Schlanke Pfahlsysteme im märkischen Sand -Vorteile gegenüber fördernden Systemen-

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1 Schlanke Pfahlsysteme im märkischen Sand -Vorteile gegenüber fördernden Systemen- Dipl.-Ing. Torsten Hauser Franki Grundbau GmbH & Co. KG Bereich Gründungen Dipl.-Ing. Thomas Garbers Ingenieurservice Grundbau GmbH Zusammenfassung Zwischen dem nördlichen und südlichen Landrücken, der Uckermark und der Niederlausitz, erstrecken sich, mit dem Thorn-Eberswalder, dem Warschau-Berliner und dem Glogau-Baruther drei Urstromtäler (Bild 1). In Bereichen mit holozänen organischen Ablagerungen wird der tragfähige Baugrund durch sehr enggestufte Fein- bis Mittelsande gebildet. Im Folgenden Beitrag werden, anhand von ausgeführten Projekten und statischen Pfahlprobebelastungen fördernde Pfahlsysteme nach DIN EN 1536 und vollverdrängende Systeme nach DIN EN mit unterschiedlichen Aspekten untersucht und die Ergebnisse gegenübergestellt. Bild 1: Geologische Karte

2 1 Einleitung 1.1 Allgemeines Die nachfolgend vorgestellten Projekte liegen alle im Warschau-Berliner-Urstromtal. Je nach Lage des Projektes im Urstromtal sind in den Rinnen Weichschichten aus Torfen und Mudden in unterschiedlichen Mächtigkeiten vorhanden. Auf den Talsandrücken fehlen diese Böden, sodass hier oberflächennah sofort die typischen, sehr gleichförmigen Fein- bis Mittelsande anstehen. Die Sande besitzen organische Anteile in unterschiedlichen Mächtigkeiten und sind im Allgemeinen nur locker bis mitteldicht gelagert. Durch die geringe Lagerungsdichte besitzen die Sande eine geringere Tragfähigkeit. Mithilfe der vollverdrängenden Pfahlsysteme der DIN EN kann die Lagerungsdichte und somit auch die Tragfähigkeit erhöht werden und deutlich wirtschaftlicher gearbeitet werden als früher. Im Beitrag werden die Erfahrungen der letzten Jahrzehnte mit erschütterungsfreien Pfahlsystemen untersucht und mit unterschiedlichen Aspekten verglichen. 1.2 Untersuchte Pfahlsysteme Pfähle nach DIN EN 1536: Bohrpfähle Teilverdränger da/di 0,60 Bild 2: Herstellung Bohrpfahl

3 Bild 3: Herstellung Teilverdrängungsbohrpfahl Pfähle nach DIN EN 12699: Schraubpfähle Typ Atlas Schraubpfähle Typ Fundex Bild 4: Herstellung Schraubpfahl System Atlas

4 2 Qualitätssicherung Bei der Pfahlherstellung müssen verschiedenste Aspekte eingehalten und beachtet werden, damit die zugesagten Eigenschaften erreicht, aber auch nachweisbar dokumentiert werden. Tabelle 1: Qualitätssicherung bei Bohrpfählen Gefahrenpotential Art der Ausführung Kontrolle automatisch Bodenentzug durch hydraulische Einflüsse Wasserauflast im Bohrrohr Messung Wasserspiegel außerhalb und innerhalb nein Bodenentzug durch Kolbenwirkung des Greifers Wahl des Greifers Messung des Durchmessers und der Öffnungen, nein Bodenentzug durch Kolbenwirkung des Greifers Beschränkung der Ziehgeschwindigkeit Kontrolle Ziehgeschwindigkeit ja Bodenentzug durch fehlendes Vorauseilmaß Festlegung Vorauseilmaß Aushubtiefe im Rohr und Rohrlänge ja Bohrrohr Beginn tragfähiger Baugrund Förderung Bohrgut Visuell durch Bohrgut nein Einbringen Bohrrohr Kontrolle Bohrwiderstand Ja, eingeschränkt Qualität tragfähiger Baugrund Einbringen Bohrrohr Kontrolle Bohrwiderstand Ja, eingeschränkt Sinkstoffe am Pfahlfuß Räumung Bohrsohle Lotung im Bohrrohr Ja Betonieren Pfahlschaft Einbringen Betonierrohr Abdichtungen zwischen Rohrstücken Länge Betonierrohr nein nein

5 Betonieren Pfahlschaft Eintauchtiefe Betonierrohr Eintauchtiefe Bohrrohr Länge Betonierrohr, Lotung Betonspiegel Länge Bohrrohr, Lotung Betonspiegel nein nein Tabelle 2: Qualitätssicherung bei Teilverdrängungsbohrpfählen Gefahrenpotential Art der Ausführung Kontrolle automatisch Bodenentzug Drehgeschwindigkeit zu hoch Gefördertes Bohrgut Drehgeschwindigkeit und Vortrieb nein ja Wassereinbruch Abdichtung Fußplatte Kontrolle Wasser im Rohr nein Beginn tragfähiger Baugrund Einbringen Bohrrohr Bohrwiderstand Ja, eingeschränkt Qualität tragfähiger Baugrund Einbringen Bohrrohr Bohrwiderstand Ja, eingeschränkt Tabelle 3: Qualitätssicherung bei Schraubpfählen Gefahrenpotential Art der Ausführung Kontrolle automatisch Bodenentzug nein Nicht erforderlich Wassereinbruch Abdichtung Fußplatte Kontrolle Wasser im Rohr nein Beginn tragfähiger Baugrund Einbringen Vortreibrohr Betriebsdruck Ja Qualität tragfähiger Baugrund Einbringen Vortreibrohr Betriebsdruck Ja

6 3 Äußere Tragfähigkeit Der Nachweis der äußeren Tragfähigkeit von Pfählen kann gem. DIN EN über die Ausführung von statischen und dynamischen Probebelastungen erfolgen, die auch unter vergleichbaren Baugrundverhältnissen hergestellt sein dürfen. Hierfür werden Teilsicherheitsbeiwerte und unterschiedliche Streuungsfaktoren in Abhängigkeit der Anzahl und der Art der Probebelastungen angegeben. Es besteht, aber auch die Möglichkeit über die Erfahrungswerte der EA-Pfähle, 2. Auflage, Abschnitt 5 die Tragfähigkeiten von Pfählen rechnerisch nachzuweisen. Die Erfahrungswerte der EA- Pfähle basieren auf der Arbeit von Kempfert et al., In dieser Arbeit wurde eine Vielzahl von statischen Probebelastungen ausgewertet. Da nicht bei allen Probebelastungen die Grenzwiderstände erreicht wurden, und um die Lastabtragung in Mantelreibung und Spitzendruck unterteilen zu können, wurden die Widerstands-Setzungslinien mit dem Verfahren nach Rollberg, 1982 extrapoliert und ausgewertet. Die gefundenen Ergebnisse wurden statistisch untersucht und bewertet. Die Angaben in der EA-Pfähle basieren auf dem 10%- bzw. 50%-Fraktil. Bild 5: Auswertung Probebelastung nach Rollberg

7 Bild 6: Ermittlung der Widerstände nach EA-Pfähle 3.1 Auswertung der statischen Probebelastungen im Berliner Raum Wie die Auswertung der im Berliner Raum ausgeführten, statischen Probebelastungen ergeben hat, werden in den hier anstehenden Sanden durchweg die oberen Erfahrungswerte der EA-Pfähle erreicht. Bild 7: Auswertung statischer Probebelastungen an Schraubpfählen im Berliner Raum

8 Aktuell wurden für das Bauvorhaben Kunst Campus, Heidestr. 14 in Berlin-Mitte eine statische Probebelastung an einem Atlas- und Fundexpfahl mit hohen Anforderungen nach EA-Pfähle ausgeführt. Hierfür wurden die Pfähle mit Extensometern bestückt, um Aussagen über die erreichten Mantelreibungs- und Spitzendrucktragfähigkeiten zu gewinnen. Im Bereich der Probepfähle stehen unter den Auffüllungen und Weichschichten locker bis mitteldicht gelagerte schluffige Sande mit organischen Einlagerungen an. Beide Probepfähle wurden mit einer Pfahllänge von l = 12,5 m hergestellt. Wie schon durch die Auswertungen durch Kempfert et al ersichtlich, konnte der Atlaspfahl in den anstehenden locker bis mitteldicht gelagerten Sanden, seine Stärke bei den Mantelreibungswerten voll zur Geltung bringen. Dadurch, dass der Schneidkopf beim Herausdrehen des Vortreibrohres den anstehenden Baugrund erneut verdichtet und die Schraubenform in den Baugrund einprägt, kommt es im Bereich des Pfahlschaftes zu hohen Tragfähigkeiten auch in locker gelagerten Sanden. Bild 8: Baugrundaufbau Kunst Campus

9 Widerstand (kn) Setzung (mm) Fundex 38/45 cm Atlas 41/51 cm Bild 9: Vergleich Widerstandssetzung-Setzungslinien Fundex- / Atlaspfahl Wie die Widerstandsetzungs-Linien zeigen, besitzt der Atlaspfahl in den locker bis mitteldicht gelagerten märkischen Sanden große Vorteile. Da die Lagerungsdichte des anstehenden Baugrundes, durch den oben beschriebenen Herstellvorgang, stark verbessert wird, können sehr hohe Mantelreibungswerte erzielt werden. Somit können bei gleichen Pfahllasten die erforderlichen Einbindelängen im tragfähigen deutlich reduziert werden. 4 Ausführung schlanker Vollverdrängungspfähle an 3 Baustellen An drei Baustellen sollen die Vorteile von vollverdrängenden Systemen dargestellt werden. Nachfolgend wird gezeigt wie man planerisch die wirtschaftlichen und technischen Vorteile nutzen und die Nachteile (Hindernisse im Baugrund) sicher und wirtschaftlich beherrschen kann. Vorteile von vollverdrängenden Systemen: - hohe vertikale Tragfähigkeit (Druck + Zug), - geringer Materialverbrauch, - keine Bodenförderung (Kontamination), - schneller und sicherer Herstellvorgang, - automatische Aufzeichnung von Herstellparametern bei der Pfahlherstellung

10 Nachteile von vollverdrängenden Systemen: - geringere horizontale Tragfähigkeit, Aufnahme geringerer Biegemomente - Bohrhindernisse können nicht durchbohrt werden 4.1 Hotel Am Hauptbahnhof, Berlin Zur Jahreswende 2012/13 wurde in unmittelbarer Nähe des Hauptbahnhofes die Tiefgründung mit Schraubpfählen System Atlas ausgeführt. Die Gründung wurde im Zuge der Angebotsbearbeitung von bauseitig geplanten Großbohrpfählen mit d = 900 und 1500 mm auf Atlaspfähle Durchmesser d s /d b = 460/560 mm umgeplant. Der Nachweis der äußeren Pfahltragfähigkeit erfolgte über die Ausführung von statischen Probebelastungen. Die Pfahllängen der Großbohrpfähle war zwischen 8 und 32 m (im Mittel 23,50 m) geplant worden. Die ausgeführten Pfahllängen der Atlaspfähle lagen zwischen 11 und 23 m (im Mittel 19,0 m), wobei die nachgewiesenen charakteristischen Einwirkungen für die Schraubpfähle zwischen 1600 und 2000 kn lagen. Die Wirtschaftlichkeit dieser Gründungslösung wird durch die nachfolgende Massenbilanz deutlich: Großbohrpfähle d = 900 mm, L = 23,5 m (i.m.) - 48 Großbohrpfähle d = 1500 mm, L = 23,5 m (i.m.) - einzubauende Betonmenge ca m³ - einzubauende Stahlmenge ca. 119 t Atlaspfähle d s /d b = 460/560 mm, L = 19,0 m (i.m.) - eingebaute Betonmenge ca m³ - eingebaute Stahlmenge ca. 84 t eingesparte Betonmenge: 2430 m³ eingesparte Stahlmenge: 35 t Bei gleichen abzutragenden Bauwerkslasten zeigt dieser Vergleich sehr eindrucksvoll wie wirtschaftlich der Einsatz von Vollverdrängungspfählen in Berliner Böden sein kann.

11 4.2 Ersatzneubau Sandauer Brücke, Havelberg Im Jahr 2008 wurde die Sandauer Brücke als Ersatzneubau in Havelberg gebaut. Der Neubau der Brücke wird als Zweifeldbrücke mit zwei Widerlagern und einem Stützenpfeiler ausgeführt. Die neue Brückentrasse verläuft parallel zur alten bestehenden Brücke. Im Zuge der Ausschreibung wurde ein Sondervorschlag, zur Gründung der Brücke auf Atlaspfählen als Alternative zu der ausgeschriebenen Großbohrpfahllösung, erarbeitet. Dieser wurde durch die Straßenbauverwaltung Sachsen Anhalt beauftragt. Folgende Arbeiten wurden ausgeführt: Atlaspfähle d s /d b = 46/56 cm, N k 1600 kn, L = ca. 16 m - 6 dynamische Probebelastungen Bild 10: Pfahlherstellung mit Atlas X am Brückenwiderlager Eine große Klippe die es zu umschiffen galt, war die Befürchtung des Bauherrn, dass die zu erwartenden Hindernisse im Baugrund das Herstellen von Vollverdrängungspfählen nicht oder nur schwer möglich machen würden. Diese Bedenken konnten durch die Erstellung eines Hindernis- Managementsystems ausgeräumt werden. An dieser Stelle soll das Augenmerk nicht auf die

12 Massenbilanz gelenkt werden, sondern es soll gezeigt werden wie mit vollverdrängenden Systemen mit dem Thema Hindernisse planerisch umgegangen werden kann. Das vereinbarte Hindernis-Management beinhaltete folgende Punkte: - Einplanung von Lastreserven (Pfahlverschiebungen, Entfall von einzelnen Pfählen usw.) - Erkundung Pfahlansatzpunkte mit Rammsondierungen - Beseitigung der Hindernisse bis ca. 5,0 m mit Erdbautechnik - Bei tieferliegenden Hindernissen planmäßige Verschiebung der Pfahlansatzpunkte - Kleinere Hindernisse müssen durch die eingesetzten Geräte verdrängt werden - Zur Qualitätssicherung Integritätsmessungen an den Pfählen mit Hindernissen Das Hindernis-Management wurde FRANKI im Bauvertrag übertragen, ohne, dass dabei von den Regelungen des Konditionen-Kartells abgewichen wurde. Aufgrund der Ergebnisse der Vorerkundungen wurden keine Hindernisbergungen erforderlich, es mussten lediglich zwei Pfähle geringfügig verschoben werden. Die Baumaßnahme wurde im Mai 2008 mit Atlas X durchgeführt. Aus der Baugrunderkundung war bekannt, dass die Pfähle in mitteldicht bis dicht gelagerte Sande einbinden und deshalb ein leistungsstarkes Bohrgerät eingesetzt werden musste. Dies wurde bei der Pfahlherstellung durch die erzielten Betriebsdrücke bestätigt. Die baubegleitend ausgeführten dynamischen Probebelastungen bestätigten die, vorab auf der Grundlage von vergleichbaren Probebelastungen, durchgeführte, rechnerische Längenermittlung der Pfähle. Die max. Einwirkungen wurden mit den erreichten Widerständen von R c,m 3500 kn sicher nachgewiesen. 4.3 Windpark Schlalach, Beelitz Heilstätten Im brandenburgischen Landkreis Potsdam-Mittelmark baut die Enercon GmbH den Windpark Schlalach mit zurzeit 16 Windkraftanlagen vom Typ E82 und einer Leistung von 2,0 MW bei einer Nabenhöhe von 138 m. In einer weiteren Ausbaustufe soll der Windpark auf insgesamt 25 Anlagen vergrößert werden. Bei diesem Beispiel soll im Besonderen auf die Wirtschaftlichkeit und den flexiblen Einsatz von vollverdrängenden Systemen, auch in Kombination miteinander eingegangen werden. Unterhalb der Mutterbodenschicht stehen sofort Sande an, deren Lagerungsdichten und Körnungslinien stark schwanken. Das Grundwasser steht knapp unterhalb der Geländeoberkante an, kann bei Niederschlagsereignissen aber sehr schnell bis zur Geländeoberkante ansteigen.

13 Der bauseitige Entwurf sah ein Flachgründungsfundament mit 30 m Durchmesser vor. Die locker gelagerten Sande im oberen Bereich sollten durch eine Rüttelstopfverdichtung verbessert werden. Da das Grundwasser sehr hoch ansteht, war eine 4 m tiefe Spundwandbaugrube mit einer horizontalen Abdichtung durch eine Weichgelsohle gegen den Wasserzutritt erforderlich. In mehreren Planungsrunden wurde der bauseitige Entwurf in ein Pfahlgründungsfundament mit 23 m Durchmesser und 30 Frankipfählen umgeplant. Die horizontale Abdichtung der Baugrube erfolgte mit einer verankerten Unterwasserbetonsohle. Als Auftriebssicherung wurden die Frankipfähle genutzt die zusätzlich durch 16 Atlaspfähle als reine Auftriebspfähle ergänzt wurden. Durch die Umstellung der Flachgründung auf eine Pfahlgründung konnten erhebliche Einsparungen im Bereich der Spundwand, des Bodenaushubs und des Fundamentbaus realisiert werden. Diese Optimierung und die Vorteile der Unterwasserbetonsohle gegenüber der Weichgelsohle, hinsichtlich der Wasserdichtigkeit und Umweltverträglichkeit haben letztendlich den Ausschlag für die Beauftragung des Sondervorschlages gegeben. Die Bauarbeiten gliederten sich je Anlage in folgende Arbeitsschritte: - Herstellung Arbeitsebene - Herstellung 16 Atlaspfähle d s /d b = 41/51 cm, L = 12 bis 16 m - Herstellung 30 Frankipfähle d = 56 cm, L = 13 bis 16 m - Aufbau der horizontalen Aussteifung als verschraubter Systemgurt - Einbringen der Spundwand, L = 9 und 10 m - Durchführung ca m³ Unterwasseraushub - Reinigung der Spundwand und Pfähle im Bereich der UWB-Sohle - Herstellung ca. 530 m³ Unterwasserbetonsohle - Lenzen der Baugrube - Reinigen der Sohle, Einbringen der Ausgleichs- und Sauberkeitssicht - Kappen der Pfähle - Übergabe der Baugrube Durch die Wiederholung der einzelnen Arbeitsschritte konnte nach einer Einlaufphase die ursprüngliche Bauzeit von 35 auf 29 Arbeitstage pro Standort reduziert werden.

14 Bild 11: Grundriss und Schnitt der WEA Baugrube Bild 12: Einbau der Sauberkeitsschicht

15 Literatur DGGT [2012]. Empfehlungen des Arbeitskreises Pfähle, 2. Auflage, Ernst & Sohn. Prof. Dr.-Ing. Katzenbach, Dr.-Ing. Schmitt [2004]. Experimentelle und numerische Untersuchungen zum Tragverhalten von Ortbetonpfählen mit variabler Bodenförderung, Heft 70 TU Darmstadt. Prof. Dr.-Ing. Kempert, Dr.-Ing. Becker [2007]. Grundlagen und Ergebnisse der Ableitung von axialen Pfahlwiderständen aus Erfahrungswerten für die EA-Pfähle, Bautechnik 84, Heft 7 Seite Dr.-Ing. Rollberg [1982]. Das Hyperbelverfahren zur Ermittlung der Bruchlasten von Pfählen, Bautechnik 27, Springer Verlag.