So stehen Brücken sicher

Wissenschaftler der FH Münster entwickelt innovative Stauchdose für Bohrpfähle.

© FH Münster / Pressestelle

Münster (6. Juli 2018). Brücken führen Fahrzeuge und Fußgänger sicher über mitunter unwegsames Gelände. Dass die Konstruktionen selbst bei nicht tragfähigem Baugrund sicher stehen, ist Bohrpfählen zu verdanken. Dabei bohren Bauarbeiter zunächst Löcher in die Erde und führen zum Schutz der Löcher ein Stahlrohr mit herunter. Die Löcher werden so tief gebohrt, bis sie tragfähigen Grund erreicht haben. Anschließend wird die Verrohrung wieder gezogen und gleichzeitig das Loch mit Beton verfüllt. Bis zu 45 Meter tief reichen diese Bohrpfähle. Ihre Aufgabe: Sie leiten die Lasten von Brücken – aber auch anderen Bauwerken wie Gebäude – in tieferliegende, tragfähigere Bodenschichten ab. Das funktioniert durch den Widerstand. Der wird zum einen aktiviert, indem der Pfahlfuß auf tragfähigem Boden steht, zum anderen durch die Reibung des umgebenden Bodens an der Außenhülle des Pfahls. Doch letzteres tritt erst ein, wenn der Pfahl in den Boden einsinkt: Nimmt die Senkung zu, also versinkt der Pfahl tiefer im Boden, erhöht sich auch der Widerstand bis zur maximal aktivierbaren Mantelreibung. Ist die Senkung kaum vorhanden, fällt die Mantelreibung weg. Wie sie dennoch eintreten und somit der Gesamtwiderstand vergrößert werden kann, haben Prof. Dr. Dietmar Mähner und Ansgar Korte, wissenschaftlicher Mitarbeiter, vom Institut für unterirdisches Bauen (IuB) der FH Münster untersucht.

Besserer Halt und weniger Beton

„Wir haben eine Stauchdose in den Pfahl eingebaut“, sagt Mähner. „Sie ermöglicht eine definierte Setzung am Pfahlfuß, selbst im Festgestein. Dadurch erhöht sich der Widerstand, und die Mantelreibung wird aktiviert. Das führt zu besserem Halt. Und weil der Widerstand viel früher aktiviert wird, müssen die Bohrpfähle nicht mehr so tief in die Erde eingelassen werden, es wird also weniger Beton verbraucht – und das spart letztendlich Geld.“ Mähner und Korte bauten mehrere Kleinversuchsstände und begannen zu experimentieren. „Wir mussten erst einmal herausfinden, welches Material am besten geeignet ist“, erklärt Korte. Denn die Stauchdose sollte möglichen chemischen Angriffen durch Verunreinigungen im Boden widerstehen, dauerhaft beständig und unter Lasteinwirkung berechenbar verformbar sein. „Außerdem ging es uns um die Frage, wie viele Dosen wir pro Pfahl einsetzen und in welcher Anordnung.“

Gleichmäßige Belastung möglich

In einem Großversuch testeten sie mehrere Modelle im Maßstab 1:10 in einem mit Sand gefüllten Versuchsstand, in dem sie einen Bohrpfahl herstellten. Auf diesen wurde Druck ausgeübt – um dadurch Belastungen und Verformungen genauestens unter die Lupe zu nehmen.

Die vielversprechendste Lösung besteht aus zwei Betonfertigteilen, gegossen aus hochfestem Stahlfaserbeton. Dazwischen ordneten Mähner und Korte in kreisrunden Löchern Elastomere an, die sie aus Flüssigkunststoff herstellten. „Die Elastomere sorgen im unbelasteten Zustand für einen Spalt zwischen dem oberen und dem unteren Element“, so Korte. „Und sie sind so angeordnet, dass die Belastung möglichst gleichmäßig verteilt erfolgt. Die kreisrunden Aussparungen in beiden Teilen sind von ihrer Größe so dimensioniert, dass sich die Elastomere bei Stauchung ungehindert verformen können.“ Die Größe des Spalts ist abhängig von den jeweiligen Baugrundverhältnissen und wird im Vorfeld ermittelt. Wird die Dose belastet, kommt es zur Stauchung des Elastomers, und der Spalt wird geringer. Das aktiviert die notwendige Mantelreibung.

In ihren Versuchen zeigten Mähner und Korte, dass die Stauchdose tatsächlich funktioniert. „Die Mantelreibung wird aktiviert und der Gesamtwiderstand erhöht“, so Mähner. Doch da es sich bislang nur um Laborversuche handelt, muss die Dose unter realen Bedingungen mit umfangreichen Begleituntersuchungen getestet werden. „Wir haben aber bereits einen ersten Prototyp hergestellt und mit den an dem Forschungsprojekt beteiligtem Ingenieurbüro ein Patent angemeldet.“

Origialmeldung:
https://www.fh-muenster.de/hochschule/aktuelles/pressemitteilungen.php?madid=6467