Konstruktiver Ingenieurbau Nr. 10

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1 Konstruktiver Ingenieurbau Nr. 10 Allgemeine Informationen Verbau 1. Einleitung Normen und Vorschriften Weiterführendes Schrifttum Vorwort Wann sind Verbauten erforderlich? Konstruktive Grundlagen Lastannahmen Verbauarten Spundwand Trägerbohlwand Bohrpfahlwand, überschnitten, tangierend oder aufgelöst; Bohrungen ~60 cm und größer Allgemeines Aufgelöste Bohrpfahlwand; Ausfachung mit bewehrtem oder unbewehrtem Spritzbeton Überschnittene Bohrpfahlwand Sonstige Systeme Unterscheidung der Stützung von Verbauwänden in Bezug auf ihre Nachgiebigkeit (Quelle: EAB) Aussteifungs und Verankerungsarten von Verbauwänden Frei auskragender Verbau Ausgesteifter Verbau mit Rundholz- oder Stahlsteifen Gegenseitig verspannte Parallelverbauten mittels Einstab- oder Litzenanker, für Bauzustände Rückverhängung mittels Verpressankern oder Verpresspfählen Gurtungen Einbringverfahren Baubehelfe bei Baumaßnahmen Dritter Ausgabe Normenstand Mai 2013 Verantwortlich: VDEI-Fachausschuss Konstruktiver Ingenieurbau Dipl.-Ing. Manfred Schlich, Dipl.-Ing. Otto Esser Diese Information des VDEI-Fachausschusses Konstruktiver Ingenieurbau ist eine Empfehlung und hat keine rechtsverbindliche Wirkung, jegliche Haftung wird ausgeschlossen. Die Anwendung ist immer im Einzelfall auf Plausibilität zu prüfen. Diese Information KIB ist zur kostenlosen Nutzung für die Mitglieder des VDEI bestimmt. Weitergabe nicht gestattet, Vervielfältigung und gewerblicher Gebrauch gemäß Urheberrechtsgesetz verboten. information Konstruktiver Ingenieurbau 10 [ ] 1 / 14

2 1. Einleitung Verbauten sichern Baugruben vor Einsturz, nachrutschendem Erdreich, eindringendem Wasser oder Erosion und gewährleisten so den Schutz von Verkehrswegen, Leitungsführungen, Arbeitsräumen, Geräten und Menschen vor Gefahren und Beeinträchtigungen. Die vorliegende Information Konstruktiver Ingenieurbau Nr. 10 soll dem Planer als Hilfestellung für den Entwurf und die Auswahl der Verbauart dienen. 2. Normen und Vorschriften [1] ELTB Eisenbahnspezifische Listen Technischer Baubestimmungen [2] EBRL Eisenbahnspezifische Bauregellisten [3] Richtlinie 804 Eisenbahnbrücken (und sonstige Ingenieurbauwerke) planen, bauen und instandhalten [4] Richtlinie 836 Erdbauwerke und sonstige geotechnische Bauwerke planen, bauen und instand halten [5] DIN EN Technische Regeln für die Ausführung von Stahltragwerken [6] DIN EN 1990 Grundlagen der Tragwerksplanung [7] DIN EN 1990/NA/A1 Nationaler Anhang: Grundlagen der Tragwerksplanung [8] DIN EN Einwirkungen auf Tragwerke; Allgemeine Einwirkungen auf Tragwerke; Wichten, Eigengewicht [9] DIN EN /NA Nationaler Anhang: Einwirkungen auf Tragwerke; Allgemeine Einwirkungen auf Tragwerke; Wichten, Eigengewicht [10] DIN EN Einwirkungen auf Tragwerke; Allgemeine Einwirkungen Außergewöhnliche Einwirkungen [11] DIN EN /NA Nationaler Anhang: Einwirkungen auf Tragwerke; Allgemeine Einwirkungen Außergewöhnliche Einwirkungen [12] DIN EN Einwirkungen auf Tragwerke; Verkehrslasten auf Brücken [13] DIN EN /NA Nationaler Anhang: Einwirkungen auf Tragwerke; Verkehrslasten auf Brücken [14] DIN EN Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten; Pfähle und Spundwände [15] DIN EN /NA Nationaler Anhang: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten; Pfähle und Spundwände [16] DIN EN Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik; Allgemeine Regeln [17] DIN EN /A1 Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik; Allgemeine Regeln [18] DIN EN /NA Nationaler Anhang: Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik; Allgemeine Regeln [19] DIN EN Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik; Erkundung und Untersuchung des Baugrundes [20] DIN EN Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben; Gründungen, Stützbauwerke und geotechnische Aspekte [21] DIN EN /NA Nationaler Anhang: Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben; Gründungen, Stützbauwerke und geotechnische Aspekte information Konstruktiver Ingenieurbau 10 [ ] Seite 2 / 14

3 Als Ergänzung zu den Europäischen Normen wird auf die nachstehenden deutschen normativen Regelungen verwiesen. Bei den Verweisungen gilt die letzte Ausgabe des in Bezug genommenen Dokuments (einschließlich aller Änderungen) [22] DIN Einwirkungen auf Tragwerke Teil 2: Bodenkenngrößen [23] DIN 4019 (alle Teile), Baugrund-Setzungsberechnungen [24] DIN 4020 Geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke Ergänzende Regelungen zu DIN EN [25] DIN 4084 Baugrund Geländebruchberechnungen [26] DIN 4085 Baugrund Berechnung des Erddrucks [27] DIN 4123 Ausschachtungen, Gründungen und Unterfangungen im Bereich bestehender Gebäude [28] DIN 4124 Baugruben und Gräben, Böschungen, Verbau, Arbeitsraumbreiten [29] DIN 4126 Nachweis der Standsicherheit von Schlitzwänden [30] DIN EN 1537 Ausführung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) - Verpressanker [31] DIN SPEC Ergänzende Festlegungen zu DIN EN 1537, Ausführung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) Verpressanker [32] DIN EN Ausführung spezieller geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) Verdrängungspfähle [33] DIN SPEC Ergänzende Festlegungen zu DIN EN 12699, Ausführung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) Verdrängungspfähle [34] DIN EN Ausführung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) - Pfähle mit kleinen Durchmessern (Mikropfähle) [35] DIN SPEC Ergänzende Festlegungen zu DIN EN 14199, Ausführung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) Pfähle mit kleinen Durchmessern (Mikropfähle) [36] DIN EN 1536 Ausführung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) Bohrpfähle [37] DIN SPEC Ergänzende Festlegungen zu DIN EN 1536, Ausführung von Arbeiten im Spezialtiefbau - Bohrpfähle. [38] EAB Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben [39] EAU Empfehlungen des Arbeitskreises Ufereinfassungen. [40] EVB Empfehlungen Verformungen des Baugrundes bei baulichen Anlagen. [41] EA-Pfähle Empfehlungen des Arbeitskreises Pfähle. [42] ZTV-ING Teil 5 2: Zusätzliche Technische Vertragsbedingen und Richtlinien für Ingenieurbauten [43] GUV-V D30.1 UVV; Eisenbahnen [44] GUV-V D33 UVV; Arbeiten im Bereich von Gleisen [45] DBS : Technische Lieferbedingungen; Warmgewalzte Baustähle für den Eisenbahnbrückenbau information Konstruktiver Ingenieurbau 10 [ ] Seite 3 / 14

4 [46] DBS Technische Lieferbedingungen für die Ausführung von Eisenbahnbrücken und sonstigen Ingenieurbauwerken 3. Weiterführendes Schrifttum [S1] A. Weißenbach, Baugruben, Ernst und Sohn Verlag Berlin Teil 1: Konstruktion und Bauausführung Teil 2: Berechnungsgrundlagen Teil 3: Berechnungsverfahren [S2] A. Weißenbach / A. Hettler, Baugruben Berechnungsverfahren Ernst und Sohn Verlag Berlin [S3] K. Simmer, Grundbau, B. G. Teubner Verlag Stuttgart Teil 1: Bodenmechanik und erdstatische Berechnungen Teil 2: Baugruben und Gründungen [S4] Dörken / Dehne, Grundbau in Beispielen, Werner Verlag Düsseldorf Teil 2: Kippen, Gleiten, Grundbruch Teil 3: Baugruben und Gräben [S5] Hoesch Stahl AG, Spundwand-Handbuch, Berechnung 4. Vorwort Als Verbau werden bauliche Maßnahmen und Einrichtungen zur Abstützung und Sicherung von Graben-, Gruben-, Schacht- und Tunnelwänden sowie Stollenwänden und -decken im Bereich von Aufgrabungen im Tief-, Tunnel-, Wasser- und Bergbau bezeichnet. Der Verbau sichert eine Baugrube vor Einsturz, nachrutschendem Erdreich, eindringendem Wasser und/ oder Erosion und schützt so Verkehrswege, Leitungsführungen, Arbeitsräume, Geräte und Menschen vor Gefahren und Beeinträchtigungen. Ausführung und Standsicherheit von Verbauten sind Gegenstand der Arbeitsschutzverordnungen und durch entsprechende Normen geregelt. Die unterschiedlichen Baugruben mit ihren spezifischen Anforderungen führen zu speziellen Techniken, die sich in der Wahl der Verbauart wiederspiegeln. Die bekanntesten Verbauarten sind: Spundwandverbau Bohlträgerverbau (Berliner Verbau) Bohrpfahlwand Schlitzwand Im Folgenden wird auf die vier vor genannten Verbauarten eingegangen. 5. Wann sind Verbauten erforderlich? Wenn: die Herstellung von Baugruben im Schutze von standsicheren Böschungen nicht möglich ist, zur Herstellung von Bauwerken im Grundwasser, eine wasserdichte Baugrubenumschließung erforderlich ist oder die Pumpleistung minimiert werden (wasserrechtliche Vorgaben) und nicht standsichere Böden (Schichten mit organischen Böden, Schwemmsande, Auffüllungen) die Errichtung von Verbauten erfordern. information Konstruktiver Ingenieurbau 10 [ ] Seite 4 / 14

5 6. Konstruktive Grundlagen Grundlage für die Konstruktion und Bemessung der Verbaukonstruktionen sind die Angaben aus dem Bodengutachten (Geotechnischen Untersuchungsbericht), welches für jedes Bauvorhaben erstellt wird, soweit nicht schon ausreichende Angaben aus benachbarten Baumaßnahmen vorliegen. Für die Bemessung und Konstruktion müssen unter anderem, soweit für die einzelne Baumaßnahme erforderlich, folgende Angaben enthalten sein: Bodenkennwerte, Schichthöhen, Schichthorizonte, Lagerungsdichte, Rammbarkeit der Böden, Kennwerte für Verpressanker (Mantelreibung oder Tragfähigkeit in Abhängigkeit der Verpresskörperlänge und -durchmesser), Kennwerte (Mantelreibung, Spitzendruck) für die Abtragung der Vertikallasten, wie z. B. aus der Auflagerung von Hilfsbrücken oder aus der Vertikalkomponente von geneigten Ankern, Grundwasserstände für Bauzustand, Angaben zu Fließdruck. Für die Nachweise der Standsicherheit sind unter anderen folgenden Vorschriften zu beachten: EAB [38], Richtlinie 804 [3], Richtlinie 836 [4], Eurocode 7 ([16], [17], [18], [19]) in der jeweils aktuellen Fassung. Die Bemessung der Einzelteile (Ausfachung, Gurtungen, Steifen, Anker) erfolgen gemäß den zugehörigen Fachnormen für die Baustoffe 7. Lastannahmen Eisenbahnverkehrslasten gemäß DIN EN ([12], [13]) Vertikallasten Lastbild LM71 Lastbild SW/2 Horizontallasten Seitenstoß Fliehkräfte Windlasten aus Hilfsbrücken Anfahren und Bremsen Lagerreaktionskräfte Die evtl. erforderliche Klassifizierung des LM 71 und die dynamischen Einwirkungen aus den Eisenbahnverkehrslasten sind in der DIN EN , Abs bzw [12] geregelt. information Konstruktiver Ingenieurbau 10 [ ] Seite 5 / 14

6 öffentlicher Straßenverkehr, sonstige Lasten (Straßenbahn, Gehwege usw.) Vertikal- und Horizontallasten gemäß DIN EN ([12], [13]) Lastangaben der örtlichen Gegebenheiten oder gesonderten Festlegungen Lagerflächen Stapellasten, p = 10 kn/m² gemäß EAB [38] sonstige Flächen Belastungen aus Baustellenverkehr sind unter anderem in der EAB [38] geregelt. sonstige Belastungen Belastungen (vertikal und horizontal) aus Fundamenten, Signalen, Fahrleitungsmasten, Baukränen, Mobilkränen usw. sind gesondert zu ermitteln bzw. bei den verantwortlichen Fachdiensten und Fachfirmen abzufragen. 8. Verbauarten 8.1 Spundwand Anwendungsbereich Bei Baugruben im Wasser, bei locker gelagerten Böden, bei rolligen Böden. Stahlsorten S240GP, S270GP, S320GP, S355GP, S390GP, S430GP, am gebräuchlichsten sind: S240GP, S355GP Profile Die Lieferlängen betragen maximal 30 m. Auf Anfrage können Sonderlängen bis ca. 36 m gewalzt und geliefert werden. Beispiel für Leichtprofile und Kanaldielen Bild 1: Grundriss Leichtprofile Diese Profile finden in der Herstellung von Kabel- oder Kanalgräben Anwendung, die Spundwandschlösser haben keinen Verbund. information Konstruktiver Ingenieurbau 10 [ ] Seite 6 / 14

7 Beispiel für U-Profile Bild 2: Grundriss Spundwandprofil Bei der Einzelbohle bezieht sich das Widerstandsmoment auf die Schwerachse der Einzelbohle. Bei der Doppelbohle mit Verpressung oder Verschweißung der im Werk zusammengezogenen Schlösser bezieht sich das Widerstandsmoment auf die Wandachse je m Wand. (Verpressung s. DIN EN , 6.4(4P) [14]). Bohlenteilung: Die Bohlenteilung ist vor allem bei der Erstellung von wasserdichten Verbauten maßgebend, um die Anordnung von Anschweißprofilen und Passbohlen zu minimieren: Beispiel für Z-Profile Bild 3: Grundriss Z-Profil Beispiel für Eckprofile Bild 4: Grundriss Eckprofil information Konstruktiver Ingenieurbau 10 [ ] Seite 7 / 14

8 8.2 Trägerbohlwand Es werden HE-Träger im Abstand von etwa 1,0 m bis 3,0 m eingebracht, die Zwischenbereiche werden mit Holzbohlen, Stahlprofilen, Stahlbetonfertigteile oder Spritzbetonschalen (bewehrt o- der unbewehrt) ausgefacht. Bild 5: Ansicht Trägerbohlwand Stahlsorten S235, S355 Profile Zum Einsatz kommen HE-Träger oder -Profile mit Lieferlängen i.d.r. bis 18 m. Bei größeren erforderlichen Trägerlängen sind geschweißte Trägerstöße auszubilden. Holz- oder Stahlausfachung Die Verwendung von Holzausfachungen ist außerhalb des Einflussbereichs von Eisenbahnlasten Eisenbahnverkehrslasten möglich. Die Kanthölzer müssen mindestens der Sortierklasse S10 entsprechen. Bild 6: Grundriss Trägerbohlwand information Konstruktiver Ingenieurbau 10 [ ] Seite 8 / 14

9 Es ist darauf zu achten, dass in Bereichen, in denen die Ausfachung nicht zurückgebaut werden kann (Betonieren von Bauteilen, z. B. Fundamente gegen Verbauwände), unverrottbares Material (Stahl oder Beton) verwendet wird. Betonausfachung Wegen des Rückbaus sollte im Bereich bis 1,50 m unter Schwelle Holz- oder Stahlausfachung eingebaut werden. Bild 7: Grundriss Trägerbohlwand Als statisches System ist eine zweiseitig gelagerte Platte zwischen den Verbauträgern anzunehmen oder ein Druckgewölbe. Ein besonderes Augenmerk ist auf die Aufnahme des Horizontalschubes in den Randfeldern zu legen. Ausbildung Trägerfuß für die Ableitung der Vertikallasten (z. B. aus Hilfsbrücken) mit angeschweißten Fußplatten oder Distanzträger Bild 8: Fußpunkt Trägerbohlwand Bereits gebrauchte Spundwände oder Stahlträger, die wiederverwendet werden sollen, müssen belegbar mindestens die Anforderungen bezüglich der Abmessungen und der Materialeigenschaften erfüllen und frei von Schäden oder Schadstoffen sein, welche die Festigkeit und die Dauerhaftigkeit beeinträchtigen können. information Konstruktiver Ingenieurbau 10 [ ] Seite 9 / 14

10 9. Bohrpfahlwand, überschnitten, tangierend oder aufgelöst; Bohrungen ~60 cm und größer 9.1 Allgemeines Anwendungsbereich Für einen verformungsarmen Verbau, der jedoch nicht zurückgebaut werden kann. Für Situationen bei denen der Abbruch bis ca. 1,50 m unter Schwelle maschinell durchgeführt wird; Es sei denn, es ist der Einsatz von Steckträgern vorgesehen. Für Maßnahmen mit großem Maschinenaufwand (Bohrgerät, Betonpumpe) für die Herstellung. Baustoffe Betonsorten: C20/25 bis C30/37 Betonstahl: B 500 B 9.2 Aufgelöste Bohrpfahlwand; Ausfachung mit bewehrtem oder unbewehrtem Spritzbeton Bild 9: Grundriss aufgelöste Bohrpfahlwand 9.3 Überschnittene Bohrpfahlwand Die Herstellung erfolgt analog der aufgelösten Bohrpfahlwand. Jeder zweite Bohrpfahl wird bewehrt ausgeführt. Zuerst werden die unbewehrten Bohrpfähle hergestellt und anschließend erfolgt die Herstellung der bewehrten Pfähle. Bild 10: Grundriss überschnittene Bohrpfahlwand information Konstruktiver Ingenieurbau 10 [ ] Seite 10 / 14

11 10. Sonstige Systeme Folgende Verbausysteme und -verfahren finden momentan nur wenig Anwendung im Bahnbau. Es wird auf die einschlägige Literatur verwiesen. Schlitzwand Nagelwände Vereisungen 11. Unterscheidung der Stützung von Verbauwänden in Bezug auf ihre Nachgiebigkeit (Quelle: EAB) Als nicht gestützt werden Baugrubenwände bezeichnet, die weder ausgesteift noch verankert sind und deren Standsicherheit nur auf ihrer Einspannung beruht. Als nachgiebig gestützt werden Baugrubenwände bezeichnet, wenn die Auflagerpunkte der Wand stark nachgeben können, z. B. bei stark geneigter Abstützung zur Baugrube hin und bei nicht oder nur gering vorgespannten Ankern. Als wenig nachgiebig gestützt werden Baugrubenwände in folgenden Fällen bezeichnet: Die Steifen werden zumindest kraftschlüssig verkeilt. Verpressanker werden auf mindestens 80 % der für den nächsten Bauzustand errechneten charakteristischen Beanspruchung vorgespannt und festgelegt. Es wird eine kraftschlüssige Verbindung mit Pfählen hergestellt, die nachweislich unter Belastung nur eine geringe Kopfbewegung erleiden. Als annähernd unnachgiebig gestützt werden Baugrubenwände bezeichnet, wenn der Bemessung ein erhöhter aktiver Erddruck zugrunde gelegt wird und die Steifen bzw. Anker vorgespannt und festgelegt werden. Als unnachgiebig gestützt werden Baugrubenwände nur dann bezeichnet, wenn sie für einen abgeminderten oder für den vollen Erdruhedruck bemessen und die Stützungen entsprechend vorgespannt werden. Bei verankerten Baugrubenwänden müssen die Anker darüber hinaus in einer unnachgiebigen Felsschicht verankert oder wesentlich länger sein als rechnerisch erforderlich. Wenn die Anforderungen nach Absatz 4 oder Absatz 5 (annähernd unnachgiebig/ unnachgiebig gestützt) erfüllt werden und darüber hinaus eine biegesteife Baugrubenwand angeordnet wird und unzuträgliche Fußverschiebungen verhindert werden, dann darf eine Baugrubenkonstruktion als verschiebungs- und verformungsarm angesehen werden. Abstützungen bei den Verbauarten der DB Bei der DB sind als Mindestforderung nur wenig nachgiebig, freistehende oder gestützte Baugrubenwände zugelassen, d. h. die Verformung (horizontal und vertikal) der Baugrubenwände muss für die Betriebsführung auf den durch den Verbau gesicherten Gleisen verträglich sein. information Konstruktiver Ingenieurbau 10 [ ] Seite 11 / 14

12 12. Aussteifungs und Verankerungsarten von Verbauwänden 12.1 Frei auskragender Verbau Bild 11: Querschnitt Verbauwand mit Randweg und Absturzsicherung 12.2 Ausgesteifter Verbau mit Rundholz- oder Stahlsteifen Bild 12: Gegenseitig ausgesteifte Verbauwände information Konstruktiver Ingenieurbau 10 [ ] Seite 12 / 14

13 12.3 Gegenseitig verspannte Parallelverbauten mittels Einstab- oder Litzenanker, für Bauzustände Bild 13: Querschnitt Parallelverbau 12.4 Rückverhängung mittels Verpressankern oder Verpresspfählen Zu beachten sind die einschlägigen Zulassungsbescheide des Deutschen Institutes für Bautechnik (DIBt). Bezüglich Größe und Verteilung des Erddruckes ist die EAB (EB 42) [38] zu beachten. Tragfähigkeit und Bemessung von Verpressankern und Verpresspfählen sowie die Abnahmeprüfung und der Ausfall eines Verpressankers ist in der EAB (EB 86) [38] geregelt. Bild 14: Einfach verankerte Verbauwand information Konstruktiver Ingenieurbau 10 [ ] Seite 13 / 14

14 13. Gurtungen Gurtungen werden i. d. R. als Durchlaufträger hergestellt. Wenn Durchspannanker gebohrt werden wie unter 12.3 dargestellt, dann sind am Zielpunkt größere Lageabweichungen zu erwarten, hier ist dann die Anordnung der Gurte als Einfeldträger zweckmässig. HE-Profile als Gurtung Diese Profile finden hauptsächlich Anwendung, wenn Baugruben gegenseitig ausgesteift werden. Dadurch können die Steifenabstände optimiert werden. -Profile und Spundwandprofile als Gurtung Diese Profile finden vorrangig Anwendung, wenn die Baugrubenwände gegenseitig verankert oder mittels Verpressanker rückverhängt werden. 14. Einbringverfahren Bei harten Böden sind im Vorfeld Lockerungs- oder Austauschbohrungen durchzuführen. Einrütteln oder Einvibrieren Bei diesen Einbringverfahren wird die Rammhaube frei reitend auf das Rammprofil aufgesetzt oder an einem Mäkler geführt. Dabei ist vorab zu prüfen, ob durch die Erschütterungen und Schwingungen Schäden an der benachbarten Bebauung entstehen können. Gegebenenfalls ist ein Beweissicherungsverfahren durchzuführen. Einstellen in Bohrlöcher Die Bohrlöcher werden nach dem Einstellen der Verbauträger ausbetoniert, zu beachten ist hier, dass die Diagonale der Verbauträger kleiner ist als der Innendurchmesser des Bohrrohrs. Bild 15: Bohrloch für Verbauträger 15. Baubehelfe bei Baumaßnahmen Dritter Bei Baumaßnahmen Dritter im oder außerhalb des Gleisbereiches ist vom jeweiligen Bauherrn die zuständige anlagenverantwortliche Stelle der DB Netz AG zu beteiligen. In diesem Zusammenhang wird auf das Merkblatt zur Durchführung der Beweissicherung im Zuge von Gleisdurchörterungen auf dem Gelände der DB Netz AG, Regionalbereich Ost, verwiesen. information Konstruktiver Ingenieurbau 10 [ ] Seite 14 / 14