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Verfahren zur Gründung von Bauwerken mittels vorgespannter Grundwerke und Erdkörper
Es ist naheliegend, die bekannte, im Stahlbetonbau so erfolgreiche und vielfach bewährte Methode des Vorspannens von Baukörper auch im Grundbau anzuwenden und durch vorgespannte Grundwerke und Erdkörper eine Verbesserung der Fundierungsverhältnisse zu erzielen.
Der der Vorspannung eigentümliche Sachverhalt ist der folgende :
Der Zustand eines aus nicht (oder im Vergleich zu seiner Druckfestigkeit nur wenig) zugfestem Material bestehenden Körpers wird durch die Einwirkung willkürlicher Zwängungen (eben der Vorspannung) derart verändert, dass unter den massgebenden Lastfällen keine Zugspannungen (volle Vorspannung), keine Risse (beschränkte Vorspannung) oder nur solche Risse auftreten, die geringer sind, als sie es ohne Vorspannen gewesen wären (teilweise Vorspannung). Die Zustandsänderung des Körpers zufolge Vorspannung bedeutet eine Verbesserung der Eigenschaften des ihn bildenden Materials, weil Minderung oder gar Vermeidung von Rissen in beanspruchten Körpern diese erfahrungsgemäss widerstandsfähiger gegen Beanspruchungen aller Art macht.
Der Gedanke der Vorspannung ist insofern nicht neu, als vorspannungserzeugende Massnahmen und Verfahren schon lange bekannt sind und verwendet werden, ohne dass freilich bei ihrer Anwendung das Augenmerk immer auf dem Effekt des Vorspannens selbst läge. Als typische Beispiele seien genannt : Die Methode des Scheitelpressens beim Ausrüsten massiver Bogenrücken, die das dem Tragwerk abträgliche Nachgeben der Widerlager unter grossem Horizontalschub kompensiert, die verschiedenen bekannten Methoden von Tiefgründungen, wo der Baugrund durch die seitliche Erdauflast am Ausweichen im Gründungbereich gehindert ist, und schliesslich das Verfahren des Heissaufziehens der Spurkränze auf Eisenbahnräder, das auch unter stark wechselnder Last die ausreichende Haftreibung zwischen Kranz und Scheibe sichert.
Die Vorspannung als material verbessernde Massnahme mit der Absicht, Risse zu mindern oder zu meiden, wurde bisher vor allem im Hochbau und im Brückenbau verwirklicht ; es sind viele Verfahren bekannt, bei denen der aus Stahlbeton bestehende Baukörper durch gegen ihn gespannte Stähle unter Vorspannung steht. Von diesen, nur das Tragwerk selbst vorspannenden Verfahren unterscheiden sich jene, die den Baugrund mit zur Ausübung der Vorspannung heranziehen. Der wirtschaftliche Vorteil der Verfahren mit Mitwirkung des Baugrundes ist der wesentlich geringere Bauaufwand. Bekannte Beispiele sind die verschiedenen Verfahren zur Vorspannung von Stollenauskleidungen, die durch den Widerstand des umgebenden Felsens die Vorspannwirkung erzwingen.
Wenn bei der Gründung von Bauwerken der Baugrund nicht kompakter Fels, sondern-wie es häufig vorkommt-rolliger oder bindiger Boden ist, ist die Inanspruchnahme des Bodens zur Lastabbürdung von merkbaren und mitunter beträchtlichen Verformungen des Baugrundes begleitet. Ob die auftretenden Setzungen, Schiefstellungen und Horizontalverschiebungen des Grundwerkes erträglich sind, hängt vor allem vom statischen System des Tragwerkes ab.
Im allgemeinen sind selbst etwas ungleichmässige Setzungen ziemlich ungefährlich, während schon geringe Schiefstellungen oder Horizontalverschiebungen beträchtliche Zwängungen in das Bauwerk eintragen können ; beispielsweise kann die Sprengwerkswirkung einer
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Brücke mit schrägen Stielen schon durch weniges Ausweichen der Stielfundamente zunichte werden.
Die bekannten einfachen Gründungsverfahren haben den Nachteil, die angeführten strengen Anforderungen an die Unnachgiebigkeit der Gründung nicht in allen Fällen von vornherein erfüllen zu können.
Falls das Grundwerk hauptsächlich durch Vertikalkräfte beansprucht ist, tritt bei halbwegs homogenem Boden nur eine - für das Bauwerk ungefährliche - Setzung auf, weil Reibung und Erddruck ohne weiters den angreifenden geringen Horizontalkräften und Momenten das Gleichgewicht zu halten vermögen. Ist das Grundwerk aber neben den Vertikalkräften auch noch durch beträchtliche Horizontalkräfte und Momente beansprucht, so reichen Reibung und Erddruck nicht aus und das Grundwerk bewegt und verformt sich, bis es ausreichenden elastischen Widerstand und Erdwiderstand weckt. Die Grösse der gesamten Verformungen des Grundwerkes hängt von der Steifigkeit seines Systems und der Zusammendrückbarkeit des Baugrundes ab.
Will man Zwang im Bauwerk zufolge Ausweichens der Grundwerke unter Horizontalschub vermeiden, so kann man eine durch Pressen korrigierbare provisorische Fuge zwischen Tragwerk und Grundwerk offenhalten, eine ebenfalls durch Pressen wirksam werdende und gegebenenfalls nachzustellende Erddruckplatte oder eine aktive Fuge nach Freyssinet zwischen Grundwerk und Widerlager vorsehen. Alle diese Massnahmen sind aber baulich kompliziert und erst in späten Baustadien oder gar erst längere Zeit nach Bauende durchzuführen, so dass das Grundwerk lange in einem provisorischen Zustand verbleibt. Versagt der Baugrund beim Pressen, so ist eine Sanierung des gesamten Bauwerkes erforderlich.
Die gestellte Aufgabe ist die folgende : Es soll ein einfaches Gründungsverfahren angegeben werden, das die sichere Abbürdung beträchtlicher Horizontalkräfte und Momente - wie sie beispielsweise bei Rahmen- und Bogenbrücken vorkommen - auch in schlechtem Baugrund ohne wesentliche Horizontalverschiebungen und Schiefstellungen ermöglicht. Als Lösung wird ein Verfahren zur Gründung von Bauwerken mittels vorgespannter Grundwerke und Erdkörper beschrieben. Der Kerngedanke dabei ist, durch Auseinandertreiben 1 hohlkeilförmig angeordneter Gründungselemente 2 zwischen Grundwerk und dem es umgebenden Boden 3 eine Vorspannung zu erzielen (Fig. 2), die etwa dem Zustand eines in einen quasielastischen Körper 1 fest eingetriebenen Keiles 2 entspricht (Fig. l).
Durch die Vorspannung des Bodens werden die mechanischen Eigenschaften auch schlechten Baugrundes verbessert. Die Grösse des vorspannungserzeugenden Zwanges ist je nach der Grösse der aufzunehmenden Horizontalkraft und des Momentes und der zuzulassenden Spaltweite zwischen Grundwerk und Baugrund (analog der Riss weite im Spannbeton) zu wählen. Bei schlechtem Baugrund wird man verlangen, dass im massgebenden Lastfall selbst unter dynamischen Wirkungen kein Spalt entsteht (volle Vorspannung), damit keine merkbaren Horizontalverschiebungen eintreten.
Die aus der Zusammendrückbarkeit des Baugrundes allein resultierende Verschiebung des Grundwerkes in der Horizontalen ist bei voller Vorspannung (Fig. 3) die Hälfte des Masses, das sich ohne Vorspannung des Baugrundes einstellte (Fig. 4). Durch zweckmässige Wahl der Neigung der Keilflächen gegenüber Resultierender 1 und Lot 2 (Fig. 5) kann die zu erwartende Verschiebung noch geringer gehalten werden. Die aus der Elastizität des Systems des Grundwerkes folgernde Verschiebung bleibt wegen der Ausbildung als hohlkeilartiges Dreieck und der bedeutenden Eigensteife der einzelnen Gründungselemente und selbst bei stark wechselnden Lasten vernachlässigbar gering.
Statt eines Hohlkeiles kann das Grundwerk auch als Hohlspitze oder Hohltropfen ausgebildet sein.
Die einzelnen Gründungselemente sind steife scheiben-. faltwerk-. wand- oder schalenartiggestaltete, in den Baugrund eingebrachte oder in ihm ausgebildete Vorrichtungen, die vermöge ihrer besonderen Ausbildung einen möglichst grossen Erdkörper umfassen und eine grosse Eigensteife von Haus aus (oder beifle- xiblen Elementen erst im Endzustand) besitzen. Durch das Umfassen eines grossen Erdkörpers ist die Gleitsicherheit gegeben, der erforderliche Erdwiderstand klein und eine räumliche Vorspannung des Erdkörpers erzielt (Fig. 6).
Die Keilwirkung kann nach Fig. 6 auch zur Kegelwirkung räumlich verallgemeinert werden, wobei die einzelnen Gründungssegmente je nach der erwünschten Gesamtwirkung der Gründung nach den oben beschriebenen Möglichkeiten untereinander verschieden ausgebildet werden können (Fig. 6). Die einzelnen Gründungselemente können verschieden lang und auch ineinander verkämmt werden.
In bindigen Böden verursacht die Vorspannung des Bodens langanhaltende Porenwasserströmungen (Kriechen des Baugrundes), die den Spannungszustand in geringem Masse abbauen ; diesen Kriechverlusten kann von vornherein durch geringfügiges Überspannen begegnet werden.
Das Auseinandertreiben der Gründungselemente kann durch die bekannten Massnahmen erfolgen mittels fester Druckkörper (Fig. 7) (beispielsweise Pressen), mittels Druckflüssigkeit (Fig. 8) (beispielsweise thixotrope Flüssigkeiten) oder mittels Druckgas (Fig. 9) (beispielsweise Druckluft). Alle genannten Verfahren eignen sich für steife feste Gründungskörper. Werden flexible feste Grundkörper verwendet, oder
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