4.2 Pfahlsysteme

Nach den Herstellungsnormen unterscheidet man 3 Gruppen (nach den Empfehlungen des Arbeitskreises „Pfähle“ der DGGT, 2007):

1. Bohrpfähle nach DIN EN 1536 Förderung von Boden bei ihrer Herstellung

2. Verdrängungspfähle nach DIN EN 12 699 nahezu vollständige Verdrängung des Bodens bei Herstellung

3. Mikropfähle nach DIN 14199 geringe Durchmesser (gebohrte Pfähle ≤ 30 cm,

Verdrängungs- pfähle ≤ 15 cm).

1Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

4.4 Bemessung von Pfählen4.4.1 Grundlagen

Pfahlgründungen: Geotechnischen Kategorie GK 2 oder GK3(GK1 = einfache Bauwerke und Baugrundverhältnisse keine Pfahlgründung).

GK3 in besonderen Fällen, z.B. wenn• flache Pfähle (Neigung < 45°) auf Zug beansprucht werden• Pfähle quer zur Pfahlachse passiv beansprucht werden• Pfähle hoch ausgelastet werden in Verbindung mit sehr geringen

zulässigen Setzungen oder einer Mantel- und/oder Fußverpressung

2Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

Bemessung von Pfahlgründungen:

Grenzzustand der Tragfähigkeit GZ 1 Einzelpfahls: Grenzzustand 1B = Versagen durch Bruch des Bodens in der Pfahlumgebung.

Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit GZ 2 (Verformungen)

Sicherheit gegen Materialversagen: Nachweis des Versagens des Pfahlbaustoffes nach bauartspezi-fischen Regeln

3Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

Einwirkungen

Pfahlkraft Q meist Druckkraft, seltener Zugkraft oder Wechsellast.

Einwirkungen des Baugrundes:- negative Mantelreibung tn

- Seitendruck aus horizontalen Bodenbewe- gungen pf

4Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

Q

tn

pf

Negative Mantelreibung

Negative Mantelreibung tn entsteht durch Bodensetzung in unmittelbarer Nähe zum Pfahl (z.B. noch nicht abgeschlossene Konsolidierung, nachträgliche Anschüttung). Þ Eigengewicht der sich setzenden Bodenschicht hängt sich über

Mantelreibung an den Pfahl an. Þ Setzungsunterschiede nehmen mit Tiefe ab. tn zu berücksichtigen bis

„neutralen Punkt“ mit Relativverschiebung = 0.

Negative Mantelreibung tn = ständige Einwirkung:- bindige Böden: tn,k = cu,k (undrainierte Kohäsion) - nicht bindige Böden: tn,k = s`v ∙ K0 ∙ tan j ‘

k

s`v = effektive Vertikalspannung, K0 = Erdruhedruckbeiwert

5Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

Widerstände

Pfahlmantelwiderstand qs [kN/m²] Þ Pfahlmantelwiderstand Einzelpfahl Rs [kN]

- abhängig von Scherfestigkeit des Baugrunds: Kohäsion und senkrecht zur Pfahloberfläche wirkenden effektiven Normalspannung- zusätzlich ausgeprägt von der Herstellungsart

Pfahlspitzenwiderstand qb [kN/m²] Pfahlspitzenwiderstand Einzelpfahl Rb [kN]

6Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

qb

qs

Q

Versagen des Pfahls

Pfahl versagt, wenn seine Setzungen bzw. Hebungen stark überproportional anwachsen.

Versagen:

Überbeanspruchung des Baugrunds (äußere Tragfähigkeit)

Überbeanspruchung des Pfahlmaterials (innere Tragfähigkeit)

Knicken

7Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

Q

Charakteristische Beanspruchungen und charakteristische Widerstände sind nach DIN 1054 mit den entsprechenden Teilsicherheitsbeiwerten in Bemessungswerte umzurechnen.

Teilsicherheitsbeiwerte für Einwirkungen und Beanspruchungen lastfallabhängig.

8Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

Charakteristische Beanspruchungen und charakteristische Widerstände sind nach DIN 1054 mit den entsprechenden Teilsicherheitsbeiwerten in Bemessungswerte umzurechnen.

Teilsicherheitsbeiwerte für Einwirkungen und Beanspruchungen lastfallabhängig.

Widerstände: Teilsicherheitsbeiwerte abhängig von der Belastungsart (Druck, Zug) aber unabhängig vom Lastfall.

9Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

Nachweise der Gebrauchstauglichkeit (GZ 2) sind für Beanspruchungen und Widerstände mit charakteristischen Werten zu erbringen (Teilsicherheitsbeiwerte g = 1)

Nachweise: Unterscheidung von Belastungen in axialer Richtung und Belastungen quer zur Pfahlachse.

10Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

4.4.2 Tragverhalten von axial belasteten Pfählen4.4.2.1 Allgemeines

Notwendige Relativverschiebung zur Weckung der Mantelreibung ist klein.

unabhängig von der Pfahlart: Maximalwert der Mantelrei-bungskraft stellt sich bei kleine-ren Setzungen ein als der Maximalwert des Spitzendrucks

11Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

DIN 1054 Regelfall: Widerstände anhand von statischen oder dynamischen Pfahlprobebelastungen

Pfahlwiderstandsgrößen R1,k und R2,k für Grenzzustände GZ 1 + GZ 2

12Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

13Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

DIN 1054:2005-01, 8.4.4.: “Wenn keine Pfahlprobebelastungen durchge-führt werden und keine Erfahrungswerte aus unmittelbar vergleichbaren Pfahlprobebelastungen vorliegen, darf der charakteristische axiale Pfahlwiderstand des Einzelpfahls aus allgemeinen Erfahrungswerten bestimmt werden, sofern die Pfähle mindestens 5,0 m oder mit dem fünffachen Pfahldurchmesser in den Baugrund einbinden, wobei der größere Wert maßgebend ist[…].

Anhänge B, C und D der DIN 1054:2005-01 Pfahlwiderstände aus Erfahrungswerten für Bohrpfähle, gerammte Verdrängungspfähle und verpresste Mikropfähle.

4.4.2.2 Bestimmung der axialen Tragfähigkeit von Bohrpfählen

Elemente einer charakteristischen Widerstands-Setzungs-Liniebis zur Setzung von s = sg:

setzungsabhängiger Pfahlfuß-widerstand Rb (s) und dem Pfahlmantelwiderstand Rs (s)Rk (s) = Rb (s) + Rs (s)

Ab der Grenzsetzung sg für den Pfahlfußwiderstand bzw. ssg für den Pfahlmantel-widerstand verlaufen die Widerstands-Setzung-Linien senkrecht

14Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

Für den charakteristischen Pfahlfußwiderstand Rb,k (sg) gilt die Grenzsetzung sg

sg = 0,1 D∙ s bzw. sg = 0,1 D∙ b mit Ds PfahlschaftdurchmesserDb Pfahlfußdurchmesser

Für den charakteristischen Mantelwiderstand Rs,k (sg) gilt im Bruchzustand die Grenzsetzung ssg:

ssg [cm] = 0,5 ∙ Rs,k (sg) [MN] + 0,5 [cm] ≤ 3 cm

Bis zu dieser Grenzsetzung ist mit einem linearen Verlauf des Pfahlmantelwiderstandes zu rechnen.

15Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

Der charakteristische axiale Pfahlwiderstand ist aus Tabellenwerten wie folgt zu ermitteln:

Mit: Rk (s) setzungsabhängiger charakteristischer PfahlwiderstandRb,k (s) setzungsabhängiger charakteristischer PfahlfußwiderstandRs,k (s) setzungsabhängiger charakteristischer PfahlmantelwiderstandAb Nennwert der PfahlfußflächeAs,i Nennwert der Pfahlmantelfläche in der Schicht iqb,k charakteristischer Wert des Pfahlspitzenwiderstandes (Tabellen)qs,k,i charakteristischer Wert der Pfahlmantelreibung in der Schicht i (Tabellen)

16Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

Voraussetzung für Anwendung der Tabellenwerte:- Mächtigkeit der tragfähigen Schicht unterhalb des Pfahlfußes ≥ 3

Pfahlfußdurchmesser, mindestens aber 1,50 m und- in diesem Bereich qc = 10 MN/m² bzw. cu,k = 0,10 MN/m²

Andernfalls ist ein Nachweis gegen Durchstanzen zu führen.

Mindesteinbindetiefen der Pfähle:- 2,50 m für Druckpfähle im Lockergestein und im Fels mit einaxialer Druckfestigkeit qu ≤ 0,5 MN/m²- 0,5 m für Druckpfähle im Fels mit qu ≥ 5 MN/m²- 5,0 m bei Zugpfählen

17Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

18Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

19Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

20Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

21Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)

22Bodenmechanik und Grundbau II (SS 2010)