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Die Erfindung bezieht sich auf eine Tiefgründung für Bau-
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werke sowie ein Verfahren zu deren Erstellung gemäß den Oberbegriffen
der unabhängigen Patentansprüche.
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Weltweit besteht die Aufgabe, schwere Bauwerke, wie Brücken oder dergleichen,
mit einem Gewicht in der Größenordnung von 5000 bis 50.000 Tonnen und mehr wirtschaftlich
zu gründen. In Erdbebengebieten besteht zusätzlich die Aufgabe, das Bauwerk gegen
die Wirkung von Erdbeben, insbesondere gegen horizontale Erdstöße zu schützen. Bei
Schrägkabelbrücken besteht auch ohne die Wirkung eines Erdbebens der Wunsch bzw.
die Notwendigkeit, die Gründung in horizontaler Richtung elastisch nachgiebig zu
gestalten, um eine Trennungsfuge des die Brückenfahrbahn tragenden Versteifungsträgers
zwischen zwei Pylonen zu vermeiden. Zu diesem Zweck ist der Versteifungsträger bei
bisherigen Schrägkabelbrücken an einem Pylon festgemacht und am zweiten Pylon beweglich
gelagert. Die unterschiedliche Belastung beider Pylone ist nachteilig.
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Die Erfindung geht davon aus, daß Lasten der beschriebenen Größenordnung
fast nie in geringer Tiefe unter Gelände, sondern in angemessener Tiefe fundiert
werden müssen. In den meisten Fällen, z.B. im Unterlauf von Flüssen, liegt der tragfähige
Baugrund tief unter Gelände, tief unter dem Grundwasserspiegel oder tief unter dem
Wasserspiegel.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Konstruktion für eine
Tiefgründung der infrage stehenden Art für schwere Bauwerke sowie ein Verfahren
zu deren Erstellung anzugeben, wobei die Tiefgründung einfach und wirtschaftlich
zu erstellen ist, ferner am Bauwerk angreifende Horizontalkräfte aufnimmt und das
getragene Bauwerk auch gegen Erdbeben, insbesondere horizontal wirkende Erdbebenstöße
schützt.
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Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die in den kennzeichnenden
Teilen der unabhängigen Patentansprüche angegebenen Merkmale gelöst.
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Gemäß diesen Merkmalen wird der tragfähige Baugrund durch Absenken
eines Senkkastens insbesondere aus Stahlbeton erreicht. In den Senkkasten werden
z.B. in einem quadratischen Raster von 3 x 3 Meter säulenartige Pfähle, vorzugsweise
wiederum aus Stahlbeton eingebracht, die an ihrem oberen Ende gemeinsam in eine
Pfahlkopfplatte eingreifen, die mit dem Senkkasten nicht in Verbindung steht. Die
Pfähle sind in einer den Grundriß des Senkkastens ausfüllenden Fundamentschicht,
z.B. aus Unterwasserbeton, von angemessener Dicke einbetoniert. Das Bauwerk ruht
auf der Pfahlkopfplatte. Die Last des Bauwerkes und die der Tiefgründung werden
über die Ffahlkopfplatte und die Phähle sowie das Betonfundament am Boden des Senkkastens
abgetragen.
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Die Höhe der Säulen und ihre Schlankheit, d.h. das Verhältnis von
Durchmesser zu Höhe sind dabei so bemessen, daß die durch die Temperaturänderungen
notwendigen Bewegungen des Bauwerks und die aus den Lasten resultierenden Kräfte
mit zulässigen Spannungen aufgenommen werden können. Außerdem ist die Elastizität
der Pfähle über deren Höhe abgestuft.
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Bei Stahlbetonpfählen wird die Längsbewehrung so abgestuft, daß im
Fall der Gefährdung des Bauwerkes durch Erdbeben durch eine elastische Verbiegung
der Pfähle eine maximale horizontale Verschiebung zwischen Pfahlkopfplatte und der
Fundamentplatte eintreten kann.
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Für die Herstellung der Tiefgründung wird zweckmäßig folgendermaßen
vorgegangen: Zunächst wird nach Absenken des Senkkastens, für den kein eigenes Fundament
notwendig ist, die Pfahlkopfplatte betoniert und auf den Wänden des Senkkastens
provisorisch auf Pressen gelagert. Für die
säulenartigen Pfähle
der Tiefgründung sind in der Pfahlkopfplatte Löcher vorgesehen. Die Pfähle selbst
werden oberhalb der Pfahlkopfplatte abschnittsweise in einer Kletterschalung betoniert
und an ihren , vorzugsweise aus Gewindestäben bestehenden Längsbewehrungen abgesenkt,
bis die untere Anschlußbewehrung die vorgesehene Tiefe im Bereich des tragenden
Baugrundes erreicht. Der Beton für das plattenförmige Betonfundament am Boden des
Senkkastens wird dann zweckmäßig durch die hohlen Pfähle selbst eingebracht.
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Nach dem Erhärten des Betons wird die Pf ahlkopfplatte freigesetzt,
so daß zwischen ihr und dem Senkkasten keine Verbindung mehr besteht: Die Tiefgründung
ist damit fertiggestellt; auf der Pf ahlkopfplatte kann dann das Bauwerk erstellt
werden.
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Die Erfindung hat mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Tiefgründungen,
die Senkkästen oder Pfahlkonstruktionen verwenden. Sie vereinfacht und verbilligt
die Aufnahme großer Lasten. Außerdem wird es ermöglicht, ohne besonderen Aufwand
das Bauwerk gegen horizontale Kräfte und Erdstöße zu schützen.
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Die Absenkung eines Selnkkastens aus Stahlbeton mit Hilfe einer Schmierung
aus Bentonit ist nach dem Stand der Technik kein Problem mehr. Bei bisherigen Gründungen
mit Senkkästen war jedoch der Anschluß der Schneide des Senkkastens an den tragfähigen
Baugrund schwierig, insbesondere wenn dieser aus Fels besteht, da der starre Senkkasten
und der im allgemeinen weder ebene noch horizontale tragfähige Baugrund nicht zusammenpassen.
Außerdem wurde die Gründung bisher durch das große Gewicht des Senkkastens und dessen
Mantelreibung, die positiv oder negativ sein kann, belastet.
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Gemäß der Erfindung trägt der Senkkasten selbst nicht die Last des
Bauwerkes, so daß auch keine eigene Gründung des Senkkastens notwendig ist. Das
Gewicht der säulenartigen
Pfähle ist wesentlich geringer als dasjenige
des Senkkastens, so daß auch dessen Grundriß kleiner und damit die Umschließung
der Baugrube billiger sein kann.
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Eine weiterer Vorteil liegt darin, daß auch dann, wenn das plattenförmige
Fundament auf dem tragfähigen Baugrund unterhalb des Grundwasser- oder Wasserspiegels
liegt, die durch den Senkkasten geschlossene Baugrube nicht ausgepumpt zu werden
braucht. Hierdurch wird auch das Risiko von Grundbrüchen vermieden.
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Ferner wird mit der Erfindung die Möglichkeit geben, die säulenartigen
Pfähle und deren Bewehrung so zu dimensionieren, daß die gesamte Konstruktion einschließlich
der Pfahlkopfplatte nicht starr wie der Senkkasten, sondern elastisch beweglich
ist. Diese elastische Beweglichkeit ist für das überbaute Bauwerk vorteilhaft.
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So kann man z.B. bei Schrägkabelbrücken mit einer Tiefgründung gemäß
der Erfindung auf eine Trennfuge im Versteifungsträger zwischen zwei Pylonen verzichten,
da die Längenänderungen des Versteifungsträgers durch die elastische Nachgiebigkeit
der Tiefgründung aufgefangen werden. Ebenso wird ein auf die Gründungssohle, d.h.
das plattenförmige Fundament am Boden des Senkkastens wirkender Stoß eines Erdbebens
durch die elastische Nachgiebigkeit der Tiefgründung so abgemildert, daß er nicht
oder nur in unschädlichen Ausmaß auf das Bauwerk wirkt. Andere Sicherheitsvorkehrungen,
wie z.B. zusätzliche Bewehrungen gegen horizontale Kräfte aus Erdbebenlasten, können
dadurch entfallen. Diese vorteilhaften Wirkungen sind selbstverständlich nicht auf
das Beispiel einer Schrägkabelbrücke beschränkt, sondern können auch bei Tiefgründungen
für Hochhäuser, Atomkraftwerke usw. angewendet werden.
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Das Verfahren zur Erstellung einer erfindungsgemäßen Tiefgründung
ist vorteilhaft, weil nicht nur die Arbeiten am Senkkasten, sondern auch die Ausführung
der säulenartigen Pfähle im Trockenen stattfinden können. Weder bei der Erstellung
des Grundfundaments noch der Pfähle oder der Pfahlkopfplatten muß die Baugrube ausgepumpt
werden. Des weiteren ist durch das Hexstellverfahren insbesondere die schwierige
Aufgabe des Einbringens einer hochprozentigen Anschlußbewehrung in das Grundfundament
in einfacher Weise gelöst.
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Pfahlkopfplatten von Pfahlgründungen üblicher-Ausführung müssen bei
Tiefgründungen im Wasserbereich bei jedem Wasserstand ins Wasser tauchen. Deshalb
ist ihre Dicke nicht'nur durch die Statik des Bauwerkes, sondern auch durch den
Unterschied zwischen Hoch- und Niedrigwasser bedingt. Sie sind-dick und wegen ihres
Gewichts auch im Grundriß entsprechend groß. Ihre Ausführung erfordert regelmäßig
eine Schalung unter Wasser, so daß die Herstellung drastisch verteuert ist. Demgegenüber
wird die Ausführung der Pfahlkopfplatte bei einer Tiefgründung gemäß der Erfindung
nicht durch derartige Uberlegungen bestimmt, da unter dem Schutz des Senkkastens
die Unterkante der Pfahlkopfplatte über dem Wasserspiegel liegen und vollständig
im Trockenen erstellt werden kann. Die Pfahlkopfplatte dient lediglich dazu, das
Gewicht des Bauwerkes gleichmäßig auf die Pfähle aufzuteilen.
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Weitere Susgestaltungen und Ausführungen der Erfindung gehen aus den
Unteransprüchen in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der
zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert sind.
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In der Zeichnung stellen dar: Figur 1 schematisch einen Längsschnitt
durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Tiefgründung gemäß der Erfindung für
eine Schrägkabelbrücke;
Figur 2 einen Querschnitt längs der Linie
II-II; Figur 3 einen.Querschnitt durch einen Pfahl für die Tiefgrünidug längs der
Linie III-III in Figur 1; Figur 4 einen Querschnitt durch einen Pfahl der Tiefgründung
längs der Linie IV-IV in Figur 1; Figur 5 einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel
einer Tiefgründung gemäß der Erfindung; Figur 6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI
in Figur 5.
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In Figur 1 ist eine Tief gründung 1 für eine Schrägkabelbrücke dargestellt,
von der nur die Füße 2 eines Pylons dargestellt sind. Die Tiefgründung 1 ist in
einem Flußbett 3 angeordnet, dessen Wasseroberfläche mit 4 gekennzeichnet ist. Die
Tiefgründung reicht bis auf einen tragfähigen Baugrund 5, der in diesem Falle etwa
70 Meter unter der Wasseroberfläche 4 liegt.
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Die Tiefgründung selbst weist einen rechteckigen Senkkasten 6 aus
Stahlbeton auf, der mit seiner unteren Schneide 7 auf dem tragfähigen Baugrund 5
aufliegt. Der Senkkasten weist zur Versteifung mehrere Schottwände 8 auf, die einige
Meter, z.B. 2 Meter oberhalb des tragfähigen Baugrundes 5 enden. Die Grundfläche
des Senkkastens 6 ist durch die auf dem tragfähigen Baugrund bzw. der Gründungssohle
zulässigen Bodenpressung und durch die Auflast bestimmt. Der Senkkasten selbst hat
z.B. eine Ausdehnung von etwa 30 x 20 Metern, der durch die Schottwände 8 in acht
rechteckige Kammern 9 unterteilt ist.
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Am Boden des Senkkastens 6 ist oberhalb des tragfähigen Baugrundes
ein plattenförmiges Betonfundament 10 vorgesehen,
auf dem sich
in jeder Kammer des Senkkastens ein säulenartiger Pfahl bzw. Stützpfeiler 11 abstützt.
Die Stütz -pfeiler 11 sind aus Stahlbeton gefertigt, haben quadratischen Querschnitt
und reichen bis über den oberen Rand des Senkkastens 6 hinaus. Die oberen Enden
der Pfähle 11 sind mit einer Pfahlkopfplatte 12 aus Stahlbeton verbunden, die nicht
mit dem Senkkasten 6 verbunden ist und auf der die Füße 2 des Brückenpylons ruhen.
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Die Pfähle selbst haben einen quadratischen Querschnitt mit einer
Außenkante von 3,5 Meter Länge und einer Wandstärke von 50 Zentimetern. Die Pfähle
sind mit einer Längsbewehrung aus Gewindestäben 13 versehen. Die Bewehrung ist in
eine äußere Bewehrung 14 und eine innere Bewehrung 15 unterteilt.
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Am oberen, der Pfahlkopfplatte 12 zugewandten Ende der Pfähle 11 weist
die äußere Bewehrung pro Längsseite etwa 30 Gewindestäbe mit einem Durchmesser von
57 Millimetern auf, während die innere, dern Hohlraum 16 zugewandte Bewehrung pro
Längsseite fünf, d.h. ingesamt 16 Gewindestäbe mit einem Durchmesser von ebenfalls
57 Millimetern aufweist; vgl.
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Figur 3. Im mittleren Bereich weisen die Pfähle eine äußere Bewehrung
14 mit je fünf Gewindestäben pro Seite und eine innere Bewehrung mit ebenfalls fünf
Gewindestäben pro Längsseite, d.h. Bewehrungen mit jeweils 16 Gewindestäben auf;
vgl. Figur 3. Am unteren, dem plattenförmigen Fundamet 10 zugewandten Ende entspricht
die Bewehrung wieder derjenigen wie am oberen Ende gemäß Figur 3. Zwischen oberem
und unterem Ende der Pfähle 11 ist die Bewehrung so abgestuft, daß sich die Pfähle
maximal elastisch verbiegen können und im Falle eines:horizontalen Erdstoßes im
Bereich des tragfähigen Baugrundes 5 die dadurch bedingte Verschiebung des Bodens
der Tiefgründung nicht oder nur in unschädlichem Ausmaß bis zu der Pfahlkopfplatte
12 weitergeletet wird. Die Abstufung der Bewehrung richtet sich selbstverständlich
nach dem jeweiligen Anwendungsfall.
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Die beschriebene Tiefgründung wird wie folgt erstellt: Der Senkkasten
6 wird mit den Schottwänden 8 in herkömmlicher Weise abgesenkt. Es ist nicht notwendig,
die von dem-Senkkasten umschlossene Baugrube auszupumpen.
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Anschließend wird die Pfahlkopfplatte 12 betoniert und auf den Wänden
des Senkkastens provisorisch auf hier nicht gezeigten Pressen gelagert. In der Pfahlkopfplatte
werden entsprechend dem Querschnitt der Pfähle 11 quadratische Löcher für die Pfähle
11 freigelassen. Die Pfähle 11 werden oberhalb der Pfahlkopfplatte 12 abschnittsweise
in einer .letterschalung betoniert, an ihrem unteren Ende mit der Anschlußbewehrung
versehen und an ihren aus den Gewindestäben 13 bestehenden Längsbewehrungen 14,
15 abgesenkt, bis die untere Anschlußbewehrung die vorgesehene Tiefe am tragfähigen
Baugrund 5 erreicht. Zur Erleichterung des Absenkens wird das untere Ende der Pfähle
mit einer Platte verschlossen, um das Pfahlgewicht beim Absenken durch den Auftrieb
zu vermindern. Zur Herstellung des plattenförmigen Betonfundamentes 10 wird durch
die zentrischen Hohlräume 16 der Pfähle 11 Unterwasserbeton eingebracht.
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Die Dicke des Betonfundamentes beträgt z.B. drei Meter.
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Nach dem Erhärten des Betons wird die Pfahlkopfplatte über die Pressen
freigesetzt, so daß jetzt die Pfahlkopfplatte nicht mehr mit dem Senkkasten 6 verbunden
ist.
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Anschließend wird das Bauwerk, in diesem Falle die Schrägkabelbrücke
fertiggestellt.
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In den Figuren 5 und 6 ist eine weitere Tiefgründung 1a ebenfalls
für die Füße 2a eines Pylons einer Schrägkabelbrücke dargestellt, wobei der tragfähige
Baugrund 5a in wesentlich geringerer Tiefe unterhalb der Oberfläche 4a liegt, in
diesem Fall bei etwa 20 Metern. Die Tiefgründung 1a ist hierbei aufgeteilt in zwei
Senkkästen 6a
und 6a', die über einen Verbindungskasten 21 an ihren
oberen Enden zusammenbetoniert sind. Die Senkkästen sind durch Schottwände 8a jeweils
in vier Kammern 9a unter teilt; die äußeren Kanten der Senkkästen sind bei 22 abgeschrägt.
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In jeder Kammer 9a sind in einem gleichmäßigen Raster von etwa 2,2
Metern fünfzehn schlanke säulen artige Pfähle ;la angeordnet, die sich auf einem
plattenförmigen Betonfundament 10a am Grunde jedes Senkkastens abstützen.
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Am oberen Ende sind die Pfähle 11a jeweils mit einer Pfahlkopfplatte
12a bzw. 12a' verbunden. Die beiden Pfahlkopfplatten 12a und 12a' sind durch einen
Verbindungskasten 23 ebenfalls miteinander verbunden. Auf den Pfahlkopfplatten 12a
und 12a' ruhen die Füße 2a der Schrägkabelbrücke.
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Wegen der geringeren Tiefe dieser Tiefgründung ist es zweckmäßig,
eine Vielzahl von schlanken säulenartige Pfähle 11a vorzusehen, um die oben erwähnten
Horizontalverschiebungen zwischen Betonfundament 10a und Pfahlkopfplatten 12a, 12a'
bei horizontalen Erdbebenstößen zu ermöglichen.
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Die Pfähle bzw. Stützpfeiler 11a sind vorzugsweise wiederum Stahlbeton-Hohlrohre,
deren Längsbewehrung entsprechend den obigen Ausführungsbeispielen abgestuft sein
kann.
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Wegen der Schlankheit der Pfähle können diese Vollrohre oder runde
Hohlrohre aus Stahlbeton sein.
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Diese Tiefgründung wird in ähnlicher Weise wie die gemäß den Figuren
1 bis 4 hergestellt.
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