Duktile Rammpfähle – ein unterschätztes, sehr flexibles ... · Probepfähle auf einer Baustelle...
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Veröffentlichungen des Grundbauinstitutes der Technischen Universität Berlin
Heft Nr. 42, Berlin 2008, S. 151-163
Vortrag zum 4. Hans Lorenz Symposium am 9.10.2008
Duktile Rammpfähle – ein unterschätztes, sehr flexibles Gründungselement
Dipl.-Ing. Klaus Dietz
Dietz Geotechnik Consult GmbH
Dipl.-Ing. Christian Rinke
Stump Spezialtiefbau GmbH ZN Berlin
Dipl.-Ing. Andreas Leplow
Stump Spezialtiefbau GmbH ZN Berlin
Zusammenfassung
Für die Gründung von Bauwerken auf wenig tragfähigem Baugrund stehen unterschiedlichste
Spezialtiefbautechniken zur Verfügung. Der planende Ingenieur und die ausführende Firma müssen
für jede Aufgabenstellung ein sicheres und kostengünstiges Verfahren auswählen. Die Anwendung
von Pfählen aus duktilem Gusseisen, so genannten duktilen Rammpfählen oder HLV®-Pfählen
(Hochleistungs-Verdrängungs Pfählen) wird in Deutschland eher selten in Betracht gezogen, obwohl
diese Pfähle ein sehr flexibles Gründungselement sind. Im Beitrag werden die technischen Grundlagen
insbesonders von mantelverpressten Pfählen vorgestellt und an Baustellenbeispielen das weite
Anwendungsspektrum erläutert.
1 Einleitung
Duktile Rammpfähle werden schon seit vielen Jahren vor allem in Österreich sowohl als
Spitzendruck(Aufstands)pfahl oder Mantelreibungs(Verpresster)pfahl eingesetzt. In Deutschland sind
zur Zeit nur Aufstandspfähle bauaufsichtlich zugelassen (DIBt, 2007). Inzwischen sind auch
zahlreiche Bauvorhaben mit mantelverpressten Pfählen auf der Grundlage von Zustimmungen im
Einzelfall ausgeführt worden. Zulassungsanträge für einen mantelverpressten Pfahl liegen beim DIBt
vor. Die notwendigen Untersuchungen sind erfolgreich durchgeführt, so dass in nächster Zeit mit einer
Zulassung zu rechnen ist. Duktile Rammpfähle können in der Regel nur auf Druck belastet werden, da
die einzelnen Pfahlabschnitte mittels einer Steckmuffe verbunden werden. Sollen dennoch Zugkräfte
übertragen werden, muss in das Pfahlinnere ein durchgehendes Zugelement z.B. ein GEWI-Pfahl
eingeführt und vermörtelt werden.
2 K. Dietz, C. Rinke, A. Leplow
2 Duktile- / HLV® - Pfähle – technischer Standard
2.1 Materialeigenschaften und Komponenten
Die 5,00 m langen Rohrschüsse werden aus duktilem Gusseisen gefertigt (Bild 1). Der Werkstoff hält
der hohen Schlagenergie bei der Rammung stand. Dies wird dadurch erreicht, dass der Schmelze des
Gusseisens Magnesium beigemengt wird (Schmidt, Kirchmaier, 2003). Das duktile Gusseisen besitzt
eine charakteristische Festigkeit von 400 N/mm².
Bild 1: Pfahlschüsse mit Steckverbindung
Bild 2: Fußplatten für nicht verpresste Pfähle Bild 3: Fußplatten für verpresste Pfähle
Abhängig von der Einsatzart wird der Pfahlfuß auf unterschiedliche Bodenplatten aufgesetzt. Für
Spitzendruckpfähle werden Fußplatten verwendet, die im Durchmesser dem Rohrdurchmesser
entsprechen (Bild 2). Bei mantelverpressten duktilen Rammpfählen ist die Fußplatte größer als der
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Rohrdurchmesser, damit in jedem Fall eine Mindestbetonüberdeckung gewährleistet werden kann
(Bild 3).
2.2 Herstellverfahren
Für die Herstellung von duktilen Rammpfählen ist nur eine kleine Baustelleneinrichtung erforderlich.
Neben einem Hydraulikbagger mittlerer Größe werden lediglich ein leistungsfähiger Schlaghammer
und eine Betonpumpe benötigt.
Das Einbringen eines Pfahles ist im Bild 4 dargestellt. Zunächst wird ein Pfahlfuß auf den
Ansatzpunkt gelegt und anschließend der erste Pfahlschuss aufgesetzt. Nach dem Einrammen eines
vollständigen Schusses wird das nächste Pfahlstück eingesteckt und die Rammung fortgesetzt. Die
Pfahllänge ist technisch nicht begrenzt. Nach Erreichen der Endteufe wird der Pfahl auf die
gewünschte Höhe gekürzt. Hierbei erweißt es sich als besonders vorteilhaft, dass das erhaltene
Reststück als Anfänger für den nächsten Pfahl verwendet werden kann sofern es länger als 1,00 m ist.
Durch diese Technik ist es möglich, dass bei sich ändernden Bodenverhältnissen flexibel reagiert
werden kann und kein Verschnitt anfällt.
Bild 4: Prinzipskizze Herstellverfahren Bild 5: ausgegrabene mantelverpresste Pfähle duktile Rammpfähle
4 K. Dietz, C. Rinke, A. Leplow
Das Innere des Pfahlrohres wird bei Spitzdruckpfählen nach der Rammung mit Pfahlbeton verfüllt.
Bei Mantelreibungspfählen wird das Einsteckende am Pfahlkopf als Verpresskopf ausgebildet. Über
eine Pumpe wird der Pfahlbeton währende des Rammens kontinuierlich durch das Pfahlinnere
gefördert und tritt am Pfahlfuß aus. Die Mannschaft muss darauf achten, dass der Pfahlbeton während
der Herstellung am Pfahlkopf austritt. Bild 5 zeigt einen ausgegrabenen, mantelverpressten Pfahl. Der
Pfahl ist vollständig mit Beton ummantelt und hat eine raue Oberfläche, so dass die Mantelreibung bei
Belastung optimal aktiviert werden kann.
Nach dem Einbringen wird eine Kopfplatte zur Kraftübertragung aus dem aufgehenden Bauwerk
aufgesetzt.
2.3 Umweltbeeinflussung
2.3.1 Erschütterung
Das Einbringen von Pfählen mittels Schnellschlaghammer in der Nähe von Gebäuden wird oft kritisch
betrachtet. In DIN 4150-3 Erschütterungen im Bauwesen sind in Tabelle1 (Tabelle 1) Anhaltswerte zu
Schwinggeschwindigkeiten angegeben.
Tabelle 1: Auszug DIN 4150-3 Tabelle 1
Dazu führt die DIN aus: „Werden die Anhaltswerte nach Tabelle 1 eingehalten, so treten Schäden im
Sinne einer Verminderung des Gebrauchswertes, deren Ursache auf Erschütterungen zurückzuführen
Duktile Rammpfähle 5
wären, nach den bisherigen Erfahrungen nicht auf. Werden trotzdem Schäden beobachtet, ist davon
auszugehen, dass andere Ursachen für diese Schäden maßgebend sind.“ Auf der folgenden Tabelle 2
sind einige Ergebnisse von Schwingungsmessungen auf Baustellen zusammengestellt.
Tabelle 2: Beispielhafte Zusammenstellung von durchführten Erschütterungsmessungen
Es wird deutlich, dass auch in geringen Abständen von der Bausubstanz schädliche Schwingungen
nicht festgestellt wurden. Die Anwendung duktiler Rammpfähle in der Nähe von Gebäuden ist somit
gut möglich
2.4 Tragfähigkeit und Bemessung
2.3.1 innere Tragfähigkeit
Die Pfahlstücke werden in zwei Durchmessern 118 mm und 170 mm mit Wandstärken von 7,5 mm bis
13 mm gefertigt. Die Verfüllung beziehungsweise Verpressung erfolgt in der Regel mit Pfahlbeton der
den Festigkeitsklassen C20/25 oder C25/30 DIN 1045 entspricht. Gemäß DIN 1054:2005 ergeben sich
damit die in Tabelle 3 zusammengestellten Bemessungswerte Ri,d.
ohne Mantelverpressung, mit nachträglicher Betonfüllung
mit Mantelverpressung Gussrohr
C20/25 C25/30 C20/25 C25/30
Ø 118 x 7,5 mm 709 kN 737 kN 869 kN 896 kN Ø 118 x 9,0 mm 842 kN 868 kN 1.001 kN 1.027 kN Ø 118 x 10,6 mm 979 kN 1.003 kN 1.139 kN 1.163 kN Ø 170 x 9,0 mm 1.335 kN 1.396 kN 1.566 kN 1.627 kN Ø 170 x 10,6 mm 1.545 kN 1.603 kN 1.776 kN 1.834 kN Ø 170 x 13,0 mm 1.851 kN 1.906 kN 2.082 kN 2.137 kN
Tabelle 3: Bemessungswerte Ri,d entsprechend DIN 1054:2005-1
6 K. Dietz, C. Rinke, A. Leplow
2.3.2 Nachweis der Verbundlänge
Für mantelverpresste HLV-Pfähle ist nachzuweisen, dass die erforderliche Verbundlänge zwischen
Rohr und Pfahlbeton kleiner ist als die für die Übertragung der Pfahllast notwendige
Krafteinleitungslänge. Bisher gab es für diesen Nachweis keine Bemessungsgrundlage. Deshalb
wurden hierzu im Rahmen eines Zulassungsantrages Verbundversuche an der Bergischen Universität
Wuppertal durchgeführt (Hanswille 2008). Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 6 dargestellt.
Bild 6: Versuchsaufbau Verbundversuche (Hanswille 2008)
Die Versuche wurden an 70 cm langen Rohrstücken durchgeführt, die mit einem 60 cm langen
Mörtelmantel, Rezeptur entsprechend dem Pfahlbeton, umgeben und mit demselben Mörtel gefüllt
waren. Die Versuchskörper wurden anschließend in einen zylindrischen Sandkörper eingebaut, der
mittels zwei stählerner Druckplatten an den Kopfflächen des Zylinders vorgespannt werden konnte.
Zur Simulation des Einflusses aus der Normalkraftbeanspruchung des Pfahles wurde der
Versuchskörper vor Einbau in die Versuchseinrichtung mit einem mittig angeordneten Spannstahl
axial vorgespannt (Hanswille 2008). Die Betonüberdeckung wurde in den Versuchserien zwischen 20
mm und 60 mm variiert. Außerdem wurden zur Simulation des Erddrucks die Gewindestangen in den
Sandpaketen vorgespannt. Auf der Grundlage der Versuchsergebnisse kann nun eine
Bestimmungsgleichung zur Verbundfestigkeit angegeben werden:
R,d = 1/M * R,k + μk * h (1)
mit
R,k Grundwert der Verbundfestigkeit mit Ro,k = 0,32 N/mm²
Duktile Rammpfähle 7
M Teilsicherheitsbeiwert M = 2,1
h unterer charakteristischer Wert für den auf den Pfahlumfang horizontal wirkenden Anpressdruck
aus Erddruck und Verspannungswirkung
μk Reibungsbeiwert zwischen Gussstahlrohr und Mörtelmantel mit μk = 0,5
Liegen keine speziellen Informationen über der Anpressdruck h aus Erduck und
Verspannungswirkung vor kann dieser entsprechend der folgenden Beziehung abgeschätzt werden:
h = M / tan ’ (2)
mit
’ Reibungswinkels des dränierten Bodens (effektiver Reibungswinkel)
M Mantelreibung im Gebrauchszustand in der Fuge Beton/Boden
2.3.3 Äußere Tragfähigkeit
Die äußere Tragfähigkeit wird gemäß DIN 1054 durch Probebelastungen nachgewiesen. Für
mantelverpresste Pfähle können in nicht bindigen, sehr dicht gelagerten Böden maximale
Mantelreibungswerte im Gebrauchszustand bis zu 200 kN/m² erreicht werden. In bindigen Böden kann
mit bis zu 100 kN/m² gerechnet werden. Somit können die in Folge der Materialeigenschaften
möglichen Pfahlkräfte auch mit relativ kurzen Krafteinleitungstrecken in den Baugrund eingeleitet
werden.
2.5 Dauerhaftigkeit
In einer gutachterlichen Stellungnahme der Bundesanstalt für Materialprüfung, Berlin (Mietz 2008)
wurde das Korrosionsverhalten von duktilen Pfählen untersucht. Dazu wurden mantelverpresste
Probepfähle auf einer Baustelle hergestellt und wieder ausgegraben. Außerdem wurden die in
Wuppertal verwendeten Probekörper auf Risse untersucht.
An den untersuchten Probepfählen, die bis zu 15 m lang waren, wurden keine Fehlstellen festgestellt
(Raimund 2008). Die Mindestbetonüberdeckung betrug auch im Muffenbereich mindestens 2 cm.
Auch an den Versuchsproben der Verbundversuche konnten nur feine Risse beobachtet werden, die
eine Korrosion nicht zulassen. Somit ist nachgewiesen das mantelverpresste Pfähle dauerhaft mit Ihren
vollen Querschnittswerten angesetzt werden können.
8 K. Dietz, C. Rinke, A. Leplow
Bei Aufstandspfählen, die naturgemäß keinen Korrosionsschutz haben, ist eine Abrostungsrate von 3
mm über den Gesamtdurchmesser in die Bemessung eingeführt (DIBt, 2007), so dass auch in diesem
Anwendungsfall die dauerhafte Tragfähigkeit der Pfähle gewährleistet ist.
3. Vergleich und Abgrenzung zu anderen Gründungselementen
Bei der Lösung von Gründungsproblemen steht der duktile Rammpfahl in Konkurrenz zur
Bodenverbesserung und anderen Pfahlsystemen. In der Tabelle 4 sind die Tragfähigkeitsbereiche
mehrer Pfahlsysteme beispielhaft dargestellt. Die Pfahllast ist zur besseren Übersicht als
Gebrauchslast gemäß DIN 1054:1976-11 aufgetragen. Dies entspricht der charakteristischen inneren
Tragfähigkeit nach DIN 1054:2005-1.
Tabelle 4: Zusammenstellung der Gebrauchslasten verschiedener Pfahlsysteme
Die zulässigen Lasten des Pfahlsystems runden den Übergang zwischen Micro – und Großbohrpfahl
ab. In jedem Einzelfall sind die Randbedingungen auf der Baustelle zu prüfen. Abgesehen von der
übertragbaren Pfahllast sind die einfache Baustelleneinrichtung und die vergleichsweise leichte und
wendige Geräteeinheit ein klarer Vorteil für den Duktilpfahl im Bereich von Pfahllasten größer 1000
kN.
4. Baustellenbeispiele
4.1 Einsatz als Aufstandspfahl
Beim Projekt Sunfilm2-Solar Factory in Großröhrsdorf in der Nähe von Dresden wurde der duktile
Rammpfahl als Aufstandspfahl ausgeführt. Unter einer 4 – 8 m mächtigen sehr inhomogenen
Auffüllung stand Granodiorit als Festgestein an. Die Pfähle wurden durch die weiche Deckschicht bis
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auf den Fels gerammt und abgesetzt. Anschließend wurde das Pfahlrohr mit Beton verfüllt und die
Kopfplatten gesetzt.
Im Rahmen einer solchen Baustelle sind Tagesleistungen bis 400 m möglich.
Bild 7: Einrammen eines Aufstandspfahles, Baustelle Sunfilm2-Solar Factory
Bild 8: Auffüllen des Pfahlinneren mit Beton Bild 9: Setzen der Pfahlkopfplatte
4.2 Einsatz als Mantelreibungspfahl
Einen typischen Anwendungsfall von duktilen Pfählen als Mantelreibungspfahl stellt das Bauvorhaben
Alten- und Pflegheim Weißenfels dar.
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Das neu zu errichtende Gebäude liegt im Centrum der alten sachsen-anhaltinischen Stadt, neben
denkmalgeschützter Wohn- und Industriebebauung. Im Baufeld stehen ca. 2 m mächtige
Auffüllungen, die von bis in 10 m Tiefe reichenden organisch durchsetzten breiigen bis weich
plastischen Auetonen unterlagert werden, an. Den tragfähigen Baugrund bilden die darunter liegenden
mitteldicht gelagerten Auesande/-Kiese.
Bild 10: Baufeld Alten- und Pflegeheim Weißenfels, im Vordergrund fertige Pfähle mit Kopfplatte, im Hintergrund Trägergerät mit Hydraulikhammer und Betonpumpe
Da hier keine feste Aufstandsschicht ansteht, wurde die Gründung mit mantelverpressten duktilen
Rammpfählen geplant.
Um die äußere Tragfähigkeit der Pfähle zu ermitteln, wurden an zwei Pfählen Probebelastungen
durchgeführt. Entsprechend den Ergebnissen wurden die Pfähle anschließend mit Pfahllängen
zwischen 13 und 18 m hergestellt. Die Pfahlherstellung wurde messtechnisch überwacht (siehe 2.3.1).
Die zulässigen Grenzwerte wurden in keinem Fall überschritten.
Auf Grund der hohen Leitung bei der Herstellung der mantelverpressten duktilen Rammpfähle wurde
die vorgesehene Bauzeit deutlich unterschritten.
Die Bilder 11 und 12 zeigen im Detail den Verpresskopf, der für mantelverpresste Pfähle benötigt
wird.
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Bild 11: Einsteckende mit Verpresskopf Bild 12: Rammen mit Verpresskopf
4.3 Sonderanwendungen
4.3.1 begrenzte Arbeitshöhe
Duktile Pfähle können auch bei einer begrenzten Arbeitshöhe hergestellt werden. Dazu wurden
spezielle Steckmuffen entwickelt. Mit diesem Muffen können kürzere Pfahlschüsse gekoppelt werden.
Bild 13: Herstellung einer Pfahlgründung mit begrenzter Arbeitshöhe
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4.3.2 Energiepfahl
Eine Bereicherung des Anwendungsspektrums stellt der Ausbau des duktilen Rammpfahls zum
Energiepfahl dar. Vor dem Hintergrund der aktuellen Klimaschutzdebatte wächst die Bedeutung von
Gründungen mit Absorberleitungen. Durch die Möglichkeit, die Energiepfähle im Winter als Quelle
für die Heizung und im Sommer für die Ableitung der Kühlwärme zu nutzen, wird das System
besonders wirtschaftlich. Im Bild 14 ist die Anordnung einer Leitung beispielhaft dargestellt. Für
jeden Standort muss individuell die mögliche Energieausbeute ermittelt werden. Diese ist stark von
der Pfahllänge und dem anstehenden Baugrund abhängig. Eine Simulation des Temperaturverlaufs
von 4 in Reihe geschalteten Pfählen ist in Bild 15 aufgetragen.
Bild 14: Absorberleitungen Bild 15: Simulation Temperaturentwicklung
5. Zusammenfassung
Duktile Rammpfähle werden aus einem qualitätsüberwachten duktilen Gusseisen hergestellt. Das
Einbringen des Gründungselementes kann sowohl als Aufstandspfahl als auch als verpresster
Mantelreibungspfahl erfolgen. Für beide Ausführungsvarianten steht ein großer Erfahrungsschatz zu
Verfügung. An Hand von Untersuchungen zum Verbundverhalten und Großversuchen auf Baustellen,
konnte nachgewiesen werden, dass für mantelverpresste Rammpfähle auf eine Abrostung verzichtet
werden kann. Falls erforderlich kann der HLV – Pfahl auch mit einem Schlauchsystem zur
Energiegewinnung ausgerüstet werden und so einen Beitrag zum Klimaschutz leisten.
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Literatur
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TRM“
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Schmidt F., Kirchmair T. [2003]. “Der Duktilpfahl, ein zugelassenes Pfahlsystem - Grundlagen und
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