Betonkalender 2014 - Bergmeister, Konrad / Fingerloos, Frank / Wörner, Johann-Dietrich (Hrsg.) by Ernst & Sohn

2014

BetonKalender

Beton Kalender

Unterirdisches Bauen 路 Grundbau Eurocode 7

Tunnelbau Nutzungsdauer und Bemessung Planungsprozess Numerische Simulation Vortriebsmethoden Fertigteile Spritzbeton Nachhaltigkeit Abdichtungen Schall- und Ersch眉tterungsschutz

1 ISBN 978-3-433-03051-6

A378_WTM

143 x 190 mm www.ernst-und-sohn.de

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ad564325 Betonkalender Band 1

DTP

23.10.13 11:26

Inhaltsverzeichnis

1 I

Ingenieurleistungen als Erfolgsfaktor bei Großprojekten des Tunnelbaus . . . . . 1 Georg M. Vavrovsky

Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Die Spezialisten der Bauwirtschaft . . . . 6

Der Weg zum Projekterfolg . . . . . . . . . . 3

Das Team des Cost-Engineerings . . . . . 6

Partnerschaft und Kooperation. . . . . . . 4

Zum Beitrag der Ingenieure . . . . . . . . . 5

Voraussetzungen fu¨r eine kosten- und termingerechte Projektabwicklung . . . . 7

Die Projektleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Schlussbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Die Fachexperten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Empfehlungen zur Ermittlung der Nutzungsdauer, der Einwirkungen und zur Bemessung von Tunnelbauten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Konrad Bergmeister, Erich Saurer, Thomas Marcher, Sebastian Ho¨ser

Einleitung und bersicht . . . . . . . . . . . 11

Empfehlungen zur Festlegung der Nutzungsdauer und der Teilsicherheitsbeiwerte . . . . . . . . . . . . . Nutzungsdauer und Lebenszyklus des Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Teilsicherheitsbeiwerte des Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Teilsicherheitsbeiwerte der Einwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dauerhaftigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1 2.2 2.3 2.4 3

3.1 3.2 3.3 3.4

3.5 3.5.1

Ermittlung von Einwirkungen aus dem Gebirge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Randbedingungen der Modellierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Empfohlene Stoffgesetze fu¨r das Gebirge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Empfohlene Stoffgesetze fu¨r Stu¨tzmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beru¨cksichtigung des Prima¨rspannungszustandes, der Vorentspannung und von Verbesserungsmaßnahmen im Gebirge . . . . . . . . . . . Ermittlung der Gebirgslast . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.5.2

3.5.3

11 13

3.5.4

15 15

3.5.5 15 15 16 17

17 18 18

4 4.1 4.2 4.3 4.4

4.5 4.6 4.7

Ermittlung der Gebirgslast bei spannungsdominiertem Gebirgsverhalten bei konventionellem Vortrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ermittlung der Gebirgslast bei trennfla¨chendominiertem Gebirgsverhalten bei konventionellem Vortrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ermittlung der Gebirgslast bei spannungsdominiertem Gebirge beim Vortrieb mittels geschlossener TBM mit Tu¨bbingausbau . . . . . . . . . . Ermittlung der Gebirgslast bei trennfla¨chendominiertem Gebirgsverhalten bei kontinuierlichem Vortrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ermittlung des Ausbauwiderstandes. . Berechnungsmodelle . . . . . . . . . . . . . . Modellierung der Ausbaumittel . . . . . Stabwerksmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . Stoffgesetze zur Modellierung des Bauwerks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modellierung der Bettung . . . . . . . . . . Radiale Bettung . . . . . . . . . . . . . . . . . . Federkonstanten Auflagerbereich/ Sohle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Beton-Kalender 2014: Unterirdisches Bauen, Grundbau, Eurocode 7. Herausgegeben von Konrad Bergmeister, Frank Fingerloos und Johann-Dietrich Wo¨rner c 2014 Ernst & Sohn GmbH & Co. KG. Published 2014 by Ernst & Sohn GmbH & Co. KG.

21 21 21 21 21 22 22 22 22

Inhaltsverzeichnis

Hilfsmittel zur Analyse des Ausbauwiderstandes . . . . . . . . . . . . . . 22 Kennlinienverfahren . . . . . . . . . . . . . . 22 Grundbruch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

5.1 5.2 6 6.1

6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4 6.1.5 6.1.6 6.1.7 6.1.8

III

Bemessung von Tunnelschalen . . . . . . Bemessungskonzept fu¨r die Außenschale aus Spritzbeton . . . . . . . Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnungsquerschnitte . . . . . . . . . . Materialkennwerte fu¨r Spritzbeton . . . Materialkennwerte fu¨r Bewehrungsstahl . . . . . . . . . . . . . . . . . Materialkennwerte weiterer Stu¨tzmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Teilsicherheitsbeiwerte fu¨r Einwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Teilsicherheitsbeiwerte Widersta¨nde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnungsverfahren . . . . . . . . . . . .

6.1.9

6.3.1 6.3.2 6.3.3

Bemessungskonzept fu¨r die Außenschale bei trennfla¨chendominiertem Gebirgsverhalten . . . . . . Bemessungskonzept fu¨r die Außenschale bei spannungsdominiertem Gebirgsverhalten . . . . . . Bemessungskonzept fu¨r die Tu¨bbingschale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bemessungskonzept fu¨r die Ortbetoninnenschale . . . . . . . . . . . . . . Einwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nachweisverfahren . . . . . . . . . . . . . . . Bauliche Durchbildung . . . . . . . . . . . .

Inspektion und berwachung . . . . . . . 30

Optimierung des Lebenszyklus und Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . 31

25 26

Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

6.1.10

24 24 24 24 25

6.2 6.3

26 27 27 28 28 29 30

Geologisch-geotechnischer Planungsprozess von Tunnelbauten mit Schwerpunkt tiefliegender Tunnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Ulrich Burger, Ansgar Kirsch, Thomas Marcher, Chris Reinhold

Einleitung und bersicht . . . . . . . . . . . 39

5.5

Projektphasen der Tunnelplanung und deren spezifische Ziele . . . . . . . . . 39

5.5.1

3.1

3.2 4

5.1 5.2 5.3 5.4 5.4.1 5.4.2

Bestehende Regelwerke zur geomechanischen Planung . . . . . . . . . . 40 berblick bestehender Richtlinien und Ableitung grundlegender Arbeitsschritte im geologischgeotechnischen Arbeitsprozess. . . . . . 40 Besonderheiten und Unterschiede bestehender Regelwerke . . . . . . . . . . . 42 Die Trassenwahl als ein Meilenstein im geologisch-geotechnischen Planungsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Geologisch-geotechnische Planung als Grundlage fu¨r die Wahl der Vortriebsmethode. . . . . . . . . . . . . . . . . Prozess zur Wahl der Vortriebsmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Annahmen fu¨r die Entscheidung der Vortriebsmethode . . . . . . . . . . . . . . . . Geologisches Modell als Grundlage fu¨r die Wahl der Vortriebsmethode. . . Geologische Beurteilung mittels Ausschluss- und Entscheidungskriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geologische Ausschlusskriterien . . . . Geologisches Entscheidungskriterium fu¨r Sto¨rzonen . . . . . . . . . . . .

5.5.2 6

6.1 6.2

6.2.1 6.2.2 6.2.3

43 43

6.3

6.4

46 47 47 47

Geomechanische Beurteilung mittels Ausschluss- und Entscheidungskriterien . . . . . . . . . . . . 47 Geomechanische Ausschlusskriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Geomechanische Entscheidungskriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Geotechnische Modellbildung und Parameterwahl. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundsa¨tzliches zum geologischgeotechnischen Planungsprozess . . . . Berechnungsverfahren fu¨r tiefliegende Tunnelbauwerke und erforderliche geotechnische Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Analytische Berechnungsverfahren . . Numerische Berechnungsverfahren . . Zusa¨tzliche, vom Berechnungsverfahren unabha¨ngige, erforderliche Parameter . . . . . . . . . . . . Ermittlung der erforderlichen Gesteins- und Gebirgskennwerte . . . . Gebirgsverhalten und Kriterien fu¨r die Festlegung des Gebirgsverhaltens bei tiefliegenden Tunnelbauwerken . .

49 49

49 51 52 54 54 58

Schlussfolgerungen . . . . . . . . . . . . . . . 61

8 8.1 8.2

Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Regelwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Monografien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Inhaltsverzeichnis

Auswahl der Tunnelvortriebsmethode – Dynamisches Entscheidungsmodell . . . 63 Matthias Flora, Peter Teuscher

Einleitung und Zielsetzung . . . . . . . . . 65

4.6

Einteilung der Tunnelvortriebsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . 65

Von einem Entscheidungsproblem u¨ber einen Entscheidungsprozess zu einem Entscheidungsmodell . . . . . . . . 65

4.6.1 4.6.2 4.7

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3

Das dynamische Entscheidungsmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Struktur und Hauptkomponenten des Entscheidungsmodells . . . . . . . . . Abgrenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zieldefinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pru¨fung der Methodeneignung . . . . . . Geotechnische und systemtechnische Machbarkeit . . . . . . Umwelt und Genehmigungsfa¨higkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umfeld und Akzeptanz . . . . . . . . . . . .

66 66 67 67 69 69

4.7.1 4.7.2 4.7.3 4.7.4 4.7.5 4.8 4.9 4.10

73 74 75 78 78 79 80 80 80 80 80 82

Mehrwerte des dynamischen Entscheidungsmodells . . . . . . . . . . . . . 82

Zusammenfassung und Ausblick. . . . . 83

Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

71 73 73

Bewertung der quantitativen Methodenaspekte . . . . . . . . . . . . . . . . Bauzeit und Baukosten . . . . . . . . . . . . Risiken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bewertung der qualitativen Methodenaspekte . . . . . . . . . . . . . . . . Beteiligte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vertragsmanagement . . . . . . . . . . . . . . Lebenszyklusaspekte . . . . . . . . . . . . . Marktpotenzial . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strategie/Innovationen . . . . . . . . . . . . Sensitivita¨tsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . Konsensuale Methodenauswahl . . . . . Anforderungen an die Expertengruppe . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Der zyklische Vortrieb von der Planung bis zur Ausfu¨hrung – ein zusammenfassender berblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Robert Galler Kurzfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

1 1.1 1.2

Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Definition des zyklischen Vortriebs . . 89 Prinzipien zyklischer Vortriebe . . . . . 89

2 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.2

Planung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Planungsphasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorstudie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einreichplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausschreibungsplanung . . . . . . . . . . . Ausfu¨hrungsplanung . . . . . . . . . . . . . . Untersuchung und Beschreibung der Baugrundverha¨ltnisse . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gebra¨uchliche Explorationsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beurteilung und Pra¨sentation der Ergebnisse aus den geologischen Untersuchungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausmaß der Baugrunduntersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beschreibung der geologischen Bedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beschreibung der hydrogeologischen Bedingungen . . . . Beschreibung der geotechnischen Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beschreibung von Gasvorkommen . .

2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.6 2.2.7 2.2.8

90 90 91 91 91 91 91 91 91 91 91 93 93 93 93

2.2.9 2.2.10

2.5 2.6

Weitere Informationen . . . . . . . . . . . . 93 Ausmaß der Beschreibung der Baugrundverha¨ltnisse . . . . . . . . . . . . . 94 Anordnung von Untertagebauwerken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Wahl des Tunnelsystems und der Trasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Querschnittsform . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Ausbruch und Stu¨tzung. . . . . . . . . . . . 95 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 berblick u¨ber den Planungsprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Gefahren und deren Schadensminderung . . . . . . . . . . . . . . 97 Standsicherheitsuntersuchung und Dimensionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Vor-Ort-Modifikationen der Konstruktionsmethode . . . . . . . . . . . . 99 Permanenter Ausbau . . . . . . . . . . . . . 100 Ausschreibungsunterlagen . . . . . . . . 100

3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3

Konstruktionsmethoden . . . . . . . . . . Ausbruchsmethoden . . . . . . . . . . . . . Ausbruchabfolge . . . . . . . . . . . . . . . . Prima¨rer Ausbau . . . . . . . . . . . . . . . . Hilfsmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . Baugrundverbesserungsmaßnahmen . Voraussicherungsmaßnahmen . . . . . Entwa¨sserung und Dra¨nage . . . . . . .

2.3 2.3.1 2.3.2 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5

101 101 102 103 106 106 107 108

XII 4 4.1

4.2 4.3

Inhaltsverzeichnis

Geotechnische Vermessung . . . . . . . . Ziele der geotechnischen Vermessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geotechnische Messgro¨ßen . . . . . . . Organisatorische Fragestellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

108 108 109 112

Bauvertrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

Organisation der Projektdurchfu¨hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Auftraggeber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

6.1

6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 7

Planungsteam . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauaufsicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spezialisten und Experten . . . . . . . . Auftragnehmer . . . . . . . . . . . . . . . . . Streitschlichtungsausschuss – Tunnelbausachversta¨ndiger . . . . . . . Organigramm fu¨r die Baustellenorganisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

115 115 115 115 115 115

Weiterfu¨hrende Literatur . . . . . . . . . 116

Tunnelbau im Schildvortrieb – Verfahrenstechniken und Planungsgrundlagen

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

Markus Thewes 1

Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

3.1.2

Einteilung der Tunnelvortriebsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . Tunnelbohrmaschinen (TBM) . . . . . Tunnelbohrmaschinen ohne Schild (Gripper-TBM) . . . . . . . . . . . . . . . . . Erweiterungstunnelbohrmaschinen (ETBM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tunnelbohrmaschinen mit Schild (TBM-S) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Doppelschildmaschinen (DSM) . . . . Schildmaschinen (SM) . . . . . . . . . . . Schildmaschinen mit Vollschnittabbau (SM-V) . . . . . . . . . Schildmaschinen mit Teilfla¨chenabbau (SM-T) . . . . . . . . . Schildmaschinen mit kombinierter Verfahrenstechnik und Sonderformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verfahrenstechnik zum Verfu¨llen des Ringspalts . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mo¨rtelsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verfahrenstechnik zur Verfu¨llung des Ringspalts . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1.3 3.2 3.2.1 3.2.2

2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.4 2.5 2.5.1 2.5.2 3

3.1 3.1.1

VII

123 124 124 125

3.3

125 125 125

3.4

128

3.4.1 3.4.2 3.4.3

129 130

3.5

131 131

3.6 3.7 3.7.1

133

3.7.2

Planungsgrundlagen fu¨r Schildvortriebe im Lockergestein . . . 134 Flu¨ssigkeitsschilde (SM-V4) . . . . . . 139 Einsatzbereiche . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

Herstellung und berwachung der Suspension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Separierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erddruckschilde (SM-V5) . . . . . . . . Betriebsmodus . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einsatzbereiche und Bodenkonditionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . Neuentwicklung der „VariableDensity-Machine“ – Stufenloser bergang zwischen Flu¨ssigkeitsund Erddruckstu¨tzung . . . . . . . . . . . . Erschwernisse beim Bodenabbau und -transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verklebungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schildvortrieb im Grenzbereich: Gemischte Ortsbrust aus Fels und Lockergestein . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umweltvertra¨glichkeit und Deponierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung von Schildmaschinen . . Inspektion und Werkzeugwechsel . . Inspektion und Wartung bei hohem Stu¨tzdruck . . . . . . . . . . . . . . . Einfluss des Durchmessers . . . . . . . .

140 142 143 143 145

148 149 149 152 154 156 158 160 160 162

Systemwahl Flu¨ssigkeitsschild (Hydroschild) – Erddruckschild (EPB) . . . . . . . . . . . . 165

Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

Numerische Simulation im Tunnelbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 Gu¨nther Meschke

Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

Numerische Simulationsmethoden im Tunnelbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

3.1

Vom geotechnischen Modell zur Finite-Elemente-Diskretisierung von Berechnungsabschnitten . . . . . . . . . . 177 2-D-Modellierungskonzepte zur Beru¨cksichtigung von 3-D-Effekten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

Inhaltsverzeichnis

3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5 3.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.4 3.4.1 4 4.1 4.2 4.2.1

4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 5

5.1 5.1.1 5.1.2 5.2 5.2.1

VIII

Verschiebungskontrolle (Gap method) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kennlinienverfahren (l-Verfahren) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Steifigkeits-Reduktions-Methode (Entfestigungsmethode) . . . . . . . . . . Methode des hypothetischen Elastizita¨tsmoduls . . . . . . . . . . . . . . . Volumenverlust-Methode (Volume Loss Method) . . . . . . . . . . . 3-D Finite-Elemente-Modellierung von Homogenbereichen . . . . . . . . . . Finite-Elemente-Modellierung des Baugrunds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundgleichungen zweiphasiger poro¨ser Materialien . . . . . . . . . . . . . . Finite-Elemente-Formulierung fu¨r Zweiphasenmodelle . . . . . . . . . . . . . Elementwahl und Ansatzfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beru¨cksichtigung oberirdischer Bebauung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Finite-Elemente-Modellierung von Pfahlgru¨ndungen . . . . . . . . . . . . . . . . Konstitutivmodelle fu¨r Bo¨den . . . . . . Elastisches Verhalten . . . . . . . . . . . . Elastoplastische Stoffgesetze . . . . . . Mohr-Coulomb- und DruckerPrager-Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . Elastoplastische Kappenmodelle . . . Cam-Clay Modell . . . . . . . . . . . . . . . Clay and Sand Modell. . . . . . . . . . . . Erweiterungen fu¨r teilgesa¨ttigte Bo¨den . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Numerische Vortriebssimulationen im konventionellen Tunnelbau . . . . . Modellierung von Ausbau und Stu¨tzmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . Spritzbetonschale . . . . . . . . . . . . . . . Modellbildung von Felsankern . . . . . 2-D- vs. 3-D-Analysen . . . . . . . . . . . 2-D-Analysen und Ermittlung von Vorentspannungsfaktoren . . . . . . . . .

XIII

5.2.2

3-D-Analysen: Einfluss der Gebirgsanker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

178

179

6.1

179

6.1.1 6.1.2

Numerische Vortriebssimulationen im maschinellen Tunnelbau . . . . . . . . 3-D-Modellierung des Vortriebsprozesses . . . . . . . . . . . . . . . Vortriebsmodellierung. . . . . . . . . . . . Modellierung der Tunnelvortriebsmaschine (TVM). . . . . . . . . Ortsbruststu¨tzung . . . . . . . . . . . . . . . Ringspaltverpressung . . . . . . . . . . . . Segmentierte Tunnelschale . . . . . . . . Simulationsgestu¨tzte Quantifizierung von Setzungseinflu¨ssen im maschinellen Tunnelbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einfluss der Ortsbruststu¨tzung . . . . . Einfluss der Ringspaltverpressung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

178

179 180 181

6.1.3 6.1.4 6.1.5 6.2

181 182

6.2.1 6.2.2

183 184 186 190 191 192

7.1 7.2 7.3

Numerische Modellierung von Bodenvereisung im Rahmen des Tunnelbaus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mehrphasenmodell fu¨r Bodenvereisung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Finite-Elemente-Formulierung . . . . . Simulation einer Bodenvereisung: Einfluss der Grundwasserstro¨mung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

204 206 206 207 209 212 213

215 215 215

216 217 218 219

192 193 195 195

Inverse Bestimmung von Modellparametern fu¨r numerische Analysen im Tunnelbau . . . . . . . . . . . 220

196

198

9.1 9.2

Beru¨cksichtigung von unscharfen Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stochastische Datenunscha¨rfe . . . . . Nicht stochastische Datenunscha¨rfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verallgemeinerte Unscha¨rfemodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

198 199 201 202

9.3 10

222 222 223 224

Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

202

Fertigteile im Tunnelbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Oliver Fischer, Tobias Nevrly, Gereon Behnen

Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

2 2.1 2.1.1 2.1.2

Tu¨bbingfertigteile . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anwendungsgebiete, Vorteile und Grenzen des Stahlbetontu¨bbingausbaus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geschichtliche Entwicklung des Tu¨bbingausbaus . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1.3

236 236 236 237 237

2.1.4 2.1.5 2.1.6 2.1.7 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3

Querschnittsgestaltung . . . . . . . . . . . Einschaliger oder zweischaliger Tu¨bbingausbau . . . . . . . . . . . . . . . . . Tu¨bbingsysteme – Profilformen . . . . Tu¨bbings im Bereich von Querschlagso¨ffnungen . . . . . . . . . . . Herstellung und Einbau . . . . . . . . . . Herstellung im Werk . . . . . . . . . . . . . Qualita¨tssicherung . . . . . . . . . . . . . . . Toleranzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

238 238 240 245 245 245 246 247

XIV 2.2.4 2.2.5 2.2.6 2.2.7 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5 2.4.6 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.2.1 2.6.2.2 2.6.3 2.6.3.1 2.6.3.2 2.6.4 2.6.4.1 2.6.4.2 2.6.4.3 2.6.5 2.7 2.8 2.8.1 2.8.2 2.8.3 2.8.4 2.8.5 2.9

Inhaltsverzeichnis

Betontechnologie . . . . . . . . . . . . . . . Transport und Einbau der Tu¨bbings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Interaktion zwischen Tu¨bbingfertigteilen und Tunnelvortriebsmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ringspaltverpressung . . . . . . . . . . . . Funktionale Anforderungen an den Tu¨bbingausbau . . . . . . . . . . . . . . Tragfa¨higkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dauerhaftigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . Gebrauchstauglichkeit . . . . . . . . . . . Brandschutzanforderungen . . . . . . . . Bauzusta¨nde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nachhaltigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entwurfselemente und Geometrie . . Entwurfsgrundsa¨tze . . . . . . . . . . . . . . Ringgeometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ringkonizita¨t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . La¨ngsfugenausbildung . . . . . . . . . . . Ringfugenausbildung . . . . . . . . . . . . Schlusssteinkinematik und Pressenhub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einbauteile in Tu¨bbings . . . . . . . . . . Verbindungsmittel . . . . . . . . . . . . . . . Montagehilfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dichtungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . Statische Berechnung einschaliger Tu¨bbingausbauten . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einwirkungen im Endzustand. . . . . . Einwirkungen aus Bauzusta¨nden . . . Statische Systeme fu¨r den Gesamtring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gekoppelte und ungekoppelte Ringsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modellierung der Ringsysteme . . . . Spezielle Fragen der Berechnung von Tu¨bbingringen . . . . . . . . . . . . . . Bettung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modellierung der La¨ngsfugen . . . . . Kopplungen der Ringfugen . . . . . . . Statische Modelle fu¨r Detailnachweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahlfaserbetontu¨bbings . . . . . . . . . . Bewehrungsausbildung . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betondeckung . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fla¨chenbewehrung . . . . . . . . . . . . . . Fugenbewehrung . . . . . . . . . . . . . . . . Bewehrungsgehalt . . . . . . . . . . . . . . . Schadensbilder an Tu¨bbings . . . . . . .

248 249 250 250 251 251 251 252 252 252 253 253 253 254 259 261 263 265 266 266 268 268 271 271 272 272 272 274

3 3.1 3.2 3.3

3.6

Stahlbetonvortriebsrohre . . . . . . . . . . Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorschriften und Regelwerke . . . . . . Herstellung der Stahlbetonvortriebsrohre . . . . . . . . . . . . . . . . . . Herstellung der Bewehrungsko¨rbe . . Bewehrung mit Schweißmaschine . . Bewehrung mit vorgefertigten Matten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Herstellungsverfahren der Rohre . . . Maschinenfertigung . . . . . . . . . . . . . Nassfertigung mit Innenru¨ttler bzw. Schalungsru¨ttler. . . . . . . . . . . . . . . . . Ausbildung des Rohrstoßes . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahlfu¨hrungsring . . . . . . . . . . . . . . . Dichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prima¨rdichtung (Außendichtung) . . . Sekunda¨rdichtung (Innendichtung) . . . . . . . . . . . . . . . . . Drucku¨bertragungsring (D R) . . . . . Drucku¨bertragungsringe aus Holz . . Drucku¨bertragungsringe aus anderen Werkstoffen . . . . . . . . . . . . . Statische Berechnung und Bemessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mindestbewehrung und Mindestschnittgro¨ßen . . . . . . . . . . . . Bemessung quer zur Rohrachse . . . . Berechnung von Schnittgro¨ßen in Querrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lastannahmen fu¨r Erdu¨berdeckung im Lockerboden . . . . . . . . . . . . . . . . Lastannahmen fu¨r berdeckung beim Vortrieb vollsta¨ndig im Fels und im bergangsbereich Lockerboden/Fels . . . . . . . . . . . . . . . Lastannahmen fu¨r Verkehrslasten . . Rissbreitennachweis . . . . . . . . . . . . . Ermu¨dungsnachweis . . . . . . . . . . . . . Bemessung la¨ngs zur Rohrachse . . . Einflussfaktoren auf den Vortriebswiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Berechnung der rechnerisch zula¨ssigen Spannungen und der daraus resultierenden Vortriebskra¨fte bei Drucku¨bertragungsringen aus Holz oder Holzwerkstoffen . . . . Mo¨glichkeiten zur Beeinflussung der rechnerisch zula¨ssigen Vortriebskra¨fte . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . .

Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299

3.3.1 3.3.1.1 3.3.1.2 3.3.2 3.3.2.1 3.3.2.2 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.3.1 3.4.3.2 3.4.4 3.4.4.1 3.4.4.2 3.5 3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.5.3.1 3.5.3.2 3.5.3.3

274 274 275 275 275 277 279 279 280 280 280 280 280 280 280

3.5.3.4 3.5.3.5 3.5.3.6 3.5.4 3.5.4.1 3.5.4.2

3.5.4.3

283 283 283 284 284 284 285 285 285 285 286 286 286 286 286 288 288 288 290 290 290 291 291 291 292

292 292 293 294 295 295

295 297 299

Inhaltsverzeichnis

Spritzbeton im Tunnelbau

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

Wolfgang Kusterle, Johannes Ja¨ger, Max John, Christian Neumann, Rudolf Ro¨ck 1

Einfu¨hrung und Definition . . . . . . . . 305

2 2.1 2.2

Regelwerke und Ausbildung . . . . . . . 305 Regelwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 Ausbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309

Geschichte des Spritzbetons im Tunnelbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maschinentechnik . . . . . . . . . . . . . . . Trockenspritzverfahren . . . . . . . . . . . Nassspritzverfahren . . . . . . . . . . . . . . Tunnelbaumethoden . . . . . . . . . . . . . Bindemittel und Bauchemie . . . . . . . Wirtschaftlichkeit, Spritzleistung, Ru¨ckprall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arbeitssicherheit, Qualita¨tsanforderung, Wirtschaftlichkeit und Globalisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . Forschungsta¨tigkeiten . . . . . . . . . . . .

3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 4 4.1 4.2 4.2.1 4.2.1.1 4.2.1.2 4.2.1.3

4.2.1.4 4.2.2 4.2.2.1 4.2.2.2 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.3.5.1 4.3.5.2 4.3.6 4.3.7 4.3.8 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.5 4.5.1

Ausgangsstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bindemittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Normzemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . CEM-I-Zemente nach EN 197 . . . . . Zemente mit Zumahlstoffen nach EN 197 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spritzbindemittel nach VBB-Rili Spritzbeton oder DIN 1164-11 . . . . . Zemente mit Europa¨ischer Technischer Zulassung (ETZ) . . . . . C12A7-Schnellzemente . . . . . . . . . . . Andere Schnellzemente . . . . . . . . . . Zusatzstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flugaschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbereitete hydraulisch wirksame Zusatzstoffe (AHWZ) nach NORM B 3309 . . . . . . . . . . . . . . . . Gemahlener Hu¨ttensand . . . . . . . . . . Mikrosilika (Silikastaub) . . . . . . . . . Hydraulische Zusatzstoffe vulkanischer Herkunft. . . . . . . . . . . . Trass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Puzzolane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Metakaolin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hydraulische Kalke . . . . . . . . . . . . . . Nichthydraulische Zusatzstoffe (Pigmente) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fu¨llstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Karbonatische Fu¨ller . . . . . . . . . . . . . Silikatische Fu¨ller . . . . . . . . . . . . . . . Tonmineralhaltige Fu¨ller . . . . . . . . . . Gesteinsko¨rnungen . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

309 309 310 310 312 313 314 315 315 316 319 319 319 319 319 320 322 322 322 322 323 323 323 324 324 324 324 324 324 324 325 325 325 325 325 325 325 325 325

4.5.2 4.5.2.1 4.5.2.2 4.5.2.3 4.5.2.4 4.5.3 4.5.4 4.6 4.6.1 4.6.2 4.6.2.1 4.6.2.2 4.6.2.3 4.6.2.4 4.6.3 4.6.4 4.6.5 4.6.5.1 4.6.5.2 4.6.5.3 4.6.5.4 4.6.6 4.6.6.1 4.6.6.2 4.6.6.3 4.6.6.4 4.6.7 4.6.8 4.6.9 4.6.10 4.6.11 4.6.11.1 4.6.11.2 4.6.11.3 4.6.11.4 4.7 4.7.1 4.7.2 4.7.3 4.7.4 4.7.5 4.7.6 4.7.7 4.7.8 4.8 4.9 5 5.1 5.2 5.3 5.4

Natu¨rliche Gesteinsko¨rnungen . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rundkorn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gebrochenes Korn, Kantkorn . . . . . . Mischkorn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ku¨nstliche Gesteinsko¨rnungen . . . . . Kornzusammensetzung . . . . . . . . . . . Zusatzmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fließmittel, Verflu¨ssiger . . . . . . . . . . Ligninsulfonate . . . . . . . . . . . . . . . . . Naphthalinsulfonate . . . . . . . . . . . . . Melaminsulfonate . . . . . . . . . . . . . . . Polycarboxylate . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftporenbildner . . . . . . . . . . . . . . . . Quellmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erstarrungsbeschleuniger . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wasserglas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Alkalihaltige Beschleuniger . . . . . . . Alkalifreie Beschleuniger . . . . . . . . . Ru¨ckprallminderer . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sta¨rkeether . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Methylcellulose . . . . . . . . . . . . . . . . . Bentonit und Tonminerale . . . . . . . . Stabilisatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbundverbesserer nach EN 934-5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verzo¨gerer und Konsistenzregler . . . Polymere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stahlfasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Glasfasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kunststofffasern . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenwirken der Ausgangsstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fließmittel – Zement . . . . . . . . . . . . . Erstarrungsbeschleuniger-Zement . . Verzo¨gerer – Fließmittel . . . . . . . . . . Verzo¨gerer – Erstarrungsbeschleuniger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . LP-Mittel – Flugasche. . . . . . . . . . . . LP-Mittel – Wasser . . . . . . . . . . . . . . Fließmittel – LP-Mittel . . . . . . . . . . . Baustellenpru¨fungen und Ru¨ckstellproben. . . . . . . . . . . . . . . . . Vorschla¨ge zur Wahl der Ausgangsstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . Spritzverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trockenspritzverfahren . . . . . . . . . . . Nassspritzverfahren . . . . . . . . . . . . . . Auswahl und Systemvergleich . . . . .

326 326 326 326 326 326 326 327 327 327 327 327 327 327 328 328 329 329 329 329 329 329 329 329 330 330 330 331 331 331 331 331 331 332 332 333 333 333 333 333 333 334 334 334 334 334 336 336 336 337 338

XVI

Inhaltsverzeichnis

5.5 5.6

Dosierung des Erstarrungsbeschleunigers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 Spritzarme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339

Mischung/Mischgut . . . . . . . . . . . . . . 340

7 7.1 7.2 7.3 7.4

Fertigmischungen . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorteile von Fertigmischungen. . . . . Nachteile von Fertigmischungen . . . Lagerung und Verwendung von Fertigtrockengemischen . . . . . . . . . . Trockenmischgut fu¨r Tunnelinstandsetzung . . . . . . . . . . . .

342 342 342 342

343

11.4.1 11.4.2

Auftrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Du¨senfu¨hrung in der Fla¨che . . . . . . . Du¨senfu¨hrung bei unterschiedlichen Untergrundsituationen und Bewehrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beurteilung der Du¨senfu¨hrung . . . . .

344 344 345

11.4.3

7.5 8 8.1 8.2 8.3

8.4 9

9.1 9.2 9.2.1 9.2.2 9.3 9.3.1 9.3.2 9.3.3 9.4 10 10.1 10.2 10.3 10.4

10.5 10.6 11 11.1 11.2

11.2.1

Anforderungen, Eigenschaften, Klassifizierung, Maßnahmen. . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Junger Spritzbeton. . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fru¨hfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . Festbetoneigenschaften . . . . . . . . . . . Probengewinnung . . . . . . . . . . . . . . . Klassen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spezifische Spritzbetoneigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Faserspritzbeton . . . . . . . . . . . . . . . .

343

346 348 350 350 351 351 352 355 355 356 357 358

Spritzbeton-Anwendungen . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausbausysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . Permanenter Spritzbeton . . . . . . . . . . Spritzbetonschale auf Kunststoffdichtungsbahn . . . . . . . . . . . . . . . . . . Neuentwicklungen . . . . . . . . . . . . . . Maschineller (kontinuierlicher) Vortrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

359 359 359 360

Berechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bemessung von Spritzbetonschichten zur Felssicherung . . . . . . . Empirische Verfahren . . . . . . . . . . . .

363 363

360 361 363

363 363

11.2.2

11.4.4

Statische Verfahren zur Bemessung von Spritzbetonschichten . . . . . . . . . Spritzbetonaußenschale . . . . . . . . . . Statisches Modell . . . . . . . . . . . . . . . Materialverhalten von Spritzbeton . . Geschlitzte Spritzbetonschale . . . . . . Bemessung – Tragsicherheitsnachweis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bewehrungsgehalt . . . . . . . . . . . . . . . Variable Bauteildicken . . . . . . . . . . . Statische Betrachtung des Spritzbetons als Ausbau . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einschaliger Spritzbetonquerschnitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbund-Ausbau (Composite Shell) . . . . . . . . . . . . . . . Zweischalige Bauweise . . . . . . . . . . .

Qualita¨tssicherung . . . . . . . . . . . . . . . 371

13 13.1 13.2 13.3

Pru¨fungen und Pru¨fverfahren . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fru¨hfestigkeitsmessung . . . . . . . . . . Pru¨fung der Festbetoneigenschaften von Spritzbeton . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pru¨fung des Faserspritzbetons . . . . . Großversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . Versinterungspotenzial . . . . . . . . . . .

11.3 11.3.1 11.3.2 11.3.3 11.3.4 11.3.5 11.3.6 11.4

13.3.1 13.3.2 13.3.3 13.3.4 14 14.1 14.2 14.3

14.4 14.5

Vertragsbestimmungen . . . . . . . . . . . Baugrundrisiko . . . . . . . . . . . . . . . . . Technische Vertragsbestimmungen . Abrechnung nach theoretischen Abmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abrechnung nach Verbrauch . . . . . . Faserspritzbeton . . . . . . . . . . . . . . . .

363 366 366 367 369 369 370 370 370 370 370 370 371

373 373 373 376 376 376 376 376 377 377 377 378 378 379

Arbeitssicherheitsaspekte bei Spritzbetonarbeiten . . . . . . . . . . . . . . 379

16.1 16.2 16.3

Spezielle Einsatzzwecke im Tunnelbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spritzbeton als Brandschutzschicht . Spritzbeton unter Druckluft . . . . . . . Spritzbeton statt Tunnelanstrich . . . .

Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379

Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380

379 379 379 379

Spezielle Anforderungen an Beton im Tunnelbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 Rolf Breitenbu¨cher

Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393

Aktuelle Regelwerke . . . . . . . . . . . . . 393

Grundsa¨tzliche Anforderungen an Tunnelauskleidungen . . . . . . . . . . . . . 393

4 4.1 4.2 4.3 4.3.1

Bergma¨nnische Bauweise . . . . . . . . . Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sohlgewo¨lbe und Sohlplatten . . . . . . Innenschalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . .

394 394 395 396 396

Inhaltsverzeichnis

4.3.1.1 4.3.1.2 4.3.1.3 4.3.1.4 4.3.1.5 4.3.1.6 4.3.2 4.3.2.1 4.3.2.2 4.3.2.3 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.3.6 4.3.7 4.3.7.1 4.3.7.2 4.3.7.3 4.3.7.4 4.3.7.5 5

Generelle Anforderungen . . . . . . . . . Verminderung der Rissbildung . . . . . Ausschalfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . Frischbetontemperatur . . . . . . . . . . . Druckfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . Verarbeitbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausgangsstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . Gesteinsko¨rnung . . . . . . . . . . . . . . . . Zement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betonzusatzstoffe und -zusatzmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betonzusammensetzung . . . . . . . . . . Verarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nachbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . Firstspaltverpressung . . . . . . . . . . . . Betone fu¨r besondere Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betone mit wasserundurchla¨ssigem Gefu¨ge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chemischer Angriff . . . . . . . . . . . . . . Frostangriff mit/ohne Taumittel – Verwendung von Luftporenbeton . . . Brandschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Faserbeton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

396 396 399 400 401 401 402 402 403

6.1 6.1.1 6.1.2 6.2 6.3 6.3.1 6.3.2

403 403 405 406 407 407 407 407 408 409 410

Offene Bauweise – Tunnelschalen . . . 411

6.3.3 6.3.4 7 7.1 7.2

7.3 7.4 7.5 8

XVII

Maschineller Schildvortrieb – Tu¨bbings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411 Anforderungen an Tu¨bbings . . . . . . . 411 Grundsa¨tzliche Bauweisen . . . . . . . . 411 Grundanforderungen an Tu¨bbings . . 412 Herstellung von Tu¨bbings . . . . . . . . 412 Betontechnologie fu¨r Tu¨bbings . . . . 413 Grundsa¨tze fu¨r die Betonzusammensetzung und Anforderungen . . . . . . . 413 Betonausgangsstoffe und Betonzusammensetzung . . . . . . . . . . 413 Wa¨rmebehandlung . . . . . . . . . . . . . . 414 Faserbeton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415 Ringspaltmo¨rtel . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgabe des Ringspaltmo¨rtels . . . . . Differenzierung von Ringspaltmo¨rteln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen an Ringspaltmo¨rtel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Technologie der EinkomponentenRingspaltmo¨rtel . . . . . . . . . . . . . . . . . Zweikomponenten-Ringspaltmo¨rtel und Verfu¨llungen . . . . . . . . . . . . . . . .

417 417 417 418 418 419

Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420

Tunnelausbruch – wertvoller mineralischer Rohstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 Robert Galler, Klaus Voit Kurzfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425

Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425

Geologisch-geotechnische Rahmenbedingungen . . . . . . . . . . . . . Geologischer berblick sterreichs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Materialcharakterisierung der Gesteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ermittlung der Gesteinsparameter . . Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gesteinsbeschreibung und modaler Mineralbestand . . . . . . . . . . . . . . . . . Bestimmung der Stressgrade an Quarzen zur Vorausbestimmung der AKR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ergebnisse der Gefu¨gebestimmungen mittels GlimmerGefu¨ge-Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ergebnisse der geotechnischen Laborversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ergebnisse der Abrasivita¨ts-IndexTests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ergebnisse der seismischen Untersuchungen. . . . . . . . . . . . . . . . . Ergebnisse der geochemischen Analysen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1 2.2 2.3 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5 2.4.6 2.4.7

2.4.8

Ergebnisse der Untersuchungen am Formtrenntisch . . . . . . . . . . . . . . . . . 429

3 425 425 425 427 427 427 427 428 428 428 429 429

Analysen zur Nutzbarmachung von Tunnelausbruchmaterial . . . . . . . . . . 3.1 Verunreinigung des Ausbruchmaterials auf Basis unterschiedlicher Vortriebsarten . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Stoffeintrag beim NATM-Vortrieb . . 3.1.2 Stoffeintrag beim maschinellen Vortrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3 Stoffeintrag durch Bauhilfsmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.4 Verunreinigung von Schla¨mmen aus der Tunnelentwa¨sserung und Materialaufbereitung . . . . . . . . . . . . . 3.2 Erkenntnisse aus Diskenschneidversuchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Auswirkung der Diskenschnitte auf die Ha¨rteverteilung sowie die Rissfortpflanzung . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Aufbereitungstechnik fu¨r Tunnelausbruchmaterial . . . . . . . . . . 3.4.1 Aufbereitungstechnik fu¨r Tunnelausbruchmaterial – Grundsa¨tze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1.1 Mechanische Beanspruchung der Gesteinsko¨rnung . . . . . . . . . . . . . . . .

430 430 430 430 430 430 430 433 434 435 436

XVIII

Inhaltsverzeichnis

3.4.1.2 Zerkleinerungsaggregate fu¨r Ausbruchmaterial . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1.3 Klassierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1.4 Kornrundung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Materialaufbereitung auf der Baustelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.3 Ausschreibung der Aufbereitungsanlage . . . . . . . . . . . . . 4

4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.3 4.3.1 4.3.1.1 4.3.1.2 4.3.2 4.3.2.1 4.3.2.2 4.3.3 4.4 4.5 4.6 4.6.1 4.6.2 5

5.1 5.2 5.2.1

Prinzipielle Verwendungsmo¨glichkeiten und Anforderungen an Ausbruchmaterial als mineralischer Rohstoff. . . . . . . . . . . . Verwendung in rohstoffverarbeitenden Betrieben . . . . . . . . . Gesteinsko¨rnung fu¨r die Betonherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . Normalbeton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Innenschalenbeton . . . . . . . . . . . . . . . Nutzbarmachung des Tunnelausbruchmaterials im Anwendungsbereich der Betonherstellung . . . . . . Ergebnisse der MVA Strass Po¨yry Infra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Untersuchung der Ausgangsmaterialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Untersuchungen am Beton . . . . . . . . Ergebnisse des Forschungsinstituts der Vereinigung sterreichischer Zementindustrie (V Zfi) . . . . . . . . . Gesteinsko¨rnungen . . . . . . . . . . . . . . Betontastversuche . . . . . . . . . . . . . . . Ergebnisse der Bautechnischen Pru¨f- und Versuchsanstalt (BPV) . . . Eignung von Tunnelausbruchmaterial als Ringspaltmo¨rtel – Ergebnisse der ARGE BAUTECH . . Eignung von Tunnelausbruch als Ziegelton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verwendung von Tunnelausbruch fu¨r ungebundene und hydraulisch gebundene Tragschichten . . . . . . . . . Ungebundene Tragschichten . . . . . . Hydraulisch gebundene Tragschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verwendung von Tunnelausbruchmaterial – von der Planung bis zur Ausfu¨hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entscheidungsmatrix . . . . . . . . . . . . . Baustellenorganisation . . . . . . . . . . . Planungsschritte der Materialverwendung und Materialbewirtschaftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

436 437 438 438 438

438 439 439 441 442 442 442

5.2.2 5.2.2.1 5.2.2.2 5.2.3

Verwendungsklassifizierung . . . . . . . Qualita¨tskontrolle . . . . . . . . . . . . . . . Massenmanagement . . . . . . . . . . . . . Vergabemo¨glichkeiten . . . . . . . . . . . .

453 453 454 454

6 6.1 6.1.1 6.1.2 6.2 6.2.1 6.2.2

Umweltauswirkungen . . . . . . . . . . . . kobilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Methodik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Systemgrenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prima¨renergieverbrauch . . . . . . . . . . Wirkbilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

455 455 455 455 456 457 457

7 7.1

457

7.10

Rechtliche Rahmenbedingungen . . . . Eigentumsrechtliche Fragestellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . Abfallbegriff: Unionsrechtliche Vorgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abfallrahmenrichtlinie 2008/98/EG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Judikatur des EuGH . . . . . . . . . . . . . Abfallbegriff: AWG 2002 . . . . . . . . . Objektiver Abfallbegriff/ Entledigungspflicht . . . . . . . . . . . . . . Subjektiver Abfallbegriff/ Entledigungsabsicht . . . . . . . . . . . . . Anwendungsbereich der Abfallrahmenrichtlinie 2008/98/EG . . . . . Natu¨rlicher Zustand. . . . . . . . . . . . . . Verwendung am Ort des Aushubs . . Bauzwecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Innerstaatliche Umsetzung der AbfallrahmenRL 2008/98/EG – AWG-Novelle 2010 . . . . . . . . . . . . . Ende der Abfalleigenschaft – Unionsrechtliche Vorgaben . . . . . . . . (Wieder-)Verwendung bzw. Vorbereitung zur (Wieder-) Verwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Recycling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstige Verwertung . . . . . . . . . . . . . Abgrenzung zur Beseitigung . . . . . . Innerstaatliche Rechtslage . . . . . . . . Anforderungen an Tunnelausbruch fu¨r die Verwertung. . . . . . . Beseitigung von Tunnelausbruch . . . ALSAG (Altlastensanierungsgesetz) – Beitragspflicht . . . . . . . . . . Abgrenzung zum Mineralrohstoffgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausblick aus rechtlicher Sicht . . . . .

Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467

7.2 7.2.1 7.2.2 7.3 7.3.1 7.3.2

442 442

7.4

443 443 445

7.4.1 7.4.2 7.4.3 7.4.4

445 445 449 450 450 451

451 451 453 453

7.5 7.6 7.6.1 7.6.2 7.6.3 7.6.4 7.6.5 7.7 7.8 7.9

458 458 458 459 459 460 460 460 461 462 462 462 463 463 464 464 464 464 465 465 466 467 467

Inhaltsverzeichnis

XII

Nachhaltigkeit im Tunnelbau

XIX

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469

Stephan Engelhardt, Manfred Keuser, Ju¨rgen Schwarz 1 1.1 1.2 1.3

1.4 1.5 2

2.1 2.2 2.3

XIII

Grundlagen und Definitionen . . . . . . Nachhaltigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nachhaltigkeitstrias . . . . . . . . . . . . . . Aktuelle Entwicklungen hinsichtlich Nachhaltigkeit bei Ingenieurbauwerken . . . . . . . . . . . . . Definition der Systemgrenzen . . . . . Prozesse und Lebensphasen eines Tunnelbauwerks . . . . . . . . . . . . . . . . Bewertungskriterien nachhaltiger Tunnelbauwerke . . . . . . . . . . . . . . . . Ganzheitlicher Bewertungsansatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . kologische Aspekte . . . . . . . . . . . . konomische Aspekte . . . . . . . . . . .

471 471 471

2.4 2.5 3

472 474 474

3.1 3.2

475 475 476 483

Soziokulturelle und funktionelle Aspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490 Technische Aspekte. . . . . . . . . . . . . . 493 Bewertung der Nachhaltigkeit mit multikriteriellen Entscheidungsstrategien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494 Mehrdimensionale Entscheidungsproblematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494 Methodisches Vorgehen zur Bewertung der Nachhaltigkeit von Tunnelbauwerken . . . . . . . . . . . . . . . 495

Schlussfolgerungen/ Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . 498

Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499

Kooperative Zusammenarbeit im Tunnelbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503 Walter Purrer

1 1.1 1.2 1.3

1.4 1.5 2

2.1 2.2 3

3.1 3.2

XIV

Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kooperation auf technischer Ebene . Kooperation auf sozialer Ebene . . . . Voraussetzungen fu¨r Kooperation auf den beiden Ebenen . . . . . . . . . . . Steuerung von Kooperation . . . . . . . Kooperationsprobleme in der Praxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

505 505 505

3.3

505 505

3.5

506

Praxisbeispiel vom Bau des Channel Tunnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506 Kooperation auf technischer Ebene beim „Unpredicted Event“ . . . . . . . . 506 Kooperation auf sozialer Ebene beim „Unpredicted Event“ . . . . . . . . 508 Charakteristische Unterschiede zwischen technischen und sozialen Systemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509 Kompliziertheit und Komplexita¨t . . . 510 Stabilisierende und aufschaukelnde Ru¨ckkopplungen . . . . . . . . . . . . . . . . 510

3.4

4 4.1

4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3

Beziehungen statt Eigenschaften bestimmen die Prozesse . . . . . . . . . . 514 Laufende Anpassung des Modells an die Realita¨t . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514 Weitere Unterschiede . . . . . . . . . . . . 515 Steuerung der Kooperation . . . . . . . . Leitfrage fu¨r erfolgreiche Steuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Steuerungsmodelle . . . . . . . . . . . . . . Spiraldarstellung der aufschaukelnden Ru¨ckkopplungen . Kybernetische Darstellung der Beziehungen zwischen den Prozessvariablen . . . . . . . . . . . . . . . . Systemdarstellung nach dem Viable System Model VSM . . . . . . .

515 516 517 517 518 519

Schlussfolgerung . . . . . . . . . . . . . . . . 521

Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521

Abdichtungen bei unterirdischen Bauwerken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523 Alfred Haack, Dominik Kessler

Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525

2 2.1

2.2 2.3

Planungsgrundlagen . . . . . . . . . . . . . Einfluss von Boden, Bauwerk und Bauweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einfluss des Wassers . . . . . . . . . . . . . Einfluss der Bauwerksnutzung . . . . .

4.1 4.2 4.2.1 4.2.2

Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 530

526 526 528 529

Auswahlkriterien und Anwendungsgrenzen der verschiedenen Abdichtungssysteme . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Weichabdichtungen . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schutz gegen nichtdru¨ckendes und von außen dru¨ckendes Wasser . . . . .

533 533 538 538 538

XX 4.2.3 4.3 4.4 4.5 4.6 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

Inhaltsverzeichnis

Schutz gegen von innen dru¨ckendes Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hartabdichtungen . . . . . . . . . . . . . . . Wasserundurchla¨ssige, statisch tragende Konstruktionen . . . . . . . . . . Weiterentwicklung von der WUB-KO zum Frischbetonverbundsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abdichtung mit Frischbetonverbundbahnen . . . . . . . . . . . . . . . . .

540 540 541 541 542

5.9.1 5.9.2 5.9.3 5.9.4

Leckortung bei Kunststoffbahnen . . Haftfolienverfahren . . . . . . . . . . . . . . Klettverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hotmelt-Verfahren. . . . . . . . . . . . . . .

552 554 557 558

6 6.1 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.3

Abdichtung mit WU-Beton . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fugenabdichtung im Ortbetonbau . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dehn- und Bewegungsfugen . . . . . . Pressfugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Arbeitsfugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fugenabdichtung im Betonfertigteilbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

560 560 560 560 560 567 568

5.9

Abdichtung mit Kunststoffbahnen . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abdichtungstra¨ger . . . . . . . . . . . . . . . Schutzschicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kunststoffbahn . . . . . . . . . . . . . . . . . Fu¨getechnik von Kunststoffbahnen untereinander und mit zugeho¨rigen Fugenba¨ndern . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fugenabdichtung . . . . . . . . . . . . . . . . Nahtpru¨fung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Doppellagige Abdichtung aus Kunststoffbahnen . . . . . . . . . . . . . . . Neuere Entwicklungen . . . . . . . . . . .

Schall- und Erschu¨tterungsschutz beim Schienenverkehr

5.6 5.7 5.8

544 544 545 545 546 547 548 550 551 552

572

Durchdringungen und bergangskonstruktionen . . . . . . . . . 575

Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . 580

9 9.1 9.2 9.3

Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Normen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Richtlinien und Merkbla¨tter . . . . . . . Fachliteratur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

580 580 581 582

. . . . . . . . . . . . . . . . . . 585

Friedrich Kru¨ger 1 1.1 1.2 1.3 1.3.1

1.3.2 1.4 2

2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 3 3.1 3.2 3.3

Einfu¨hrung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . berblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Emissionen und Immissionen . . . . . . Streckenfu¨hrung des Fahrwegs . . . . Erschu¨tterungen und Sekunda¨rschall . . . . . . . . . . . . . . . . . Luftschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen an einen emissionsarmen Oberbau . . . . . . . . . Grundlagen von Schwingungen und Schall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Periodische Schwingungen . . . . . . . . Schwingungsu¨berlagerung . . . . . . . . berlagerung gleicher Frequenzen . berlagerung ungleicher Frequenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Darstellung von Schwingungen . . . . Elemente eines Schwingungssystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Freie geda¨mpfte Schwingungen . . . . Nichtperiodische und stochastische Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . bertragungsfunktion und Modalanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umgang mit Pegelwerten. . . . . . . . . . Einfu¨hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schallpegelmaße . . . . . . . . . . . . . . . . Mittelungspegel . . . . . . . . . . . . . . . . .

587 587 591 591

3.4

3.6.3

Addition, Mittelung und Subtraktion von Pegeln . . . . . . . . . . . Schallfeld- und Schwingungsgro¨ßen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pegelrechnungen – praktische Anwendungen . . . . . . . . . Beziehung zwischen Pegeln und Verha¨ltnissen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pegel in der Schall- und Schwingungsmesstechnik . . . . . . . . . Umrechnung von Pegelwerten . . . . .

608 608

4 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5

Quellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schwingungen, Erschu¨tterungen . . . Luftschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rad-/Schiene-Bereich . . . . . . . . . . . . Rollgeraüsche . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stoßgeraüsche . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kurvengeraüsche . . . . . . . . . . . . . . . . Sonstige Geraüsche . . . . . . . . . . . . . .

608 609 613 613 613 615 615 618

5 5.1 5.2

Prognose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . Schwingungen/Erschu¨tterungen/ Sekunda¨rschall . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Prognoseverfahren . . . . . . . . . . . . . . Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beschreibung einzelner Verfahren – bersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

618 618

3.5 3.6

592 592

3.6.1

592

3.6.2

593 593 594 594 595 596 596 598 600 601 602 602 603 604

5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4

604 607 607 607

618 618 619 621 622

Inhaltsverzeichnis

5.2.5 5.2.5.1 5.2.5.2 5.2.5.3 5.2.5.4 5.2.6 5.2.7 5.2.8 5.2.9 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.4.1 5.3.4.2 5.3.4.3 5.3.4.4 6 6.1

6.2 6.3 6.3.1 6.3.2

Statistische Verfahren fu¨r Phasen 1 und 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abscha¨tzung des Sekunda¨rschallpegels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abscha¨tzung der Erschu¨tterungswerte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Direkte Abscha¨tzung der erforderlichen Minderungsmaßnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spektrale Abscha¨tzung des Sekunda¨rschalls . . . . . . . . . . . . . . . . . Numerisch-mathematisches Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kenngro¨ßenverfahren . . . . . . . . . . . . Ersatzerreger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenhang verschiedener Immissionsgro¨ßen . . . . . . . . . . . . . . . Luftschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . berblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verkehrsla¨rmschutzverordnung . . . . Richtlinie Schall 03 . . . . . . . . . . . . . . Durchfu¨hrung einer schalltechnischen Untersuchung nach 16. BImSchV . . . . . . . . . . . . . . Wesentliche nderung . . . . . . . . . . . Erheblicher baulicher Eingriff . . . . . Vorgehensweise bei einer Emissionsberechnung . . . . . . . . . . . . Berechnung der Schallimmissionspegel . . . . . . . . . . . Bewertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen zur Festlegung von Immissions-Anhaltswerten . . . . . . . . Auswirkung und Bewertung von Erschu¨tterungen und Sekunda¨rschall . . . . . . . . . . . . . . . . . Anhaltswerte und Beurteilung . . . . . Erschu¨tterungen. . . . . . . . . . . . . . . . . Ko¨rperschall und Sekunda¨rschall . . .

6.4 623 623 625 625

Luftschall – Grenzwerte fu¨r Außengeraüsche . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.1 Schallpegelangaben in Lastenheften fu¨r Straßen- und U-Bahnen. . . . . . . . 6.4.1.1 Fahrzeug-Außengeraüsche . . . . . . . . 6.4.1.2 Fahrzeug-Innengeraüsche . . . . . . . . . 6.4.2 EU-Schallgrenzwerte fu¨r Eisenbahnen (TSI) . . . . . . . . . . . . . . .

XXI

626

7 7.1

627 628 631

7.1.1 7.1.2 7.1.2.1

631 632 632 633 634

7.1.2.2 7.1.2.3 7.1.2.4

635 635 636

7.2.2

636 637 638

7.2 7.2.1

7.2.3 7.2.3.1 7.2.3.2 7.2.4 7.2.4.1 7.2.4.2 7.2.4.3

638 640 642 642 645

7.2.5 7.2.5.1 7.2.6 8

Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erschu¨tterungen und Sekunda¨rschall . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Minderung der Anregung . . . . . . . . . Grundkonzepte und Ausfu¨hrungsvarianten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verwendete Materialien . . . . . . . . . . Klassifizierung der Wirksamkeit . . . Einbauten im Boden und elastische Geba¨udelagerung . . . . . . . . . . . . . . . Luftschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen des „Schallarmen Konstruierens“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schallda¨mmung, -absorption und -entdro¨hnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rad/Schiene und Oberbau . . . . . . . . berblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einflu¨sse auf den maximalen Vorbeifahrpegel . . . . . . . . . . . . . . . . . Schallda¨mmung Wagenkasten . . . . . berblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einflu¨sse auf den Innenschallpegel . Einrichtungen an Haltestellen in Tunneln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kurvengera¨usche . . . . . . . . . . . . . . . . bersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schallschutzmaßnahmen im Ausbreitungsweg . . . . . . . . . . . . . . . .

647 648 648 649 651 652 652 652 652 655 656 657 658 659 659 662 663 663 664 665 665 665 667 668 668 671

Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 671

Stichwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677

2014 Beton Kalender

Ortbetonbohrpfähle als Vollverdrängungspfähle System FUNDEX Durchmesser 38 und 44 cm

2014

BetonKalender Unterirdisches Bauen · Grundbau Eurocode 7

Ortbetonrammpfähle System VIBREX Durchmesser 34 bis 61 cm und System SUPER VIBREX mit ausgerammtem Fuß Bohrpfähle nach DIN 4014 Durchmesser 40 und 60 cm Stahlrohrpfähle Baugrubenverbau als „Berliner Verbau“ oder mit Spundwänden Statische und dynamische Probebelastungen Zugversuche

Beton Gründungen Baugruben DIN EN 1997-1 Kurzfassung DIN EN 1990 DIN EN 1991 Erläuterungen

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124 x 180 mm_4c

www.ernst-und-sohn.de

BZ_Band_2_cs6.indd 1

ad564324 Betonkalender Band 2

DTP

23.10.13 12:19

Inhaltsverzeichnis

2 XVI

Beton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Harald S. Mu¨ller, Udo Wiens

1 1.1 1.2 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3

Einfu¨hrung und Definition . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Klassifizierung von Beton . . . . . . . . . . Betonarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betonklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betonfamilie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3

2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5 2.5

Ausgangsstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Zement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Arten und Zusammensetzung . . . . . . . . 8 Bautechnische Eigenschaften . . . . . . . 12 Bezeichnung, Lieferung und Lagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Anwendungsbereiche . . . . . . . . . . . . . 15 Zementhydratation . . . . . . . . . . . . . . . 19 Der Zementstein . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Gesteinsko¨rnungen fu¨r Beton . . . . . . . 22 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Art und Eigenschaften des Gesteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Scha¨dliche Bestandteile . . . . . . . . . . . 24 Kornform und Oberfla¨che . . . . . . . . . . 27 Gro¨ßtkorn und Kornzusammensetzung . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Betonzusatzmittel . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Arten von Zusatzmitteln . . . . . . . . . . . 30 Anwendungsgebiete . . . . . . . . . . . . . . 31 Weitere Anforderungen . . . . . . . . . . . . 33 Betonzusatzstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Inerte Stoffe und Pigmente . . . . . . . . . 34 Puzzolanische Stoffe . . . . . . . . . . . . . . 34 Latent-hydraulische Stoffe . . . . . . . . . 39 Organische Stoffe . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Zugabewasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3 3.1 3.2 3.3 3.4

Frischbeton und Nachbehandlung . . . Allgemeine Anforderungen . . . . . . . . Mehlkorngehalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rohdichte und Luftgehalt . . . . . . . . . . Verarbeitbarkeit und Konsistenz . . . .

2.1.4 2.1.5 2.1.6 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5

3 3 3 4 4 5 7

40 40 40 41 41

3.5 3.6 3.7 3.7.1 3.7.2 3.7.3

Transport und Einbau . . . . . . . . . . . . . Entmischen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nachbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . Nachbehandlungsarten . . . . . . . . . . . . Dauer der Nachbehandlung . . . . . . . . Zusa¨tzliche Schutzmaßnahmen . . . . .

44 46 47 47 48 49

4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5

Junger Beton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bedeutung und Definition . . . . . . . . . Hydratationswa¨rme . . . . . . . . . . . . . . . Verformungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dehnfa¨higkeit und Rissneigung . . . . . Bestimmung der Festigkeit von jungem Beton . . . . . . . . . . . . . . . .

50 50 50 50 51

Lastunabha¨ngige Verformungen . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperaturdehnung . . . . . . . . . . . . . . Schwinden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ursachen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mathematische Beschreibung . . . . . . .

53 53 53 54 54 56

5 5.1 5.2 5.3 5.3.1 5.3.2

Festigkeit und Verformung von Festbeton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Strukturmerkmale . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Druckfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.1 Spannungszustand und Bruchverhalten von Beton bei Druckbeanspruchung . . . . . . . . . . . . . 6.2.2 Einflu¨sse auf die Druckfestigkeit . . . . 6.2.2.1 Ausgangsstoffe und Betonzusammensetzung . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.2.2 Erha¨rtungsbedingungen und Reife . . . 6.2.2.3 Pru¨feinflu¨sse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.3 Festigkeitsklassen . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Zugfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.1 Bruchverhalten und Bruchenergie . . . 6.3.2 Einflu¨sse auf die Zugfestigkeit . . . . . . 6.3.3 Zentrische Zugfestigkeit . . . . . . . . . . . 6.3.4 Biegezugfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.5 Spaltzugfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.6 Verha¨ltniswerte fu¨r Druck- und Zugfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

58 58 58 58 59 59 60 64 65 65 66 66 67 67 67 68

Inhaltsverzeichnis

6.4

Festigkeit bei mehrachsiger Beanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5 Spannungs-Dehnungsbeziehungen . . 6.5.1 Elastizita¨tsmodul und Querdehnzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6 Einfluss der Zeit auf Festigkeit und Verformung . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.1 Die zeitliche Entwicklung von Festigkeit und Elastizita¨tsmodul . . . . 6.6.2 Verhalten bei Dauerstandbeanspruchung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.3 Zeitabha¨ngige Verformungen . . . . . . . 6.6.3.1 Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.3.2 Kriechverhalten von Beton . . . . . . . . . 6.6.3.3 Vorhersageverfahren . . . . . . . . . . . . . . 6.6.4 Verhalten bei dynamischer Beanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.5 Ermu¨dung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 7.1

7.2 7.3 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 8 8.1 8.2 8.3

8.4 8.5 9 9.1 9.2 9.3

9.4 9.4.1 9.4.2 9.5 9.6 9.7

Dauerhaftigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . berblick u¨ber die Umweltbedingungen, Scha¨digungsmechanismen und Mindestanforderungen . . . . . . . . . . . . Widerstand gegen das Eindringen aggressiver Stoffe . . . . . . . . . . . . . . . . Korrosionsschutz der Bewehrung im Beton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeine Anforderungen . . . . . . . . Carbonatisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . Eindringen von Chloriden . . . . . . . . . Frostwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . Frost- und Taumittelwiderstand . . . . . Widerstand gegen chemische Angriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verschleißwiderstand . . . . . . . . . . . . . Feuchtigkeitsklassen nach Alkali-Richtlinie . . . . . . . . . . . . . . . . .

69 69 70 71

10.2.1 10.2.2 10.2.3 10.2.4

10.2.5 72 72 72 73 75 77 78 81

82 86 90 90 91 93 95 95 97 98 98

Selbstverdichtender Beton . . . . . . . . . . 99 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Mischungsentwurf . . . . . . . . . . . . . . . 100 Frischbetonpru¨fverfahren an Mo¨rtel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Pru¨fungen am Beton . . . . . . . . . . . . . 102 Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Sichtbeton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einfu¨hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Planung und Ausschreibung . . . . . . . Betonzusammensetzung und Betonherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . Einbau und Nachbehandlung . . . . . . Schalung und Trennmittel . . . . . . . . . Ausfu¨hrung und Nachbehandlung . . Beurteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ma¨ngel und Ma¨ngelbeseitigung . . . . Sonder-Sichtbetone . . . . . . . . . . . . . .

10 10.1 10.2

105 105 105 106 107 107 108 108 109 110

10.2.6 10.2.7 10.3 10.4 11 11.1 11.2

Leichtbeton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einfu¨hrung und berblick . . . . . . . . Konstruktionsleichtbeton nach DIN EN 1992-1-1 . . . . . . . . . . . . . . . Grundlegende Eigenschaften . . . . . . Leichte Gesteinsko¨rnung . . . . . . . . . Betonzusammensetzung . . . . . . . . . . Herstellung, Transport und Verarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Festbetonverhalten von Konstruktionsleichtbeton . . . . . . . . . Zur Planung von Bauwerken aus Konstruktionsleichtbeton . . . . . . . . . Selbstverdichtender Konstruktionsleichtbeton . . . . . . . . . Porenbeton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Haufwerksporiger Leichtbeton . . . . .

Faserbeton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenwirken von Fasern und Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.1 Ungerissener Beton . . . . . . . . . . . . . . 11.2.2 Gerissener Beton . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Fasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3.1 Stahlfasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3.2 Glasfasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3.3 Organische Fasern . . . . . . . . . . . . . . . 11.3.3.1 Kunststofffasern (Polymere) . . . . . . . 11.3.3.2 Kohlenstofffasern . . . . . . . . . . . . . . . 11.3.3.3 Fasern natu¨rlicher Herkunft – Zellulosefasern . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4 Zusammensetzung . . . . . . . . . . . . . . . 11.4.1 Beton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4.2 Fasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.5 Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.5.1 Verhalten bei Druckbeanspruchung . . . . . . . . . . . . 11.5.2 Verhalten bei Zugbeanspruchung und bei Biegebeanspruchung . . . . . . 11.5.3 Verhalten bei Querkraft- und Torsionsbeanspruchung . . . . . . . . . . 11.5.4 Verhalten bei Explosions-, Schlag- und Stoßbeanspruchung . . . 11.5.5 Kriechen und Schwinden . . . . . . . . . 11.5.6 Dauerhaftigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.5.7 Frost- und Taumittelwiderstand . . . . 11.5.8 Verhalten bei hoher Temperatur . . . . 11.5.9 Verschleißwiderstand . . . . . . . . . . . . 11.6 bereinstimmungsnachweis und Pru¨fungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.7 Richtlinie „Stahlfaserbeton“ . . . . . . .

111 111 112 112 113 114 117 118 120 121 122 123 124 124 125 125 126 133 134 134 135 135 136 136 136 136 137 137 137 137 138 139 139 139 140 140 140 141 141

Ultrahochfester Beton . . . . . . . . . . . . 141

13 13.1 13.2

Nachhaltiger Beton . . . . . . . . . . . . . . 142 Einfu¨hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 kobilanz von Beton . . . . . . . . . . . . 143

Inhaltsverzeichnis

13.3 13.3.1 13.3.2 13.4

XVII

Mischungsentwicklung . . . . . . . . . . . Optimierung der Packungsdichte der granularen Ausgangsstoffe . . . . . Bewertung der Leistungsfa¨higkeit der Bindemittelzusammensetzung . . Methoden der Leistungsbewertung . . . . . . . . . . . . .

143

13.5

Zusammensetzung und Eigenschaften nachhaltiger Betone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

Normative Entwicklung. . . . . . . . . . . 152

Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

145 148 148

VII

Gru¨ndungen im Hoch- und Ingenieurbau

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

Rolf Katzenbach, Steffen Leppla 1

Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

2 2.1 2.2

Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Baugrund-Tragwerk-Interaktion . . . . Nachweisfu¨hrung gema¨ß Eurocode 7 (EC 7) . . . . . . . . . . . . . . . Bemessungssituationen . . . . . . . . . . . Grenzzusta¨nde der Tragfa¨higkeit und der Gebrauchstauglichkeit . . . . . Kombinationsregeln . . . . . . . . . . . . . Allgemeine Prozedur der Nachweisfu¨hrung . . . . . . . . . . . . . . . Geotechnische Kategorien . . . . . . . . Baugrunderkundung gema¨ß Eurocode 7 (EC 7) . . . . . . . . . . . . . . . Baugrunderkundungsprogramm . . . . Umfang der Baugrunderkundung bei Gru¨ndungen . . . . . . . . . . . . . . . . . Umfang der Baugrunderkundung bei Baugruben . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vier-Augen-Prinzip . . . . . . . . . . . . . . Beobachtungsmethode . . . . . . . . . . .

167 167

Flach- und Fla¨chengru¨ndungen . . . . Einzel- und Streifenfundamente . . . . Plattengru¨ndungen . . . . . . . . . . . . . . Geotechnische Nachweisfu¨hrung . . . Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ermittlung der Sohlspannungsverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Systemsteifigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . Sohlspannungsverteilung unter starren Fundamenten nach Boussinesq . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spannungstrapezverfahren . . . . . . . . Bettungsmodulverfahren . . . . . . . . . . Steifemodulverfahren . . . . . . . . . . . . Geotechnische Nachweise . . . . . . . . Nachweis der Sicherheit gegen Gleichgewichtsverlust durch Kippen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nachweis der Sicherheit gegen Gleiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nachweis der Sicherheit gegen Grundbruch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nachweis der Sicherheit gegen Aufschwimmen . . . . . . . . . . . . . . . . .

179 179 179 180 180

2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.4 2.5 3 3.1 3.2 3.3 3.3.1 3.3.2

3.3.2.1 3.3.2.2 3.3.2.3 3.3.2.4 3.3.2.5 3.3.3 3.3.3.1 3.3.3.2 3.3.3.3 3.3.3.4

168 168 169 171 171 171 174 174 175 175 177 177

180 182 183 184 184 186 187 187 187 188 193

3.3.3.5 Nachweis der Fundamentverdrehung und Begrenzung der klaffenden Fuge . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3.6 Nachweis der Horizontalverschiebungen in der Sohlfla¨che . . 3.3.3.7 Nachweis der Setzungen und Differenzsetzungen . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3.8 Vereinfachter Nachweis von Flachgru¨ndungen in Regelfa¨llen . . . 4 4.1 4.2 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.3.6

4.3.7 4.3.8 4.3.9 4.3.10 4.4

Tiefgru¨ndungen . . . . . . . . . . . . . . . . . Pfahltypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geotechnische Nachweisfu¨hrung . . . Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Axial belastete Pfa¨hle . . . . . . . . . . . . Axial belastete Pfahlgruppen . . . . . . Horizontal belastete Pfa¨hle . . . . . . . . Horizontal belastete Pfahlgruppen . . Erfahrungswerte fu¨r axial belastete Pfa¨hle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pfahlprobebelastungen . . . . . . . . . . . Erdstatische Verfahren . . . . . . . . . . . Negative Mantelreibung . . . . . . . . . . Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Optimierte Pfahlgru¨ndung einer innersta¨dtischen Großbaumaßnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Kombinierte PfahlPlattengru¨ndung . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Trag- und Verformungsverhalten . . . 5.2 Berechnungsmethoden . . . . . . . . . . . 5.3 Geotechnische Nachweisfu¨hrung . . . 5.3.1 Nachweis der Tragfa¨higkeit (ULS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2 Nachweis der Gebrauchstauglichkeit (SLS) . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.3 Pfahlprobebelastungen . . . . . . . . . . . 5.3.3.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.3.2 Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 KPP-Richtlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5 Messtechnische berwachung einer KPP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6 Ausgefu¨hrte Kombinierte Pfahl-Plattengru¨ndungen . . . . . . . . .

193 194 194 195 200 200 202 203 203 203 205 207 208 209 212 213 213 214 215

216 217 219 220 220 220 220 220 220 222 222 223

VIII 5.6.1 5.6.2 5.6.3 6 6.1

6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4

Inhaltsverzeichnis

Hochhausgru¨ndung neben S-Bahn-Tunnel in setzungsaktivem Baugrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 Spezialgru¨ndung auf Verwerfungslinie . . . . . . . . . . . . . . . . 224 Hochausgru¨ndung im Standardfall . . 226 Sondergru¨ndungen . . . . . . . . . . . . . . Geothermisch aktivierte Gru¨ndungssysteme . . . . . . . . . . . . . . Physikalische Grundlagen . . . . . . . . Massivabsorber . . . . . . . . . . . . . . . . . Dimensionierung und Nachweisfu¨hrung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Herstellung und konstruktive Durchbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

228

6.3 6.4 6.4.1 6.4.2 6.5

Energiepfahlanlage eines innersta¨dtischen Großbauprojektes . . . . . . Wiedernutzung von Bestandsgru¨ndungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zielstellung der Wiedernutzung . . . . Geotechnische Nachweisfu¨hrung . . . Notwendige Untersuchungen . . . . . . Wiedernutzung einer bestehenden Pfahlgru¨ndung . . . . . . . . . . . . . . . . . . Brunnengru¨ndungen . . . . . . . . . . . . . Senkkastengru¨ndungen . . . . . . . . . . . Offene Senkka¨sten . . . . . . . . . . . . . . Druckluftsenkka¨sten . . . . . . . . . . . . . Offshore-Gru¨ndungen . . . . . . . . . . . .

228

Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236

226 226 227 227

6.1.5 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4

229 230 232 232 233 233 234 235 235 235 236

XVIII Baugruben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 Achim Hettler, Theodoros Triantafyllidis 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

1.10 1.11 1.12

Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maßgebende Vorschriften . . . . . . . . . Geotechnische Kategorien . . . . . . . . Bautechnische Voraussetzungen. . . . Stu¨tzung von Baugrubenwa¨nden . . . Sicherheitskonzept . . . . . . . . . . . . . . Grenzzusta¨nde der Tragfa¨higkeit und der Gebrauchstauglichkeit . . . . . Bemessungssituationen . . . . . . . . . . . Teilsicherheitsbeiwerte . . . . . . . . . . . Einwirkungen und Widersta¨nde sowie repra¨sentative Werte . . . . . . . . Bodenkenngro¨ßen . . . . . . . . . . . . . . . Wahl des Berechnungsverfahrens . . Ermittlung von Schnittgro¨ßen . . . . .

252 253 253 256

2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

Baugrubenkonstruktionen. . . . . . . . . Konstruktionsarten . . . . . . . . . . . . . . Spundwandverbau . . . . . . . . . . . . . . . Tra¨gerbohlwandverbau . . . . . . . . . . . Massive Verbauwa¨nde . . . . . . . . . . . Injektionswa¨nde, Gefrierwa¨nde . . . . Mixed-in-Place-Wa¨nde . . . . . . . . . . .

258 258 258 262 266 272 273

3 3.1 3.2 3.3

Erddruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erdruhedruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wandreibungswinkel und Erddruckneigungswinkel . . . . . . . . . Gro¨ße des aktiven Erddrucks und Mindesterddruck . . . . . . . . . . . . . . . . Verteilung des aktiven Erddrucks . . . Passiver Erddruck vor Spundwa¨nden und Ortbetonwa¨nden . . . . . . Erdwiderstand vor Tra¨gerbohlwa¨nden und aufgelo¨sten Pfahlwa¨nden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

274 274 275

1.7 1.8 1.9

3.4 3.5 3.6 3.7

245 245 246 246 248 248

4.1 4.2 4.3 4.4

249 249 251

276 278 283

5 5.1 5.2

5.3

6.1 6.2 6.3 6.4 7 7.1 7.2

286

7.3 7.4

290

7.5 7.6

Nicht gestu¨tzte, im Boden eingespannte Baugrubenwa¨nde . . . . . Einspannung im Untergrund . . . . . . . Lastansa¨tze und Bodenreaktionen . . Ermittlung von Einbindetiefen und Schnittgro¨ßen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ermittlung von Verschiebungen . . . . Einmal gestu¨tzte Baugrubenwa¨nde . . Lastbilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ermittlung von Einbindetiefen und Schnittgro¨ßen bei freier Auflagerung im Boden . . . . . . . . . . . Ermittlung von Einbindetiefen und Schnittgro¨ßen bei beliebiger Fußauflagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . Mehrmals gestu¨tzte Baugrubenwa¨nde . . . . . . . . . . . . . . . . Lastbilder fu¨r zweimal gestu¨tzte Baugrubenwa¨nde . . . . . . . . . . . . . . . . Lastbilder fu¨r dreimal oder o¨fter gestu¨tzte Baugrubenwa¨nde . . . . . . . . Ermittlung von Einbindetiefen und Schnittgro¨ßen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lastbilder und Schnittgro¨ßen in den Ru¨ckbauzusta¨nden . . . . . . . . . Bettungsmodulverfahren . . . . . . . . . . Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bilinearer Ansatz und Ermittlung des zugeho¨rigen Bettungmoduls . . . Nichtlineare Bettungsansa¨tze . . . . . . Einfluss des Grundwassers auf den Bettungsmodul . . . . . . . . . . . . . . . . . Gestu¨tzte Wa¨nde . . . . . . . . . . . . . . . . Nachweis der Einbindetiefe . . . . . . .

292 292 296 299 301 304 304 305 306 309 309 311 312 315 316 316 318 321 322 322 323

Inhaltsverzeichnis

8 8.1 8.2 8.3 8.4

Finite-Elemente-Methode . . . . . . . . . Einfu¨hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorgaben aus Regelwerken . . . . . . . . Einschla¨gige Vero¨ffentlichungen . . . Vorschla¨ge zur Anwendung . . . . . . .

324 324 326 327 329

9 9.1

Gleichgewichtsbedingungen . . . . . . . Gleichgewicht der waagerechten Kra¨fte bei Tra¨gerbohlwa¨nden . . . . . . Nachweis der Vertikalkomponente des mobilisierten Erdwiderstands . . . Abtragung von Vertikalkra¨ften in den Untergrund . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheit gegen Aufbruch der Baugrubensohle . . . . . . . . . . . . . . . . . Sicherheit gegen Gela¨ndebruch . . . .

335

9.2 9.3 9.4 9.5 10

10.1 10.2 11 11.1 11.2 11.3

XIX

11.4

Nachweis der Gebrauchstauglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366

Bewegungsarme Baugrubenwa¨nde neben Bauwerken . . . . . . . . . . . . . . . 366 Konstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 Berechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368

12.1 12.2

343

13.2 13.3

346 348

13.4 13.5

Baugruben im Wasser . . . . . . . . . . . . Großfla¨chig abgesenktes Grundwasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hydraulischer Grundbruch . . . . . . . . Erd- und Wasserdruck bei umstro¨mten Wa¨nden . . . . . . . . . . . . . Grundwasserschonende Bauweisen . Hinweise zur 5. Auflage der EAB . .

Nachweis der Gebrauchstauglichkeit . . . . . . . . . . . . 350 Anwendung der EAB . . . . . . . . . . . . 350 Herstellbedingte Verformungen . . . . 352

14 14.1 14.2 14.3

Baugruben in weichen Bo¨den . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbaukonstruktionen . . . . . . . . . . . . Bauvorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Verankerte Baugrubenwa¨nde . . . . . . Verankerungskonstruktionen . . . . . . Berechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nachweis der Gesamtstandsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Baugruben bei Erbebenbeanspruchungen . . . . . . . . . . . . . . . . 384

Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385

Normen und Regelwerke

335 339

361 361 362

13 13.1

370 370 371 374 375 379 379 379 380 381

362

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391

Frank Fingerloos 1

Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393

Technische Regeln zu den Einwirkungen auf Tragwerke . . . . . . Grundlagen der Tragwerksplanung (Eurocode 0: DIN EN 1990) . . . . . . . Einfu¨hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Annahmen und Voraussetzungen . . . Grundlegende Anforderungen . . . . . Geplante Nutzungsdauer . . . . . . . . . . Dauerhaftigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . Grenzzusta¨nde . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einteilung der Einwirkungen . . . . . . Statische Berechnung . . . . . . . . . . . . Nachweisverfahren mit Teilsicherheitsbeiwerten . . . . . . . . . . Teilsicherheitsbeiwerte fu¨r Einwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kombinationsbeiwerte fu¨r Einwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kombinationsregeln fu¨r Einwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kombinationen in den Grenzzusta¨nden der Tragfa¨higkeit . . . . . . . Kombinationen in den Grenzzusta¨nden der Gebrauchstauglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vereinfachte Kombinationen im u¨blichen Hochbau . . . . . . . . . . . . . . .

2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.1.6 2.1.7 2.1.8 2.1.9 2.1.10 2.1.11 2.1.12 2.1.12.1 2.1.12.2 2.1.12.3 2.1.12.4

393 393 393 394 396 396 396 397 398 399 400

2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.5.1 2.2.5.2 2.2.5.3 2.2.5.4 2.2.5.5 2.2.5.6 2.2.5.7

401

2.2.5.8

403

2.3

404 404

2.3.1 2.3.2 2.3.3

405

2.4 406 406

2.4.1 2.4.2

Wichten, Eigengewicht und Nutzlasten (Eurocode 1: DIN EN 1991-1-1) . . . Einfu¨hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einteilung der Einwirkungen . . . . . . Bemessungssituationen . . . . . . . . . . . Eigengewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nutzlasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Charakteristische Werte . . . . . . . . . . Trennwandzuschlag. . . . . . . . . . . . . . Lagerfla¨chen mit Gabelstaplern . . . . Parkha¨user . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nicht begehbare Da¨cher . . . . . . . . . . Abminderungsbeiwerte aA (Einzugsfla¨che) und an (Anzahl der Geschosse) . . . . . . . . . . Horizontallasten auf Zwischenwa¨nde und Absturzsicherungen . . . . Brandeinwirkungen auf Tragwerke (Eurocode 1: DIN EN 1991-1-2) . . . Einfu¨hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mechanische Einwirkungen im Brandfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schneelasten (Eurocode 1: DIN EN 1991-1-3) . . . Einfu¨hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . .

407 407 407 407 408 417 417 417 417 417 420 421 421 423 424 424 424 424 425 425 426

X 2.4.3 2.4.4 2.4.5 2.4.6 2.4.7 2.4.8 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 2.5.5 2.5.6 2.5.6.1 2.5.6.2 2.5.7 2.5.7.1 2.5.7.2 2.5.7.3 2.5.7.4 2.5.7.5 2.5.7.6 2.5.7.7 2.5.7.8 2.5.7.9 2.5.7.10 2.5.8 2.5.8.1 2.5.8.2 2.5.8.3 2.5.8.4 2.5.8.5 2.5.9 2.5.10 2.6 2.6.1 2.6.2

Inhaltsverzeichnis

Charakteristische Schneelast auf dem Boden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Außergewo¨hnliche Schneelast in Norddeutschland . . . . . . . . . . . . . . . . Schneelast auf Da¨chern . . . . . . . . . . . Formbeiwerte fu¨r Da¨cher . . . . . . . . . Schneeu¨berhang an Dachtraufen . . . Schneefanggitter und Dachaufbauten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Windlasten (Eurocode 1: DIN EN 1991-1-4) . . . Einfu¨hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anwendungsbereich und Annahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Windzonen und Gela¨ndekategorien . Vereinfachte Geschwindigkeitsdru¨cke fu¨r Bauwerke bis zu einer Ho¨he von 25 m . . . . . . . . . . . . . . . . . Ho¨henabha¨ngige Geschwindigkeitsdru¨cke fu¨r Bauwerke bis 300 m Ho¨he . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Windeinwirkungen . . . . . . . . . . . . . . Winddruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Windkra¨fte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aerodynamische Beiwerte . . . . . . . . Beiwerte fu¨r vertikale Wa¨nde von Geba¨uden mit rechteckigem Grundriss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beiwerte fu¨r Flachda¨cher . . . . . . . . . Beiwerte fu¨r Pultda¨cher . . . . . . . . . . Beiwerte fu¨r Sattel- und Trogda¨cher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beiwerte fu¨r Walmda¨cher . . . . . . . . . Beiwerte fu¨r Shedda¨cher . . . . . . . . . . Beiwerte fu¨r Innendruck . . . . . . . . . . Beiwert fu¨r mehrschalige Wand- und Dachfla¨chen . . . . . . . . . . Beiwerte fu¨r freistehende Wa¨nde und Bru¨stungen . . . . . . . . . . . Beiwerte fu¨r Vorda¨cher . . . . . . . . . . . Kraftbeiwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beiwerte fu¨r Anzeigetafeln . . . . . . . . Beiwerte fu¨r Bauteile mit rechteckigem Querschnitt . . . . . . . . . Beiwerte fu¨r Bauteile mit kantigem Querschnitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beiwerte fu¨r Bauteile mit regelma¨ßigem polygonalem Querschnitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abminderungsbeiwert cr zur Beru¨cksichtigung der Schlankheit . . Abminderung des Geschwindigkeitsdrucks bei voru¨bergehenden Zusta¨nden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonderfall Reihenha¨user . . . . . . . . . . Temperatureinwirkungen (Eurocode 1: DIN EN 1991-1-5) . . . Einfu¨hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperatureinwirkungen und -verteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

426

2.6.3 2.6.4 2.7

428 429 429 433

2.7.1 2.7.2

434

2.8

434 434

2.8.1 2.8.2 2.8.3 2.8.4 2.9

435 435 437 438 438 438 440 441 441 443 445 445 445 446 453 454 454 457 457 457 457 458 459 459 461 463 463 463 464

Temperaturprofile . . . . . . . . . . . . . . . Temperaturkoeffizienten . . . . . . . . . . Einwirkungen wa¨hrend der Bauausfu¨hrung (Eurocode 1: DIN EN 1991-1-6) . . . Einfu¨hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauausfu¨hrungslasten beim Betonieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Außergewo¨hnliche Einwirkungen (Eurocode 1: DIN EN 1991-1-7) . . . Einfu¨hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anprall durch Kraftfahrzeuge . . . . . . Anprall durch Gabelstapler . . . . . . . . Innenraumexplosionen . . . . . . . . . . . Krane und Maschinen (Eurocode 1: DIN EN 1991-3) . . . . .

464 465 466 466 466 467 467 467 468 469 470

3 3.1

Technische Regeln zur Geotechnik . . 472 Einfu¨hrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472

3.2

Kurzfassung DIN EN 1997-1: Eurocode 7: Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik mit DIN 1054 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472

Inhalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473 1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473 1.2 Normative Verweisungen . . . . . . . 473 1.3 Voraussetzungen . . . . . . . . . . . . . 473 1.4 Unterscheidung nach Grundsa¨tzen und Anwendungsregeln . . . 474 1.5 Begriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474 1.6 Symbole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474 2 Grundlagen der geotechnischen Bemessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477 2.1 Anforderungen an Entwurf, Berechnung und Bemessung . . . . 477 A2.1.1 Vorgaben zu Bemessungssituationen und Grenzzusta¨nden . 477 A2.1.2 Geotechnische Kategorien . . . . . . 477 2.2 Bemessungssituationen . . . . . . . . 480 2.3 Dauerhaftigkeit . . . . . . . . . . . . . . . 481 2.4 Geotechnische Bemessung auf Grund von Berechnungen . . . . . . . 482 2.4.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . 482 2.4.2 Einwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . 482 2.4.3 Baugrundeigenschaften . . . . . . . . 485 2.4.5 Charakteristische Werte . . . . . . . . 485 2.4.6 Bemessungswerte . . . . . . . . . . . . 486 2.4.7 Grenzzusta¨nde der Tragfa¨higkeit . 487 2.4.8 Grenzzusta¨nde der Gebrauchstauglichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494 2.4.9 Grenzwerte fu¨r Fundamentbewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 496 2.5 Entwurf und Bemessung auf Grund von anerkannten Tabellenwerten . . 496 2.8 Geotechnischer Entwurfsbericht . 496 3 Geotechnische Unterlagen . . . . . . . . . . . . . 497 3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . 497 3.4 Geotechnischer Untersuchungsbericht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498 3.4.1 Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . 498

Inhaltsverzeichnis

Fla¨chengru¨ndungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . A6.1.1 Anwendungsbereich und allgemeine Anforderungen . . . . . . A6.1.2 Einstufung in die Geotechnischen Kategorien . . . . . 6.2 Grenzzusta¨nde . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Einwirkungen und Bemessungssituationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4 Gesichtspunkte bei Bemessung und Ausfu¨hrung . . . . . . . . . . . . . . 6.5 Nachweise fu¨r den Grenzzustand der Tragfa¨higkeit . . . . . . . . . . . . . . 6.5.1 Gesamtstandsicherheit. . . . . . . . . 6.5.2 Grundbruchwiderstand . . . . . . . . . 6.5.3 Gleitwiderstand . . . . . . . . . . . . . . 6.5.4 Stark exzentrische Belastung . . . . 6.5.5 Tragwerksversagen durch Fundamentbewegung . . . . . . . . . . 6.6 Bemessung im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit . . . . . . . . . 6.6.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.2 Setzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.3 Hebung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6.4 Schwingungsberechnung . . . . . . . A6.6.5 Fundamentverdrehung und Begrenzung einer klaffenden Fuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A6.6.6 Verschiebungen in der Sohlfla¨che . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7 Gru¨ndungen auf Fels; erga¨nzende Gesichtspunkte bei Entwurf und Bemessung . . . . . . . 6.8 Bemessung der Bauteile von Fla¨chengru¨ndungen . . . . . . . . . . . 6.9 Vorbereitung der Baugrubensohle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A6.10 Vereinfachter Nachweis in Regelfa¨llen . . . . . . . . . . . . . . . . . . A6.10.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . A6.10.2 Nichtbindiger Boden . . . . . . . . . . . A6.10.3 Bindiger Boden . . . . . . . . . . . . . . . A6.10.4 Fels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A6.10.5 Ku¨nstlich hergestellter Baugrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Gesamtstandsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . A11.1.1 Anwendungsbereich und allgemeine Anforderungen . . . . . . A11.1.2 Einstufung in die Geotechnischen Kategorien . . . . . 11.2 Grenzzusta¨nde . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Einwirkungen und Bemessungssituationen . . . . . . . . . . . . . . . . . .

498 498 498 498 498 499 499 499 499 500 501 502 503 503 503 504 505 505

11.4

Gesichtspunkte bei Berechnung und Ausfu¨hrung . . . . . . . . . . . . . 11.5 Berechnung im Grenzzustand der Tragfa¨higkeit . . . . . . . . . . . . . 11.5.1 Nachweis der Gesamtstandsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.6 Berechnung im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit . . . . . 11.7 Kontrollmessungen. . . . . . . . . . . Anhang A (normativ) Teilsicherheitsbeiwerte und Streuungsfaktoren fu¨r Grenzzusta¨nde der Tragfa¨higkeit und empfohlene Zahlenwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anhang H (informativ) Grenzwerte fu¨r Bauwerksverformungen und Fundamentbewegungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A Anhang AA (informativ) Merkmale und Beispiele zur Einstufung in die Geotechnischen Kategorien . . . . . . . . . . .

4 4.1

4.2 4.2.1

505 506

4.2.2 4.2.3

507

4.3

507

4.4

508 508 508 509 512 514 514 515 515 515

4.4.1

4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.4.5 4.5

515 516 516

. 517 . 517 . 517 . 518 . 519

. 519

. 520

Listen und Verzeichnisse . . . . . . . . . . Technische Baubestimmungen fu¨r den Beton- und Stahlbetonbau . . . . . Bauproduktenverordnung, Muster-Liste der Technischen Baubestimmungen und Bauregellisten . . Bauproduktenverordnung (EU-BauPV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Muster-Liste der Technischen Baubestimmungen (M-LTB). . . . . . . Bauregellisten (BRL-A, BRL-B, Liste C) . . . . . . . . Richtlinien des Deutschen Ausschusses fu¨r Stahlbeton e. V. . . . Deutscher Beton- und BautechnikVerein E. V. (DBV): Merkbla¨tter und Sachstandberichte . . . . . . . . . . . DBV-Merkblatt: „Bauen im Bestand – Modifizierte Teilsicherheitsbeiwerte fu¨r Stahlbetonbauteile“ (2013-03) . . . . . DBV-Merkblatt: „WU-Da¨cher“ (2013-07) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DBV-Merkblatt: „Industriebo¨den aus Stahlfaserbeton“ (2013-07) . . . . DBV-Merkblatt: „Betonschalungen und Ausschalfristen“ (2013-06) . . . . Inhaltsverzeichnis der DBVMerkblattsammlung . . . . . . . . . . . . . sterreichische Bautechnik Vereinigung ( BV): Richtlinien, Merkbla¨tter und Sachstandsberichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

524 524 546 546 549 550 551 553

553 554 554 554 555

556

Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558

Stichwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561

180

Gru¨ndungen im Hoch- und Ingenieurbau

erho¨ht oder Vouten angeordnet. bernimmt die Gru¨ndungsplatte auch eine Abdichtungsfunktion, so ist die Rissbreite zu beschra¨nken. Die Ausbildung, Abdichtung und Anordnung von Arbeits-, Dehn- und Setzungsfugen ist bei der Planung zu beachten und wa¨hrend der Bauausfu¨hrung besonders zu u¨berwachen.

3.3

Geotechnische Nachweisfu¨hrung

3.3.1

Grundlagen

Fu¨r die Nachweisfu¨hrung werden zwei Modellbildungen verwendet. Die Nachweise fu¨r den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (SLS) werden bei analytischen Betrachtungen i. d. R. mit linearelastischen Modellen (Stoffgesetz nach Hooke) gefu¨hrt. Die Nachweise fu¨r den Grenzzustand der Tragfa¨higkeit (ULS) werden dagegen i. d. R. mit starrplastischen Modellen gefu¨hrt. Bild 15 erla¨utert diesen Sachverhalt fu¨r Flachgru¨ndungen anhand der Lastsetzungslinie. Fu¨r Flachgru¨ndungen mu¨ssen gema¨ß den geltenden technischen Regelwerken [38, 39, 53, 54] folgende Grenzzusta¨nde untersucht werden: – Verlust der Gesamtstandsicherheit; – Grundbruch, Versagen durch Durchstanzen, Stauchen; – Gleiten; – gemeinsames Versagen von Baugrund und Bauwerk; – Tragwerksversagen infolge von Fundamentbewegung; – u¨berma¨ßige Setzungen; – u¨berma¨ßige Hebung durch Schwellen, Frost etc.; – unzula¨ssige Schwingungen.

Bild 15. Lastsetzungslinie von Flachgru¨ndungen

Werden Flachgru¨ndungen im Bereich von Bo¨schungen oder Gela¨ndespru¨ngen angeordnet, so ist der Nachweis der Sicherheit gegen Bo¨schungsbzw. Gela¨ndebruch zu fu¨hren. Dabei sind alle mo¨glichen Bruchmechanismen (Gleitkreise, zusammengesetzte Bruchmechanismen usw.) zu untersuchen [61, 62 91]. Unter bestimmten Voraussetzungen kann in einfachen Fa¨llen ein Nachweis von Flachgru¨ndungen u¨ber Tabellen nach [53] erfolgen. In diese Tabellenwerte sind sowohl der Nachweis der Sicherheit gegen Grundbruch als auch Setzungsprognosen eingearbeitet. 3.3.2

Ermittlung der Sohlspannungsverteilung

Die Kenntnis der Sohlspannungsverteilung bildet die Basis fu¨r die Bemessung von Flachgru¨ndungen. Hierzu stehen folgende Berechnungsverfahren zur Verfu¨gung [57, 58]: a) Verfahren nach Boussinesq zur Ermittlung der Sohlspannungsverteilung fu¨r starre Fundamente, b) Spannungstrapezverfahren, c) Bettungsmodulverfahren, d) Steifemodulverfahren, e) numerische Verfahren, z. B. Finite-Elemente-Methode (FEM). Das Verfahren zur Ermittlung der Sohlspannungsverteilung fu¨r starre Fundamente nach Boussinesq a) liefert theoretisch an den Fundamentra¨ndern unendlich große Spannungen, die im Baugrund aufgrund von Umlagerungsprozessen nicht auftreten ko¨nnen. Das Verfahren ist nur in einfachen Fa¨llen verwendbar. Das Spannungstrapezverfahren b) ist das einfachste, da hierbei lediglich ein geradliniger Sohlspannungsverlauf angenommen wird. Bei geringen Einbindetiefen und kleinen Fundamenten ist die Sohlspannungsverteilung infolge des Spannungstrapezverfahrens eine gute Na¨herung. Bei Flachgru¨ndungen mit großen Einbindetiefen, Streifenfundamenten oder Plattengru¨ndungen sind das Bettungsmodul- c) bzw. das Steifemodulverfahren d) geeigneter. Beim Bettungsmodulverfahren wird der Baugrund als ein System unabha¨ngiger Federn idealisiert. Eine konstante Fla¨chenlast auf biegeweicher Lastfla¨che erzeugt demnach eine gleichma¨ßige Setzung, wohingegen in der Realita¨t eine Setzungsmulde auftreten wu¨rde. Beim Steifemodulverfahren wird der Baugrund als elastischer Halbraum betrachtet und als System gekoppelter Federn modelliert. Die so ermittelte Sohlspannungsverteilung kommt der Realita¨t am na¨chsten. Die Berechnungsverfahren a) bis d) zur Ermittlung der Sohlspannungsverteilung sind Na¨he-

Flach- und Fla¨chengru¨ndungen

Die Sohlspannungsverteilung ist sowohl von der Steifigkeit des Fundaments als auch von der Relation zwischen Belastung des Fundaments und Festigkeit des Baugrunds abha¨ngig [131]. Mo¨gliche Sohlspannungsverteilungen unter Flachgru¨ndungen zeigt Bild 16. Im Fall a) ist die Tragfa¨higkeit von Fundament und Baugrund nur gering ausgenutzt. Bei Anna¨herung der Belastung an die Tragfa¨higkeit ist zwischen dem Versagen im Fundament (Fall b)) und dem Versagen im Baugrund (Fall c)) zu unterscheiden. Im Fall b) kommt es im Fundament zur Ausbildung eines Fließgelenks und damit zur Umlagerung der Sohlspannung. Die Tragfa¨higkeit ist dann im Wesentlichen durch die Rotationsfa¨higkeit des Fließgelenks bestimmt.

Bild 16. Sohlspannungsverteilungen unter Einzelfundamenten [131]

Im Fall c) erfolgt eine Umlagerung der Sohlspannungen zur Fundamentmitte hin, bis die Tragfa¨higkeit des Baugrundes erreicht ist und infolge Grundbruch versagt. Hat ein Fundament keine ausreichende Duktilita¨t, folgt bei berschreitung der inneren Tragfa¨higkeit ein spro¨des Versagen, z. B. infolge Durchstanzen. Eine Umlagerung der Sohlspannungen im Baugrund findet dann nicht statt. Der Vergleich der Sohlspannungsverteilungen in Bild 16 mit der in der Praxis ha¨ufig getroffenen Annahme einer konstanten Sohlspannungsverteilung ergibt, dass diese fu¨r den Grenzzustand der Tragfa¨higkeit i. d. R. auf der sicheren Seite, im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit jedoch auf der unsicheren Seite liegen. Bild 17 zeigt Setzungsmulde, Sohlspannungsverteilung und Momentenverlauf in Abha¨ngigkeit

Bild 17. Qualitativer Verlauf von Verformungen und Beanspruchungen eines Einzelfundamentes in Abha¨ngigkeit von der Belastung [131]

XVII

rungslo¨sungen, die i. d. R. fu¨r die Bemessung von Flachgru¨ndungen ausreichend sind. Bestmo¨gliche Prognosen zum Tag- und Verformungsverhalten bieten die numerischen Berechnungen e), da hier die Mo¨glichkeit besteht, sowohl die Bauwerkssteifigkeit als auch das nichtlineare Materialverhalten des Baugrunds ohne große Vereinfachungen pra¨zise modelltheoretisch abzubilden.

181

182

Gru¨ndungen im Hoch- und Ingenieurbau

von der Belastung. Mit zunehmender Belastung wa¨chst die anfa¨nglich gleichma¨ßige Setzung unter der Fundamentmitte stark an. Gleichzeitig verlagern sich die anfa¨nglich im Randbereich konzentrierten Sohlspannungen ebenfalls in die Mitte. Die Biegemomente konzentrieren sich unter der Belastung. 3.3.2.1 Systemsteifigkeit

Zur Ermittlung von Schnittgro¨ßen in Flachgru¨ndungen muss die Sohlspannungsverteilung, die vom Verha¨ltnis der Bauwerks- zur Baugrundsteifigkeit maßgebend beeinflusst wird, bekannt sein. Bei schlaffen Flachgru¨ndungen entspricht die Sohlspannungsverteilung der aufgebrachten Lastverteilung, bei starren Flachgru¨ndungen entsteht ein stark nichtlinearer Verlauf der Sohlspannungen mit großen Randspannungen (Bild 18). Die Unterscheidung zwischen schlaffen und starren Flachgru¨ndungen wird nach Kany u¨ber die Systemsteifigkeit K definiert, die ein Maß zur Beurteilung der Wechselwirkung zwischen Bauwerk ist: Bauwerkssteifigkeit Kw (1) Baugrundsteifigkeit Die Unterscheidung zwischen schlaffen und starren Flachgru¨ndungen ist in Tabelle 6 aufgefu¨hrt [58, 142]. Die Systemsteifigkeit K kann mit Gl. (2) bestimmt werden:

3 3 EB b h EB IB 1 EB h 12 w w ES b l3 ES b l3 12 ES l (2)

mit EB Elastizita¨tsmodul des Bauwerks [kN/m2] IB

Fla¨chentra¨gheitsmoment der Fla¨chengru¨ndung [m4]

Steifemodul des Baugrunds [kN/m2]

Breite der Flachgru¨ndung [m]

La¨nge der Flachgru¨ndung [m]

Ho¨he der Flachgru¨ndung [m]

Sie ergibt sich aus der Bauteilho¨he h und der La¨nge l sowie dem Elastizita¨tsmodul EB des Baustoffs des Bauwerks, das auf dem als elastisch isotroper Halbraum abgebildeten Baugrund mit dem Steifemodul ES aufliegt (Bild 19) [58, 101, 102]. Kreisfo¨rmige Flachgru¨ndungen mit der Bauteilho¨he h und dem Durchmesser d haben eine Systemsteifigkeit K gema¨ß Gl. (3): 3 1 EB h Kw (3) 12 ES d Fu¨r die Steifigkeit des Bauwerks wird normalerweise bei der Berechnung von Flachgru¨ndungen

Bild 18. Sohlspannungsverteilung bei schlaffen und starren Flachgru¨ndungen

Tabelle 6. Unterscheidung zwischen schlaffen und starren Flachgru¨ndungen

Bild 19. Abmessungen zur Bestimmung der Systemsteifigkeit

K j 0,1

starres Fundament

0,001 J K I 0,1

Zwischenbereich

KI 0,001

schlaffes Fundament

Flach- und Fla¨chengru¨ndungen

Bei schlaffen Fla¨chengru¨ndungen (K I 0,001) ist die Setzung im kennzeichnenden Punkt identisch mit der Setzung einer starren Fla¨chengru¨ndung. Fu¨r eine rechteckige Fla¨chengru¨ndung liegt der kennzeichnende Punkt 0,74 -mal der halben Breite von der Mitte entfernt. Fu¨r eine kreisfo¨rmige Fla¨chengru¨ndung liegt der kennzeichnende Punkt im Abstand von 0,845-mal dem Radius vom Mittelpunkt entfernt. Starre Fla¨chengru¨ndungen behalten unabha¨ngig von der Laststellung und -gro¨ße ihre Form bei. Die Sohlspannungsverteilung weist einen stark nichtlinearen Verlauf mit großen Randspannungen auf (Bild 18). Fu¨r starre Flachgru¨ndungen wie steife Einzel- und Streifenfundamente mit großer Bauteilho¨he kann die Sohlspannungsverteilung mit dem Verfahren nach Boussinesq oder dem Spannungstrapezverfahren ermittelt werden [58]. Ansonsten sind genauere Untersuchungen oder ausreichend konservative, auf der sicheren Seite liegende Annahmen notwendig. 3.3.2.2 Sohlspannungsverteilung unter starren Fundamenten nach Boussinesq

Basierend auf der Annahme, dass der Baugrund als elastisch isotroper Halbraum modelliert werden kann, hat Boussinesq im Jahr 1885 fu¨r starre Flachgru¨ndungen in einfachen Fa¨llen Gleichungen zur Sohlspannungsverteilung entwickelt [10].

Die Sohlspannungsverteilung unter einem starren Streifenfundament der Breite b ergibt sich nach Gl. (4) (Bild 20): 2 V 1 s0 w (4) qffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi p b 1 s j2 mit jw

2 x b

Fu¨r eine ausmittige Belastung mit der Exzentrizita¨t e hat Borowicka diese Gleichung wie folgt weiterentwickelt [9]: e j 1S 4 2 V b (5) e J b=4: s0 w qffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi p b 1 s j2 e i b=4: s0 w

2 V 1 S j1 qffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi p b 1 s j21

(6)

mit j1 w

2x S b s 4e 2b s 4e

Fu¨r rechteckige und kreisfo¨rmige starre Flachgru¨ndungen kann die Sohlspannungsverteilung gema¨ß Tabelle 7 berechnet werden. An den Ra¨ndern der Flachgru¨ndungen ergeben sich rechnerisch unendlich große Spannungen.

Tabelle 7. Verteilung der Sohlspannungen unter starren Flachgru¨ndungen infolge mittiger Belastung auf elastisch isotropem Halbraum

Rechteckfundament

s0 w

4 V v" ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi u # " # u 2 x 2 2 y 2 t 2 p a b 1s 1s a b

Kreisfundament

s0 w

V 1 rffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi r 2 2 p R2 1s R

XVII

nur die Steifigkeit des Gru¨ndungsbauteils angesetzt. Die Steifigkeit der aufgehenden Konstruktion wird nur in besonderen Fa¨llen beru¨cksichtigt.

183

212

Gru¨ndungen im Hoch- und Ingenieurbau

Tabelle 28. Pfahlspitzen- und Pfahlmantelwiderstand qb,k und qs,k fu¨r Fels

Einaxiale Druckfestigkeit qu,k [MN/m2]

Bruchwerte qb,k des Pfahlspitzendrucks [kN/m2]

Bruchwert qs,k der Pfahlmantelreibung [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 du¨rfen geradlinig interpoliert werden.

–

Ausschluss der Verminderung der Festigkeit infolge Bohrvorgang, z. B. Wasser bei Schluffund Tonstein.

4.3.7

Pfahlprobebelastungen

Die beste Mo¨glichkeit zur Bestimmung der Pfahltragfa¨higkeit sind Probebelastungen, die in situ auf dem Projektareal ausgefu¨hrt werden [16, 104]. Sie ko¨nnen sowohl zur Bestimmung der vertikalen als auch der horizontalen Tragfa¨higkeit eines Pfahls dienen. Grundsa¨tzlich sind dabei statische und dynamische Pfahlprobebelastungen zu unterscheiden. Ausfu¨hrlich Beschreibungen der Systeme sowie Hinweise zu Durchfu¨hrung und Auswertung finden sich in [30] und [133]. Nachfolgend soll nur auf die statischen Pfahlprobebelastungen zur Ermittlung der vertikalen Tragfa¨higkeit auf Druck eingegangen werden. Statische Pfahlprobebelastungen ko¨nnen mithilfe von Gegengewichten oder Ru¨ckverankerungen erfolgen. Zur Vermeidung des zum Teil erheblichen Aufwandes zur Errichtung der Gegengewichte bzw. der Ru¨ckverankerungen kommen vermehrt hydraulische Lastzellen, sogenannte OsterbergZellen, zum Einsatz. In einen Testpfahl ko¨nnen mehrere Lastzellen zur Bestimmung von Pfahlmantelreibung und Pfahlspitzenwiderstand einzelner Pfahlabschnitte, z. B. in unterschiedlichen Bo-

denschichten, angeordnet werden. Als Gegengewicht werden die einzelnen Pfahlabschnitte genutzt. Bild 47 zeigt schematisch die Varianten der statischen Pfahlprobebelastungen. Das Ergebnis einer Pfahlprobebelastung auf vertikalen Druck ist eine Widerstandssetzungslinie Rc,k(s), die als Grundlage fu¨r die Tragfa¨higkeitsund Gebrauchstauglichkeitsuntersuchungen verwendet wird. Aus der Widerstandssetzungslinie wird der Pfahlwiderstand Rc,k fu¨r den Nachweis des Grenzzustandes GEO-2 ermittelt. Oft ist es jedoch schwierig, den Grenzzustand der Tragfa¨higkeit aus der Widerstandssetzungslinie aufgrund des Kurvenverlaufs zu bestimmen. blicherweise werden die Grenzwidersta¨nde bei einer maximalen Setzung von 10 % des Pfahlfußdurchmessers abgelesen (sult w 0,10 · Db). Dies gilt jedoch nur fu¨r den Fall, sofern der Grenzwert in der Widerstandssetzungslinie eindeutig erkennbar ist oder erst bei gro¨ßeren Setzungen auftritt [133]. In solchen Fa¨llen ko¨nnen andere Verfahren zur Auswertung der Widerstandssetzungslinie zur Anwendung kommen. Beispielhaft zeigt Bild 48 einen qualitativen Verlauf einer Widerstandssetzungslinie. Der Pfahlwiderstand Rc,k wird mithilfe zweier Geraden ermittelt, die als Tangenten an den Anfang und das Ende der Widerstandssetzungslinie angelegt werden [21, 82].

Bild 47. Statische Pfahlprobebelastung mit Gegengewicht bzw. Ru¨ckverankerung (links) und Lastzelle (rechts)

213

XVII

Tiefgru¨ndungen

Bild 48. Ermittlung des Pfahlwiderstands aus einer Widerstandssetzungslinie

Aus einer oder mehreren Pfahlprobebelastungen wird der gemessene Wert Rc,m ermittelt, der zur Beru¨cksichtigung mo¨glicher Streuungen mit dem Faktor j abgemindert wird. Bei Druckpfa¨hlen, bei denen das Tragwerk nicht in der Lage ist, die Lasten von „weichen“ auf „steife“ Pfa¨hle umzulagern, ist der Pfahlwiderstand nach Gl. (72) zu ermitteln.

ðRc,m Þmitt ðRc,m Þmin (72) Rc,k w MIN ; j1 j2 Hat das aufgehende Tragwerk eine ausreichende Steifigkeit, um Lasten von „weichen“ auf „steife“ Pfa¨hle umzulagern, du¨rfen die Streuungsfaktoren ji durch 1,1 dividiert werden, sofern j1 niemals kleiner 1,0 wird. Der Streuungsfaktor j1 gilt fu¨r die Mittelwerte der bei statischen Pfahlprobebelastungen gemessenen Widersta¨nde. Der Streuungsfaktor j2 gilt fu¨r den kleinsten Wert der bei statischen Pfahlprobebelastungen gemessenen Widersta¨nde. Tabelle 29 zeigt die Streuungsfaktoren ji. Fu¨r die Streuungsfaktoren fu¨r Pfahlprobebelastungen auf Zug und dynamische Pfahlprobebelastungen sei auf [38, 53] verwiesen.

Tabelle 29. Streuungsfaktoren ji zur Ermittlung des charakteristischen Pfahlwiderstands

1,35

1,25

1,15

1,05

1,00

1,35

1,15

1,00

n ist die Anzahl der probebelasteten Pfa¨hle

4.3.8

Erdstatische Verfahren

Zur Bestimmung der Pfahltragfa¨higkeit wurden auch erdstatische Verfahren entwickelt [133, 135, 160]. Die entwickelten Bruchhypothesen unterscheiden sich im Wesentlichen in der Annahme der Bruchfiguren und der Stoffgesetze. Meist basieren sie auf der Modellvorstellung, dass Pfa¨hle als tief in den Baugrund einbindende Flachgru¨ndungen betrachtet und das Versagensverhalten analog dem Grundbruch bestimmt werden kann. Dabei wird aufgrund der geringen Breite eines Pfahls das Breitenglied weggelassen und nur die Tiefen- und Koha¨sionsglieder beru¨cksichtigt. Aufgrund der vorgenannten berlegungen, Pfahlgru¨ndungen als tiefe Flachgru¨ndungen zu beurteilen, erha¨lt man mit zunehmender Pfahleinbindetiefe eine nahezu lineare Zunahme des Pfahlwiderstandes. Nach [133] ist aus zahlreichen Modellversuchen bekannt, dass diese modelltheoretische Zunahme des Pfahlwiderstandes in Wirklichkeit nicht eintritt. Da bei Tiefgru¨ndungen mit wenigen Pfa¨hlen oder bei Offshore-Gru¨ndungen Pfahlprobebelastungen in situ unwirtschaftlich oder erst gar nicht mo¨glich sind, werden nach wie vor auch in der wissenschaftlichen Forschung Theorien entwickelt, um die Pfahltragfa¨higkeit rechnerisch zu ermitteln. 4.3.9

Negative Mantelreibung

Die negative Mantelreibung geho¨rt zu den besonderen Einwirkungen auf Pfahlgru¨ndungen [132]. Sie entsteht aus einer axialen Relativverschiebung zwischen Baugrund und Pfahl, die durch Setzungen einer weichen Schicht verursacht wird. Der sich setzende Boden sowie die daru¨ber liegenden Schichten ha¨ngen sich an den Pfahl u¨ber Mantel-

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Gru¨ndungen im Hoch- und Ingenieurbau

reibung an. Diese Mantelreibung aus Setzung einer weichen Schicht wird als negativ bezeichnet, da sie entgegengesetzt zur Mantelreibung aus Pfahlsetzung wirkt. Die Setzungen resultierend z. B. auf zusa¨tzlichen Auflasten, Konsolidationsvorga¨ngen oder Schwankungen des Grundwasserspiegels. Bei Zugpfa¨hlen kann ebenfalls negative Mantelreibung auftreten, wenn sich der den Pfahl umgebende Baugrund hebt.

Wird fu¨r eine Pfahlgru¨ndung die Pfahltragfa¨higkeit anhand einer Probebelastung ermittelt, so sind zu erwartende Einflu¨sse aus negativer Mantelreibung zu beru¨cksichtigen. Dazu muss nach [38] die gemessene positive Mantelreibung in der zusammendru¨ckbaren Schicht und in den daru¨ber liegenden Schichten, in denen sich die negative Mantelreibung ausbildet, von den am Pfahlkopf gemessenen Belastungen subtrahiert werden.

Fu¨r bindige Bo¨den kann der charakteristische Wert der negativen Mantelreibung mit Gl. (73) abgescha¨tzt werden.

4.3.10 Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit

tn,k w a cu

(73)

mit tn,k negative Mantelreibung cu

Scherfestigkeit des undra¨nierten Bodens

Faktor zur Festlegung der Gro¨ße der negativen Mantelreibung bindiger Bo¨den

Dabei liegt der Faktor a je nach Bodenart und Pfahltyp zwischen 0,15 und 1,60. Na¨herungsweise kann a w 1 angesetzt werden. Fu¨r nichtbindige Bo¨den kann der charakteristische Wert der negativen Mantelreibung mit Gl. (74) abgescha¨tzt werden. tn,k w slv K0 tan fl

(74)

mit tn,k negative Mantelreibung slV effektive Vertikalspannung K0 Erdruhedruckbeiwert fl

Reibungswinkel

Die negative Mantelreibung tn,k ist nicht gro¨ßer als die positive Mantelreibung qs und reicht bis zum neutralen Punkt, unterhalb dessen nur positive Mantelreibung wirkt.

Der Nachweis der Sicherheit gegen Verlust der Gebrauchstauglichkeit ist grundsa¨tzlich dann zu fu¨hren, wenn die Verformungen der Pfahlgru¨ndung fu¨r die aufgehende Konstruktion von Bedeutung sind. Dies gilt nicht nur fu¨r absolute Setzungen, sondern auch fu¨r Differenzsetzungen einzelner Pfa¨hle. Fu¨r eine Pfahlgruppe mit u¨berwiegendem Lastabtrag u¨ber Spitzendruck darf die Setzung analog einer tief liegenden Flachgru¨ndung berechnet werden. Fu¨r eine Pfahlgruppe mit u¨berwiegendem Lastabtrag u¨ber Mantelreibung ist die Ermittlung von Setzungen wesentlich komplexer. Sind pra¨zisere Untersuchungen des Verformungsverhaltens einer Pfahlgru¨ndung notwendig, ist nach [30] die Anwendung von numerischen Simulationen erforderlich. Diese numerischen Simulationen sind in geeigneter Form, z. B. an Pfahlprobebelastungen, zu kalibrieren. Nach [133] kann eine Differenzsetzung gema¨ß Bild 49 ermittelt werden. Die charakteristische Setzung sSLS entspricht der zula¨ssigen Setzung eines Bauwerkes. Zur Untersuchung mo¨glicher Einflu¨sse einer Setzungsdifferenz benachbarter Pfa¨hle wird die Setzung sSLS um einen Faktor erho¨ht bzw. vermindert, sodass sich eine Bandbreite von 2 · DsSLS ergibt. Eine vorsichtige Abscha¨tzung ist DsSLS w 0,15 · sSLS, wenn keine weiteren Untersuchungen folgen.

Bild 49. Ermittlung zu erwartender Setzungsdifferenzen einer Pfahlgruppe

Tiefgru¨ndungen

Optimierte Pfahlgru¨ndung einer innersta¨dtischen Großbaumaßnahme In der Innenstadt von Frankfurt am Main wurde die Großbaumaßnahme „PalaisQuartier“ realisiert [99, 118, 169]. Bild 50 zeigt das Projektareal mit dem fertiggestellten PalaisQuartier. Die Hochhaustu¨rme haben eine Ho¨he von bis zu 136 m. Unter dem gesamten Projektareal ist eine Tiefgarage mit fu¨nf Untergeschossen angeordnet. Die Gru¨ndungsebene der Fundamentplatte liegt in 22 m Tiefe unter der Gela¨ndeoberfla¨che. Errichtet wurde der Geba¨udekomplex in Deckelbauweise auf insgesamt 302 bis zu 27 m langen Stahlbetonpfa¨hlen mit einem Durchmesser von bis zu 1,86 m. Wie in Bild 51 dargestellt, stehen die Pfa¨hle in den sehr steifen Frankfurter Kalken auf. Aufgrund der großen Anzahl an Pfa¨hlen wurden Pfahlprobebelastungen mit Lastzellen, sogenannten Osterberg-Zellen (O-Zellen), ausgefu¨hrt. Von besonderem Interesse war die Pfahltragfa¨higkeit in den Frankfurter Kalken, auch unter Beru¨cksichtigung einer Mantelverpressung zur Erho¨hung der Tragfa¨higkeit. Der Testpfahl mit einem Durchmesser von rd. 1,70 m hatte zwei Lastzellenebenen zwischen den insgesamt drei Testsegmenten. Das obere und das untere Testsegment waren jeweils 5 m lang, das untere Testsegment hatte eine La¨nge von rd. 0,50 m (Bild 52). Am mittleren Testsegment wurde zur Erho¨hung der Mantelrei-

bung vor Versuchsbeginn eine Mantelverpressung ausgefu¨hrt. Wa¨hrend das obere und das untere Testsegment zur Ermittlung der Mantelreibung vorgesehen sind, dient das untere, sehr kurze Testsegment zur Bestimmung des Pfahlfußwiderstandes. Der Rest des Bohrlochs wurde mit Kies verfu¨llt. In der ersten Versuchsphase wurde mit der oberen Lastzelle das obere Testsegment angehoben, wa¨hrend das mittlere und das untere Testsegment als Widerlager dienten. Die untere Lastzelle wurde dabei steif geschaltet (Bild 53). Die mobilisierte Mantelreibung in den Frankfurter Kalken betrug 830 kN/m2. In der zweiten Versuchsphase wurde die obere Lastzelle drucklos geschaltet. Anschließend wurden das mittlere und das untere Testsegment durch die untere Lastzelle belastet (Bild 54). Die mobilisierte Mantelreibung in den Frankfurter Kalken mit Mantelverpressung betrug 1.040 kN/m2, also rd. 24 % mehr als ohne Mantelverpressung. Der Pfahlfußwiderstand betrug rd. 7.000 kN/m2. Aufgrund der Ergebnisse der Pfahlprobebelastungen wurde der gro¨ßte Teil der Gru¨ndungspfa¨hle mit einer Mantelverpressung in den Frankfurter Kalken hergestellt. Ein erheblicher Teil an Pfahlmetern und damit Bauzeit, Material- und Finanzressourcen eingespart.

Bild 50. Realisierte Großbaumaßnahme in Frankfurt am Main

XVII

4.4

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