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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine U-förmige Spundbohle mit geringem
Eindringwiderstand.
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Seit
mehr als 80 Jahren sind mehrere Millionen Tonnen U-förmiger Spundbohlen
in der ganzen Welt für
den Bau von Stützwänden verwendet
worden, zum Beispiel bei Ausschachtungen, sowie beim Bau von Stauanlagen,
Deichen und Wasserrückhaltebecken.
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Eine
U-förmige
Spundbohle hat eine flache Rückwand
(den so genannten Flansch der Spundbohle), die so mit zwei Schenkeln
(den so genannten Stegen der Spundbohle), die Schlösser aufweisen, verbunden
ist, dass die Spundbohle eine zur Rückwand lotrechte Symmetrieebene
aufweist. Zur Bildung einer Stützwand
werden diese U-förmigen Spundbohlen
mit Hilfe der Schlösser
zusammengebaut, wobei sich ihre Rückwand abwechselnd auf einer
der beiden Seiten der Ebene befindet, die durch die Mittelachsen
der Schlösser
verläuft.
Diese Ebene bildet dann die Neutralbiegeebene der Wand aus U-förmigen Spundbohlen.
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Die
klassischen Verfahren zum Eintreiben der Spundbohlen in den Boden
sind das Schlag- und Vibrationsrammen. Es ist bekannt, dass diese
Eintreibarbeitsgänge
die Entwicklung einer bedeutenden Energie erfordern, die proportional
zum Eindringwiderstand der Spundbohle ist. Für ein gegebenes Eintreibverfahren
ist dieser Eindringwiderstand im Wesentlichen von den Bodeneigenschaften
und dem Spundbohlenquerschnitt abhängig.
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„Höhe" oder auch „Tiefe" wird bei einer U-förmigen Spundbohle
der Abstand genannt, den die, durch die Mittelachsen der zwei Schlösser verlaufende
Ebene zur Außenfläche des
Flanschs aufweist, und „Nutzbreite" der Abstand, den
die Mittelachsen der zwei Spundbohlenschlösser zueinander aufweisen.
Spundbohlen mit einer großen
Nutzbreite ermöglichen
grundsätzlich eine
Reduzierung der Einbaukosten, denn es müssen zur Herstellung einer Wand
weniger Spundbohlen in den Boden gerammt werden. Tiefe Spundbohlen
können
im Bereich des Flansches und der Stege verringerte Materialdicken aufweisen,
und das bei einem gleichzeitig erhöhten Festigkeitsmodul; was
natürlich
den Selbstkostenpreis der Spundbohlen reduziert. Von daher besteht ein
Interesse am Einsatz von tiefen und breiten, U-förmigen Spundbohlen, die im
Bereich des Flansches und der Stege verringerte Materialdicken aufweisen.
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Heutzutage
haben die auf dem Markt als Standardprofile befindlichen, U-förmigen Spundbohlen
Nutzbreiten von 400 bis 600 mm und ein Verhältnis Tiefe zu Nutzbreite von
0,18 bis 0,54. Die gängigsten
U-förmigen
Spundbohlen haben ein Verhältnis
Tiefe zu Nutzbreite von größer oder
gleich 0,25 bzw. sogar von größer 0,30.
Die Flanschdicke liegt im Bereich zwischen 7 und 20 mm und die Stegdicke zwischen
6 und 12 mm.
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Es
ist jedoch anzumerken, dass breite und tiefe Spundbohlen mit geringen
Materialdicken im Bereich des Flansches und der Stege bei schwierigen
Eintreibbedingungen auch sehr schnell instabil werden. Von daher
besteht das Interesse, die Belastungen, denen diese Spundbohlen
beim Eintreiben ausgesetzt sind, zu begrenzen, d.h. Spundbohlen
zu verwenden, die einen möglichst
geringen Eindringwiderstand aufweisen. Aber obwohl die Verringerung der
Materialdicken im Bereich des Flansches und der Stege mit Sicherheit
einen positiven Einfluss auf den Eindringwiderstand hat, stellt
man fest, dass eine Erhöhung
des Verhältnisses
Tiefe zu Nutzbreite leider eine sehr negative Wirkung auf den Eindringwiderstand
der U-förmigen
Spundbohlen hat. Eine Spundbohle nach Anpruch 1 ist aus der
FR-686 816 bekannt.
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Es
wird folglich begrüßt, dass
die vorliegende Erfindung eine Lösung
bietet, mit Hilfe derer sich der Eindringwiderstand einer U-förmigen Spundbohle
verringern und gleichzeitig die Spundbohlenstabilität beim Eintreiben
verbessern lässt.
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Diese
Lösung
ist im ersten Patentanspruch definiert.
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Dabei
ist zu allererst anzumerken, dass im Gegensatz zu dem, was man von
vornherein erwarten könnte,
die Verringerung des Eindringwiderstands nicht durch ein dünnere Ausführung der Spundbohle
erzielt wird, sondern durch Materialzugaben im Bereich der durch
die zwei Flansch-Steg-Verbindungen definierten, konkaven Ecken.
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Eine
Materialzugabe im Bereich einer konkaven Ecke, die durch zwei Stege
einer Spundbohle in Form eines Winkeleisens definiert sind, wurde
bereits im Jahre 1939 in dem Patent BE-A-433704 beschrieben. In
diesem Patent wird im Wesentlichen aufgezeigt, dass die Materialzugabe
die Spundbohlen-Winkelspitze verstärkt.
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Aus
dem Patent FR-A-434497, das dem Patent US-A-1012124 entspricht,
kennt man Spezialspundbohlen mit einem gekrümmten Flansch sowie zwei gekrümmten seitlichen
Gliedern von sehr geringer Höhe,
die mit dem gekrümmten
Flansch verbunden sind und jeweils ein Schloss aufweisen. Diese ziemlich
massiven Spundbohlen sollen auf Zug beansprucht werden und flache
Spundbohlen ersetzen, um den Bau von Wänden zu ermöglichen, deren Gesamtwanddicke
in der Mitte des Flansches nicht größer ist als die Dicke der zwei ineinander gesteckten Schlösser. Sie
können
folglich nicht mit den U-förmigen
Spundbohlen verglichen werden, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung
sind. Diese Letzteren haben wesentlich größere Tiefen, damit sie sich auf
Biegung beanspruchen lassen. Es ist noch anzumerken, dass bei einer
bevorzugten, im französischen
Patent beschriebenen Ausführung,
der gekrümmte
Flansch eine Materialzugabe im Bereich der zwei Verbindungsstellen
mit den seitlichen Gliedern umfasst, damit sich eine nahezu ebene
Außenfläche auf
der ganzen Breite ergibt. In dem französischen Patent wird außerdem dargelegt,
dass diese Materialzugabe, die sich auf der Außenseite des gekrümmten Flanschs
befindet, das Trägheitsmoment und
das Festigkeitsmodul der Spundbohle merklich erhöht, den Querschnitt der Spundbohle
beachtlich verstärkt
und einer Verformung des gekrümmten Flansches
unter Druck entgegenwirkt.
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Analoge
Wirkungen erhält
man natürlich auch
mit der Materialzugabe gemäß der vorliegenden
Erfindung. Man erhält
vor allem eine größere Torsionsfestigkeit
der U-förmigen
Spundbohle. Der Materialüberschuss
in den Verbindungsecken versteift die Stege und den Flansch, wodurch
die Gefahr des Verziehens verringert wird. Außerdem erhöht sich das vollplastische
Moment der Spundbohle und deren Biegedrehvermögen merklich, so dass sich
beachtliche plastische Verformungsreserven bereitstellen lassen,
bevor die U-förmige Spundbohle
durch Zerstörung
unbrauchbar wird.
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Jedoch
liegt der hauptsächliche
Wert der vorliegenden Erfindung in der Entdeckung, dass sich der
Eindringwiderstand einer U-förmigen
Spundbohle mit gegebenem Querschnitt durch eine Materialzugabe im
Bereich der konkaven Ecken verringern lässt. Gemäß der vorliegenden Erfindung
dienen die im Bereich der konkaven Ecken befindlichen, lokalen Materialzugaben
vor allem dazu, die konkaven Ecken an den Flansch-Steg-Verbindungsstellen
abzuflachen, d.h. die konkaven Ecken mit einem größeren Öffnungswinkel
auszuführen.
Während
des Eintreibens der Spundbohle durch Einschlag- oder Vibrationsrammen
erleichtert die Abflachung der konkaven Ecken das Fließen der
Bodenteilchen aus dem Eckenbereich. Es wird so eine bedeutende Bodenverdichtung
in den konkaven Ecken vermieden, was den Eindringwiderstand der
Spundbohle verringert. Es ist anzumerken, dass die erzielte Wirkung
besonders stark bei Sandböden
auftritt.
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Zylindrische
Verbindungsflächen,
die nahezu tangential zu den Flächen
des Flanschs und des jeweiligen Stegs in den konkaven Ecken angeordnet sind,
liefern anscheinend in Bezug auf die Verringerung des Eindringwiderstands
der Spundbohle die besten Ergebnisse. Diese Schlussfolgerung schließt jedoch
die Verwendung von irgendwelchen gekrümmten Flächen, die ggf. zu den Flächen des Flanschs
und des jeweiligen Stegs tangential angeordnet sein können, ja
sogar von Polygonalflächen oder
einer einfachen Planfläche
zur Definition der Verbindungsflächen
in den konkaven Ecken nicht aus, natürlich unter der Bedingung,
dass die so gebildeten konkaven Ecken ausreichend abgeflacht sind, um
das Fließen
der Bodenteilchen aus dem Eckenbereich zu erleichtern.
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In
einem genormten Sandbett ausgeführte Einrammversuche
haben gezeigt, dass man eine bedeutsame Verringerung der Einrammenergie
mit einer zylindrischen Verbindungsfläche ab einem Radius von 75
mm erhält,
wobei diese tangential zu den Flächen
des Flanschs und des jeweiligen Stegs in den konkaven Ecken angeordnet
ist. Von diesem Ergebnis lässt
sich ganz allgemein ableiten, dass die Materialzugabe zur Erzielung
einer bedeutsamen Verringerung der Einrammzeit so sein muss, dass
die konkaven Ecken an den Flansch-Steg-Verbindungsstellen mindestens
einen genauso großen Öffnungswinkel
aufweisen, wie eine zylindrische Tangentialverbindung vom Radius
75 mm. Quantitativ muss die lokale Materialzugabe mindestens ausreichend
sein, damit eine gedachte Zylinderfläche, die einen Radius von mindestens
75 mm aufweist und tangential zu den zwei Ebenen angeordnet ist,
die die konkaven Verbindungsecken des Flanschs und des jeweiligen Stegs
bei nicht vorhandener Materialzugabe bilden würden, vollständig im
Inneren der Materialzugabe liegt, und zwar zwischen den zwei Berührungsmantellinien.
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Es
ist anzumerken, dass die konvexen Ecken an den Flansch-Steg-Verbindungsstellen
nur leicht abgerundet sind (Rundungsradius ≤ 25 mm), so dass dem Profil ein
möglichst
hohes Trägheitsmoment
durch maximale Materialkonzentration in der Außenpartie der Stege verliehen
wird.
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Es
bleibt anzumerken, dass die erfindungsgemäße Spundbohle vorteilhafterweise
eine Stahlspundbohle ist, die durch Warmwalzen hergestellt wurde.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Spundbohle
wird anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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die 1 einen
Querschnitt von einer Spundbohlenhälfte zeigt;
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die 2 eine
Vergrößerung einer Flansch-Steg-Verbindung
von der Spundbohle der 1 zeigt.
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Die 1 zeigt
einen Querschnitt von der Hälfte
einer erfindungsgemäßen U-förmigen Spundbohle.
Die andere Hälfte
ist zur dargestellten Hälfte genau
symmetrisch, und zwar in Bezug auf die Symmetrieebene, die durch
die Bezugsangabe 8 gekennzeichnet ist. Diese Spundbohle
hat einen nahezu ebenen Flansch 10, der zur Symmetrieebene 8 des Querschnitts
lotrecht angeordnet ist. Dieser Flansch 10 ist mit zwei,
nahezu ebenen Stegen 12 verbunden, von denen nur der linke
Steg auf der 1 dargestellt ist. Jeder dieser
Stege 12 weist ein Schloss 14 auf, mit dem sich
durch Ineinanderstecken eine mehr oder weniger dichte Stoßfuge mit
einem entsprechenden Schloss einer anderen Spundbohle bilden lässt. Die
Mittelachse des Schlosses 14, die senkrecht zur Zeichnungsebene
verläuft,
ist durch die Bezugsangabe 15 gekennzeichnet. Es ist noch anzumerken,
dass der Flansch 10 im Allgemeinen wesentlich dicker ist
als die Stege 12.
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Bei
der dargestellten Spundbohle beträgt der spitze Winkel α, der zwischen
den jeweiligen Stegen und einer zum Flansch parallelen Ebene gebildet wird,
etwa 74°.
Es versteht sich von selbst, dass dieser Winkel natürlich kleiner
oder größer gewählt werden
kann. Für
die von der Erfindung betroffenen Spundbohlen beträgt der spitze
Winkel α normalerweise
zwischen 40° und
80°.
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Im
Folgenden bezeichnen „durch
die Flansch-Steg-Verbindungen definierte, konvexe Ecken" (oder kurz „konvexe
Ecken"), die auf
der Außenseite
der Spundbohle befindliche und auf der 1 durch
den Bezugspfeil 16 gekennzeichnete Ecke sowie die entsprechend
symmetrische, nicht dargestellte Ecke; und „durch die Flansch-Steg-Verbindungen
definierte, konkave Ecken" (oder
kurz „konkave
Ecken"), die auf
der Innenseite der Spundbohle befindliche und auf der 1 durch
den Bezugspfeil 18 gekennzeichnete Ecke sowie die entsprechend
symmetrische, nicht dargestellte Ecke.
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Die
konvexen Ecken 16 verbinden die äußeren Planflächen 20 der
Stege 12 mit der äußere Planfläche 22 des
Flanschs 10 (siehe auch 2). Diese konvexen
Ecken 16 weisen eine Rundung auf, deren Radius „r" durch die Fertigungsbedingungen
des Walzens und/oder durch Sicherheitserwägungen (Vermeidung scharfer
Kanten) festgelegt ist. Normalerweise ist „r" größer als
10 mm und kleiner als 25 mm. Je kleiner „r" ist, desto höher ist das Biegefestigkeitsmodul
des Profils.
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Um
den Boden-Eindringwiderstand der Spundbohle zu verringern, werden
die konkaven Ecken 18 gemäß der Erfindung durch eine
lokale Spundbohlen-Materialzugabe
an diesen Stellen stark abgeflacht. Diese Modifizierung der bekannten
U-förmigen
Spundbohle wird mit Hilfe der 2 ausführlicher
analysiert. Auf dieser Letzteren ist die konkave Flansch-Steg-Ecke
einer klassischen Spundbohle gestrichelt dargestellt (siehe Strichlinie,
die mit dem Bezugszeichen 24 auf der 2 gekennzeichnet
ist). Man stellt fest, dass diese konkave Ecke 24 eine Rundung
aufweist, deren Radius durch die Fertigungsbedingungen des Walzens
festgelegt ist und in etwa dem Radius „r" der konvexen Ecke 16 entspricht.
Die lokale Materialzugabe, die zur Abflachung der klassischen konkaven
Ecke 24 dient und folglich diese Ecke mit einem größeren Öffnungswinkel
versieht, ist auf der gleichen Figur durch die straffierte Fläche 26 dargestellt.
Diese Materialzugabe 26 definiert eine konkave Verbindungsfläche 30.
Es bleibt anzumerken, dass die symmetrische konkave Ecke natürlich das
gleiche Aussehen aufweist.
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Bei
der auf den 1 und 2 dargestellten
Spundbohle ist die konkave Verbindungsfläche 30 eine zylindrische
Verbindungsfläche,
die tangential zur inneren Planfläche des Flanschs 10 und
zur inneren Planfläche 34 des
Stegs 12 angeordnet ist. Die Pfeile 36 auf der 2 zeigen,
wie Bodenteilchen längs
der zylindrischen Verbindungsfläche 30 ungehindert
abfließen
können,
wodurch die Bildung eines stark verdichteten Kerns in der konkaven
Ecke 18 vermieden wird, der dem Eindringen der U-förmigen Spundbohle
entgegenwirkt.
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In
einem genormten Sandbett ausgeführte Einrammversuche
haben gezeigt, dass man eine bedeutsame Verringerung der Einrammenergie
mit einer zylindrischen Verbindungsfläche ab einem Radius von 75
mm erhält,
wobei diese tangential zu den Flächen
des Flanschs und des jeweiligen Stegs in den konkaven Ecken, und
zwar an der Flansch-Steg-Verbindungsstellen angeordnet ist. In der 2 ist
der Verlauf dieser zylindrischen „Minimal"-Verbindung
in Form eines strichpunktierten Kreisbogens dargestellt und durch
das Bezugszeichen 38 gekennzeichnet. Der Kreisbogen 38 der
tangential zu den Verläufen
der zwei Ebenen 32, 34 angeordnet ist, die die
konkave Verbindungsecke aus Flansch und jeweiligem Steg bei nicht
vorhandener Materialzugabe 26 bilden würden, soll die minimale Materialzugabe
in den konkaven Ecken festlegen, die erforderlich ist, um eine bedeutsame
Verringerung der Einrammenergie zu erzielen. Man sieht, dass die
Materialzugabe, die der zylindrischen Verbindungsfläche 30 entspricht,
deutlich größer ist,
was nicht nur den Eindringwiderstand noch mehr verringert, sondern
auch das vollplastische Moment und das Drehvermögen des Profils bei Biegung
erhöht. Die
Bezugsangabe 40 kennzeichnet den Verlauf einer Verbindungspolygonalfläche, die
zwischen der Fläche 30 und
der Fläche
für die
minimale Materialzugabe 38 liegt.
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Es
wird begrüßt, dass
die beschriebenen Spundbohlen sich von den bekannten U-förmigen Spundbohlen
besonders unterscheiden:
- a) durch einen geringeren
Eindringwiderstand, was sich vor allem bei einem Einbau in Sandböden durch
Schlag- oder Vibrationsrammen feststellen lässt;
- b) durch eine beachtliche Erhöhung des vollplastischen Moments
und des Biegedrehvermögens, die
mit der Verringerung des Eindringwiderstands einhergeht, was eine
bedeutsame Leistungssteigerung auf der Baustelle ermöglicht;
- c) durch eine Verbesserung der Spundbohlen-Torsionsfestigkeit;
- d) durch einen guten Wirkungsgrad von Elastizitätsfestigkeitsmodul
zu Gewicht für
eine aus solchen Spundbohlen gebildete Schutzmauer, und zwar auf
Grund der Einsparungsmöglichkeiten bezüglich der
Dicken des Stegs und des Flanschs außerhalb der Flansch-Steg-Verbindungsstellen;
- e) durch eine bessere Kraftübertragung
im Falle von Stützschutzmauern,
die mit Holmen und/oder Ankerplatten versehen sind.
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Schließlich stellt
die vorliegende Erfindung ein Profil zum Schlag- und Vibrationsrammen
vor, das für
den Einbau unter schwierigen Bedingungen ideal ist.