Technik

Tief gegründet

Während Flachgründungen mit Einzel- und Streifenfundamenten oder Fundamentplatten die Standsicherheit von Gebäuden auf tragfähigem Erdreich gewährleisten, müssen bei schwierigem Baugrund Pfahlgründungen eingeplant werden. Die Herstellungsmethoden der Bohrfähle sind dabei so unterschiedlich wie ihre Anzahl: Mit über 100 Pfählen ist beispielsweise ein Hochhaus in Frankfurt am Main im Boden verankert. Whilst spread groundings, with pad or strip foundations or foundation slab, guarantee the stability of buildings on sound loadbearing soils, on difficult subsoils pile foundations must be planned in production methode for piles are as various as their number. A tower building in Frankfurt am Main is, for instance, anchored in the subsoil to over 100 piles.

Die Gründung auf Holzpfählen ist die älteste Art der Pfahlgründung, was archäologische Funde aus der Jungsteinzeit um 5000 v. Chr. belegen. Ein Hinweis stammt auch vom griechischen Geschichtsschreiber Herodot; er beschreibt Hütten auf Pfählen im See Prasias in Makedonien, dem heutigen See von Butkowo am Struma. Vergleichbare Beispiele finden sich auch am Bodensee: Die Holzpfahlbauten von Unteruhldingen, inzwischen detailgetreu wieder aufgebaut, datieren zum Teil von 4000 v. Chr.

Eines der bekanntesten Beispiele ist die Lagunenstadt Venedig, deren ungefähr 20 000 Bauwerke auf Holzpfählen gründen. Allein die Kirche »Santa Maria della Salute« am Canale Grande steht auf etwa
1 000 000 Pfählen [1].
Während man früher ausschließlich Holzpfähle verwendete, die mittels Handrammung in den Baugrund abgeteuft wurden, entstehen im Laufe der Zeit, insbesondere im 19. Jahrhundert, verschiedene Fortschritte in der Rammtechnik.
Heute existieren neben dem Einrammen mit schweren Geräten noch unzählige Verfahren zur Herstellung von Pfählen. Sie alle sind abhängig von der Bodenbeschaffenheit sowie der unterschiedlichen Geräteausrüstung. Bei härteren Bodenschichten wird vorab der Boden »gemeißelt«, um ihn zu lockern. Dann bohren sich beispielsweise »Schnecken« oder »Greifer« in die Tiefe.
Generell unterscheidet man zwischen Verfahren mit Erdreichverdrängung durch vorgefertigte Pfähle und Erdaushub mit Herstellung der Pfähle vor Ort.
Während Holz als Pfahlmaterial nur bei Lockergestein möglich ist, können Beton oder Stahl immer verwendet werden. Aktuell wird in Deutschland überwiegend die Methode mit Erdaushub (verrohrte Bohrpfähle) angewandt (Bild 2).
Energienutzung
Zusätzlich zur Gewährleistung der Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit eines Bauwerkes lassen sich Bohrpfähle zur Energiegewinnung nutzen. In die Gründungspfähle installierte Leitungssysteme (U-Rohre) tragen dann zur Gebäudekühlung oder auch
Erwärmung bei [2].
Brücken- und Tunnelbau
Auch bei Brücken – vor allem für den Schienenverkehr, wo hohe Anforderungen an Differenzverformungen der Brückenpfeiler und Widerlager gestellt werden – und Tunneln werden Pfahlgründungen angewendet. Besonders oberflächennahe Tunnel in nicht tragfähigen Böden erfordern die Ableitung der Eigen- und Verkehrlasten in tieferliegende Erdschichten. Die Bohrpfähle können dann von der Geländeoberfläche aus hergestellt werden und dienen als Verbauwand.
Allgemeine Anforderungen Bereits bei der Planung einer Pfahlgründung müssen Aufbau und Beschaffenheit des Baugrundes sowie der Grundwasserverhältnisse ausreichend bekannt sein oder durch geotechnische Untersuchungen von einem Fachplaner geklärt werden. Nur so ist die Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit des Bauwerks geotechnisch zu beurteilen und die Qualität der Gründung sicherzustellen. Das Ergebnis der Untersuchungsauswertungen entscheidet schließlich endgültig über die Art der Gründung. Zusätzlich ermöglichen direkte Aufschlussbohrungen die Tragfähigkeit des Baugrundes noch genauer zu bestimmen. Die Tiefe dieser Bohrungen hängt weitestgehend von der Belastungssituation der geplanten Bebauung ab.
Qualitätssicherung Zur Ermittlung der Pfahltragfähigkeitskennwerte sind Pfahlprobebelastungen [3] empfehlenswert. Sie können entweder an den fertigen Bauwerkspfählen oder an eigens zuvor hergestellten Pfählen durchgeführt werden. Zwar sind letztere kostenintensiver, dafür aber zuverlässiger: Indem der Pfahl bis zum Bruchzustand sukzessiv steigernd belastet wird, gelingt es, seine Grenztragfähigkeit genau zu ermitteln. Während der Beanspruchung beobachtet und dokumentiert man die Verformungen am Kopfende.
Zur Ermittlung der Pfahlmantelreibung und Differenzverformung ist der Probepfahl meist mit Dehnmessstreifen oder Extensometer ausgerüstet. Sie sind an der Bewehrung befestigt und werden mit einbetoniert. Den Spitzendruck am Pfahlfuß vermittelt eine Kraftmessdose: ein hydraulisches Druckkissen, das die Spannung am Pfahlende misst [3].
Zur Qualitätssicherung während der Herstellungsphase zählt die geotechnische Fachbauüberwachung. Sie ist, insbesondere für Bauwerkselemente, die »unter Tage« ausgeführt werden, elementarer Bestandteil. Jeder Pfahl wird mit seinen speziellen Kennwerten wie beispielsweise Länge, Durchmesser, Betonart oder Betonierzeit datentechnisch erfasst.
Qualitätsprüfung Nach Herstellung der Pfähle lässt sich deren Qualität mit verschiedenen Methoden und Verfahren wie beispielsweise Ultraschall oder Low-Strain-Integritätsprüfung ermitteln. Bei der eher aufwändigen Ultraschallmethode wird der Pfahl mit Schallwellen durchstrahlt. Die hierfür erforderlichen Kontroll- und Messrohre können entweder zuvor am Bewehrungskorb befestigt oder nachträglich in den Pfahl gebohrt werden.
Dem gegenüber ermöglicht die inzwischen gängigere Low-Strain-Integritätsprüfung eine zerstörungsfreie Qualitätsermittlung. Der Nachweis erfolgt mit Hilfe der Stoßwellenmethode: Der Pfahlkopf wird mit einem Hammerschlag in Schwingung versetzt und der Impuls mit Beschleunigungsaufnehmern am Pfahlkopf erfasst. Der Geschwindigkeits-Zeit-Verlauf der Stoßwelle lässt Aussagen über die planmäßige Qualität, Länge und Querschnittstreue zu [1].
Tragwirkung Bei der konventionellen Pfahlgründung leitet man alle Lasten über die Pfähle in den tieferliegenden tragfähigen Baugrund, die Bodenplatte wird nicht zum Lastabtrag herangezogen [4]. Die Pfähle führen die Kräfte aus dem Bauwerk anteilig – je nach vor Ort vorherrschenden Baugrundverhältnissen – über Mantelreibung und Spitzendruck ins Erdreich.
Stehende Pfahlgründungen
Pfähle in tragfähigen Schichten leiten ihre Last zum größten Teil über den Spitzendruck ab, man spricht im Allgemeinen von einer »stehenden« Pfahlgründung (Bild 3). Angewandt wurde sie beispielsweise beim Hochhaus der Commerzbank in Frankfurt am Main. Das etwa 300 Meter hohe Gebäude leitet seine Gesamtlast über 111 Bohrpfähle – hergestellt über Erdaushub – durch den Frankfurter Ton weiter in die tragfähigen Frankfurter Kalke. Hierfür war ab der Gründungssohle – sie liegt 9 Meter tief unter der Geländeoberfläche – einer Pfahllänge zwischen 38 und 46 Meter notwendig, der Durchmesser der Pfähle liegt zwischen 1,50 und 1,80 Metern.
Schwimmende Pfahlgründungen
Bei weichen Bodenschichten, zum Beispiel Ton, wird der Hauptanteil über die Mantelreibung abgetragen, man spricht von einer »schwimmenden« Pfahlgründung (Bild 4).
Kombinierte Pfahl-Plattengründung
Eine Weiterentwicklung ist die in letzter Zeit oft verwendete Kombinierte Pfahl-Plattengründung [5]. Bei dieser Gründungsart wirkt zusätzlich zu den Pfählen die Bodenplatte beim Lastabtrag mit (Bild 5). So beispielsweise beim MainTower im Frankfurter Bankenviertel oder dem Sony Center in Berlin.
Bei letzterem waren die infolge der Gebäudeexzentrizität hohen Sohlrandspannungen, die unmittelbare Nähe zum Bahnhof und eine wenig tragfähige Geschiebemergelschicht ausschlaggebend für die Ausführung einer Kombinierten Pfahl-Plattengründung. Insgesamt 44 Bohrpfähle mit Durchmessern von 1,50 Meter und Längen bis zu 25 Metern liegen unter der teilweise 2,50 Meter dicken Fundamentplatte. Da das Gebäude mit einer Gründungssohle von 11 bis 12 Metern unter Geländeoberfläche bereits 9 Meter tief in das Grundwasser am Potsdamer Platz eintaucht, wurden die Pfähle während der Bauphase zur Auftriebssicherung des Hochhauses
herangezogen.
Auch beim MainTower wählte man eine Kombinierte Pfahl-Plattengründung, um die benachbarte, dichte Bebauung durch den Abtrag der Neubaulasten nur gering zu beeinflussen. Das Gründungsniveau des 200 Meter hohen Gebäudes liegt, bedingt durch eine vollflächig fünfgeschossige Unterkellerung, 21 Meter tief unter Geländeoberfläche im Frankfurter Ton. Um zeitsparend zu bauen, wurde zusätzlich in »Deckelbauweise« konstruiert: Angefangen mit den Gründungspfählen und einer Verbauwand wurde auf Höhe der Geländeoberfläche die erste Decke betoniert. Im Folgenden konnte unter dieser bis zur nächsten im Tiefgeschoss der Erdaushub zwischen den Gründungspfählen beginnen und eine neue Decke konstruiert werden. Der Erdhub erfolgte so schrittweise für jedes Untergeschoss mit anschließendem Betonieren der jeweiligen Deckenplatten bis zur Gründungsebene. Zeitgleich entstanden auch die Obergeschosse auf dem bestehenden Tragsystem. Horizontale Verformungen der Verbauwände waren aufgrund der aussteifenden Wirkung der Decken vergleichsweise gering. Insgesamt leiten 112 Bohrpfähle mit Durchmessern von 1,50 Meter und Längen von
30 Meter die Gesamtlast des Bauwerks ins Erdreich (Bild 6).
Mit Hilfe der genannten Pfahlgründungen reduzieren sich Setzungen wie Differenzsetzungen (Setzungsunterschiede innerhalb des Bauwerkes) und Mitnahmesetzungen von angrenzenden Bauwerken auf ein Minimum, so dass die Gebrauchstauglichkeit des geplanten Bauwerkes und die der angrenzenden Bebauung gewährleistet ist.
Standsicherheitsnachweis Die Tragfähigkeit des Einzelpfahls kann mit Hilfe der Empfehlungen der DIN 4014 ermittelt werden [6]. Die Tragfähigkeit setzt sich zusammen aus der Aktivierung der Mantelreibung und des Spitzendrucks. Diese Werte sind abhängig von der Bodenart. Im Allgemeinen gelten für bindige Böden wie beispielsweise Tone und Schluffe geringere Spitzendruckwerte im Gegensatz zu nicht bindigen Böden wie etwa Sande oder Kiese.
Der Nachweis der Standsicherheit einer Pfahlgruppe beschreibt DIN 1054. Die Sicherheit gegen Versagen einer Pfahlgruppe hängt zum einen von der Anzahl der Pfahlprobebelastungen ab, zum anderen vom angesetzten Lastfall. Üblicherweise werden Pfahlgruppen mit einer zweifachen Sicherheit gegen Versagen dimensioniert [4].
Historisches Beispiel Reichstag Das Reichstagsgebäude, zwischen 1884 und 1894 erbaut, wurde nach mehreren Zerstörungen und Wiederaufbauten 1995 bis 1999 zum Sitz des deutschen Bundestages umgebaut. Nach Archivunterlagen ist das Bauwerk auf Einzel- und Streifenfundamenten gegründet. Nur die hoch belasteten Fundamente der Ecktürme und der alten Kuppel liegen tiefer. In diesen Bereichen verbesserte man bereits 1884 den Baugrund mit Holzpfählen: Der Zentralbereich ist beispielsweise auf 2232 Holzpfählen mit Durchmessern von 25 Zentimetern und Längen von 5 Metern gegründet, die nördlichen Ecktürme auf »nur« 832. Diese Elemente konnten nach Untersuchung unter anderem mit Pfahlprobebelastungen weiterhin genutzt werden.
Der mittlere Bereich mit Plenarsaal und Glaskuppel ist dagegen setzungsarm neu gegründet, hier leiten 90 Bohrpfähle mit Durchmessern bis zu 1,50 Metern und Längen bis 25 Metern die Bauwerkslasten ab (Bild 7). Außerhalb dessen wurden zur Nachgründung zusätzlich punktuell unter bestimmten Fundamenten Bodenverfestigungen durchgeführt oder Verpresspfähle eingesetzt. Die Gründung des Reichstages ist somit ein Zusammenwirken von historischen und neuen Gründungselementen.
Literatur und Quellen: [1] Seitz, Jörn M. und Heinz-Günter Schmidt, Bohrpfähle, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, 2000 [2] Kaltschmitt, Martin, Ernst Huenges und Helmut Wolff, Energie aus Erdwärme, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Stuttgart, 1999 [3] Deutsche Gesellschaft für Geotechnik (Hrsg.), Empfehlungen für statische und dynamische Pfahlprüfungen, Empfehlungen des Arbeitskreises AK 2.1 [4] DIN 1054, Zulässige Belastung des Baugrunds, 1976 [5] Hanisch, Jürgen, u. a., Kombinierte Pfahl-Plattengründung, Verlag Ernst & Sohn, Berlin , 2002 [6] DIN 4014, Bohrpfähle, 1990