Pfahlgründung

mini|Drehbohrgerät Liebherr LRB 355 bei der Herstellung von Doppelkopfbohrpfählen.

Als Pfahlgründung wird in der Bauausführung eine Variante der Tiefgründung bezeichnet. Mit ihr können die Lasten von Tragwerken in tiefere, tragfähige Bodenschichten abgetragen werden. Nicht oder schlecht tragfähige Bodenschichten werden mit Pfählen überbrückt.

Bei der Pfahlgründung werden Pfähle (früher im Wasserbau sowie in Österreich auch Piloten genannt) in den Baugrund gebohrt oder gerammt, bis eine ausreichend tragfähige Boden- oder Gesteinsschicht erreicht ist. Die Lasten des Tragwerkes werden dann zum einen durch die Reibung des Pfahls mit dem Baugrund (Mantelreibung) und zum anderen über den Spitzendruck der Pfähle abgetragen.

Das Pfahlfundament ist ein Baukonstruktionselement im Bauwesen und zugleich derjenige Teil der Gründung, welcher nach Bodenaustausch und Bodenverbesserung in Form einer Fundamentplatte (Pfahlplatte) auf dem Baugrund aufgebaut wird und dessen Pfahlkomponenten in die tieferen Schichten des Baugrunds hinabreichend eingearbeitet werden, um die Gewichtskräfte des Bauwerks schwerkraftbedingt in die Tiefe des Baugrunds hineinzuleiten.

Wird bei der Einleitung von Bauwerkslasten in den Baugrund sowohl die Tragwirkung der Pfähle als auch der darüberliegenden Fundamentplatte (Pfahlplatte) berücksichtigt, dann wird das als „kombinierte Pfahl-Platten-Gründung“ bezeichnet.Rolf Katzenbach, Ulvi Arslan, Christian Moormann (Institut für Geotechnik, Technische Universität Darmstadt); Gert König, Dmitri Soukhov, Carsten Ahner (Institut für Massivbau und Baustofftechnologie, Universität Leipzig): Richtlinie für den Entwurf, die Bemessung und den Bau von Kombinierten Pfahl-Plattengründungen (KPP) (Design and Construction of Piled Rafts), Fraunhofer IRB Verlag, Fraunhofer-Informationszentrum Raum und Bau, 25. Januar 2000. ISBN 3-8167-5717-0. In: irbnet.de

mini|Hölzerne Gründungspfähle der ehemaligen römischen Therme in Xanten, ausgestellt im RömerMuseum Xanten mini|Ein Drehbohrgerät Bauer BG 40 bei der Pfahlgründung für eine Bohrpfahlwand für das Besichtigungsbauwerk zur Klärung der Einsturzursache des Historischen Archivs der Stadt Köln

Geschichte Bis Ende des 19. Jahrhunderts (und heute noch bei kleineren Bauten, wie Bootsschuppen) wurden angespitzte Holzpfähle oder Baumstämme in den Boden getrieben. An der Spitze dieser Pfähle war häufig ein eiserner Beschlag, der sogenannte Pfahlschuh (österreichisch auch Pfostenschuh), angebracht, der das Einschlagen der Pfähle auch in festeren Untergrund ermöglichte. Wenn die auf gleicher Höhe abgesägten Pfähle durch aufgelegte Balken verbunden wurden, erhielt man ein Pfahlrost als Auflage für Mauerwerk. Der Emile-Béthouart-Steg in Innsbruck hat Steinpfeiler, die auf hölzernen Pfahlrosten fußen (nach 2000 wurden die Fundamente nachbearbeitet).

Holzpfähle sind äußerst haltbar, solange sie dauernd im Wasser stehen. Noch aus römischer Zeit stammende und bis heute unbeschädigte Pfähle sind bekannt. Holzpfähle in feuchter Erde und in Wasserwechselzonen, also z. B. an Standorten mit wechselnden Grundwasserständen, verrotten hingegen, wenn eine nichtgeeignete Holzart verwendet wird. Problematisch sind nächträgliche Grundwassersenkungen, wie sie beispielsweise durch Bergbau, Flussregulierungen oder zunehmende Überbauung und Versiegelung eines Gebiets eintreten können. Das Verfaulen der Pfahlgründung kann zu erheblichen Schäden am Gebäude führen, wie beispielsweise beim Trierer Dom. Als größte Pfahlgründung gilt Venedig, wo die ganze Stadt im Laufe von Jahrhunderten auf hunderttausenden Baumstämmen gegründet wurde. Aber viele weitere, alte wie neue Gebäude wie etwa das Königliche Palais in Amsterdam und die alten Lagerhäuser der Speicherstadt in Hamburg stehen auf Holzpfählen.

Heute werden in manchen Ländern Stampfbetonsäulen, also Säulen aus unbewehrtem Beton, verwendet.

Gründungspfähle mit eingelassenen Rohleitungen zur thermischen Bauteilaktivierung werden als Energiepfähle bezeichnet. Sie funktionieren ähnlich wie Erdwärmesonden.Bundesverband Geothermie: Energiepfahl zuletzt abgerufen am 21. März 2024.

Verschiedene Pfahlarten Pfahlgründungen können je nach Einsatzzweck, Boden- und Umgebungsbedingungen aus verschiedenen Materialien bestehen, bzw. auf verschiedene Weisen hergestellt werden.

Einsatzzweck Für dauerhafte Bauwerke sind Stahlbetonpfähle insbesondere wegen der Materialkosten vorteilhaft. Stahlpfähle werden eher bei temporären (Hilfs-)Bauwerken eingesetzt und anschließend wieder aus dem Boden gezogen und wiederverwendet. Bodenbedingungen Je nachdem wie fest oder locker die vorhandenen Bodenschichten sind, ist es möglich, Pfähle einzupressen, einzuspülen, einzuschrauben oder zu rammen. Unabhängig von den Bodenbedingungen ist es möglich, Pfähle in vorgebohrte Löcher zu stellen oder sie in vorgebohrten Löchern vor Ort zu betonieren. Umgebungsbedingungen Umgebung und deren Bebauung eigenen sich unterschiedliche Einbauverfahren. Z. B. ist es oft nicht möglich, Pfähle in Innenstädten rammend einzubauen, da die Erschütterungen zu groß sind.

mini|hochkant=1|Ansicht des herausgezogenen Bohrers mini|hochkant=1|Das Drehbohrgerät kann die Bohrkrone auch schräg in den Untergrund drehen Stahlpfähle

Eingetriebene Stahlpfähle in Form von Rohren werden als Vollverdrängungspfähle bezeichnet, da sie den Boden beim Einbau zur Seite verdrängen. Wird das Stahlrohr nicht gerammt, sondern eingedreht und gedrückt, spricht man von Vollverdrängungs-Bohrpfählen.

Stahlpfähle in Form von Doppel-T-Trägern werden oft als temporäre Pfähle genutzt, zum Beispiel für Behelfsbrücken, Traggerüste und zur Baugrubensicherung. Sie können nach dem Einsatz wieder gezogen werden. Reicht die Reibung und der sich zwischen den Flanschen bildende Druckbogen zum Lastabtrag aus, können diese Pfähle ohne weitere Maßnahmen eingerammt werden. Muss eine höhere Last (auch Zugkräfte) aufgenommen werden, kann ein solcher Träger auch mit Fußverstärkungen versehen werden und nach dem Einrammen verpresst werden („Ramminjektionspfähle“, „RI-Pfähle“).

Gerammte Stahlpfähle sind unempfindlicher als gerammte Stahlbetonfertigteilpfählen, wenn sie im Untergrund auf Hindernisse, wie z. B. Felsbrocken, treffen. Stahlpfähle können auch durch harte Zwischenschichten bis zum tragenden Untergrund gerammt werden.

Eingesetzt werden gerammte Stahlpfähle gerne auch im Hafenbau und im Offshorebereich. Hier sind die beim Einbau entstehenden Erschütterungen nicht störend.

mini|Vorgefertigte Bewehrungskörbe für Großbohrpfähle

Duktilpfahl

Der Duktilpfahl ist ein Fertigteil-Rammpfahlsystem aus duktilem Gusseisen. Der Pfahl ist für zulässige Gebrauchslasten von 300 kN bis 1100 kN je nach Durchmesser und Wandstärke des Pfahlrohres ausgelegt. Die Pfahlrohre werden im Schleudergussverfahren aus duktilem Gusseisen hergestellt. Einzelne Pfahlelemente können über Muffen endlos miteinander gekoppelt und in beliebiger Länge hergestellt werden.

Mörtelverfüllte Pfähle schließen unten mit einer Pfahlfußplatte ab, die das Pfahlrohr dicht abschließt. Der Pfahl wird nach dem Einrammen mit Betonmörtel verfüllt. Der Lastabtrag erfolgt hauptsächlich über den Spitzendruck und teilweise über die Mantelreibung des Rohrs.

Beim mantelverpressten Pfahl wird eine Fußplatte verwendet, die größer ist als der Pfahlrohrquerschnitt. Beim Einrammen erzeugt die Fußplatte einen Ringraum, der mit Betonmörtel aufgefüllt wird. Bereits während der Rammung kann Mörtelbeton durch das Pfahlrohr zum Pfahlfuß gefördert und bei der Fußplatte in den Boden gepresst werden, um einen Betonmantel um das Rohr herum zu erzeugen. Durch die Verzahnung des Betonmörtels mit dem Erdreich kann der Lastabtrag so überwiegend über die Mantelreibung erfolgen.

Einzelrohrschüsse werden mit einem Schnellschlaghammer und speziellem Einsteckwerkzeug eingerammt, als Trägergerät eignet sich z. B. ein Hydraulikbagger. Dieses flexible Pfahlsystem ist auch bei beengten und unwegsamen Baufeldern anwendbar wo große Pfahlgeräte nicht arbeiten können. Durch seine vielseitige und wirtschaftliche Einsetzbarkeit bei Kleinbaustellen, Wohnungsbau bis zur Großbaustelle, gewinnt dieses Pfahlsystem in Deutschland an Bedeutung.

mini|Bauablauf der Bohrpfahlherstellung

Fertigteilpfähle aus Stahlbeton Weltweit werden aktuell hauptsächlich Fertigbetonrammpfähle aus Stahlbeton oder Spannbeton mit quadratischem Vollquerschnitt zwischen 20 × 20 cm und 45 × 45 cm verwendet, die für die Beanspruchung beim Transport, Einbringung und Bauwerkslasten (Druck, Zug, Biegung) standardmäßig bewehrt oder vorgespannt sind. In Österreich und der Schweiz werden auch runde Schleuderbetonpfähle verwendet, die häufig im Inneren hohl sind.

Die axialen Pfahlwiderstände (Pfahltragfähigkeit) von Stahlbetonfertigpfählen liegen je nach Querschnitt und Untergrundverhältnissen zwischen 0,5 und 2,0 MN.

In Deutschland und im skandinavischen Raum werden Stahlbetonfertigpfähle im Pfahlwerk unter Einhaltung definierter Qualitätskriterien sowie kontinuierlicher externer Kontrollen hergestellt. Aus logistischen, wirtschaftlichen und einbautechnischen Gründen ist die Länge eines Einzelpfahls auf 15 m begrenzt. Für größere Pfahllängen lassen sich Teilstücke durch Kupplungen miteinander verbinden. In Schweden wurden auf diese Weise schon Pfahllängen von über 80 m realisiert.

Im innerstädtischen Bereich werden heute kaum noch Rammpfähle verwendet. Die durch die Rammung entstehenden Geräusche und insbesondere Erschütterungen beeinträchtigen die Nutzer der benachbarten Gebäude stark. Auch können durch die Rammung Schäden an Nachbargebäuden entstehen. Als Alternative hierzu hat sich die Bohrpfahlgründung durchgesetzt. Diese Pfähle haben eine etwas geringere Tragfähigkeit, verursachen aber kaum Erschütterungen.

Wie bei allen Pfahlarten erfolgt bei Betonfertigteilpfählen die Abtragung von Lasten über Mantelreibung und Spitzenwiderstand. Dieses Pfahlsystem ist in nahezu jeder Bodenart und jeder Baugrundschichtung anwendbar. Fertigpfähle aus Stahlbeton eignen sich auch zur Anwendung im Grundwasser sowie in weichen oder kontaminierten Bodenschichten. In festen oder felsigen Böden werden Schleuderbetonpfähle grundsätzlich mit einer Stahlspitze verwendet.

Das Einsatzspektrum von Stahlbetonfertigrammpfählen reicht von Einfamilienhäusern über Industrieanlagen bis hin zu großen Infrastrukturprojekten. Eines der wichtigsten Einsatzgebiete stellt inzwischen die Tiefgründung von Windkraftanlagen dar.

In Stahlbetonfertigrammpfähle können auch Injektionsrohre oder Leitungen zur Nutzung von Erdwärme (Energiepfähle) integriert werden.

mini|Pfähle für Bauwerke in der HafenCity, Hamburg

Bohrpfähle, Ortbetonpfähle Wird der Beton vor Ort eingebracht (heute meist Transportbeton), spricht man von Ortbetonpfählen. Durchmesser und Länge der Pfähle kann auf die entsprechenden Anforderungen ausgelegt werden.

Insbesondere beim Tragfähigkeitsnachweis werden Ortbetonpfähle in Groß- und Kleinbohrpfähle („Mikropfähle“) unterschieden werden. Mikropfähle sind im Durchmesser kleiner als 30 cm. Von Großbohrpfählen spricht man entsprechend bei Pfählen mit einem Durchmesser größer gleich 30 cm.DIN EN 1536:2010-12: „Ausführung von Arbeiten im Spezialtiefbau – Bohrpfähle“, S. 4.

Ein Beispiel für den Einsatz von Ortbetonpfählen ist der Kaispeicher A in Hamburg. Der in den sechziger Jahren errichtete 108 mal 85 Meter große Bau steht im weichen Elbschlick und ist auf 1111 Stahlbetonpfählen gegründet. Entsprechend der vorgesehenen Belastung wurden die Pfähle auf eine Tragkraft von je 160 Tonnen ausgelegt und mit einem Durchmesser von 50 cm ausgeführt. Die Stahlbetonpfähle leiten das Gewicht durch Bodenschichten aus Klei und Torf in stabilere Sandschichten.

Bohrpfähle werden aneinander gereiht, um eine durchgehende Bohrpfahlwand zu erstellen, die dann z. B. als Baugrubensicherung dient.

Herstellung mini|Bohrpfahlgruppe nach Aushub der Baugrube und Ablängen auf das Niveau der Bauwerkssohle