Empfehlungen des Arbeitskreises Pfaehle - EA-Pfaehle

Empfehlungen des Arbeitskreises „Pfahle"

EA-Pfahle Herausgegeben von der Deutschen Gesellschaft fur Geotechnik e.V.

3ICENTENNIAL

1 8 O 7

©WILEY 2 OO 7 BICENTENNIAL

[Ernst & Sohn A Wile y Company

Empfehlungen des Arbeitskreises „Pfahle"

EA-Pfahle

rnst & Sohn A Wiley

Company

200 Jahre Wiley - Wissen fur Generationen John Wiley & Sons feiert 2007 ein aufiergewohnliches Jubilaum: Der Verlag wird 200 Jahre alt. Zugleich blicken wir auf das erste Jahrzehnt des erfolgreichen Zusammenschlusses von John Wiley & Sons mit der VCH Verlagsgesellschaft in Deutschland, einschlieBlich des Ernst & Sohn Verlages fur Architektur und technische Wissenschaften, zurtick. Seit Generationen vermitteln Wiley und Wiley-VCH als auch Ernst & Sohn die Ergebnisse wissenschaftlicher Forschung und technischer Errungenschaften in der jeweils zeitgemaBen medialen Form. Jede Generation hat besondere Bediirfnisse und Ziele. Als Charles Wiley 1807 eine kleine Druckerei in Manhattan griindete, hatte seine Generation Aufbruchsmoglichkeiten wie keine zuvor. Wiley half, die neue amerikanische Literatur zu etablieren. Etwa ein halbes Jahrhundert spater, wahrend der „zweiten industriellen Revolution" in den Vereinigten Staaten, konzentrierte sich die nachste Generation auf den Aufbau dieser industriellen Zukunft. Wiley bot die notwendigen Fachinformationen fur Techniker, Ingenieure und Wissenschaftler. Das ganze 20. Jahrhundert wurde durch die Internationalisierung vieler Beziehungen gepragt - auch Wiley verstarkte seine verlegerischen Aktivitaten und schuf ein internationales Netzwerk, um den Austausch von Ideen, Informationen und Wissen rund um den Globus zu unterstiitzen. Wiley begleitete wahrend der vergangenen 200 Jahre viele Generationen und fordert heute den weltweit vernetzten Informationsfluss, damit auch unsere global wirkende Generation ihre Anspriiche erfiillen kann und ihr Ziel erreicht. Immer rascher verandert sich unsere Welt, und es entstehen neue Technologien, die unser Leben und Lernen zum Teil tief greifend verandern. Bestandig nimmt Wiley diese Herausforderungen an und stellt fur Sie das notwendige Wissen bereit, das Sie neue Welten, neue Moglichkeiten und neue Gelegenheiten erschlieBen lasst. Generationen kommen und gehen: Aber Sie konnen sich darauf verlassen, dass Wiley Sie als bestandiger und zuverlassiger Partner mit dem notwendigen Wissen versorgt.

William J. Pesce President and Chief Executive Officer

Peter Booth Wiley Chairman of the Board

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Arbeitskreis AK 2.1 „Pfahle" der Deutschen Gesellschaft fur Geotechnik e. V. (DGGT) Obmann: Univ.-Prof. Dr.-lng. Hans-Georg Kempfert Institut fur Geotechnik Universitat Kasse MonchebergstraSe 7 34125 Kasse

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet iiber http://dnb.d-nb.de abrufbar. ISBN 978-3-433-01870-5 © 2007 Ernst & Sohn, Verlag fur Architektur und technische Wissenschaften GmbH, Berlin Alle Rechte, insbesondere die der Ubersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form - durch Fotokopie, Mikrofilm Oder irgendein anderes Verfahren - reproduziert Oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache ubertragen Oder ubersetzt werden. All rights reserved (including those of translation into other languages). No part of this book may be reproduced in any form - by photoprint, microfilm, or any other means - nor transmitted or translated into a machine language without written permission from the publisher. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen Oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden diirfen. Vielmehr kann es sich auch dann urn eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschutzte Kennzeichen handeln, wenn sie als solche nicht eigens markiert sind. Satz: Manuela Treindl, Laaber Druck: betz-druck GmbH, Darmstadt Bindung: Litges & Dopf GmbH, Heppenheim Printed in Germany

Mitglieder des Arbeitskreises AK 2.1 „Pfähle“ Zum Zeitpunkt der Herausgabe der vorliegenden Sammelveröffentlichung setzte sich der Arbeitskreis „Pfähle“ wie folgt zusammen: Univ.-Prof. Dr.-Ing. H.-G. Kempfert, Kassel (Obmann) Dr.-Ing. W.-R. Linder, Essen (stellvertr. Obmann) Dipl.-Ing. W. Brieke, Düsseldorf Dipl.-Ing. A. Ellner, Nürnberg Dipl.-Ing. W. Faller, Berlin Dipl.-Ing. A. Gandyra, Berlin Dipl.-Ing. M. Glimm, Hamburg Dipl.-Ing. R. Jörger, Mannheim Dr.-Ing. O. Klingmüller, Mannheim Dipl.-Ing. W. Körner, Hamburg Dr.-Ing. Chr. Moormann, Stuttgart Dr.-Ing. K. Morgen, Hamburg Prof. Dr.-Ing. D. Placzek, Essen Dipl.-Ing. U. Plohmann, Eggenstein Dr.-Ing. K. Röder, Leipzig Dr.-Ing. H. G. Schmidt, Ladenburg Dr.-Ing. P. Schwarz, München Dr.-Ing. W. Schwarz, Schrobenhausen Dr.-Ing. S. Weihrauch, Hamburg Dr.-Ing. J. Zurborg, Düsseldorf Bei der Bearbeitung der EA-Pfähle haben mitgearbeitet bzw. mitgewirkt: Unterausschuss „Dynamische Pfahlprüfungen“ Mitarbeit zu Kapitel 10 und den Abschnitten 12.2 und 12.3 Dr.-Ing. O. Klingmüller, Mannheim (Obmann) Dipl.-Ing. A. Beneke, Achim Dr.-Ing. U. Ernst, Nürnberg Dipl.-Ing. M. Fritsch, Braunschweig Dipl.-Ing. G. Kainrath, Österreich Dr.-Ing. F. Kirsch, Berlin Dipl.-Ing. Ch. Leible, Mannheim P. Middendorp, MSc, Holland Dr. F. Rausche, USA Prof. Dr.-Ing. W. Rücker, Berlin Dipl.-Ing. W. Schallert, Berlin Dipl.-Ing. D. Schau, Holzbunge Dr.-Ing. W. Schwarz, Schrobenhausen Dr.-Ing. H.-M. Suckow, Braunschweig V

R. Skov, MSc, Dänemark Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Stahlmann, Braunschweig Dr.-Ing. G. Ulrich, Leutkirch Dr.-Ing. B. Wienholz, Oldenburg Unterausschuss „KPP- und Pfahlgruppen-Gründungen“ Mitwirkung zu den Abschnitten 8.1.1, 8.2.1, 8.3.1 und 8.4.1 Prof. Dr.-Ing. Th. Richter, Berlin (Obmann) Dipl.-Ing. U. Barth, Mannheim Univ.-Prof. Dr.-Ing. R. Katzenbach, Darmstadt Univ.-Prof. Dr.-Ing. H.-G. Kempfert, Kassel Prof. Dr.-Ing. B. Lutz, Berlin Dr.-Ing. Y. El-Mossallamy, Darmstadt Dr.-Ing. H. Wahrmund, Köln Dr.-Ing. Chr. Moormann, Stuttgart

VI

Vorwort und Benutzerhinweise Die Normung über die Ausführung und Bemessung von Pfahlgründungen und einzelnen Pfahlsystemen hat in Deutschland eine lange Tradition. Dabei arbeitet der Normenausschuss „Pfähle“ (NA 005-05-07) und der Arbeitskreis AK 2.1 „Pfähle“ der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik e. V. (DGGT) langjährig in Personalunion zusammen. Dieser gemeinsame Ausschuss hat in den vergangenen Jahrzehnten die in der Praxis bekannten und eingeführten Pfahlnormen DIN 4026 (Rammpfähle), DIN 4014 (Bohrpfähle) und DIN 4128 (Verpresspfähle) sowie den Pfahlteil der DIN 1054 (Abschnitt 5) bearbeitet und in den einzelnen Ausgaben dem Stand der Technik angepasst. Mit dem Beginn der europäischen Normung Ende der 1980er Jahre hat der Ausschuss die Aufgabe, die europäischen Ausführungsnormen DIN EN 1536 (Bohrpfähle), DIN EN 12 699 (Verdrängungspfähle) und DIN EN 14 199 (Mikropfähle) als nationaler Spiegelausschuss zu begleiten. Bezüglich der Berechnung und Bemessung von Pfählen lag sein Aufgabenschwerpunkt bei der Bearbeitung des entsprechenden Abschnittes in der „neuen“ DIN 1054:2005-01 und Vorläufern unter Berücksichtigung des Teilsicherheitskonzeptes. Derzeit erfolgt eine Zuarbeit zum nationalen Anwendungsdokument zur DIN EN 1997-1 (Eurocode EC 7-1) in Form der Ergänzungsnorm DIN 1054:2007 für den Pfahlabschnitt. Aufgrund der sich national und europäisch stark verändernden Regelungen auf dem Pfahlsektor, vorliegender Empfehlungen und Publikationen des Pfahlausschusses, z. B. „Seitendruck auf Pfähle“, „Dynamische Pfahlprüfungen“ usw., sowie neuer Erkenntnisse, die formal nicht unmittelbar in die Pfahlnormung einzubringen sind, hat sich der DGGT-Arbeitskreis AK 2.1 „Pfähle“ entschlossen, zusammenfassende Empfehlungen zur Berechnung und Bemessung von Pfählen national herauszugeben. Die „EA-Pfähle“ sieht sich damit in der Tradition vergleichbarer Empfehlungen der DGGT, wie z. B. EAB, EBGEO, usw., die sich als Regeln der Technik etabliert haben. Die vorliegende 1. Auflage der EA-Pfähle ist als zusammenfassender Entwurf zu verstehen, auch wenn Teile daraus bereits früher der Fachöffentlichkeit zur Kenntnis gegeben wurden. Die 1. Auflage hat bezüglich der Pfahlberechnung und -bemessung die DIN 1054:2005-01 zur Grundlage. Der Anwender wird bezüglich der Verbindlichkeit der vorliegenden Empfehlungen auf die Benutzerhinweise der EAB (2006), 4. Auflage, Verlag Ernst & Sohn, verwiesen, die hier in vergleichbarer Weise anzuwenden sind. Der Arbeitskreis AK 2.1 „Pfähle“ der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik e. V. (DGGT) bittet für die Weiterentwicklung der vorliegenden Empfehlungen um Hinweise und Zuschriften an den Obmann des AK 2.1 (Adresse siehe Seite IV). Kassel, 2007

H.-G. Kempfert VII

Inhaltsverzeichnis Mitglieder des Arbeitskreises AK 2.1 „Pfähle“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V Vorwort und Benutzerhinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII 1

Einleitung und Anwendungsgrundlagen der Empfehlungen . . . . 1

1.1 1.2

Nationale und internationale Vorschriften für Pfähle . . . . . . . . . . . . . . Nachweisformen und Grenzzustände nach dem Teilsicherheitskonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Neue Normengeneration und Übergangsregelungen . . . . . . . . . . . . . . . Beanspruchungen und Widerstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grenzzustände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anwendung der EA-Pfähle im Zusammenhang mit DIN EN 1997-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entwurfsverfasser, Fachplaner und Sachverständiger für Geotechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.3

1 2 2 3 4 6 8

2

Pfahlsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1 2.2 2.2.1 2.2.1.1 2.2.1.2 2.2.1.3

Übersicht und Zuordnung zu den Pfahlsystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Pfahlherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Bohrpfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Bohrpfähle mit verrohrter Bohrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Unverrohrt hergestellte Bohrpfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Unverrohrt hergestellte Bohrpfähle mit suspensionsgestützter Bohrlochwandung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Unverrohrt hergestellte Bohrpfähle mit durchgehender Bohrschnecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Unverrohrt hergestellte Bohrpfähle mit teilweise durchgehender Bohrschnecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Bohrpfähle mit Fußaufweitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Schlitzwandelemente/Barette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Fertigrammpfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Fertigrammpfähle aus Beton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Fertigrammpfähle aus Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Fertigrammpfähle aus Holz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Ortbetonrammpfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Ortbetonrammpfahl mit Innenrohrrammung (Frankipfahl) . . . . . . . . 16 Ortbetonrammpfahl mit Kopframmung (Simplexpfahl) . . . . . . . . . . . 17 Schraubpfähle (Vollverdrängungsbohrpfähle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.2.1.4 2.2.1.5 2.2.1.6 2.2.1.7 2.2.2 2.2.2.1 2.2.2.2 2.2.2.3 2.2.2.4 2.2.3 2.2.3.1 2.2.3.2 2.2.4 2.2.4.1

IX

2.2.4.2 2.2.4.3 2.2.5 2.2.5.1 2.2.5.2 2.2.6 2.2.7 2.3

Atlaspfahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fundexpfahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verpresste Verdrängungspfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verpressmörtelpfähle (VM-Pfähle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rüttelinjektionspfähle (RI-Pfähle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mikropfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohrverpresspfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pfahlähnliche Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

Grundsätze zu Entwurf und Berechnung von Pfahlgründungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.2 3.3 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6 3.4.7 3.5

Pfahlgründungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einzelpfahllösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pfahlroste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pfahlgruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kombinierte Pfahl-Plattengründungen (KPP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Baugrunderkundung bei Pfahlgründungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zuordnung der Böden bei Pfahlgründungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pfahlkonstruktionen zur Baugrubenherstellung und Sicherung von Geländesprüngen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anordnung der Pfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pfahlsysteme und spezielle Ausführungsanforderungen . . . . . . . . . . Berechnung und Bemessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bewehrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserdichtigkeit von Bohrpfahlwänden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pfahlkonstruktionen zur Böschungssicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

Einwirkungen und Beanspruchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.1 4.2 4.3

Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pfahlgründungslasten aus dem Bauwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Herstellungsbedingte Beanspruchungen von Verdrängungspfählen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Negative Mantelreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ermittlung der charakteristischen Einwirkung aus negativer Mantelreibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Negative Mantelreibung infolge Hebung des Bodens in der Pfahlumgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ermittlung der Bemessungsgrößen der Einwirkungen bzw. Beanspruchungen und Nachweisführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seitendruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.5 4.5.1 X

18 19 20 20 20 21 22 23

25 25 26 27 28 30 37 38 38 38 39 40 40 40 40 41

43 44 44 44 44 45 49 50 51 51

4.5.2 4.5.3 4.5.4

4.7 4.7.1 4.7.2

Notwendigkeit einer Pfahlbemessung auf Seitendruck . . . . . . . . . . . . Ermittlung der charakteristischen Einwirkung aus Fließdruck . . . . . Ermittlung der charakteristischen Einwirkung aus dem resultierenden Erddruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entfernungseinfluss und Mindestmomentenbeanspruchung . . . . . . . Beanspruchungen der Pfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusatzbeanspruchung von Schrägpfählen aus Baugrundverformung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gründungspfähle in Böschungen und an Geländesprüngen . . . . . . . . Gründungspfähle in Böschungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gründungspfähle an Geländesprüngen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

Tragverhalten und Widerstände von Einzelpfählen . . . . . . . . . . . 63

5.1 5.2

Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ermittlung von Pfahlwiderständen aus statischen Pfahlprobebelastungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Charakteristische Pfahlwiderstände im Grenzzustand der Tragfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Charakteristische Pfahlwiderstände im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ermittlung von Pfahlwiderständen aus dynamischen Pfahlprobebelastungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Axiale Pfahlwiderstände aus Erfahrungswerten . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anwendungsbereich der bisherigen Regelungen . . . . . . . . . . . . . . . . . Anwendungsbereich der neuen Regelungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anwendungsgrundlagen und Einschränkungen der Tabellenwerte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fertigrammpfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erfahrungswerte von Pfahlspitzenwiderstand und Pfahlmantelreibung von Fertigrammpfählen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ortbetonrammpfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erfahrungswerte von Pfahlspitzenwiderstand und Pfahlmantelreibung von Simplexpfählen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erfahrungswerte von Pfahlfußwiderstand und Pfahlmantelreibung von Frankipfählen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bohrpfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erfahrungswerte von Pfahlspitzenwiderstand und Pfahlmantelreibung von Bohrpfählen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erfahrungswerte von Pfahlspitzenwiderstand und Pfahlmantelreibung bei Fels und felsähnlichen Böden . . . . . . . . . . . .

4.5.5 4.5.6 4.6

5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.3 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.4.1 5.4.4.2 5.4.5 5.4.5.1 5.4.5.2 5.4.5.3 5.4.6 5.4.6.1 5.4.6.2 5.4.6.3

52 54 55 57 58 59 59 59 61

63 64 64 65 66 66 68 68 68 70 72 72 75 77 77 79 81 89 89 90 92 XI

5.4.6.4 5.4.6.5 5.4.7 5.4.8 5.4.8.1 5.4.8.2 5.4.9 5.4.9.1 5.4.9.2 5.4.9.3 5.4.9.4 5.4.9.5 5.4.10 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.9.1 5.9.2 5.9.3 5.9.4 5.10 5.11 5.12

Schlitzwandelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Bohrpfahlwände und Schlitzwände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Teilverdrängungsbohrpfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Schraubpfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Erfahrungswerte von Pfahlspitzenwiderstand und Pfahlmantelreibung von Schraubpfählen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Verpresste Verdrängungs- und Mikropfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Erfahrungswerte der Pfahlmantelreibung von Verpressmörtelpfählen (VM-Pfähle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Erfahrungswerte der Pfahlmantelreibung von Rüttelinjektionspfählen (RI-Pfähle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Erfahrungswerte der Pfahlmantelreibung von verpressten Mikropfählen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Erfahrungswerte der Pfahlmantelreibung von Rohrverpresspfählen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Anwendungen auf Zugpfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Bohrpfähle mit Fußaufweitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Weitere Verfahren nach DIN EN 1997-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Pfahlwiderstände bei Mantel- und Fußverpressung . . . . . . . . . . . . . . 106 Horizontale Pfahlwiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Pfahlwiderstände bei nichtruhenden Einwirkungen . . . . . . . . . . . . . 108 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Axiale Pfahlwiderstände bei zyklischen Einwirkungen . . . . . . . . . . 110 Horizontale Pfahlwiderstände bei zyklischen Einwirkungen . . . . . . 112 Horizontale Pfahlwiderstände bei stoßartigen Einwirkungen . . . . . 113 Innere Tragfähigkeit von Pfählen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Widerstand von Pfählen gegen Knickversagen in Bodenschichten mit geringer seitlicher Stützung und Knicksicherheitsnachweis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Numerische Berechnungen zur Tragfähigkeit von Einzelpfählen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

6

Standsicherheitsnachweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

6.1 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.3 6.4 6.5

Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Nachweis der Tragfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Axial belastete Pfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Quer zur Pfahlachse belastete Pfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Materialversagen von Pfählen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Nachweis der Gebrauchstauglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Pfahlgruppen und Pfahlroste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Kombinierte Pfahl-Plattengründungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

XII

7

Berechnung von Pfahlrosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

7.1 7.2

Berechnungsmodelle und Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Nichtlineares Pfahltragverhalten in der Pfahlrostberechnung . . . . . 126

8

Berechnung und Nachweise von Pfahlgruppen . . . . . . . . . . . . . . 127

8.1 8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.2 8.2.1 8.2.1.1 8.2.1.2

8.4 8.4.1 8.4.2 8.4.3 8.5

Einwirkungen und Beanspruchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Druckpfahlgruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Zugpfahlgruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Quer zur Pfahlachse belastete Pfahlgruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Tragverhalten und Widerstände von Pfahlgruppen . . . . . . . . . . . . . . 130 Druckpfahlgruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 Gruppenwirkung bezogen auf die Setzungen von Bohrpfahlgruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 Widerstände der (gebohrten) Gruppenpfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Verdrängungspfahlgruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Mikropfahlgruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Geschichteter Baugrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Zugpfahlgruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Quer zur Pfahlachse belastete Gruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Nachweis der Tragfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Druckpfahlgruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Äußere Tragfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 Materialnachweise Pfahlkopfplatte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Zugpfahlgruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Nachweis des angehängten Bodenkörpers im Grenzzustand GZ 1A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 Nachweis der Tragfähigkeit des einzelnen Zugpfahls im Grenzzustand GZ 1B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 Materialversagen von Gruppenpfählen und Pfahlkopfkonstruktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 Nachweis der Gebrauchstauglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Druckpfahlgruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Zugpfahlgruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 Quer zur Pfahlachse belastete Pfahlgruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 Genauere Nachweise bei Pfahlgruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

9

Statische Pfahlprobebelastungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

9.1 9.2 9.2.1 9.2.2

Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Statische axiale Pfahlprobebelastungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Herstellung der Probepfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Versuchsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

8.2.1.3 8.2.1.4 8.2.1.5 8.2.1.6 8.2.2 8.2.3 8.3 8.3.1 8.3.1.1 8.3.1.2 8.3.2 8.3.2.1 8.3.2.2 8.3.2.3 8.3.3

XIII

9.2.2.1 9.2.2.2 9.2.2.3 9.2.2.4 9.2.2.5 9.2.2.6 9.2.3 9.2.3.1 9.2.3.2 9.2.3.3 9.2.3.4 9.2.3.5 9.2.4 9.2.4.1 9.2.4.2 9.2.4.3 9.2.4.4 9.2.4.5 9.2.4.6 9.2.4.7 9.2.5 9.2.5.1 9.2.5.2 9.2.5.3 9.2.5.4 9.2.6 9.2.7 9.2.7.1 9.2.7.2 9.2.7.3 9.3 9.3.1 9.3.2 9.3.3 9.3.3.1 9.3.3.2 9.3.3.3 9.3.4 9.3.5 9.3.6 9.3.7 9.3.7.1 9.3.7.2 XIV

Allgemeine Hinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Anzahl der Probepfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 Prüflast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 Baugrunduntersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 Grundsätze der Instrumentierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 Besondere Belastungszustände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Belastungseinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Widerlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Pressen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 Belastung durch einbetonierte Pressen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 Pfahlkopf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Instrumentierung und Messverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Setzungs- und Hebungsmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Kraftmessung am Pfahlkopf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 Erfassung des Spitzenwiderstandes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 Erfassung der Pfahllängskraft und der Mantelreibung . . . . . . . . . . . 172 Dehnungs- und Stauchungsmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 Erfassung der Pfahlquerschnittsfläche und der Verformungseigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 Schutz der Messvorrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 Versuchszeitpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 Belastungsstufen und -geschwindigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Messintervalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 Aufzeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 Dokumentation und Berichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 Datenbericht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 Bericht mit den Auswertungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 Statische Pfahlprobebelastungen quer zur Pfahlachse . . . . . . . . . . . 182 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 Versuchsplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 Allgemeine Grundsätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 Probepfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 Baugrunduntersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 Grundsätze der Instrumentierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 Belastungszustände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 Belastungseinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 Instrumentierung und Messverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Kraftmessung am Pfahlkopf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Pfahlkopfverschiebungs- und -verdrehungsmessungen . . . . . . . . . . 188

9.3.7.3 Messung der Biegelinie und der Biegemomente des Pfahlschaftes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 9.3.7.4 Schutz der Messvorrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 9.3.8 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 9.3.8.1 Regelfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 9.3.8.2 Sonderfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 9.3.9 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 9.3.9.1 Last-Verschiebungs-Linien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 9.3.9.2 Bettungsmodul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 9.3.10 Dokumentation und Versuchsbericht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 9.3.10.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 9.3.10.2 Datenbericht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 9.3.10.3 Bericht mit den Auswertungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 10

Dynamische Pfahlprobebelastungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

10.1 10.2 10.3 10.3.1 10.3.2 10.3.3 10.4 10.4.1 10.4.2 10.4.3 10.4.4 10.5

Ziele und Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 Prinzip der dynamischen Probebelastungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Grundlagen und Entwicklungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Theoretische Einordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 High-Strain-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Rapid Load Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Anforderungen an die Prüfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 Pfahlvorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 Prüfzeitpunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Prüfvorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Messgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 Weitere Hinweise für die Vorbereitung und Durchführung der Prüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 10.6 Auswertung der Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 10.6.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 10.6.2 Direkte Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 10.6.2.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 10.6.2.2 Case-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 10.6.2.3 TNO-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 10.6.2.4 Unloading Point Methode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 10.6.3 Erweiterte Verfahren mit vollständiger Modellbildung . . . . . . . . . . 213 10.6.4 Ermittlung der charakteristischen Pfahlwiderstände aus den dynamischen Messwerten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 10.7 Prüfung der Rammgeräteeignung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 10.8 Qualifikation der Prüfinstitute und des Personals . . . . . . . . . . . . . . . 218 10.9 Dokumentation und Berichterstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218

XV

11

Qualitätssicherung bei der Bauausführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

11.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 11.2 Bohrpfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 11.2.1 Grundsätze zum Bohren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 11.2.2 Bohren im Grundwasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 11.2.2.1 Grundsätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 11.2.2.2 Durchmesser und Ziehgeschwindigkeit des Bohrwerkzeugs . . . . . . 223 11.2.2.3 Reinigung der Bohrlochsohle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 11.2.3 Fußaufweitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 11.2.4 Einbau der Bewehrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 11.2.5 Betonieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 11.2.5.1 Betonmischung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 11.2.5.2 Betoniervorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 11.2.6 Bohrpfähle mit durchgehender Bohrschnecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 11.3 Verdrängungspfähle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 11.3.1 Betonfertigpfähle – Hinweise zu Transport, Lagerung und Einbringung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 11.3.2 Ortbetonverdrängungspfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 11.3.2.1 Wasser-/Bodeneintritt ins Vortreibrohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 11.3.2.2 Betonieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 11.3.3 Verdrängungswirkung in bindigen Böden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 12

Pfahl-Integritätsprüfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

12.1 Zweck von Integritätsprüfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 12.2 Dynamische Integritätsprüfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 12.2.1 Ziele und Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 12.2.2 Vorbereitung und Durchführung der Prüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 12.2.3 Messungen und Messgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 12.2.4 Aus- und Bewertung der Prüfergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 12.2.5 Beurteilungsklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 12.2.6 Wellengeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 12.2.7 Dokumentation und Berichterstattung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 12.3 Ultraschall-Integritätsprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 12.3.1 Ziel und Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 12.3.2 Prinzip der Ultraschall-Integritätsprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 12.3.3 Durchführung der Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 12.3.4 Vorbereitung und Durchführung der Prüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 12.3.4.1 Auswahl der Prüfpfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 12.3.4.2 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 12.3.5 Versuchsauswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 12.3.5.1 Signalverläufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 12.3.5.2 Signalanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 12.3.5.3 Pfahlbewertung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 12.3.6 Dokumentation und Berichterstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 XVI

12.4 Pfahlprüfungen durch Kernbohrungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 12.4.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 12.4.2 Ausführung von Kernbohrungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 12.4.3 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 12.4.3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 12.4.3.2 Visuelle Bewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 12.4.4 Betonfestigkeit und Dauerhaftigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 12.4.5 Untersuchungen im Bohrloch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 Anhang A Begriffe, Teilsicherheitsbeiwerte und Berechnungsgrundlagen . . . . . . . . 255 A1 A2 A3 A4 A5

Begriffe und Formelzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 Teilsicherheitsbeiwerte für Einwirkungen und Beanspruchungen nach DIN 1054:2005-01, Tabelle 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 Teilsicherheitsbeiwerte für Widerstände nach DIN 1054:2005-01, Tabelle 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 Streuungsfaktoren [ zur Ermittlung der charakteristischen Pfahlwiderstände aus den Messwerten von Pfahlprobebelastungen nach DIN 1054:2005-01 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 Verfahren zur Ermittlung des Widerstandes von Pfählen gegen Knickversagen in Bodenschichten mit geringer seitlicher Stützung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262

Anhang B Berechnungsbeispiele Pfahlwiderstände und Nachweise . . . . . . . . . . . . . . 269 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8

Ermittlung der axialen Pfahlwiderstände aus statischen Pfahlprobebelastungen sowie Nachweise der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 Axiale Pfahlwiderstände aus dynamischen Probebelastungen . . . . 273 Ermittlung der axialen charakteristischen Pfahlwiderstände aus Erfahrungswerten für einen Bohrpfahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 Ermittlung der axialen charakteristischen Pfahlwiderstände aus Erfahrungswerten für einen Fertigrammpfahl . . . . . . . . . . . . . . . 277 Ermittlung der axialen charakteristischen Pfahlwiderstände aus Erfahrungswerten für einen Fundexpfahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 Grundlage der Auswertung einer statischen Pfahlprobebelastung am Beispiel eines Fertigrammpfahls und Vergleich mit Erfahrungswerten nach 5.4.4.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 Vorbemessung und Nachweis des Grenzzustandes der Tragfähigkeit von Frankipfählen auf der Grundlage von Erfahrungswerten und Vergleich mit einem Probebelastungsergebnis . . . . . . . . . . . . . . 288 Negative Mantelreibung bei einem Verdrängungspfahl infolge Geländeaufschüttung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 XVII

B9 B10 B11

B12 B13

Ermittlung der charakteristischen Beanspruchung eines quer zur Pfahlachse belasteten Pfahls und Nachweis gegen Materialversagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Auf Seitendruck beanspruchte Pfähle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 Pfeilergründung auf 9 Pfählen bei homogenem und geschichtetem Baugrund – Nachweise der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit unter Berücksichtigung von Gruppenwirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 Nachweise im Grenzzustand der Tragfähigkeit einer Zugpfahlgruppe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 Quer zur Pfahlachse belastete Pfahlgruppen: Ermittlung der Verteilung der horizontalen Bettungsmoduln . . . . . 332

Anhang C Beispiele zur dynamischen Pfahlprobebelastung und Integritätsprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 C1 C2 C3 C4 C5

Auswertungsbeispiel dynamische Pfahlprobebelastungen nach dem direkten Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 Auswertungsbeispiel für dynamische Pfahlprobebelastungen nach dem Erweiterten Verfahren mit vollständiger Modellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 Fallbeispiele „Low-Strain“-Integritätsprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 Rammbegleitende und/oder „High-Strain“-Integritätsprüfung . . . . 345 Fallbeispiel einer Ultraschallprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353

XVIII

1

Einleitung und Anwendungsgrundlagen der Empfehlungen

1.1

Nationale und internationale Vorschriften für Pfähle

(1) In Deutschland wird die Berechnung und Bemessung von Pfählen in DIN 1054:2005-01 geregelt. Zusätzlich liegt die europäische Bemessungsnorm DIN EN 1997-1 (EC 7-1) vor, die ebenfalls die Pfahlgründungen behandelt. Zur formalen und bauaufsichtlichen Anwendung dieser beiden Normen siehe 1.2. Für Stahlpfähle ist außerdem DIN EN 1993-5 zu beachten. (2) Für die einzelnen Pfahlsysteme existieren folgende Herstellungsnormen: DIN EN 1536:

Ausführung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) – Bohrpfähle; dazu DIN Fachbericht Nr. 129

DIN EN 12 699: Ausführung spezieller geotechnischer Arbeiten (Spezialtiefbau) – Verdrängungspfähle; dazu DIN Fachbericht in Vorbereitung DIN EN 12 794: Betonfertigteile – Gründungspfähle DIN EN 14 199: Ausführung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) – Pfähle mit kleinen Durchmessern (Mikropfähle); dazu DIN Fachbericht in Vorbereitung (3) Da auch Schlitzwandelemente oftmals im Sinne von Pfahlgründungen angewendet werden, ist als Herstellungsnorm DIN EN 1538:

Ausführung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) – Schlitzwände; dazu DIN Fachbericht in Vorbereitung,

in Verbindung mit DIN 4126:

Nachweis der Standsicherheit von Schlitzwänden

zu beachten. (4) Bezüglich der bisher geltenden Pfahlnormen DIN 4014, DIN 4026 und DIN 4128 siehe 1.2.1. (5) Weiterhin werden auch für einige spezielle Themen zu Pfählen ISO Normen erarbeitet, die in Deutschland voraussichtlich aber nicht bauaufsichtlich eingeführt werden. Derzeit liegt vor DIN EN ISO 22 477-1:

Geotechnische Erkundung und Untersuchung – Prüfung von geotechnischen Bauwerken und Bauwerksteilen – Teil 1: Pfahlprobebelastungen durch statische axiale Belastungen. 1

1.2

Nachweisformen und Grenzzustände nach dem Teilsicherheitskonzept

1.2.1

Neue Normengeneration und Übergangsregelungen

(1) Laut Beschluss der Europäischen Kommission ist vorgesehen, die maßgeblichen nationalen Bemessungs- und Ausführungsnormen im Bauwesen durch Europäische Normen zu ersetzen. Dazu liegen zwischenzeitlich zahlreiche europäische Bemessungs- und Ausführungsnormen für den Spezialtiefbau vor. (2) Die für die Herstellung von Pfählen maßgeblichen europäischen Ausführungsnormen sind in 1.1 aufgeführt. (3) Die Berechnung und Bemessung von Pfahlgründungen ist europäisch in DIN EN 1997-1: „Entwurf, Bemessung und Berechnung in der Geotechnik“ (Eurocode EC 7-1) behandelt. 2005 begann eine Zweijahresfrist, innerhalb der aufgrund europäischer Vereinbarungen ein Nationaler Anhang zum Eurocode EC 7-1 zu erstellen ist. Der Nationale Anhang (NA EC 7-1) wird nationale Festlegungen zu den gemäß Eurocode EC 7-1 national festzulegenden Kenngrößen enthalten. Gleichzeitig begann eine Fünfjahresfrist, bis zu deren Ablauf der Eurocode EC 7-1 in Verbindung mit dem NA EC 7-1 national eingeführt und alle widersprechenden nationalen Regelungen außer Kraft gesetzt werden sollen. Eine bis 2007 zu erarbeitende Ergänzungsnorm DIN 1054:~2007 darf dann nur noch widerspruchsfreie Ergänzungen zum Eurocode EC 7-1 in Verbindung mit dem NA EC 7-1 enthalten. (4) Als Übergangslösung bis zur Einführung der Eurocodes dient eine neue nationale Normengeneration nach dem Teilsicherheitskonzept für alle Gebiete des konstruktiven Ingenieurbaus. Für Pfahlgründungen sind insbesondere folgende Normen maßgebend: DIN 1055-100:2001-03: DIN 1054:2005-01: DIN 18 800:1990-11: DIN 1045:2001-07:

„Grundlagen der Tragwerksplanung“ „Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau“ „Stahlbauten“ „Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton“

(5) Die Parallelgeltung der auf dem Globalsicherheitskonzept basierenden DIN 1054:1976-11 und der DIN 1054:2005-01 im Teilsicherheitskonzept ist von der Bauaufsicht bis Ende 2007 befristet worden. Damit wird in der Geotechnik der nationale Übergang auf das Teilsicherheitskonzept voraussichtlich bis Ende 2007 vollzogen. Die DIN 1054:2005-01 wird mit Ablauf der noch nicht abschließend festgelegten Frist für die Parallelgeltung der nationalen Norm DIN 1054:2005-01 und der europäischen Norm Eurocode EC 7-1 in Verbindung mit dem Nationalen Anhang frühestens Ende 2009 zurückgezogen. (6) Solange noch nicht alle einschlägigen Technischen Baubestimmungen, Normen und Empfehlungen auf das Teilsicherheitskonzept umgestellt sind, gelten die Übergangsregelungen in DIN 1054:2005-01, Anhänge F und G. 2

1.2.2

Beanspruchungen und Widerstände

Anmerkung: Nachfolgende Absätze sind in Anlehnung an [22] formuliert. (1) Das ursprüngliche Teilsicherheitskonzept ging aus von der Wahrscheinlichkeitstheorie zur Festlegung der einzuhaltenden Sicherheiten auf probabilistischer Grundlage. Demgegenüber folgt die neue Normengeneration einer pragmatischen Aufspaltung der bisher gebräuchlichen Globalsicherheiten in Teilsicherheitsbeiwerte für Einwirkungen bzw. Beanspruchungen und Teilsicherheitsbeiwerte für Widerstände. (2) Grundlage für Standsicherheitsberechnungen sind die charakteristischen Werte für Einwirkungen und Widerstände. Der charakteristische Wert, gekennzeichnet durch den Index „k“, ist ein Wert, von dem angenommen wird, dass er mit einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeit im Bezugszeitraum unter Berücksichtigung der Nutzungsdauer des Bauwerkes oder der entsprechenden Bemessungssituation nicht über- oder unterschritten wird. In der Regel werden charakteristische Werte aufgrund von Versuchen, Messungen, Rechnungen oder Erfahrungen festgelegt. (3) Wenn die „innere“ oder „äußere“ Tragfähigkeit von Pfählen nachgewiesen werden muss, dann werden die Beanspruchungen am Pfahlkopf oder in Schnitten benötigt: – als Schnittgrößen, z. B. Normalkraft, Querkraft, Biegemoment, – als Spannungen, z. B. Druck-, Zug-, Biegespannung, Schub- oder Vergleichsspannung. Darüber hinaus können weitere Auswirkungen von Einwirkungen auftreten: – als dynamische oder zyklische Beanspruchung, – als Veränderung am Bauteil, z. B. Dehnung, Verformung oder Rissbreite, – als Lageveränderung der Einzelpfähle oder der Pfahlgruppe, z. B. Verschiebung, Setzung, Verdrehung. (4) Bei der Bemessung von Einzelteilen sind der Querschnitt und der innere Widerstand des Materials maßgebend. Dafür sind die einzelnen Bauartnormen zuständig. (5) Die charakteristischen Werte der Beanspruchungen werden mit Teilsicherheitsbeiwerten multipliziert, die charakteristischen Werte der Widerstände durch Teilsicherheitsbeiwerte dividiert. Die so erhaltenen Größen werden als Bemessungswerte der Beanspruchungen bzw. der Widerstände bezeichnet und durch den Index „d“ gekennzeichnet. Beim Nachweis der Standsicherheit werden unterschiedliche Grenzzustände unterschieden, siehe auch 1.2.3, 1.2.4, 3.1.1 (4) und (6).

3

1.2.3

Grenzzustände

Anmerkung: Der nachfolgende Text ist aus [22] entnommen. (1) Der Begriff „Grenzzustand“ wird in zwei verschiedenen Bedeutungen verwendet: a) Als „Grenzzustand des plastischen Fließens“ wird in der Bodenmechanik der Zustand im Boden bezeichnet, in dem in einer ganzen Bodenmasse oder zumindest im Bereich einer Bruchfuge die Verschiebungen der einzelnen Bodenteilchen gegeneinander so groß sind, dass die mögliche Scherfestigkeit ihren Größtwert erreicht, der auch bei einer weiteren Bewegung nicht mehr größer, gegebenenfalls aber kleiner werden kann. Der Grenzzustand des plastischen Fließens kennzeichnet den aktiven Erddruck, den Erdwiderstand, den Grundbruch, das „äußere“ Pfahlversagen sowie den Böschungs- und Geländebruch. b) Ein zweiter Grenzzustand im Sinne des neuen Sicherheitskonzeptes ist ein Zustand des Tragwerkes, bei dessen Überschreitung die der Tragwerksplanung zugrunde gelegten Anforderungen nicht mehr erfüllt sind. (2) Im Sinne des neuen Teilsicherheitskonzeptes werden folgende Grenzzustände unterschieden: a) Der Grenzzustand der Tragfähigkeit ist ein Zustand des Tragwerkes, dessen Überschreitung unmittelbar zu einem rechnerischen Einsturz oder einer anderen Form des Versagens führt. Er wird in DIN 1054 als Grenzzustand GZ 1 bezeichnet. Dabei werden beim Grenzzustand GZ 1 drei Fälle unterschieden, siehe (3), (4) und (5). b) Der Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit ist ein Zustand des Tragwerkes, bei dessen Überschreitung die für die Nutzung festgelegten Bedingungen nicht mehr erfüllt sind. Er wird in DIN 1054 als Grenzzustand GZ 2 bezeichnet. (3) Der Grenzzustand GZ 1A beschreibt den Verlust der Lagesicherheit. Dazu gehören: a) der Nachweis der Sicherheit gegen Umkippen, b) der Nachweis der Sicherheit gegen Aufschwimmen oder Abheben, z. B. bei einer Zugpfahlgruppe, c) der Nachweis der Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch. Beim Grenzzustand GZ 1A gibt es nur Einwirkungen, keine Widerstände. Maßgebend ist die Grenzzustandsbedingung Fd = Fk ⋅ γ dst ≤ G k ⋅ γ stb = G d

(1.1)

d. h. die destabilisierenden Einwirkungen Fk multipliziert mit dem Teilsicherheitsbeiwert Jdst t 1,0 dürfen höchstens so groß werden wie die stabilisierende Einwirkung Gk multipliziert mit dem Teilsicherheitsbeiwert Jstb < 1,0. 4

(4) Der Grenzzustand GZ 1B beschreibt das Versagen von Bauwerken und Bauteilen bzw. das Versagen des Baugrundes. Dazu gehören: a) der Nachweis der Tragfähigkeit von Bauwerken und von Bauteilen, die durch den Baugrund belastet bzw. durch den Baugrund gestützt werden, b) der Nachweis, dass die Tragfähigkeit des Baugrundes, z. B. in Form von Erdwiderstand, Grundbruchwiderstand, Pfahlwiderstand oder Gleitwiderstand, nicht überschritten wird. Dabei wird der Nachweis, dass die Tragfähigkeit des Baugrundes nicht überschritten wird, genau so geführt wie bei jedem anderen Baumaterial. Maßgebend ist immer die Grenzzustandsbedingung Ed = E k ⋅ γ F ≤ R k / γ R = Rd

(1.2)

d. h. die charakteristische Schnittgröße Ek, multipliziert mit dem Teilsicherheitsbeiwert JF für Einwirkungen bzw. Beanspruchungen, darf höchstens so groß werden wie der charakteristische Widerstand Rk dividiert durch den Teilsicherheitsbeiwert JR. (5) Der Grenzzustand GZ 1C ist eine Besonderheit des Erd- und Grundbaus. Er beschreibt den Verlust der Gesamtstandsicherheit. Dazu gehören: a) der Nachweis der Standsicherheit gegen Böschungsbruch, b) der Nachweis der Sicherheit gegen Geländebruch. Maßgebend ist immer die Grenzzustandsbedingung Ed d Rd

(1.3)

d. h. der Bemessungswert Ed der Beanspruchungen darf höchstens so groß werden wie der Bemessungswert Rd des Widerstandes. Hierbei werden die geotechnischen Einwirkungen und Widerstände mit den Bemessungswerten tan ϕ d′

= tan ϕ ′k / γ ϕ

und c d′

= c ′k / γ c bzw.

tan ϕ u,d = tan ϕ u,k / γ ϕ und c u,d = c u,k / γ c

(1.4a) (1.4b)

der Scherfestigkeiten ermittelt, d. h. die Reibung tan M und die Kohäsion c werden von vornherein mit den Teilsicherheitsbeiwerten JM und Jc abgemindert. (6) Der Grenzzustand GZ 2 beschreibt den Zustand des Bauwerkes oder Bauteiles, bei dem die für die Nutzung festgelegten Bedingungen nicht mehr erfüllt sind, ohne dass seine Tragfähigkeit verloren geht. Er liegt dem Nachweis der Gebrauchstauglichkeit zugrunde, d. h. dass die zu erwartenden Verschiebungen und Verformungen mit dem Zweck des Bauwerkes vereinbar sind.

5

1.2.4

Anwendung der EA-Pfähle im Zusammenhang mit DIN EN 1997-1

Anmerkung: Der nachfolgende Text ist teilweise aus [22] entnommen bzw. in Anlehnung daran formuliert. (1) Die vorliegende Fassung der EA-Pfähle beruht auf den Festlegungen der DIN 1054:2005-01. Diese wiederum entstand in enger Abstimmung mit DIN EN 1997-1, Eurocode EC 7-1. Die DIN 1054 ist nicht in allen Einzelheiten identisch mit Eurocode EC 7-1, widerspricht ihm aber auch nicht. Beim Übergang auf den Eurocode EC 7-1/NA EC 7-1, siehe 1.2.1, wird die DIN 1054:2005-01 durch die Ergänzungsnorm DIN 1054:~2007 ersetzt. Die damit verbundenen Folgen für die Anwendung der vorliegenden Fassung der Empfehlung werden nachfolgend, soweit in der Vorschau möglich, dargestellt. (2) Eine maßgeblich andere Festlegung in Eurocode EC 7-1 gegenüber DIN 1054:2005-01 sind andere Teilsicherheitsbeiwerte JP (niedriger) und Streuungsfaktoren [ (höher). Es ändern sich die Werte und Vorgehensweisen nach Anhang A3 und A4 dieser Empfehlung. In der Summe ergeben sich aber aus JP und [ vergleichbare Größenordnungen auf der widerstehenden Seite wie nach DIN 1054:2005-01. (3) Im Hinblick auf die Nachweise der Sicherheit im Grenzzustand GZ 1B nach 1.2.3 bietet der Eurocode EC 7-1 drei Möglichkeiten an. Die DIN 1054:2005-01 stützt sich auf das Nachweisverfahren 2 nach Eurocode EC 7-1 in der Form, dass die Teilsicherheitsbeiwerte auf die Beanspruchungen und auf die Widerstände angewendet werden. Zur Unterscheidung zu der ebenfalls zugelassenen Variante, bei der die Teilsicherheitsbeiwerte nicht auf die Beanspruchungen, sondern auf die Einwirkungen angewendet werden, wird dieses Verfahren im Kommentar zu Eurocode EC 7-1 als Nachweisverfahren 2* bezeichnet. Im Übrigen nutzt die DIN 1054 einige Freiräume, die nicht besonders geregelt sind, z. B. in Form der Lastfälle LF 1 bis 3. (4) Der Nationale Anhang und DIN 1054:~2007 ist ein formales Bindeglied zwischen dem Eurocode EC 7-1 und dem nationalen Normenwerk. In diesem Nationalen Anhang wird angegeben, welches der zur Auswahl gestellten Nachweisverfahren und welche Teilsicherheitsbeiwerte im nationalen Bereich maßgebend sind. Weiterhin darf angegeben werden, welche nationalen Regelwerke ergänzend anzuwenden sind. Die ergänzenden nationalen Regelungen dürfen dem Eurocode EC 7-1 nicht widersprechen. Darüber hinaus soll der Nationale Anhang und DIN 1054:~2007 keine Angaben wiederholen, die bereits im Eurocode EC 7-1 enthalten sind. (5) Eurocode EC 7-1 definiert in der maßgebenden Fassung anstelle der Grenzzustände GZ 1A, GZ 1B und GZ 1C nach DIN 1054:2005-01 folgende Grenzzustände:

6

a) EQU: Gleichgewichtsverlust des als starrer Körper angesehenen Tragwerkes oder des Baugrundes. Die Bezeichnung ist abgeleitet von „equilibrium“. b) STR: Inneres Versagen oder sehr große Verformungen des Tragwerkes oder seiner Bauteile, wobei die Festigkeit der Baustoffe für den Widerstand entscheidend ist. Die Bezeichnung ist abgeleitet von „structure failure“. c) GEO: Versagen oder sehr große Verformung des Tragwerkes oder des Baugrundes, wobei die Festigkeit des Bodens oder des Gesteins für den Widerstand entscheidend ist. Die Bezeichnung ist abgeleitet von „geotechnic failure“. d) UPL: Gleichgewichtsverlust des Bauwerkes oder Baugrundes infolge von Auftrieb oder Wasserdruck. Die Bezeichnung ist abgeleitet von „uplift“. e) HYD: Hydraulischer Grundbruch, innere Erosion oder „Piping“ im Boden, verursacht durch Strömungsgradienten. Die Bezeichnung ist abgeleitet von „hydraulic failure“. (6) Für die Übertragung des Grenzzustandes GZ 1B der DIN 1054:2005-01 in die Terminologie des Eurocodes EC 7-1 muss der Grenzzustand GEO aufgeteilt werden in GEO-2 und GEO-3: a) GEO-2: Versagen oder sehr große Verformung des Baugrundes im Zusammenhang mit der Ermittlung der Schnittgrößen und der Abmessungen, d. h. bei der Inanspruchnahme der Scherfestigkeit beim Erdwiderstand, beim Gleitwiderstand, beim Grundbruchwiderstand und beim Nachweis der Standsicherheit in der tiefen Gleitfuge sowie bei Spitzenwiderstand und Mantelreibung bei Pfahlgründungen. Der Grenzzustand GEO-2 beinhaltet das Nachweisverfahren 2*, siehe (3), nach Eurocode EC 7-1. b) GEO-3: Versagen oder sehr große Verformung des Baugrundes im Zusammenhang mit dem Nachweis der Gesamtstandsicherheit, d. h. bei der Inanspruchnahme der Scherfestigkeit beim Nachweis der Sicherheit gegen Böschungsbruch und Geländebruch sowie in der Regel beim Nachweis der Standsicherheit von konstruktiven Böschungssicherungen, auch unter Berücksichtigung konstruktiver Elemente, z. B. Anker, Pfähle. Der Grenzzustand GEO-3 beinhaltet das Nachweisverfahren 3 nach Eurocode EC 7-1. (7) Die bisherigen Grenzzustände werden wie folgt ersetzt: a) Dem bisherigen Grenzzustand GZ 1A nach DIN 1054:2005-01 entsprechen ohne Einschränkung die Grenzzustände EQU, UPL und HYD nach Eurocode EC 7-1. b) Dem bisherigen Grenzzustand GZ 1B nach DIN 1054:2005-01 entspricht ohne Einschränkung der Grenzzustand STR nach Eurocode EC 7-1. Hinzu kommt der Grenzzustand GEO-2 nach Eurocode EC 7-1 im Zusammenhang mit der „äußeren“ Bemessung der Gründungselemente, z. B. „äußere“ Pfahltragfähigkeit. c) Dem bisherigen Grenzzustand GZ 1C nach DIN 1054:2005-01 entspricht der Grenzzustand GEO-3 nach Eurocode EC 7-1 im Zusammenhang mit dem Nachweis der Gesamtstandsicherheit, d. h. bei Inanspruchnahme der 7

Scherfestigkeit beim Nachweis der Sicherheit gegen Böschungsbruch und Geländebruch. Die Nachweise der Standsicherheit von konstruktiven Böschungssicherungen sind in jedem Fall dem Grenzzustand GEO zuzuordnen. Dabei können sie je nach konstruktiver Ausbildung und Funktion, siehe DIN 1054:2005-01, nach den Angaben des bisherigen Grenzzustandes GZ 1B bzw. des Grenzzustandes GEO-2 oder nach den Angaben des bisherigen Grenzzustandes GZ 1C bzw. des Grenzzustandes GEO-3 behandelt werden. 1.3

Entwurfsverfasser, Fachplaner und Sachverständiger für Geotechnik

In der EA-Pfähle werden die Begriffe „Entwurfsverfasser“, „Fachplaner“ und „Sachverständiger für Geotechnik“ verwendet. Die Begriffe sind dabei im Sinne der DIN 1054:2005-01 bzw. DIN 4020 zu verstehen.

8

2

Pfahlsysteme

2.1

Übersicht und Zuordnung zu den Pfahlsystemen

(1) Die in ihrer Bauart und ihren Anwendungsmöglichkeiten sehr unterschiedlichen Pfahlsysteme können entsprechend der Herstellungs-Normen, in denen sie beschrieben sind, in drei Gruppen zusammengefasst werden. Dies sind: a) Bohrpfähle nach DIN EN 1536: Bohrpfähle sind dadurch gekennzeichnet, dass bei ihrer Herstellung Boden gefördert wird. Das geförderte Bodenvolumen kann dem gesamten oder nur einem Teil des Pfahlvolumens entsprechen. Innerhalb der Gruppe der Bohrpfähle werden folgende Pfahlarten unterschieden: – Verrohrt und unverrohrt hergestellte Pfähle. – Unverrohrt mit Stützflüssigkeit hergestellte Pfähle. Dazu zählen auch Schlitzwandelemente/Barette. – Unverrohrt mit durchgehender Bohrschnecke hergestellte Pfähle, wobei Bohrschnecken mit kleinem Seelenrohr und Bohrschnecken mit großem Seelenrohr zu unterscheiden sind. Bei Verwendung von Bohrschnecken mit kleinem Seelenrohr wird der Bewehrungskorb nach Fertigstellung des Pfahles in den Frischbeton eingebracht, beim Einsatz von Schnecken mit großem Seelenrohr wird der Bewehrungskorb im Schutze des Seelenrohres vor dem Betonieren eingebaut. Letztere werden auch als „Teilverdrängungsbohrpfähle“ bezeichnet, weil bei der Herstellung nur ein Teil des Pfahlvolumens an Boden gefördert und der übrige Teil verdrängt wird. Zur Untergruppe der Teilverdrängungsbohrpfähle gehören auch solche Systeme, deren Bohrrohr nur auf einer Teillänge im Fußbereich eine durchgehende Schnecke aufweist, da beim Einbohren in den tragfähigen Boden dieser zumindest teilweise in darüber liegende Schichten umgelagert und beim Herausziehen der Bohrschnecke das auf den Schneckengängen liegende Bodenmaterial auch bis zur Geländeoberfläche gefördert wird. Anmerkung: Aufgrund der Vielzahl unterschiedlich ausgebildeter Bohrschnecken ist eine scharfe Trennung zwischen der Zuordnung zur DIN EN 1536 oder DIN EN 12 699 nicht immer möglich, der Übergang ist fließend. b) Verdrängungspfähle nach DIN EN 12 699: Verdrängungspfähle sind dadurch gekennzeichnet, dass bei ihrer Herstellung der Boden vollständig verdrängt wird, so dass es zu keiner relevanten Bodenförderung kommt. Der Pfahldurchmesser bzw. die entsprechende Querschnittsabmessung muss > 150 mm sein. Innerhalb der Gruppe der Verdrängungspfähle werden unterschieden: – Fertigrammpfähle aus Stahlbeton, Spannbeton, Stahl und Holz, – Ortbetonrammpfähle, 9

10 Bild 2.1 Übersicht über die nach den Herstellungsnormen DIN EN 1536, DIN EN 12 699 und DIN EN 14 199 genormten Pfahlsysteme

– Schraubpfähle (Vollverdrängungsbohrpfähle), wobei darunter Pfahlsysteme zu verstehen sind, bei deren Herstellung das Vortreibrohr statisch, d. h. durch Drehen und Drücken, in den Boden eingebracht wird, ohne dass es bei der Pfahlherstellung zu einer relevanten Bodenförderung oder einer Bodenumlagerung aus dem Einbindebereich im tragfähigen Boden in darüber liegende Schichten kommt, und – verpresste Verdrängungspfähle. c) Mikropfähle nach DIN EN 14 199: Der Durchmesserbereich der Mikropfähle liegt nach dem derzeitigen Stand bei gebohrten Pfählen unter 0,30 m und bei Verdrängungspfählen unter 0,15 m. Die Kraftübertragung zum umgebenden Baugrund wird überwiegend durch Mantelreibung infolge Verpressen mit Beton oder Zementmörtel erreicht. Innerhalb der Gruppe werden unterschieden: – Ortbetonpfähle – Verbundpfähle (2) Bild 2.1 zeigt eine Übersicht zu den Pfahlsystemen. 2.2

Pfahlherstellung

2.2.1

Bohrpfähle

2.2.1.1 Bohrpfähle mit verrohrter Bohrung (1) Die Herstellung von Bohrpfählen nach DIN EN 1536, s. a. [59, 111], ist dadurch gekennzeichnet, dass durch Aushub ein temporärer Hohlraum hergestellt wird. Bei der Herstellung von Bohrpfählen mit verrohrter Bohrung wird der Boden im Schutz einer Verrohrung gelöst und gefördert. (2) Das Einbringen der Bohrrohre kann auf verschiedene Arten erfolgen: – mit Hilfe einer Verrohrungsanlage durch Rotation oder Hin- und Herdrehen und – axialer Anpresskraft, – durch einen Kraftdrehkopf im Drehbohrverfahren oder – mit einem Vibrationsbär. (3) Bei großen Bohrtiefen und hoher Mantelreibung kann die Verrohrung teleskopartig ausgebildet werden. Dabei wird der Durchmesser der Rohrtour mit zunehmender Tiefe abschnittsweise verringert. (4) Das Lösen und Fördern des Bodens kann im Drehbohrverfahren (Kellybohren) mit Schneckenbohrer, Kastenbohrer (Bohreimer), Kernbohrer oder mit Greifer am Seilbagger erfolgen. (5) Um Auflockerungen im umgebenden Boden so gering wie möglich zu halten, sind die Grundsätze nach 11.2.1 einzuhalten. Nach Erreichen der Endtiefe wird im 11

Regelfall ein Bewehrungskorb eingesetzt und der Pfahl im Kontraktorverfahren bei gleichzeitigem Ziehen der Verrohrung betoniert. (6) Bei Verwendung von speziellen Drehbohrwerkzeugen (Fußaufschneider) besteht die Möglichkeit zur Ausbildung eines gegenüber dem Pfahlschaft vergrößerten Pfahlfußes. (7) Verrohrte Bohrpfähle werden mit Schaftdurchmessern bis zu 2 m, in Sonderfällen auch größer, hergestellt. Der Hauptanwendungsbereich liegt zwischen 0,6 und 1,2 m. In Abhängigkeit vom Baugrund und Durchmesser können Tiefen bis ca. 60 m ausgeführt werden. (8) Die charakteristischen Pfahlwiderstände im Gebrauchszustand R2,k liegen, je nach Durchmesser und Untergrundverhältnissen, in einer Größenordnung zwischen etwa 1 und 10 MN, sie können bei großem Durchmesser und günstigen Untergrundverhältnissen auch noch höher sein. (9) Insbesondere die größeren Pfahldurchmesser können bei geeignetem Baugrund aufgrund ihrer hohen Biegesteifigkeit auch größere Horizontallasten abtragen. (10) Bohrpfähle können in allen bindigen und nichtbindigen Böden sowie im Fels hergestellt werden. Hindernisse können durchörtert werden. 2.2.1.2 Unverrohrt hergestellte Bohrpfähle (1) In ausreichend standfesten Böden können Bohrpfähle auch ohne eine Verrohrung des Bohrloches hergestellt werden. (2) In solchen Fällen ist lediglich im Bereich des Bohrlochmundes ein Schutzrohr zur Stabilisierung des Bohrloches und zur Führung des Bohrwerkzeuges erforderlich. (3) Werden nichtstandfeste Bodenschichten durchfahren, ist dieser Bereich des Bohrloches zu stützen. (4) Das Herstellungsverfahren sollte nur für Lotpfähle und Schrägpfähle bis zu einer Neigung von 15:1 eingesetzt werden. 2.2.1.3 Unverrohrt hergestellte Bohrpfähle mit suspensionsgestützter Bohrlochwandung (1) Die Herstellung von Bohrpfählen mit suspensionsgestütztem Bohrloch erfolgt in der Regel nach der Schlitzwandbauweise. Als Stützflüssigkeit zur Stabilisierung der Bohrlochwandung wird üblicherweise eine Bentonitsuspension eingesetzt. (2) Zu Beginn der Arbeiten wird ein Anfängerrohr bzw. eine Leitwand gesetzt. Danach erfolgt der Bodenaushub im Schutz der Stützflüssigkeit. Der Suspensionsspiegel im Bohrloch muss ständig innerhalb des Anfängerrohres bzw. der Leitwand so hoch gehalten werden, dass ein ausreichender Überdruck auf die Bohrlochwandung vorhanden ist. Nach Erreichen der Endtiefe werden im 12

Regelfall ein Bewehrungskorb und danach der Beton im Kontraktorverfahren eingebaut. (3) Der Bodenaushub kann mit entsprechendem Bohrwerkzeug oder mittels Saug- und Lufthebebohrverfahren mit Rollen- oder Flügelmeißeln durchgeführt werden. (4) Die Pfahlquerschnittsformen können kreisförmig mit Durchmessern bis ca. 3 m oder rechteckig als Baretts mit mehreren Metern Seitenlänge sein. Auch aufgelöste, z. B. T-förmige Querschnitte sind möglich, siehe auch 2.2.1.7. (5) Aufgrund der möglichen Querschnittsabmessungen können diese Pfähle sehr hohe vertikale und horizontale Lasten aufnehmen. Pfahllängen von 50 m und mehr sind möglich. (6) Das Verfahren eignet sich auch für die Herstellung von Primärstützen bei der Deckelbauweise. Dabei handelt es sich um vertikale Bauglieder, die beim Bauen „von oben nach unten“ als Auflager für die Geschossdecken dienen. Die Primärstütze besteht im Fußbereich aus dem Ortbetonpfahl und einer aufgehenden Fertigteilstütze aus Stahlbeton oder Stahl. 2.2.1.4 Unverrohrt hergestellte Bohrpfähle mit durchgehender Bohrschnecke (1) Diese Pfahlsysteme, die auch als Schneckenbohrpfähle bezeichnet werden, unterteilen sich aufgrund unterschiedlicher Ausbildung der Bohrschnecken in zwei Gruppen. Es werden Bohrschnecken mit kleinem und großem Seelenrohr unterschieden. (2) Kleine Seelenrohre besitzen Durchmesser von 10 bis 15 cm. Bei Schnecken mit großem Seelenrohr ist der Seelenrohrdurchmesser deutlich größer als der halbe Außendurchmesser der Bohrschnecke. (3) Die Außendurchmesser der Bohrschnecken liegen etwa zwischen 40 cm und 100 cm. (4) Pfähle mit durchgehender Bohrschnecke und großem Seelenrohr werden auch als Teilverdrängungsbohrpfähle bezeichnet, siehe auch 5.4.7 und 11.2.6. (5) Während des Abteufvorgangs sind Vortriebsgeschwindigkeit und Drehzahl der Bohrschnecke den Untergrundverhältnissen anzupassen, um die Bodenförderung zu begrenzen. Bei Verwendung einer Bohrschnecke mit großem Seelenrohr wird ein Teil des Bodens seitlich verdrängt. (6) Die Bohrlochwandung wird beim Bohrvorgang durch den auf den Schneckengängen liegende Boden gestützt. Das Seelenrohr ist durch eine verlorene Fußplatte zu verschließen, damit dieses frei von Bodenmaterial und Wasser bleibt. (7) Bedingt durch die Schneckengeometrie kann bei Verwendung von Bohrschnecken mit kleinem Seelenrohr ein Bewehrungskorb erst nach Fertigstellung des Pfahls in den Frischbeton eingebracht werden, bei Bohrschnecken mit großem 13

Seelenrohr kann ein Bewehrungskorb im Schutze des Seelenrohres vor dem Betonieren eingebaut werden. (8) Das Ziehen der Bohrschnecke sollte ohne Drehbewegung oder mit nur geringer Drehgeschwindigkeit im gleichen Drehsinn wie beim Abteufvorgang erfolgen, um einen Bodentransport über die Schnecke nach unten in den noch fließfähigen Beton auszuschließen. (9) Bohrpfähle mit durchgehender Bohrschnecke sollten nach DIN EN 1536 nicht in gleichförmigen, nichtbindigen Böden (d60 / d10 < 1,5) unter dem Grundwasserspiegel, in lockeren nichtbindigen Böden mit einer Lagerungsdichte D < 0,3 und in weichen bindigen Böden mit einer undränierten Scherfestigkeit cu < 15 kN/m2 hergestellt werden. Anmerkung: Die Erfahrungen bzgl. der nationalen Anwendungsgrenze liegen nach DIN 4014 bisher bei d60 / d10 d 3. (10) Die charakteristischen Pfahlwiderstände im Gebrauchszustand R2,k liegen, je nach Pfahldurchmesser und Untergrundverhältnissen, in einer Größenordnung zwischen etwa 0,5 MN und 2 MN. 2.2.1.5 Unverrohrt hergestellte Bohrpfähle mit teilweise durchgehender Bohrschnecke (1) Pfähle mit teilweise durchgehender Bohrschnecke und großem Seelenrohr werden auch als Teilverdrängungsbohrpfähle bezeichnet, siehe auch 5.4.7. 2.2.1.6 Bohrpfähle mit Fußaufweitungen (1) Siehe dazu 5.5. 2.2.1.7 Schlitzwandelemente/Barette (1) Schlitzwandelemente bzw. Barette sind nach DIN EN 1536 Bohrpfähle, wenn – sie in einem Arbeitsgang betoniert werden, – sie quadratische, rechteckige, T- oder L-förmige oder ähnliche Querschnittsformen aufweisen, – die kleinste Seite Wi t 0,4 m beträgt, – das Verhältnis zwischen der größten Abmessung Li und der kleinsten Abmessung Wi des Schlitzwandelementes Li / Wi d 6 beträgt, – die kleinste Abmessung für Stahlbetonfertigteile, die in Schlitzwandelemente eingebaut werden, Dp t 0,3 m bzw. Wp t 0,3 m ist (Dp als Durchmesser eines runden Fertigteiles, Wp als kleinere Seitenlänge eines rechteckigen Fertigteiles) und – die Gesamtquerschnittsfläche kleiner 10 m2 ist. (2) Damit sind die Elemente den unverrohrt hergestellten Bohrpfählen mit suspensionsgestützter Bohrlochwandung nach 2.2.1.3 zuzuordnen. 14

2.2.2

Fertigrammpfähle

2.2.2.1 Allgemeines (1) Unter Fertigrammpfählen versteht man vorgefertigte Pfahlelemente aus Beton, Stahl oder Holz nach DIN EN 12 699, die den Boden beim Einrammen vollkommen verdrängen. Die Pfähle werden in ganzer Länge werkseitig hergestellt, zur Baustelle transportiert und mit geeigneten Geräten gerammt. Fertigrammpfähle können senkrecht oder mit Neigung eingebracht werden, beim Einrammen wird der Boden seitlich verdrängt und dadurch verdichtet. (2) Aufgrund der Verdrängungswirkung und der Einbringung, die wie eine Pfahlbelastung wirkt, sind zur Mobilisierung der äußeren Tragfähigkeit nur geringe Setzungen bzw. Hebungen erforderlich. 2.2.2.2 Fertigrammpfähle aus Beton (1) Fertigrammpfähle aus Stahlbeton haben üblicherweise quadratische Querschnitte von 20 u 20 cm, 25 u 25 cm, 30 u 30 cm, 35 u 35 cm, 40 u 40 cm bis 45 u 45 cm, seltener kommen auch Schleuderbetonpfähle als Rundpfähle mit Hohlquerschnitt in ähnlichen Dimensionen zum Einsatz. Die Pfähle sind standardmäßig bewehrt oder vorgespannt für die Beanspruchungen bei Transport und Rammung, die Bewehrung kann aber auch für die Aufnahme bauseitiger Schnittkräfte (Druck, Zug, Biegung) in den Fundamenten ausgelegt werden. Vorgefertigte Betonpfähle werden für Standardtransporte in Längen zwischen 6 und 16 m produziert, darüber hinaus gehende Pfahllängen bis ca. 25 m sind, bei dann allerdings eingeschränkter, baupraktischer Anwendung, durch Spezialtransporte möglich. Praktikabler lassen sich, bei Pfahllängen über 18 m, Teilstücke durch geprüfte und zugelassene Stahlkupplungen miteinander verbinden. Die Pfähle sind dadurch nahezu beliebig verlängerbar, es wurden schon Fertigbetonpfähle mit bis zu 80 m Länge ausgeführt. Sonderpfähle können mit einbetonierten Verpressrohren zur Nachverpressung (z. B. zur Erhöhung der Tragfähigkeit) ausgestattet werden. (2) Fertigbetonpfähle werden heute üblicherweise eingerammt (Hydraulikbär, Dieselbär, Freifallbär). Zwischen Rammgewicht und Pfahl befindet sich eine Schlaghaube mit Puffermaterial aus Holz oder Kunststoff. Um die mechanischen Beanspruchungen beim Einrammen aufnehmen zu können, wird hochwertiger Beton der Güteklasse C 50/60 verarbeitet, der den Expositionsklassen XC 4 bzw. XS 3 entspricht. Stahlbetonpfähle sind auf voller Länge zu bewehren, Spannbeton-Pfähle sind in der Regel nur teilbewehrt (Anschlussbewehrung in Fundamente). Wegen der beim Rammen auftretenden Kräfte (Druck, Spaltzug) sind die Pfähle auf gesamter Länge verbügelt, jeweils an Kopf und Fuß liegt die Bügelbewehrung zur Verstärkung auf ca. 1 m Länge in engerem Abstand (3 bis 5 cm). Die Pfähle können mit einer Spitze hergestellt werden, normalerweise sind aber Kopf und Fuß in gleicher Weise stumpf ausgebildet. Bei harter Rammung in festen Böden oder auf Fels kann eine Stahlspitze einbetoniert werden, die bei Schleuderbetonpfählen generell notwendig ist. 15

(3) Die charakteristischen Pfahlwiderstände im Gebrauchszustand R2,k von Fertigrammpfählen aus Beton liegen, je nach Querschnitt und Untergrundverhältnissen, in einer Größenordnung zwischen etwa 0,5 MN und 2 MN. 2.2.2.3 Fertigrammpfähle aus Stahl (1) Stahlpfähle sind entweder H-Profile (IPB-Träger), Stahlrohre, zusammengesetzte Trägerprofile oder Spundprofile mit verschiedenen Querschnittsformen und Wandstärken. Bei Bedarf werden zur Erhöhung des Spitzenwiderstandes Fußverstärkungen wie Platten oder Flügel aufgeschweißt. (2) Die Rammung erfolgt in der Regel wie bei Betonpfählen. Bei harter Rammung wird auch der Pfahlkopf verstärkt, um Ausbeulungen bzw. Stauchungen zu vermeiden. Aus Kostengründen werden Stahlpfähle hauptsächlich dort verwendet, wo ihre vergleichsweise hohe Materialfestigkeit bzw. Biegezugfestigkeit ausgenutzt werden kann, wie z. B. im Offshore- oder Hafenbau, teilweise auch zur Aufnahme von hohen Zuglasten. (3) Die charakteristischen Pfahlwiderstände im Gebrauchszustand R2,k von Stahlpfählen liegen, je nach Querschnitt und Untergrundverhältnissen, in einer Größenordnung zwischen etwa 0,5 und 2 MN. 2.2.2.4 Fertigrammpfähle aus Holz (1) Holzpfähle spielen in der heutigen Baupraxis nur eine untergeordnete Rolle. Dabei erfolgt eine Anwendung nur für temporäre Baumaßnahmen, z. B. Gründung von Lehrgerüsten, usw. Zur Gründung von Bauwerken werden sie wegen der Nachteile im Material und der vergleichsweise geringen Tragfähigkeit nicht mehr verwendet. Holzpfähle werden auch aus gestalterischen Gründen, z. B. bei Verbaumaßnahmen an Flüssen und Seen oder für Geländeabtreppungen im Landschaftsbau verwendet. (2) Holzpfähle werden als Rundpfähle mit Durchmessern von 15 bis 35 cm hergestellt und können für die Rammung an Kopf (Schlagring) und Fuß (Spitze) durch Stahl verstärkt werden. Normalerweise werden für Holzpfähle leichte Rammgeräte mit Fallgewichten bis maximal 1 t verwendet. (3) Die charakteristischen Pfahlwiderstände im Gebrauchszustand R2,k von Holzpfählen liegen, je nach Querschnitt, Länge und Untergrundverhältnissen, in einer Größenordnung zwischen etwa 100 und 600 kN. 2.2.3

Ortbetonrammpfähle

2.2.3.1 Ortbetonrammpfahl mit Innenrohrrammung (Frankipfahl) (1) Der Frankipfahl ist ein Ortbetonrammpfahl mit aufgeweitetem Pfahlfuß nach DIN EN 12 699. 16

(2) Das Vortreibrohr wird mittels Freifallrammung im Rohr (Innenrohrrammung) in den Boden getrieben. Vor Beginn des Einrammvorganges wird im Fußbereich des Vortreibrohres ein Pfropfen gebildet, der entweder aus nahezu trockenem Beton oder einem Sand- bzw. Kiessandgemisch besteht. Das Pfropfenmaterial wird mit dem Rammbär verdichtet und verspannt sich im Rohr. Dieser Pfropfen hat zwei Aufgaben. Er dient einerseits als Rammpolster, auf das der Freifallbär schlägt und so das Rohr in den Boden zieht, andererseits dichtet der Pfropfen das Rohr unten ab und verhindert das Eindringen von Wasser und Boden. Nach Erreichen der Endtiefe wird das Vortreibrohr durch Seile im Mäkler gehalten und die Fußherstellung beginnt mit dem Austreiben des Pfropfenmaterials. Angepasst an die örtliche Bodenfestigkeit und die geplante Pfahltragfähigkeit kann weiteres Material ausgestampft und der Pfahlfuß soweit aufgeweitet werden, bis das entsprechend der Bemessung erforderliche Fußvolumen erreicht ist. (3) Anschließend wird im Regelfall ein Bewehrungskorb eingestellt und fließfähiger Beton eingefüllt. Durch Ziehen des Rohres und Nachfüllen von Beton wird der Pfahlschaft ausgebildet. (4) Die Pfahlherstellung kann vor dem Betonieren durch eine zusätzliche Bodenverbesserung (Kiesvorverdichtung) sowohl im Schaft- als auch im Fußbereich modifiziert werden, um die Baugrundeigenschaften zu verbessern und die Pfahltragfähigkeit zu steigern. (5) Für eine Kiesvorverdichtung im Fußbereich wird das Rohr 1 bis 2 m unter die spätere Pfahlunterkante gerammt und dann unter Ausstampfen und Verdichten von Kies oder Schotter über ca. 2 bis 4 m gezogen. Anschließend wird das Rohr in das zuvor ausgestampfte und verdichtete Material bis zur geplanten Tiefe zurückgerammt. Der Eindringwiderstand steigt hierbei gegenüber der ersten Rammung deutlich, worin sich die erreichte Baugrundverbesserung widerspiegelt. Falls erforderlich, können weitere Kiesvorverdichtungen durchgeführt werden, bis der erforderliche Verbesserungsgrad erreicht ist. Die anschließende Herstellung des Pfahlfußes und -schaftes erfolgt wie unter (2) und (3) beschrieben. (6) Frankipfähle werden mit Rohrdurchmessern von 42 cm, 51 cm, 56 cm und 61 cm ausgeführt. (7) Sie können als Lotpfähle oder als Schrägpfähle mit einer Neigung bis 4 : 1 hergestellt werden. (8) Die charakteristischen Pfahlwiderstände im Gebrauchszustand R2,k liegen, je nach Untergrundverhältnissen und Durchmesser, in einer Größenordnung zwischen etwa 1 MN und 4 MN. 2.2.3.2 Ortbetonrammpfahl mit Kopframmung (Simplexpfahl) (1) Der Simplexpfahl ist ein Ortbetonrammpfahl nach DIN EN 12 699. (2) Bei diesem Verfahren wird das Vortreibrohr mittels Kopframmung durch einen Diesel- oder Hydraulikbär in den Boden gerammt. Das Rohr ist unten mit 17

einer verlorenen Fußplatte verschlossen. Wenn die Absetztiefe erreicht ist, wird im Regelfall ein Bewehrungskorb eingestellt und fließfähiger Beton eingefüllt. Beim anschließenden Ziehen des Rohres löst sich die Fußplatte und der Beton fließt aus. Durch Nachfüllen von Beton und sukzessives Herausziehen des Rohres wird der Pfahl fertig gestellt. Die Fußplatte verbleibt im Boden und bildet die Aufstandsfläche des Pfahls. (3) Auch bei diesem Verfahren kann eine Baugrundverbesserung durch Kiesvorverdichtung erfolgen. Dazu wird das Vortreibrohr mit der verlorenen Fußplatte 1 bis 2 m unter die spätere Pfahlunterkante gerammt, Kies eingefüllt und das Rohr wieder komplett bis zur Geländeoberfläche gezogen. Dabei füllt das lose austretende Kiesmaterial den freiwerdenden Hohlraum. Anschließend wird das Rohr wieder mit einer Fußplatte verschlossen und in die Kiessäule bis auf die erforderliche Tiefe gerammt. Die weitere Pfahlherstellung erfolgt wie unter (2) beschrieben. (4) Simplexpfähle werden in der Regel mit Durchmessern von 42 cm, 51 cm, 56 cm und 61 cm ausgeführt. Sie können als Lotpfähle oder als Schrägpfähle mit einer Neigung bis 4 : 1 hergestellt werden. (5) Die charakteristischen Pfahlwiderstände im Gebrauchszustand R2,k liegen, je nach Untergrundverhältnissen und Durchmesser, in einer Größenordnung zwischen etwa 0,5 und 2,5 MN. (6) Das Vortreibrohr kann auch mit einem Vibrationsbär in den Boden getrieben und wieder herausgezogen werden. 2.2.4

Schraubpfähle (Vollverdrängungsbohrpfähle)

2.2.4.1 Allgemeines (1) Ein wesentliches Merkmal der Schraubpfähle, die auch als so genannte Vollverdrängungsbohrpfähle (5.4.8) bezeichnet werden, ist, dass bei der Pfahlherstellung keine relevante Bodenförderung erfolgt. (2) Die Vortreibrohre werden ohne dynamische Einwirkungen nur mit statisch wirkenden Kräften im Boden abgeteuft. Aus diesem Grund und wegen der vollständigen Bodenverdrängung ist die Einbindetiefe dieser Pfähle in dichten bzw. festen Bodenschichten begrenzt. 2.2.4.2 Atlaspfahl (1) Der Atlaspfahl ist ein Schraubpfahl nach DIN EN 12 699. (2) Bei seiner Herstellung wird ein Vortreibrohr, das am unteren Ende einen Schneidkopf mit einem eingängigen Schraubenflügel besitzt, mit einem leistungsstarken Drehbohrantrieb bei gleichzeitigem vertikalem Anpressdruck in den Boden gedreht. Der Schneidkopf ist unten durch eine verlorene Fußspitze wasserdicht verschlossen. 18

(3) Nach Erreichen der Solltiefe wird im Regelfall ein Bewehrungskorb eingesetzt, das Rohr und der oben aufgesetzte Vorratsbehälter mit fließfähigem Beton gefüllt. Durch rückwärtiges Drehen und Ziehen des Rohres löst sich die Fußspitze, und der austretende Beton füllt den vom Schneidkopf geformten Hohlraum. Bedingt durch den eingängigen Schraubenflügel am Schneidkopf erhält der fertige Pfahlschaft einen umlaufenden, wendelförmigen Betonwulst, so dass das Aussehen des fertigen Pfahls einer Schraube gleicht. (4) Da der Herstellvorgang nur mit statisch wirkenden Kräften erfolgt, arbeitet das Verfahren erschütterungsfrei. (5) Der Durchmesser des Pfahlschaftes ist abhängig von der Größe des austauschbaren Schneidkopfes. Übliche Durchmesser sind 41/51 cm, 46/56 cm und 51/56 cm. Der erste Wert gibt den Mindestdurchmesser des Betonquerschnitts an (maßgebend für die innere Tragfähigkeit), der zweite Wert den äußeren Durchmesser des wendelförmigen Betonkörpers (maßgebend für die äußere Tragfähigkeit). (6) Die Pfähle können lotrecht oder bis zu einer Neigung von 4 : 1 hergestellt werden. (7) Übliche charakteristische Pfahlwiderstände R2,k liegen, je nach Untergrundverhältnissen und Durchmesser, in einer Größenordnung zwischen etwa 0,5 und 1,7 MN. 2.2.4.3 Fundexpfahl (1) Der Fundexpfahl ist ein Schraubpfahl nach DIN EN 12 699. (2) Zur Herstellung wird ein glattes Vortreibrohr mit einem Durchmesser von 38 cm oder 44 cm, das durch eine wendelförmig abgestufte Spitze verschlossen ist, in den Boden gedreht und gedrückt. Der Boden wird dabei vollständig verdrängt. (3) Nach Erreichen der Endtiefe wird im Regelfall ein Bewehrungskorb in das Vortreibrohr eingesetzt und Beton eingefüllt. Anschließend wird das Rohr mit oszillierender Drehbewegung gezogen, wobei sich die Fußspitze vom Rohr löst. Sie verbleibt als Pfahlfuß im Boden. (4) Die gesamte Pfahlherstellung erfolgt erschütterungsfrei. (5) Übliche charakteristische Pfahlwiderstände R2,k liegen, je nach Untergrundverhältnissen und Durchmesser, in einer Größenordnung zwischen etwa 0,5 und 1,5 MN.

19

2.2.5

Verpresste Verdrängungspfähle

2.2.5.1 Verpressmörtelpfähle (VM-Pfähle) (1) Ein VM-Pfahl ist ein Stahlrammpfahl mit spezieller Fußausbildung, der unter gleichzeitiger Zugabe von Mörtel in den Boden gerammt wird. Unter diesen Begriff fallen auch die früher als MV- oder RV-Pfähle bekannten, z. T. patentgeschützten Rammverpresspfähle. (2) Charakteristisch für diese Pfähle ist ein am Fuß aufgeschweißter rechteckiger oder quadratischer Pfahlschuh. Durch das Einrammen dieses gegenüber dem Pfahlschaft vergrößerten Fußquerschnittes entsteht ein Hohlraum, der bereits während des Einbringens mit Zementmörtel verfüllt wird. (3) Da im Gegensatz zu Mikropfählen nach DIN EN 14 199 der zu verfüllende Hohlraum nach oben offen ist, wird das Verpressgut lediglich mit dem hydrostatischen Druck eingebracht. Die Steuerung der Verpressleistung ist so vorzunehmen, dass eine vollkommene Ummantelung der Pfähle sichergestellt ist. (4) Verpressmörtelpfähle werden überwiegend als Zugpfähle eingesetzt. Übliche charakteristische Pfahlwiderstände R2,k liegen, je nach Untergrundverhältnissen und Querschnitt, in einer Größenordnung zwischen etwa 1 und 2,5 MN. 2.2.5.2 Rüttelinjektionspfähle (RI-Pfähle) (1) RI-Pfähle beruhen auf einem ähnlichen Herstellprinzip wie VM-Pfähle. Durch einen gegenüber dem Pfahlschaft leicht vergrößerten Pfahlfuß wird beim Einrütteln ein Hohlraum erzeugt, der kontinuierlich mit Verpressmörtel verfüllt wird. (2) Im Gegensatz zum Verpressmörtelpfahl, bei dem durch die über den gesamten Pfahlumriss ausgebildete Spitze eine sehr große Bodenmenge verdrängt werden muss, besitzt der RI-Pfahl am Fuß lediglich eine Aufdoppelung über die gesamte Abwicklung, durch die ein schmaler Spalt zwischen Pfahlschaft und Boden geschaffen wird. (3) Somit hat der RI-Pfahl einen wesentlich geringeren Eindringwiderstand, der es ermöglicht, ihn im Rüttelverfahren einzubringen. Über Injektionsrohre wird Zementmörtel eingepumpt und somit eine innige Verzahnung mit dem Baugrund gewährleistet. (4) Der RI-Pfahl führt aufgrund des o. g. Rüttelverfahrens zu geringeren Lärmemissionen als bei gerammten Pfählen und bietet sich bei Bauvorhaben in Gebieten mit Schallbegrenzung an. Die schwingungstechnischen Auswirkungen des Rüttelns auf die Umgebung bzw. auf benachbarte bauliche Anlagen können jedoch in ähnlicher Weise problematisch sein wie bei gerammten Pfählen. (5) Herstellbedingt sind allerdings Grenzen bei besonders dicht gelagerten Sanden/Kiesen zu beachten. In bindigen Böden ist der RI-Pfahl abhängig von der Konsistenz nur bedingt einsetzbar. 20

(6) RI-Pfähle werden überwiegend als Zugpfähle eingesetzt. Übliche charakteristische Pfahlwiderstände R2,k liegen, je nach Untergrundverhältnissen und Querschnitt, in einer Größenordnung zwischen etwa 0,5 und 1,5 MN. 2.2.6

Mikropfähle

(1) Die Mikropfähle mit Durchmessern kleiner als 0,3 m sind in der DIN EN 14 199 geregelt. (2) Hierzu gehören u. a. die früher häufig eingesetzten Wurzelpfähle wie auch die in neuer Zeit überwiegend verwendeten Einstabpfähle, z. B. GEWI-Pfähle. (3) Ihre Vorteile liegen darin, dass sie bei beengten Platzverhältnissen hergestellt werden können und dass die Herstellung weitgehend lärm- und erschütterungsarm ist. (4) Die Kraftübertragung zum umgebenden Baugrund wird durch Verpressen mit Beton oder Zementmörtel erreicht. Dabei ist zu unterscheiden zwischen: a) Ortbetonpfahl, der eine durchgehende Längsbewehrung aus Betonstahl aufweist. Er kann mit Beton oder mit Zementmörtel hergestellt werden. Hierbei beträgt der erforderliche Mindestschaftdurchmesser 150 mm, die Betondeckung beträgt 30 bis 45 mm, in Abhängigkeit vom Angriffsgrad des Baugrundes oder des Grundwassers. b) Verbundpfahl, der durch ein Tragglied aus Stahl mit einem erforderlichen Mindestschaftdurchmesser von 100 mm gekennzeichnet ist. Das Tragglied wird in eine Bohrung eingestellt. (5) Zur Herstellung der Bohrung für den Mikropfahl eignen sich Bohrverfahren mit Innen- und Außenspülung, Ramm- und Rüttelverfahren. Lösen des Bodens allein mit Spülverfahren ist nicht zulässig. Beim Bohren unter dem Grundwasserspiegel muss durch Überdruck der Spül- oder Stützflüssigkeiten verhindert werden, dass Boden in das Bohrloch eintreibt. Das Bohrloch ist von Bohrrückständen zu säubern. (6) Unter „Nachverpressen“ ist der Vorgang zu verstehen, bei dem eine ein- oder mehrmalige Verpressung nach dem Abbinden oder dem Aushärten der ersten Verpressung durchgeführt wird. Nachverpressgut, -drücke und -mengen sind dem Baugrund und den örtlichen Verhältnissen anzupassen. Das Nachverpressgut ist so zusammenzusetzen, dass Aufsprengungen wieder ausgefüllt werden. Unter Last stehende Pfähle dürfen nicht nachverpresst werden. Das Nachverpressen wird i. d. R. über kleine Verpressschläuche vorgenommen und kann bei Drücken bis zu etwa 60 bar liegen. Übliche charakteristische Pfahlwiderstände R2,k liegen, je nach Untergrundverhältnissen und Querschnitt, in einer Größenordnung bis etwa 0,7 MN.

21

2.2.7

Rohrverpresspfähle

(1) Der Rohrverpresspfahl gehört zur Gruppe der Mikropfähle, wenn sein Durchmesser kleiner als 30 cm ist. Er ist als Verbundpfahl einzustufen. Bei Durchmessern größer als 30 cm ist er ein Sonderpfahl, der bisher in keiner Norm erfasst ist. In diesem Fall bedarf es einer bauaufsichtlichen Zulassung oder einer Zustimmung im Einzelfall. (2) Der Rohrverpresspfahl ist ein eingebohrter, dickwandiger Stahlrohrpfahl mit einer Schaft- und Fußverpressung aus Zementsuspension. (3) Der zur Abtragung hoher Zuglasten geeignete Pfahl wird erschütterungsund lärmarm hergestellt und ist deshalb in immissionsempfindlichen Bereichen sowie in Fällen, die eine spätere Überprüfung der Auslastung des Zugpfahls erforderlich machen, eine sinnvolle Alternative zu gerammten und konstruktiv angeschlossenen Verankerungselementen. (4) Bei Bodenverhältnissen, bei denen große Bohrspülverluste auftreten können, ist diese Pfahlart nicht oder nur in Verbindung mit besonderen Zusatzmaßnahmen einsetzbar. (5) Der Rohrverpresspfahl besteht aus einzelnen ca. 3 m langen Stahlrohrschüssen, die während des Einbaus durch Verschrauben miteinander gekoppelt werden. Für schräg einzubringende Zugpfähle werden Rohre der Stahlgüte S 355 J2G3 verwendet. (6) Zur besseren Haftung des Verpressmörtels am Rohr ist dieses mit einem aufgewalzten Gewinde versehen. (7) Die Pfähle werden schussweise im Drehspülverfahren mit Außenspülung eingebohrt. Ein 30 bis 50 cm langer Bohrschuh an der Spitze des Pfahles zentriert das Rohr beim Einbringen und stellt entsprechend seinem größeren Außendurchmesser einen Ringraum zum Pfahlschaft her. (8) Das aus einer Zementsuspension bestehende Spülmittel tritt an der Bohrspitze aus, löst den anstehenden Boden und fördert ihn über den Ringraum zwischen dem Rohr und der Bohrlochwandung zutage. Je nach Bodenverhältnissen und aufgebrachtem Spüldruck können durch den radial an der Bohrspitze austretenden Spülstrahl im Pfahlfußbereich Durchmesser von bis zu 70 cm erreicht werden. (9) Diese Pfahlfußaufweitung wird anschließend mit einer dickflüssigen Zementsuspension unter einem Druck von bis zu 80 bar verpresst. Der Ringraum zwischen dem Stahlrohr und der Bohrlochwandung bleibt bis zum Pfahlkopf mit aushärtender Zementsuspension verfüllt. (10) Übliche charakteristische Pfahlwiderstände im Gebrauchszustand R2,k liegen, je nach Bodenverhältnissen, Querschnitt und Verpresskörperlänge, in einer Größenordnung zwischen etwa 0,75 und 1,5 MN für Rohrabmessungen von 73 bis 102 mm Außendurchmesser bei 12,5 bis 20 mm Wandstärke bzw. bis zu 2,5 MN bei einem Außendurchmesser von 114 u 28 mm. 22

2.3

Pfahlähnliche Elemente

(1) Neben den in 2.1 und 2.2 genannten Pfahlsystemen, die i. d. R. auch den Pfahlherstellungsnormen DIN EN 1536, DIN EN 12 699 und DIN EN 14 199 zugeordnet werden können, werden in der Baupraxis Tiefgründungselemente ausgeführt, die als „pfahlähnliche Elemente“ bezeichnet werden können. (2) Pfahlähnliche Elemente können z. B. sein: – – – –

Betonrüttelsäulen, vermörtelte Stopfsäulen (VSS), Fertigmörtel-Stopfsäulen (FSS), Mixed in Place-Säulen (MIP),

die i. d. R. eine bauaufsichtliche Zulassung benötigen. Weiterhin – im Düsenstrahlverfahren hergestellte Säulen (DIN EN 12 716), – CSV-Säulen (DGGT-Merkblatt des AK 2.8 „Stabilisierungssäulen zur Untergrundverbesserung, Teil I, 2002). (3) Für diese oder vergleichbare Elemente gelten die Ausführungen der vorliegenden Empfehlungen nicht unmittelbar. Insbesondere dürfen die Pfahlwiderstände aus Erfahrungswerten (5.4) nicht auf diese Elemente angewendet werden. Unabhängig davon können aber die für Pfahlgründungen festgelegten Nachweisformen in der vorliegenden Empfehlung, in DIN 1054:2005-01 und Eurocode EC 7-1 auf diese Elemente übertragen werden, sofern in Zulassungen nicht andere Nachweise gefordert werden. (4) Brunnengründungen sind i. Allg. keine pfahlähnlichen Elemente, sondern eher eine tiefgelegte Flachgründung.

23

3

Grundsätze zu Entwurf und Berechnung von Pfahlgründungen

3.1

Pfahlgründungssysteme

3.1.1

Einzelpfahllösungen

(1) Unter Einzelpfählen sind Pfähle zu verstehen, die weder über den Baugrund noch über einen Überbau mit anderen Pfählen in Interaktion treten, bzw. zwischen denen nur eine vernachlässigbar geringe Wechselwirkung auftritt. (2) Zu den in Deutschland im Zusammenhang mit der Herstellung und Berechnung bzw. Bemessung von Pfählen gültigen Normen siehe 1.1. (3) Bei der Bemessung von Pfählen wird grundsätzlich zwischen der „inneren“ und der „äußeren“ Tragfähigkeit unterschieden. Die innere Tragfähigkeit beinhaltet den Nachweis gegen Versagen des Pfahlbaustoffes, i. d. R. Beton, Stahlbeton, Stahl oder Holz. Bei der äußeren Tragfähigkeit ist der Nachweis gegen Versagen des Bodens in der Pfahlumgebung zu führen. (4) Für die innere und äußere Bemessung von Pfählen sind stets nach DIN 1054 die Nachweise für den Grenzzustand der Tragfähigkeit GZ 1 (EQU – equilibrium bzw. ULS – ultimate limit state nach Eurocode EC 7-1) und für den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit GZ 2 (SLS – serviceability limit state nach Eurocode EC 7-1) zu führen. Für den Grenzzustand der Tragfähigkeit ist im Zusammenhang mit Pfahlgründungen in der Regel der Grenzzustand des Versagens von Bauwerken und Bauteilen im GZ 1B nach DIN 1054 maßgebend (nach Eurocode EC 7-1: STR – structure failure für die innere, GEO-2 – geotechnic failure für die äußere Tragfähigkeit). Bei Zugpfählen ist allerdings auch der Grenzzustand des Verlustes der Lagesicherheit im GZ 1A nach DIN 1054 (UPL – uplift nach Eurocode EC 7-1) nachzuweisen. Die Grenzzustände sind auch in 1.2.3, 1.2.4 und 6 behandelt. (5) Gründungspfähle werden im Wesentlichen in axialer Richtung belastet. Der äußere Pfahlwiderstand in axialer Richtung enthält die Anteile Fußwiderstand Rb und Mantelreibungswiderstand Rs. Dabei ist der Pfahlwiderstand R setzungsbzw. hebungsabhängig und kann über den gesamten Widerstandsbereich durch eine Widerstands-Setzungs- bzw. -Hebungslinie (WSL bzw. WHL) beschrieben werden. Die Widerstands-Setzungs- bzw. -Hebungslinie sollte anhand von Pfahlprobebelastungen ermittelt werden, siehe 5.2, 5.3 sowie 9 und 10. Sie kann aber auch auf der Grundlage von Erfahrungswerten bestimmt werden, siehe 5.4. (6) Bild 3.1 zeigt den Verlauf der Widerstands-Setzungslinien, den Gesamtwiderstand sowie für Mantelreibung und Spitzenwiderstand. Dabei gelten die mit dem Index g bezeichneten Größen jeweils für die Grenzsetzung sg, der mit Bezug auf den Grenzzustand GZ 1 der DIN 1054:2005-01 auch mit dem Index 1 bezeichnet wird, z. B. s1, R1. 25

Bild 3.1 Widerstands-Setzungslinie eines Pfahls

(7) Der Grenzwert der Mantelreibung qs1 wird i. d. R. bereits nach relativ geringen Pfahlverschiebungen erreicht. Deshalb entsteht bei einem „Reibungspfahl“ mit überwiegendem Pfahlmantelwiderstand eine ausgeprägte Krümmung der Arbeitslinie. Bei größeren Verschiebungen wächst maßgeblich i. d. R. nur noch der Fußwiderstand, siehe z. B. [42]. (8) Einen schwächer gekrümmten Verlauf weist die Widerstands-Setzungslinie bei Spitzendruckpfählen auf. Bei diesen Pfählen erfolgt die Lastabtragung überwiegend durch den Pfahlfußwiderstand, der bis zu sehr großen Setzungen stetig zunimmt, siehe z. B. [42]. (9) Bei quer zur Pfahlachse belasteten Pfählen werden zwei Grenzfälle unterschieden: – kurze, nahezu starre Pfähle, deren Einspannwirkung im Boden sich aus einem räumlichen Erdwiderstandskräftepaar ableiten lässt und – schlankere biegeweiche Pfähle, die in der Regel mit dem Bettungsmodulverfahren berechnet werden. (10) Die gegenseitige Beeinflussung des äußeren Tragverhaltens aus gleichzeitig wirkenden vertikalen und horizontalen Einwirkungen ist i. d. R. nur unwesentlich, so dass diese getrennt voneinander betrachtet werden können. Grundsätzlich ist aber davon auszugehen, dass Pfähle sowohl vertikale als auch horizontale Einwirkungen sowie resultierende Momentenbeanspruchungen, z. B. aus Horizontalkräften, erfahren. Oft überwiegt eine Komponente deutlich gegenüber den anderen. 3.1.2

Pfahlroste

(1) Pfahlroste bestehen aus Einzelpfählen, die mit einem Überbau verbunden sind und so weit auseinander stehen, dass über den Baugrund keine wesentliche Wechselwirkung im Pfahltragverhalten zwischen benachbarten Pfählen mehr auftritt. 26

(2) Zur Wechselwirkung und zu den Pfahlabständen siehe 3.1.3 und Kapitel 8. (3) Zur Berechnung von Pfahlrosten siehe Kapitel 7. 3.1.3

Pfahlgruppen

(1) Mehrere Pfähle bilden eine Pfahlgruppe, wenn sie über eine gemeinsame Kopfplatte zusammengefasst sind und sich im Tragverhalten gegenseitig beeinflussen. Die gegenseitige Beeinflussung der Pfähle wird als Gruppenwirkung bzw. Pfahl-Pfahl-Interaktion bezeichnet. (2) Die Gruppenwirkung axial beanspruchter Pfähle kann sowohl auf die Setzung als auch auf die Widerstände bezogen werden. Die setzungsbezogene Gruppenwirkung Gs ist über den Faktor Gs =

sG sE

(3.1)

die widerstandsbezogene Gruppenwirkung GR ist über den Faktor GR =

RG nG ⋅ RE

(3.2)

definiert. Dabei sind: sG sE RG RE nG

die mittlere Setzung einer Pfahlgruppe, die Setzung eines vergleichbaren Einzelpfahles bei der mittleren Pfahlbeanspruchung der Gruppenpfähle, der Gesamtwiderstand der Pfahlgruppe, der Widerstand des Einzelpfahles bei der mittleren Setzung der Pfahlgruppe die Anzahl der Gruppenpfähle.

(3) Der Grenzabstand, ab dem die Wechselwirkung zweier benachbarter Pfähle vernachlässigbar klein ist, wird häufig mit dem 6 bis 8-fachen Pfahldurchmesser angenommen. Der Grenzabstand ist aber ebenfalls abhängig von der Pfahllänge in dem tragfähigen Boden d. Mit steigender Einbindetiefe d nimmt der Grenzabstand zu, siehe auch Kapitel 8. (4) Gruppenpfähle weisen i. d. R. bei geringen Setzungen einen kleineren Widerstand als ein Einzelpfahl bei gleicher Setzung auf. Bei großen Setzungen kann der Widerstand des Gruppenpfahles den Widerstand des Einzelpfahles ggf. übersteigen. (5) Das Tragverhalten der axial beanspruchten Gruppenpfähle unterscheidet sich nach ihrer Position. Dabei können die Pfähle nach Bild 3.2 in Eck-, Randund Innenpfähle unterschieden werden. Bei Bohrpfahlgruppen mit geringen 27

Bild 3.2 Pfahlbezeichnungen in einer Gruppe

Setzungen weisen die Eckpfähle die größten, die Zentrumspfähle die geringsten Pfahlwiderstände auf. Bei größeren Setzungen kann es zu Verspannungseffekten kommen, die eine Umkehr dieser Verteilung bewirken. (6) Die Aussagen in Absatz (4) und (5) beziehen sich im Wesentlichen auf gebohrt hergestellte Pfähle in Pfahlgruppen mit keiner oder nur geringer Verdrängungswirkung. Bei Pfahlsystemen mit großer Verdrängungswirkung ist i. d. R. ein davon unterschiedliches Verhalten zu erwarten, siehe auch 8.2.1.4. (7) In horizontal beanspruchten Pfahlgruppen, bei denen alle Pfähle näherungsweise die gleiche waagerechte Kopfverschiebung aufweisen, beteiligen sich die einzelnen Pfähle in unterschiedlichem Maße an der Aufnahme der auf die Pfahlgruppe wirkenden Einwirkung. Die Verteilung der Pfahlwiderstände in der Gruppe wird in 8.2.3 behandelt. (8) Beim Ansatz der maßgebenden Einwirkungen ist zu beachten, dass sich die unterschiedlichen Einwirkungen teilweise gegenseitig bedingen. So erzeugen Horizontalkräfte nicht nur eine Momenteneinwirkung auf die Gründung, aufgrund des Momentennullpunktes unterhalb der Pfahlkopfplatte ergeben sich auch zusätzliche vertikale Beanspruchungen der Pfähle. (9) Zur rechnerischen Abschätzung der Gruppenwirkung siehe Kapitel 8. 3.1.4

Kombinierte Pfahl-Plattengründungen (KPP)

(1) Kombinierte Pfahl-Plattengründungen (KPP) sind nach DIN 1054 eine geotechnische Verbundkonstruktion mit gemeinsamer Tragwirkung von Fundamentplatte und Pfählen bei der Übertragung von Bauwerkslasten in den Baugrund. Dabei sind die Interaktionen nach Bild 3.3 gleichzeitig zu berücksichtigen. (2) Die Tragwirkung einer KPP wird durch den Pfahlplatten-Koeffizient DKPP beschrieben. Dieser gibt an, welcher Teil der Gesamteinwirkung über die Pfähle abgetragen wird. Der verbleibende Einwirkungsteil wird über Sohlpressung auf den Baugrund übertragen. Ein Pfahlplatten-Koeffizient von DKPP = 1,0 entspricht einer reinen Pfahlgründung, bei DKPP = 0 liegt eine reine Flachgründung vor (siehe Bild 3.4). 28

Bild 3.3 Baugrund-Tragwerk-Interaktion (nach [38])

Bild 3.4 Qualitatives Beispiel für die mögliche Setzungsreduktion einer KPP abhängig vom Pfahlplatten-Koeffizienten DKPP (nach [38])

(3) Die Berechnung von Kombinierten Pfahl-Plattengründungen erfolgt nach der „Richtlinie für den Entwurf, die Bemessung und den Bau von Kombinierten Pfahl-Plattengründungen (KPP-Richtlinie)“ [38]. (4) Die KPP-Richtlinie gilt für überwiegend vertikal belastete Kombinierte Pfahl-Plattengründungen. Sie gilt nicht in Fällen, bei denen unter der Fundamentplatte Schichten relativ geringer Steifigkeit (z. B. weiche, bindige bzw. organische Böden, sackungsfähige Auffüllungen) anstehen und sie gilt nicht bei geschichtetem Baugrund mit einem Steifigkeitsverhältnis der oberen zur unteren Schicht von ES,oben / ES,unten d 1/10 sowie in allen Fällen, bei denen der PfahlPlatten-Koeffizient DKPP > 0,9 ist. (5) Kombinierte Pfahl-Plattengründungen sind stets der geotechnischen Kategorie GK 3 nach DIN 1054 zuzuordnen. 29

3.2

Baugrunderkundung bei Pfahlgründungen

(1) Für jede Bauaufgabe müssen Aufbau und Beschaffenheit von Boden und Fels im Baugrund und die Grundwasserverhältnisse ausreichend bekannt sein. Dies ist notwendig, um die nach DIN 1054 bzw. Eurocode EC 7-1 geforderte Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit der Pfahlgründungen und damit des Bauwerkes insgesamt sowie die Auswirkungen der Pfahlgründungen auf die Umgebung sicher beurteilen zu können. (2) Des Weiteren müssen die Informationen nach (1) auch dafür ausreichend sein, die fachgerechte Pfahleinbringung bzw. Herstellung z. B. auf der Grundlage von DIN EN 1536, DIN EN 12 699 und DIN EN 14 199 unter Berücksichtigung von DIN 18 301 zu ermöglichen. (3) Hierzu sind gemäß DIN 4020 geotechnische Untersuchungen projektbezogen auszuführen. (4) Diese sind in einem geotechnischen Untersuchungsbericht zusammenzustellen und im Hinblick auf die bautechnischen Folgerungen in einem geotechnischen Entwurfsbericht zu bewerten. (5) Art und Umfang der geotechnischen Untersuchungen richten sich gemäß DIN 4020 nach den geotechnischen Kategorien und sind im Detail vom Sachverständigen für Geotechnik festzulegen. (6) Entsprechend DIN 1054 sind Pfahlgründungen in folgende geotechnische Kategorien einzuordnen: – Geotechnische Kategorie GK 1: Pfahlgründungen sind i. d. R. nicht der Geotechnischen Kategorie GK 1 zuzuordnen. – Geotechnische Kategorie GK 2: a) Pfahlgründungen, bei denen das Setzungsverhalten für das Tragwerk von Bedeutung ist. b) Pfahlgründungen, bei denen die Ermittlung der Pfahlwiderstände aus Erfahrungswerten (z. B. nach 5.4) erfolgt, wenn einfache Baugrundrandbedingungen vorliegen. c) Auf Schwell-, Wechsel- und dynamische Beanspruchungen auszulegende Pfahlgründungen, sofern abgesicherte Erfahrungen vorliegen. d) Pfähle, die aktiv quer zur Pfahlachse, z. B. aus Bauwerkslasten, beansprucht werden. e) Pfähle mit negativer Mantelreibung. f) Geneigte Zugpfähle, die als Kurzzeitanker verwendet werden. – Geotechnische Kategorie GK 3: a) Schwell-, Wechsel- und dynamische Beanspruchungen, sofern keine abgesicherten Erfahrungen mit dem verwendeten Pfahltyp unter entsprechenden Bodenverhältnissen vorliegen. 30

b) Pfahlgründungen, bei denen die Ermittlung der Pfahlwiderstände aus Erfahrungswerten (z. B. nach 5.4) erfolgt, wenn schwierige Baugrundrandbedingungen vorliegen. c) Auf Zug beanspruchte Bohrpfähle und Verdrängungspfähle mit einer Neigung flacher als 45°. d) Pfähle, die passiv quer zur Pfahlachse, z. B. durch Seitendruck und Setzungsbiegung, beansprucht werden. e) Hoch ausgelastete Pfähle in Verbindung mit sehr geringen zulässigen Setzungen. f) Hoch ausgelastete Pfähle in Verbindung mit einer Mantel- und/oder Fußverpressung. g) Kombinierte Pfahl-Plattengründungen. h) Geneigte Zugpfähle, die als Dauerverankerungen verwendet werden. (7) Die Baugrunduntersuchungen müssen ausreichend tief sein, so dass alle Baugrundformationen und Schichtungen, die das Bauwerk und die Herstellung beeinflussen, festgestellt und die Tragfähigkeits- und Verformungseigenschaften des Baugrundes erkannt werden, siehe hierzu auch DIN 4020 und Bild 3.5. (8) Falls an einer sicheren Ausführung der Pfahlarbeiten Zweifel bestehen, sollten Probepfähle im Hinblick auf die Herstellung und Tragfähigkeit ausgeführt werden. (9) Bei der Festlegung des Umfanges der Baugrunduntersuchungen sollten wichtige Erkenntnisse, die bei der Ausführung von vergleichbaren Gründungsarbeiten unter ähnlichen Verhältnissen und/oder in der Umgebung der Baustelle gewonnen wurden, berücksichtigt werden. (10) Eine Übertragung von Erfahrungswerten ist zulässig, wenn durch geeignete Untersuchungen, z. B. Sondierungen, Drehflügelversuche, Pressiometer-Versuche o. a., die Vergleichbarkeit nachgewiesen wird.

Bild 3.5 Mindesttiefen der Baugrunduntersuchung bei Pfahlgründungen, aus DIN 4020

31

(11) Der geotechnische Untersuchungs- bzw. Entwurfsbericht muss alle relevanten Angaben enthalten, die sich auf die Pfahltragfähigkeit, die Wahl des Herstellungsverfahrens und die Ausführung von Pfählen auswirken können. Dabei sind charakteristische Bodenkenngrößen bezogen auf die Pfahlgründung abzuleiten. Die Baugrundangaben und Kenngrößen beziehen sich nicht nur auf die Pfahltragfähigkeit, sondern auf die Bohrbarkeit, Rammbarkeit, usw. Wenn dies nicht einheitlich festzulegen ist, sind für die jeweilige Anwendung unterschiedliche Sätze von Kenngrößen anzugeben. (12) Neben den allgemeinen Angaben gemäß DIN 4020 hat der geotechnische Untersuchungsbericht folgende Informationen zu enthalten, die für Pfahlgründungen von besonderer Bedeutung sind: a) die Geländehöhe aller Stellen, an denen Untersuchungen oder Versuche durchgeführt wurden, bezogen auf Normal Null (NN) oder einen festgelegten Bezug; b) Vorkommen und Eigenschaften von lockerem oder weichem Boden oder von Baugrund, der sich während des Aushubes oder des Einbringens von Pfählen ungünstig verändern kann (Aufweichungen, Instabilitäten, usw.); c) Vorkommen von Boden- oder Gesteinsschichten, die zum Quellen neigen; d) Vorkommen von grobkörnigen Böden mit offener Struktur (große Durchlässigkeit, Hohlräume), die einen plötzlichen Verlust der Stützflüssigkeit oder ein plötzliches Absinken des Betons während des Einbringens verursachen können; e) Vorkommen von Steinen oder Blöcken oder anderen natürlichen oder künstlichen Hindernissen, die beim Aushub oder beim Einbringen Schwierigkeiten bereiten können oder besondere Verfahren oder Werkzeuge für deren Durchörterung oder Beseitigung erfordern; f) Dicke, Tiefenlage und geotechnische Kenngrößen aller Schichten, insbesondere der Tragschicht, in die die Pfähle einbinden; g) Vorkommen, Ausdehnung und Dicke aller Schichten, die empfindlich auf Wasser oder Beanspruchung durch die Pfahlherstellung (z. B. Stoß, Erschütterung oder Schwingungen) reagieren können; h) Grundwasserstände und deren Schwankungen einschließlich der Angabe zu gespannten Grundwasserverhältnissen; i) Baugrundschichten, in denen hohe Grundwasserfließgeschwindigkeiten herrschen; j) Aggressivität von Grundwasser und/oder Baugrund, die die Beständigkeit oder die Eigenschaften der Pfahlbaustoffe, wie z. B. einer Stützflüssigkeit, des frischen oder erhärteten Betons usw., beeinträchtigen kann, siehe auch ENV 206 und DIN 4030; k) Tiefenlage, Streichen und Fallen aller Felsformationen; l) Dicke und Ausdehnung von verwittertem Gestein; m) Vorkommen, Art und Qualität von Gestein, besonders Festigkeit, gefüllte oder offene Klüfte/Fugen, Schwächezonen, Hohlräume, Erodierbarkeit; 32

n) Ausdehnung, Dicke und Art von kontaminierten Böden oder Abfällen, die die Pfahleigenschaften sowie die Handhabung und Entsorgung des Aushubes beeinflussen oder zu einer Kontaminierung der darunter liegenden Schichten führen können; o) Bergbau und mögliche bergbauliche Einflüsse; p) Standsicherheitsprobleme im Bereich der Baustelle. (13) Durch die Baugrunduntersuchungen ist ferner nachzuweisen, dass keine weiche Schicht unmittelbar unter einer als tragfähig eingestuften Schicht liegt, falls die Möglichkeit des Durchstanzens besteht. (14) Weiterhin sind die in Abhängigkeit von der Pfahlbauart geforderten spezifischen Untersuchungen gemäß DIN EN 1536 für Bohrpfähle, DIN EN 12 699 für Verdrängungspfähle und DIN EN 14 199 für Mikropfähle zu beachten. (15) Der charakteristische axiale Pfahlwiderstand eines Einzelpfahles kann, wenn keine Pfahlprobebelastungen durchgeführt werden oder keine vergleichbaren Probebelastungen vorliegen, dann aus Erfahrungswerten nach 5.4 ermittelt werden, wenn hierfür gesicherte Kenntnisse über den Baugrundaufbau, die Baugrundschichtung, die Grundwasserverhältnisse und die Festigkeitseigenschaften vorliegen. Erfahrungswerte für die charakteristischen axialen Pfahlwiderstände von Bohrpfählen, Verdrängungspfählen und verpressten Mikropfählen können für nichtbindige und bindige Böden und Fels den Angaben nach 5.4 entnommen werden, wenn die in (16) aufgeführten Zusammenhänge zugrunde gelegt werden. Unabhängig davon sollten auch Festlegungen in DIN 4094-1, DIN 4094-2, DIN 4094-3 und DIN 4094-4 beachtet werden. Weiterhin siehe DIN 1055-2 und DIN EN ISO 14 688-2. Die unter (16) dargestellten Zusammenhänge zwischen den Sondierwiderständen und der Lagerungsdichte bei nichtbindigen Böden einerseits und der Konsistenz bzw. undränierten Scherfestigkeit bei bindigen Böden andererseits sowie der Festigkeitsbezeichnung bei Fels und der zugehörigen einaxialen Druckfestigkeit zeigen mittlere Werte, die von den Angaben in DIN 4094 bzw. DIN 1055-2, abweichen können. Die o. g. Zusammenhänge sind durch Baugrunduntersuchungen stets zu bestätigen. In diesem Zusammenhang wird auf die Literatur zu diesem Thema hingewiesen, z. B. [23, 62, 68, 69, 84, 97, 107]. (16) Die Festigkeit nichtbindiger Böden sollte über den Spitzenwiderstand qc der Drucksonde nachgewiesen werden. Ersatzweise dürfen die in Tabelle 3.1 bis Tabelle 3.5 aufgeführten Orientierungswerte für Korrelationen zwischen den Untersuchungsarten bei Pfahlgründungen verwendet werden. Die Gültigkeit der Tabellenwerte für den konkreten Anwendungsfall ist durch den Sachverständigen für Geotechnik zu bestätigen. Anmerkung 1: Die Angaben nach Tabelle 3.1 dürfen näherungsweise zur Umrechnung auf qc-Werte verwendet werden. Die Lagerungsdichten sind unter dem Grundwasserspiegel tendenziell bei gleichen Sondierwiderständen bzw. Schlagzahlen ggf. geringfügig höher. 33

Tabelle 3.1 Orientierungswerte für Zusammenhänge zwischen Lagerungsdichte und Sondierwiderständen bei nichtbindigen Böden über dem Grundwasser für die Anwendung bei Pfahlgründungen Lagerungsdichte D [–]

Bezogene Lagerungsdichte ID [–]

Lagerung

< 0,15

< 0,15

0,15 … 0,30 0,30 … 0,50

Sondierwiderstände qc [MN/m2] CPT

N30 [–] BDP

N10[–] DPH

sehr locker

< 5,0

0,85

sehr dicht

> 25

> 50

> 25

Anmerkung 2: Die Angaben zur Lagerungsdichte beziehen sich auf nichtbindige Böden mit U d 3. Für U > 3 gelten ebenfalls andere Grenzen, siehe z. B. DIN 1054. In Tabelle 3.1 bedeuten: qc = Spitzenwiderstand der Drucksonde (CPT) N30 = Schlagzahl je 30 cm Eindringung der Bohrlochrammsonde (BDP) N10 = Schlagzahl je 10 cm Eindringung der schweren Rammsonde (DPH) Auch die Angaben in DIN 4014:1990-03 (Bohrpfähle) qc (CPT) | N10 (DPH)

(3.3)

sowie Tabelle 3.2 haben sich für Pfahlgründungen in nichtbindigen Böden bewährt, ohne dass Schäden bekannt geworden sind, die auf diese Korrelationen zurückzuführen sind. Korrelationen bezüglich Sondierwiderstände und der Scherfestigkeit des undränierten Bodens cu finden sich z. B. in [44, 62]. Tabelle 3.2 Orientierungswerte zur Umrechnung zwischen dem Spitzenwiderstand qc in MN/m2 der Drucksonde (CPT) und der Schlagzahl N30 der Bohrlochrammsonde (BDP) Bodenart

qc /N30 [MN/m2]

Fein- bis Mittelsand oder leicht schluffiger Sand

0,3 bis 0,4

Sand oder Sand mit etwas Kies

0,5 bis 0,6

weitgestufter Sand

0,5 bis 1,0

sandiger Kies oder Kies

0,8 bis 1,0

34

Tabelle 3.3 Orientierungswerte für Zusammenhänge zwischen Konsistenz und Scherfestigkeit des undränierten Bodens bei bindigen Böden Konsistenzzahl Ic

Konsistenz

Scherfestigkeit des undränierten Bodens cu [kN/m2]

0,5 … 0,75

weich

15 … 50

0,75 … 1,00

steif

50 … 100

> 1,00

halbfest, fest

> 100

Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Zusammenhänge, besonders in den Tabellen 3.1 bis 3.3, regional mit sehr großen Unsicherheiten behaftet sein können und ihre Gültigkeit durch den Sachverständigen für Geotechnik für den konkreten Anwendungsfall bestätigt werden muss. Es empfiehlt sich, die Scherfestigkeit des undränierten Bodens cu für die Ermittlung von Pfahltragfähigkeiten bevorzugt auf der Grundlage von einaxialen Druckversuchen oder UU-Triaxialversuchen zu bestimmen. Die Scherfestigkeit cu des undränierten Bodens kann in weichen Böden auch mit Hilfe von Flügelscherversuchen ermittelt werden. Dabei ist der maximal gemessene Scherwiderstand des Bodens cf,max bei erstmaligem Abscheren mit den in der nachfolgenden Tabelle 3.4 angegebenen Korrekturfaktoren zu reduzieren, um die undränierte Scherfestigkeit des weichen, erstbelasteten Bodens zu erhalten: cu = P · cf,max

(3.4)

Tabelle 3.4 Korrekturfaktoren P für weiche, erstbelastete Böden Plastizitätszahl IP [%] Korrekturfaktoren P

0

30

60

90

120

1,0

0,8

0,68

0,60

0,55

Anmerkung: Hierzu siehe auch [22]. Für Pfahlgründungen im Festgestein (Fels) sind die üblichen Methoden der Felsklassifizierung anzuwenden, zu denen Merkmale wie Gesteinsdruckfestigkeit, Trennflächengefüge, Verwitterungsgrad, Entfestigungs- und Zersetzungsstatus sowie Mineralogie und Textur zählen. Tabelle 3.5 liefert für Pfähle im Fels in Anlehnung an DIN 1054:2005-01, 7.7.4(3) und prEN ISO 14 689 grobe Orientierungswerte für den Zusammenhang zwischen üblichen Festigkeitsbezeichnungen für Fels und der Gesteinsdruckfestigkeit. Bei Pfahlgründungen in veränderlich festen Gesteinen (Halbfestgesteinen), kommt dem Merkmal „Verwitterungszustand“ besondere Bedeutung zu. Verwitterung beschreibt die Zersetzung und Zerlegung von Festgesteinen durch exogene 35

Tabelle 3.5 Grobe Orientierungswerte für den Zusammenhang zwischen Festigkeitsbezeichnung und einaxialer Druckfestigkeit für die Anwendung bei Pfahlgründungen

1)

Bezeichnung der Festigkeit

Feldversuch, Beschreibung nach prEN ISO 14 689

Einaxiale Druckfestigkeit qu [MN/m2]

sehr mürb1)

mit Fingernagel leicht ritzbar

< 1,25

mürb

mit Messer ritzbar, durch Hammeraufschläge zu zerbröckeln

1,25 … 5,0

mäßig mürb

mit Messer nur schwer ritzbar, durch einen Hammerschlag eindrückbar

5,0 … 12,5

mäßig hart

mit Messer nicht mehr ritzbar, durch einen einzigen Hammerschlag zu zerbrechen

12,5 … 50

hart

nur durch mehrere Hammerschläge zu zerbrechen

50 … 100

sehr hart

nur durch sehr viele Hammerschläge zu zerbrechen

100 … 250

außerordentlich hart

durch Hammerschläge lösen sich nur Splitter

> 250

Manche sehr mürbe Gesteine verhalten sich wie Boden und sollten daher auch als solcher beschrieben werden.

Tabelle 3.6 Verwitterungsgrade von Fels (nach [34]) Bezeichnung

Merkmal Gestein

Merkmal Gebirge

unverwittert (VU)

unverwittert, frisch, kein Verwitterungseinfluss erkennbar

keine verwitterungsbedingte Auflockerung an Trennflächen

angewittert (VA)

auf frischer Bruchfläche Verwitterung von einzelnen Mineralkörpern erkennbar, beginnende Mineralumbildung und Verfärbung

teilweise Auflockerung an Trennflächen

entfestigt (VE)

durch Verwitterungsvorgänge gelockertes, jedoch noch im Verband befindliches Mineralgefüge, meist in Verbindung mit Mineralumbildung mit und an Trennflächen

vollständige Auflockerung an Trennflächen

zersetzt (VZ)

noch im Gesteinsverband befindliches, durch Mineralneubildung verändertes Gestein ohne Festgesteinseigenschaften

Kluftkörper ohne Festgesteinseigenschaften

36

Einflüsse, im Wesentlichen durch physikalische und chemische Prozesse. Die Beschreibung des Verwitterungszustandes erfolgt nach visuell erkennbaren Merkmalen. Für bautechnische Aufgabenstellungen hat sich eine Einteilung in Homogenbereiche gleicher Verwitterungsintensitäten bewährt. Das „Merkblatt über Felsgruppenbeschreibung für bautechnische Zwecke im Straßenbau“ [34] unterscheidet vier Homogenbereiche (Tabelle 3.6). 3.3

Zuordnung der Böden bei Pfahlgründungen

(1) Böden, die den folgenden Kriterien entsprechen, sind nach DIN 1054 als nichtbindig zu verstehen: a) Böden wie Sand, Kies, Steine und ihre Mischungen, wenn der Massenanteil der Bestandteile mit Korngrößen < 0,06 mm weniger als 5 % beträgt. Dem entsprechen die grobkörnigen Böden der Bodengruppen GE, GW, GI, SE, SW und SI nach DIN 18 196. b) Gemischtkörnige Böden mit einem Massenanteil der Bestandteile mit Korngrößen < 0,06 mm von 5 bis 15 %. Dem entsprechen die Böden der Bodengruppen GU, GT, SU und ST nach DIN 18 196. In Zweifelsfällen siehe (4). (2) Als bindig nach DIN 1054 sind Böden zu verstehen, die den folgenden Kriterien entsprechen: a) Tone, tonige Schluffe und Schluffe sowie ihre Mischungen mit nichtbindigen Böden werden in dieser Norm als bindig bezeichnet, wenn der Massenanteil der Bestandteile mit Korngrößen < 0,06 mm größer ist als 40 %. Dem entsprechen die feinkörnigen Böden der Bodengruppen UL, UM und UA sowie TL, TM und TA nach DIN 18 196. b) Zu den bindigen Böden zählen in der Regel auch gemischtkörnige Böden mit einem Massenanteil der Bestandteile mit Korngrößen unter 0,06 mm von 15 bis 40 %. Dem entsprechen die Böden der Bodengruppen GU*, GT*, SU* und ST* nach DIN 18 196. Hierzu siehe (4). (3) Die Zuordnung der Bodengruppen nach DIN 18 196 zu den Begriffen „nichtbindig“ und „bindig“, die u. a. auch für die Pfahltragfähigkeiten nach 5.4 von Bedeutung sind, sind nochmals in Bild 3.6 aufgegliedert. (4) Bei der Zuordnung gemischtkörniger Böden zu den nichtbindigen bzw. bindigen Böden müssen neben der Korngrößenverteilung und den plastischen Eigenschaften auch die regionalgeologischen Entstehungsbedingungen, z. B. Vorbelastung, berücksichtigt werden. Außerdem sind Einflüsse aus der Pfahlherstellung, z. B. Pfahlart, dynamische Einwirkungen, Wasser, usw., auf die Tragfähigkeit dieser Böden zu beachten. Beispielsweise darf ein nachweislich eiszeitlich vorbelasteter Geschiebemergel im Einzelfall trotz bindigen Charakters im Sinne der DIN 1054 bzw. DIN 18 196 den nichtbindigen Böden zugeordnet werden. Voraussetzung dafür ist die zuverlässige regionalgeologische Einordnung durch den Sachverständigen für Geotechnik. Hinweise finden sich auch in [32]. 37

Bild 3.6 Zuordnung der Bodengruppen nach DIN 18 196 zu den nichtbindigen und bindigen Böden

3.4

Pfahlkonstruktionen zur Baugrubenherstellung und Sicherung von Geländesprüngen

3.4.1

Allgemeines

(1) Pfähle werden auch zur Herstellung von Baugrubenwänden oder Sicherung von Geländesprüngen eingesetzt. Dabei ist nach [22] zu unterscheiden zwischen a) Trägerprofilen als Bohlträger von Trägerbohlwänden, die eingerammt, eingerüttelt oder in Bohrlöcher eingestellt werden und b) Ortbetonwänden als Bohrpfahlwände. (2) Im Hinblick auf die Biegesteifigkeit können nach [22] in der Regel Trägerbohlwände als biegeweich und Bohrpfahlwände als biegesteif angesehen werden. (3) Bei Ortbetonwänden werden Bohrpfähle zu Bohrpfahlwänden nebeneinander gesetzt. Diese Bohrpfahlwände können sowohl Erddruck und Wasserdruck, als auch Bauwerkslasten aufnehmen. (4) Bohrpfahlwände können sowohl für temporäre Maßnahmen als auch für Dauermaßnahmen verwendet werden. 3.4.2

Anordnung der Pfähle

(1) Sofern die Bohrpfahlwände wasserdruckhaltend ausgeführt werden, müssen die einzelnen Pfähle sich gegenseitig überschneiden („überschnittene Bohrpfahlwand“). Der Achsabstand der Pfähle am Bohransatzpunkt ist dabei so zu 38

wählen, dass bei den zu erwartenden unvermeidlichen Bohrabweichungen über die gesamte Tiefe eine ausreichende Überschneidung gewährleistet ist. (2) „Tangierende Bohrpfahlwände“ werden verwendet, wenn lediglich Erddruck und Bauwerkslasten abzutragen sind. Schichtwasser wird dabei druckfrei abgeleitet. Gegebenenfalls sind zusätzliche Entwässerungsmaßnahmen vorzusehen. (3) Bei (temporär) standfestem Boden ist die „aufgelöste Bohrpfahlwand“ geeignet. Hierbei stehen die Pfähle mit deutlichem Abstand zueinander auf Lücke. Der Raum zwischen den Pfählen wird mit Spritzbeton oder Ortbeton gesichert. Schichtwasser wird dabei druckfrei abgeleitet, siehe (2). 3.4.3

Pfahlsysteme und spezielle Ausführungsanforderungen

(1) Für überschnittene und tangierende Bohrpfahlwände nach 3.4.2 (1) und (2) sind alle Bohrpfahlsysteme nach 2.2.1, ausgenommen Teilverdrängungsbohrpfähle, geeignet, bei denen der Boden ausgehoben wird. Für aufgelöste Bohrpfahlwände sind auch Teilverdrängungsbohrpfähle nach 2.2.1.4 und Vollverdrängungsbohrpfähle nach 2.2.4 möglich, sofern der Abstand zwischen den Pfählen groß genug ist, um horizontale Bodenverschiebungen am bereits hergestellten Pfahl zu verhindern. (2) Zur Einhaltung der Bohrtoleranzen am Bohransatzpunkt sind Bohrschablonen zu verwenden, in denen das Bohrrohr oder das Bohrwerkzeug geführt wird. (3) Die Bohrpfahlwände werden meist vertikal hergestellt. In Ausnahmefällen können auch geneigte Pfahlwände erstellt werden. Hierbei sind besondere Maßnahmen zum Ausrichten des Bohrgeräts und des Bohrstranges zu ergreifen. (4) Bei hohen Anforderungen an die Bohrgenauigkeit muss der Bohrverlauf der Pfähle überprüft werden. Dabei genügt es meist, jeweils den Kopf- und Fußpunkt der Pfähle einzumessen. Hierfür gibt es spezielle Geräte wie Seilneigungsmessgeräte oder Ultraschall-Echo-Messgeräte. Bei Bohrverfahren mit durchgehendem Bohrstrang sind häufig Neigungsmesseinrichtungen im Werkzeug integriert, mit denen der Verlauf der Bohrung im Zuge der Herstellung vermessen und dokumentiert werden kann. (5) Sofern die Abweichungen ein im Einzelfall festzulegendes Maß überschreiten, müssen Zusatzmaßnahmen oder Korrekturen im Bohrverfahren eingeleitet werden. Sofern die Abweichungen bei wasserdruckhaltenden Wänden zu Lücken zwischen den Pfählen führen, können diese durch Injektionen oder durch Herstellung von Zusatzpfählen oder Düsenstrahlabdichtungskörpern im Pfahlzwickel überbrückt werden. Sofern die Abweichungen dazu führen, dass die Pfähle im späteren Bauwerk stehen, oder dass die Kraftübertragung nicht mehr sichergestellt ist, müssen Korrekturen im Bohrverfahren, ggf. auch die Umstellung des Bohrverfahrens in Betracht gezogen werden. (6) Hinweise zur Ausführung von Pfahlwänden in empfindlichen weichen Böden siehe [22] und 11.2.1 (3). 39

3.4.4

Berechnung und Bemessung

(1) Zur Berechnung und Bemessung der Pfahlwände siehe [22]. 3.4.5

Bewehrung

(1) Üblicherweise werden die Pfähle mit Bewehrungskörben, bestehend aus Längseisen, Spiralwendeln, Aussteifungsringen und Abstandshaltern, bewehrt. Dabei sollten die Bewehrungselemente stabil miteinander verschweißt werden. Wird die Bewehrung erst nach dem Betonieren eingestellt, sollte der Bewehrungskorb im unteren Abschnitt konisch verjüngt sein. (2) In Sonderfällen werden gewalzte Stahlprofile verwendet. (3) Bei aufgelösten und tangierenden Bohrpfahlwänden wird jeder Pfahl bewehrt. (4) Bei überschnittenen Bohrpfahlwänden werden nur die „einschneidenden Pfähle“ bewehrt. Dabei wird entweder jeder zweite Pfahl (1–1-System) oder jeder vierte Pfahl (1–3–1-System) bewehrt. Die unbewehrten Pfähle wirken hierbei als Füllpfähle oder Ausfachung. Sie bilden ein horizontales Gewölbe zwischen den bewehrten Pfählen. Biegemomente und Querkräfte werden von den bewehrten Pfählen abgetragen. (5) Um die Anforderung an die Bewehrungsführung entsprechend DIN EN 1536 auch bei stark bewehrten Pfählen einhalten zu können, sollten große Betonstabstahldurchmesser bevorzugt verwendet werden. 3.4.6

Beton

(1) Für die bewehrten Pfähle (Sekundärpfähle) ist Beton nach den Angaben in DIN EN 1536 zu verwenden. Für die unbewehrten Primärpfähle empfiehlt es sich, spezielle Betonrezepturen mit niedriger Festigkeit zum Zeitpunkt des Anschnitts zu wählen. Insbesondere bei großen Pfahldurchmessern (> 0,80 m) erfordert es extrem hohe Antriebskräfte der Verrohrungsanlage, wenn der Beton eine Festigkeit über 10 N/mm2 besitzt. (2) Bei hochbewehrten Pfählen sollte schon bei der Planung ein kleinerer Körnungsdurchmesser für die Betonzuschlagstoffe gewählt werden. (3) Wird die Bewehrung erst nachträglich eingestellt, muss die Stabilität des Frischbetons in besonderem Maße gewährleistet sein, um Abfiltereffekte und das damit verbundene Ansteifen des Betons noch vor Einbau der Bewehrung zu verhindern. 3.4.7

Wasserdichtigkeit von Bohrpfahlwänden

(1) In der Planung ist zu berücksichtigen, dass Bohrpfahlwände verfahrensbedingt nicht wasserdicht sind. Der Schneidschuh am Bohrrohranfänger hat einen 40

geringfügig größeren Durchmesser als das Bohrrohr (Freischnitt 10 bis 20 mm), damit die Reibungskräfte zwischen Bohrrohr und angeschnittenem Pfahl nicht übermäßig groß werden. Beim Anschneiden des Primärpfahls wird immer etwas Bohrgut in den Spalt des Freischnitts eingetragen und verrieben. Beim Betoniervorgang und dem gleichzeitigen Ziehen der Verrohrung bleibt somit etwas Bohrklein auf dem angeschnittenen Beton des Primärpfahls als Trennlage zwischen Frischbeton und erhärtetem Beton hängen. Durch Penetration von abgefiltertem Zementleim in die Trennlage kann diese verfestigt und teilweise abgedichtet werden. Schon kleine Relativbewegungen zwischen den einzelnen Pfählen, wie sie üblicherweise beim Spannen der Anker oder Vorspannen der Steifen, spätestens jedoch beim Aushub der Baugrube vorkommen, führen notwendigerweise zu örtlichen Leckagen. (2) Auch wenn rinnendes Wasser durch Nachdichtarbeiten abgestellt wurde, bleiben wasserdruckbelastete Bohrpfahlwände i. d. R. feucht. Sofern für ausreichenden Luftaustausch gesorgt ist, kann diese Durchfeuchtung auch für Dauerbauwerke ohne Beeinträchtigung der Gebrauchsfähigkeit toleriert werden. Kann dieser Luftaustausch nicht gewährleistet werden, muss damit gerechnet werden, dass nasse Stellen sichtbar sind. In ungünstigen Fällen ist massive Schimmelbildung beobachtet worden. 3.5

Pfahlkonstruktionen zur Böschungssicherung

(1) Zur Verbesserung der Standsicherheit rutschender oder kriechender Hänge und Böschungen ist die Verdübelung mit steifen Elementen, die bis ins standfeste Liegende eingebracht werden, eine Möglichkeit, instabile Bodenmassen in ihrer Lage zu sichern. Neben anderen Sanierungsmöglichkeiten oder in Kombination mit diesen Maßnahmen, wie z. B. dem Schütten von Gegengewicht, Verankerungen, Vernagelungen, Injektionen und der Entwässerung kommen hierbei Stahlprofile, Schlitzwandelemente oder Großbohrpfähle als eine Art Dübel zur Anwendung. (2) Die Anordnung solcher Dübel sollte unter Berücksichtigung der die Rutschung bedingenden Faktoren grundsätzlich in aufgelöster Form, d. h. ein- oder

Bild 3.7 Beispiel einer Pfahldübelanordnung im Gleitkörper

41

Bild 3.8 Dübelbelastung aus Hangschub

mehrreihig, im talseitigen Bereich des Gleitkörpers erfolgen (Bild 3.7). Bei bestimmten Randbedingungen können auch Pfahlscheiben zweckmäßig sein. (3) Die Belastung auf eine Verdübelung aus annähernd starren Elementen ergibt sich aus der Bodenbewegung des Gleitkörpers oberhalb des Liegenden. Da der Achsabstand der starren Pfahleinzelelemente meist größer als ihr zweifacher Durchmesser ist, bildet sich keine Bodenverspannung zwischen den Einzelelementen aus, die einen Lastansatz nach der Erddrucktheorie erlauben würde. Als maximal mögliche Beanspruchung wirkt demnach der Fließdruck aus der Massenbewegung des Gleitkörpers auf den Dübel. Diese Belastung wird bei einem starren Dübel durch eine Lageveränderung (Verdrehung) sowie Biegeverformung über die Einspannung ins Liegende übertragen, siehe z. B. Bild 3.8. (4) Berechnungsansätze für Böschungssicherungen und Hangverdübelungen finden sich z. B. in [9, 18, 19, 37, 60, 108].

42

4

Einwirkungen und Beanspruchungen

4.1

Allgemeines

(1) Bei Pfahlgründungen sind Einwirkungen zu unterscheiden in – Gründungslasten, z. B. aus dem Bauwerk, siehe 4.2; – grundbauspezifische Einwirkungen, hier besonders Einwirkungen aus dem Baugrund, z. B. negative Mantelreibung nach 4.4, Seitendruck nach 4.5 und Setzungsbiegung nach 4.6; – nichtruhende Einwirkungen aus dynamischen, zyklischen und stoßartigen Belastungen. (2) Die Gründungslasten, z. B. aus dem aufgehenden Bauwerk, können zu folgenden Einwirkungen auf die Pfähle führen: – – – – – –

FG,k als ständige Einwirkung in axialer Richtung, FQ,k als veränderliche Einwirkung in axialer Richtung, HG,k als ständige Einwirkung quer zur Pfahlachse, HQ,k als veränderliche Einwirkung quer zur Pfahlachse, MG,k als Moment infolge ständiger Einwirkungen, MQ,k als Moment infolge veränderlicher Einwirkungen.

(3) Alle charakteristischen Einwirkungen nach (1) bzw. (2) führen zu Beanspruchungen, die von den Pfählen über die „äußere“ und die „innere“ Pfahltragfähigkeit aufgenommen werden müssen, siehe Kapitel 6. (4) Bei der Tragwerksberechnung, z. B. bei der Ermittlung der Beanspruchungen in der Pfahlkopfplatte oder auch in aufgehenden Rahmen- und Scheibenkonstruktionen, sind die Pfähle als verschiebungsabhängige Widerstände zu berücksichtigen. Dabei wird häufig dieser verschiebungsabhängige Widerstand durch den Ansatz von Ersatz-Wegfedern am Standort der Pfähle modelliert. Die (Ersatz-)Federsteifigkeit für den jeweiligen Pfahl kann für den maßgebenden Verschiebungs- bzw. Beanspruchungszustand aus der Widerstands-Setzungs-Linie ermittelt werden, siehe z. B. 6.3 (3). Die Ergebnisse der Tragwerksberechnung sind bezüglich des berechneten Verschiebungs- und Beanspruchungszustandes der Pfähle auf Übereinstimmung mit den getroffenen Annahmen für die Ersatzfedersteifigkeit zu überprüfen. (5) Bei Pfahlgruppen kann eine Beeinflussung des Widerstands-Setzungs-Verhaltens durch die Pfahlgruppenwirkung eintreten. Dem entsprechend sollten pfahlstandortabhängige Ersatzfedersteifigkeiten in Abhängigkeit von der räumlichen Stellung der Pfähle in der Gruppe angesetzt werden (siehe Kapitel 8), wenn eine maßgebliche Beeinflussung zu erwarten ist. Auch bei inhomogenen Baugrundverhältnissen kann der Ansatz unterschiedlicher Federsteifigkeiten innerhalb einer Pfahlgruppe erforderlich werden. (6) Es wird i. d. R. davon ausgegangen, dass die Pfahlsetzungen infolge der Pfahleigenlasten mit der Errichtung des Überbaus abgeklungen sind bzw. 43

vernachlässigt werden können. Für auf Zug beanspruchte Pfähle darf das Pfahleigengewicht nach DIN 1054 als eine günstige ständige Einwirkung bzw. als eine stabilisierende Beanspruchung berücksichtigt werden. (7) Für Pfahlkonstruktionen zur Baugrubenherstellung (3.4) siehe auch [22]. 4.2

Pfahlgründungslasten aus dem Bauwerk

Die Lasten bzw. Beanspruchungen der Pfahlgründungen sind entsprechend DIN 1054:2005-01 (6.1.2) zu ermitteln. 4.3

Herstellungsbedingte Beanspruchungen von Verdrängungspfählen

(1) Durch den Einbringevorgang sind bei Verdrängungspfählen herstellungsbedingte Beanspruchungen in unterschiedlicher Größenordnung zu erwarten. Bei Fertigrammpfählen ergeben sich zusätzliche Beanspruchungen durch Transport und Lagerung. (2) Hinweise zu herstellungsbedingten Beanspruchungen finden sich in DIN EN 1536 und DIN EN 12 699 sowie 11.2 und 11.3. (3) Im Anwendungsfall ist zu prüfen, ob maßgebliche herstellungsbedingte Beanspruchungen vorliegen, die bei der Pfahlbemessung berücksichtigt werden müssen. 4.4

Negative Mantelreibung

4.4.1

Allgemeines

(1) Negative Mantelreibung bei Pfählen ist als eine ständige Einwirkung Fn zu verstehen, die aus der Relativverschiebung zwischen Boden und Pfahl in axialer Richtung stammt, bei der sich der Boden stärker setzt als der Pfahl. Diese Relativverschiebung wird i. d. R. durch Setzungen einer Weichschicht hervorgerufen, die beispielsweise auf zusätzliche Auflasten, Konsolidationsvorgänge oder Grundwasserspiegelschwankungen zurückgeführt werden können. Dabei hängt sich das Eigengewicht der sich setzenden Bodenschicht sowie der darüber liegenden Schichten an dem Pfahl über Mantelreibung an. Diese Mantelreibung ist entgegengesetzt der Mantelreibung aus Pfahlsetzungen und wird deshalb als negativ bezeichnet. (2) Der Pfahl setzt sich so lange, bis die Einwirkungen aus negativer Mantelreibung zusammen mit den Einwirkungen auf die Pfähle aus dem Bauwerk und den Pfahlwiderständen aus Pfahlspitzenwiderstand und stützender Mantelreibung im Gleichgewicht stehen. Bild 4.1 zeigt diesen Zusammenhang für zwei Fälle: 44

Bild 4.1 Qualitative Zusammenhänge zwischen Pfahlwiderständen und Beanspruchungen aus Bauwerkslasten und negativer Mantelreibung bei homogenem Baugrund und Definition des neutralen Punktes (aus [42]). Hinweis: dargestellt ist die Änderung der axialen Pfahlbeanspruchung

– Bei geringen Beanspruchungen Fa aus den Bauwerkslasten und damit geringer Pfahlsetzung sa sowie größerem Beanspruchungsanteil Fn aus negativer Mantelreibung reicht der Einfluss von Wn tief. – Umgekehrt führt ein großer Beanspruchungsanteil Fb zu größeren Pfahlsetzungen und damit infolge der Relativverschiebung zwischen Boden und Pfahl bald zur Aktivierung der positiven Mantelreibung qs. Die nachfolgenden Ausführungen sind im Wesentlichen [43] entnommen. (3) Die Grenze zwischen rechnerischer positiver und negativer Mantelreibung wird als neutraler Punkt bezeichnet, siehe [28] sowie Bilder 4.1 und 4.2. (4) Nach dem neuen Teilsicherheitskonzept ist die negative Mantelreibung bei Pfahlgründungen i. d. R. als eine ständige Einwirkung definiert, die zu einer zusätzlichen Beanspruchungskomponente auf die Pfähle führt. 4.4.2

Ermittlung der charakteristischen Einwirkung aus negativer Mantelreibung

(1) Eine zutreffende Abschätzung der negativen Mantelreibung Wn,k am Pfahl erfordert die Angabe von – – – –

den Pfahlsetzungen über die Tiefe, den Setzungen der Bodenschichten über die Tiefe, den daraus resultierenden Relativverschiebungen und ggf. den Mobilisierungsfunktionen von Wn,k und qs,k. 45

(2) DIN 1054:2005-01 enthält Näherungsangaben für die Größe der charakteristischen Werte der negativen Mantelreibung Wn,k für bindige und nichtbindige Böden. (3) In der Literatur zur negativen Mantelreibung sind im Wesentlichen zwei Ansätze zur Ableitung der charakteristischen negativen Mantelreibung Wn,k zu finden: – Mit totalen Spannungen für bindige Böden τ n,k = α ⋅ c u,k

(4.1)

Dabei ist: D cu,k

ein Faktor zur Festlegung der Größe der charakteristischen negativen Mantelreibung für bindige Böden, der charakteristische Wert der Scherfestigkeit des undränierten Bodens.

Die Größenordnung des Faktors D liegt je nach Bodenart und Pfahltyp zwischen 0,15 und 1,60, wobei in Gl. (24) der DIN 1054:2005-01 (hier Gl. 4.1) näherungsweise D = 1 gesetzt wird und diese Beziehung generell für bindigen Boden empfohlen wird. Detailliertere Angaben über den Wert des Faktors D können beispielsweise [13, 26, 27, 42, 61, 114] entnommen werden. – Mit effektiven Spannungen für nichtbindige und bindige Böden: τ n,k = K 0 ⋅ tan ϕ k′ ⋅ σ v′ = β ⋅ σ v′

(4.2)

Dabei ist: Vcv K0 Mck E

die effektive Vertikalspannung, der Erdruhedruckbeiwert, der charakteristische Wert des Reibungswinkels, ein Faktor zur Festlegung der Größe der charakteristischen negativen Mantelreibung für nichtbindige und bindige Böden.

Nach den Angaben in der Literatur liegt die Größenordnung des Faktors E je nach Bodenart zwischen 0,1 und 1,0, siehe z. B. [12, 13, 15, 26, 27, 42, 61]. Häufig wird für nichtbindige Böden E = 0,25 bis 0,30 verwendet. (4) Keine abgesicherten Angaben liegen darüber vor, ob sich Wn,k je nach Konsolidierungszustand der Weichschicht in der Pfahlumgebung über die Zeit verändert. (5) Eine nichtbindige Auffüllung über einer Weichschicht kann rechnerisch zu sehr großen Pfahlbeanspruchungen aus negativer Mantelreibung führen, daher ist die resultierende charakteristische Beanspruchung nicht größer als das Gewicht 46

dieser Schicht im Einflussbereich der Pfähle anzusetzen. Diese Regelung ist aber nur sinnvoll für in einer Gruppe eng stehende Pfähle. (6) In DIN 1054 wird der Hinweis gegeben, dass die negative Mantelreibung Wn,k nicht größer zu erwarten ist als eine positive Mantelreibung qs,k in vergleichbaren Baugrundschichten. Im Geotechnischen Untersuchungs- bzw. Entwurfsbericht sollte diese Aussage der Norm durch den Sachverständigen für Geotechnik oder den geotechnischen Fachplaner ausdrücklich bestätigt oder projektbezogen modifiziert werden, da die positive Mantelreibung i. d. R. Kleinstwerte darstellt und damit auch Wn,k > qs,k möglich ist. (7) Der Einfluss der negativen Mantelreibung reicht bis zum neutralen Punkt. In Wirklichkeit tritt eine Übergangszone von negativer zu positiver Mantelreibung auf, wobei der Übergang als linear angenommen wird. Sie wird in [28] als neutrale Ebene bezeichnet. Innerhalb dieser Übergangszone ist demnach die Mantelreibung nicht voll mobilisiert. Die Länge der Zone der „neutralen Ebene“ nach Bild 4.2 ist von der Relativverschiebung zwischen Pfahl und Boden abhängig. Je geringer der Winkel \ zwischen den sich schneidenden Setzungskurven ist, desto größer ist die Übergangszone von negativer zu positiver Mantelreibung.

Bild 4.2 Modellvorstellung zur negativen Mantelreibung und Aktivierung der Pfahlschaftreibung in Abhängigkeit des Schnittwinkels \ der Setzungskurven bei einem (a) starren Pfahl bzw. (b) elastischen Pfahl (nach [28], aus [43])

47

(8) Der neutrale Punkt darf für praktische Berechnungsaufgaben näherungsweise ohne Übergangszone zwischen Wn und qs angenommen werden. Die größte Beanspruchung des Pfahles in axialer Richtung tritt jeweils in diesem Punkt auf, da die Gesamtlast durch die ebenfalls nach unten gerichteten Einwirkungen aus negativer Mantelreibung erhöht wird und bis zu diesem Punkt keine Lastabtragung in den Boden stattfindet, da hier kein Pfahlwiderstand mobilisiert wird (siehe Bild 4.1). Weiterhin stimmen die Setzungen des Pfahls mit den Setzungen des umgebenden Bodens im neutralen Punkt überein. (9) Der neutrale Punkt liegt bei Spitzenwiderstandspfählen in der Nähe des Pfahlfußes. Für einen langen Reibungspfahl liegt der neutrale Punkt dagegen häufig oberhalb der Pfahlmitte. (10) Die Einwirkungen auf den Pfahl aus negativer Mantelreibung können eine Reserve für den äußeren Pfahlwiderstand bilden; so kann eine zusätzlich auf den Pfahl aufgebrachte Einwirkung aus Bauwerkslasten zunächst die negative Mantelreibung reduzieren, statt die Ausnutzung des Pfahlwiderstands zu vergrößern. Umgekehrt bedeutet dies, dass die negative Mantelreibung aufgrund dieser Reduktion eine Tragreserve für den äußeren Pfahlwiderstand darstellen kann, ähnlich einer Vorspannung des Bodens. (11) Für die Bestimmung der Tiefenlage des neutralen Punktes im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit GZ 2 und somit der Größe der charakteristischen Einwirkung Fn2,k wird empfohlen, die Verformungen des den Pfahl umgebenden Bodens, i. d. R. für den Endzustand, also unter Berücksichtigung von Konsolidations- und Kriechverformungen sn, mit charakteristischen Größen zu bestimmen. Ein Verformungsvergleich von s2 mit den Setzungen der umgebenden Weichschicht sn ergibt die Lage des neutralen Punktes. (12) Im Grenzzustand der Tragfähigkeit GZ 1B („äußere“ Pfahltragfähigkeit) wird zur Ermittlung des neutralen Punktes und somit der Größe der charakteristischen Einwirkung Fn1,k empfohlen, die Festlegung der Setzung s1 des Pfahles im Grenzzustand der Tragfähigkeit entsprechend Kapitel 5 je nach gewählter Pfahltragfähigkeitsermittlung vorzunehmen. Ein Verformungsvergleich von s1 mit den Setzungen der umgebenden Weichschichten sn ergibt die Lage des neutralen Punktes für den Grenzzustand GZ 1, der in einer anderen Tiefenlage als im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit GZ 2 liegen kann. (13) Die abgeschätzten Setzungen der Pfähle im Grenzzustand GZ 1 treten in Wirklichkeit unter den tatsächlich wirkenden Lasten (charakteristische Einwirkungen) nicht auf. Die Nachweisführung im Grenzzustand GZ 1B erfolgt somit auf Grundlage eines fiktiven Verformungszustandes.

48

4.4.3

Negative Mantelreibung infolge Hebung des Bodens in der Pfahlumgebung

(1) Pfähle werden auch infolge Hebungen des Bodens in der Pfahlumgebung durch negative Mantelreibung beansprucht. Eine solche Beanspruchung tritt beispielsweise auf, wenn ein auf einer Pfahlgründung zu gründendes Bauwerk in einer Baugrube errichtet wird und die Pfähle vor dem Endaushub der Baugrube hergestellt werden. Beim nachfolgenden Aushubvorgang werden die Pfähle durch die Aushubentlastung und die hiermit verbundenen Hebungen des Bodens auf Zug beansprucht (siehe Bild 4.3). (2) Die Stelle der größten Zugbeanspruchung bzw. Dehnung („neutrale Faser“) liegt in der Regel im mittleren Drittel der Pfahllänge. (3) Die Größe der Dehnungen hängt von der Hebung des Bodens, also der Aushubentlastung und der Steifigkeit des Bodens, sowie von Pfahllänge, -abstand und -anordnung ab und kann z. B. durch numerische Berechnungen abgeschätzt werden. Nach Messungen an Bohrpfählen können hier Dehnungen bis etwa 0,3 ‰ auftreten, siehe [73], wodurch die rechnerische Dehngrenze des Pfahlbetons überschritten werden kann. (4) Es ist zu berücksichtigen, dass die Zugspannungen in den Pfählen bei der in Bild 4.3 dargestellten Situation durch die nachfolgende Bauwerkslast in der Regel wieder schrittweise überdrückt werden.

Bild 4.3 Beispiel zur Beanspruchung von Pfählen durch Hebungen des Bodens in der Pfahlumgebung, hier: infolge nachfolgendem Baugrubenaushub

49

4.4.4

Ermittlung der Bemessungsgrößen der Einwirkungen bzw. Beanspruchungen und Nachweisführung

(1) Bei der Einordnung der Einwirkung aus negativer Mantelreibung in die Lastfälle wird empfohlen, diese dem Lastfall LF 1 zuzuordnen, wenn die negative Mantelreibung während der gesamten Funktionszeit des Pfahles dauerhaft vorhanden ist und auch nach Abklingen der Setzungen der Weichschicht in der Pfahlumgebung die verformte Weichschicht als ständige Einwirkung an den Pfählen angehängt bleibt. Der Lastfall LF 2 wird maßgebend, wenn für die negative Mantelreibung als Einwirkungssituation die Definition der DIN 1054 zutrifft: „… Regelkombination EK 1 (Ständige Einwirkungen) in Verbindung mit Zustand der Sicherheitsklasse SK 2 (… Bauzustände durch Baumaßnahmen neben dem Bauwerk).“ Zum Beispiel könnte eine die negative Mantelreibung erzeugende temporäre Aufschüttung neben einer Pfahlgründung als eine solche Einwirkungssituation eingestuft werden. (2) Bei der Nachweisführung in den Grenzzuständen der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit sind im Zusammenhang mit der Pfahlbeanspruchung aus negativer Mantelreibung die nachfolgend unter (3) und (4) aufgeführten Fälle zu unterscheiden. (3) „Äußere“ Pfahltragfähigkeit: a) Gebrauchstauglichkeit (GZ 2): Die charakteristische Einwirkung Fn2,k und die Lage des neutralen Punktes ergeben sich aus dem Verformungsverhalten der Pfahlsetzung s2 mit den Setzungen der Weichschicht sn. Der Bemessungswert der Beanspruchung lautet: E 2,d = E 2,k = FG,k + Fn2,k + FQ,k

(4.3)

b) Tragfähigkeit (GZ 1): Die charakteristische Einwirkung Fn1,k und die Lage des neutralen Punktes ergibt sich aus dem Verformungsvergleich der Pfahlsetzung s1 mit den Setzungen der Weichschicht sn. Die Lage des neutralen Punktes liegt dabei i. d. R. höher als beim GZ 2, da die fiktive Setzung s1 größer ist als s2 (außer z. B. bei Pfählen auf Fels). Der Bemessungswert der Beanspruchung lautet: E1,d = (FG,k + Fn1,k ) ⋅ γ G + FQ,k ⋅ γ Q

(4.4)

(4) „Innere“ Pfahltragfähigkeit (Materialnachweis): Der Nachweis wird i. d. R. im Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZ 1) mit den Einwirkungen aus der negativen Mantelreibung im Gebrauchszustand Fn2,k bei s2 nach Absatz (3) a geführt. (5) Anhang B8 enthält ein Beispiel zur Berücksichtigung von negativer Mantelreibung bei Pfählen und zur Nachweisführung. 50

4.5

Seitendruck

4.5.1

Allgemeines

(1) Infolge von Bodenverschiebungen in weichen bindigen Bodenschichten ergeben sich Einwirkungen auf Pfähle quer zur Pfahlachse und dadurch Biegebeanspruchungen. Beispiele für diese Einwirkungsform zeigt Bild 4.4. Seitendruck auf Pfähle tritt häufig auch bei der Hinterfüllung von Widerlagern mit Pfahlgründungen auf. Die Größe der Einwirkung hängt hierbei u. a. sowohl vom Ausmaß der Bodenbewegung, von der Steifigkeit der Pfähle und den geometrischen Randbedingungen ab. (2) Unabhängig von der Baugrundschichtung können Seitendruckbeanspruchungen auf die Pfähle vorhanden sein, wenn die – Pfähle zur Böschungssicherung in einer Böschung stehen oder – einen Geländesprung als Gründungselemente stützen. Pfahlgründungen zur Böschungssicherung (z. B. Dübel) siehe 3.5. Beanspruchungen von Gründungspfählen an einem Geländesprung (z. B. Widerlagergründungen) siehe 4.7. Im Folgenden wird unter Seitendruck auf Pfähle schwerpunktmäßig ein Umfließen von weichen bindigen Böden quer zur Pfahlachse verstanden. Dies führt zu einer Querbeanspruchung der Pfähle als Einwirkung aus dem Baugrund, siehe 4.1. (3) Zu den Einwirkungen auf Schrägpfähle (Setzungsbiegung) siehe 4.6. (4) Anhang B10 enthält ein Beispiel für auf Seitendruck beanspruchte Pfähle.

Bild 4.4 Beispiele für die Ursachen von Seitendruck auf Pfähle (aus [42]): (a) resultierend aus einer Aufschüttung, (b) resultierend aus einem Aushub

51

4.5.2

Notwendigkeit einer Pfahlbemessung auf Seitendruck

(1) Sofern bindige Böden, insbesondere normal- oder leicht überkonsolidiert mit weicher oder noch ungünstigerer Konsistenz, vorhanden sind, bei denen aufgrund der geometrischen oder belastungsbedingten Randbedingungen ein Seitendruck auf die Pfähle nicht ausgeschlossen werden kann, müssen Untersuchungen bezüglich zusätzlicher Einwirkungen aus Seitendruck nach 4.5.3 bzw. 4.5.4 durchgeführt werden. (2) Die Notwendigkeit einer Pfahlbemessung auf Seitendruck kann mit Hilfe einer Geländebruchuntersuchung nach DIN 4084 unter Berücksichtigung der Teilsicherheitsbeiwerte nach DIN 1054:2005-01 abgeschätzt werden. Im Einzelnen ist dabei wie folgt vorzugehen: – Durchführung einer Geländebruchberechnung am “entkleideten System“ (siehe Bild 4.5). – Der die Stützkonstruktion belastende Bemessungserddruck Ed wird gemäß Bild 4.5 stützend auf das System angesetzt, wobei eine eventuelle veränderliche Einwirkung zu vernachlässigen ist, da diese die Stützkraft erhöht. – Die Berechnungen sind i. d. R. mit der Scherfestigkeit cu,d des undränierten Bodens für die Weichschichten durchzuführen. Je nach Ausnutzungsgrad P des Bemessungswiderstandes kann gemäß (3) abgeschätzt werden, ob die Verformungen in den Weichschichten Seitendruckbeanspruchungen auf die Pfähle bewirken können. (3) Werden die in Tabelle 4.1 zusammengestellten Grenzwerte für den Ausnutzungsgrad P eingehalten, darf eine Pfahlbemessung auf Seitendruck entsprechend (4) und (5) entfallen.

Bild 4.5 Untersuchung zur Notwendigkeit einer Pfahlbemessung auf Seitendruck; Ansatz der Stützkraft beim Nachweis der Gesamtstandsicherheit nach DIN 4084; (a) System, (b) “entkleidetes System“

52

Tabelle 4.1 Grenzwerte für den Ausnutzungsgrad P des Bemessungswiderstandes der Gesamtstandsicherheit nach DIN 4084 am „entkleideten“ System P

Weiche Bodenschichten, die ggf. einen Seitendruck auf Pfähle bewirken können

0,80

Bindige Böden nach Absatz (1)

0,75

Stark organische Böden mit Vgl >15 % und w > 75 %, z. B. Klei, Torf, usw.

(4) Werden die Grenzwerte für den Ausnutzungsgrad P nach Tabelle 4.1 überschritten oder liegen Verhältnisse nach Absatz (1) vor, so ist bei der Ermittlung der Einwirkung durch Bodenbewegungen quer zur Pfahlachse zu unterscheiden zwischen – dem charakteristischen Fließdruck pf,k und – dem charakteristischen resultierenden Erddruck 'ek. (5) Maßgebend ist die sich ergebende jeweils kleinere Gesamtkraft aus Seitendruck auf die Pfähle, wobei die Beanspruchung aus der Fließdruckkraft Pf,k und der resultierenden Erddruckkraft 'Ek jeweils über die gesamte Einwirkungshöhe zu bestimmen sind (siehe Bild 4.6). Grundsätzlich ist für jeden Pfahl das Minimum der Gesamtbeanspruchung als Einwirkungskraft maßgebend, auch wenn einer der in (4) genannten Seitendrücke in Teilabschnitten des Pfahls geringer als der jeweils andere ist.

Bild 4.6 Maßgebliche Gesamtbeanspruchung aus resultierendem Erddruck bzw. Fließdruck (Beispiel)

53

4.5.3

Ermittlung der charakteristischen Einwirkung aus Fließdruck

(1) Es wird davon ausgegangen, dass die Scherfestigkeit des Bodens ausgeschöpft ist und der plastifizierte Boden den Pfahl umfließt. (2) Die Größe der charakteristischen Einwirkung aus Fließdruck quer zur Pfahlachse als Linienlast auf den Einzelpfahl beträgt in Anlehnung an [123] pf,k = 7 ⋅ ηa ⋅ c u,k ⋅ a s bzw. 7 ⋅ ηa ⋅ c u,k ⋅ Ds [kN/m]

(4.5)

mit: as Ds Ka

Pfahlbreite senkrecht zur Fließrichtung bei quadratischem Querschnitt bzw. Pfahldurchmesser bei rundem Querschnitt, Anpassungsfaktor für das Verbauverhältnis nach Bild 4.7.

Die Erhöhung des Fließdruckes bei Pfahlgruppen sollte entsprechend dem Verbauverhältnis nach [121] berücksichtigt werden (siehe Bild 4.7). Die möglichen Fließrichtungen sind in Abhängigkeit von den geometrischen Verhältnissen abzuschätzen. Bei Pfahlgruppen ist der Fließdruck auf jeden Gruppenpfahl voll anzusetzen, es sei denn, die Pfähle stehen in Kraftrichtung außergewöhnlich dicht hintereinander.

Bild 4.7 Anpassungsfaktor Ka aus dem Verbauverhältnis (nach [121])

54

4.5.4

Ermittlung der charakteristischen Einwirkung aus dem resultierenden Erddruck

(1) Mit dem folgenden Erddruckansatz wird ein weiterer Grenzwert für die Seitendruckbeanspruchung abgeschätzt, der aber keinen realen Deformationszustand zur Grundlage hat (Bild 4.8). Erddruck und Erdwiderstand werden für eine gedachte senkrechte Wand vor und hinter der Pfahlgruppe ermittelt. Dabei ist näherungsweise der Erddruckneigungswinkel G zu Null zu setzen. Eine Abminderung der Erddruckbeanspruchung durch Abschirmung, z. B. durch rückwärtige horizontale Sporne oder überstehende Pfahlkopfplatten, darf nicht berücksichtig werden. Die Erddruckanteile sind zunächst als ebener Erddruck zu ermitteln. (2) Der charakteristische resultierende Erddruck 'ek errechnet sich aus der Differenz des aktiven Erddruckes ea,k und des Erdwiderstandes ep,k auf die fiktive senkrechte Wand. Δe k = e a,k − e p,k

(4.6)

(3) Die Berechnung des charakteristischen aktiven Erddrucks erfolgt entweder – mit den Scherparametern des undränierten Bodens für den Anfangszustand e a,k = γ ⋅ z + Δp k − 2 ⋅ c u,k

(4.7)

– mit effektiven Scherparametern für den Endzustand e a,k = ( γ ⋅ z + Δp k ) ⋅ K agh − 2 ⋅ c ′k ⋅ K agh

(4.8)

– oder bei teilkonsolidierten Zuständen mit e a,k = ( γ ⋅ z + U c ⋅ Δp k ) ⋅ K agh + (1 − U c ) ⋅ Δp k − 2 ⋅ c ′k ⋅ K agh

(4.9)

Bild 4.8 System und Erddruckansatz

55

Hierin bedeuten: J

'pk Uc

Wichte der Weichschicht, wobei an Stelle von J bei wassergesättigten Böden der Wert Jr oberhalb des Grundwasserspiegels gilt und Jc unterhalb des Grundwasserspiegels zu setzen ist, Spannungen aus einer Auflast oder sonstigen fließdruckerzeugenden Einwirkungen, Konsolidierungsgrad in den Weichschichten infolge 'pk.

(4) Die charakteristische Auflast 'pk kann Eigengewichtsanteile z. B. aus einer Widerlagerhinterfüllung, Nutzlasten oder andere fließdruckerzeugende Einwirkungen beinhalten; 'pk darf näherungsweise als eine ständige Einwirkung betrachtet werden. (5) Der charakteristische Erdwiderstand wird für alle Konsolidierungszustände nach (3) näherungsweise zu e p,k = γ ⋅ z ⋅ K pgh

(4.10)

unter Ansatz von Kpgh = 1,0 ermittelt, um die Verformungsverträglichkeit zu gewährleisten. Fällt die Geländeoberfläche auf der Erdwiderstandsseite ab, so kann eine sinnvoll idealisierte, horizontale Geländeoberfläche bei der Berechnung des Erdwiderstandes angesetzt werden, von der ab die Ordinate z zählt. An die Stelle von J tritt bei wassergesättigten Böden der Wert – Jr oberhalb des Grundwasserspiegels und – Jc unterhalb des Grundwasserspiegels. (6) Die Größe der charakteristischen Einwirkung aus Seitendruck quer zur Pfahlachse als Linienlast auf den Einzelpfahl ergibt sich aus dem charakteristischen resultierenden Erddruck 'ek und der Einflussbreite b. pe,k = b ⋅ Δe k [kN/m]

(4.11)

Die Einflussbreite b von 'ek auf den einzelnen Pfahl ist dabei zu wählen als das Minimum aus einer der folgenden Bedingungen a) bis d): a) b) c) d)

dem mittleren Pfahlachsabstand quer zur Kraftrichtung nach Bild 4.7, der dreifachen Pfahlbreite as bzw. dem dreifachen Pfahldurchmesser Ds, der Dicke der den Seitendruck erzeugenden Schicht, der gesamten Breite der Pfahlgruppe dividiert durch die Anzahl aller Pfähle.

(7) Weiterhin sollte nach [39] überprüft werden, ob gegenüber Gl. (4.11) in einer Pfahlgruppe mit nG Pfählen und Pfahlabständen < 4 · as bzw. < 4 · Ds die Beanspruchung auf den Einzelpfahl mit der Gleichung pe,k = [(B′ + 3 ⋅ a s ) ⋅ k ⋅ Δe k ] / n G [(B′ + 3 ⋅ Ds ) ⋅ k ⋅ Δe k ] / n G [kN/m] 56

bzw. (4.12)

Bild 4.9 Beiwerte k zur Aufteilung des Seitendrucks auf die Einzelpfähle einer Pfahlgruppe (nach [39])

größere Einwirkungen als nach Gl. (4.11) ergeben, die dann maßgebend sind. Die Bezeichnungen in Gl. (4.12) ergeben sich aus Bild 4.9. (8) Wird die Einwirkung d) nach Absatz (6) als Minimum maßgebend, so sind für ausgedehnte Pfahlgruppen nur die Pfähle zu berücksichtigen, die innerhalb eines Bereiches in Wirkungsrichtung des resultierenden Erddruckes liegen, dessen Länge der 1,5-fachen Höhe der den Seitendruck erzeugenden Schicht entspricht. (9) Die Berücksichtigung des Abstandes zwischen der Pfahlgründung und der den Seitendruck hervorrufenden Einwirkung kann nach 4.5.5 erfolgen. 4.5.5

Entfernungseinfluss und Mindestmomentenbeanspruchung

(1) Stehen Pfähle oder eine Pfahlgruppe in einer größeren Entfernung l von der einen möglichen Seitendruck erzeugenden Einwirkung, z. B. einer Auffüllung nach Bild 4.10, so ist näherungsweise eine Seitendruckbeanspruchung auf diese Pfähle nach [39] gemäß (2) zu berücksichtigen. (2) Bei entfernt stehenden Pfählen darf die charakteristische Seitendruckbeanspruchung nach 4.5.3 und 4.5.4 entsprechend Tabelle 4.2 und den Randbedingungen nach Bild 4.10 reduziert werden. Tabelle 4.2 Entfernungseinfluss auf die Größe der charakteristischen Seitendruckbeanspruchung, nach [39] Abstand l [m]

10 bis 15

25 bis 40

Schichtdicke des weichen Bodens hw [m]

15–30

5–15

15–30

5–15

Reduktion des resultierenden Erddruckes auf %

10–20

5–15

5–15

5

57

Bild 4.10 Systemangaben zum Entfernungseinfluss

Die Angaben in Tabelle 4.2 beziehen sich auf die jeweils in Wirkungsrichtung des Seitendrucks liegenden vorderen Pfähle, wobei vorausgesetzt wird, dass die Pfahlachsabstände a d 4 · as bzw. a d 4 · Ds sind. (3) Sofern Seitendruck nach 4.5.2 zu berücksichtigen ist, sollte für alle unmittelbar betroffenen bzw. auch für die entfernt stehenden Pfähle eine charakteristische Mindestmomentenbeanspruchung nach Bild 4.11 aus Seitendruck bei der Pfahlbemessung berücksichtigt werden.

Bild 4.11 Charakteristische Mindestmomentenbeanspruchung (nach [39])

4.5.6

Beanspruchungen der Pfähle

(1) Die Ermittlung der charakteristischen Beanspruchungen der Pfähle quer zur Pfahlachse aus Seitendruck kann z. B. als punktgelagerte Stäbe oder über das Bettungsmodulverfahren aus den nach 4.5.1 bis 4.5.5 ermittelten Einwirkungen erfolgen. 58

(2) Die Bemessungsbeanspruchungen ergeben sich aus den charakteristischen Beanspruchungen mit dem maßgebenden Teilsicherheitsbeiwert. 4.6

Zusatzbeanspruchung von Schrägpfählen aus Baugrundverformung

(1) Schrägpfähle, die in Bereichen mit setzungsempfindlichen Schichten erstellt wurden, werden oftmals im Zuge der Bauausführung von Geländeaufhöhungen oder anderen zusätzlichen Auflasten durch die eintretende Baugrundsetzung zwangsverformt. Diese Zwangsverformung bewirkt eine zusätzliche Beanspruchung des Schrägpfahles in Form von setzungsinduzierten Biegebeanspruchungen (Setzungsbiegung). (2) Einwirkungen, die Setzungsbiegung auf die Pfähle hervorrufen, zeigt beispielhaft Bild 4.12, wobei für die geneigten Pfähle die Einwirkungen der Komponenten aus dem Fließdruck bzw. der Erddruckdifferenz nach Gl. (4.5) bzw. (4.6) der vertikalen Auflast näherungsweise für die Einflussbreite pro Pfahl von 3 Ds d 3 m d Pfahlachsabstand ermittelt werden. Die zur Pfahlachse senkrechte Komponente auf die Pfähle kann aber nicht größer als der Fließdruck nach Gl. (4.5) werden.

Bild 4.12 Einwirkungen auf Schrägpfähle

(3) Setzungsbiegung von Schrägpfählen ist bei den Tragfähigkeitsnachweisen angemessen zu berücksichtigen. Hinweise zur Modellvorstellung und Nachweisführung werden in [55] gegeben. 4.7

Gründungspfähle in Böschungen und an Geländesprüngen

4.7.1

Gründungspfähle in Böschungen

(1) Werden Pfähle in einer vorhandenen, ausreichend standsicheren Böschung hergestellt, so ist eine Beanspruchung durch Seitendruck nicht zu erwarten, solange der Spannungszustand im Boden nicht durch die Pfahlherstellung oder nachträgliche Einwirkungen, z. B. zusätzliche Auflasten nahe der Böschungskrone oder talseitige Abgrabungen, ungünstig verändert wird. 59

(2) Ist die Böschung nicht ausreichend standsicher oder wird der Spannungszustand im Boden durch nachträgliche Einwirkungen ungünstig verändert, so ist die sich ergebende seitliche Beanspruchung der Pfähle zu berücksichtigen. Ihre Größe ist abhängig von der Relativverschiebung zwischen dem Boden und den Pfählen. (3) Wird für den Lastfall LF 1 nach DIN 1054 der Ausnutzungsgrad P d 1 im Geländebruchnachweis der Böschung eingehalten, so bleiben erfahrungsgemäß die Bodenverformungen klein und es genügt, als Seitendruck den aktiven Erddruck zu berücksichtigen. Für die rechnerische Einflussbreite B der Erddruckbeanspruchung auf jeden Pfahl der betrachteten Gründung ist anzusetzen: a) bei engstehenden Pfählen: B = (Bc + 3 Ds) / nG

(4.13)

mit: Bc nG Ds

Abstand zwischen den Achsen der äußeren Pfähle der Pfahlgruppe, Anzahl der Pfähle der Pfahlgruppe, Pfahldurchmesser bzw. as bei quadratischen Pfählen.

b) bei Pfählen in größeren Abständen quer zur Falllinie: B = 3 Ds d 3 m

(4.14)

c) oder, wenn der Einfluss der Scherfestigkeit auf die Gewölbewirkung berücksichtigt wird, nach [17]: B = Ds / Ka

(4.15)

mit: Ka

Erddruckbeiwert für E = G = 0°

Im Zweifelsfall ist der kleinste Wert nach a) bis c) zu wählen. Die Erddruckbeanspruchung ist auf den Bereich der Pfahllänge anzusetzen, der oberhalb der maßgeblichen Gleitfläche einer Geländebruchuntersuchung liegt. (4) Wird der zulässige Ausnutzungsgrad der Böschung überschritten oder ist infolge zeitabhängiger Bodenverformungen, z. B. ‚Kriechhänge‘, mit größeren Relativverschiebungen zwischen Boden und Pfählen zu rechnen, muss auf die Pfähle ein Seitendruck bzw. Hangschub angesetzt werden. Die Größe dieser Einwirkung ist dabei so zu ermitteln, dass die stützende Wirkung der Pfähle die Geländebruchsicherheit gewährleistet, d. h. den Ausnutzungsgrad auf den einzuhaltenden Wert reduziert. (5) Neben den vorstehenden vereinfachten Ansätzen ist auch 3.5 zu beachten. 60

4.7.2

Gründungspfähle an Geländesprüngen

(1) Wird ein auf Pfählen gegründetes Widerlager oder eine Stützwand hinterfüllt, so werden unterhalb der Wand durch die einseitige Bodenauflast zur unbelasteten Seite hin gerichtete Spannungsänderungen im Boden verursacht. Hierdurch wird die Bodenreaktion im oberen Pfahlbereich reduziert. (2) Nahe der ursprünglichen Geländeoberfläche werden die Pfähle i. d. R. durch Seitendruck belastet, da der Erdwiderstand geringer als die Einwirkungen ist. (3) Eine Bettung der Pfähle, also eine Stützung durch den Boden, ist erst in größerer Tiefe vorhanden. Die Grenztiefe, also die Grenze, oberhalb der die Pfähle den Boden stützen und eine horizontale Belastung erfahren, die sie unterhalb dieser Grenze in den Boden abtragen, kann durch zwei Verfahren in Anlehnung an Bild 4.13 ermittelt werden: a) durch Geländebruchuntersuchungen, wobei diejenige Bruchfläche maßgebend wird, die die erforderliche Standsicherheit aufweist bzw. den zulässigen Ausnutzungsgrad einhält, oder b) vereinfachend durch einen Vergleich des charakteristischen Erddruckes im ebenen Fall, wobei die Erddruckneigungswinkel des aktiven und passiven Erddruckes mittels einer Stützlinie nach DIN 4084 abgeschätzt werden können (Richtwerte: Ga = +2/3 Mc, Gp = –1/3 Mc) und der stützende charakteristische

Bild 4.13 Pfähle an Geländesprüngen. (a) System, (b) Ermittlung der Grenztiefe mit belastenden und stützenden Spannungen. E1 bis E3, Ep: Kräfte am „entkleideten System“ (siehe Bild 4.5)

61

Erdwiderstand im Hinblick auf die Verformungen nur zu 50 % berücksichtigt werden darf. (4) Unterhalb der maßgebenden Gleitfläche bzw. dort, wo der mobilisierbare charakteristische Erdwiderstand den charakteristischen aktiven Erddruck übersteigt, können die Pfähle als vom Boden gestützt angesehen und eine charakteristische elastische Bettung angesetzt werden, wobei die errechneten Kontaktspannungen den möglichen Bodenwiderstand nicht überschreiten dürfen, siehe DIN 1054 und 6.2.2 (1). Stehen die Pfähle gleichzeitig im Einflussbereich einer abfallenden Böschung, so ist der Einfluss dieser Geländeneigung bei der Ermittlung des Erdwiderstandes und des Bettungsmoduls zu berücksichtigen.

62

5

Tragverhalten und Widerstände von Einzelpfählen

5.1

Allgemeines

(1) Die bei Pfahlgründungen durchzuführenden Nachweise der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit sind in 1.2.3 und Kapitel 6 behandelt. (2) Im Folgenden finden sich zunächst Hinweise und Empfehlungen zur Bestimmung von Pfahlwiderständen nach unterschiedlichen Verfahrensweisen. Des Weiteren sind Besonderheiten für die zu führenden Nachweise angegeben. (3) Zu den Pfahlwiderständen sei in Ergänzung zu DIN 1054 darauf hingewiesen, dass die in Deutschland seit Jahrzehnten übliche Praxis bestätigt wird und keine reinen erdstatischen Verfahren, z. B. Grundbruchvorstellungen im Pfahlfußbereich, zugelassen sind, bei denen als Eingangsparameter die Scherfestigkeit oder der Steifemodul der Böden Verwendung finden. (4) Unabhängig von (3) sind im Sinne der allgemeinen Grundsätze der DIN 1054 Möglichkeiten gegeben, für bestimmte abgegrenzte Anwendungsformen, Berechnungsverfahren auch für die Ermittlung von Pfahlwiderständen einzusetzen, sofern diese für die vorgesehene Anwendung an vergleichbaren Pfahlprobebelastungsergebnissen kalibriert worden sind. Dies gilt insbesondere für die zunehmende Anwendung von numerischen Verfahren, z. B. die Methode der Finiten Elemente. Dabei hat sich allerdings die wirklichkeitsnahe Modellierung der Pfahlherstellung, z. B. von Bohrpfählen, Verdrängungspfählen und der damit verbundenen Veränderung des Bodens in der Pfahlumgebung, als schwierig herausgestellt. (5) Da nach (3) und (4) derzeit keine allgemein gültigen Verfahren zur Berechnung von Pfahlwiderständen vorliegen, ist als Regelfall nach DIN 1054 der Pfahlwiderstand auf der Grundlage von Pfahlprobebelastungen zu ermitteln, wobei es auch zulässig ist, die axialen Pfahlwiderstände aus Erfahrungswerten (5.4) zu bestimmen, die aber ebenfalls aus Probebelastungen abgeleitet sein sollten. (6) Pfahlprobebelastungen können hinsichtlich der Lastaufbringung in – statische (Kapitel 9) und – dynamische (Kapitel 10) Pfahlprobebelastungen unterschieden werden. (7) Probebelastungen von Pfählen können für unterschiedliche Zwecke ausgeführt werden, z. B. für: – Ermittlung der äußeren Tragfähigkeit von Einzelpfählen oder Pfahlgruppen zur Festlegung der Bemessungsgrundlagen; – Überprüfung der Bemessungsgrundlagen; – Prüfung der Eignung eines Pfahlsystems für die vorliegenden Baugrundverhältnisse; 63

– Nachweis der Einhaltung von vorbestimmten maßgebenden Verschiebungsgrenzwerten für die Gebrauchstauglichkeit von Bauwerken; – Überprüfung der inneren Tragfähigkeit von Pfählen; – Kontrolle der Ausführungsqualität. (8) Probebelastungen sind insbesondere dann auszuführen, wenn – in Bezug auf das zur Anwendung kommende Pfahlherstellungsverfahren oder den betreffenden Baugrund keine ausreichenden Erfahrungen verfügbar sind; – stark veränderliche Baugrundverhältnisse vorliegen oder – neue Herstellungsverfahren erprobt werden sollen. (9) Werden Pfähle in Böden oder Wässern eingebaut, die nach DIN 4030 angreifend sind, so ist in Abhängigkeit von den Pfahlsystemen durch geeignete Untersuchungen zu prüfen, ob sich die Mantelreibung während der Nutzungsdauer der Pfahlgründung verändert und damit ggf. bei der Ermittlung der Pfahlwiderstände nicht oder nur zu einem Teil angesetzt werden darf. 5.2

Ermittlung von Pfahlwiderständen aus statischen Pfahlprobebelastungen

5.2.1

Grundlagen

(1) Das Ziel von Pfahlprobebelastungen ist die Ermittlung einer charakteristischen Widerstands-Setzung- bzw. Hebungs-Linie, um daraus die Pfahlwiderstandsgrößen R1,k und R2,k für die Nachweise der Grenzzustände der Tragfähigkeit (GZ 1) und der Gebrauchstauglichkeit (GZ 2) ableiten zu können. Die Versuchsdurchführung ist in Kapitel 9 behandelt. (2) Bei Zugpfahlprobebelastungen muss die Belastungstraverse so lang sein, dass ein möglicher angehängter Bodenkörper um den Pfahl überspannt wird, bzw. der Einfluss ihrer Auflager auf das Pfahltragverhalten vernachlässigbar ist. (3) Neben den auf dem Baufeld durchzuführenden Pfahlprobebelastungen dürfen bei der Festlegung der charakteristischen Widerstands-Setzungs- bzw. HebungsLinie auch vergleichbare Probebelastungsergebnisse verwendet werden. (4) Es sei darauf hingewiesen, dass bezüglich der Übertragbarkeit und Vergleichbarkeit folgende Bedingungen einzuhalten sind: – gleicher Pfahltyp sowie ähnliche Querschnittsabmessungen und Einbindelängen in den tragfähigen Baugrund; – ähnliche Baugrundverhältnisse, besonders für die tragfähigen Bodenschichten im Hinblick auf Bodenart und mittlere Festigkeit (Sondierergebnisse) und – Bestätigung der Vergleichbarkeit durch einen Sachverständigen für Geotechnik. 64

(5) Die vergleichbaren Probebelastungsergebnisse werden analog zu DIN 1054:2005-01 wie Messergebnisse Rm,i behandelt, um zu den charakteristischen Widerständen zu gelangen. (6) DIN 1054:2005-01 und Eurocode EC 7-1 gehen von den Widerstands-Setzungs-/Hebungs-Linien (WSL/WHL) als Messwerte Rm,i einer oder mehrerer axialer Pfahlprobebelastungen aus. Aus den Messwerten wiederum ist dann die charakteristische WSL bzw. WHL als Grundlage für die Tragfähigkeits- und Gebrauchstauglichkeits- Nachweise abzuleiten. Das Verfahren aus DIN 1054 zur Ableitung eines Grenzwertes der Tragfähigkeit für den Pfahlwiderstand R1,k aus Rm,i ist in Anhang A4 aufgenommen. (7) Bei der Ableitung der charakteristischen Widerstands-Setzungs-/HebungsLinien sind zwei Bereiche zu unterscheiden: – charakteristische Pfahlwiderstände im Grenzzustand der Tragfähigkeit, siehe 5.2.2, – charakteristische Pfahlwiderstände im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit, siehe 5.2.3. (8) Beispiele zur Bestimmung der charakteristischen Pfahlwiderstände und Ableitung der charakteristischen Widerstands-Setzungs-Linien aus Messwerten von Pfahlprobebelastungen enthalten Anhang B1 und Anhang B6. 5.2.2

Charakteristische Pfahlwiderstände im Grenzzustand der Tragfähigkeit

(1) Für die Pfahlwiderstände im Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZ 1) aus gemessenen Werten R1m,i muss sowohl nach DIN 1054 wie nach Eurocode EC 7-1 zur Berücksichtigung von Pfahlherstellungseinflüssen und Baugrundunregelmäßigkeiten ein Streuungsfaktor [ eingeführt werden. (2) Die Zahlenwerte und das Verfahren zur Bestimmung der Streuungsfaktoren [ weichen derzeit zwischen DIN 1054:2005-01 und Eurocode EC 7-1 in Verbindung mit dem nationalen Anhang ab. Die in DIN 1054:2005-01 gewählte Vorgehensweise entspricht im Wesentlichen den bisherigen Erfahrungen in Deutschland mit dem Globalsicherheitskonzept. (3) Geht aus der Form der WSL der Grenzwiderstand nicht eindeutig hervor, dann gilt für die Grenzsetzung s1 = 0,10 · Db

(5.1)

(4) Diese Beziehung ist für Bohrpfähle allgemein anerkannt und wurde in [124] auch für Verdrängungspfähle als geeignet vorgeschlagen. Des Weiteren wurde sie auch in DIN EN 1997-1:2005-10 (Eurocode EC 7-1) übernommen. (5) Bei anderen als kreisförmigen Pfahlfußformen sind diese in äquivalente Ersatzfußdurchmesser Deq umzurechnen. 65

5.2.3

Charakteristische Pfahlwiderstände im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit

(1) Als Grundlage für Nachweise im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit empfiehlt DIN 1054 eine qualifizierte Wichtung der Einzelergebnisse der Probebelastungen im Gebrauchszustand und daraus die Ableitung der charakteristischen Widerstands-Setzungs- bzw. Widerstands-Hebungs-Linie. Je nach Randbedingungen kann es auch erforderlich sein, aus den Messwerten der Pfahlprobebelastungen obere und untere Grenzwerte der charakteristischen WSL (HSL) für den Nachweis der Gebrauchstauglichkeit abzuleiten, s. a. 6.3. (2) Um einen stetigen Verlauf des charakteristischen Pfahlwiderstandes bzw. Grenzkurven des Widerstandes zu erhalten, ist eine sinnvolle Umwandlung der gemessenen in eine oder mehrere charakteristische Widerstands-Setzungs- bzw. Widerstands-Hebungs-Linien i. d. R. durch den Sachverständigen für Geotechnik oder geotechnischen Fachplaner vorzunehmen. Dabei sollte als Regelfall der Mittelwert aus den gemessenen WSL/HSL von mehreren Probebelastungen oder die Messkurve einer Pfahlprobebelastung gewählt und davon ausgehend Zu- und Abschläge 's2,k in Anlehnung an 6.3 (Bild 6.1), vorgenommen werden. Die Zu- und Abschläge richten sich nach den zu erwartenden Streuungen zum Pfahltragverhalten abhängig von der Pfahlart und den Baugrundverhältnissen sowie nach den konstruktiven Randbedingungen des aufgehenden Bauwerkes. (3) Bei Verwendung von Pfahlsystemen, die im Gebrauchslastbereich nur geringe Setzungen aufweisen, z. B. einige Verdrängungspfahlsysteme im gut tragfähigen Baugrund, ist der Nachweis der Gebrauchstauglichkeit oftmals pauschal mit erbracht, wenn die Pfähle im Grenzzustand der Tragfähigkeit ausreichend sicher sind. 5.3

Ermittlung von Pfahlwiderständen aus dynamischen Pfahlprobebelastungen

(1) Nach DIN 1054 und Eurocode EC 7-1 dürfen unter bestimmten Voraussetzungen die Pfahlwiderstände auch aus dynamischen Pfahlprobebelastungen nach Kapitel 10 abgeleitet werden. (2) Dabei sind die Streuungsfaktoren [ nach DIN 1054:2005-01 bzw. Eurocode EC 7-1 zu berücksichtigen, wobei je nach Vorinformationen aus vergleichbaren statischen Probebelastungen und gewählten Verfahren die Anzahl der dynamischen Pfahlprobebelastungen bzw. auch die [-Faktoren zu erhöhen sind. (3) Die geforderte Kalibrierung an statischen Probebelastungen soll die richtige Wahl der empirischen Dämpfungsfaktoren (Abschn. 10.6, Tabelle 10.2) zur Bestimmung des dynamischen Anteils am Gesamtwiderstand beim direkten Verfahren (Abschn. 10.1, Tabelle 10.1) gewährleisten. Der dynamische Widerstand kann aber auch durch Anwendung des erweiterten Verfahrens explizit bestimmt werden. 66

(4) Nach DIN 1054 sollten die Ergebnisse von dynamischen Pfahlprobebelastungen bei Pfählen in kriechfähigen oder stark tonigen Böden grundsätzlich an statischen Pfahlprobebelastungen auf dem gleichen Baufeld kalibriert werden. Eine Übertragung aus vergleichbaren Baugrundverhältnissen ist nur bedingt möglich. (5) Bei der Interpretation der Ergebnisse der dynamischen Pfahlprobebelastungen und der Ableitung von charakteristischen Pfahlwiderständen, siehe auch 10.6.4, sollten neben statischen Versuchsergebnissen auch die Angaben nach 5.4 aus Erfahrungswerten mit berücksichtigt werden. (6) Bei der Ableitung von charakteristischen Pfahlwiderständen aus dynamischen Pfahlprobebelastungen sollten nach (5) und 10.6.4 i. d. R. folgende Schritte eingehalten werden: a) Das mit der dynamischen Pfahlprobebelastung beauftragte Prüfinstitut liefert nach 10.9 in einem Prüfbericht die Messwerte Rm,i = Rstat als Ergebnis der dynamischen Pfahlprobebelastung. b) Der Sachverständige für Geotechnik bzw. geotechnische Fachplaner wandelt die Messwerte nach a) projektbezogen als Grundlage für die Standsicherheitsnachweise unter Berücksichtigung der Vorgaben nach DIN 1054:2005-01 bzw. Eurocode EC 7-1 in charakteristische Pfahlwiderstände Rk um. c) Die sich nach b) aus den dynamischen Pfahlprobebelastungen zunächst ergebenden charakteristischen Pfahlwiderstände Rk sollen dann durch den Sachverständigen für Geotechnik bzw. geotechnischen Fachplaner mit den örtlichen Erfahrungen bzw. den Erfahrungswerten nach 5.4 (ggf. obere Grenzwerte) im Hinblick auf Plausibilität der Ergebnisse abgeglichen werden. Gegebenenfalls sind Modifikationen vorzunehmen. d) Danach sind die endgültig festgelegten charakteristischen Pfahlwiderstände Rk vom Sachverständigen für Geotechnik bzw. geotechnischen Fachplaner für den vorgesehenen Anwendungsfall zu bestätigen. (7) Werden dynamische Pfahlprobebelastungen verwendet, bei denen als Ergebnis die Messwerte Rm,i von vollständigen Widerstands-Setzungs-Linien vorliegen, so sind für die Ableitung der charakteristischen WSL im Gebrauchszustand die Angaben nach 5.2.3 zu beachten bzw. sinngemäß anzuwenden. (8) Ein Beispiel zur Bestimmung der charakteristischen Pfahlwiderstände aus den Messwerten von dynamischen Probebelastungen enthält Anhang B2. Die Ableitung der statischen Messwerte Rm,i des Pfahlwiderstandes aus den dynamischen Messungen enthalten Anhang C1 und C2.

67

5.4

Axiale Pfahlwiderstände aus Erfahrungswerten

5.4.1

Anwendungsbereich der bisherigen Regelungen

(1) In DIN 1054 und Eurocode EC 7-1 wird die Möglichkeit eröffnet, neben der Bestimmung der Pfahlwiderstände aus statischen und dynamischen Pfahlprobebelastungen nach 5.2 und 5.3, die axialen Pfahlwiderstände auch auf der Grundlage von Erfahrungswerten abzuleiten. (2) DIN 1054:2005-01 enthält dazu in informativen Anhängen charakteristische Pfahlwiderstände, die einerseits aus den teilweise nicht mehr geltenden älteren Pfahlnormen DIN 4014, DIN 4026 und DIN 4128 und andererseits unter Verwendung neuerer Erkenntnisse zusammengestellt worden sind. (3) Allerdings lassen DIN 1054 und Eurocode EC 7-1 neben den in (2) genannten Erfahrungswerten prinzipiell alle Erfahrungswerte zu, deren Brauchbarkeit für den vorgesehenen Anwendungsfall durch entsprechende Nachweise belegt werden kann. (4) Die Anwendbarkeit der vorliegenden und anderer allgemeiner Erfahrungswerte muss dabei durch einen Sachverständigen für Geotechnik oder geotechnischen Fachplaner für den vorgesehenen Anwendungsfall bestätigt werden. (5) Bei Zugpfählen ist der Regelfall zur Bestimmung der charakteristischen Pfahlwiderstände die statische Pfahlprobebelastung. Davon sollte nur ausnahmsweise abgewichen werden, wenn dies für den vorgesehenen Anwendungsfall ausdrücklich durch einen Sachverständigen für Geotechnik bestätigt wird. (6) Im Zuge der Anwendungsüberleitung von DIN 1054:2005-01 auf DIN EN 1997-1 (Eurocode EC 7-1) in Verbindung mit dem nationalen Anhang zum Eurocode EC 7 sowie der in Bearbeitung befindlichen DIN 1054:2007 – Ergänzungsnorm zum Eurocode EC 7-1 sollen für die Pfahlgründungen die informativen Anhänge der DIN 1054:2005-01 entfallen und statt dessen die hier vorliegende Empfehlung EA-Pfähle verwendet werden, die hier in Abschn. 5.4.2 erweitert worden sind. 5.4.2

Anwendungsbereich der neuen Regelungen

(1) Gemäß 5.4.1(6) sind die nationalen Erfahrungswerte für axiale Pfahlwiderstände als Grundlage für die Anwendung von DIN EN 1997-1 (Eurocode EC 7-1) in Verbindung mit der DIN 1054:2007 – Ergänzungsnorm zum Eurocode EC 7-1 (siehe 5.4.1) nachfolgend zusammengestellt. (2) Unabhängig davon dürfen diese Erfahrungswerte auch bereits als Ersatz für die Angaben in DIN 1054:2005-01 während der parallelen Gültigkeit beider Normen, siehe 1.2.1, Verwendung finden. Eine Vermischung der beiden Quellen ist unzulässig. 68

(3) Analog zu 5.4.1 (3) und (4) sind auch andere Erfahrungswerte bei entsprechenden Nachweisen anwendbar. (4) Nach DIN 1054 sind im Grundsatz charakteristische Werte von Widerständen auf der Grundlage von Untersuchungsergebnissen nach DIN 4020 sowie aufgrund weiterer Informationen festzulegen. Dafür ist in der Regel bei Pfahlgründungen ein Sachverständiger für Geotechnik einzuschalten. (5) Nachfolgend sind Spannen für Erfahrungswerte zum axialen Pfahlwiderstand von unterschiedlichen Pfahltypen zusammengestellt. Aus diesen Erfahrungswerten dürfen unter Einschaltung eines Sachverständigen für Geotechnik bzw. geotechnischen Fachplaners (siehe DIN 1054) bei Einhaltung der Vorgaben nach DIN 1054 bzw. Eurocode EC 7-1 charakteristische Werte der Pfahlwiderstände Rk für den vorgesehenen Anwendungsfall abgeleitet werden. Die angegebenen Erfahrungswerte sollten in der Regel nur für die Ableitung von charakteristischen Druckpfahlwiderständen verwendet werden, siehe auch 5.4.1 (5) und 5.4.10. (6) Die angegebenen Erfahrungswerte beziehen sich auf nichtbindige und auf bindige Böden. Zur Abgrenzung siehe 3.3. In DIN 1054 und 3.3 sind auch Hinweise enthalten, wie grobkörnige, feinkörnige und gemischtkörnige Böden nach DIN 18 196 in die Oberbegriffe nichtbindige und bindige Böden einzuordnen sind. Dazu empfiehlt sich in Zusammenhang mit der Bestimmung von charakteristischen Pfahlwiderständen besonders bei gemischtkörnigen Böden die Einschaltung eines Sachverständigen für Geotechnik. (7) Die nachfolgenden Empfehlungen sollten vom Auftraggeber, geotechnischen Sachverständigen bzw. Fachplaner und Tragwerksplaner so verstanden werden, dass mit zunehmendem projektbezogenen geotechnischen Untersuchungsaufwand für die Einstufung des jeweiligen Bodens günstigere Pfahltragfähigkeiten bzw. -widerstände angenommen werden dürfen, siehe auch 5.4.3. (8) Die für die Anwendung der Erfahrungswerte über Pfahlwiderstände in den nachfolgenden Tabellen erforderliche Einstufung der vorhandenen Böden für den jeweiligen Fall ist auf der Grundlage der DIN 4020 vorzunehmen und besonders auszurichten auf – – – –

Schichtenverlauf, Korngrößenverteilung, Lagerungsverhältnisse bzw. Festigkeit und Konsistenz, Scherparameter und Steifigkeit.

Neben den direkten Untersuchungen, z. B. Bohrungen und Laborversuchen, sollten auch Ergebnisse von indirekten Untersuchungen, z. B. Druck- oder Rammsondierungen (CPT bzw. DPH), Bohrlochrammsondierungen (BDP), Flügelsondierungen, usw., vorliegen, siehe auch 3.2.

69

5.4.3

Anwendungsgrundlagen und Einschränkungen der Tabellenwerte

(1) Nachfolgend sind Erfahrungswerte für die verschiedenen Pfahlsysteme in Abhängigkeit von den Baugrundverhältnissen in Tabellenform zusammengestellt. Die in den Tabellen ausgewiesenen Zahlenwerte beziehen sich auf die Spitzenwiderstände qc der Drucksonde bei nichtbindigen Böden und auf die undränierte Scherfestigkeit cu bindiger Böden. (2) Gemäß DIN 1054 und DIN 4020 streuen Bodenkenngrößen aufgrund entstehungsbedingter geologischer Randbedingungen erheblich. Dies gilt auch in besonderem Maße für das Pfahltragverhalten und die Pfahlwiderstände der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit (siehe Bild 5.1), weil zu den baugrundbedingten Streuungen noch erhebliche herstellungsbedingte Einflüsse hinzukommen können. Bei der Festlegung von charakteristischen Bodenkenngrößen werden nach DIN 1054:2005-01 i. d. R. „vorsichtige Mittelwerte“ gewählt. Zur Vorgehensweise der Festlegung von Pfahlwiderständen aus Pfahlprobebelastungen siehe DIN 1054, DIN EN 1997-1 sowie 5.2 und 5.3.

Bild 5.1 Qualitative Verteilung von Pfahlwiderständen im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (a) und der Tragfähigkeit (b)

(3) Die nachfolgend in den Tabellen 5.1 bis 5.4 zusammengestellten Erfahrungswerte für den Spitzenwiderstand qb und die Mantelreibung qs sind auf der Grundlage von vorliegenden zahlreichen, überwiegend statischen Pfahlprobebelastungen abgeleitet worden. Die dabei verwendeten Auswertestrategien und Grundlagen können im Wesentlichen [24, 46, 124] entnommen werden. Besonders eingeflossen in die Tabellenwerte sind die in [46] dargelegten empirischen Auswertungen von Pfahlprobebelastungen bezogen auf die statistischen Werte differenziert in 10, 20 und 50 %-Fraktilen. Damit kann der Anwender der Tabellenwerte auch die Wahrscheinlichkeit und das Risiko von Abweichungen der Pfahlwiderstände unter die in den Tabellen angegebenen Werte für eine projektbezogene Anwendung abschätzen. (4) Die nachfolgenden Tabellen enthalten gemäß Bild 5.2 eine Spanne der Erfahrungswerte über einen Fraktilbereich von 10 bis 50 %, d. h. dass für den in den Tabellen angegebenen unteren Wert etwa 10 % und den oberen Wert (Mittelwert) etwa 50 % der Pfahlwiderstände streuungsbedingt in situ unter diesen Werten liegen können. 70

Bild 5.2 Fraktilbereich für die Spannen der Tabellenwerte für Pfahlwiderstände aus Erfahrungswerten im Vergleich zu Probebelastungsergebnissen

(5) Es sei aber nochmals ausdrücklich darauf hingewiesen, dass der in Bild 5.2 angegebene Fraktilbereich für die Spanne der nachfolgenden Tabellenwerte nur eine Orientierung der Größenordnung darstellt und die genannten Grenzen von etwa 10 bis 50 % sich je nach zugrundeliegenden Probebelastungsergebnissen und den sich damit ergebenden Verteilungen und Streuungen ändern können, da dieses von der gewählten Grundgesamtheit der Probebelastungsergebnisse und den Baugrundrandbedingungen abhängig ist. (6) Die Anwendung der unteren Tabellenwerte (Kleinstwerte) sollte der Regelfall sein und setzt voraus, dass eine Baugrunduntersuchung in Anlehnung an DIN 4020 vorliegt und die Hinweise in 5.4.2 beachtet werden. (7) Die unteren Tabellenwerte können auch für Vorentwürfe Anwendung finden, wenn die endgültigen Baugrunduntersuchungen nach DIN 4020 für das Projekt noch nicht vorliegen. (8) Über die unteren Werte (Kleinstwerte) hinausgehende Pfahlwiderstände, abgestuft in Richtung der oberen Werte der Tabellen, dürfen nur dann von einem Fachplaner für den Anwendungsfall gewählt werden, wenn diese ausdrücklich durch einen Sachverständigen für Geotechnik bestätigt werden. Hierbei sind die örtlichen Verhältnisse und Erfahrungen und der vorgesehene Anwendungsfall zu berücksichtigen. (9) Liegen im Hinblick auf Pfahltyp und Untergrundverhältnisse vergleichbare Probebelastungsergebnisse vor, können diese gemäß DIN 1054:2005-1, 8.4.2 (2) für die Ermittlung der Pfahlwiderstände zugrunde gelegt werden. Die Vergleichbarkeit ist durch einen Sachverständigen für Geotechnik oder geotechnischen Fachplaner zu bestätigen. (10) Der in den Tabellenwerten angegebene Baugrundfestigkeitsbereich umfasst für nichtbindige Böden einen mittleren Sondierwiderstand der Drucksonde von qc = 7,5 bis 25 MN/m2 und für bindige Böden eine Scherfestigkeit des undränierten Bodens von cu,k = 100 bis 250 kN/m2 bezogen auf den Pfahlspitzenwiderstand, sowie von cu,k = 60 bis 250 kN/m2 bezogen auf die Mantelreibung. (11) Das Mittragen von Bodenschichten bezogen auf die Pfahlmantelreibung mit qc < 7,5 MN/m2 bzw. cu,k < 60 kN/m2 darf nur berücksichtigt werden, wenn dieses durch den geotechnischen Sachverständigen bzw. Fachplaner unter Berücksich71

tigung der unterschiedlichen Mobilisierungsverformungen der Bodenschichten bestätigt wird. (12) Bei einer Baugrundschichtung mit wechselnden Böden, die teilweise über bzw. unter den Angaben nach Absatz (11) liegen können, ist wie in Absatz (11) zu verfahren. Zusätzlich sind dabei die Regelungen nach 4.4 zu beachten. (13) Für den Nachweis der Gebrauchstauglichkeit nach 6.3 sollten die abgeleiteten charakteristischen Widerstands-Setzungs-Linien im Gebrauchszustand ggf. unter Beachtung einer sinnvollen Anwendung von 5.2.3 modifiziert werden. 5.4.4

Fertigrammpfähle

5.4.4.1 Allgemeines (1) Im Folgenden sind abweichend von DIN 1054:2005-01 modifizierte Angaben zum charakteristischen Pfahlspitzenwiderstand und der Mantelreibung aus Erfahrungswerten für Fertigrammpfähle aufgrund von neueren Untersuchungen in Anlehnung an [46] zusammengestellt und Anwendungshinweise gegeben. Es wird empfohlen, diese Angaben als Ersatz für DIN 1054:2005-01, Anhang C, zu verwenden. Unter Fertigrammpfählen werden nach DIN EN 12 699:2001-05 vorgefertigte Beton-, Stahl-, Holz- und Gusseisenpfähle verstanden, siehe auch 2.2.2. (2) Die nachfolgenden Tabellenwerte gelten aber nicht für Holz- und Gusseisenpfähle. Die Tragfähigkeit von Holzpfählen darf auf der Grundlage von DIN 4026:1975-08 abgeschätzt werden. (3) In Bild 5.3 sind die Elemente der charakteristischen Widerstands-SetzungsLinie nach den Vorschlägen von [46] bis zu einer Setzung von s1 = sg für vorgefertigte Verdrängungspfähle (Fertigrammpfähle) dargestellt.

Bild 5.3 Elemente der charakteristischen Widerstands-Setzungs-Linie für Fertigrammpfähle

72

Dabei ist: s1 die Setzung im Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZ 1) nach DIN 1054 bzw. (ULS) nach Eurocode EC 7-1 und sg die Grenzsetzung bzw. Bruchsetzung. Anmerkung: In der Regel werden s1 und sg gleichgesetzt; s1 kennzeichnet formal die Nachweisform nach DIN 1054 im GZ 1; sg bezeichnet die Setzung beim Versagen eines Pfahls. (4) Es ist zu unterscheiden zwischen dem setzungsabhängigen Pfahlfußwiderstand Rb(s) und dem Pfahlmantelwiderstand Rs(s). (5) Für Rb,k (s1 = sg) gilt die Grenzsetzung analog zu Gl. (5.1): sg = 0,10 ⋅ Deq

(5.2)

Dabei ist: Deq der äquivalente Durchmesser des Pfahlfußes [m]. Für quadratische und rechteckige Fertigteilpfähle und Stahlprofilpfähle wird der äquivalente Pfahlfußdurchmesser nach Gl. (5.3) berechnet: Deq = 1,13 ⋅ a s

(5.3a)

für quadratische Pfähle und Deq = 1,13 ⋅ a s ⋅ a L / a s

(5.3b)

für rechteckige Pfähle und Stahlprofile mit: as Seitenlänge eines Pfahles mit quadratischem Querschnitt bzw. Länge der kleineren Seite des Querschnittes bei rechteckigen Fertigteilpfählen oder Stahlprofilen; aL Länge der größeren Seite des Querschnittes bei rechteckigen Fertigteilpfählen oder Stahlprofilen. Für Stahlprofilpfähle gelten hierbei die Längen der umrissenen Pfahlfußfläche. (6) Für Rs,k (ssg*) in MN gilt bei Mobilisierung des Bruchzustandes eine charakteristische Setzung: ssg* [cm] = 0,5 · Rs,k (ssg*) [MN] d 1 [cm]

(5.4)

(7) Die charakteristische axiale Pfahlwiderstandskraft ist aus dem Ansatz R k (s) = R b,k (s) + R s,k (s) = ηb ⋅ q b,k ⋅ A b + ∑ ηs ⋅ q s,k,i ⋅ As,i

(5.5)

i

zu ermitteln. 73

Dabei ist: der Nennwert der Pfahlfußfläche, für Stahlprofilpfähle nach Bild 5.4; der Nennwert der Pfahlmantelfläche in der Schicht i; für Stahlprofilpfähle nach Bild 5.4 mit dem wirksamen Umfang U; qb,k der charakteristische Wert des Pfahlspitzenwiderstandes, abgeleitet nach Tabelle 5.1 und 5.3; qs,k,i der charakteristische Wert der Pfahlmantelreibung in der Schicht i, abgeleitet nach den Tabellen 5.2 und 5.4; Kb der Anpassungsfaktor des Spitzenwiderstandes nach Tabelle 5.5; Ks der Anpassungsfaktor der Pfahlmantelreibung nach Tabelle 5.5; Rk(s) der setzungsabhängige charakteristische Pfahlwiderstand; Rb,k(s) der setzungsabhängige charakteristische Pfahlfußwiderstand; Rs,k(s) der setzungsabhängige charakteristische Pfahlmantelwiderstand; ssg* die charakteristische Setzung bei der die Mobilisierung der Bruchmantelreibung für den setzungsabhängigen charakteristischen Pfahlmantelwiderstand beginnt; die Grenzsetzung für den setzungsabhängigen charakteristischen Pfahlssg mantelwiderstand (ssg = sg). Ab As,i

Bild 5.4 Nennwerte der Pfahlfußflächen und der Pfahlmantelflächen von Stahlprofilpfählen

74

5.4.4.2 Erfahrungswerte von Pfahlspitzenwiderstand und Pfahlmantelreibung von Fertigrammpfählen (1) Die in den Tabellen 5.1 bis 5.4 angegebenen Erfahrungswerte von Pfahlspitzenwiderstand und Pfahlmantelreibung gelten für – vorgefertigte Stahlbeton- und Spannbeton-Rammpfähle von Deq = 0,25 bis 0,50 m; – Stahlrohrpfähle mit einem Durchmesser bis 800 mm; – Stahlträgerprofilpfähle mit Flanschbreiten von 300 bis 500 mm und Profilhöhen von 290 bis 1000 mm und – Kastenpfähle, – die mindestens 2,50 m in eine tragfähige Schicht einbinden. Die Tabellenwerte gelten für Fertigrammpfähle. Für einvibrierte Pfähle müssen die Tabellenwerte abgemindert werden. Da bei einvibrierten Pfählen erhebliche Tragfähigkeitsreduzierungen vereinzelt festgestellt wurden, siehe z. B. [64], ist der Betrag der Abminderung durch den geotechnischen Sachverständigen zu bestätigen. Für die Spitzenwiderstandswerte entfällt die Abminderung, wenn der Pfahl auf den letzten 8 · Deq [m] gerammt wird. Tabelle 5.1 Spannen der Erfahrungswerte für den charakteristischen Pfahlspitzenwiderstand qb,k für Fertigrammpfähle aus Stahlbeton und Spannbeton in nichtbindigen Böden Bezogene Pfahlkopfsetzung s/Deq

Pfahlspitzenwiderstand qb,k in kN/m2 bei einem mittleren Spitzenwiderstand qc der Drucksonde in MN/m2 7,5

15

25

0,035

2.200–5.000

4.000–6.500

4.500–7.500

0,100

4.200–6.000

7.600–10.200

8.750–11.500

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden. Tabelle 5.2 Spannen der Erfahrungswerte für die charakteristische Pfahlmantelreibung qs,k für Fertigrammpfähle aus Stahlbeton und Spannbeton in nichtbindigen Böden Pfahlmantelreibung qs,k in kN/m2

Setzung

bei einem mittleren Spitzenwiderstand qc der Drucksonde in MN/m2 7,5

15

25

ssg*

30–40

65–90

85–120

ssg = sg = 0,1 Deq

40–60

95–125

125–160

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden.

75

(2) Die Tabellenwerte sind abhängig – vom über die Tiefe gemittelten Spitzenwiderstand qc der Drucksonde bei nichtbindigen Böden und – von der Scherfestigkeit des undränierten Bodens cu,k bei bindigen Böden. Tabelle 5.3 Spannen der Erfahrungswerte für den charakteristischen Pfahlspitzenwiderstand qb,k für Fertigrammpfähle aus Stahlbeton und Spannbeton in bindigen Böden Bezogene Pfahlkopfsetzung s/Deq

Pfahlspitzenwiderstand qb,k in kN/m2 Scherfestigkeit cu,k des undränierten Bodens in kN/m2 100

150

250

0,035

350–450

550–700

800–950

0,100

600–750

850–1.100

1.150–1.500

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden.

Tabelle 5.4 Spannen der Erfahrungswerte für die charakteristische Pfahlmantelreibung qs,k für Fertigrammpfähle aus Stahlbeton und Spannbeton in bindigen Böden Pfahlmantelreibung qs,k in kN/m2

Setzung

Scherfestigkeit cu,k des undränierten Bodens in kN/m2 60

150

250

ssg*

20–30

35–50

45–65

ssg = sg = 0,1 Deq

20–35

40–60

55–80

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden.

Tabelle 5.5 Anpassungsfaktoren für Spitzen- und Mantelwiderstand Kb bzw. Ks von Fertigrammpfählen Pfahltyp Stahlbeton und Spannbeton Stahlträgerprofil1) (h d 0,50 m)

Kb

Ks

1,00

1,00

s = 0,035 · Deq

0,61 – 0,30 · h / bF

s = 0,10 · Deq

0,78 – 0,30 · h / bF

0,80

Doppeltes Stahlträgerprofil

0,25

0,80

Offenes Stahlrohr und Hohlkasten (Db d 0,80 m)

0,65

0,80

Geschlossenes Stahlrohr (Db d 0,80 m)

0,80

0,80

1)

76

h = Höhe des Stahlträgerprofils, bF = Flanschbreite des Stahlträgerprofils

(3) Bei der Festlegung des maßgebenden mittleren Spitzenwiderstandes qc der Drucksonde bzw. der charakteristischen undränierten Scherfestigkeit cu,k ist zwischen dem – für den Pfahlspitzenwiderstand maßgebenden Bereich (1 · Deq ober- bis 4 · Deq unterhalb des Pfahlfußes) und dem – für die Pfahlmantelreibung maßgebenden Bereich (Mittelwert der betreffenden Schicht) des Bodens zu unterscheiden. Hat die Bodenschichtung einen großen Einfluss auf den Spitzenwiderstand der Drucksonde bzw. auf die undränierte Scherfestigkeit, dann sind für die Pfahlmantelreibung zwei oder mehr mittlere Bereiche getrennt festzulegen. (3) Für die Anwendung der Werte nach den Tabellen 5.1 und 5.3 wird vorausgesetzt, dass – die Mächtigkeit der tragfähigen Schicht unterhalb der Pfahlfußfläche nicht weniger als fünf Pfahlersatzfußdurchmesser, mindestens aber 1,50 m beträgt und – in diesem Bereich qc t 7,5 MN/m2 bzw. cu,k t 100 kN/m2 nachgewiesen ist. Unabhängig davon wird empfohlen, die Pfahlfüße bei nichtbindigen Böden in Bereiche mit qc t 10 MN/m2 abzusetzen. (4) Wenn die genannten geometrischen Werte unterschritten werden, ist ein Nachweis gegen Durchstanzen zu führen. Außerdem ist dann nachzuweisen, dass der darunter liegende Boden das Setzungsverhalten nicht maßgeblich beeinträchtigt. (5) Bei näherungsweiser Anwendung der Tabellen 5.1 bis 5.5 auf gemischtkörnige Böden dürfen die Definitionen für bindige und nichtbindige Böden nach DIN 1054 bzw. 3.3 angewendet werden. Für die Anwendung der Tabellenwerte auf gemischtkörnige Böden sollte 5.4.2 (6) besonders sorgfältige Beachtung finden. (6) Zu den Anwendungsbedingungen der Tabellenwerte siehe auch 5.4.3. (7) Ein Beispiel für die Ermittlung der charakteristischen Widerstände von Fertigrammpfählen enthält Anhang B4. 5.4.5

Ortbetonrammpfähle

5.4.5.1 Allgemeines (1) In Bild 5.3 sind die Elemente der charakteristischen Widerstands-Setzungs-Linie bis zu einer Setzung von s1 = sg ebenfalls für Ortbetonrammpfähle dargestellt. 77

Dabei ist: s1 die Setzung im Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZ 1) nach DIN 1054 bzw. (ULS) nach Eurocode EC 7-1 und sg die Grenzsetzung bzw. Bruchsetzung. Der äquivalente Durchmesser Deq ist hierbei durch den Durchmesser der Fußplatte Db bei Simplexpfählen und durch den Durchmesser des Vortreibrohres Ds bei Frankipfählen zu ersetzen. Anmerkung: In der Regel werden s1 und sg gleichgesetzt; s1 kennzeichnet formal die Nachweisform nach DIN 1054 im GZ 1; sg bezeichnet die Setzung beim Versagen eines Pfahls. (2) Es ist zu unterscheiden zwischen dem setzungsabhängigen Pfahlfußwiderstand Rb(s) und Pfahlmantelwiderstand Rs(s) von Simplexpfählen. (3) Für Rb,k (s1 = sg) gilt die Grenzsetzung nach Gl. (5.1). (4) Für Rs,k (ssg*) in MN gilt bei Mobilisierung des Bruchzustandes eine charakteristische Setzung: ssg* [cm] = 0,5 · Rs,k (ssg*) [MN] d 1 [cm]

(5.6)

(5) Die charakteristische axiale Pfahlwiderstandskraft von Simplexpfählen ist aus dem Ansatz R k (s) = R b,k (s) + R s,k (s) = q b,k ⋅ A b +

∑ q s,k,i ⋅ As,i

(5.7)

i

zu ermitteln. Dabei ist: Ab

der Nennwert der Pfahlfußfläche, maßgeblich ist der Durchmesser der Fußplatte Db; As,i der Nennwert der Pfahlmantelfläche in der Schicht i, maßgeblich ist der Durchmesser des Vortreibrohres Ds; qb,k der charakteristische Wert des Pfahlspitzenwiderstandes, abgeleitet nach Tabelle 5.6; qs,k,i der charakteristische Wert der Pfahlmantelreibung in der Schicht i, abgeleitet nach den Tabellen 5.7 und 5.8; Rk(s) der setzungsabhängige charakteristische Pfahlwiderstand; Rb,k(s) der setzungsabhängige charakteristische Pfahlfußwiderstand; Rs,k(s) der setzungsabhängige charakteristische Pfahlmantelwiderstand; ssg* die charakteristische Setzung zur Mobilisierung der Bruchmantelreibung für den setzungsabhängigen charakteristischen Pfahlmantelwiderstand, mit Rs,k(ssg*) = Rs,k(ssg); ssg die Grenzsetzung für den setzungsabhängigen charakteristischen Pfahlmantelwiderstand (ssg = sg). 78

(6) Die charakteristische axiale Pfahlwiderstandskraft im Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZ 1) von Frankipfählen ist aus dem Ansatz R1,k = R b1,k + R s1,k = R b1,k +

∑ q s,k,i ⋅ As,i

(5.8)

i

zu ermittteln. Dabei ist: Rb1,k der charakteristische Pfahlfußwiderstand nach den Bildern 5.5 bis 5.10; As,i der Nennwert der Pfahlmantelfläche in der Schicht i oberhalb von 0,80 m über der Rammtiefe, mit maßgebendem Durchmesser des Vortreibrohres Ds; qs,k,i der charakteristische Wert der Pfahlmantelreibung in der Schicht i, abgeleitet nach den Tabellen 5.10 und 5.11. 5.4.5.2 Erfahrungswerte von Pfahlspitzenwiderstand und Pfahlmantelreibung von Simplexpfählen (1) Die Tabellenwerte gelten für Ortbetonpfähle mit gerammtem Vortreibrohr. Für einvibrierte Pfähle müssen die Tabellenwerte abgemindert werden, siehe auch 5.4.4.2 (1). (2) Die Tabellenwerte sind abhängig – vom über die Tiefe gemittelten Spitzenwiderstand qc der Drucksonde bei nichtbindigen Böden und – von der Scherfestigkeit des undränierten Bodens cu,k bei bindigen Böden. (3) Bei der Festlegung des maßgebenden mittleren Spitzenwiderstandes qc der Drucksonde bzw. der charakteristischen undränierten Scherfestigkeit cu,k ist zwischen dem – für den Pfahlspitzenwiderstand maßgebenden Bereich (1 · Deq ober- bis 4 · Deq unterhalb des Pfahlfußes) und dem – für die Pfahlmantelreibung maßgebenden Bereich (Mittelwert der betreffenden Schicht) des Bodens zu unterscheiden. Hat die Bodenschichtung einen großen Einfluss auf den Spitzenwiderstand der Drucksonde bzw. auf die undränierte Scherfestigkeit, dann sind für die Pfahlmantelreibung zwei oder mehr mittlere Bereiche getrennt festzulegen. (4) Für die Anwendung der Werte nach Tabelle 5.6 wird vorausgesetzt, dass – die Mächtigkeit der tragfähigen Schicht unterhalb der Pfahlfußfläche nicht weniger als fünf Pfahlfußdurchmesser, mindestens aber 1,50 m beträgt und – in diesem Bereich qc t 7,5 MN/m2 nachgewiesen ist. Unabhängig davon wird empfohlen, die Pfahlfüße bei nichtbindigen Böden in Bereiche mit qc t 10 MN/m2 abzusetzen. 79

Tabelle 5.6 Spannen der Erfahrungswerte für den charakteristischen Pfahlspitzenwiderstand qb,k für Simplexpfähle in nichtbindigen Böden Bezogene Pfahlkopfsetzung s/Db

Pfahlspitzenwiderstand qb,k in kN/m2 bei einem mittleren Spitzenwiderstand qc der Drucksonde in MN/m2 7,5

15

25

0,035

2.200–5.000

4.000–6.500

4.500–7.500

0,100

4.200–6.000

7.600–10.200

8.750–11.500

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden. Tabelle 5.7 Spannen der Erfahrungswerte für die charakteristische Pfahlmantelreibung qs1,k für Simplexpfähle in nichtbindigen Böden Pfahlmantelreibung qs1,k in kN/m2

Setzung

bei einem mittleren Spitzenwiderstand qc der Drucksonde in MN/m2 7,5

15

25

ssg*

55–70

105–135

130–165

ssg = sg = 0,1 Db

55–70

105–135

130–165

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden. Tabelle 5.8 Spannen der Erfahrungswerte für die charakteristische Pfahlmantelreibung qs1,k für Simplexpfähle in bindigen Böden Pfahlmantelreibung qs1,k in kN/m2

Setzung

Scherfestigkeit cu,k des undränierten Bodens in kN/m2 60

150

250

ssg*

25–40

45–65

60–85

ssg = sg = 0,1 Db

25–40

45–65

60–85

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden.

(5) Wenn die genannten geometrischen Werte unterschritten werden, ist ein Nachweis gegen Durchstanzen zu führen. Außerdem ist dann nachzuweisen, dass der darunter liegende Boden das Setzungsverhalten nicht maßgeblich beeinträchtigt. (6) Bei näherungsweiser Anwendung der Tabellen 5.6 bis 5.8 auf gemischtkörnige Böden dürfen die Definitionen für bindige und nichtbindige Böden nach 80

DIN 1054 bzw. 3.3 angewendet werden. Für die Anwendung der Tabellenwerte auf gemischtkörnige Böden sollte 5.4.2 (6) besonders sorgfältige Beachtung finden. (7) Zu den Anwendungsbedingungen der Tabellenwerte siehe auch 5.4.3. Anmerkung: Die Datengrundlage für den Spitzenwiderstand qb1 in bindigen Böden ist zu gering, so dass dafür noch keine Erfahrungswerte angegeben werden können. 5.4.5.3 Erfahrungswerte von Pfahlfußwiderstand und Pfahlmantelreibung von Frankipfählen (1) Kennzeichnendes Merkmal für den axialen Pfahlwiderstand ist bei diesem Pfahlsystem der im Vergleich zum Pfahlschaft aufgeweitete Pfahlfuß. Dieser wird durch Ausrammen von nahezu trockenem Beton mittels Innenrohrrammung hergestellt. (2) Die Dimensionierung des erforderlichen Fußvolumens erfolgt in Abhängigkeit vom zu erzielenden Pfahlfußwiderstand und von der beim Einrammen des Vortreibrohres auf den beiden letzten Rammmetern geleisteten Rammarbeit mit Hilfe von Fußbemessungsnomogrammen, die in den Bildern 5.5 bis 5.10 dargestellt sind. Die Bemessung des Pfahlfußes erfolgt so auf der Grundlage der lokal festgestellten Tragfähigkeit des Baugrundes. (3) Die geleistete Rammarbeit Wist wird in Relation zu einer Norm-Rammarbeit Wnorm gesetzt, die vom Durchmesser des Vortreibrohres und von der Masse des Rammbären abhängig ist. Die Werte der Norm-Rammarbeit sind in Tabelle 5.9 angegeben. Der Quotient Wist / Wnorm wird als Norm-Rammarbeit-Anteil W definiert und ist die Eingangsgröße für die Fußbemessungsnomogramme nach den Bildern 5.5 bis 5.10. (4) Für die Anwendung der Tabelle 5.10 wird vorausgesetzt, dass der für die Pfahlmantelreibung maßgebende mittlere Spitzenwiderstand für zwei oder mehr Bereiche getrennt festzulegen ist, sofern die Bodenschichtung einen großen Einfluss auf den Spitzenwiderstand der Drucksonde hat. Tabelle 5.9 Norm-Rammarbeit Wnorm bei lotrechten Frankipfählen Rohrdurchmesser Ds [cm]

Bärgewicht [kN]

Fallhöhe [m]

Anzahl Rammschläge/2 m

NormRammarbeit Wnorm [kNm]

42

22,0

6,5

125

17.875

51

30,0

6,5

125

24.375

56

37,5

6,5

125

30.469

61

45,0

6,5

125

36.563

81

Tabelle 5.10 Spannen der Erfahrungswerte für die charakteristische Pfahlmantelreibung qs1,k für Frankipfähle in nichtbindigen Böden Mittlerer Spitzenwiderstand qc der Drucksonde in MN/m2

Bruchwert qs1,k der Pfahlmantelreibung in kN/m2

7,5

70–95

15

115–150

t 25

135–180

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden. Tabelle 5.11 Spannen der Erfahrungswerte für die charakteristische Pfahlmantelreibung qs1,k für Frankipfähle in bindigen Böden Scherfestigkeit cu,k des undränierten Bodens in kN/m2

Bruchwert qs1,k der Pfahlmantelreibung in kN/m2

60

35–45

150

55–70

t 250

70–90

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden.

(5) Für die Anwendung der Nomogramme wird vorausgesetzt, dass – für den Pfahlfußwiderstand ein maßgebender Bereich (2 · Ds oder mindestens 1,0 m ober- bis 3 · Ds oder mindestens 1,50 m unterhalb der Rammtiefe) berücksichtigt wird; – auf den letzten zwei Rammmetern der Norm-Rammarbeit-Anteil Wist W = ≥ 0, 5 ist; Wnorm – der Rohrhub für die Fußherstellung 0,8 m beträgt; – Mantelreibung erst oberhalb von 0,8 m über der Rammtiefe gemäß den Tabellen 5.10 und 5.11 angesetzt wird. Anmerkung: Für diese Pfahlsysteme sind auch Tragfähigkeitsangaben in Geschiebemergel (gemischtkörniger Boden) aus dem norddeutschen Raum aufgenommen worden, da dafür eine größere Datenmenge an statischen Pfahlprobebelastungen vorliegt. Bei der Zuordnung gemischtkörniger Böden zu den nichtbindigen bzw. bindigen Böden müssen neben der Korngrößenverteilung und den plastischen Eigenschaften auch die regionalgeologischen Entstehungsbedingungen, z. B. Vorbelastung, berücksichtigt werden. Außerdem sind Einflüsse aus der Pfahlherstellung, z. B. Pfahlart, dynamische Einwirkungen, Wasser, usw., auf die Tragfähigkeit dieser 82

Bild 5.5 Untere Erfahrungswerte für Pfahlfußwiderstände und erforderliche Fußvolumen von Frankipfählen in nichtbindigen Böden

Böden zu beachten. Beispielsweise darf ein nachweislich eiszeitlich vorbelasteter Geschiebemergel im Einzelfall trotz bindigen Charakters im Sinne der DIN 1054 bzw. DIN 18 196 den nichtbindigen Böden zugeordnet werden. Voraussetzung dafür ist die zuverlässige regionalgeologische Einordnung durch den Sachverständigen für Geotechnik. (6) Bei diesem Pfahlsystem kann im Fuß- und/oder im Schaftbereich des Pfahles vorab eine Bodenverbesserung mit Hilfe einer Kiesvorverdichtung (KVV) ausgeführt werden. In solchen Fällen ist für die Dimensionierung des Fußvolumens die nach erfolgter KVV beim Wiedereinrammen des Vortreibrohres geleistete Rammarbeit maßgebend. (7) Bei der Herstellung von geneigten Pfählen ist die geleistete Rammarbeit um den Faktor f abzumindern: 83

Bild 5.6 Obere Erfahrungswerte für Pfahlfußwiderstände und erforderliche Fußvolumen von Frankipfählen in nichtbindigen Böden

– – – –

Pfahlneigung: lotrecht Pfahlneigung Pfahlneigung Pfahlneigung

bis 10:1 o f = 1,00 bis 8 : 1 o f = 0,95 bis 6 : 1 o f = 0,90 bis 4 : 1 o f = 0,85

(8) Ein zusätzlicher Nachweis für den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (GZ 2) ist in der Regel nicht erforderlich, da bei diesem Pfahlsystem die Setzungen im Gebrauchszustand sehr gering sind und erfahrungsgemäß i. d. R. im Bereich von 0,5–1,0 cm liegen. (9) Ein Beispiel für die Ermittlung der Pfahlwiderstände und für die Pfahlbemessung enthält Anhang B7. 84

Bild 5.7 Untere Erfahrungswerte für Pfahlfußwiderstände und erforderliche Fußvolumen von Frankipfählen in bindigen Böden

85

Bild 5.8 Obere Erfahrungswerte für Pfahlfußwiderstände und erforderliche Fußvolumen von Frankipfählen in bindigen Böden

86

Bild 5.9 Untere Erfahrungswerte für Pfahlfußwiderstände und erforderliche Fußvolumen von Frankipfählen in Geschiebemergel

87

Bild 5.10 Obere Erfahrungswerte für Pfahlfußwiderstände und erforderliche Fußvolumen von Frankipfählen in Geschiebemergel

88

5.4.6

Bohrpfähle

5.4.6.1 Allgemeines (1) In Bild 5.11 sind die Elemente der charakteristischen Widerstands-SetzungsLinie bis zu einer Setzung von s1 = sg für Bohrpfähle dargestellt. Dabei ist: s1 die Setzung im Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZ 1) nach DIN 1054 bzw. (ULS) nach Eurocode EC 7-1 und sg die Grenzsetzung bzw. Bruchsetzung. Anmerkung: In der Regel werden s1 und sg gleichgesetzt; s1 kennzeichnet formal die Nachweisform nach DIN 1054 im GZ 1; sg bezeichnet die Setzung beim Versagen eines Pfahls. (2) Es ist zu unterscheiden zwischen dem setzungsabhängigen Pfahlfußwiderstand Rb(s) und dem Pfahlmantelwiderstand Rs(s). (3) Für Rb,k (s1 = sg) gilt die Grenzsetzung analog zu Gl. (5.1): sg = 0,10 ⋅ D b

(5.9)

Dabei ist: Db der Durchmesser des Pfahlfußes in [m]. (4) Für die Setzung im Gebrauchszustand ist der Pfahlschaftdurchmesser Ds die maßgebliche Bezugsgröße. Für die Setzung im Bruchzustand wird bei Pfählen ohne Fußaufweitung der Pfahldurchmesser D (hier D = Ds = Db) als Bezugsgröße angesetzt, bei Pfählen mit Fußaufweitung ist der Pfahlfußdurchmesser Db die maßgebliche Bezugsgröße.

Bild 5.11 Elemente der charakteristischen Widerstands-Setzungs-Linie von Bohrpfählen

89

(5) Für den charakteristischen Mantelwiderstand Rs,k (ssg) in MN gilt im Bruchzustand eine Grenzsetzung: ssg [cm] = 0,5 · Rs,k (ssg) [MN] + 0,5 [cm] d 3 [cm]

(5.10)

(6) Die charakteristische axiale Pfahlwiderstandskraft ist aus dem Ansatz R k (s) = R b,k (s) + R s,k (s) = q b,k ⋅ A b +

∑ q s,k,i ⋅ As,i

(5.11)

i

zu ermitteln. Dabei ist: Ab der Nennwert der Pfahlfußfläche; As,i der Nennwert der Pfahlmantelfläche in der Schicht i; qb,k der charakteristische Wert des Pfahlspitzenwiderstandes abgeleitet nach den Tabellen 5.12 und 5.14; qs,k,i der charakteristische Wert der Pfahlmantelreibung in der Schicht i abgeleitet nach den Tabellen 5.13 und 5.15; Rk(s) der setzungsabhängige charakteristische Pfahlwiderstand; Rb,k(s) der setzungsabhängige charakteristische Pfahlfußwiderstand; Rs,k(s) der setzungsabhängige charakteristische Pfahlmantelwiderstand; ssg die Grenzsetzung für den setzungsabhängigen charakteristischen Pfahlmantelwiderstand. 5.4.6.2 Erfahrungswerte von Pfahlspitzenwiderstand und Pfahlmantelreibung von Bohrpfählen (1) Die in den Tabellen 5.12 bis 5.15 angegebenen Erfahrungswerte von Pfahlspitzenwiderstand und Pfahlmantelreibung gelten für Bohrpfähle von Ds bzw. Db = 0,30 bis 3,00 m, die mindestens 2,50 m in eine tragfähige Schicht einbinden, und sind abhängig – vom über die Tiefe gemittelten Spitzenwiderstand qc der Drucksonde bei nichtbindigen Böden und – von der Scherfestigkeit des undränierten Bodens cu,k bei bindigen Böden. Anmerkung: Die Größenordnung der unteren Werte (Kleinstwerte) der Tabellen wurden auf Grundlage der Untersuchungen von [24] erstmalig in DIN 4014:1990-03 aufgenommen. (2) Bei der Festlegung des maßgebenden mittleren Spitzenwiderstandes qc der Drucksonde bzw. der charakteristischen undränierten Scherfestigkeit cu,k ist zwischen dem – für den Pfahlspitzenwiderstand maßgebenden Bereich von 1 · Db ober- bis 4 · Db unterhalb des Pfahlfußes für Pfahldurchmesser bis Db = 0,6 m und 1 · Db ober- bis 3 · Db unterhalb des Pfahlfußes größer als Db = 0,6 m und dem – für die Pfahlmantelreibung maßgebenden Bereich (Mittelwert der betreffenden Schicht) 90

des Bodens zu unterscheiden. Hat die Bodenschichtung einen großen Einfluss auf den Spitzenwiderstand der Drucksonde bzw. auf die undränierte Scherfestigkeit, dann sind für die Pfahlmantelreibung zwei oder mehr mittlere Bereiche getrennt festzulegen. (3) Für die Anwendung der Werte nach den Tabellen 5.12 und 5.14 wird vorausgesetzt, dass – die Mächtigkeit der tragfähigen Schicht unterhalb der Pfahlfußfläche nicht weniger als drei Pfahlfußdurchmesser, mindestens aber 1,50 m beträgt und – in diesem Bereich qc t 7,5 MN/m2 bzw. cu,k t 100 kN/m2 nachgewiesen ist. Unabhängig davon wird empfohlen, die Pfahlfüße in Bereichen mit qc t 10 MN/m2 abzusetzen. (4) Wenn die genannten geometrischen Werte unterschritten werden, ist ein Nachweis gegen Durchstanzen zu führen. Außerdem ist dann nachzuweisen, dass der darunter liegende Boden das Setzungsverhalten nicht maßgeblich beeinträchtigt. Tabelle 5.12 Spannen der Erfahrungswerte für den charakteristischen Pfahlspitzenwiderstand qb,k für Bohrpfähle in nichtbindigen Böden Pfahlspitzenwiderstand qb,k in kN/m2

Bezogene Pfahlkopfsetzung s/Ds bzw. s/Db

bei einem mittleren Spitzenwiderstand qc der Drucksonde in MN/m2 7,5

15

25

0,02

550–800

1.050–1.400

1.750–2.300

0,03

700–1.050

1.350–1.800

2.250–2.950

0,10 ( sg)

1.600–2.300

3.000–4.000

4.000–5.300

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden. Bei Bohrpfählen mit Fußverbreiterung sind die Werte auf 75 % abzumindern.

Tabelle 5.13 Spannen der Erfahrungswerte für die charakteristische Pfahlmantelreibung qs1,k für Bohrpfähle in nichtbindigen Böden Mittlerer Spitzenwiderstand qc der Drucksonde in MN/m2

Bruchwert qs1,k der Pfahlmantelreibung in kN/m2

7,5

55–80

15

105–140

t 25

130–170

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden.

91

Tabelle 5.14 Spannen der Erfahrungswerte für den charakteristischen Pfahlspitzenwiderstand qb,k für Bohrpfähle in bindigen Böden Pfahlspitzenwiderstand qb,k in kN/m2

Bezogene Pfahlkopfsetzung s/Ds bzw. s/Db

Scherfestigkeit cu,k des undränierten Bodens in kN/m2 100

150

250

0,02

350–450

600–750

950–1.200

0,03

450–550

700–900

1.200–1.450

0,10 ( sg)

800–1.000

1.200–1.500

1.600–2.000

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden. Bei Bohrpfählen mit Fußverbreiterung sind die Werte auf 75 % abzumindern.

Tabelle 5.15 Spannen der Erfahrungswerte für die charakteristische Pfahlmantelreibung qs1,k für Bohrpfähle in bindigen Böden Scherfestigkeit cu,k des undränierten Bodens in kN/m2

Bruchwert qs1,k der Pfahlmantelreibung in kN/m2

60

30–40

150

50–65

t 250

65–85

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden.

(5) Bei der näherungsweisen Anwendung der Tabellen 5.12 bis 5.15 auf gemischtkörnige Böden dürfen die Definitionen für bindige und nichtbindige Böden nach DIN 1054 bzw. 3.3 angewendet werden. Für die Anwendung der Tabellenwerte auf gemischtkörnige Böden sollte 5.4.2 (6) besonders sorgfältige Beachtung finden. (6) Zu den Anwendungsbedingungen der Tabellenwerte siehe auch 5.4.3. (7) Ein Beispiel für die Ermittlung der charakteristischen Widerstände von Bohrpfählen enthält Anhang B3. 5.4.6.3 Erfahrungswerte von Pfahlspitzenwiderstand und Pfahlmantelreibung bei Fels und felsähnlichen Böden (1) Die Datengrundlage für die Ableitung von charakteristischen Pfahlwiderständen aus Pfahlprobebelastungen im Fels und Halbfestgestein ist vergleichsweise gering und erlaubt keine statistische Ableitung der Erfahrungswerte. Dies ist auch auf die besonderen Schwierigkeiten bei der Erfassung und felsmechanischen Beschreibung von (Halb-)Festgesteinen zurückzuführen. In der Regel ist daher die Durchführung einer Pfahlprobebelastung besonders zu empfehlen, s. a. [20, 74]. 92

In den Tabellen 5.16 bis 5.19 sind Erfahrungswerte zusammengestellt, die eine grobe Abschätzung der Spannweite der zu erwartenden Pfahltragfähigkeiten ermöglichen unter der Voraussetzung, dass zur Erkundung und Beschreibung des (Halb-)Festgesteins die üblichen Methoden der Felsklassifizierung unter Hinzuziehung eines Sachverständigen für Geotechnik angewendet wurden. Hierzu zählen Merkmale wie Gesteinsdruckfestigkeit, Trennflächengefüge, Verwitterungsgrad, Entfestigungs- und Zersetzungsstatus sowie Mineralogie und Textur. (2) Unter der Voraussetzung einer – Mindesteinbindung der Bohrpfähle in den Fels von 0,5 m bei einer einaxialen Druckfestigkeit qu,k t 5 MN/m2 bzw. einer – Mindesteinbindung in den Fels von 2,50 m bei einer einaxialen Druckfestigkeit qu,k d 0,50 MN/m2 sind in Tabelle 5.16 Bruchwerte im Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZ 1) für den Pfahlspitzenwiderstand und für die Pfahlmantelreibung von Fels abhängig von der einaxialen Druckfestigkeit qu,k der Gesteinsproben angegeben. (3) Für die Anwendung von Erfahrungswerten nach Tabelle 5.16 wird vorausgesetzt, dass – der Felsuntergrund gleichförmig und in ausreichender Mächtigkeit vorhanden ist; – die räumliche Orientierung der Felsoberfläche und des Trennflächengefüges keine Brucherscheinungen begünstigt; – kein offenes oder mit leicht verformbarem Material gefülltes Trenngefüge vorhanden ist und – eine Verminderung der Festigkeit infolge des Bohrvorgangs ausgeschlossen werden kann, z. B. durch Wasser bei Tongestein und Mergelstein. (4) Es ist im Einzelfall zu prüfen, ob die zu erwartenden Pfahlsetzungen im Fels den Ansatz der Mantelreibung von überlagernden Bodenschichten rechtfertigen. Im Zweifelsfall darf diese Mantelreibung nicht angesetzt werden. Tabelle 5.16 Spannen der Erfahrungswerte für den charakteristischen Pfahlspitzenwiderstand qb1,k und die charakteristische Pfahlmantelreibung qs1,k für Bohrpfähle in Fels Einaxiale Druckfestigkeit qu,k in MN/m2

Bruchwerte qb1,k des Pfahlspitzenwiderstandes in kN/m2

Bruchwert qs1,k der Pfahlmantelreibung in kN/m2

0,5

1.500–2.500

70–250

5,0

5.000–10.000

500–1.000

20,0

10.000–20.000

500–2.000

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden.

93

(5) Der Bruchwert für den Pfahlspitzenwiderstand qb1,k in Fels oder felsähnlichen Böden darf alternativ auch auf Grundlage des Verwitterungszustandes und des Grades der mineralischen Bindung nach Tabelle 5.17 abgeschätzt werden. Als Bruchwerte der Mantelreibung qs1,k darf dabei ein Zehntel der Tabellenwerte von Tabelle 5.17 angesetzt werden. (6) Die Werte der Tabelle 5.17 gelten für weitmaschige Trennflächenabstände von 1,0 m und darüber. Bei kleineren Trennflächenabständen ist eine Abminderung um mindestens 25 % vorzunehmen. (7) Für die Anwendung der Werte nach Tabelle 5.17 wird vorausgesetzt, dass – die Pfahllänge mindestens 3 m beträgt, – die Einbindetiefe im Fels mindestens dem halben Pfahlfußdurchmesser entspricht und – kein offenes oder mit leicht verformbarem Material gefülltes Trenngefüge vorhanden ist. (8) Für Pfähle in Schluffstein, in Tonstein und in Sandstein können auf der Basis von gesteinsartspezifischen Erfahrungswerten nach [25, 76] die in den Tabellen Tabelle 5.17 Grobe Orientierungswerte für den charakteristischen Pfahlspitzenwiderstand qb1,k für Bohrpfähle im Fels oder in felsähnlichen Böden Verwitterungszustand und Grad der mineralischen Bindung1)

Bruchwerte qb1,k des Pfahlspitzenwiderstandes in kN/m2 Gesteinsart Konglomerate, Massive Breccien, ErstarrungsSandstein, gesteine und Kalkstein, Metamorphite, Dolomitstein z. B. Granit, Gabbro, Basalt, Gneis

unverwittert, sehr gute mineralische Bindung

16.000

11.000

angewittert, gute mineralische Bindung

9.000

6.000

stärker verwittert, mäßige mineralische Bindung

4.000

3.000

entfestigt oder zerstört, schlechte oder ohne mineralische Bindung 1)

8.000 4.000 Es gelten die Angaben für Lockergesteine

Es gelten die Angaben für Lockergesteine.

Mineralische Bindung nach DIN 4022

94

Mergelstein, Schluffstein, Tonstein

5.18 und 5.19 angegebenen Bruchwerte (GZ 1) für den Pfahlspitzenwiderstand qb1,k und die Bruchwerte der Mantelreibung qs1,k angesetzt werden. Es gelten die unter (6) genannten Voraussetzungen. (9) Pfähle im kompakten Fels weisen i. d. R. nur geringe Setzungen auf, so dass bei Einhaltung des Grenzzustandes der Tragfähigkeit (GZ 1) auf den Gebrauchstauglichkeitsnachweis (GZ 2) verzichtet werden kann. Demgegenüber zeigen Erfahrungswerte zur Verformungsabhängigkeit der Mobilisierung von Mantelreibung und Spitzendruck von Bohrpfählen im (Halb-) Festgestein eine große Streubreite, siehe [105]. In der Regel sind die zur Mobilisierung der Grenzmantelreibung erforderlichen Pfahlsetzungen jedoch deutlich geringer als in bindigen Böden. Beeinflusst die verschiebungsabhängige Mobilisierung des Pfahlwiderstandes (Ersatzfedersteifigkeit) die Bemessung von Gründung und Bauwerk, so empfehlen sich statische Pfahlprobebelastungen zur Ermittlung des Widerstands-Setzungs-Verhaltens der Bohrpfähle. (10) In den Tabellen 5.16 bis 5.19 sind die Erfahrungswerte abhängig von unterschiedlichen Eingangskenngrößen dargestellt. Bei der Auswahl der zutreffenden charakteristischen Pfahlwiderstände aus den dargestellten Tabellen sollte unbeTabelle 5.18 Erfahrungswerte für den charakteristischen Pfahlspitzenwiderstand qb1,k und die charakteristische Pfahlmantelreibung qs1,k für Bohrpfähle in Schluff- und Tonstein Gesteinstyp

Festgestein

Festigkeit nach DIN 1054:2005-01

Verwitterungsgrad Wallrauch (1969)

hart bis sehr hart

unverwittert

V0

hart

angewittert

V1

aufgewittert

V2

mäßig hart

Lockergestein

FGSV

qu,k [MN/ m2]

wn [%]

qs1,k [kN/ m2]

qb1,k [kN/ m2]

VU

> 100

4–8

800

8.000

> 50

5–10

400

4.000

300

3.500

200

2.500

< 1,25 14–20

90

1.600

< 0,6 18–30

60

1.000

VA

VE

verwittert

V3

sehr mürb

stark verwittert

V4

grusig/Boden

völlig verwittert

V5 Boden

mürb

Pfahlwiderstände

12,5–50

mäßig mürb Halbfestgestein

Leitparameter

5–12,5 8–16 1,25–5

VZ

95

Tabelle 5.19 Erfahrungswerte für den charakteristischen Pfahlspitzenwiderstand qb1,k und die charakteristische Pfahlmantelreibung qs1,k für Bohrpfähle in Sandstein Gesteinstyp

Festgestein

Festigkeit nach DIN 1054:2005-01

hart bis sehr hart

FGSV

qu,k [MN/m2]

qs1,k [kN/m2]

qb1,k [kN/m2]

VU

> 100

700

8.000

> 50

500

6.000

200–400

4.000

100–200

2.500

< 1,25

80

1.600

< 0,6

60

1.200

< 0,6

40

800–1.000

VA

mäßig mürb mürb sehr mürb

Lockergestein

Leitparameter

hart mäßig hart

Halbfestgestein

Verwitterungsgrad

grusig/Boden bindig/Boden

12,5–50

Pfahlwiderstände

5–12,5 VE VZ Boden

1,25–5

dingt ein Sachverständiger für Geotechnik beteiligt werden, der über Erfahrungen mit Pfählen im Fels verfügt. Des Weiteren ist auch 5.4.1 (4) zu beachten. 5.4.6.4 Schlitzwandelemente (1) Die Erfahrungswerte nach den Tabellen 5.12 bis 5.19 dürfen auch für Schlitzwandelemente verwendet werden, sofern die in 2.2.1.7 definierten Querschnittsformen und Abmessungen vorliegen. (2) Sofern Mantelreibung genutzt werden soll, muss bei eingestellten Fertigteilen dafür gesorgt werden, dass diese nicht unmittelbar mit dem Baugrund in Kontakt kommen können. 5.4.6.5 Bohrpfahlwände und Schlitzwände (1) Die Erfahrungswerte nach den Tabellen 5.12 bis 5.19 dürfen auch für tangierende oder überschnittene Bohrpfahlwände und Schlitzwände verwendet werden, sofern nur die im Kontaktbereich zum Boden wirkenden Nettoflächen für Pfahlspitzenwiderstand und Pfahlmantelreibung angesetzt werden. Als Nettofläche wird dabei eine im Grundriss flächengleiche rechteckförmige Ersatzwand zugrundegelegt. (2) Sofern die Wände freigelegt werden und damit Erddruckkräfte wirksam sind, die einen Differenzdruck, z. B. aus einer aktiven Erddruckbelastung hinter der Wand und einer passiven Erddruckbelastung vor der Wand hervorrufen, darf nur an den Wandflächen Mantelreibung angesetzt werden, bei denen ein Erddruckneigungswinkel G d 0 vorhanden ist, siehe auch [22]. 96

5.4.7

Teilverdrängungsbohrpfähle

(1) Die Gruppe der Verdrängungsbohrpfähle ist untergliedert in Teilverdrängungsbohrpfähle (2.2.1.4 und 2.2.1.5) nach DIN EN 1536 und Schraubpfähle (Vollverdrängungsbohrpfähle, 2.2.4 und 5.4.8) nach DIN EN 12 699. So werden in der Literatur und im Sprachgebrauch Pfahlsysteme bezeichnet, die mit einem drehenden Abteufverfahren hergestellt werden, wobei der Boden teilweise oder vollständig verdrängt wird. (2) Pfahlsysteme, die aufgrund der Ausgestaltung des Vortreibrohres Boden aus dem tragfähigen Einbindebereich zum Teil fördern und/oder in darüber liegende, weniger tragfähige Schichten umlagern, gehören auch zur Gruppe der Teilverdrängungsbohrpfähle, wie beispielsweise Systeme mit Vortreibrohren, die auf einer Teillänge eine durchgehende Schnecke aufweisen (2.2.1.5). (3) Teilverdrängungsbohrpfähle können auch mit einer durchgehenden Bohrschnecke (2.2.1.4) hergestellt werden. Der Grad der Bodenverdrängung hängt von vielen Faktoren ab, u. a. vom Durchmesser des Seelenrohres Di im Vergleich zum Außendurchmesser der Schnecke Da, von der Ausbildungsform der Bohrschnecke, der Art und Schichtung des Baugrundes und nicht zuletzt von der Herstellungsqualität. Zur Herstellung der Teilverdrängungsbohrpfähle finden sich Angaben in DIN EN 1536. (4) Die verschiedenen Typen der Teilverdrängungsbohrpfähle unterscheiden sich dementsprechend in vielen Merkmalen, so dass eine allgemeingültige Aussage über Erfahrungswerte der Pfahlwiderstände nur bedingt möglich ist. (5) Für die Ermittlung der charakteristischen Widerstände auf Grundlage von Erfahrungswerten dürfen die Werte der Tabellen 5.12 bis 5.15 mit einem einheitlichen Faktor 1,15 erhöht werden, wenn der geförderte Boden geringer als das Pfahlvolumen ist. Anmerkung: Bei der Anwendung der Erfahrungswerte ist zu beachten, dass die Datengrundlage für Probebelastungen von Teilverdrängungsbohrpfählen sehr gering ist. (6) Bei der Festlegung des maßgebenden mittleren Spitzenwiderstandes qc der Drucksonde bzw. der charakteristischen undränierten Scherfestigkeit cu,k ist zwischen dem – für den Pfahlspitzenwiderstand maßgebenden Bereich (1 · Ds ober- bis 4 · Ds unterhalb des Pfahlfußes) und dem – für die Pfahlmantelreibung maßgebenden Bereich (Mittelwert der betreffenden Schicht) des Bodens zu unterscheiden. Hat die Bodenschichtung einen großen Einfluss auf den Spitzenwiderstand der Drucksonde bzw. auf die undränierte Scherfestigkeit, dann sind für die Pfahlmantelreibung zwei oder mehr mittlere Bereiche getrennt festzulegen. 97

(7) Alle weiteren Bedingungen für die Anwendung der Werte nach den Tabellen 5.12 bis 5.15 sind vergleichbar mit denen bei Bohrpfählen nach 5.4.6.2. (8) Die Elemente der charakteristischen Widerstands-Setzungs-Linie bis zu einer Setzung von s1 = sg für Bohrpfähle in Bild 5.11 sind auch für Teilverdrängungsbohrpfähle maßgebend. Die Ermittlung des charakteristischen Mantelwiderstandes Rs,k(ssg), des charakteristischen Pfahlfußwiderstandes Rb,k(s) und der charakteristischen axialen Pfahlwiderstandkraft Rk(s) erfolgt ebenfalls analog zu den Bohrpfählen nach Gl. (5.10) bzw. Gl. (5.11), siehe auch 5.4.6.1. 5.4.8

Schraubpfähle

5.4.8.1 Allgemeines (1) Die Schraubpfähle werden auch als Vollverdrängungsbohrpfähle (2.2.4) bezeichnet. (2) Der Begriff „Bohren“ steht für Bodenförderung. Die Bezeichnung Vollverdrängungsbohrpfahl ist damit in sich widersprüchlich, weil Bohren und Vollverdrängung sich begrifflich gegenseitig ausschließen. Obwohl sich die Bezeichnung inzwischen auch in der Fachliteratur etabliert hat, werden die Pfahlsysteme, bei deren Herstellung ein Vortreibrohr statisch, d. h. drehend und/oder drückend, erschütterungsfrei abgeteuft wird und den Boden, insbesondere auch im Einbindebereich des tragfähigen Bodens, vollständig verdrängt, primär als Schraubpfahl bezeichnet. Zur Herstellung der Schraubpfähle finden sich Angaben in DIN EN 12 699. Durch das statisch drehende Einbringverfahren unterscheiden sich die Schraubpfähle von anderen, dynamisch eingebrachten, vollverdrängenden Systemen wie beispielsweise vorgefertigte Verdrängungspfähle. 5.4.8.2 Erfahrungswerte von Pfahlspitzenwiderstand und Pfahlmantelreibung von Schraubpfählen (1) Schraubpfähle sind Systeme, bei denen der Boden vollständig verdrängt wird, bis auf kleine Aufbrüche an der Geländeoberfläche. Weiterhin dürfen auch keine Bodenumlagerungen vom Einbindebereich im tragfähigen Baugrund in darüber liegende, weniger tragfähige Schichten erfolgen. Es werden Erfahrungswerte der Pfahlspitzenwiderstände und der Pfahlmantelreibung für die Systeme Atlaspfähle und Fundexpfähle angegeben. (2) Bei der Festlegung des maßgebenden mittleren Spitzenwiderstandes qc der Drucksonde bzw. der charakteristischen undränierten Scherfestigkeit cu,k ist zwischen dem – für den Pfahlspitzenwiderstand maßgebenden Bereich (1 · Ds ober- bis 4 · Ds unterhalb des Pfahlfußes) und dem – für die Pfahlmantelreibung maßgebenden Bereich (Mittelwert der betreffenden Schicht) 98

des Bodens zu unterscheiden. Hat die Bodenschichtung einen großen Einfluss auf den Spitzenwiderstand der Drucksonde bzw. auf die undränierte Scherfestigkeit, dann sind für die Pfahlmantelreibung zwei oder mehr mittlere Bereiche getrennt festzulegen. (3) Für die Anwendung der Werte nach den Tabellen 5.20, 5.22 und 5.24 wird vorausgesetzt, dass – die Mächtigkeit der tragfähigen Schicht unterhalb der Pfahlfußfläche nicht weniger als drei Pfahldurchmesser, mindestens aber 1,50 m beträgt und – in diesem Bereich qc t 7,5 MN/m2 bzw. cu,k t 100 kN/m2 nachgewiesen ist. Unabhängig davon wird empfohlen, die Pfahlfüße in Bereichen mit qc t 10 MN/m2 abzusetzen. (4) Die Elemente der charakteristischen Widerstands-Setzungs-Linie bis zu einer Setzung von s1 = sg für Bohrpfähle in Bild 5.11 sind auch für Schraubpfähle maßgebend. Die Ermittlung des charakteristischen Mantelwiderstandes Rs,k(ssg), des charakteristischen Pfahlfußwiderstandes Rb,k(s) und der charakteristischen Tabelle 5.20 Spannen der Erfahrungswerte für den charakteristischen Pfahlspitzenwiderstand qb,k für Atlaspfähle in nichtbindigen Böden Pfahlspitzenwiderstand qb,k in kN/m2

Bezogene Pfahlkopfsetzung s/Ds

bei einem mittleren Spitzenwiderstand qc der Drucksonde in MN/m2 7,5

15

25

0,02

950–1.400

1.650–2.300

2.650–3.450

0,03

1.200–1.850

2.150–2.950

3.350–4.450

0,10 ( sg)

2.750–4.000

4.750–6.500

6.000–8.000

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden. Ds: bezogen auf äußeren Wendeldurchmesser. Tabelle 5.21 Spannen der Erfahrungswerte für die charakteristische Pfahlmantelreibung qs1,k für Atlaspfähle in nichtbindigen Böden Mittlerer Spitzenwiderstand qc der Drucksonde in MN/m2

Bruchwert qs1,k der Pfahlmantelreibung in kN/m2

7,5

85–105

15

160–200

t 25

200–245

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden. Pfahlmantelfläche Asi: bezogen auf äußeren Wendeldurchmesser Ds.

99

Tabelle 5.22 Spannen der Erfahrungswerte für den charakteristischen Pfahlspitzenwiderstand qb,k für Atlaspfähle in bindigen Böden Pfahlspitzenwiderstand qb,k in kN/m2

Bezogene Pfahlkopfsetzung s/Ds

Scherfestigkeit cu,k des undränierten Bodens in kN/m2 100

150

250

0,02

600–800

900–1.250

1.300–1.950

0,03

750–950

1.050–1.500

1.650–2.350

0,10 ( sg)

1.350–1.750

1.800–2.500

2.200–3.250

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden. Ds: bezogen auf äußeren Wendeldurchmesser. Tabelle 5.23 Spannen der Erfahrungswerte für die charakteristische Pfahlmantelreibung qs1,k für Atlaspfähle in bindigen Böden Scherfestigkeit cu,k des undränierten Bodens in kN/m2

Bruchwert qs1,k der Pfahlmantelreibung in kN/m2

60

40–60

150

75–95

t 250

95–120

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden. Pfahlmantelfläche Asi: bezogen auf äußeren Wendeldurchmesser Ds. Tabelle 5.24 Spannen der Erfahrungswerte für den charakteristischen Pfahlspitzenwiderstand qb,k für Fundexpfähle in nichtbindigen Böden Bezogene Pfahlkopfsetzung s/Db

Pfahlspitzenwiderstand qb,k in kN/m2 bei einem mittleren Spitzenwiderstand qc der Drucksonde in MN/m2 7,5

15

25

0,02

1.300–1.900

2.500–3.100

3.650–4.350

0,03

1.650–2.500

3.250–3950

4.650–5.550

0,10 ( sg)

3.800– 5.500

7.200–8.800

8.300–10.000

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden. Db: Durchmesser der Fußplatte.

100

Tabelle 5.25 Spannen der Erfahrungswerte für die charakteristische Pfahlmantelreibung qs1,k für Fundexpfähle in nichtbindigen Böden Mittlerer Spitzenwiderstand qc der Drucksonde in MN/m2

Bruchwert qs1,k der Pfahlmantelreibung in kN/m2

7,5

35–50

15

85–115

t 25

115–145

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden.

axialen Pfahlwiderstandkraft Rk(s) erfolgt ebenfalls analog zu den Bohrpfählen nach Gl. (5.10) bzw. (5.11), siehe auch 5.4.6.1. Anmerkung: Die Datengrundlage für Pfahlprobebelastungen in bindigen Böden bei Fundexpfählen ist zu gering, so dass dafür noch keine Erfahrungswerte angegeben werden können. (5) Ein Beispiel für die Ermittlung der charakteristischen Widerstände von Fundexpfählen enthält Anhang B5. 5.4.9

Verpresste Verdrängungs- und Mikropfähle

5.4.9.1 Allgemeines (1) Falls im Ausnahmefall für Verpressmörtelpfähle (VM-Pfähle), Rüttelinjektionspfähle (RI-Pfähle), verpresste Mikropfähle (Ds d 0,30 m) oder Rohrverpresspfähle keine Probebelastungen ausgeführt werden, darf der charakteristische Pfahlwiderstand R1,k im Grenzzustand der Tragfähigkeit für Druck- und Zugpfähle nach dem Ansatz R1,k = R s1,k =

∑ q s1,k,i ⋅ As,i

(5.12)

i

ermittelt werden. Dabei ist: As,i der Nennwert der Pfahlmantelfläche in der Schicht i; qs1,k,i der charakteristische Wert der Pfahlmantelreibung in der Schicht i, abgeleitet nach den Tabellen 5.26 bis 5.32; R1,k der charakteristische Pfahlwiderstand für den Grenzzustand der Tragfähigkeit; Rs1,k der charakteristische Pfahlmantelwiderstand für den Grenzzustand der Tragfähigkeit. (2) Weitere Anwendungsbedingungen siehe 5.4.10. 101

5.4.9.2 Erfahrungswerte der Pfahlmantelreibung von Verpressmörtelpfählen (VM-Pfähle) (1) In den Tabellen 5.26 und 5.27 sind die Erfahrungswerte der Pfahlmantelreibung für den Grenzzustand der Tragfähigkeit angegebenen. (2) Als Umfang des Verpresskörpers ist der Umfang des Pfahlschuhs anzusetzen. (3) Bei Druckpfählen kann zusätzlich ein Spitzenwiderstand wie für gerammte Verdrängungspfähle angesetzt werden. Dabei wird vorausgesetzt, dass – die Mächtigkeit der tragfähigen Schicht unterhalb der Pfahlfußfläche nicht weniger als drei Pfahlfußdurchmesser, mindestens aber 1,50 m beträgt und – in diesem Bereich qc t 7,5 MN/m2 nachgewiesen ist. Unabhängig davon wird empfohlen, die Pfahlfüße in Bereiche mit qc t 10 MN/m2 abzusetzen. (4) Der Rammfortschritt muss an die Leistungsfähigkeit der Silomischpumpe angepasst werden, damit der durch Bodenverdrängung entstandene Hohlraum satt mit Mörtel verfüllt werden kann.

Tabelle 5.26 Spannen der Erfahrungswerte für die charakteristische Pfahlmantelreibung qs1,k für Verpressmörtelpfähle (VM-Pfähle) in nichtbindigen Böden Mittlerer Spitzenwiderstand qc der Drucksonde in MN/m2

Bruchwert qs1,k der Pfahlmantelreibung in kN/m2

7,5

105–135

15

180–230

t 25

225–275

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden.

Tabelle 5.27 Spannen der Erfahrungswerte für die charakteristische Pfahlmantelreibung qs1,k für Verpressmörtelpfähle (VM-Pfähle) in bindigen Böden Scherfestigkeit cu,k des undränierten Bodens in kN/m2

Bruchwert qs1,k der Pfahlmantelreibung in kN/m2

60

40–50

150

80–90

t 250

95–105

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden.

102

5.4.9.3 Erfahrungswerte der Pfahlmantelreibung von Rüttelinjektionspfählen (RI-Pfähle) (1) In Tabelle 5.28 sind Erfahrungswerte der Pfahlmantelreibung für den Grenzzustand der Tragfähigkeit in nichtbindigen Böden angegeben. (2) Als Umfang des Verpresskörpers ist der umrissene Pfahlumfang anzusetzen. (3) Ein zusätzlicher Pfahlspitzenwiderstand darf nur aus Probebelastungen abgeleitet werden. (4) Der Rüttelfortschritt muss an die Leistungsfähigkeit der Silomischpumpe angepasst werden, damit der durch Bodenverdrängung entstandene Hohlraum satt mit Mörtel verfüllt werden kann. 5.4.9.4 Erfahrungswerte der Pfahlmantelreibung von verpressten Mikropfählen (1) In den Tabellen 5.29 und 5.30 sind die Erfahrungswerte der Pfahlmantelreibung für den Grenzzustand der Tragfähigkeit angegeben. (2) Als Umfang des Verpresskörpers ist der größte Außendurchmesser des Bohrwerkzeugs, des Bohrrohres oder der Verrohrung anzusetzen. Bei Herstellung mit Außenspülung darf der Pfahlschaftdurchmesser gleich Bohrrohraußendurchmesser zuzüglich 20 mm angenommen werden. Tabelle 5.28 Spannen der Erfahrungswerte für die charakteristische Pfahlmantelreibung qs1,k für Rüttelinjektionspfähle (RI-Pfähle) in nichtbindigen Böden Mittlerer Spitzenwiderstand qc der Drucksonde in MN/m2

Bruchwert qs1,k der Pfahlmantelreibung in kN/m2

7,5

90–115

15

150–195

t 25

180–220

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden. Tabelle 5.29 Spannen der Erfahrungswerte für die charakteristische Pfahlmantelreibung qs1,k für verpresste Mikropfähle (Ds d 0,30 m) in nichtbindigen Böden Mittlerer Spitzenwiderstand qc der Drucksonde in MN/m2

Bruchwert qs1,k der Pfahlmantelreibung in kN/m2

7,5

135–175

15

215–280

t 25

255–315

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden.

103

Tabelle 5.30 Spannen der Erfahrungswerte für die charakteristische Pfahlmantelreibung qs1,k für verpresste Mikropfähle (Ds d 0,30 m) in bindigen Böden Scherfestigkeit cu,k des undränierten Bodens in kN/m2

Bruchwert qs1,k der Pfahlmantelreibung in kN/m2

60

55–65

150

95–105

t 250

115–125

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden.

Anmerkung: Bei der Anwendung der Erfahrungswerte der Tabelle 5.30 ist zu beachten, dass die Datengrundlage der Probebelastungen von verpressten Mikropfählen in bindigen Böden gering ist. Gegebenenfalls sind auch höhere Tragfähigkeiten zu erwarten. (3) Ein zusätzlicher Pfahlspitzenwiderstand darf nicht angesetzt werden. 5.4.9.5 Erfahrungswerte der Pfahlmantelreibung von Rohrverpresspfählen (1) In den Tabellen 5.31 und 5.32 sind die Erfahrungswerte der Pfahlmantelreibung für den Grenzzustand der Tragfähigkeit angegeben. Tabelle 5.31 Spannen der Erfahrungswerte für die charakteristische Pfahlmantelreibung qs1,k für Rohrverpresspfähle in nichtbindigen Böden Mittlerer Spitzenwiderstand qc der Drucksonde in MN/m2

Bruchwert qs1,k der Pfahlmantelreibung in kN/m2

7,5

170–210

15

255–320

t 25

305–365

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden. Tabelle 5.32 Spannen der Erfahrungswerte für die charakteristische Pfahlmantelreibung qs1,k für Rohrverpresspfähle in bindigen Böden Scherfestigkeit cu,k des undränierten Bodens in kN/m2

Bruchwert qs1,k der Pfahlmantelreibung in kN/m2

60

70–80

150

115–125

t 250

140–150

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden.

104

Anmerkung: Bei der Anwendung der Erfahrungswerte der Tabellen 5.31 und 5.32 ist zu beachten, dass die Datengrundlage der Probebelastungen von Rohrverpresspfählen gering ist. Gegebenenfalls sind auch höhere Tragfähigkeiten zu erwarten. (2) Als Umfang des Verpresskörpers ist der größte Außendurchmesser des Bohrwerkzeugs, des Bohrrohrs oder der Verrohrung anzusetzen. Bei Herstellung mit Außenspülung darf der Pfahlschaftdurchmesser gleich Bohrrohraußendurchmesser zuzüglich 20 mm angenommen werden. (3) Ein zusätzlicher Pfahlspitzenwiderstand darf nicht angesetzt werden. 5.4.10

Anwendungen auf Zugpfähle

(1) Wie bereits in 5.4.1 (5) angeführt, sollten bei Zugpfählen immer Pfahlprobebelastungen durchgeführt werden. Auch DIN 1054 lässt eine Abschätzung der Zugpfahlwiderstände aus Erfahrungswerten nur in Ausnahmefällen zu. (2) Sofern in begründeten Ausnahmefällen Zugpfahlwiderstände aus Erfahrungswerten verwendet werden, müssen die so abgeleiteten charakteristischen Mantelreibungswerte durch einen Sachverständigen für Geotechnik oder geotechnischen Fachplaner für den Anwendungsfall bestätigt werden. Dabei ist auch zu prüfen, ob die in den voranstehenden Tabellen angegebenen Erfahrungswerte nochmals deutlich für die Anwendung auf Zugpfahlwiderstände abgemindert werden sollten, z. B. durch entsprechende Anpassungsfaktoren. (3) Bei der Ermittlung einer charakteristischen Widerstands-Hebungs-Linie aus Erfahrungswerten darf die Grenzhebung ssg,z näherungsweise mit ssg,z = 1,30 ⋅ ssg

(5.13)

abgeschätzt werden, wobei ssg bzw. ssg* nach Gl. (5.4) bzw. (5.6) und Gl. (5.10) oder sinngemäß bei anderen Pfahlarten anzusetzen ist. (4) Die rechnerische Länge der Verpresskörper sollte bei Verpressmörtelpfählen (VM-, MV- oder RV-Pfählen) oder Rüttelinjektionspfählen auf maximal 15 m und bei Rohrverpresspfählen oder verpressten Mikropfählen maximal 12 m begrenzt werden, da dies dem bisherigen Erfahrungsbereich entspricht. 5.5

Bohrpfähle mit Fußaufweitung

(1) Bei Bohrpfählen kann es sinnvoll sein, zur Erhöhung des Pfahlfußwiderstandes bei Druck- wie bei Zugbeanspruchung eine Fußaufweitung vorzunehmen. (2) Die hierfür notwendigen im Fußbereich herzustellenden Hohlräume dürfen nur in ausreichend standfestem Baugrund ausgeführt werden. (3) Eine händische wie eine maschinelle Fußverbreitung soll möglichst konzentrisch zum Pfahlschaft liegen. 105

(4) Bei Herstellung des Pfahlfußes unterhalb des Grundwasserspiegels ist der Hohlraum entsprechend der üblichen Bohrpfahlherstellung mit Wasserüberdruck bzw. Flüssigkeitsüberdruck zu stützen. (5) Das Verhältnis Fußhöhe zu Fußüberstand darf folgende Verhältniswerte nicht unterschreiten: – in nichtbindigen Böden 3 : 1 – in bindigen Böden 2 : 1 (6) Bei der Beurteilung des Tragverhaltens ist zu unterscheiden zwischen Druckund Zugpfählen. Nach Untersuchungen von [85] gilt besonders für Bohrpfähle: a) Bei Druckpfählen entsteht oberhalb des Pfahlfußes eine geringere Mantelreibung, die vermutlich auf die Auflockerungen des Bodens oberhalb des Pfahlfußbereiches zurückzuführen ist. Diese wird oberhalb davon, vermutlich infolge von Verspannungen, kompensiert, so dass näherungsweise auch bei Fußaufweitungen oberhalb mit den mittleren Mantelreibungswerten der Angaben nach 5.4.6 gerechnet werden darf. b) Auch bei (längeren) Bohrpfählen mit Fußaufweitung erfolgt der überwiegende Lastabtrag am Pfahlschaft wie bei Pfählen ohne Fußaufweitung, es sei denn, der Pfahl steht auf einer besonders festen Bodenschicht oder auf Fels. Deshalb ist eine Fußerweiterung meist nur in festen Böden und in mürbem Fels technisch und wirtschaftlich sinnvoll. 5.6

Weitere Verfahren nach DIN EN 1997-1

(1) Die DIN EN 1997-1 (Eurocode EC 7-1) sieht für die Bestimmung des Pfahlwiderstandes von axial belasteten Pfählen neben statischen oder dynamischen Pfahlprobebelastungen auch – empirische oder analytische Berechnungsverfahren und – die Beobachtung des Verhaltens einer vergleichbaren Pfahlgründung vor. (2) Die Anwendungsbedingungen dieser Vorgabe werden sich in Deutschland im nationalen Anhang zum Eurocode EC 7-1 und in DIN 1054:~2007 finden. 5.7

Pfahlwiderstände bei Mantel- und Fußverpressung

(1) Bedingt durch die Verschiebungsabhängigkeit der Widerstände am Pfahlmantel und am Pfahlfuß ist der Anteil der Mantelreibung im Gebrauchszustand erheblich, so dass durch gezieltes Verpressen am Pfahlmantel die Tragfähigkeit der Pfähle erhöht und gleichzeitig die Setzung verringert werden kann, siehe [77]. (2) Durch Mantel- und Fußverpressungen können insbesondere bei Bohrpfählen bei geringer Lagerungsdichte oder weicher Konsistenz des Bodens in 106

der Pfahlumgebung bzw. nach Störungen des umgebenden Bodens durch die Pfahlherstellung die negativen Auswirkungen auf das Tragverhalten der Pfähle reduziert werden. (3) Zur Vorspannung des Untergrundes bzw. zur nachträglichen Tragfähigkeitserhöhung des Pfahlfußes werden Pfahlfußverpressungen ausgeführt. (4) Die Mantelverpressung wird über Injektionsrohre vorgenommen, die kraftschlüssig mit der Bewehrung verbunden sind, so dass Lageveränderungen beim Einbringen der Bewehrung und des Betons nicht auftreten können. Hierzu dienen meist Einfachventilrohre mit nur einem Ventil, das üblicherweise auch nur einmal beaufschlagt wird, mit dem aber bei entsprechender Ausbildung und nachträglicher Spülung auch mehrmals nachverpresst werden kann. Abweichend davon kann die Mantelverpressung auch über Manschettenrohre erfolgen, die über Doppelpacker in unterschiedlichen Tiefen beaufschlagt werden können. (7) Folgende Angaben sind neben den Angaben über den Baugrund bei einer Mantelverpressung unbedingt erforderlich ([54]): – – – – – – –

Typ der Injektionsrohre, Einfach- oder Mehrfachverpressung, spezifische Mantelfläche pro Ventil, Verpressmenge je Ventil, maximaler Verpressdruck, Pumprate in l/min, Art der Aufzeichnung der Verpressdaten.

(8) Die Fußverpressung kann über Presskissen am Pfahlfuß, über 90° abgewinkelte Pressventile oder Injektionsrohre, die bis unter den Pfahlfuß reichen, vorgenommen werden. (9) Bei Fußverpressungen sind neben detaillierten Angaben über den Baugrund u. a. folgende Kenngrößen maßgebend: – – – – – –

Art der Pressvorrichtung (Presskissen, Einfachventilrohre u. a.) Verpressmenge, maximaler Verpressdruck, maximale Hebung des Pfahlkopfes beim Verpressen, Art der Überwachung der Hebung, Art der Registrierung der Verpressdaten.

(10) Durch gezielte Verpressungen am Pfahlmantel von Bohrpfählen können für eine Vorbemessung die in 5.4.9.4 genannten Erfahrungswerte der Mantelreibung für verpresste Mikropfähle angesetzt oder die Angaben für Bohrpfähle nach 5.4.6.2 um etwa 50 % erhöht werden ([77]). Weitere Angaben zur Tragfähigkeitserhöhung infolge Mantel- und Fußverpressung finden sich in [86].

107

5.8

Horizontale Pfahlwiderstände

(1) Bodenwiderstände quer zur Pfahlachse werden besonders für biegeweiche längere Pfähle üblicherweise in Form von Bettungsmoduln angegeben. (2) Die Widerstände sind für zwei Nachweisarten zu unterscheiden: a) Ermittlung der Beanspruchung im Pfahl, z. B. Biegemomente, siehe (3) und (4), b) Ermittlung der horizontalen Verformungen einer Pfahlgründung, siehe (5). (3) Neben der Rückrechnung aus horizontalen Probebelastungen dürfen die Bettungsmoduln auch aus der bekannten Gl. (31) der DIN 1054:2005-01 (ks,k = Es,k / Ds) ermittelt werden, da die Größe der so abgeschätzten Bettungsmoduln für die Pfahlbeanspruchungen nur eine untergeordnete Rolle spielt. Wesentlich und in DIN 1054:2005-01 nicht geregelt sind aber für die Beanspruchungen, auch nach dem vereinfachten Ansatz, die Bettungsmodulverteilungen. Hinweise hierzu siehe z. B. [42] mit weiteren Literaturangaben. Anmerkung: Die nach (3) bzw. Gl. (31) der DIN 1054:2005-01 angegebene Vorgehensweise stellt zunächst eine Rechenvereinfachung dar, die verschiebungsunabhängig geführt werden kann. Bei der genaueren Ermittlung des Bettungsmoduls aus horizontalen Pfahlprobebelastungen sollte der Bettungsmodul verschiebungsabhängig ermittelt werden und entsprechend den sich aus der Beanspruchung der Gesamtkonstruktion ergebenden Verschiebungen angesetzt werden. (4) Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass die unter Gl. (31) der DIN 1054:2005-01 aufgeführte Erklärung „…; bei Ds > 1,00 m ist rechnerisch Ds = 1,00 m anzusetzen“ sich auf Einzelpfähle großen Durchmessers bezieht und nicht auf durchgehende Pfahlwände. Zu den Pfahlwänden bei Baugruben siehe [22]. (5) Die Abschätzung der Verformungen auf der Grundlage von Gl. (31) der DIN 1054:2005-01 ist im Allgemeinen mit großen Unsicherheiten behaftet. Sollten horizontale Verformungsnachweise erforderlich sein, fordert die Norm als Grundlage Pfahlprobebelastungen oder Ergebnisse von vergleichbaren Pfahlprobebelastungen. (6) Ein Beispiel für quer zur Pfahlachse belastete Pfähle enthält Anhang B9. 5.9

Pfahlwiderstände bei nichtruhenden Einwirkungen

5.9.1

Allgemeines

(1) Unter nichtruhenden Einwirkungen auf Pfähle sind dynamische, zyklische und stoßartige Belastungen zu verstehen. Dabei ist eine eindeutige Abgrenzung zwischen den Begriffen schwierig bzw. die Übergänge fließend und sollten im Zusammenhang mit Pfahlgründungen wie folgt verstanden werden: 108

– Dynamische Belastung: darunter werden hier hochfrequente Einwirkungen auf die Pfähle verstanden. Trägheitskräfte sind hierbei nicht vernachlässigbar, sie können das Systemverhalten maßgebend bestimmen. – Zyklische Belastung: darunter werden hier niederfrequente Einwirkungen auf die Pfähle verstanden, bei denen die Randbedingungen nach (4a) wirksam sind. – Stoßartige Belastung: darunter werden Einwirkungen auf die Pfähle verstanden, die nur eine kurze Zeit wirksam sind. Die Einwirkungszeit kann im Millisekundenbereich bis zu einigen Sekunden liegen, wobei die obere Grenze nicht eindeutig festliegt. Dabei können ebenfalls Trägheitskräfte wirksam sein. Es wirken die Randbedingungen nach (4b). (2) Bei dynamischen, zyklischen oder stoßartigen Einwirkungen auf Pfähle ist gegenüber statischen Einwirkungen je nach Randbedingungen mit einem stark veränderten Pfahltragverhalten zu rechnen. Dieses Verhalten ist nach DIN 1054:2005-01 bei der Berechnung und Bemessung von Pfahlgründungen zu berücksichtigen. (3) Andererseits liegt z. Z. zum Pfahltragverhalten unter dynamischen, zyklischen oder stoßartigen Belastungen nur ein geringer Kenntnisstand vor, so dass noch keine abgesicherten Angaben und Empfehlungen im Sinne von Regeln der Technik gemacht werden können. Liegen dynamische, zyklische oder stoßartige Belastungen auf Pfähle in maßgeblicher Größenordnung von größer 20 % bezogen auf die statischen charakteristischen Pfahltragfähigkeiten im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit GZ 2 vor, so sollten die Auswirkungen auf die Pfahlwiderstände berücksichtigt werden. Dabei empfiehlt sich die Einschaltung eines Geotechnischen Sachverständigen, der über entsprechende Sachkunde und Erfahrungen mit dem veränderten Pfahltragverhalten verfügt. (4) Generell sind bei zyklischer und/oder stoßartiger Pfahlbeanspruchung bezüglich der Pfahlwiderstände folgende Tendenzen zu erwarten: a) Zyklische Belastung: eine Schwell- oder Wechselbelastung kann die Pfahlund Bodenwiderstände reduzieren und führt i. d. R. zu erhöhten kumulativen Pfahlverschiebungen. Dabei sind Trägheitskräfte i. d. R. vernachlässigbar, sofern die zyklische Belastung im niederfrequenten Bereich (d 1–2 Hz) liegt. b) Stoßartige Belastung: dabei wirken Trägheitskräfte. Infolge dessen kann sich der Bodenwiderstand in der Pfahlumgebung steifer verhalten als bei rein statischer Pfahlbeanspruchung. Eine ähnliche Tendenz ist auch für die Pfahl- und Bodenwiderstände für jeweils den einzelnen Zyklus einer zyklischen Pfahlbeanspruchung zu erwarten, sofern sich das Pfahltragverhalten nicht insgesamt durch die zyklische Belastung maßgeblich verschlechtert hat (zyklisches Versagen). Anmerkung: Fall b) ist nur dann gegeben, wenn die Pfahl- und Bodenwiderstände überwiegend kurzzeitig-stoßartig beansprucht sind bzw. zwischen den zyklischen Phasen größere Ruhephasen vorliegen. 109

(5) Bei hochfrequenten dynamischen Belastungen kann der Pfahlwiderstand sich gegenüber statischer Belastung stark verringern bis hin zu einer Bodenverflüssigung. 5.9.2

Axiale Pfahlwiderstände bei zyklischen Einwirkungen

(1) Werden Pfähle durch Schwell- oder Wechsellasten bis 20 % ihres charakteristischen statischen Pfahlwiderstandes R2,k im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (GZ 2) beansprucht, wird das Tragverhalten der Pfähle nur vernachlässigbar beeinflusst, siehe z. B. [90, 109] und DIN 1054:2005-01. Liegt die zyklische Pfahlbelastung jedoch über 20 % des charakteristischen Pfahlwiderstandes R2,k, kann mit zunehmender Größe der zyklischen Beanspruchung bezogen auf die statische Beanspruchung eine starke Verschlechterung des Pfahltragverhaltens eintreten und das veränderliche Tragverhalten unter der zyklischen Pfahlbeanspruchung muss berücksichtigt werden. (2) Die Verschlechterung des Pfahltragverhaltens bei größeren nichtruhenden Belastungsanteilen führt zunächst zu vergrößerten Setzungen oder Hebungen im Gebrauchszustand. (3) Die größeren Schwell- und/oder Wechsellastanteile können aber auch den Grenzzustand der Tragfähigkeit (äußere Pfahltragfähigkeit) maßgeblich beeinflussen. In [41] konnte z. B. aus einer Probebelastung abgeleitet werden, dass die charakteristische Pfahlmantelreibung nach einer Wechselbelastung nur noch etwa 40 % bis 60 % derjenigen bei einer ruhenden Belastung betrug, während der Pfahlspitzenwiderstand von der nicht ruhenden Belastung nur unwesentlich beeinflusst wurde. (4) Die in der DIN 1054:2005-01 enthaltene Forderung nach Pfahlprobebelastungen zur Abbildung von wirklichkeitsgetreuen Belastungen im Hinblick auf die Lastspanne und die Lastwechselzahl ist besonders bezüglich der Lastwechselzahl in der Praxis kaum umzusetzen. Hinweise finden sich auch in 9.2.2.6. Unabhängig davon kann oftmals bereits nach wenigen Lastzyklen eine Beeinträchtigung des Pfahlverhaltens beobachtet werden, siehe z. B. [41]. (5) Andererseits wird in [109] berichtet, dass bei Wechsellast-Versuchen mit Mikropfählen erst, nachdem einige tausend Zyklen abgeschlossen waren, nach wenigen weiteren Zyklen sich überproportional zunehmend die Pfahltragfähigkeit verschlechtert hat. Wenn bei Schwelllastversuchen eine gewisse Anzahl von Lastzyklen aus Pfahlprobebelastungen vorliegt, so können zumindest nach empirischen Ansätzen in [109] die Größenordnungen der zu erwartenden Pfahlsetzungen unter nicht ruhender Belastung über die vorhandenen Lastwechsel hinaus abgeschätzt werden. Dabei gehen als Hauptparameter die Lastwechselbzw. Zyklenzahl und in gewissem Umfang auch die veränderliche Lastspanne, siehe (7), ein. (6) Die Gesamtbelastung von Pfählen unter zyklischen Einwirkungen setzt sich aus einem statischen Anteil (stat. F) und einem zyklischen Anteil (zykl. F) 110

Bild 5.12 Belastungs- und Einwirkungssituation bei zyklisch axial belasteten Pfählen; (a) Zug- und Druckschwellbelastung, (b) Wechselbelastung, (c) Begriffe

zusammen. Der zyklische Anteil wird auch als Lastspanne bezeichnet und kann in Form von Schwell- oder Wechsellastanteilen auftreten. Die Lastspanne ist bei einer Schwellbelastung die Laständerung zwischen größter und kleinster Last und bei einer Wechselbelastung die Laständerung zwischen größter Zuglast und größter Drucklast (siehe Bild 5.12). (7) Die im informativen Anhang D in Tabelle D.2 der DIN 1054-2005-01 in Abhängigkeit der zu erwartenden Lastwechselzahlen angegebenen Anhaltswerte für charakteristische Lastspannen, siehe auch Tabelle 5.33, beziehen sich auf verpresste Mikropfähle in mitteldicht gelagerten, nicht bindigen Böden oberhalb des Grundwassers. Mit Kenntnis der zu erwartenden Lastwechselzahl kann somit für die o. g. Randbedingungen der zulässige zyklische Lastanteil an der Gesamtbelastung im Gebrauchszustand ermittelt werden. Dabei wird sich auf den charakteristischen Zugwiderstand R2z,k im Gebrauchszustand bezogen, da 111

Tabelle 5.33 Anhaltswerte für die charakteristische Lastspanne und die zulässige axiale Pfahlbelastung bei verpressten Mikropfählen in nichtbindigen Böden oberhalb des Grundwasserspiegels, nach [109] und DIN 1054:2005-01 Zu erwartende Lastzyklenzahl N

Charakteristische Lastspanne

1

1,00 · R2z,k

100

0,80 · R2z,k

10.000

0,68 · R2z,k

100.000

0,56 · R2z,k

t 1.000.000

0,40 · R2z,k

bei Mikropfählen der Pfahlfußwiderstand i. d. R. vernachlässigt wird und nach derzeitigem Kenntnisstand unter zyklischen Belastungen besonders der Pfahlmantelwiderstand ungünstig beeinflusst wird. (8) Es sei darauf hingewiesen, dass Tabelle 5.33 für Mikropfähle davon ausgeht, dass nur zyklische Belastungskomponenten vorliegen. Wenn sich das Verhältnis zykl F/stat F verkleinert, ist damit ein zunehmend günstigeres Pfahltragverhalten zu erwarten. Dies wird z. B. bei dem Nachweisverfahren in [45] berücksichtigt. (9) Für andere Pfahltypen oder Mikropfähle mit von (7) abweichenden Randbedingungen, gibt die DIN 1054:2005-01 noch keine Bemessungshinweise. Dazu kann z. B. zur Berücksichtigung von zyklischen Pfahlbelastungen im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit GZ 2 das Verfahren in [45] verwendet werden. In [72] ist neben einem weiteren Berechnungsvorschlag im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit GZ 2 auch ein Vorschlag zur Nachweisführung im Grenzzustand der Tragfähigkeit GZ 1B enthalten. 5.9.3

Horizontale Pfahlwiderstände bei zyklischen Einwirkungen

(1) Analog zu 5.9.2 ist der Pfahlwiderstand i. d. R. auch bei horizontalen zyklischen Einwirkungen geringer als gegenüber statischen Einwirkungen zu erwarten. (2) Auch für horizontale Pfahlwiderstände gilt bei zyklischen Einwirkungen, dass hier noch erhebliche Unsicherheiten und Kenntnislücken vorhanden sind, siehe z. B. [91], und dass für nichtruhende Belastungen besondere Untersuchungen in Zusammenwirkung mit einem auf dem Gebiet erfahrenen Sachverständigen für Geotechnik vorzunehmen sind. (3) Die in 5.9.2 dargestellten maßgeblichen Parameter für das Pfahltragverhalten unter zyklischen Belastungen gelten tendenziell auch für die horizontalen Pfahlund Bodenwiderstände, siehe auch 5.9.1 (3a). 112

5.9.4

Horizontale Pfahlwiderstände bei stoßartigen Einwirkungen

(1) War es bisher bei Bohrpfählen nach DIN 4014:03-1990 bei stoßartigen waagerechten Einwirkungen im Sinne von Anprall-Lasten üblich und zulässig, horizontale Bettungsmoduln ohne weitere Nachweise bis um den Faktor 3 gegenüber einem statischen Bettungsmodul zu erhöhen, so ist dieses in DIN 1054:01-2005 nicht mehr ohne Weiteres erlaubt. (2) Die Untersuchungen in [57] haben gezeigt, dass bei stoßartigen Belastungen auch Einwirkungen aus Massenträgheitskräften mitwirken, die die Gesamtbelastung erhöhen. (3) Der Baugrund reagiert zwar in der Pfahlumgebung bei bestimmten Randbedingungen und stoßartigen Belastungen steifer als bei ruhenden Beanspruchungen, dieser Effekt kann aber durch die erhöhten Belastungen aus den Trägheitskräften kompensiert werden. (4) Die DIN 1054:2005-01 empfiehlt zunächst, vereinfachend für stoßartige Einwirkungen den gleichen Bettungsmodul wie für statische Einwirkungen zu verwenden, sofern mit statischen Ersatzlasten (ohne Berücksichtigung von Trägheitskräften) gerechnet wird. Bei genaueren dynamischen Untersuchungen oder bei Ansatz von statischen Ersatzlasten, die Trägheitskräfte bei der stoßartigen Belastung angemessen berücksichtigen, kann allerdings ggf. eine erhöhte Baugrundsteifigkeit in Ansatz gebracht werden. (5) Siehe auch 5.9.1 (3b). 5.10

Innere Tragfähigkeit von Pfählen

(1) Die innere Tragfähigkeit von Pfählen ist abhängig von den Materialien der Pfähle nachzuweisen. Für die Ermittlung der Bauteilwiderstände sind die in den jeweiligen Bauartnormen angegebenen Materialkenngrößen maßgebend. (2) Zusätzlich zu den Angaben in DIN EN 1536, DIN EN 12 699 und DIN EN 14 199 finden sich ergänzende Hinweise und Regelungen zu den Materialkenngrößen und Bauteilwiderständen in den DIN-Fachberichten zu den vorstehend genannten europäischen Ausführungsnormen für Pfähle. (3) Querbelastete Betonpfähle mit Kreisquerschnitt können auch nach [3] bemessen werden. Ein Berechnungsbeispiel enthält Anhang B9. 5.11

Widerstand von Pfählen gegen Knickversagen in Bodenschichten mit geringer seitlicher Stützung und Knicksicherheitsnachweis

(1) Das Ausknicken von Druckpfählen wird i. d. R. durch die stützende Wirkung des seitlich am Pfahlschaft anstehenden Bodens behindert. In Böden mit ausreichender Steifigkeit und Festigkeit besteht daher bei üblichen Pfahlausbildungen keine Knickgefahr. 113

(2) Dies gilt jedoch nicht ohne weiteres bei sehr schlanken Pfählen in sehr weichen Böden. (3) Bei hoch liegenden Pfahlrosten und Druckpfählen im freien Wasser besteht ebenfalls eine Knickgefahr. (4) In den derzeit vorliegenden Pfahlnormen ist zum Knickversagen und Knicknachweis ausgeführt: a) Nach DIN 4128:1983-04 ist ein Knicksicherheitsnachweis für Pfahldurchmesser Ds d 0,30 m zu führen, wenn die Scherfestigkeit des undränierten weichen Bodens cu,k d 10 kN/m2 beträgt. Dabei ist keine seitliche Stützung des Pfahls anzusetzen. b) Nach DIN 1054:2005-01 ist bei teilweise freistehenden Pfählen und bei Pfählen in weichen Böden mit der Scherfestigkeit cu,k d 15 kN/m2 die Knicksicherheit nachzuweisen. c) Nach DIN 1997-1:2005-10 (Eurocode EC 7-1) ist i. d. R. kein Knicksicherheitsnachweis gefordert, wenn cu,k > 10 kN/m2 ist. (5) In den Untersuchungen z. B. von [10, 65, 66, 122] wurde gezeigt, dass bei schlanken Pfählen in Bodenschichten mit geringer seitlicher Stützung ein Knickversagen bei ungünstigen Randbedingungen auch dann eintreten kann, wenn die in (4) genannten Grenzwerte eingehalten werden. (6) Bis auf die DIN 4128 geben die Normen nach (4) keine Hinweise, in welcher Weise ein Knicknachweis zu führen ist. Insbesondere bleibt offen, ob unterhalb der genannten Grenzen der undränierten Scherfestigkeit eine stützende Wirkung des umgebenden Bodens angesetzt werden darf. Auch über die Art, mit welcher Beschreibung der Bodenreaktion eine seitliche Stützung zu modellieren und in einem Nachweis zu verwenden ist, treffen diese Normen keine Aussage. (7) Aus Untersuchungen an schlanken Pfählen mit zentrischem Stahlglied wird in [119] abgeleitet, dass bei Mikropfählen nach DIN 14 199, die weiche oder breiig-flüssige Bodenschichten durchörtern, grundsätzlich ein Knicknachweis zu führen ist. (8) Das dazu von [119] angegebene Nachweisverfahren enthält Anhang A5. (9) Bis zum Vorliegen weiterer Erkenntnisse wird empfohlen, den Vorschlägen und Empfehlungen nach (7) zum Knicknachweis zu folgen und bei den dort genannten Randbedingungen die Knicksicherheit der Mikropfähle zu überprüfen. (10) Für schlanke Pfähle mit Pfahldurchmessern von Ds > 0,30 m wird als Grenze für die Notwendigkeit eines Knicknachweises bei im Boden eingebetteten Pfählen bis auf weiteres cu,k d 15 kN/m2 empfohlen.

114

5.12

Numerische Berechnungen zur Tragfähigkeit von Einzelpfählen

(1) Wie in 5.1 (4) ausgeführt, dürfen zur Ermittlung von Pfahlwiderständen auch numerische Verfahren angewendet werden, wenn die Berechnungsmodelle an vergleichbaren Pfahlprobebelastungsergebnissen kalibriert worden sind. (2) Es ist zu beachten, dass die wirklichkeitsnahe Modellierung der Pfahlherstellung mit numerischen Verfahren i. d. R. schwierig und für bestimmte Pfahlsysteme im Rahmen einer baupraktischen Anwendung nicht zutreffend möglich ist, da mit der Pfahlherstellung die Bodeneigenschaften in der Pfahlumgebung stark beeinflusst werden können. Am Besten gelingt die numerische Berechnung von Bohrpfählen. (3) Hinweise zur Netzgenerierung und Modellierung finden sich z. B. in [116]. (4) Mit numerischen Verfahren ermittelte charakteristische Pfahlwiderstände sollten anhand der Pfahlwiderstände aus Erfahrungswerten nach 5.4 auf Plausibilität überprüft und durch den Sachverständigen für Geotechnik für den konkreten Anwendungsfall bestätigt werden.

115

6

Standsicherheitsnachweise

6.1

Allgemeines

(1) Die Grundlagen der Nachweisführung nach dem neuen Teilsicherheitskonzept mit den Festlegungen der DIN 1054:2005-01 wurden bereits in 1.2 und 3.1.1 (4) behandelt. Dabei ist auch angegeben, wie die zeitlichen und formalen Übergangsregelungen von der DIN 1054:2005-01 zum Eurocode EC 7-1 voraussichtlich zu erwarten sind. (2) Da nach Erscheinen der 1. Auflage der EA-Pfähle die DIN 1054:2005-01 bauaufsichtlich gilt und voraussichtlich auch noch ab etwa 2007 parallel zu Eurocode EC 7-1 (zusammen mit einer Ergänzungsnorm DIN 1054:~2007 national angewendet werden darf, wird in dieser Auflage der EA-Pfähle nur die Nachweisführung für Pfahlgründungen nach DIN 1054:2005-01 behandelt, um den Anwender zunächst mit dem Teilsicherheitskonzept bei Pfahlgründungen vertraut zu machen und Fehler aufgrund von verschiedenen Vorgehensweisen und teilweise noch nicht vollständig in der Baupraxis erprobten Festlegungen zu vermeiden. (3) Die für die Nachweise der Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit einzuhaltenden Bedingungen für Pfahlgründungen sind nachfolgend nochmals weitgehend geschlossen wiedergegeben, auch wenn sich dadurch Doppelfestlegungen zur DIN 1054:2005-01 und Textgleichheit mit der Norm ergibt. Damit soll aber die Anwendung des neuen Teilsicherheitskonzeptes auf der Grundlage der DIN 1054 erleichtert werden. (4) Die Anwendung der EA-Pfähle in Zusammenhang mit DIN EN 1997-1 (Eurocode EC 7-1) ist in 1.2.4 behandelt. 6.2

Nachweis der Tragfähigkeit

6.2.1

Axial belastete Pfähle

(1) Beim Nachweis der „äußeren“ Tragfähigkeit (Lastübertragung auf den Baugrund) eines axial belasteten Einzelpfahles einer Pfahlgründung im Grenzzustand GZ 1B ist nach DIN 1054 wie folgt vorzugehen: a) An dem vorgegebenen System aus gewählter Pfahlart und -abmessung, Pfahlkopfkonstruktion und aufgehender Konstruktion werden die charakteristischen Schnittgrößen Ek, siehe 4.1, am Pfahlkopf in Form von Gründungslasten aus dem Bauwerk und ggf. negativer Mantelreibung getrennt nach ständigen und veränderlichen Beanspruchungen ermittelt. b) Aus den charakteristischen Beanspruchungen auf den Pfahl ergeben sich für den Ansatz 117

E1,d = E G,d + E Q,d

(6.1a)

mit E G,d = E G,k ⋅ γ G

und E Q,d = E Q,k ⋅ γ Q

(6.1b)

die Bemessungswerte, indem sie mit den Teilsicherheitsfaktoren JG und JQ nach DIN 1054:2005-01, Tabelle 2 bzw. Anhang A2, multipliziert werden. c) Aus den nach Kapitel 5 ermittelten charakteristischen Pfahlwiderständen ergeben sich aus dem Ansatz R1,d = R1,k / γ

(6.2)

mit J = JPc oder J = JPt oder J = JP nach DIN 1054:2005-01, Tabelle 3 bzw. Anhang A3, die Bemessungswerte der Pfahlwiderstände. Die Teilsicherheitsbeiwerte erfassen dabei gleichermaßen den Fuß- und den Mantelwiderstand. (2) Mit den ermittelten Bemessungsbeanspruchungen und Bemessungswiderständen wird für den Pfahl für jede maßgebende Einwirkungskombination die Einhaltung der Grenzzustandsbedingung E1,d ≤ R1,d

bzw.

∑ E1,d

≤

∑ R1,d

(6.3)

nachgewiesen. (3) Sofern die Grenzzustandsbedingungen nicht erfüllt sind, müssen die Pfahlabmessungen entsprechend vergrößert werden. Wenn ein unwirtschaftlicher Sicherheitsüberschuss abgebaut werden soll, dürfen die Abmessungen, z. B. die Pfahllänge, entsprechend verringert werden. Die Berechnung ist in beiden Fällen zu wiederholen bzw. durch Iteration abzuschließen. (4) Die Sicherheit gegen Materialversagen („innere Pfahltragfähigkeit“) ist nach 6.2.3 unter Berücksichtigung von 5.10 nachzuweisen. (5) Die Anhänge B1 und B7 enthalten Beispiele zum Nachweis der äußeren Tragfähigkeit von axial belasteten Einzelpfählen. (6) Bezüglich eines veränderten Pfahltragverhaltens unter zyklischen Einwirkungen siehe 5.9. Dabei kann es zweckmäßig sein, Anpassungsfaktoren zur Berücksichtigung des Verhaltens oder erhöhte Teilsicherheitsbeiwerte in Abstimmung mit dem geotechnischen Sachverständigen festzulegen. 6.2.2

Quer zur Pfahlachse belastete Pfähle

(1) Der Nachweis der Tragfähigkeit von biegeweichen Pfählen im Grenzzustand GZ 1B braucht nicht erbracht zu werden, wenn die Pfähle im Boden eingebettet 118

sind und die waagerechte charakteristische Beanspruchung im Lastfall 1 höchstens 3 % bzw. im Lastfall 2 höchstens 5 % der lotrechten Beanspruchungen erreicht. In allen anderen Fällen ist wie folgt vorzugehen: – Festlegung der Ausgangswerte zur Ermittlung von Bodenreaktionen, z. B. in Form eines Bettungsmoduls nach 5.8. – Ermittlung der charakteristischen Schnittgrößen bzw. charakteristischen Spannungen mit den charakteristischen Werten der Einwirkungen und den charakteristischen Werten der Bettungsmoduln. – Umwandlung der charakteristischen Schnittgrößen bzw. charakteristischen Spannungen in Bemessungswerte der Beanspruchungen durch Multiplikation mit den Teilsicherheitsbeiwerten für Einwirkungen nach DIN 1054:2005-01, Tabelle 2 bzw. Anhang A2. – Nachweis, dass entlang des Pfahlschaftes, besonders nahe der Geländeoberfläche, die charakteristische Normalspannung Vh,k zwischen Pfahl und Boden den im ebenen Fall berechneten Wert der charakteristischen passiven Erdwiderstandsspannung eph,k nicht überschreitet. Vh,k d eph,k

(6.4)

– Der Nachweis nach Gl. (6.4) geht näherungsweise davon aus, dass nur ein Spannungsvergleich zwischen aus dem Bettungsmodulverfahren berechneten Normalspannungen Vh,k zwischen Pfahl und Boden mit den ebenen charakteristischen Erdwiderstandsspannungen eph,k vor dem Pfahl nach DIN 1054 gefordert ist. Eine verschiebungsabhängige Mobilisierungsbetrachtung zu eph,k ist in DIN 1054 nicht vorgegeben. Die Erdwiderstandsspannungen eph,k werden hier nur als maximale Begrenzung der Normalspannung Vh,k eingeführt. Durch die Reduzierung auf den rechnerisch ebenen Erdwiderstand sind dabei je nach Inanspruchnahme über die Tiefe (räumlicher Erdwiderstand) Sicherheitsreserven gegeben. Der Nachweis bezieht sich in erster Linie auf Berechnungen mit dem Näherungsansatz ks,k = Es,k / D

(6.5)

nach 5.8 für die Schnittkraftermittlung. Wenn Pfahlprobebelastungen zugrunde liegen, sollten realitätsnahe, gegebenenfalls nichtlineare Bettungsmodulgrößen und Verteilungen für den Bodenwiderstand abhängig von den Belastungsbereichen aus den Ergebnissen der Probebelastungen abgeleitet werden. – Nachweis, dass der seitliche Bodenwiderstand Bh,d nicht größer angesetzt worden ist, als es der Bemessungswert des räumlichen Erdwiderstandes E rph,d für den entsprechenden Teil der Einbindetiefe bis zum Drehpunkt zulässt. Bh,d d E rph,d

(6.6)

– Nachweis der Sicherheit gegen Materialversagen. 119

(2) Anhang B9 enthält ein Beispiel zur Ermittlung der charakteristischen Beanspruchung und Bemessung eines quer zur Pfahlachse belasteten Einzelpfahles. (3) Beim Nachweis der Tragfähigkeit von kurzen Einzelpfählen im Grenzzustand GZ 1B ist wie folgt vorzugehen: – Mit vorgeschätzter Pfahllänge und charakteristischen Größen sind unter Verwendung der Gleichgewichtsbedingungen die sich ergebenden charakteristischen Auflagerkräfte und charakteristischen Schnittgrößen zu ermitteln. – Die charakteristischen Auflagerkräfte im Boden sind durch Multiplikation mit den Teilsicherheitsbeiwerten für Einwirkungen nach DIN 1054:2005-01, Tabelle 2 (siehe Anhang A2), in Bemessungskräfte umzuwandeln und den Bemessungswerten der räumlichen Erdwiderstandskräfte gegenüberzustellen. Dabei dürfen Verfahren verwendet werden, die das Tragverhalten der kurzen, nahezu starren Pfähle abbilden, z. B. das Verfahren nach [118]. Die endgültige Pfahllänge ist hierbei iterativ zu bestimmen. – Für den Nachweis der Sicherheit gegen Materialversagen nach 6.2.3 sind die charakteristischen Schnittgrößen durch Multiplikation mit den Teilsicherheitsbeiwerten für Einwirkungen nach DIN 1054:2005-01, Tabelle 2 (siehe Anhang A2), in Bemessungswerte umzuwandeln. (4) Bei wiederholten zyklischen Einwirkungen siehe 5.9.3. Dabei kann es zweckmäßig sein, Anpassungsfaktoren zur Berücksichtigung dieses Verhaltens oder erhöhte Teilsicherheitsbeiwerte in Abstimmung mit dem geotechnischen Sachverständigen festzulegen. (5) Bei dynamischen und stoßartigen Einwirkungen siehe 5.9.4. 6.2.3

Materialversagen von Pfählen

(1) Für alle Pfähle ist nach den bauartspezifischen Regeln die Sicherheit gegen Materialversagen nachzuweisen: E d ≤ R M,d

(6.7)

(2) Die maßgebenden Bemessungswerte Ed der Beanspruchungen sind entsprechend den Angaben in Kapitel 4 und 6.2.1 bzw. 6.2.2 zu ermitteln. (3) Für die Ermittlung der Bemessungswerte RM,d der Bauteilwiderstände sind die in den jeweiligen Bauartnormen angegebenen Materialkenngrößen maßgebend. 6.3

Nachweis der Gebrauchstauglichkeit

(1) Ergibt eine entsprechende Prüfung, dass die Verformungen der Pfahlgründung für das Gesamttragwerk von Bedeutung sind, dann ist eine ausreichende Sicherheit gegen Verlust der Gebrauchstauglichkeit (GZ 2) nachzuweisen. Der Nachweis ist erbracht, wenn die Bedingung 120

E 2,d = E 2,k ≤ R 2,d = R 2,k

(6.8)

erfüllt ist. Der Nachweis darf auch über aus der Tragwerksplanung vorzugebende zulässige Setzungen zul s2,k unter charakteristischen Beanspruchungen der Pfahlgründung im Gebrauchszustand wie folgt geführt werden: vorh s2,k ≤ zul s2,k

(6.9)

Anmerkung: Bei Verwendung von Pfahlsystemen, die im Gebrauchslastbereich nur geringe Setzungen aufweisen, kann der Gebrauchstauglichkeitsnachweis pauschal durch den Nachweis der Tragfähigkeit mit abgedeckt werden, s. a. 5.2.3 (3). (2) Bei der Vorgehensweise nach (1) wird zunächst vorausgesetzt, dass bei einer Pfahlgründung für ein Gesamttragwerk ein Einzelpfahltragverhalten vorliegt und damit eine zusätzliche Beeinflussung des Pfahltragverhaltens durch Gruppenwirkung vernachlässigt werden kann. Unabhängig davon kann es aber auch bei vorausgesetztem Einzelpfahltragverhalten zu Setzungsdifferenzen 's2,k zwischen den Pfählen innerhalb der Pfahlgründung für ein Gesamttragwerk infolge von Baugrundinhomogenitäten und/oder Pfahlherstellungseinflüssen kommen. Nach DIN 1054:2005-01 und Bild 6.1 ist dabei zu unterscheiden zwischen zu erwartenden – geringen Setzungsdifferenzen und – erheblichen Setzungsdifferenzen. (3) Sind nur geringe Setzungsdifferenzen zwischen den Einzelpfählen innerhalb eines Bauwerks zu erwarten, dann ist der charakteristische Pfahlwiderstand R2,k

Bild 6.1 Ableitung der Widerstände von Einzelpfählen R2,k im Gebrauchszustand aus einer charakteristischen Widerstands-Setzungs-Linie nach DIN 1054:2005-01; (a) bei zu erwartenden geringen Setzungsdifferenzen zwischen den Einzelpfählen, (b) bei zu erwartenden erheblichen Setzungsdifferenzen zwischen den Einzelpfählen

121

unter Vorgabe einer zulässigen charakteristischen Setzung s2,k nach Bild 6.1a aufgrund einer Bewertung der Pfahlprobebelastungsergebnisse nach 5.2 und 5.3 oder aufgrund von Erfahrungswerten nach 5.4 abzuleiten. Dabei dürfen zur Berücksichtigung der Boden-Gründungs-Bauwerks-Wechselwirkung für die Pfähle Federkonstanten aus der Sekante an die charakteristische WSL bzw. WHL oder aus Erfahrungswerten abgeleitet werden. (4) Sind erhebliche Setzungsdifferenzen zwischen den Einzelpfählen innerhalb eines Bauwerks zu erwarten, dann ist nach DIN 1054:2005-01 zunächst für den Einzelpfahl wie unter (3) vorzugehen. Im Bereich des sich daraus ergebenden Pfahlwiderstandes R2,k sind mit Gl. (6.10) Δs2,k = κ ⋅ s2,k

(6.10)

mögliche obere Grenzwerte s2,kmax und untere Grenzwerte s2,kmin der Setzungen s2,k nach Bild 6.1b zu ermitteln. Der Faktor N ist abhängig von der Pfahlherstellung, der Baugrundschichtung und der Stellung der Pfähle innerhalb der Gründung des Bauwerkes und sollte in Abstimmung mit dem Sachverständigen für Geotechnik festgelegt werden. (5) Bei Pfahlgruppen kann das Pfahltragverhalten der Pfähle in der Gruppe noch zusätzlich durch die Gruppenwirkung beeinflusst werden, siehe hierzu Kapitel 8. (6) Aus möglichen Setzungsdifferenzen nach (4) zwischen den Pfählen oder zwischen einzelnen Gruppen bzw. innerhalb einer Pfahlgruppe nach (5) für den charakteristischen Pfahlwiderstand R2,k kann sich ein Grenzzustand der Tragfähigkeit GZ 1B oder der Gebrauchstauglichkeit GZ 2 infolge von Zwangsbeanspruchungen in der Pfahlkopfplatte oder im aufgehenden Tragwerk ergeben. (7) Auch ist zu prüfen, ob die für den Gebrauchszustand der Einzelpfähle oder der Pfahlgruppen zu erwartenden Verformungen an benachbarten baulichen Anlagen, z. B. Nachbargebäuden oder Rohreinführungen, einen Grenzzustand der Tragfähigkeit GZ 1B oder der Gebrauchstauglichkeit GZ 2 hervorrufen können. (8) Die Anhänge B1 und B7 enthalten Beispiele zum Gebrauchstauglichkeitsnachweis von axial belasteten Einzelpfählen. 6.4

Pfahlgruppen und Pfahlroste

(1) Zur Berechnung von Druckpfahlgruppen, Zugpfahlgruppen und quer zur Pfahlachse belasteten Pfahlgruppen sowie deren Nachweis der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit siehe Kapitel 8. (2) Die Berechnung von Pfahlrosten ist in Kapitel 7 behandelt. (3) Beispiele zu Pfahlgruppen finden sich in den Anhängen B11 bis B13. 122

6.5

Kombinierte Pfahl-Plattengründungen

(1) Zum Tragverhalten und zur Berechnung von Kombinierten Pfahl-Plattengründungen siehe 3.1.4. (2) Die Nachweise der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit können in Anlehnung an [38] bzw. 8.3 und 8.4 geführt werden.

123

7

Berechnung von Pfahlrosten

7.1

Berechnungsmodelle und Verfahren

(1) Der klassischen Berechnung von Pfahlrosten liegt das vereinfachte statische Berechnungsmodell nach Bild 7.1 zugrunde, welches z. B. in [100] und [113] wie folgt beschrieben wird: – Die Pfähle sind im statischen Sinn Pendelstützen, die an Kopf und Fuß gelenkig gelagert sind. – Die Fußlagerung ist unverschieblich. – Die Pfähle sind als linear elastische Federn anzusetzen. – Die Nachgiebigkeit des tragenden Untergrundes geht rechnerisch in die Federkonstanten der Pfähle ein. – Die Biegesteifigkeit der Kopfplatte bzw. des Überbaus ist groß im Vergleich zur Pfahlsteifigkeit („starre“ Pfahlkopfkonstruktion). – Es erfolgt keine Einwirkung des Bodens auf die Pfähle selbst (z. B. negative Mantelreibung).

Bild 7.1 Pfahlrost: System und Randbedingungen

(2) Hinweise und die Berechnungsgleichungen zu den in (1) genannten Verfahren finden sich in [113]. (3) Die Anwendung des beschriebenen Rechnungsweges ist im Allgemeinen sehr aufwändig und umfangreich. Für Sonderfälle wie – Gründung nur auf Lotpfählen, – doppelt symmetrische Pfahlroste, – axialsymmetrische räumliche Pfahlroste etwa für turmartige Bauwerke sind jedoch in [113] einfache Gleichungen angegeben, die insbesondere für eine Handrechnung im Entwurfsstadium hilfreich sind. (4) Aufgrund der in der Praxis verbreiteten EDV-Programme werden heute Pfahlroste zunehmend nach Stabwerksverfahren mit ungebetteten oder gebetteten Stäben berechnet. 125

7.2

Nichtlineares Pfahltragverhalten in der Pfahlrostberechnung

(1) Bei Pfahlrostsystemen mit unterschiedlich stark ausgenutzten Pfählen (Pfahlsysteme, die in Geometrie und/oder Belastung unsymmetrisch sind) kann durch Berücksichtigung des nichtlinearen Pfahltragverhaltens eine in vielen Fällen größere Tragfähigkeit der Gründung nachgewiesen werden. (2) Hinweise zur Berücksichtigung der Nichtlinearität der Widerstands-Setzungslinie der Pfähle bei Pfahlrostberechnungen finden sich z. B. in [7]. (3) Aus Vergleichsberechnungen, z. B. [98], kann zusammenfassend zum Einfluss der Nichtlinearität der Widerstands-Setzungslinie von Pfählen bei der Berechnung von Pfahlrosten davon ausgegangen werden, dass es bei druckbeanspruchten Pfählen i. d. R. zu einer Reduzierung der Maximalwerte – der Pfahlkräfte und – ggf. je nach Laststellung der Schnittgrößen in der Pfahlkopfplatte kommt.

126

8

Berechnung und Nachweise von Pfahlgruppen

8.1

Einwirkungen und Beanspruchungen

8.1.1

Druckpfahlgruppen

(1) Die Einwirkungen auf Pfahlgruppen entsprechen den Einwirkungen auf Einzelpfähle nach Kapitel 4. Allerdings ist im Regelfall zu erwarten, dass sich die Gesamteinwirkung auf eine Pfahlgruppe ungleichmäßig auf die einzelnen Gruppenpfähle verteilt. (2) Die Beanspruchung, die der einzelne Gruppenpfahl erfährt, entspricht dem aktivierten Pfahlwiderstand, z. B. nach 8.2.1. (3) Die aus der Verteilung der Pfahlwiderstände hervorgerufenen Beanspruchungen der Pfahlkopfplatte sind zu berücksichtigen. Dazu sollten die auf die Pfahlkopfplatte wirkenden Kräfte infolge der Pfahlwiderstände und die damit verbundenen Setzungen bekannt sein, die der Bemessung der Pfahlkopfplatte dienen. Dies kann mit Federsteifigkeiten ci für jeden Gruppenpfahl erfolgen. 8.1.2

Zugpfahlgruppen

(1) Bei der Bestimmung der Einwirkungen auf eine Zugpfahlgruppe sind grundsätzlich zwei Nachweisführungen zu unterscheiden, in denen zum einen das Herausziehen des Einzelpfahles im Grenzzustand GZ 1B und zum anderen das Abheben der gesamten Pfahlgruppe als Bodenblock im Grenzzustand GZ 1A betrachtet wird, s. auch 8.3.2. (2) Wenn die Pfähle ausschließlich auf Zug beansprucht werden, ergibt sich der für den Nachweis der Sicherheit gegen Herausziehen benötigte Bemessungswert der Beanspruchungen analog zu Kapitel 4 für Einzelpfähle. Wenn bei ungünstigster Kombination von gleichzeitig wirkenden Druck- und Zugkräften die charakteristischen Zugkräfte überwiegen, ist der Bemessungswert E1Z,d der Zugbeanspruchung aus dem Ansatz E1,d = E1Z,d = E1GZ,k · JG + E1QZ,k · JQ – E1GD,k · JG,inf

(8.1)

zu ermitteln. Dabei sind: E1GZ,k JG E1QZ,k

der charakteristische Wert der Zugbeanspruchung infolge von ständigen Einwirkungen; der Teilsicherheitsbeiwert für ständige Beanspruchungen im Grenzzustand GZ 1B; der charakteristische Wert der Zugbeanspruchung infolge von möglichen ungünstigen veränderlichen Einwirkungen; 127

JQ E1GD,k JG,inf

der Teilsicherheitsbeiwert für ungünstige veränderliche Beanspruchungen im Grenzzustand GZ 1B; der charakteristische Wert einer gleichzeitig wirkenden Druckbeanspruchung infolge von ständigen Einwirkungen; der Teilsicherheitsbeiwert JG,inf = 1,00 für günstige ständige Druckbeanspruchungen im Grenzzustand GZ 1B.

(3) Beim Nachweis der Sicherheit gegen Herausziehen der Pfähle im Grenzzustand GZ 1B wirken die Scherkräfte FS,k am aufgehenden Bauwerk entsprechend dem Ansatz E1,d = E1Z,d = E1GZ,k · JG + E1QZ,k · JQ – (E1GD,k + FS,k) · JG,inf

(8.2)

und sind für die Ermittlung des Bemessungswertes der Zugbeanspruchungen als günstige ständige Druckbeanspruchung zu behandeln. Weitere Hinweise zur Berücksichtigung von Scherkräften FS,k siehe (7) und (8). (4) Wirkt an der Unterfläche des Gründungskörpers oder des Bauwerkes eine hydrostatische Auftriebskraft A1GZ,k, so erfolgt die Bestimmung des Bemessungswertes der Beanspruchung E1,d für den Nachweis der Sicherheit gegen Herausziehen der Pfähle im Grenzzustand GZ 1B unter dem Ansatz: E1,d = E1Z,d = A1GZ,k · JG + E1QZ,k · JQ – E1GD,k · JG,inf

(8.3)

(5) Für den Nachweis des angehängten Bodenkörpers im Grenzzustand GZ 1A nach 8.3.2.2 darf die Geometrie und damit die Gewichtskraft GE,k eines z. B. durch Zugpfahlelemente angehängten Bodenkörpers nach dem Ansatz ⎡ 1 ⎛ ⎞⎤ G E,k = n G ⋅ ⎢ la ⋅ l b ⎜ L − ⋅ la 2 + l b 2 ⋅ cot ϕ ⎟ ⎥ ⋅ η ⋅ γ ⎝ ⎠⎦ 3 ⎣

(8.4)

ermittelt werden. Dabei ist neben den bereits definierten Größen: GE,k die charakteristische Gewichtskraft des angehängten Bodens; nG Anzahl gleicher Zugelemente einer Zugpfahlgruppe; L die Länge der Zugelemente; la das größere Rastermaß; lb das kleinere Rastermaß; J die maßgebliche Wichte des angehängten Bodenkörpers; K der Anpassungsfaktor; K = 0,80. Zum zugehörigen geometrischen Modell siehe Bild 8.1. Es gilt auch für Randpfähle. Gegebenenfalls ist die Wichte J ganz oder teilweise durch die Wichte Jc des unter Auftrieb stehenden Bodens zu ersetzen. 128

Bild 8.1 Geometrie des an einem Einzelpfahl angehängten Bodens

(6) Die Geometrie des um einen Pfahl angehängten Bodenkörpers nach Gl. (8.4) wurde in Anlehnung an die in [88] dargestellten Zusammenhänge abgeleitet. Bei sehr großem Pfahlrasterabstand ist die Formel allerdings nicht mehr anwendbar. Für diesen Fall ist der Nachweis nach 8.3.2.3 für den Einzelpfahl maßgebend. (7) Nach DIN 1054:2005-01 und [22] dürfen Scherkräfte Fs,k zusammen mit anderen günstigen Einwirkungen am aufgehenden Bauwerk oder an der Baugrubenwand einer unter Auftrieb stehenden pfahlverankerten Baugrubensohle berücksichtigt werden. Dabei muss sichergestellt sein, dass – die Krafteinleitung von der Wand in die Sohle durch eine geeignete Konstruktion sichergestellt ist und – die Sohle in der Lage ist, die eingeleitete Kraft gleichmäßig über die Fläche zu verteilen. (8) Bei einer unter Auftrieb stehenden pfahlverankerten Baugrube sollten Scherkräfte an der Baugrubenwand nur in einem schmalen Randstreifen berücksichtigt werden. Andernfalls ist die Lastverteilung über die Betonsohle unter Berücksichtigung der Steifigkeit der Sohle und der Pfähle nachzuweisen. (9) Ein Berechnungsbeispiel für eine Zugpfahlgruppe findet sich in Anhang B12. 8.1.3

Quer zur Pfahlachse belastete Pfahlgruppen

(1) Die Empfehlungen in 8.2.3 für quer zur Pfahlachse belastete Pfahlgruppen beziehen sich auf Gruppen, die durch Einwirkungen in Form von Gründungslasten aus einem aufliegenden Tragwerk belastet werden. Die Einwirkungen greifen an der Pfahlkopfplatte oder oberhalb von ihr an. Grundbauspezifische Einwirkungen wie z. B. Seitendruck (siehe 4.5), sind hier nicht berücksichtigt.

129

8.2

Tragverhalten und Widerstände von Pfahlgruppen

8.2.1

Druckpfahlgruppen

8.2.1.1 Allgemeines (1) In Pfahlgruppen beteiligen sich i. d. R. die einzelnen Pfähle in unterschiedlichem Maße an der Aufnahme der auf die Pfahlgruppe wirkenden Einwirkungen. Eine mögliche Verschlechterung im Tragverhalten gegenüber dem unbeeinflussten Einzelpfahl infolge Gruppenwirkung ist zu berücksichtigen, sofern eine maßgebliche Gruppenwirkung vorliegt. (2) Zum Tragverhalten von Gruppen fehlen besonders für die verschiedensten Untergrundverhältnisse und Pfahlarten noch weitergehende Kenntnisse. (3) DIN 1054 empfiehlt zur Berücksichtigung der Pfahlgruppenwirkung im Gebrauchszustand die Modellvorstellung einer tiefergelegten Flachgründung, was aber nur bei überwiegend auf Spitzenwiderstand tragenden Pfählen zutreffend ist. (4) Zur Ermittlung der i. Allg. oftmals erhöhten Setzungen der Gruppe im Gebrauchszustand, besonders bei langen Bohrpfählen gegenüber dem Einzelpfahl, kann die setzungsbezogene Gruppenwirkung z. B. auch nach der Näherungslösung von [92], siehe auch [63, 87], ermittelt werden. (5) Im Folgenden wird ein Näherungsverfahren nach [98] bzw. [99] mit Nomogrammen zur Anwendung empfohlen, welches auf der Grundlage von umfangreichen 3D-FEM-Parameterstudien abgeleitet wurde und das setzungsbezogene und widerstandsbezogene Pfahlgruppenverhalten berücksichtigt. Das Verfahren sollte bevorzugt für das Setzungsverhalten und für die Nachweisführung im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit für Pfahlgruppen verwendet werden. Des Weiteren eignet sich das Verfahren auch für die Ableitung von pfahlpositionsabhängigen charakteristischen Federsteifigkeiten in der Pfahlgruppe als Grundlage für die Ermittlung der charakteristischen Beanspruchung in der Pfahlkopfplatte bzw. aufgehenden Konstruktion und deren Materialnachweise, siehe 8.3.1.2. Ob bei der projektbezogenen Anwendung die Grundlagen des Verfahrens eingehalten sind, sollte durch einen Sachverständigen für Geotechnik bzw. durch den geotechnischen Fachplaner im Einzelfall bestätigt werden. (6) Für die Anwendung des Verfahrens nach (5) finden sich im Anhang B11 Beispiele. 8.2.1.2 Gruppenwirkung bezogen auf die Setzungen von Bohrpfahlgruppen (1) Die mittlere Setzung sG einer Bohrpfahlgruppe entspricht der mit dem Gruppenfaktor Gs belegten Setzung eines Einzelpfahles infolge der mittleren Einwirkung FG auf die Gruppenpfähle. 130

sG = s E ⋅ G s

(8.5)

mit: sG mittlere Setzung einer Pfahlgruppe; sE Setzung eines vergleichbaren Einzelpfahles; Gs setzungsbezogener Gruppenfaktor für die mittlere Setzung einer Pfahlgruppe. (2) Der setzungsbezogene Gruppenfaktor Gs für die Ermittlung der mittleren Setzung einer Pfahlgruppe unter einer zentrisch angreifenden vertikalen Gesamteinwirkung ergibt sich zu: G s = S1 ⋅ S2 ⋅ S3

(8.6)

mit: S1 Einflussfaktor Bodenart, Gruppengeometrie (Pfahllänge L, Pfahleinbindetiefe in den tragfähigen Boden d, Pfahlachsabstand a nach den Bildern 8.2 und 8.3; S2 Einflussfaktor Gruppengröße nach den Bildern 8.4 bis 8.6; S3 Einflussfaktor Pfahlart (für die Gruppenwirkung bei Verdrängungspfählen und Verpresspfählen, siehe 8.2.1.4 und 8.2.1.5). (3) Die Nomogramme nach den Bildern 8.2 bis 8.6 zur Bestimmung der setzungsbezogenen Gruppenwirkung werden für bindige und nichtbindige Böden unterschieden. Der Steifemodul, als für dieses Verfahren wesentlicher Boden-

Bild 8.2 Nomogramme zur Bestimmung der mittleren Setzung einer Bohrpfahlgruppe bei (a) bindigen Böden, bindig (I) für Es = 5–15 MN/m2; (b) bindigen Böden, bindig (II) für Es = 15–30 MN/m2

131

Bild 8.3 Nomogramm zur Bestimmung der mittleren Setzung einer Bohrpfahlgruppe bei nichtbindigen Böden für Es t 25 MN/m2

parameter, wurde diesen Böden näherungsweise dabei folgendermaßen zugeordnet (Anwendungsgrenzen): – bindig I: Es = 5 y 15 MN/m2 – bindig II: Es = 15 y 30 MN/m2 – nichtbindig: Es t 25 MN/m2 Böden mit einem Steifemodul Es < 3 MN/m2 werden bei diesem Verfahren als nichttragfähige Schichten angesehen, in denen kein nennenswerter Pfahlwiderstand aktiviert wird. Anmerkung: Sofern bei bindigen oder nichtbindigen Böden andere Steifemoduln vorhanden sind, darf näherungsweise unabhängig von der Bodenart die entsprechende Steifemodul-Gruppe gewählt werden. (4) Es wird eine als nahezu starr anzusehende Pfahlkopfplatte bzw. aufgehende Konstruktion angenommen, d. h. die Setzungsdifferenzen innerhalb der Pfahlgruppe sind für das Tragverhalten vernachlässigbar. (5) Das dargestellte Nomogrammverfahren bezieht sich zunächst auf quadratische Bohrpfahlgruppen. Es kann aber näherungsweise auch auf nicht quadratische regelmäßige Pfahlgruppen übertragen werden. Dabei wird wie bei quadratischen Gruppen die Anzahl der Pfähle der Gruppe nG auch bei nicht quadratischen Gruppen näherungsweise als Eingangsgröße für die Nomogramme nach den Bildern 8.4 bis 8.6 angesetzt.

132

Bild 8.4 Nomogramme zur Berücksichtigung des Einflusses der Gruppengröße zur Bestimmung der mittleren Setzung einer Pfahlgruppe bei bindigen Böden, bindig (I) für Es = 5–15 MN/m2

133

Bild 8.5 Nomogramme zur Berücksichtigung des Einflusses der Gruppengröße zur Bestimmung der mittleren Setzung einer Pfahlgruppe bei bindigen Böden, bindig (II) für Es = 15–30 MN/m2

Folgende Abkürzungen werden verwendet: a d D FG L RE,s = 0,1 · D sE sG nG 134

Pfahlachsabstand in einer Gruppe; Pfahleinbindetiefe in die tragfähigen Schichten; Pfahldurchmesser; Vertikale Einwirkung auf die gesamte Pfahlgruppe; Pfahllänge; Pfahlwiderstand eines Einzelpfahles bei einer Setzung von s = 0,1 · D; Setzung eines Einzelpfahles; mittlere Setzung einer Pfahlgruppe; Pfahlanzahl in einer Pfahlgruppe.

Bild 8.5 (Fortsetzung)

(6) Die Nomogramme wurden auf Grundlage von Untersuchungen und Parameterstudien mit der Methode der Finiten Elemente, siehe [98], an Pfählen mit einem Durchmesser von D = 0,3 bis 1,50 m und Pfahllängen von L = 9 bis 24 m aufgestellt. Sie sollten daher nur auf ähnliche Geometrien angewendet werden. Das Maß der Pfahlabstände ist dabei beliebig, wobei die Anwendung auf a /D t 2 begrenzt sein sollte. (7) Nach 8.2.1.3 (6) sollten die ermittelten Setzungen ggf. nochmals angepasst werden, wenn die Summe der Pfahlkräfte der Gruppe mit der Gesamteinwirkung auf die Pfahlgruppe nicht übereinstimmt.

135

Bild 8.6 Nomogramme zur Berücksichtigung des Einflusses der Gruppengröße zur Bestimmung der mittleren Setzung einer Pfahlgruppe bei nichtbindigen Böden für Es t 25 MN/m2

(8) Eine Momenteneinwirkung bewirkt im Wesentlichen eine Verdrehung der Pfahlgründung, die nach Gl. (8.7) berücksichtigt werden kann. Der Faktor KM ist ein Maß für die Größe der Momenteneinwirkung im Verhältnis zur Vertikaleinwirkung und berücksichtigt gleichzeitig die Gruppengeometrie über die Pfahlanzahl und den Pfahlabstand. Es gilt ηM = 136

M ⋅ nG FG ⋅ n ⋅ a

(8.7)

Bild 8.6 (Fortsetzung)

Dabei sind: KM M nG FG n a

Faktor für die relative Größe der Momenteneinwirkung; Momenteneinwirkung; Anzahl der Pfähle in der Gruppe, mit nG = n · n; vertikale Gesamteinwirkung auf die Pfahlgruppe; Anzahl der Pfähle in einer Pfahlreihe; Pfahlachsabstand.

Über die Verdrehung tan G der Pfahlkopfplatte nach Bild 8.7 können die zusätzlichen Setzungen infolge der Momenteneinwirkung für alle Gruppenpfähle ermittelt werden. 137

Bild 8.7 Nomogramme zur Bestimmung der Verdrehung der Pfahlkopfplatte infolge Momenteneinwirkungen bei (a) bindigen Böden (I) für Es = 5–15 MN/m2, (b) bindigen Böden (II) für Es = 15–30 MN/m2, (c) nichtbindigen Böden für Es t 25 MN/m2

(9) Verdrängungspfahlgruppen weisen i. d. R. ein abweichendes Setzungsverhalten gegenüber Bohrpfahlgruppen auf. Aufgrund der Vorbelastung der Gruppenpfähle z. B. durch die Rammenergie bei gerammten Verdrängungspfählen und durch den Verspannungseffekt zwischen den Pfählen ist bei Verdrängungspfahlgruppen zumindest im Bereich des Gebrauchszustands mit geringeren Setzungen gegenüber Bohrpfahlgruppen zu rechnen, siehe 8.2.1.4. 8.2.1.3 Widerstände der (gebohrten) Gruppenpfähle (1) Die Pfahlwiderstände von einzelnen Bohrpfählen in einer Gruppe unter Berücksichtigung der Gruppenwirkung ergeben sich aus dem mit dem Gruppenfaktor belegten Pfahlwiderstand eines Einzelpfahles bei einer Setzung gleich der mittleren Setzung der Pfahlgruppe. 138

R G,i = R E ⋅ G R,i

(8.8)

mit: RG,i Gruppenpfahlwiderstand (i-ter Pfahl); RE Pfahlwiderstand eines vergleichbaren Einzelpfahles; GR,i widerstandsbezogener Gruppenfaktor für den i-ten Pfahl einer Gruppe. (2) Der Gruppenfaktor GR,i für die Ermittlung der Widerstände von Gruppenpfählen unter einer zentrisch angreifenden vertikalen Gesamteinwirkung ergibt sich zu: G R,i = λ1 ⋅ λ 2 ⋅ λ3

(8.9)

mit: O1 Einflussfaktor Bodenart, Gruppengeometrie (Pfahllänge L, Einbindetiefe in die tragfähige Schicht d, Pfahlachsabstand a, betrachtete Setzung s nach den Bildern 8.8 bis 8.10; O2 Einflussfaktor Gruppengröße nach Bild 8.11; O3 Einflussfaktor Pfahlart (für die Gruppenwirkung bei Verdrängungspfählen und Verpresspfählen siehe 8.2.1.4 und 8.2.1.5). (3) Für die Anwendung der Nomogramme nach den Bildern 8.8 bis 8.11 gilt ebenfalls 8.2.1.2 (3) bis (6). (4) Als Eckpfähle werden nur die vier Pfähle an den Ecken der Pfahlgründung verstanden. Randpfähle sind die Pfähle, die in den jeweils äußeren Reihen zwischen den Eckpfählen angeordnet sind. Innenpfähle sind alle Pfähle, die von allen Seiten von Nachbarpfählen umgeben sind. Auch bei größeren Pfahlgruppen bleibt die Definition der Eck- und Randpfähle näherungsweise erhalten und wird nicht auf mehrere Reihen erweitert, siehe 3.1.3, Bild 3.2. (5) Die Anwendung der Nomogramme nach den Bildern 8.8 bis 8.10 sollte zunächst auf Pfahlgruppen mit einer maximalen Pfahlanzahl von 9 Pfählen je Seite beschränkt bleiben. (6) Weicht die Summe aller Pfahlwiderstände in der Gruppe vom Wert der Gesamteinwirkung auf die Gruppe maßgeblich ab, so empfiehlt es sich, das Maß der unter 8.2.1.2 bestimmten Setzung iterativ zu korrigieren. Werden die Pfahlwiderstände unterschätzt, so ist die Setzung zu erhöhen, werden die Pfahlwiderstände überschätzt, so ist die Setzung zu verringern. (7) Für quadratische Pfahlgruppen mit 3 u 3 und 4 u 4 Pfählen gibt Bild 8.11 den Einflussfaktor O2 für die Berücksichtigung der Gruppengröße bei Innenpfählen an. Kleinere Pfahlgruppen weisen definitionsgemäß nach (4) keine Innenpfähle auf. Bei Pfahlgruppen mit 5 und mehr Pfählen je Seite soll der Einflussfaktor mit O2 = 1,0 angenommen werden. (8) Bei nicht quadratischen Pfahlgruppen ist die Anzahl der Pfähle auf der längeren Seite als Eingangsgröße für Bild 8.11 anzusetzen. 139

Bild 8.8 Nomogramme zur Berücksichtigung der widerstandsbezogenen Gruppenwirkung bei Bohrpfahlgruppen in bindigen Böden (I) für Es = 5–15 MN/m2 bei einer bezogenen Setzung von (a) s = 0,02 · D, (b) s = 0,03 · D, (c) s = 0,05 · D, (d) s = 0,1 · D

140

Bild 8.9 Nomogramme zur Berücksichtigung der Gruppenwirkung bei Bohrpfahlgruppen in bindigen Böden (II) für Es = 15–30 MN/m2 bei einer bezogenen Setzung von (a) s = 0,02 · D, (b) s = 0,03 · D, (c) s = 0,05 · D, (d) s = 0,1 · D

141

Bild 8.10 Nomogramme zur Berücksichtigung der Gruppenwirkung bei Bohrpfahlgruppen in nichtbindigen Böden für Es t 25 MN/m2 bei einer bezogenen Setzung von (a) s = 0,02 · D, (b) s = 0,03 · D, (c) s = 0,05 · D, (d) s = 0,1 · D

142

Bild 8.11 Nomogramme über den Einfluss der Gruppengröße auf die Gruppenwirkung bei (a) bindigen Böden (I) für Es = 5–15 MN/m2, (b) bindigen Böden (II) für Es = 15–30 MN/m2, (c) nichtbindigen Böden für Es t 25 MN/m2

8.2.1.4 Verdrängungspfahlgruppen (1) Zum Tragverhalten von Verdrängungspfahlgruppen liegen noch wenig abgesicherte Erkenntnisse vor. Nachfolgend sind dazu erste tendenzielle Angaben gemacht. Projektbezogene Anwendungen sollten durch einen Sachverständigen für Geotechnik bestätigt werden. (2) Im Grenzzustand der Tragfähigkeit kann bei Vollverdrängungspfahlgruppen in nichtbindigen Böden ein Gruppenfaktor von GR t 1,0 angenommen werden. Für günstige Pfahlabstand-Einbindetiefeverhältnisse von a/d = 0,3 y 0,7 können Gruppenfaktoren bis zu GR = 1,50 auftreten. (3) Im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit sollte bei Vollverdrängungspfahlgruppen in nichtbindigen Böden der Gruppenfaktor bei ungünstigen Pfahlabstand143

Einbindetiefe-Verhältnissen mit GR < 1,0 angenommen werden. Als ungünstig können hier Werte von a /d d 0,5 eingestuft werden. Bei günstigen PfahlabstandEinbindetiefe-Verhältnissen kann der Gruppenfaktor auch bei GR t 1,0 liegen. (4) Für Vollverdrängungspfahlgruppen in bindigen Böden sollte ein Gruppenfaktor von GR d 1,0 angenommen werden. Dieser könnte bei kleinen PfahlabstandEinbindetiefe-Verhältnissen im Bereich von a /d = 0,1 mit GR = 0,7 angesetzt werden. Bindige Böden mit einer höheren Kohäsion des undränierten Bodens von cu t 100 kN/m2 können ein günstigeres Tragverhalten zeigen, bei dem der Gruppenfaktor ggf. GR = 1,0 beträgt. (5) Bei Verdrängungspfahlgruppen in bindigen Böden muss die Möglichkeit einer Reduzierung der Tragfähigkeit infolge Porenwasserdruckerhöhungen durch den Einbringvorgang berücksichtigt werden, die einen vorübergehenden Gruppenfaktor bis zu GR = 0,4 hervorrufen kann. Dieser Effekt kann unter Umständen mehrere Wochen andauern. (6) Für die Punkte (1) bis (4) gilt generell, dass mit steigendem PfahlabstandEinbindetiefe-Verhältnis der Gruppenfaktor gegen GR = 1,0 tendiert. (7) Teilverdrängungspfahlgruppen können einen geringeren Gruppenfaktor als Vollverdrängungspfähle aufweisen. (8) Insgesamt kann davon ausgegangen werden, dass Verdrängungspfahlgruppen i. d. R. ein abweichendes Setzungsverhalten gegenüber Bohrpfahlgruppen aufweisen. Aufgrund der Vorbelastung der Pfahlgruppe, z. B. durch die Rammenergie bei gerammten Verdrängungspfählen und durch den Verspannungseffekt zwischen den Pfählen, ist bei Verdrängungspfahlgruppen zumindest im Bereich der Gebrauchstauglichkeit mit geringeren Setzungen gegenüber Bohrpfahlgruppen zu rechnen. 8.2.1.5 Mikropfahlgruppen (1) Zum Gruppentragverhalten von verpressten Mikropfahlgruppen liegen noch wenig abgesicherte Erkenntnisse vor. In Anlehnung an die Zugversuche mit Mikropfahlgruppen nach [89] sollten für Mikropfahlgruppen zunächst keine günstigeren Gruppenfaktoren als die für Bohrpfahlgruppen nach 8.2.1.3 angenommen werden. Für den konkreten Anwendungsfall sollten die angesetzten Gruppenfaktoren durch einen Sachverständigen für Geotechnik bestätigt werden. (2) Ebenfalls ist zu beachten, dass bei Mikropfählen i. d. R. der Bruchzustand bereits bei wesentlich geringeren Setzungen als bei Bohrpfählen erreicht wird. 8.2.1.6 Geschichteter Baugrund (1) Bindet eine Pfahlgruppe in einen Baugrund mit mehreren nach 8.2.1.2 (3) als tragfähig einzustufenden Bodenschichten ein, so darf der Anteil des Pfahlwiderstandes abgeschätzt werden, der in der jeweiligen Schicht aktiviert wird und es kann entsprechend (2) bis (5) vorgegangen werden. 144

(2) Weist eine Bodenschicht wesentlich größere Tragfähigkeit als die übrigen Schichten auf und es ist zu erwarten, dass in dieser Schicht der maßgebliche Anteil am Pfahlwiderstand aktiviert wird, so ist die Schichtdicke dieser Bodenschicht alleine für die Bildung des Pfahlabstand-Einbindetiefe-Verhältnisses a /d anzusetzen. Entsprechend sind die Nomogramme für die Bodenart dieser Schicht zu verwenden. (3) Ist die Schichtdicke der tragfähigsten Schicht wesentlich geringer als die Dicke anderer Schichten, so dass nicht zu erwarten ist, dass in dieser Schicht der wesentliche Anteil des Pfahlwiderstandes aktiviert wird, so sind die Nomogramme für die Bodenart der mächtigsten Schicht zu verwenden. Als Einbindelänge in die tragfähige Schicht sind allerdings alle Dicken tragfähiger Schichten aufzusummieren. (4) Sind die Schichtdicken und Bodenkenngrößen derart, dass zu erwarten ist, dass etwa gleiche Pfahlwiderstandsanteile in jeder Schicht aktiviert werden, so sind die Nomogramme für die Bodenart jeder einzelnen Schicht anzuwenden, und aus den abgeleiteten Gruppenfaktoren ist der Mittelwert zu bilden. Als Einbindelänge in die tragfähige Schicht sind alle Dicken tragfähiger Schichten mit anzusetzen. (5) Ein Beispiel enthält Anhang B11. 8.2.2

Zugpfahlgruppen

(1) Die Nachweise gegen Abheben einer Zugpfahlgruppe werden im Grenzzustand GZ 1A geführt. Dabei treten keine Widerstände auf, sondern die widerstehenden Größen werden als Einwirkungen behandelt, siehe 8.1.2. (2) Der Nachweis einer ausreichenden Sicherheit gegen Herausziehen der Zugpfähle im Grenzzustand GZ 1B darf analog dem Vorgehen für Einzelpfähle erfolgen, siehe Kapitel 5 und 6. (3) Ein Berechnungsbeispiel für eine Zugpfahlgruppe findet sich in Anhang B12. 8.2.3

Quer zur Pfahlachse belastete Gruppen

(1) In Pfahlgruppen, bei denen alle Pfähle näherungsweise die gleiche waagerechte Kopfverschiebung aufweisen, beteiligen sich die einzelnen Pfähle in unterschiedlichem Maße an der Aufnahme der auf die Pfahlgruppe wirkenden Einwirkung HG. Bei doppelsymmetrischen Gruppen aus gleichen Pfählen darf die Verteilung Hi der Einwirkung auf i Gruppenpfähle aus dem Ansatz Hi αi = HG ∑ αi

(8.10) 145

berechnet werden, wobei αi = α L ⋅ α Q

(8.11)

ist. Die Faktoren DL und DQ hängen vom Pfahlabstand aL in Kraftrichtung, vom Pfahlabstand aQ quer zur Kraftrichtung sowie von der Lage des Pfahls innerhalb der Pfahlgruppe ab. Sie sind aus den Bildern 8.12 und 8.13 zu entnehmen und nach Bild 8.14 innerhalb der Pfahlgruppe anzusetzen. Das hier empfohlene Verfahren ist zurückzuführen auf Untersuchungen von [53, 103, 104]. (2) Bei der Ermittlung von Schnittgrößen und Verformungen auf der Grundlage von Bettungsmoduln entsprechen die Abminderungsfaktoren Di für einen Pfahl in der Gruppe den in (3) und (4) genannten Abminderungen der Bettungsmoduln:

Bild 8.12 Abminderungsfaktor DL für das Verhältnis Pfahlachsenabstand aL in Kraftrichtung zum Pfahlschaftdurchmesser Ds

Bild 8.13 Abminderungsfaktoren DQA und DQZ für das Verhältnis Pfahlachsenabstand aQ quer zur Kraftrichtung zu Pfahlschaftdurchmesser Ds; für aQ / Ds < 2 gelten die Bedingungen einer durchgehenden Wand, siehe z. B. DIN 4085

146

Bild 8.14 Abminderungsfaktoren Di in Abhängigkeit von der Lage des Pfahls innerhalb der Gruppe und zur Richtung der Einwirkung HG

(3) Bei linear mit der Tiefe z zunehmendem Bettungsmodul (näherungsweise anwendbar bei Bohrpfählen in normal konsolidiertem bindigem und in nichtbindigem Boden) k s,k (z) = k hE,k ⋅ z / Ds

(8.12)

gilt mit der elastischen Länge LE des Einzelpfahls: ⎛ E⋅I ⎞ LE = ⎜ ⎟ ⎝ k hE,k ⎠

0,2

für L/LE t 4: k hi,k = α1,67 ⋅ k hE,k i L/LE d 2:

k si,k = α i ⋅ k sE,k

(8.13) (8.14) (8.15)

Für Werte 4 > L/LE > 2 darf geradlinig interpoliert werden. Dabei ist: E·I khE,k khi,k L

die Biegesteifigkeit des Pfahls; der charakteristische Wert des Bettungsmoduls des Einzelpfahls in der Tiefe z = Ds; der charakteristische Wert des Bettungsmoduls des Pfahls i der Gruppe in der Tiefe z = Ds; die Länge des Pfahls.

(4) Bei über die Tiefe konstantem Bettungsmodul (als obere Grenze für Pfähle in überkonsolidiertem bindigem Boden) k s,k (z) = k s,k = const.

(8.16) 147

gilt mit der elastischen Länge LE des Einzelpfahls und dem Bettungsmodul des Einzelpfahls ksE,k ⎛ E⋅I ⎞ LE = ⎜ ⎟ ⎝ k sE,k ⋅ Ds ⎠

0,25

für L/LE t 4: k si,k = α1,33 ⋅ k sE,k i L/LE d 2:

k si,k = α i ⋅ k sE,k

(8.17)

(8.18) (8.19)

Für Werte 4 > L/LE > 2 darf geradlinig interpoliert werden. (5) Die Gl. (8.10) bis (8.19) gelten gleichermaßen für gelenkig an eine Pfahlkopfplatte angeschlossene Pfähle, wie für teilweise oder voll in eine Pfahlkopfplatte eingespannte Pfähle. (6) Da für die Biegebemessung die Längssteifigkeit der Pfähle (Pfahlwiderstand/Setzung des Pfahlkopfes) wesentlichen Einfluss haben kann, sollte die Schnittgrößenermittlung mit oberen und unteren Grenzwerten der Bettungsmoduln durchgeführt werden. (7) Bei Pfahlgruppen mit unregelmäßig verteilten Pfählen dürfen die Di-Werte unter sinngemäßer Anwendung der Bilder 8.12 und 8.13 ermittelt werden. (8) Bei Pfahlgruppen mit unterschiedlicher Biegesteifigkeit der Pfähle darf die Verteilung Hi der auf die Pfahlgruppe wirkenden Einwirkung HG auf die i Einzelpfähle näherungsweise mit den D-Werten nach den Bildern 8.12 und 8.13 sowie mit den Gl. (8.20) und (8.21) ermittelt werden. Hi Ci = HG ∑ Ci

(8.20)

ermittelt werden, wobei Ci = H 0 / y 0

(8.21)

Dabei ist: H0 eine beliebige waagerechte Einwirkung am Pfahlkopf (Einheitslast) des Einzelpfahls; y0 die dazugehörige Pfahlkopfverschiebung. Die Werte Ci sind unter Berücksichtigung des Einspanngrades bzw. der Verformungsbedingung am Pfahlkopf mit den Bettungsmoduln nach den Gl. (8.14) und (8.15) bzw. (8.18) und (8.19) zu errechnen. (9) Ein Berechnungsbeispiel für die Bettungsmodulaufteilung quer zur Pfahlachse belasteten Pfahlgruppen findet sich im Anhang B13. 148

8.3

Nachweis der Tragfähigkeit

8.3.1

Druckpfahlgruppen

8.3.1.1 Äußere Tragfähigkeit (1) Für Druckpfahlgruppen ist sowohl der Nachweis der Tragfähigkeit für die gesamte Pfahlgruppe als auch für den Einzelpfahl im Grenzzustand GZ 1B zu führen. Der Nachweis des Einzelpfahles erfolgt dabei analog zu 6.2.1. Anmerkung: Die nachfolgenden Empfehlungen zum Nachweis der Tragfähigkeit von Pfahlgruppen stellen eine modifizierte Vorgehensweise gegenüber Regelungen nach DIN 1054 (i. d. R. kein Nachweis erforderlich) dar und orientieren sich an Eurocode EC 7-1 (Pfahlgruppe näherungsweise großer Ersatzeinzelpfahl). (2) Zum Nachweis der ausreichenden Sicherheit gegen Versagen einer Druckpfahlgruppe im Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZ 1B) ist die Grenzzustandsbedingung E1,d ≤

∑ R1,d,i

(8.22a)

oder E1,d ≤ R1d,G

(8.22b)

zu erfüllen. Dabei ist ∑ R1,d,i der Gruppenwiderstand aus den positionsabhängigen Pfahlwiderständen bei s1 = 0,1 · D, z. B. nach 8.2.1. Die Gruppensetzung wird hierbei auf die Setzung s1 eines Einzelpfahles bezogen. Demgegenüber ist R1d,G der Gruppenwiderstand nach (5) und (6) für eine Abbildung der Pfahlgruppe als großer Ersatzpfahl, wobei zwar i. d. R. für den Pfahlspitzenwiderstand und die Mantelreibung die Grenzwerte qb1,k und qs,k,j des Einzelpfahles gewählt werden, diese aber zunächst in der Gruppe setzungsunabhängig eingehen, siehe (5) und (6). Der Bemessungswert der Beanspruchungen E1,d ergibt sich aus dem Ansatz: E1,d = E G,k ⋅ γ G + E Q,k ⋅ γ Q

(8.23)

(3) Die Bemessungswerte der Widerstände R1,d,i sind aus dem Ansatz R1,d,i = R1,k,i / γ P

(8.24)

zu ermitteln, wobei JP der Teilsicherheitsbeiwert nach DIN 1054:2005-01, Tabelle 3 (Anhang A3), für Pfahlwiderstände aus Erfahrungswerten ist und JP = JPc bzw. JPt, wenn Pfahlprobebelastungen zugrunde liegen. R1,k,i ergibt sich aus (4). (4) Beim Ansatz der charakteristischen Pfahlwiderstände R1,k,i ist die Gruppenwirkung zu berücksichtigen. Dazu kann für den charakteristischen Widerstand des Gruppenpfahles der mit dem Gruppenfaktor GR,i faktorisierte Widerstand RE 149

eines vergleichbaren Einzelpfahles bei gleicher Setzung angesetzt werden. Der Gruppenfaktor GR,i gibt hierbei das Maß der Gruppenwirkung an und kann nach 8.2.1.3 bestimmt werden. R1,k,i = R E ⋅ G R,i

(8.25)

(5) Als Alternative zur für die Gruppe setzungsabhängigen (s1 = 0,1 · D) Vorgehensweise nach Gl. (8.22a) in Verbindung mit (4) darf der Nachweis der Tragfähigkeit einer Pfahlgruppe auch nach (2) und (3) näherungsweise als großer Einzelpfahl setzungsunabhängig in Anlehnung an Eurocode EC 7-1 mit Gl. (8.22b) wie folgt durchgeführt werden. R1,k,G = q b1,k ⋅ ∑ A b,i +

∑ q s,k, j ⋅ A*s, j

(8.26)

Darin bedeuten: R1,k,G der charakteristische Widerstand der gesamten Pfahlgruppe im Grenzzustand GZ 1 ermittelt aus der Abbildung der Pfahlgruppe als großer Ersatzeinzelpfahl; qb1,k der charakteristische Wert des Pfahlspitzenwiderstandes im GZ 1 für den Einzelpfahl; Ab,i der Nennwert der Pfahlfußflächen der Einzelpfähle i gemäß Bild 8.15; qs,k,j der charakteristische Wert der Pfahlmantelreibung der Einzelpfähle in der Schicht j bezogen auf die Mantelfläche A*s, j des Ersatzeinzelpfahls; * As, j der Nennwert der um die Pfahlgruppe abgewickelten Mantelfläche einer als Ersatzeinzelpfahl abgebildeten Pfahlgruppe gemäß Bild 8.15.

Bild 8.15 Beispiel für den Ansatz der Widerstandsanteile einer Pfahlgruppe als großer Ersatzeinzelpfahl in der Draufsicht

(6) Die Bemessungswerte des Gruppenwiderstandes R1,d,G sind nach dem Ansatz R1,d,G = R1,k,G / γ P

(8.27)

zu ermitteln, wobei JP der Teilsicherheitsbeiwert nach DIN 1054:2005-01, Tabelle 3 (Anhang 3), für Pfahlwiderstände aus Erfahrungswerten ist und JP = JPc bzw. JPt, wenn Pfahlprobebelastungen zugrunde liegen. 150

(7) Da das Trag- und Setzungsverhalten der Pfahlgruppe im Grenzzustand der Tragfähigkeit GZ 1 nicht eindeutig zu definieren ist, darf die Nachweisform nach (2) bis (6) als maßgeblich zugrundegelegt werden, die die größte Ausnutzung der Pfahlgruppe im Grenzzustand der Tragfähigkeit ergibt, sofern der Nachweis der Gebrauchstauglichkeit nach 8.4.1 für die Pfahlgruppe einzuhalten ist. 8.3.1.2 Materialnachweise Pfahlkopfplatte (1) Bei axial belasteten Pfahlgruppen ist zu prüfen, ob die Pfahlkopfplatte oder der Überbau ausreichend bemessen sind, um ein unterschiedliches WiderstandsSetzungs-Verhalten der Gruppenpfähle auszugleichen und die Lasten dementsprechend umzulagern. Für die Ermittlung der charakteristischen Beanspruchungen als Grundlage für die Bemessung der Pfahlkopfplatte bzw. der aufgehenden Konstruktion dürfen die Pfähle im statischen Rechenmodell ersatzweise durch Federn abgebildet werden, deren Steifigkeit cp,k,i sich nach 8.4.1 ergibt zu: c p,k,i =

R 2,k,i s2,k

(8.28)

Das mit Ersatzfedersteifigkeiten nach Gl. (8.28) aufgestellte statische Rechenmodell darf nur auf charakteristische Einwirkungskombinationen angewandt werden, die auch der Ermittlung der Ersatzsteifigkeiten zu Grunde lagen. Da die Ersatzfedersteifigkeiten ein lineares Widerstands-Setzungs-Verhalten voraussetzen, sind für andere Einwirkungskombinationen neue Ersatzfedersteifigkeiten zu bestimmen. (2) Weiterhin siehe auch 8.3.3. (3) Ein Berechnungsbeispiel zum Nachweis der äußeren Tragfähigkeit einer Pfahlgruppe und der charakteristischen Beanspruchung der Pfahlkopfplatte enthält Anhang B11. 8.3.2

Zugpfahlgruppen

8.3.2.1 Allgemeines (1) Für den Nachweis der Standsicherheit von Gründungskörpern oder Bauwerken, die mit Zugpfählen im Untergrund verankert werden, sind stets zwei Grenzfälle zu untersuchen: a) Mit der Annahme, dass die Pfähle zusammen mit dem umgebenden Boden infolge der Gruppenwirkung einen geschlossenen Bodenblock bilden, ist nach 8.3.2.2 für den Grenzzustand GZ 1A eine ausreichende Sicherheit gegen Abheben nachzuweisen. b) Mit der Annahme, dass jeder Pfahl als Einzelpfahl wirkt, ist nach 8.3.2.3 für den Grenzzustand GZ 1B die ausreichende Sicherheit gegen Herausziehen nachzuweisen. 151

(2) Bei der Berücksichtigung von Scherkräften FS,k am aufgehenden Bauwerk und besonders bei einer pfahlverankerten, unter Auftrieb stehenden Baugrubensohle siehe 8.1.2 (7) und (8). (3) Ein Berechnungsbeispiel enthält Anhang B12. 8.3.2.2 Nachweis des angehängten Bodenkörpers im Grenzzustand GZ 1A (1) Um eine ausreichende Sicherheit gegen Abheben eines unter Einwirkung von Zugkräften stehenden, mit Zugpfählen verankerten Gründungskörpers oder Bauwerkes zu erreichen, ist nachzuweisen, dass für den Grenzzustand GZ 1A die Bedingung G k,dst · γ G,dst + Q k ⋅ γ Q,dst ≤ G k,stb · γ G,stb + G E,k · γ G,stb

(8.29)

erfüllt ist. Dabei sind: Gk,dst der charakteristische Wert ungünstiger ständiger, lotrecht aufwärts gerichteter Einwirkungen; JG,dst der Teilsicherheitsbeiwert für ungünstige ständige Einwirkungen im Grenzzustand GZ 1A nach DIN 1054:2005-01, Tabelle 2 (Anhang A2); Qk der charakteristische Wert möglicher veränderlicher, lotrecht aufwärts gerichteter Einwirkungen; JQ,dst der Teilsicherheitsbeiwert für ungünstige veränderliche Einwirkungen im Grenzzustand GZ 1A nach DIN 1054:2005-01, Tabelle 2 (Anhang A2); Gk,stb der untere charakteristische Wert günstiger ständiger, lotrecht nach unten gerichteter Einwirkungen; JG,stb der Teilsicherheitsbeiwert für günstige ständige Einwirkungen im Grenzzustand GZ 1A nach DIN 1054:2005-01, Tabelle 2 (Anhang A2); GE,k die charakteristische Gewichtskraft des angehängten Bodens nach 8.1.2 (5). (2) Beim Nachweis der Sicherheit gegen Abheben darf die Mitwirkung von Scherkräften FS,k, siehe DIN 1054:2005-01 (11.3.2), berücksichtigt werden. Dabei sind die Scherkräfte entsprechend der Bedingung Gk,dst · J G,dst + Qk · JQ,dst d Gk,stb · JG,stb + (GE,k + Fs,k) · JG,stb

(8.30)

als günstig wirkende ständige Einwirkungen zu behandeln. (3) Durch Auftriebskräfte Ak beanspruchte Pfahlgruppen werden entsprechend der Bedingung Ak · JG,dst + Qk · JQ,dst d Gk,stb · JG,stb + (GE,k + Fs,k) · JG,stb nachgewiesen. 152

(8.31)

8.3.2.3 Nachweis der Tragfähigkeit des einzelnen Zugpfahls im Grenzzustand GZ 1B (1) Dieser Nachweis darf analog zu 6.2.1 für das Herausziehen eines Einzelpfahls mit der allgemeinen Nachweisgleichung E1,d ≤ R1,d

(8.32)

geführt werden. (2) Gegebenenfalls günstig wirkende Scherkräfte FS,k, dürfen nach Gl. (8.2) als haltende Einwirkung bei der Ermittlung der Beanspruchung E1,d berücksichtigt werden, siehe DIN 1054:2005-01 (11.3.2). (3) Wirkt an der Unterfläche des Gründungskörpers oder des Bauwerkes eine hydrostatische Auftriebskraft, so ist diese nach Gl. (8.3) bei der Ermittlung der Beanspruchung E1,d zu berücksichtigen. (4) Die Pfahlmantelreibung kann bei eng stehenden Pfählen in der Zugpfahlgruppe durch eine Gruppenwirkung beeinflusst werden, die in der Regel zu einer Reduzierung der charakteristischen Mantelreibung qs,1,k gegenüber dem unbeeinflussten Einzelpfahl führt, siehe z. B. [33], dennoch darf näherungsweise der Nachweis gegen Herausziehen wie bei einem Einzelpfahl unabhängig von der Gruppenwirkung geführt werden. Dies wird damit begründet, dass sich bei vorhandener Gruppenwirkung die charakteristische Gesamtzugkraft nicht kleiner als die charakteristische Gewichtskraft des angehängten Bodenkörpers ergeben kann. 8.3.3

Materialversagen von Gruppenpfählen und Pfahlkopfkonstruktionen

(1) Die Gruppenpfähle sind mit den Beanspruchungen unter Berücksichtigung der Gruppenwirkung analog zu 6.2.3 nachzuweisen. (2) Wenn zwei oder mehrere Einwirkungen auf die Pfahlgruppe oder den Pfahlrost hinsichtlich der von ihnen verursachten Beanspruchung in bestimmten Pfählen der Gruppe sich gegenseitig weitgehend aufheben und damit die Pfähle rechnerisch keine oder nur geringe Pfahllasten erhalten, so sind diese Pfähle konstruktiv zu bemessen. (3) Bei den Nachweisen gegen Materialversagen der Pfahlkopfkonstruktion bzw. der aufgehenden Konstruktion ist 8.3.1.2 zu beachten.

153

8.4

Nachweis der Gebrauchstauglichkeit

8.4.1

Druckpfahlgruppen

(1) Bei der Ermittlung der Setzung einer Pfahlgruppe ist eine mögliche Setzungserhöhung infolge Gruppenwirkung zu berücksichtigen. Dazu kann für die mittlere Setzung der Pfahlgruppe die mit dem Gruppenfaktor Gs,i faktorisierte Einzelpfahlsetzung sE,k angesetzt werden bei einer Einwirkung, die sich aus einer gleichmäßigen Verteilung der Gesamteinwirkung auf alle Gruppenpfähle ergibt. Der Gruppenfaktor Gs,i gibt hierbei das Maß der Gruppenwirkung an und kann nach 8.2.1.2 bestimmt werden. s2,k = s E,k ⋅ G s,i

(8.33)

(2) Sind die Verformungen der Pfahlgründung für das Gesamttragwerk von Bedeutung, so ist eine ausreichende Sicherheit gegen Verlust der Gebrauchstauglichkeit (GZ 2) nachzuweisen. Der Nachweis ist erbracht, wenn der Bemessungswert der Beanspruchungen E2,d kleiner oder höchstens gleich der Summe der Bemessungswerte der Pfahlwiderstände R2,d,i ist. Nach DIN 1054 entsprechen hierbei die Bemessungswerte den charakteristischen Werten. E 2,d = E 2,k ≤

∑ R 2,d,i

=

∑ R 2,k,i

(8.34a)

Der Nachweis darf auch über zulässige Setzungen unter charakteristischen Beanspruchungen der Pfahlgründung im Gebrauchszustand wie folgt geführt werden. zul s k ≥ s2,k

(8.34b)

(3) Beim Ansatz der charakteristischen Pfahlwiderstände R2,k,i ist die infolge Gruppenwirkung möglicher Weise erhöhte Setzung nach (1) zu Grunde zu legen. Der charakteristische Widerstand eines Gruppenpfahles ergibt sich aus dem Widerstand RE,k eines vergleichbaren Einzelpfahles bei gleicher Setzung, welcher mit dem Gruppenfaktor GR,i faktorisiert wird. Der Gruppenfaktor GR,i gibt hierbei das Maß der Gruppenwirkung an und kann nach 8.2.1.3 bestimmt werden. R 2,k,i = R E,k ⋅ G R,i

(8.35)

(4) Auch für diesen Beanspruchungszustand im Grenzzustand GZ 2 ist analog zu 8.3.1.2 eine mögliche Zwangsbeanspruchung der Pfahlkopfplatte oder des Überbaus zu berücksichtigen. (5) Bei Pfahlgruppen mit weicher Pfahlkopfplatte ist mit Setzungsdifferenzen zwischen den Pfählen zu rechnen. Unter den Annahmen, dass keine Pfahlkopfplatte vorhanden ist und alle Pfähle eine gleich hohe Einwirkung erfahren, darf in Anlehnung an [98] im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit von Setzungs154

differenzen in der Pfahlgruppe bezogen auf die mittlere Setzung sG aller Pfähle in einer Größenordnung – bei Eckpfählen von – bei Randpfählen von – bei Innenpfählen von

's = –0,13 bis –0,23 · sG 's = –0,02 bis –0,06 · sG 's = 0,09 bis 0,15 · sG

ausgegangen werden, sofern die Pfähle regelmäßig angeordnet sind, die Gruppengröße nG d 81 ist und für die Pfahllänge L = 9 y 24 m, den Pfahlachsabstand a = 3 y 6 · D sowie den Pfahldurchmesser D = 0,3 y 1,50 m eingehalten sind. Bei Vorhandensein einer Pfahlkopfplatte nehmen die Setzungsdifferenzen mit der Steifigkeit der Pfahlkopfplatte ab. Aus den vorstehenden Angaben lassen sich wiederum näherungsweise pfahlstellungsabhängige Federkonstanten ableiten. (6) Ein Berechnungsbeispiel zum Nachweis der Gebrauchstauglichkeit einer Pfahlgruppe mit starrer Kopfplatte enthält Anhang B11. 8.4.2

Zugpfahlgruppen

(1) Für das Verformungsverhalten von Zugpfahlgruppen liegen derzeit keine abgesicherten Näherungsansätze vor. Bei einfachen und nur gering verformungsempfindlichen Konstruktionen kann davon ausgegangen werden, dass bei Einhaltung der Bedingungen nach 8.3.2 der Gebrauchszustandsnachweis mit abgedeckt ist. (2) Wenn eine verformungsempfindliche Konstruktion vorliegt, sind genauere Untersuchungen, z. B. mit der Methode der Finiten Elemente, erforderlich, siehe 8.5. 8.4.3

Quer zur Pfahlachse belastete Pfahlgruppen

(1) Für quer zur Pfahlachse beanspruchte Pfahlgruppen ist nachzuweisen, dass die einwirkende Querbelastung mit für den Gebrauchszustand verträglichen Verschiebungen, Verdrehungen bzw. Verkantungen der Pfahlgruppe aufgenommen werden kann. Hierbei ist zu beachten, dass sich die Querbelastung in Höhe der Pfahlköpfe bei erzwungener gleicher Kopfverschiebung aller beteiligter Pfähle nicht gleichmäßig auf sie verteilt, siehe 8.2.3 und Anhang B13. 8.5

Genauere Nachweise bei Pfahlgruppen

(1) Sofern die baulichen Randbedingungen, die Konstruktion oder die Empfindlichkeit der Bauwerke dieses erfordern, sollten neben den in 8.1 bis 8.4 zusammengestellten vereinfachten Ansätzen ergänzende genauere Untersuchungen durchgeführt werden. (2) Genauere Untersuchungen an axial und quer zur Pfahlachse belasteten Pfahlgruppen können sein 155

a) numerische Berechnungen mit vollständiger oder teilweiser Modellbildung der Pfahlgruppe, z. B. mit der Methode der Finiten Elemente, wobei das Berechnungsmodell in geeigneter Form kalibriert sein sollte; b) Pfahlprobebelastungen an kleineren Pfahlgruppen im Vergleich zur Einzelpfahlbelastung. Damit sind ggf. Extrapolationen auf das Verhalten größerer Gruppen möglich bzw. können numerische Modelle kalibriert werden.

156

9

Statische Pfahlprobebelastungen

9.1

Allgemeines

(1) Die grundsätzlichen Anforderungen zu Probebelastungen an Pfählen sind in DIN 1054, DIN EN 1997-1 (Eurocode EC 7-1), in DIN EN 1536, DIN EN 12 699 und DIN EN 14 199 enthalten. Im Folgenden sind Empfehlungen und Vorgaben für die Durchführung von statischen Pfahlprobebelastungen zusammengestellt. (2) Bezüglich der Kraftrichtung bei der Lastaufbringung werden – axiale (9.2) und – horizontale (9.3) statische Pfahlprobebelastungen unterschieden. (3) Weitere Grundlagen, die im Zusammenhang mit Pfahlprobebelastungen zu beachten sind, enthält Kapitel 5. (4) Derzeit werden internationale Normen (ISO) erarbeitet, die auch Prüfverfahren bzw. Probebelastungen betreffen. Davon liegt als Entwurf vor: prEN ISO 22 477-1:2006-03: Geotechnische Erkundung und Untersuchung – Prüfung von geotechnischen Bauwerken und Bauwerksteilen – Teil 1: Probebelastungen durch statische axiale Druckbelastungen. Wesentliche Aspekte des genannten Normenentwurfs sind nachfolgend in 9.2 berücksichtigt. 9.2

Statische axiale Pfahlprobebelastungen

9.2.1

Herstellung der Probepfähle

(1) Probepfähle sind so herzustellen und zu belasten, dass die gewonnenen Ergebnisse den in der Bemessung für das Objekt und das Baugelände zugrundegelegten charakteristischen Werten entsprechen. Hierzu sind folgende Grundsätze maßgebend: – Probepfähle sind an den Stellen auszuführen, an denen die charakteristischen Baugrundverhältnisse für das Baugelände vorliegen; – Probepfähle sollen den Bauwerkspfählen so gut wie möglich entsprechen. Für sie sind die gleiche Pfahlart und das gleiche Herstellungsverfahren zu verwenden wie für die Bauwerkspfähle. Dies gilt auch bezüglich der Ausführungsbedingungen und der Herstellungsfristen; – Probepfähle sind mit geometrisch gleichen oder ähnlichen Abmessungen herzustellen. Sofern aus Gründen der Durchführbarkeit Probebelastungen vom Maßstab 1 : 1 abweichen müssen, ist eine Reduzierung der Abmessungen des Probepfahles zulässig. Diese darf das Verhältnis 0,5 : 1 nicht unterschreiten. Dabei sollte die Reduzierung erst ab Pfahldurchmessern von 0,8 m erfolgen und der reduzierte Durchmesser des Probepfahles sollte nicht kleiner als 0,5 m 157

gewählt werden. Der Einfluss der reduzierten Probepfahlabmessungen auf die Ergebnisse ist abzuschätzen. (2) Der wesentliche Vorteil von Pfahlprobebelastungen gegenüber der Ermittlung von Pfahlwiderständen auf der Grundlage von Erfahrungswerten nach 5.4 und 5.8 besteht darin, dass sowohl die Untergrundverhältnisse als auch die Pfahlherstellung und die damit entstehenden Veränderungen im Untergrund zutreffender erfasst werden können. 9.2.2

Versuchsplanung

9.2.2.1 Allgemeine Hinweise (1) Als Ergebnis einer Pfahlprobebelastung ergeben sich für den gesamten Pfahlwiderstand R und die lastabhängigen Verschiebungen bei Druckbelastung eine Widerstands-Setzungslinie (WSL) und bei Zugbelastung eine WiderstandsHebungslinie (WHL) sowie Zeitsetzungslinien bzw. die entsprechenden Hebungslinien. Bei geeigneter Instrumentierung lassen sich die Anteile Pfahlfußwiderstand Rb und Pfahlmantelwiderstand Rs separat bestimmen sowie deren Abhängigkeit von den Verschiebungen ermitteln. Bild 9.1 zeigt beispielhaft die Arbeitslinien eines Pfahls. (2) Für Probebelastungen können besondere Probepfähle hergestellt oder Bauwerkspfähle herangezogen werden. Die Versuche sollten in beiden Fällen so rechtzeitig durchgeführt werden, dass aus den Ergebnissen evtl. resultierende Änderungen des Gründungsentwurfs noch berücksichtigt werden können. (3) Bei Verwendung von Bauwerkspfählen für Probebelastungen ist der Einfluss der Vorbelastung durch den Versuch auf das spätere Tragverhalten des Pfahles im Bauwerk zu berücksichtigen. Dies ist z. B. bei langen Pfählen mit überwie-

Bild 9.1 Widerstands-Setzungslinie eines Pfahls

158

gender Kraftabtragung am Pfahlfuß, bei Pfählen mit geringen Durchmessern und in geschichtetem Untergrund notwendig. (4) Sofern zur Trennung von Spitzenwiderstand und Mantelreibung Probebelastungen mit Druck- und Zuglasten vorgesehen werden, sollten diese möglichst an unterschiedlichen Pfählen ausgeführt werden. (5) Zur Beurteilung von planmäßig nur auf Zug beanspruchten Pfählen sind in der Regel ebenfalls besondere Probepfähle zu verwenden. Gleiches gilt bei Pfählen mit zyklischer Beanspruchung. (6) Sofern Zug-Probebelastungen zur Beurteilung planmäßig auf Druck belasteter Pfähle herangezogen werden (z. B. bei Mikropfählen), sollte deren unterschiedliches Verformungsverhalten und die unterschiedliche Mobilisierung von Mantelreibungsspannungen am Pfahlschaft berücksichtigt werden. Anmerkung: Bei Umkehr der Belastungsrichtung kann der Betrag der Maximalwerte der Mantelreibung stark absinken (siehe 5.9.2 und 9.2.2.6). (7) Wenn an einem Pfahl Probebelastungen sowohl in axialer Richtung als auch quer zur Pfahlachse durchgeführt werden sollen, sind die axialen Probebelastungen zuerst auszuführen. Bei umgekehrter Reihenfolge können die Größe und die Entwicklung der Mantelreibung bzw. der zu ihrer Mobilisierung erforderliche Verschiebungsbetrag beeinflusst werden. 9.2.2.2 Anzahl der Probepfähle (1) Für jede Pfahlart und für jede geotechnisch einheitliche Baugrundsituation sollte wenigstens ein Probepfahl vorgesehen werden. Bei Bauwerken mit mehr als 100 Pfählen sollten mindestens zwei Probebelastungen durchgeführt werden. Bei besonders empfindlichen Gebäuden und Bauwerken der geotechnischen Kategorie GK 3 sollte die Anzahl der Probepfähle in Abstimmung mit dem geotechnischen Sachverständigen bzw. Fachplaner festgelegt werden. (2) Bei Mikropfählen sind nach DIN 1054:2005-01 Probebelastungen a) an mindestens 3 % der vorgesehenen Anzahl der Pfähle, b) mindestens aber an N t 2 Pfählen durchzuführen. Sofern einheitliche Baugrundverhältnisse vorliegen und die Herstellungsbedingungen ausreichend sicher sind, darf bei großen Bauvorhaben in Abstimmung mit dem geotechnischen Sachverständigen jedoch ein geringerer Prozentsatz (Anforderung a) festgelegt werden. 9.2.2.3 Prüflast (1) Die Pfahlbeanspruchung sollte durch die Prüflast bei Probebelastungen in der Regel so hoch gewählt werden, dass der Grenzzustand GZ 1 erreicht werden kann und damit eines der folgenden Kriterien erfüllt ist: 159

a) Grenzsetzung: Rm = R1 = R(sg)

(9.1)

mit sg = 0,1 · D, wobei D aus Bild 9.2 zu entnehmen ist. b) Kriechverhalten: Rm = R1 = R(ks)

(9.2)

wobei ks ein im Einzelfall vorzugebendes Kriechmaß ist, mit dem die zeitabhängige Verschiebung des Pfahlkopfes unter konstanter Pfahlbelastung definiert wird (siehe Bild 9.3). Anmerkung: Die Grenzwerte von ks für die Bestimmung der Pfahlwiderstände im Grenzzustand der Tragfähigkeit sollten sich in Anlehnung an Eignungsprüfungen bei Verpressankern in der Größenordnung von ks ū 2 mm bewegen bzw. in Abstimmung mit dem Sachverständigen für Geotechnik festgelegt werden.

Bild 9.2 Definition des für die Grenzsetzung sg maßgebenden Pfahldurchmessers D

Bild 9.3 Definition des Kriechmaßes ks

160

c) Grenzbeanspruchung des Pfahlmaterials („innere“ Tragfähigkeit) Für die Bemessung der Probepfähle sind die charakteristischen Festigkeitswerte nach DIN 1045-1 anzuwenden. Die Teilsicherheitswerte für den Grenzzustand der Tragfähigkeit dürfen abgemindert werden auf: – Beton: – Betonstahl und Spannstahl:

Jc = 1,15 Jc = Js,fat = 1,1

9.2.2.4 Baugrunduntersuchungen (1) Probepfähle sollten dort angeordnet werden, wo die charakteristischen Baugrundverhältnisse vorliegen und charakteristische Versuchsergebnisse zu erwarten sind. Die Standorte der Probepfähle sollten aufgrund der Baugrunduntersuchungen festgelegt werden, die folgendes umfassen sollten, siehe auch 3.2: – Aufschlussbohrungen; – in nichtbindigen Böden: Drucksondierungen (CPT), schwere Rammsondierungen (DPH), Bohrlochrammsondierungen (BDP); – in steifen bis festen bindigen Böden: einaxiale Druckversuche, eindimensionale Kompressionsversuche, Dreiaxialversuche oder direkte Scherversuche; – in weichen bis steifen bindigen Böden: bevorzugt Flügelsondierungen oder Dreiaxialversuche; – in allen Böden sind Kornverteilungen zu ermitteln, in bindigen Böden außerdem die Plastizitäts- und Konsistenzzahlen; – im Fels sind der Kerngewinn, die Felsqualität (RQD), der Kluftabstand, die Öffnungsweite und die Füllung der Klüfte festzustellen sowie die charakteristische einaxiale Druckfestigkeit qu,k zu ermitteln (siehe Empfehlungen der DGGT, AK 19: Versuchstechnik Fels). Gegebenenfalls ist auch ein möglicher Einfluss von Wasser auf die Festigkeitseigenschaften zu untersuchen (z. B. Quellen, Aufweichen, Zerfall). 9.2.2.5 Grundsätze der Instrumentierung (1) Die Instrumentierung eines Probepfahls ist auf das Ziel des Versuches und die geforderte Qualität der Messergebnisse abzustimmen und vom bzw. in Abstimmung mit dem geotechnischen Sachverständigen festzulegen. Es werden drei Anforderungsstufen unterschieden: a) Grundsätzliche Anforderungen: Die grundsätzlichen Anforderungen beinhalten den Nachweis des Pfahlwiderstandes im Grenzzustand der Tragfähigkeit oder dass der Pfahl unter Gebrauchslast keine unzulässigen Verschiebungen erreicht. In diesem Fall genügt es, die Verschiebungen des Pfahlkopfes in Abhängigkeit von der aufgebrachten Belastung und der Zeit zu messen. Die getrennte Erfassung von Spitzen- und Mantelwiderständen ist nicht erforderlich. 161

b) Erhöhte Anforderungen: Wenn das Tragverhalten eines Pfahles näher untersucht werden soll, ist die Lastabtragung durch eine getrennte Erfassung der Widerstandsanteile Pfahlfußwiderstand Rb und Pfahlmantelwiderstand Rs entsprechend R(s) = Rb(s) + Rs(s)

(9.3)

zu ermitteln. Hierzu ist in der Regel eine spezielle Instrumentierung am Pfahlfuß oder entlang des Pfahlschaftes erforderlich. c) Hohe Anforderungen: Wenn die Mobilisierung der Mantelreibung längs des Pfahlschaftes und ihre Verteilung erfasst werden soll, ist über die Trennung von Spitzenwiderstand und Mantelreibung hinaus die Entwicklung der Pfahllängskraft in Abhängigkeit von der Tiefe und der Größe der Einwirkung zu erfassen. Erhöhte oder hohe Anforderungen sind z. B. gegeben: – wenn die Mantelreibung nach Überschreitung eines Spitzenwertes auf einen geringeren Restwert abfallen kann, – bei stark geschichtetem Baugrund, – bei zu erwartender größerer negativer Mantelreibung, – wenn die Pfahlköpfe der Probepfähle versuchstechnisch bedingt wesentlich höher liegen als die der Bauwerkspfähle oder – wenn besondere Anforderungen an die Begrenzung der Verformungen gestellt werden. 9.2.2.6 Besondere Belastungszustände (1) Wenn Schwell- oder Wechselbeanspruchungen oder Kriechen im Gebrauchszustand von Pfählen wesentlich sein können, sollten diese Belastungszustände in der Probebelastung soweit möglich ebenfalls simuliert werden, siehe auch 5.9.2. Die Anforderungen an die Versuchsdurchführung sind in diesen Fällen durch den geotechnischen Sachverständigen bzw. Fachplaner festzulegen. Hinweise zum Vorgehen und Beispiele werden in [36, 41, 90, 109] gegeben. (2) Es ist nicht erforderlich, die Gleichzeitigkeit von axialer und horizontaler bzw. vertikaler und Biegebelastung zu simulieren, da diese Belastungsarten näherungsweise als unabhängig voneinander betrachtet und somit durch getrennte Probebelastungen erfasst werden können. 9.2.3

Belastungseinrichtung

9.2.3.1 Allgemeines (1) Die Belastung ist zentrisch und axial angreifend mittels hydraulischer Pressen aufzubringen. Als Widerlager für Druck-Probebelastungen von oben dienen Traversen oder verankerte Belastungsstühle bzw. Totlasten (siehe Bild 9.4). 162

Bild 9.4 Mindestabstände für Druck-Probebelastungen zwischen der Belastungseinrichtung und dem Probepfahl für (a) Auflager von Totlasten; (b) Zugpfähle; (c) sternförmig angeordnete, gespreizte Verpressanker mit hochliegenden Krafteinleitungsstrecken; (d) sternförmig angeordnete, gespreizte Verpressanker mit tiefliegenden Krafteinleitungsstrecken; (e) parallel zum Probepfahl angeordnete Verpressanker mit tiefliegenden Krafteinleitungsstrecken

163

(2) Direkte Belastungen von Probepfählen durch stufenweises Aufbringen von Auflasten sollten nur in Ausnahmefällen erfolgen, da hierbei die Kontrolle der Krafteinleitung und der Belastungszustände erschwert ist. (3) Zug-Probebelastungen werden meistens so durchgeführt, dass Zugstangen im Pfahl verankert werden und die Zugbelastung mittels Hohlkolbenpressen gegen eine als Widerlager dienende Traverse aufgebracht wird. (4) Wenn z. B. bei der Ertüchtigung von Gründungen vorhandene Gebäudelasten das Widerlager bilden, sollten die Abstände zu ggf. bestehenden Pfählen möglichst groß gewählt werden, um Gruppeneffekte zu vermeiden. (5) Bei der Prüfung von vorhandenen Pfahlgründungen sollten möglichst Einzelpfähle oder bei Pfahlgruppen Randpfähle geprüft werden. (6) Als Variante kann der Probepfahl selbst oder können Teile von ihm als Widerlager für Belastungen durch an der Pfahlsohle oder im Pfahlschaft einbetonierte Pressen benutzt werden, siehe 9.2.3.4. 9.2.3.2 Widerlager (1) Das Pressenwiderlager ist für die Aufnahme einer Last mindestens gleich dem 1,1-fachen der höchsten Prüflast auszulegen. Die Elemente des Widerlagers (bei Belastungsstühlen und Traversen sind dies Stahlkonstruktionen, Verankerungselemente und Anschlüsse; bei Totlasten Lastverteilungsbalken, Plattformen, Auflasten und die Auflagerkonstruktion) dürfen mit den Sicherheitbeiwerten für Lastfall LF 2 gemäß DIN 1054 bemessen werden. (2) Der Abstand der Auflager von Totlasten bzw. von Verankerungselementen des Pressenwiderlagers (Zugpfähle oder Verpressanker) ist gemäß Bild 9.4a bis e festzulegen. Dabei soll bei Bohrpfählen und Verdrängungspfählen der lichte Abstand des Probepfahls zu vertikalen Ankerpfählen oder Auflagern einer Totlast mindestens a = 2,5 · D bzw. 2,5 m betragen, wobei der größere Wert maßgebend und für D der maßgebende Pfahldurchmesser nach Bild 9.2 einzusetzen ist. Bei Probebelastungen an Schrägpfählen, für besondere Belastungszustände oder für höhere Versuchsanforderungen sind die Mindestabstände ggf. zu erhöhen. (3) Bei Druck-Probebelastungen von Mikropfählen soll der lichte Abstand des Probepfahls zu vertikalen Ankerpfählen oder Auflagern einer Totlast mindestens a = 5 · D bzw. 1,5 m betragen. (4) Bei Zug-Probebelastungen ist sicherzustellen, dass keine direkte Lastübertragung vom Pfahl auf die Widerlagerkonstruktion entsteht. In diesem Fall dürfen geringere Abstände zwischen den Auflagern der Traverse und dem Probepfahl gewählt werden. (5) Bei Verwendung von Verpressankern zur Abspannung eines Belastungsstuhls oder einer Traverse (Bild 9.4c bis e) sind die Krafteinleitungsstrecken der Anker klar zu definieren. Im Bereich der freien Ankerlänge ist die Lastübertragung durch Freispülen oder durch Ummantelungen auszuschließen. 164

(6) Verpressanker sollten entweder vor Versuchsbeginn mindestens bis zum 1,1-fachen der maximalen anteiligen Versuchslast geprüft werden, um ungleiche Erstverformungen vorwegzunehmen und das Deformationsverhalten zu vergleichmäßigen, oder es ist dafür Sorge zu tragen, dass ungleichmäßige Längungen während des Versuchs ausgeglichen werden können. (7) Reaktionspfähle und Anker sollten symmetrisch um den Probepfahl angeordnet werden. Bei unsymmetrischer Anordnung des Widerlagersystems sind evtl. daraus resultierende Einflüsse bei der Lastaufbringung zu berücksichtigen und ggf. zu kompensieren. 9.2.3.3 Pressen (1) Die Prüflast sollte, auch wenn eine Totlast als Widerlager verfügbar ist, stets mit hydraulischen Pressen aufgebracht werden. Die maximal mögliche Pressenkraft und der notwendige Pressenhub sind auf die zu erreichende Prüflast und die zu erwartenden Verschiebungen abzustimmen. (2) Die elastischen Verformungen des Widerlagersystems können erhebliche Größenordnungen erreichen und sollten vor Versuchsbeginn abgeschätzt werden. Dies gilt insbesondere bei Verwendung von Verpressankern mit hochfestem Stahl-Zugglied oder bei Totlasten. Auch die „Anliegeverformungen“ des Belastungssystems sind bei der Vorbestimmung des erforderlichen Pressenhubs zu berücksichtigen. (3) Wenn zum Erreichen der erforderlichen Prüflast mehrere Pressen einzusetzen sind, müssen diese jeweils baugleich sein und sind über eine gemeinsame Leitung von demselben hydraulischen Aggregat zu steuern. (4) Um das hydraulische System während länger dauernder Laststufen, insbesondere bei höheren Laststufen thermisch nicht zu überlasten, ist die Verwendung von hydraulischen Pressen mit Feststellmuttern empfehlenswert. Zum Parallelitätsausgleich haben sich sphärische Gelenke aus Kugel- und Kalottenplatten bewährt. Jede hydraulische Presse sollte mit einem Absperrventil versehen sein. (5) Sofern die entstehenden Verschiebungen und Verformungen des Widerlagersystems ein „Auffüttern“ der Pressen erforderlich machen, um den verfügbaren Hub zu verlängern, sind hierbei in allen Phasen ein symmetrisches Zusammenwirken der jeweils benutzten Pressen und eine axiale Krafteinleitung zu gewährleisten. Anmerkung: Hierzu ist es zweckmäßig, mindestens mit drei linear oder vier über Kreuz angeordneten Pressen zu arbeiten. 9.2.3.4 Belastung durch einbetonierte Pressen (1) Die Pfahlbelastung kann bei Bohrpfählen auch durch am Pfahlfuß oder im Pfahlschaft einbetonierte hydraulische Pressen erfolgen. Dabei dienen der Pfahl 165

Bild 9.5 Schema der Pfahleinteilung in Segmente bei der Ausführung von Pfahlprobebelastungen nach dem Osterberg-Verfahren als Single-Level Test (a) und Multi-Level Test (b) (nach [75])

oder Abschnitte des Pfahles als Widerlager und es wird die Belastung von unten oder in zwei entgegengesetzten Richtungen aufgebracht (siehe Bild 9.5). (2) Diese Art der Versuchsdurchführung beinhaltet aufwendige Instrumentierungen für die Kraft- und Verschiebungsmessungen und ist für hohe Versuchsanforderungen geeignet sowie für beengte Verhältnisse, bei denen andere Widerlagerkonstruktionen nicht realisierbar sind. 166

(3) Bei der Ausführung von Probebelastungen nach diesem Verfahren unterscheidet man die Unterteilung des Pfahlschaftes in zwei Segmente mit dazwischen liegender hydraulischer Presse als „Single-Level Test“ nach Bild 9.5a, sowie die Unterteilung in drei oder mehr Segmente mit zwei oder mehreren dazwischen liegenden hydraulischen Pressen als Multi-Level Test nach Bild 9.5b. (4) Bild 9.5a zeigt die Belastung des Pfahls in zwei entgegensetzten Richtungen (bidirektional). Dabei wird am oberen Segment der Zugwiderstand, am unteren Segment der Druckwiderstand aktiviert. (5) Beim „Multi-Level Test“ (Bild 9.5b) können durch Aktivieren bzw. Starrschalten der unterschiedlichen Pressenebenen unterschiedliche Beanspruchungen im Pfahl erzeugt werden. Dadurch können z. B. der Spitzendruck (Phase 1) oder die Mantelreibung der Segmente 1 oder 2 (Phase 2a bzw. 2b) geprüft werden. (6) Zur Überprüfung der Festigkeit des Betons bzw. eines Pfahlabschnittes kann aber auch ein einaxialer Druckversuch durch eine simultane Belastung zweier hydraulischer Pressen durchgeführt werden, z. B. für das Segment 2 in Phase 3 nach Bild 9.5b. (7) Für die Versuchsauswertung und den Vergleich mit dem Bauwerkspfahl ist zu beachten, dass die Herstellbedingungen, insbesondere die Bedingungen für den Betoneinbau, von denen der Bauwerkspfähle abweichen (z. B. Dauer, kraftschlüssige Einbettung der zwischengelagerten Zellen). (8) Hinweise und Erfahrungsberichte finden sich in [21, 75, 81, 82, 83, 117]. 9.2.3.5 Pfahlkopf (1) Der Pfahlkopf ist für die zentrische, ebene und rechtwinklige Aufstellung der Belastungs- und Verschiebungsmesseinrichtungen sorgfältig vorzubereiten und ggf. mit einer Kopferweiterung aufzubetonieren. Arbeitsfugen sind gemäß DIN 1045-3:2001-07 auszuführen. (2) Direkt belastete Pfahlköpfe und Pfahlkopfaufweitungen sind zur Aufnahme der bei der Belastung entstehenden Spaltzugkräfte zu bemessen. (3) Es ist auszuschließen, dass durch eine Pfahlkopfaufweitung Kräfte auf den Boden übertragen werden können. (4) Sofern im oberen Pfahlschaftbereich die Mobilisierung von Mantelreibungswiderständen während des Versuchs reduziert werden soll, können hierzu verwandt werden: – Ummantelungen mit Gleitfolien oder Aufbringen einer Gleitbeschichtung, z. B. bei Fertigpfählen; – Überbohren des fertigen Pfahls mit einer Verrohrung und Auffüllung des Ringspaltes mit Bentonit- oder Bentonit-Zementsuspension, z. B. bei Fertigpfählen oder Bohrpfählen geringer oder mittlerer Durchmesser; 167

– Verpressungen von Bentonitsuspension im Pfahlschaftbereich oder – Hülsen in Kombination mit Gleitmitteln, z. B. Bentonitsuspension. Anmerkung: Bei verrohrt hergestellten Bohrpfählen ist zu berücksichtigen, dass Hülsen stets eine Querschnittseinengung des Pfahles bedeuten und dass die untere Abdichtung des beim Ziehen der Verrohrung entstehenden Ringspaltes gegen aufsteigenden Beton problematisch sein kann. 9.2.4

Instrumentierung und Messverfahren

9.2.4.1 Setzungs- und Hebungsmessungen (1) Es sind Geräte mit ausreichendem Messbereich zu verwenden, damit ein Umsetzen während des Versuchs möglichst vermieden wird. Durch die Belastung des Probepfahles dürfen die zum Vergleich herangezogenen Festpunkte nicht beeinflusst werden. (2) Das Referenzsystem für die Verschiebungsmessungen besteht aus Messträgern, die einseitig oder beidseitig des Probepfahles angeordnet sind und im Abstand von 2,5 · D, mindestens aber 2,5 m bzw. 5,0 D und mindestens 1,5 m bei Verpresspfählen (Mikropfählen), unabhängig und statisch bestimmt zu lagern sind, siehe z. B. Bild 9.6. Das Referenzsystem ist während des Versuchs gegen Erschütterungen und einseitige Erwärmung zu schützen. (3) Vor Beginn und nach Abschluss des Belastungsversuchs sind die Höhenlage des Pfahlkopfes und des Referenzsystems durch eine „Nullmessung“ und eine „Schlussmessung“ zu überprüfen. Diese Messungen sind, z. B. mittels Feinnivellement, in Bezug auf einen Festpunkt durchzuführen. Bei erhöhten und hohen Anforderungen an die Versuche sollten die Kontrollmessungen zusätzlich bei jeder Belastungsstufe nach dem Abklingen der Bewegungen durchgeführt werden. (4) Sofern, z. B. bei Verwendung von Totlasten als Widerlager, größere Setzungen oder Hebungen des Bodens während des Versuchs auftreten können, sind die Verschiebungen des Pfahles und des Referenzsystems bei jeder Laststufe einmal zu überprüfen. (5) Als Messgenauigkeit für die Verschiebungen des Pfahlkopfes sind 0,2 mm einzuhalten. (6) Hierzu sind Wegaufnehmer mit entsprechend großem Messbereich (z. B. 100 mm) und mindestens 0,01 mm Ablesegenauigkeit erforderlich, und für das Kontrollnivellement ist eine Ablesegenauigkeit von 0,1 mm einzuhalten. (7) Für die Verschiebungsmessung sind mindestens zwei, besser drei Wegaufnehmer zu verwenden und symmetrisch um den Pfahl anzuordnen. Zur Reibungsverminderung sollten Glasplättchen unter den Messtastern auf den Pfahlkopf geklebt werden. 168

Bild 9.6 Referenzsystem für die Verschiebungsmessung am Pfahlkopf (Beispiel)

(8) Zur Kontrolle horizontaler Bewegungen des Pfahlkopfes sind bei erhöhten und hohen Anforderungen in zwei zueinander senkrecht stehenden horizontalen Richtungen zusätzliche Messgeber anzubringen. Bei Belastungsversuchen von geneigten oder schlanken (biegeweichen) Pfählen sind diese Messungen stets durchzuführen. Anmerkung: Die horizontalen Messungen dienen vor allem der Kontrolle der zentrischen und axialen Einleitung der Versuchslast in den Pfahl und ermöglichen eine frühzeitige Reaktion bei Störungen oder Exzentrizitäten. (9) Bei weggesteuerten Probebelastungen oder bei schnellen zyklischen Belastungen sollten zur Verschiebungsmessung kontinuierlich registrierende elektrische Messeinrichtungen eingesetzt werden. Alternativ kann der Versuch in Schritten mit konstanten Verschiebungszuwächsen pro Zeiteinheit ausgeführt werden, wobei zwischen den Schritten konstante Intervalle für die Ablesungen eingeschaltet werden. 169

9.2.4.2 Kraftmessung am Pfahlkopf (1) Zur Kraftmessung genügt bei grundsätzlichen Versuchsanforderungen die Registrierung des hydraulischen Pressendrucks, über die bekannte Kolbenfläche kann aus dem Druck auf die Kraft geschlossen werden. Dabei ist eine Genauigkeit von ± 3 % der maximalen Versuchslast ausreichend. (2) Für erhöhte Versuchsanforderungen sollte die Ungenauigkeit der Kraftermittlung allein durch den hydraulischen Druck in den Pressen nicht über 2 % der Prüfkraft liegen, und es sollten zusätzlich Kraftmessdosen verwendet werden. Bei hohen Versuchsanforderungen sind grundsätzlich Kraftmessdosen einzusetzen und der Pressendruck zu Kontrollzwecken zu registrieren. (3) Bei der Verwendung von Kraftmessdosen sind solche Systeme zu bevorzugen, die ausreichend stabil sind und damit eine geringe „Nullpunktdrift“ haben. Der Einsatz von Kraftmessdosen ist immer dann erforderlich, wenn eine genaue Lastkonstanthaltung zu gewährleisten ist. (4) Alle Kraft- und Druckmesseinrichtungen sind zu kalibrieren, wobei die Kalibrierung nicht länger als 12 Monate zurückliegen darf. Die Pressen sind zusammen mit dem Manometer zu kalibrieren. (5) In den Kalibrierprotokollen für die Druck- und Kraftmessgeräte ist die Hysterese zwischen der Be- und Entlastung auszuweisen. 9.2.4.3 Erfassung des Spitzenwiderstandes (1) Für die getrennte Erfassung des Spitzenwiderstandes sind verschiedene Verfahren gebräuchlich. Bei den meisten Verfahren wird die Versuchslast am Pfahlkopf aufgebracht und der mit der Setzung mobilisierte Spitzenwiderstand wird mittels am Pfahlfuß eingebauter hydraulischer oder elektrischer Kraftmessdosen erfasst („passiv“). Bei „aktiven“ Messungen wird die Spitzenwiderstandskraft direkt am Pfahlfuß aufgebracht. Hierzu werden hydraulische Druckkissen oder Pressen unter dem Pfahlfuß angebracht und gegen den Pfahl gedrückt. Alternativ wird in seltenen Fällen die Pfahlfußkraft vom Pfahlkopf über einen Stempel im Zentrum des Pfahlschaftes direkt eingeleitet. Bild 9.7 zeigt Beispiele für gebräuchliche Verfahren. Weitere Hinweise enthalten [41] und [56]. (2) Die Kraftmess- oder Belastungseinrichtungen müssen die Pfahlfußfläche möglichst vollständig abdecken. Dabei ist darauf zu achten, dass Kraft vollständig durch die Kraftmesseinrichtung geleitet wird und keine Beton- oder Mörtelbrücken zu einer Umgehung der Messeinrichtung führt. Anmerkung: Hierzu kann eine Einbettung von Einzelelementen in weicheres Material erforderlich sein, die auch den beim Ziehen einer Verrohrung entstehenden Ringspalt umfasst. (3) Beim Einbau von Kraftmessdosen oder Pressen in Bohrpfähle ist die Aushubsohle besonders sorgfältig von aufgelockertem oder aufgeweichtem Bodenmaterial zu säubern und durch ein Mörtelbett für die Aufnahme vorzubereiten. 170

Bild 9.7 Erfassung des Spitzenwiderstandes und der Verschiebungen des Pfahlfußes (Beispiele). (a) „Aktive“ Messung des Spitzenwiderstandes, (b) Messung des Spitzenwiderstandes mittels Kraftmessdosen und abschnittsweises Messen der Pfahlverformungen mit Extensometern, (c) Messung des Spitzenwiderstandes und punktweise Erfassung der Pfahlverformungen mit Dehnungsgebern, (d) Messung des Spitzenwiderstandes und kontinuierliche Erfassung der Pfahlverformungen mittels Gleitmikrometer bzw. Gleitdeformeter, (e) Messung des Spitzenwiderstandes und kontinuierliche Erfassung der Pfahlverformungen mittels Messrohren und Dehnungsgebern

(4) Es sollten möglichst große Kraftmessdosen oder Pressen großen Durchmessers und niedriger Bauhöhe verwendet werden. Die Aufteilung der Pfahlfußfläche in mehrere kleinere Mess- oder Belastungsflächen ist unter Baustellenbedingungen nicht empfehlenswert. Die Dosen oder Pressen sind mit ausreichender Sicherheit für die Bau- und Betonierzustände zu bemessen. Sie sind ggf. vorzuspannen, damit nach dem Aushärten des Pfahlbetons bei Versuchsbeginn die gesamte Fläche der Elemente zur Lastmessung bzw. Belastung wirksam ist. 171

9.2.4.4 Erfassung der Pfahllängskraft und der Mantelreibung (1) Bei den gebräuchlichen Verfahren wird die Längskraft R indirekt über die Längsdeformationen des Pfahles erfasst. Dabei werden die Längenänderungen entweder kontinuierlich über die gesamte Pfahllänge bzw. ausgewählte Pfahlabschnitte, lokal in vorbestimmten Pfahltiefen oder pauschal über die gesamte Pfahllänge (Bild 9.7a) bzw. einzelne Pfahlabschnitte gemessen (Bilder 9.7 b bis e). Anmerkung: Eine direkte Messung der Mantelreibung z. B. durch im Pfahlschaft eingebaute Scherkraft-Messelemente ist nicht zu empfehlen. (2) Wenn Längsdeformationen diskontinuierlich nur in unterschiedlichen Tiefen des Pfahlschaftes gemessen werden, sind Interpolationen für die dazwischen liegenden Bereiche erforderlich. Dies erfordert „ingenieurmäßige“ Betrachtung und Erfahrung. (3) Aus dem Verlauf der Längenänderungen kann bei Kenntnis des Pfahlquerschnittes und der Deformationseigenschaften des Pfahlbaustoffes, siehe 9.2.4.5, auf die zugehörigen Pfahlspannungen und den Längskraftverlauf im Pfahl geschlossen werden, der Aufschluss über die mobilisierten Mantelreibungskräfte und -spannungen gibt. 9.2.4.5 Dehnungs- und Stauchungsmessungen (1) Bei Pfählen sind verschiedene Verfahren zur abschnittsweisen, punktweisen oder kontinuierlichen Messung der Längenänderungen gebräuchlich. (2) Abschnittsweise Dehnungs- bzw. Stauchungsmessungen können z. B. mit Extensometern durchgeführt werden, die in vorbestimmten Tiefen im Pfahl verankert werden (Bild 9.7b). Die Erfassung der Längenänderungen geschieht dabei über die gesamte betrachtete Messlänge durch Messungen am Pfahlkopf. Durch entsprechend gestaffelte Messlängen erhält man nach Differenzenbildung einen Überblick über die Verteilung der Längenänderungen längs des Pfahles. Anmerkung: Mit dem Extensometerverfahren sind nur relativ wenige Messquerschnitte im Pfahl möglich. Bei der Versuchsdurchführung und der Auswertung ist zu beachten, dass die Verteilungen der Längenänderungen über Differenzbildung und relativ lange Messstrecken gewonnen werden. Bei der Anordnung der Messgeber und ihres Referenzsystems ist zu berücksichtigen, dass Exzentrizitäten und ungewollte Verdrehungen z. B. des Pfahlkopfes die Ergebnisse verfälschen können. (3) Für das punktweise Erfassen von Dehnungen eignen sich z. B. elektrische Dehnungsgeber (Schwingsaitengeber oder Dehnungsmessstreifen), die entweder direkt mit der Pfahlbewehrung verbunden werden können oder an separaten Messstäben im Bewehrungskorb appliziert werden (Bild 9.7c). (4) Durch paarweise Anordnung und entsprechende Staffelung der Messquerschnitte ermöglichen diese Dehnungsgeber in der Regel eine ausreichend genaue Ermittlung der Verteilung der Pfahl-Längsdeformationen. 172

(5) Voraussetzung für eine zuverlässige Erfassung der Längenänderungen durch Dehnungsgeber ist deren vollständige Einbettung in den Pfahlbaustoff und ihre Anordnung an Stellen im Pfahl, die für das Dehnungsverhalten repräsentativ sind. (6) Mechanisch arbeitende Deformeter oder Mikrometer gestatten bei hoher Genauigkeit die kontinuierliche Erfassung der Längsdeformationen über die gesamte Pfahllänge. Bei ihnen werden Längenänderungen über kurze Pfahlabschnitte zwischen fest eingebauten Messköpfen direkt gemessen und ermöglichen durch Vergleich mit der Nullmessung einen unmittelbaren Rückschluss auf abschnittsweise veränderliche Pfahldeformationen (Bild 9.7d). (7) Messungen mit Mikrometern oder Deformetern erfordern einen relativ hohen Aufwand für die Vorbereitung und Durchführung der Messungen, für die auch ein freier Zugang oberhalb des Pfahlkopfes während der Probebelastung zu gewährleisten ist. (8) Für kontinuierliche Messungen können auch elektrische Deformationsgeber, z. B. Dehnungsmessstreifen oder Schwingsaitengeber, benutzt werden, die z. B. im Inneren von Messrohren angeordnet werden, die selbst nur an vorgegebenen Stellen verankert und sonst nicht kraftschlüssig mit dem Pfahl verbunden sind (Bild 9.7e). Anmerkung: Die Einrichtungen für kontinuierliche Messungen mit Deformetern, Mikrometern oder elektrischen Deformationsgebern sind i. d. R. nur an einer Pfahlseite möglich, so dass Exzentrizitäten des Pfahles und/oder seiner Belastung oder Anisotropien des Pfahlmaterials nicht erfasst werden. (9) Bei Pfahlversuchen mit am Pfahlfuß oder im Pfahlschaft eingebauten hydraulischen Pressen werden die Verschiebungen der einzelnen Pfahlabschnitte absolut und relativ über Extensometersysteme und elektrische Weggeber erfasst. Zusätzlich können in ausgewählten Pfahltiefen Deformationsmessungen mit Dehnungsgebern durchgeführt werden. 9.2.4.6 Erfassung der Pfahlquerschnittsfläche und der Verformungseigenschaften (1) Für den Rückschluss von den Pfahldeformationen auf die in der betreffenden Tiefe im Pfahl wirksame Normalkraft und weiter auf die wirkenden Mantelreibungskräfte ist die genaue Kenntnis des Pfahlquerschnitts und der tatsächlichen Verformungseigenschaften des Pfahlbaustoffes ausschlaggebend. (2) Bei Fertigpfählen ist die Querschnittsfläche vorher bekannt, bei Ortbetonpfählen kann sie jedoch örtlich variieren. Bei diesen Pfählen ist deshalb die genaue Protokollierung des Herstellvorganges erforderlich, insbesondere eine zuverlässige Registrierung des Betonverbrauchs über die Pfahllänge. (3) Für die Ermittlung des Verformungsmoduls dürfen Herstellerangaben bzw. die hierzu üblichen Verfahren nur bei Stahlpfählen verwendet werden. Bei 173

Stahlbetonpfählen ist zu berücksichtigen, dass der Verformungsmodul des Pfahlbaustoffes sich aus Anteilen für den Beton, die Bewehrung und die Einbauteile zusammensetzt. (4) Bei Ortbetonpfählen kann der Elastizitätsmodul des Betons durch den Einbauvorgang innerhalb weiter Grenzen streuen. Die genormten Versuche an Laborproben für die Ermittlung der Elastizitätseigenschaften von Beton oder Stahl sind deshalb für diesen Anwendungsbereich nicht geeignet. (5) Bei Stahlbetonpfählen sollte der tatsächlich im Pfahlschaft vorhandene Elastizitätsmodul deshalb direkt hergeleitet oder mittelbar erfasst werden. Hierzu können bei kleineren Pfählen z. B. gekappte Pfahlabschnitte untersucht werden. Bei Pfählen größeren Durchmessers sollte eine separate Messstelle in einer Tiefe angeordnet werden, wo eine gleichmäßige Spannungsverteilung über den Pfahlquerschnitt vorausgesetzt werden kann und im Versuch mobilisierte Mantelreibungswiderstände noch unbedeutend sind. Diese Stelle ist meist unterhalb des Pfahlkopfs in der Nähe der Krafteinleitung zu finden. Es ist dadurch möglich ohne die Kenntnis des Elastizitätsmoduls die gemessenen Dehnungssignale direkt mit der wirkenden Längskraft zu korrelieren. Anmerkung: Es kann nötig sein, die Mantelreibungsübertragung durch weitere Maßnahmen zu reduzieren, z. B. Hülsen mit Außenschmierung, Gleitfilme u. ä., siehe 9.2.3.5. 9.2.4.7 Schutz der Messvorrichtungen (1) Die Messvorrichtungen am Pfahlkopf sind gegen Witterungseinflüsse und Störungen zu schützen. Für Versuche mit erhöhten oder hohen Anforderungen ist eine Einhausung des gesamten Versuchsaufbaus durch ein Zelt o. ä. zu empfehlen. Für Versuche von kurzer Dauer oder mit geringeren Anforderungen sind Abschirmungen für die Messeinrichtungen und das Referenzsystem ausreichend. (2) Einbauteile, Kabel und die Messeinrichtungen selbst sind innerhalb und außerhalb des Pfahles in allen Herstellungsphasen zu kennzeichnen und vor Beschädigung zu schützen. Hierzu gehört insbesondere die ausreichende Isolierung elektrischer Messgeber und ihrer Kabel gegen Wasser und Zementmilch sowie ihr mechanischer Schutz gegen Beschädigungen während des Betonierens, des Kappens fertiggestellter Pfähle und in der Phase bis zum Versuchsbeginn. 9.2.5

Versuchsdurchführung

9.2.5.1 Versuchszeitpunkt (1) Probebelastungen von Verdrängungspfählen dürfen nicht unmittelbar nach dem Einbringen vorgenommen werden. Die Belastung sollte in nichtbindigen Böden nicht früher als nach drei Tagen, in bindigen Böden nicht früher als nach drei Wochen erfolgen. Bei Ortbetonpfählen darf der Belastungsversuch erst 174

beginnen, wenn der Beton die für die Versuchsbelastung notwendige Festigkeit erreicht hat. Anmerkung: Durch Porenwasserdruckmessungen kann der Zeitpunkt bestimmt werden, zu dem durch den Einbringvorgang erzeugte Überdrücke abgeklungen sind. (2) Der Nachweis über die erreichte Betonfestigkeit kann z. B. mittels Druckfestigkeitsprüfungen an zusätzlichen Probewürfeln erbracht werden. In der Regel sollte eine Probebelastung von Ortbetonpfählen nicht früher als 10 Tage nach der Pfahlherstellung durchgeführt werden. 9.2.5.2 Belastungsstufen und -geschwindigkeiten (1) Die Belastung sollte i. d. R. in zwei bis drei Zyklen aufgebracht werden, wobei die maximalen Lasten der Zyklen nach den geplanten Gebrauchslasten und den zu erreichenden Prüflasten zu wählen sind. (2) Die Zahl der Belastungsstufen ist so zu planen, dass der zu erwartende Grenzwiderstand Rg bzw. die maximal aufzubringende Versuchslast in etwa 8 gleich großen Belastungsstufen Fi für Druck- bzw. Zugbelastung erreicht wird (siehe Bild 9.8). Dabei ist es sinnvoll, die Belastung mit einer geringen Vorlaststufe zum Festsetzen der Belastungseinrichtung und zur Einrichtung der Verschiebungsmessgeräte zu beginnen. Anmerkung: Bei Annäherung an die Grenzlast bzw. bei Kriechmaßen ks > 0,5 sollten zur differenzierten Betrachtung die Laststufen ggf. verkleinert werden. (3) In Fällen mit grundsätzlichen Anforderungen, bei kurzen Pfählen oder geringem Einfluss eventueller Setzungsdifferenzen auf das Bauwerk bzw. zu erwartenden monoton steigenden Bauwerkslasten genügt es, den Versuch ohne Zwischenentlastung durchzuführen. (4) In anderen Fällen, insbesondere bei erhöhten und hohen Versuchsanforderungen, ist mindestens bis zum Erreichen der vorgesehenen Gebrauchslast (in Bild 9.8: F = 0,5 Rg) die Belastung während der einzelnen Laststufen so lange aufrecht zu halten, bis die Setzungs- bzw. Hebungsgeschwindigkeit auf 0,1 mm innerhalb von 20 min abgeklungen ist. In folgenden Belastungszyklen darf i. d. R. die Belastung bereits gesteigert werden, wenn die Verschiebungsgeschwindigkeit unter 0,1 mm in 5 Minuten abgeklungen ist. Wegen der Ermittlung des Kriechverhaltens in allen Laststufen sollten daher möglichst gleiche Zeitintervalle für die Ablesungen gewählt werden. (5) Nach Erreichen der Gebrauchslast (F = 0,5 Rg) ist i. d. R. eine Zwischenentlastung einzuschalten. Dabei sollten die Ablesungen in gleichen Zeitintervallen erfolgen; das Abklingen der Bewegungen braucht jedoch nur bei völliger Entlastung bzw. Entlastung bis zur Vorlast abgewartet werden. Für die Wiederbelastung und Weiterbelastung gilt dasselbe wie für die Entlastung bzw. die Erstbelastung (Bild 9.8). 175

Bild 9.8 Empfohlene Belastungsstufen Fi

(6) Es ist zweckmäßig, die Gebrauchslaststufe (F = 0,5 Rg) sowie, wenn möglich, die maximale Belastung über einen längeren Zeitraum als bis zum oben definierten „Abklingen“ der Bewegungen aufrechtzuerhalten, um größerräumige Kriechumlagerungen im Untergrund und das Langzeitverhalten erfassen zu können. (7) Die Steigerung der Belastung sollte insbesondere bei überwiegender Lastabtragung durch Mantelreibung oder bei höheren Laststufen langsam und behutsam erfolgen. Stöße und Erschütterungen sind zu vermeiden. Anmerkung: Bei zu hoher Belastungsgeschwindigkeit kann es zu länger anhaltenden Kriechverformungen im System Pfahl-Boden kommen. Die Belastungsgeschwindigkeit sollte deshalb bei höheren Laststufen bewusst niedrig gewählt werden, z. B. 3 min für die Steigerung zu einer höheren Laststufe. (8) Während der Dauer einer Laststufe ist dafür zu sorgen, dass die Last konstant gehalten wird. Dies geschieht bei grundsätzlichen Versuchsanforderungen durch Nachpumpen von Hand bzw. manuelle Steuerung der hydraulischen Pumpe, während bei erhöhten und hohen Anforderungen eine automatische elektrische oder hydraulische Lastkonstanthaltung erforderlich ist. (9) Wenn die verfügbare Zeit nicht ausreicht, um das Abklingen der Bewegungen abzuwarten, sollte oberhalb der Gebrauchslast zur Ermittlung der Grenzlast ein weggesteuerter Versuch mit konstanter Verschiebungsgeschwindigkeit ausgeführt werden (Constant Rate of Penetration-Versuch, CRP-Versuch). Dabei ist die Verschiebungsgeschwindigkeit nicht höher als 0,5 mm/min zu wählen bzw. der Leistung des hydraulischen Aggregates anzupassen. Die Registrierung sollte alle 60 Sekunden erfolgen. (10) Ein CRP-Versuch kann z. B. in ausgeprägt plastischen bindigen Böden erforderlich werden. Bei diesem Versuch sollen die Steuerung und die Erfassung der Daten möglichst automatisch erfolgen. 176

9.2.5.3 Messintervalle (1) Während einer Laststufe sind die axialen Verschiebungen am Pfahlkopf mindestens nach folgenden Beobachtungszeiten aufzuzeichnen: 0, 2, 5, 10, 20, 40, 60, 80, 100 min usw. nach Erreichen der jeweiligen Belastung. (2) Die Wahl der Intervalle trägt der Auftragung der Verschiebungen im halblogarithmischen Maßstab sowie der Ermittlung des Kriechkriteriums ks Rechnung. Anmerkung: Sofern nach Abklingen der Verschiebungen lange Beobachtungszeiten vorgesehen sind (z. B. über Nacht), sind Ablesungen und Lastkorrekturen in mehrstündigen Intervallen ausreichend. (3) Für die Registrierung der Horizontalverschiebungen am Pfahlkopf genügen größere Zeitintervalle, z. B. zu Beginn und Ende einer Laststufe. (4) Die tatsächliche Pfahlbelastung ist in den gleichen Intervallen wie die Setzung bzw. Hebung des Pfahlkopfes zu erfassen und ggf. anzupassen. (5) Für die Kontrollmessungen der Pfahlverschiebungen und des Referenzsystems sowie für die nicht automatische Registrierung des Spitzenwiderstandes und der Längenänderungen entlang der Pfahlachse sollte zuvor das Abklingen der Bewegungen am Pfahlkopf abgewartet werden. (6) Bei automatischer Registrierung und Speicherung der Belastung, der Verschiebungen, Dehnungs- und Spannungswerte sollten feste Messintervalle eingehalten werden, z. B. 2 Minuten-Intervalle. 9.2.5.4 Aufzeichnungen (1) Alle Messergebnisse und Beobachtungen sind während des Versuchs zu den Messintervallen tabellarisch in Feldprotokollen aufzuzeichnen. Hierzu gehören u. a. – Pressendrücke und Ablesungen von Kraftmessdosen, – Verschiebungsmessungen am Pfahlkopf, – Ablesungen der elektrischen Dehnungs- und Spannungs-Messgeber, sofern nicht elektronische Registrierung, – Kontrollmessungen am Pfahlkopf und des Referenzsystems, – Wetter und Temperatur, – Anwesende während der Versuchsdurchführung, – besondere Versuchsbedingungen, z. B. Nachjustierungen, – Begründungen für Abweichungen vom planmäßigen Versuchsablauf. Die Aufzeichnungen sind zu unterschreiben und dem Datenbericht über die Probebelastung beizufügen, siehe 9.2.7.2. (2) Bei automatischer Registrierung und Speicherung der Versuchsdaten sollten die Messwerte versuchsbegleitend dargestellt werden, z. B. auf dem Bildschirm eines Feldcomputers, und jederzeit abrufbar sein. 177

(3) Schon während der Probebelastungen sollte neben der Erfassung der Messwerte für die Verschiebungen, Belastungen u. a. die Widerstands-Setzungslinie bzw. Widerstands-Hebungslinie fortlaufend zeichnerisch aufgetragen werden. Damit ist es möglich, den Verlauf des Versuches und der Messungen zu überprüfen und besondere Ereignisse frühzeitig zu erkennen. Bei höheren Laststufen und insbesondere bei Belastungsversuchen von Bauwerkspfählen sollte zusätzlich auch die zeitliche Entwicklung der Pfahlverschiebungen mit den zugehörigen Kriechwerten ks registriert werden, um den weiteren Verlauf des Versuches ggf. anpassen zu können. (4) Die halblogarithmische Auftragung des zeitlichen Verschiebungsverlaufs erlaubt einen Rückschluss auf das Kriechverhalten und die zu erwartende Grenzlast des Pfahles. Bei Versuchen an Bauwerkspfählen kann dadurch eine ggf. mögliche Überschreitung der Grenzlast frühzeitig erkannt werden. (5) Zur Beendigung des Versuches ist der Pfahl bei erhöhten und hohen Versuchsanforderungen nach Abklingen der Verschiebungen auf der Vorlaststufe vollständig zu entlasten, und es sind die Messwerte bis zum Abklingen der Verschiebungen zu registrieren. 9.2.6

Auswertung

(1) Bei Versuchen mit grundsätzlichen Anforderungen genügt die Auftragung der Widerstands-Setzungslinie bzw. -Hebungslinie gemäß Bild 9.9. (2) Bei erhöhten und hohen Anforderungen sind dazu auch die Zeitverschiebungskurven halblogarithmisch aufzutragen, die Kriechmaße zu bestimmen und mit den entsprechenden Lasten gemäß Bild 9.10 darzustellen.

Bild 9.9 Auftragung der Widerstands-Setzungslinie

178

Bild 9.10 Auftragung der Zeitverformung und der Kriechmaße

Bild 9.11 Getrennte Auftragung für Spitzenwiderstand und Mantelreibung

(3) Bei getrennter Messung von Spitzendruck und Mantelreibung sind die entsprechenden Anteile Rb(s) und Rs(s) in einem Diagramm darzustellen (siehe Bild 9.11). (4) Bei Längskraftmessung im Pfahl sind neben den Widerstands-Verschiebungskurven die gemessenen Längenänderungen entlang der Pfahlachse, der Längskraftverlauf sowie die daraus ermittelten Mantelreibungskräfte last- und 179

Bild 9.12 Auftragung bei Längskraftmessung im Pfahl; (a) Verlauf der axialen Längenänderungen, (b) Längskraftverlauf, (c) Mantelreibungsspannungen

tiefenabhängig aufzutragen (siehe Bild 9.12). Dazu sind der tatsächliche Querschnittsverlauf des Pfahles sowie ggf. die Bestimmung des Elastizitätsmoduls des Pfahlwerkstoffs mit anzugeben. 9.2.7

Dokumentation und Berichte

9.2.7.1 Allgemeines (1) Die Einzelheiten, Versuchsergebnisse und Auswertungen sind in zwei separaten Berichten/Berichtsteilen darzustellen. – Teil 1: Datenbericht mit allen Einzelheiten des Versuchs und den Messergebnissen; 180

– Teil 2: Bericht über die Auswertungen mit der interpretierten Darstellung der Versuchsergebnisse, allen Auswertungen sowie ggf. resultierenden Empfehlungen für Bemessung und Ausführung. (2) Der Datenbericht ist i. d. R. von dem mit der Herstellung des Pfahles und/oder der Durchführung des Versuches beauftragten Unternehmen zu erbringen, der Bericht mit den Auswertungen vom geotechnischen Fachplaner oder Sachverständigen für Geotechnik. Anmerkung: Bei grundsätzlichen Versuchsanforderungen kann auch die Auswertung vom Hersteller der Pfähle und/oder dem mit der Durchführung des Versuches beauftragen Unternehmens erstellt werden. 9.2.7.2 Datenbericht Alle Einzelheiten des Versuchs sind zusammenzustellen. Der Bericht soll – soweit anwendbar – folgende Angaben enthalten und möglichst auch eine Bilddokumentation umfassen: 1. – – –

Allgemeine Angaben Ort und Zeit des Versuches, Lagepläne; besondere örtliche Gegebenheiten; Beschreibung der Baugrundverhältnisse, Eigenschaften, Bohrprofile, Sondierergebnisse, ggf. sind Auszüge des Baugrundgutachtens (Geotechnischer Untersuchungsbericht) beizufügen.

2. – – – –

Angaben zum Pfahlsystem Pfahlart; Abmessungen, Profil, Materialgüte, Bewehrung; Herstellungsverfahren, Herstellungsprotokolle; Festigkeiten der Pfahlwerkstoffe.

3. Versuchseinrichtung – Aufbau der Versuchseinrichtung; – Widerlagersystem (Zeichnungen, Details, Angaben über Anker oder Ankerpfähle); – Belastungseinrichtungen (hydraulische Pressen, mit Anordnung und Steuerung, Kraftmessdosen, Lastkonstanthaltung, Kalibrierzertifikate); – Messeinrichtung am Pfahlkopf (Herrichtung des Pfahlkopfes, Referenzsystem, Art und Anordnung der Wegaufnehmer, Art der Kontrollmessung, Festpunkte, ggf. Kalibrierzertifikate); – Messeinrichtung am Pfahlfuß (System, Einbaudetails, Abmessungen, ggf. Kalibrierzertifikate); – Messeinrichtung im Pfahlschaft (Art, Anordnung der Messstellen, Lage der Messstellen in Bezug auf die Bodenschichtung und die Bewehrung des Pfahles, Registriereinrichtungen, ggf. Kalibrierzertifikate). 181

4. – – – –

Versuchsdurchführung Versuchsdaten und Witterungsverhältnisse; Versuchsprotokolle (Kopien der Originalprotokolle); gesicherte Datenträger bei elektronischer Datenerfassung; Beobachtungen während der Durchführung (Pfahl, Widerlagersystem, Referenzsystem, Belastungseinrichtung, Umgebung).

9.2.7.3 Bericht mit den Auswertungen Der Bericht ist auf der Grundlage des Baugrundgutachtens (Geotechnischen Untersuchungsberichtes) und des Datenberichtes zu erstellen und soll – soweit anwendbar – folgende Angaben enthalten: 1. Ergebnisse – Widerstands-Verformungslinien für R(s), ggf. auch für Rb(s) und Rs(s); – Pfahlkopfverschiebungen als Funktion der Belastungsdauer, Lastwechsel bzw. Wiederholungen; – Verlauf der Längenänderungen entlang der Pfahlachse; – Angaben zu den tatsächlichen Querschnittsabmessungen bei Ortbetonpfählen; – Herleitung des effektiven Elastizitätsmoduls, ggf. Protokoll der Laboruntersuchung an Pfahlabschnitten; – Längskraftverlauf im Pfahl; – Mantelreibungsverlauf; – Mantelreibungs- und Spitzendruckspannungen. 2. – – – – – –

Empfehlungen (Geotechnischer Entwurfsbericht) Analyse der Probebelastungsergebnisse; Empfehlungen zu Pfahlart, -tiefe, -durchmesser, Baustoffen; Bemessungsvorgaben für die auszuführende Gründung; Aussagen über mögliche Gruppenwirkungen; Empfehlungen für die Ausführung; Empfehlungen für ggf. notwendige weitere Prüfungen oder Langzeitüberwachungen.

9.3

Statische Pfahlprobebelastungen quer zur Pfahlachse

9.3.1

Allgemeines

(1) Diese Empfehlungen gelten für „aktiv“ beanspruchte Pfähle, die planmäßig quer zu ihrer Achse belastet werden, im Gegensatz zu „passiv“ beanspruchten Pfählen, die einem Seitendruck infolge der Bewegung weicher bindiger Böden ausgesetzt sind, siehe 4.1. (2) Zur Notwendigkeit von Pfahlprobebelastungen quer zur Pfahlachse siehe 5.8. 182

(3) Das hauptsächliche Anwendungsgebiet von Probebelastungen quer zur Pfahlachse ist die genauere Ermittlung der horizontalen Bodenreaktion im Gebrauchszustand der Pfähle, erfasst z. B. in Form von Bettungsmoduln (Größe und Verteilung) an Großbohrpfählen. (4) Sollen Probebelastungen zur Ermittlung des Grenzzustandes der Tragfähigkeit im Boden ausgeführt werden, gelten die folgenden Ausführungen zur Anwendung des Bettungsmodulverfahrens nicht, weil die Beanspruchung dann höher sein muss. (5) Unabhängig davon können aber auch Pfahlprobebelastungen quer zur Pfahlachse bis in den Bruchlastbereich geführt werden, z. B. bei kurzen, nahezu starren Pfählen für Lärmschutzwandgründungen. 9.3.2

Grundlagen

(1) Für das Tragverhalten der Pfähle sind zwei Grenzfälle (6.2.2) zu unterscheiden: – kurze Pfähle, die sich als starre Körper im Boden verdrehen; – „unendlich lange“ Pfähle, bei denen die Verschiebungen den Pfahlfuß nicht erreichen. (2) Maßgeblich für das Tragverhalten ist die sogenannte elastische Länge LE des Probepfahls, die sich beispielsweise für konstanten Bettungsmodul ks aus Gl. (9.4a) und für lineare Zunahme des Bettungsmoduls mit der Tiefe aus Gl. (9.4b) ergibt (siehe Bild 9.13): LE =

4

E ⋅ I / D ⋅ ks

LE =

5

E ⋅ I ⋅ L / D ⋅ k sL

[m]

(9.4a) [m]

(9.4b)

Bild 9.13 Großbohrpfahl unter horizontaler Belastung mit Beispielen möglicher Bettungsmodulverteilungen; Bezeichnungen

183

D L E, I ks ksL

Pfahldurchmesser [m] Pfahllänge [m] Elastizitätsmodul und Trägheitsmoment des Pfahlschaftes [MN/m2, m4] konstanter Bettungsmodul [MN/m3] Bettungsmodul am Pfahlfuß [MN/m3]

(3) Die Vergrößerung der Einbindetiefe L über das Maß von 4 · LE hinaus hat keine Auswirkung mehr auf das Tragverhalten, da in größerer Tiefe die seitlichen Verschiebungen der Pfahlachse Null sind: dies sind die oben genannten „langen“ Pfähle. 9.3.3

Versuchsplanung

9.3.3.1 Allgemeine Grundsätze (1) Sollen an dem selben Pfahl Probebelastungen sowohl in axialer Richtung als auch quer zur Achse durchgeführt werden, so sollen die axialen Probebelastungen zuerst ausgeführt werden. Bei umgekehrter Reihenfolge wird möglicherweise die Größe der Mantelreibung beeinflusst, siehe 9.2.2.1 (7) und 9.2.2.6 (2). (2) Messungen haben ergeben, dass die Reaktionen des Baugrunds auf eine Probebelastung quer zur Pfahlachse durch eine gleichzeitig wirkende Axiallast nicht beeinflusst werden, so dass eine derartige kombinierte Belastung zur Simulation der Bauwerkslast nicht erforderlich ist [31]. (3) Die Verwendung von Bauwerkspfählen für Probebelastungen quer zur Pfahlachse ist zulässig [102]. Es sollte jedoch der Einfluss dieser Vorbelastung auf das spätere Tragverhalten im Bauwerk berücksichtigt werden. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass die Biegesteifigkeit EI solcher Bauwerkspfähle – soweit es sich um Stahlbetonpfähle handelt – von der axialen Pfahlbelastung abhängen kann, die bei einer Probebelastung i. Allg. noch fehlt, siehe dazu auch 9.3.3.2 und 9.3.9. (4) Die Lagerungsbedingungen des Pfahlkopfes lassen sich bei horizontalen Probebelastungen nur mit großem Aufwand wirklichkeitsnah simulieren. Üblich ist die Belastung von im Boden eingespannten Pfählen mit frei drehbarem Pfahlkopf. 9.3.3.2 Probepfähle (1) Separat hergestellte Probepfähle müssen den späteren Bauwerkspfählen entsprechen, d. h. sie müssen vergleichbare Abmessungen haben sowie auf gleiche Weise und im gleichen oder in einem vergleichbaren Baugrund hergestellt werden, siehe 9.2.1. (2) Sie brauchen abweichend von den späteren Bauwerkspfählen nicht länger als maximal L 184

max

= 4 ⋅ LE

(9.5)

hergestellt zu werden, auch wenn die Bauwerkspfähle z. B. aus Gründen der vertikalen Tragfähigkeit länger auszuführen sind. In Gl. (9.4) ist bei der Ermittlung der maximal erforderlichen Länge der voraussichtliche Wert des Bettungsmoduls unter Gebrauchslast einzusetzen. Da er die elastische Länge nur unwesentlich beeinflusst, genügt eine grobe Schätzung. (3) Bei Betonpfählen muss der Pfahlbeton zum Zeitpunkt der Probebelastung mindestens 80 % der Nennfestigkeit erreicht haben, damit im Bereich des maximalen Biegemomentes der Zustand I (keine Risse) möglichst lange erhalten bleibt. (4) Bei Probebelastungen an Bauwerkspfählen aus Beton sollte im Hinblick auf Rissbildung im Versuch die Stahlspannung fyk = 200 MN/m2 nicht überschritten werden. Solange die Biegezugspannung des Betons nicht größer wird als nach Gl. (9.7) in 9.3.9.2, darf erfahrungsgemäß davon ausgegangen werden, dass der Zustand I erhalten bleibt und die Biegesteifigkeit damit genau so groß ist wie später im Bauwerk, wo der Übergang in den Zustand II im Allgemeinen durch eine axiale Drucklast verhindert wird. Der Einfluss der Bewehrung auf die Biegesteifigkeit ist zu prüfen und ggf. besonders zu berücksichtigen [104]. (5) Bei Verdrängungspfählen in bindigem Boden muss ein durch das Einbringen der Pfähle ggf. hervorgerufener Porenwasserüberdruck abgebaut sein, bevor mit der Probebelastung begonnen werden darf, siehe 9.2.5.1. 9.3.3.3 Baugrunduntersuchungen (1) Für die Bewertung der Versuchsergebnisse und für die Übertragung der durch den Versuch ermittelten Bettungsmoduln auf Pfähle mit vergleichbaren Baugrundverhältnissen müssen die Bodenschichten in unmittelbarer Umgebung des Probepfahls bis zu einer Tiefe von 4 · LE oder, bei kurzen Pfählen, bis zu einer Tiefe von 1 D – mindestens aber 1 m – unter dem Pfahlfuß erkundet und ihre Steifemoduln ES ermittelt werden. Dazu sind ggf. an bindigen Böden Kompressionsversuche auszuführen und für nichtbindige Böden Korrelationen zu Sondierergebnissen zu verwenden. Außerdem sollten ggf. die Korngrößenverteilungen ermittelt werden, in bindigen Böden neben den Plastizitäts- und Konsistenzzahlen Ip bzw. Ic die Scherfestigkeit cu und für Gestein die einaxiale Druckfestigkeit und das Trennflächengefüge. Weitere Hinweise siehe auch 9.2.2.4. (2) Die Reaktion des Baugrunds auf horizontale Kontaktpressungen kann auch direkt mit der Seitendrucksonde untersucht werden [68]. In Ausnahmefällen kann es genügen, die Eigenschaften der vorgefundenen Bodenschichten aufgrund von örtlicher Erfahrung zu schätzen. 9.3.4

Grundsätze der Instrumentierung

(1) Im einfachsten Fall werden nur die Verschiebung y0 und die Verdrehung D0 des Pfahlkopfes gemessen [102]. Die dazu erforderlichen Messinstrumente 185

können auch noch nach der Fertigstellung des Pfahles installiert werden. Um den Verlauf des Bettungsmoduls als Funktion der Tiefe eindeutiger zu bestimmen, ist die Biegelinie des Probepfahles z. B. mit einem Inklinometer zu messen oder aus dem Biegemomentenverlauf zu ermitteln. Nähere Angaben enthält 9.3.7.3. 9.3.5

Belastungszustände

(1) Wegen des nichtlinearen Verhaltens des Systems Pfahl/Baugrund sollte der Gebrauchszustand im Versuch möglichst genau nachgeahmt werden. Außerdem ist die Zunahme der Verschiebung y0 und der Verdrehung D0 des Pfahlkopfes infolge von Kriechverformungen bindiger Böden unter Dauerlast oder infolge der Auswirkungen von zyklischen Belastungen gegebenenfalls im Versuch zu ermitteln (siehe [31]). (2) Am Pfahlkopf tritt meist eine kombinierte Belastung aus Horizontallast und Biegemoment auf. Dabei kann das Moment die Wirkung der Horizontallast verstärken, z. B. Lastangriff oberhalb des Pfahlkopfes bei Einzelpfahl oder Pfahlreihe, oder aber verringern, z. B. durch Rahmenwirkung bei Pfahlgruppen mit biegesteifer Kopfplatte (siehe Bild 9.14 und [5]).

Bild 9.14 Arten horizontaler Belastung von Bauwerkspfählen (nach [5])

(3) Die Einleitung eines Biegemomentes in einen Versuchspfahl erschwert und verteuert die Versuchsdurchführung in den meisten Fällen erheblich. Stattdessen darf die Größe der Versuchslast quer zur Pfahlachse so gewählt werden, dass etwa dieselben Bodenreaktionen mobilisiert werden wie im Gebrauchszustand. Bei Pfählen, deren Köpfe später im Bauwerk eingespannt sind, die aber mit frei drehbarem Kopf probebelastet werden, muss die bei Mitwirkung der Einspannung eintretende, unterschiedliche Form der Biegelinie bei der Ermittlung der Versuchslast berücksichtigt werden [5]. (4) Falls zum Zeitpunkt der Probebelastung die endgültige Belastung noch nicht verbindlich definiert werden kann, ist im Versuch die Abhängigkeit der Verschiebung und der Verdrehung des Pfahlkopfes von der Belastung so zu ermitteln, dass aus den Ergebnissen die tatsächlich zu erwartenden Verformungen im späteren Gebrauchszustand errechnet werden können. 186

(5) Unter einer Schwellbelastung nehmen die Pfahlkopfverschiebungen nach 5.9.3 erfahrungsgemäß proportional zum Logarithmus der Anzahl N der Lastwiederholungen zu. Bei langen Pfählen streben sie einem Endwert zu. Die Anzahl der Lastwiederholungen sollte so groß sein, dass aus den Messergebnissen eine entsprechende Gesetzmäßigkeit abgeleitet werden kann. 9.3.6

Belastungseinrichtung

(1) Nach Möglichkeit sollten zwei benachbarte Pfähle gegeneinander belastet werden, damit auf besondere Widerlager zur Aufnahme der Reaktionskräfte verzichtet werden kann (siehe Bild 9.15 und [104]).

Bild 9.15 Verschiedene Belastungsvorrichtungen für Pfahlprobebelastungen quer zur Pfahlachse (nach [104])

187

(2) Die Belastung ist mit Hilfe einer hydraulischen Presse aufzubringen. Sollen die Pfähle mit einem Zugglied aufeinander zu bewegt werden, muss ihr Achsabstand mindestens 6 Pfahldurchmesser betragen; sollen sie auseinander gedrückt werden, mindestens 2 Pfahldurchmesser. Im zweiten Fall muss ein Ausknicken des Druckgliedes verhindert werden. Im hydraulischen System sollte eine Vorrichtung zur automatischen Lastkonstanthaltung eingebaut sein. 9.3.7

Instrumentierung und Messverfahren

9.3.7.1 Kraftmessung am Pfahlkopf (1) Zur Kraftmessung genügt bei grundsätzlichen Versuchsanforderungen die Registrierung des hydraulischen Pressendrucks, über die bekannte Kolbenfläche kann aus dem Druck auf die Kraft geschlossen werden. Dabei ist eine Genauigkeit von ± 3 % der maximalen Versuchslast ausreichend. (2) Für erhöhte Versuchsanforderungen sollte die Ungenauigkeit der Kraftermittlung allein durch den hydraulischen Druck in den Pressen nicht über 2 % der Prüfkraft liegen, und es sollten zusätzlich Kraftmessdosen verwendet werden. (3) Alle Kraftmesseinrichtungen sind zu kalibrieren, wobei die Kalibrierung nicht länger als 12 Monate zurückliegen darf. Die Kraftmessdosen und hydraulischen Pressen sind zusammen mit dem Manometer zu kalibrieren. 9.3.7.2 Pfahlkopfverschiebungs- und -verdrehungsmessungen (1) Grundsätzlich müssen diese Messungen mit zwei verschiedenen und voneinander unabhängigen Verfahren durchgeführt werden. Zumindest müssen Kontrollmessungen der Pfahlkopfbewegungen mit einem unabhängigen Verfahren vor Beginn und nach Abschluss des Versuches sowie während der größten Belastung durchgeführt werden. (2) Die Auflager der Träger zur Befestigung der Instrumente für die Messung der Verschiebungen und Verdrehungen des Pfahlkopfes müssen einen lichten Abstand vom Probepfahl von 1,5 · Ds senkrecht zur Kraftrichtung haben, d. h. einen lichten Abstand von 4 · Ds zueinander. (3) Wegaufnehmer zur Erfassung der Pfahlkopfverschiebungen müssen einen ausreichenden Messbereich und 0,01 mm Ablesegenauigkeit haben. Zusätzlich sollten die Verschiebungen z. B. optisch mit nicht weniger als 0,1 mm Ablesegenauigkeit überprüft werden (siehe Bild 9.16). (4) Werden die Pfahlkopfverschiebungen mit elektrischen Wegaufnehmern gemessen, so sind für die unmittelbare Überwachung parallele Messungen mit mechanischen oder optischen Geräten erforderlich.

188

Bild 9.16 Beispiel einer Messvorrichtung für Pfahlprobebelastungen quer zur Pfahlachse

(5) Die Pfahlkopfverdrehungen können durch – – – –

paarweise angeordnete Verschiebungsgeber (Bild 9.16), Inklinometer, elektrooptische Vermessung eines einbetonierten hervorstehenden Messstabes oder andere Elemente

gemessen werden. (6) Für die Messung der Pfahlkopfverdrehung ist der Messbereich geeignet zu wählen; die Ablesegenauigkeit sollte für Verdrehungen 0,05 ‰ und für die Kontrollmessungen 0,5 ‰ betragen.

189

9.3.7.3 Messung der Biegelinie und der Biegemomente des Pfahlschaftes (1) Die Biegelinie kann direkt durch Inklinometermessungen bzw. paarweise in der Verformungsebene angeordnete Mikrometer oder Deformeter ermittelt werden oder indirekt über die Dehnungen und Stauchungen des Pfahlschaftes. (2) Die Biegemomente können nur indirekt bestimmt werden, indem die Stauchungen des Pfahlschaftes in der Druckzone und die Dehnungen in der Zugzone gemessen werden. (3) Für Inklinometermessungen können stationär eingebaute Inklinometer oder Inklinometerketten bzw. Inklinometersonden verwendet werden. Diese sind exakt in der vorgesehenen Ebene der Pfahlverformungen einzubauen bzw. zu führen. (4) Für Inklinometerketten und -sonden muss am oder im Pfahlschaft ein entsprechendes Führungsrohr angebracht werden. Bei Fertigpfählen ist es so anzuordnen und zu befestigen, dass es beim Einbringen des Pfahles nicht abgerissen oder eingedrückt wird. Bei Ortbetonpfählen darf das Führungsrohr nicht in der Zugzone angeordnet werden, weil sonst beim Übergang des Betons in den Zustand II Schäden auftreten können, die die Messergebnisse beeinträchtigen. (5) Für das punktweise Erfassen von Dehnungen eignen sich z. B. elektrische Dehnungsgeber (Schwingsaitengeber oder Dehnungsmessstreifen), die direkt mit einem Stahlpfahl bzw. der Pfahlbewehrung verbunden werden können, oder bei Ortbetonpfählen an separaten Messstäben im Bewehrungskorb appliziert werden. Durch paarweise Anordnung und entsprechende Staffelung der Messquerschnitte ermöglichen solche Dehnungsgeber bei Pfahlschäften mit gleichbleibendem Querschnitt und Elastizitätsmodul eine ausreichend genaue Ermittlung der Verteilung der Pfahldeformationen [80]. Anmerkung 1: Bei Stahlbetonpfählen ist die auf diese Weise erreichbare Genauigkeit jedoch viel geringer als bei der direkten Messung der Biegelinie. Anmerkung 2: Da Ausfälle durch Feuchtigkeit oder Beschädigung der Kabel bei der Pfahlherstellung nie völlig ausgeschaltet werden können, sollte der Abstand der Messebenen längs des Pfahles möglichst klein gewählt werden. (6) Bei Ortbetonpfählen sind sowohl der Querschnitt als auch der E-Modul des Betons meist nicht über die Tiefe konstant, siehe 9.2.4.6. Repräsentative Ergebnisse sind in diesem Fall eher von Integralmesselementen zu erwarten, welche die Stauchungen z. B. von jeweils 1 m langen Pfahlabschnitten messen. Diese Integralmesselemente sind mit Dehnungsmessstreifen oder Schwingsaitengeber ausgestattete Stahlstäbe oder -rohre die selbst nur an den Enden der Messstrecken im Beton verankert sind. Die Messstrecke selbst ist nicht kraftschlüssig mit dem Beton des Pfahls verbunden. Größere Messstrecken sind im Hinblick auf die Veränderung des Biegemomentes mit der Tiefe nicht ratsam. (7) Voraussetzung für eine zuverlässige Erfassung der Längenänderungen durch Dehnungsgeber ist deren vollständige Einbettung in den Pfahlwerkstoff und ihre Anordnung an Pfahlstellen, die für das Dehnungsverhalten repräsentativ sind. 190

(8) Deformeter oder Mikrometer gestatten bei hoher Genauigkeit die kontinuierliche Erfassung der Längsdeformationen über die gesamte Pfahllänge. Bei ihnen werden Längenänderungen über kurze Pfahlabschnitte zwischen fest eingebauten Messköpfen direkt gemessen und ermöglichen durch Vergleich mit der Nullmessung einen unmittelbaren Rückschluss auf abschnittsweise veränderliche Pfahldeformationen. (9) Messungen mit Mikrometern oder Deformetern erfordern einen relativ hohen Aufwand für die Vorbereitung und Durchführung der Messungen, für die auch ein freier und sicherer Zugang oberhalb des Pfahlkopfes während der Probebelastung zu gewährleisten ist. Messungen nach Fertigstellung des Bauwerks sind daher an Gründungspfählen nicht möglich. (10) Für den Rückschluss von den Pfahldeformationen auf die dort wirksame Spannung und weiter auf die Biegemomente ist die genaue Kenntnis des Pfahlquerschnitts und der tatsächlichen Verformungseigenschaften des Pfahlwerkstoffes notwendig. Die Gleichmäßigkeit der Betonqualität kann in gewissen Grenzen z. B. mit Ultraschallmessungen überprüft werden, siehe 12.3. (11) Bei Ortbetonpfählen wird die Auswertung durch Abweichungen vom Sollquerschnitt, beispielsweise infolge Wulstbildung, durch Streuung der Betonqualität sowie ggf. durch Risse im Beton der Zugzone beim Übergang vom Zustand I in den Zustand II erschwert. (12) Für jeden Einzelfall sollte nach Wertung der jeweiligen Bedingungen entschieden werden, auf welche Weise realistische Werte der Biegesteifigkeit gewonnen werden können. Die zwangsläufigen Unschärfen bei diesen Ermittlungen können erheblichen Einfluss auf die Ergebnisse haben. 9.3.7.4 Schutz der Messvorrichtungen (1) Die Messvorrichtungen müssen gegen Witterungseinflüsse wie Windstöße und Sonneneinstrahlung geschützt werden, damit die Messergebnisse nicht verfälscht werden. Den besten Schutz bietet ein Zelt, das den Pfahlkopf auch seitlich umschließt. Für Versuche mit kurzer Dauer sind gegebenenfalls Schweißerschirme für die Instrumente, Styroporabdeckungen für stählerne Messträger oder die Verwendung von hellfarbigen, hölzernen Gitterträgern anstelle von Stahlträgern ausreichend. 9.3.8

Versuchsdurchführung

9.3.8.1 Regelfall (1) Die Versuchslast sollte in fünf gleichen Stufen auf ihren planmäßigen Höchstwert max. H gesteigert werden. Wenn ein Übergang in den Zustand II zu erwarten ist, sollten in diesem Bereich Zwischenstufen eingeschaltet werden. Bei der Entlastung sind auch größere Schritte zulässig, indem beispielsweise die Stufen 0,8 · max H und 0,4 · max H übersprungen werden (siehe Bild 9.17). 191

Bild 9.17 Schema zu den Mindestanforderungen an das Belastungsprogramm

(2) Bei der Erstbelastung und der anschließenden stufenweisen Entlastung darf die Belastung erst dann gesteigert bzw. verringert werden, wenn die Veränderung der Pfahlkopfverschiebung auf einen Wert von 0,10 mm in 5 min abgeklungen ist. Die Mindestdauer einer Laststufe beträgt bei der Erstbelastung 20 min, bei der Ent- und Wiederbelastung 10 min. (3) Die Verschiebungen und Verdrehungen sollten mindestens in Intervallen von 5 Minuten abgelesen werden, bzw. anfangs in kürzeren Intervallen bei Annäherung an Grenzlasten sowie bei Bauwerkspfählen. (4) Wenn die maximale Versuchslast der späteren Gebrauchslast entspricht, sind die Kriechverformungen des Baugrunds meist so klein, dass die Ermittlung eines Kriechmaßes oder einer Kriechlast nicht erforderlich ist. (5) Separat hergestellte Probepfähle sollten nach Einschaltung einer Entlastung über die vorgesehenen Gebrauchslasten hinaus möglichst bis zur Grenzlast belastet werden. Hierbei sollten auch die Kriechmaße gemäß 9.2.2.3 (1b) bzw. Bild 9.3 ermittelt werden. 9.3.8.2 Sonderfälle (1) Sind bei einem Bauwerk bestimmte Belastungsänderungen mit definiertem zeitlichen Ablauf zu erwarten, beispielsweise wiederholte Schwell- und Wechselbelastung infolge von Bremslasten oder Temperaturänderung aus einem Brückenüberbau, so sollten solche Belastungsabläufe im Versuch simuliert werden. (2) Bei bindigen Böden mit mittlerer oder ausgeprägter Plastizität ist es zweckmäßig, eine ständig wirkende Gebrauchslast im Versuch bis zum Abklingen der Bewegungen konstant zu halten. In einem solchen Fall ist die Ermittlung des Kriechmaßes sinnvoll. 192

Bild 9.18 Pfahlkopfverschiebungen und Pfahlkopfverdrehungen eines Probepfahles

(3) Bei Wechsel- oder Schwellbelastungen sollten die Größe, die Amplitude und die Dauer der einzelnen Zyklen wirklichkeitsnah gewählt werden, siehe auch Abschn. 5.9. 9.3.9

Auswertung

9.3.9.1 Last-Verschiebungs-Linien (1) Sofern sämtliche Randbedingungen im Versuch mit denen der Bauwerkspfähle übereinstimmen, können die gemessenen Verschiebungen und Verdrehungen des Pfahlkopfes, ggf. auch die Schnittkräfte, direkt übertragen werden (siehe Bild 9.18). (2) Bei Probebelastungen an Bauwerkspfählen, die nur einer Kontrolle der Berechnungsannahmen dienen, genügt der Nachweis, dass die unter der Gebrauchslast oder einer entsprechenden Versuchslast gemessene Verschiebung und Verdrehung des Pfahlkopfes die rechnerisch prognostizierten Werte nicht überschreiten. (3) Kann in Ausnahmefällen die vorgesehene Gebrauchslast im Versuch nicht in voller Größe erreicht werden, so darf die gemessene Last-Verschiebungs-Linie H(y0) um maximal 20 % der größten gemessenen Verschiebung, aber nicht weiter als bis zu einer Gesamtverschiebung von 12 mm extrapoliert werden.

193

9.3.9.2 Bettungsmodul (1) Sollen die Messergebnisse auch auf Pfähle mit anderen Randbedingungen übertragen werden, beispielsweise mit – – – – – –

abweichender Pfahllänge, siehe dazu 9.3.2, abweichendem Pfahldurchmesser, Kopfeinspannung, anderer Lastangriffshöhe, abweichender Lage der Schichtgrenzen, Beeinflussung durch Nachbarpfähle in Pfahlgruppen,

müssen aus den gemessenen Größen Horizontallast H, Pfahlkopfverschiebung y0 und Pfahlkopfverdrehung D0 im Lastangriffspunkt die Größe und Verteilung des Bettungsmoduls ermittelt werden. Dies ist nur durch systematisches Probieren möglich und erfordert erhebliche Erfahrung, siehe z. B. [6, 101]. (2) Der Übergang vom Zustand I in den Zustand II bei höheren Laststufen ist durch eine überproportionale Zunahme der Pfahlkopfverformungen gekennzeichnet. Er kann rechnerisch durch die Ermittlung der Betonzugspannung im Zustand I abgeschätzt werden, und das geringere wirksame Trägheitsmoment IW mit Hilfe von Bild 9.19 nach [6].

Bild 9.19 Wirksames Trägheitsmoment von kreisrunden Stahlbetonpfählen im Zustand II bei reiner Biegung

194

Das Rissmoment beträgt: M R = fctm ⋅ π ⋅ D3 / 32

(9.6)

(3) Der Mittelwert der zentrischen Zugfestigkeit des Betons fctm ist in DIN 1045-1 angegeben und kann mit f ⎞ ⎛ fctm = 2,12 ⋅ ln ⎜1 + cm ⎟ (ab C55/67) ⎝ 10 ⎠

(9.7)

angenommen werden. (4) In jedem Fall ist zu prüfen, ob obere oder untere Grenzwerte des Bettungsmoduls für die Bemessung maßgebend sind, und ob die Übertragung von Probebelastungsergebnissen in diesem Sinne auf der sicheren oder auf der unsicheren Seite liegt. 9.3.10

Dokumentation und Versuchsbericht

9.3.10.1 Allgemeines (1) Die Einzelheiten, Versuchsergebnisse und Auswertungen sind in zwei separaten Berichten/Berichtsteilen darzustellen. – Teil 1: Datenbericht mit allen Einzelheiten des Versuchs und den Messergebnissen, – Teil 2: Bericht über die Auswertungen mit der interpretierten Darstellung der Versuchsergebnisse, allen Auswertungen sowie ggf. resultierenden Empfehlungen für Bemessung und Ausführung. (2) Der Datenbericht ist i. d. R. von dem mit der Herstellung des Pfahles und/oder der Durchführung des Versuches beauftragten Unternehmen zu erbringen, der Bericht mit den Auswertungen vom geotechnischen Fachplaner oder Sachverständigen für Geotechnik. Anmerkung: Bei einfachen Versuchsanforderungen kann auch die Auswertung vom Hersteller der Pfähle und/oder dem mit der Durchführung des Versuches beauftragen Unternehmen erstellt werden. 9.3.10.2 Datenbericht (1) Alle Einzelheiten des Versuches sind zusammenzustellen. Der Bericht oder Berichtsteil sollte folgende Angaben enthalten und möglichst auch eine Photodokumentation umfassen: 1. Allgemeine Angaben – Ort und Zeit des Versuches; Lagepläne; – besondere örtliche Gegebenheiten; 195

– Baugrundverhältnisse, Eigenschaften der Bodenschichten; Bohrprofile, Sondierergebnisse, Ergebnisse von Laborversuchen; Grundwasserstand; ggf. Auszüge aus dem Baugrundgutachten (Geotechnischer Untersuchungsbericht). 2. Angaben zum Pfahlsystem – – – – –

Pfahlart; Abmessungen, Profil, Materialgüte, Bewehrung; Herstellungsverfahren; Herstellungsprotokolle; Festigkeiten der Pfahlwerkstoffe.

3. Versuchseinrichtung – Aufbau der Versuchseinrichtung; – Belastungseinrichtungen: Druckstempel, Zugstangen, ggf. Widerlager; hydraulische Pressen, mit Anordnung und Steuerung, Kraftmessdosen, Lastkonstanthaltung, Kalibrierzertifikate; – Messeinrichtung am Pfahlkopf (Herrichtung des Pfahlkopfes, Referenzsystem, Art und Anordnung der Wegaufnehmer, Art der Kontrollmessung, Festpunkte); – Messeinrichtung im Pfahlschaft (Art, Anordnung der Messstellen, Lage der Messstellen in Bezug auf die Bodenschichtung und die Bewehrung des Pfahles, Registriereinrichtungen, ggf. Kalibrierzertifikate). 4. Versuchsdurchführung – – – –

Versuchsdaten und Witterungsverhältnisse; Versuchsprotokolle (Kopien der Originalprotokolle); gesicherte Disketten bei elektronischer Datenerfassung; Beobachtungen während der Durchführung (Pfahl, Widerlagersystem, Referenzsystem, Belastungseinrichtung, Umgebung); – Gründe für eine Abweichung von dem üblichen Versuchsablauf. 9.3.10.3 Bericht mit den Auswertungen Der Bericht ist auf der Grundlage des Baugrundgutachtens (Geotechnischer Untersuchungsbericht) und des Datenberichtes zu erstellen und soll – soweit anwendbar – folgende Angaben enthalten: 1. Ergebnisse – Last-Verschiebungs-Kurve, Last-Verdrehungs-Kurve; Pfahlkopfverschiebungen und -verdrehungen als Funktion der Belastungsdauer oder der Anzahl der Lastwiederholungen bzw. Lastwechsel; – Angaben zu den tatsächlichen Querschnittsabmessungen bei Ortbetonpfählen; – Herleitung des effektiven Elastizitätsmoduls; – Biegelinien und Biegemomente für bestimmte, kennzeichnende Belastungszustände (siehe Bild 9.20). 196

Bild 9.20 Beispiele von Ergebnissen aus Inklinometer- und Dehnungsmessungen an einem Probepfahl unter stufenweise gesteigerter Wechselbelastung; spiegelsymmetrische Darstellung

2. Empfehlungen (Geotechnischer Entwurfsbericht) – – – – – –

Analyse der Probebelastungsergebnisse; Empfehlungen zur Pfahlart, -tiefe, -durchmesser, Baustoffe; Bemessungsvorgaben für die auszuführende Gründung; Aussagen über mögliche Gruppenwirkungen; Empfehlungen für die Ausführung; Empfehlungen für ggf. notwendige weitere Prüfungen oder Langzeitüberwachungen.

197

10

Dynamische Pfahlprobebelastungen

10.1

Ziele und Anwendungsbereich

(1) Nach DIN 1054 und Eurocode EC 7-1 dürfen Pfahlwiderstände nicht nur aus statischen Pfahlprobebelastungen und Erfahrungswerten, sondern auch auf der Grundlage von dynamischen Pfahlprobebelastungen ermittelt werden. Als dynamische Pfahlprobebelastung werden die Verfahren bezeichnet, bei denen die Belastung durch Abbremsen einer Masse (Stoß) oder Beschleunigung einer Masse (Rapid Load Test) auf dem Pfahlkopf aufgebracht wird und bei denen der statische Widerstand aus der Auswertung von Messungen des Stoßkraftzeitverlaufs und der Bewegung des Pfahlkopfes ermittelt wird. Die Bestimmung des statischen Widerstandes aus Rammformeln (auch durch Anwendung von Wellengleichungsberechnungen) wird hier nicht behandelt. (2) Die im Folgenden zusammengefassten Empfehlungen haben zum Ziel, dem Anwender den Stand der Technik über dynamische Pfahlprobebelastungen aufzuzeigen und im Zusammenhang mit den nationalen und europäischen Normen die Anwendungsbedingungen anzugeben. Dabei wird der Stand der Technik bei den in der Praxis eingeführten Methoden behandelt. Die Art der Lastaufbringung bzw. die begrifflichen Vorgaben nach DIN 1054:2005-01 und Eurocode EC 7-1 werden als Kriterium für die Einordnung der einzelnen Testverfahren in die dynamischen Verfahren verwendet. Empfehlungen zu statischen axialen Probebelastungen siehe 9.2. (3) Bei den Verfahren zur Auswertung der dynamischen Pfahlprobebelastung zur Bestimmung der statischen axialen Pfahlwiderstände wird zwischen „Direkten Verfahren“ und „Erweiterten Verfahren“ unterschieden, siehe Übersicht in Tabelle 10.1. Anmerkung: Eurocode EC 7-1 enthält noch weitere dynamische Verfahren z. B. Rammformeln, die nachfolgend nicht weiter behandelt sind. (4) Die Empfehlungen umfassen Angaben zu den Anforderungen an die Testdurchführung, zur Prüfung der Eignung der Rammgeräte, zur Auswertung der Messungen sowie zur Dokumentation und Berichterstattung. Darüber hinaus werden Hinweise zu weiterführender Literatur gegeben. Auf der Grundlage dieser vorliegenden Empfehlungen kann, bei entsprechender vertraglicher Vereinbarung bzw. Ausschreibung, eine vergleichbare Leistung einzelner Anbieter für dynamische Pfahlprobebelastungen hergestellt werden. Sie wendet sich damit nicht nur an die mit den dynamischen Pfahlprüfungen befassten ausführenden Firmen und Ingenieurbüros, sondern auch an die ausschreibenden Stellen. (5) Der Nutzer der Empfehlung soll in die Lage versetzt werden, den Einsatzbereich der dynamischen Tragfähigkeitsprüfungen zu bestimmen und sie vom Aufwand und Ergebnis auch im Vergleich zu statischen axialen Pfahlprobebelastungen nach 9.2 beurteilen zu können. 199

Tabelle 10.1 Bezeichnung der Auswertungsverfahren der dynamischen Pfahlprobebelastung zur Ermittlung axialer Pfahlwiderstände und Zuordnung zu den Bemessungsnormen Abschnitt Direkte Verfahren

10.6.2.1

mit Ableitung aus der eindimensionalen Wellentheorie CASE-Verfahren TNO-Verfahren

10.6.2.2 10.6.2.3

aus dynamischem Gleichgewicht am starren Körper abgeleitet (nur bei Rapid Load Test); Unloading Point Methode

10.6.2.4

Erweiterte Verfahren

10.6.2.1

mit vollständiger Modellbildung CAPWAP-TNOWAVE

10.6.3

DIN 1054:2005-01

Eurocode EC 7-1:2005-10

8.4.2

7.6.2.4

nicht geregelt

nicht geregelt

8.4.2

7.6.2.4

(6) Dynamische Pfahlprobebelastungen sollten an mindestens 2 Pfählen pro Baugrundhomogenbereich und Pfahltyp bzw. Pfahlabmessung durchgeführt werden. (7) Die Anzahl der durchgeführten dynamischen Pfahlprobebelastungen bestimmt den anzusetzenden Streuungsfaktor [ zur Ableitung der charakteristischen Pfahlwiderstände aus den Messwerten der dynamischen Probebelastungen. (8) Weiterhin sollte die Anzahl der dynamischen Pfahlprobebelastungen unter Berücksichtigung der vorgenannten Mindestanzahl von 2 Probebelastungen pro Pfahl-Baugrundhomogenbereich projekt- und baugrundbezogen in Abstimmung mit dem geotechnischen Sachverständigen bzw. Fachplaner festgelegt werden. Die daraus abzuleitenden charakteristischen Pfahlwiderstände sollten durch den geotechnischen Sachverständigen bzw. Fachplaner bestätigt werden. (9) Aus der Kurzzeitbelastung können zeitabhängige Setzungen unter konstanter Last nicht ermittelt werden. Wegen der grundsätzlichen Unterschiede zwischen einer kurzzeitigen dynamischen Belastung (mehrere Millisekunden) und einer statischen Belastung mit Lastkonstanthaltung (mehrere Stunden) kann bei der Anwendung in kriechfähigen Böden auf die Kalibrierung der Ergebnisse an statischen Probebelastungen nicht verzichtet werden. (10) Kalibrierwerte für eine Abschätzung der Größenordnung von Kriechsetzungen können ggf. zunächst auch von Baustellen mit nachweisbar übertragbaren Verhältnissen stammen [67, 95]. Es sei aber darauf hingewiesen, dass DIN 1054 fordert, bei Pfählen in kriechfähigen oder stark tonigen Böden sollten die Er200

gebnisse von dynamischen Pfahlprobebelastungen grundsätzlich an statischen Pfahlprobebelastungen auf dem gleichen Baufeld kalibriert werden. Eine Übertragbarkeit aus vergleichbaren Baugrundverhältnissen ist demgegenüber nur bedingt möglich. 10.2

Prinzip der dynamischen Probebelastungen

(1) Für die Ermittlung der Pfahlwiderstände (siehe Kapitel 5) und die Nachweise der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit (siehe Kapitel 6) von axial belasteten Pfählen ist es erforderlich, den Pfahl bis nahe an den Grenzzustand zu belasten. Während bei statischen Probebelastungen nach 9.2 hierzu die für die Erreichung des Grenzzustandes erforderliche Kraft gegen eine Totlast oder Reaktionspfähle bzw. -anker über Pressen auf den Pfahl aufgebracht wird, nutzen die dynamischen Verfahren die Newton’sche Beziehung Kraft = Masse · Beschleunigung. Aufgrund der mitwirkenden Beschleunigung ist die notwendige Masse wesentlich geringer als bei statischen Probebelastungen mit Totlast. In Abhängigkeit vom dynamischen Verfahren sollte die Gewichtskraft der Masse 1 % bis 10 % des angestrebten bzw. nachzuweisenden Pfahlwiderstandes betragen. (2) Der dynamische Effekt wird unter anderem beim Rammen von Pfählen genutzt. Es ist bekannt, dass zwischen der Wirkung des Rammschlages, d. h. der Eindringung pro Schlag oder Hitze, und dem statischen Pfahlwiderstand ein Zusammenhang besteht, der mit verschiedenen Rammformeln ausgewertet werden kann. Wird während eines Rammschlages oder einer Nachrammung die Pfahlbewegung messtechnisch überwacht, so können aus den aufgezeichneten Messsignalen unter Verwendung von Rechenverfahren der Pfahlwiderstand oder das Tragverhalten in Form einer Widerstands-Setzungs-Linie (WSL) ermittelt werden. (3) Rammpfähle können im Allgemeinen mit der vor Ort vorhandenen Rammausrüstung getestet werden. Darüber hinaus sind spezielle Belastungseinrichtungen, z. B. Freifallgewichte oder Einrichtungen zur Beschleunigung von Reaktionsmassen im Einsatz, mit denen auch Ortbetonpfähle geprüft werden können. Die beim Pfahltest bereitzustellende Masse des Rammbäres oder Freifallgewichtes und damit die aufgebrachte Kraft, richtet sich nach der Größe der angestrebten Pfahltragfähigkeit (charakteristischer Pfahlwiderstand). 10.3

Grundlagen und Entwicklungen

10.3.1

Theoretische Einordnung

Die dynamische Belastung eines Pfahls im Boden stellt ein Wellenausbreitungsproblem des elastischen Halbraumes dar. Die Reduktion der Pfahldynamik auf ein einfaches eindimensionales Pfahl-Modell wird aufgrund der problemeigenen Rotationssymmetrie möglich. Energieabstrahlung in den Halbraum des Bodens wird durch Dämpfungselemente berücksichtigt. 201

10.3.2

High-Strain-Verfahren

(1) Bei dem High-Strain-Verfahren wird aus der messtechnischen Erfassung des Rammvorganges auf der Grundlage der Theorie der eindimensionalen Stoßwellenausbreitung der statische und dynamische Widerstand und die Art der Lastabtragung, überwiegend Mantelreibung oder Pfahlspitzenwiderstand, bestimmt, siehe [35, 96]. Durch den Vergleich mit zahlreichen Ergebnissen statischer axialer Pfahlprobebelastungen wurde die Vergleichbarkeit der Ergebnisse der dynamischen Tests nachgewiesen und deren Eignung bestätigt, siehe z. B. [11, 29, 67, 112, 115]. Die zunächst nur bei Fertigpfählen eingesetzte Methode wird seit etwa 1975 auch auf Ortbetonpfähle angewendet, siehe z. B. [49, 110]. (2) Seit 1990 kann das Verfahren auch beim Einrütteln eingesetzt werden, z. B. [2]. Eine weitere Entwicklung betrifft die Anwendung bei der Bohrlochrammsondierung BDP (Standard-Penetration-Test), um die Unsicherheit der Energieeinleitung beim Schlag auszugleichen [2]. (3) Im Vergleich zu der Auswertung von Rammformeln wird durch das HighStrain Verfahren eine bessere Anpassung des mechanischen Modells an die Realität erreicht. Die Umsetzung der Theorie der eindimensionalen Wellenausbreitung in ein praktisch einsetzbares Prüfverfahren wird durch eine Messtechnik ermöglicht, mit der die in den Pfahlkopf eingeleitete Kraft und die Pfahlkopfbewegung in Abhängigkeit von der Zeit während des Belastungsvorganges erfasst werden. 10.3.3

Rapid Load Test

(1) Da die dynamischen Pfahlprobebelastungen wegen ihrer wellentheoretischen Grundlagen und der langwierigen Auswertung der gemessenen Beschleunigungs- und Dehnungssignale als mehr indirekte Verfahren in der praktischen Anwendung auf Vorbehalte gestoßen sind, wurden immer wieder Versuche unternommen, dynamische Pfahlprobebelastungen mit direkter Messung der WSL zu entwickeln. (2) Das Statnamic-Verfahren wurde in den 1980iger Jahren in Kanada und Holland entwickelt. Die „statnamische Probebelastung“ basiert auf der Beschleunigung einer Reaktionsmasse vom Pfahlkopf weg und der daraus resultierenden Kraft auf den Pfahlkopf. Eine Variante ist die sogenannte pseudostatische Prüfung, bei der das Fallgewicht durch Federn abgefangen wird. (3) Die unter (1) und (2) genannten Verfahren werden unter dem Oberbegriff „Rapid-Load“-Test zusammengefasst. (4) Während der Testdurchführung werden die Pfahlkopfbewegungen durch ein optisches Mess-System und die eingeleitete Kraft mit einer Kraftmessdose zeitabhängig erfasst. (5) Der Unterschied zwischen der statnamischen und der dynamischen Probebelastung ist insbesondere durch die Impulsdauer der Lasteinleitung definiert (siehe Bild 10.1). Bei einer dynamischen Pfahlprobebelastung wird aufgrund 202

Bild 10.1 Beispiel zur Impulsdauer bei dynamischer Probebelastung (High-Strain-Verfahren) und beim Rapid Load Test

der geringen Impulsdauer (ca. 20 ms) eine Wellenfront in den Pfahl induziert, deren messtechnische Erfassung und nachfolgende Analyse die Grundlage der Ermittlung der Pfahltragfähigkeit bildet. Die Dauer der Lasteinleitung beim Rapid Load Test ist länger. Wellenausbreitungsvorgänge spielen dann bis zu einer Pfahlgrenzlänge eine untergeordnete Rolle, denn es wird angenommen, dass der Pfahl während des gesamten Prüfzeitraumes überdrückt ist. Daraus ergibt sich, dass die Belastungsdauer eines Rapid-Load-Tests größer sein soll als das 12-Fache der Laufzeit der Welle vom Pfahlkopf zum Pfahlfuß. 10.4

Anforderungen an die Prüfungen

10.4.1

Pfahlvorbereitung

(1) Die Durchführung dynamischer Probebelastungen erfordert insbesondere bei Ortbetonpfählen eine Vorbereitung des Pfahls. Beim High-Strain Test ist der Pfahl infolge von Wellenreflexionen auch Zugwellen ausgesetzt, die im Extremfall die zulässigen Zugspannungen der Betonfestigkeit überschreiten. Um dies zu vermeiden, sollte in jedem Fall eine Bewehrung und eine Pfahlkopfvorbereitung durch Aufbetonieren einer Hülse angeordnet werden. Beim Rapid-Load Test 203

kann der Pfahl bis zu einer Grenzlänge ausschließlich unter einer Druckbelastung stehen. Für unbewehrte Tragelemente kann damit die Grenztragfähigkeit unter Berücksichtigung der Grenzlänge mit dieser Methode ermittelt werden. Bei beiden Verfahren ist jedoch eine geglättete Oberfläche zur kraftschlüssigen Lasteinleitung über den Pfahlquerschnitt vorzusehen. 10.4.2

Prüfzeitpunkt

(1) Zum Zeitpunkt der Prüfung muss das Pfahlmaterial eine ausreichende Festigkeit aufweisen, damit der Pfahl einerseits durch den Test nicht beschädigt und andererseits eine sachgerechte Analyse der Messwerte möglich ist. (2) Es ist zu beachten, dass Pfähle in bestimmten Böden eine zeitabhängige Zu- oder auch Abnahme der Tragfähigkeit aufweisen, die zum Zeitpunkt der Durchführung der statischen und dynamischen Probebelastungen nicht feststellbar ist. Insbesondere bei rammbegleitenden Prüfungen ist daher zu empfehlen, die Prüfung nach einer ausreichenden Wartezeit zu wiederholen. Diese Wiederholung der Stoßprüfung bietet dann die Möglichkeit, den Einfluss der Standzeit auf das Tragverhalten z. B. infolge „Festwachsen“ der Pfähle oder Abbau von Porenwasserüberdruck zu bestimmen. (3) Zur Bestimmung der Pfahlwiderstände wird meist ausschließlich bei Nachrammungen gemessen. 10.4.3

Prüfvorgang

(1) Die Stoßbelastung muss möglichst zentrisch aufgebracht werden. Zur Plausibilitätskontrolle sind die bleibenden Verschiebungen nach jedem Schlag mit genügender Genauigkeit (mm) zu messen. Bei Messungen während des Rammens ist die Eindringung summarisch festzuhalten (Hitze). (2) Das eingesetzte Gewicht sollte bei High-Strain-Prüfungen mindestens 1 % und beim Rapid Load Test mindestens 5 % des nachzuweisenden Pfahlwiderstandes aufweisen. Für den Nachweis eines Pfahlwiderstandes von 10 MN sollte also bei der dynamischen Prüfung ein Fallgewicht von mindestens 10 t bzw. 100 kN eingesetzt werden, bei einem Rapid Load Test ein Gegengewicht von mindestens 50 t bzw. 500 kN. Größere Fallmassen oder Gegengewichte sind vorteilhaft. (3) Auswertbare Messergebnisse sind nur zu erwarten, wenn das Pfahlmaterial beim Stoß nicht beschädigt wird und kein plastisches Verhalten zeigt. Aufgrund der dynamischen Anteile am Rammwiderstand ist die Stoßbelastung größer als die Prüflast, dementsprechend sind auch die induzierten Spannungen größer. Die Spannungen für den erwarteten Spitzenwert der Stoßkraft sollten vor der Testdurchführung abgeschätzt werden, um so plastische Verformungen des Pfahlmaterials zu vermeiden. Insbesondere bei der Bemessung und Prüfung von Ortbetonpfählen ist dies zu beachten. 204

(4) Zur Verminderung festigkeitsüberschreitender Spannungen im Pfahl ist es möglich, den Stoß durch Futter oder Federn (pseudostatische Belastungsprobe) abzufangen und damit die Belastungsdauer wie beim Rapid Load Test zu verlängern (siehe Bild 10.1). (5) Die Ermittlung der Kraft und der Bewegungen am Pfahlkopf dienen als Grundlage für die rechnerische Ermittlung der Pfahlwiderstände. Die zugrunde liegenden Größen müssen kontinuierlich über die Zeit gemessen werden. (6) Beim Standardverfahren (‚High Strain‘ Methode) werden die Dehnungen sowie die Beschleunigungen am Pfahlkopf gemessen. Nach Multiplikation mit der Querschnittsfläche und dem dynamischen Elastizitätsmodul ergibt sich aus den Dehnungen die eingeleitete Kraft. Aus der Beschleunigung wird durch Integration die Geschwindigkeit und durch nochmalige Integration die Verschiebung erhalten. (7) Die Erfassung einer Messgröße, Dehnung wie Beschleunigung, erfordert jeweils mindestens zwei Aufnehmer je Messquerschnitt, die diametral am Pfahlschaft anzuordnen sind. Hierdurch kann eine eventuelle Biegung aus Exzentrizität des Stoßes kompensiert werden. Bei Pfahldurchmessern > 1,5 m oder wenn der Abstand der Aufnehmer vom Pfahlkopf weniger als 1,5 · Ds beträgt, sollten wenigstens 4 Dehnungsaufnehmer eingesetzt werden. (8) Die Aufnehmer sind unverschieblich seitlich am Pfahl anzubringen, so dass die Pfahlkopfbewegungen und die Dehnungen eindeutig erfasst werden. Der Abstand vom Pfahlkopf soll größer 1,5 · Ds bei Vollkreisquerschnitten sein. Bei anderen Querschnitten, insbesondere aufgelösten Stahlprofilen, orientiert sich der Abstand an der Ausbreitungscharakteristik der Stoßwellen. (9) Die wichtigsten Messgrößen sind während der Rammung auszuwerten, um ggf. Schäden, Störungen und Messfehler zu erkennen. Folgende Punkte sind zu beachten: a) Die Dehnungsanzeige muss bis zum Zeitpunkt unmittelbar vor dem Stoßereignis 0 sein und nach der Kraftübertragung auf den (geringeren) Wert des Fallgewichtes abfallen. b) Zur Berechnung der Kraft ist der dynamische E-Modul aus der Laufzeit der Welle zu errechnen. c) Das Produkt aus Kraft und Geschwindigkeit ist über die Zeit zu integrieren, um die eingeleitete Energie zu ermitteln. d) Die Maxima der Kraft, der Beschleunigung, der Geschwindigkeit, der eingeleiteten Energie, der Kraft zur Zeit der maximalen Geschwindigkeit und die minimale Kraft (Zugspannung) sind zu bestimmen und zu protokollieren. e) Die maximalen Spannungen während des Stoßes sind zu ermitteln und aufzuzeichnen. f) Die Integrität des Pfahles ist über das relative Verhalten von Kraft und Geschwindigkeit zu überprüfen. 205

(10) Eine Zusammenstellung von weiteren bei der Vorbereitung und Durchführung der Stoßprüfung zu beachtenden Punkten enthält 10.5. (11) Bei Rapid Load Tests werden die erzeugte Kraft und die Relativverschiebung des Pfahles direkt messtechnisch erfasst. Dabei kommen eine Kraftmessdose und ein optisches Messsystem zum Einsatz. Bei entsprechender Filterung wird durch doppelte Differentiation der Verschiebungsdaten über die Zeit die Beschleunigung ermittelt. Zusätzlich zur standardmäßigen Messinstallation können Beschleunigungsgeber am Pfahlkopf befestigt werden, so dass einerseits eine Kontrolle der errechneten Beschleunigung vorgenommen werden kann und andererseits ein Ersatzsystem bei Ausfall der optischen Wegmessung zur Verfügung steht. 10.4.4

Messgeräte

(1) Für die Messung werden elektrische und elektronische Geräte eingesetzt. Diese bestehen je nach Verfahren z. B. aus mechanisch-elektrischen Aufnehmern, Verstärkern und Registriereinrichtungen. (2) Die Messgeräte müssen ein ausreichendes Auflösungsvermögen besitzen. Die Messgrößen sind so darzustellen, wie sie tatsächlich auftreten. (3) Beschleunigungsaufnehmer müssen im eingebauten Zustand linear bis mindestens 2000 g und 10.000 Hz anzeigen. Bei harten Rammstößen (z. B. bei Stahlpfählen) kann es erforderlich sein, die Grenzen höher anzusetzen. Bei „Rapid Load Tests“ eingesetzte Beschleunigungsaufnehmer müssen einen linearen Messbereich bis 50 g und 1.000 Hz aufweisen. Dehnungsaufnehmer müssen im eingebauten Zustand eine Mindesteigenfrequenz von 2.000 Hz und Linearität über einen Bereich von mindestens 100 PH (0,1 %) aufweisen. (4) Typen und Seriennummern der eingesetzten Aufnehmer sind festzuhalten. (5) Die gesamte Messeinrichtung muss für dynamische Belastungen kalibriert sein. Wenn Kalibrierungszeugnisse älter als zwei Jahre sind, müssen entsprechende Nachkalibrierungen und Kontrollen in Verbindung mit den Messungen möglich sein. (6) Vor der Messung ist die Funktionsfähigkeit der Geber im montierten Zustand zu überprüfen. (7) Es ist auch möglich, die Kraft durch die Messung der Verzögerung der Fallmasse beim Auftreffen oder durch eine zwischen Reaktionsmasse und Pfahl positionierte dynamische Druckmessdose zu erfassen. (8) Des Weiteren kann die Verschiebung auch durch ein geeignetes Lasermesssystem bestimmt werden. Dabei ist der Laser so zu positionieren, dass während der Belastungsdauer keine Beeinflussung des Messsignals entsteht. (9) Verschiebungsmessung mit Lasermesssystem und Kraftmessung über eine Druckmessdose werden beim Rapid Load Test eingesetzt. Die vorgenannten Punkte sind auch bei diesen Messsystemen zu beachten. 206

10.5

Weitere Hinweise für die Vorbereitung und Durchführung der Prüfung

(1) Für die Auswertung sollen Herstellungsprotokolle der Pfähle sowie die Ergebnisse der Baugrunduntersuchungen vorliegen. (2) Bei Stahlbetonrammpfählen, Stahlpfählen, Spundwandprofilen usw. wird i. d. R. das Rammgerät zur Ausführung geeigneter Testrammschläge benutzt. Vorteilhaft ist die Möglichkeit der Ausführung einzelner Rammschläge, die jeweils eine hinreichende Pfahlverschiebung ermöglichen. Grundsätzlich können alle Pfähle mit einem ausreichend stoßfesten Pfahlkopf mittels einer geeigneten Freifalleinrichtung geprüft werden. (3) Zur Prüfung von Ortbetonpfählen kommen spezielle Freifalleinrichtungen zum Einsatz. Hierfür ist eine ausreichend große und standsichere Stellfläche erforderlich. Ein dem Gewicht der Einrichtung und den örtlichen Gegebenheiten angepasstes Hebegerät (Autokran, Seilbagger) ist vorzuhalten. (4) Ortbetonpfähle jeglicher Herstellungsart werden am zweckmäßigsten mittels eines verbleibenden Stahlrohres von einer Länge größer 1,5 · Ds – möglichst im Durchmesser des Pfahles – zentrisch und kraftschlüssig aufbetoniert. Der dadurch ausreichend „zusatzbewehrte“ Pfahlkopf ist sorgfältig zu verdichten, wobei das Stahlrohr nicht über die zu glättende neue Pfahlkopfoberkante herausragen darf. Eine ausreichende Betondeckung von OK Pfahlkopf bis zur Längsbewehrung ist erforderlich. (5) Für den Zeitraum der Messungen müssen die zu prüfenden Pfähle bis zu einer Tiefe unter Pfahlkopf, die etwa dem zweifachen Pfahldurchmesser entspricht, trocken erreichbar sein, um die Messwertaufnehmer sicher montieren zu können. (6) In das Hüllrohr der aufbetonierten Pfahlköpfe sind zur Befestigung der Aufnehmer bei dynamischen Pfahlprobebelastungen (nicht bei „Rapid Load Tests“) Fenster von ca. 25 u 25 cm zu schneiden bzw. zu brennen. Wird kein Hüllrohr verwendet, ist mit einem Schleifgerät eine entsprechend große geglättete Fläche herzustellen. Bei geschlossenen Stahl-Rohr- oder Kastenprofilen werden Bohrungen mit Innengewinde eingeschnitten. (7) Anhaftender bzw. übergelaufener Beton sowie Ein- bzw. Anbindung des Pfahlkopfes in den Unterbeton o. ä. sind zu vermeiden. 10.6

Auswertung der Messungen

10.6.1

Allgemeines

(1) Bei den Auswertungsverfahren ist zwischen „direkten“ Verfahren und „erweiterten“ Verfahren, die eine vollständige Modellbildung mit Signalanpassung in einem Iterationsprozess erfordern, zu unterscheiden, s. auch Tabelle 10.1. 207

(2) Bei der praktischen Anwendung der dynamischen Prüfverfahren werden überwiegend folgende Verfahren verwendet: a) Direkte Verfahren: Case- und TNO-Verfahren, wobei auf die unterschiedliche Definition der Dämpfung und die für das Pfahl-Boden-System und das Anwendungsverfahren spezifischen Dämpfungskenngrößen zu achten ist. Beim Rapid Load Test wird das direkte Verfahren in der Form der „Unloading Point Methode“ durchgeführt. b) Erweiterte Verfahren mit vollständiger Modellbildung: CAPWAP- und TNOWAVE-Verfahren. (3) Die wichtigsten Auswertungsverfahren der dynamischen Pfahlprüfung basieren darauf, dass die Vorgänge beim Rammen aus der eindimensionalen Wellenausbreitung beschrieben werden können, siehe z. B. [16]. Durch den Rammschlag wird eine Stoßwelle in den Pfahl eingeleitet. Je nach der Wirkung des Bodens (überwiegend Mantelreibung oder Spitzendruck) kommt es zu charakteristischen Änderungen dieser Bewegung. In der Regel wird ein Teil der eingeleiteten Stoßkraft den Pfahlfuß erreichen und von diesem reflektiert werden. Diese reflektierte Welle erreicht nach der Zeit T = 2 · L / c den Pfahlkopf und führt dort zu einer entsprechenden Bewegung, die gemessen werden kann. Darin bedeuten L die Messlänge am Pfahl, d. h. den Abstand zwischen Messstelle und Pfahlfuß, und c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle. (4) Dem Auswerteverfahren der Rapid Load Tests liegt die vereinfachende Annahme zugrunde, dass der Pfahl infolge der Belastung eine Starrkörperverschiebung erfährt und Wellenausbreitungsvorgänge eine untergeordnete Rolle spielen. Es wird angenommen, dass Pfahlkopf und Pfahlfuß zu gleichen Zeitpunkten gleiche Verschiebungen erfahren. (5) Die Auswertung der Signalkurven von dynamischen Pfahlprobebelastungen mit verschiedenen Verfahren enthält Anhang C1 und C2. 10.6.2

Direkte Verfahren

10.6.2.1 Grundlagen (1) Generell stehen als direkte Verfahren zur Auswertung der dynamischen Probebelastung die Case- und die TNO-Methoden zur Verfügung. Bei diesen Verfahren wird die gesuchte Pfahltragfähigkeit für den statischen Widerstand Rstat aus dem totalen Eindringwiderstand Rtot berechnet. Von diesem ist ein nur bei der Rammung infolge von Trägheits- und Dämpfungskräften des Bodens auftretender dynamischer Widerstandsanteil Rdyn abzuziehen: Rstat = Rtot – Rdyn [kN]

(10.1)

(2) Bild 10.2 zeigt beispielhaft die aufgezeichneten Messsignale während einer Stoßbelastung. Dort sind über die Zeit t die am Pfahlkopf ermittelten Werte der 208

Bild 10.2 Beispiel für eine Messkurve mit dazugehörigem Laufzeitdiagramm für die statische Tragfähigkeit nach der direkten Methode und Bestimmung der Größen für die weitere Auswertung (s. auch Beispiel Anhang C1)

Kraft F(t) und der Geschwindigkeit v(t), die mit der Impedanz Z multipliziert wird, aufgetragen. Die Kraft F(t) wird aus der gemessenen Dehnung H(t) errechnet F(t) = E · A · H(t) [kN]

(10.2)

mit: E dynamischer Elastizitätsmodul des Pfahlmaterials [MN/m2]; A Querschnittsfläche des Pfahls [m2]. Die Geschwindigkeit v(t) ergibt sich aus dem Zeitintegral der gemessenen Beschleunigung a(t). v(t) = ∫ a(t) dt [m/s]

(10.3)

(3) Solange keine äußeren Widerstände aus Mantelreibung die Bewegung des Pfahles behindern oder Querschnittsänderungen zu Reflektionen führen, sind F(t) und v(t) proportional. Der Proportionalitätsfaktor ist Z = E · A / c und wird als Im209

pedanz (mechanisch-dynamischer Widerstand) bezeichnet. Je mehr die F(t) – und Z · v(t)-Kurven voneinander abweichen, umso größer ist die Mantelreibung. (4) Der totale Eindringwiderstand ergibt sich aus: R tot =

1 1 (F + Z ⋅ v1 ) + (F2 − Z ⋅ v 2 ) [kN] 2 1 2

(10.4)

Dabei ist die Differenz der Zeitpunkte t1 und t2 gleich der Dauer T = 2 L/c. 10.6.2.2 Case-Verfahren (1) Beim Case-Verfahren wird der dynamische Widerstand Rdyn proportional zur Eindringgeschwindigkeit des Pfahlfußes vb angenommen: Rdyn = Jc · Z · vb [kN]

(10.5)

Jc ist ein empirischer, aus statischen Probebelastungen ermittelter Dämpfungsfaktor, der abhängig vom Pfahltyp, von der Pfahllänge, von der Bodenart und von der Schichtenfolge ist. Für Rammpfähle liegen die Dämpfungsfaktoren in der Regel in den in Tabelle 10.2 angegebenen Wertebereichen, wenn als Zeitpunkt t1 der Zeitpunkt des ersten Geschwindigkeitsmaximums gewählt wird. Wird t1 zu einer anderen Zeit gewählt, z. B. um den statischen Widerstand zu maximieren, sind gegebenenfalls höhere Werte einzusetzen, siehe [35, 96]. Mit vb = v1 + (F1 – Rtot) / Z [m/s]

(10.6)

und Gl. (10.5) ergibt sich aus Gl. (10.1) der gesuchte Wert Rstat, siehe Zahlenbeispiel in Bild 10.2 und Anhang C1. Tabelle 10.2 Bandbreite typischer Dämpfungswerte Boden Sand

Jc

Cs

Cb

[–]

[MN/m2/(m/s)]

[MN/m2/(m/s)]

0,05–0,20

0,002–0,010

0,4–2,0

Sandiger Schluff

0,15–0,30

0,005–0,015

1,0–3,0

Schluff

0,20–0,45

0,010–0,025

2,0–5,0

Schluffiger Ton

0,40–0,70

0,020–0,040

4,0–8,0

Ton

0,60–1,10

0,025–0,050

5,0–10,0

Jc-Case-Verfahren Cs-TNO-Verfahren für die Mantelreibung Cb-TNO-Verfahren für Spitzenwiderstand

210

10.6.2.3 TNO-Verfahren (1) Beim TNO-Verfahren wird der dynamische Widerstand getrennt für den Pfahlmantel Rs,dyn und die Spitze Rb,dyn ermittelt. Rdyn = Rs,dyn + Rb,dyn [kN]

(10.7)

Die Dämpfungswerte werden jeweils auf den Pfahlmantel bzw. die Querschnittsfläche bezogen. (2) Für die Pfahlspitze gilt: Rb,dyn = vb · A · Cb [kN]

(10.8)

mit den in Tabelle 10.2 angegebenen Dämpfungswerten Cb und der Geschwindigkeit vb der Pfahlspitze aus Gl. (10.6). (3) Der dynamische Widerstand am Pfahlmantel ergibt sich zu Rs,dyn = vs · O · Cs [kN]

(10.9)

mit: vS maßgebende Geschwindigkeit am Pfahlmantel; O in den Boden eingebetteter Teil der Mantelfläche. (4) Die maßgebende Geschwindigkeit am Pfahlmantel ist: vs =

1 1 (v1 + F1 / Z) − (F3 / Z − v 3 ) [m/s] 2 2

(10.10)

Die Werte F3 und v3 sind zur Zeit t3 der maximalen Differenz von Kraft und Geschwindigkeit der Messkurve zu entnehmen (siehe Bild 10.2). (5) Die Dämpfungswerte Cs für den Pfahlmantel sind in Tabelle 10.2 zusammengestellt. (6) Die Dämpfungswerte des TNO-Verfahrens sind nicht vergleichbar mit denen des Case-Verfahrens. Der Bezug auf die jeweiligen Querschnittsflächen bzw. Mantelflächen bedingt, dass die Dämpfungseigenschaften des Systems Pfahl/Boden in anderer Weise berücksichtigt werden, wobei für den Mantel und die Spitze auch unterschiedliche Dämpfungseinflüsse berücksichtigt werden können. Mit dem direkten TNO-Verfahren kann auch der statische Widerstand des Mantels und der Spitze getrennt ermittelt werden, [30]. Für die Verwendung bei Gründungsbemessungen sollte diese Angabe aber auf jeden Fall an statischen Probebelastungen kalibriert werden.

211

10.6.2.4 Unloading Point Methode (1) Die Auswertung der aufgezeichneten Kraft – Verschiebungsdaten bei Rapid Load Tests erfolgt nach der Unloading Point Methode. Der Pfahl wird nicht als Mehrmassensystem modelliert, wie es z. B. bei der CAPWAP-Analyse (0) einer dynamischen Messung üblich ist, sondern als Einmassenschwinger. Die Messwerte am Pfahlkopf werden für das gesamte Pfahl-Bodensystem als gültig angenommen. Aus diesem Grund ist die Unloading Point Methode als direktes Verfahren zu bezeichnen. Das mechanische Modell ist in Bild 10.3 dargestellt. Anmerkung: Die im Bild 10.3 verwendeten Bezeichnungen liegen [71] zugrunde und sind nicht auf die Bezeichnungen dieser Empfehlung umgearbeitet. (2) Folgende Auswertegleichungen werden verwendet: Fstn (t) = Fsoil (t) + Fa (t) mit: Fstn = gemessene Kraft am Pfahlkopf; Fa = m · a = Trägheitskraft des Pfahles; Fsoil = Bodenwiderstand.

Bild 10.3 Pfahl-Boden-Modell beim Rapid Load Test bzw. der Unloading Point Methode

212

(10.10)

Der Bodenwiderstand unterteilt sich dabei wie folgt: Dynamischer Widerstand aus Porenwasserüberdruck

Fsoil (t) =

 Fp (t)

F (t) + u

Statischer Widerstand

+

F (t) v

(10.11)

Dynamischer Widerstand des Bodens

mit: k C Fv (t) = C ⋅ v(t) mit P u Fp (t) = P ⋅ v(t) v Fu (t) = k ⋅ u(t)

= = = = =

Federsteifigkeit Dämpfungsfaktor Porenwasserdruckdämpfung Beschleunigung Geschwindigkeit

C und P können zur geschwindigkeitsabhängigen Dämpfung D zusammengefasst werden und nach Umformen ergibt sich Fu (t) = Fstn (t) − D ⋅ v(t) − m ⋅ a(t)

(10.12)

(3) Am Punkt der maximalen Setzung während des Rapid Load Tests, dem so genannten ‚Unloading Point‘, erreicht die Pfahlverschiebung ihr relatives Maximum und die Geschwindigkeit ist aufgrund der Richtungsumkehr der Pfahlbewegung gleich Null. Dem entsprechend wird angenommen, dass zu diesem Zeitpunkt keine geschwindigkeitsabhängigen dynamischen Anteile im Messsignal enthalten sind und die zugehörige abgelesene Kraft der Summe aus statischem Bodenwiderstand und der Massenträgheit des Pfahles gleichgesetzt werden kann. 10.6.3

Erweiterte Verfahren mit vollständiger Modellbildung

(1) Erweiterte Auswertungen mit Modellbildung sind das sog. CAPWAP-Verfahren (Case Pile Wave Analysis Program), siehe z. B. [94], und das TNOWAVEVerfahren, siehe z. B. [70]. (2) Wie die bereits erläuterten direkten Verfahren (10.6.2), gehen diese Verfahren von den für den Pfahlkopf aus den gemessenen Größen ermittelten Zeitverläufen der Kraft und der Geschwindigkeit aus. Es wird dabei nach der eindimensionalen Wellentheorie auf der Grundlage zunächst geschätzter Kenngrößen für den Bodenwiderstand das dynamische Verhalten des Pfahles unter einer Stoßbelastung berechnet. (3) Für die Wellenausbreitung im Pfahl und die Kraftübertragung in den Boden wird dann ein numerisches Modell zugrunde gelegt (siehe Bild 10.5). Für den Bodenwiderstand werden vereinfachende Annahmen getroffen. Der statische Widerstandsanteil wird durch ein bilinear elasto-plastisches Modell und der dynamische Widerstand durch einen linear viskosen Ansatz dargestellt. 213

(4) Der Widerstand am Pfahlmantel wird diskretisiert. Die Parameter für den Bodenwiderstand werden zunächst geschätzt oder aus Mess- oder Erfahrungswerten ermittelt. (5) Die Bilder 10.4 und 10.5 zeigen vereinfacht das Modell und den Ablauf einer Modellbildung mit Signalanpassung in einem Iterationsprozess. (6) Auf das numerische Modell des Pfahl-Boden-Systems wird der am Pfahlkopf gemessene Geschwindigkeits-Zeitverlauf als Randbedingung aufgebracht. Die Gleichgewichtsbedingung am Pfahlkopf in vertikaler Richtung verlangt, dass eine der Geschwindigkeit entsprechende Kraft wirkt, die somit berechnet werden kann. (7) Die berechnete Kraft ist von den gewählten Bodenkenngrößen, vor allem von der Steifigkeit des Bodenwiderstandes, dem Größtwert des örtlichen Bodenwiderstandes und der Dämpfung abhängig und kann mit dem gemessenen Kraftverlauf

Bild 10.4 Allgemeine Modellbildung und Ablauf der Berechnung beim erweiterten Auswertungsverfahren mit Modellbildung

214

Bild 10.5 Pfahl-Boden-Modell der CAPWAP-Analyse

verglichen werden. Stimmen die beiden Verläufe nicht miteinander überein, so werden die gewählten Bodeneigenschaften und ihre Verteilung über die Pfahllänge in aufeinander folgenden Iterationsschritten solange angepasst, bis eine möglichst gute Übereinstimmung zwischen Messung und Rechnung erzielt worden ist. Der dynamische Berechnungsvorgang kann umgekehrt werden, indem die am Pfahlkopf gemessene Kraft als Belastung angesetzt wird und die Anpassung über einen Vergleich von gemessener und gerechneter Geschwindigkeit erfolgt. (8) Nach [96] sind die so ermittelten Bodenkenngrößen für das statische und dynamische Verhalten des untersuchten Pfahles repräsentativ. 215

(9) Als Ergebnis liegt damit die Verteilung der Mantelreibung und der Pfahlspitzenwiderstand fest. Die statischen Bodenwiderstandswerte dienen als Grundlage für eine anschließende Simulation des statischen Belastungsvorganges und zur Berechnung der WSL des Pfahles. (10) Die Eindeutigkeit der Lösung, d. h. die errechnete Tragfähigkeit und Setzung, kann mit einer Sensitivitätsanalyse bestätigt werden, siehe [50]. Hierbei sind die gewählten verteilten Widerstände am Mantel und an der Spitze sowie die Dämpfungswerte nach oben und unten zu variieren. Zusätzlich sollte die Güte einer Signalanpassung durch wechselweise Berechnung mit der gemessenen Kraft und der gemessenen Geschwindigkeit als Eingangsgröße durchgeführt werden. Eine Überprüfung der Gültigkeit kann durch die Signalanpassung über einen längeren Zeitbereich größer als 4 L/c erfolgen. Darin bedeuten L die Messlänge am Pfahl, d. h. der Abstand zwischen Messstelle und Pfahlfuß, und c die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle. (11) In kritischen Fällen oder wenn die Sensitivitätsanalyse eine Unempfindlichkeit der Tragfähigkeit gegenüber einer Änderung der Parameter ergeben hat, sollte eine Überprüfung mit einem geänderten Modell vorgenommen werden, z. B. [11]. (12) Das Verfahren gilt als Stand der Technik für die Auswertung dynamischer Probebelastungen und sollte immer zur Überprüfung der im direkten Verfahren verwendeten empirischen Dämpfungswerte eingesetzt werden. 10.6.4

Ermittlung der charakteristischen Pfahlwiderstände aus den dynamischen Messwerten

(1) Durch dynamische Probebelastungen wird zunächst der Messwert des Pfahlwiderstandes Rm,i bestimmt. Eine Umwandlung in charakteristische Pfahlwiderstände nach DIN 1054 bzw. Eurocode EC 7-1 als Grundlage für die Standsicherheitsnachweise ist dann nach der in 5.3 angegebenen Verfahrensweise vorzunehmen. (2) Aus R1m,i = Rstat mit Gl. (10.1) ist mit Bezug auf das Sicherheitskonzept der DIN 1054:2005-01, bzw. Eurocode EC 7-1 der charakteristische Pfahlwiderstand R1,k für den Grenzzustand der Tragfähigkeit abzuleiten. Dabei sind die entsprechenden Streuungsfaktoren nach DIN 1054:2005-01 (oder Eurocode EC 7-1) zu beachten. (3) Beim erweiterten Auswertungsverfahren wird der dynamische Anteil des Widerstandes explizit bestimmt. Als i-ter Messwert R1m,i für die Beschreibung des Grenzzustandes der Tragfähigkeit kann deswegen entweder der in der WSL ausgewiesene maximale Widerstand genommen werden (R1m,i = Rult) oder es wird aus der WSL ein kleinerer Wert gemäß einem geeigneten Setzungskriterium (z. B. Davisson-Kriterium) ermittelt. (4) Bei einer Auswertung nach dem direkten Verfahren muss die verwendete Dämpfung zuverlässig aus vergleichbaren statischen Probebelastungen oder aus 216

dem erweiterten Auswertungsverfahren bestimmt sein. Wenn aus diesen Werten eine Bandbreite für den Dämpfungsbeiwert angegeben werden kann, so ist der kleinste Wert des statischen Widerstandes Rstat als i-ter Kennwert R1m,i aus den jeweiligen dynamischen Tests anzusetzen. (5) Bei der Unloading-Point-Methode wird der Dämpfungsfaktor direkt aus dem Messsignal berechnet. Hierbei ist darauf zu achten, dass ein eindeutiger Versagensast bei der WSL zu erkennen ist. In stark bindigen Böden sollte i. d. R. eine zusätzliche Abminderung vorgenommen werden, sofern die Böden überhaupt für dynamische Verfahren geeignet sind. Da das Verfahren durch die Normung nicht erfasst ist, erfordert die Festlegung des charakteristischen Widerstandes aus dem Ergebnis eines Rapid-Load-Tests unter Hinzuziehung eines geotechnischen Sachverständigen besondere Sorgfalt. (6) Zur Anzahl der zu prüfenden Pfähle je Pfahltyp siehe 10.1. (7) Um aus den Messwerten R1m,i unter Berücksichtigung des Streuungsfaktors [ die charakteristischen Pfahlwiderstände R1,k abzuleiten, ist das in DIN 1054:2005-01 angegebene Verfahren mit Berücksichtigung der Anzahl der geprüften Pfähle zu verwenden, siehe auch 5.3. Anmerkung: Eurocode EC 7-1 gibt gegenüber DIN 1054 modifizierte Streuungsfaktoren [ und Teilsicherheitsbeiwerte JP an. 10.7

Prüfung der Rammgeräteeignung

(1) Mit der beschriebenen dynamischen Messtechnik lassen sich auch der Rammstoß und seine Wirkung analysieren. Dabei erhält man insbesondere folgende Ergebnisse: – – – –

charakteristische Stoß-Zeit-Diagramme des Systems Hammer-Pfahl-Boden, Hammerleistung, Verlustarbeit, effektive Rammenergie (Einzelstoß und gesamter Rammvorgang), Feststellung von Mängeln, z. B. Frühzündung bei Dieselhämmern, Exzentrizitäten, – Verhalten der Stoßhaube und des Rammfutters (Abnutzung), – Angabe der Spannungen im Pfahl, – Hammeroptimierung, optimale Abstimmung von eingesetztem Hammer, Rammgut, erwarteter Tragfähigkeit sowie Berechnung der Rammzeit für Arbeitsvorbereitungen. (2) Mit dem Verlauf Fh(t) (Kraft bei harter Schlageinleitung) ist bei gleicher Energieeinleitung eine größere Pfahlbeanspruchung verbunden als mit Fw(t) (Kraft bei weicher Krafteinleitung). Der lange bzw. „weiche“ Schlag ist also schonender als der kurze bzw. „harte“ Schlag, ohne dass die Rammeffizienz oder die Pfahleindringung größer sein muss als beim „langen“ Schlag. Ihre Steuerung setzt die Kontrolle des Kraftverlaufs am Pfahlkopf voraus. 217

(3) Der Vergleich der eingesetzten Rammenergie mit der am Pfahlkopf gemessenen, eingeleiteten Energie erlaubt eine Beurteilung der Eignung des Rammsystems, insbesondere des Rammhammers und der Rammhaube, für den jeweils vorliegenden Fall. Bei sehr großen Energieverlusten lassen sich durch Umstellungen wesentliche Verbesserungen in Form einer technischen und wirtschaftlichen Optimierung erreichen. 10.8

Qualifikation der Prüfinstitute und des Personals

(1) In Anlehnung an DIN 1054:2005-01 ist auch für die Ausführung und Auswertung von dynamischen Prüfverfahren Fachpersonal erforderlich, welches über die erforderliche Sachkunde und Erfahrung verfügt. (2) Die Zuverlässigkeit des Prüfinstitutes in der Durchführung und Auswertung der dynamischen Prüfungen ist durch die Teilnahme an Ringversuchen sowie die Supervision der Messberichte zu belegen. (3) Durch Teilnahme an regelmäßigen Fortbildungsveranstaltungen zur Thematik sollte der für die Prüfung verantwortliche Fachmann belegen können, dass seine Fachkenntnisse aktuell sind. (4) Ein geeigneter Qualifikationsnachweis (z. B. Zertifikat von QA-Foundation) sollte vorliegen. (5) Insbesondere bei Auswertung nach dem erweiterten Verfahren (CAPWAP, TNOWAVE) ist zu beachten, dass eine iterative nichtlineare strukturdynamische Berechnung mit den aus der Methode der Finiten Elemente bekannten Einflüssen von Zeitschrittweite und Elementgröße durchzuführen ist. Selbst wenn die verfügbaren Programme einfach zu bedienen sind, ist die Komplexität der zu lösenden Aufgaben erheblich. Entsprechend hohe Anforderungen sind an die Qualifikation der Ausführenden und an die Qualifikation derjenigen zu stellen, die die Messergebnisse in physikalische Größen zur Pfahltragfähigkeit umrechnen. Die daraus nach 10.6.4 abzuleitenden gewichteten charakteristischen Pfahlwiderstände Rk sollten vom Sachverständigen für Geotechnik im Sinne einer Plausibilitätskontrolle unter Berücksichtigung von Erfahrungswerten im Zusammenhang mit den auf dem Baufeld vorliegenden Baugrundrandbedingungen überprüft und bestätigt werden. 10.9

Dokumentation und Berichterstellung

(1) Projekt, Ort und Zeit der Prüfung sind festzuhalten. Die Herstellung der Pfähle ist ausreichend genau zu beschreiben, insbesondere ist das Installationsdatum anzugeben. Es wird empfohlen, Ramm- oder Bohrprotokolle der geprüften Pfähle dem Bericht als Anlage hinzuzufügen. (2) Die tatsächlich gemessenen Werte sind zu speichern und für eventuelle Beweissicherung zusammen mit den Angaben über das eingesetzte Messgerät gesichert aufzubewahren. 218

(3) In einer vollständigen Protokollierung sollen die unter (6) zusammengestellten Angaben enthalten sein. (4) Die Art der Auswertung ist eindeutig zu beschreiben. Bei einer Angabe von Pfahlwiderständen R1m,i allein mit dem direkten Verfahren ist die Wahl der Dämpfungsbeiwerte zu begründen. (5) Bei einer Anwendung mit dem erweiterten Auswertungsverfahren ist die Verteilung der Mantelreibung und der Spitzendruck so darzustellen, dass ein Zusammenhang zum Baugrundgutachten und den Bemessungswerten der Tragfähigkeit ohne weiteres herzustellen ist. Die Genauigkeit, mit der das Ergebnis bestimmt wurde, sollte dargestellt werden. Einflüsse von Hilfsparametern auf das Ergebnis sind zu erläutern. (6) Folgende Daten sollen bei einer Tragfähigkeitsprüfung mindestens im Bericht zur dynamischen Pfahlprobebelastung enthalten sein: Bauwerk:

Projektname: Pfahlnummer: Pfahltyp:

Zeitpunkt:

Rammung/Pfahlherstellung/Hersteller: Statische Probebelastung: Stoßprüfung:

Pfahlkenngrößen:

Pfahllänge Messlänge L Pfahlquerschnitt A

[m] [m] [m2]

Material: Elastizitätsmodul E Impedanz Z = E · A/c Materialdichte U Laufzeit d. Welle (t = 2 · L/c) Wellengeschwindigkeit c

[MN/m2] [kNs/m] [t/m3] [m/s] [m/ms]

Stoßprüfung: Bärgewicht Fallhöhe Pfahleindringung Rammenergie (theoretisch)

[t] [m] [mm/Schlag] [kNm]

Pfahllänge Rammenergie (effektiv) max. Stoßkraft max. Druckspannung max. Zugspannung max. Geschwindigkeit v

[m] [kNm] [kN] [MN/m2] [MN/m2] [m/s] 219

Direktes Verfahren:

Gesamtwiderstand Rtot

[kN]

Angaben zum

Case Verfahren Dämpfung Jc Grenzlast Rstat = Rm,i

[–] [kN]

oder Angaben zum

TNO Verfahren Dämpfung Cs Dämpfung Cb Messwert des Pfahlwiderstandes für den Grenzzustand der Tragfähigkeit R1m,i = Rstat

[MN/m2/(m/s)] [MN/m2/(m/s)] [kN]

Erweitertes Verfahren: dynamische Widerstands-Setzungs-Linie Verteilung der Mantelreibung

220

11

Qualitätssicherung bei der Bauausführung

11.1

Allgemeines

(1) Zur Qualitätssicherung bei der Bauausführung sind die Anforderungen der für die einzelnen Pfahlarten existierenden europäischen Herstellungsnormen (siehe 1.1) zu beachten. (2) Die Hinweise in den nachfolgenden Abschnitten dienen zur praxisorientierten Ergänzung der europäischen Herstellungsnormen und der allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassungen für Sonderpfähle sowie als erweiterte Grundlage zur Sicherung nationaler Qualitätsstandards. (3) Im Zusammenhang mit der Qualitätssicherung bei der Bauausführung wird auf die Anforderungen an die Baugrunderkundung nach DIN 4020 (siehe 3.2) sowie auf die in DIN EN 1536, DIN EN 12 699 und DIN EN 14 199 genannten Voraussetzungen für die Bauausführung besonders hingewiesen. (4) Die eigenverantwortliche Überwachung und Dokumentation der Bauausführung durch die ausführende Firma ist in den europäischen Herstellungsnormen geregelt. Bei schwierigen Randbedingungen ist eine unabhängige fachtechnische Begleitung durch den Sachverständigen für Geotechnik zu empfehlen und im Einzelfall festzulegen. 11.2

Bohrpfähle

11.2.1

Grundsätze zum Bohren

(1) Das Herstellen von Bohrungen führt in allen Bodenarten systembedingt zu gewissen Auflockerungen in der unmittelbaren Pfahlumgebung. Durch geeignete Wahl und Einsatz der Bohrwerkzeuge und der Stützung der Bohrlochwandung sind die Auflockerungen möglichst gering zu halten. (2) Bohrungen können mit folgenden Maßnahmen zur Stützung der Bohrlochwandung abgeteuft werden: – durch ausreichendes Voreilen der Verrohrung, – durch bodengefüllte Wendelgänge einer durchgehenden Bohrschnecke oder – durch Suspensionsstützung, oder unter den Bedingungen nach DIN EN 1536:1999-06, 8.1.6, ohne Stützung. (3) Bei verrohrten Bohrungen sind der Bohrkranzüberstand und die Art der Zähne auf die zu durchteufenden Bodenschichten abzustimmen. In bindigen Bodenarten, in denen sich der erzeugte Ringspalt wieder schließen kann, kann z. B. 221

ein geringerer Überstand sinnvoll sein, um Verschleppungen von Bodenmaterial beim Ausbau der Verrohrung gering zu halten. (4) Beim Gebrauch der Bohrwerkzeuge kann es beim Anziehen oder Anheben in der Bohrlochsohle zu einem Kolbeneffekt kommen, der zu Auflockerungen im Sohlbereich führen kann. Dieser Effekt besteht besonders beim Bohren unter Wasserauflast oder beim suspensionsgestützten Bohren. Wenn Bohrungen trocken abgeteuft werden, besteht dieser Effekt nicht. 11.2.2

Bohren im Grundwasser

11.2.2.1 Grundsätze (1) Übergeordnet gilt die Anforderung nach DIN EN 1536:1999-06, 8.1.1.1: „bei der Herstellung von Bohrpfählen ist dafür zu sorgen, dass Wasser und/oder Boden nicht unkontrolliert in das Bohrloch eindringt“. Dies erfordert ausreichende Stützung der Bohrlochwände (DIN EN 1536:1999-06, 8.1.3 bis 8.1.6) und geeignete Wahl und angepassten Gebrauch der Bohrwerkzeuge. (2) Für die Verfahrenswahl sind neben den Grundwasserständen die Durchlässigkeiten des Baugrundes, die Schichtenfolge und -mächtigkeiten sowie die Zuströmmöglichkeiten zu werten. (3) Beim verrohrten Bohren in durchlässigem Baugrund ist mit Wasserauflast zu bohren (DIN EN 1536:1999-06, 8.1.3.6), um einen Überdruck gegenüber dem maßgebenden Grundwasserstand zu erzeugen, wobei der Überdruck bei „ausreichendem Voreilen der Verrohrung … reduziert werden“ darf (DIN EN 1536:1999-06, 8.1.3.7). Anmerkung: In stark durchlässigem Baugrund kann die in DIN EN 1536:1999-06, 8.1.3.6 geforderte Spiegeldifferenz von mind. 1 m meist nicht gehalten werden. Hier gleicht sich der Wasserstand in der Verrohrung selbstständig an den Außenwasserstand an. (4) Beim verrohrten Bohren in gering durchlässigen Böden, auch solchen mit eingelagerten durchlässigen Schichten, ist Bohren ohne Wasserauflast nur bei sicher einschätzbaren Baugrundverhältnissen und unter der Bedingung zulässig, dass durch ausreichendes Voreilmaß der Verrohrung Wasser- und/oder Bodeneintrieb ausgeschlossen ist. (5) Wenn die Bohrung zunächst trocken ausgeführt werden kann, jedoch die Möglichkeit besteht, dass bis zum Beginn des Betonierens Wasser und Boden an der Bohrlochsohle eindringt, sollte für den Bewehrungseinbau und zum Betonieren eine Wasserauflast oder Suspensionsstützung hergestellt werden und die Betonierung nach den Festlegungen für das Betonieren unter Wasser durchgeführt werden. Ist das Grundwasser zuverlässig abgesperrt und ist nachgewiesen, dass auf der Bohrlochsohle kein Wasser steht, kann unter den Bedingungen „Betonieren im Trockenen“ verfahren werden (DIN EN 1536:1999-06, 8.3.2.1 bis 8.3.2.3). 222

(6) Im Falle von gespannten Grundwasserleitern ist besonders vorsichtig vorzugehen und rechtzeitig Wasserauflast herzustellen, es sei denn, die betreffende Schicht kann sicher durch voreilende Verrohrung abgesperrt werden. (7) Beim unverrohrten Bohren unter Stützflüssigkeit ist in jedem Fall ein ausreichend hoher Suspensionsspiegel nachzuweisen und einzuhalten, der den wirkenden Erd- und Wasserdrücken, den Auflasten z. B. durch die Bohrgeräte sowie den durch den Gebrauch des Bohrwerkzeuges bedingten Spiegelschwankungen im Bohrloch Rechnung trägt (vgl. DIN EN 1536:1999-06, 8.1.4). Der ggf. notwendige Nachweis für das suspensionsgestützte offene Bohrloch ist z. B. nach den Grundsätzen für den Nachweis für den offenen Schlitz bei Schlitzwänden nach DIN 4126 zu führen. (8) Hinweise für das Bohren mit durchgehender Bohrschnecke sind in Abschnitt 11.2.6 enthalten. 11.2.2.2 Durchmesser und Ziehgeschwindigkeit des Bohrwerkzeugs (1) Bei zu großem Durchmesser bzw. zu geringem Durchflussquerschnitt und/ oder zu großer Ziehgeschwindigkeit des Bohrwerkzeugs besteht trotz Wasserauflast bzw. Suspensionsstützung die Gefahr von hydraulischen Grundbrüchen. (2) Das Auftreten eines hydraulischen Grundbruchs führt zum Eintritt von Boden und Wasser in das Bohrrohr bzw. in das suspensionsgestützte Bohrloch und ist in Form von Sohlverschiebungen und, in besonders schwerwiegenden Fällen, auch durch plötzlichen Wasserspiegelanstieg erkennbar. (3) Das Bohrwerkzeug muss einen genügend großen, freien Durchströmungsquerschnitt (sog. Belüftungskanal) besitzen, damit das Wasser beim Rückziehen unter das Werkzeug gelangen kann. Beim Beginn des Rückziehens des Bohrwerkzeuges entsteht systembedingt ein relativer Unterdruck unter dem Bohrwerkzeug, welcher kurzzeitig zu Bodeneintrag (hydraulischem Grundbruch) führen kann. (4) Die Tiefenlage der Bohrlochsohle ist, z. B. mit Hilfe der Tiefenmesseinrichtung des Bohrgeräts, regelmäßig zu überprüfen. Zusätzlich ist das Voreilmaß der Verrohrung durch den Vergleich mit der Bohrtiefe zu kontrollieren. Gegebenenfalls muss die Ziehgeschwindigkeit des Bohrwerkzeugs angepasst werden. (5) Beim Anziehen des Werkzeuges von der Bohrlochsohle und beim Reinigungsvorgang ist besonders vorsichtig zu arbeiten, da das Bohrwerkzeug in den Untergrund eingegraben ist und nur geringe Durchflussflächen zum Druckausgleich vorhanden sind. (6) Der Wasserspiegel im Bohrrohr sollte insbesondere während des Ziehvorgangs überwacht werden. Bei plötzlichem Wasserspiegelanstieg muss die Ziehgeschwindigkeit sofort verringert werden. Gegebenenfalls ist ein Bohrwerkzeug mit kleinerem Durchmesser bzw. mit größerer Durchflussfläche einzusetzen. 223

(7) Bei Verdacht auf einen aufgetretenen hydraulischen Grundbruch sollte der Sachverständige für Geotechnik hinzugezogen werden, um das Ausmaß von Bodenauflockerungen und die möglichen Auswirkungen auf die Pfahltragfähigkeit zu bewerten. (8) Die Herstellung von Bohrungen in Lockergesteinen ist nicht ohne ein gewisses Maß systembedingter Bodenauflockerungen möglich, die Auswirkungen auf benachbarte bauliche Anlagen haben können. Durch Bodenentzug und/oder hydraulischen Grundbruch entstandene größere Bodenauflockerungen neben dem Pfahl können ggf. durch Ramm- oder Drucksondierungen überprüft und räumlich eingegrenzt werden. 11.2.2.3 Reinigung der Bohrlochsohle (1) Die Anforderungen nach DIN EN 1536:1999-06, 8.1.1.12 und 8.1.2.4 sind überwiegend auf die Pfahltragfähigkeit bezogen. Darüber hinaus besteht insbesondere in feinkörnigen Böden, z. B. Grobschluff oder enggestuften Sanden die Gefahr, dass abgelagertes Material beim beginnenden Betoniervorgang aufgewirbelt und in den Pfahlschaft eingeschlossen werden kann. (2) Der Reinigungsvorgang sollte in solchen Böden mit einem speziellen, dicht schließenden Räumwerkzeug erfolgen. Anmerkung: Die Spur des Bohrwerkzeuges auf der Bohrlochsohle führt in der Regel nicht zur Beeinträchtigung der Pfahltragfähigkeit. (3) Bei mit Suspensionsstützung hergestellten Bohrungen sind die geforderten Qualitäten der Suspension auch an der Bohrlochsohle zu erfüllen (DIN EN 1536:1999-06, 8.3.1.3). Anderenfalls ist es möglich, dass verunreinigte Suspension vom aufsteigenden Beton nicht vollständig verdrängt wird und Taschen mit eingeschlossener Suspension verbleiben, welche – die Integrität des Schaftes, – die Einbettung und – den Verbund der Bewehrung negativ beeinflussen. Auf der Bohrlochsohle abgesetztes Bodenmaterial kann die gleiche Wirkung haben wie Verschmutzung oder weicher/loser Boden nach ungenügender Reinigung. 11.2.3

Fußaufweitung

(1) Die bei Fußaufweitung zusätzlich zu beachtenden Festlegungen sind in DIN EN1536:1999-06, 1.6, 7.4.5, 7.4.6, 8.1.7 und 8.3.1.5, enthalten. (2) Pfähle mit Fußaufweitung tragen überwiegend durch Spitzenwiderstand. Sie sind deshalb besonders empfindlich bezüglich Imperfektionen im Fußbereich und 224

den gegebenenfalls daraus resultierenden Pfahlsetzungen. Sie werden häufiger mit Beton höherer Festigkeit hergestellt, um Materialverbrauch und Tragfähigkeit zu optimieren. Zusätzliche Maßnahmen zur Qualitätssicherung sind daher anzuwenden. (3) Die Aufweitungen sind geometrisch so zu gestalten, dass eine ausreichende Reinigung der Bohrlochsohle möglich ist, der Betonfluss zu Beginn des Betonierens nicht behindert wird und die Aufweitung vollständig mit Beton gefüllt werden kann. Es ist solchen Formen der Vorzug zu geben, die in Pfahlmitte sumpfartige Vertiefungen der Sohle aufweisen. (4) Die geometrischen Randbedingungen nach DIN EN 1536:1999-06, 1.6 stellen obere Grenzen dar. Die jeweils anzusetzenden Maße sind entsprechend den örtlichen Gegebenheiten zu planen. (5) Wenn Fußaufweitungen in nichtbindigen Böden hergestellt werden, kann die Stützung der überhängenden Wandungen durch Stützflüssigkeiten erforderlich sein. In solchen Fällen sind die Anforderungen für suspensionsgestützte Bohrungen zusätzlich zu erfüllen. 11.2.4

Einbau der Bewehrung

(1) Die Festlegungen in DIN EN 1536:1999-06, 7.6 und 8.2, dienen hauptsächlich den Zwecken, den ordnungsgemäßen Einbau, die zentrische Lage, einen möglichst unbehinderten Betonfluss und eine dichte Betonumhüllung der Bewehrung zu erzielen. (2) Die minimalen Betonüberdeckungen nach DIN EN 1536:1999-06, 7.6.4.1, beinhalten ein Vorhaltemaß, um den besonderen Herstellbedingungen Rechnung zu tragen. Zur Gewährleistung des Korrosionsschutzes der Bewehrung des fertigen Pfahls sind die Mindestüberdeckungen nach DIN 1045-1 maßgebend und ausreichend. (3) Insbesondere bei sehr langen Bewehrungskörben und/oder geneigten Pfahlbohrungen besteht die Gefahr des Absinkens der Bewehrung infolge Korbverdrehung oder Eindringen in die Bohrlochsohle oder -wandung. Dies kann durch Versteifungsmaßnahmen am Bewehrungskorb, Einbau großflächiger Abstandshalter bzw. durch Vergrößerung der Aufstandsfläche im Pfahlfußbereich (z. B. Fußkreuz) vermieden werden. Dabei muss sichergestellt werden, dass der Betonfluss nicht behindert wird. Eine weitere Ursache für das Absinken des Bewehrungskorbes kann eine zu tiefe Lage der Bohrlochsohle sein. (4) Sofern Pfähle nur im oberen Bereich bewehrt werden, besteht die Gefahr, dass Bewehrungskörbe in der steigenden Betonsäule „aufschwimmen“. Die Sicherung gegen „Aufschwimmen“ kann z. B. durch Verankerung an konstruktiv verlängerten Körben erfolgen. Des Weiteren besteht die Gefahr, dass nicht ausreichend aufgeständerte bzw. abgehängte Bewehrungskörbe im fertig betonierten Pfahl „absinken“. 225

(5) Sofern der Einbau der Bewehrung nach dem Betonieren erfolgt, sind die Hinweise in DIN EN 1536:1999-06, 8.2.6.5 bis 8.2.6.8, zu beachten. (6) Bei der Herstellung von Teilverdrängungsbohrpfählen (und von Schneckenbohrpfählen mit kleinem Seelenrohr) mit nachträglichem Einbau der Bewehrung sind neben den Hinweisen in DIN EN 1536:1999-06, 8.2.6.5 bis 8.2.6.8, insbesondere folgende Hinweise zu berücksichtigen: – Zur Gewährleistung der zentrischen Lage des Bewehrungskorbes sind geeignete Abstandshalter anzubringen. – Das vollständige Einbringen des Bewehrungskorbes bis in die planmäßige Tiefe muss durch eine angepasste Betonrezeptur, einen unverzögerten Bauablauf und eine geeignete Einbringtechnik sichergestellt werden. 11.2.5

Betonieren

11.2.5.1 Betonmischung (1) Die in DIN EN 1536:1999-06, Tabelle 2, angegebenen Konsistenzbereiche beziehen sich auf den Einbauzeitpunkt des Betons. (2) Es sind stabile Betonmischungen vorzuziehen, die die Anforderungen nach DIN EN 1536:1999-06, 6.3.1.5, erfüllen und den Einbaubedingungen Rechnung tragen. Diese Mischungen enthalten Überschusswasser, das unter den Einbaubedingungen und Druckverhältnissen sowohl in den Boden um den Pfahl abgegeben wird als auch sich am Pfahlkopf ansammeln kann. (3) Bei nicht ausreichend stabilen Betonmischungen besteht in durchlässigem Untergrund die Gefahr der schnellen radialen Abgabe von Überschusswasser, die unter den Druckverhältnissen im unteren Pfahlbereich zu frühzeitigem Ansteifen des Betons führen kann. Dieses Risiko ist bei suspensionsgestützten Bohrungen geringer. (4) In gering wasserdurchlässigen Böden besteht bei nicht ausreichend stabilen und sehr wasserreichen Mischungen die Möglichkeit, dass Überschusswasser in vertikaler Richtung abgegeben wird. Hierdurch können sich Strömungskanäle ausbilden, durch die auch Feinteile aus dem Beton ausgespült werden können. Diese Erscheinungen können zu Minderfestigkeiten im Pfahlfuß-/Pfahlschaftbereich und/oder zu Tragfähigkeitseinbußen und/oder zur Beeinträchtigung des Korrosionsschutzes der Bewehrung führen. Anmerkung 1: Um die Risiken vor der Pfahlherstellung einzuschätzen und ggf. Gegenmaßnahmen zu planen, ist es notwendig, bei der Baugrunduntersuchung mögliche Einflussfaktoren mit zu untersuchen. Diese sind u. a.: – Druckniveau des gespannten Grundwassers, – Möglichkeit des örtlichen starken Zustroms zum frisch betonierten Pfahl und 226

– Anteil und Verteilung durchlässiger Schichten am Pfahlmantel, die eine radiale Entwässerung ermöglichen. Anmerkung 2: Wenn in erheblichem Umfang Feinteile ausgetragen worden sind, sollte der Sachverständige für Geotechnik eingeschaltet werden. (5) Bei artesisch gespannten Grundwasserverhältnissen können diese Erscheinungen verstärkt auftreten. 11.2.5.2 Betoniervorgang (1) Wenn kein Wasser im Bohrloch steht, kann bei lotrechten Pfählen im Freifall betoniert werden. Dabei muss sichergestellt sein, dass der Frischbeton die Bohrlochsohle erreichen kann, ohne die Bohrlochwandung zu berühren. Hierfür ist ein Betoniertrichter mit einem mindestens 2 m langen Betonierrohr zu verwenden. Bei Verwendung einer Betonierpumpe muss das Betonierrohr stabil mittig im Bohrrohr befestigt und geführt sein. (2) Beim Betonieren unter Wasser ist das Kontraktorrohr bei Betonierbeginn auf der Pfahlsohle oder dem Aussteifungskreuz der Bewehrung aufzusetzen und ein Stopfen (z. B. Ball, Kunststoffflocken) zur Trennung des einzubauenden Betons vom Wasser in das Rohr einzusetzen. Das Kontraktorrohr ist dann komplett mit Beton zu füllen und nur so weit anzuziehen, dass der Betonfluss eingeleitet werden kann, wobei die Rohrunterkante vom ersten Beton eingeschlossen wird und in diesen eintaucht (DIN EN 1536:1999-06, 8.3.3). Anderenfalls besteht eine erhöhte Gefahr von Entmischungen im unteren Schaftbereich, die eine erhebliche Höhe erreichen können. (3) Die Eintauchtiefe des Kontraktorrohres in den Frischbeton ist in DIN EN 1536:1999:06, 8.3.3.16 und 8.3.4.3, nur hinsichtlich der Mindestmaße definiert. Zu große Eintauchtiefen des Kontraktorrohres können zu Verstopfungen des Kontraktorrohres und/oder zu mangelhaftem Betonfluss führen. (4) Im unteren Pfahlschaftbereich besteht verstärkt die Gefahr des vorzeitigen Ansteifens durch Abgabe von Überschusswasser, wenn die Betonsäule vor dem Ziehen des ersten Rohrschusses zu hoch ist. In solchen Fällen kann der unterste Beton einen Pfropfen bilden, der die Bewehrung so verklemmt, dass diese mit der Verrohrung hochgezogen wird. Diese Pfropfenbildung wirkt günstig beim Ziehen weiterer Rohrschüsse und hält den Bewehrungskorb in Position, wenn der erste Rohrschuss frühzeitig gezogen wird. Sofern die Bewehrung nicht rechtzeitig stabilisiert werden kann, ist sie komplett zu ziehen und der Beton wieder auszubohren, um den Pfahl an gleicher Stelle neu herzustellen. Ist dies nicht möglich, sind Ersatzmaßnahmen zu ergreifen (z. B. Ersatzpfahl).

227

11.2.6

Bohrpfähle mit durchgehender Bohrschnecke

(1) Für die Herstellung von Bohrpfählen mit durchgehender Bohrschnecke gilt DIN EN 1536:1999-06, 8.1.5 (Bohren) und 8.3.6 (Betonieren). Hinsichtlich der Anwendungsgrenzen für Bohrpfähle mit durchgehender Bohrschnecke siehe auch 2.2.1.4. (2) Durch unvermeidbare Taumelbewegungen der durchgehenden Bohrschnecke entsteht zwangsläufig ein Überprofil der Bohrung, woraus auch ein Beton-Mehrverbrauch resultiert. (3) Die Summe des geförderten Bodenvolumens setzt sich zusammen aus dem Bodenanteil, der während des Abteufvorgangs der Bohrschnecke gefördert wird, und dem Bodenanteil, der beim Herausziehen der Bohrschnecke auf den Schneckengängen liegt. (4) Das Risiko einer zu großen Bodenförderung während des Bohrvorgangs besteht bei geschichteten Böden mit großen Festigkeitsunterschieden, wenn es sich bei den Zwischenschichten mit geringerer Festigkeit um temporär nicht standfeste Böden handelt, z. B. gleichförmige nichtbindige Böden unter dem Grundwasser. (5) Auch beim Einsatz von teilweise durchgehenden Bohrschnecken findet eine Bodenförderung statt. Teilweise durchgehende Bohrschnecken sind dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckenwendel nur im unteren Bereich des Seelenrohres über eine Länge von einigen Metern ausgebildet ist. Die Bodenförderung besteht zum einen darin, dass beim Einbohren der Schnecke in die tragfähige Bodenschicht Boden aus diesem Bereich nach oben in überlagernde Schichten mit geringerer Festigkeit transportiert wird. Zum anderen wird beim Herausziehen der Bohrschnecke auch das auf den Schneckengängen liegende Bodenmaterial gefördert. (6) Während des Betoniervorgangs muss beim Herausziehen der Bohrschnecke am Fuß ein ausreichender Betonüberdruck herrschen, damit der beim Ziehen der Schnecke freiwerdende Hohlraum sofort und vollständig mit Beton gefüllt wird. Dabei muss die Ziehgeschwindigkeit der Bohrschnecke an die Förderrate der Betonpumpe angepasst werden. (7) Damit der Boden den beim Ziehen des Bohrrohres freiwerdenden Raum möglichst schnell ausfüllen kann, sollte bei Teilverdrängungsbohrpfählen das Durchmesserverhältnis vom Innendurchmesser des Seelenrohres zum Außendurchmesser der Bohrwendel t 0,6 betragen. (8) Bei Verwendung einer Bohrschnecke mit kleinem Seelenrohr kann der Bewehrungskorb nur nachträglich in den betonierten Pfahl eingebaut werden. Der Einbau muss unmittelbar nach dem Betonieren erfolgen. Dabei ist die zentrische Lage des Bewehrungskorbes sicherzustellen. Anmerkung: Beim nachträglichen Einbau der Bewehrung ist Rüttelhilfe erlaubt. Eine Einziehvorrichtung kann dabei hilfreich sein. 228

(9) Insbesondere in trockenen, grobkörnigen Böden kann dem Frischbeton Wasser entzogen werden, was zu einem frühen Ansteifen des Betons führt und den nachträglichen Einbau des Bewehrungskorbes erschwert bzw. unmöglich macht. Anmerkung: Durch Vorsättigung des Baugrunds und durch angepasste, besonders stabilisierte Betone kann hier Abhilfe geschaffen werden. 11.3

Verdrängungspfähle

11.3.1

Betonfertigpfähle – Hinweise zu Transport, Lagerung und Einbringung

(1) Die maßgebliche Beanspruchung von Betonfertigpfählen ergibt sich bei Transport, Lagerung und Einbringung auf der Baustelle. (2) Die Lagerung von Betonfertigpfählen auf der Baustelle sollte auf Kanthölzern erfolgen. (3) Beim Aufnehmen der Pfähle zum Transport unter die Rammhaube treten große Biegebeanspruchungen auf, die durch eine entsprechende Bewehrung abzudecken sind. (4) Die Anhängepunkte für das Abladen oder „unter die Ramme ziehen“ müssen zwingend vorgegeben sein (z. B. durch einbetonierte Bügel), da die Pfähle sonst schon beim Abladen durch falsches Anhängen oder durch „Verrutschen“ der Aufhängepunkte von Stahlseilen oder Ketten beschädigt werden können. (5) Die Verwendung von „kantenbrechendem“ Hebezeug (z. B. Ketten) ist zu vermeiden, da bei dem harten bzw. spröden Beton von Fertigteil-Rammpfählen Betonteile durch das Anheben abplatzen können. (6) Zum Schutz des Pfahlkopfes ist fortlaufend auf den Zustand des Rammfutters in der Rammhaube zu achten. Ungenügendes (zu hartes) oder verbrauchtes Rammfutter kann Schäden am Pfahlkopf verursachen und ist dann sofort auszutauschen. (7) Beim Durchrammen von sehr weichen oder breiigen Bodenschichten mit geringem Eindringwiderstand muss mit niedriger Fallenergie gerammt werden. Rammschläge mit großer Energie führen zu entsprechend großen Eindringungen; dabei erzeugt geringer Widerstand am Pfahlfuß Zugspannungen im Pfahl, die bei Überbeanspruchung der Bewehrung zu Querrissen im Pfahl führen können. (8) Enthält der Baugrund größere Hindernisse, die sich nicht durchrammen oder verdrängen lassen, kann ein Pfahl seitlich abgelenkt werden und gerät in Neigung. Der Rammführer muss mit dem Rammbären dieser Neigung folgen und den Mäkler entsprechend ausrichten. Anderenfalls kann dies zu erheblichen Biegespannungen und ggf. zum Bruch des Pfahles führen. (9) Das Rammgerät und die Rammenergie (Bärgewicht, Fallhöhe) sind auf das Rammgut (Eigengewicht, Schlankheit) und die örtlichen Bodenverhältnisse 229

abzustimmen. Der Einsatz überschwerer Rammbären mit geringer Fallhöhe führt im Allgemeinen zu einer effizienteren und schonenderen Rammung als die Verwendung von verhältnismäßig leichten Rammbären mit großer Fallhöhe bei nominell gleicher Rammenergie. Ausnahmen: – sehr schlanke Pfähle, – Baugrundverhältnisse mit stark wechselnden Rammwiderständen und weichen Böden. (10) Die Auswirkung der vorstehend aufgeführten Beanspruchungen auf die Pfahlintegrität kann mit dynamischen Pfahlprüfverfahren überprüft werden (siehe Kapitel 10). (11) Weitere herstellungsbedingte Beanspruchungen siehe DIN EN 12 699. 11.3.2

Ortbetonverdrängungspfähle

11.3.2.1 Wasser-/Bodeneintritt ins Vortreibrohr (1) Bei der Pfahlherstellung im Grundwasser muss kurz vor dem Betonieren sichergestellt werden, dass kein Wasser bzw. Wasser-Boden-Gemisch ins Vortreibrohr eingedrungen ist. Dafür wird in der Praxis z. B. ein kleiner Stein o. ä. ins Vortreibrohr fallen gelassen und der Aufprall auf die Fußplatte (bzw. Bohrspitze bei Vollverdrängungsbohrpfählen) akustisch überprüft. Im Zweifelsfall ist die Trockenheit durch ein geeignetes Lot nachzuweisen. (2) Falls Wasser oder Boden ins Vortreibrohr eingedrungen ist, muss die Pfahlherstellung abgebrochen werden. In diesem Fall ist das Vortreibrohr zu ziehen, das entstandene Loch zu verfüllen und der Pfahl an gleicher Stelle oder ggf. versetzt erneut herzustellen. 11.3.2.2 Betonieren (1) Das Betonieren findet grundsätzlich im Trockenen statt und mit gut abgestuften, zementleimreichen Betonmischungen im Konsistenzbereich F4 bis F5. Anmerkung: Beim Betonieren ist kein Schüttrohr erforderlich. 11.3.3

Verdrängungswirkung in bindigen Böden

(1) Während das Einbringen von Verdrängungspfählen in nichtbindigen Böden überwiegend zu einer Verdichtung (Volumenreduzierung) des Bodens führt, werden bindige Böden (bei geringer Volumenänderung) vorrangig verdrängt bzw. horizontal verschoben. Insbesondere bei großflächigen Pfahlgründungen mit geringen Pfahlabständen kann die horizontale Bodenverschiebung zu unplanmäßigen Einwirkungen auf benachbarte bauliche Anlagen (z. B. Flachgründungen, Pfahlgründungen, Leitungen, Uferwände, Baugruben) führen. 230

(2) Die möglichen Einwirkungen auf benachbarte bauliche Anlagen sind bei der Beweissicherung zu berücksichtigen. Gegebenenfalls muss eine messtechnische Begleitung erfolgen. Dabei ist zu beachten, dass die Bodenverschiebungen auch zeitlich verzögert auftreten können. (3) Mögliche Maßnahmen zur Vermeidung der v. g. Einwirkungen sind z. B. Vorbohrungen und/oder Auflockerungsbohrungen.

231

12

Pfahl-Integritätsprüfungen

12.1

Zweck von Integritätsprüfungen

(1) Als Integritätsprüfungen werden alle physikalischen Untersuchungen bezeichnet, die zum Zwecke der Prüfung und Bestätigung der Ausführungsqualität an den fertigen und auf volle Länge im Baugrund eingebetteten Pfählen durchgeführt werden. (2) Verbreitete Verfahren für Integritätsprüfungen sind – zerstörungsfreie „Low-Strain“ Prüfung mit dynamischem Impuls durch Hammerschlag auf den Pfahlkopf und Messung und Auswertung der Laufzeit und Charakteristik der im Pfahl erzeugten Kompressionswelle; – zerstörungsfreie „High-Strain“ Prüfung durch Impuls durch schweren Rammschlag auf den Pfahlkopf, Messung und Auswertung der Kompressionswelle sowie ggf. Messung und Auswertung der Kraft, Geschwindigkeit und Beschleunigung der erzeugten Welle; – Ultraschallprüfungen des Betons im Pfahlschaft als „Cross-Hole“-Messung durch in entsprechenden Leerrohren parallel geführten Sender- und Empfängersonden bzw. – „Down-Hole“ Ultraschallmessung mit nur einer in einem Bohrloch oder einem Leerrohr geführten kombinierten Sonde; – Kernbohrungen im Pfahl mit Kernentnahme und Prüfungen an den Kernen sowie im Bohrloch; – Freilegung des oberen Teils des Pfahles für visuelle Inspektionen und Prüfung, z. B. der Betondeckung und der Betongüte. (3) Integritätsprüfungen erfassen meist nur begrenzte Zonen des Pfahles (z. B. Ultraschallprüfungen und Kernbohrungen) oder können mit Unschärfen behaftet sein (z. B. Low- und High-Strain Prüfungen). Signifikante Qualitätseinbußen können jedoch zumeist erkannt werden. (4) Die Durchführung von Integritätsprüfungen und deren Auswertung erfordert Erfahrung. Sie sollten daher entsprechend qualifizierten Personen bzw. Institutionen übertragen werden. 12.2

Dynamische Integritätsprüfungen

12.2.1

Ziele und Anwendungsbereich

(1) Die dynamische Integritätsprüfung ist ein Verfahren zur Überprüfung von Pfählen in situ. Es wird hierbei zwischen der „Low-Strain“- Integritätsprüfung (auch Hammerschlagmethode, impact echo testing, oder TNO-Methode) und der „High-Strain“-Integritätsprüfung unterschieden. Bei der „Low-Strain“ Prüfung wird die zur Prüfung erforderliche Stoßwelle durch einen Handhammer aufgebracht, bei der „High-Strain“- Prüfung durch ein geeignetes Rammgerät. Die 233

„High-Strain“- Prüfung wird lediglich in Ausnahmefällen unabhängig von einer dynamischen Probebelastung eingesetzt. (2) Im Folgenden sind der derzeitige Stand der Technik und der dabei zu erwartendende Aufwand und die möglichen Ergebnisse dargestellt. Der Anwender soll dadurch in die Lage versetzt werden, den Einsatzbereich der dynamischen Integritätsprüfung zu bestimmen und sie vom Aufwand und Ergebnis im Vergleich zu anderen Verfahren der Qualitätskontrolle von Pfählen, z. B. Kernbohrungen, Ultraschallprüfungen, siehe 12.3, usw., beurteilen zu können. (3) Die Qualitätssicherung von Ortbetonpfählen ist in DIN EN 1536 für Bohrpfähle und in DIN EN 12 699 für Verdrängungspfähle geregelt. Die dort enthaltenen Festlegungen beziehen sich im Wesentlichen auf den Herstellungsprozess. Demgegenüber überprüft die dynamische Integritätsprüfung die Pfahlqualität nach der Pfahlherstellung bzw. -einbringung. Die Verfahren haben die eindimensionale Stoßwellenausbreitung zur Grundlage. Die Untersuchung über die Pfahlbeschaffenheit ergibt sich aus den Reflektionen einer in den Pfahlkopf eingeleiteten Stoßwelle, siehe z. B. [16]. Zu den mechanischen Grundlagen der Messtechnik siehe auch Kapitel 10. (4) Diese Empfehlungen gelten für die zerstörungsfreie Prüfung von Verdrängungs- und Bohrpfählen aus Stahl, Stahlbeton, Spannbeton und Holz. Der bevorzugte Anwendungsbereich bezieht sich auf Ortbetonpfähle. Anmerkung: Der typische Anwendungsbereich ist jedoch auf kleinere und mittlere Pfahlabmessungen und entsprechende Pfahlmassen begrenzt, bei denen die vom Impuls erzeugte Kompressionswelle und die am Pfahlfuß durch Reflektion erzeugte Zugwelle den Pfahl auf ganzer Länge durchlaufen können und am Pfahlkopf ein deutliches Signal dieser Fußreflexion registriert werden kann. Die erfolgreiche Prüfung längerer Pfähle ist von den Umständen (insbesondere den Bodenverhältnissen) abhängig. (5) Das Verfahren kann einerseits dazu eingesetzt werden, in Zweifelsfällen, wie z. B. Unregelmäßigkeiten bei der Pfahlherstellung, Versäumnisse gegenüber den Anforderungen zur Qualitätssicherung nach DIN EN 1536, vermutete Mängel, Unsicherheiten bei bestehenden Pfahlgründungen usw., die Gebrauchstauglichkeit von Pfählen nachzuweisen oder es kann andererseits als Element des Qualitätsmanagements genutzt werden. Für den letztgenannten Anwendungsfall wird empfohlen, möglichst viele Pfähle einer solchen Prüfung zu unterziehen. Bei größeren Pfahlgründungen sollten mindestens 10 % der Pfähle, bzw. wenigstens 3 Pfähle eines Pfahltyps geprüft werden. (6) Das Verfahren sollte insbesondere dann eingesetzt werden, wenn das Versagen eines einzelnen Pfahles, unabhängig ob als Einzel- oder Gruppenpfahl, für die Standsicherheit des Bauwerkes entscheidend ist. (7) Die zur Prüfung vorgenommenen Messungen bzw. Auswertungen gestatten Aussagen über Abweichungen von der planmäßigen Querschnittsqualität über 234

eventuelle Pfahlschafteinschnürungen, Risse u. ä. und/oder Baustoffqualität, z. B. Elastizitätsmodul, Festigkeit. (8) Die Integritätsprüfung mit einem Handhammer ermöglicht kostengünstig und schnell, zahlreiche Pfähle an einem Tag zu prüfen und so allein durch den Vergleich der Ergebnisse der Prüfung vieler Pfähle einer größeren Pfahlgruppe in ein und demselben Baugrund bei Abweichungen vom Standardmesssignal dieser Baustelle auf mögliche Fehlstellen in einzelnen Pfählen zu schließen, siehe Fallbeispiele in Anhang C. (9) Im Unterschied zu den Verfahren der dynamischen Pfahlprobebelastung nach Kapitel 10 benötigt man bei der „Low-Strain“-Integritätsprüfung nur Informationen über die Pfahlkopfbewegungen. Es ist auch möglich, Bauwerkspfähle unter Last, d. h. unter einer Bodenplatte oder einem Lastverteilungsbalken zu prüfen, soweit diese seitlich zugänglich sind. (10) Aussagen über Pfahlwiderstände im Sinne einer dynamischen Pfahlprobebelastung sind mit dieser Methode nicht möglich. Dagegen lassen sich aus den Prüfungen die Schichtgrenzen der Bodenschichten erkennen, wenn diese die Querschnittsausbildung der Pfähle beeinflussen. Über eine erhöhte Dämpfung (Signalminderung) können Schichtgrenzen auch dann erkennbar werden, wenn sie keine Querschnittsänderung verursachen. 12.2.2

Vorbereitung und Durchführung der Prüfung

(1) Durch einen Schlag auf den Pfahlkopf wird eine Stoßwelle erzeugt, die den Pfahlschaft axial durchläuft und am Pfahlfuß bzw. an einer Störstelle reflektiert wird. Gemessen wird die Bewegung des Pfahlkopfes in Abhängigkeit von der Zeit. Aus diesem Zeitverlauf lassen sich die Laufzeit der Stoßwelle durch den Pfahl und die Intensität der Reflexionen erkennen. (2) Vor Beginn der Integritätsprüfung muss der frei zugängliche Pfahlkopf bis auf den „gesunden“ Pfahlbeton abgespitzt sein. Die Herstellung einer glatten Oberfläche ist vorteilhaft. Der Pfahlkopf sollte nach dem Abspitzen keine Haarrisse aufweisen. Die Pfahlköpfe sind von losem Material zu reinigen. Die Pfahlkopfoberfläche sollte trocken sein. Ein Freilegen des Pfahles auf eine bestimmte Tiefe ist nicht erforderlich. Da bei der „Low-Strain“-Methode Impedanz-/Steifigkeitsänderungen entlang des Pfahlschaftes im Verhältnis zur Messebene (Pfahlkopf) ermittelt werden, kommt der Vorbereitung dieser Messebene besondere Bedeutung zu. (3) Der Pfahlbeton muss zum Zeitpunkt der Prüfung ausreichende Festigkeit aufweisen. Die gesäuberte Pfahlkopffläche (Messebene) muss zur Testschlageinleitung und Messwertaufnahme zugänglich und trocken sein. Eine herausstehende Anschlussbewehrung muss von Wendel- bzw. Bügelbewehrung befreit werden. Sie sollte ggf. seitlich weggebogen werden, um eine unerwünschte Signalbeeinflussung zu vermeiden. 235

(4) Der Messwertaufnehmer ist in Achsrichtung senkrecht und unverschieblich auf dem Pfahlkopf anzuhalten oder zu befestigen (kleben). (5) Pro Pfahl sind normalerweise mehrere Messsignale an verschiedenen Stellen auf der ebenen Oberfläche des Pfahlkopfes aufzunehmen und miteinander zu vergleichen. Die Anzahl der Messpunkte hängt vom Pfahldurchmesser ab. (6) Ein Wechsel des Aufnehmeransatzpunktes sowie die Verwendung eines instrumentierten Hammers und Auswertung aufgrund eines Kraft- und eines Geschwindigkeitssignals kann ggf. auch Schäden im unmittelbaren Pfahlkopfbereich aufzeigen. (7) Sind die zu testenden Pfähle im Unterbeton o. ä. eingebunden, ist dies bei der Auswertung und Interpretation der Messsignale zu berücksichtigen. (8) Bei Messungen an Pfählen unter bestehenden Fundamenten, Pfahlkopfbalken oder -platten müssen die Pfahlköpfe an mindestens einer Seite trocken zugänglich sein. Für eine ausreichende Gebermontage und die Einleitung des Hammerschlages sind seitliche Aussparungen (ca. 5 cm tief) im Pfahlschaft des zu testenden Pfahles erforderlich. (9) Bei Pfählen, deren Verhältnis Länge zu Durchmesser sehr groß ist, kann das Signal vom Pfahlfuß ggf. nicht ausreichend sichtbar gemacht werden. Schleifen von Kontaktflächen auf der Pfahlkopfoberfläche oder Erhöhung des Hammergewichtes oder vergleichbare Maßnahmen können die Voraussetzungen deutlich verbessern. 12.2.3

Messungen und Messgeräte

(1) Für die Stoßeinleitung werden je nach Anforderung verschiedene Handhämmer eingesetzt. (2) Gemessen wird bei der Stoßeinleitung die auftretende Beschleunigung (oder seltener die Geschwindigkeit) zeitabhängig am Pfahlkopf. (3) Die Messsignale werden in einem tragbaren Computer digitalisiert, aufbereitet und auf dem Bildschirm dargestellt bzw. für die Dokumentation ausgedruckt. (4) Die Messgeräte sollten die zu interpretierenden Signale in einem Frequenzbereich bis 10.000 Hz und Beschleunigungsamplituden bis 1000 g ausreichend genau erfassen. 12.2.4

Aus- und Bewertung der Prüfergebnisse

(1) In der Regel wird die gemesseneGeschwindigkeit v(t) der Welle ausgewertet (siehe Bild 12.1). Auch die direkte Bewertung des Beschleunigungssignales a(t) ist möglich. 236

Bild 12.1 Messsignal und Orts-Zeit-Zusammenhang bei der Stoßprüfung; hier auch Reflexion bei einer Querschnittsvergrößerung

(2) Aus dem zeitlichen Verlauf kann die Laufzeit der Welle bestimmt werden, wenn der am Pfahlkopf aufgebrachte Stoß den Pfahlfuß erreicht, dort reflektiert wird und eine messbare Geschwindigkeitsänderung am Pfahlkopf bewirkt. (3) Auf der Abszisse des Messschriebes (Zeitachse) kann die Pfahllänge bzw. die Tiefenlage einer Diskontinuität aus der Reflexion der Welle für eine angenommene Wellengeschwindigkeit direkt abgelesen werden. (4) Auf der Ordinate sind die Art und der Umfang einer Diskontinuität aus der Signalablenkung erkennbar: – Abweichungen vom planmäßigen Pfahlquerschnitt werden durch den Verlauf der Geschwindigkeits-Zeit-Funktion am Pfahlkopf angezeigt. – Signalablenkung in gleicher Richtung wie das Eingangssignal bedeutet eine Zugwelle (z. B. Impedanzverringerung), in entgegengesetzter Richtung eine Druckwelle (z. B. Impedanzzunahme). (5) Da der Elastizitätsmodul und die Dichte nur geringen Schwankungen unterliegen, werden die Impedanzänderungen in der Regel Querschnittsänderungen gleichgesetzt. Die Aussagen sollen anhand von Betondaten, Pfahlherstellungsunterlagen und Baugrundaufschlüssen auf ihre Plausibilität hin überprüft werden. (6) Ein Messsignal, das sich als ausgeprägt bei der überwiegenden Zahl der Pfähle einer Baustelle zeigt, kann entsprechend dem vorhandenen Pfahl-BodenSystem für die örtlichen Verhältnisse als charakteristisch angesehen werden. Abweichungen von diesem Signal sind besonders zu beachten. 237

(7) Größenmäßige Angaben zu festgestellten Diskontinuitäten sind nur bedingt möglich. Eine quantitative Ermittlung der Querschnittsabweichung über die Differenz zwischen herablaufender und reflektierter Welle erfordert eine genaue Kenntnis der Dämpfung. (8) Die Bestimmung der längenmäßigen Ausdehnung solcher Fehlstellen hängt von der Impulsdauer ab. (9) Die Auswertung der Signale kann schwierig bzw. mehrdeutig sein, wenn die vor der Fußreflexion am Pfahlschaft ausgelösten Reflexionswellen sich miteinander und mit der Fußreflexion überlagern. Anmerkung: In solchen Fällen ist im Prüfbericht darauf hinzuweisen, dass eine Auswertung nicht möglich ist und keine Aussage über die Qualität gegeben werden kann. 12.2.5

Beurteilungsklassen

Bei der Beurteilung ist zwischen 4 Ergebnisklassen zu unterscheiden: Klasse A1: Der Pfahl ist in Ordnung. Das Signal weist einen eindeutigen Fußreflex auf und im Signalverlauf sind keine Impedanzrückgänge entlang der Pfahlachse zu verzeichnen. Der Regelquerschnitt ist planmäßig bzw. zeigt ggf. nur positive Impedanzänderungen oder diese liegen in der Toleranzbandbreite. Die Wellengeschwindigkeit liegt in der erfahrungsgemäß zu erwartenden Bandbreite. Klasse A2: Keine Einschränkung der Gebrauchstauglichkeit erkennbar. Die Klasse A2 liegt vor, wenn das Mess-Signal Verdickungen anzeigt. Der Pfahlquerschnitt ist damit zwar nicht planmäßig, aber es ist von keiner Einschränkung der Gebrauchstauglichkeit auszugehen. Ebenso, wenn das Signal bei längeren Pfählen durch den Dämpfungseinfluss starke Abweichungen von der Nulllinie zeigt. Anmerkung: Bei Pfählen, bei denen die Fußreflexion durch Einbindung in einer festen Schicht „geschluckt“ ist, kann die Klasse A1 vergeben werden, allerdings sollte auch diese Einschränkung der Aussage in einer Kommentarzeile vermerkt werden. Klasse A3: Der Pfahl weist eine geringe Qualitätsminderung auf. Diese Klasse wird vergeben, wenn das Mess-Signal eine eindeutige Impedanzminderung (Querschnittsminderung) und ein deutliches und starkes Fußsignal anzeigt. Die Minderung ist durch eine Wellengleichungsformel oder empirisch abzuschätzen und darf nur ein Viertel des planmäßigen Querschnitts betragen. Die Klasse A3 kann auch aufgrund einer eindeutig von der Baustellennorm abweichenden Wellengeschwindigkeit von über 5 % bis höchstens 10 % vergeben werden. Dies ist in einer Kommentarzeile zu vermerken. 238

Klasse B: Der Pfahl ist nicht in Ordnung, starke Qualitätsminderung. Diese Klasse wird vergeben, wenn das Mess-Signal eine eindeutige starke Impedanzminderung (Querschnittsminderung) und ein erkennbares Fußsignal anzeigt bzw. eine unterbrochene Betonsäule vorliegt. Die Minderung ist durch eine Wellengleichungsformel oder empirisch abzuschätzen und beträgt ca. zwei Drittel des planmäßigen Querschnitts. Wenn die Klasse B wegen einer eindeutig zu stark abweichenden Wellengeschwindigkeit (10 % oder mehr) vergeben wird, ist dies in einer Kommentarzeile zu vermerken. Klasse 0: Signal nicht auswertbar. Falls es erforderlich ist, nicht auswertbare Signale in einer Klasse zusammenzufassen, sollte die Klasse 0 vergeben werden. Im Allgemeinen sollte aber der Grund für die Nichtauswertbarkeit, meistens schlechter Pfahlkopfbeton oder Riss unmittelbar unter dem Pfahlkopf über die ersten 50 cm, beseitigt werden und eine Nachprüfung vorgenommen werden. Gründe dafür, dass ein Signal nicht auswertbar ist, können sein: – Pfahlkopf bauseitig nicht sachgemäß vorbereitet, kein homogener Beton im Schlageinleitungsbereich, z. B. Zementschlämpe, Risse, starke Verunreinigungen, loses Material, usw.; – zu geringes Pfahlalter bzw. zu weicher Kopfbeton; – Messsignal ist durch dominante Schwingungsüberlagerungen, z. B. mitschwingende Bewehrung, nicht zu interpretieren; – Pfahlkopf ist nicht zugänglich (nicht freigelegt, Kopf unter Wasser, Bewehrung des aufgehenden Bauwerks schon eingebaut, usw.); – stärkere Impedanzänderungen z. B. durch das Anbetonieren an Altbauten im Boden (Kanäle, Altfundamente, benachbarte Pfähle) lassen für den darunter liegenden Pfahlteil einen ausreichenden Nachweis nicht zu, und es kann mit den vorhandenen Informationen oder aufgrund fehlender Informationen, z. B. Bodenaufschluss, usw., keine schlüssige Erklärung abgeleitet werden. 12.2.6

Wellengeschwindigkeit

(1) Die Wellengeschwindigkeit c als Bewertungskriterium ist aus der planmäßigen Länge LPlan für eine deutliche Fußreflexion zu ermitteln: c=

2 ⋅ L Plan Tgemessen

(12.1)

mit: planmäßige Länge des Pfahles LPlan Tgemessen Zeit, nach der die reflektierte Welle den Pfahlkopf erreicht 239

(2) Für normalen Beton bei Pfählen, die nach mindestens 7 Tagen geprüft werden, liegt die Wellengeschwindigkeit c üblicherweise zwischen 3500 und 4200 m/s. Gibt es größere Abweichungen im Alter der geprüften Pfähle, sollte eine deutliche Zunahme der Wellengeschwindigkeit mit der Standzeit zu erkennen sein. (3) Liegt die Wellengeschwindigkeit unter 3500 m/s, sollte überprüft werden, ob es Anzeichen für verminderte Betonqualität gibt. Liegt die Wellengeschwindigkeit oberhalb von 4200 m/s, können die Pfähle kürzer als planmäßig sein. Diese Abweichungen sollten im Messbericht kommentiert werden. (4) Die Bestimmung des Pfahlprofils kann auch durch eine Simulationsberechnung oder auf der Grundlage der Wellentheorie durch Integration des Geschwindigkeitsverlaufs erfolgen. Die direkte Interpretation des Geschwindigkeitszeitverlaufes hat aber Vorrang. Weitere Hinweise und Beispiele zur Signalinterpretation siehe [48]. 12.2.7

Dokumentation und Berichterstattung

(1) Während der Messungen werden die Daten für die spätere Auswertung und Archivierung in der Regel als Messschriebe und digital gespeichert. (2) Die für die Darstellung des Geschwindigkeitszeitverlaufes verwendete Wellengeschwindigkeit ist im Prüfbericht anzugeben und gegebenenfalls zu begründen. Als für die Auswertung der Messung notwendige Daten sind im Prüfbericht festzuhalten: – – – – – – – – – – – – –

Baustellenbezeichnung, Testdatum, Pfahlposition, Pfahlnummer, Pfahllänge, planmäßiger Pfahldurchmesser, gemessener Pfahlkopfdurchmesser, tatsächliches Betonvolumen, Herstellungsdatum, planmäßige, herstellungsbedingte Querschnittsänderungen, Herstellungsart, Betonqualität, Bodenprofil.

(3) Wenn bei der Auswertung der Signale ein Mittelwert aus mehreren geeigneten Signalen gebildet wird (Stapelung), eine Glättung oder Tiefpassfilterung, eine Vergrößerung im Zeitbereich oder auch andere Signalbearbeitungen vorgenommen werden, ist dieses nachvollziehbar zu dokumentieren. (4) Im Prüfbericht müssen auch die Beurteilungsklassen nach 12.2.5 mit Begründung enthalten sein. 240

12.3

Ultraschall-Integritätsprüfung

12.3.1

Ziel und Anwendungsbereich

(1) Die Ultraschallprüfung ist eine Methode zur Bestimmung der Homogenität des Materials von Festkörpern, die übertragen wurde auf das Prüfen der Homogenität des Betons von Bohrpfählen. Abweichungen in der Homogenität des Materials werden durch Abweichungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen festgestellt. Beträgt eine Abweichung mehr als 20 % vom Durchschnittswert, wird dies als Anomalie bezeichnet. (2) Die technischen Voraussetzungen zur Durchführung der Ultraschall-Integritätsprüfung, sowie die Eigenschaften der Messgeräte sind international z. B. in NF P94-160-1 (Frankreich) oder in ASTM D6760-02 (USA) festgelegt. Es wird allerdings in diesen Regelungen keine Empfehlung zur Bewertung der Messergebnisse und des Einflusses eventuell festgestellter Abweichungen gegeben. Diese Empfehlungen enthalten Erläuterungen und Hinweise für die Beurteilung der Pfahlqualität. 12.3.2

Prinzip der Ultraschall-Integritätsprüfung

(1) Bei der Ultraschall-Integritätsprüfung werden die Laufzeit und die Signalstärke einer mechanischen Welle im Ultraschallbereich (meist 100.000 Hz) gemessen, welche von einem Sender zu einem Empfänger übertragen wird. Diese Welle läuft in der Regel zwischen Messrohren horizontal durch den zu prüfenden Pfahlbeton („Cross-Hole“ Messung) oder vertikal („Down-Hole“ Messung). In besonderen Fällen werden mit höhenversetzten Sendern/Empfängern geneigte Messungen ausgeführt („Fan-Shape“ Messung). (2) Bei der Cross-Hole Messung werden Sender und Empfänger in separaten, parallelverlaufenden Messröhren geführt. Nur bei der Sonderform der Down-Hole Messung werden Sender und Empfänger in demselben Messrohr übereinander liegend geführt. (3) Die Anzahl der Messrohre richtet sich nach dem Pfahldurchmesser. In der Regel wird pro 25 cm Pfahldurchmesser ein Messrohr eingebaut, für einen 90 cm Pfahl also beispielsweise vier Rohre. Für die Standardanwendung der Cross-Hole Ultraschallprüfung sind mindestens zwei Rohre einzubauen. (4) Für die Sonderform der Single-Hole Ultraschallprüfung wird bei Fertigpfählen ein einzelnes Messrohr zentrisch im Pfahl angeordnet. Bei Bohrpfählen ist eine Kernbohrung erforderlich (siehe 12.4). Diese ermöglicht durch die Kernentnahme die direkte Zuordnung der Ergebnisse zur Betonfestigkeit und Qualität. Auch können ergänzende Bohrlochversuche, z. B. Impressionspacker-Versuche ausgeführt werden. (5) Aus Gründen der Dauerhaftigkeit und Robustheit sind Messrohre aus Stahl solchen aus Kunststoff vorzuziehen. Bei Messrohren aus Kunststoff sollen diese 241

beim Betonieren mit Wasser gefüllt sein, so dass sie nicht durch die Abbindewärme ihre Festigkeit verlieren. (6) Mit der Ultraschall-Integritätsprüfung kann nur der Teil des Pfahlquerschnitts, der sich zwischen den Messrohren befindet, im Hinblick auf seine Integrität bewertet werden. Je nach Pfahldurchmesser und Anzahl der Messrohre, ihrer Überdeckung und ihrem Durchmesser, sind dies zwischen 50 und 70 % des Querschnitts. Die Ausführung der Ultraschall-Integritätsprüfung ist damit insbesondere für Großbohrpfähle mit Durchmessern ab etwa 90 cm geeignet. (7) Der außerhalb der durch die Messrohre aufgespannten Fläche liegende Teil des Pfahles geht nicht in die Bewertung ein. So können Fehlstellen, die ggf. mit der Low-Strain-Integritätsprüfung erkannt werden, z. B. Einschnürungen im äußeren Pfahlbereich, mit der Ultraschall-Integritätsprüfung unter Umständen nicht erkannt werden. Umgekehrt werden mit der Ultraschall-Integritätsprüfung bestimmte Fehlstellenausprägungen, z. B. vertikale Risse, Fehlstellen nahe dem Pfahlkopfbereich oder im Pfahlfußbereich, besser als mit der HammerschlagMethode erkannt. (8) Anders als bei der Low-Strain-Integritätsprüfung besteht bei der UltraschallIntegritätsprüfung praktisch keine Begrenzung hinsichtlich der Pfahllänge. 12.3.3

Durchführung der Messung

(1) Zur Übertragung des Ultraschallsignals vom Sender in den Beton müssen die Messrohre mit Wasser gefüllt sein. Es werden nur longitudinale Wellen durch das Wasser und die Wandung der Messrohre in den umgebenden Beton übertragen. (2) Sender und Empfänger werden gleichmäßig zum Messrohrende herabgelassen. Die Tiefe wird dabei kontinuierlich über Messrollen aufgezeichnet. Die Ultraschallsignale des Senders laufen durch den Pfahlbeton und werden vom Empfänger aufgezeichnet. In Bild 12.2 sind der Messaufbau und -ablauf dargestellt. (3) Bild 12.3 zeigt das Messergebnis – auf der linken Bildhälfte für einen intakten Pfahl mit Länge 7 m und auf der rechten Bildhälfte für einen 32 m langen Pfahl mit einem Defekt zwischen 27 und 29 m Tiefe. Die Ankunftszeiten der Ultraschallwelle werden zusammen mit der Energie des empfangenen Signals vom Messgerät errechnet und für jede Messrichtung als Linien über die Tiefe aufgetragen (siehe Bild 12.3 jeweils linker Bildteil). Zusätzlich wird der jeweilige Zeitverlauf des empfangenen Signals auf dem rechten Bildteil ebenfalls für jeden Messquerschnitt über die Tiefe dargestellt. Zur übersichtlichen Darstellung sind die Zeitverläufe als Punktstrecke gezeigt, wobei jedem positiven Wert ein heller Punkt und jedem negativen Wert ein schwarzer Punkt zugeordnet wird. Sind die Signale über die Tiefe gleichartig und reproduzierbar, ergeben sich parallele graue und schwarze Linien („Wasserfall“-Darstellung oder „sonic-map“). Weitergehende Erläuterungen der Methode finden sich z. B. in [52] oder [58]. 242

Bild 12.2 Prinzip der Ultraschall-Integritätsprüfung

(4) In homogenem Beton ist die Wellengeschwindigkeit einer Ultraschallwelle konstant. Im Allgemeinen liegt sie im Bereich von 3500 bis 4000 m/s. Je nach Betonqualität und Betonalter kann die Wellengeschwindigkeit allerdings auch Werte zwischen 3000 und 4500 m/s annehmen. (5) Das vorrangige Ziel der Ultraschall-Integritätsprüfung ist nicht die Bestimmung des absoluten Betrages der Wellengeschwindigkeit der Ultraschallwelle, sondern vielmehr die Überprüfung der Gleichmäßigkeit der Wellengeschwindigkeit im gesamten Pfahl. Im Bereich von Bodeneinschlüssen, Kiesnestern oder anderen Inhomogenitäten im Beton sinkt die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Vergleich zu Bereichen mit gesundem Pfahlbeton, was sich in Verlängerungen der Laufzeit, Verringerungen der Energie und Unregelmäßigkeiten in der „Wasserfall-Darstellung“ äußert. 12.3.4

Vorbereitung und Durchführung der Prüfung

12.3.4.1 Auswahl der Prüfpfähle (1) Für die Durchführung von Ultraschall-Integritätsprüfungen ist es nicht erforderlich, gesonderte Probepfähle herzustellen. Prinzipiell können alle Bauwerkspfähle, die mit Messrohren bestückt sind, einer Ultraschall-Integritätsprüfung unterzogen werden. 243

244

Bild 12.3 Beispiele für Ergebnisplots einer Ultraschall-Integritätsprüfung

(2) Es ist empfehlenswert, grundsätzlich einen bestimmten Anteil der Pfähle einer Baustelle (z. B. 25 %) planmäßig mit Messrohren auszustatten, wenn für die Qualitätssicherung Ultraschall-Integritätsprüfungen vorgesehen sind. Ob in der Folge alle oder nur ein Teil und in diesem Falle welche der bestückten Pfähle einer Ultraschall-Prüfung unterzogen werden, kann später z. B. durch den Bauherrenvertreter, den Prüfingenieur oder Sachverständigen für Geotechnik bzw. den geotechnischen Fachplaner festgelegt werden. (3) In Sonderfällen kann es erforderlich sein, dass Pfähle geprüft werden sollen, die nicht mit Messrohren bestückt sind. Zur Durchführung der Prüfung sind dann wenigstens eine (Single-Hole-Prüfung), besser zwei oder drei Bohrungen niederzubringen, in denen dann die Prüfung durchgeführt wird. Werden die Bohrungen mit Gewinnung von Kernen durchgeführt, dann können zusätzliche Informationen über die Betonqualität gewonnen werden. Anmerkung: Diese Bohrungen sind vor der Ultraschallprüfung hinsichtlich ihrer Lage und Neigung zu vermessen, da der horizontale Abstand wesentlich in die Auswertung eingeht (Laufzeit der Ultraschallwelle). (4) Zum Zeitpunkt der Prüfung sollte der Pfahlbeton eine Mindestfestigkeit erreicht haben. Anders als bei der Low-Strain-Integritätsprüfung kann die Festigkeit jedoch noch relativ gering sein, was sich ggf. in geringen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Ultraschallwelle äußert, die Auswertung aber dennoch ermöglicht. Auf diese Weise können Pfähle bereits zwei bis drei Tage nach Herstellung geprüft werden. Längere Standzeiten sind jedoch anzustreben, da der Beton dann gleichmäßiger abgebunden ist und somit die Messsignale eindeutiger sind. 12.3.4.2 Versuchsdurchführung (1) Alle möglichen Messstrecken sind zu messen, z. B. drei Rohre – drei Messstrecken, vier Rohre – sechs Messstrecken, fünf Rohre – zehn Messstrecken, usw. (2) Vor der Durchführung der eigentlichen Messungen mit dem Ultraschallsender und dem Empfänger empfiehlt es sich, die Befahrbarkeit der Messrohre und deren Tiefe mit einer geeigneten Blindsonde zu überprüfen. (3) Vor der Messung ist die vollständige Wasserfüllung der Messrohre sicherzustellen. (4) Sender und Empfänger sind parallel und mit ausreichend geringer Geschwindigkeit von etwa 0,05 m/s innerhalb der Messrohre zu bewegen. Die Bewegungsrichtung kann entweder von unten nach oben oder von oben nach unten gewählt werden. (5) Entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit und der Frequenz der ausgesendeten Ultraschallimpulse ergibt sich die Signaldichte über die Tiefe. Anzustreben ist die Aufzeichnung eines reproduzierbaren Signals je Messstrecke 245

und je 5 cm Tiefe. Entsprechend wird der Pfahl in beispielsweise 5 cm dicke Prüfquerschnitte unterteilt. 12.3.5

Versuchsauswertung

12.3.5.1 Signalverläufe (1) Im Signal zeichnet sich gleichbleibende Betonqualität durch parallel verlaufende „stehende“ Wellen ab (siehe Bild 12.3). (2) Für im Signalverlauf erkannte Anomalien sind unterschiedliche Erklärungen möglich. Anhand der Messsignalverläufe z. B. in Bild 12.4 wird ersichtlich, dass aus den gemessenen Ankunftszeiten kein eindeutiger Rückschluss auf die Art der Fehlstelle möglich ist. Die längere Laufzeit der Ultraschallwelle zwischen den Messrohren kann durch Beton mit geringer Qualitätsminderung auf der ganzen Messstrecke oder durch Beton mit stärkerer Qualitätsminderung auf einem Teilstück der Messstrecke oder sogar vergrößertem Abstand der Messrohre hervorgerufen sein. Bei einer lokalen Entmischung des Betons kann die Ultraschallwelle die Fehlstelle umlaufen, was ebenfalls eine spätere Ankunftszeit zur Folge hat. (3) Für eine genaue Bestimmung jeder einzelnen Anomalie müssen weitere Informationen vorhanden sein, die nachfolgend aufgeführt sind.

Bild 12.4 Beispiele zur Ultraschallwellenausbreitung, Ankunftszeit und Wellengeschwindigkeit

246

– Um das Vorhandensein von Hohlräumen im Bereich der Messrohrstöße auszuschließen, die den Signalverlauf beeinflussen können, müssen detaillierte Zeichnungen über die Lage der Verbindungsstücke vorhanden sein. Die Bildung solcher Hohlräume im Bereich eines intakten Messrohres ist sehr unwahrscheinlich, im Bereich der Messrohrstöße allerdings möglich. – Für die Eingrenzung möglicher Fehlstellen sind die Ergebnisse der Baugrunderkundung und die Herstellungsprotokolle der Pfähle heranzuziehen. – Als ergänzende Untersuchungen können Kernbohrungen oder eine LowStrain-Integritätsprüfung Informationen über das Vorhandensein und ggf. die Ausdehnung einer Fehlstelle geben. (4) Informationen über die Form und die Eigenschaften einer möglichen Fehlstelle können aus dem Vergleich der empfangenen Signale und deren Energiegehalt gewonnen werden. Der Wellendurchgang entlang einer Messtrecke mit gleichmäßigem Beton sollte z. B. vom Wellendurchgang durch auf einer Teilstrecke vorhandenem minderwertigen Beton oder beim Umlaufen eines Kiesnestes unterschieden werden können. Die Komplexität der Phänomene der räumlichen Ausbreitung mechanischer Wellen in einem festen Körper und insbesondere in einem vergleichsweise inhomogenen Material wie Beton verhindert jedoch häufig eine eindeutige Interpretation des empfangenen Signals. Bisher wurde noch kein Modell zur genauen Charakterisierung der festgestellten Fehlstellen durch die Form des Ultraschallsignals entwickelt. Nur der Energiegehalt des aufgezeichneten Signals kann als Indikator herangezogen werden. Eine geringe übertragene Energie ist in der Regel mit einer geringen Wellengeschwindigkeit verbunden. (5) Eine Fehlstelle im Pfahlbeton kann deshalb vermutet werden, wenn sowohl die Energie als auch die Wellengeschwindigkeit im betroffenen Querschnitt abnehmen. 12.3.5.2 Signalanalyse (1) Für die Analyse der Ultraschall-Integritätsprüfung ist folgendes Verfahren möglich: a) Bestimmung der Laufzeiten (Wellengeschwindigkeiten) über die Tiefe und Bestimmung der durchschnittlichen Wellengeschwindigkeit. b) Abweichungen von bis zu 20 % von der durchschnittlichen Wellengeschwindigkeit können i. d. R. unberücksichtigt bleiben, da sie nicht auf signifikante Anomalien hinweisen. c) Wenn in einem Querschnitt eine Abweichung in der Wellengeschwindigkeit von mehr als 20 % auftritt, müssen die Energie und die Signalformen in der „Wasserfalldarstellung“ eingehend geprüft werden. Wenn hierdurch eine Anomalie bestätigt ist, werden alle Durchschnittswerte und maximalen Laufzeiten über die möglichen Messstrecken in dieser Tiefe bestimmt. d) Berechnung eines „Qualitätsindikators“ KQ mit gewichteten Wellengeschwindigkeiten in diesem Querschnitt mit Hilfe von Gl. (12.2). 247

∑

ηQ = wobei: ai,j χ ij =

(χ ij ⋅ a ij )

∑ a ij

c ij

ca ij

cij caij

(12.2)

Abstand zwischen Messrohren i und j; Verhältnis von Wellengeschwindigkeit in der Fehlstelle zur mittleren Wellengeschwindigkeit für den Weg i – j; Wellengeschwindigkeit für Weg i – j in Querschnitt mit Anomalie; mittlere Wellengeschwindigkeit in gesundem Beton für den Weg i – j.

Der Qualitätsindikator KQ kann als Anpassungsfaktor für die Betonqualität im betrachteten Querschnitt angesetzt und z. B. für die Abschätzung einer Abminderung der inneren Tragfähigkeit an dieser Stelle verwendet werden, wenn dieses Vorgehen durch das Nachweiskonzept erfasst wird. (2) Eine Abschätzung der Ausdehnung und Auswirkung einer möglichen Fehlstelle kann dadurch erfolgen, dass für den defekten Bereich eine untere Grenze der Wellengeschwindigkeit, z. B. die Wellengeschwindigkeit von Luft, angesetzt wird. Aus der Größe der Abweichung in der Wellengeschwindigkeit kann dann die Größe des defekten Bereichs bestimmt werden. Für eine Messtrecke a – b der Länge Lab mit der Laufzeit Tab ergibt sich die Ausdehnung des intakten Betons L1 bzw. des defekten Bereichs L2 mit der durch die Ultraschall-Messung bestimmten Wellengeschwindigkeit cL1 für intakten Beton und der unteren Grenze der Wellengeschwindigkeit cL2 aus der Auswertung des linearen Gleichungssystems: Geometrie:

L1 + L2 = Lab

(12.3)

Laufzeit:

L1 / cL1 + L2 / cL2 = Tab

(12.4)

Je nachdem welche Wellengeschwindigkeit für den defekten Bereich gewählt wird, verändert sich auch die Größe des defekten Bereichs. (3) Ein anderer Ansatz der Auswertung nutzt die Algorithmen der in der Medizin bekannten Computer-Tomographie. Ob die Signale auf der Grundlage von Röntgen-Strahlen, Kernspinresonanzen oder Ultraschallwellen gewonnen wurden, ist für diese Betrachtung unerheblich. Die Berechnung verläuft als Inverse einer üblichen Strömungsberechnung mit Finiten Elementen ab. Der betrachtete Querschnitt wird in finite Elemente aufgeteilt. Jedem Element, welches von der Welle gekreuzt wird, wird eine unbekannte Wellengeschwindigkeit bzw. deren Kehrwert zugeordnet. Im Bild 12.5 wird z. B. eine Aufteilung in 42 von der Messung erfasste Elemente vorgenommen. Zur Bestimmung der 42 unbekannten Wellengeschwindigkeiten (bzw. ihrer Kehrwerte) stehen die zehn Gleichungen der zehn gemessenen Ausbreitungsstrahlen 248

Bild 12.5 Modell für die Berechnung der möglichen Ausdehnung des defekten Bereichs aus „ComputerTomographie“

zur Verfügung. Die Lösung dieses unterbestimmten Gleichungssystems ist – wie die vorige Lösung auf dem Strahl – nicht eindeutig. Eine Grundlösung kann durch die zweite Gaußsche Transformation erzielt werden. Mit den dann bekannten Wellengeschwindigkeiten ist dann wiederum ein Qualitätsindikator zu bestimmen, um den Pfahl vom ingenieurmäßigen Standpunkt zu bewerten. Zur Darstellung des Berechnungsergebnisses der Tomographie kann die Verteilung der Wellengeschwindigkeiten geglättet werden. Das Ergebnis wird häufig in einer Falschfarbendarstellung veranschaulicht. Für weitere Erläuterungen zur Tomographie-Auswertung siehe z. B. [40]. (4) Die in (1) vorgeschlagene Bestimmung eines Qualitätsindikators ist keine Ableitung im streng wissenschaftlichen Sinn, sondern eine ingenieurmäßige Bewertung des Ergebnisses einer Ultraschall-Integritätsprüfung. (5) Bei der Anwendung des Qualitätsindikators sollte die Komplexität der tatsächlichen Zusammenhänge und der Messaufgabe beachtet werden. Die Bewertung des Pfahles sollte in Beziehung zu anderen Daten über den Pfahlzustand, z. B. Herstellungsprotokolle, überprüft werden. 12.3.5.3 Pfahlbewertung (1) Bei der Pfahlbewertung ist zu berücksichtigen, dass jeweils lediglich ein Messquerschnitt entsprechend der Tiefe der Sensoren analysiert wurde. Besonders bei kleiner Schrittweite kann die Ausdehnung über die Pfahlachse auch ein wesentlicher Aspekt der Pfahlbewertung sein. (2) Wird der Qualitätsindikator als Grundlage für eine Abminderung der Druckfestigkeit verwendet, so sollte diese ggf. auch an Bohrkernen überprüft werden. 12.3.6

Dokumentation und Berichterstellung

(1) Alle Einzelheiten der Ultraschall-Integritätsprüfung sind in einem Prüfbericht zusammenzustellen. Er sollte zumindest folgende Angaben enthalten: 249

1. Allgemeine Angaben – Ort und Zeit der Prüfung; Lagepläne der geprüften Pfähle – besondere örtliche Gegebenheiten – Baugrundverhältnisse 2. Angaben zu den geprüften Pfählen – Pfahlart, -nummer – Herstellungsdatum, Betonqualität – Abmessungen (Durchmesser, Länge), Profil, Bewehrung – Herstellungsverfahren 3. Testsystem – Eingesetztes Gerät und Software – Kalibrierzeiträume der Ultraschallsender und Empfänger inklusive Zertifikate 4. Versuchsdurchführung – Versuchsdaten und Witterungsverhältnisse – Lageskizze der Messrohre mit Bezugsrichtung (Nordpfeil oder Landmarke) und Abständen – Versuchsprotokolle (Laufzeit, Energie und Rainfall-Plot je Messrichtung) – Gründe für eine Abweichung vom üblichen Versuchsablauf 5. Ergebnisse – tabellarische Zusammenfassung der Ergebnisse je Pfahl – ggf. Angabe des Qualitätsindikators KQ mit zugehöriger Tiefe – ggf. Angabe zur Ausdehnung von Fehlstellen (2) Anhang C5 enthält ein Fallbeispiel zur Ultraschallprüfung. 12.4

Pfahlprüfungen durch Kernbohrungen

12.4.1

Allgemeines

(1) Kernbohrungen und Prüfungen an den entnommenen Proben sowie am und im Bohrloch können zu folgenden Zwecken ausgeführt werden: a) Nachweis der Beton-Druckfestigkeit und/oder der Dauerhaftigkeit am Bauwerk, z. B. in Fällen – wo die nach DIN EN 206-1/DIN 1045-2 geforderten Eigenschaften mit den zur Güteüberwachung hergestellten Probekörpern nicht nachgewiesen wurden oder – die Zahl der Probekörper nicht ausreicht. b) Nachweis der Qualität und der Durchgängigkeit der Betonsäule des Pfahlschaftes. 250

c) Nachweis der Ausführungsqualität einer Arbeitsfuge, siehe DIN EN 1536: 1999-06, 8.3.8.7. d) Nachweis der sauberen Aufstandsfläche und/oder des Materials der tragenden Schicht, z. B. bei Spitzendruckpfählen auf Fels. e) Hohlraum für nachfolgende – Ultraschallprüfungen des Pfahlschaftes mit einer Tiefensonde (down-hole sonic coring) oder – Sonstige Bohrlochversuche, z. B. Impression-Packer Test. 12.4.2

Ausführung von Kernbohrungen

(1) Es sollten möglichst große Kerndurchmesser (t 70 mm) und schonende Bohrverfahren gewählt werden (z. B. Doppelkernrohre), um Störungen des Kerns durch den Bohrvorgang gering zu halten und eine möglichst vollständige Entnahme zu erzielen. (2) Die Bohrung sollte mit größeren Geräten, stabilen Gestängen und langen Kernrohren ausgeführt werden, um eine möglichst gute Richtungsstabilität zu erzielen. Nach Möglichkeit sollte die Bohrung exzentrisch im Pfahl angeordnet werden, um die sog. „Spur des Schüttrohres“ zu vermeiden, die dieses beim abschließenden Ziehen aus dem Frischbeton hinterlässt und in der Segregation des Betons möglich ist. Anmerkung: Begrenzte Segregationen im Zentrum des Pfahles sind i. d. R. keine allgemeine Qualitätseinbuße. (3) Wenn nur Abschnitte des Pfahlschaftes zu prüfen sind, wird der Einsatz von oben und unten verschlossenen Leerrohren empfohlen, die mit dem Bewehrungskorb eingebaut werden und die mindestens 1,0 m oberhalb der zu untersuchenden Zone enden. (4) Die Bohrtiefe, die Tiefe des Abrisses des jeweiligen Kerns und die Länge des gewonnenen Kerns für jeden Kernlauf sind zu registrieren. 12.4.3

Auswertung

12.4.3.1 Allgemeines (1) Die Bewertung von erkannten Zonen mit Qualitätsmängeln und deren Auswertung im Hinblick auf die Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit des Pfahles setzt Sachkenntnis und Erfahrung voraus. Sie sollte von einem Sachverständigen durchgeführt werden. (2) Sofern Qualitätsmängel am Pfahlkopf oder in geringer Tiefe erkannt werden, ist tieferes Kappen, Herstellung einer Arbeitsfuge nach DIN 1045:2001-07, 8.4 (5) und Aufbetonieren meist die wirtschaftlichste Lösung zur Erzielung eines qualitätsgerechten Pfahles. 251

(3) Qualitätsmängel im Pfahlfußbereich können meist nicht behoben werden. Zur Beurteilung sind meist Dauerhaftigkeits- und Setzungsbetrachtungen maßgebend. Anmerkung: Grobkornanreicherungen und abgeminderter Zementleimanteil sind bei Bohrpfählen im unmittelbaren Pfahlfußbereich aufgrund der Betoneigenschaften und des Betonierverfahrens oft unvermeidlich. Sie sind wie geringfügige Einsschlüsse von Fremdmaterial meist auch wenig relevant für das Tragverhalten des Pfahles. 12.4.3.2 Visuelle Bewertung (1) Die Kernstücke sind zur Auswertung auszulegen, an ihren Bruchkanten soweit möglich zusammenzupassen, zu vermessen und die gekernte Länge und der Kerngewinn festzustellen. Anmerkung: Hierbei sollte auch auf die Lotungen im Bohrloch Bezug genommen werden. (2) Die Kernstücke sind zu beurteilen hinsichtlich – Aussehen und Zusammensetzung des Betons: Verteilung der Zuschlagstoffe und der Feinteile in der Matrix; – Porosität und Dichte, ggf. nach vorherigem Annässen und Abtrocknen; – augenscheinlicher Festigkeit (z. B. mit leichten Hammerschlägen, Klang); – Nesterbildung und gröberen Segregationen. Anmerkung 1: Auch gröbere Poren sind bei Ortbeton-Pfählen aufgrund der spezifischen Eigenschaften und Einbaubedingungen normal und unschädlich. Nur größere Bereiche zusammenhängender Poren können Hinweis auf Qualitätsmängel sein. Anmerkung 2: Beim Antreffen von Bewehrung oder beim Durchstoßen einer Fuge (z. B. Pfahlsohle) ist aufgrund der unterschiedlichen Materialfestigkeiten die Kernzerstörung möglich. Die Beurteilung des Kerns ist in solchen Zonen besonders sorgfältig auszuführen. Die Bewertungen sind in Schichtenverzeichnissen analog DIN 4022-1 darzustellen und die Kerne in stabilen und dauerhaft beschrifteten Kernkisten nach den Regeln von DIN 4021 zu lagern. Sofern Proben für weitere Untersuchungen entnommen werden, sind die entsprechenden Bereiche, z. B. durch eingelegte beschriftete Distanzstücke, zu markieren. (3) Zonen mit Minderqualität, Auswaschungen, Nesterbildungen, gröberen Segregationen, Einschlüssen von Fremdmaterial oder Kernverlust sind einzugrenzen und hinsichtlich ihrer wahrscheinlichen Ausbreitung über den Pfahlquerschnitt zu beurteilen. Anmerkung: In solchen Fällen können zur Beurteilung ergänzende Untersuchungen sinnvoll sein, z. B. dynamische oder Ultraschall-Integritätsprüfungen. 252

12.4.4

Betonfestigkeit und Dauerhaftigkeit

(1) Die Proben sind aus Kernstücken zu entnehmen, die für den Pfahlbeton und die Integrität des Pfahles charakteristisch sind. (2) Die Vorbereitung, Lagerung und Untersuchung der Druckfestigkeit geschieht nach DIN 1048-2: Prüfverfahren für Beton; Festbeton in Bauwerken und Bauteilen. (3) Bei der weiteren Auswertung hinsichtlich der inneren Tragfähigkeit des Pfahles darf der Teilsicherheitswert JM ggf. abgemindert werden. (4) Zur Bewertung der Dauerhaftigkeit und des Korrosionsschutzes der Bewehrung sind die Lage und Ausdehnung einer möglichen Zone minderer Qualität, die Expositionsklasse und die Tiefe unter dem Grundwasserspiegel zu berücksichtigen. 12.4.5

Untersuchungen im Bohrloch

(1) Ultraschallversuche können helfen, erkannte Zonen minderer Betonqualität oder Einschlüsse größenmäßig einzuschätzen. (2) Impression Packer Tests können zur Beurteilung sinnvoll sein, wenn Bohrkerne keinen verlässlichen Aufschluss über die Durchgängigkeit der Betonsäule, Zonen mit Nesterbildungen oder den Sohlanschluss geben.

253

Anhang A Begriffe, Teilsicherheitsbeiwerte und Berechnungsgrundlagen A1 Formelzeichen

Begriffe und Formelzeichen Benennung

Lateinische Buchstaben A Querschnittsfläche des Pfahles Ab Nennwert der Pfahlfußfläche a Pfahlachsabstand in einer Gruppe Länge der größten Seite der Fußfläche aL as Pfahlbreite bei quadratischem Querschnitt bzw. Länge der kleinsten Seite der Fußfläche Nennwert der Pfahlmantelfläche in der Schicht i As,i bF Flanschbreite des Stahlträgerprofils horizontale Bodenreaktionskraft Bh c Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle C Dämpfungsfaktor cc effektive Kohäsion Cb Dämpfungskonstante Pfahlfuß cf,max maximaler Widerstand im Flügelscherversuch cp,i (Feder-) Steifigkeit des Pfahles i Dämpfungskonstante Pfahlmantel Cs cu Scherfestigkeit des undränierten Bodens d Pfahleinbindetiefe in den tragfähigen Baugrund D Pfahldurchmesser allgemein D Lagerungsdichte des nichtbindigen Bodens Außendurchmesser der Schnecke bei TeilverdrängungsDa bohrpfählen Db Pfahlfußdurchmesser äquivalenter Pfahlersatzdurchmesser Deq Durchmesser des Zentralrohres bei TeilverdrängungsDi bohrpfählen Ds Pfahlschaftdurchmesser E Elastizitätsmodul ea aktive Erddruckspannung E Beanspruchung Elastizitätsmodul des Einzelpfahles EE

Einheit

m2 m2 m m m m2 mm/cm/m kN/MN m/s (MN/m2)/(m/s) kN/m2 (MN/m2)/(m/s) kN/m2 MN/m (MN/m2)/(m/s) kN/m2 m m – m m m m m MN/m2 kN/m2 MN MN/m2

255

Formelzeichen 'ek ep Erph Es EI F(t) F1 F2 Fa(t) Fc,i F FG Fn fy,k g GE GR GR,i Gs h H HG Hi I Ic ID II Ip IW Jc K0 Ka Kpgh ks ks,k L

256

Benennung

Einheit

charakteristischer resultierender Erddruck passive Erddruckspannung räumlicher horizontaler Erdwiderstand Steifemodul Biegesteifigkeit Stoßkraft am Pfahlkopf als Funktion der Zeit Stoßkraft zur Zeit t1 Stoßkraft zur Zeit t2 Trägheitskraft Belastungsstufen Einwirkung vertikale Einwirkung auf die gesamte Pfahlgruppe Einwirkung aus negativer Mantelreibung Stahlspannung Erdbeschleunigung Gewichtskraft des angehängten Bodens Gruppenfaktor bezüglich des Pfahlwiderstandes widerstandsbezogener Gruppenfaktor (i-ter Pfahl der Gruppe) Gruppenfaktor bezüglich der Pfahlsetzungen Höhe des Stahlträgerprofils Horizontallast horizontale Einwirkung auf einen Gruppenpfahl horizontale Einwirkung auf eine Pfahlgruppe Trägheitsmoment Konsistenzzahl bezogene Lagerungsdichte Trägheitsmoment im Zustand I Plastizitätszahl wirksames Trägheitsmoment im Zustand II Dämpfungsfaktor Erdruhedruckbeiwert aktiver Erddruckbeiwert passiver Erddruckbeiwert Kriechmaß charakteristischer Bettungsmodul Pfahllänge

kN/m2 kN/m2 kN/m2 MN/m2 MNm2 kN/MN kN/MN kN/MN kN/MN kN/MN kN/MN kN/MN kN/MN MN/m2 m/s2 kN/MN – – – m kN/MN kN/MN kN/MN m4 – – m4 – m4 – – – – MN/m3 m

Formelzeichen la lb LE Li M N N10 N30 nG pf qb qb1 qc qs qs1 qs,k,i qu R R1 Rb RE RE,s = 0,1 D RG RG,i Rm,i Rm = Rm,mittel Rs s s1 s2 sE

Benennung

Einheit

das größere Rastermaß das kleinere Rastermaß elastische Länge Länge eines Schlitzwandelementes Moment Anzahl der Pfahlprobebelastungen Schlagzahl je 10 cm Eindringung der schweren Rammsonde (DPH) Schlagzahl je 30 cm Eindringung der Bohrlochrammsonde (BDP) Anzahl der Pfähle in der Gruppe Fließdruck Pfahlspitzenwiderstand Grenzwert des Pfahlspitzenwiderstandes Spitzenwiderstand der Drucksonde Pfahlmantelreibung Grenzwert der Pfahlmantelreibung Charakteristischer Wert der Pfahlmantelreibung in der Schicht i einaxiale Druckfestigkeit Widerstand eines Einzelpfahles Pfahlwiderstand im Grenzzustand der Tragfähigkeit Fußwiderstand des Einzelpfahles Widerstand des Einzelpfahles im Gegensatz zum Gruppenpfahl Pfahlwiderstand eines Einzelpfahles bei einer Setzung von s = 0,1 D Gesamtwiderstand einer Pfahlgruppe Gruppenpfahlwiderstand (i-ter Pfahl) Messwert des Widerstandes des i-ten Pfahles auf den Mittelwert bezogener Pfahlwiderstand mehrerer Pfahlprobebelastungen Mantelwiderstand des Einzelpfahles Pfahlsetzung Pfahlsetzung im Grenzzustand der Tragfähigkeit Pfahlsetzung im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit Setzung des Einzelpfahles

m m m kNm/MNm – – – – kN/m kN/m2/MN/m2 kN/m2/MN/m2 MN/m2 kN/m2/MN/m2 kN/m2/MN/m2 kN/m2/MN/m2 MN/m2 kN/MN kN/MN kN/MN kN/MN kN/MN kN/MN kN/MN kN/MN kN/MN kN/MN mm/cm mm/cm mm/cm mm/cm

257

Formelzeichen sG sg sKPP sN ssg ssg,z T Z

Benennung

Einheit

mittlere Setzung einer Pfahlgruppe Grenzsetzung bzw. Bruchsetzung Setzung der kombinierten Pfahl-Platten-Gründung Standardabweichung Grenzsetzung für die setzungsabhängige charakteristische Pfahlmantelreibung Grenzhebung Zeit, nach der die reflektierende Welle den Pfahlkopf erreicht Impedanz

mm/cm mm/cm mm/cm – mm/cm

Griechische Buchstaben Pfahlplatten-Koeffizient DKPP Pfahlkopfverdrehung D0 D, E Faktoren zur Festlegung der Größe der charakteristischen negativen Mantelreibung für nichtbindige und bindige Böden J Wichte Teilsicherheitsbeiwert für ständige Beanspruchungen JG Teilsicherheitsbeiwert für ungünstige veränderliche JQ Beanspruchungen Wichte des wassergesättigten Bodens Jr Wichte des Bodens unter Auftrieb Jc G Erddruckneigungswinkel H Dehnung Anpassungsfaktor K P Ausnutzungsgrad U Dichte Horizontalspannung vor dem Pfahl Vh Vcv effektive Vertikalspannung Wn,k charakteristische negative Mantelreibung Mc effektiver Reibungswinkel des Bodens Reibungswinkel des undränierten Bodens Mu Indizes k d fav perm

258

Charakteristische Werte Bemessungswerte günstig wirkende Kräfte ständig wirkende Kräfte

mm/cm s kN · s/m – – kN/m3 – – kN/m3 kN/m3 ° – – – t/m3 kN/m2/MN/m2 kN/m2 kN/m2 ° °

A2

Teilsicherheitsbeiwerte für Einwirkungen und Beanspruchungen nach DIN 1054:2005-01, Tabelle 2

Einwirkung bzw. Beanspruchung

Formelzeichen

Lastfall LF 1

LF 2

LF 3

0,95 1,05 1,50 1,35 1,80

0,95 1,05 1,30 1,30 1,60

0,95 1,00 1,00 1,20 1,35

GZ 1A: Grenzzustand des Verlustes der Lagesicherheit günstige ständige Einwirkungen ungünstige ständige Einwirkungen Strömungskraft bei günstigem Untergrund Strömungskraft bei ungünstigem Untergrund ungünstige veränderliche Einwirkungena)

JG,stb JG,dst JH JH JQ,dst

GZ 1B: Grenzzustand des Versagens von Bauwerken und Bauteilen Beanspruchungen aus ständigen Einwirkungen, allgemein a) Beanspruchungen aus ständigen Einwirkungen aus Erdruhedruck Beanspruchungen aus günstigen ständigen Einwirkungen b) Beanspruchungen aus ungünstigen veränderlichen Einwirkungen

JG

1,35

1,20

1,00

JE0g

1,20

1,10

1,00

JG,inf

1,00

1,00

1,00

JQ

1,50

1,30

1,00

1,00 1,20

1,00 1,00

GZ 1C: Grenzzustand des Verlustes der Gesamtstandsicherheit ständige Einwirkungen ungünstige veränderliche Einwirkungen

JG JQ

1,00 1,30

GZ 2: Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit JG = 1,00 für ständige Einwirkungen bzw. Beanspruchungen JQ = 1,00 für veränderliche Einwirkungen bzw. Beanspruchungen a) b)

Einschließlich ständigem und veränderlichem Wasserdruck. Nur im Sonderfall nach DIN 1054:2005-01, 8.3.4(2).

259

A3

Teilsicherheitsbeiwerte für Widerstände nach DIN 1054:2005-01, Tabelle 3

Widerstand

Formelzeichen

Lastfall LF 1

LF 2

LF 3

GZ 1B: Grenzzustand des Versagens von Bauwerken und Bauteilen Bodenwiderstände Erdwiderstand und Grundbruchwiderstand Gleitwiderstand Pfahlwiderstände Pfahldruckwiderstand bei Probebelastung Pfahlzugwiderstand bei Probebelastung Pfahlwiderstand auf Druck und Zug aufgrund von Erfahrungswerten Verpressankerwiderstände Widerstand des Stahlzuggliedes Herausziehwiderstand des Verpresskörpers

JEp, JGr JGl

1,40 1,10

1,30 1,10

1,20 1,10

JPc JPt

1,20 1,30

1,20 1,30

1,20 1,30

JP

1,40

1,40

1,40

JM JA

1,15 1,10

1,15 1,10

1,15 1,10

GZ 1C: Grenzzustand des Verlustes der Gesamtstandsicherheit Scherfestigkeit Reibungswert tan Mc des dränierten Bodens und Reibungswert tan Mu des undränierten Bodens Kohäsion cc des dränierten Bodens und Scherfestigkeit cu des undränierten Bodens

JM, JMu

1,25

1,15

1,10

Jc, Jcu

1,25

1,15

1,10

Herausziehwiderstände Boden- bzw. Felsnägel, Ankerzugpfähle Verpresskörper von Verpressankern Flexible Bewehrungselemente

JN, JZ JA JB

1,40 1,10 1,40

1,30 1,10 1,30

1,20 1,10 1,20

260

A4

Streuungsfaktoren [ zur Ermittlung der charakteristischen Pfahlwiderstände aus den Messwerten von Pfahlprobebelastungen nach DIN 1054:2005-01

(1) Bei unabhängig voneinander wirksamen Einzelpfählen ist aus den Einzelwerten R1m,i der Pfahlprobebelastungsergebnisse der charakteristische Pfahlwiderstand R1,k nach Gl. (A4.1) aus dem Kleinstwert R1m,min zu bestimmen: R1,k = R1m,min / ξ

(A4.1)

Der Streuungsfaktor [ ist der Tabelle A4.1, Spalte 4 zu entnehmen. (2) Sofern, z. B. durch eine starre Kopfplatte, die Last auf mehrere Pfähle verteilt wird und der Variationskoeffizient sN / R1m ≤ 0, 25 ist, darf der Streuungsfaktor [ nach Tabelle A4.1, Spalten 2 und 3, auf den Mittelwert der Probebelastungsergebnisse bezogen werden: R1,k = R1m / ξ

(A4.2)

(3) Der Ermittlung des Streuungsfaktors [ nach Tabelle A4.1, Spalten 2 und 3, liegt zugrunde: sN =

N

∑ (R1m

i =1

− R1m, i )2 / (N − 1)

(A4.3)

Dabei ist: sN die Standardabweichung; R1m der Mittelwert der Pfahlprobebelastungsergebnisse; R1m,i der Einzelwert eines Pfahlprobebelastungsergebnisses; N die Anzahl der Pfahlprobebelastungen (N t 2). Tabelle A4.1 Streuungsfaktor [ zur Berücksichtigung von Anzahl und Streuung der Ergebnisse von Pfahlprobebelastungen Streuungsfaktor [

Zahl der Probebelastungen N Spalte 1

1 2 >2 a)

Mittelwert R1m a)

Kleinstwert R1m , min

Spalte 2

Spalte 3

s N / R1m = 0

s N / R1m = 0, 25

– 1,05 1,00

– 1,10 1,05

Spalte 4

1,15 1,05 1,00

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden.

261

A5

Verfahren zur Ermittlung des Widerstandes von Pfählen gegen Knickversagen in Bodenschichten mit geringer seitlicher Stützung

A5.1

Anwendungshinweise

Bei der Anwendung des nachfolgend und in [119] angegebenen Verfahrens zum Nachweis der Knicksicherheit von Pfählen in weichen Böden ist zu beachten, dass das Verfahren zunächst nur innerhalb eines Forschungsprojektes überprüft worden ist und noch keine umfangreichen projektbezogenen Erfahrungen vorliegen. Es stellt damit noch keine allgemein anerkannte Regel der Technik dar, was durch den Anwender bei entsprechenden Ausführungsprojekten zu beachten ist. Anmerkung: Das Verfahren wird hier informativ angegeben, da derzeit keine erprobten und abgesicherten Verfahren vorliegen. A5.2

Statisches System und Gleichgewichtszustände nach Theorie II. Ordnung

Betrachtet wird ein Pfahl der Länge L mit seitlicher Bettung, für welche ein bilineares, elastisch-plastisches Verhalten modelliert ist (Bild A5.1). Der Bettungsmodul (als elastische Linienfeder kl) lässt sich Literaturangaben zufolge mit der undränierten Scherfestigkeit cu korrelieren, z. B. 70 · cu d kl d 100 · cu [122, 123]. Er gilt nur für kleine Verformungen. Die mobilisierbare Bettungsspannung muss begrenzt werden, da weicher Boden den Pfahl umfließen kann. Auch hier kann die plastische Grenzlast mit cu korreliert werden. [93] nennen den maximalen Bodenwiderstand pf [kN/m] in einer Spanne von 7 · cu · Ds d pf d 11 · cu · Ds, wobei Ds der Durchmesser des Pfahles ist. Die Verformungsfigur des knickenden ungestützten Pfahles mit gelenkiger Kopf- und Fußlagerung besitzt die Form einer einfachen Halbwelle. Bei elastisch gebetteten Pfählen sind dagegen in Abhängigkeit von kl meist Knickformen (Eigenformen) mit höheren Welligkeiten maßgebend, siehe [119]. Es sind die Knicklasten für verschiedene Welligkeiten zu ermitteln. Der kleinste der ermittelten Werte ist die maßgebende Knicklast. Auf der sicheren Seite liegend werden

Bild A5.1 Statisches System

262

Bild A5.2 Modell der seitlichen Bodenstützung

Bild A5.3 Schnittkräfte

im vorgestellten Verfahren unendlich lange Pfähle berücksichtigt, bei denen sich die Knickform als Wellenlinie frei einstellen kann. Für eine aus der Wellenlinie frei geschnittene Halbwelle lassen sich die wirksamen Kräfte und geometrischen Daten unter Berücksichtigung einer sinusförmigen geometrischen Imperfektion w0,M wie in Bild A5.3 darstellen. Die möglichen Arten des Knickversagens bzw. mögliche Gleichgewichtszustände bei diversen Randbedingungen sind in Bild A5.4 dargestellt, wobei auf der Ordinate die Druckkraft im Pfahl N und auf der Abszisse die für ein Gleichgewicht erforderliche laterale Auslenkung in der Mitte der Halbwelle wN,M aufgetragen sind. Dabei sind folgende Fälle zu unterscheiden:

Bild A5.4 Gleichgewichtszustände nach Theorie II. Ordnung

263

y Der einfache Euler-Fall eines perfekten Stabes ohne seitliche Stützung ist charakterisiert durch eine bis zur Knicklast vertikal ansteigende Linie. Bei Erreichen der Knicklast sind für alle Auslenkungen gleicherweise indifferente Gleichgewichtslagen möglich (horizontale Linie). y Wenn der freie Druckstab vorverformt ist, entsteht bei einer Druckbelastung ein Moment und daher auch schon bei geringen Drucklasten und mit weiteren Lasten zunehmend eine Verformung. Die Gleichgewichtskurve nähert sich asymptotisch der Euler-Last. y Der perfekte elastisch gebettete Stab wird durch die Lösung von Engesser geprägt. Die Knicklast ist in Abhängigkeit von der seitlichen Stützung zunehmend größer als die nach Euler. Nach Erreichen der Verzweigungslast besteht ein indifferentes System. y Ein nicht perfekter elastisch gebetteter Stab hat eine Gleichgewichtskurve, die sich asymptotisch der Engesser-Last nähert. y Ein bilinear elastisch-plastisch gebetteter Druckstab verhält sich bei kleinen Auslenkungen sowohl beim perfekten als auch beim imperfekten Stab identisch zum elastisch gebetteten Druckstab. Sobald jedoch die Verformung wki erreicht ist, bei der die Bettung/Bodenstützung nicht mehr weiter gesteigert werden kann, fällt die Kurve ab und konvergiert zur Euler-Lösung. A5.3

Voraussetzungen für die Anwendung des Nachweisverfahrens

Im nachfolgend erläuterten Nachweisverfahren wird davon ausgegangen, dass bei einer Pfahlbiegung zunächst seitliche Bodenspannungen (Bodenwiderstand) entstehen und diese stabilisierend wirken. Es ist zwingende Voraussetzung, dass diese Widerstände über die gesamte Nutzungsdauer der Konstruktion verfügbar bleiben. Im Gegensatz dazu können seitliche Bodenspannungen auch als Einwirkung (Seitendruck auf Pfähle nach 4.5) zu berücksichtigen sein, was sich dann extrem ungünstig auf das Stabilitätsverhalten auswirkt. Bei Stahlbeton-Verbundquerschnitten ändert sich die Biegesteifigkeit mit dem Erreichen des Zustands II. Im vorgeschlagenen Verfahren muss die Biegesteifigkeit für den aufgerissenen Querschnitt verwendet werden. Effekte, die der Viskosität weicher Böden zuzuordnen sind, werden im vorgeschlagenen Nachweisverfahren nicht erfasst und müssen durch eine Abminderung der mit elastisch-plastischer Bettung errechneten Knicklast berücksichtigt werden. Bei der Berücksichtigung von Imperfektionen wird davon ausgegangen, dass die Form der Imperfektion affin zur Eigenform des knickenden Stabes ist. Die Traglastermittlung von schlanken Pfählen ist aufgrund der zu berücksichtigenden stofflichen und geometrischen Nichtlinearitäten ein komplexer Vorgang. Es erfordert das tiefere Verständnis der mechanischen Zusammenhänge und wird aufgrund der iterativen Berechnung zweckmäßigerweise auf elektronischem 264

Wege durchgeführt. Ein entsprechendes Muster-Arbeitsblatt (MS Excel) findet sich beispielsweise unter http://www.gb.bv.tum.de, wobei für die Richtigkeit der Programmierung ebenso wie für die damit berechneten Lasten seitens der Verfasser keine Gewähr übernommen wird. A5.4

Nachweisverfahren

Untersuchungen nach [119] haben gezeigt, dass näherungsweise zutreffend die Verzweigungslasten mit dem bilinearen Ansatz bei Verwendung von kl = 60 · cu und von pf = 6 · cu · Ds sowie einer Imperfektion von 1/300 der Halbwellenlänge abgeschätzt werden konnte. Das bedeutet, dass sich die rechnerische kritische laterale Pfahlverformung wki zu 10 % des Pfahldurchmessers ergibt, welche jedoch in den Versuchen bei den jeweils auftretenden Verzweigungslasten deutlich unterschritten wurde. Die Verzweigungslast Nki errechnet sich zu w ki ⋅ N ki =

π2 1 ⋅ E p ⋅ I p + 2 ⋅ w ki ⋅ k l ⋅ L2Hw 2 L Hw π L Hw w ki + imp

(A5.1)

Darin sind: Nki wki kl LHw

Ep · Ip imp

[kN] [m]

Verzweigungslast; laterale Pfahlverschiebung in der Mitte der Halbwelle, bei der der Boden plastifiziert. Sie ergibt sich zu pf / kl; [kN/m2] Bettungsmodul, besser Linienfedermodul, z. B. kl = 60 · cu; [m] Länge der Halbwelle. Betrachtet man den unendlich langen Stab, so ergibt sich für die Bestimmung seiner Verzweigungslast die maßgebende Halbwelle der Knickfigur daraus, dass Nki minimal wird. Dies kann mit Hilfe der ersten Ableitung von Gl. (A5.1) nach LHw gelöst werden, was in der Praxis am besten mit einer numerischen Nullstellensuche der abgeleiteten Funktion erfolgt; [kNm2] E-Modul und Trägheitsmoment des Pfahls. Bei Stahl-ZementVerbundpfählen sollte der bis zur Mitte aufgerissene Querschnitt verwendet werden; [–] Maßzahl für die Imperfektion, die sich aus LHw /imp ergibt.

Für den perfekten Stab mit imp = f konvergiert die Lösung zu der von Engesser, welche sich wiederum für kl = 0 zu der von Euler reduziert. Für die Tragfähigkeit eines imperfekten Druckstabes ist außerdem zu prüfen, ob der Pfahl aufgrund seiner begrenzten Materialfestigkeit versagt, bevor die Verzweigungslast Nki erreicht wird. Hier ist die Nutzung des Interaktionsdia265

gramms zweckmäßig, in der die Kombinationen von M und N dargestellt sind, bei welcher das Material des Stabes plastifiziert. Zur Beschreibung der Interaktionskurve der maximal gleichzeitig wirkenden Schnittgrößen N und M zum Erreichen einer Plastifizierung des Querschnitts eignet sich die folgende Formel nach DIN 18 800:1990 α ⎡ ⎛ N ⎞ ⎤ ⎢ M = M pl ⋅ 1 − ⎜ ⎟ ⎥ ⎢ ⎝ N pl ⎠ ⎥ ⎣ ⎦

(A5.2)

Die vollplastischen Schnittgrößen des Pfahles Npl und Mpl können für Stahlprofile geschlossen berechnet oder aus Tabellenwerken nachgeschlagen werden. Bei Verbundquerschnitten aus Beton und Stahl empfehlen sich zur Ermittlung von Npl und Mpl computergestützte Rechenverfahren. Der Wert D in Gl. (A5.2) ist ein von der Geometrie des Pfahlquerschnittes abhängiger Formbeiwert und berechnet sich bei Stahlprofilen aus dem Verhältnis des plastischen zum elastischen Widerstandsmoment. Auf der sicheren Seite liegend kann der Exponent D der Interaktionsbeziehung zu 1,0 gewählt werden. Bei Stahl-Zement-Verbundpfählen sollte die Biegesteifigkeit maximal aus dem bis zur Mitte aufgerissenen Querschnitt ermittelt werden, wenn nicht bei Pfählen mit zentrischem Einzeltragglied auf der sicheren Seite liegend die Biegesteifigkeit nur aus dem Tragglied angesetzt wird. Der seitlich stützende Bodenwiderstand wirkt dabei aber stets auf die volle Breite des Zementsteinkörpers. Ob der Einsatz sog. gerippter Kunststoff-Hüllrohre, die das Tragglied und Teile des Zementsteinkörpers umgeben, eine volle Verbundwirkung und damit eine Erhöhung der Biegesteifigkeit und der vollplastischen Schnittgrößen sichern, wurde in den bisher durchgeführten Versuchen nicht geklärt. Ebenso wurden bisher keine versuchstechnischen oder rechnerischen Untersuchungen bezüglich sog. GEWI-Mehrstab-Pfähle oder an Mikropfählen mit außen liegendem Stahlrohr vorgenommen. Der aus geometrischen und stofflichen Imperfektionen herrührende Biegestich von Stabverpresspfählen innerhalb einer zu untersuchenden Halbwelle sollte unter Berücksichtigung von Bohrabweichungen und der unregelmäßigen Geometrie des Verpresskörpers mindestens zu LHw / 300 angenommen werden. Werden die Tragglieder durch Muffen miteinander verbunden, so können sich die Imperfektionen deutlich erhöhen. Bei elastisch gebetteten schlanken Stäben ergeben sich häufig aufgrund höherer Welligkeiten der Knickfigur vergleichsweise kleine Halbwellenlängen LHw. Es empfiehlt sich, die Halbwellenlänge für einen unendlich langen Pfahl zu ermitteln. Nur wenn diese deutlich größer ist, als sie sich bei der Mächtigkeit einer Weichschicht und den Einspannrandbedingungen oberhalb und unterhalb dieser Schicht ergeben, kann eine Knicklänge, welche der Mächtigkeit der Weichschicht entspricht, untersucht werden. In diesem Fall sind aber auch weiterhin 266

zusätzlich alle kürzeren Knicklängen zu untersuchen. Es wird immer die mit den verschiedenen möglichen Halbwellenlängen errechnete kleinste Knicklast zur maßgebenden charakteristischen Knicklast. Sind Setzungen oder horizontale Verformungen der Weichschicht zu erwarten, sind daraus entstehende Einwirkungen in den Berechnungen zusätzlich zu berücksichtigen. Besteht die weiche Bodenschicht aus anderen Bodenarten als Tonen oder Schluffen, so ist der Fließdruck pf durch besondere Untersuchungen zu ermitteln. Insbesondere bei organischen Böden und anderen Böden mit einer Strukturfestigkeit ist die Ermittlung einer charakteristischen undränierten Scherfestigkeit cu,k mit Unsicherheiten behaftet. Die Unsicherheit wirkt sich unmittelbar auf die Berechnung der Grenzspannung pf und des Bettungsmoduls kl aus.

267

Anhang B Berechnungsbeispiele Pfahlwiderstände und Nachweise Hinweis: Die überwiegende Anzahl der nachfolgenden Beispiele gehen zurück auf die Lehrunterlagen der Universität Kassel, s. a. [47]. B1

Ermittlung der axialen Pfahlwiderstände aus statischen Pfahlprobebelastungen sowie Nachweise der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit

B1.1

Aufgabenstellung

Bild B1.1 zeigt eine Gründungssituation mit einem Pfahldurchmesser D = 0,90 m und einer ständigen Last FG,k = 1,0 MN sowie der veränderlichen Last FQ,k = 0,5 MN. Ausgeführt wurden zwei Pfahlprobebelastungen, deren Ergebnisse als Messwerte Rm,min und Rm,max in Bild B1.2 und Tabelle B1.1 enthalten sind. Die Grenzsetzung wird mit Gl. (5.1) zu s1 = 0,1 · 90 cm = 9 cm festgelegt. Es sind die charakteristischen Widerstands-Setzungslinien als untere Grenzwerte nach 5.2.3 mit und ohne Lastverteilung zu ermitteln sowie die Nachweise der äußeren Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit zu führen. Für den Nachweis der Gebrauchstauglichkeit ist zur Ableitung der charakteristischen WiderstandsSetzungs-Linie für die unteren Grenzwerte die in 5.2.3 angegebene Vorgehensweise zu verwenden, wobei im vorliegenden Fall die Streuungsfaktoren [ für den Grenzzustand der Tragfähigkeit näherungsweise auf die gesamte WSL angewendet werden dürfen. B1.2

Ableitung der charakteristischen Widerstands-Setzungs-Linien und Bestimmung der Pfahlwiderstände

Die charakteristische Widerstands-Setzungs-Linie leitet sich aus den Messwerten nach DIN 1054: 2005-01 und Vorgabe von B1.1 wie folgt ab. Werden die Lasten des Tragsystems nicht gleichmäßig auf mehrere Pfähle verteilt, dann wird von einer weichen Kopfplatte ausgegangen, d. h. die charakteristischen Werte der Widerstands-Setzungs-Linie werden auf den Kleinstwert der Messung Rm,min bezogen. Der Streuungsfaktor ist [ = 1,05 nach Tabelle 4 der DIN 1054

Bild B1.1 System und Beanspruchung

269

(Anhang A4). Bild B1.2a zeigt die damit abgeleitete charakteristische Widerstands-Setzungs-Linie. Bei weitgehend starrer Kopfplatte und Lastverteilung auf mehrere Pfähle darf der charakteristische Pfahlwiderstand aus den Mittelwerten der Probebelastungen abgeleitet und [ durch Interpolation berechnet werden (Anhang A4), wenn wie im vorliegenden Fall die bezogenen Streuungen von sN / R m ≤ 0, 25 sind. Der für den Grenzzustand der Tragfähigkeit ermitteltete [-Wert wird hier vereinfachend wie in der Aufgabenstellung vorgegeben auf die gesamte Widerstands-SetzungsLinie angewendet. Die sich ergebende charakteristische Widerstands-SetzungsLinie zeigt Bild B1.2b. Tabelle B1.1 Ergebnisse von zwei Probebelastungen und Ableitung der charakteristischen Widerstands-Setzungs-Linien für ein weiches bzw. starres System Setzung Rm,min s

Rm,max

Rm

[weich

Rk,weich = Rm,min/ s N / R m [weich

[starr

Rk,starr = Rm,mittel/ [starr

[cm]

[MN]

[MN]

[MN]

[–]

[MN]

[–]

[–]

[MN]

0

0

0

0

1,05

0

–

0

0

1

1,32

1,50

1,410

1,05

1,257

–

1,0642

1,325

2

1,85

2,20

2,025

1,05

1,762

–

1,0642

1,903

4

2,60

2,95

2,775

1,05

2,476

–

1,0642

2,608

6

3,00

3,35

3,175

1,05

2,857

–

1,0642

2,983

9

3,30

3,65

3,475

1,05

3,143

0,071

1,0642

3,265

Bild B1.2 Beispiel zur Ableitung der charakteristischen Widerstands-Setzungs-Linien aus Pfahlprobebelastungen; (a) Ableitung ohne Lastverteilung (weiches System), (b) Ableitung mit Lastverteilung (starres System)

270

B1.3

Nachweis der Tragfähigkeit

Für den Nachweis der Tragfähigkeit im Grenzzustand GZ 1B muss die Grenzzustandsbedingung E1,d d R1,d eingehalten werden. Die maßgeblichen charakteristischen Widerstands-Setzungs-Linien sind nochmals im Bild B1.3 zusammengefasst. a) Bei unabhängig voneinander wirkenden Einzelpfählen (weiches System): E1,d = FG,k · JG + FQ,k · JQ = 1,000 · 1,35 + 0,500 · 1,50 = 2,100 MN R1,d = R1,k / JPc = 3,143 / 1,20 = 2,619 MN E1,d = 2,100 MN < R1,d = 2,619 MN b) Bei Lastverteilung durch eine starre Kopfplatte (starres System): E1,d = 2,100 MN R1,d = R1,k / JPc = 3,265 / 1,20 = 2,721 MN E1,d = 2,100 MN < R 1,d = 2,721 MN

Bild B1.3 Beispiel zum Nachweis der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit für die Pfahlprobebelastungsergebnisse von Bild B1.2

271

B1.4

Nachweis der Gebrauchstauglichkeit

Bei der Vorgabe einer zulässigen Setzung s2 = 2,0 cm, z. B. aus der Tragwerksplanung, und mit den charakteristischen Lasten F2,k E2,d = E2,k = FG,k + FQ,k = 1,000 + 0,500 = 1,500 MN ergeben sich aus Bild B1.3 „zulässige“ bzw. charakteristische Pfahlwiderstände im Gebrauchszustand von R2,d = R2,k = 1,762 MN (weiches System) R2,d = R2,k = 1,903 MN (starres System) Damit ist der Nachweis der Gebrauchstauglichkeit für den Grenzzustand GZ 2 E2,d = 1,500 MN d R2,d = 1,762 MN (weiches System) E2,d = 1,500 MN d R2,d = 1,903 MN (starres System) erfüllt. Der Nachweis der Gebrauchstauglichkeit kann auch über die Pfahlsetzungen geführt werden: Wie Bild B1.3 zeigt, führt die oben ermittelte charakteristische Pfahllast F2,k = 1,500 MN bei einem weichen System zu einer Setzung von s2 = 1,40 cm und bei einem starren System zu s2 = 1,30 cm. Der Nachweis der Gebrauchstauglichkeit für den Grenzzustand GZ 2 geführt über die Pfahlsetzungen ergibt: s2,weich = 1,40 cm < zul s = 2,00 cm s2,starr = 1,30 cm < zul s = 2,00 cm

272

B2

Axiale Pfahlwiderstände aus dynamischen Probebelastungen

B2.1

Aufgabenstellung

Für eine Gründung auf Stahlbetonverdrängungspfählen mit einem quadratischen Querschnitt as = 0,30 m wurden zur Bestimmung der Grenztragfähigkeit dynamische Pfahlprobebelastungen durchgeführt und an einer statischen Probebelastung von einem anderen, vergleichbaren Baufeld kalibriert. Die Auswertung nach der CASE-Formel ergab folgende Messwerte für die Pfahlwiderstände im Grenzzustand GZ 1: R1m,1 = 0,875 MN R1m,2 = 0,950 MN R1m,3 = 1,050 MN R1m,4 = 1,100 MN R1m,5 = 1,225 MN Aus den Messwerten der dynamischen Pfahlprobebelastungen sind die charakteristischen Pfahlwiderstände jeweils für ein weiches und ein starres System im Grenzzustand GZ 1 abzuleiten. B2.2

Charakteristischer Pfahlwiderstand

Die Ableitung des charakteristischen Pfahlwiderstandes R1,k erfolgt zunächst analog zum Vorgehen in Beispiel B1. Im Fall einer weichen Kopfplatte wird der charakteristische Pfahlwiderstand auf den Kleinstwert der Messungen Rm,min, beim Vorhandensein einer starren Kopfplatte auf den Mittelwert R m bezogen. Die anzusetzenden Streuungsfaktoren [ ergeben sich aus der Tabelle 4 der DIN 1054 (siehe Anhang A4), wobei zu beachten ist, dass bei dynamischen Probebelastungen von der zweifachen Anzahl erforderlicher Probebelastungen auszugehen ist. Die Ergebnisse der Ableitung des charakteristischen Pfahlwiderstandes R1,k aus den dynamischen Pfahlprobebelastungen enthält Tabelle B2.1. Tabelle B2.1 Ableitung der charakteristischen Pfahlwiderstände R1,k für den Grenzzustand GZ 1B aus 5 dynamischen Pfahlprobebelastungen für ein weiches bzw. starres System Rm,min Rm,max

Rm

[weich

ţ[

R1, k,weich = s N / R m

[starr

'[

R1, k,starr =

R m , min

R m , mittel

ξ weich + Δξ

ξ starr + Δξ

[MN] [MN] [MN]

[–]

[–]

[MN]

0,875 1,225 1,040

1,00

0,15

0,761

[–]

[–]

0,130 1,026

[–]

[MN]

0,15

0,884

273

B3

Ermittlung der axialen charakteristischen Pfahlwiderstände aus Erfahrungswerten für einen Bohrpfahl

B3.1

Aufgabenstellung

In Bild B3.1 (Beispiel aus DIN 4014:1990-03) sind die erforderlichen Informationen über Bodenart, Baugrundfestigkeit und Pfahlgeometrie zur Bestimmung des axialen Pfahlwiderstandes Rk(s) anhand von Erfahrungswerten zusammengestellt.

Bild B3.1 Bodenprofil, Sondierdiagramm und Maße für ein Anwendungsbeispiel zur Ermittlung der Widerstands-Setzungs-Linie; D = 0,9 m, U = 2,83 m, A = 0,64 m2

Gesucht ist die charakteristische Widerstands-Setzungs-Linie mit den Tabellenwerten nach 5.4.6 (Tabellen 5.12 bis 5.15). B3.2

Berechnung für untere und obere Tabellenwerte

Anmerkung: Auf die Anwendungsgrundlagen und Einschränkungen nach 5.4.3, insbesondere der oberen Tabellenwerte, wird hingewiesen. Im vorliegenden Beispiel werden vergleichend sowohl die unteren Tabellenwerte als auch die oberen Tabellenwerte beispielhaft (nicht als Regelfall) verwendet. B3.2.1 Bestimmung des Pfahlmantelwiderstandes Rs,k Aus den Tabellen 5.13 bzw. 5.15 nach 5.4.6.2 ergeben sich die Bruchwerte der Mantelreibung im Bereich des Sandes bzw. des Tones und mit den zugehörigen 274

Pfahlumfangsflächen die Bruchwerte für die Pfahlmantelwiderstände Rs,k,i nach Tabelle B3.1. Aus dem Bruchwert für den Pfahlmantelwiderstand Rs,k wird die Setzung für die Mantelreibung ssg in cm mit Rs,k in MN nach folgender Gleichung: ssg = 0,50 · Rs,k + 0,50 ermittelt. Mit den Zahlenwerten des Berechnungsbeispiels ergibt sich dann für die Pfahlkopfsetzung ssg = 0,50 · 1,243 + 0,50 = 1,1 cm

für die unteren Tabellenwerte und

ssg = 0,50 · 1,726 + 0,50 = 1,4 cm

für die oberen Tabellenwerte

Tabelle B3.1 Bruchwert für den Pfahlmantelwiderstand für die unteren und oberen Tabellenwerte Schicht i [m]

As,i [m2]

cu,k,i bzw. qc,i [MN/m2]

qs,k,i [MN/m2]

Rs,k,i [MN]

2,20 bis 5,20

8,48

0,10

0,039–0,051 a)

5,20 bis 7,70

7,07

7,00

0,051–0,075

7,70 bis 10,20

7,07

11,00

0,078–0,108

a)

Werte extrapoliert

0,331–0,432 0,361–0,530 0,551–0,764 Rs,k = 1,243–1,726 MN

B3.2.2 Bestimmung des Pfahlfußwiderstandes Rb,k Zur Ermittlung von Rb,k wird in einem Bereich von 1 · D (0,9 m) über und 3 · D (3 · D = 2,70 m) unter dem Pfahlfuß eine mittlere Bodenfestigkeit angesetzt. Aus dem Sondierdiagramm in Bild B3.1 erhält man für diesen Bereich einen mittleren Sondierspitzenwiderstand von qc,m = 17,5 MN/m2. Unter Verwendung der in Tabelle 5.12 nach 5.4.6.2 angegebenen Zahlenwerte und unter Berücksichtigung des zuvor ermittelten Wertes von qc,m kann der Pfahlspitzenwiderstand errechnet werden. Die Tabelle B3.2 enthält die so ermittelten Zahlenwerte. Tabelle B3.2 Pfahlfußwiderstand für die unteren und oberen Tabellenwerte Bezogene Setzung s/D

qb,k [MN/m2]

Rb,k(s) [MN]

0,02 0,03 0,10

1,225–1,625 1,575–2,088 3,250–4,325

0,784–1,040 1,008–1,336 2,080–2,768

275

B3.2.3 Charakteristische Widerstands-Setzungs-Linie In den Tabellen B3.3 und B3.4 ist der aus Pfahlfuß- und Pfahlmantelwiderstand errechnete Pfahlwiderstand in Abhängigkeit von der Pfahlkopfsetzung für die unteren und oberen Werte angegeben. Aus der charakteristischen WiderstandsSetzungs-Linie nach Bild B3.2 ergibt sich zu jedem Pfahlwiderstand Rk die zugehörige Setzung des Pfahlkopfes. Tabelle B3.3 Pfahlwiderstand in Abhängigkeit von der Pfahlkopfsetzung (untere Werte) Bezogene Setzung s/D

Pfahlkopfsetzung [cm]

Rs,k(s) [MN]

Rb,k(s) [MN]

Rk(s) [MN]

ssg 0,02 0,03 0,10

1,1 1,8 2,7 9,0

1,243 1,243 1,243 1,243

0,470 0,784 1,008 2,080

1,713 2,027 2,251 3,323

Tabelle B3.4 Pfahlwiderstand in Abhängigkeit von der Pfahlkopfsetzung (obere Werte) Bezogene Setzung s/D

Pfahlkopfsetzung [cm]

Rs,k(s) [MN]

Rb,k(s) [MN]

Rk(s) [MN]

ssg 0,02 0,03 0,10

1,4 1,8 2,7 9,0

1,726 1,726 1,726 1,726

0,832 1,040 1,336 2,768

2,558 2,766 3,062 4,494

Bild B3.2 Widerstands-Setzungs-Linie; (a) untere Werte, (b) obere Werte

276

B4

Ermittlung der axialen charakteristischen Pfahlwiderstände aus Erfahrungswerten für einen Fertigrammpfahl

B4.1

Aufgabenstellung

Im Bild B4.1 sind die erforderlichen Informationen über Bodenart, Baugrundfestigkeit und Pfahlgeometrie zur Bestimmung des axialen Pfahlwiderstandes Rk(s) anhand von Erfahrungswerten zusammengestellt.

Bild B4.1 Bohrprofil, Sondierdiagramm und Maße für ein Anwendungsbeispiel zur Ermittlung der Widerstands-Setzungs-Linie

Gesucht ist die charakteristische Widerstands-Setzungs-Linie, mit den Tabellenwerten nach 5.4.4 (Tabellen 5.1 bis 5.4). B4.2

Axialer charakteristischer Pfahlwiderstand aus Erfahrungswerten für untere und obere Tabellenwerte

Anmerkung: Auf die Anwendungsgrundlagen und Einschränkungen nach 5.4.3, insbesondere der oberen Tabellenwerte, wird hingewiesen. Im vorliegenden Beispiel werden vergleichend sowohl die unteren Tabellenwerte als auch die oberen Tabellenwerte beispielhaft (nicht als Regelfall) ermittelt.

277

B4.2.1 Bestimmung des Pfahlmantelwiderstandes Rs,k Aus den Tabellen 5.2 bzw. 5.4 nach 5.4.4 ergeben sich die Erfahrungswerte der Mantelreibung im Bereich des tragfähigen nichtbindigen bzw. des geringtragfähigen bindigen Bodens und mit den zugehörigen Pfahlumfangsflächen unter Berücksichtigung des Anpassungsfaktors für die Mantelfläche aus Tabelle 5.5 nach 5.4.4 der Pfahlmantelwiderstand bei Mobilisierung des Bruchzustandes Rs,k (ssg*) nach Tabelle B4.1 und der Bruchwert des Pfahlmantelwiderstandes Rs,k (sg) nach Tabelle B4.2. Tabelle B4.1 Pfahlmantelwiderstand bei Mobilisierung des Bruchzustandes für die unteren und oberen Tabellenwerte Schicht i [m]

As,i [m2]

qc,i [MN/m2]

qs,k,i (ssg*) [MN/m2]

Ks [–]

Rs,k,i (ssg*) [MN]

13,0 bis 20,3

10,22

17,50

0,070–0,098

1,0

0,715–1,002 Rs,k (ssg*) = 0,715–1,002 MN

Tabelle B4.2 Bruchwert für den Pfahlmantelwiderstand für die unteren und oberen Tabellenwerte Schicht i [m]

As,i [m2]

qc,i [MN/m2]

qs,k,i (sg) [MN/m2]

Ks [–]

Rs,k,i (sg) [MN]

13,0 bis 20,3

10,22

17,50

0,103–0,134

1,0

1,053–1,370 Rs,k (sg) = 1,053–1,370 MN

Aus dem Pfahlmantelwiderstand Rs,k (ssg*) bei Mobilisierung des Bruchzustandes wird die Setzung für die Mantelreibung ssg* in cm mit Rs,k (ssg*) in MN nach folgender Gleichung: ssg* = 0,50 · Rs,k (ssg*) ermittelt. Mit den Zahlenwerten des Berechnungsbeispiels ergibt sich dann für die Pfahlkopfsetzung ssg* = 0,50 · 0,715 = 0,4 cm

für die unteren Tabellenwerte und

ssg* = 0,50 · 1,002 = 0,5 cm

für die oberen Tabellenwerte

278

B4.2.2 Bestimmung des Pfahlfußwiderstandes Rb,k Zur Ermittlung von Rb,k wird in einem Bereich von 4 · Deq unter und 1 · Deq über dem Pfahlfuß eine mittlere Bodenfestigkeit angesetzt. Der äquivalente Pfahldurchmesser des quadratischen Fertigrammpfahls wird nach folgender Gleichung Deq = 1,13 · as ermittelt. Mit den Abmessungen des Berechnungsbeispiels ergibt sich dann für den äquivalenten Pfahldurchmesser Deq = 1,13 · 0,35 = 0,40 m Der Nennwert der quadratischen Pfahlfußfläche beträgt im vorliegenden Fall Ab = as2 = 0,352 = 0,123 m2 Aus dem Sondierdiagramm in Bild B4.1 erhält man für diesen Bereich einen mittleren charakteristischen Sondierspitzenwiderstand von q c,m =

1 ⋅ 17, 5 + 4 ⋅ 15, 0 = 15, 5 MN/m² 5

Unter Verwendung der in Tabelle 5.1 der EA-Pfähle angegebenen Zahlenwerte und unter Berücksichtigung des zuvor ermittelten Wertes von qc,m und des Anpassungsfaktors für die Spitzenwiderstandsfläche nach Tabelle 5.5 (5.4.4) kann der Pfahlspitzenwiderstand errechnet werden. Die Tabelle B4.3 enthält die so ermittelten Zahlenwerte. Tabelle B4.3 Pfahlfußwiderstand für die unteren und oberen Tabellenwerte Bezogene Setzung s/D

qb,k [MN/m2]

Kb [–]

Rb,k(s) [MN]

0,035 0,100

4,025–6,550 7,658–10,265

1,0 1,0

0,495–0,806 0,942–1,263

B4.2.3 Charakteristische Widerstands-Setzungs-Linie In den Tabellen B4.4 und B4.5 ist der aus Pfahlfuß- und Pfahlmantelwiderstand errechnete Pfahlwiderstand in Abhängigkeit von der Pfahlkopfsetzung für die unteren und oberen Werte angegeben. Aus der charakteristischen WiderstandsSetzungs-Linie nach Bild B4.2 ergibt sich zu jedem Pfahlwiderstand Rk die zugehörige Setzung des Pfahlkopfes. 279

Tabelle B4.4 Pfahlwiderstand in Abhängigkeit von der Pfahlkopfsetzung (untere Werte) Bezogene Setzung s/Deq

Pfahlkopfsetzung [cm]

Rs,k(s) [MN]

Rb,k(s) [MN]

Rk(s) [MN]

ssg* 0,035 0,100

0,4 1,4 4,0

0,715 0,795 1,053

0,177 0,495 0,942

0,892 1,290 1,995

Tabelle B4.5 Pfahlwiderstand in Abhängigkeit von der Pfahlkopfsetzung (obere Werte) Bezogene Setzung s/D

Pfahlkopfsetzung [cm]

Rs,k(s) [MN]

Rb,k(s) [MN]

Rk(s) [MN]

ssg* 0,035 0,100

0,5 1,4 4,0

1,002 1,135 1,370

0,403 0,806 1,263

1,405 1,941 2,633

Bild B4.2 Widerstands-Setzungs-Linie; (a) untere Werte, (b) obere Werte

280

B5

Ermittlung der axialen charakteristischen Pfahlwiderstände aus Erfahrungswerten für einen Fundexpfahl

B5.1

Aufgabenstellung

Im Bild B5.1 sind die erforderlichen Informationen über Bodenart, Baugrundfestigkeit und Pfahlgeometrie zur Bestimmung des axialen Pfahlwiderstandes Rk(s) anhand von Erfahrungswerten zusammengestellt. Gesucht ist die charakteristische Widerstands-Setzungs-Linie, mit den Tabellenwerten nach 5.4.8.2 (Tabellen 5.24 und 5.25). B5.2

Axialer charakteristischer Pfahlwiderstand aus Erfahrungswerten für untere und obere Tabellenwerte

Anmerkung: Auf die Anwendungsgrundlagen und Einschränkungen nach 5.4.3, insbesondere der oberen Tabellenwerte, wird hingewiesen. Im vorliegenden Beispiel werden vergleichend sowohl die unteren Tabellenwerte als auch die oberen Tabellenwerte beispielhaft (nicht als Regelfall) verwendet. B5.2.1 Bestimmung des Pfahlmantelwiderstandes Rs,k Aus der Tabelle 5.25 nach 5.4.8.2 ergeben sich die Bruchwerte der Mantelreibung im Bereich des tragfähigen nichtbindigen Bodens und mit den zugehörigen Pfahlumfangsflächen der Bruchwert des Pfahlmantelwiderstandes Rs,k nach Tabelle B5.1.

Bild B5.1 Bohrprofil, Sondierdiagramm und Maße für ein Anwendungsbeispiel zur Ermittlung der Widerstands-Setzungs-Linie

281

Tabelle B5.1 Bruchwert für den Pfahlmantelwiderstand für die unteren und oberen Tabellenwerte Schicht i [m]

As,i [m2]

qc,i [MN/m2]

qs,k,i [MN/m2]

Rs,k,i [MN]

14,7 bis 18,0

3,94

10,00

0,052–0,072

0,205–0,284

18,0 bis 19,0

1,19

17,50

0,093–0,123

0,111–0,146 Rs,k = 0,316–0,430 MN

Aus dem Bruchwert für den Pfahlmantelwiderstand Rs,k wird die Setzung für die Mantelreibung ssg in cm mit Rs,k in MN nach folgender Gleichung: ssg = 0,5 · Rs,k + 0,5 ermittelt. Mit den Zahlenwerten des Berechnungsbeispiels ergibt sich dann für die Pfahlkopfsetzung ssg = 0,50 · 0,316 + 0,5 = 0,7 cm

für die unteren Tabellenwerte und

ssg = 0,50 · 0,430 + 0,5 = 0,7 cm

für die oberen Tabellenwerte

Anmerkung: Tragfähige Bodenschichten mit qc t 7,5 MN/m2 werden nicht berücksichtigt, sofern sie von geringtragfähigen Schichten unterlagert werden. B5.2.2 Bestimmung des Pfahlfußwiderstandes Rb,k Zur Ermittlung von Rb,k wird in einem Bereich von 4 · Deq unter und 1 · Deq über dem Pfahlfuß eine mittlere Bodenfestigkeit qc = 17,5 MN/m2 angesetzt. Der Nennwert der Pfahlfußfläche beträgt im vorliegenden Fall A b = D2b ⋅ π / 4 = 0, 452 ⋅ π / 4 = 0,159 m 2 Unter Verwendung der in Tabelle 5.24 nach 5.4.8.2 angegebenen Zahlenwerte und unter Berücksichtigung des zuvor ermittelten Wertes von qc kann der Pfahlspitzenwiderstand errechnet werden. Die Tabelle B5.2 enthält die so ermittelten Zahlenwerte. Tabelle B5.2 Pfahlfußwiderstand für die unteren und oberen Tabellenwerte

282

Bezogene Setzung s/Db

qb,k [MN/m2]

Rb,k(s) [MN]

0,02 0,03 0,10

2,788–3,413 3,600–4,350 7,475–9,100

0,443–0,543 0,572–0,692 1,189–1,447

B5.2.3 Charakteristische Widerstands-Setzungs-Linie In den Tabellen B5.3 und B5.4 ist der aus Pfahlfuß- und Pfahlmantelwiderstand errechnete Pfahlwiderstand in Abhängigkeit von der Pfahlkopfsetzung für die unteren und oberen Werte angegeben. Aus der charakteristischen WiderstandsSetzungs-Linie nach Bild B5.2 ergibt sich zu jedem Pfahlwiderstand Rk die zugehörige Setzung des Pfahlkopfes. Tabelle B5.3 Pfahlwiderstand in Abhängigkeit von der Pfahlkopfsetzung (untere Werte) Bezogene Setzung s/Db

Pfahlkopfsetzung [cm]

Rs,k(s) [MN]

Rb,k(s) [MN]

Rk(s) [MN]

ssg 0,02 0,03 0,10

0,7 0,9 1,4 4,5

0,316 0,316 0,316 0,316

0,345 0,443 0,572 1,189

0,661 0,759 0,888 1,505

Tabelle B5.4 Pfahlwiderstand in Abhängigkeit von der Pfahlkopfsetzung (obere Werte) Bezogene Setzung s/Db

Pfahlkopfsetzung [cm]

Rs,k(s) [MN]

Rb,k(s) [MN]

Rk(s) [MN]

ssg 0,02 0,03 0,10

0,7 0,9 1,4 4,5

0,430 0,430 0,430 0,430

0,422 0,543 0,692 1,447

0,852 0,973 1,122 1,877

Bild B5.2 Widerstands-Setzungs-Linie; (a) untere Werte, (b) obere Werte

283

B6

Grundlage der Auswertung einer statischen Pfahlprobebelastung am Beispiel eines Fertigrammpfahls und Vergleich mit Erfahrungswerten nach 5.4.4.2

B6.1

Aufgabenstellung

In Bild B6.1 ist der Messwert Rm der Widerstands-Setzungs-Linie für einen Fertigrammpfahl aus einer statischen Probebelastung und die erforderlichen Informationen über Bodenart, Baugrundfestigkeit und Pfahlgeometrie zur Bestimmung des axialen Pfahlwiderstandes Rk(s) anhand von Erfahrungswerten nach 5.4.4.2 zusammengestellt. Gesucht ist für den Vergleich mit den Messergebnissen aus der statischen Probebelastung die charakteristische Widerstands-Setzungs-Linie, mit den Erfahrungswerten nach 5.4.4.2 (Tabellen 5.1 bis 5.4). Anmerkung: Der Vergleich des axialen Pfahltragverhaltens aus einer statischen Pfahlprobebelastung mit den Erfahrungswerten nach EA-Pfähle, 5.4, erfordert den Ansatz der Pfahlmantelreibung über die gesamte Pfahllänge. Die Berechnung der Widerstands-Setzungs-Linie nach 5.4.4.2 weicht von der bisherigen Vorgehensweise zur Ermittlung von charakteristischen axialen Pfahlwiderständen (siehe Beispiel B4) insofern ab, dass auch nichttragfähige bzw. geringtragfähige Schichten mit qc d 7,5 MN/m2 bzw. cu,k d 0,06 MN/m2 berücksichtigt werden.

Bild B6.1 Widerstands-Setzungs-Linie aus statischer Pfahlprobebelastung, Bohrprofil, Sondierdiagramm und Abmessungen

284

B6.2

Axialer charakteristischer Pfahlwiderstand aus Erfahrungswerten für untere und obere Tabellenwerte

Anmerkung: Auf die Anwendungsgrundlagen und Einschränkungen nach 5.4.3, insbesondere der oberen Tabellenwerte (nicht als Regelfall), wird hingewiesen. Im vorliegenden Beispiel werden für die Auswertung der statischen Pfahlprobebelastung die oberen Tabellenwerte verwendet. B6.2.1 Bestimmung des Pfahlmantelwiderstandes Rs,k Aus den Tabellen 5.2 bzw. 5.4 nach 5.4.4.2 ergeben sich die Erfahrungswerte der Mantelreibung im Bereich des tragfähigen nichtbindigen bzw. des geringtragfähigen bindigen Bodens und mit den zugehörigen Pfahlumfangsflächen unter Berücksichtigung des Anpassungsfaktors für die Mantelfläche aus Tabelle 5.5 der Pfahlmantelwiderstand bei Mobilisierung des Bruchzustandes Rs,k (ssg*) nach Tabelle B6.1 und der Bruchwert des Pfahlmantelwiderstandes Rs,k (sg) nach Tabelle B6.2. Tabelle B6.1 Pfahlmantelwiderstand bei Mobilisierung des Bruchzustandes für die oberen Tabellenwerte Schicht i [m]

As,i [m2]

cu,k,i bzw. qc,i [MN/m2]

qs,k,i (ssg*) [MN/m2]

Ks [–]

Rs,k,i (ssg*) [MN]

0,0 bis 2,0

2,80

5,00

0,027

1,0

0,076

2,0 bis 13,0

15,40

0,04

0,020

1,0

0,308

13,0 bis 20,3

10,22

17,50

0,098

1,0

1,002 Rs,k (ssg*) = 1,386 MN

Tabelle B6.2 Bruchwert für den Pfahlmantelwiderstand für die oberen Tabellenwerte Schicht i [m]

As,i [m2]

cu,k,i bzw. qc,i [MN/m2]

qs,k,i (sg) [MN/m2]

Ks [–]

Rs,k,i (sg) [MN]

0,0 bis 2,0

2,80

5,00

0,040

1,0

0,112

2,0 bis 13,0

15,40

0,04

0,023

1,0

0,354

13,0 bis 20,3

10,22

17,50

0,134

1,0

1,370 Rs,k (sg) = 1,836 MN

285

Aus dem Pfahlmantelwiderstand Rs,k (ssg*) bei Mobilisierung des Bruchzustandes wird die Setzung für die Mantelreibung ssg* in cm mit Rs,k (ssg*) in MN nach folgender Gleichung: ssg* = 0,50 · Rs,k (ssg*) ermittelt. Mit den Zahlenwerten des Berechnungsbeispiels ergibt sich dann für die Pfahlkopfsetzung ssg* = 0,50 · 1,386 = 0,7 cm B6.2.2 Bestimmung des Pfahlfußwiderstandes Rb,k Zur Ermittlung von Rb,k wird in einem Bereich von 4 · Deq unter und 1 · Deq über dem Pfahlfuß eine mittlere Bodenfestigkeit angesetzt. Der äquivalente Pfahldurchmesser des quadratischen Fertigrammpfahls wird nach folgender Gleichung Deq = 1,13 · as ermittelt. Mit den Abmessungen des Berechnungsbeispiels ergibt sich dann für den äquivalenten Pfahldurchmesser Deq = 1,13 · 0,35 = 0,40 m Der Nennwert der quadratischen Pfahlfußfläche beträgt im vorliegenden Fall A b = a s2 = 0, 352 = 0,123 m 2 Aus dem Sondierdiagramm in Bild B6.1 erhält man für diesen Bereich einen mittleren charakteristischen Sondierspitzenwiderstand von q c,m,k =

1 ⋅ 17, 5 + 4 ⋅ 15, 0 = 15, 5 MN/m² 5

Unter Verwendung der in Tabelle 5.1 nach 5.4.4.2 angegebenen Zahlenwerte und unter Berücksichtigung des zuvor ermittelten Wertes von qc,m und des Anpassungsfaktors für die Spitzenwiderstandsfläche nach Tabelle 5.5 kann der Pfahlspitzenwiderstand errechnet werden. Die Tabelle B6.3 enthält die so ermittelten Zahlenwerte.

286

Tabelle B6.3 Pfahlfußwiderstand für die oberen Tabellenwerte Bezogene Setzung s/D

qb,k [MN/m2]

Kb [–]

Rb,k(s) [MN]

0,035 0,100

6,550 10,265

1,0 1,0

0,806 1,263

B6.2.3 Charakteristische Widerstands-Setzungs-Linie In Tabelle B6.4 ist der aus Pfahlfuß- und Pfahlmantelwiderstand errechnete Pfahlwiderstand in Abhängigkeit von der Pfahlkopfsetzung für die oberen Werte angegeben. Aus der charakteristischen Widerstands-Setzungs-Linie nach Bild B6.2 ergibt sich zu jedem Pfahlwiderstand Rk die zugehörige Setzung des Pfahlkopfes. Tabelle B6.4 Pfahlwiderstand in Abhängigkeit von der Pfahlkopfsetzung (obere Werte) Bezogene Setzung s/D

Pfahlkopfsetzung [cm]

Rs,k(s) [MN]

Rb,k(s) [MN]

Rk(s) [MN]

Rm(s) [MN]

ssg* 0,035 0,100

0,7 1,4 4,0

1,386 1,481 1,836

0,403 0,806 1,263

1,789 2,287 3,099

2,022 2,294 3,406

Bild B6.2 Widerstands-Setzungs-Linie für die oberen Werte aus Erfahrungswerten im Vergleich zu den Messwerten der Probebelastung; zusätzlich ist die WSL für die unteren Erfahrungswerte als Orientierung mit eingetragen (gepunktet)

287

B7

Vorbemessung und Nachweis des Grenzzustandes der Tragfähigkeit von Frankipfählen auf der Grundlage von Erfahrungswerten und Vergleich mit einem Probebelastungsergebnis

B7.1

Aufgabenstellung

Im Bild B7.1 sind die erforderlichen Informationen über Bodenart, Baugrundfestigkeit und Pfahlgeometrie zur Bestimmung des axialen Pfahlwiderstandes R1,k anhand von Erfahrungswerten nach 5.4.5.3 zusammengestellt. Gesucht ist zur Vorbemessung eines Frankipfahls das erforderliche Pfahlfußvolumen zur Aufnahme einer charakteristischen Einwirkung Fk auf der Grundlage von Erfahrungswerten. Hier werden zunächst als Beispiel die unteren Erfahrungswerte nach 5.4.5.3 angewendet, wobei der Pfahlfuß für eine charakteristische ständige Einwirkung FG,k = 1,20 MN und eine charakteristische veränderliche Einwirkung FQ,k = 0,40 MN zu dimensionieren ist. Für das aus der Vorbemessung ermittelte erforderliche Pfahlfußvolumen ist der Nachweis für den Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZ 1) auf der Grundlage der bei der Pfahlherstellung tatsächlich geleisteten Rammarbeit nach Bild B7.2 für die charakteristische Einwirkung unter Anwendung der unteren und oberen Erfahrungswerte zu führen. Zur Überprüfung des Pfahlwiderstandes auf der Grundlage von Erfahrungswerten nach 5.4.5.3 ist der Pfahlwiderstand im Grenzzustand der Tragfähigkeit mit einer statischen Probebelastung aus Bild B7.2 zu vergleichen. Hierzu ist der

Bild B7.1 Bohrprofil, Sondierdiagramm und Abmessungen

288

Bild B7.2 Rammarbeit und statische Probebelastung

charakteristische Pfahlwiderstand unter Verwendung der oberen Tabellenwerte und unter Berücksichtung der nichttragfähigen Bodenschichten zu ermitteln und dem Ergebnis aus der statischen Probebelastung gegenüberzustellen. B7.2

Ermittlung des Fußvolumens aus Erfahrungswerten

B7.2.1 Bestimmung des Pfahlmantelwiderstandes Rs1,k Aus Tabelle 5.11 nach 5.4.5.3 ergeben sich die Erfahrungswerte der Mantelreibung im Bereich des tragfähigen Geschiebemergels ab einer Tiefe von 0,80 m oberhalb der Rammtiefe und mit den zugehörigen Pfahlumfangsflächen der Bruchwert des Pfahlmantelwiderstandes Rs1,k nach Tabelle B7.1. Tabelle B7.1 Bruchwert für den Pfahlmantelwiderstand für die unteren Tabellenwerte Schicht i [m]

As,i [m2]

cu,k,i [MN/m2]

qs,k,i [MN/m2]

Rs,k,i [MN]

10,0 bis 11,0

1,76

0,100

0,044

0,077

11,0 bis 14,0

5,28

0,180

0,060

0,317

14,0 bis 16,0

3,52

0,110

0,046

0,162

16,0 bis 18,2

3,87

0,140

0,053

0,205 Rs1,k = 0,761 MN

289

Anmerkung: Für die Vorbemessung werden die nichttragfähigen und die diese überlagernde tragfähigen Schichten nicht berücksichtigt. Für den Geschiebemergel können die Erfahrungswerte der Bruchmantelreibung von bindigen Böden nach Tabelle 5.11 verwendet werden. B7.2.2 Bestimmung des Pfahlfußvolumens des Frankipfahls Der Frankipfahl ist für eine charakteristische Einwirkung Fk = FG,k + FQ,k zu dimensionieren. Hierdurch ist für den Lastfall 1 ein charakteristischer axialer Pfahlwiderstand von R1,k = (FG,k ⋅ γ G + FQ,k ⋅ γ Q ) ⋅ γ P = (1, 20 ⋅ 1, 35 + 0, 40 ⋅ 1, 50) ⋅ 1, 40 = 3,108 MN nachzuweisen. Der erforderliche Pfahlfußwiderstand ist in Tabelle B7.2 angegeben. Zur Ermittlung von Rb1,k wird in einem Bereich von 3 · Ds unter und 2 · Ds über der Rammtiefe eine mittlere Bodenfestigkeit angesetzt. Aus dem Sondierdiagramm in Bild B7.1 erhält man für diesen Bereich eine mittlere undränierte Scherfestigkeit cu,k = 0,140 MN/m2. Unter Berücksichtigung der undränierten Scherfestigkeit cu,k und dem erforderlichen charakteristischen Pfahlspitzenwiderstand Rb1,k nach Tabelle B7.2 erhält man das Pfahlfußvolumen für die unteren Erfahrungswerte aus Bild 5.9. Das erforderliche Fußvolumen des Frankipfahls unter Berücksichtigung der unteren Erfahrungswerte ist in Tabelle B7.2 angegeben. Tabelle B7.2 Erforderlicher charakteristischer Pfahlfußwiderstand und Pfahlfußvolumen

B7.3

R1,k [MN]

Rs1,k [MN]

Rb1,k [MN]

V [m3] (nach Bild 5.9)

3,108

0,761

2,347

1,05

Nachweis des Grenzzustandes der Tragfähigkeit (GZ 1) unter Berücksichtigung der Rammarbeit während der Pfahlherstellung

B7.3.1 Charakteristischer Pfahlwiderstand R1,k nach Anwendung der unteren Erfahrungswerte Der Bruchwert des Pfahlmantelwiderstandes beträgt nach Tabelle B7.1 Rs1,k = 0,761 MN 290

Aus dem Rammarbeitsdiagramm in Bild B7.2 ergibt sich die auf den letzten 2 m geleistete Rammarbeit zu Wist = 10,410 + 11,183 = 21,593 MNm Die Norm-Rammarbeit nach Tabelle 5.9 der EA-Pfähle beträgt für einen Frankipfahl mit Ds = 56,0 cm Wnorm = 30,469 MNm und der Norm-Rammarbeit-Anteil W=

Wist = 0, 71 Wnorm

Den Pfahlfußwiderstand Rb1,k erhält man unter Verwendung des Norm-Rammarbeit-Anteils und des vorhandenen Pfahlfußvolumens nach Tabelle B7.2 aus Bild 5.9 Rb1,k = 2,675 MN Der axiale Pfahlwiderstand im Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZ 1) aus Erfahrungswerten ergibt sich zu R1,k = Rb1,k + Rs1,k = 2,675 + 0,761 = 3,436 MN B7.3.2 Charakteristischer Pfahlwiderstand R1,k nach Anwendung der oberen Erfahrungswerte Anmerkung: Auf die Anwendungsgrundlagen und Einschränkungen nach 5.4.3, insbesondere der oberen Erfahrungswerte (nicht als Regelfall), wird hingewiesen. Der Bruchwert des Pfahlmantelwiderstandes unter Verwendung der oberen Werte nach Tabelle 5.11 ist in Tabelle B7.3 angegeben. Mit dem Norm-Rammarbeit-Anteil W=

Wist = 0, 71 Wnorm

und dem vorhandenen Pfahlfußvolumen nach Tabelle B7.2 ergibt sich der Pfahlfußwiderstand Rb1,k aus Bild 5.10 Rb1,k = 3,890 MN 291

Tabelle B7.3 Bruchwert für den Pfahlmantelwiderstand für die oberen Tabellenwerte Schicht i [m]

As,i [m2]

cu,k,i [MN/m2]

qs,k,i [MN/m2]

Rs,k,i [MN]

10,0 bis 11,0

1,76

0,100

0,056

0,099

11,0 bis 14,0

5,28

0,180

0,076

0,401

14,0 bis 16,0

3,52

0,110

0,059

0,208

16,0 bis 18,2

3,87

0,140

0,067

0,259 Rs1,k = 0,967 MN

Der axiale Pfahlwiderstand im Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZ 1) aus Erfahrungswerten beträgt R1,k = Rb1,k + Rs1,k = 0,967 + 3,890 = 4,857 MN B7.3.3 Nachweis des Grenzzustandes der Tragfähigkeit Der Bemessungswert des Pfahlwiderstandes folgt aus R1,d =

R1,k γP

und der Bemessungswert der Einwirkung aus E d = FG,k ⋅ γ G + FQ,k ⋅ γ Q , mit JP = 1,40, JG = 1,35 und JQ = 1,50 für den Lastfall 1. Für den Nachweis des Grenzzustandes der Tragfähigkeit ist E d ≤ R1,d einzuhalten, die Ausnutzungsgrade sind in Tabelle B7.4 angegeben. Tabelle B7.4 Ausnutzungsgrade für untere und obere Tabellenwerte R1,d [MN]

Ed [MN]

P [–]

untere Tabellenwerte

2,454

2,220

0,91

obere Tabellenwerte

3,476

2,220

0,64

292

B7.4

Vergleich des axialen Pfahlwiderstandes auf der Grundlage von Erfahrungswerten mit statischen Probebelastungen

B7.4.1 Axialer charakteristischer Pfahlwiderstand aus Erfahrungswerten Der charakteristische axiale Pfahlwiderstand auf der Grundlage von Erfahrungswerten nach EA-Pfähle ist mit einer statischen Probebelastung zu überprüfen. Anmerkung: Der Vergleich des axialen Pfahltragverhaltens aus einer statischen Pfahlprobebelastung mit den Erfahrungswerten nach 5.4.5.3 erfordert den Ansatz der Pfahlmantelreibung über die gesamte Pfahllänge. Die Berechnung des Pfahlwiderstandes weicht von der bisherigen Vorgehensweise zur Ermittlung von charakteristischen axialen Pfahlwiderständen insofern ab, dass auch nichttragfähige bzw. geringtragfähige Schichten mit qc d 7,5 MN/m2 bzw. cu,k d 0,06 MN/m2 berücksichtigt werden. Des Weiteren wird auf die Anwendungsgrundlagen und Einschränkungen nach 5.4.3, insbesondere der oberen Tabellenwerte (nicht als Regelfall), hingewiesen. Im vorliegenden Beispiel werden für die Auswertung der statischen Pfahlprobebelastung die oberen Tabellenwerte verwendet. Aus der Tabelle 5.11 der EA-Pfähle ergeben sich die Erfahrungswerte der Mantelreibung im Bereich des tragfähigen Geschiebemergels ab einer Tiefe von 0,80 m oberhalb der Rammtiefe und mit den zugehörigen Pfahlumfangsflächen der Bruchwert des Pfahlmantelwiderstandes Rs1,k nach Tabelle B7.5. Der Pfahlfußwiderstand Rb1,k ergibt sich unter Verwendung des Norm-Rammarbeit-Anteils W = 0,71 nach B7.3.2 und dem Pfahlfußvolumen V = 1,05 m3 aus Bild 5.10 zu Rb1,k = 3,890 MN Tabelle B7.5 Bruchwert für den Pfahlmantelwiderstand für die oberen Tabellenwerte Schicht i [m]

As,i [m2]

qc bzw. cu,k,i [MN/m2]

qs,k,i [MN/m2]

Rs,k,i [MN]

0,0 bis 3,0

5,28

3,60

0,066

0,348

3,0 bis 5,0

3,52

11,10

0,121

0,426

5,0 bis 7,0

3,52

0,020

0,034

0,120

7,0 bis 10,0

5,28

0,050

0,042

0,222

10,0 bis 11,0

1,76

0,100

0,056

0,099

11,0 bis 14,0

5,28

0,180

0,076

0,401

14,0 bis 16,0

3,52

0,110

0,059

0,208

16,0 bis 18,2

3,87

0,140

0,067

0,259 Rs1,k = 2,083 MN

293

Der axiale Pfahlwiderstand auf der Grundlage von Erfahrungswerten beträgt R1,k = Rb1,k + Rs1,k = 3,890 + 2,083 = 5,973 MN B7.4.2 Vergleich mit der statischen Probebelastung Durch Extrapolation der Widerstand-Setzungs-Linie aus Bild B7.2 mit dem Hyperbelverfahren erhält man bei einer Grenzsetzung sg = 0,1 · Ds den axialen Pfahlwiderstand R1,m = 5,966 MN Die Abweichung des berechneten Pfahlwiderstandes von dem gemessenen beträgt 'R1 = –0,1 % Damit stimmt im vorliegenden Fall der Ansatz der oberen Erfahrungswerte gut mit dem Ergebnis der hier verwendeten statischen Probebelastung überein.

294

B8

Negative Mantelreibung bei einem Verdrängungspfahl infolge Geländeaufschüttung

B8.1

Aufgabenstellung

Bild B8.1 System und Randbedingungen

Für einen quadratischen Fertigteilverdrängungspfahl aus Stahlbeton mit einer Kantenlänge as = 0,35 m und einer ständigen Einwirkung FG,k = 450 kN aus Bauwerkslast ist der Nachweis der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit zu führen. Die Ergebnisse einer statischen Pfahlprobebelastung liegen entsprechend Bild B8.2 und Tabelle B8.2 vor. Aus einer Setzungsberechnung ist bekannt, dass sich die Weichschicht unter der als unendlich ausgedehnt angenommenen Aufschüttung um 5 cm setzen wird. Die Setzungen im tragfähigen Baugrund aus der Aufschüttung können vernachlässigt werden. Im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit GZ 2 ist eine maximale Pfahlkopfsetzung von zul s2 = 0,5 cm zulässig, die im vorliegenden Fall mit einem unteren Grenzwert der charakteristischen WSL im Gebrauchszustand zu vergleichen ist. Weiterhin wird der Pfahl als starr angenommen. Tabelle B8.1 Charakteristische Bodenkenngrößen Schicht

Bodenkenngrößen

Aufschüttung (Sand)

Mck = 30 ° Jk = 16,0 kN/m3

Weichschicht

cu,k = 35,0 kN/m2

295

B8.2

Bestimmung der charakteristischen Widerstands-Setzungs-Linie

Der charakteristische Pfahlwiderstand R1,k ist nach Anhang A4 in Tabelle B8.2 abgeleitet (siehe auch Bild B8.2). Vereinfachend wird im vorliegenden Fall der Messwert der WSL auch im Gebrauchszustand durch den Streuungsfaktor [ für den Grenzzustand der Tragfähigkeit dividiert und damit der untere Grenzwert der charakteristischen WSL festgelegt. Tabelle B8.2 Pfahlprobebelastungsergebnis und Ableitung der charakteristischen Widerstands-Setzungs-Linie s [cm]

Rm [kN]

[ [–]

R1, k =

Rm ξ

[kN] 0,0

0

–

0

0,5

978

–

850

1,0

1198

–

1042

1,5

1320

–

1148

2,0

1410

–

1226

3,0

1532

–

1332

4,0

1587

–

1380

4,7

1587

1,15

1380

Bild B8.2 Ergebnisse einer Pfahlprobebelastung und einer Drucksondierung sowie die abgeleitete charakteristische Widerstands-Setzungs-Linie

296

Im Grenzzustand GZ 1B ist für die Pfahlkopfsetzung s1 = 0,10 · Db anzusetzen, sofern keine anderen Kriterien gewählt werden. Für den quadratischen Pfahl ergibt sich ein äquivalenter Ersatzpfahldurchmesser von Deq = 39,5 cm = 0,395 m. s1 = 0,10 · 39,5 = 3,95 cm | 4 cm Der charakteristische Pfahlwiderstand im Grenzzustand der Tragfähigkeit beträgt damit nach Tabelle B8.2 R1,k = 1380 kN Im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit ergibt sich der charakteristische Pfahlwiderstand R2,k für zul s2 = 0,5 cm nach Bild B8.2 und Tabelle B8.2 zu R2,k = 850 kN Für die vorhandene charakteristische Einwirkung auf den Pfahl aus Bauwerkslast im Grenzzustand GZ 2 von FG,k = 450kN ergibt sich aus der charakteristischen WSL eine Setzung von s2 | 0,3 cm. Anmerkung: Es wird näherungsweise vorausgesetzt, dass die Pfahlwiderstände aus der Pfahlprobebelastung nur aus dem tragfähigen Baugrund resultieren und die darüber liegenden Schichten keinen Beitrag liefern. B8.3

Bestimmung der charakteristischen Einwirkungen Fn,k aus negativer Mantelreibung

In Bild B8.3 sind die Setzungen des Pfahls unter der Beanspruchung FG,k für den Grenzzustand der Tragfähigkeit GZ 1B und der Gebrauchstauglichkeit GZ 2 den Setzungen der Weichschicht gegenübergestellt.

Bild B8.3 Ermittlung der neutralen Punkte aus den Setzungen des Pfahls und der Weichschicht für die Grenzzustände GZ 1B und GZ 2

297

Im Grenzzustand der Tragfähigkeit GZ 1B befindet sich der neutrale Punkt 3,7 m unter der Geländeoberfläche innerhalb der Weichschicht. Mit Gl. (4.1) für die Weichschicht bzw. Gl. (4.2) für die Aufschüttung werden die charakteristischen Einwirkungen aus negativer Mantelreibung in Tabelle B8.3 ermittelt. Tabelle B8.3 Einwirkungen aus negativer Mantelreibung im GZ 1B Tiefe [m] 0,00 2,00 2,00 3,70

di [m]

As,i [m2]

2,00

2,80

1,70

2,38

Wn,k,i [kN/m2] 0,0 9,2 35,0

Fn,k,i [kN] 12,9 83,3 Fn1,k = 96,2 kN

Für den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit liegt der neutrale Punkt nach Bestimmung der vorhandenen Setzung von s2 | 0,3 cm abweichend von Bild B8.3 in einer Tiefe von 9,5 m unter der Geländeoberfläche. Die charakteristischen Einwirkungen aus negativer Mantelreibung werden in Tabelle B8.4 für den Grenzzustand GZ 2 ermittelt. Tabelle B8.4 Einwirkungen aus negativer Mantelreibung im GZ 2 Tiefe [m] 0,00 2,00 2,00 9,50

di [m]

As,i [m2]

2,00

2,80

7,50

10,50

Wn,k,i [kN/m2] 0,0 9,2 35,0

Fn,k,i [kN] 12,9 367,5 Fn2,k = 380,4 kN

B8.4

Nachweis der Tragfähigkeit

Für den Nachweis der Tragfähigkeit im Grenzzustand GZ 1B muss die Grenzzustandsbedingung E1,d d R1,d eingehalten sein. 298

Die negative Mantelreibung wird hier als ständige Einwirkung analog zu 4.4.4 (1) im Lastfall LF 1 angesetzt. E1,d = (FG,k + Fn1,k) · JG = 450,0 · 1,35 + 96,2 · 1,35 = 737,4 kN R1,d = R1,k / JPc = 1380,0 / 1,20 = 1150,0 kN E1,d = 737,4 kN < R1,d = 1150,0 kN B8.5

Nachweis der Gebrauchstauglichkeit

Im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit GZ 2 muss die Grenzzustandsbedingung E2,d d R2,d eingehalten sein. E2,d = E2,k = FG,k + Fn2,k = 450,0 +380,4 = 830,4 KN R2,d = R2,k = 850,0 kN E2,d = 830,4 kN < R2,d = 850,0 kN Anmerkung: Die zugrunde gelegten Pfahlsetzungen s2 und s1 infolge Bauwerkslasten werden besonders bezüglich s2 durch die charakteristische Pfahlbeanspruchung aus negativer Mantelreibung noch etwas erhöht. Auf eine Iteration kann i. d. R. verzichtet werden, da die hier gezeigte Vorgehensweise unter Ansatz von s2 ū 0,3 cm (ohne negative Mantelreibung) auf der sicheren Seite liegt und i. d. R. zur ungünstigsten charakteristischen Pfahlbeanspruchung E2,k infolge der größten Tiefenlage des neutralen Punktes im Grenzzustand GZ 2 führt. B8.6

Nachweis der inneren Pfahltragfähigkeit (Materialversagen)

Für den Nachweis der inneren Pfahltragfähigkeit (Materialversagen) ergibt sich die größte Beanspruchung in der Tiefe des neutralen Punktes im GZ 2 mit vorh. E2,k = FG,k + Fn2,k = E1,k (für den Nachweis Materialversagen) Mit dieser Beanspruchung E1,k = FG,k + Fn2,k ist dann der Nachweis gegen Materialversagen des Pfahlbaustoffs im Grenzzustand der Tragfähigkeit zu führen.

299

B9

Ermittlung der charakteristischen Beanspruchung eines quer zur Pfahlachse belasteten Pfahls und Nachweis gegen Materialversagen

B9.1

Aufgabenstellung

Für den in Bild B9.1 dargestellten Pfahl soll zunächst der anzusetzende Bodenwiderstand und die Beanspruchung des Pfahles ermittelt werden. Des Weiteren ist die Pfahlbemessung mit den Materialnachweisen durchzuführen. Im Einzelnen sind folgende Randbedingungen zu berücksichtigen: Charakteristische Einwirkungen Ständige Einwirkung: Veränderliche Einwirkung: Waagerechte ständige Einwirkung: Waagerechte veränderliche Einwirkung: Bettungsmoduln:

FG,k = 3,333 MN FQ,k = 2,000 MN HG,k = 0,700 MN HQ,k = 0,400 MN siehe Bild B9.1

Die charakteristische Normalspannung Vh,k zwischen Pfahl und Boden darf nach 6.2.2 bzw. DIN 1054:2005-01 (8.5.2) den im ebenen Fall berechneten Wert der charakteristischen passiven Erdwiderstandsspannung eph,k nicht überschreiten.

Bild B9.1 Zusammenstellung der Randbedingungen und Belastung für die Pfahl-Bauteilbemessung

300

Vh,k d eph,k

(B9.1)

mit: ϕ ⎞ ⎛ e ph,k = γ ⋅ z ⋅ tan 2 ⎜ 45 + k ⎟ ⎝ 2 ⎠

(B9.2)

Der seitliche Bodenwiderstand Bh,d darf ebenfalls nach Abschnitt 8.5.2(1) der DIN 1054:2005-01 nicht größer angesetzt werden, als es der Bemessungswert des räumlichen Erdwiderstandes E rph,d für den entsprechenden Teil der Einbindetiefe bis zum Drehpunkt des Pfahls zulässt. r Bh,d ≤ E ph,d

B9.2

(B9.3)

Ermittlung der charakteristischen Schnittgrößen und Spannungen

Bild B9.2a zeigt die charakteristische Beanspruchung des Pfahles aus einer Balkenberechnung unter Ansatz der Bettungsmoduln nach Bild B9.1. Die charakteristischen Erdwiderstandsspannungen ergeben sich zu: Kote – 1,60 m: 22, 5 ⎞ ⎛ e ph,k = 18, 0 ⋅ 1, 60 ⋅ tan 2 ⎜ 45 + ⎟ = 64, 5 kN/m² ⎝ 2 ⎠ Kote – 7,00 m: 22, 5 ⎞ ⎛ e ph,k = 18, 0 ⋅ 7, 00 ⋅ tan 2 ⎜ 45 + ⎟ = 282, 2 kN/m² ⎝ 2 ⎠ Die Verteilung der charakteristischen Erdwiderstandsspannung ist in Bild B9.2b dargestellt. Da die charakteristischen Normalspannungen Vh,k aus Bild B9.2a größer als die charakteristischen Erdwiderstandsspannungen eph,k sind, ist der Ansatz für die Verteilung der Bettungsmoduln zu modifizieren. Dies geschieht iterativ. Bild B9.2b zeigt die neu gewählten, im oberen Pfahlbereich abgeminderten Bettungsmoduln, die für die weitere Bemessung angesetzt werden. Im Bild B9.3 ist die charakteristische Beanspruchung des Pfahles unter Ansatz der modifizierten Bettungsmoduln nach Bild B9.2b dargestellt. Die Werte der charakteristischen Normalspannungen Vh,k liegen jetzt unter den Werten der charakteristischen Erdwiderstandsspannungen eph,k. Bei der Ermittlung der Schnittgrößen und Spannungen ist nachzuweisen, dass der seitliche Bodenwiderstand nicht größer angesetzt worden ist, als es der Bemessungswert des Erdwiderstandes bis zum Drehpunkt zulässt. 301

Bild B9.2 Charakteristische Pfahlbeanspruchungen (a) sowie ebener Erdwiderstand und Modifizierung der Bettungsmoduln (b)

Der seitliche Bodenwiderstand ergibt sich durch Integration der Bettungskraft bis zum Drehpunkt, der nach Balkenberechnung in einer Tiefe bei Kote –14,13 m bestimmt wird. Aus der Integration der Spannungsflächen nach Bild B9.3 ergeben sich Bodenwiderstandskräfte von: Bhg,k = 1, 299 MN Bhq,k = 0, 739 MN Der Bemessungswert des Bodenwiderstandes beträgt: Bh,d = γ G ⋅ Bhg,k + γ Q ⋅ Bhq,k = 1, 35 ⋅ 1, 299 + 1, 5 ⋅ 0, 739 = 2,862 MN

302

(B9.4)

Bild B9.3 Charakteristische Beanspruchungen mit abgemindertem Bettungsmoduln

Der räumliche Erdwiderstand infolge Bodeneigengewicht berechnet sich nach DIN 4085 wie folgt: Er E rph,k = 0, 5 ⋅ γ ⋅ z 2 ⋅ K pgh ⋅ I pg

(B9.5)

mit: I Er pg = l + 0, 6 ⋅ z ⋅ tan ϕ I Er pg

= 0, 55 ⋅ (1 + 2 ⋅ tan ϕ) ⋅

für l t 0,3 · z l⋅h

für l < 0,3 · z

l Länge der Wand im Grundriss, hier Pfahldurchmesser z betrachtete Tiefe Der räumliche Erdwiderstand bis zu diesem Punkt beträgt: Kote –1,60 m und l t 0,3 · z: E rph,k = 0, 5 ⋅ 18, 0 ⋅ 1, 60 2 ⋅ 2, 715 ⋅ (1, 5 + 0, 6 ⋅ 1, 60 ⋅ tan 22, 5) = 0,119 MN Kote –14,13 m und l < 0,3 · z: E rph,k = 0, 5 ⋅ 18, 0 ⋅ 14,132 ⋅ 2, 715 ⋅ 0, 55 ⋅ (1 + 2 ⋅ tan 22, 5) ⋅ 1, 5 ⋅ 14,13 = 22, 587 MN

303

Der Erdwiderstand ist erst ab einer Tiefe von –1,60 m anzusetzen, siehe auch Bild B9.1. Mit dem Teilsicherheitsbeiwert JEp ergibt sich der Bemessungswert des Erdwiderstandes zu h = –14,13 m: r E rph,d = E ph,k / γ Ep = (22, 587 − 0,119) /1, 40 = 16, 049 MN

In Tabelle B9.1 sind der Bemessungswert der Horizontalkomponente der resultierenden Auflagerkraft Bh,d aus der Schnittgrößenermittlung dem Bemessungswert der Horizontalkomponente des räumlichen Erdwiderstandes E rph,d gegenübergestellt. Der räumliche Erdwiderstand wird nicht überschritten. Tabelle B9.1 Nachweis des seitlichen Bodenwiderstandes

B9.3

Tiefe [m]

Erph,d [MN]

Bh,d [MN]

–14,13

16,049

2,862

Bemessungswerte der Schnittgrößen

Die Bemessungswerte der Schnittgrößen ergeben sich mit den Teilsicherheitsbeiwerten für den Grenzzustand des Versagens von Bauteilen (GZ 1B) nach DIN 1054, siehe auch Anhang A2. Für den Nachweis der Biegebemessung im Grenzzustand der Tragfähigkeit wird nach DIN 1055-100 zwischen ungünstigen (unf = unfavourable) und günstigen (fav = favourable) Einwirkungen unterschieden, wobei nachfolgend die ungünstigen Einwirkungen nicht gesondert mit dem Index „unf“ gekennzeichnet werden. Tabelle B9.2 Teilsicherheitsbeiwerte für Einwirkungen und Beanspruchungen Einwirkung

ungünstig – unf

günstig – fav

JG (ständig)

1,35

1,35

JQ (veränderlich)

1,50

0

Der Bemessungswert der Normalkraft (N = F) ergibt sich zu N Ed = N Ek,G ⋅ γ G + N Ek,Q ⋅ γ Q

(B9.6)

= 3, 333 ⋅ 1, 35 + 2, 0 ⋅ 1, 50 = 7, 50 MN und wirkt die veränderliche Last günstig, so beträgt der Bemessungswert N Ed,fav = N Ek,G ⋅ γ G,fav + N Ek,Q ⋅ γ Q,fav = 3, 333 ⋅ 1, 35 = 4, 50 MN 304

(B9.7)

Der Bemessungswert der Querkraft beträgt VEd = VEk,G ⋅ γ G + VEk,Q ⋅ γ Q

(B9.8)

= 0, 70 ⋅ 1, 35 + 0, 40 ⋅ 1, 50 = 1, 545 MN Die Bilder B9.4 und B9.5 zeigen die Verteilung der Bemessungswerte der Schnittgrößen mit abgemindertem Bettungsmodul, die für die Materialnachweise anzusetzen sind.

Bild B9.4 Bemessungsbiegemomente für die Pfahlbemessung (Materialnachweise)

Bild B9.5 Bemessungsquerkräfte für die Pfahlbemessung (Materialnachweise)

305

B9.4

Mindestfestigkeitsklasse des Betons und Betondeckung

Für die Expositionsklasse XC2 des Gründungsbauteils beträgt die Mindestfestigkeitsklasse des Betons C16/20 nach DIN 1045-1, Tabelle 3. Die DIN EN 1536 sieht für Bohrpfähle eine Festigkeitsklasse des Betons zwischen C20/25 und C30/37 vor. Gewählt: C25/30 XC2 Das Nennmaß der Betondeckung für die Expositionsklasse XC2 ergibt sich zu cnom = cmin + 'c

(B9.9)

mit cmin Mindestbetondeckung, hier cmin = 60 mm für Pfähle mit D > 0,6 m nach DIN EN 1536 'c Vorhaltemaß, hier 'c = 15 mm erhält man das Nennmaß der Betondeckung cnom = 75 mm Zur Sicherstellung des Verbundes ist nach DIN 1045-1 die Bedingung cmin t Stabdurchmesser einzuhalten. B9.5

Bemessungswerte der Baustoffe

Die Teilsicherheitsbeiwerte der Baustoffe für den Grenzzustand der Tragfähigkeit werden nach DIN 1045-1: 2001-07 berücksichtigt: Beton < C55/67

JC = 1,50

Betonstahl BSt 500

JS = 1,15

Der Bemessungswert der Betondruckfestigkeit (C25/30) fcd = α ⋅ fck / γ C ergibt sich mit D Abminderungsbeiwert, hier D = 0,85 fck = 25, 0 N/mm 2 306

(B9.10)

zu fcd = 0,85 ⋅ 25,0 /1,50 = 14,2 N/mm 2 Der Bemessungswert der Streckgrenze des Betonstahls BSt 500 S (A) beträgt fyd = fyk / γ S

(B9.11)

mit fyk = 500, 0 N/mm 2 fyd = 500, 0 /1,15 = 435, 0 N/mm 2 B9.6

Nachweise in den Grenzzuständen der Tragfähigkeit

B9.6.1 Bemessung für Biegung und Normalkraft Die Bemessung des Kreisquerschnitts wird mit dimensionslosen Beiwerten durchgeführt (siehe Schneider Bautabellen, 16. Auflage). Der Achsabstand der Längsbewehrung d1 beträgt mit angenommenen Ø 12 mm für die Quer- und Ø 32 mm für die Längsbewehrung d1 = 7, 5 + 1, 2 + 3, 2 / 2 = 10, 3 cm so dass mit d1 / h = 10, 3 /150, 0 = 0, 069 < 0,1 Tafel 7a (d1 / h = 0,1) nach Schneider Bautabellen, 16. Auflage, maßgebend ist. Für die weitere Berechnung wird der Achsabstand der Biegebewehrung mit d1 = 0,1 · h = 15 cm angesetzt. Mit den dimensionslosen Beiwerten μ Ed =

M Ed 624.400 = = 0,166 A c ⋅ h ⋅ fcd π ⋅ 150, 0 2 / 4 ⋅ 150, 0 ⋅ 1, 42

νEd =

N Ed,fav

(B9.12)

und

A c ⋅ fcd

=

−4.500 = −0,179 π ⋅ 150, 0 2 / 4 ⋅ 1, 42

(B9.13) 307

unter Berücksichtigung der günstig wirkenden Normalkraft NEd = NEd,fav erhält man ω tot = 0, 4 εC2 / εS1 = −3, 5 / 5, 0 Die erforderliche Bewehrung ergibt zu AS,tot =

ω tot ⋅ A c 0, 4 ⋅ π ⋅ 150, 0 2 = = 230, 7 cm 2 fyd 435, 0 4⋅ 14, 2 fcd

(B9.14)

Die Mindestlängsbewehrung nach DIN EN 1536 in Abhängigkeit des Nennquerschnitt des Pfahles A C = π / 4 ⋅ 1, 50 2 = 1, 767 m 2 > 1, 0 m 2

(B9.15)

beträgt AS ≥ 0, 25 % ⋅ A C

(B9.16)

= 0, 0025 ⋅ 17670, 0 = 44, 2 cm < erf AS = AS,tot 2

Gemäß DIN EN 1536 sind als Längsbewehrung mindestens 4 Ø 12 erforderlich. Als Längsbewehrung werden gewählt: 30 Ø 32 = 233,2 cm2 > 230,7 cm2 = erf AS Nach DIN EN 1536 wird ein minimaler und maximaler Abstand der Längsstäbe gefordert 10 cm ≤ a = U / n = π ⋅ (150, 0 − 15, 0 ⋅ 2) / 29 = 13, 0 cm ≤ 40 cm

(B9.17)

B9.6.2 Bemessung für Querkraft nach DIN 1045-1 Gemäß der Auslegung des Normenausschusses Bauwesen (NABau) ist als wirksame Breite für die Querkraftbemessung von Kreisquerschnitten der kleinere Wert der Querschnittsbreite zwischen dem Bewehrungsschwerpunkt (Zuggurt) und der Druckresultierenden (entspricht der kleinsten Breite senkrecht zum inneren Hebelarm z) zu verwenden. 308

Aus der Biegebemessung folgt εC2 / εS1 = −3, 5 / 5, 0 Unter Berücksichtigung des in der Biegebemessung angesetzten Achsabstandes der Längsbewehrung beträgt die Höhe der Druckzone x = (150, 0 − 15, 0) ⋅ 3, 5 /(5, 0 + 3, 5) = 55, 6 cm

(B9.18)

Da die Dehnungsnulllinie im Querschnitt liegt, darf für die Betonspannungsverteilung vereinfachend ein Spannungsblock angesetzt werden mit einer Höhe von k ⋅ x = 0,8 ⋅ 55, 6 = 44, 5 cm

(B9.19)

Die Druckresultierende liegt im Schwerpunkt eines Kreissegmentes mit α c = 2 ⋅ arccos (1 − k ⋅ x ⋅ 2 / D)

(B9.20)

= 2 ⋅ arccos (1 − 44, 5 ⋅ 2 /150, 0) = 132, 0° Ausgehend vom Kreismittelpunkt beträgt der Schwerpunktsabstand 3

⎡ ⎛ α ⎞⎤ z C = 2 / 3 ⋅ D ⋅ ⎢sin ⎜ c ⎟⎥ / ( π ⋅ α c /180 − sin α c ) ⎣ ⎝ 2 ⎠⎦

(B9.21)

3

⎡ ⎛ 132, 0 ⎞ ⎤ = 2 / 3 ⋅ 150, 0 ⋅ ⎢sin ⎜ ⎟ ⎥ / ( π ⋅ 132, 0 /180 − sin132, 0) ⎣ ⎝ 2 ⎠⎦ = 48, 9 cm

Bild B9.6 Lage der Druckresultierenden im Schwerpunkt des Kreissegmentes Dc (a) und Lage des Bewehrungsschwerpunktes des Kreissegmentes DS (b)

309

Gemäß der Auslegung des NABau ist für die Querkraftbemessung die tatsächlich vorhandene Zugbewehrung, also die in der Zugzone liegende Bewehrung anzusetzen. Für die Ermittlung des Bewehrungsschwerpunktes wird die Bewehrung als gleichmäßig auf ihrer Schwerachse verteilt angenommen. Der Radius der Bewehrungsschwerachse beträgt R = 150, 0 / 2 − 15, 0 = 60, 0 cm

(B9.22)

Der Schwerpunkt des Kreisringabschnittes mit αS = 360, 0 − 2 ⋅ arccos [1 − (x − d1 ) / R]

(B9.23)

= 360, 0 − 2 ⋅ arccos [1 − (55, 6 − 15, 0) / 60, 0] = 218, 0° liegt ausgehend vom Kreismittelpunkt bei ⎛α ⎞ zS = 360, 0 ⋅ sin ⎜ S ⎟ ⋅ R / (π ⋅ αS ) ⎝ 2 ⎠

(B9.24)

⎛ 218, 0 ⎞ = 360, 0 ⋅ sin ⎜ ⋅ 60, 0 /( π ⋅ 218, 0) = 29,8 cm ⎝ 2 ⎟⎠ Diese Näherung weicht von der tatsächlichen Schwerpunktlage der Stahlzugkräfte ab, da die Spannungsverteilung in der Bewehrung nicht berücksichtigt wurde, ist aber wegen des tatsächlich größeren Hebelarmes konservativ. Der kleinere Wert der Querschnittsbreite liegt damit auf Höhe der Druckresultierenden und beträgt bw = 2 ⋅ (150, 0 / 2)2 − 48, 92 = 113, 7 cm

(B9.25)

Die statische Höhe ergibt sich zu d = D / 2 + zS = 75, 0 + 29,8 = 104,8 cm

(B9.26)

Der innere Hebelarm ist z = z C + zS = 48, 9 + 29,8 = 78, 7 cm

(B9.27)

Der Bemessungswert der Querkrafttragfähigkeit VRd,ct = [0,10 ⋅ κ ⋅ η1 ⋅ (100 ⋅ ρl ⋅ fck )1 / 3 − 0,12 ⋅ σ cd ] ⋅ bw ⋅ d 310

(B9.28)

mit: κ = 1+

200 / d = 1 +

200 /1048, 0 = 1, 44 < 2, 0

η1 = 1, 0 für Normalbeton α 218, 0 vorh AS,tot ⋅ S 233, 2 ⋅ ASl 360 360 = 0, 0119 < 0, 02 ρl = = = bw ⋅ d bw ⋅ d 113, 7 ⋅ 104,8 σ cd = N Ed / A C = −4, 500 / ( π / 4 ⋅ 1, 50 2 ) = −2, 55 MN/m 2 (Druckkraft negativ) beträgt VRd,ct = [0,10 ⋅ 1, 44 ⋅ 1, 0 ⋅ (100 ⋅ 0, 0119 ⋅ 25, 0)1 / 3 − 0,12 ⋅ ( −2, 55)] ⋅ 1,137 ⋅ 1, 048 = 0,896 MN < 1, 545 MN = VEd Danach ist eine Querkraftbewehrung erforderlich. Die Begrenzung der Druckstrebenneigung mit VRd,c = βct ⋅ 0,10 ⋅ η1 ⋅ fck1 / 3 ⋅ (1 + 1, 2 ⋅ σ cd / fcd ) ⋅ bw ⋅ z = 2, 4 ⋅ 0,10 ⋅ 1, 0 ⋅ 25, 0 ⋅ 1,137 ⋅ 0, 787 = 0, 493 MN

1/3

(B9.29)

⋅ [1 + 1, 2 ⋅ (−2, 55) /14, 2]

liefert 0, 58 ≤ cot θ ≤ (1, 2 − 1, 4 ⋅ σ cd / fcd ) / (1 − VRd,c / VEd )

(B9.30)

≤ [1, 2 − 1, 4 ⋅ (−2, 55) /14, 2] / (1 − 0, 493 /1, 545) = 2,13 < 3, 0 (für Normalbeton) Der Bemessungswert der maximalen Querkrafttragfähigkeit beträgt VRd,max = bw ⋅ z ⋅ α c ⋅ fcd / (cot θ + tan θ)

(B9.31)

= 1,137 ⋅ 0, 787 ⋅ 0, 75 ⋅ 14, 2 / (2,13 + 1 / 2,13) = 3, 666 MN > 1, 545 MN = VEd 311

Die erforderliche Querkraftbewehrung ergibt sich zu ASw / sw = VEd / (fyd ⋅ z ⋅ cot θ)

(B9.32)

= 1, 545 /(435, 0 ⋅ 0, 787 ⋅ 2,13) ⋅ 100 2 = 21, 2 cm 2 /m B9.6.3 Bemessung für Querkraft nach [3, 4] In [3] und [4] wird der vom NABau empfohlene Berechnungsansatz mit einer Datenbank von Experimenten an rotationssymmetrisch bewehrten Stahlbetonbalken verglichen. Dabei wird festgestellt, dass der Bemessungsansatz des NABau für Bauteile ohne Querkraftbewehrung deutlich konservativ ist, wogegen bei Bauteilen mit Querkraftbewehrung die Tragfähigkeit überschätzt wird, da der Ansatz dem besonderen Tragverhalten der kreisförmigen Verbügelung nicht Rechnung trägt. Basierend auf den Grundgleichungen der DIN 1045-1 leitet [3] einen semiempirischen Bemessungsansatz für rotationssymmetrisch längsbewehrte Träger ohne Querkraftbewehrung her. Der Bemessungswert der Querkrafttragfähigkeit ist danach VRd,ct = 0,14 ⋅ κ ⋅ (100 ⋅ ρl ⋅ fck )1 / 3 ⋅ D ⋅ z − λ ⋅ N Ed

(B9.33)

worin der Term O · NEd den günstigen Einfluss zentrischer Drucknormalkräfte über einen Sprengwerksansatz berücksichtigt. Die Neigung O = zN / a des Sprengwerks entspricht der Änderung des Abstandes zN zwischen der Schwerachse und dem Schwerpunkt der Druckzone über die Länge a. Vereinfachend kann hier die Länge a als Abstand zwischen Angriffspunkt der Querkraft und dem Ort des maximalen Momentes mit a = 850,0 – 160,0 = 690 cm abgeschätzt werden. Damit ist O = zN / a = 48,9 / 690,0 = 0,071. Abweichend von der Auslegung des NABau setzt [3] für den Längsbewehrungsgrad vereinfachend die Bewehrung des im Zugbereich liegenden halben Querschnitts an. ρl = 0, 5 ⋅ AS,tot / A C = 2 ⋅ AS,tot /( π ⋅ D2 )

(B9.34)

= 2 ⋅ 233, 2 /( π ⋅ 150, 0 2 ) = 0, 0066 < 0, 02 Mit den bereits ermittelten Vorwerten ist VRd,ct = 0,14 ⋅ κ ⋅ (100 ⋅ ρl ⋅ fck )1 / 3 ⋅ D ⋅ z − λ ⋅ N Ed = 0,14 ⋅ 1, 44 ⋅ (100 ⋅ 0, 0066 ⋅ 25, 0)1 / 3 ⋅ 1, 50 ⋅ 0, 787 − 0, 071 ⋅ (−4, 5) = 0, 925 MN < 1, 545 MN = VEd 312

Der Bemessungswert der Querkrafttragfähigkeit liegt ca. 3,2 % über dem nach DIN 1045-1 ermittelten Wert. Eine Querkraftbewehrung wird dennoch erforderlich! Für rotationssymmetrisch längsbewehrte Träger mit Querkraftbewehrung leitet [3] die Querkraftwiderstände aus den Grundgleichungen der DIN 1045-1 unter Berücksichtigung der Umlenkkräfte der kreisförmigen Verbügelung und der ungleichmäßigen Verteilung der Querkraft auf die Längsbewehrung her. Die aufgrund der kontinuierlichen Abstützung der Druckstrebe auf die kreisförmigen Bügel aktivierten radialen Umlenkkräfte (Kesseldruck) erhöhen die Beanspruchung der Querkraftbewehrung. Die Herleitung der Zugstrebenfestigkeit für kreisförmige Verbügelung führt auf den in der DIN 1045-1 angegebenen Bemessungswert VRd,sy = α k ⋅ ASw / sw ⋅ fyd ⋅ z ⋅ cot θ

(B9.35)

ergänzt durch einen als „Wirksamkeitsfaktor“ bezeichneten, nur von dimensionslosen Geometrieparametern abhängigen Faktor Dk. Aufgrund des für praktische Fälle kleinen Wertebereichs von 0,715 d Dk d S / 4 = 0,785 schlägt [4] eine konservative Festlegung auf Dk = 0,72 vor. Für die Ermittlung der Druckstrebenneigung ist der Querkraftanteil VRd,c nach DIN 1045-1 anzusetzen, wobei die wirksame Breite zu bw = Aeff / z | 0,9 · D abgeschätzt werden kann. Der günstige Einfluss drückender Normalkräfte wird auf der Einwirkungsseite mit dem bereits für den Bemessungswert der Querkrafttragfähigkeit herangezogenen Sprengwerkansatz berücksichtigt. Der Bemessungswert der einwirkenden Querkraft reduziert sich auf VEd,red = VEd + λ ⋅ N Ed = 1, 545 + 0, 071 ⋅ (−4, 5) = 1, 226 MN

(B9.36)

Die Begrenzung der Druckstrebenneigung mit bw = A eff / z ≈ 0, 9 ⋅ D = 0, 9 ⋅ 150, 0 = 135, 0 cm und VRd,c = βct ⋅ 0,10 ⋅ η1 ⋅ fck1 / 3 ⋅ (1 + 1, 2 ⋅ σ cd / fcd ) ⋅ bw ⋅ z = 2, 4 ⋅ 0,10 ⋅ 1, 0 ⋅ 25, 01 / 3 ⋅ [1 + 1, 2 ⋅ (−2, 55) /14, 2] ⋅ 1, 35 ⋅ 0, 787 = 0, 585 MN liefert 0, 58 ≤ cot θ ≤ (1, 2 − 1, 4 ⋅ σ cd / fcd ) / (1 − VRd,c / VEd,red )

(B9.37)

≤ [1, 2 − 1, 4 ⋅ (−2, 55) /14, 2] / (1 − 0, 585 /1, 226) = 2, 78 < 3, 0 (für Normalbeton) ⇒ cot θ = 2, 78

313

Die Tragfähigkeit der Druckstrebe ist gemäß DIN 1045-1 zu begrenzen, wobei lediglich die wirksame Breite abweichend mit bw = Dk · D = 0,72 · 150 = 108 cm anzusetzen ist. VRd,max = bw ⋅ z ⋅ α c ⋅ fcd / (cot θ + tan θ)

(B9.38)

= 1, 08 ⋅ 0, 787 ⋅ 0, 75 ⋅ 14, 2 / (2, 78 + 1 / 2, 78) = 2,883 MN > 1, 226 MN = VEd,red Die erforderliche Querkraftbewehrung ergibt sich zu ASw / sw = VEd,red / (α k ⋅ fyd ⋅ z ⋅ cot θ) = 1, 226 / (0, 72 ⋅ 435, 0 ⋅ 0, 787 ⋅ 2, 78) ⋅ 100

(B9.39) 2

= 17, 9 cm 2 /m Der Ansatz nach [4] ergibt gegenüber der Bemessung nach NABau Auslegung hier eine um ca. 16 % geringere Querkraftbewehrung, was auf die Erhöhung der Querkrafttragfähigkeit durch den Sprengwerkansatz für die Normalkräfte zurückzuführen ist. Wirken auf das Bauteil keine großen Normalkräfte, so liefert der Bemessungsansatz nach [4] mehr Querkraftbewehrung als nach NABau Auslegung, da in diesem Falle die vom Bemessungskonzept der DIN 1045-1 nicht erfasste zusätzliche Beanspruchung der kreisförmigen Bewehrung durch Kesseldruck maßgebend wird. Wir empfehlen daher für die Bemessung den Ansatz nach [3] und [4], den wir in diesem Beispiel weiter verfolgen. Liegt die Nulllinie außerhalb des Querschnittes kann z. B. das Nachweisverfahren von [78] angewendet werden. Die Mindestbewehrung nach DIN 1045-1 ergibt sich mit dem Grundwert für die Ermittlung der Mindestbewehrung ρ = 0, 083% zu ASw / sw = ρw ⋅ bw ⋅ sin α = 0, 083 ⋅ 135, 0 ⋅ sin 90, 0°

(B9.40)

= 11, 2 cm /m 2

Der Mindestdurchmesser der Querbewehrung gemäß DIN EN 1536 beträgt ⎧6 mm ⎪ d sw,min ≥ ⎨ 1 1 ⎪⎩ 4 ⋅ d sl = 4 ⋅ 32, 0 = 8 mm

(B9.41)

Der minimale lichte Stababstand darf gemäß DIN EN 1536 nicht kleiner als für Längsstäbe sein mit sw ≥ 10 cm 314

Der maximale Längsabstände nach DIN 1045-1 für 0, 30 ⋅ VRd,max < VEd < 0, 60 ⋅ VRd,max

(B9.42)

= 0, 30 ⋅ 2,883 = 0,865 MN < 1, 545 MN < 0, 60 ⋅ 2,883 = 1, 730 MN ergibt sich zu sw ≤ 0, 5 ⋅ h = 0, 5 ⋅ 150, 0 = 75, 0 cm und sw ≤ 30 cm

(B9.43)

Es wird eine Querkraftbewehrung gewählt Wendel 2-schnittig Ø 12 / 12,5 cm = 18,1 cm2 > 17,9 cm2 = erf ASw

315

B10

Auf Seitendruck beanspruchte Pfähle

B10.1

Aufgabenstellung und Systeme

In Bild B10.1 ist ein Brückenwiderlager gegründet auf 8 Stahlrohrpfählen dargestellt. Zu bestimmen ist der aus der Hinterfüllung resultierende Seitendruck auf die Pfähle. Stahlrohrpfähle: A I E

= 0,018837 m2 = 8,47 · 10–4 m4 = 210 000 N/mm2

Bodenkenngrößen: Hinterfüllung: Mck cck J

= 30° = 0 kN/m2 = 19 kN/m3

Sand: Mck cck J / Jc

= 30°Ÿ Kagh = 0,33 = 0 kN/m2 = 19 / 11 kN/m3

Klei: Mck cck cu,k Jc

= 15°Ÿ Kagh = 0,59 = 10 kN/m2 = 25 kN/m2 = 6,5 kN/m3

Randbedingungen: – Auflast der Sandschicht im Klei auskonsolidiert – Auflast der Hinterfüllung im Klei nicht auskonsolidiert (Anfangszustand)

Bild B10.1 Systemskizze und Bodenkenngrößen

316

B10.2

Ermittlung der charakteristischen Einwirkungen und Beanspruchungen

Die Ermittlung der charakteristischen Einwirkungen erfolgt nach 4.5, wobei die Bestimmung des charakteristischen Fließdrucks pf,k nach Gl. (4.5) unter Berücksichtigung des Verbauverhältnisses nach Bild 4.7 vorgenommen wird. pf,k = ηa ⋅ 7 ⋅ c u,k ⋅ Ds = 1, 20 ⋅ 7 ⋅ 25 ⋅ 0, 61 = 128,1 kN/m Der Fließdruck ist mit dem resultierenden Erddruck 'ek zu vergleichen. Nach Gl. (4.9) gilt bei Teilkonsolidierung für ea,k e a,k = ( γ ⋅ z + U c ⋅ Δp k ) ⋅ K agh + (1 − U c ) ⋅ Δp k − 2 ⋅ c ′k ⋅ K agh und für den Erdwiderstand ep,k nach Gl. (4.14) e p,k = γ ⋅ z ⋅ K pgh mit K pgh = 1, 0 Die Ermittlung der resultierenden Erdruckspannung 'ek erfolgt in Tabelle B10.1. Zum Vergleich wird die resultierende Erddruckspannung im undränierten Zustand berechnet. Für die horizontale Erddruckspannung gilt e a,k = γ ⋅ z + Δp k − 2 ⋅ c u,k

Die Berechnung im undränierten Zustand ergibt höhere resultierende Erddruckspannungen. Im vorliegenden Fall werden für den charakteristischen Fließdruck die Ergebnisse im teilkonsolidierten Zustand gewählt. Tabelle B10.1 Ermittlung von 'ek bei Teilkonsolidation im Klei (Auflast infolge Sandschicht auskonsolidiert; infolge Hinterfüllung nicht auskonsolidiert) Tiefe z [m]

ea,k [kN/m2]

ep,k [kN/m2]

'ek [kN/m2]

0,00

5,55 · 19 · 0,33 = 34,80

0

34,8

1,95

(5,55 + 1,95) · 19 · 0,33 = 47,0

1,95 · 19 = 37,1

9,9

3,65 (oben)

(5,55 · 19 + 1,95 · 19 + 1,7 · 11) · 0,33 = 53,2

1,95 · 19 + 1,7 · 11 = 55,8

–2,6

3,65 (unten)

(1,95 · 19 + 1,7 · 11) · 0,59 + 5,55 · 19 – 2 · 10 · 0,77 = 122,9

1,95 · 19 + 1,7 · 11 = 55,8

67,1

20,05

(1,95 · 19 + 1,70 · 11 + 16,4 · 6,5) · 0,59 + 5,55 · 19 – 2 · 10 · 0,77 = 185,8

1,95 · 19 + 1,7 · 11 + 16,4 · 6,5 = 162,4

23,4

317

Tabelle B10.2 Ermittlung 'ek im undränierten Zustand Tiefe z [m]

ea,k [kN/m2]

ep,k [kN/m2]

'ek [kN/m2]

3,65 (unten)

1,95 · 19 + 1,7 · 11 + 5,55 · 19 – 2 · 20 = 121,2

1,95 · 19 + 1,7 · 11 = 55,8

65,4

20,05

1,95 · 19 + 1,7 · 11 + 16,4 · 6,5 + 5,55 · 19 – 2 · 20 = 227,8

1,95 · 19 + 1,7 · 11 + 16,4 · 6,5 = 162,4

65,4

Die Berechnung der resultierenden Erddrucksspannung pe,k unter Berücksichtung der Gruppenwirkung erfolgt entsprechend Abschnitt 4.5.4 (6) für den Maximalwert des resultierenden Erddruckes a) pe,k = ηa ⋅ Δe k = 4,10 ⋅ 67,1 = 275,1 kN/m b) pe,k = ηa ⋅ Ds ⋅ Δe k = 3 ⋅ 0, 61 ⋅ 67,1 = 122,8 kN/m c) pe,k = ηa ⋅ Δe k = 16, 4 ⋅ 67,1 = 1100, 4 kN/m d) pe,k = ηa ⋅ Δe k = 1 / 8 ⋅ 15, 3 ⋅ 67,1 = 128, 3 kN/m Unter Berücksichtigung der Pfahlabstände und Pfahldurchmesser (Pfahlabstände > 4 · Ds) kann eine Überprüfung des Ansatzes nach [39], (Bild 4.9) und Gl. (4.12) entfallen. Der maßgebende Seitendruck ergibt sich aus der minimalen Einwirkung aus dem Fließdrucks pf,k und dem resultierenden Erddruck 'ek. Somit ist der resultierende Erddruck 'ek unter Ansatz der dreifachen Pfahlbreite nach b) maßgebend.

Bild B10.2 Verteilung von pe,k

318

Die resultierende charakteristische Einwirkung aus Seitendruck pe,k ist in Tabelle B10.3 zusammengestellt. Tabelle B10.3 Resultierende Einwirkung pe,k unter Berücksichtigung der dreifachen Pfahlbreite Tiefe z [m]

'ek [kN/m2]

pe,k = 'ek · 3 · 0,61 m [kN/m]

0,00

34,8

63,7

1,95

9,9

18,1

3,65 (oben)

1,9

3,5

3,65 (unten)

67,1

122,8

20,05

23,5

43,0

319

B11

Pfeilergründung auf 9 Pfählen bei homogenem und geschichtetem Baugrund – Nachweise der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit unter Berücksichtigung von Gruppenwirkung

B11.1

Ungeschichtetes Bodenprofil unterhalb einer Weichschicht

Das folgende Beispiel ist aus [99] entnommen. Die Geometrie einer Pfeilergründung auf 9 Pfählen, die Bodenkenngrößen und die Widerstands-Setzungslinie aus einer Pfahlprobebelastung eines vergleichbaren Einzelpfahles sind in Bild B11.1 gegeben. Es soll eine maximale Setzung von s = 0,03 · D = 0,03 · 130 = 3,9 cm für den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit vorgegeben sein. Eine Auswertung der Probebelastung ergab i. M. qs1,k = 28 kN/m2 und qb1,k = 692 kN/m2.

Bild B11.1 Pfeilergründung auf 9 Pfählen; (a) Ansicht, (b) Grundriss, (c) Bodenkenngrößen, (d) charakteristische Widerstands-Setzungslinie von einem vergleichbaren Einzelpfahl aus einer Pfahlprobebelastung. Längenangaben in [m]

320

Es sind alle Nachweise der Gebrauchstauglichkeit und Tragfähigkeit der Pfahlgruppe zu führen sowie die charakteristischen Biegemomente in der Pfahlkopfplatte anzugeben. a) Nachweis im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit Für den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit ist eine maximale Setzung von s = 0,03 · D vorgegeben. Entsprechend wird das Nomogramm nach Bild 8.8b zur Bestimmung der Pfahlwiderstände angewendet. Eingangsgröße ist dabei das Pfahlabstand-Einbindetiefe-Verhältnis: a / d = 5, 2 /14, 5 = 0, 359

(B11.1)

Mit diesen Größen ergibt sich der erste Einflussfaktor O1 aus Bild 8.8b abhängig von der Pfahlposition zu O1 = 0,76 (Eckpfahl), O1 = 0,59 (Randpfahl) und O1 = 0,35 (Innenpfahl). Nach Bild 8.11a beträgt der zweite Einflussfaktor O2 für die Berücksichtigung der Gruppengröße für die Innenpfähle O2 = 1,0. Weitere Einflussfaktoren müssen bei diesem Beispiel nicht berücksichtigt werden. Mit dem charakteristischen Pfahlwiderstand des Einzelpfahles von RE,k = 2,21 MN bei einer Setzung von s = 0,03 · D nach Bild B11.1d und den zuvor ermittelten Einflussfaktoren ergeben sich die folgenden Pfahlwiderstände in der Gruppe: R Eck,k (s = 0, 03 ⋅ D) = 2, 21 ⋅ 0, 76 = 1, 68 MN

(B11.2)

R Rand,k (s = 0, 03 ⋅ D) = 2, 21 ⋅ 0, 59 = 1, 30 MN

(B11.3)

R Innen,k (s = 0, 03 ⋅ D) = 2, 21 ⋅ 0, 35 ⋅ 1, 00 = 0, 77 MN

(B11.4)

Bei einer Setzung von s = 0,03 · D beträgt der charakteristische Gesamtwiderstand der Pfahlgruppe: R G,k (s = 0, 03 ⋅ D) = 4 ⋅ 1, 68 + 4 ⋅ 1, 30 + 0, 77 = 12, 69 MN

(B11.5)

Nach der Grenzzustandsbedingung für den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit müssen die Beanspruchungen kleiner als die Widerstände sein. Dabei sind alle Teilsicherheitsbeiwerte mit JF = JR = 1,0 anzusetzen. E 2,d = E 2,k ≤ R 2,d = R 2,k → 12, 0 MN < 12, 69 MN

(B11.6)

Unter Punkt d) sind in einer weiteren Iteration die tatsächlich unter den charakteristischen Einwirkungen zu erwartenden charakteristischen Gruppensetzungen ermittelt.

321

b) Nachweis im Grenzzustand der Tragfähigkeit nach 8.3.1 (2) bis (4) Im Grenzzustand der Tragfähigkeit ergibt sich der charakteristische Gesamtwiderstand der Gruppe analog dem Vorgehen unter a), allerdings mit einer Setzung von s1 = 0,1 · D. Mit dem charakteristischen Grenzwiderstand des Einzelpfahles von R1,k = 2,57 MN nach Bild B11.1d und den Einflussfaktoren nach Bild 8.8d und Bild 8.11a betragen die charakteristischen Pfahlwiderstände: R Eck,k (s = 0,1 ⋅ D) = 2, 57 ⋅ 1, 0 = 2, 57 MN

(B11.7)

R Rand,k (s = 0,1 ⋅ D) = 2, 57 ⋅ 0, 99 = 2, 54 MN

(B11.8)

R Innen,k (s = 0,1 ⋅ D) = 2, 57 ⋅ 0, 97 ⋅ 1, 0 = 2, 49 MN

(B11.9)

Daraus ergibt sich der charakteristische Gesamtwiderstand der Pfahlgruppe im Grenzzustand der Tragfähigkeit zu: R G (s = 0,1 ⋅ D) = 4 ⋅ 2, 57 + 4 ⋅ 2, 54 + 2, 49 = 22, 93 MN

(B11.10)

Die charakteristischen Werte der Einwirkungen und Widerstände werden mit den entsprechenden Teilsicherheitsbeiwerten nach DIN 1054 (siehe Anhang A2 und A3) in Bemessungswerte umgewandelt. Damit lautet die Grenzzustandsgleichung: E1,d = E G,k ⋅ γ G + E Q,k ⋅ γ Q ≤ R1,d = R1,k / γ Pc

(B11.11)

8 ⋅ 1, 35 + 4 ⋅ 1, 50 = 16,8 MN < 22, 93 /1, 20 = 19,11 MN

Somit ist die Standsicherheit sowohl für den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit nach Gl. (B11.6) als auch für den Grenzzustand der Tragfähigkeit nach Gl. (B11.11) erfüllt. c) Nachweis im Grenzzustand der Tragfähigkeit nach 8.3.1 (5) und (6) – Pfahlgruppe als großer Ersatzpfahl Pfahlfußfläche Einzelpfahl A b,i =

π ⋅ D2 π ⋅ 1, 32 = = 1, 33 m 2 4 4

Ersatzmantelfläche A*s, j = 4 ⋅ (2 ⋅ 5, 2 + 1, 3) ⋅ (16, 5 − 2) = 678, 60 m 2 R1,k,G = q b1,k ⋅ ∑ A b,i +

∑ q s,k, j ⋅ A*s, j

(B11.12)

= 692 ⋅ 9 ⋅ 1, 33 + 28 ⋅ 678, 60 = 27, 28 MN E1,d = 16,8 MN < 27, 28 /1, 20 = 22, 73 MN = R1,d,G 322

(B11.13)

Auch dieser alternative Tragfähigkeitsnachweis für die Pfahlgruppe ist eingehalten. d) Mittlere charakteristische Setzungen der Pfahlgruppe und entsprechende Pfahlwiderstände Der Nachweis im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit kann auch indirekt geführt werden, indem die prognostizierte mittlere Setzung mit der vorgegebenen maximalen Setzung verglichen wird. Die mittlere Setzung wird anhand der Nomogramme nach 8.2.1.2 abgeschätzt. Eingangsgrößen sind das Pfahlabstand-Einbindetiefe-Verhältnis a/d und die bezogene Einwirkung, welche sich ergeben zu: a / d = 5, 2 /14, 5 = 0, 359

(B11.14)

FG,k / (n G ⋅ R E,s = 0,1⋅ D ) = 12 / (9 ⋅ 2, 57) = 0, 52

(B11.15)

Aus Bild 8.2a ergibt sich der erste Einflussfaktor zu S1 = 2,2. Der zweite Einflussfaktor zur Berücksichtigung der Gruppengröße beträgt nach Bild 8.4e S2 = 0,8. Mit einer mittleren Einwirkung auf den Gruppenpfahl von FG,k / nG = 12 MN / 9 = 1,33 MN erhält man eine Setzung von sE = 1,5 cm für den vergleichbaren Einzelpfahl nach Bild B11.1d. Daraus kann die mittlere Setzung sG der Pfahlgruppe bestimmt werden zu: sG = s E ⋅ S1 ⋅ S2 = 1, 5 ⋅ 2, 2 ⋅ 0,8 = 2, 6 cm

(B11.16)

Die auf den Pfahldurchmesser bezogene Setzung der Gruppe beträgt: sG / D = 2, 6 /130 = 0, 020

(B11.17)

Für die ermittelte Setzung von s = 2,6 cm = 0,02 · D ergeben sich mit den Bildern B11.1d, 8.8a und 8.11a folgende charakteristische Pfahlwiderstände: R Eck,k (s = 0, 02 ⋅ D) = 2, 05 ⋅ 0, 64 = 1, 31 MN

(B11.18)

R Rand,k (s = 0, 02 ⋅ D) = 2, 05 ⋅ 0, 46 = 0, 94 MN

(B11.19)

R Innen,k (s = 0, 02 ⋅ D) = 2, 05 ⋅ 0, 30 ⋅ 1, 0 = 0, 62 MN

(B11.20)

Damit beträgt der charakteristische Gesamtwiderstand der Gruppe: R G,k (s = 0, 02 ⋅ D) = 4 ⋅ 1, 31 + 4 ⋅ 0, 94 + 0, 62 = 9, 62 MN

(B11.21)

Mit der errechneten Setzung von sG = 2,6 cm wird der erforderliche Gesamtwiderstand der Pfahlgruppe um 20 % unterschritten. Die Setzung wird daher korrigiert. Mit einer angenommenen Setzung von sG = 3,6 cm ergibt sich eine Übereinstimmung der Pfahlwiderstände zur vorhandenen Gesamteinwirkung. 323

Damit ergeben sich die folgenden Pfahlwiderstände, wobei die Einflussfaktoren zwischen Bild 8.8a und b interpoliert bzw. Bild 8.11a entnommen werden: R Eck,k (s = 0, 028 ⋅ D) = 2,18 ⋅ 0, 73 = 1, 59 MN

(B11.22)

R Rand,k (s = 0, 028 ⋅ D) = 2,18 ⋅ 0, 56 = 1, 22 MN

(B11.23)

R Innen,k (s = 0, 028 ⋅ D) = 2,18 ⋅ 0, 34 ⋅ 1, 0 = 0, 74 MN

(B11.24)

Damit beträgt der charakteristische Gesamtwiderstand der Gruppe: R G,k (s = 0, 028 ⋅ D) = 4 ⋅ 1, 59 + 4 ⋅ 1, 22 + 0, 74 = 11, 98 MN

(B11.25)

Die vorhandene Setzung von sG = 3,6 cm ist geringer als das maximal vorgegebene Setzungsmaß von sG,max = 3,9 cm (0,03 · D). Auch damit ist der Nachweis für den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit erfüllt. e) Beanspruchung der aufgehenden Konstruktion infolge Gruppenwirkung Unter d) wurden die charakteristischen Pfahlwiderstände und die mittlere Setzung der Pfahlgruppe unter der gegebenen Einwirkung bestimmt. Aus diesen Werten werden Federsteifigkeiten für den maßgebenden Teil der charakteristischen Widerstands-Setzungslinie abgeleitet, um damit in einer statischen Berechnung die Beanspruchungen infolge Gruppenwirkung zu ermitteln. Dafür wird ein statisches Ersatzmodell benutzt, in dem die Pfähle als lineare Federn abgebildet werden. Mit einer mittleren Setzung von s = 0,028 · D = 0,036 m werden folgende Federsteifigkeiten angesetzt: R Eck,k / s = 1, 59 / 0, 036 = 44 MN/m

(B11.26a)

R Rand,k / s = 1, 22 / 0, 036 = 34 MN/m

(B11.26b)

R Innen,k / s = 0, 74 / 0, 036 = 21 MN/m

(B11.26c)

Ohne Berücksichtigung der Gruppenwirkung würden alle Pfähle mit einer einheitlichen Steifigkeit abgebildet. Wie auch in Gl. (B11.16) beträgt die Setzung des Einzelpfahles sE = 0,015 m bei einem Einzelpfahlwiderstand von RE,k = 1,33 MN. R E,k / s = 1, 33 / 0, 015 = 89 MN/m

(B11.27)

Um den Einfluss der Gruppenwirkung auf die aufgehende Konstruktion zu bewerten, werden die charakteristischen Schnittgrößen in der Pfahlkopfplatte aus den statischen Berechnungen mit den Ersatzfedersteifigkeiten nach Gl. (B11.26) und Gl. (B11.27) verglichen. In Bild B11.2 sind die charakteristischen Biegemomente Mx,k dargestellt. Aus der Symmetrie entsprechen diese auch den Biegemomenten My,k. Der Maximalwert der Momentenbeanspruchung steigt unter Berücksich324

Bild B11.2 Charakteristische Biegemomente Mx,k [kNm/m] in der Pfahlkopfplatte; (a) ohne Berücksichtigung der Gruppenwirkung (b) unter Berücksichtigung der Gruppenwirkung

Bild B11.3 Charakteristische Querkräfte Qx,k [kN/m] in der Pfahlkopfplatte; (a) ohne Berücksichtigung der Gruppenwirkung (b) unter Berücksichtigung der Gruppenwirkung

tigung der Gruppenwirkung von Mx,k = 1728 kNm/m auf Mx,k = 1880 kNm/m um 9 % an. Die charakteristischen Querkräfte in der Pfahlkopfplatte Qx,k werden in Bild B11.3 dargestellt, diese entsprechen aufgrund der Symmetrie der Pfahlgruppe den Querkräften Qy,k. Die maximale Querkraftbeanspruchung steigt unter Berücksichtigung der Gruppenwirkung um 4 % von Qx,k = 562 kN/m auf Qx,k = 587 kN/m an. 325

B11.2

Geschichtetes Bodenprofil unterhalb einer Weichschicht

Auch in diesem Beispiel wird die Geometrie der Pfeilergründung auf 9 Pfählen nach Bild B11.1a und b zugrunde gelegt. Abweichend wird allerdings von einem geschichteten tragfähigen Baugrund ausgegangen (siehe Bild B11.4). Unterhalb der 4,5 m dicken Weichschicht befindet sich eine 10 m mächtige bindige Schicht. Darunter schließt ab der Kote von –14,5 m nichtbindiger Boden an. Die Pfahlkopfplatte ist 0,5 m mit Boden überdeckt, die Pfahlköpfe liegen auf einer Kote von –2,5 m. Der Schichtenverlauf und die Bodenkenngrößen sowie das vorliegende Ergebnis einer Pfahlprobelastung sind in Bild B11.4 dargestellt. Die charakteristische Einwirkung auf die Pfahlgruppe soll FG,k = 30,0 MN betragen. Eine Auswertung der Probebelastung ergab i. M. qs1,k = 35 kN/m2 (bindig), qs1,k = 150 kN/m2 (nichtbindig) und qb1,k = 2030 kN/m2.

Bild B11.4 (a) Baugrundschichtung bei gleicher Geometrie der Pfeilergründung auf 9 Pfählen wie in Bild B11.1; (b) charakteristische WSL aus einer Pfahlprobebelastung

a) Mittlere Setzung und zugehörige Pfahlwiderstände Sind im Bereich der Einbindelänge des Pfahles mehrere nach 8.2.1.2 (3) als tragfähig einzustufende Bodenschichten vorhanden, so ist das Verhältnis der Steifemoduln dieser Schichten zu bewerten. Unterscheiden sich die Steifemoduln wie im vorliegenden Fall deutlich, so ist als Einbindelänge d in die tragfähige Schicht nur der Pfahlabschnitt anzusetzen, der sich in der Schicht mit dem höchsten Steifemodul (hier Es,k = 50 MN/m2) befindet. Eingangsgrößen für das Nomogrammverfahren sind das Pfahlabstand-Einbindetiefe-Verhältnis a /d mit der auf d = 4,5 m reduzierten Einbindelänge für den Pfahlabschnitt in der Schicht mit dem höchsten Steifemodul a / d = 5, 2 / 4, 5 = 1,16 326

(B11.28)

und die bezogene Einwirkung FG,k / (n G ⋅ R E,s = 0,1⋅ D ) = 30 / (9 ⋅ 6, 90) = 0, 48

(B11.29)

Aus Bild 8.3 ergibt sich der erste Einflussfaktor zu S1 = 1,0. Der zweite Einflussfaktor zur Berücksichtigung der Gruppengröße beträgt nach Bild 8.6b S2 = 1,0. Mit einer mittleren charakteristischen Einwirkung auf den Gruppenpfahl von FG,k / nG = 30 MN / 9 = 3,33 MN erhält man eine Setzung von sE = 3,4 cm für den vergleichbaren Einzelpfahl nach Bild B11.4b. Daraus wird die mittlere Setzung sG der Pfahlgruppe bestimmt zu: sG = s E ⋅ S1 ⋅ S2 = 3, 4 ⋅ 1, 0 ⋅ 1, 0 = 3, 4 cm

(B11.30)

Die auf den Pfahldurchmesser bezogene Setzung der Gruppe beträgt: sG / D = 3, 4 /130 = 0, 026

(B11.31)

Für die ermittelte Setzung von s = 3,4 cm = 0,026 · D ergeben sich mit Bild 8.10a und b und Bild 8.11c folgende charakteristische Pfahlwiderstände: R Eck,k (s = 0, 026 ⋅ D) = 3, 26 ⋅ 1, 00 = 3, 26 MN

(B11.32)

R Rand,k (s = 0, 026 ⋅ D) = 3, 26 ⋅ 1, 00 = 3, 26 MN

(B11.33)

R Innen,k (s = 0, 026 ⋅ D) = 3, 26 ⋅ 1, 00 ⋅ 1, 00 = 3, 26 MN

(B11.34)

Der charakteristische Gesamtwiderstand der Gruppe beträgt damit: R G,k (s = 0, 026 ⋅ D) = 9 ⋅ 3, 26 = 29, 34 MN

(B11.35)

Anmerkung: Die sich hier ergebenden Setzungen von s = 3,4 cm sowohl für den Einzelpfahl bei 3,33 MN wie auch für den Gruppenpfahl bei 3,26 MN ergeben sich aus den Verfahrensunschärfen bei den zusammengefassten Nomogrammen. b) Pfahlwiderstände und Nachweis im Grenzzustand der Tragfähigkeit nach 8.3.1 (2) bis (4) Die Grenzsetzung im Grenzzustand der Tragfähigkeit wird mit s1 = 0,1 · D angenommen. Der charakteristische Grenzwiderstand des Einzelpfahles beträgt bei diesem Setzungsmaß R1,k = 6,90 MN nach Bild B11.4b. Mit den widerstandsbezogenen Einflussfaktoren nach Bild 8.10d und Bild 8.11c, die hier gegen 1,0 gehen, betragen die charakteristischen Pfahlwiderstände: R Eck,k (s = 0,1 ⋅ D) = 6, 90 ⋅ 1, 00 = 6, 90 MN

(B11.36)

R Rand,k (s = 0,1 ⋅ D) = 6, 90 ⋅ 1, 00 = 6, 90 MN

(B11.37)

R Innen,k (s = 0,1 ⋅ D) = 6, 90 ⋅ 1, 00 ⋅ 1, 00 = 6, 90 MN

(B11.38) 327

Daraus ergibt sich der charakteristische Gesamtwiderstand der Pfahlgruppe im Grenzzustand der Tragfähigkeit zu: R G,k (s = 0,1 ⋅ D) = 9 ⋅ 6, 90 = 62,10 MN

(B11.39)

E1,d = E G,k ⋅ γ G ≤ R1,d = R1,k / γ Pc

(B11.40)

= 30 ⋅ 1, 35 = 40, 5 MN < 62,1 /1, 20 = 51, 75 MN c) Nachweis im Grenzzustand der Tragfähigkeit nach 8.3.1 (5) bis (6) – Pfahlgruppe als großer Ersatzpfahl Pfahlfußfläche Einzelpfahl A b,i =

π ⋅ D2 π ⋅ 1, 32 = = 1, 33 m 2 4 4

Ersatzmantelfläche bindig A*s, j = 4 ⋅ (2 ⋅ 5, 2 + 1, 3) ⋅ 10 = 468, 0 m 2 Ersatzmantelfläche nichtbindig A*s, j = 4 ⋅ (2 ⋅ 5, 2 + 1, 3) ⋅ 4, 5 = 210, 6 m 2 R1,k,G = q b1,k ⋅ ∑ A b,i +

∑ q s,k, j ⋅ A*s, j

(B11.41)

= 2030 ⋅ 9 ⋅ 1, 33 + 35 ⋅ 468, 0 + 150 ⋅ 210, 6 = 72, 27 MN

E1,d = 40, 5 MN < 72, 27 /1, 20 = 60, 23 MN = R1,d,G

(B11.42)

Auch dieser alternative Tragfähigkeitsnachweis für die Pfahlgruppe ist eingehalten.

328

B12

Nachweise im Grenzzustand der Tragfähigkeit einer Zugpfahlgruppe

B12.1

Aufgabenstellung

Eine quadratische Pfahlgruppe mit vier Pfählen dient als Verankerung des Zugseiles einer Hängebrücke. Der Pfahldurchmesser beträgt D = 0,90 m. Es soll die erforderliche Pfahllänge bestimmt werden, damit die Nachweise im Grenzzustand der Tragfähigkeit der Pfahlgründung bezüglich der vertikalen Komponente der Zugseilverankerung erfüllt sind. Die Horizontalkomponente ist über Pfahlbettung bzw. Erdwiderstand aufzunehmen und hier nicht Gegenstand des Nachweises. Aus einer Zugpfahlprobebelastung konnte eine mittlere charakteristische Pfahlmantelreibung qs,k = 60 kN/m2 abgeleitet werden. Für den anstehenden nichtbindigen Boden ergaben Drucksondierungen einen Spitzenwiderstand von im Mittel qc = 7,5 MN/m2; daraus wurden folgende Bodenkenngrößen ermittelt: ϕ′k = 32, 5°; c ′k = 0; γ k = 18 kN/m 3 ; γ k′ = 10, 5 kN/m 3 B12.2

Nachweis des Einzelpfahles

Um eine ausreichende Sicherheit eines mit Zugpfählen verankerten Gründungskörpers gegen Herausziehen zu gewährleisten, muss für den Einzelpfahl der Gruppe im Grenzzustand GZ 1B folgende Grenzzustandsbedingung erfüllt sein: E1,d = E1Z,d ≤ R1,d

(B12.1)

Der charakteristische Wert R1,k des Herausziehwiderstandes eines einzelnen Pfahles ergibt sich mit den Abmessungen aus Bild B12.1 und qs,k = 60 kN/m2 zu: R1,k = As ⋅ q s,k = π ⋅ D ⋅ L ⋅ q s,k

(B12.2)

= π ⋅ 0, 9 ⋅ L ⋅ 60 = 169, 6 ⋅ L [kN] Der Bemessungswert R1,d des Herausziehwiderstandes eines Pfahles beträgt dann: R1,d =

R1,k γR

=

169,6 ⋅ L = 121,1 ⋅ L [kN] 1,40

(B12.3)

Der Bemessungswert der Zugbeanspruchung ergibt sich aus dem Ansatz E1,d = E1Z,d = E1GZ,k ⋅ γ G + E1QZ,k ⋅ γ Q − E1GD,k ⋅ γ G,inf

(B12.4) 329

Bild B12.1 (a) Seilbrücke, (b) Verankerung des Zugseiles an einer Pfahlgründung, (c) Grundriss

Hierbei werden als günstig wirkende ständige Einwirkungen das Eigengewicht der Pfahlkopfplatte mit 4,62 · 1,5 · 24 = 762 kN und das Eigengewicht der Pfähle mit 4 · S · 0,452 · L · (24 – 10) = 35,6 · L [kN] angesetzt. Bei vier Pfählen ergibt sich eine Zugbeanspruchung je Pfahl von: E1,d = E1Z,d

(B12.5)

1 [2900 ⋅ 1, 35 + 750 ⋅ 1, 50 − (762 + L ⋅ 35, 6) ⋅ 1, 00] 4 = (1069, 5 − 8, 9 ⋅ L) [kN] =

Aus der Grenzzustandsgleichung ergibt sich E1,d = E1Z,d ≤ R1,d 1069, 5 − 8, 9 ⋅ L = 121, 2 ⋅ L 1069, 5 → L = = 8, 23 m 121,1 + 8, 9

330

(B12.6)

B12.3

Nachweis der Gruppenwirkung der Pfähle (angehängter Bodenblock)

Zum Nachweis der Gruppenwirkung bei engem Abstand der Pfähle ist der Grenzzustand der Lagesicherheit GZ 1A mit folgender Gleichung nachzuweisen: G k,dst ⋅ γ G,dst + Q k ⋅ γ Q,dst ≤ G k,stb ⋅ γ G,stb + G E,k ⋅ γ G,stb

(B12.7)

Der charakteristische Wert GE,k des Eigengewichts des angehängten Bodens ergibt sich mit der Formel: ⎡ 1 ⎛ G E,k = n ⋅ ⎢ la ⋅ l b ⎜ L − ⋅ ⎝ 3 ⎣

⎞⎤ l2a + l2b ⋅ cotϕ ⎟ ⎥ ⋅ η ⋅ γ′ ⎠⎦

(B12.8)

⎡ 1 ⎛ ⎞⎤ = 4 ⋅ ⎢3,6 ⋅ 3,6 ⎜ L − ⋅ 3,62 + 3,62 ⋅ cot32,5 ⎟ ⎥ ⋅ 0,8 ⋅ 10,5 ⎝ ⎠⎦ 3 ⎣ = 435, 5 ⋅ L − 1160, 0 [kN] In die Grenzzustandgleichung eingesetzt mit den Teilsicherheitsbeiwerten JG,dst = 1,05 und JQ,dst = 1,50 ergibt sich die erforderliche Pfahllänge zu: 2900 ⋅ 1, 05 + 750 ⋅ 1, 50 ≤ 762 ⋅ 0, 95 + (435, 5 ⋅ L − 1160, 0) ⋅ 0, 95 (B12.9) → L =

2900 ⋅ 1, 05 + 750 ⋅ 1, 50 − 762 ⋅ 0, 95 + 1160, 0 ⋅ 0, 95 = 10, 99 m 435, 5 ⋅ 0, 95

Der Nachweis der Gruppenwirkung ist hier maßgeblich und die Pfähle müssen rechnerisch mindestens 10,99 m (gerundet 11 m) lang gewählt werden.

331

B13

Quer zur Pfahlachse belastete Pfahlgruppen: Ermittlung der Verteilung der horizontalen Bettungsmoduln

Für die in 8.2.3 dargestellte Vorgehensweise für quer zur Pfahlachse belastete Pfahlgruben sind für die allgemeine Aufgabenstellung nach Bild B13.1 (aus DIN 4014:1990-03) die horizontalen Bettungsmodulaufteilungen in der Pfahlgruppe abzuleiten.

Bild B13.1 Geometrie der Pfahlgruppe

Abminderungsfaktoren: Nach Bild 8.12: aL / D = 3,5

DL = 0,69

Nach Bild 8.13: aQ / D = 2,5

DQA = 0,95 DQZ = 0,88

Nach Bild 8.14: D1 = 1 · 0,95 D2 = 1 · 0,88   D3 = 0,69 · 0,95   D4 = 0,69 · 0,88

= 0,95 = 0,88 = 0,66 = 0,61

Bettungsmoduln der Pfähle in der Gruppe l / L = 3 durch Interpolation zwischen l / L = 4 und l / L = 2: a) Für linear zunehmenden Bettungsmodul:

332

n h1 =

1 ⋅ (0, 951,67 + 0, 95) ⋅ n hE = 0, 93 ⋅ n hE 2

n h2 =

1 ⋅ (0,881,67 + 0,88) ⋅ n hE = 0,84 ⋅ n hE 2

n h3 =

1 ⋅ (0, 661,67 + 0, 66) ⋅ n hE = 0, 58 ⋅ n hE 2

n h1 =

1 ⋅ (0, 611,67 + 0, 61) ⋅ n hE = 0, 52 ⋅ n hE 2

b) Für konstanten Bettungsmodul: k s1 =

1 ⋅ (0, 951,33 + 0, 95) ⋅ k sE = 0, 94 ⋅ k sE 2

k s2 =

1 ⋅ (0,881,33 + 0,88) ⋅ k sE = 0,86 ⋅ k sE 2

k s3 =

1 ⋅ (0, 661,33 + 0, 66) ⋅ k sE = 0, 62 ⋅ k sE 2

k s4 =

1 ⋅ (0, 611,33 + 0, 61) ⋅ k sE = 0, 56 ⋅ k sE 2

333

Anhang C Beispiele zur dynamischen Pfahlprobebelastung und Integritätsprüfung C1

Auswertungsbeispiel dynamische Pfahlprobebelastungen nach dem direkten Verfahren

C1.1

Aufgabenstellung und Prüfdaten

Bild C1.1 Beispiel für eine Messkurve der Kraft und Geschwindigkeit und Angabe der Zahlenwerte für die Ableitung der Messwerte Rm,i der statischen Tragfähigkeit nach der direkten Methode

Folgende Messkurven und Pfahldaten liegen vor: – Querschnitt Stahlrohr D = 762 mm (36s), t = 12 mm (5/8s): Fläche A = 298,96 cm2 – Länge unter Geber: 56,5 m – Boden: Schluff sandig, im unteren Bereich Sand – Impedanz: Z =

E⋅A 210.000 ⋅ 0, 0299 = = 1, 226 c 5.123

[MN/(m/s)]

(C1.1)

(Z = F / v = 4.873 / 4, 06 = 1.200) [kN/(m/s)] 335

Mit den Messwerten (aus dem Zeitverlauf abgegriffen) wird: 1 1 (F1 + Z ⋅ v1 ) + (F2 − Z ⋅ v 2 ) 2 2 1 1 = (4.873 + 4.865) + (−777 − 1.073) 2 2 = 3.944 [kN]

R tot =

(C1.2)

Die Auswertung wird sowohl nach dem Case- als auch nach dem TNO-Verfahren vorgenommen. C1.2

Case-Verfahren

Mit Gl. (10.5) und (10.6) und Jc = 0,3 für Sand/Schluff nach Tabelle 10.2 ergibt sich: (F − R tot ) ⎤ ⎡ R dyn = J c ⋅ Z ⋅ ⎢v1 + 1 ⎥ Z ⎣ ⎦ (4.873 − 3.944) ⎤ ⎡ = 0, 3 ⋅ 1.225 ⋅ ⎢ 4, 06 + ⎥⎦ 1.225 ⎣ = 0, 3 ⋅ 1.225 ⋅ 4,83 = 1.771 [kN]

(C1.3)

und nach Gl. (10.1) R m,i = R stat = R tot − R dyn = 3.944 − 1.771 = 2.173 [kN] C1.3

(C1.4)

TNO-Verfahren

Mit Gl. (10.8) und Cb = 0,5 [MN/m2/(m/s)] für Sand im Bereich der Pfahlfußeinbindung errechnet sich: R bdyn = 0, 0299 ⋅ 1, 0 ⋅ 4,83 = 144

[kN]

(C1.5)

Mit Gl. (10.9) und F3, v3 aus dem Zeitverlauf sowie Cs = 0,006 [MN/m2/(m/s)] nach Tabelle 10.2 für sandigen Schluff im Bereich der Einbindung über 30 m ergibt sich: vs =

1 2

4.870 ⎞ 1 ⎡1.676 ⎛ ⎤ − (−0, 3) ⎥ = 3, 49 [m/s] ⎜⎝ 4, 06 + ⎟⎠ − ⎢ 1.225 2 ⎣ 1.225 ⎦

R sdyn = 0, 006 ⋅ (30 ⋅ 0, 762 ⋅ 3,14) ⋅ 3, 49 = 1.506 [kN]

(C1.7)

R m,i = R stat = R tot − R bdyn − R sdyn

(C1.8)

= 3.944 − 144 − 1.506 = 2.294 [kN]

336

(C1.6)

C2

Auswertungsbeispiel für dynamische Pfahlprobebelastungen nach dem Erweiterten Verfahren mit vollständiger Modellbildung

C2.1

Aufgabenstellung und Prüfdaten

Ein offenes Stahlrohr wurde mit einem Hydraulikhammer Menck MHF3-10 eingerammt. Zum Ende des Rammvorganges (Schlag 847) möge ebenfalls die in Bild C1.1 dargestellte Messkurve aufgezeichnet und nach dem erweiterten Verfahren ausgewertet werden. Folgende Pfahldaten liegen vor: – Querschnitt Stahlrohr D = 762 mm (36s), t = 12 mm (5/8s): Fläche A = 298,96 cm2 – Länge unter Geber: 56,5 m – Boden: Schluff sandig, im unteren Bereich Sand – Impedanz: Z =

E⋅A 210.000 ⋅ 0, 0299 = = 1, 225 [MN/(m/s)] c 5.123

(Z = F / v = 4.873 / 4, 06 = 1.200) [kN/(m/s)] Als Ergebnis des erweiterten Verfahrens zeigt sich eine Widerstands-SetzungsKurve aus einer dynamischen Pfahlprobebelastung. Da diese aus dem vollständigen Modell des Pfahls im Boden errrechnet wurde, kann auch das Widerstandssetzungsverhalten für den Pfahlfußwiderstand errechnet und eingezeichnet werden, siehe Bild C2.1.

Bild C2.1 Widerstands-Setzungs-Linie und Tragfähigkeit Ru

337

Der statische Anteil des aktivierten Widerstandes ist als Ru (ultimate resistance) angegeben, die zugehörige Mantelreibung als Rs (resistance skin) und der Spitzenwiderstand als Rb (resistance bottom). Aus der Widerstands-Setzungs-Kurve ist zu erkennen, wie nach der Überwindung der Mantelreibung der Pfahl eine Kraftaufnahme ausschließlich über den Spitzenwiderstand erreicht. Aufgrund der bilinearen Näherung für den Spitzenwiderstand endet die Lastsetzungskurve in einer vertikalen Linie. Bei unbegrenzter Belastung wäre normalerweise von einem geringen Zuwachs bei zunehmender Setzung auszugehen. Der erreichte statische Widerstand Ru = 2.155 kN ist der charakteristische Widerstand Rm,i als Grundlage für die Ableitung von charakteristischen Pfahlwiderständen.

Bild C2.2 Verteilung der Mantelreibung über die Tiefe

338

Die Berechnung mit vollständiger Modellbildung und expliziter Bestimmung der dynamischen Anteile am Gesamtwiderstand zeigt hier eine geringfügig geringere Grenzlast als nach dem direkten Verfahren (CASE, TNOWave) mit aus der Erfahrung gewählten Dämpfungsbeiwerten angegeben. Als weiteres Ergebnis der vollständigen Modellbildung ist die Verteilung der Mantelreibung über die Tiefe bekannt. Diese korrespondiert zur Abweichung der Geschwindigkeitskurve von der Kraftkurve. Solange der Pfahl im Wasser ist oder nur in sehr weichem oberflächennahem Boden, wirkt keine Mantelreibung und die Kraft und Geschwindigkeit verlaufen proportional.

Bild C2.3 Vergleich des gemessenen (Force Msd) und des errechneten (Force Cpt) Zeitverlaufs der Pfahlkopfkraft

Bild C2.4 Vergleich des gemessenen (Velocity Msd) und des errechneten (Velocity Cpt) Zeitverlaufs der Pfahlkopfgeschwindigkeit

339

Eine Kontrolle der Genauigkeit einer CAPWAP-Lösung ergibt sich aus dem Vergleich der gemessenen Kurven mit den über das Modell berechneten Kurven. Hierbei sollte die Modellbestimmung nicht nur mit der Geschwindigkeit als Eingangsgröße und der Kraft am Pfahlkopf als Kontrollgröße (Bild C2.3) sondern auch umgekehrt mit der Kraft als Eingangsgröße und der Geschwindigkeit als Kontrollgröße (Bild C2.4) erfolgen.

340

C3

Fallbeispiele „Low-Strain“-Integritätsprüfung

C3.1

Fallbeispiel ordnungsgemäß hergestellter Pfahl – Klasse A1

(1) Das Fußsignal in Form einer Zugwelle (als Druckwelle nur bei direkt auf Fels stehenden Pfählen) ist deutlich ausgeprägt und stimmt in seiner Tiefenlage mit der vorgegebenen Pfahllänge überein. Reflexionen zwischen Eingangs- und Fußsignal sind nicht erkennbar (siehe Bild C3.1). (2) Ein eindeutiges Fußsignal (abhängig von der Pfahllänge, Durchmesser, Betonalter) erhält man in der Regel bei nicht gekuppelten kurzen FertigbetonRammpfählen und bei Bohrpfählen von 5 bis 15 m Länge in nichtbindigen Böden.

Bild C3.1 Beispiel eines Messsignals für einen ordnungsgemäß hergestellten Pfahl; Länge 12 m, Wellengeschwindigkeit c = 3.700 m/s, Fußreflexion 5-fach vergrößert

C3.2

Fallbeispiel Pfahl mit geringen Abweichungen – Klasse A3

(1) Im Bereich des Pfahlschaftes ist eine Wellenreflexion feststellbar, die eindeutig als Abweichung vom Regelquerschnitt oder von der geplanten Materialgüte interpretierbar ist (siehe Bild C3.2). (2) Mit einem Wellengleichungsprogramm wird eine Impedanzminderung auf 81 % bestimmt. Es ist ein eindeutiges Fußsignal erkennbar, deswegen wird der Pfahl mit Klasse A3 bewertet. 341

Bild C3.2 Beispiel eines Messsignals für einen Pfahl mit geringen Abweichungen; Länge 12 m, Wellengeschwindigkeit c = 3700 m/s, Fußreflexion 10-fach vergrößert, Querschnittsverringerung auf 81 %

Bild C3.3 Beispiel eines Messsignals für einen Pfahl mit starker Impedanzabminderung; Länge 10,90 m, Wellengeschwindigkeit c = 4.000 m/s, Fußreflexion 7-fach vergrößert

342

C3.3

Fallbeispiel Pfahl mit wesentlicher Impedanzverminderung – Klasse B

(1) Pfähle mit mehreren Diskontinuitäten (siehe Bild C3.3). (2) Sofern ein Pfahl mehrere Diskontinuitäten aufweist, können aufgrund der durch die obere Fehlstelle hervorgerufenen Wellenreflexion die tieferliegenden Abweichungen häufig nicht eindeutig, mitunter sogar überhaupt nicht bestimmt werden. Im Zweifelsfall wird man sich daher auf die Deutung der obersten Diskontinuität beschränken müssen. (3) Das Signal zeigt eine deutliche Impedanzverminderung. Es wird zwar ein Fußsignal erkannt, es kann sich dabei aber um eine zweite Reflexion der starken Impedanzverminderung handeln. Die Wellengleichung deutet auf eine Verminderung auf 30 % der Impedanz (des Querschnitts) hin, deswegen wird der Pfahl mit Klasse B bewertet. C3.4

Sonderfälle

(1) Sonderfälle werden unterschieden in: a) Pfähle mit großen Herstellungslängen (siehe Bild C3.4). Bei langen Pfählen mit geringem Durchmesser (etwa L / D > 30) und/oder Pfählen mit hoher Mantelreibung, unregelmäßigem Querschnitt oder höherer innerer Dämpfung kann die Energie der Stoßwelle zu gering und das Signal der reflektierten Welle sehr schwach sein. Aussagen über die Integrität im unteren Pfahlbereich sind daher nur möglich, wenn die Fußreflexion eindeutig identifiziert werden kann. Bei diesem Signal eines Pfahles mit D = 1,2 m und einer Länge von 33 m kann keine eindeutige Fußreflexion identifiziert werden. Die Bestimmung einer Impedanzverminderung ist deswegen nur ungenau möglich. Erst aus einem Vergleich und Skalierung mit anderen Pfählen kann die Impedanzminderung festgestellt werden. Ob es, wie hier angegeben, eine Verminderung auf 70 % und damit eine Einstufung in Klasse A3 geben muss, oder eine höhere Verminderung anzusetzen ist, bedarf weiterer Untersuchungen, z. B. anhand der Herstellungsprotokolle, Baugrunduntersuchung, usw. Im Zweifelsfalle kann die Klasse 0 vergeben werden. b) Pfähle mit Diskontinuitäten im Schichtgrenzbereich Kleinere Abweichungen vom Regelquerschnitt bei Bohrpfählen können nicht zweifelsfrei als Querschnittserweiterungen oder -reduzierungen analysiert werden. Durch Vergleich einer größeren Anzahl Pfähle bei demselben Bodenaufbau kann ein „baustellenspezifisches Sollprofil“ erstellt werden. Abweichungen von diesem Sollprofil sind dann nicht durch den Boden bedingt und können dem Pfahlprofil zugeordnet werden.

343

Bild C3.4 Beispiel eines Messsignals für einen langen Pfahl mit schwer zu bestimmender Impedanzminderung; Länge 33,97 m, Wellengeschwindigkeit c = 4.100 m/s, Fußreflexion 30-fach vergrößert, Querschnittsverringerung auf 70 % bei 22,9 m

344

C4

Rammbegleitende und/oder „High-Strain“-Integritätsprüfung

C4.1

Allgemeines

(1) Ergibt sich bei der Messung von Kraft und Geschwindigkeit bei einer dynamischen Pfahlprobebelastung mit Stoßaufbringung (also nicht beim Rapid Load Test) nach Kapitel 10 eine Abweichung, die offensichtlich nicht mit Änderungen der Mantelreibung entsprechend einer bekannten Schichtung korrespondiert, kann eine Schlussfolgerung bezüglich des Pfahlmaterials und Querschnitts gezogen werden. (2) Bei dieser Prüfung mit einem Rammgerät erhält man einen Signalverlauf wie in Bild C4.1 dargestellt und folgende Beispiele. (3) Bei „High-Strain“- Integritätsprüfungen ist im Untersuchungsbericht anzugeben, auf welcher Grundlage die geprüften Pfähle beurteilt worden sind. Das gilt sowohl für einwandfreie als auch für als unbrauchbar befundene Pfähle.

Bild C4.1 Beispiele von Messsignalen an zwei ordnungsgemäß hergestellten Pfählen aus „High-Strain“-Tests

345

C4.2

Fallbeispiel ordnungsgemäß hergestellte Pfähle

(1) In Bild C4.1 sind die Ergebnisse von zwei „High-Strain“-Prüfungen dargestellt. Bei dem Pfahl a) zeigt sich im Geschwindigkeitsverlauf (untere Linie) eine deutliche Reflexion vom Pfahlfuß (wie bei der „Low-Strain“-Prüfung), da der Pfahl zu dreiviertel im Wasser steht und der Bodenwiderstand gering ist. Bei dem Pfahl b) ist aufgrund der hohen Mantelreibung eine Pfahlfußreflexion nur sehr gering ausgeprägt. C4.3

Fallbeispiel fehlerhafter Pfahl

(1) Bild C4.2 stellt die Entwicklung eines Pfahlbruches an einem 70 m langen Stahlpfahl dar. Dargestellt ist ein Messergebnis für den intakten Pfahl während der Rammung (Schlag 403) und ein Messergebnis, nachdem die Impedanzabnahme ca. 10 m oberhalb des Pfahlfußes aufgetreten ist (Schlag 863). Offensichtlich ist die Fließspannung in einem Teilquerschnitt überschritten, so dass der Elastizitätsmodul für den plastifizierten Bereich verschwindet. Zu beachten ist, dass die durch die Impedanzminderung auftretende Zugwelle den Pfahl gewissermaßen unter der Ramme wegzieht, so dass der Fehler durch einen Ausschlag im Kraftverlauf zu erkennen ist.

Bild C4.2 Beispiele von Messsignalen an einem Pfahl zu unterschiedlichen Rammzeitpunkten mit Schädigung des Pfahles beim Rammen; früher Schlag am intakten Pfahl (a) und späterer Schlag am geschädigten Pfahl (b)

346

C4.4

Fallbeispiel Pfähle mit schlecht auswertbarem Messsignal

(1) Hierbei handelt es sich vor allem um sehr lange Pfähle oder um gekuppelte Pfähle, bei denen die eingeleitete Stoßwelle ungleichmäßig über die Pfahlkupplung übertragen wird. Im Bild C4.3 ist eine Messung am Beginn und am Ende des Nachrammens dargestellt. Während die Kupplung beim Beginn des Nachrammens aufgrund der hohen Mantelreibung des festgewachsenen Pfahles kaum sichtbar ist, ist sie nach ca. 200 Schlägen deutlich zu erkennen. In beiden Fällen muss die Kupplung beim CAPWAP-Verfahren im Modell berücksichtigt werden.

Bild C4.3 Beispiele von Messsignalen an einem gekuppeltem Pfahl zu unterschiedlichen Nachrammzeitpunkten

347

C5

Fallbeispiel einer Ultraschallprüfung

(1) In einem Ortbetonbohrpfahl wurden für eine Ultraschalluntersuchung Ringund Kreuzmessungen an allen eingebauten Messrohren und allen zehn Richtungen durchgeführt (siehe Beispiel Bild C5.2). Die Länge des Pfahles wurde untersucht und die gemessene Länge mit der Soll-Länge von 35 m verglichen. In einer Tiefe von 24 bis 25 m und in der Tiefe von 32 bis 33 m zeigte das Ultraschallsignal sowohl eine Verlängerung der Ankunftszeit als auch einen Energieverlust in allen zehn gemessenen Richtungen. Diese Signalabweichungen sind den in dieser Tiefe eingebauten Osterbergzellen mit ihrem Stahlrahmen zuzuschreiben und stellen keine Anomalie des Betons dar. (2) Die Pfähle wurden mit einer Leerbohrung hergestellt, die Wellenausbreitung im Beton startet daher ca. 1 m unterhalb des Messbeginns. (3) In einer Tiefe von 14 m zeigt das Messsignal zwischen den Messröhren 4–5, 1–5, 3–5, 2–5 und 2–4 eine Verzögerung der Ankunftszeit sowie einen Abfall der Energie (siehe Tabelle C5.2). Dies ist auf eine geringe Anomalie im Bereich um Messrohr 5 zurückzuführen. Da die Anomalie nur in einem Querschnitt gefunden wurde, hat sie eine Höhe von ca. 10 cm. In Tabelle C5.1 sind die mittlere Ankunftszeit in Bereichen mit gesundem Pfahlbeton, die maximale Ankunftszeit in 14 m Tiefe, die Abweichung der Ankunftszeit in 14 m Tiefe, die entsprechende Wellengeschwindigkeit in Regionen mit gesundem Pfahlbeton und die minimale Wellengeschwindigkeit in 14 m Tiefe zwischen den Messrohren aufgeführt. (4) Im Folgenden sind die möglichen Schadensursachen zusammengestellt: a) Im Bereich der Verbindungsmuffe der Messröhre 5 befindet sich in 14 m Tiefe ein luftgefüllter Hohlraum. Die Dicke der Luftschicht beträgt ca. 0,5 bis 1 cm. Neben dieser Luftschicht befindet sich gesunder Pfahlbeton. b) In 14 m Tiefe befindet sich um das Messrohr 5 ein Bereich mit Einschlüssen, entmischtem Beton oder ein Bereich mit zu wenig Zementleim. Die ermittelte Ausdehnung dieser Fehlstelle ist abhängig von der Abweichung der Betonqualität vom gesunden Pfahlbeton. Für eine große Abweichung ergibt sich eine geringere Ausdehnung, für eine geringe Abweichung wird die Ausdehnung entsprechend größer ermittelt. Die genaue Wellengeschwindigkeit im

Bild C5.1 Anordnung und Nummerierung der Messrohre, Messrohrabstand

348

Bild C5.2 Pfahl mit 5 Messrohren und einer Anomalie in 14 m Tiefe (in 24 m und 32 m Tiefe befinden sich Osterbergzellen)

349

Richtung zwischen Messrohren Nr.

Abstand zwischen Messrohren [m]

Mittlere Ankunftszeit in Regionen mit gesundem Pfahlbeton [ms]

Maximale Ankunftszeit in 14 m Tiefe

Abweichung [%]

Wellengeschwindigkeit in Regionen mit gesundem Pfahlbeton [m/s]

Wellengeschwindigkeit in Tiefe mit Anomalie [m/s]

Tabelle C5.1 Ankunftszeit und Wellengeschwindigkeit in gesundem Pfahlbeton und in Höhe der Anomalie

1–2

0,96

0,22

0,22

0%

4.364

4.364

1–3

1,36

0,34

0,34

0%

4.000

4.000

1–4

1,26

0,3

0,3

0%

4.200

4.200

1–5

0,54

0,15

0,22

47 %

3.600

2.455

4–5

0,89

0,22

0,25

14 %

4.045

3.560

3–4

0,79

0,23

0,23

0%

3.435

3.435

2–3

0,92

0,22

0,22

0%

4.182

4.182

3–5

1,32

0,35

0,45

29 %

3.771

2.933

2–5

1,29

0,32

0,44

38 %

4.031

2.932

4–2

1,38

0,35

0,48

37 %

3.943

2.875

3.957

3.493

Mittlere Wellengeschwindigkeit:

Bereich der Anomalie ist nicht bekannt, eine Vorhersage der Ausdehnung der Fehlstelle ist daher immer eine Abschätzung. c) Eine alternative Möglichkeit zur Abschätzung der Ausdehnung und Auswirkung einer Fehlstelle besteht in der Annahme einer unteren Grenze der Wellengeschwindigkeit im defekten Bereich. Dies kann beispielsweise die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit in Luft sein, dabei muss aber angenommen werden, dass eine Wellenausbreitung in diesem Bereich möglich ist (tatsächlich wird in Luft nur sehr wenig Energie transportiert und die Welle am Übergang zum Beton vollständig reflektiert). Dann kann aus der Größe der Abweichung in der Wellengeschwindigkeit die Größe des defekten Bereichs direkt bestimmt werden. Im Beispiel der Messtrecke 3–5: – Ausdehnung des intakten Betons: L1 [m] – Ausdehnung des Luftbereichs: L2 [m] mit cLuft = 340 m/s – Geometrie: L1 + L2 = 1,32 m – Laufzeit: L1 / 3957 + L2 / 340 = 0,45 s – Lösung: Betonstrecke L1 = 1,28 m, Luftstrecke L2 = 0,04 m 350

Messstrecken

Länge der Messstrecken aij [m]

Durchschnittliche Ankunftszeit in gutem Beton 'Tgut [ms]

Ankunftszeit in Querschnitt bei Tiefe 14 m 'TAnomalie [ms]

Wellenge-schwindigkeit in gutem Beton ca = 'Tgut / aij [m/s]

Wellenge-schwindigkeit in Querschnitt bei Tiefe 14 m cij = 'TAnomalie / aij [m/s]

Verhältnis Fij = cij / caij

Auf die Messstrecke bezogen Fij aij

Tabelle C5.2 Bestimmung eines Qualitätsindikators nach Gl. (12.2) für den Querschnitt im Beispiel nach Bild C5.2 bzw. Tabelle C5.1. Die Messstrecken mit Anomalien sind durch Fett-/Kursivdruck gekennzeichnet

1–2

0,96

0,22

0,22

4.364

4.364

1,00

0,96

1–3

1,36

0,34

0,34

4.000

4.000

1,00

1,36

1–4

1,26

0,30

0,30

4.200

4.200

1,00

1,26

1–5

0,54

0,15

0,22

3.600

2.455

0,68

0,37

4–5

0,89

0,22

0,25

4.045

3.560

0,88

0,78

3–4

0,79

0,23

0,23

3.435

3.435

1,00

0,79

2–3

0,92

0,22

0,22

4.182

4.182

1,00

0,92

3–5

1,32

0,35

0,45

3.771

2.933

0,78

1,03

2–5

1,29

0,32

0,44

4.031

2.932

0,73

0,94

4–2

1,38

0,35

0,48

3.943

2.875

0,73

1,01

3.957

3.493 6

9,41

1 – KQ

12,1 %

Mittelwert: 6

10,71 Abminderung:

Bild C5.3 Mögliche Ausdehnung des defekten Bereichs

351

(5) Entsprechend werden die Luftstrecken für die anderen Messstrecken (Rohrpaare) errechnet. Werden die Luftstrecken jeweils auf den Strahlen zwischen den Rohren, ausgehend von Rohr 5, aufgetragen, ergibt sich die Geometrie der Fehlstelle. Wenn zusätzlich angenommen wird, dass sich der Defekt auch auf den Bereich außerhalb der Bewehrung erstreckt, ergibt sich die Gesamtfläche des defekten Bereichs im Querschnitt zu 0,01 m2 wie in Bild C5.3. Auch wenn der Defekt nur auf die innere Fläche – innerhalb der Bewehrung – bezogen wird, ergibt sich die Reduktion zu weit unter 1 %. Wenn dagegen im defekten Bereich anstatt Luft ein qualitativ schlechtes Betonmaterial mit einer geringen Wellengeschwindigkeit von 2.000 m/s angenommen wird, ergibt sich eine sehr viel größere Ausdehnung des defekten Bereichs mit L2 = 0,53 m. d) Wird der Bereich der Abminderung direkt aus dem Verhältnis von aktueller zu durchschnittlicher Wellengeschwindigkeit berechnet, so ergibt sich eine größere Gesamtabminderung von 12,1 % für den Querschnitt, siehe Tabelle C5.2.

352

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[35] Goble, G. G., Likins, G. E., Rausche, F.: Bearing Capacity of Piles from Dynamic Measurements. Final Report, OHIO-DOT-05-75, Department of Solid Mechanics, Structures and Mechanical Design, Case Western Reserve University, Cleveland, 1975. [36] Gruber, N., Koreck, H.-W., Schwarz, P.: Beiträge zum Tragverhalten axial zyklisch belasteter Pfähle. Schriftenreihe Heft 5, Lehrstuhl und Prüfamt für Grundbau, Bodenmechanik und Felsmechanik der Technischen Universität München, 1985. [37] Gudehus, G., Leinenkugel, H.-J.: Fließdruck und Fließbewegung in bindigen Böden: Neue Methoden. Vorträge der Baugrundtagung 1978 in Berlin, Deutsche Gesellschaft für Erd- und Grundbau, Essen, 1978, S. 411–429. [38] Hanisch, J., Katzenbach, R., König, G.: Kombinierte Pfahl-Plattengründungen. Ernst & Sohn, Berlin, 2002. [39] Horch, M.: Zuschrift zu Seitendruck auf Pfähle. Geotechnik, 1980, S. 207. [40] Kase, E., Ross, T.: Seismic Imaging as a means to evaluate foundation structures. DiMaggio, J. A. & Hussein, M. H. (Ed.): Current Practices and Future Trends in Deep Foundations. ASCE Geotechnical Special Publication No. 125, 2002, pp. 361–369. [41] Kempfert, H.-G., Lauffer, J.: Probebelastungen in wenig tragfähigen Böden unter statischer und wechselnder Belastung. Geotechnik 14, Heft 3, 1991, S. 105–112. [42] Kempfert, H.-G.: 3.2: Pfahlgründungen (Abschnitt 1–7). In: Grundbau-Taschenbuch, Teil 3, 6. Auflage. Ernst & Sohn, Berlin, 2001, S. 87–206. [43] Kempfert, H.-G.: Negative Mantelreibung bei Pfahlgründungen nach dem Teilsicherheitskonzept. Vorträge zum 12. Darmstädter Geotechnik-Kolloquium, Mitteilungen des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der Technischen Universität Darmstadt, Heft 71, 2005, S. 21–31. [44] Kempfert, H.-G., Gebreselassie, B.: Excavations and Foundations in Soft Soils. Springer-Verlag, 2006. [45] Kempfert, H.-G., Thomas, S.: Zum axialen Pfahltragverhalten unter zyklischdynamischer Belastung. VDI-Bericht 1941. VDI-Verlag, Düsseldorf, 2006, S. 521–535. [46] Kempfert, H.-G., Becker, P.: Grundlagen und Ergebnisse der Ableitung von axialen Pfahlwiderständen aus Erfahrungswerten für die EA-Pfähle. Bautechnik, 2007 (in Vorbereitung). [47] Kempfert, H.-G., Raithel, M.: Bodenmechanik und Grundbau, Band 1 und 2. Bauwerk Verlag, 2007. [48] Kirsch, F., Klingmüller, O.: Erfahrungen aus 25 Jahren Pfahl-Integritätsprüfung in Deutschland – Ein Bericht aus dem Unterausschuss „Dynamische Pfahlprüfungen“ des Arbeitskreises 2.1 „Pfähle“ der DGGT. Bautechnik 80, Heft 9, 2003, S. 640–650. [49] Klingmüller, O.: Dynamische Tragfähigkeitsprüfung von Großbohrpfählen in Nigeria. Der Bauingenieur 65, 1990, S. 234. [50] Klingmüller, O.: Dynamische Pfahlprüfung als Optimierungsproblem. Fachseminar „Dynamische Pfahltests“, Mitteilung des Instituts für Grundbau und Bodenmechanik der TU Braunschweig, Heft 38, 1991, S. 149–176.

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[51] Klingmüller, O.: Dynamische Integritätsprüfung und Qualitätssicherung bei Bohrpfählen. Geotechnik (16), Heft 2, 1993. [52] Klingmüller, O. et al.: Ultraschallprüfung und Hammerschlagprüfung. Pfahl-Symposium 2005, Mitteilung des Instituts für Grundbau und Bodenmechanik der TU Braunschweig, Heft 80, 2005, S. 293–312. [53] Klüber, E.: Tragverhalten von Pfahlgruppen unter Horizontalbelastung. Institut für Grundbau, Boden- und Felsmechanik, TH Darmstadt, Heft 28, 1988. [54] Kluckert, K., Placzek, D.: Aktueller Stand der Methoden zur Tragfähigkeitserhöhung und Setzungsminimierung bei Großbohrpfählen. Baugrundtagung Mainz, 2002. [55] Kobarg, J.: Setzungsinduzierte Biegebeanspruchungen von Schrägpfählen. Bauingenieur Heft 1, 2001, S. 42–49. [56] Koreck, H.-W.: Zyklische Axialbelastung von Pfählen. Symposium Pfahlgründungen, Institut für Grundbau, Boden- und Felsmechanik, TH Darmstadt, 1986. [57] Latotzke, J., Triantafyllidis, Th.: Horizontale Stoßbelastung von Pfählen – Modellversuche in der geotechnischen Großzentrifuge in Bochum. Bautechnik 79, Heft 3, 2002, S. 144–159. [58] Likins, G. et al.: Monitoring Quality Assurance for Deep Foundations. In: DiMaggio, J. A. and Hussein, M. H. (Ed.): Current Practices and Future Trends in Deep Foundations. ASCE Geotechnical Special Publication, No. 125, 2004, pp. 222–238. [59] Linder, W.-R., Siebke, H.: Bohrpfähle: Kommentar zu DIN EN 1536. Beuth Verlag, Berlin, 2004. [60] Lippomann, R.: Ingenieurgeologische Kriechhangsicherung durch Dübel. Veröffentlichungen des Institutes für Boden- und Felsmechanik, Universität Karlsruhe, Heft 111, 1988. [61] Little, J. A.: Downdrag on Piles: Review and Recent Experimentation, Vertical and Horizontal Deformations of Foundations and Embankments. Proceedings of Settlement 94, 1994, pp. 1805–1825. [62] Lunne, T., Robertson, P. K., Powell, J. J. M.: Cone Penetration Testing. Blackie Academic & Professional, London, 1997. [63] Lutz, B., El-Mossallamy, Y., Richter, Th.: Ein einfaches, für die Handrechnung geeignetes Berechnungsverfahren zur Abschätzung des globalen Last-Setzungsverhaltens von Kombinierten Pfahl-Plattengründungen. Bauingenieur 81, 2006, S. 61–66. [64] Mazurkiewicz, B.: Einfluß von Rammgeräten auf die Tragfähigkeit von Stahlbetonprofilen. Beitrag in Tagungsband zum Symposium Pfahlgründungen, TH Darmstadt, 1986, S. 31–36. [65] Meek, J. W.: Das Knicken von Verpresspfählen mit kleinem Durchmesser in weichem, bindigem Boden. Bautechnik 73, Heft 3, 1996. [66] Meek, J. W.: Sind Kleinverpresspfähle knickgefährdet? Pfahlsymposium Braunschweig, Mitteilung des Instituts für Grundbau und Bodenmechanik der TU Braunschweig, Heft 60, 1999, S. 221–234.

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[67] Meseck, H.: Dynamische Pfahltests – Tragfähigkeit und Integrität. Mitteilung 19, Institut für Grundbau und Bodenmechanik, TU Braunschweig, 1986. [68] Melzer, K.-J., Bergdahl, U.: Baugrunduntersuchungen im Feld. In: GrundbauTaschenbuch, Teil 1, 6. Auflage. Ernst & Sohn, Berlin, 2001, S. 49–116. [69] Meyerhof, G. G.: General Report. Proc. European Symposium on Penetration Testing, Vol. 2.1. Stockholm, 1974, pp. 41–48. [70] Middendorp, P., Van Weele, A. F.: Application of the characteristic stress wave method in offshore practice. Proceedings 3rd Intern. Conference on Numerical Methods in Offshore Piling, Nantes, France, 1986. [71] Middendorp, P., Bermingham, P., Kuiper, B.: Statnamic Load Testing of Foundation Piles. Sem. on the application of stresswave theory to piles. 4th International Conference, The Hague. Balkema Rotterdam, 1992, p. 581 ff. [72] Mittag, J., Richter, Th.: Beitrag zur Bemessung von vertikal zyklisch belasteten Pfählen. Symposium „Verkehrswegebau und Tiefgründungen“, Schriftenreihe Geotechnik, Universität Kassel, Heft 18, 2005, S. 337–354. [73] Moormann, C.: Zur Tragwirkung und Beanspruchung von Gründungspfählen beim Baugrubenaushub. In: Pfahlsymposium, Mitteilungen des Institutes für Grundbau und Bodenmechanik, Technische Universität Braunschweig, Heft 71, 2003, S. 351–378. [74] Moormann, Chr., Rumpelt, Th., Schmidt, H.-H., Jud, H.: Bemessungs- und Optimierungsansätze für Tiefgründungen in verwitterten Halbfestgesteinen. Beiträge zum 19. Christian Veeder Kolloquium, „Tiefgründungen – Bemessung und Ausführung“, 15./16.04.2004, Gruppe Geotechnik Graz, Technische Universität Graz, Heft 21, 2004, S. 43–71. [75] Moormannn, C., Jud, H., Keysberg, J.: Single- und Multi-Level Tests nach dem Osterberg-Verfahren – Erfahrungen bei Probebelastungen an Großbohrpfählen in Zentralamerika. Pfahlsymposium, Mitteilungen des Institutes für Grundbau und Bodenmechanik, Technische Universität Braunschweig, Heft 80, 2005, S. 391–428. [76] Moormann, Chr.: Pfahltragverhalten in festen und veränderlich festen Gesteinen. Symposium „Verkehrswegebau und Tiefgründungen“, Schriftenreihe Geotechnik, Universität Kassel, 2005, S. 249–273. [77] Nendza, H., Placzek, D.: Die Erhöhung der Tragfähigkeit durch gezieltes Nachverpressen – Stand der Erfahrungen. Baugrundtagung 1988, Hamburg. [78] Neuser, J. U., Häußler, F.: Querkraftnachweis runder Querschnitte nach DIN 1045-1. Beton- und Stahlbetonbau 100, 2005, Heft 11, S. 956–960. [79] Niyama, S., Beim, J.: Application of Stress-Wave Theory to Piles: Quality Assurance on Land and Offshore Piling. 6th International Conference. Balkema, Rotterdam, 2000. [80] Nowack, F., Gartung, E.: Messungen bei Probebelastungen vertikal und horizontal belasteter Großbohrpfähle. Geotechnik 1983, Heft 1, S. 1–10. [81] Osterberg, J. O.: New device for load testing driven piles and drilled shafts separates friction and end bearing. International Conference On Piling and Deep Foundations, London. Balkema, Rotterdam, 1989, pp. 421–431.

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[82] Osterberg, J. O.: The Osterberg load test method for bored and driven piles: the first ten years. 7th International Conference On Piling and Deep Foundations – DFI 98, 15–17 June 1998, Wien, 1.28.1–1.28.11. [83] Osterberg, J. O.: Load testing high capacity piles – what have we learned? Proceedings of the 5th International Conference on Deep Foundation Practice, Singapore, April 2001. [84] Placzek, D.: Vergleichende Untersuchungen beim Einsatz statischer und dynamischer Sonden. Geotechnik, Heft 2, 1985, S. 68–75. [85] Placzek, D., Schmidt, H. G., Oetjeng, D.: Zum Tragverhalten von Großbohrpfählen mit Fußaufweitung. Bautechnik 71, Heft 10, 1994, S. 626–632. [86] Placzek, D.: Mantel- und Fußverpressung zur Tragfähigkeitserhöhung von Bohrpfählen – aktueller Stand der Erfahrungen. In: Festschrift zum 60. Geburtstag von Prof. Kempfert. Schriftenreihe Geotechnik, Universität Kassel, Heft 18, 2005, S. 275–290. [87] Poulos, H.: Spannungen und Setzungen im Boden. In: Grundbau-Taschenbuch, Teil 1, 6. Auflage, Kapitel 1.6. Ernst & Sohn, Berlin, 2001, S. 255–305. [88] Quark-Vonscheidt, J., Walz, B.: Die Grenztragfähigkeit von Zugpfählen und Zugpfahlgruppen in Sand. Bautechnik 79, Heft 1, 2002, S. 42–47. [89] Rackwitz, F.: Numerische Untersuchungen zum Tragverhalten von Zugpfählen und Zugpfahlgruppen in Sand auf Grundlage von Pfahlprobebelastungen, Veröffentlichung des Grundbauinstitutes der TU Berlin, Heft 32, 2003. [90] Raithel, M., Kempfert, H.-G., Quick, H.: Statische und zyklische Pfahlprobebelastungsergebnisse als Grundlage für Fahrwegsgründungen, 4. Österreichische Geotechniktagung, Österr. Ingenieur- und Architektenverein, 2003, S. 395–414. [91] Raithel, M.: Lärmschutzwände auf horizontal belasteten Pfählen bei zyklischen/ dynamischen Einwirkungen – Versuchsergebnisse und Berechnungsansätze, Symposium Geotechnik, Schriftenreihe Geotechnik, Universität Kassel, Heft 18, 2005, S. 21–34. [92] Randolph, M. F., Wroth, C. P.: Analysis of deformation of vertically loaded piles. ASCE J. GE Div. 104, 1978, pp. 1465–1488. [93] Randolph M. F., Houlsby G. T.: The limiting pressure on a circular pile loaded laterally in cohesive soil. Geotechnique 34, No. 4, 1984. [94] Rausche, F.: Dynamische Methoden zur Bestimmung der Tragfähigkeit von Rammpfählen. Baugrundtagung Frankfurt/Main-Höchst, 1974, S. 395–409. [95] Rausche, F., Meseck, H.: Möglichkeiten und Grenzen dynamischer Pfahltestverfahren. Symposium „Meßtechnik im Erd- und Grundbau“, DGEG, München, 1983, S. 207–218. [96] Rausche, F., Goble, G. G., Likins, G. E.: Dynamic determination of pile capacity. J. Geot. Eng. Div. ASCE 111, 1985, pp. 367–383. [97] Rollberg, D.: Zur Bestimmung der Pfahltragfähigkeit aus Sondierungen. Bauingenieur 60. Springer-Verlag, Berlin, 1985, S. 25–28.

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[98] Rudolf, M.: Beanspruchung und Verformung von Gründungskonstruktionen auf Pfahlrosten und Pfahlgruppen unter Berücksichtigung des Teilsicherheitskonzeptes. Schriftenreihe Geotechnik, Universität Kassel, Heft 17, 2005. [99] Rudolf, M., Kempfert, H.-G.: Setzungen und Beanspruchungen bei Gründungen auf Pfahlgruppen. Bautechnik 83, Heft 9, 2006, S. 618–625. [100] Schiel, F.: Statik der Pfahlwerke. Springer-Verlag, Berlin, 1960. [101] Schmidt, H. G.: Beitrag zur Ermittlung der horizontalen Bettungszahl für die Berechnung von Großbohrpfählen unter waagrechter Belastung. Der Bauingenieur, Heft 7, 1971, S. 233–237. [102] Schmidt, H. G.: Horizontale Probebelastungen an Bauwerkspfählen. Vorträge der Baugrundtagung in Stuttgart, 1972, S. 585–600. [103] Schmidt, H. G.: Horizontale Gruppenwirkung von Pfahlreihen in nichtbindigen Böden. Geotechnik, Heft 1, 1984, S. 1–6. [104] Schmidt, H. G.: Großversuche zur Ermittlung des Tragverhaltens von Pfahlreihen unter horizontaler Belastung. Mitteilungen des Instituts für Grundbau Boden und Felsmechanik der TH Darmstadt, Heft 25, 1986. [105] Schmidt, H. G.: Großbohrpfähle im Übergangsbereich Boden – Fels. Bautechnik 67, Heft 1, 1990, S. 361–366. [106] Schröder, E.: S-Verfahren: Zur Abschätzung der äußeren Tragfähigkeit (Grenzlast) von gerammten Betonfertigpfählen in nichtbindigen Böden. Hamburg, 1996 (nicht veröffentlicht). [107] Schultze, E., Muhs, H.: Bodenuntersuchungen für Ingenieurbauten, 2. Auflage. Springer-Verlag, Berlin, 1967. [108] Schwarz, W.: Verdübelung toniger Böden. Veröffentlichungen des Institutes für Boden- und Felsmechanik, Universität Karlsruhe, Heft 105, 1987. [109] Schwarz, P.: Beitrag zum Tragverhalten von Verpresspfählen mit kleinem Durchmesser unter axialer zyklischer Belastung. Schriftenreihe Lehrstuhl für Grundbau, Bodenmechanik und Felsmechanik, TU München, Heft 33, 2002. [110] Seitz, J. M., Klingmüller, O.: Dynamische Tragfähigkeitsprüfungen von Bohrpfählen. Baugrundtagung 1984, Düsseldorf, 1985, S. 533–561. [111] Seitz, M., Schmidt, H.-G.: Bohrpfähle. Ernst & Sohn, Berlin, 2000. [112] Skov, R.: Dynamische Pfahlprüfungen. Geotechnik 6, 1983, S. 53–65. [113] Smoltczyk, U.: Pfahlgründungen (Abschnitt 8). In: Grundbau-Taschenbuch, Teil 3, 6. Auflage. Ernst & Sohn, Berlin, 2001, S. 207–228. [114] Tomlinson, M. J.: Adhesion of Piles in Stiff Clays. Construction Indian Research Inf. Association CIRIA, Report No. 26, 1970. [115] Townsend, F. C., Hussein, M., McVay, M. C. et al.: Application of Stress-Wave Theory to Piles. 5th International Conference, Orlando, Florida, 1996. [116] Vermeer, P. A., Wehnert, M.: Numerische Simulation von Pfahlprobebelastungen an Großbohrpfählen. Tagungsband zum 4. Kolloquium „Bauen in Boden und Fels“ in Ostfildern, Technische Akademie Esslingen (TAE), 2004, S. 555–573.

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[117] Vogler, M., Katzenbach, R.: Ergebnisse einer Pfahlprobebelastung in den Frankfurter Kalken mit 78 MN Grenzlast. Symposium „Messen in der Geotechnik“ 2004, 09./10. September 2004, Mitteilungen des Institutes für Grundbau und Bodenmechanik, Technische Universität Braunschweig, Heft 77, 2004, S. 53–66. [118] Vogt, N.: Vorschlag für die Bemessung der Gründung von Lärmschutzwänden. Geotechnik 11, 1988, S. 210–214 [119] Vogt, N., Vogt, S., Kellner, C.: Knicken von schlanken Pfählen in weichen Böden. Bautechnik 82, 2005, Heft 12, S. 889–902. [120] Wallrauch, E.: Verwitterung und Entspannung bei überkonsolidierten tonig-schluffigen Gesteinen Südwestdeutschlands. Dissertation, Tübingen, 1969. [121] Wenz, K.-P.: Über die Größe des Seitendruckes auf Pfähle in bindigen Erdstoffen. Institut für Boden- und Felsmechanik der Universität Karlsruhe, Heft 12, 1963. [122] Wenz, K. P.: Das Knicken von schlanken Pfählen in weichen bindigen Erdstoffen. Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik der Universität Fridericiana in Karlsruhe, Heft 50, 1972. [123] Winter, H.: Fließen von Tonböden. Eine mathematische Theorie und ihre Anwendung auf den Fließwiderstand von Pfählen. Veröffentlichung des Instituts für Boden- und Felsmechanik, Universität Karlsruhe, Heft 82, 1979. [124] Witzel, M.: Zur Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit von Verdrängungspfählen in bindigen und nichtbindigen Böden. Schriftenreihe Geotechnik, Universität Kassel, Heft 15, 2004.

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