Vortrag Garbers/Hauser auf dem Pfahlsymposium an der TU

Der Hybridpfahl
-Der gebohrte FrankipfahlDipl.-Ing. Thomas Garbers, Ingenieurservice Grundbau GmbH, Deutschland
Dipl.-Ing. Torsten Hauser, Franki Grundbau GmbH & Co. KG, Deutschland
1
Einleitung
Aufgrund der gestiegenen Umweltanforderungen wird die Ausführung von gerammten
Pfahlsystemen in urbanen Gebieten immer schwieriger (Abb. 1). Aus diesem Grund
wurden Überlegungen angestellt wie die Erschütterungen und Lärmemissionen reduziert
werden können. Als Ergebnis wurde der Hybridpfahl entwickelt. Anhand der ausgeführten
Versuche und Probebelastungen wird das neue Pfahlsystem vorgestellt. Es wird ein
Ausblick gegeben welche zusätzlichen Anwendungen sich aus der Kombination der zwei
bewährten Pfahlsysteme ergeben.
Abbildung 1: Gebiete mit eingeschränkter Herstellbarkeit von Rammpfählen
1.1
Umwelteinflüsse durch Rammpfahlherstellung
Bei der Herstellung von Rammpfählen werden zwei Faktoren als störend empfunden, der
Lärm ausgehend von der Ramme und die Erschütterungen resultierend aus dem Eindringvorgang des Rammgutes. Die Lärmimmission geht vom Rammbären selbst, ggf. verstärkt
durch das Rammgut und dem Motor des Rammgerätes aus (Abb. 2). Bei den Erschütterungen wird zwischen ungedämpften Oberflächenwellen, die direkt zwischen Quelle und
Fundament verlaufen und den gedämpften Tiefenwellen, die im Untergrund entstehen und
die dann gedämpft durch die anstehenden Bodenschichten auf die Fundamente treffen
(Abb. 3), unterschieden.
Abbildung 2: Schallimmission bei der Rammpfahlherstellung
Abbildung 3: Erschütterungen bei der Rammpfahlherstellung
Abbildung 4: Erschütterungen bei der Rammpfahlherstellung
2
Der Hybridpfahl
Der Hybridpfahl kann als vollverdrängendes System (Kombination Glattrohr / Franki) oder
als teilverdrängendes System (TVB / Franki) je nach Baugrund und Anwendungserfordernis hergestellt werden. Beim Hybridpfahl werden die Vorteile eines gebohrten Pfahlsystems und dem Frankipfahl kombiniert. Das Vortreibrohr wird erschütterungsfrei bis auf die
erforderliche Tiefe eingebohrt. Dann wird der Pfahlfuß mit den Bemessungskurven für
Frankipfähle dimensioniert und der Fußbeton ausgerammt. Somit wird eine hohe Tragfähigkeit bei geringen Setzungen des Pfahles gewährleistet. Dadurch werden insbesondere
die Erschütterungen aber auch die Lärmimmission reduziert.
2.1
Bohrpfahl
Bohrpfähle werden in Europa nach DIN EN 1536 hergestellt. Die Herstellung erfolgt im
Allgemeinen erschütterungsfrei. Nachteil dieses Pfahlsystems ist aber die Bodenförderung
und die Herstellung unter Wasserauflast oder mit Suspensionsstützung sowie die Gefahr
von Auflockerungen im Bereich des Pfahlschaftes und des Fußes. Seit Anfang der 1980er
Jahre sind deshalb Teilverdrängungsbohrpfähle (TVB) auf dem Markt. Hier wird das
Vortreibrohr wasserdicht verschlossen, dass das Betonieren im Trockenen ermöglicht und
auch die Bodenförderung stark reduziert. Hierdurch konnten die Wirtschaftlichkeit und
auch die möglichen Pfahlwiderstände erheblich gesteigert werden. In Hamburger Sanden
sind mit diesem Pfahlsystem z.B. charakteristische Einwirkungen bis Nk = 2400 kN
möglich. Um diese Tragfähigkeit zu erzielen, muss der Pfahl mit einer Einbindedlänge von
ca. 8 – 10 m hergestellt werden. Aufgrund der großen Einbindelänge und der hohen
Pfahllasten, sind die Anforderungen an die Herstellung sehr hoch.
2.2
Frankipfahl NG
Das ursprünglich von Edgard Frankignoul zum Patent angemeldete und weltweit ausgeführte Pfahlsystem beinhaltet die Herstellung des kompletten Pfahls mit gestampften,
erdfeuchten Beton. Auch die Fußbemessung wie sie in Deutschland seit Anfang der
1990er Jahren üblich ist, ist im übrigen Anwendungsgebiet für den Frankipfahl nicht bekannt. Um im Ausland den Unterschied der beiden Systeme zu verdeutlichen wird hier der
Name Frankipfahl NG (New Generation) verwendet. Der Frankipfahl NG wird in Europa
nach DIN EN 12699 hergestellt. In Deutschland erfolgt die Bemessung der Pfahlfüße nach
den Bildern 5.6 bis 5.11 der EA-Pfähle. Die Herstellung erfolgt erschütterungsarm, da die
Einleitung der Rammenergie auf den Betonpfropfen am unteren Rohrende erfolgt. Trotzdem
treten
beim
Durchrammen
der
Arbeitsebene
und
der
Auffüllungen
Erschütterungenauf (Oberflächenwellen) die störend empfunden werden. Auch beim Lösen des Betonpfropfens und der Ausbildung des Pfahlfußes treten Erschütterungen auf,
die zwar durch die überlagernden Bodenschichten gedämpft werden, aber trotzdem zu
Störungen in der Umgebung führen können. Aufgrund der Fußausrammung besitzt der
Pfahl einen sehr großen Fußwiderstand, was hohe Tragfähigkeiten bei geringen
Einbindelängen in den tragfähigen Baugrund ermöglicht. Es können charakteristische
Einwirkungen bis Nk = 6000 kN abgetragen werden.
Tabelle 1: Gegenüberstellung der Systeme
2.3
TVB-Pfahl
Frankipfahl NG
Keine Erschütterungen
Erschütterungen
geringere Lärmimmission
Größere Lärmimmission
Große Einbindelängen im tragf. Boden
Geringe Einbindelängen im tragf. Boden
Mantelreibungspfahl
Spitzendruckpfahl
Keine Bodenverbesserung
Bodenverbesserung möglich
Bodenförderung
Keine Bodenförderung
Größere Abteufgeschwindigkeit
Geringere Abteufgeschwindigkeit
Historie
Bereits
bis
Anfang
der
1990er
Jahre
wurden
in
Norddeutschland
Teilverdrängungsbohrpfähle (TVB) mit ausgerammten Fuß hergestellt. Unter anderem
wurden bei dem Bau des Pressehauses am Baumwall in Hamburg sowohl Franki- als
auch TVB- und TVB-Pfähle mit ausgerammten Fuß hergestellt und statisch belastet (Abb.
5-7). Die damalige Gerätetechnik ermöglichte aber nur die Herstellung eines kleinen
Pfahlfußes und somit eine geringe Tragfähigkeitserhöhung gegenüber dem TVB-Pfahl.
Aufgrund der am Rohr angeschweißten Wendel konnte das Rohr nur wenig in den ausgerammten Fuß zurück gerammt werden (Abb. 8). Dadurch kam es zu Schwierigkeiten bei
der Abdichtung der unteren Rohröffnung gegenüber dem anstehenden Grundwassers
während des Einbauvorgangs des Bewehrungskorbes. Dies führte zu wiederholten
Wassereinbrüchen in das Bohrrohr und erforderte die nochmalige Herstellung des Pfahles.
Da dies unwirtschaftlich war, wurde die Ausführung dieses Pfahlsystems im Folgenden
eingestellt.
Abbildung 5: Pressehaus am Baumwall, Hamburg (Ausführung 1987)
Abbildung 6: Baugrund, Pfahlsysteme und -längen
Abbildung 7: Gegenüberstellung der Ergebnisse der statischen Probebelastungen
Abbildung 8: Pfahlfußherstellung mit TVB-Rohr
3
Der Neuanfang
Seit der letzten Ausführung dieses Pfahlsystems sind somit über 20 Jahre ins Land
gegangen.
Aufgrund
der
Weiterentwicklung
in
der
Maschinentechnik
und
den
zunehmenden Einschränkungen bei der Herstellung von Rammpfähle wurde die Idee,
gemäß dem Wertmaßstab „Wir von FRANKI verbinden Gutes aus der Vergangenheit und
Gegenwart für eine bessere Zukunft“ wieder aufgegriffen. Es wurden erste Versuche auf
Baustellen im Süden (Deggendorf) und Westen (Düsseldorf) durchgeführt. Bei den Versuchen wurde nicht nur die sichere Herstellung getestet, sondern auch Erschütterungs- und
Lärmpegelmessungen sowie Probebelastungen ausgeführt. Da die Versuche positiv verlaufen sind, wurde das Verfahren zum Patent angemeldet.
3.1
Bohrwerkzeug
Wie oben angesprochen, ist die Pfahlfußherstellung bzw. das Wiedereinrammen des Vortreibrohres in den ausgerammten Fußbeton ein besonders kritischer Punkt bei der Pfahlherstellung. Während des Abteufens des Vortreibrohres ist die Unterseite mit einer Fußplatte wasserdicht verschlossen. Diese wird durch das Ausrammen des Fußbetons nach
unten verschoben. Nun übernimmt der im Rohr befindliche Fußbeton die Abdichtung. Da
das Rohr vor dem Einbau des Bewehrungskorbes aber unten offen sein muss, ist eine
Mindesteinbindetiefe der Rohrunterkante in den Fußbeton erforderlich. Nur so kann sichergestellt werden, dass kein Wasser sowie Boden in das Rohr eindringt und somit die
Pfahlherstellung abgebrochen und neu begonnen werden muss. Aus diesem Grund war
es erforderlich ein neues Bohrrohr zu entwickeln, da sich bei den bisherigen Ausführungen
gezeigt hatte, das hier ein Schwachpunkt liegt. Es wurden verschiedene Ansätze und
Ideen zur Modifikation des Verfahrens und des Bohrrohres diskutiert. Letztendlich wurde
die Variante mit dem Einsatz von zwei getrennten Rohren favorisiert und auf den o.g.
Baustellen getestet. Eine spezielle Dichtung (Abb. 9) zwischen dem Bohrrohr und dem
Rammrohr dichtet den Zwischenraum der beiden Rohre ab. Damit wird verhindert das
Wasser, aber vor allen Boden eindringt und so das unabhängige Bewegen der Rohre
sichergestellt.
Abbildung 9: Detail Bohrrohr
Abbildung 10: Detail Fußherstellung
Abbildung 11: Herstellung Hybridpfahl mit Schneckenbohrohr
Abbildung 12: Herstellung Hybridpfahl mit glattem Bohrohr
3.2
Herstellungsversuche
Die Pfahlherstellung bei den Versuchen in Deggendorf als auch in Düsseldorf erfolgten mit
zwei Geräteeinheiten, da in der Testphase kein Gerät zur Verfügung stand mit der die drei
unterschiedlichen Pfahlsysteme Frankipfahl, Teilverdrängungsbohrpfahl und Hybridpfahl
hergestellt werden konnten. Die Testergebnisse waren sehr positiv, sodass mit dem Bau
eines Bohrtisches und eines FRANKI Spezialgerätes begonnen wurde.
3.3
Erschütterungsmessungen
In Deggendorf wurden bei der Herstellung die Erschütterungen in verschiedenen
Abständen und Höhenlagen gemessen (Abb. 13). Durch das bohrende Einbringen des
TVB-Rohres traten die größten Erschütterungen beim Durchrammen der Auffüllungen
nicht mehr auf (Abb. 15). Auch die Dauer der Erschütterungen konnte erheblich reduziert
werden.
Abbildung 13: Lageplan Messaufnehmer, Deggendorf
Abbildung 14: Schallpegel- und Erschütterungsmessung, Deggendorf
Da auf der Baustelle die Fußherstellung mit einer geringeren Fallhöhe des Freifallbären
ausgeführt wurde, ist die Darstellung in der Abb. 15 an dieser Stelle leider nicht vergleichbar. Die großen Erschütterungen beim Lösen des Betonpfropfens entfallen, da der Pfropfen erst eingebaut wird, wenn das Bohrrohr die geplante Tiefe erreicht hat. Im Folgenden
treten die gleichen Erschütterungen wir bei der Herstellung eines Frankipfahls auf, da die
weiteren Ausführungsschritte identisch sind.
Abbildung 15: Erschütterungsmessungen, Deggendorf
3.4
Schallpegelmessungen
Auch bei den Schallpegelmessungen konnten erhebliche Reduzierungen registriert werden (Abb. 16). Die kann aber auch an den unterschiedlichen Geräten gelegen haben, da
die Geräte aufgrund ihrer unterschiedlichen Konfiguration nicht vollständig vergleichbar
sind. Gleichwohl ist zu erwarten, dass bei dem geplanten Geräteneubau die Schallimmission nicht nur durch die geänderte Pfahlherstellung erheblich reduziert werden kann.
Abbildung 16: Schallpegelmessung, Deggendorf
3.5
Probebelastungen
Da sich die sich die Einsatzfähigkeit des Systems nicht nur nach der Beeinflussung der
Umwelt misst, wurden auch die Tragfähigkeiten der unterschiedlichen Pfahlsysteme durch
dynamische Probebelastungen überprüft (Abb. 17).
Abbildung 17: Ergebnisse Probebelastungen, Deggendorf
4
Ausblick
Wie die Versuche gezeigt haben, ist das „neue“ Pfahlsystem Hybridpfahl technisch sicher
ausführbar und aufgrund der erzielten Tragfähigkeiten auch wirtschaftlich einsetzbar
(Tab 2). Aus diesem Grund wurde bereits ein neuer 400-kNm-Bohrtisch (Abb. 15)
entwickelt und gebaut, der es ermöglicht das Rohr in kurzer Zeit und mit möglichst
geringer Bodenförderung auf Tiefe zu bringen. Um die Gerätekosten zu reduzieren wird
derzeit ein FRANKI Spezialgerät entwickelt, das noch 2015 in Dienst gestellt werden soll.
Somit steht ab 2016 ein neues hochtragfähiges Pfahlsystem zur Verfügung, dass dann
auch wieder in den Metropolen eingesetzt werden kann.
Tabelle 2: Möglichkeiten Hybridpfahl
Hybridpfahl
Mögliche Chancen
geringere Erschütterungen
Ausführung in erschütterungsempfindlicher
Umgebung
geringere Lärmimmission
Ausführung in lärmempfindlicher Umgebung
kurze Einbindelängen im tragf. Boden
Reduzierung der Kosten
Steigerung der Pfahllasten
Reduzierung der Pfahlanzahl und
Fundamentgrößen
Sehr gutes Widerstandsetzungsverhalten
Geringere Setzungsunterschiede
Bodenverbesserung mit Kiesvorverdichtung möglich
Einheitliche Absetztiefen,
Vergleichmäßigung der Setzungen
Keine Bodenförderung
Arbeiten an kontaminierten Standorten,
Keine Abfuhr des Bohrgutes
Schnellere Abteufgeschwindigkeit
Erhöhung der Wirtschaftlichkeit
Abbildung 15: Neuer 400-kNm-Bohrtisch
Literatur
Lichte, Beratende Ingenieure; Messbericht Erschütterungsmessungen
DMT Gründungstechnik GmbH; Messberichte dynamische Probebelastungen
Autoren
Dipl.-Ing. Thomas Garbers
Ingenieurservice Grundbau GmbH
Hittfelder Kirchweg 24, 21220 Seevetal
Dipl.-Ing. Torsten Hauser
Franki Grundbau GmbH & Co. KG
Hittfelder Kirchweg 24-28, 21220 Seevetal
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