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Bewehrung von Frostkörpern Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zum Bewehren von Frostkörpern, z. B. von Frostwänden mit größeren Biegebeanspruchungen
und auf hierfür erforderliche Bewehrungsglieder.
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Eine Konstruktion aus gefrorenem Boden wird, wie jedes andere Tragwerk,
das nicht der Stützlinie folgt, von Biegemomenten beansprucht.
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Wegen den sehr geringen Bruchzugspannungen und den dazu vergleichsweise
großen Bruchdruckspannungen von gefrorenem Boden kann ein Konstruktionsglied nur
unter Mitwirkung einer Bewehrung in der Zugzone des Querschnittes oder durch Vorspannung
nennenswerte Biegemomente aufnehmen. Bei Baugrubenwänden,die vom Prinzip der Schwergewichtsmauer
abweichen, ist eine Bewehrung notwendig, um diese Wand entweder freistehend oder
mit einer den üblichen Baugrubenwandsystemen ähnlichen Abstützungsanordnung auszuführen.
Die Bewehrung von Frostkörpern erlaubt z. B. auch die Ausbildung von rahmenartigen
Konstruktionen im Untergrund, ohne daß Konstruktionsformen, die der Stützlinie nachgebildet
sind, Verwendet werden müssen.
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Bei Baugliedern aus gefrorenem Boden hat man bisher entweder die Konstruktionsform
der Stützlinie angepaßt (z. B. geschlossener Ring) oder aber den Querschnitt der
Konstruktion so verbreitert (Schwergewichtsmauer), daß die Stützlinie innerhalb
der Gefrierkonstruktion verblieb. Konstruktionen aus gefrorenem Boden hatten am
Anfang der Entwicklung des Gefrierverfahrens zumeist einen kreisförmigen Querschnitt
(Gefrierschächte). Mit der zunehmenden Anwendung wurden auch nichtkreisrunde Formen
hergesfellt, bei denen infolge der äußeren Belastung oder der RUckstellkräfte im
Erdreich die Stützlinie im Frostkörper verblieb. Ebene Frostwände wurden bisher
als Schwergewichtsmauern verwirklicht oder wurden in einer solchen Weise ausgeführt,
daß nur relativ geringe Biegemomente von der Wand übernommen
werden
mußten (abgestützte Wand mit kleinen Stützweiten oder geneigte Wand).
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Das bisher verwendete Gefrierverfahren erlaubt nur die Aufnahme von
geringen Zugspannungen im gefrorenen Boden. Bei außermittigem Kraftangriff ist es
notwendig, die Konstruktionsdicken zu vergrößern, um diese Zugspannungen gering
zu halten oder aber die Form der Gefrierwand dem Kraftverlauf anzupassen, z. B.
einen kreisförmigen oder elliptischen Ring um eine rechteckige Baugrube zu legen.
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Die Erfindung hat den Zweck, Konstruktionen aus gefrorenem Boden,
die von der Stützlinienform abweichen, mit geringeren Gefrierkörperdicken herzustellen.
Dadurch ergeben sich verkürzte Gefrierzeiten undein verringerter Energieaufwand
für das Gefrieren. Außerdem ist es durch diese Erfindung möglich, die Formgebung
für die Gefrierkonstruktiön unter Ausnutzung der aufnehmbaren Biegemomente dem späteren
Aushub-oder Ausbruchquerschnitt anzupassen.
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Die Aufgaben werden durch Bewehren des Gefrierquerschnittes gelöst.
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Bewehrungsglieder im Gefrierquerschnitt übernehmen die auftretende
Zugbeanspruchung, entsprechend wie beim Stahlbeton die Bewehrungseisen, oder aber
bei vorgespannten Bewehrungsgliedern werden die Zug-bzw. Biegezugspannungen in analoger
Weise wie beim Spannbeton durch Spannungen aus der Vorspannung überdrückt bzw. reduziert.
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Die Bewehrung des Frostkörpers ist sowohl mit nicht gegen den Gefrierquerschnitt
vorgespannten Gliedern, d. h. sogenannter schlaffer Bewehrung als auch mit Gliedern
durchführbar, die vor oder/und nach dem Gefrieren vorgespannt werden. Die Anordnung
der Bewehrungsglieder erfolgt nach statischen Erfordernissen. Aus wirtschaftlichen
Gründen werden jedoch für deren Einbau Bohrlöcher mitverwendet, die primär für das
Einsetzen der Gefrierrohre erstellt wurden.
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Wegen der Gefahr des Leckwerdens von Gefrierrohren bei Zugbeanspruchung,
sollen unter anderem die Typen von Bewehrungsgliedern unter diese Erfindung fallen,
die das Auftreten von Zugspannungen im Gefrierrohr vermeiden lassen, ohne daß sich
negative Auswirkungen auf den Wärmeübergang vom Gefrierrohr zum Erdreich ergeben.
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Teil dieses Bewehrungsgliedes ist das Gefrierrohr selbst, das durch
Anspannen von Zuggliedern oder -litzen vor dem Gefrieren vorgestauchtwird. Werden
die Zugelemente im Ring oder/und Kernraum des Gefrierrohres geführt, ist ein Nachspannen
möglich, liegen die Spannglieder rings um das Gefrierrohr, ist ein nachträgliches
Anspannen wegen des erreichten Verbundes mit dem gefrorenen Boden nicht ausführbar,
es sei denn, Haftspannungen sind ausgeschlossen. Durch spätere Dehnung im Zugbereich
des Biegegliedes wird die Vorstauchung des Gefrierrohres entsprechend der örtlichen
Biegebeanspruchung mehr oder weniger rückgängig gemacht. Die Vorspannung ist u.
a. so auszulegen, daß die Vorstauchung des Gefrierrohres durch die folgende Dehnung
nicht in einer solchen Größe überschritten wird, daß Gefahr für das Gefrierrohr
besteht, einen RIß zu erhalten und undicht zu werden. Eindringen von Kühlmittel
in den Untergrund führt zu ungefrorenen Bodenbereichen, -die bei unterschiedlichem
Grundwasserspiegel durchströmt werden und dann eine Gefahr für das Bestehen der
Gefrierwand bedeuten.
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Um bei höheren Druckspannungen und bei. längeren Standzeiten dem relativ
großen zeitabhängigen Verformungsverhalten gerecht zu werden, wird das Wirksamblelben
der Bewehrung durch entsprechend hohe Vorspannung oder aber durch Nachspannen der
Zugglieder erhalten.
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Nachspannbare Zugglieder wirken für die Größe der Nachspannkraft wie
Bewehrungsglieder ohne Verbund. Mitnachspannbaren Bewehrungsgliedern kann die Vorspannung,
soweit es erforderlich ist, der veränderten Beanspruchung angepaßt werden,-z. B.
bei mehreren Bauzuständen.
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Die Vorteile, die diese Erfindung mit sich bringt, bestehen vor allem
in der Reduzierung der erforderlichen Frostkörperdicken von
Gefrierkonstruktionen,
der Ausführbarkeit von Zug- und Biegegliedern -aus gefrorenem Boden und der Anpassung
der Konstruktionsform an Aushub- bzw. Ausbruchsquerschnitte. Geringere Gefrierwanddicken
ermöglichen eine wesentlich verkürzte Gefrierzeit. Das Gefrierverfahren ist damit
wirtschaftlicher einsetzbar. Durch bessere Anpassung an Aushub- bzw. Ausbruchquerschnitte
wird entweder Mehraushub oder aber die Herstellung von zusätzlichem Gefriervolumen
vermieden. Die bevorzugte Zusammenlegung von Bewehrungsglied und Gefrierrohr in
ein gemeinsames Bohrloch verursacht ein Minimum an zusätzlicher Bohrarbeit. Durch
Nachspannen kann die Vorspannkraft im Bewehrungsglied auch bei großen Verformungen
im Gefrierkörper erhalten bleiben. Aus diesem Grund sind bei zu erwartenden größeren
Verformungen nachspannbare Glieder einzubauen.
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Die Anwendung von Zuggliedern mit oder/und ohne Verbund zum gefrorenen
Boden wird in diese Erfindung eingeschlossen, Zugglieder ohne Verbund erlauben das
Nachspannen auch nach dem Gefrieren,Zugglieder mit Verbund werden vor dem Gefrieren
des Erdreichs auf die erforderliche Spannkraft festgelegt.
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Die Einbeziehung des Gefrierrohres in das Bewehrungsglied selbst bietet
sowohl den Vorteil des Verbundes zwischen Bewehrung und gefrorenem Boden als auch
die Möglichkeit des Nachspannens bei Anordnung der Spannglieder im Gefrierrohr.
Der Wärmeübergang zwischen Gefrierrohr und Boden wird durch diese zusätzlichen Funktionen
des Gefrierrohres nicht beeinträchtigt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher beschrieben.
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Figur 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine ebene, freistehende
und unten voll eingespannte Gefrierwand. Der zu sichernde Geländesprung besteht
zwischen der ursprünglichen Geländehöhe 6 und der Aushubsohle 7. Die schraffierte
Fläche stellt den Gefrierkörper 2
innerhalb der Frostgrenzen 1 zum
ungefrorenen Erdreich und zum Aushubquerschnitt 3 dar. Die Gefrierrohre in der Ebene
4 liegen in der Druckzone der Frostwand. Hier entfällt die Notwendigkeit einer Bewehrung,
wenn dort nach Uberlagerung des Lastfalls Vorspannung keine Zugdehnungen erzeugt
werden. In Ebene 5 sind Gefrierrohre und Bewehrungsglieder angeordnet.
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Figur X zeigt einen Horzontalschnitt durch die Gefrierwand. Der Gefrierkörper
2 ist innerhalb der Grenzen 1 bzw. 3 dargestelLt. Die Gefrierrohre in den Bohrungen
8 liegen zum Aushubquerschnitt hin in Ebene 4. In den Bohrungen 9 in Ebene 5 sind
sowohl Gefrierrohre als auch Bewehrungsglieder untergebracht.
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Die Figur 3 zeigt eine Gefrierbohrung 9, in die ein Gefrierrohr 14
und Zugglieder 10 eingesetzt sind. Die Ankerplatten 13 für die Zugglieder 10 sind
unabhängig von den Gefrierrohren 14. Die Gefrierrohre unterscheiden sich nicht vom
bisher verwendeten Konstruktionsprinzip, inneres Rohr 11 und Ringraum 12. Die Zugglieder
10 können sowohl schlaff eingebaut als auch nach dem Gefrieren vorgespannt werden.
Die Vorspannung ist nur dann möglich, wenn Haftspannungen längs der Zugglieder ausgeschaltet
sind. Die Verankerung 15 der Zugglieder erfolgt mit Form- oder Kraftschluß an den
Ankerplatten 13.
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Figur 4 zeigt eine Bohrung 9, in die ein Gefrierrohr 14 und Zugglieder
16 eingebaut sind. Die Ankerplatten 17 sind am Gefrierrohr 14 angeschlossen. Die
Zugglieder 16 werden an den Ankerplatten 17 befestigt und können vor dem Gefrieren
angespannt werden. Das Gefrierrohr 14 wirkt in diesem Zustand als Druckglied. Die
Stauchung des Gefrierrohres 14 ermöglicht die Aufnahme größerer Dehnungen, weil
bei einer späteren Zugbeanspruchung zuerst die Stauchung des Gefrierrohres rückgängig
gemacht wird, bevor das
Gefrierrohr mit einer Dehnung beaufschlagt
wird. Vorspannen nach dem Gefrieren ist nur bei Ausschaltung von Haftspannungen
längs der Zugglieder 16 möglich.
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Figur 5 zeigt ein Bewehrungsglied, das aus Gefrierrohr und Zugglied
kombiniert ist.
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Das Gefrierrohr 14 besteht wie bisher aus zwei koaxial angeordneten
Rohren, dem zentralen Rohr 11 und dem durch das äußere Rohr umschlossenen Ringraum
12. Die Bewehrungsglieder werden im Ringraum 12 geführt und sind an den Verankerungsplatten
20 befestigt 15. Die Zugglieder 18 können gegen das Gefrierrohr 14 vor dem Gefrieren
vorgespannt werden. Die dabei erzielte Stauchung wirkt sich günstig auf die mögliche
Größe der später zu überlagernden Zugdehnungen aus. Die Kühl lauge wird über einen
Stutzen 19 in den Ringraum ein- oder ausgeleitet. Die Nachspannbarkeit der Spannglieder
18 ist, da sie ohne Verbund auf die Gesamthöhe des Gefrierrohres 14 durchgehen,
jederzeit möglich. Für die Vorspannung vor dem Gefrieren wirkt das Bewehrungsglied
gegenüber dem gefrorenen Boden wie eine Bewehrung mit Verbund. Für die Größe der
nachträglichen Verspannung wirkt das Bewehrungsglied ohne Verbund.