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Anwendung und Herstellung von Mikropfählen

1 Einleitung

Mikropfähle werden zunehmend in Wasser-bau- und Hafenprojekten als Zugelemente ein-gesetzt und lösen mehr und mehr gerammtePfahlsysteme ab. Die Weiterentwicklung derBohrtechniken hat hierzu maßgeblich beige-tragen.

Der TK-ASF Bohrverpresspfahl ist ein neuesMikropfahlsystem nach DIN EN 14199, welchesdie ThyssenKrupp Bautechnik GmbH in Zusam -menarbeit mit Spezialtiefbauunternehmen alsZug – und Druckpfahl entwickelt hat. Es handeltsich um eine Weiterentwicklung bestehenderPfahlsysteme.

Der TK-ASF Bohrverpresspfahl zeichnet sichdurch hohe innere Tragfähigkeiten und Trag -reserven sowie großer Robustheit und geringeVerformungen aus. Dies wird durch den Einsatzgutmütiger Stahlsorten nach DIN EN 10025 er-reicht.

Basis dieser Entwicklung sind Erfahrungenaus über 30 Hafen- und Wasserbau-Projektenmit ca. 50.000 Bohrmetern. Der Einsatz erfolgteohne bauaufsichtliche Zulassung auf der Grund-lage der DIN 4128, Verpresspfähle mit kleinemDurchmesser aus dem Jahre 1983.

In dieser Norm wird für den Nachweis derTragfähigkeit auch der Nachweis der Brauchbar-keit gefordert. Dies beinhaltet insbesondereFragen des Korrosionsschutzes. Die Tragfähig-keit der Stahltragglieder wurde entsprechendden Nachweisen für Rundstahlverankerungennach EAU 2012, Abschnitt 8.2.7.3 geführt.

Auf der Grundlage dieses Nachweises konnteder in der DIN EN 1993-5 geforderte Zusatz-nachweis für die Gebrauchstauglichkeit aufGrund des konservativ gewählten Kerbfaktorskt* entfallen.

Um den TK-ASF Bohrverpresspfahl auch inöffentlichen Baumaßnahmen einsetzen zu kön-nen war es erforderlich, eine allgemeine bauauf-sichtliche Zulassung zu erwirken. Folgende Zielewurden nachfolgend definiert:Größtmögliche innere Tragfähigkeit mit ein -fachem Korrosionsschutz auf ganzer Pfahllänge.

Hierzu wurde eine spezielle Gewindeformentwickelt, welche im Aufrollverfahren auf dasStahltragglied gewalzt wird. Hierdurch wird einguter Haftverbund des Traggliedes sowie eineinheitliches Rissbild im Zementstein gewähr-leistet. Zusammen mit einen großen Stahlquer-schnitt und die damit verbundene geringere Deh-nung des Stahls unter Zuglast werden kleinst-mögliche Rissbreiten im Verpresskörper beigleichzeitig größtmöglicher Auslastung des Stahl-traggliedes erreicht. Ein zusätzlicher Korrosions-schutz auf ganzer Pfahllänge durch PE-HD Rohreoder zusätzlicher Beschichtungssysteme ist da-her nicht erforderlich.

Lediglich im Pfahlanschlussbereich wird imÜbergang zum Verpresskörper ein Kunststoff -ripprohr verwendet.

Ein weiterer Vorteil der geringeren Stahl-Dehnung besteht durch die schnellere Aktivie-rung der Mantelreibung am Verpresskörper unddamit geringerer Setzungen des Stützbauwerks.

Eine Weiterentwicklung der Korb-Abstand-halter war ebenfalls erforderlich, um eine genü-gend große Zementsteinüberdeckung erreichenzu können und ein Einsinken des Traggliedesbei geneigten Bohrungen in den Baugrund zuvermeiden. Sie müssen auf Grund des Eigenge-wichtes der Tragglieder formstabil bleiben unddürfen sowohl beim Einbau der Tragglieder indas Bohrloch als auch beim Zurückziehen derAußenverrohrung nicht verrutschen. Weiterhinmuss die Installation von Nachinjektionsleitun-gen gewährleistet sein.

Mikropfähle müssen vielfach an Spundwand-konstruktionen aus Stahl angeschlossen werden.Hierfür gab es in der Vergangenheit in den gän-gigen Pfahl-Zulassungen nur unzureichende An-gaben, so dass man häufig auf Ankerkopfkon-struktionen aus Ankerzulassungen zurückgrei-fen musste.

Deshalb wird in Abstimmung mit dem DIBt(Deutsches Institut für Bautechnik) und der BAM(Bundesanstalt für Materialforschung und -prü-fung) eine eigene Stahlübergangskonstruktionmit in die Zulassung aufgenommen.

Anwendung und Herstellung von Mikropfählen für die Rückverankerung von SpundwändenDipl.-Ing. Klaus Dietz und Dipl.-Ing. Frank Tapken

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2 Mikropfahl TK-ASF BohrverpresspfahlIm aktuellen DiBt-Zulassungsverfahren sind

zunächst vier verschiedene Pfahltypen von 3“über 3½“, 4“; bis 4¼“ mit Bemessungswider-ständen von 1.609 kN bis 3.335 kN nach EC7-1,Abschnitt 7 vorgesehen (Bild 1).

Es handelt sich um Rundstähle ASF 500/700nach DIN EN 10025-2 mit einer StreckgrenzeReh 500 N/mm² und einer Zugfestigkeit von Rm700 N/mm².

Der Haftverbund wird über ein aufgerolltesGewinde gewährleistet. Im Kopfbereich wirdder Anschluss jedoch über ein 500 mm langesZollgewinde (Withworth) hergestellt. Der zölligeGewindeanschluss ist deutlich unempfindlichergegen leichte Beschädigungen als metrischeGewindeformen und hat sich im rauhen Bau-stellenbetrieb bestens bewährt. Auch bei Pfahl-probebelastungen bis zur Streckgrenze desStahls lassen sich die Verlängerungen und Muf-fenverbindungen ohne Gewindebeschädigungenwieder lösen.

Das TK-ASF Pfahlsystem kann gemäß derDIN EN 14199 in Neigungen von 90° und 10°gegen die Horizontale sicher hergestellt werden.Die maximale Länge ergibt sich aus den bau-praktisch herstellbaren Bohrungen. Die Zug-glieder können werkseitig bis 35 m ausgeliefertund durch Schweißstöße gemäß DIN EN 1090bauseits entsprechend verlängert werden.

Systemkomponenten:Kopfplatte mit zwei Muttern und Zollgewin-

deanschluss. PE-HD Übergangsrohr mit Korro-sionsschutzmasse gefüllt und Schrumpfschlauchals Abschluss.

Stahltragglied mit Aufrollgewinde und Korb-abstandhalter.

Stahlspundwände (13) – Planung und Anwendung

Bild 1: Bemessungswiderstände nach EC7-1, Abschnitt 7

Bild 2: SchematischeDarstellung Pfahlanschluss im Beton

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Anwendung und Herstellung von Mikropfählen

Im Rahmen des bauaufsichtlichen Zulas-sungsverfahrens wurde ein dauerhafter Korro-sionsschutz des luftseitigen Endes des Stahltrag-gliedes im Bereich des Pfahlkopfes für die bau-praktischen Bedingungen entwickelt und ineiner gutachterlichen Stellungnahme durch denFachgutachter der BAM (Bundesanstalt fürMaterialforschung) in Berlin bestätigt.

Zum Neigungsausgleich und zur Herstellungder Gelenkigkeit werden Rohrstutzen, Kalotten-platten mit Kalottenmuttern verwendet. DieseAnschlüsse werden individuell für die jeweiligenErfordernisse konstruiert. Den Abschluss bildeteine Schutzkappe mit plastischer Korrosions-schutzmasse.

3 Eignungsversuche in der Tongrube Schermbeck Für das bauaufsichtliche Zulassungsverfah-

ren waren auch gutachterlich begleitete Einbau-nachweise an je drei Versuchspfählen sowohlin bindigem als auch nicht bindigem Boden aus-zuführen. Die Versuche wurden in einer Ton-grube nördlich des Ruhrgebiets bei Schermbeckdurchgeführt. In Abstimmung mit dem DIBtwurde auch der Nachweis für den nicht bindigenBoden auf dem Gelände der Tongrube erbracht.Dazu wurde eine entsprechende Versuchsgrubeausgehoben und mit zuvor analysiertem Kies-Sand-Gemisch aus dem Niederrheingebiet ver-

Bild 3 (oben): Bewehrungsführung für Zug – Druck – undWechselbeanspruchung

Bild 4: Stahlübergangs-konstruktion

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füllt. Die Versuchspfähle wurden durch dieFirma Stump Spezialtiefbau GmbH, Zweignieder-lassung Langenfeld, hergestellt.

Bild 5 zeigt den Beginn der Bohrarbeitenfür den ersten Pfahl in nicht bindigem Boden.Die Pfähle mit den Durchmessern 3“, 4“, und4½“ waren 10° gegen die Horizontale geneigtund 20 m lang.

Die Bohrungen wurden im Doppelkopfver-fahren mit Luftspülung niedergebracht. Detailskönnen Bild 6 entnommen werden.

Zum Einbau wurden die Pfähle aufgenom-men, deren Gurte in etwa an den Drittelspunk-ten des Tragglieds angeschlagen waren, dannzum Bohrloch transportiert und in das Bohrlocheingeführt (Bild 8). Infolge der großen Quer-schnitte war die Durchbiegung äußert gering.Nach dem Auffüllen des Bohrlochs im Kontrak-torverfahren erfolgte im nicht bindigen Bodeneine abschnittsweise Primärverpressung überVerpresskappe und im nicht bindigen Baugrundnach 24 Stunden eine Nachinjektion mit rot ge-färbter Zementsuspension. Für den Einbau wur-den die Mikropfähle zuvor mit geeigneten Ab-standshaltern sowie Füll- und im bindigen BodenNachinjektionsleitungen vorbereitet (Bild 8).

Nach entsprechender Aushärtezeit wurdendie Pfähle wieder vollständig freigelegt. Bild 9zeigt die freigelegten Pfähle in der Gesamtan-sicht. Anschließend erfolgte eine detaillierteDokumentation der Mikropfähle zur Feststellungder ausreichenden Zementsteinüberdeckung(Bild 10).

Mit Bild 11 kann auch der Erfolg der Nach-injektion im bindigen Boden dargestellt werden.Der rot eingefärbte Zement hat den Verpress-körper aufgesprengt und zu einer weiteren Ver-spannung der Krafteinleitungsstrecke im Bau-grund geführt.

Mit den Versuchspfählen in Schermbeckkonnte die Eignung Pfahlsystems für den Bau-

Stahlspundwände (13) – Planung und Anwendung

Bild 7: Einführen desStahltraggliedesund Einfüllenvon Zementleim

Bild 6: Bohrarbeiten mitKlemm KR 806-4,Bohrwinkel 10;Doppelkopf -bohren mit Luft-spülung

Bild 5: Bohrarbeiten inSand, Kies undTon

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Anwendung und Herstellung von Mikropfählen

stellenbetrieb nachgewiesen werden. Zugver -suche mussten an den Pfählen nicht durchge-führt werden, da bereits zahlreiche Versuchevorliegen (siehe Abschnitt 5).

Bild 11: Nachinjektion imbindigen Boden

Bild 10: Begutachtung der Pfähle

Bild 8: Montage der Korbabstandhalter Bild 9: Ausgraben der Pfähle

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4 Versuchsprogramm / Zulassungs-versuche IMB RWTH AachenBild 12 zeigt Tastversuche bei DMT (Deut-

sche Montan Technologie). Hier wurde in ver-schiedenen Laststufen die Rissbreiten im Zement-körper an einem 3“-Tragglied und einer Zement-überdeckung von 40 mm untersucht, um ersteHinweise auf das Rissverhalten bezogen auf dieRippengeometrie zu bekommen. Die Gewinde-form und Steigung wurden daraufhin angepasstund optimiert.

Das Büro Hegger + Partner IngenieureGmbH & Co. KG stellte daraufhin ein umfang-reiches Untersuchungsprogramm zusammen, inwelchem die in Tabelle 1, Bild 13, zusammen-gefassten Versuche am IMB (Institut für Massiv-bau) an der RWTH Aachen durchgeführt wur-den. Die Versuche dienen dem Nachweis desTragglieds und der Rissbreiten für das Zulassungs-verfahren beim DIBt.

Die Versuche wurden am Institut für Massiv-bau der RWTH Aachen durchgeführt. Insbeson-dere die Dehnkörperversuche dienen als Grund-lage für die Ermittlung der charakteristischenSpannungen zur Bestimmung der zulässigen cha-rakteristischen Pfahllast bei entsprechenderZementsteinüberdeckung. Dazu wurden meh-rere Probekörper je Zugglieddurchmesser mitunterschiedlicher Zementsteinüberdeckung vor-bereitet und belastet. Die bisher durchgeführtenVersuche zeigen sehr positive Ergebnisse. DieDetailauswertung wird im Frühjahr 2015 nachAbschluss der Versuchsreihe vorliegen. Derzeitsind noch nicht alle Durchmesser getestet wor-den. Bild 14 zeigt einen Dehnkörper in derPresseneinrichtung.

Stahlspundwände (13) – Planung und Anwendung

Bild 12: Tastversuche bei DMT, Seilprüfstelle Bochum

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Anwendung und Herstellung von Mikropfählen

5 Ausgeführte Beispiele

Neue Kaimauer für den Hafen RiesaIm Hafenteil „Alter Hafen“, der seit über 120

Jahren besteht, wurde in 2012/2013 auf einerLänge von etwa 540 Metern eine neue Stahl-spundwand vor eine bestehende Schwerge-wichtsmauer gerammt. Verankert wurde dieneue Spundwand mit Verpresspfählen nach DIN4128. Als Tragglieder kamen TK-ASF Bohrver-presspfähle in den Abmessungen 3½“ bis 4½“in Längen bis 23,30 m zum Einsatz. Mit Pfahl-abständen von 2,40 m und 3,60 m wurden ca.5.000 m Bohrverpresspfähle eingebaut.

Die Errichtung einer neuen Kaimauer wareine wesentliche Voraussetzung zur nachhalti-gen Steigerung des Güterumschlages auf die um-weltfreundlichen Verkehrsträger Schiene undWasserstraße im Hafen Riesa. Der Hafen hattesich in den vergangenen Jahren zu einem Pre-miumstandort mit weltweiter logistischer An-bindung entwickelt.

Um die Rückverankerung für die Spundwandherzustellen, musste durch eine bestehendeSchwergewichtsmauer gebohrt werden. Hier-für wurde die Imloch-Hammer-Methode einge-setzt.

Bild 14: Dehnkörper -versuche mitMesssen soren in einer 5-MN-Zugmaschineund visuelleRissbreiten -bestimmung mitRisslupe

Bild 13: Untersuchungs -programm IMB,RWTH Aachen

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Zur Entkoppelung der Mauer von den Ver-ankerungselementen werden die Stahltragglie-der mit einem PE Schutzrohr versehen, welchesbis Hinterkante der Schwergewichtsmauer ge-führt wird.

Durch Zug-Probebelastungen an 6 Stück4½“ TK-ASF-Bohrverpresspfählen in Längen von15,30 m bis 23,30 m musste zunächst die Trag-fähigkeit der anstehenden inhomogenen Bödengemäß der DIN 4128 unter Berücksichtigungder DIN 4125 und der EA-Pfähle nachgewiesenwerden, um somit die wirtschaftlich möglichenAnkerabstände ermitteln zu können. Die auf-nehmbaren Zugkräfte wurden je nach Boden-art zwischen 2.000 kN und 3.100 kN ermittelt(Bild 16).

Die Probebelastungen an den Verpresspfäh-len wurden von der BTU Cottbus, Lehrstuhl fürBodenmechanik und Grundbau, Prof. Dr. Ing.L. Wichter gutachterlich begleitet und ausge-wertet (Bilder 17 und 18).

6 Zusammenfassung

Die neue Mikropfahltechnik TK-ASF Bohr-verpresspfahl nach DIN EN 14199 für Rückver-ankerungen in Wasserbau- und Hafenprojektenmit hohen Tragfähigkeiten bei einfachem Kor-rosionsschutz und robusten Traggliedern ausRundstahl hat sich in den letzten Jahren fürdieses Einsatzgebiet bewährt.

Die geringe Stahldehnung garantiert dieschnelle Aktivierung der Kräfte bei kleinen Ver-formungen.

Es gibt keine Längenbegrenzung der Pfähle,somit ist die beliebige Verlängerung durchSchweißstöße oder Kopplungsmuffen möglich.

Für das Verfahren zu Erlangung einer all -gemein bauaufsichtlichen Zulassung beim DIBtwurden weitere Untersuchungen mit positivemErgebnis durchgeführt, die die vorhandenen Er-fahrungen stützen.

Stahlspundwände (13) – Planung und Anwendung

Bild 16: Tabelle der VersuchspfähleHafen Riesa

Bild 15: Uferwand HafenRiesa mit TK-ASF Bohr -verpresspfahl

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Anwendung und Herstellung von Mikropfählen

7 Literatur

DIN 1054: 2005-01: Baugrund – Sicherheitsnach-weise im Erd- und Grundbau, Deutsches Institutfür Normung e.V., Beuth Verlag, 2005

EAU 2012: Empfehlungen des Arbeitsausschusses„Ufereinfassungen“ Häfen und WasserstraßenEAU 2012, Verlag Ernst und Sohn, 2005

DIN 4227: Spannbeton, Deutsches Institut fürNormung e.V., Beuth Verlag, 1988

A. Schürmann; R. Grede; M. Menke: Die Anwen-dung von Bohrverpresspfählen für die Rückver-ankerung von Hafenmauern und Kaianlagen, Vor-träge der Baugrundtagung 2008 in Dortmund,VGE Verlag GmbH, 2008

F. Tapken; R. Krutwig: Anwendung und Her-stellung von Verankerungspfählen für Rückver-ankerungen von Spundwänden; TagungsbandPfahl-Symposium 2013, Mitteilung des Institutsfür Grundbau und Bodenmechanik TU Braun-schweig, Heft Nr. 96, Braunschweig, 2013

F. Tapken; K. Dietz: TK-ASF Bohrverpresspfahl,Größte Belastbarkeit bei kleinstem Durchmes-ser; Tagungsband Pfahl-Symposium 2015, Mit-teilung des Instituts für Grundbau und Boden-mechanik TU Braunschweig, Heft Nr. 99, Braun-schweig, 2015

Bild 18: Lage der Versuchspfähle Hafen Riesa

Bild 17: Versuchsaufbau und Auswertung mit Zeit-Verschiebungs-Diagramm BTU Cottbus