Techniken, die verhindern, dass Brücken absinken
(practical.engineering)- Brücken müssen darunter Raum für Flüsse, Eisenbahnen oder Straßen freihalten. Dadurch konzentrieren sich die Lasten des Überbaus auf Pfeiler und Widerlager, und auch auf weichem Fluss- oder Meeresboden sind tiefe Fundamente nötig, die diese Lasten tragen können.
- Pfahlgründungen bestehen aus langen Bauteilen, die in den Boden gerammt oder gebohrt werden. Sie tragen vertikale Lasten durch Spitzendruck auf tragfähigen Schichten und durch Mantelreibung mit dem umgebenden Boden.
- Rammpfähle wirken während des Einbaus gewissermaßen wie eine Lastprüfung, bringen aber Einschränkungen wie Lärm und Vibrationen, Bodenhebung, Abweichungen vom vorgesehenen Verlauf und Schwierigkeiten beim Durchdringen harter Bodenschichten mit sich.
- Der vor Ort hergestellte drilled shaft wird nach dem Ausheben mit Bewehrung und Beton gefüllt; unter Wasser verhindern Casing und Tremie-Rohr das Einstürzen des Lochs und das Verwässern des Betons.
- Der Millennium Tower und die Setzung eines Pfeilers des Tampa Lee Roy Selmon Expressway im Jahr 2004 zeigen, dass auch tiefe Fundamente versagen können und dass die Komplexität der Geotechnik zu Kosten- und Terminproblemen führen kann.
Warum sich Brückenlasten im Boden konzentrieren
- Der Kern einer Brücke besteht nicht einfach darin, etwas zu „überqueren“, sondern darunter einen freien Raum für Flüsse, Eisenbahnen oder Straßen zu schaffen.
- Bei einer normalen Straße werden Kräfte direkt in den Boden abgeleitet; bei einer Brücke sammeln sich die auf ein Feld wirkenden Kräfte an den Pfeilern oder Widerlagern auf beiden Seiten.
- Die Unterkonstruktion wird sehr robust ausgelegt, doch die tatsächlichen Einbauorte sind oft ungünstig für hohe Lasten.
- In Flüssen und im Meer gibt es häufig weiche, schlammige Böden, die große Gewichte schlecht tragen.
- Viele Brückenfundamente werden unter Wasser errichtet.
- Wird der Boden stärker belastet, als er tragen kann, kommt es zu einem Grundbruch, und das Fundament sinkt in den Boden ein.
- Dieses Konzept, bei dem durch fortgesetzte Belastung ein Bauteil tiefer in den Boden eingebracht wird, führt zu einem weit verbreiteten tragenden Bauteil: dem Gründungspfahl.
Materialien und Einbauprinzip von Rammpfählen
- Pfähle sind lange, säulenförmige Bauteile, die in den Boden gerammt oder gebohrt werden.
- Band 1 von
Design and Construction of Driven Pile Foundationsder Federal Highway Administration umfasst mehr als 500 Seiten; erst nach 11 Seiten mit Symbolen und 2 Seiten mit Abkürzungen beginnt die Einleitung – ein Hinweis darauf, wie komplex die zugehörige Ingenieurwissenschaft ist. - Die Geschichte der Rammpfähle reicht bis in die Zeit vor schriftlichen Aufzeichnungen zurück; das Grundprinzip besteht darin, einen Stab in den Boden zu schlagen.
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Eigenschaften nach Pfahlmaterial
- Holzpfähle
- Sie sind günstig, halten Rammkräften gut stand und lassen sich einfach einbauen.
- Sie können verrotten, sind wegen der Baumgröße in der Länge begrenzt und haben eine geringere Festigkeit als alternative Materialien.
- Betonpfähle
- Sie werden in unterschiedlichen Größen und Formen hergestellt und häufig für tiefe Fundamente eingesetzt.
- Um die beim Einrammen erforderlichen Kräfte aufzunehmen, müssen sie groß sein; manche Betonpfähle sind 30 Zoll bzw. 75 cm oder breiter.
- Stahlpfähle
- Sie können schlanker ausgeführt werden als Betonpfähle.
- Die wichtigsten Formen sind pipe pile und H-pile.
- Holzpfähle
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Warum mit einem Hammer gerammt wird
- Um einen Pfahl tief in den Boden zu drücken, ist eine gleich große Gegenkraft erforderlich.
- Statt riesige Gewichte oder im Boden verankerte starke Konstruktionen zu verwenden, nutzt man in der Regel einen Hammer.
- Die potenzielle Energie einer relativ kleinen Masse, die aus großer Höhe fällt, wird in Bewegungsenergie umgewandelt, und die Kraft, die den Fall stoppt, wird auf den Pfahl übertragen.
- Viele pile driver erzeugen die nötige Kraft mit einem großen Hammer oder einem Vibrationskopf.
Wie Pfähle Lasten tragen
- Das Hauptziel eines Fundaments ist, sich unter Last nicht zu bewegen.
- Gegen vertikale Lasten widerstehen Pfähle im Wesentlichen auf zwei Arten.
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Spitzendruck und Mantelreibung
- Spitzendruck bedeutet, dass das Pfahlende, also der toe, eine feste Boden- oder Felsenschicht erreicht und dadurch größere Lasten tragen kann.
- Die tatsächliche Geologie ist komplexer als das einfache Konzept von „bedrock“, und nicht immer gibt es in vernünftiger Tiefe eine tragfähige Schicht.
- Mantelreibung oder shaft resistance entsteht dadurch, dass der umgebende Boden beim Einrammen verdichtet wird und Reibung an der Pfahlwand entsteht.
- Je tiefer der Pfahl eindringt, desto größer wird der Reibungswiderstand.
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Der Einbau selbst als Nachweis
- Wird ein Pfahl wiederholt mit einem Hammer getroffen, der aus gleicher Höhe fällt, dringt er anfangs um eine bestimmte Tiefe ein; nach und nach nimmt die Bewegung pro Schlag ab.
- Der Punkt, an dem sich der Pfahl kaum noch bewegt, heißt technisch refusal.
- Zeichnet man die Anzahl der Rammschläge nach Tiefe auf, lässt sich erkennen, dass der Widerstand gegen vertikale Lasten mit zunehmender Tiefe wächst.
- „A Driven Pile is a Tested Pile“ der Pile Driving Contractors Association beschreibt die Eigenschaft, dass bei einem Rammpfahl schon während des Einbaus bestätigt wird, dass er einer bestimmten Kraft standhalten kann.
- Zeigt sich kein ausreichender Widerstand, kann in vielen Fällen weiter in die Tiefe gerammt werden, bis der gewünschte Widerstand erreicht ist.
Horizontallasten und Grenzen von Rammpfählen
- Bauwerke werden nicht nur durch nach unten wirkende Kräfte belastet.
- Gebäude erfahren Horizontallasten durch Wind, und Brücken können durch strömendes Wasser, Eis oder Schiffskontakt ebenfalls horizontal belastet werden.
- Auftrieb bei Hochwasser oder starker Wind können Zuglasten erzeugen, die der Schwerkraft entgegenwirken.
- Der Boden um eine Brücke kann sich unmittelbar nach dem Bau und nach mehreren Hochwasserereignissen unterscheiden.
- Ingenieure müssen natürliche Veränderungen des Flussbetts und die durch die Brücke selbst verursachten Veränderungen berücksichtigen, um Auskolkung vorherzusagen.
- Das Fundament muss so ausgelegt werden, dass es auch unter langfristig veränderten Bodenbedingungen seine Tragfähigkeit behält.
- Die Lasten des Pfeilers werden über einen pile cap auf die Pfähle übertragen und verteilt.
- Wenn starke Horizontallasten zu erwarten sind, werden manche Pfähle geneigt eingebaut; das nennt man battered pile.
- Schrägpfähle nutzen die Mantelreibung besser und erhöhen so die Fundamentfestigkeit gegenüber Horizontallasten.
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Einschränkungen von Rammpfählen
- Der Einbau von Rammpfählen verursacht viel Lärm und Vibrationen und ist in dicht bebauten Stadtgebieten oft schwer akzeptabel.
- Die Einbauvibrationen können umliegende Infrastruktur beeinflussen.
- In vielen Fällen müssen Pfähle so ausgelegt werden, dass sie während des Einbaus deutlich größere Kräfte aushalten als später durch die endgültige Bauwerkslast.
- Harte geologische Schichten, Kies und große Steine lassen sich nicht leicht durchdringen.
- Da der Verlauf im Untergrund nicht direkt sichtbar ist, kann der Pfahl vom vorgesehenen Weg abweichen.
- Weil Boden nicht entfernt, sondern verdrängt wird, kann es zu Bodenhebungen kommen.
Drilled shaft und Betonieren unter Wasser
- Ein drilled shaft entsteht, indem ein tiefes Loch gebohrt, Bewehrung eingebracht und anschließend mit Beton verfüllt wird.
- Das FHWA-Handbuch
Drilled Shafts: Construction Procedures and Design Methodsumfasst 747 Seiten. - In weichem Boden oder unter nassen Bedingungen wird ein Casing verwendet, damit die Lochwände nicht einstürzen.
- Das Casing wird normalerweise während des Bohrens entlang des auger nach unten eingebracht.
- Auch wenn das Casing bis über die Wasseroberfläche reicht, kann am Boden Wasser eindringen.
- Das Wasser-Zement-Verhältnis von Beton ist wichtig für Festigkeit und Leistungsfähigkeit; würde man ihn unter Wasser einfach fallen lassen, würde er sich mit Wasser vermischen und verwässern.
- Ein Tremie-Rohr ist ein Rohr, das bis zum Boden des Lochs reicht. Wird sein Ende unter der Betonoberfläche gehalten, vermischt sich der Beton nicht mit Wasser.
- Beton ist dichter als Wasser, steigt von unten im Loch nach oben und verdrängt dabei das Wasser nach oben.
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Casing und pile cap
- Bei Unterwasserinstallationen bleibt das Casing oft an Ort und Stelle.
- Durch die Nutzung des Casings kann man statt eines großen cofferdam und eines trockengelegten Arbeitsbereichs den pile cap im Wasser oder über die Wasseroberfläche setzen und so die Baukomplexität reduzieren.
- Solche high rise pile cap werden häufig bei Offshore-Windkraftanlagen eingesetzt.
- Je nach Situation kann das Casing nach dem Einbringen des Betons gezogen werden, um die Kosten für ein riesiges Stahlrohr zu sparen.
- Der Druck des Betons kann auf die Lochwände wirken und das Einstürzen des Bodens verhindern.
- Drilled shafts können deutlich größer ausgeführt werden als Rammpfähle, sodass in manchen Fällen mehrere Pfähle und ein pile cap nicht nötig sind.
- Windkraftanlagen, Autobahnschilder und Ähnliches können auf einem einzelnen drilled shaft als mono-pile foundation errichtet werden.
- Das Verbreitern des Bodens eines drilled shaft durch reaming erhöht die Fläche des toe, verringert die Setzungsneigung und kann auch den Widerstand gegen Zuglasten verbessern.
Verschiedene tiefe Fundamente und Versagensfälle
- Tiefe Fundamentsysteme beschränken sich nicht auf Rammpfähle und drilled shafts.
- Ein Continuous flight auger pile verwendet einen hollow-stem auger, um Aushub und Betonage praktisch in einem Schritt auszuführen; anschließend wird Bewehrung in den frischen Beton eingebracht.
- Eine stone column, auch unter dem Markennamen Geopier bekannt, füllt das Loch mit verdichtetem Zuschlag statt mit Beton, wenn nur Drucklasten betrachtet werden.
- Ein helical pile oder screw pile wird nicht eingeschlagen, sondern in den Boden gedreht, wodurch Vibrationen und Störungen reduziert werden.
- Ein micropile ähnelt einem kleinen drilled shaft und wird eingesetzt, wenn der Zugang eingeschränkt ist oder geologische Randbedingungen dies erfordern.
- Ein sheet pile ist ein Pfahl, der eher zum Bau von Wänden oder Barrieren als als Fundament dient.
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Auch tiefe Fundamente können versagen
- Pfähle sind in der Regel deutlich stärker als flache Fundamente, können aber trotzdem versagen.
- Der Millennium Tower in San Francisco ist ein Fall, bei dem ein Hochhaus auf Pfahlgründung in den Boden einsank und sich neigte.
- Das Problem scheint größtenteils behoben zu sein, taucht aber gelegentlich weiterhin in den Nachrichten auf.
- 2004 sackte ein Pfeiler des Lee Roy Selmon Expressway in Tampa, Florida, wegen komplexer geologischer Verhältnisse während der Bauarbeiten um 11 Fuß, also mehr als 3 m, ab.
- Die Instandsetzung kostete 90 Millionen US-Dollar, und der Projektabschluss verzögerte sich um ein Jahr.
- Bei Entwürfen, die schwere Lasten dem Boden anvertrauen, spielen Wissenschaft und Technik der Geotechnik eine große Rolle.
1 Kommentare
Meinungen auf Hacker News
Besonders gut gefiel mir der Leitspruch der Pile Driving Contractors Association: „A Driven Pile is a Tested Pile“
Die Logik dahinter: In dem Moment, in dem ein Pfahl eingerammt wird, ist gewissermaßen bereits nachgewiesen, dass er einer bestimmten Kraft standhalten kann; ist der Widerstand zu gering, rammt man ihn in der Regel einfach tiefer, bis genügend Widerstand vorhanden ist.
Bodenverflüssigung ist ein seltsames Phänomen und wirkt ähnlich wie Silly Putty: Wenn man es langsam berührt, ist es weich, bei schnellem Aufprall wird es fest.
Ich frage mich, ob man dann einfach sehr lange weiter rammt, und wie lange das eigentlich ist.
Dass dieselbe Stahlform sowohl I-beam als auch H-pile genannt wird, liegt daran, dass die tatsächliche Form unterschiedlich ist.
Ein I-Träger soll Biegung aufnehmen und konzentriert deshalb die Masse in den Flanschen; der Steg ist dabei schlanker. Ein H-Pfahl hat wegen axialer Lasten und der Einbaubarkeit einen Steg, der in der Regel ähnlich dick ist wie die Flansche.
Bei Standardprofilen werden I-Träger in W-Profile (Wide Flange) und S-Querschnitte unterteilt, während H-Träger als HP-Querschnitte bezeichnet werden.
Im Fundamentbau werden sie manchmal austauschbar ausgeschrieben, aber bei oberirdischen Tragwerken wählt man meist effizientere Querschnitte wie W oder S statt HP.
Ich habe nicht extra nachgefragt oder versucht, sie zu korrigieren; sonst wäre ich wohl ziemlich nervig rübergekommen.
Referenzabbildung: [https://en.wikipedia.org/wiki/File:I-BeamCrossSection.svg](https://en.wikipedia.org/wiki/File:I-BeamCrossSection.svg)
Die Idee „Was, wenn man einfach weiter Last hinzufügt, damit es tiefer absinkt?“ wirkt wie die grundlegende Ingenieurmethode, die Herberts Vater in Monty Python and the Holy Grail im Sumpf angewendet hat.
https://m.youtube.com/watch?v=w82CqjaDKmA
Alle sagten, es sei Wahnsinn, eine Burg auf einem Sumpf zu bauen, aber ich habe sie trotzdem gebaut, und sie ist im Sumpf versunken.
Die zweite Burg ist auch versunken, die dritte ist abgebrannt, eingestürzt und dann im Sumpf versunken, aber die vierte hat gehalten.
Die Pointe ist, dass du deshalb die stärkste Burg auf diesen Inseln erben wirst.
„Was, die Vorhänge?“
Grundgestein in Anführungszeichen ist ein einfaches Konzept, aber die tatsächliche Geologie ist viel komplexer.
Grundgestein gibt es zwar immer, aber an manchen Orten müssten Pfähle wirklich lang sein, um es zu erreichen.
Südlich von München reichen die Kiesablagerungen zum Beispiel angeblich bis in 100 m (330 ft) Tiefe und werden nach Norden hin flacher.
https://en.wikipedia.org/wiki/Munich_gravel_plain
Wegen dieser Gesteinsbewegung wurde das Viadukt gebaut, um die alte Straße zu ersetzen; durch die Hangerosion musste die Straße immer weiter nach oben verlegt werden, wodurch der berüchtigten Zig Zag immer mehr Haarnadelkurven hinzugefügt werden mussten.
Steinschlag machte die Straße ebenfalls gefährlich, und man versuchte zwar, bis zum Grundgestein zu gelangen, doch es lag viel zu tief begraben.
https://teara.govt.nz/files/p-8788-gns.jpg
https://www.stuff.co.nz/national/117150792/awardwinning-otir...
Manche Brücken sinken nicht ab, weil sie schwimmen.
https://en.wikipedia.org/wiki/Nordhordland_Bridge
die Lacey V. Murrow Memorial Bridge, die Homer M. Hadley Memorial Bridge und die Evergreen Point Floating Bridge, die längste Schwimmbrücke der Welt.
https://en.wikipedia.org/wiki/Lacey_V._Murrow_Memorial_Bridg...
https://en.wikipedia.org/wiki/Homer_M._Hadley_Memorial_Bridg...
https://en.wikipedia.org/wiki/Evergreen_Point_Floating_Bridg...
Nachdem die Projektkosten vollständig abbezahlt waren, hörte man also auf, von allen Geld einzusammeln.
In Chicago war das ursprünglich auch so geplant.
Für eine innovative Idee ging das ziemlich schnell.
Siehe: https://www.youtube.com/watch?v=gm0YQ3vuyyY
Ken Burns’ Doku über den Bau der Brooklyn Bridge ist wirklich interessant, weil sie die Ingenieurtechniken und Herausforderungen behandelt, die im späten 19. Jahrhundert damals innovativ waren.
Sie ist mit etwa einer Stunde auch kurz, daher klare Empfehlung.
https://kenburns.com/films/brooklyn-bridge/
https://www.amazon.com/Great-Bridge-Story-Building-Brooklyn/...
Die japanische Pfahlbau-Firma Giken hat hervorragende Engineering-Videos, die geräuscharme Pfahlbautechnik und ungewöhnliche Anwendungsfälle zeigen.
Darunter sind auch Beispiele, bei denen Lavaströme aufgehalten oder unterirdische Fahrradparkhäuser in der Innenstadt gebaut werden.
https://www.youtube.com/@GikenGroup/videos
Heute gelernt, dass der „Piledriver“ nicht in der WWE erfunden wurde.
Manche Brücken werden absichtlich überflutet, andere sinken wegen schlechter Planung.
https://en.wikipedia.org/wiki/Submersible_bridge, https://en.wikipedia.org/wiki/Lacey_V._Murrow_Memorial_Bridg...
Der Autor ist Grady Hillhouse.
Video: https://www.youtube.com/channel/UCMOqf8ab-42UUQIdVoKwjlQ
Blog: https://practical.engineering/blog/
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