In statischer Hinsicht werden sie gleichzeitig als Kellerwände, mit oder ohne Vorsatzschale, und als in den Boden lasteinleitendes Element genutzt. Der Vorteil dieser Gründungsart liegt in der wirtschaftlichen und schnellen Herstellung von Kellergeschoßen durch den Einsatz von Großgeräten. Weiters eröffnen sie die Möglichkeit, ohne aufwändige Unterfangungsmaßnahmen von Nachbarbauwerken eine bessere Ausnutzung des Baugrundes durch eine erhöhte Anzahl von Kellergeschoßen, z. B. zur Unterbringung von Stellplätzen, zu erzielen. Schlitzwände sind in den letzten Jahrzehnten zu einem sehr wichtigen Bauteil im Grundbau geworden. Sie werden eingesetzt als:  Tiefgründungselement (Schlitzwandkreuze, Schlitzwandkästen)  Baugrubenumschließung bei hoher Anforderung an deren Steifigkeit  Stützmauer bei Geländesprüngen  Bauwerksaußenwand bei einschaliger und zweischaliger Bauweise  Dichtungswand zur vertikalen Untergrundabdichtung bei Dämmen und Mülldeponien (meist unbewehrt) Charakteristisch für die Ausführung ist, dass ein offener Bodenschlitz durch eine Stützflüssigkeit stabilisiert wird, bis der Beton eingebracht ist. Im Wesentlichen sind zwei Methoden der Herstellung von Schlitzwänden üblich, die Greiferschlitzwand und die gefräste Schlitzwand. Die Stützflüssigkeit im Wandschlitz besteht aus einer Suspension, vorzugsweise Bentonit, einem natürlich vorkommenden Ton mit dem Hauptbestandteil Montmorillonit. Das Bentonit wird in Pulverform im Wasser aufgerührt. Je nach anstehender Bodenart und Bentonitsorte werden zwischen 30 g/l und 60 g/l zu einer tixotropen Flüssigkeit aufbereitet, die im Ruhezustand geliert und bei Erschütterungen wieder verflüssigt. Die Eigenschaften der Stützflüssigkeit sind auf der Baustelle ständig zu kontrollieren und zu überwachen, und es muss für den Fall eines schlagartigen Flüssigkeitsverlustes (Bentonitsturz) genügend Bentonit vorhanden sein. Wesentlich ist, dass diese Bentonitstützflüssigkeit an den Bodenschlitzwandungen einen Filterkuchen aufbaut, der ein Ausfließen der Suspension in den umgebenden Boden verhindert. Für den mit Flüssigkeit gefüllten Schlitz sind nachfolgende Sicherheitsnachweise zu führen: - gegen Zutritt von Grundwasser - gegen das Abgleiten von Einzelkörnern oder Korngruppen (innere Standsicherheit) - gegen das Ausbilden von Gleitflächen im Boden (äußere Standsicherheit) Die Standsicherheitsnachweise sind für verschiedene Aushubtiefen des Schlitzes zu führen. Im Wesentlichen erfolgen die Nachweise im Gegenüberstellen des Suspensionsdruckes mit dem Erddruck zuzüglich eines eventuellen Wasserdruckes, wobei der Erddruck als räumliches Problem behandelt wird. Sind diese Nachweise nicht möglich, ist die Reduktion der Öffnungsweite des Schlitzes erforderlich. Oft ist dann keine Abteufung mittels Greifer mehr möglich. Bei grobporigen Böden sind zusätzliche Nachweise über die Bestimmung der

92 | Tiefgründungen

030|4|2

Schlitzwände sind wandartige Fundierungskörper, die auch für die Umschließung der Baugrube herangezogen werden.

Eindringlänge der Suspension in den Boden, den plötzlichen Verlust der Stützflüssigkeit und den Nachweis über das Herausfallen von Einzelkörnern erforderlich. Die vertikale Tragfähigkeit einer Schlitzwand kann analog zu der von Pfählen berechnet werden, allerdings wird in der Regel zufolge der Filterkuchenbildung an den Wänden des Bodenschlitzes die Mantelreibung um rund 20 % reduziert. Problematisch ist die Fugenausbildung, besonders bei Herstellung der Schlitzwände als Kellerwände im Grundwasser. Grundsätzlich kann davon ausgegangen werden, dass bei zu dünnen Schlitzwänden (40 cm bis 60 cm) eine Dichtheit nicht erreicht wird, bei dickeren Wänden diese jedoch möglich ist. Die Abdichtung wird primär durch die im Bereich der Fugen verbleibende Bentonitsuspension erreicht. Um eine weitestgehend dichte Ausbildung von Kellerräumen zu erreichen, ist eine zweischalige Bauweise erforderlich.

Greiferschlitzwand

Die vertikale Tragfähigkeit einer Schlitzwand kann analog zu der von Pfählen berechnet werden.

030|4|2|1

Die Schlitzwand ist eine in kohäsionslosen oder kohäsiven Böden hergestellte Ortbetonwand. Für ihre Herstellung benötigt man einen Erdschlitz, der von einem Spezialgreifer ausgehoben wird. Die Herstellung des Erdschlitzes erfolgt abschnittsweise (Abbildung 030|4-14), und es wird im Kontraktorverfahren betoniert. Die Verzahnung der Fugen erfolgt durch Abschalrohre oder andere Konstruktionen. Abbildung 030|4-13: Herstellung Schlitzwandelement – Greifer [80]

1.

Vor der Herstellung des Erdschlitzes werden an seiner Oberkante beiderseits Leitwände errichtet. Sie werden aus Ortbeton hergestellt, können aber auch aus Fertigteilen bestehen. Die Leitwände haben die Aufgabe: a. den Einsturz des oberen Schlitzbereiches zu verhindern b. dem Schlitzwandgreifer eine sichere Führung zu geben c. ein fluchtgerechtes Arbeiten zu gewährleisten d. einen genügenden Überdruck der Stützflüssigkeit sicherzustellen

Schlitzwände | 93

2.

Der Aushub kann in allen Lockergesteinen bis in große Tiefen hergestellt werden. Die Wandstärken betragen üblicherweise 60 bis 80 cm. Die Länge des Schlitzes ist von der Maulöffnung des Greifers abhängig. Auch fest gelagerte Böden können mittels Meißelzähnen gelöst werden. Der Schlitz ist mit Stützflüssigkeit geflutet.

3.

Nach Erreichen der Endteufe werden die Abschalelemente eingebracht. Diese sorgen für einen sauberen Abschluss, eine glatte Fuge und eine gute Verzahnung der einzelnen Lamellen. Normalerweise werden hierfür Rohre, deren Durchmesser der Breite des Schlitzes entsprechen, verwendet. Falls es erforderlich ist, wird nun ein Bewehrungskorb in den Schlitz eingehängt.

4.

Anschließend wird der Schlitz im Kontraktorverfahren mit Beton verfüllt. Bei diesem Verfahren fließt der Beton durch ein Schüttrohr, dessen Ende stets im Beton stecken muss, in den Schlitz und verfüllt ihn von unten nach oben. Dies verhindert eine Entmischung des Betons. Betonfestigkeiten C 12/15 bis C 25/30 können erreicht werden. Wenn die seitlichen Lamellenbegrenzungen durch Rohre gebildet werden, sind diese vor dem endgültigen Abbinden des Betons zu ziehen. Beim Herstellen ist es oft vorteilhaft, die Schlitze nicht in durchlaufender, sondern in wechselnder Reihenfolge auszuheben und zu betonieren.

Abbildung 030|4-14: Herstellung Schlitzwände mit Greifer – Arbeitsschritte

4

2 1 = Boden

4

1

3

4

2 = Schlitzaushub 3 = Betonieren

3

4

1

Gefräste Schlitzwand Die Hydrofräse wird von einem Raupenbagger mit angebautem Hydraulikaggregat getragen und von diesem mit Energie versorgt. Sie schlitzt im Spülbohrverfahren einen rechteckigen, vertikalen Schlitz in den Boden. Zwei hydraulisch angetriebene Frästrommeln mit auswechselbaren Zähnen, die in entgegengesetzter Richtung arbeiten und den Boden lösen, befinden sich hierzu am unteren Ende eines ~13 m langen Grundrahmens. Eine direkt darüber angeordnete hydraulische Pumpe fördert das Bohrgut mit der Stützflüssigkeit (Bentonitsuspension) über einen Förderschlauch zu einer Sieb- und Entsandungsanlage. Dort wird das Bohrgut von der Stützflüssigkeit getrennt und die Stützflüssigkeit wieder in den Schlitz zurückgepumpt. Die Bentonitsuspension stützt die Seitenwände des offenen Schlitzes. Die Hydrofräse ist an einem Hydraulikzylinder vertikal verschieblich aufgehängt. Dadurch wird entweder die Vorschubgeschwindigkeit oder die Belastung der Fräsköpfe durch das Eigengewicht der Hydrofräse (16 bis 20 Tonnen) geregelt.

94 | Tiefgründungen

4

1

2

4 = Wand fertig

030|4|2|2

Die Hydrofräse schlitzt den Boden mit hydraulisch angetriebenen Frästrommeln im Spülbohrverfahren auf.

Abbildung 030|4-15: Hydrofräse

Abbildung 030|4-16: Herstellung Schlitzwandelement mit Fräse

1.

Vor Beginn der Arbeiten werden Leitwände entlang des auszuhebenden Erdschlitzes hergestellt.

2.

Nun wird mittels Tieflöffelbagger ein Voraushub mit einer Tiefe von mindestens 2,5 bis 3,0 m durchgeführt.

3.

Der Fräsenaushub erfolgt in drei Phasen: In einem ersten Schritt wird ein Teilschnitt ausgehoben. Danach stellt man den zweiten Teilschnitt in einem Abstand von mindestens 30 cm her. In der dritten Phase entfernt man den übrig gebliebenen Mittelstock und erhält dadurch den fertigen Schlitz.

4.

Anschließend wird die Bewehrung eingebracht und der Schlitz im Kontraktorverfahren mit Beton verfüllt. Betonfestigkeiten C 12/15 bis C 25/30 können erreicht werden.

Schlitzwände | 95

Abbildung 030|4-17: Herstellung Schlitzwände mit Fräse – Arbeitsschritte

1 = Boden

2 = Schlitzaushub

3 = Betonieren

4 = Wand fertig

Senkkästen

030|4|3

Senkkästen als Gründungskörper sind seit dem Altertum bekannt. Sie wurden bereits von Herodot als Gründungselemente für den Ausbau des Hafens Samos erwähnt. Die erste Schwimmkastengründung – eine im Hafen- und Molenbau auch heute noch eingesetzte Senkkastenmethode – wurde beim Bau des Leuchtturms von Ostia im ersten Jahrhundert ausgeführt. Eine arabische Schrift aus dem Jahr 1204 erwähnt den ersten Senkkasten aus Mauerwerk, der unter Wasser mithilfe von Tauchern abgesenkt wurde. Und schließlich hat einige Jahrhunderte später Leonardo da Vinci Vorschläge für Senkkästen aufgezeigt. Auch heute noch – und in den letzten Jahren wieder zunehmend – werden Senkkästen sowohl als Gründungselemente als auch als selbstständige Bauwerke wie z. B. bei Pumpstationen oder als Anfahr- und Zielschächte im Tunnel-, Kanal- und Leitungsbau eingesetzt. Abbildung 030|4-18: offener Senkkasten – Druckluftsenkkasten

offener Senkkasten

96 | Tiefgründungen

Druckluftsenkkasten

Senkkästen als Gründungskörper wurden schon im Altertum hergestellt, werden aber heute nur mehr bei komplizierten Grundwasserverhältnissen eingesetzt.

Offene Senkkästen sind nach oben offen und erlauben einen Aushub unter atmosphärischen Bedingungen, falls erforderlich auch unter Grundwasser. Eine Wasserabsenkung während des Absenkens des Senkkastens ist nicht erforderlich. Je nach örtlichen Verhältnissen kann nach Erreichen der Endabsenktiefe entweder das im Inneren befindliche Wasser abgepumpt werden, wenn z. B. der Senkkasten in eine undurchlässige Schicht einbindet, oder es wird erst eine Unterwasserbetonsohle eingebaut und dann abgepumpt. Bei Hafenanlagen und im Wasserbau werden den Senkkästen sehr verwandte Schwimmkästen eingesetzt. Eine Kombination der Schwimmkästen mit Druckluftkästen wurde wiederholt angewendet. Dabei wurde der Schwimmkasten erst eingeschwommen und dann auf den Grund abgesenkt. Druckluftsenkkästen sind schon seit über 150 Jahren bekannt. Die Idee, das Grundwasser mittels Druckluft fernzuhalten, hatte der französische Ingenieur Triger, der damit einen Grubenschacht 1841 absenkte. Das Verfahren hat sich im Wesentlichen nicht geändert, es wurde nur dem technischen Fortschritt angepasst. Dieses gilt insbesondere für die Ausstattung mit Druckluftanlagen für das Baumaterial Stahlbeton, das heute ausschließlich eingesetzt wird. Der Aushub erfolgt in einer Arbeitskammer – der Druckkammer –, die eine Mindesthöhe von 7,0 m aufweist.

Brunnen Die Brunnengründung ist neben den Rammpfahlgründungen mit Holzpfählen eine weitere klassische Tiefgründung, insbesondere bei hohen Grundwasserständen. Sie kann praktisch von jeder Bauunternehmung hergestellt werden. Während früher wie für eine Brunnenherstellung Brunnenringe abgesenkt wurden, werden heutzutage die Baugrubenwände mit Spritzbeton gesichert. Nach der Erreichung des tragfähigen Bodens wird der Brunnen ausbetoniert. Im Bereich der Brunnenaußenwände kann je nach Herstellungsmethode und Baugrund eine Mantelreibung angesetzt werden, allerdings ist eine Verringerung durch das Kriechen des Betons zu berücksichtigen. Vor dem Ausbetonieren des Brunnens ist die Sohle mit Magerbeton zu plombieren. Die Tragfähigkeit einer Brunnengründung errechnet sich analog zu der eines Pfahles. Aufgrund des großen Durchmessers der Brunnen sind auch exzentrische Lasten aufnehmbar. Bei der Tauernautobahn wurden beispielsweise elliptische Brunnen mit Durchmessern bis zu 15,00 Metern hergestellt. Horizontalkräfte werden über die seitliche Bettung abgetragen. Durch die großen Durchmesser der Brunnen sind auch relativ große Horizontalkräfte abtragbar, wodurch Brunnengründungen auch zur Verdübelung von Gleitflächen eingebaut werden.

Pfahl- und Schlitzwandkästen, Kastengründungen

030|4|4

Brunnengründungen sind eine klassische Tiefgründung, bei der der Brunnendurchmesser größer als jener der üblichen Bohrpfahldurchmesser ist.

030|4|5

Diese Gründungsvariante hat sich in den letzten Jahrzehnten für die Fundierung von Brückenpfeilern und Hochhäusern als besonders setzungsarm bewährt. Im Wesentlichen bestehen Pfahl- oder Schlitzwandkästen aus kastenförmig angeordneten Schlitz- oder Bohrpfählen, die mit einer Rostplatte verbunden sind. In diesem Fall werden, wie Messungen beim Internationalen Amtssitz- und Konferenzzentrum Wien (IAKW) aus den Siebzigerjahren des vorigen Jahrhunderts zeigen, rund 20 % bis rund 25 % der Lasten über die äußere Mantelreibung, rund 35 % über den in den Kästen eingeschlossenen Boden und der Rest über die Schlitzwand- oder Bohrpfahlsohlen abgetragen. Theoretische

Brunnen | 97

Überlegungen und Untersuchungen ergaben, dass bei gedrungenen Kästen der Anteil der Außenwandreibung 40 % bis 72 % beträgt, der Anteil der Innenwandreibung 8 % bis 20 % und der Sohldruck bei 20 % bis 40 % liegt. Derartige Gründungskästen verhalten sich bodenmechanisch anders als konventionelle Schlitzwand- oder Bohrpfahlgruppen. Ein gewisser Schubverbund zwischen Boden und Schlitz- bzw. Bohrpfahlwänden führt dazu, dass der eingeschlossene Boden zum Mittragen gezwungen wird. Unter dieser Voraussetzung kann die Gründung näherungsweise als großflächige „Flachfundierung“ angesehen werden, an deren Außenfläche eine Mantelreibung wirkt. Bei dieser Grenzwertbetrachtung wird der Gründungskasten als Monolith idealisiert, wobei entsprechend hohe Sicherheitsfaktoren gegenüber Grundbruch zu fordern sind. Die Nachweisführung ist in der ÖNORM B 1997-1-3 [50] geregelt. Über den Schlitzwänden ist zur Ausbildung einer biegesteifen Verbindung aller Schlitz- oder Bohrpfahlwände eine stärkere Rost- bzw. Sohlplatte erforderlich. Diese Platte hat sowohl eine lastverteilende als auch eine setzungsausgleichende Wirkung. Ein weiterer Nachweis ist für die Einbruchssicherheit der einzelnen Schlitzwandelemente oder Bohrpfähle erforderlich. Bei dieser fiktiven Grenzwertbetrachtung werden die äußeren Lasten ausschließlich den Schlitzwänden oder Bohrpfählen zugewiesen. Die mittragende Wirkung der um- bzw. eingeschlossenen Erdkerne bleibt gänzlich vernachlässigt. Zufolge der biegesteifen Verbindung der Gründungselemente mit der Rostplatte ist das Versagen eines Einzelelementes höchstens an den Ecken des Gründungskastens denkbar, jedoch nicht im Verbund. Dementsprechend reichen hier geringere Teilsicherheitsbeiwerte für den Grundbruch. Im Gegensatz zum Gedankenmodell des Monoliths kann beim Nachweis der Einzelelemente die Mantelreibung sowohl an der Außen- als auch an der Innenseite des Gründungskastens in Rechnung gestellt werden. Für die Gruppenwirkung von Schlitz- oder Bohrpfahlwänden gibt es je nach Bauwerkslast und Untergrundverhältnissen einen optimalen Abstand, bei dem die Setzungen zu einem Minimum werden. Zu geringe Abstände führen zufolge der gegenseitigen Beeinflussung der Schlitz- oder Bohrpfahlwände zu einer Verschlechterung des Tragfähigkeits- und Verformungsverhaltens, zu große Abstände gewährleisten keinen ausreichenden Schubverbund. Aufgrund theoretischer Überlegungen und praktischer Erfahrungen sollten daher die Abstände der einzelnen Schlitzwand- oder Bohrpfahlwandreihen zwischen 4,00 m und 7,00 m betragen. Bei den Kastengründungen (KG) ist die Pfahl-Rost-Boden-Interaktion für unterschiedliche geometrische Kastenformen und Gründungstiefen von besonderer Bedeutung. Als wesentlicher Interaktionsfaktor wird der -Wert eingeführt, welcher in Abhängigkeit vom Verhältnis Kastenflächen zu Kastenumfang die gegenseitige Beeinflussung von Pfählen und Rost wiedergibt. Der -Wert gibt an welcher Lastanteil von den Pfählen in den Baugrund übertragen wird. Für den Extremfall, dass alle Lasten über die Pfähle abgetragen werden, ergibt sich = 1,0. Der Grenzfall = 0,0 würde dann bedeuten, dass es sich um eine reine Flachgründung handelt. Es zeigt sich eine deutliche Abhängigkeit der Tragwirkung von der Verschiebung des Kastens. Die genaue Analyse der Lastverteilung im Kasten zufolge der Verschiebungen ermöglicht die Klärung der Interaktion Pfahl-Rost-Boden.

98 | Tiefgründungen

Kastengründungen verhalten sich bodenmechanisch anders als konventionelle Schlitzwand- oder Bohrpfahlgruppen.

Abbildung 030|4-19: Grundrissschema – Pfahlkasten-Fundierung

Die Schlitzwand- oder Bohrpfahlkästen müssen nicht gänzlich geschlossen werden. Insbesondere bei Schlitzwandkästen kann es bei den letzten Elementen zufolge des Suspensionsdruckes im eingeschlossenen Boden zu Problemen kommen. Die Schlitzwände bzw. Bohrpfähle der Gründungskästen sollen annähernd die gleiche Länge besitzen, allenfalls können die innen liegenden Schlitzwände oder Bohrpfähle etwas verlängert werden und im Innenbereich unter den lastabtragenden Wänden angeordnet bzw. mit der Rostplatte verbunden werden. Grundsätzlich sollte getrachtet werden, alle Schlitzwandelemente oder Bohrpfähle, also auch die innen liegenden, mit der gleichen Laufmeterlast zu beaufschlagen.

Grundsätzlich sollte getrachtet werden, alle Schlitzwandelemente oder Bohrpfähle mit der gleichen Laufmeterlast zu beaufschlagen.

Abbildung 030|4-20: Pfahlkasten-Fundierung

Konstruktion

Tragverhalten

Kombinierte Pfahl-Plattengründung (KPP)

030|4|6

Diese Gründungsmethode wurde vor allem im Frankfurter Raum zur Gründung von Hochhäusern entwickelt und ist durch die gemeinsame Wirkung von Pfählen und Fundamentplatten gekennzeichnet. Sie wird dann eingesetzt, wenn die Setzungen einer Flachgründung die für das Bauwerk zulässigen Werte überschreiten würden, eine auf zulässige Setzungen abgestimmte Flachgründung nicht ausführbar ist oder punktuelle Vertikallasten mit reduzierten Biegebeanspruchungen der Bodenplatte abgetragen werden

Kombinierte Pfahl-Plattengründung (KPP) | 99

sollen. Gegenüber der klassischen Pfahlgründung ergeben sich wirtschaftliche Vorteile, da die Bauwerkslasten dann sowohl durch die Kontaktpressungen unter der Bodenplatte als auch über den Mantelwiderstand und den Pfahlsohlwiderstand der Gründungspfähle in den Baugrund abgetragen werden.



Lastanteil Pfähle Lastanteil Platte Mantelwiderstand Sohldruck Kontaktpressungen

∙

(030|4-02) kN kN kN kN kN/m2

Durch die zusätzliche Anordnung von Pfählen ergibt sich eine Reduktion der Sohlspannungen. Im Vergleich zur Pfahlgründung müssen aber nicht die gesamten Lasten über die Gründungspfähle in den Baugrund abgetragen werden. Allerdings zeigten Messungen, dass durch die lastabtragende Bodenplatte eine negative Mantelreibung auf die Pfähle auftritt. Grundsätzlich kann eine kombinierte Pfahl- und Plattengründung als Flachgründung angesehen werden, bei der die Pfähle als Setzungsbremse wirken und durch diese „Bremspfähle“ die Setzungen um bis zu 60 % reduziert werden. Die kombinierte Pfahl-Plattengründung (KPP) basiert auf dem physikalischen Sachverhalt, dass die Steifigkeit des Baugrundes in vielen Fällen mit der Tiefe zunimmt. Dies gilt vor allem für geologisch vorbelastete Böden. Bei der Berechnung wird ein Teil der Lasten der Bodenplatte und ein Teil der Lasten den Pfählen zugeordnet, wobei die Pfähle bis zur Grenztragfähigkeit belastet werden. Der Lastanteil der Pfähle wird durch den Pfahlplattenkoeffizienten / beschrieben, wobei dieser Faktor zwischen 0,0 (reine Flachgründung) und 1,0 (reine Pfahlgründung) liegt. Bei den bereits ausgeführten KPP-Gründungen lag dieser Faktor zwischen 0,70 und 0,90. Folgende Entwurfsgrundsätze sind zu berücksichtigen:  Die Pfähle sollen im Bereich der Lastpunkte angeordnet werden.  Der Pfahlschwerpunkt und der Lastschwerpunkt sollen zusammenfallen.  Die innen liegenden Pfähle sollten länger sein. Den Boden unter der Bodenplatte zusätzlich zu verdichten oder zu verbessern, ist günstig für das Setzungsverhalten. Eine weitere positive Eigenschaft der Pfähle liegt in der Tendenz, die Sohlhebungen bei tiefen Baugruben zu reduzieren und damit auch eine Minimierung von Setzungseinflüssen auf Nachbarobjekte zu erreichen. Durch eine geeignete Wahl der Lage der Pfähle

100 | Tiefgründungen

Bei der kombinierten Pfahl-Plattengründung werden die Bauwerkslasten durch die Kontaktpressungen unter der Bodenplatte, über den Mantelwiderstand und über den Pfahlsohlwiderstand in den Baugrund abgetragen.

sowie der Pfahllängen kann auch auf Lastexzentrizitäten des Bauwerkes reagiert werden.

Quer zur Pfahlachse beanspruchte Pfähle

030|4|7

Mit zunehmendem Pfahldurchmesser ist zur Aufnahme von horizontalen Kräften die Ausbildung von Schrägpfählen nicht mehr sinnvoll, sodass die vertikal hergestellten Pfähle auch zur Abtragung von horizontalen Kräften herangezogen werden. Bei der Belastung dieser Pfähle ist zwischen einer „aktiven“ und einer „passiven“ Beanspruchung zu unterscheiden. Im aktiven Fall wird der Pfahl am Pfahlkopf durch horizontale Kräfte und Momente aus dem Bauwerk beansprucht. Der passive Fall entspricht einer Belastung durch Bodenbewegungen, d. h. aus dem um den Pfahlschaft „fließenden“ weichen Boden, und wird im Nachfolgenden nicht weiter betrachtet. Die im aktiven Fall am Pfahlkopf angreifenden horizontalen Kräfte beanspruchen den Pfahlschaft auf Biegung und werden über die Bettung in den Baugrund abgetragen. Für die Bemessung ist zwischen den Grenzfällen des „kurzen Pfahles“ und des „langen Pfahles“ zu unterscheiden, wobei bei „kurzen Pfählen“ der Pfahlfuß eine horizontale Verschiebung erfährt und bei „langen Pfählen“ die Biegebeanspruchung den Pfahlfuß nicht mehr erreicht. Eine andere Unterscheidungsmöglichkeit ist in schlanken und biegeweichen Pfählen (entspricht „langen Pfählen“) sowie kurzen und nahezu starren Pfählen (entspricht „kurzen Pfählen“) gegeben. Der maßgebende Parameter für Bemessung von horizontal beanspruchten Pfählen ist die „elastische Länge“. Sie kann in Abhängigkeit des seitlichen Bettungsmoduls – bei Ansatz eines konstanten Modulverlaufes, eines parabelförmig ansteigenden oder eines linear ansteigenden Verlaufes – ermittelt werden und gibt Aufschluss über das Steifigkeitsverhältnis zwischen Pfahl und Boden.

Bemessung von Tiefgründungen

Mit zunehmendem Pfahldurchmesser kann eine Aufnahme von horizontalen Kräften auch über die Biegung des Pfahlschaftes erfolgen.

030|4|8

Tiefgründungen tragen die auftretenden Lasten sowohl über die Mantelfläche (Mantelwiderstand) als auch die Aufstandsfläche (Sohldruck) in den umgebenden bzw. unter der Aufstandsfläche anstehenden Boden ab. Zur Abschätzung dieser Lastabtragungen gibt es eine Vielzahl theoretischer Überlegungen.

Pfahl-Probebelastungen

030|4|8|1

Pfahl-Probebelastungen bestätigen die Richtigkeit dieser Annahme, da bei einer Pfahlbelastung zunächst die Lasten über die Mantelreibung abgetragen werden und der Sohldruck erst mit der Zunahme der Last und somit auch der Setzungen aktiviert wird. Daher kann vereinfacht ausgesagt werden, dass der Sohldruck die gewisse Reserve der Pfahlgründung ausmacht. Die Mantelreibung muss vom geotechnischen Sachverständigen angegeben bzw. von der ausführenden Fachfirma garantiert werden. Basis für diese Angaben sind Probebelastungen, bei denen eine zulässige Setzung als Maß für die Tragfähigkeit vorgegeben wurde. Bei Großbauvorhaben kann es wirtschaftlich sein, die Tragfähigkeit mittels Probebelastungen zu bestimmen. Die Länge der Pfähle und ihre Integrität können mittels Pfahlintegritätsprüfungen nach dem TNO-Verfahren (Netherlands Organisation for Applied Scientific Research) etc. überprüft werden.

Mit Pfahl-Probebelastungen kann die Richtigkeit der Rechenannahmen bestätigt werden.

Quer zur Pfahlachse beanspruchte Pfähle | 101

Um den Sohldruck und die Setzung eines Pfahles unmittelbar im Wirkungsbereich dieser beiden Kennwerte am Pfahlfuß zu bestimmen, kann auch ein Belastungsversuch nach dem „Osterberg-Verfahren“ ausgeführt werden. Die konstruktive Besonderheit dieses Verfahrens erlaubt die Aufbringung sehr hoher Prüflasten im Bereich des Pfahlfußes. Dies erfolgt durch Verwendung von hydraulisch betriebenen Pressen, die werksseitig kalibriert und für den Einmaleinsatz ausgelegt sind. Sie bringen im Kräftegleichgewicht die Prüflast im Bereich des Pfahlfußes in beide Richtungen auf. Die somit auf beide Pfahlabschnitte einwirkende Kraft wird direkt bestimmt. Sie wirkt nach oben gegen die Mantelreibung und nach unten im Wesentlichen gegen den Pfahlsohldruck. Daraus sind dann der Pfahlfußwiderstand und der Pfahlmantelwiderstand ermittelbar. Abbildung 030|4-21: vertikale Probebelastungen von Pfählen

A B C D

Stahlträger und Erdanker Fachwerkrahmen und Zugpfähle Belastungskrone und Erdanker Ballastierung

Abbildung 030|4-22: vertikale Probebelastung „Osterberg-Verfahren“

102 | Tiefgründungen

Für die horizontale Belastung von Pfählen sollten möglichst zwei benachbarte Pfähle gegeneinander beansprucht werden und die horizontale Belastung erst nach der Durchführung einer vertikalen Probebelastung erfolgen, um eine Beeinflussung bzw. Veränderung der Mantelreibung im vertikalen Versuch weitestgehend ausschließen zu können. Im einfachsten Fall werden nur die Verschiebung und die Verdrehung des Pfahlkopfes gemessen. Um jedoch den Verlauf des Bettungsmoduls als Funktion der Tiefe zu erhalten, ist die Biegelinie des Probepfahles mit einem Inklinometer zu messen. Abbildung 030|4-23: horizontale Probebelastungen von Pfählen

Nachweisführung bei Pfählen

030|4|8|2

Die charakteristischen Werte der Mantelreibung und des Pfahlsohlendruckes in Abhängigkeit vom Boden und der Setzung werden in der ÖNORM B 1997-1-3 [50] angegeben. Diese Norm gibt Bodenkennwerte für die Gültigkeit der angeführten Sohldrücke bzw. Mantelreibungen an. Es wird in dieser Norm auch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass eine Addition der angeführten Mantelreibungen bzw. Sohldrücke zur Bestimmung der Tragfähigkeit möglich ist. Allerdings hängt die Mantelreibung sehr von der Art und Form des Kontaktes der Mantelfläche zum umgebenden Boden ab. Dieser Kontakt ist je Herstellungsart und -qualität verschieden. Bei Herstellungsfehlern – z. B. nach hydraulischem Grundbruch – können die Mantelreibung und der Sohlwiderstand bis zur Gänze vernichtet werden. ;

Eine Addition von Mantelwiderstand und Sohldruckwiderstand zur Bestimmung der Tragfähigkeit von Pfählen ist zulässig.

;

;

⁄

;

; ;

;

⋅

; ; ; ;

, ; ,;

;

⁄

;

⋅ (030|4-03)

; ,

;

⋅

⋅

,;

vertikale Bemessungseinwirkung auf den Pfahl vertikaler Bemessungswiderstand des Pfahles charakteristischer Sohldruckwiderstand charakteristischer Mantelwiderstand Modellfaktor ; = 1,0 Widerstände axialer Druck Probebelastungen ;

= 1,3 Widerstände axialer Druck Tabellenwerte

Teilsicherheitsbeiwert Pfahlwiderstand Sohldruck = 1,10 Teilsicherheitsbeiwert Pfahlwiderstand Mantelreibung = 1,10 Pfahlfußfläche Pfahlmantelfläche in der Schicht charakteristischer Wert des Fußwiderstandes charakteristischer Wert der Mantelreibung in der Schicht

kN kN kN kN m² m² kN/m² kN/m²

Bemessung von Tiefgründungen | 103

Beispiel 030|4-01: Tragfähigkeitsnachweise Einzelpfahl Einwirkungen:

= 2000 kN = 1,35 = 400 kN = 1,50 Bemessungswert der Einwirkung: charakteristische Einwirkung:

; ;

= 20001,35+4001,50 = 3300 kN = 2000+400 = 2400 kN

Pfahllänge: 16,00 m Pfahldurchmesser: = 0,90 m Bodenprofil: Schicht 1 0,00 – 2,00 m Anschüttung Schicht 2 2,00 – 8,00 m sandiger Kies, dicht gelagert Schicht 3 8,00 – 16,00 m toniger Schluff, halbfest Modellfaktor Tabellenwerte ; = 1,30 Teilsicherheitsbeiwerte: = = 1,10 1.

Grenzzustand der Tragfähigkeit (ULS) Schicht 1: , ; = 0 kN/m² Schicht 2: , ; = 105 kN/m² Schicht 3: , ; = 75 kN/m² , ; = 2200 kN/m² Mantelwiderstand: ; = 0,90(1056,0+758,0) = 3478 kN Sohldruckwiderstand: ; = 22000,90²/4 = 1400 kN Bemessungswiderstand ULS ; = (3478+1400)/(1,301,10) = 3411 kN ; = 3411 kN  ; = 3300 kN

2.

Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (SLS) = 2 cm / = 2/90 = 0,022 Schicht 1: , ; = 0 kN/m² Schicht 2: , ; = 70 kN/m² Schicht 3: = 0,022) , ; = 50 kN/m² , ; = 950 kN/m² (bei / Mantelwiderstand: ; = 0,90(706,0+508,0) = 2318 kN Sohldruckwiderstand: ; = 9500,90²/4 = 604 kN Bemessungswiderstand SLS ; = 2318+604 = 2922 kN ; = 2922 kN  ; = 2400 kN

Beispiel 030|4-02: Traglasten von Pfahlgruppen (Gebrauchstauglichkeit)

Pfahldurchmesser a [cm] b [cm] c [cm] d [cm] e [cm] f [cm] g [cm]

104 | Tiefgründungen

90 cm 95 225 415 320 510 640 865

120 cm 110 300 520 425 645 820 1120

Eine negative Mantelreibung kann auftreten, wenn z. B. der umgebende Boden noch nicht konsolidiert ist (junge, nicht verdichtete Anschüttungen, Moorböden etc.). In diesem Fall tritt eine Eigensetzung dieser Böden auf, die über eine negative Mantelreibung den Pfahl zusätzlich belastet. Dieser Pfahl muss dann nicht nur die vorhandenen Bauwerkslasten, sondern auch noch die negative Mantelreibung in den Untergrund abtragen. Weiters kann eine negative Mantelreibung auch dann auftreten, wenn der den Gründungskörper umgebende Boden belastet wird (Dammschüttungen neben mit Pfählen gegründeten Brückenpfeilern etc.). Bei Pfahlgruppen ist darauf Rücksicht zu nehmen, dass zufolge der gegenseitigen Beeinflussung größere Setzungen auftreten werden. Weiters wird nicht die volle Mantelreibung wirksam. Als Näherung hat sich in der Praxis für konsolidierte bindige und zumindest mitteldicht gelagerte nichtbindige Böden ein Rechenansatz bewährt, bei dem für tangierende Pfähle die Mantelreibung für die Umhüllende der Pfähle angesetzt wird. Bei einem mittleren Achsabstand zweier benachbarter Pfähle größer 2,5 mal dem Pfahldurchmesser wird dann die Tragfähigkeit für die Einzelpfähle berechnet. Für zwischenliegende Achsabstände sind die Werte linear zu interpolieren.

Setzungen von Pfählen

030|4|8|3

Während bei der Berechnung der Setzungen von Flachgründungen die setzungswirksamen Spannungen einigermaßen bekannt sind, ist dies bei Tiefgründungen weitaus komplexer. Grundsätzlich kann davon ausgegangen werden, dass bei Tiefgründungen, eine sachgemäße und sorgfältige Herstellung vorausgesetzt, geringere Setzungen auftreten als bei einer Flachgründung. Dies beruht einerseits darauf, dass mit der Tiefe die Steifigkeit des Baugrundes zunimmt und andererseits über die Sohle des Tiefgründungselementes nur ein Teil der auftretenden Lasten in den Untergrund abgetragen wird. Da die Bemessung der Tragfähigkeit von Tiefgründungselementen auf den Ergebnissen von Probebelastungen, bei denen die Gebrauchslast bei einer definierten Setzungsgröße festgelegt wurde, beruht, können in der Praxis die Ergebnisse dieser Probebelastungen für die Abschätzung der Setzungen übernommen werden.

Setzungen von Pfahl-Plattengründungen

Grundsätzlich kann davon ausgegangen werden, dass bei Tiefgründungen geringere Setzungen auftreten als bei Flachgründungen.

030|4|8|4

Die als Verbundkörper wirkenden kombinierten Pfahl-Plattengründungen (KPP) und Kastengründungen (KG) sind hinsichtlich ihres Last-Setzungsverhaltens aufwändiger zu berechnen und vorauszusagen. Über das Tragverhalten derartiger Fundierungen, speziell über das Mittragen des vom Kasten eingeschlossenen Bodens, gibt es nur wenige Untersuchungen. Eine Forschungsarbeit über das Trag-Setzungsverhalten von vertikal belasteten einund mehrzelligen Kastenfundierungen, die unter anderem geotechnische Messdaten der Schlitzwandkastengründung der UNO-CITY (Wien) sowie jene der Kastenfundierungen von zwei Donaubrücken und zahlreiche Modellversuche auswertet, liefern Kraft-Setzungs-Diagramme der unterschiedlichen Gründungskombinationen (Abbildung 030|4-24). Um eine Vergleichbarkeit auch zu den Pfahlkästen und Pfahlgruppen zu ermöglichen, wurde die Last ( -Achse) dividiert durch die Gründungsfläche , den Pfahldurchmesser und die mittlere Dichte des Baugrundes und die Setzung ( -Achse) ebenfalls mittels Division durch den Pfahldurchmesser

Bemessung von Tiefgründungen | 105

dimensionslos ausgegeben. Es handelt sich hierbei um einen relativ vereinfachten Vergleich, bei dem die Eigenschaften des Untergrundes nur mehr mit einem Parameter vertreten sind. Obwohl es sich stets um gleichartige Pfähle handelt, zeigen sich zwischen den Beanspruchungsformen als Einzelelement einerseits und als Gruppenelement andererseits deutliche Unterschiede. Unter Bauwerksbedingungen erfolgt die Lastabtragung der Pfähle erst in größerer Tiefe. Die Abtragung der Bauwerkslasten über die Sohlplatte direkt in den Untergrund wirkt sich in den oberen Metern der Pfähle besonders stark aus – negative Mantelreibung aus der Sohlplatte und positiver Scherwiderstand des Untergrundes halten dort einander die Waage. Abbildung 030|4-24: dimensionsloses Kraft-Setzungs-Diagramm [31] [30]

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

IZD-Hochhaus Wien = 127 m – SW-Kästen mit Leerstrecken Twin Tower Wien = 137 m – SW-Kästen UNO-City Wien – Schlitzwände = 22 m Mischek Hochhaus Wien = 120 m – SW-Kästen geschlossen Millennium Tower Wien = 202 m – KPP = 13-16 m ARES Tower Wien = 88 m – KPP Andromeda Tower Wien = 102 m – KPP Business Park Wien = 86 m – Pfahlgründung Donaubrücke Pöchlarn – Kastenfundierung = 25 m Donaubrücke Tulln – Kastenfundierung = 20-28 m

106 | Tiefgründungen

Bild 030|4-01

Bild 030|4-02

duktiler Rammpfahl – Rammvorgang Bohrgerät für Mikropfähle

Bild 030|4-01 Bild 030|4-02

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Bild 030|4-08

Herstellung duktiler Rammpfahl mit Mantelverpressung

Bild 030|4-09

Pfahlköpfe – duktile Rammpfähle vor Pfahlverpressung Pfahlköpfe – duktile Rammpfähle mit Schrägzugpfählen

Bilder 030|4-03 bis 08

Bild 030|4-10

Bild 030|4-09 Bild 030|4-10

Farbteil 030|4 | 107

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Bild 030|4-13

Ortbetonrammpfahl System „Zeissl“ – Rammvorgang Ortbetonrammpfahl System „Zeissl“ – Ramme Ortbetonrammpfahl System „Zeissl“ – Mantelrohr

Bild 030|4-14

Bild 030|4-11 Bild 030|4-12 Bild 030|4-13

Bild 030|4-15

Ortbetonrammpfahl System „Zeissl“ – Mantelrohre Ortbetonrammpfahl System „Zeissl“ – Pfahlkopf/Ramme

Bild 030|4-16

Ortbetonrammpfahl System „Zeissl“ – Pfahlfuß/Klappe Ortbetonrammpfähle System „Zeissl“

108 | Tiefgründungen

Bild 030|4-14 Bild 030|4-15

Bild 030|4-17

Bild 030|4-16 Bild 030|4-17

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Bohrpfahlgerät und Schneckenbohrpfahlgeräte

Bild 030|4-21

Bilder 030|4-18 bis 20

Bohrgreifer und Bewehrung Bohrpfahl

Bild 030|4-24

Bilder 030|4-21 bis 23

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Bohrpfahlherstellung mit Verrohrung, Greifer, Meissel und Betoniervorgang

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Bilder 030|4-24 bis 26

Farbteil 030|4 | 109

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Schneckenbohrpfahlgerät Bohrpfahlherstellung Herstellung Großbohrpfahl

Bild 030|4-30

Bild 030|4-27 Bild 030|4-28 Bild 030|4-29

Bild 030|4-31

Einheben Bewehrung Bohrpfahl Pfahlprüfung – Belastungskrone und Erdanker

Bild 030|4-32

Pfahlprüfung – „Osterberg-Pressen“ Pfahlprüfung – Stahlträger und Erdanker

110 | Tiefgründungen

Bild 030|4-30 Bild 030|4-31

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Schlitzwandgreifer – Arbeiten bei Nacht Schlitzwandgreifer

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Schlitzwandgreifer Einheben Bewehrung mit Fertigteil in Schlitzwandelement

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Schlitzwandgreifer und Bewehrungsversetzen Einheben Bewehrung in Schlitzwandelement Schlitzwand – Abschalelement

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Farbteil 030|4 | 111

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Herstellung Leitwände für Schlitzwand fertige Leitwände vor Schlitzwandaushub

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Schlitzwandfräse Schlitzwandfräse Fräskopf Schlitzwandfräse

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Schlitzwandfräse Schlitzwandfräse – Detail Fräskopf

112 | Tiefgründungen

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Pfahlkopf Mikropfahl Mikropfähle

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Herstellung Schraubbohrpfahl Schraubbohrpfähle Gerät und Herstellung Schraubbohrpfähle

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TNO Prüfung TNO Prüfung – Auswertung

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Farbteil 030|4 | 113

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Pfahlkasten-Fundierung Bohrschablone einer Pfahlkasten-Fundierung Kastengründung – Modellversuch

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Druckmessdose Einbau Druckmessdose – Pfahlfuß

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Bewehrungsdehnungsaufnehmer Pfahl-Plattengründung – Pfahlköpfe mit Instrumentierung

114 | Tiefgründungen

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Baugruben Soweit es die örtlichen Verhältnisse zulassen, ist bei geringer Baugrubentiefe wirtschaftlich eine flache Baugrube mit Böschungen herzustellen. Mit wachsender Tiefe nehmen jedoch die Aushubmassen und die Kosten für den Mehraushub und das Wiederverfüllen erheblich zu. Zusätzlich ist mit zunehmender Tiefe mit Grund-, Schicht- oder Sickerwasser zu rechnen, was zusätzliche Maßnahmen wie z. B. Wasserhaltungen erfordert. Im innerstädtischen Gebiet bzw. in dicht bebauten Bereichen ist ein Abböschen von Baugrubenwänden aus Platzmangel oft nicht mehr möglich, sodass es schließlich wirtschaftlicher wird, nur die vorgesehene Gründungsfläche mit dem erforderlichen Arbeitsraum auszuheben und senkrecht gestützte Baugrubenwände vorzusehen. Des Weiteren ist zu überlegen, die Baugrubensicherung so zu wählen, dass sie gleichzeitig auch als zukünftiger Baukörper des geplanten Bauvorhabens dienen kann. In besonderen Fällen ist es vorteilhaft, im oberen Bereich, meistens über dem Grundwasser, einen Voraushub mit abgeböschten Baugrubenwänden herzustellen und darunter einen Verbau vorzusehen. Eine besondere Methode ist auch die Deckelbauweise, die eine Kombination von Baugrubenumschließung und konstruktiven Bauteilen des Bauwerkes zur Aussteifung darstellt (siehe Band 6: Keller [17]). Im Bereich von innerstädtischen Baulücken kommen in der Regel nur senkrechte Baugrubenwände in Frage. Vor der endgültigen Wahl der Baugrubensicherung sind folgende Erhebungen durchzuführen: - Erkundung der Untergrund- und Grundwasserverhältnisse - Art und Umfang des geplanten Bauvorhabens - Setzungsverträglichkeit des geplanten Bauvorhabens - Art und Weise der Gründung der angrenzenden Nachbarobjekte - Setzungs- bzw. Verformungsempfindlichkeit der Nachbarobjekte - Lage und Verformungsempfindlichkeit der angrenzenden Einbauten - Erhebung von Wasserrechten und Beurteilung der Einflüsse der Baugrubensicherung auf die Grundwasserverhältnisse - Zustimmung aller betroffenen Anrainer und öffentlichen Dienststellen - rechtzeitige Erhebungen eventueller Umweltauflagen

030|5

Vor der Wahl einer Baugrubensicherung sind zahlreiche Erhebungen durchzuführen.

Grundsätzlich sind im innerstädtischen Gebiet bzw. bei Baulückenverbauungen zwei Möglichkeiten der Baugrubensicherung zu unterscheiden:  

Sicherungen ohne Benützung des Fremdgrundes Sicherungen mit Benützung des Fremdgrundes bzw. Unterfangungen

Abgesehen von schmalen Gräben für Kanäle und Leitungen kommen zur Stützung der Baugrubenwände folgende Verfahren und Methoden zur Anwendung: - Trägerbohlenwände - Spundwände und Kanaldielen - Pfahlwände (aufgelöst, tangierend und überschnitten) - Schlitzwände (siehe 030|4|2) - Injektionswände (für Unterfangungen) - Wände im Düsenstrahlverfahren (DSV) - Elementwände - Bodenvernagelung Es ist aber möglich, eine Kombination mehrerer, dieser angeführten Verfahren vorzusehen.

Trägerwände | 115

Trägerwände

030|5|1

Trägerwände bestehen aus senkrechten Tragelementen, die nach statischem Erfordernis im Abstand von 1,0 bis 3,5 m entlang der geplanten Baugrubenwand von der Geländeoberfläche aus in vorbereitete Bohrlöcher eingestellt oder in den Boden eingerammt oder eingerüttelt werden. Die Felder zwischen den Trägern werden im Zuge des Baugrubenaushubs schrittweise durch einen Verbau geschlossen. Dieser Verbau nimmt die Erddruckkräfte auf und leitet sie in die Träger ein, welche die Kräfte konzentriert an eine Baugrubenaussteifung oder Verankerung und an das unterhalb der Sohle liegende Erdreich abgeben. Abbildung 030|5-01: verankerte Trägerbohlenwand

Trägerwände mit Holzausfachung sind wasserdurchlässig und eignen sich für die Sicherung von Baugrubenwänden oberhalb des Grundwasserspiegels bzw. bei abgesenktem Grundwasser. Die Träger bestehen aus -förmigen Querschnitten und müssen neben den Horizontalkräften aus dem Erddruck auch Vertikalkräfte aus der Wandreibung zwischen Baugrund und Verbau zufolge Vertikalkraftanteils von nach unten geneigten Verankerungen sowie aus eventuellen Baugrubenabdeckungen aufnehmen. Mit Ausnahme der durch Rammen oder Rütteln eingebauten Profile wird am Trägerfuß Beton in das Bohrloch eingebaut. Das Bohrloch oberhalb des Trägerfußes wird bis zur Geländeoberfläche mit geeignetem Bodenmaterial verfüllt, das bei der späteren Verbauherstellung nicht in die Baugrube ausrieselt. Steht kein geeignetes Material zur Verfügung, so kann ein durch Zement schwach gebundenes Sand-Kiesgemisch verwendet werden. Mit dem Einbau der Ausfachung ist je nach Bodenart spätestens bei einer Aushubtiefe von 1,25 m zu beginnen. Die Ausfachungselemente sind waagerecht gespannt und stützen sich auf den Trägern ab.

116 | Baugruben

Trägerwände eignen sich nur für Baugrubensicherungen oberhalb des Grundwasserspiegels.

Abbildung 030|5-02: Ausfachungen von Trägerbohlenwänden

Betonausfachung

Holzausfachung Spritzbetonausfachung (alternativ Stahlbetonfertigteile)

Holzausfachung Beim Holzverbau werden die baugrubenseitigen Flansche der Träger freigelegt und die Holzbohlen mit rund 14 cm Dicke zwischen den Trägern eingebaut. Die jeweils freigelegten Wandabschnitte besitzen je nach Standfestigkeit des Baugrundes eine Höhe von 20 bis 100 cm. Die Bohlen werden innerhalb dieses Wandabschnittes dann von unten nach oben eingebaut und an ihrer Rückseite mit Bodenmaterial oder Magerbeton verfüllt. Die Verbohlung wird an den Trägerflanschen durch Keile, die gegen Herausfallen durch z. B. eine aufgenagelte Latte gesichert werden, gegen das Erdreich gedrückt. Alternativ zu den Holzbohlen sind auch Stahlbetonfertigteile möglich. Betonausfachung Bei bindigen oder standfesten Böden kann ein bewehrter Betonverbau in rund 15 cm dickem Ortbeton mit einseitiger Schalung ausgeführt werden. Spritzbetonausfachung Eine weitere Möglichkeit ist die Anwendung von Spritzbeton, der gewölbeartig in der statisch erforderlichen Dicke in einer Lage auf die freigelegte Wandfläche gespritzt wird. Bei bewehrten Spritzbetonschalen wird zusätzlich ein Baustahlgewebe eingelegt und dieses mit einer oder mehreren Spritzbetonlagen abgedeckt. Spundwandprofile Durch das gleichzeitige Versetzen der Träger und der zwischenliegenden Spundwandprofile ist im Rahmen des Baugrubenaushubes nur noch der Einbau von Querträgern zur Spundwandsicherung im statisch erforderlichen Abstand nötig. Die Baugrubenaussteifung erfolgt weiterhin über den Trägerverbau. Rückverankerte Träger sind entweder einzeln mit Anker versehen oder erhalten eine Gurtung, die dann die Ankerköpfe trägt. Diese Gurtung kann durchgehend oder auch unterbrochen sein, wenn sichergestellt ist, dass der Ausfall eines Ankers in einer Ankergruppe noch nicht zum Versagen des Bauteils führt. Wenn es nicht zweckmäßig oder möglich ist, die Trägerbohlenwände zu verankern, werden die Träger innerhalb der Baugrube ausgesteift oder abgestützt. Bei geringen Baugrubenbreiten können auch gegenüberstehende Träger ohne Zwischenschaltung einer Gurtung abgesteift werden.

Spundwandprofile auf Träger abgestützt

Die Stützung von Baugrubenwänden kann durch Verankerungen oder Steifen erfolgen.

Abbildung 030|5-03: Stützung von Baugrubenwänden

eingespannt

verankert

ausgesteift

abgestützt

Trägerwände | 117

Eine Alternative stellt die Abstützung auf den Boden der Baugrube dar, wobei hier besondere Maßnahmen beim Baugrubenaushub und eine abschnittsweise Herstellung der Sohle erforderlich werden. Im Zuge von Infrastrukturprojekten haben sich in Deutschland unterschiedliche Varianten des Trägerverbaus entwickelt. Der klassische Trägerverbau ist der Berliner Verbau, ursprünglich auch Berliner Bauweise genannt, bei dem -Träger eingerammt und eine klassische Holzausfachung ausgeführt wurden. Abwandlungen davon sind der Hamburger und Münchner Verbau, der Heidelberger Verbau und der Essener Verbau.

Spundwände

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Bei der Umschließung von Baugruben, aber auch für Kaimauern mit großen Tiefen und bei umfangreichen Wasserbauanlagen wie z. B. Schleusen werden Spundwände und kombinierte Stahlspundwände nach wie vor eingesetzt. Die Spundwandbauweise ist insbesondere dort wirtschaftlich, wo die Untergrundverhältnisse und die örtlichen Gegebenheiten das Rammen der Spundwandprofile zulassen. Abbildung 030|5-04: Spundwände und Spundwandprofile

Bei dicht und sehr dicht gelagerten Böden, bei denen ein Rammfortschritt kaum oder nur mit sehr hoher Rammenergie möglich ist, werden Einbringhilfen als rammbegleitende Maßnahmen eingesetzt. Abhängig von den Bodenarten können unterschiedliche Einbringhilfen verwendet werden. - bei dicht bis sehr dicht gelagerten sandigen und kiesigen Böden: Niederdruckspülung, Hochdruckspülung, Entspannungsbohrungen vor Rammbeginn - bei stark bindigen und zähen Böden: Niederdruckspülung, Entspannungsbohrungen, bei hohen Porenwasserdrücken mit Vertikaldrainagen kombiniert - bei harten, felsartigen Böden: Lockerungssprengungen mit geringer Sprengmitteldosierung, Luftpuffersprengungen, Bohrungen

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Spundwände sind dort wirtschaftlich einsetzbar, wo auch Rammerschütterungen zulässig sind.

Tabelle 030|5-01: Spundwandprofile System Larssen Profil Larssen 22 Larssen 23 Larssen 24 Larssen 25 Larssen 600 Larssen 601 Larssen 602 Larssen 603 Larssen 604 Larssen 604n Larssen 605 Larssen 606 Larssen 606n Larssen 628 Larssen 607 Larssen 607n Larssen 703 Larssen 716 Larssen 720

Breite [mm] 500 500 500 500 600 600 600 600 600 600 600 600 600 600 600 600 700 700 750

Höhe [mm] 340 420 420 420 150 310 310 310 380 380 420 435 435 456 435 452 400 440 450

Rückendicke [mm] 10,0 11,5 15,6 20,0 9,5 7,5 8,2 9,7 10,5 10,0 12,5 15,6 14,4 16,3 21,5 19,0 9,5 10,2 12,0

Stegdicke [mm] 9,0 10,0 10,0 11,5 9,5 6,4 8,0 8,2 9,0 9,0 9,0 9,2 9,2 9,8 98 10,6 8,0 9,5 10,0

Gewicht [kg/m²] 123,6 155,0 175,0 206,0 94,0 78,0 89,0 1ß8,0 124,2 123,0 139,2 157,3 157,0 165,5 190,7 190,0 96,4 114,2 128,5

Querschnitt

Aber auch dann, wenn das Rammen aus Gründen der Lärmbelästigung, Erschütterung oder aus bodenmechanischen Gründen nicht möglich ist, werden Spundwände als tragende und dichtende Wände eingesetzt. Das Einstellen von Spundbohlen in vorgefertigte, mit einem Dichtwandmittel gefüllte Schlitze wird oft da angewendet, wo eine Dichtwand auch tragende Funktion als Baugrubenwand hat und das Einrammen von Spundwänden, aus welchen Gründen auch immer, nicht möglich ist. Wenn in solchen Fällen die Gesamttiefe der Wand wegen der Einbindelänge z. B. bis zum Grundwasserstauer größere Ausmaße annimmt, wird oft die Spundwand in den Schlitz nur eingehängt und deckt dann nur den statisch erforderlichen Bereich ab, nicht aber den darunter liegenden Teil, der nur dichtende Funktion hat. Für den städtischen Tiefbau wurden Spundwand-Pressgeräte entwickelt, mit denen geräuscharm und erschütterungsfrei Spundbohlen eingedrückt werden können. In der Regel benötigen diese Geräte auch einen nur relativ kleinen Freiraum, sodass sie auch für den Einsatz in Baulücken recht gut geeignet sind.

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Bohrpfahlwände Im Gegensatz zu den Träger- und Spundwänden besitzen Bohrpfahlwände und auch Schlitzwände ein wesentlich größeres Trägheits- und Widerstandsmoment. Bohrpfahlwände werden mit verrohrten bzw. unverrohrten Bohrungen hergestellt. Bei Ausführung mittels verrohrter Bohrungen bleibt der ursprüngliche Spannungszustand des umgebenden Bodens im Wesentlichen erhalten.

Bohrpfahlwände können mit verrohrten oder unverrohrten Bohrungen hergestellt werden.

Abbildung 030|5-05: Bohrpfahlwände Arten

überschnitten

tangierend

aufgelöst

aufgelöst mit Spritzbeton

aufgelöst mit DSV-Säulen

Bohrpfahlwände | 119

Bei sorgfältiger Ausführung des Aushubes können Bodenbewegungen bzw. Setzungen hinter der Wand auf ein Minimum beschränkt werden, sodass sich diese Wände für Baugrubenumschließungen im unmittelbaren Druckausbreitungsbereich neben Gebäuden und anderen Bauwerken gut eignen. In der Regel werden zur Abstützung Steifen oder Verankerungen verwendet. Bei den Bohrpfahlwänden sind mehrere Ausführungsarten üblich: überschnittene Bohrpfähle Es werden zunächst die Pfähle ohne Bewehrung und anschließend die Zwischenpfähle mit der Bewehrung hergestellt. Dabei schneiden diese in die beiden benachbarten, bereits betonierten Pfähle ein, sodass eine durchgehende Betonwand entsteht. Das Maß der Überschneidung ist von Pfahltiefe bzw. vom Durchmesser abhängig jedoch mindestens 10 bis 15 cm. Die klassische überschnittene Bohrpfahlwand sieht abwechselnd einen unbewehrten und einen bewehrten Pfahl vor, wobei der bewehrte Pfahl aus konstruktiven Gründen meist tiefer ausgebildet wird. In Abweichung dazu können jedoch bei geringen Wandbelastungen auch zwei bzw. drei unbewehrte und ein bewehrter Pfahl angeordnet werden. Abbildung 030|5-06: Herstellung überschnittene Bohrpfahlwand

tangierende Bohrpfähle Diese wasserdurchlässigen Pfahlwände bestehen aus aneinandergereihten Bohrpfählen mit einem lichten Abstand bis zu 10 cm. Häufigstes Einsatzgebiet ist die Sicherung von unmittelbar angrenzenden Bauwerken, da durch die vielen bewehrten Pfähle große Biegemomente übertragen werden können und durch den nur sehr geringen Pfahlabstand sichergestellt werden kann, dass während des Aushubes nur geringe Auflockerungen des Bodens hinter der Wand auftreten. aufgelöste Anordnung der Bohrpfähle Der Abstand der einzelnen Pfähle liegt üblicherweise bei 1,0 bis 3,0 m. Der Zwischenraum zwischen den Pfählen wird bei fortschreitendem Aushub durch Spritzbeton oder vor dem Aushub durch eine DSV-Säule gesichert, ein ungesicherter Zwischenraum ist nur bei einem standfesten Boden möglich, wird aber meist nicht ausgeführt. Die Sicherung zwischen den Pfählen kann eben oder gewölbeartig erfolgen. Auftretende Sickerwässer

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Bohrpfahlwände eigenen sich gut für Baugrubenumschließungen im unmittelbaren Druckausbreitungsbereich neben Gebäuden.

sind durch geeignete Maßnahmen wie Dränmatten oder Filterelemente hinter dem Spritzbeton zu fassen und abzuleiten. Der Anwendungsbereich aufgelöster Pfahlwände liegt in der Regel bei Verkehrsbauwerken oder in der Sicherung von Gebäuden, wenn Trägerwände eine zu geringe Steifigkeit aufweisen. VDW-Bohrpfahlwände, ADW-Bohrpfahlwände Seit Mitte der Achtzigerjahre werden durch verschiedene Gerätehersteller Drehbohrgeräte angeboten, mit denen sogenannte VDW-(Vor-der-Wand) oder ADW-(An-der-Wand) Bohrpfahlwände hergestellt werden können. Diese Geräte zeichnen sich dadurch aus, dass sie einen Drehantrieb aufweisen, der nur geringfügig über das Bohrrohr hinausragt. Damit können Bohrungen unmittelbar neben bestehenden Bebauungen abgeteuft werden. Zum Einsatz kommen in der Regel tangierende oder aufgelöste Wände, wobei die Bohrpfähle entweder konventionell (Korbbewehrung und Beton), oder aber mit Stahlprofilen und Zementsuspension hergestellt werden. Unter bestimmten Voraussetzungen können diese Wände ab einem Durchmesser von 400 mm auch überschnitten ausgeführt werden.

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Wände im Düsenstrahlverfahren Das Düsenstrahlverfahren (DSV) stellt eine Bodenvermörtelung dar, bei der mithilfe eines Schneidstrahles aus Wasser oder Zementsuspension der anstehende Boden im Bohrloch aufgeschnitten bzw. erodiert wird. Anschließend erfolgt in der aufgeweiteten Bohrung eine Vermörtelung durch Vermischen des erodierten Bodens mit Zementsuspension. Das Anwendungsgebiet reicht von feinkörnigen bis grobkörnigen Böden. Die Erosionsweite des Düsenstrahles liegt in Abhängigkeit des Bodens, der Verfahrensart und der verwendeten Flüssigkeit bei bis zu 2,50 m, wobei grundsätzlich gilt, dass, je feinkörniger der Boden ist, desto geringer die Erosionsweite ist. In Abhängigkeit der Bodenart und des Zementanteils können Endfestigkeiten der Vermörtelung eine Größenordnung von 2 bis 25 N/mm² erreichen.

Das Düsenstrahlverfahren ist eine Bodenvermörtelung mit Zementsuspension.

Tabelle 030|5-02: Düsenstrahlverfahren – Endfestigkeiten und Festigkeitsentwicklung Bodenart Druckfestigkeit [N/mm²] mögliche Säulendurchmesser [m]

Schluff

Sand

Kies