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BAWBrief 2013/01: Verwendung von Verpressankern und verpressten Mikropfählen zur Verankerung von Stützbauwerken

Aus BAWiki

1 Einleitung und Begriffe

Der vorliegende BAWBrief ist eine Fortschreibung des BAWBriefes Nr. 2 vom Juni 2010 und ersetzt diesen. Die Überarbeitung des BAWBriefes wurde durch die Einführung der auf die neuen Eurocodes aufbauenden Normen in der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) im September 2012 erforderlich.

Zur Verankerung werden sowohl Anker als auch Pfähle verwendet. Häufig werden Pfähle, die als Verankerung eingesetzt werden, als Anker oder Ankerpfähle bezeichnet und damit der Unterschied zwischen der Bezeichnung der Konstruktion – also Anker oder Pfahl – und der Verwendung desselben als Verankerung verwischt. Zur Erläuterung der Bezeichnungen hier ein Überblick über die im Normen-Handbuch Eurocode 7 Band 1 (DIN EN 1997-1:2009-09 in Verbindung mit DIN EN 1997-1/NA:2010-12 und DIN 1054:2010-12, im folgenden Text als Handbuch EC 7 Band 1 bezeichnet) verwendeten Begriffe.

Im Sinne des Handbuchs EC 7 Band 1 ist der Begriff Verankerung als Überbegriff zu sehen. Unter diesem Begriff werden in Abschnitt 9.7.7 sowohl Anker wie auch Pfähle als Elemente benannt, die Zugkräfte auf den Baugrund übertragen können. Der Begriff Verankerung bezeichnet also keine bestimmte Konstruktion, sondern deren Anwendung. Für die Bemessung der Zugelemente wird dann im Handbuch EC 7 Band 1 weiter in Anker und Pfähle unterschieden.

Die Bemessung von Ankern wird in Abschnitt 8 geregelt. Nach Abschnitt 8.1.1 wird mit dem Begriff Anker ein Zugelement bezeichnet, welches immer aus einem Ankerkopf, einer freien Stahllänge und einer Rückhaltekonstruktion besteht. Für diese Anker sind unterschiedliche Rückhaltekonstruktionen zulässig. In Deutschland sind Verpresskörper (Verpressanker nach DIN EN 1537), Ankerplatten „tote Männer“ oder Ankerwände die gängigsten Rückhaltekonstruktionen.

Pfähle haben unabhängig von der Pfahlart keine freie Stahllänge und fallen somit nicht unter die Definition des Abschnittes 8.1.1. Für die Bemessung von Verankerungen mit Pfählen wird in DIN EN 1997-1 Abschnitt 8.1.1 (4)P ausdrücklich auf Abschnitt 7 (Pfähle) verwiesen.

Aus der Unterscheidung in Anker und Pfähle ergeben sich unterschiedliche Teilsicherheitsbeiwerte für den Nachweis des Herauszieh-Widerstandes des Verankerungselementes. Daneben gibt es aber auch Unterschiede in der Herstellung und Zulassung und daraus resultierend in der Verwendbarkeit, der Tragwirkung und der Ausführung und Bewertung von Probebelastungen.

Die meisten Pfahlarten wie Bohrpfähle oder Rammpfähle sind optisch eindeutig als Pfähle zu erkennen. In der Praxis wird dann automatisch den Bemessungsregeln für Pfähle gefolgt. Aufgrund der optischen Ähnlichkeit von Einstabverpressankern nach DIN EN 1537 und verpressten Mikropfählen nach DIN EN 14199 (früher Kleinverpresspfähle nach DIN 4128) wird jedoch bei diesen beiden Bauelementen häufig vernachlässigt, dass es sich um verschiedene Konstruktionen handelt. Die Unterschiede in der Konstruktion und der Tragwirkung beider Elemente und deren Auswirkung auf die Bemessung und die Durchführung von Probebelastungen werden dann nicht erkannt und berücksichtigt.

Dieser BAWBrief gibt einen Überblick über die Unterschiede in der Konstruktion und Hinweise zur Bemessung beider Elemente bei Verwendung als Verankerung von Stützbauwerken. Andere Pfahlarten, andere Ankerkonstruktionen und andere Verwendungsarten werden hier nicht behandelt.

In Abschnitt 2 wird zusätzlich ein Überblick über die seit September 2012 anzuwendenden Normen für die Herstellung und Bemessung von Verpressankern und verpressten Mikropfählen und über die Weiterentwicklung der Normen gegeben.

2 Überblick über die Normen

Zu den europäischen Ausführungsnormen für die Herstellung von Verpressankern (DIN EN 1537) und von Pfählen mit kleinen Durchmessern (DIN EN 14199) wurden ergänzende nationale Regelungen unter der Bezeichnung DIN SPEC 18537:2012-02 und DIN SPEC 18539:2012-02 veröffentlicht. Beide DIN SPEC sind trotz des etwas irreführenden Vorwortes, welches sie als Vornormen ausweist, mit den früheren DIN-Fachberichten oder nationalen Anwenderdokumenten gleichzusetzen und entsprechend zu verwenden.

2.1 Anzuwendende Normen

Seit dem 15. September 2012 sind für die Herstellung, Bemessung und Prüfung von Verpressankern und verpressten Mikropfählen in der WSV nun folgende Normen anzuwenden:

Verpressanker

  • Bemessung von Verpressankern, Höhe der Prüflasten und Anzahl der Prüfungen nach DIN EN 1997-1:2009-09, DIN EN 1997-1/NA:2010-12 in Verbindung mit DIN 1054:2010-12 und DIN 1054/A1:2012-08
  • Herstellung von Verpressankern nach DIN EN 1537:2001-01, DIN EN 1537 Berichtigung 1:2011-12 in Verbindung mit DIN SPEC 18537:2012-02
  • Durchführung und Bewertung von Eignungs- und Abnahmeprüfungen nach DIN EN 1537:2001-01, DIN EN 1537 Berichtigung 1:2011-12 in Verbindung mit DIN SPEC 18537:2012-02

Verpresste Mikropfähle

  • Bemessung, Höhe der Prüflasten und Anzahl der Prüfungen von verpressten Mikropfählen nach DIN EN 1997-1:2009-09, DIN EN 1997-1/NA:2010-12 in Verbindung mit DIN 1054:2010-12 und DIN 1054/ A1:2012-08
  • Herstellung von verpressten Mikropfählen nach DIN EN 14199:2012:01 in Verbindung mit DIN SPEC 18539:2012-02
  • Durchführung und Bewertung von Probebelastungen von Pfählen nach DIN EN 1997-1:2009-09, DIN EN 1997-1/NA:2010-12 in Verbindung mit DIN 1054:2010-12, DIN 1054/A1-2012-08 und den EA-Pfähle

Die Durchführung und die Bewertung von Probebelastungen von Pfählen sind in den Normen nicht umfassend geregelt. Das Handbuch EC 7 Band 1 ent-hält in Abschnitt 7 Hinweise zur Konzeption von Probebelastungen (Anzahl, Durchmesser und Lage der Probepfähle etc.). Für die umfassende Beschreibung der Durchführung und Auswertung von Probebelastungen verweist das Normenhandbuch jedoch auf die EA-Pfähle, in denen alle erforderlichen Hinweise zum Versuchsablauf und zur Auswertung des Versuches zu finden sind. Hier ist anzumerken, dass sich das Handbuch EC 7 Band 1 momentan noch auf die erste Auflage der EA-Pfähle bezieht. Diese erste Auflage baut jedoch auf DIN 1054:2005 auf und passt daher weder von den Begrifflichkeiten noch von den Nachweisen zum jetzt eingeführten Normenhandbuch. Im Geschäftsbereich der WSV ist daher die neue EA-Pfähle zu verwenden (Einführungserlass WS 12/5257.15/1-6 vom 15. Septem- ber 2012 / Anhang 4).

Wie schon in Abschnitt 1 erwähnt, sind im Handbuch EC 7 Band 1 zur einfacheren Verwendung die Normen DIN EN 1997-1:2009-09, DIN EN 1997-1/NA:2010-12 und DIN 1054:2010-12 in einem Papier zusammengefasst. Bei der Verwendung des Handbuches ist zu beachten, dass die Änderung A1 zur DIN 1054 (DIN 1054/A1-2012-08) nicht im Handbuch EC 7 Band 1 enthalten ist. Diese ist zusätzlich zum Handbuch EC 7 Band 1 zu beachten.

Bei der Anwendung der Normen in der WSV ist zusätzlich der Einführungserlass WS 12/5257.15/1-6 vom 15. September 2012 zu beachten.

Da auch in Zukunft mit weiteren Überarbeitungen gerechnet werden muss (siehe Abschnitt 2.2), sollte vor der Ausschreibung von Verpressankern und Mikropfählen immer geprüft werden, ob die hier genannten Normen noch anzuwenden sind. Ein Überblick über die aktuellen Normen und die Erlasslage kann dem Technischen Regelwerk – Wasserstraßen (TR-W) Abschnitt 2.1 entnommen werden:
http://vzb.baw.de/tr-w

2.2 Weiterentwicklung der Normen

Für die europäischen Normen gibt es eine grundsätzliche Festlegung, welche Inhalte in welcher Norm behandelt werden dürfen und müssen. Hierbei wird in Bemessung, Herstellung und die Durchführung der Prüfung unterschieden. Für Verpressanker und Mikropfähle müssten die Festlegungen wie folgt auf die Normen verteilt sein:

  • Alle sicherheitsrelevanten Festlegungen wie Bemessung, Festlegung der Höhe der Prüflasten und Anzahl der Prüfungen: DIN EN 1997-1:2009-09 in Verbindung mit dem dazugehörenden nationalen Anwenderdokumenten (in Deutschland: DIN EN 1997-1/NA und DIN 1054)
  • Herstellung der Bauteile: DIN EN 1537 (Verpressanker) und DIN EN 14199 (Pfähle mit kleinem Durchmesser (Mikropfähle))
  • Durchführung und Bewertung von Prüfungen: DIN EN ISO 22477-1 (Pfahlprobebelastungen) und DIN EN ISO 22477-5 (Ankerprüfungen)

Mit dem nun eingeführten Normenpaket konnte die vorgesehene Aufgabenteilung jedoch nicht vollständig vollzogen werden. So liegen DIN EN ISO 22477-1 und DIN EN ISO 224775 bisher nur als Normenentwurf vor und können daher noch nicht verwendet werden. DIN EN 1537:2001- 01 enthält noch Angaben zur Durchführung der Prüfungen von Verpressankern. Für eine vollständige Umsetzung der vorgesehenen Aufgabenteilung müssten DIN EN ISO 22477-1 und DIN EN ISO 22477-5 fertig gestellt und DIN EN 1537 überarbeitet werden. Seit Dezember 2009 liegt eine überarbeitete Fassung von EN 1537 als Entwurf vor. Die Veröffentlichung als Weißdruck ist für 2013 geplant. Da nicht absehbar ist, wann eine anwendbare europäische Norm zur Prüfung von Verpressankern (DIN EN ISO 22477-5) zur Verfügung steht, lässt jedoch auch diese Fassung der DIN EN 1537 die Möglichkeit offen, die Prüfung von Verpressankern in einem nationalen Ergänzungspapier zu regeln. Dies ist darauf zurückzuführen, dass nicht absehbar ist, wann anwendbare europäische Normen zur Prüfung von Verpressankern und Pfählen zur Verfügung stehen werden. Daneben wird schon seit einiger Zeit an einer neuen Fassung von EN 14199 gearbeitet und mit der Überarbeitung von EN 1997-1 begonnen, wobei hier die Überarbeitung des Abschnittes 8 schon nahezu fertiggestellt ist und über eine vorgezogene Veröffentlichung diskutiert wird. Es ist also auch in der nahen Zukunft mit weiteren Veränderungen der Normen zu rechnen.

2.3 Hinweise zur Bemessung bei Anwendung der aktuellen Normen

Im Geschäftsbereich der WSV werden zusätzlich zu den Normen häufig die EAU als Bemessungsgrundlage vereinbart. Die an das Handbuch EC 7 Band 1 angepassten EAU wurden im November 2012 veröffentlicht. Die Tabellenwerte für die Einwirkungen in der außergewöhnlichen Bemessungssituation BS-A der DIN 1054:2010-12 (Tabelle A 2.1) führen gegenüber dem alten globalen Sicherheitskonzept zu größeren Bauwerksabmessungen. In den EAU 2012 wird daher in Abweichung zu DIN 1054:2010-12 (wie schon vorher im Technischen Jahresbericht 2009, Teil I, des Arbeitsausschusses „Ufereinfassungen“ zu den EAU 2004) für die Bemessung von Uferbauwerken im Grenzzustand des Versagens von Bauwerken und Bauteilen (STR und GEO-2) in der außergewöhnlichen Bemessungssituation BS-A die Verwendung von reduzierten Teilsicherheitsbeiwerten – γG = 1,0 und γQ = 1,0 – empfohlen. Für die Bemessung der Verankerungen einschließlich der Ermittlung der erforderlichen Gesamtlänge eines Ankers (Nachweis der Standsicherheit in der tiefen Gleitfuge) gelten jedoch auch für die Bemessung von Uferbauwerken die in DIN 1054:2010-12 (Tabelle A 2.1) festgelegten Teilsicherheitsbeiwerte (γG = 1,1 und γQ = 1,1).

Die Sicherheiten für den Nachweis gegen Versagen des Zuggliedes von Verpressankern in DIN 4125 waren so, dass die Prüfkraft bei Abnahme- und Eignungsprüfungen aufgebracht werden konnte, ohne dass die bei einer Prüfung zulässigen Stahlspannungen überschritten wurden. Der Nachweis gegen das Versagen des Zuggliedes nach Abschnitt 8.5.4 des Normenhandbuchs wird jedoch mit den heute im Stahlbau geltenden, etwas kleineren Teilsicherheitsbeiwerten geführt. Hiermit ergibt sich für die Bemessung des Zuggliedes ein etwas geringeres Gesamtsicherheitsniveau als nach DIN 4125. Als Folge hiervon ist es möglich, dass bei einem im Gebrauchszustand voll ausgenutzten Zugglied die zulässige Stahlspannung bei Aufbringen der erforderlichen Prüfkräfte sowohl bei der Eignungsprüfung als auch bei der Abnahmeprüfung überschritten wird. Bei der Bemessung des Zuggliedes muss daher bei allen Ankern neben der Ankerbeanspruchung auch die Prüfkraft der Abnahme- und Eignungsprüfungen berücksichtigt werden.

Auch die Bemessung des Zuggliedes von verpressten Mikropfählen ist unter Berücksichtigung der bei der Probelastung aufzubringenden Prüfkraft durchzuführen (Handbuch EC 7 Band 1; Abschnitt 7.6.2.2 A (1b) und Angabe zur Höhe der Prüfkraft Formel A (7.1b)). Im Unterschied zu der Bemessung von Verpressankern ist dies bei verpressten Mikropfählen aber nur für die Probepfähle (mindestens zwei Pfähle beziehungsweise 3 % aller Pfähle) maßgebend. Wird die Prüfkraft bei der Bemessung des Zuggliedes der Probepfähle nicht berücksichtigt, kann bei optimal ausgenutztem Stahlquerschnitt nur ca. 75 % der erforderlichen Prüfkraft aufgebracht werden. Für die Durchführung der Probebelastungen müssten dann zusätzliche Probepfähle mit ausreichend bemessenem Zugglied hergestellt werden.

3 Unterschiede in der Konstruktion und der Verwendbarkeit von Verpressankern und verpressten Mikropfählen

Grundsätzlich ist sowohl für die Verwendung von Ver-pressankern nach DIN EN 1537 wie auch für die Verwendung von verpressten Mikropfählen nach DIN EN 14199 eine Zulassung erforderlich. Sollen in Einzelfällen verpresste Mikropfähle oder Verpressanker mit Veränderungen gegenüber den Zulassungen verwendet werden, sind hierfür Zulassungen im Einzelfall erforderlich. Diese können von der WSV beim BMVBS beantragt werden.

3.1 Die Vorspannbarkeit

Verpresste Mikropfähle müssen nach DIN EN 14199 und den Zulassungen auf ihrer gesamten Länge verpresst sein (Korrosionsschutz). Sie haben demzufolge keine freie Stahllänge. Verpresste Mikropfähle sind daher aufgrund ihrer Konstruktion nicht wie Anker auf Zug vorspannbar.

Im Gegensatz dazu müssen Verpressanker immer mit einer freien Stahllänge hergestellt werden. Verpressanker sind daher vorspannbar und werden auch häufig hoch vorgespannt. So können Verformungen, die sonst erst bei der Mobilisierung der Ankerkraft auftreten, vorweggenommen und verformungsarme Konstruktionen hergestellt werden. Ist die Begrenzung der Verformung nicht erforderlich, kann die Vorspannung geringer gewählt werden. Zur Gewährleistung der Kraftübertragung muss jedoch in der Regel eine Mindestvorspannung aufgebracht werden, deren Größe von der Kopfkonstruktion abhängt (siehe auch DIN EN 1537). Soll in besonderen Fällen auf das Aufbringen einer Vorspannung verzichtet werden, sind besondere, für den Einzelfall festzulegende Maßnahmen erforderlich, um die Kraftübertragung am Kopf dauerhaft zu gewährleisten.

3.2 Unterschiede in der Kopfausbildung

Die Kopfausbildung von verpressten Mikropfählen wird in den Zulassungen geregelt. Nach den heute gültigen Zulassungen müssen die Köpfe einbetoniert werden.

Die Köpfe von Verpressankern werden in der Regel nicht einbetoniert. Für den Korrosionsschutz im Kopfbereich von Ankern sind daher aufwändigere Konstruktionen erforderlich, die ebenfalls in Zulassungen beschrieben werden. Sie gewährleisten gleichzeitig den Korrosionsschutz im Übergangsbereich zur freien Stahllänge. Die Kopfkonstruktion von Verpressankern bietet den Vorteil, dass die tatsächlich vorhandene Ankerkraft in der Regel durch einen Abhebeversuch ermittelt werden kann. Dies ist eventuell zur Bauwerksüberwachung erforderlich. Auch wenn der Ankerkopf nach Fertigstellung des Bauwerkes nicht zugänglich bleiben soll, muss die Kopfkonstruktion wie in der Zulassung beschrieben ausgebildet werden. Der mit einer Kappe geschützte Kopf kann bei Bedarf einbetoniert werden.

3.2.1 Verwendung zur Rückverankerung von Spundwänden

Die Kopfkonstruktionen von Verpressankern lassen ohne Veränderung einen Anschluss an Spundwände zu.

Das in den Zulassungen von verpressten Mikropfählen vorgesehene Einbetonieren der Pfahlköpfe ist bei der Rückverankerung von Spundwänden nur bei Ausführung eines Stahlbetonkopfbalkens umsetzbar.

3.3 Zur Dauerhaftigkeit von Verpressankern und verpressten Mikropfählen

Während für verpresste Mikropfähle Stahl der Güteklasse 500/550 und 555/700 Verwendung findet, steht für die Ausführung von Verpressankern eine wesentlich breitere Palette von Stahlsorten zur Verfügung. Diese reicht von Stahl 500/550 bis zu Spannstahl 1660/1860. Bei dauerhafter Nutzung ist es weder bei Verpressankern noch bei verpressten Mikropfählen zulässig, die Korrosion durch Abrostungsraten abzudecken! Einstabverpressanker können, falls keine höheren Tragfähigkeiten erforderlich sind, mit denselben Stahlsorten wie verpresste Mikropfähle hergestellt werden. In diesem Fall haben Einstabverpressanker im Vergleich zu verpressten Mikropfählen kein höheres Korrosionsrisiko. Daneben wird der Korrosionsschutz für beide Konstruktionen in den Zulassungen umfassend geregelt. Bei ordnungsgemäßer Herstellung gibt es auch bei der Verwendung von hochfesten Stahlsorten kein höheres Korrosionsrisiko. Die nur für Verpressanker zugelassenen hochfesten Stahlsorten reagieren jedoch empfindlicher auf Fehler in der Ausführung des Korrosionsschutzes. Bei aggressiver Umgebung wird daher, wenn keine hohen Tragfähigkeiten erforderlich sind, häufig als zusätzliche Sicherheit die Verwendung von nicht hochfesten Stahlsorten vorgezogen.

4 Besonderheiten bei der Bemessung von Verankerungen von Wänden mit verpressten Mikropfählen

Bei der Bemessung von Rückverankerungen müssen zwei Nachweise geführt werden. Zur Ermittlung der erforderlichen Gesamtlänge des Verankerungselementes ist der Nachweis der Standsicherheit in der tiefen Gleitfuge zu führen. Der Nachweis wird für Verpressanker und für verpresste Mikropfähle, wie in Bild 1 dargestellt, mit der Mindestverankerungslänge lr geführt, die sich aus der Tragfähigkeit des Baugrundes ergibt.

Bild 1: Nachweis der Standsicherheit in der tiefen Gleitfuge bei Verpressankern und bei verpressten Mikropfählen (Bildquelle EAU 2012; Bild E 10-3 und Bild E 10-4)

Zusätzlich muss die ausreichende äußere Tragfähigkeit des einzelnen Verpressankers bzw. verpressten Mikropfahles nachgewiesen werden. Dieser Nachweis wird durch Eignungsprüfungen beziehungsweise Probebelastungen erbracht.

Vergleicht man die im Nachweis der Standsicherheit in der tiefen Gleitfuge angesetzte Tragwirkung mit der in Bild 2 abgebildeten tatsächlichen Tragwirkung, zeigt sich, dass bei Verwendung eines Verpressankers durch dessen Unterteilung in freie Stahllänge und Verpresskörper die Ansätze des Berechnungsmodells in situ abgebildet werden. Voraussetzung ist hierbei jedoch, dass der Bereich der freien Stahllänge des Verpressankers nach Herstellung des Verpresskörpers ordnungsgemäß freigespült wird.

Der verpresste Mikropfahl muss aber zur Gewährleistung des Korrosionsschutzes über die gesamte Pfahllänge verpresst werden. Hierdurch findet auch über die ganze Pfahllänge eine Kraftübertragung statt. Dies bedeutet, dass bei der Probebelastung eines nach Zulassung hergestellten verpressten Mikropfahles nicht die Tragfähigkeit der im Nachweis der Standsicherheit in der tiefen Gleitfuge angesetzten Mindestverankerungslänge geprüft wird, sondern die Tragfähigkeit der gesamten Länge des Zugpfahles. Zur Überprüfung der Tragfähigkeit der Mindestverankerungslänge müssen für die Probebelastung Pfähle mit begrenzter Krafteintragungslänge hergestellt werden. Da so hergestellte Pfähle nicht der Zulassung entsprechen, wird die Herstellung von zusätzlichen Probepfählen empfohlen. Sie müssen in der Leistungsbeschreibung als gesonderte Position aufgeführt und in der Baubeschreibung umfassend erläutert werden. Wie schon in Abschnitt 2.2 beschrieben, ist zusätzlich zu beachten, dass die für die Probebelastung vorgesehenen Pfähle in der Regel mit stärkeren Traggliedern als die Bauwerkspfähle ausgerüstet werden müssen.

Bei einer Probebelastung an Pfählen ohne Begrenzung der Krafteinleitungslänge wäre, wie oben schon erläutert, nur der Nachweis erbracht, dass die gesamte Pfahllänge in der Lage ist, die erforderliche Kraft in den Baugrund abzuleiten. Demzufolge müsste die gesamte Pfahllänge als Mindestverankerungslänge angesetzt werden. Da die Mindestverankerungslänge im Nachweis der Standsicherheit in der tiefen Gleitfuge erst hinter dem aktiven Gleitkeil angesetzt werden darf, ergeben sich hieraus größere erforderliche Pfahllängen. Werden die Bauwerkspfähle nicht entsprechend verlängert, wäre die tatsächliche Standsicherheit des Bauwerks überschätzt.

Im Handbuch EC 7 Band 1 wird zwar eindeutig zwischen Verankerung mit Pfählen und Ankern unterschieden. Auf Details bei der Bemessung und der Durchführung von Probebelastungen bei der Verwendung von Pfählen als Verankerungselement wird jedoch nicht umfassend eingegangen. Sollen verpresste Mikropfähle zur Rückverankerung von Bauteilen verwendet werden, sind die oben aufgeführten Punkte in der Ausschreibung umfassend zu beschreiben.

Bild 2: Tatsächliche Tragwirkung von Verpressankern und verpressten Mikropfählen

5 Unterschiede in der Qualitätssicherung und dem Sicherheitsniveau

Die Tragfähigkeit von Verpressankern und verpressten Mikropfählen ist von der Qualität des Verpressvorganges abhängig. Bei Verpressankern muss zur Qualitätssicherung der ausgeführten Anker nach Handbuch EC 7 Band 1 an jedem Anker eine Abnahmeprüfung durchgeführt werden. Eine Qualitätssicherung von verpressten Mikropfählen im Sinne einer Abnahmeprüfung ist dagegen nicht vorgeschrieben.

Die Teilsicherheitsbeiwerte auf den Herauszieh-Widerstand werden durch DIN 1054:2010-12 vorgegeben. Zur Ermittlung des Herauszieh-Widerstandes muss bei Verpressankern nach DIN EN 1537 an drei Ankern eine Eignungsprüfung, bei verpressten Mikropfählen nach DIN EN 14199 an zwei Pfählen bzw. 3 % der Pfähle eine Pfahlprobebelastung durchgeführt werden.

Für Verpressanker nach DIN EN 1537 gilt ein bemessungssituationsunabhängiger Teilsicherheitsbeiwert von γa = 1,1. Für Zugpfähle, bei denen der Herauszieh-Widerstand auf der Grundlage von Probebelastungen ermittelt wird, ist nach DIN 1054:2010-12 ein bemessungssituationsunabhängiger Teilsicherheitsbeiwert von γs,t = 1,15 anzuwenden. Zusätzlich ist nach DIN 1054:2010-12 Abschnitt 7.6.3.2 A (3c), bei auf Zug belasteten verpressten Mikropfählen nach DIN EN 14199 der Teilsicherheitsbeiwert auf den Herauszieh-Widerstand um den Modellfaktor ηM = 1,25 zu erhöhen. Nach DIN 1054/A1-2012-08 ist ηM, unabhängig von der Neigung des Pfahles, immer 1,25.

Die nominale Sicherheit gegen Herausziehen des einzelnen Elementes ist bei verpressten Mikropfählen, wegen des leicht höheren Teilsicherheitsbeiwertes und des zusätzlich anzuwendenden Modellfaktors, höher als bei Verpressankern. Zum Vergleich des Gesamtsicherheitsniveaus muss jedoch der Sicherheitsabstand gegen Herausziehen in Zusammenhang mit dem gesamten Prüfumfang einschließlich der Qualitätssicherung des Verpressvorganges gesehen werden. Ob bei verpressten Mikropfählen das Fehlen der Abnahmeprüfung und damit der Überprüfung der tatsächlich erreichten Kraftübertragung in den Baugrund durch den höheren Sicherheitsabstand gegen Herausziehen abgefangen wird, ist fraglich und in Fachkreisen in Diskussion.

Als Reaktion auf diese Diskussion wird nun in den EA- Pfähle 2012 in Abschnitt 11.4.4 empfohlen, für verpresste Mikropfähle eine Qualitätskontrolle an Bauwerkspfählen mit einer Prüflast in Höhe der 1,25-fachen charakteristischen Pfahlbeanspruchung (maximal 90 % der inneren Pfahltragfähigkeit) durchzuführen. Die Anzahl der zu prüfenden Pfähle ist im Einzelfall festzulegen. Da verpresste Mikropfähle laut Zulassung auf der ganzen Länge verpresst werden müssen, kann sich der Pfahl unter einer Belastung auf Zug am Bauwerk aufhängen. In den EA-Pfähle wird daher darauf hingewiesen, dass für die Zugversuche zur Überprüfung der Qualität des Verpressvorganges an Bauwerkspfählen eine andere Kopfkonstruktion als in der Zulassung beschrieben erforderlich ist und dass der Korrosionsschutz im Anschluss an die Prüfung ergänzt werden muss. In den EA-Pfähle wird klargestellt, dass diese Qualitätssicherung aufgrund der geringeren Prüflast nicht mit dem Nachweis der Grenztragfähigkeit gleichgesetzt werden kann. Durch diese Prüfung soll aber sichergestellt werden können, dass bei den Bauwerkspfählen eine vergleichbare Qualität der Verpressung wie bei den Probepfählen erreicht wurde.

Wie schon in Abschnitt 4 erläutert, wird bei Rückverankerungen mit verpressten Mikropfählen der Nachweis der Standsicherheit in der tiefen Gleitfuge mit der Mindestverankerungslänge und nicht mit der ganzen Pfahllänge geführt. Als Konsequenz hieraus muss, wie in Abschnitt 4 beschrieben, auch die Probebelastung an Pfählen mit begrenzter Krafteintragungslänge durchgeführt werden. Soll nun bei der Belastung der Pfähle im Rahmen einer Qualitätssicherung überprüft werden, ob bei den Bauwerkspfählen eine vergleichbare Qualität des Verpressvorganges und damit eine vergleichbare Tragfähigkeit wie bei den Pfählen der Probebelastung erreicht wurde, müsste die Länge der Krafteinleitung bei den Pfählen, an denen die Qualitätssicherung durchgeführt werden soll, ebenfalls begrenzt werden. Dies bedeutet letztendlich, dass für die Durchführung der Qualitätssicherung nicht nur Pfähle mit einer anderen Kopfkonstruktion, sondern auch Pfähle mit einer definierten Krafteintragungslänge herzustellen wären. Diese Konstruktion entspricht eher einem Verpressanker und weicht deutlich von der in der Zulassung beschriebenen Pfahlkonstruktion ab. Zur Gewährleistung des Korrosionsschutzes muss nach Abschluss der Prüfung erneut verpresst werden.

Während bei der Pfahlprobebelastung ungefähr die 2-fache charakteristische Beanspruchung als Prüflast aufgebracht werden muss, soll bei der Qualitätssicherung nach EA-Pfähle nur bis zur 1,25-fachen charakteristischen Beanspruchung belastet werden. Um zu prüfen, ob die Qualität des Verpresskörpers der Bauwerkspfähle ähnlich ist wie bei den Probepfählen, müsste auch die gleiche Prüflast auf die gleiche Krafteintragungslänge wie bei den Probepfählen aufgebracht werden. Aufgrund der deutlichen Unterschiede in der Größe der Prüflasten und der bei Bauwerkspfählen meist deutlich größeren Krafteintragungslänge ist jedoch durch die Qualitätssicherung in der Regel lediglich der Nachweis möglich, dass überhaupt verpresst wurde!

Die oben beschriebene Vorgehensweise stellt gegenüber der Herstellung von verpressten Mikropfählen nach Zulassung und Norm einen nicht zu vernachlässigenden Mehraufwand dar. Trotzdem ist das damit erreichbare Niveau der Qualitätssicherung bezüglich der tatsächlich bei den Bauwerkspfählen erreichten Tragfähigkeit im Vergleich zu Verpressankern geringer, da

  • nur ein Teil der Pfähle überprüft wird,
  • aufgrund der erforderlichen Abweichungen in der Ausführung dieser Pfähle schon bei der Herstellung bekannt ist, welche Pfähle geprüft werden sollen,
  • die vorgeschlagene Prüfkraft kleiner ist als bei der Abnahmeprüfung von Verpressankern.

Die in den EA-Pfählen vorgeschlagene Vorgehensweise ist daher nicht mit der umfassenden Qualitätssicherung von Verpressankern vergleichbar.

Verpresste Mikropfähle werden schon seit vielen Jahren eingesetzt. Ihre Herstellung ist im Gegensatz zu anderen Pfählen auch unter räumlich sehr beengten Platzverhältnissen möglich. Daher werden sie z. B. häufig für Nachgründungsmaßnahmen verwendet. Bei der Pfahlgründung eines Bauwerkes kommt es bei der Überlastung eines Pfahles nicht zu einem gravierenden Verlust seiner Tragfähigkeit, sondern zu Setzungen. Bei diesem „Versagen“ können häufig zusätzliche Tragreserven, z. B. einer Bodenplatte oder aus benachbarten Pfählen, aktiviert werden. Werden jedoch Pfähle ausschließlich auf Zug beansprucht und erfolgt somit die Lastabtragung nur über Mantelreibung, kann es in Abhängigkeit von den Baugrundverhältnissen nach Überschreiten der Grenztragfähigkeit zu einem Abfall der mobilisierbaren Mantelreibung kommen (Resttragfähigkeit). Zusätzlich sind bei Rückverankerungen die Umlagerungsmöglichkeiten nicht immer gegeben. Das Versagen einzelner Zugelemente kann somit zu einem Reißverschlusseffekt und damit zu einem Versagen der Konstruktion führen.

Das Fehlen der Qualitätssicherung durch Abnahmeprüfungen bei verpressten Mikropfählen stellt in der Regel einen wirtschaftlichen Vorteil gegenüber den Verpressankern dar. Innerhalb der WSV sollte aber die Qualität des hergestellten Elementes im Vordergrund stehen. Die Verwendung von verpressten Mikropfählen als Verankerung sollte daher auf Fälle beschränkt werden, in denen Abnahmeprüfungen nur mit einem nicht vertretbaren wirtschaftlichen Aufwand durchgeführt werden können (z. B. bei Baugruben im offenen Wasser) oder andere Randbedingungen die Herstellung von Verpressankern nicht zulassen. In diesen Fällen sollte jedoch eine umfassende Bauüberwachung während der Herstellung der Pfähle durchgeführt werden.

Da verpresste Mikropfähle ursprünglich als Pfähle für Gründungen entworfen wurden, werden weder in DIN EN 14199 noch im Handbuch EC 7 Band 1 entsprechende Hinweise für die Verwendung als Verankerung gegeben. Werden verpresste Mikropfähle zur Rück- verankerung von Bauteilen vorgeschlagen, sind die in Abschnitt 4 erläuterten Punkte in der Ausschreibung zu berücksichtigen.

6 Literatur

EA-Pfähle (2012): Empfehlungen des Arbeitskreises „Pfähle“ EA-Pfähle. 2. Auflage, Wilhelm Ernst & Sohn, Berlin.

EAU (2012): Empfehlungen des Arbeitsausschusses „Ufereinfassungen“ Häfen und Wasserstraßen EAU 2012. 11. Auflage, Wilhelm Ernst & Sohn, Berlin.

Handbuch EC 7-1 (2011), Handbuch Eurocode 7 Geotechnische Bemessungen, Band 1: Allgemeine Regeln. 1. Auflage, Beuth Verlag GmbH, Berlin.

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Eva Dornecker
Abteilung Geotechnik
Referat Grundbau (G2)
Telefon: 0721 9726-3510
Fax: 0721 9726-4830
E-Mail: eva.dornecker@baw.de

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BAWBrief 2013/01