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Die Berechnung einer Baugrubensicherung ist ein integrativer und komplexer Prozess. Anders als im Hochbau kann nicht von einem Tragwerk ausgegangen werden, das gemäß des Tragwerksentwurfs berechnet wird, weil sich Tragwerk und Einwirkungen gegenseitig bedingen. Es ist im Allgemeinen nicht möglich, vorerst die Einwirkungen zu berechnen und in der Folge die daraus resultierenden Auflagerkräfte. Die Anordnung von Stützungen beeinflusst nämlich die Erddruckform und in der Folge die Einwirkungen.

Eine festgesetzte Verankerung beeinflusst die Einbindetiefe sowie den Erddrucken und in der Folge – was beabsichtigt ist – die Schnittkräfte. Die Berechnung ist infolgedessen ein iterativer Prozess:

• Die Erddruckform ergibt sich aus dem statischen System mit den Abstützungen
• Die Einbindetiefe wird durch das statische System bestimmt, indem die Gleichgewichtsbedingungen für eine gesuchte Einbindetiefe, die das Drehmoment aufhebt, aufgestellt werden
• Eine Abstützung oder Verankerung bedingt die Verteilung der Biegemomente in der Wand
• Ist der Nachweis der Wand erfüllt, ist die Ankerkraft in der tiefen Gleitfuge nachzuweisen und es ist die Verankerung zu prüfen

Wird eine Baugrubensicherung berechnet, stellt sich die Frage nach dem Material und der Bauart, weil sich dadurch die Fragestellung beantwortet, ob es sich um eine weiche, elastische oder steife Baugrubenwand handelt. In diesem Zusammenhang ist von Belang, inwiefern Verformungen und Setzungen zulässig sind oder ob Bauwerke in der Nähe der Baugrube einschränkend wirken.

Aus geometrischen Gegebenheiten, hydrologischen Gegebenheiten und Belastung ergibt sich die Fragestellung, ob eine freie Lagerung, eine teilweise Einspannung, eine vollständige Einspannung oder Verankerungen oder Aussteifungen notwendig werden. Die Beeinflussung durch Grundstücksgrenzen und angrenzende Bauwerke entscheidet darüber hinaus über das Rückhaltesystem, ob Anker, Aussteifungen, Abstützungen oder Stützberme denkbar sind.

Sind diese Rahmenbedingungen geklärt, kann die Baugrube konstruiert werden, indem die Einbindetiefe und die Ankerlänge sowie in der Folge die Schnittgrößen berechnet werden.

Es folgen die Bemessung der Baugrubenwand und die Nachweise der Gebrauchstauglichkeit.

Die wesentliche Unbekannte sind die Einbindetiefe der Baugrubenwand sowie die Ankerfestlegung.

Nachweis der Einbindetiefe

Die Einbindetiefe ergibt sich aus den Gleichgewichtsbedingungen, nämlich aus der Summe der horizontalen Kräfte sowie aus der Summe der Drehmomente um jenen Punkt unterhalb der Erdoberfläche, bei dem sich die Drehmomente aufheben. Die mindeste Einbindetiefe ergibt eine globale Sicherheit gegen äußeres Versagen, die gleich eins ist.

Wird eine mehrfache Verankerung gewählt, kann die Ausbildung des Erddruckansatzes innerhalb bestimmter Grenzen frei festgelegt bzw. erzwungen werden. Die klassische Erddruckverteilung ist bei schwach vorgespannten Ankern denkbar. Aussteifungen und Verankerungen ziehen hingegen aufgrund der Steifigkeit die Schnittkräfte an.

Bei mehrfacher Aussteifung wird sich zwischen den Aussteifungen oder Verankerungen eine Nachgiebigkeit ergeben (aktiver Erddruck) und im Bereich der Aussteifung eine Unnachgiebigkeit (Erdruhedruck). Folglich sind dadurch die qualitativen Grenzen gesetzt.

Im Bereich der Berechnung sind bei mehrfach gestützten Wänden Vereinfachungen angeraten: „Mehrfach gestützte Wände mit freier Auflagerung im Boden, einer Teileinspannung oder einer Volleinspannung können beim Nachweis der Einbindetiefe und bei der Ermittlung der Schnittgrößen behandelt werden wie einfach gestützte Wände bei beliebiger Auflagerung“ [1].

Zur Berechnung der Einbindetiefe und der Schnittgrößen sind beim Nachweis der Standsicherheit einige Vereinfachungen möglich [2]:

• Die Wand wird als Träger auf unnachgiebigen Stützen angenommen.
• Bei freier Auflagerung darf unabhängig von der Anzahl der Stützungen ein festes Auflager in der Höhe der Resultierenden gesetzt werden

Bei bodenmechanisch eingespannten Wänden wird der Lastansatz nach Blum gewählt.

Wird eine Volleinspannung der Baugrubenwand unterstellt, so ergibt sich ein kräftemäßiges Gleichgewicht. Eine Teileinspannung ordnet sich zwischen der kleinstmöglichen Einbindetiefe für eine freie Auflagerung und der Einbindetiefe ein, die für eine volle Einspannung berechnet wurde. Wird die Bodenreaktion unter der Annahme einer Teileinspannung berechnet, wird der Rechenvorgang komplexer, weil sich aufwändige Überlegungen zum Einspanngrad ergeben.

„Sofern die Voraussetzung der guten Verdichtung erfüllt ist, kann daher bei Trägerbohlwänden, Spundwänden und Ortbetonwänden im Allgemeinen ohne genauere Untersuchung der Einspannwirkung der Momentennullpunkt in Höhe der Oberfläche der Auffüllung angenommen werden“ [1].

Die NAVFAC 1986 geht bei mehrfacher Stützung von folgendem Ansatz aus: „Bei fortschreitender Ausführung, insofern der Aushub bis zum Einbringen der ersten Abstützung ausgeführt und nach Einbringen der Abstützung fortgeführt wird, werden im Feld und im Einspannungsbereich die maximalen Momente erzielt. Für jede weitere Phase des Aushubs wird eine einfache Abstützung (Einfeldträger) zwischen der untersten Abstützung und dem Nullpunkt des Erddrucks unterhalb der Aushubquote angenommen“.

Das Naval Facilities Engineering Systems Command (NAVFAC) ist das Kommando für technische Systeme der United States Navy, das die Navy und das United States Marine Corps mit Einrichtungen und Expeditionsexpertise versorgt.

Nachweis der Baugrubenwand

Durch Ansetzen einer Abstützung oder Verankerung wird im statischen System, das die Wand bildet, ein Gegenmoment generiert, das sich dem Momentenverlauf, der sich bei einer freien Einspannung ohne Abstützung einstellen würde, entgegen stellt. Im Optimalfall werden die Parameter iterativ so lange verändert, bis Biegemomente in ähnlicher Größenordnung entlang der Verbauwand auftreten, sodass eine wirtschaftliche Bemessung gegeben ist.

Besteht die Planungsaufgabe darin, die Baugrube ohne Einspannung zu verwirklichen, ist das Biegemoment an der Baugrubensohle null zu setzen, sodass die Ankerkraft mit einem Hebelsarm anzusetzen ist, wodurch ein Gegenmoment in Höhe des Maximalmomentes erzeugt wird. Das Biegemoment in Baugrubensohle kann aber auch eine Größe annehmen, die noch sinnvoll im Baugrund einzuspannen ist.

Der typische Nachweis für in den Boden einbindende Wände ist:

• Festlegung des statischen Systems
• Lage der Stützungen
• Wahl der Einbindetiefe (Startwert)
• Ermittlung der Einwirkungen: Aktiver Erddruck, Wasserdruck, Lasten
• Ermittlung der Widerstandswerte des Bodens
• Baustatische Berechnung: Ermittlung der Bodenreaktion, die für das Gleichgewicht erforderlich ist, Ermittlung der Ankerkräfte, Ermittlung der Schnittgrößen
• Nachweis gegen Verdrehung
• Nachweis der Vertikalkomponente des Erdwiderstandes
• Innere Bemessung der Bauteile
• Ankernachweise (Nachweis in der tiefen Gleitfuge, Ankerbemessung)
• Gesamtstandsicherheit und ggf. Ankerverlängerung

Nachweis der Verankerung: Nachweis der tiefen Gleitfuge

Beim Nachweis in der tiefen Gleitfuge ist nachzuweisen, dass der Erdkörper, der von der Verankerung erfasst wird, nicht über den Fußpunkt oder einen tiefer gelegenen Punkt abrutscht. Die Abschätzung besagt, dass der Anker 1 bis 1,4 Mal der Stützwand entspricht. Bei zu kurzen Ankern wird hinter der Wand ein Erddruck erzeugt. Dieser wird über die Verpressstrecke des Ankers in einen mittleren Bodenblock übertragen, der abrutscht. Die gewählte Ankerlänge und die sich daraus ergebende mögliche Ankerkraft wird nach dem Verfahren der tiefen Gleitfuge nach Kranz ermittelt.

Nachweis der Verankerung: Nachweis des Stahlzuggliedes

Das Stahlzugglied wird dahingehend bemessen, ob aufgrund der Länge genügend Widerstände aktiviert werden. Neben dem Nachweis der tiefen Gleitfuge wird der Nachweis gegen Böschungsbruch durchgeführt, woraus sich feststellen lässt, ob die Ankerlänge ausreichend ist. Der Nachweis gegen Böschungsbruch wird unter anderem im Rahmen des Gleitkreisverfahrens durchgeführt. Angewandt werden praktisch Lamellenverfahren oder lamellenfreie Verfahren.

Erddruckfiguren und die Konstruktion von Baugruben

Literatur:

[1] Achim Hettler, Theodoros Triantafyllidis und Anton Weißenbach: „Baugruben“, Ernst und Sohn Verlag, Berlin 2018

[2] Deutsche Gesellschaft für Geotechnik e.V.: „Empfehlungen des Arbeitskreises „Baugruben“ EAB“, Ernst und Sohn Verlag, Berlin 2021