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Die neue Konstruktionslehre für den Hochbau (Fach) / 04 Baugrund und Baugrube (Lektion)
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- Aufgaben des Baugrunds: Während der Bauzeit: Arbeitsraum Während der Bauzeit muss der Baugrund, und damit die Baugrube, einen sicheren Arbeitsraum für die Fundations-, Werkleitungs- und Untergeschossumfassungsarbeiten bieten. Während der Nutzzeit: Lastenaufnahme Mit dem Erstellen des Bauwerks übernimmt der Baugrund die Lasten, die vom Bauwerk auf die Fundation und von der Fundation auf den Boden übertragen werden. Der Baugrund muss vor Baubeginn gründlich untersucht werden, um eine Überbelastung zu vermeiden. Daraus folgende übermässige Setzung oder ein Grundbruch können zu Schäden am Bauwerk führen.
- Baugrundarten: Fels - Erstarrungsgestein (Magmatite) - Ablagerungsgesteine (Sedimente) - Umwandlungsgesteine (Metamorphite) Lockergesteine - Organische Böden - Nicht bindige Böden - Bindige Böden
- Aushubarbeiten 1. Abtrag der Vegetationsschicht Die Vegetationsschicht als oberste Schicht des Bodens besteht aus Humus. Sie ist in der Regel 10–30 cm stark. Dieses Material muss möglichst rein und unbeschädigt abgetragen und separat deponiert werden. Eine Humusdeponie sollte nie höher als 2–3 Meter und nie breiter als 8 Meter sein. 2. Aushub Der Baugrund kann manuell oder maschinell ausgehoben werden. Es wird zwischen Graben- und Baugrubenaushub unterschieden. Handaushub wird nur bei geringen Aushubmassen oder bei heiklen Arbeiten, wie z.B. beim Freilegen von Leitungen, angewandt.
- Auflockerung der Bodenarten: Richtwerte für die AuflockerungKulturerde10–15 %leichter Boden (nicht bindige oder leicht bindige Sande und Kiese)10–20 %mittlerer Boden (bindige, naturfeuchte Böden; z.B. toniger Sand, Lehm, Mergel usw.)20–30 %schwerer Boden (Geröll und Steine, fest zusammenhängend, zäh; z.B. steifer Ton)30–40 %leichter Fels (locker gelagerte Gesteinsarten, bröckelig, klüftig, verwittert, usw.)35–45 %schwerer Fels (festgelagertes Gestein zum Sprengen, Findlinge)
- Böschungsverhältnisse: gut verfestigtes, standfestes Material3:1 mässig verfestigtes, jedoch standfestes Material2:1 rolliges Material: 1:1– verwitterte Molasse (bindig) – kompakte Moräne (meist bindig) – Schotter (nicht bindig)
- Böschungssicherungsarten Abdecken der Böschung mit Kunststofffolien Die Folien werden entweder mit Kanthölzern oder Brettern beschwert oder mit Nägeln an die Böschung geheftet. Diese Massnahme eignet sich besonders für den kurzfristigen Schutz. Sie ist einfach und hat sich bewährt. Anspritzen der Böschung mit Zementmörtel Diese Methode eignet sich als längerfristige Schutzmassnahme. Kleinere Flächen können von Hand und grössere maschinell angespritzt werden. Die Stärke des Mörtels liegt zwischen 3–8 cm. Eine Bewehrung mit Drahtgeflechten oder Bewehrungsmatten verhindert das Reissen des Mörtels. Nachträglich angebrachte Löcher verhindern, dass sich hinter dem Mörtel Wasser aufstauen kann. Verkleiden der Böschung mit Sickerbeton Wenn eine Böschung durch Wasser führende Schichten gefährdet ist, wird sie mit Sickerbeton verkleidet. Dazu werden Rundhölzer im Abstand von ca. 1,5 m einbetoniert und mit einer Schalung versehen. Der verbleibende Raum wird mit Sickerbeton ausgefüllt. Im Fundament muss eine Rinne ausgegraben werden, damit das anfallende Wasser abfliessen kann. Vor dem Hinterfüllen des Bauwerkes muss der Sickerbeton wieder aufgebrochen werden, damit die Sickerwasserströme nicht beeinträchtigt werden. Mit dieser sogenannten Baumeisterrühlwand wird die Stabilität der Böschung erhöht.
- Ausgesteifte Baugrube - bei sehr tiefen Baugruben - wenn Bodenverhältnisse oder Grundwasser keine Ausbildung von Böschungen ermöglichen - wenn die Platzverhältnisse keine offene Baugrube erlauben - wenn die Wirtschaftlichkeitsrechnung zeigt, dass der Mehraushub bei den Böschungen teurer zu stehen kommt als die Aussteifung
- Stahlspundwand: Stahlspundwände bestehen aus einzelnen vertikalen Elementen. Sie bilden wasserdichte Baugrubenumschliessungen. Aus diesem Grund kommen Spundwände sowohl für Baugruben im Grundwasserbereich als auch im offenen Wasser zur Anwendung. Die Elemente der Spundwand werden Spundbohlen genannt und sind heute meist Stahlprofile, die vertikal nebeneinander gestellt und durch Schlösser dicht verbunden in den Boden gerammt oder vibriert werden. Durch ihre hohe Materialfestigkeit und ihre geringe Wandstärke lassen sich die Bohlen auch in hartem Baugrund verwenden. Spundbohlen sind in einer Vielzahl von Ausführungen und in Längen bis zu 30 m erhältlich. Die Stabilität der Stahlspundwände kann mit Longarinen, Gurten oder Ankern zusätzlich erhöht werden.
- Rühlwand ablauf: Phase A: Einbau der Stahlträger Vor Aushubbeginn werden die Stahlträger bis unter die künftige Baugrubensohle gerammt, vibriert oder in Bohrlöcher versetzt. Phase B: Aushub Je nach den Baugrundverhältnissen oder der Baugrubentiefe wird etappenweise ausgehoben, wobei immer ein Böschungskeil stehengelassen wird. Phase C: Ausfachung Der Böschungskeil wird bis zur Hinterkante des Stahlprofils abgetragen. Danach wird die Schalung angebracht und der Raum zwischen den Trägern ausbetoniert. Je nach Wandbeanspruchung müssen die Felder vorgängig bewehrt werden. Anstelle von Ortbeton kann man vorfabrizierte Elemente aus Stahlbeton zwischen den Stahlträgern einbauen. Phase D: Sicherung Nachdem die Rühlwand erstellt ist, sind Baugrubentiefen bis ca.12 m möglich. Die Stabilität der Rühlwand wird durch Verankerungen oder Spriessungen gewährleistet. Nach dem Erstellen der Untergeschosse werden die Rühlwände üblicherweise von oben bis 1,0–1,5 m unter Terrain abgebrochen. Deshalb wird die Ausfachung in diesem Bereich meist mit Holzbohlen ausgeführt, die einfach entfernt werden können.
- Baugrubenwandsicherungen: Spriessungen Spriessen bedeutet abstützen. Die Baugrubenwand kann sowohl auf die Baugrubensohle als auch auf die gegenüberliegende Umfassungswand abgestützt werden. Verankerungen Bei dieser Methode wird die Baugrubenwand mittels Ankern an den Baugrund ausserhalb der Baugrube verankert. Der Vorteil ist, dass die Baugrube frei bleibt. Schwierigkeiten entstehen dann, wenn in der Umgebung der Baugrube kein Platz für die Anker vorhanden ist. Falls das Grundstück nicht ausreicht und die Anker im Nachbargrundstück zu liegen kommen, muss von dessen Eigentümern die Zustimmung eingeholt werden. Im Weiteren ist auf angrenzende Bauwerke und Werkleitungen zu achten, die durch die Anker nicht beschädigt werden dürfen. Je nach Baugrund, in dem die Verankerung befestigt werden soll, unterscheidet man folgende Ankerarten: - Erdanker- Felsanker- ungespannte Boden- und Felsanker (Vernagelungen)
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- Erdanker Erdanker Der Ankerkörper besteht aus einem Zementmörtelpfahl, der die Ankerkraft durch Reibung auf das Erdreich überträgt. Einbau - Mit einem Mantelrohr wird ein Bohrloch erstellt (verrohrte Bohrung).- Der Anker wird an einem Spannstahl (Spanndraht, Spannseil oder Spannstange) in das Mantelrohr eingeführt.- Danach wird Zementmörtel zwischen das Mantelrohr und den Spannstahl gepresst und gleichzeitig das Mantelrohr langsam herausgezogen. Der Zementmörtel vermischt sich mit dem Boden und bildet die Verankerungsstrecke. Diese erzeugt genügend Reibungskraft, um den Anker zurückzuhalten.- Nach dem Aushärten des Zementmörtels kann der Ankerkörper über ein Zugglied mit dem Ankerkopf auf der Seite der Baugrubenwand verspannt werden. Das Zugglied wird dazu mittels einer hydraulischen Presse gezogen und mit dem Ankerkopf befestigt. Die daraus entstehende Zugspannung drückt die Baugrubenwand gegen den umliegenden Baugrund.Die Zugspannung wird während der Bauphase mehrmals kontrolliert. Sollte sich die Verankerung lösen, muss die Zahl der Verankerungen erhöht werden. Felsanker Der Felsanker funktioniert sehr ähnlich wie der Erdanker. Anstelle des Spanndrahtes und des Zementmörtels kann ein Ankerkörper eingeführt werden, der sich ähnlich einem Spreizdübel unter der nachträglich aufgebrachten Zugkraft im Fels verankert. Weitere Sicherungsmassnahmen Der Ausfall eines Ankers oder eines Spriessbalkens kann zur Instabilität von Wandelementen in der Baugrube führen. Horizontale Stützbalken entlang der Wände verteilen beim Ausfall einzelner Abstützungen den Druck auf andere Wandelemente. Diese horizontalen Stützbalken heissen Gurte oder Longarinen. Sie erhöhen die Sicherheit des gesamten Wandsystems.
- Graben: Als Graben bezeichnet man den Aushub von schmalen, wenige Meter tiefen Schächten. Der Grabenaushub dient im Hochbau vor allem der Verlegung von Werkleitungen. Bei der Sicherung eines Grabens werden Horizontal- oder Vertikalspriessungen aus Holz oder Stahl eingesetzt. Für kleinere Gräben existieren auch Plattensysteme.
- Kombinierte Baugrube: Bei einer Baugrube können die offene und die ausgesteifte Form kombiniert auftreten. In diesem Fall spricht man von einer kombinierten Baugrube.
- Pfahlwand Sekantenwand Die Pfähle sind so angeordnet, dass sie sich überschneiden. In einem ersten Arbeitsgang werden die unbewehrten Pfähle mit den geraden Nummern (2, 4, …) und in einem zweiten Arbeitsgang die bewehrten Pfähle mit den ungeraden Nummern (1, 3, …) erstellt. Das Anbohren der ersten Pfähle bietet keine Schwierigkeiten, solange der Beton noch frisch ist. Durch die Überschneidung der Pfähle ist die Sekantenwand verhältnismässig dicht und eignet sich speziell für Baugruben im Grundwasser. Tangentenwand Die Pfähle werden berührend angeordnet. Sämtliche Pfähle werden bewehrt. Diese Methode ist preislich günstiger. Tangentenwände sind jedoch weniger wasserdicht als Sekantenwände. Sie werden dort eingesetzt, wo mit nur geringem Wasserandrang zu rechnen ist. Dabei werden die wasserdurchlässigen Stellen nachträglich mit schnellbindigem Mörtel abgedichtet. Stützwand (aufgelöste oder geöffnete Pfahlwand) Diese Methode ist mit der Rühlwand vergleichbar. In bestimmten Abständen werden bewehrte Ortbetonpfähle erstellt. Der Aushub wird etappenweise ausgeführt und die Zwischenräume von oben nach unten ausbetoniert. Im Lauf der Arbeit wird die Stützwand mit Konstruktionsbeton des Bauwerkes verbunden. Die Anwendung empfiehlt sich bei sehr tiefen Baugruben ohne Grundwasser.
- Schlitzwand erstellen (Ablauf): Phase A: Erstellung von Führungsmauern Es werden Führungsmauern aus Beton zum Schutz des Schlitzgrabens erstellt. Der Aushub erfolgt zwischen den Führungsmauern mit einem speziellen Greifbagger. Während der Ausschachtung wird eine Stützflüssigkeit (z.B. Bentonit-Suspension) eingefüllt und laufend ergänzt. Diese Stützflüssigkeit ersetzt die Grabenspriessung und sichert den Graben vor dem Einsturz. Phase B: Bewehrung Nach dem Aushub wird, falls statisch erforderlich, ein Bewehrungskorb eingehängt. Phase C: Ausbetonieren Der Beton wird nun mit einem Fallrohr von unten nach oben eingebracht, dadurch kann das Entmischen verhindert werden. Gleichzeitig wird die Stützflüssigkeit nach oben verdrängt und zur Wiederverwendung in speziellen Behältern aufgefangen. Phase D: Ausbetonierung weiterer Schlitze Der weitere Arbeitsablauf erfolgt nun kontinuierlich in Etappen a, b, c oder in zwei Takten in Etappen a, c, b / d, f, e. Aushub Nach der Fertigstellung der ganzen Schlitzwand beginnt der eigentliche Baugrubenaushub, wobei die Wand sukzessive mit Erd- oder Felsankern gesichert wird.
- Wasser in der Baugrube Regen- oder Schneewasser Regen- und Schneewasser wird in der Baugrube mittels Stichgräben gesammelt und mit einer Tauchpumpe entfernt. Es ist wichtig, dass die gesamte Baugrubensohle mit einem leichten Gefälle versehen ist, um das Wasser sammeln zu können. Bevor das Wasser in ausreichender Entfernung wieder versickert wird oder in Ausnahmefällen in einen Vorfluter oder in die Kanalisation geleitet werden darf, fliesst es durch einen Sandfang oder ein Absetzbecken, damit die Schmutzpartikel zurückgehalten werden. Grundwasser - Das Wasser kann an der Baugrubensohle mittels Stichgräben und Pumpensümpfen gesammelt werden. Die Baugrube bleibt «nass». Für das anfallende Wasser aus den Seitenwänden der Baugrube sind wasserdichte Baugrubenwände erforderlich.- Der Grundwasserspiegel kann unter der Baugrube mit Pumpen künstlich gesenkt werden.