DE10117111A1

DE10117111A1 - Ring-Großbohrpfahl

Info

Publication number: DE10117111A1
Application number: DE10117111A
Authority: DE
Inventors: Joachim Falkenhagen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-04-06
Filing date: 2001-04-06
Publication date: 2002-10-10

Abstract

Einsatz eines ringförmigen Bohrpfahls als Einzelgründung, der Momenten durch seitliche Verkantung an den Boden übertragen kann. DOLLAR A Die Nebenansprüche beschreiben Ausführungen dieser Erfindung mit flexibler innerer Baugrubensicherung, den Baugrubenaushub mit umlaufenden Grabeeinrichtungen, sowie Tragstrukturen mit Übereinstimmung von Bewehrung und Bohrrohr, mit teilweiser Verfüllung der Baugrube mit Erdreich und mit einem Deckel.

Description

I Einsatzgebiet

Abtragung von Momentlasten von Bauwerken in den Boden, wenn die Schwerkraft, das Bauwerksgewicht und die Breite des Fundaments allein ein Kippen der Struktur nicht verhindern können. Insbesondere bei Offshore-Windkraftanlagen treten entsprechende Lasten auf, können die für den Einbau erforderlichen, großformatigen Vorrichtungen leichter zu wechselnden Baustellen transportiert werden und ist ein etwaiges Wiederverfüllen und Verdichten zuvor ausgehobenen Bodens erschwert.

II Stand der Technik

Auch ein ringförmiger Rammpfahl stellt einen Gründungskörper mit Hohlraum dar, in dem der anstehende Boden verbleibt, und der ähnlich der Erfindung eine günstige Abtragung auch von Momentlasten ermöglicht.

Ähnliche Funktionen werden auch von Großbohrpfählen erfüllt, die jedoch meist als zylinderförmige, volle Pfähle ohne Hohlräume ausgeführt werden, seltener als Sonderpfähle mit linienförmiger oder verzweigter Ausführung, wie beispielsweise Barrettes (Schlitzwandelemente)¹⁾, die allerdings keinen Hohlraum umschließen.

Von Ringfundamenten, die ihrer Natur nach auf der Schwerkraft beruhende Streifenfundamente in Ringform sind, unterscheidet sich die Erfindung durch die unterschiedliche statische Funktionsweise, insbesondere die seitliche Momentabtragung.

III Probleme der bekannten Lösungen

Die Abmessungen von Rammpfählen sind u. a. durch die Rammfähigkeit begrenzt. Bei sehr großen Durchmessern ist es denkbar, daß vergleichsweise schmalwandige Stahlrammpfähle auch im Boden beim Rammen bzw. im Betrieb unter Momenteinwirkung abgeknickt werden, etwa an Schichtgrenzen²⁾. Die Rammfähigkeit wird von Bodeneigenschaften beeinflußt, unter anderen von größeren Steinen beeinträchtigt.

Runde Großbohrpfähle ohne Hohlräume verursachen ein mit dem Quadrat des Durchmessers steigendes Volumen des Aushubs und des Hohlraums, von dem insbesondere der Betonbedarf abhängt.

Stützwände können aus mehreren überschnittenen (Bohr-)Pfählen hergestellt werden. Sofern auf diese Weise mehrere Bohrpfähle ringförmig eingebaut würden, und damit vorhandenen Boden umschließen, würden im Boden durch die Wirkung des Seitendrucks der Pfähle Kraftableitungen entstehen, die mit der vorgeschlagenen Lösung vergleichbar sind, wenn die Pfähle und deren Verbindung eine hohe Steifigkeit aufweisen würden.

Für die Weiterleitung von Momenten innerhalb des Fundaments sind jedoch Pfahlgruppen ungünstiger zu bewerten: Bei einer Pfahlgruppe ohne zugkraftschlüssige Verbindung zwischen ihnen steht nur der relativ kleine Durchmesser der einzelnen Pfähle als Hebelarm zur Aufnahme der abzuleitenden Momenten zur Verfügung. Die Steifigkeit eines Ringpfahls mit umlaufender Bewehrung ist daher größer als die einer Pfahlgruppe mit vergleichbarer Menge der Bewehrung.

IV Neue Lösung und Vorteile Anspruch 1 - Ringbohrpfahl

Zur Aufnahme eines Gründungskörpers wird ein Graben hergestellt, der einen stehen bleibenden Teil des ursprünglichen Erdreichs umschließt. In diesen Graben wird ein Gründungskörper eingebracht, dessen Bewehrung den stehen bleibenden Teil des Erdreichs umschließt. In der Regel wird es sich um einen ringförmigen Graben handeln, in den eine Stahlbewehrung eingebracht und mit Beton ausgegossen wird. Dabei können verschiedene, von Pfahlgründungen bekannte Verfahren des Einbaus mit Abwandlungen verwendet werden.

Vorteile

Im Vergleich zu einem großen Einzelpfahl gleicher Außenabmessungen ist das Aushubvolumen und somit das Volumen des entstehenden Hohlraums geringer, wodurch z. B. Entsorgungskosten, Beton- und Bentonitverbrauch vermindert werden. Durch die bestehen bleibende Last des Erdreichs wird auch eventuellen Nachteilen durch eine Entlastung des Erddrucks vorgebeugt.

Im Vergleich zu mehreren Einzelpfählen führt der Vorteil eines zusammenhängenden Bauteils zu besseren Möglichkeiten der Momentabtragung. Die entstehende Aussteifung innerhalb des Fundaments kann insbesondere eine steife Platte, in der die Kräfte einer alternativ vorstellbaren Pfahlgruppe gebündelt und umgelenkt werden müßten, entbehrlich machen. In Verbindung mit ringförmigen, aber auch mit verstrebten, aufstehenden Konstruktionen (wie Rohrtürmen oder Gittermasten) ist es bei entsprechenden Abmessungen möglich, den aufstehenden Teil ohne größere Zäsuren des Kraftflusses in die Bewehrung fortzusetzen.

Wenn der Gründungskörper (bzw. dessen Bewehrung) vorgefertigt und in einem Stück in die ringförmige Grube eingebaut wird, könnte anschließend die äußere Verrohrung (gegebenenfalls mit dem Betoniervorgang) gezogen werden, sofern die Abmessungen der Tragstruktur innerhalb des Durchmessers des äußeren Bohrrohrs bleiben. Bei gleichzeitigem Einbau mehrerer Bohrpfähle, die oberseitig bereits mit Bewehrung verbunden wurden, wäre ein Ziehen der Bohrrohre nicht möglich.

Im Vergleich zu einem nachträglichen Wiedereinbau von zuvor abgetragenem Boden im Innenraum eines sonst ähnlichem, ringförmigem Betonfundament ergibt sich der Vorteil, daß der anstehende Boden nebst Abstützung beim Betoniervorgang die innere Schalung des Ringfundaments bilden könnte, und daß die vorgefundene Verdichtung des ursprünglich anstehenden Boden erhalten bleibt.

Anspruch 2 - flexible Innenwand

Die innere Baugrubenwand wird mit einer auf Zug belastbaren, flexiblen Vorrichtung abgestützt.

Vorteile

Während typische Baugruben nach außen abgestützt werden müssen, und damit eine steife Baugrubenabstützung voraussetzen, kann bei einer umlaufenden "Innenwand" der Baugrube eine flexible, lediglich zugfeste Baugrubenabstützung den Erddruck aufnehmen.

Dabei kann ein Band während des Aushubs spiralförmig um den verbleibenden Kern aufgerollt werden. Ebenso könnte diese Abstützung schlauchförmig sein und wie ein Strumpf über den verbleibenden Kern gestülpt oder abgerollt werden. Möglich wäre auch eine Kombination von Folien und Seilen.

Der verbleibende Kern des Erdreichs drückt durch seine Eigenlast nach außen gegen die innere Wand des ringförmigen Hohlraums. Ein flexibler Verbau kann sich dabei besser dem Erdreich anschmiegen. Da keine Gleitbewegungen entlang des Bodens wie bei einem Bohrrohr erfolgen, entfallen auch die mit dem Vorschub des Bohrrohrs verbundenen Erschütterungen und dadurch entstehende Störungen des Bodens. Entsprechendes gilt beim Entfernen dieser Abstützung, die durch Abwickeln erfolgen kann, etwa innerhalb eines noch nicht abgebundenen Betonvolumens.

Anstelle von Anspruch 2 wäre auch eine gegenseitige Abstützung der inneren und der äußeren Baugrubenwand über den Ringgraben hinweg möglich, eventuell durch Stahlelemente, die später die Bewehrung bilden.

Anspruch 3 - Grabevorrichtung an der Sohle

Am Boden der Baugrube befindet sich eine ungefähr ringförmige Vorrichtung mit Bohr- oder Grabeeinrichtungen. Durch eine äußere Kraft wird diese in eine Drehbewegung um die Achse des Bohrpfahls versetzt, bewegt sich dadurch kreisförmig über die Sohle der Baugrube und gräbt sich damit tiefer in das Erdreich ein. Kreisen und Eingraben überlagern sich mit dem Bohrfortschritt zu einer schraubenartigen Bewegung.

Vorteile

Die innerhalb des Kreises seitliche Bewegung der Grabevorrichtung ermöglicht gegenüber von oben ansetzenden Greifern ein "Anschneiden" des Bodens, was den Materialabtrag erleichtern könnte. Die durch die Masse dieser Vorrichtung ermöglichte Wucht kann den Abtrag von Steinen unterstützen.

Sofern die Baugrube durch ein mit dem Bohrfortschritt abgesenktes (äußeres) Bohrrohr nach außen abgestützt wird, kann die Grabeeintrichtung von dort angetrieben werden. Dies könnte aber etwa auch durch Wechselwirkung mit einer bereits eingebrachten Bewehrung erfolgen. Hierzu werden vertikale Leitungen zum Energie- und/oder Materialtransport benötigt. Günstig erscheint ein hydraulischer Antrieb mit Hilfe von unterschiedlichen am Bohrrohr befestigten Wasserrohren, die ähnlich einer Turbine einen Wasserdruck in alternierende Drehrichtungen ausüben; zusätzliche vertikal wirkende Wasserstrahlen könnten zum Anheben der Grabevorrichtung bei Hindernissen dienen und den Bodenabtrag unterstützen.

Anspruch 4 - Bohreinrichtungen in der drehenden Tragstruktur

Statt (nur) eines Rings an der Sohle der Baugrube dreht sich ein größerer Teil der Tragstruktur, der etwa von einem Drehteller oberhalb der Baugrube angetrieben wird, um die Achse der Ringbohrpfahls. Bohreinrichtungen und Leitungen sind mit der Tragstruktur verbunden.

Vorteile

Günstig wäre dieses Verfahren vor allem bei mehreren vertikalen Stützrohren oder rohrförmigen Bewehrungen, die an mehreren Stellen in den Ringpfahl eindringen und während des Aufgrabens des Hohlraums Bohreinrichtungen aufnehmen. Damit wäre ein späteres Ziehen der Bohreinrichtungen gewährleistet. In diesen Tragrohren könnten sich Bohreinrichtungen zusätzlich um die Achse der Tragrohre drehen, so daß sich in Überlagerung mit der größeren Drehbewegung um die Achse des Pfahls unterschiedliche Angriffsrichtungen der Bohreinrichtungen gegen die Baugrubensohle ergeben.

Anspruch 5 - Die Bewehrung wird zugleich als Baugrubenabstützung genutzt Vorteile

Einsparen von Arbeitsgängen und Vermeidung einer Auflockerung des Bodens beim Ziehen des Bohrrohrs. Zu denken ist an ein Stahlrohr in Verbindung mit einer Ausbetonierung des Rohrgraben, wobei am Stahlrohr zusätzliche Bewehrungen, die in das Betonvolumen reichen, befestigt sind. Wenn es sich dabei um die äußere Baugrubenwand handelt, würde die Tragkonstruktion bereits provisorisch im Erdreich gehalten, was für das Aushärten des Betons von Vorteil wäre.

Anspruch 6

Ein Teil des Ringgrabens wird wieder mit Erdreich verfüllt.

Vorteile und Ausführungsmöglichkeiten

Im Vergleich zu gerammten Gründungskörpern, die ebenfalls nach Einbau unmittelbar von dem anstehenden Boden gehalten und gegebenenfalls ausgesteift werden, ergeben sich bei Aufgraben eines Hohlraums größere Möglichkeiten der Formgebung des Gründungskörpers und geringere Anforderungen an die Festigkeit gegen vertikale (Ramm-) Stöße. Die Standsicherheit wird durch das Zusammenwirken von dem typischerweise als Metallbewehrung vorzustellenden Gründungskörper, dem wiedereingebauten Boden und dem in der Mitte als Kern verbleibenden Boden gewährleistet. Je nach Lagerung des ursprünglichen Bodens kann ein Wiedereinbau auch eine günstigere Verdichtung und Tragfähigkeit bewirken. Es besteht die Möglichkeit, den in dem Hohlraum einzubauenden Boden zu verbessern, insbesondere durch bekannte Verfahren wie der Zumischung geeigneter Körnungen, Zementbeimischungen oder Hochdruckinjektionen oder die Vermischung des Bodens unterschiedlicher Schichten des Aushubvolumens.

Bei vorgefertigten Ringpfählen müssen diese zu Einbauzwecken etwas kleiner sein als der Ringgraben; damit ergibt sich zwangsläufig die Erfordernis einer teilweisen Verfüllung des Zwischenraums mit Materialien wie Beton oder Boden.

Anspruch 6 könnte mit ähnlichen Vorteilen wie Anspruch 5 auch beim Einbau eines schmalwandigen, ringförmigen Gründungskörpers angewendet werden, der beim Einbau die Aufgaben des Bohrrohrs übernimmt, später ähnliche Kräfte wie ein Rammpfahl überträgt. Vorteile hätte dies in Situationen, bei deren die Bodenverhältnisse eine Rammung nicht zulassen, ein Rammpfahl einen unnötigen Materialmehrverbrauch zur Folge hätte, oder für einen Rammpfahl eine steifere Ausführung des Pfahls erforderlich wäre, als sie im Betrieb des Bauwerks benötigt wird.

Soweit beim Einbau des Bodens eine Verdichtung erfolgt, könnte die Verdichtungseinrichtung von der Bewehrung geführt werden.

Die einzubauende Tragstruktur könnte aus Stützen und Verstrebungen fachwerkartig aufgebaut sein, sie könnte dabei zur Lastübertragung an den Boden zusätzlich angeschweißte, flächenhafte Elemente aufweisen.

Anspruch 7 Deckel über dem Pfahlkern Stand der Technik

Bei den meisten Pfahlgründungen ist der Pfahl oben offen, um das Bohrwerkzeug aufzunehmen, während sich bei Fundamenten gemäß Anspruch 1 durch die Ringform die Möglichkeit einer Deckelung des nicht ausgegrabenen Innenbereichs ergibt.

Die Möglichkeit, einen gerammten oder insgesamt ausgegrabenen Pfahls insgesamt oder nur in Höhe des (Meeres-)Bodens auszubetonieren, ist zum Stand der Technik zu rechnen, soweit damit eine Aussteifung, eine Verbindung zwischen Fundament und aufstehendem Gebäude oder eine Vergrößerung der Aufstandsfläche bewirkt wird. Diese Vorteile einer horizontalen Aussteifung können mit einem Deckel der vorstehend beschriebenen Art zusätzlich bewirkt werden. Bekannt sind auch Bodenplatten, die u. a. eine Verbindung zwischen Teilen eines Fundaments herstellen, insbesondere zwischen mehreren Pfählen.

Bekannt ist die Erzeugung einer Zugkraft durch Unterdruck, um im Betrieb eine Tragstruktur am Boden festzusaugen.

Soweit ein Deckel der beschiebenen Art seitlich überstehen würde, um die Aufstandsfläche im Interesse eines vergrößerten Hebelarms zu vergrößern, wäre dies eine von normalen Schwerkraftfundamenten bekannte Maßnahme. Auch seitlich an einem Pfahl angebrachte Abdeckungen werden bei seitlich wirkenden Kräften zur Verhinderung eines Grundbruchs nach oben eingesetzt.

Neue Lösung und Anwendungsmöglichkeiten

Durch eine oberseitig des Pfahlinnenraums angebrachte Platte als Deckel wird der Boden und indirekt der Pfahl gegen größere Verformungen stabilisiert und eine gezielte Druckhaltung ermöglicht.

Der Deckel kann zur Erzeugung eines Über- oder Unterdrucks genutzt werden, um während der Bauzeit (z. B. Einbringen oder Ziehen des inneren Bohrrohrs) oder im Betrieb die Mantelreibung zu beeinflussen oder um durch die Druckeinwirkung auf der Fläche des Deckels Kräfte zu erzeugen. Vorteilhaft erscheint vor allem ein Unterdruck beim Pfahleinbau, der das innere Bohrrohr nach unten drückt und dabei die Mantelreibung mindert.

Der Deckel kann, nachdem ein etwaiger Hohlraum zwischen Deckel und dem Kern des verbliebenen Bodens vermieden oder verpreßt wird, den Kern des verbliebenen Bodens stabilisieren und dadurch Bewegungen Lage dieses Boden unter Krafteinwirkung, insbesondere einen Grundbruch nach oben in Folge horizontaler Krafteinwirkung von den Innenwänden des Rohrpfahls, vermeiden.

Insofern beruht Anspruch 7 aus einer Abweichung von konventionellen Überlegungen, weil bei ringförmigen (Ramm-)Pfählen Kräfte auf den Boden im Inneren des Pfahls nomalerweise nicht betrachtet bzw. als unkritisch angesehen werden. Die dem implizit zu Grunde liegende Annahme, daß dieser Boden bei Bewegungen des Pfahls ohne weiteres mit bewegt würde, muß jedoch nicht unbedingt zutreffend sein.

Der Deckel kann auch ohne Verbindung zu dem Rohr auf dem Boden aufliegen bzw. am Boden angepreßt werden, um beim Ziehen des inneren Bohrrohrs ein Mitziehen des im Kern verbliebenen Bodens zu vermeiden.

V Ausführungsbeispiel und Zeichnung

Das ringförmige Bohrloch (1) wird von einem kreisenden Ring (2) mit den Bohrwerkzeugen gegraben. Abgesehen von der Flüssigkeit bzw. Suspension im Bohrloch wird die Baugrube außen durch ein Bohrrohr (3) gehalten, das mit dem Bohrfortschritt nach unten sinkt, und dessen oberer Teil im Bild noch aus der Erde ragt. Innen wird ein Gewebe (4) um dem verbleibenden Kern (5) abgewickelt. Der Ring (2) wird von einem mit dem Bohrrohr verbundenen Gegenstück (6) angetrieben, z. B. durch Wasserdruck oder als Rotor und Stator eines vielpoligen Ringgenerators. Die zugehörige Versorgungsleitung (7) befindet sich am Rande des Bohrrohrs. Nicht dargestellt ist die Hebeeinrichtung für das Bohrgut.

Literatur ¹⁾

Jörn Seitz, Heinz-Günter Schmidt: Bohrpfähle, Ernst & Sohn Verlag, Berlin 2000, Seite 20 und 27 sowie die dort zitierte EN 1536: 1999
²⁾

laut DIN 1054 braucht bei vollständig im Boden eingebetteten Pfählen kein Knicknachweis geführt werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß die für Offshore-Windkraftanlagen erforderlichen Pfahlgrößen die bei Verfassung der DIN gebräuchlichen Pfahlgrößen deutlich überschreiten.

Claims

1. Gründungskörper, dadurch gekennzeichnet, daß

1. 1.1 der Gründungskörper im horizontalen Schnitt einen Innenraum umschließt,
2. 1.2 in dem der ursprünglich anstehende Boden verbleibt (verbleibender Kern),
3. 1.3 der Gründungskörper über die Wirkung von außermittiger Bettung, Spitzendruck und Mantelreibung hinaus Momentlasten durch "Verkantung" seitlich an den Boden abträgt und
4. 1.4 er eine den verbleibenden Kern umschließende Bewehrung oder andere kraftführende Ausführung aufweist,
5. 1.5 wobei der Gründungskörper nicht rammfähig ist,

2. Verfahren und zugehörige Vorrichtung

1. 2.1 zur Herstellung eines Gründungskörpers gemäß Anspruch 1, bei dem
2. 2.2 ein Hohlraum zur Aufnahme des Gründungskörpers erstellt wird,
3. 2.3 und während des Aushubs des Hohlraums (Ringrabens) oder daran anschließend oder beim Ziehen einer inneren Verrohrung
4. 2.4 der verbleibende Kern
5. 2.5 von einem flexiblen, auf Zug belastbaren Material umhüllt wird,
6. 2.6 und dadurch dieser Kern bzw. dessen Oberfläche stabilisiert wird.

3. Verfahren und zugehörige Vorrichtung

1. 3.1 zur Herstellung eines kreisrunden Ringgrabens für einen Gründungskörper gemäß 1,
2. 3.2 bei dem während des Aushubs an der Sohle des Ringgrabens eine den verbleibenden Kern umschließende Vorrichtung zum Lösen und/oder Abtransport des Bohrguts umläuft.

4. Verfahren und zugehörige Vorrichtung

1. 4.1 zum Bau eines Gründungskörpers gemäß Anspruch 1,
2. 4.2 für den ein Hohlraum in Form eines kreisrunden Ringgrabens hergestellt wird,
3. 4.3 wobei ein Teil der Tragstruktur während des Bohrvorgangs als Halterung oder Führung für Bohreinrichtungen fungiert
4. 4.4 und dieser Teil der Tragstruktur hierzu insgesamt während des Aufgrabens des Hohlraums um die Achse des Gründungskörpers gedreht wird,
5. 4.5 und damit die Bohrvorrichtungen über die Baugrubensohle bewegt werden.

5. Verfahren zum Bau eines Gründungskörpers gemäß Anspruch 1, bei dem die Bewehrung während der Bauphase die äußere oder innere oder beidseitige Abstützung der Baugrube bewirkt.

6. Gründungskörper gemäß Anspruch 1,

1. 6.1 für den ein Hohlraum ausgehoben wird,
2. 6.2 der im horizontalen Schnitt einen Innenraum umschließt
3. 6.3 in dem der ursprünglich anstehende Boden verbleibt (verbleibender Kern)
4. 6.4 wobei der aus anthropogenen Materialien bestehende Gründungskörper im engeren Sinne nur einen Teil des Hohlraums einnimmt,
5. 6.5 und der Hohlraum im übrigen mit Boden verfüllt wird.

7. Gründungskörper gemäß Anspruch 1, bei dem ein Deckel über dem innen verbleibenden Boden aufgebracht wird.