Pfahl+ als Lösung für baustatische Herausforderungen beim Gründen mit Pfählen
Wenn in der Bauausführung schlecht oder nicht tragfähige Boden- oder Gesteinsschichten im Baugrund zu überbrücken sind, kommt die Pfahlgründung zum Einsatz. Um Tragwerke sicher mit Hilfe von Pfählen zu gründen, müssen allerdings komplexe Anforderungen wie die nicht lineare Widerstandssetzungslinie und besondere grundbauspezifische Einwirkungen berücksichtigt werden. Diesen Anforderungen an die Pfahlgründung trägt das FRILO-Programm Pfahl+ Rechnung.
Pfahlgründungen werden in einem Bauvorhaben meist dann zur Notwenigkeit, wenn die Beschaffenheit des oberflächennahen Baugrunds eine ungenügende Tragfähigkeit aufweist. Als Folge werden Pfähle in den Baugrund gebohrt oder gerammt, um Lasten von Tragwerken in tiefer gelegene, tragfähige Boden- oder Gesteinsschichten abzutragen. Ist in der Tiefe eine ausreichend tragfähige Schicht erreicht, gilt es, spezielle baustatische Herausforderungen bei der Dimensionierung und Nachweisführung der eingesetzten Pfähle zu bewältigen. Mit Pfahl+ hat FRILO nun ein Programm entwickelt, mit dem sich die innere und äußere Tragfähigkeit für Bohrpfähle mit rechteckigem oder kreisrundem Querschnitt zuverlässig nachweisen lässt.
Negative Mantelreibung und Seitendruck als Einwirkungen
Die Reibung, die zwischen Boden und Pfahl auftritt und durch Relativ-Verformungen zwischen Boden und Pfahlschaft hervorgerufen wird, wird als Mantelreibung bezeichnet. Erfährt der Boden entlang des Pfahlschaftes größere Setzung als der Pfahl selbst, wird von der negativen Mantelreibung gesprochen. Bei umgekehrten Verhältnissen liegt eine positive Mantelreibung vor. Weil die negative Mantelreibung nach dem Teilsicherheitskonzept als ständige Einwirkung zu betrachten ist, führt sie zu einer zusätzlichen Beanspruchungskomponente. Durch die Gegenüberstellung der Pfahlsetzungen und der Bodensetzungen entlang der Pfahlmantelfläche kann eine Einwirkung aus negativer Mantelreibung bis zum neutralen Punkt optional angesetzt werden.
Infolge von Bodenverschiebungen in weichen bindigen Böden ergeben sich außerdem Einwirkungen quer zur Pfahlachse. Der anzusetzende Seitendruck leitet sich dabei entweder aus dem Fließdruck oder aus einer Erddruckdifferenz ab. Maßgebend ist die sich jeweils ergebende kleinere Gesamtkraft. Durch die direkte Anbindung der bewährten FRILO-Programme zur Setzungsberechnung (SBR+) und zur Erddruckberechnung (EDB+) können sowohl die Bodensetzungen in der Pfahlumgebung (und damit die negative Mantelreibung) als auch der einwirkende Seitendruck auf die Pfähle automatisch mit in Betracht gezogen werden.
Nachweis des vertikalen Lastabtrags über Mantelreibung und Spitzendruck
Der Nachweis der äußeren Pfahltragfähigkeit in vertikaler Richtung erfolgt bei der Pfahlgründung über die positive Mantelreibung und den Spitzendruck der Pfähle. Unter positiver Mantelreibung wird die Reibung verstanden, die bei Druck von oben entlang der Oberfläche des Pfahls zwischen dem Baugrund und dem Pfahl entsteht. Die restlichen Druckkräfte wirken auf die Spitze des Pfahls. Die axialen Pfahlwiderstände, die sich über nichtlineare Widerstands-Setzungs-Linien abbilden lassen und aus Mantelreibung und Spitzendruck resultieren, können wahlweise durch die Auswertung statischer oder dynamischer Pfahlprobebelastungen getrennt nach den beiden Grenzzuständen der Gebrauchstauglichkeit (SLS) und der Tragfähigkeit (ULS) abgeleitet werden. Alternativ ist eine Ableitung der Widerstands-Setzungs-Linie auf Basis von Erfahrungswerten des „Arbeitskreis Pfähle“ (EA-Pfähle) möglich. Bei einer resultierenden Zugbelastung im Pfahl werden die axialen Pfahlwiderstände aus Mantelreibung sinngemäß nachgewiesen. Bei Zugpfählen wird optional der Nachweis der Sicherheit gegen Abheben (UPL) mit einem angehängten Bodenprisma geführt.
Nachweis des horizontalen Lastabtrags über die Bettung
Beim Nachweis der äußeren Pfahltragfähigkeit in horizontaler Richtung kommt das Bettungsmodulverfahren zum Einsatz. Hierfür können Bettungsbereiche aus der Bodenschichtung abgeleitet oder benutzerdefiniert vorgegeben werden. Die daraus resultierenden Horizontalspannungen dürfen in keinem Punkt die maximal mögliche Erdwiderstandsspannung überschreiten. Gegebenenfalls müssen die Bettungsbereiche nach der ersten Berechnung angepasst werden, um die Horizontalspannungen in größere Tiefen umzulagern, wenn die Grenzbedingung überschritten ist.
Die Bemessung
Um die innere Tragfähigkeit nachzuweisen, erfolgt die Bemessung der Stahlbetonquerschnitte auf Grundlage einer nichtlinearen Berechnung unter Berücksichtigung der Zusatzbelastungen nach Theorie II. Ordnung und der tatsächlichen Pfahlsteifigkeiten infolge einer frei wählbaren Bewehrung. Als Ergebnis werden die erforderlichen Biege- und Schubbewehrungsmengen ausgegeben.
Die Grafik bildet den axialen Druckwiderstand im Grenzustand der Tragfähigkeit ab (Quelle: FRILO)
Das Programm Pfahl+ zeigt die Pfahlgründung im Bodenprofil (Quelle: FRILO)