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Das komplexe und technisch hoch spezialisierte Gebiet der Geotechnik bildet ein Fundament des Bauingenieurwesens, dessen Herausforderungen heute u. a. im innerstädtischen Infrastrukturbau, im Bauen im Bestand oder in der Gestaltung tiefer, in das Grundwasser hineinreichender Baugruben liegen. Das vorliegende Buch befähigt Bauingenieure, grundbauspezifische Probleme zu erkennen und zu lösen. Prägnant und übersichtlich führt es insbesondere in alle wichtigen Methoden der Gründung und der Geländesprungsicherung ein. Auch Themen wie Frost im Baugrund, Baugrundverbesserung und Wasserhaltung werden behandelt. Dem Leser werden bewährte Lösungen für viele Fälle sowie eine große Zahl von Hinweisen auf weiterführende Literatur, insbesondere auf aktuelle Normen und Regelwerke, an die Hand gegeben. Alle Darstellungen basieren auf dem aktuellen technischen Regelwerk. Die Darstellung der Berechnung und Bemessung anhand zahlreicher Beispiele ist eine unverzichtbare Orientierungshilfe in der täglichen Planungs- und Gutachterpraxis.
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Seitenzahl: 723
Inhaltsverzeichnis
Vorwort
1 Zum Normenhandbuch Eurocode 7
1.1 Allgemeines
1.2 Einwirkungen, geotechnische Kenngrößen, Widerstände
1.3 Charakteristische und repräsentative Werte
1.4 Grenzzustände
1.5 Bemessungssituationen und Teilsicherheitsbeiwerte
1.6 Bemessungswerte
1.7 Rechnerische Nachweisführung der Tragsicherheit
1.8 Beobachtungsmethode
2 Frost im Baugrund
2.1 Allgemeines und Regelwerke
2.2 Homogener und nicht homogener Bodenfrost
2.3 Frostkriterien
2.4 Frosttiefen und frostfreie Gründungen
2.5 Frostschäden und Maßnahmen zu ihrer Vermeidung
3 Baugrundverbesserung
3.1 Allgemeines und Regelwerke
3.2 Verdichtung von Böden
3.3 Bodenaustauschverfahren
3.4 Injektionsverfahren
3.5 Düsenstrahlverfahren
4 Flachgründungen
4.1 Allgemeines und Normen
4.2 Begriffe und Grundlagen
4.3 Entwurf, Auswahl und konstruktive Forderungen
4.4 Einwirkungen und Widerstände
4.5 Äußere Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit
4.6 Einzelfundamente
4.7 Streifenfundamente
4.8 Gründungsbalken
4.9 Gründungsplatten
5 Pfähle
5.1 Allgemeines und Regelwerke
5.2 Einteilungen der Pfähle
5.3 Verdrängungspfähle
5.4 Bohrpfähle
5.5 Mikropfähle
5.6 Pfahlkopfanschlüsse
5.7 Tragverhalten von Pfählen
5.8 Tragverhalten von Pfählen gemäß DIN EN 1997-1
5.9 Horizontalbelastungen von Pfählen
5.10 Axial belastete Vertikalpfahlgruppen, äußeres Tragverhalten
5.11 Horizontal belastete Vertikalpfahlgruppen, Einwirkungen und Widerstände
5.12 Probebelastung von Pfählen
5.13 Dynamische Integritätsprüfung bei Pfählen
6 Pfahlroste
6.1 Allgemeines
6.2 Einteilungen von Pfahlrosten
6.3 Kriterien zur Wahl und Anordnung der Pfahlrostpfähle
6.4 Pfahlkraftermittlung statisch bestimmter ebener Pfahlroste
6.5 Berechnung statisch unbestimmter Pfahlroste
6.6 Geländebruch bei Stützkonstruktionen mit Pfahlrosten
6.7 Ausführungsbeispiele für Pfahlroste
7 Verankerungen
7.1 Allgemeines und Regelwerke
7.2 Abtragung von Verankerungskräften
7.3 Begriffe für Verpressanker
7.4 Korrosionsschutz für Verpressanker
7.5 Herstellung von Verpressankern
7.6 Verpressankerbemessung und -nachweise
7.7 Prüfungen von Verpressankern gemäß DIN EN 1537
7.8 Herauszieh-Widerstände und Kriechmaß
7.9 Voraussetzungen für die Verwendung von Verpressankern
7.10 Wahl geeigneter Ankersysteme
7.11 Entwurfsregeln für Verpressankerlänge und -anordnung
7.12 Standsicherheit des Gesamtsystems bei Ankergruppen
8 Wasserhaltung
8.1 Allgemeines und Regelwerke
8.2 Grundwasserströmung
8.3 Hydraulischer Grundbruch
8.4 Erosionsgrundbruch
8.5 Verfahren der Wasserhaltung
8.6 Schwerkraftentwässerung
8.7 Unterdruckentwässerung
8.8 Gesetz von Darcy, Gültigkeitsgrenzen
8.9 Arten von Grundwasserleitern
8.10 Berechnungsformeln
9 Stützmauern (Gewichtsstützwände)
9.1 Allgemeines
9.2 Regelwerke und Begriffe
9.3 Bedingungen und Gesichtspunkte beim Entwurf
9.4 Stützmauertypen
9.5 Einwirkungen und Widerstände
9.6 Nachweis der Tragfähigkeit
9.7 Nachweis der Gebrauchstauglichkeit
9.8 Entwässerung
10 Spundwände
10.1 Allgemeines und Regelwerke
10.2 Einsatz von Stahlspundwänden
10.3 Profile von Stahlspundwänden
10.4 Einbringung von Stahlspundbohlen
10.5 Berechnung von Spundwänden
11 Pfahlwände
11.1 Allgemeines
11.2 Anwendungsbereiche
11.3 Regelwerke
11.4 Wandtypen
11.5 Herstellung
11.6 Tragverhalten
11.7 Bemessung
12 Schlitzwände
12.1 Allgemeines
12.2 Anwendungsbereiche
12.3 Regelwerke und Begriffe
12.4 Aushubwerkzeuge
12.5 Herstellungsverfahren
12.6 Herstellung von Schlitzwänden
12.7 Tonsuspensionen, Fließgrenze und thixotrope Verfestigung
12.8 Übertragung des Stützflüssigkeitsdrucks
12.9 Standsicherheit des gestützten Schlitzes
12.10 Standsicherheit der erhärteten Wand
13 Aufgelöste Stützwände
13.1 Allgemeines
13.2 Zulässige Böschungswinkel β nach DIN-Normen
13.3 Grundlagen
13.4 Raumgitterwände
13.5 Bewehrte Erde
13.6 Bewehrung mit Geokunststoffen
13.7 Bodenvernagelung
14 Europäische Normung in der Geotechnik
14.1 Allgemeines
14.2 Deutsche und europäische Normung
14.3 Eurocode 7
14.4 Europäische geotechnische Ausführungsnormen
14.5 Weitere europäische geotechnische Normen
14.6 Bauaufsichtliche Einführung
Literaturverzeichnis
Firmenverzeichnis
Stichwortverzeichnis
Inserentenverzeichnis
Prof. Dr.-Ing. Gerd Möller
Fregestraße 37
12161 Berlin
Titelbilder:
Dynamische Intensivverdichtung DYNIV® mit 200t Fallgewicht für den Flughafen Nizza, Ménard DYNIV GmbH
Freigelegte Pfahlköpfe der Tiefgründung für den Neubau des Kohlekraftwerks in Wilhelmshaven, Franki Grundbau GmbH & Co. KG
Innerstädtische Baugrube für den Neubau des Kaufhauses „Breuninger“ mit Tiefgarage in der Karolinenstraße in Nürnberg, PST Spezialtiefbau Süd GmbH
Herstellung von Kaimauern als Dichtwände mit eingestellten kombinierten Spundwänden für den Containerhafen Hamburg Altenwerder, Brückner Grundbau GmbH
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation
in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische
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© 2012 Wilhelm Ernst & Sohn,
Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Rotherstr. 21, 10245 Berlin, Germany
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Umschlaggestaltung: stilvoll° | Werbe- und Projektagentur, Waldulm
Herstellung: pagina GmbH, Tübingen
Druck und Bindung: betz-Druck GmbH, Darmstadt
2. vollständig überarbeitete Auflage
Print ISBN: 978-3-433-02976-3
ePDF ISBN: 978-3-433-60199-0
ePub ISBN: 978-3-433-60200-3
mobi ISBN: 978-3-433_60201-0
oBook ISBN: 978-3-433-60194-5
Für Susanne
Vorwort
Mit der bauaufsichtlichen Einführung von DIN 1054:2005-01 ist das Konzept der Teilsicherheiten auch bezüglich der Geotechnik in die Bauordnungen der Bundesländer der Bundesrepublik Deutschland aufgenommen worden. Verbunden mit einer ca. 2-jährigen Übergangszeit wurde das Konzept der globalen Sicherheiten abgelöst. Dieser Vorgang erfolgte zwar mit Blick auf die europäische Normung, bei den in die Liste der Technischen Baubestimmungen aufgenommen Normen handelte es sich aber, mit Ausnahme von DIN EN 1535 (Ausführung von Bohrpfählen), durchweg um rein nationale Normen.
In diesem Jahr (2012) werden in der Bauordnung die rein nationalen Normen durch europäische Normen ersetzt (im Bereich der Geotechnik ist dies vor allem der Eurocode 7). Nationale Normen dienen in Zukunft der Ergänzung der europäischen Normen. Für diesen Schritt wird es keine Übergangszeit geben.
Für die in der Praxis tätigen Ingenieurinnen und Ingenieure ist dies verbunden mit dem Kennenlernen vieler neuer Normen. Da nun zur gleichen Thematik oftmals gleichzeitig mehrere Normen zu berücksichtigen sind und dieses als wenig anwenderfreundlich zu bewerten ist, wurden auf dem Gebiet der Geotechnik zwei Normen-Handbücher veröffentlicht, mit denen das Arbeiten mit den Normen erleichtert werden soll. Beide Bände beinhalten jeweils drei Normen, bei denen es sich um den Eurocode 7, den zugehörigen Nationalen Anhang und eine ergänzende nationale Norm handelt. Im Band 1 (Allgemeine Regeln) sind das DIN EN 1997-1, DIN EN 1997-1/NA und DIN 1054. Insgesamt ist festzustellen, dass der Seitenumfang der im jeweiligen Anwendungsfall zu berücksichtigenden Normen enorm zugenommen hat.
Mit dem vorliegenden Buch wird eine Unterlage zur Verfügung gestellt, die den Umgang mit dem neuen Regelwerk erleichtern soll. Neben einer Vielzahl von Formeln, Tabellen, Grafiken, Bildern und Verweisen auf zu beachtende Textstellen in Normen findet sich zusätzlich eine Reihe von Anwendungsbeispielen, da auch im Berufsleben stehende Ingenieure Neues gern anhand von Fallbeispielen erlernen.
Trotz des nicht unerheblichen Umfangs des Buches waren, auch aus Kostengründen, Einschränkungen bezüglich der Auswahl und der Behandlung der einzelnen Themengebiete erforderlich. Wegen des damit verbundenen teilweisen Verzichts auf Vollständigkeit bzw. Ausführlichkeit wird an vielen Stellen auf weitergehende Literatur verwiesen.
Anregungen und kritische Stellungnahmen meiner Leser erhoffe ich, denn erst durch das Infragestellen und neue Überdenken eröffnen sich Wege zur Verbesserung des Erreichten.
Berlin im Februar 2012
Gerd Möller
Die neuesten Fassungen von DIN EN 1997-1:2009-10 [107], DIN 1054:2010-12 [41] und DIN EN 1997-1/NA:2010-12 [108] wurden in dem Normen-Handbuch „Geotechnische Bemessung“ [242] zusammengeführt, um die Verwendung dieser Normen für den Nutzer (Bauherren, Planer, Unternehmer und Verwaltungen) anwenderfreundlicher zu gestalten. Alle drei Normen basieren auf dem Teilsicherheitskonzept und regeln den Entwurf, die Berechnung und Bemessung in der Geotechnik sowie die geotechnischen Einwirkungen bei Gebäuden und Ingenieurbauwerken sowohl auf europäischer als auch auf nationaler Ebene.
Während die in DIN EN 1997-1 zu findenden Regeln europaweit gelten, beinhalten DIN EN 1997-1/NA und DIN 1054 nur für Deutschland geltende Bestimmungen. Der Nationale Anhang (DIN EN 1997-1/NA:2010-12) enthält Verfahren, Werte und Empfehlungen mit Hinweisen, die gemäß DIN EN 1997-1 der nationalen Festlegung vorzubehalten sind (Näheres z. B. im Vorwort von DIN EN 1997-1). Da DIN 1054 ausschließlich ergänzende Regelungen zu DIN EN 1997-1 beinhaltet, ist sie nur in Verbindung mit DIN EN 1997-1 und DIN EN 1997-1/NA anwendbar.
Bei den einzelnen Regelungen in DIN EN 1997-1 ist zwischen „Grundsätzen“ und „Anwendungsregeln“ zu unterscheiden. Die Grundsätze betreffen
Grundsätze sind daran zu erkennen, dass ihnen der Buchstabe P vorgestellt ist.
Bezüglich der Anwendungsregeln gilt, dass sie
Die in DIN 1054 zu findenden nationalen Ergänzungen zu DIN EN 1997-1 sind Anwendungsregeln. Ein Beispiel hierfür ist die Einteilung der Bemessungssituationen.
In den folgenden Abschnitten wird auf einige Punkte eingegangen, die zur geotechnischen Bemessung auf der Basis von Berechnungen gehören (DIN EN 1997-1, 2.4).
Der Vergleich der oben aufgeführten Normen mit DIN 1054:2005-01 [42] zeigt eine Vielzahl von Änderungen, die insbesondere auch die geotechnischen Bemessungen auf der Basis von Berechnungen betreffen (DIN EN 1997-1, 2.4 und DIN 1054, 2.4). Hierfür werden u. a. Angaben zu
benötigt, auf die in den nachstehenden Abschnitten näher eingegangen wird.
Zuvor sei allerdings noch darauf hingewiesen, dass das Deutsche Institut für Normung e.V. (DIN) über das Internet u. a. Antworten auf Auslegungs-Anfragen zu DIN-Normen des Bauwesens zusammengestellt hat, mit deren Hilfe sich das Verständnis aktueller Normen vertiefen lässt. Der entsprechende Zugang ist kostenlos und erfolgt über http://www.din.de (Homepage des DIN), verbunden mit den aufeinanderfolgenden Mouseclicks auf den Button „Normen erarbeiten“, den Button „Normenausschüsse“, den Button „NA 005 Normenausschuss Bauwesen (NABau)“, den Button „Aktuelles“, den Button „Auslegungen zu DIN-Normen“ und schließlich den Button „Antworten zu Auslegungs-Anfragen“. Am Ende der so aufgerufenen Seite finden sich eine Reihe von Normen, zu denen entsprechende Informationen vorliegen. Mit einem Mouseclick auf z. B. „Auslegungen zu DIN 1054“ öffnet sich eine weitere Seite, an deren Ende über „Auslegungen zu DIN 1054“ ein entsprechendes pdf-File geöffnet und auch heruntergeladen werden kann. Es enthält neben Antworten zu Auslegungs-Anfragen auch Berichtigungen.
Nach DIN EN 1997-1, 1.5.2 und DIN EN 1990 [99], 1.5.1 ist ein
Bei der Führung der in DIN EN 1997-1 geforderten Sicherheitsnachweise muss u. a. die Größe der Einwirkungen und Beanspruchungen, der geotechnischen Kenngrößen und der Widerstände bekannt sein.
Die nachstehenden Bezeichnungen sind DIN EN 1990, 1.5.3 [99] und DIN EN ISO 14689-1 [127] entnommen.
Einwirkung (F) Sammelbegriff für
geotechnische Einwirkung eine Einwirkung, die vom Boden, durch Bodenverfüllung oder Grundwasser auf das Bauwerk übertragen wird.
Kombination von Einwirkungen erfasst alle gleichzeitig auftretenden Einwirkungen bezüglich ihrer Bemessungswerte, wie sie für den Nachweis der Tragwerkszuverlässigkeit für einen Grenzzustand benötigt werden.
Auswirkung von Einwirkungen (E) durch Einwirkungen hervorgerufene
Zu den weiteren Begriffen in Verbindung mit der „Einwirkung“ gehören nach DIN EN 1990, 1.5.3 [99] u. a.
In DIN EN 1997-1, 1.5.2.7 findet sich die Definition für
Widerstand als mechanische Eigenschaft eines Bauteils oder Bauteil-Querschnitts, Einwirkungen ohne Versagen zu widerstehen (z. B. Widerstand des Baugrunds, Scherfestigkeiten, Steifigkeiten oder auch Biege-, Eindring-, Erd-, Herauszieh-, Knick-, Scher-, Seiten-, Sohl- und Zugwiderstand).
Einwirkungen können bezüglich ihrer anzusetzenden zahlenmäßigen Größen den verschiedenen Teilen von DIN EN 1991 entnommen werden. Die auszuwählenden Werte der geotechnischen Einwirkungen sind ggf. Schätzwerte, die sich im Zuge der Berechnung noch ändern können.
Für geotechnische Bemessungen sollten u. a. nach 2.4.2 von DIN EN 1997-1 und DIN 1054 als Einwirkungen berücksichtigt werden:
die im Regelfall in Höhe der Oberkante der Gründungskonstruktion anzugeben sind.
Nach DIN EN 1997-1, 2.4.3 sind für rechnerische Nachweise charakteristische geotechnische Kenngrößen zahlenmäßig anzugeben, mit deren Hilfe die Eigenschaften der Boden- und Felsbereiche zu erfassen sind, die für die Berechnungen bedeutsam sind. Die Ermittlung der Zahlenwerte kann z. B. durch Versuche auf direktem Wege oder über Korrelationen erfolgen. Der letztendlich zu wählende charakteristische Wert soll eine vorsichtige Schätzung des im Grenzzustand wirkenden Wertes darstellen. Bei der Festlegung des jeweiligen Werts sind auch vergleichbare Erfahrungen zu berücksichtigen.
Widerstände von Boden und Fels sind Schnittgrößen bzw. Spannungen, die im oder am Tragwerk oder auch im Baugrund wirken können und sich infolge der Festigkeit bzw. der Steifigkeit der Baustoffe oder des Baugrunds ergeben. Gemäß DIN 1054, Tabelle A 2.3 (identisch mit Tabelle 1-3) können sie auftreten als
Für die Bemessung geotechnischer Bauwerke sind in einem ersten Schritt charakteristische Werte (Kennzeichnung mit dem Index „k“) festzulegen. Sie betreffen
Die Werte charakteristischer Einwirkungen sind nach DIN EN 1997-1, 2.4.5.1 gemäß DIN EN 1990 [99] und den verschiedenen Teilen von DIN EN 1991 festzulegen.
Handelt es sich um charakteristische Werte von geotechnischen Kenngrößen, sind bei deren Wahl u. a. (vgl. 2.4.5.2 von DIN EN 1997-1 und DIN 1054)
zu beachten. Darüber hinaus sind die charakteristischen Werte anhand der Ergebnisse und abgeleiteter Werte aus Labor- und Feldversuchen zu wählen, wobei auch vergleichbare Erfahrungen zu berücksichtigen sind. Als charakteristischer Wert einer geotechnischen Kenngröße ist eine vorsichtig geschätzte Größe des Wertes zu vereinbaren, der im Grenzzustand wirkt. Handelt es sich bei der geotechnischen Kenngröße um die Scherfestigkeit, darf diese als vorsichtig geschätzter Mittelwert festgelegt werden, wenn sich der Boden ausreichend duktil verhält. Dies ist dann der Fall, wenn sich ein Verlust der Tragfähigkeit durch große Verformungen ankündigt. Nicht duktil verhalten sich z. B. wassergesättigte Böden mit sehr großen Porenzahlen n, die schon bei einer geringen Störung flüssig werden können (insbesondere zum Setzungsfließen neigende Sande oder Quicktone). Bei der Festlegung der charakteristischen Scherparameter ist zu beachten, dass die Werte der Kohäsion c' stärker streuen als die Werte des Reibungswinkels φ'.
Nach [42], 5.3, sind charakteristische Bodenkenngrößen grundsätzlich so festzulegen, dass die Ergebnisse der damit durchgeführten Berechnungen auf der sicheren Seite liegen.
Repräsentative Werte sind in den Normen DIN 1054, DIN EN 1990 [99] und DIN 1997-1 mit Einwirkungen verbunden. Zu ihrer Kennzeichnung wird der Index „rep“ verwendet.
Nach DIN EN 1997-1, 2.4.6.1 berechnet sich der repräsentative Wert einer Einwirkung mit dem charakteristischen Wert Fk der Einwirkung und dem Kombinationsbeiwert ψ zu
Gl. 1-1
Handelt es sich bei Fk um eine ständige Einwirkung oder um die Leiteinwirkung der veränderlichen Einwirkungen (dominierende Einwirkung), gilt nach DIN 1054, 2.4.6.1
Gl. 1-2
In Fällen, in denen mehrere veränderliche und voneinander unabhängige charakteristische Einwirkungen Qk, i gleichzeitig auftreten können, sind diese in einer „Kombination“ zusammenzufassen. Dies setzt allerdings Tragwerke voraus, die linear-elastisch berechnet werden können, da nur dann das Superpositionsprinzip gültig ist. Nachdem eine dieser Einwirkungen als Leiteinwirkung Qk, 1 festgelegt ist, ergibt sich der repräsentative Wert dieser Kombination mit Qk, 1 sowie den übrigen veränderlichen Einwirkungen Qk, i und den ihnen zuzuordnenden Kombinationswerten ψ0, i aus
Gl. 1-3
Mit Grenzzuständen wird mögliches Versagen des Bauwerks oder des Baugrunds oder auch gleichzeitiges Versagen von Bauwerk und Baugrund erfasst. Zu entsprechenden Nachweisen gehörende Anforderungen hinsichtlich der Festigkeit, Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit von Bauwerken sind in DIN EN 1997-1 und DIN 1054 zu finden. Für rechnerische Nachweise benötigte Teilsicherheitsbeiwerte, die zu
gehören, lassen sich der jeweiligen Tabelle in DIN 1054 entnehmen (siehe Abschnitt 1.5).
Bei den Grenzzuständen ist zwischen dem Grenzzustand der
zu unterscheiden. Der Grenzzustand SLS erfasst den Zustand von Bauwerken oder Bauteilen, in dem deren Nutzung nicht mehr zulässig ist, obwohl ihre Tragfähigkeit noch nicht verloren ging (die zu erwartenden Verschiebungen und Verformungen sind mit dem Zweck des Bauwerks oder Bauteils nicht mehr vereinbar). Bei entsprechenden Nachweisen werden ausschließlich zu Einwirkungen und Beanspruchungen gehörende Teilsicherheitsbeiwerte benötigt, die zum Grenzzustand SLS gehören (vgl. Tabelle 1-2)). Der bei Tragfähigkeitsnachweisen (Festigkeit und Standsicherheit) zu beachtende Grenzzustand ULS gliedert sich hingegen in die Grenzzustände
Bezüglich des zum Grenzzustand GEO-2 gehörenden Nachweisverfahrens 2 bzw. des zum Grenzzustand GEO-3 gehörenden Nachweisverfahrens 3 sei auf DIN EN 1997-1, 2.4.7.3.4.3 bzw. 2.4.7.3.4.4 sowie die zugehörigen Anmerkungen von DIN 1054 hingewiesen.
Zur Erleichterung des Verständnisses der neuen Grenzzustandsdefinitionen wird nachstehend noch ein Vergleich mit Grenzzuständen gemäß DIN 1054:2005-01 vorgenommen (vgl. hierzu Schuppener (Beitrag in [286], Tabelle B 2.2). Dem bisherigen Grenzzustand
Im Zuge von Berechnungen zum Nachweis der Tragfähigkeit bzw. der Gebrauchstauglichkeit werden für Einwirkungen und Beanspruchungen sowie für geotechnische Kenngrößen und Widerstände Bemessungswerte benötigt (vgl. Abschnitt 1.6), deren Größe u. a. mit Hilfe von Teilsicherheitsbeiwerten (vgl. Abschnitt 1.5.2) zu bestimmen ist. Aus den Tabellen des Abschnitts 1.5.2 geht hervor, dass die Zahlenwerte der Teilsicherheitsbeiwerte neben anderen Aspekten auch von der jeweils anzunehmenden Bemessungssituation (BS) abhängig sind.
Gemäß DIN EN 1997-1/NA sind grundsätzlich vier Bemessungssituationen zu unterscheiden, die im Folgenden erläutert werden (vgl. DIN 1054, 2.2 A (4)):
Bei den Bemessungssituationen BS-A oder BS-E lässt sich nicht ausschließen, dass das jeweilige Bauwerk nach Eintritt einer solchen Situation den Anforderungen an die Gebrauchstauglichkeit nicht mehr genügt und außerdem in entsprechender Weise geschädigt ist. Zur Vermeidung solcher Schäden sind Maßnahmen zu empfehlen, mit denen die Gebrauchstauglichkeit nachgewiesen werden kann.
Bei Baumaßnahmen, die Baugrubenkonstruktionen betreffen, darf in besonderen Situationen gemäß EAB, EB 24, Absatz 4 [136] die Bemessungssituation BS-T mit abgeminderten Teilsicherheitsbeiwerten unter der Bezeichnung BS-T/A eingefügt werden (vgl. hierzu DIN 1054, 2.2 A (6) und EAB, EB 79 [136]). Bei den veränderlichen Einwirkungen, die dabei neben den Lasten des Regelfalls zusätzlich zu berücksichtigen sind, handelt es sich um
In EAB, EB 24 [136] finden sich auch Beispiele für ständige, regelmäßig auftretende veränderliche Einwirkungen sowie für Lasten, die ggf. neben den Lasten des Regelfalls zu berücksichtigen sind.
Zum schnelleren Verständnis der neuen Bemessungssituationen sei auf ihre Beziehung mit den Lastfällen aus DIN 1054:2005-01 hingewiesen (vgl. hierzu EA-Pfähle, 1.2.2 [137]). Dem bisherigen Lastfall
Zu diesen drei Fällen kommt noch die „neue“ Bemessungssituation BS-E hinzu.
In den nachstehenden Tabellen werden Teilsicherheitsbeiwerte angegeben, die bei der Berechnung der Bemessungswerte von
zu verwenden sind und deren zahlenmäßigen Größen abhängen von der jeweils anzusetzenden Bemessungssituation (BS-P oder BS-T oder BS-A) bzw. von dem jeweils zu betrachtenden Grenzzustand (HYD oder UPL oder EQU oder STR und GEO-2 oder GEO-3 oder SLS).
Tabelle 1-1 Teilsicherheitsbeiwerte γM (Materialeigenschaft M im Einzelfall) für geotechnische Kenngrößen; nach DIN 1054, Tabelle A 2.2
Anmerkung zu Tabelle 1-1: In der Bemessungssituation BS-E werden nach DIN EN 1990 [99] keine Teilsicherheitsbeiwerte angesetzt.
Es sei hier noch darauf hingewiesen, dass die Einführung des Teilsicherheitskonzepts einen über mehrere Jahrzehnte gehenden Prozess darstellte, in dessen Verlauf sich die Ansätze der Herangehensweise erheblich veränderten. Hierzu gehört u. a., dass dieses neue Sicherheitskonzept an dem alten „globalen“ Sicherheitskonzept „geeicht“ wurde (vgl. hierzu z. B. Weißenbach [315]). Bezüglich der Festlegung der Zahlenwerte für die verschiedenen Teilsicherheitsbeiwerte führte das zu der Forderung, dass die sich im Rahmen des Teilsicherheitskonzepts ergebenden Sicherheiten des Bauwerks bzw. Bauteils möglichst weitgehend den Sicherheiten entsprechen sollten, die sich bei der Anwendung von „Globalsicherheitsbeiwerten“ („altes“ Sicherheitskonzept) ergeben.
Tabelle 1-2 Für Einwirkungen und Beanspruchungen geltende Teilsicherheitsbeiwerte γF (Einwirkung F im Einzelfall) bzw.γE (Beanspruchung E im Einzelfall); nach DIN 1054, Tabelle A 2.1
Tabelle 1-3 Teilsicherheitsbeiwerte γR (Widerstand R im Einzelfall) für Widerstände (nach DIN 1054, Tabelle A 2.3)
Bemessungswerte, die für die Bemessung geotechnischer Bauwerke erforderlich sind, basieren auf entsprechenden charakteristischen Werten (Bild 1-1) und sind als
zu ermitteln. Bezüglich der charakteristischen Werte und insbesondere der zu geotechnischen Kenngrößen gehörenden Werte sei auf Abschnitt 1.3.1 verwiesen.
Bemessungswerte sind mit dem Index „d“ zu kennzeichnen.
Bild 1-1 Flussdiagramm für die Ermittlung von Bemessungswerten geotechnischer Eigenschaften (nach DIN EN 1997-2 [109])
Gemäß DIN EN 1997-1, 2.4.6.1 ist der Bemessungswert Fd einer Einwirkung nach DIN EN 1990 [99] zu bestimmen. Der Wert ist entweder direkt festzulegen oder aus repräsentativen Werten mittels
Gl. 1-4
zu bestimmen (mit Teilsicherheitsbeiwerten γF aus Tabelle 1-2). Handelt es sich um eine ständige Einwirkung oder um eine Leiteinwirkung gilt
Gl. 1-5
Bezüglich der Ermittlung des repräsentativen Werts einer Kombination von mehreren veränderlichen und voneinander unabhängigen charakteristischen Einwirkungen sei auf Abschnitt 1.3.2 hingewiesen. In Fällen der direkten Festlegung von Bemessungswerten von geotechnischen Einwirkungen dienen Teilsicherheitsbeiwerte γF als Orientierungsgrößen für das anzustrebende Sicherheitsniveau.
Bemessungswerte von Einwirkungen, die im Rahmen eines Nachweises der Sicherheit gegen Aufschwimmen (Grenzzustand UPL) oder gegen hydraulischen Grundbruch (Grenzzustand HYD) benötigt werden, berechnen sich nach DIN 1054, 2.4.6.1.1 für die Bemessungssituationen BS-P, BS-T und BS-A mit Hilfe von Teilsicherheitsbeiwerten γF der Tabelle 1-2 zu
Gl. 1-6
Kombinationsbeiwerte sind dabei nicht zu berücksichtigen.
Gemäß DIN EN 1997-1, 2.4.6.2 sind Bemessungswerte Xd von geotechnischen Kenngrößen entweder direkt festzulegen oder mit Hilfe von charakteristischen Werten Xk und Teilsicherheitsbeiwerten γM aus Tabelle 1-1 sowie der Gleichung
Gl. 1-7
zu berechnen. Werden Bemessungswerte direkt festgelegt, sind die Teilsicherheitsbeiwerte γM als Orientierungsgrößen für das anzustrebende Sicherheitsniveau zu verstehen.
Bemessungswerte von Scherfestigkeiten, die bei Gesamtstandsicherheitsnachweisen (Grenzzustand GEO-3) verwendet werden, sind nach DIN 1054, 2.4.6.2 A (4) mit den Gleichungen
Gl. 1-8
zu berechnen. Darin stehen die charakteristischen Größen für den Reibungsbeiwert tanφ' und die Kohäsion c' des dränierten Bodens sowie den Reibungsbeiwert tanφu und die Kohäsion cu des undränierten Bodens. Diese Größen sind verknüpft mit den entsprechenden Teilsicherheitsbeiwerten aus Tabelle 1-1.
Nach DIN EN 1997-1, 2.4.6.4 sind ggf. erforderliche Bemessungswerte für Festigkeiten von Baustoffen und für Bauteilwiderstände nach den Normen DIN EN 1992 bis DIN EN 1996 sowie DIN EN 1999 zu ermitteln.
Gemäß DIN EN 1997-1, 2.4.1 müssen bei rechnerischen Nachweisen die grundsätzlichen Anforderungen und speziellen Regeln von DIN EN 1990 [99] berücksichtigt werden. Die Nachweisführung kann mit Hilfe von
erfolgen.
Nach DIN EN 1997-1, 2.4.7.1 ist im Allgemeinen nachzuweisen, dass ausreichende Sicherheit gegeben ist gegen
Der rechnerische Nachweis, dass das Gleichgewicht des als starren Körper angesehenen Tragwerks bzw. des Baugrunds eingehalten werden kann, lässt sich mit der Einhaltung der Ungleichung
Gl. 1-9
führen. Die in den Beziehungen verwendeten vier Größen sind
E
dst,d
Bemessungswert der Resultierenden der destabilisierenden Beanspruchungen,
E
stb,d
Bemessungswert der Resultierenden der stabilisierenden Beanspruchungen,
T
d
Bemessungswert der Resultierenden des gesamten mobilisierbaren Scherwiderstands in einer Fuge zwischen Baugrund und Bauwerk oder des gesamten Scherwiderstands, der sich an einen Bodenblock mobilisieren lässt, welcher z. B. eine Zugpfahlgruppe enthält,
µ
Ausnutzungsgrad.
Nach DIN EN 1997-1, 2.4.7.2 betrifft der Grenzzustand EQU vorwiegend die innere Bemessung des Tragwerks. In der Geotechnik erfolgen somit Nachweise in diesem Grenzzustand eher selten (Beispiel: starre Gründung auf Fels), da mit EQU weder die Gesamtstandsicherheit noch die Sicherheit gegen Aufschwimmen erfasst wird.
Die Sicherheit gegen das Auftreten von Brüchen oder sehr großen Verformungen in einem Tragwerk, einem Tragwerksteil oder im Baugrund lässt sich mit den Bemessungswerten der Beanspruchungen Ed und der Widerstände Rd sowie mit der Erfüllung der Ungleichung
Gl. 1-10
nachweisen (vgl. DIN EN 1997-1, 2.4.7.3). In der zweiten der beiden Ungleichungen ist μ der Ausnutzungsgrad. Die Bemessungswerte sind stets in den maßgebenden Schnitten durch das Bauwerk und den Baugrund sowie in den Berührungsflächen zwischen Bauwerk und Baugrund zu ermitteln.
Im allgemeinen Fall sind die Bemessungswerte der Beanspruchungen für die Bemessungssituationen BS-P und BS-T mit Hilfe von
Gl. 1-11
für die Bemessungssituation BS-A mit Hilfe von
Gl. 1-12
und für die Bemessungssituation BS-E mit Hilfe von
Gl. 1-13
zu berechnen. In den drei Gleichungen hat die Zeichenkombination "+" die Bedeutung „in Verbindung mit“. Die einzelnen Größen der Gleichungen sind:
G
k, j
j-te ständige charakteristische Einwirkung (j ≥ 1),
γ
G, j
Teilsicherheitsbeiwert
γ
G
für
G
k, j
,
P
k
charakteristische Einwirkung aus Vorspannung,
γ
P
Teilsicherheitsbeiwert für
P
k
,
Q
k, 1
Leiteinwirkung der veränderlichen charakteristischen Einwirkungen
γ
Q, 1
Teilsicherheitsbeiwert für
Q
k, 1
,
Q
k, i
i-te begleitende veränderliche charakteristische Einwirkung (i ≥ 2)
γ
Q, i
Teilsicherheitsbeiwert für
Q
k, i
,
ψ
0, i
Kombinationswert
ψ
0
für
Q
k, i
,
A
d
Bemessungswert einer außergewöhnlichen Einwirkung,
ψ
1
Kombinationswert zum Festlegen des häufigen Werts von
Q
k, 1
,
ψ
2
Kombinationswert zum Festlegen des quasi-ständigen Werts von
Q
k, 1
,
ψ
2, i
Kombinationswert
ψ
2
zum Festlegen des quasi-ständigen Werts von
Q
k, i
,
A
Ed
Bemessungswert einer Erdbebeneinwirkung nach DIN EN 1990, Tabelle A.1.3 [99],
Q
k, j
j-te veränderliche charakteristische Einwirkung (j ≥ 1),
ψ
2, j
Kombinationswert
ψ
2
zum Festlegen des quasi-ständigen Werts von
Q
k, j
.
Bezüglich des „häufigen Werts“ und des „quasi-ständigen Werts“ einer veränderlichen Einwirkung sei auf DIN 1990, 1.5.3.17 und 1.5.3.18 [99] hingewiesen. Im Hochbau ist der häufige Wert der Wert, der in ≥ 1% des Bezugszeitraumes überschritten wird; bei der Verkehrsbelastung von Straßenbrücken ist er der Wert mit einer Wiederkehrperiode von einer Woche. Beispiele für den quasi-ständigen Wert einer veränderlichen Einwirkung sind z. B. die Größe von Stapellasten unter Berücksichtigung eines mittleren Beschickungsgrads oder die Größe von Nutzlasten auf einer Decke, die in ≥ 50% des Bezugszeitraums überschritten wird, oder der Mittelwert von Wind- bzw. Verkehrslasten, der zu einem bestimmten Zeitintervall gehört.
Bei der Indizierung von Kombinationsbeiwerten gilt generell, dass der Index
Zur Ermittlung des Bemessungswerts der Widerstände Rd aus Gl. 1-10 werden Teilsicherheitsbeiwerte benötigt, die bei der Berechnung von Rd auf Baugrundeigenschaften (X) oder auf Widerstände (R) oder auch auf Baugrundeigenschaften und Widerstände angewendet werden können. Hinsichtlich weitergehender Ausführungen sei auf DIN 1997-1, 2.4.7.3.3 verwiesen.
Der Nachweis der Sicherheit gegen das Aufschwimmen von Bauwerken oder Bauwerksteilen wird nach DIN EN 1997-1, 2.4.7.4 mit Hilfe des Bemessungswerts der
Gl. 1-14
gilt der Nachweis als erbracht. Da zusätzliche Widerstände gegen Aufschwimmen behandelt werden dürfen wie stabilisierende ständige vertikale Einwirkungen und die Bemessungswerte der Einwirkungen ohne Berücksichtigung von Kombinationsbeiwerten berechnet werden dürfen (vgl. Abschnitt 1.6.1), kann die Ermittlung aller Bemessungswerte der Gl. 1-14 ausschließlich mit Teilsicherheitsbeiwerten aus Tabelle 1-2 erfolgen.
Beim Nachweis der Sicherheit gegen das Versagen durch hydraulischen Grundbruch ist nach 2.4.7.5 von DIN EN 1997-1 und DIN 1054 zu zeigen, dass für jedes untersuchte Bodenprisma die Ungleichung
Gl. 1-15
gilt. Die darin verwendeten Größen sind:
S
dst, d
destabilisierende Strömungskraft in dem Bodenprisma,
G'
stb, d
stabilisierende Eigengewichtskraft des Bodenprismas unter Auftrieb,
µ
Ausnutzungsgrad.
Die Ermittlung aller Bemessungswerte der Gl. 1-15 kann ausschließlich mit Teilsicherheitsbeiwerten aus Tabelle 1-2 erfolgen (vgl. auch Abschnitt 1.6.1).
Ist das Verhalten des Baugrunds einer geplanten Baumaßnahme mit vorab durchgeführten Baugrunduntersuchungen und entsprechenden Berechnungen nicht hinreichend zuverlässig prognostizierbar, kann es sinnvoll sein, die „Beobachtungsmethode“ anzuwenden. Diese Methode kombiniert übliche geotechnische Untersuchungen und Berechnungen (Prognosen) mit laufenden messtechnischen Kontrollen des Baugrunds und des Bauwerks während dessen Herstellung (ggf. auch in dessen Nutzungszeit). Auf dieser Basis lassen sich die Prognoseunsicherheiten durch fortlaufende Anpassungen des Entwurfs an die tatsächlichen Verhältnisse weitestgehend verringern.
Als Sicherheitsnachweis ist die Beobachtungsmethode ungeeignet, wenn davon ausgegangen werden muss, dass ein mögliches Versagen nicht frühzeitig zu erkennen ist bzw. dass es sich nicht rechtzeitig ankündigt.
Lassen sich aus den Messungen Gegebenheiten ableiten (z. B. geotechnische Kenngrößen und hydrogeologische Verhältnisse), die günstiger sind als erwartet, dürfen die Bemessung und der weitere Bauablauf mit Hilfe der Beobachtungsmethode optimiert werden.
Im Zuge der Anwendung der Beobachtungsmethode ist nach DIN EN 1997-1, 2.7 noch vor dem Beginn der Baumaßnahmen dafür zu sorgen, dass
Hinsichtlich der Umsetzung dieser Forderungen empfiehlt DIN 1054, 2.7 die Beteiligung von Bauherrschaft, geotechnische Beratung, Tragwerksplanung, Bauausführung und Bauaufsicht. Darüber hinaus verlangt die DIN, dass der Schwankungsbereich des Bauwerksverhaltens auf der Basis vorliegender Erkundungsergebnisse rechnerisch ermittelt wird und dass zum Nachweis der Gebrauchstauglichkeit eine rechnerische Prognose erstellt wird, die insbesondere dazu dient
Nach DIN 1054, 2.7 kann die Anwendung der Beobachtungsmethode insbesondere bei Baumaßnahmen zweckmäßig sein, die in die geotechnische Kategorie GK3 (Maßnahmen mit hohem Schwierigkeitsgrad) einzuordnen sind und
Sinkt die Lufttemperatur in unmittelbarer Bodennähe auf Werte unter 0 °C, beginnt sich im Baugrund Bodenfrost auszubreiten. Der so anfangende Vereisungsvorgang des im Boden befindlichen Porenwassers pflanzt sich in die Tiefe des Bodens fort. Die Eindringtiefe des Frostes (auch „Frosttiefe“ genannt) ist umso größer, je
Im Verkehrsbau ist der Bodenfrost von besonderer Bedeutung, da z. B. Straßen- und Flugplatzbefestigungen nicht frostfrei gegründet werden.
Auf die Thematik der künstlichen Bodenvereisung („Gefrierverfahren“) wird hier nicht eingegangen. Ausführungen hierzu sind z. B. bei Jessberger/Jagow-Klaff [173], Kap. 2.4 oder Orth [174], Kap. 2.5 zu finden.
Empfehlungen zur frostfreien Lage der Gründungssohle, zur Klassifizierung der Frostempfindlichkeit von Bodenarten und zur Verhinderung von Frostschäden sind zu finden in
Homogener Bodenfrost tritt bei Böden mit geringer Kapillarwirkung auf (z. B. bei Kiesen und Sanden). Der Wassergehalt w in der Frostzone dieser Böden bleibt konstant.
Bei feuchten Sanden gefriert die die Körner umhüllende Wasserschicht und dehnt sich bei weiter absinkenden Temperaturen in den luftgefüllten Porenraum aus.
Nicht homogener (geschichteter) Bodenfrost setzt Böden mit höherer Kapillarwirkung voraus (bindige Böden). Das Wasser kann durch diese Wirkung aus der Umgebung (geschlossenes System) oder von einem Wasservorrat (offenes System) angesaugt werden. Als Wasservorrat dient anstehendes Grundwasser und/oder örtlich versickerndes Oberflächenwasser.
Das Ansaugen von Wasser in die Frostzone erhöht dort den Wassergehalt w in unregelmäßiger Form und führt zur Bildung von Eisbändern und Eislinsen (Bild 2-1), deren Größe, abhängig vom Wassernachschub, zwischen einigen Millimetern und einigen Dezimetern schwanken kann. In ihrem Bereich erreicht der Wassergehalt Spitzenwerte.
Bild 2-1 Wassergehalt w bei nicht homogenem Bodenfrost (nach [11])A Linie des Wassergehalts der Schichten a, b, c vor und nach dem GefrierenB Querschnitt durch den Frostboden (von Rissen durchzogener Ton)a Boden oberhalb der Frostgrenze (mit Eislinsen und Eisbändern)b Übergangsbereich mit reduziertem Wassergehalt unterhalb der Frosttiefec Boden mit unverändertem Wassergehalt unterhalb der Frosttiefe
Im Allgemeinen ist Baugrund bezüglich der Frosteinwirkungen dann als unproblematisch einzustufen, wenn seine durch den Frost hervorgerufenen Hebungen und periodischen Tragfähigkeitsverminderungen so klein sind, dass keine Schäden an dem jeweiligen Bauwerk zu befürchten sind. Für Kriterien wie „frostsicher“ und „frostgefährdet“ existieren keine klaren Grenzen, da die zu charakterisierenden Böden sich zum Teil sehr stark voneinander unterscheiden (z. B. bezüglich ihrer Körnungslinien). Aus diesen Gründen sind die im Folgenden angegebenen Frostkriterien auch nicht einheitlich. Insbesondere hinsichtlich der Kriterien von Casagrande und Schaible ist darauf hinzuweisen, dass mit der Reduzierung auf Sieblinienkriterien vor allem der Einfluss der mineralischen Zusammensetzung des Feinkornanteils vernachlässigt wird (vgl. hierzu auch [18] und [148]). Bezüglich weiterer Frostkriterien sei z. B. auf [195] verwiesen.
Nach Casagrande sind Böden als frostempfindlich einzustufen, wenn (vgl. z. B. [148])
Hinsichtlich der Unschärfen dieses Kriteriums sei z. B. auf [195] verwiesen.
Im Gegensatz zu Casagrande werden von Schaible [269] nicht nur die Tone und Schluffe, sondern auch die Mehlsande (Korngruppe mit Korngrößen zwischen 0,02 mm und 0,1 mm) in den Bereich der frostempfindlichen Böden aufgenommen.
Die im Rahmen eines mehrjährigen Forschungsauftrages für das Bundesverkehrsministerium gewonnenen Frostkriterien sind in Bild 2-2 wiedergegeben (vgl. auch [269]).
Bild 2-2 Frostkriterien nach Schaible [269]
Liegt die Körnungslinie eines Bodens außerhalb der von Schaible als „frostgefährlich“ bzw. „frostempfindlich“ bezeichneten Bereiche, sind keine Schäden durch Bodenfrost zu erwarten.
Die Frostempfindlichkeit von Bodenarten wird in DIN 18196 klassifiziert mit den Begriffen
Nach Tabelle 4 dieser DIN gehören z. B. zur Gruppe der durch sehr große Frostempfindlichkeit gekennzeichneten Böden
Nach der Norm ist die Frostempfindlichkeit von Böden vernachlässigbar klein, wenn sie als grobkörnig einzustufen sind und damit Massenanteile an Feinkorn (≤ 0,063 mm) von < 5 % aufweisen (z. B. Kiese, Sande, vulkanische Schlacke, Terassenschotter und Granitgrus).
In den ZTV E-StB 09 werden drei Frostempfindlichkeitsklassen unterschieden (Tabelle 2-1). Die Einteilung zeigt die mögliche Frostempfindlichkeit für die Fälle, in denen Wasser
In ZTV E-StB 09, 3.1.3.1 wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass von der Einteilung in Tabelle 2-1 abgewichen werden kann, wenn andere regionale Erfahrungen vorliegen.
Tabelle 2-1 Klassifikation der Frostempfindlichkeit von Bodengruppen nach ZTV E-StB 09, 3.1.3
Frostempfindlichkeit
Bodengruppen (nach DIN 18196)
F1
nicht frostempfindlich
GW, GI, GESW, SI, SE
F2
gering bis mittel frostempfindlich
TAOT, OH, OKST
1)
, GT
1)
SU
1)
, GU
1)
F3
sehr frostempfindlich
TL, TMUL, UM, UAOUST*, GT*SU*, GU*
Anmerkung:
1) zu F1 gehörig bei einem Anteil an Korn unter 0,063 mm von 5,0 M-% bei CU ≥ 15,0 oder 15,0 M-% bei CU ≤ 6,0.
Im Bereich 6,0 <CU < 15,0 kann der für eine Zuordnung zu F1 zulässige Anteil an Korn unter 0,063 mm gemäß Bild 2-3 linear interpoliert werden.
Bild 2-3 Abgrenzung der Frostempfindlichkeitsklasse F1 von F2 in Abhängigkeit von der Ungleichförmigkeitszahl CU und dem Feinkornanteil der Böden (nach ZTV E-StB 09)
Tabelle 2-2 enthält Ergebnisse von Messungen, die in den Jahren 1957 bis 1971 an unterschiedlichen Orten der Bundesrepublik Deutschland durchgeführt wurden. Die Größen stellen die minimalen und maximalen Jahreswerte der Frosttiefen dar, die sich während der Messperiode ergaben. Die letzte Spalte enthält den Mittelwert aller Jahreshöchstwerte. Weitere Beispiele für gemessene Frosttiefen sind z. B. in [282] zu finden.
Die Zahlen der Tabelle zeigen, dass die Forderung nach der frostfreien Anordnung der Gründungssohlen von Flächengründungen durch die in DIN 1054, 6.4 A (2) diesbezüglich verlangte Sohllagentiefe von mindestens 0,8m unter Gelände nicht immer erfüllt wird. Bei der Festlegung der Sohltiefe sind deshalb auch entsprechende örtliche Erfahrungs- oder Messwerte zu beachten.
In [42] wird die Sohllagentiefe von mindestens 0,8m u. a. nicht für Bauwerke von untergeordneter Bedeutung (z. B. Einzelgaragen, einstöckige Schuppen, Bauwerke für vorübergehende Zwecke usw.) und geringer Flächenbelastung gefordert. Selbstverständlich sind auch solche Bauwerke den bodenphysikalischen Bedingungen bei Frosteinwirkung unterworfen, das damit verbundene Risiko wird in diesen Fällen aber bewusst dem Bauherrn überlassen (vgl. [43]).
Tabelle 2-2 Größte jährliche Frosttiefen unter schneefrei gehaltenen 15 cm dicken Betonplatten (nach [144])
Müssen Gerüste, fliegende Bauten u. a. ihre Funktion nur außerhalb der Frostperiode erfüllen, kann auf die Beachtung der Regeln für ihre frostfreie Gründung verzichtet werden.
Zu den Voraussetzungen von möglichen Frostschäden gehört, dass
Bild 2-4 Hebung des Bodens infolge sich vergrößernder Eislinsen und Eisbänder
Treffen die genannten Bedingungen für frostempfindliche Böden zu, sind Schäden zu erwarten. Sie gehören zur Kategorie der
Im Gegensatz zu Bauten mit beschränkter Grundfläche (z. B. Hochbauten und Brücken), wird bei Straßen und Flugplatzbefestigungen aus Wirtschaftlichkeitsgründen auf eine frostfreie Gründung verzichtet. Daher werden sie auch besonders stark durch ihre Wechselwirkung mit dem dem Frost ausgesetzten Baugrund beeinflusst. Bild 2-5 und Bild 2-6 zeigen die wesentlichen Problemfälle für Frostschäden im Straßenbau, die der Hebung und der Tausenkung.
Bild 2-5 Frosthebung einer Packlagendecke bei frostempfindlichem Untergrund (nach [269])
Hebungen betreffen nach Schaible [269] nur den kleineren Teil der Frostschäden (10 %). Sie bilden sich im Laufe der Frostperiode in Form von Frostwellen, Frostbeulen, Frostrissen oder auch Frostspalten aus (vgl. [144]). Ihr Maximum ist erreicht, wenn sich die größte Wassermenge in Eislinsen und Eisbändern unter der Fahrbahndecke angesammelt hat. Nach der Auftauperiode gehen die Hebungen zwar zurück, die sich nicht mehr ganz schließenden Risse stellen jedoch Ansatzpunkte für Schadenserweiterungen dar.
Bild 2-6 Tausenkung unter Verkehrseinfluss bei frostempfindlichem Untergrund (nach Schaible [269])
Bei Straßen wesentlich bedeutsamer sind die Tausenkungsschäden (nach Schaible [269] 90% der Frostschäden). Sie treten in der Tauperiode ein und sind mit dem in Bild 2-6 skizzierten Ablauf des Auftauvorgangs verbunden. Der Boden weicht durch das Schmelzen der Eislinsen und -bänder so stark auf, dass er keine nennenswerte Tragfähigkeit mehr besitzt. Darüber hinaus wird er durch die noch vorhandene Eisbarriere an seiner Entwässerung gehindert. Über solchen, sich in kurzer Zeit bildenden, „Schlammlöchern“ treten rasch große Verformungen biegeweicher Straßen- und Flugplatzbefestigungsdecken auf. Biegesteifere Decken brechen ein, wenn sie durch Verkehr belastet werden und ihre Tragfähigkeit nicht mehr zur Lastaufnahme ausreicht. Als Schadensformen entstehen engmaschige Risse (Elefantenhaut) und Schollen, wobei Verkehr die Schäden durch „Pumpen“ vergrößert; der Schadensumfang kann sich bis zur völligen Zerstörung der Fahrbahnbefestigung (Frostaufbrüche) entwickeln. Der Vorgang wird beeinflusst durch die
Die beschriebenen Frostschäden können vermieden werden durch die Beseitigung der Voraussetzungen für ihre Entstehung. Entsprechende Maßnahmen sind z. B.
Zum Einsatz von Wärmedämmschichten und den damit verbundenen erforderlichen Dicken des Unterbaus von Fahrbahnen siehe z. B. [294].
Bild 2-7 Aufbau der Versuchsstrecke Silvretta-Hochalpenstraße, Österreich, in herkömmlicher und in wärmegedämmter Bauweise (aus [190])
Die Dicken von Frostschutzschichten können unter Rückgriff auf die RStO 01 [260] festgelegt werden. Entsprechende Werte von Tabelle 2-3 lassen erkennen, dass die jeweils anzusetzende Größe sowohl von der Frostempfindlichkeitsklasse gemäß ZTV E-StB 09 als auch von der Bauklasse (Klasse SV bzw. Klasse VI gelten für > 32 Mio. bzw. ≤ 0,1 Mio. äquivalente 10-t-Achsübergänge in 30 Jahren) der zu bauenden Straße abhängig ist. Gemäß den RStO 01 sind die Werte aus Tabelle 2-3, in Abhängigkeit von den örtlichen Verhältnissen, ggf. zu vergrößern oder auch zu verkleinern (siehe RStO 01, 3.2.3).
Tabelle 2-3 Ausgangswerte für die Bestimmung der Mindestdicke des frostsicheren Straßenaufbaues (nach RStO 01 [260])
Im Straßenbau ist, außer auf die dargestellten möglichen Schadensformen an Straßenbefestigungen, auch noch auf Frostschäden hinzuweisen, die an Böschungen von Dämmen und Einschnitten auftreten können, welche aus Bodenmaterial der Frostempfindlichkeitsklassen F2 oder F3 bestehen. Die Schäden reichen vom Kriechen des Bodens über Rutschungen bis hin zum Böschungsbruch. Verursacht werden sie vor allem durch die
Mögliche Maßnahmen zur Schadenvermeidung sind z. B.
Im Hochbau sind Frostschäden oft auf nicht ausreichende Gründungstiefen zurückzuführen. Die in der gefrierenden Zone liegenden Bauteile werden dabei durch ständig wachsende Eislinsen und Eisbänder angehoben, gedreht und zur Seite geschoben. Zu den Folgeerscheinungen gehören die Standsicherheitsgefährdung durch Risse in der Baukonstruktion sowie die Gefahr des Einsturzes von Gebäudeteilen oder gar des gesamten Gebäudes. Auf solche Probleme ist besonders bei Rohbauten zu achten, die z. B. noch nicht hinterfüllt sind und/oder bei denen der Frost durch noch nicht geschlossene Maueröffnungen (Fenster, Türen usw.) in die Kellerräume eindringen kann. Als Beispiel sei der in [246] beschriebene Fall einer unzureichenden Gründungstiefe im Bereich eines Kellereingangs erwähnt. Diese führte zu Frosthebungen, einer damit verbundenen Sattellage der Kellergründung und schließlich zu gravierenden Bauwerksschäden.
Bild 2-8 zeigt zwei mögliche Problemfälle, die durch zu geringe Einbindetiefen und die Verwendung von falschem Hinterfüllmaterial entstehen können.
Bild 2-8 Einwirkungen des Bodenfrostes auf Fundamente und Wände in nicht frostsicherem Baugrund (nach [1])a) Fundamentdrehung bei nicht frostfrei gegründeter Kellertürb) Wandverschiebung bei offenem Kellerfenster
Bild 2-9 Ausbildung eines Kellereingangs mit Außentreppe zur Vermeidung von Frostschäden; alle Maße in m (nach [1])
Zur Vermeidung von Frostschäden im Hochbau dienen Maßnahmen wie
Die Umsetzung solcher Maßnahmen für den Bereich eines Kellereingangs zeigt Bild 2-9.
Die Bildung von Eislinsen und -bändern verursacht bei Baugruben eine Ausdehnung des Frostbodens und damit eine Bewegung der Baugrubenwandflächen in Richtung der Baugrube (Bild 2-10). Handelt es sich um ausgesteifte Baugruben, verursacht diese Bodenausdehnung in Achsrichtung der Steifen eine zusätzliche Druckbelastung. Das kann u.U. ein Versagen der Steifen durch Knicken und damit einen möglichen Baugrubeneinsturz herbeiführen.
Bei Böschungen entsteht durch Bildung von Eislinsen bzw. Eisbändern eine „Schichtung“ parallel zur Geländeoberfläche. Taut das Eis (von der Bodenoberfläche aus), kann das Tauwasser nicht durch die restliche Frostzone versickern; der Boden wird breiig und kann auf der verbliebenen Frostzone abrutschen.
Zur Vermeidung von Frostschäden bei Baugruben und Böschungen gehört es z. B.,
Bild 2-10 Frosteinwirkung bei mit einem verstrebten Verbau gestützten Baugrubenwänden
Erfüllen die Eigenschaften von anstehendem Boden nicht die Bedingungen, die sich aus der Forderung nach
eines Bauwerks ergeben, ist u. a. zu prüfen, ob sich eine Baugrundverbesserung als sinnvolle Maßnahme anbietet. Mit den dabei einzusetzenden Verfahren lässt sich
Bild 3-1 Einsatzmöglichkeiten von Methoden der Baugrundverbesserung in Abhängigkeit von der Bodenart (nach [281])
Als Methoden zur Baugrundverbesserung stehen u. a. zur Verfügung
Welches Verfahren jeweils zur Anwendung kommt, hängt vor allem von der zu verbessernden Bodenart ab (Bild 3-1). Darauf Einfluss haben aber auch Fragen wie etwa die nach der Nachbarbebauung, deren Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit, die durch die auszuführenden Arbeiten nicht gefährdet werden dürfen (z. B. durch Entwässerungsmaßnahmen oder Erschütterungen aus dynamischen Verdichtungsarbeiten). Weitere Randbedingungen für die Findung des technisch und wirtschaftlich sinnvollsten Verfahrens sind z. B.
Empfehlungen zu verschiedenen, den Baugrund verbessernde Maßnahmen sind zu finden in
Die Bodenverdichtung dient vor allem der dauerhaften Gewährleistung der Gebrauchsfähigkeit und Tragfähigkeit (Schadensfreiheit) eines Bauwerks. So können z. B. zu erwartende Setzungen durch Vorwegnahme der Zusammendrückung bzw. der Verringerung des Porenanteils des Bodens auf ein zulässiges Maß reduziert werden. Die Verdichtung des Bodens führt außerdem zu einer Erhöhung des Steifemoduls Es und des Winkels φ der inneren Reibung.
Grob- oder gemischkörnige Böden dürfen keine zu hohe Kohäsion aufweisen, wenn sie durch Rüttlung verdichtet werden sollen; ihr Tonanteil sollte deshalb < 5% und ihr Schluffanteil < 20% der Körnungslinie sein. Solche Böden werden im Weiteren als „nichtbindige Böden“ bezeichnet.
Die Verdichtungsfähigkeit bindiger Böden (Böden mit höheren Feinkornanteilen als bei den angegebenen nichtbindigen Böden) wird vor allem beeinflusst von
Grenzen der Verdichtbarkeit ergeben sich, neben wirtschaftlichen Aspekten, auch durch die Leistungsfähigkeit der verfügbaren Verdichtungsgeräte. Mit zunehmender Korngröße des zu verdichtenden Bodenmaterials sind nämlich entsprechend größer werdende Kräfte zu erzeugen, um die Reibung der Bodenkörner untereinander zeitweise aufzuheben und unter dem Einfluss der Schwerkraft ihre Umordnung in eine dichtere Lage herbeizuführen.
Bei der Auswahl von Maschinen für Oberflächenverdichtungen ist nach [174], Kap. 2.1 zu beachten, dass für