INTEGRITÄTSPRÜFUNG VON PFÄHLEN UND DEREN INTERPRETATION

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1 INTEGRITÄTSPRÜFUNG VON PFÄHLEN UND DEREN INTERPRETATION Dokumentation zum Referat der Tagung Bau und Wissen: Pfahlfundationen Bemessung, Prüfung und Ausführung vom 14. Januar 2010 in Burgdorf Andreas Steiger, dipl. Bauingenieur ETH/SIA/USIC Steiger Baucontrol AG, 6000 Luzern 7 Inhaltsverzeichnis 1. Zielsetzung 2 2. Reflexionsmethode (low strain) Anwendung und Interpretation der Ergebnisse Hinweise zur Reflexionsmethode 3 3. Ultraschallmethode Anwendung der Ultraschallmethode 9 4. SIA 267 Geotechnik SIA 267/1 Ergänzende Festlegungen Zusammenfassung Literatur 16

2 1. Zielsetzung Vorstellung der Integritätsprüfung mit der Reflexionsmethode (low strain) der Ultraschallmethode Hinweise zur Interpretation der Messresultate Verweis auf Vorgaben der Normen SIA 267 Geotechnik SIA 267/1 Ergänzende Festlegungen Hinweise zu den Einschränkungen der Methoden Bau und Wissen Seite 2/16

3 2. Reflexionsmethode (low strain) Bild 1 Gerätschaften für die Reflexionsmethode (low strain) 2.1 Anwendung und Interpretation der Ergebnisse Bei der Reflexionsmethode wird mit einem Hammerschlag eine Stosswelle im Pfahl erzeugt. Die Stosswelle pflanzt sich im Pfahl fort und wird bei Querschnittsänderungen bzw. Impedanzänderungen (Impedanz = Fläche x Elastizitätsmodul) reflektiert. Die Stosswelle wird am Pfahlkopf mit einen Sensor (Geofon) gemessen. Bei einem ordnungsgemäss erstellten Pfahl mit gleichmässigem Querschnitt erfolgt diese Reflexion am Pfahlfuss. Die Zeitdifferenz zwischen dem Schlag und dem Eintreffen der Fussreflexion entspricht der Zeit, die das Signal braucht, um zweimal ( hin und zurück ) die Pfahllänge zu durchlaufen. Die Signalausbreitungsgeschwindigkeit ist abhängig von der Betonqualität (Druckfestigkeit). Als Näherungswert kann für Beton eine Wellenausbreitgeschwindigkeit von 4'000 m/sec angenommen werden. Damit lässt sich eine Aussage über die Pfahllänge machen. Weist der Pfahl Querschnittsänderungen, Einschnürungen oder Ausweitungen auf, erfolgen an diesen Stellen zusätzliche Reflexionen, die sich dann im gemessenen Signal zeigen (Bilder 2 und 3). Pro Pfahl erfolgen mehrere Messungen, aus denen ein Mittelwertsignal generiert wird (Bild 4). Schlechte Signale werden bei der Mittelwertbildung nicht berücksichtigt. Bau und Wissen Seite 3/16

4 Bild 2 Schematische Darstellung des Messprinzips Bild 3 Messprinzip dargestellt an Pfahl mit veränderlichem Querschnitt (Ausbreitung und Reflexion der Stosswelle) Bau und Wissen Seite 4/16

5 Bild 4 Aus den Messsignalen von mehreren Messungen (rechts oben) wird ein Mittelwertsignal generiert Da der Pfahl mit dem umgebenden Boden in Verbund steht, hat auch der Baugrund einen Einfluss auf die Ausbreitung und die Reflexion der Stosswellen. So kann auch eine massgebliche Änderung des Baugrundes (z.b. Übergang von weicher Zone zu einer verkitteten Kieslinse) eine Reflexion bewirken, die als Störung des Pfahls interpretiert werden kann. Da die Baugrundverhältnisse zwischen verschiedenen Pfählen meist nicht allzu stark variieren, unterstützt die Messung einer grösseren Anzahl von Pfählen auf einer Baustelle die Interpretation der Resultate sehr. Für eine aussagekäftige Interpretation muss die Prüfung ein gutes Fusssignal (Bild 5) ergeben. Daraus ergibt sich eine Einschränkung der Pfahllänge. Je nach Baugrund können Pfähle einer Länge bis 20 mal Pfahldurchmesser (Böden mit hoher Reibung) bzw. 40 mal D (weiche Böden mit geringer Reibung) geprüft werden. Generell gilt eine Begrenzung bei L/D 30. Über den Bereich des Pfahlkopfes (bis Tiefe von ca. 1.5 x D) sind keine Aussagen möglich. Sandeinschlüsse am Pfahlfuss können nicht festgestellt werden. Bau und Wissen Seite 5/16

6 Bild 5 Messsignal eines einwandfreien Pfahls mit gutem Fusssignal Die typischen Frequenzen der Stosswellen betragen 750-1'000 Hz, die Wellenlängen somit 3 bis 4 m! Es können Querschnittsveränderungen bzw. Fehlstellen % des Pfahlquerschnittes festgestellt werden. Zu beachten ist, dass erhebliche Störungen zu Mehrfachreflexionen führen. Das Fusssignal kann in solchen Fällen meist nur sehr erschwert oder überhaupt nicht gefunden werden, weil dieses von den Reflexionen von Störungen im Pfahl überdeckt wird (Bilder 7 und 8, unterste Zeile). Weitere Beispiele: Bild 6 zeigt eine Messung eines Pfahls mit geringer Abweichung, Bild 7 eine Messung eines Pfahls mit starken Abweichungen von der Sollgeometrie. Bild 8 veranschaulicht typische Fälle inkl. deren Interpretation in einer Gegenüberstellung. Bau und Wissen Seite 6/16

7 Bild 6 Messsignal eines Pfahls mit geringen Abweichungen Bild 7 Messsignal eines Pfahls mit erheblichen Abweichungen Bau und Wissen Seite 7/16

8 Bild 8 Messsignal von Pfählen mit geringen bis erheblichen Abweichungen 2.3 Hinweise zur Reflexionsprüfung Voraussetzungen für die Reflexionsmethode: Pfahllängen beachten: Länge 20 bis 40 x Durchmesser (abhängig von Baugrund) Einfluss des Baugrundes beachten: Aufbau sollte bekannt sein Pfahlkopf muss sauber vorbereitet sein: Kein Restbeton, keine Risse Prüfalter: Mindestens 5 Tage Beurteilung in 4 Klassen (gemäss Deutscher Gesellschaft für Geotechnik. DGGT): Pfahl in Ordnung Pfahl nicht in Ordnung, geringe Qualitätsabweichungen Pfahl nicht in Ordnung, starke Qualitätsabweichungen Signal nicht auswertbar (z.b. Risse) Weitere Bemerkungen: Möglichst viele Pfähle prüfen, sodass Vergleichsmöglichkeiten vorliegen. Kontinuierliche Veränderungen können nicht festgestellt werden. Keine relevanten Informationen zum obersten Pfahlbereich (ca. 1.5 x Durchmesser) Unregelmässigkeiten im Kopfbereich (z.b. grosse Mengen von Überschussbeton) erschweren bis verunmöglichen eine Messung. Keine Verbindung des Pfahls zu einer Bodenplatte, Spriessplatte oder anderen Bauteilen Bau und Wissen Seite 8/16

9 3. Ultraschallmethode Bild 9 Gerätschaften für die Ultraschallprüfung 3.1 Anwendung und Interpretation der Ergebnisse Bei der Ultrallschallprüfung (US-Prüfung) werden ein US-Sender und ein US-Empfänger (Bild 9) in parallelen Rohren durch den Pfahl vom Pfahlfuss bis zum Pfahlkopf gezogen (Bild 10). In periodischen Abständen (typisch mm) erfolgt eine Durchschallung des Pfahlbetons. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von US-Wellen ist abhängig von der Betonqualität (Druckfestigkeit). Qualitätsunterschiede des Betons zeigen sich damit in einer unterschiedlichen Laufzeit des US-Impulssignales und in einer unterschiedlichen Dämpfung des Signals (Energie) auf dem Weg durch den Pfahl. Je nach der Anzahl der Messrohre (2-4 Rohre) können eine bis sechs so genannte Traversen gemessen und interpretiert werden. Als einwandfrei werden Pfähle mit gleichmässigem Verlauf der Durchschallungszeit (Abweichungen 10 %) und der Signaldämpfung (Abweichung 6 db) beurteilt. Als Hinweis für eine erhebliche Störung gelten Abweichungen bei der Durchschallung von > 30 % oder der Dämpfung von > 12 db bei mehr als 50 % der gemessenen Traversen (White, 2008). Die eingesetzten Wellenlängen liegen im Bereich khz (vorzugsweise: khz). Damit können Störungen von ca mm Ausdehnung erkannt werden (Amir, 2008). Sandeinschlüsse am Pfahlfuss können erkannt werden, wenn die Messrohre bis zum Fuss des Pfahls Bau und Wissen Seite 9/16

10 reichen. Über den Bereich des Pfahles ausserhalb der Messrohre kann keine Aussage gemacht werden. Mit der Zunahme des Abstandes der Messrohre nimmt die Auflösung der Messung ab Bild 10 Messprinzip Ultraschallprüfung Bau und Wissen Seite 10/16

11 Bild 11 Darstellung Anordnung der Messtraversen (oben links), US-Einzelsignale (oben rechts), Messergebnisse (unten) Bild 12 Messergebnis aus US-Prüfung eines Pfahls und Störungs-Tiefe zwischen 11.9 m und m (rote Linie: Laufzeit, grüne Linie: Signal-Geschwindigkeit, blaue Linie: Signaldämpfung) Bau und Wissen Seite 11/16

12 Bild 13 Messergebnis eines Pfahls mit Kieseinschluss in ca. 3.0 m Tiefe Bild 14 Tomografie eines Schlitzwandelements mit schräg verlaufender Störung Bau und Wissen Seite 12/16

13 Bild 15 Darstellung der Messergebnisse als 3D-Tomografie Bau und Wissen Seite 13/16

14 4. SIA 267 Geotechnik Die Vorgaben der Norm SIA 267 (2003) Geotechnik sind bei der Realisierung von Pfahlfundationen zu beachten. Die Norm dokumentiert den anerkannten Stand der Technik und ist damit verbindlich. 9.7 Ausführungskontrollen und Überwachung Qualitäts- und Integritätsprüfung Die Integrität des Pfahls ist durch Versuche zu prüfen, falls die Herstellung einen grossen Einfluss auf die Tragsicherheit hat, die Ausführung nicht zuverlässig überwacht und die Integrität nicht mit ausreichender Sicherheit garantiert werden kann Bei Pfahlfundationen, deren Versagen schwerwiegende Folgen hat (BW II und III nach SIA 261), sollen 10%, mindestens aber 3 Bauwerkspfähle auf Integrität geprüft werden. Bauwerksklasse II und III gemäss SIA 261 (Tabelle 26) Bau und Wissen Seite 14/16

15 4.1 SIA 267/1 Ergänzende Festlegungen Die Norm SIA 267/1(2003) Geotechnik ergänzende Festlegungen beinhaltet zusätzliche Angaben zur Integritätsprüfung von Pfählen Qualitäts- und Integritätsprüfungen Umfang der Prüfung Ultraschallmessung Messrohre aus Metall (dh. auf Sonde abgestimmt, keine Verletzungen, gut befestigt) Anzahl Messrohre über Umfang verteilt (min. 2 Rohre, 600mm D 1'000 mm: 4 Rohre) Alter Beton 5 Tage Messrohre vor Messung mit Wasser auffüllen Durchführung (alle Traversen, Abstand vertikal der Einzelmessungen 10 cm) Bei Schwachstellen zusätzliche Messungen mit vertikal versetzten Sensoren Dokumentation Reflexionsmethode und Impedanzmethode (low strain test) Stosswelle im Pfahl erzeugt durch Hammerschlag Anwendung bei Bohr-, Ortbeton-Ramm-, Holz- sowie Betonrammpfählen Pfahllänge (eingebunden) zwischen 5 bis 30 x D (D 1'000 mm, max. 1'200 mm) Pfahlköpfe sauber bis auf gesunden Beton abgespitzt, gereinigt und trocken Pfahlköpfe frei (d.h. keine Verbindung mit anderen Bauteilen wie Fundamente, Spriessplatte etc.) Gekuppelte Pfähle sind nur eingeschränkt prüfbar Bodenaufbau sollte bekannt sein, da Einfluss auf Resultat Für aussagekräftige Resultate immer mehrere Pfähle prüfen Alter Beton 5 Tage Pro Pfahl mehrere Messungen an verschiedenen Stellen Ergebnis: Angabe über Pfahllänge, Unregelmässigkeiten, die mehr als 20 % des Querschnitts ausmachen und tiefer als 1.5 x D unter dem Pfahlkopf liegen Dokumentation Bau und Wissen Seite 15/16

16 5. Zusammenfassung Die Herstellung von Pfählen beinhaltet verschiedene Risiken, darum sind gemäss den anerkannten Regeln der Baukunde adäquate Qualitätskontrollen vorzusehen. Für die Integritätsprüfung stehen die Ultraschall- (US-) und die Reflexionsmethode zur Verfügung. Die Ultraschallprüfung gibt Informationen über die gesamte Pfahllänge, ist aber aufwändiger. Die Reflexionsprüfung gibt eine gute und kostengünstige Information, wenn der Pfahl in Ordnung ist und innerhalb der Limiten der Prüfung liegt. Optimal ist eine Kombination von Reflexionsmethode mit US-Prüfungen. Die Prüfung erfordert gute Kenntnisse und Erfahrung. 6. Literaturverzeichnis Amir, M.A., Integritiy Testing of piles, Piletest.com Limited, 2002 Deutsche Gesellschaft für Geotechnik (DGGT, Arbeitskreis 2.1, Empfehlungen für statische und dynamische Pfahlprüfungen, Institut für Grundbau und Bodenmechanik TU Braunschweig, SIA Norm 267 (2003), Geotechnik, 2003 SIA Norm 267/1 (2003), Geotechnik Ergänzende Festlegungen, 2003 Stress Wave Lisbon 2008, Proceedings of the 8 th international Conference on the Application of Stress Wave Theory to Piles, IOS Press BV, Amir, J.M. & Amir, E.I., Critical comparison of ultrasonice pile testintg standards, proceedings Stress Wave 2008, IOS Press BV, White, B., Nagy, M. & Allin, R., Comparing cross-hole sonic logging and low-strain integritiy testing results, proceedings Stress Wave 2008, IOS Press BV, Luzern, Januar 2010/AST Bau und Wissen Seite 16/16

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