Gründungen und Baugrube

gegossene Bodenplatte Einleitung Gründungen haben die Aufgabe, die Standfestigkeit des Gebäudes zu gewährleisten und ungleichmäßige Setzungen zu verhindern. Von der Gründung werden die am Bauwerk auftretenden Lasten aufgenommen und in den Baugrund übertragen. Sie kann als Flachgründung oder als Tiefgründung ausgeführt werden. Bodenplatten und Fundamente bilden die tragfähige Einheit eines Gebäudes und müssen entsprechend der Bodenart nach den statischen Anforderungen ausgebildet werden. Baugrund Erdarbeiten für Planum unter Bodenplatte Der Baugrund besteht aus unterschiedlichen Bodenarten und setzt sich aus organischen sowie aus anorganischen Stoffen zusammen. Organische Stoffe sind z. B. Humus oder Torf. Anorganische Stoffe sind z. B. Sand oder Kies. Bei der Beurteilung von Bauwerken bezüglich ihrer Tragfähigkeit sind die jeweiligen Bodenarten hinsichtlich ihrer unterschiedlichen Tragfähigkeit zu berücksichtigen. Sie werden unterteilt in gewachsener Boden , Fels und geschütteter Boden . Es gilt die Norm DIN 1054 ?Baugrund - Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau?. Flachgründungen Streifen- und Einzelfundamente Flachgründungen sind Gründungen, bei denen die Bauwerkslasten flächenförmig auf den Baugrund abgeleitet werden. Zu den Flachgründungen zählen Einzelfundamente , Streifenfundamente , Fundamentplatten und Wannenfundamente . Die Anwendung von Flachgründungen setzt einen ausreichend tragfähigen Baugrund voraus. Grundsätzlich sind alle Flachgründungen gemäß DIN 1054 ?Baugrund - Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau? frostsicher auszuführen, d. h. der Boden unter den Fundamenten muss außerhalb der Frostzone liegen. Das ist in der Regel eine Mindestfrosttiefe von 80 cm . Tiefgründungen Tiefgründung mit Stahlpfählen Die Notwendigkeit von Tiefgründungen ist immer dann gegeben, wenn ein Bauwerk z. B. auf stark bindigem oder moorigem Boden gegründet ist. Die Bodenschichten mit nicht ausreichender Tragfähigkeit werden dabei durchstoßen und bis auf darunter liegenden höher belastbaren Baugrund gegründet. Man unterscheidet Pfeilergründungen , Pfahlgründungen , Druckluftgründungen und Schwimmkastengründungen .

Verlust der Gebrauchstauglichkeit durch ungenügende Tragfähigkeit der Gründung Einleitung Bei älteren Bauwerken treten häufig Risse in den Wänden und Decken auf, die auf einen Verlust der Gebrauchstauglichkeit oder gar der Tragfähigkeit der Gründung zurückzuführen sind. Ursachen sind u. a. Kriechsetzungen , Setzungen infolge Lasterhöhung, Setzungen durch zyklische oder dynamische Einwirkungen, Versagen von alten Holzpfählen, Untergrundsetzungen infolge Grundwasserabsenkungen, Einsturz von Hohlräumen bei Bergsenkungen, Auslaugungen oder Ausspülungen im Baugrund, Aufweichen bindiger Böden bei Wasserzutritt aus defekten Kanälen und Fallrohren, wie auch Schrumpfen von bindigen Böden bei Wasserentzug. Zur Ertüchtigung stehen zahlreiche Verfahren des Spezialtiefbaus zur Verfügung, die sich im Umfang des Eingriffs, in der Zuverlässigkeit aber auch in den Kosten unterscheiden. Typische Mängel historischer Gründungen Der Baugrund historischer Bauwerke kann in vielen Fällen als weich und setzungsempfindlich eingestuft werden. Häufig anzutreffen sind Holzgründungen und Streifenfundamente, bei denen die unterste Schicht aus unbehandelten, unvermörtelten Natursteinen (Packlage) besteht. Die Steifigkeit des Bodens reicht in der Regel hier nicht aus, ein Absinken zu verhindern. An den Bauwerken sind durch Setzungen über einen längeren Zeitraum Schäden in Form von Rissen in Wandscheiben entstanden. Zusätzliche Setzungen sind allerdings durch Einflüsse wie Belastungsänderungen oder Veränderungen des Wassergehalts im Boden möglich. Typische Schäden an historischen Gebäuden sind u. a. Setzungen bei Holzgründungen , Setzungen durch Veränderung des Wassergehaltes im Boden und Rissbildung in Mauerwerksscheiben durch Setzungsunterschiede sowie durch Sattellage und Muldenlage . Weitere Bauwerksschäden können durch Grundbruch, Gleiten, Frosthebungen, Senkungen und Sackungen entstehen. Setzungen Starke Setzungen des Gebäudes durch Geländebruch Setzungen entstehen aufgrund der zu geringen Tragfähigkeit des Baugrundes unmittelbar unterhalb der Fundamente oder der Bodenplatte. Die Ursachen sind einerseits an der unzureichenden Lastabtragung der Fundamente und andererseits in der Reduzierung der Scherfestigkeit des bindigen Bodens durch Veränderung der Konsistenz infolge Wasseraufnahme begründet. Die Gründe hierfür können von Belastungsänderungen des Bauwerks , von Veränderungen des Baugrundzustandes (z. B. Bodenaushub, Bergbau, Grundwasserabsenkung) oder von unterschiedlichen Baugrundverformungen herrühren. Auch dynamische (Straßenbahnen, u. a.) und thermische Einwirkungen kommen als Ursache in Frage. Infolge von Grundbruch kann es zu starken Setzungen des Gebäudes mit Rissbildung kommen.

Gebrauchstauglichkeit der Gründung ist nachhaltig gestört Einleitung Die Aufnahme und Analyse der Schäden und die Ermittlung der Schadensursache sind Grundvoraussetzung jeder Instandsetzungsmaßnahme von Gründungen. Weiterhin ist die Feststellung der Standsicherheitsdefizite notwendig. Das Erfassen der Tragstruktur und die Art, Lage und Beschaffenheit der Gründung des Gebäudes ist festzustellen. Weiterhin ist der Baugrund mit seinen bodenmechanischen Eigenschaften zu erkunden, und die äußeren Einwirkungen auf das Bauwerk und auf dessen Gründung sind zu beurteilen. Bestandsaufnahme und -analyse Bei der Bestandsaufnahme und -analyse von Gebäuden im Bestand sind oftmals die Art und Abmessungen der Tragstrukturen nicht bekannt. Deshalb müssen sie ermittelt oder verifiziert werden. Die Bestandsaufnahme wird durch eingeschränkte Zugänglichkeit, unvermeidbare Flurschäden oder Arbeiten in beengten Kellerräumen erschwert. Folgende Bearbeitungsschritte sind bei der Bestandsaufnahme und -analyse zu beachten: Analyse des Rissverlaufes und der zeitlichen Entwicklung von erkennbaren Verformungen Beschaffung und Auswertung von Bestandsunterlagen des Gebäudes (Fundamentpläne, Lastenpläne, Besonderheiten bei der Ausführung, ggf. Bestandsvermessung) Ermittlung besonderer Einwirkungen wie An- oder Umbauten, Umnutzungen, Erschütterungen, geohydraulischer Eingriffe (Dränagen, Brunnen, Grundwasserabsenkungen, Kanalisation) Begehung des Umfeldes und Erhebung vergleichbarer Schäden in der Region Prüfung großräumiger Verformungen des Untergrundes (Erdfälle, Rutschungen, Hangkriechen) Beurteilung der Frosteinwirkung auf die Gründung Beurteilung der Einwirkung von Bewuchs der angrenzenden Freifläche Freilegen der Gründung durch lokale Ausschachtungen Abgleich der vorgefundenen Verhältnisse mit den Bestandsunterlagen Erkundung des Baugrundes durch Schürfe, Bohrungen und Rammsondierungen, Entnahme von Bodenproben Feld- und Laborversuche zur Bestimmung der relevanten Bodenkennwerte Klassifikation des Baugrundes und der hydrogeologischen Verhältnisse (Grundwasser, Schichtwasser, Sickerwasser) Ermittlung der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit der Gründungskonstruktion Aus geotechnischer Sicht ist die Vorgehensweise zur Erkundung der Gründungsstruktur und des Baugrundes besonders hervorzuheben. Entsprechende Mittel, wie z. B. Schürfe und Ausgrabungen , können unterstützend zur Bestandsaufnahme angewendet werden. Mit den bei der Analyse des Baugrundes erhaltenen Erhebungen, Untersuchungen und Interpretationen lassen sich in einfachen Fällen Schadensursache und Schadensmechanismus klar identifizieren, so dass eine Prognose über die weitere Schadensentwicklung möglich ist. Häufig überlagern sich verschiedene Einwirkungen zu komplexen Schäden, so dass die Planung einer zweckmäßigen Nachgründung nicht nur einen erhöhten Aufwand für die Erkundung, sondern auch einen intensiven Dialog zwischen Bausachverständigen, Geotechnikern, Tragwerksplanern, Bauphysikern und ggf. Bauhistorikern voraussetzt. Verfahren zur Erkundung des Baugrundes Erkundung des Baugrundes Sind keine ausreichenden Kenntnisse über die Beschaffenheit des Baugrundes vorhanden, müssen z. B. durch Bohrungen (gemäß DIN EN ISO 22475-1 ?Geotechnische Erkundung und Untersuchung ? Probenentnahmeverfahren und Grundwassermessungen ? Teil 1: Technische Grundlagen der Ausführung?) durch schmale, bis an die Wände der bestehenden Fundamente heranreichende Schürfgruben oder durch andere geeignete Verfahren nach DIN 4020 ?Geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke?, die genaue Art, Lage, Tiefe und Beschaffenheit der Fundamente untersucht werden. Bei den Untersuchungen ist auf wechselnde oder schräg verlaufende Bodenschichten, auf Bodenschichten mit ungenügender Tragfähigkeit oder mit Neigung zur Gleitflächenbildung zu achten. Überblick über die Tragfähigkeit des Baugrundes lässt sich durch geeignete Verfahren, z. B. Rammsondierungen und Bohrungen , gewinnen. Grundwasser- und Schichtwasserverhältnisse Gemäß DIN 4020 sind die Grundwasser- und Schichtwasserverhältnisse zu untersuchen. Die DIN 4123 ?Gebäudesicherung im Bereich von Ausschachtungen, Gründungen und Unterfangungen? legt fest, dass sich der Spiegel des Grundwassers mindestens 0,5 m unterhalb der geplanten Gründungssohle befindet. Ist dies nicht der Fall, muss der Wasserspiegel entsprechend abgesenkt werden. Beim Auftreten von Schichtenwasser kann auf der wasserundurchlässigen Schicht durch das Schichtenwasser Bodenmaterial ausgeschwemmt werden und zum Verlust der Tragfähigkeit führen. Im Boden können wenig tragfähige, weiche oder breiige Bodenschichten örtlich begrenzt oder linsenförmig innerhalb fester Schichten vorhanden sein. Bei der Untersuchung bestehender baulicher Anlagen ist auf das Vorhandensein der im Boden befindlichen Leitungen, z. B. von Wasser, Abwasser, Strom, Heizung etc. zu achten. Setzungen an historischen Holzgründungen Die Untersuchung von Setzungen, die durch die Zerstörung der Holzgründung verursacht werden, schließt eine eingehende Beobachtung des Verformungsverhaltens des Bauwerks und der Gründung ein. Zusätzlich sind Bodenproben unterhalb der Gründung des Bauwerks zu entnehmen, mit denen im Labor durch den Kompressionsversuch die erforderlichen Kennwerte zur Bestimmung der Setzungsrate gewonnen werden können. Die Setzungen des Bodens und jene des Fundamentes werden verglichen. Eine Zerstörung der Gründung (Holzkonstruktion) liegt bei deutlich höherer Setzung des Fundaments gegenüber der des Bodens vor. Eine Holzzerstörung kann weitestgehend ausgeschlossen werden, wenn die gemessenen und ermittelten Setzungen eng zusammen liegen.

Setzungsrisse am Gebäudebestand Einleitung Aufgrund von Änderungen der Baugrundverhältnisse, z. B. Schwankungen des Grundwasserspiegels oder der Vergrößerung der Lastabtragung über die Fundamente in den Baugrund infolge baulicher Maßnahmen oder Nutzungsänderungen, besteht die Notwendigkeit von Instandsetzung bzw. Sanierung von vorhandenen Fundamenten. Zu beachten sind hierbei nicht nur das Zusammenwirken von Unterfangungskonstruktion und Baugrund, sondern auch mögliche Auswirkungen auf das Gesamtgebäude. Bei den Maßnahmen zur Erhöhung der Gebrauchstauglichkeit der Gründungen wird zwischen konventionellen Fundamentverstärkungen, dem Einbau von Pfahlgründungen, Verpressungen und Vermörtelungen und indirekten Maßnahmen (Bodenverbesserungen) unterschieden. Mit Ausnahme von denkmalgeschützten Objekten ist die Wirtschaftlichkeit der Instandsetzungsmaßnahmen ein Hauptkriterium. Fundamentverstärkung Bei ausreichend tragfähigem Baugrund ist zur Reduzierung von Zusatzsetzungen und zur Erhöhung der Grundbruchsicherheit eine Verbreiterung der Fundamente oder eine Tieferlegung der Gründungssohle ausreichend. Zur Tieferlegung von Streifenfundamenten können gemäß DIN 4123 ?Gebäudesicherung im Bereich von Ausschachtungen, Gründungen und Unterfangungen? konventionelle Unterfangungen ausgeführt werden. Streifen- und Einzelfundamente können durch beidseitige Streichbalken bzw. durch umlaufende Manschetten verbreitert werden. Eine weitere Maßnahme zur Fundamentverstärkung ist die nachträgliche Gründung auf Stahlbetonbalken . Besteht die Gefahr eines Grundbruches, ist gemäß DIN 4123 ?Gebäudesicherung im Bereich von Ausschachtungen, Gründungen und Unterfangungen? abschnittsweise eine Verstärkung der Fundamente vorzusehen. Der Kraftschluss wird durch eine Verzahnung bzw. durch Joche erreicht. Es kann auch eine Verspannung mit Ankerstäben vorgenommen werden. Sind die Fundamente aus Naturstein hergestellt worden, sollte durch Verpressung oder Vernadelung zusätzlich eine Stabilisierung des Gründungskörpers eingeplant werden. Systemskizze Fundamentverstärkung Systemschnitt, Streifenfundament mit Streichbalken und Steckträger Systemschnitt, Einzelfundament mit Manschette und Spanstäbe Verpressungen und Vermörtelungen Herstellen von Düsenstrahlkubaturen für Tiefengründungen, Fundamentverstärkungen und Bodenstabilisierungen Mit den Verfahren zur Verpressung und Vermörtelung lässt sich die Tragfähigkeit des Baugrundes verbessern und damit die Gebrauchstauglichkeit bestehender Gründungen erhöhen. Die Anwendungen reichen von der Poreninjektion zur Verfestigung nicht bindiger Böden bis zum Düsenstrahlverfahren , bei dem durch Vermörtelung des Bodens unter bestehenden Fundamenten ein neuer Tragkörper hergestellt wird. Weiche, bindige, wie auch organische Böden lassen sich zwar vermörteln aber die erforderliche Druckfestigkeit lässt sich nur mit zusätzlichen Maßnahmen erreichen. Da das Düsenstrahlverfahren in nahezu allen Bodenarten einsetzbar ist und gegenüber Inhomogenitäten eine deutlich größere Toleranz aufweist, hat es die Poreninjektion bei Nachgründungen bis auf wenige Ausnahmen verdrängt. Pfahlkonstruktionen Pfahlkonstruktionen werden zur Nachgründung von Einzel- und Streifenfundamenten immer dann eingesetzt, wenn der Baugrund in der Lastzone keine ausreichende Tragfähigkeit besitzt, so dass zur Sanierung überschaubare Lasten tiefer gegründet werden müssen. Typische Anwendungsgebiete sind verrottete Holzpfahlgründungen historischer Bauwerke, Verstärkung tief gegründeter Fundamente oder nachträgliche Tiefgründung punktueller Fundamentbereiche, bei Verlust der Tragfähigkeit infolge Vernässung. Ebenso werden Pfahlkonstruktionen als temporäre Abfangung bei Unterfangungen, Umlastungen und bei der nachträglichen Herstellung von Tiefgeschossen unter oder neben dem Bestand eingesetzt. Wegen der speziellen Anforderungen, die sich aus Zugänglichkeit, begrenzter Arbeitshöhe und Tragverhalten ergeben, haben sich verschiedene Pfahlsysteme durchgesetzt, die sich in Kleinbohrpfähle (Ortbeton- und Verbundpfähle) und in Segmentpfähle (Presspfähle) gliedern. Der Unterfangungsabschnitt wurde nach dem Einpressen des Pfahls mit Bewehrung, Leerrohr für Anker, Entlüftungs- und Verpressschlauch versehen. Konstruktive Verstärkungen Zur Instandsetzung der Gründungen können konstruktive Verstärkungen eingesetzt werden. Mögliche konstruktive Verstärkungen sind: Fundamentverbreiterung , Querbalken auf Pfählen , Wurzelpfähle oder Stopfen des Bodens . Bauausführung Bei der Bauausführung ist die Standsicherheit bestehender baulicher Anlagen besonders sicherzustellen. So ist z. B. die Scheibenwirkung der Wände zu gewährleisten und bei Arbeiten im und am Erdreich ist der Grundwasserspiegel zu überprüfen und ggf. eine Grundwasserabsenkung vorzunehmen. Weiterhin gibt die DIN 4123 ?Gebäudesicherung im Bereich von Ausschachtungen, Gründungen und Unterfangungen? für die Durchführung der Arbeiten bei Ausschachtungen, Gründungen und Unterfangungen Regelausführungen vor. Zur Ausführung der Baugrube ist die DIN 4124 ?Baugruben und Gräben? zu beachten. Gründung neuer Bauwerke neben bestehenden Bauwerken Beim Bauen im Bestand ist davon auszugehen, das keine oder nur unvollständige Planunterlagen vorhanden sind, so dass das Gebäude neu aufgemessen werden muss. Aber auch beim Vorhandensein von Bauunterlagen der bestehenden Gebäude muss durch Stichproben untersucht werden, ob die Pläne dem tatsächlichen Bestand entsprechen. Besonders problematisch ist der Neubau innerhalb alter, historischer Gemeinden. In der Regel ist die alte Bebauung auf nicht ausreichend tragfähigem Untergrund errichtet worden, z. B. dem Bauschutt älterer Gebäude, im Bereich verlandeter Flussarme usw. Häufig sind beim Freilegen der Gründungen nicht mehr bekannte, leere oder mangelhaft aufgefüllte Kellergewölbe zu finden. Wird daher ein Bauwerk neben vorhandenen Bauten errichtet, ist es erforderlich sich über die räumlichen und statischen Gegebenheiten der bestehenden Gebäude zu informieren. Erst wenn diese ausreichend untersucht sind, kann beim Bauen im Bestand mit der Planung des neuen Gebäudes begonnen werden. Die Gründungsebene kann dabei in gleicher Tiefe wie Bestand , tiefer als Bestand oder höher als Bestand liegen.