Perspektiven in Beton

d tFundamenteunverzichtbar fürs Gleichgewicht

„Wer hohe Türme bauen

- unverzichtbar fürs Gleichgewicht

will, muss lange beim Fundament verweilen.“

kAnton Bruckner 1824-1896

Lydivine Radzio 0240947

i l i• Einleitung

• FlächengründungenF e g ge

• Tiefengründungen

• Schlitzwände

t d i h h it / h i• Standsicherheit / Versagensmechanismen von Flächengründungen

• Beispiele

it• Fazit

• Einleitung g- Verbindung des Bauwerks mit dem Baugrund

- Gründungen sollen die Standsicherheit eines Bauwerks gewährleisten und Setzungen vermeiden

- Baugrund und Grundwasser entscheidende Faktoren

- Lasten müssen über bestimmte Gründungskonstruktionen auf eine größere Fläche verteilt in den Baugrund abgeleitet werden

V öß d A f d flä h→ Vergrößerung der Aufstandsflächen

- stabiler Baugrund + niedrige Gebäude → Flächengründungen

- nichttragfähiger Boden → Tiefengründungen

f tf i G ü d ( i d t 80 )- frostfreie Gründung (mindestens 80 cm)

• Flächengründungeng g- Gründung eines Bauwerks auf Fundamenten

- Einzelfundamente (Punktfundamente) unter Einzelstützen

- Streifenfundamente unter Wänden oder unter einer Reihe EinzelstützenStreifenfundamente unter Wänden oder unter einer Reihe Einzelstützen

- bei stabilen Bodenverhältnissen und niedrigen Gebäuden

- Fundament aus Beton, meist bewehrt

- Fundament muss so bemessen werden, dass dessen Tragfähigkeit nicht überfordert wirdFundament muss so bemessen werden, dass dessen Tragfähigkeit nicht überfordert wird

- Baugrund muss die Lasten tragen können (Sohldruckermittlung)

- Baulast darf nicht zu Setzungen führen

- frostfreie Gründungg

- Streifen- und Einzelfundamente, Fundamentplatten und Wannengründungen

• Einzelfundamentef

- Verbreitung der Aufstandsflächen von Stützen

- meist bewehrt

- Blockfundamente : abgetrepptes - abgeschrägtes Fundament

- Plattenfundamente : wirtschaftlich für große Einzellasten ; durch die geringe Plattendicke zu bewehren

- Köcherfundament : Gründung von Fertigteilstützen- Köcherfundament : Gründung von Fertigteilstützen

Fundament - flach Fundament - tief

Zugspannung bzw. ZugseilDruckspannung bzw. Druckbogen

• Streifenfundamentef f- Verbreitung der Aufstandsflächen von Wänden

- rechteckiger Querschnitt und in der Länge fortlaufend

- früher: aus grob zugehauenen natürlichen Steinen oderfrüher: aus grob zugehauenen natürlichen Steinen oder Ziegelsteinen

- heute: aus Beton- oder Stahlbeton

- bei geringen Lasten unbewehrt

- Lastausbreitungswinkel (45 ° - 60 ° )

- die aus der Auflast und der zulässigen Bodenpressung zu bestimmende Fundamentbreite bestimmt die Fundamenthöhe

Wä d lä d G d tü k t h itti f h- Wände längs der Grundstücksgrenze stehen ausmittig auf nach innen versetzten Fundamenten

- Vorteil: die Bodenplatte kann dünn (10 cm) und mit wenig Bewehrung ausgeführt werden

- frostfreie Gründung (80 cm tief)

- bei größeren Lasten wird eine Bewehrung eingelegt, um die Höhe des Fundaments zu minimieren

Momentenlinie

Verformungsbild mit Rissbildung im Beton

- Wandöffnungen: durchlaufendes Fundament mit oben liegender Längsbewehrung

Momentenlinie

Verformungsbild mit Rissbildung im Beton

• Fundamentplattenp

- bei wenig tragfähigem Baugrund oder bei unterschiedlichen Bodenarten

- bei Einzel- und Streifenfundamenten würde die Gefahr bestehen, dass sie sich ungleich setzen oder einsinken

- Last des Bauwerks wirkt auf die ganze Platte verteilt

→ die Bodenpressung wird herabgesetzt

- erhöhen die Sicherheit gegen Grundbruch

- durchgehend Stahlbetonplatten – Feldbewehrung oben, Stützbewehrung unten

werden heutzutage auch ausgeführt nur um das- werden heutzutage auch ausgeführt, nur um das lohnintensive Ausschachten der Fundamentgräben zu umgehen

- Nachteil: hoher Beton- und Bewehrungsbedarf

- dickere Platte als beim Streifenfundament

• Wannengründungeng g- notwendig, wenn außer senkrechten auch waagerechte Lasten (Grundwasserdruck) aufgenommen werden müssen

- Bodenplatte, Umfassungswände, und Zwischenwände der Wanne werden durch ihre Bewehrung zu einem geschlossenen Körper verbundeneinem geschlossenen Körper verbunden

- Sicherheit gegen das Aufschwimmen des Baukörpers muss gewährleistet sein

- „ schwarze Wanne“ - mit einer äußeren schwarzen Dichtungshaut

- „ weiße Wanne“ - aus wasserundurchlässiger Beton

- bei drückendem Wasser erforderlich

- Schwachstelle an der Betonierfuge –Absicherung durch eine Gummidichtung

- Bewehrung nicht nur für die Statik des Gebäudes, sonder auch zur Reduzierung der Risse im Beton erforderlich

• Tiefengründungenf g g

- bei nichttragfähigen Bodenschichten, die bis in eine Tiefe von mehr als 4 – 5 Meter anstehen und Bodenverbesserungen nicht möglich sind

- die Bodenschichten werden in ihrer Lage belassen und von tiefgründenden Konstruktionen durchstoßen bis man auf höher belastbarem Baugrund gründen kann

- Pfeiler-, Pfahl- und Senkkastengründungen

• Pfahlgründungenf g g- Spitzendruckpfahl: die Pfähle stehen so tief im Erdreich, dass sie ihre Lasten auf tragfähigem Boden übertragen können – stehende Pfahlgründung

Reibungspfahl: der Baugrund besteht nur aus weichen- Reibungspfahl: der Baugrund besteht nur aus weichen Schichten, daher müssen die Lasten des Bauwerks durch die Reibung zwischen der Pfahloberfläche und dem Erdreich in den Baugrund übertragen werden → schwebende Gründung

- verwendet werden Ortbetonpfähle oder Fertigpfähle

- bei Pfahlgründungen werden die Pfahlköpfe mit Hilfe von Pfahlkopfbalken (Streifenfundament) oder Pfahlrostplatten (Fundamentplatte) verbunden→ sie dienen der Verteilung der Stütz- und Wandlasten auf di i l Pfähldie einzelnen Pfähle

• Rammpfählepf- älteste Form der Tiefengründung

- früher: Holzpfähle (Venedig)

- müssen wegen Fäulnisgefahr entweder über oder unterm Grundwasserspiegel stehen

- wurden bis zu 25 Meter Länge gerammt

- heute: Ortbeton- oder Stahlbetonfertigteilpfähle

- Fertigteilpfähle aus Stahl, Stahlbeton oder Spannbeton

- Stahlbetonpfähle sind unempfindlich gegen Korrosion aber empfindlich gegen Biegung

- Stahlbetonpfähle bis 20 Meter Länge – SchleuderbetonpfähleStahlbetonpfähle bis 20 Meter Länge Schleuderbetonpfähle bis 50 Meter Länge

- Spannbetonrammpfähle eignen sich insbesondere für Biegebeanspruchungen

• Bohrpfählepf- die Technik der Bohrpfahlgründung wird gewählt, wenn das Rammen von Pfählen, welches Erschütterungen erzeugt, schädlich für benachbarte Bauten sein könnte

es werden Löcher bis zu 2 5 Meter Durchmesser und bis zu 50- es werden Löcher bis zu 2,5 Meter Durchmesser und bis zu 50 Meter Tiefe gebohrt

- Ortbetonpfähle

- bei Stahlbetonpfählen wird ein vorgefertigter Bewehrungskorb in das Bohrloch gestellt und anschließend das Loch unter

l i h iti Zi h d R h t l b t i tgleichzeitigem Ziehen des Rohrmantels ausbetoniert

• Senkkasten-/ Caissongründungg g- finden Anwendung, wenn - die Gründungssohle im Grundwasser liegt

- eine Grundwasserabsenkung nicht möglich ist

- nichttragfähige Bodenschichten in großer Tiefe liegen und mit alten Fundamenten durchsetzt sind

- der Arbeitsraum des Senkkasten wird unter Druckluft gesetzt damit beim Ablassen des Senkkastens unter Grundwasserspiegel das Wasser durch Überdruck verdrängt wird

→ ermöglicht das Arbeiten auf trockener Sohle

- erreichbare Tiefe ist auf 40 Meter begrenzterreichbare Tiefe ist auf 40 Meter begrenzt- Vorteil: man bekommt eine hohe Sicherheit über die Gründungsohle und die Lage der Gründungskörper

• Schlitzwände- Stützwände verhindern bei Geländesprüngen das Abrutschen des höher liegenden Geländes

- Schlitzwände sind unterirdische wandartige Baukörper aus Stahlbeton, die in einem Erdschlitz erstellt werden

- Schlitzwände werden häufig als Baugrubenumschließung; auch als tragende Wand für das zu errichtende Bauwerk möglich

- während des Aushubs wird der Erdschlitz bis zur endgültigen Fertigstellung durch eine Bentonit-Suspension gegen Einsturz gesichertSuspension gegen Einsturz gesichert

- ist die gewünschte Tiefe erreicht, werden Stahlrohre zur Abgrenzung der einzelnen Wandsegmente eingebaut, die Bewehrungskörbe eingelegt und anschließend, bei gleichzeitigem Entfernen der Stützflüssigkeit, betoniert

S hlit ä d i d 0 80 t k d kö bi- Schlitzwände sind ca. 0,80 m stark und können bis zu 30 m tief hergestellt werden- das Betonieren erfolgt in Lamellen von ca. 3 bis 10 m Breite

• Standsicherheit / Versagensmechanismen gvon Flächengründungen

Bodenpressung• Bodenpressung- muss begrenzt werden, um unzulässige Setzungen zu verhindern und um eine genügende Sicherheit gegen Grundbruch zu gewährleisten

- durch Gebäudelasten entstehen im Fundament Druckspannungen die gleichmäßig auf dendurch Gebäudelasten entstehen im Fundament Druckspannungen, die gleichmäßig auf den Baugrund verteilt werden sollen

- Druckspannungen sind unmittelbar unter dem Fundament am größten

- man geht von einem Druckverteilungswinkel von 45° aus; in i kli hk i il i h d k i i i b l h li hWirklichkeit verteilt sich der Druck in einer zwiebelähnlichen Form

unter dem Gründungskörper

- Überlagerung von Bodenpressungen aus benachbarten Fundamenten können vermieden werden, wenn der lichte Abstand größer als das vierfache der Fundamentbreite ist (a=4*b)

- verschiedene Gründungstiefen sind möglich, wenn die Kantenverbindung benachbarter Fundamente nicht mehr als 30° Neigung hat

- wechselt die Gründungstiefe im Verlauf eines Streifen- oder Plattenfundamentes findet eine Abtreppung des Fundamentes statt

• Grundbruch

- Überschreitung der Belastbarkeit des Baugrunds

- unter dem Fundament bildet sich ein verdichteter Erdkeil, der seitlich aus dem Boden eine Erdscholle herausschiebt, die umso größer ist, je tiefer das Fundament in den Untergrund einbindet

- die Grundbruchgefahr ist umso kleiner, je tiefer die Gründung geführt wird

• Geländebruch

- unter Geländebruch versteht man das Abrutschen eines großen Erdkörpers einschließlich des ganzen Bauwerks

- tritt insbesondere bei Änderung der Zustandsform des Bodens auf

• Böschungsbruchg- bezeichnet das Abrutschen einer Böschung

- kommt zustande, wenn der Böschungswinkel für den betreffenden Boden zu steil gewählt wurde oder am Böschungsrand eine unberücksichtigte Auflast wirktunberücksichtigte Auflast wirkt

• Auftrieb- auf Baukörper, die im Grundwasser stehen, wirkt ein Auftrieb entsprechend der verdrängten Wassermasse

- die Eigenlasten der Konstruktion darf nicht zu hoch geschätzt

- während bei der Bemessung des Tragwerks eine zu hoch angenommene Eigenlast die Sicherheit gegen Versagen erhöht, hat sie bei der Auftriebsicherung eine Verschlechterung zu Folge.

- die als Flächenbelastung wirkende Differenz zwischen Auftriebsdruck und Eigenlast sollte bei Sohlplatten nicht zu klein geschätzt werden, ansonsten könnte schon ein geringer Anstieg des Grundwasserspiegels zu einem Bruch der Platte führen

• Beispielep• Venedig

- auf dem Wasser erbaut steht die Stadt auf Pfählen, die im Meeresschlamm befestigt sind

- die kanalseitigen Fassaden bedurften einer aufwendigeren

- die Fundamente, auf denen die Mauern des Gebäudes entstanden, sind meist vier parallele, senkrecht zum Kanal gerichtete Mauerreihen, bestehend aus simplen Ziegelsteinmauern, selten tiefer als 80 Zentimeter in den Boden gebaut

g gGründung, da sie direkt am Ufer abrutschen konnten → hier ruht Venedig auf Baumstämmen

- die Pfähle aus Eiche, Erle oder Pappel sind etwa drei Meter lang und ca. 14 cm dick g

- sie wurden komplett unter Wasser in einem Streifen von einem halben Meter Breite in den Boden gerammt, die Zwischenräume mit Lehm und Schlick aufgefüllt

- die 1 20 m hohen Schutzwände wurden aus Kalkstein aus Istrien aufgrund- die 1,20 m hohen Schutzwände wurden aus Kalkstein aus Istrien, aufgrund der hohen Wasserundurchlässigkeit, errichtet- Lärchenbretter als Grundfläche für ein gemauertes Fundament

-die Hauptader, der Canale Grande, wird von drei Brücken überspannt → die älteste von ihnen ist die

Rialto Brücke- 1588 – 1591 erbaut; 48 m lang und 22 m breit

- Da Ponte entwickelte eigenst für diese Brücke und den örtlichen Verhältnissen einen treppenförmig abgestuften Pfahlrost aus jeweils 6000 dicht gerammten Pfählen

• Rückverankerte Hänge-Hubbrücke in Duisburgg g(Schlaich, Bergermann & Partner)

- 1. höhenverstellbare Hängebrücke der Welt

- Spannweite: 73 m – Breite: 3,50 m

- der Steg muss aus seiner Normallage von 1,10 m um 10,60 m über Normalwasserstand angehoben werden können, um die Schifffahrt im Hafenbecken zu ermöglichenSchifffahrt im Hafenbecken zu ermöglichen

- die 20 m hohen, mit einem Durchmesser von 419 mm, Masten können mittels um 3 m ein- und ausfahrender Hydraulikzylinder, die an den Abspannseilen angreifen, nach außen gekippt werdeng pp

die Masten sind dicht am Ufer platziert und werden mit Hilfe von- die Masten sind dicht am Ufer platziert und werden mit Hilfe von Druckbohrpfähle tief gegründet.

- der Brückenüberbau besteht aus 14 Betoneinzelteilen, die „wie das Gliederband einer Uhr“ gelenkig miteinander verbunden sind

- die Verlängerung des Überbaus in angehobenem Zustand (3,65 m) wird durch Zusatzelemente erzielt, die automatisch aus Fundamenttaschen hervorgezogen werden

- die Hydraulikzylinder werden an eine Verankerungsplatte angeschlossen und mit 4 Dywidag Einzelspanngliedern, die bis zur Grundplatte des Fundaments reichen, befestigt- die Verankerungsplatte ist Sinnbild für die darunterliegende nicht sichtbare aber zudarunterliegende nicht sichtbare aber zu erahnende Grundplatte des Fundaments

- von der Grundplatte des Fundaments, die sich im Baugrund befindet, gehen 8 Dywidag Einspannanker in den tiefenDywidag Einspannanker in den tiefen Baugrund

• Bregenz Art Museum (Peter Zumthor)g

- das Kunstmuseum ist ein Glas-Quader, der von einem Stahl-Beton-Gerüst gehalten wird

- 6 Stockwerke: 2 Untergeschosse, 1 Erdgeschoss und 3 g , gObergeschosse

- 3 unterschiedlich gesetzte Wandscheiben aus Beton übernehmen die tragende Funktion

Stahlbetongeschossdecken liegen auf den Wandscheiben auf und- Stahlbetongeschossdecken liegen auf den Wandscheiben auf und kragen an allen Seiten aus

- die Fassade aus Stahl und Glas ist selbsttragend

- typologisch orientierte sich Zumthor an den Pfahlbauten, jener ersten Baukultur im Bodenseeraum

- die Idee der Pfahlbauten wurde aus funktionalen und städtebaulichen Gründen aufgegeben

- der bodenseenahe Untergrund ist nass verfügt über eineder bodenseenahe Untergrund ist nass, verfügt über eine ausgezeichnete Kühlkapazität und dient der umweltfreundlichen, erneuerbaren Energiegewinnung

durch den Standortvorteil konnte man sich das Prinzip der- durch den Standortvorteil konnte man sich das Prinzip der Erdkopplung zu Nutze machen

- die notwendige thermische Energie für das Gebäude liefert eine Betonabsorberanlage

- 25 m tiefe im kühlen Baugrund auf solidem Fels stehenden Schlitzwände und Gründungspfähle, mit wasserführenden Kunststoffrohren ausgestattet, werden vom Grundwasser umströmt und zur Kühlung des Gebäudes genutzt

- eingedrungene Wärme wird durch die Kühlleitungen in den Wänden wieder abgeführt

• Überdachung der Sportstätten der Olymp. g p y pSpiele in München (Behnisch und Partner, Frei Otto)

- mit vorgespannten Seilnetzkonstruktionen können große Spannweiten stützenlos überbrückt werdenstützenlos überbrückt werden

- das System von Stahlseilen, das an 58 Pylonen befestigt ist, hält das mächtige Netz

- die 80 m hohen, mit einem Durchmesser von 3,5m, Masten sind oben d k i h (V k d Mi l A k i k )und unten konisch (Verstärkung der Mittelzone gegen Ausknicken)

- der Mastkopf wird durch die Abspannseile fixiert, so dass der Mast eine Pendelstütze darstellt - die Pylonen stehen auf Stahlbetonfundamenten - für die Zugverankerung der Abspannseile wurden 3 unterschiedliche Fundamente verwendet (Schlitzwand- , Bodenanker- und Schwergewichtsfundamente)

• ARAG -Turm Düsseldorf f

- Bürogebäude: als Hochhaus mit 30 Obergeschossen, Erdgeschoss und 2 Untergeschossen konzipiert

(RKW Düsseldorf/ Norman Foster & Partner)

Untergeschossen konzipiert

- das Gebäude erstreckt sich über eine Länge von 60 m und einer Breite von 21m

- das Hochhaus wird durch 2 an den äußeren Enden liegenden Kernen stabilisiert

- der Turm ist auf einer 3,5 m starken Betonfundamentplatte flach gegründet, umgeben von einer 0,6 m dicken WU- Betonwand

- unter den Kernwänden und den 16 Säulen erhielt die Fundamentplatte eine erhöhte Schubbewehrung

-angrenzenden Gebäudeteile müssen wegen unterschiedlichen Setzungen durch Fugen getrennt werden → Tiefgarage und Technikflächeg g g

- die Gründung der Technikfläche erfolgt auf einer 1,05 m starken Betonfundamentplatte mit umschließenden WU- Betonwänden

- die Untergeschosse wurden auf Grund der Rheinnähe fugenlos als „weiße Wanne“ konzipiertkonzipiert

die Fundamentplatte liegt teilweise so tief im Baugrund dass sie- die Fundamentplatte liegt teilweise so tief im Baugrund, dass sie gegen Auftrieb gesichert werden muss → daher auch die Dicke von 3,5 m- bei Gründungen mit Fundamentplatten wird die Last des Bauwerks auf die gesamte Platte verteilt und somit die vorhandene Bodenpressung herabgesetzt → gleichmäßige Lastverteilung in den Baugrund

• Wuppertaler Schwebebahnstation Klusepp(Chamier und Molina )

- liegt unmittelbar neben dem Wuppertaler Schauspielhaus und dem Cinemaxx-Kino

- lichtdurchflutete Rahmenkonstruktion aus Stahl und Glas

- die Konstruktion schließt jeweils auf beiden Uferseite an zwei Fudamentblöcke an

der Beton erfordert dort wo die Kopfplatte auf minimaler→ der Beton erfordert, dort wo die Kopfplatte auf minimaler Fläche aufliegt, eine Güteklasse von B 45

- die weit aus dem Boden stehenden Fundamentblöcke bilden ein markantes Detail; der nackte Beton wird nicht kaschiertkaschiert

- die Dimensionen der im Baugrund liegenden Fundamente werden deutlich thematisiert

bei der Rahmenkonstruktion wirken nicht nur senkrechten sondern auch horizontalen- bei der Rahmenkonstruktion wirken nicht nur senkrechten sondern auch horizontalen Lasten auf die Fundamente

- die aus den ständigen und veränderlichen Einwirkungen resultierende Kraft muss die Sohlfläche im inneren Drittel schneiden, damit keine klaffende Fuge auftritt

- wegen der hohen resultierenden Kraft verlagert sich die Sohlpressung ausmittig → das im Baugrund liegende Fundament kann so versetzt werden, dass die Sohlpressung wieder mittig von der Fundamentsohle liegt

Resultierende KraftSohlpressung

• Renault Distribution Centre in Swindon, England (Sir Norman Foster & Associates)

- das Gebäude sticht aufgrund seiner 16 m hohen gelben Stahlstützen, an denen die Dächer der Vertriebszentrale abhängen, deutlich hervordenen die Dächer der Vertriebszentrale abhängen, deutlich hervor

- die Fundamente der Stahlstützen und Stahlseile sind bei dieser Konstruktion nicht erkennbar, sie bleiben unter der grünen Wiese verborgen und werden somit nicht thematisiert

di St hl tüt d St hl il i d fl h ü d t- die Stahlstützen und Stahlseile sind flach gegründet

- jede Stütze und jedes Stahlseil steht für sich auf einem Einzelfundament bzw. auf einem Plattenfundament

- Plattenfundamente sind eine sehr wirtschaftliche Gründungsart für große g gEinzellasten und müssen aufgrund ihrer geringen Plattendicken gegen Bruch als auch gegen das Durchstanzen der aufgestellten Stützen bewehrt werden