Arten des Baugrundes

Der angetroffene Boden wird bei der Baugrunduntersuchung den einzelnen Arten des Baugrundes zugeordnet und seine für Auswahl und Dimensionierung der Gründungen benötigten Eigenschaften werden festgestellt. Falls sich aus Bodenuntersuchungen keine anderen Werte ergeben, sind bei der Berechnung der Gründungen die für die Baugrundverhältnisse geltenden Bodenkennwerte nach DIN EN 50 341-3-4 Tabelle 8.5.2/DE.1 zu berücksichtigen. Dabei wird eine ausreichende Verdichtung des wieder eingefüllten Bodens vorausgesetzt. Gegebenenfalls ist die mögliche Verschlechterung der Konsistenz bindiger Böden und damit die Verminderung der Tragfähigkeit zu berücksichtigen.
Gewachsener Boden wird durch einen abgeklungenen erdgeschichtlichen Vorgang gebildet. Er kann aus der chemischen oder physikalischen Verwitterung und Zersetzung der Gesteine entstehen oder auch organischen Ursprungs sein. Wenn sich die Verwitterungsprodukte der Gesteine noch an der Stelle ihrer Entstehung befinden, spricht man von Rückstands- oder Residualböden, andernfalls von Umlagerungsböden. Rückstandsböden sind im Allgemeinen fest und standsicher. Die vor allem während der Eiszeit entstandenen Umlagerungsböden können bis in große Tiefen locker und weich sein. Wenn organische Bestandteile eingelagert sind, besteht Setzungsempfindlichkeit. Schwierigkeiten bei Gründungen treten daher vor allem bei Umlagerungsböden auf. In der Geotechnik teilt man die Böden nicht nach ihrer Entstehung ein, sondern unterscheidet zwischen anorganischen und organischen Böden. Bei den anorganischen Böden gibt es zwei Hauptgruppen: die nichtbindigen Böden und die bindigen Böden. Reine Bodenarten bestehen aus nur einem Korngrößenbereich. Die meisten Böden stellen aber Gemische unterschiedlicher Korngrößen dar. Diese zusammengesetzten Böden sind entsprechend ihrem Hauptanteil einzuordnen; Hauptanteil ist dabei die Bodenart, die die bestimmenden Eigenschaften des Bodens Prägt. In der geotechnischen Berechnung dieser Projektarbeit liegt ein bindiger Boden mit nichtbindigen Beimengungen vor. Es handelt sich um einen "gewachsenen Boden".

Bodenkennwerte

In den Tabellen in EN 50 341-3-4 sind die Bodenkennwerte für verschiedene Arten des Baugrundes angegeben, mit denen die Gründungen bemessen werden. Für die einzelnen Bodenarten sind die Wichte, der Winkel der inneren Reibung, die zulässige Bodenpressung und der Erdauflastwinkel angegeben. Diese Kennwerte sind Grundlage der geotechnischen Bemessung der Gründungen. Die Wichte der Bodenart wird beim Standsicherheitsnachweis und zur Ermittlung der Bodenpressung der Gründung benötigt. Die Wichte des Bodens geht in die zulässige Bodenpressung ein, die in der Tabelle für eine Tiefe von 1,5 m angegeben ist (s1,5). Bei einer größeren Tiefe der Gründungssohle steigt diese zulässige Bodenpressung (zul st) um die der Mehrtiefe entsprechenden Belastung multipliziert mit dem Faktor ? (aus Tabelle) an. Wenn Grundwasser vorhanden ist, wird unter Auftrieb verminderte Wichte eingesetzt. Es wird hierbei der ungünstigste Grundwasserstand berücksichtigt.
Der Erdauflastungswinkel ß0 aus der Tabelle wird beim Standsicherheitsnachweis eines auf Zug belasteten Fundaments benötigt. Hierbei wird nicht nur das Eigengewicht des Fundaments und das lotrecht über der Fundamentsohle lastende Erdgewicht berücksichtigt, sondern zusätzlich ein Erdkörper, der über die Fundamentsohle hinausreicht. In Abhängigkeit von den Fundamentabmessungen wird mittels des Auflastwinkels ß0 aus der Tabelle das Volumen dieses Erdkörpers ermittelt.

Arten der Gründung

Die Gründungsart für einen Freileitungsmast hängt von der Form des Mastes, von der Größe und Art der Belastung, von den Bodenverhältnissen und den Möglichkeiten der Gründungsausführung ab. Da zwischen den Konstruktionen der Masten und der Gründung ein enger Zusammenhang besteht, muss bereits beim Mastentwurf auf die Gründungsmöglichkeiten Rücksicht genommen werden. Die Entscheidung über die Auswahl einer Gründungsart muss von ihrer Grenztragfähigkeit ausgehen. Die Grenztragfähigkeit, d. h. die Last, bei deren Überschreitung die Gründung ihre Funktion nicht mehr wahrnehmen kann oder versagt, ist eine spezifische Eigenschaft jeder Gründungsart. Methoden zur Ermittlung der Grenztragfähigkeiten werden nachstehend für bei Freileitungen häufige Gründungsarten angegeben. Die geotechnische Bemessung einer Gründung hat die Lastabtragung in den Baugrund und die Ermittlung der Grenztragfähigkeit oder der zum Erreichen der Grenztragfähigkeit erforderlichen Abmessungen zum Ziel, z. B. der Eingrabtiefe. Für die Anforderungen und die Grundlagen der geotechnischen Bemessung gelten die anerkannten Regeln der Technik, die sich in der Literatur und in Normen finden, in Europa insbesondere in EN 50 341-1 und den zugehörigen Nationalen Normativen Festlegungen z. B. für Deutschland EN 50 341-3-4.
Für die geotechnische Bemessung werden die Belastungen der Gründungen herrührend von den Masten und den Eigenlasten der Gründungen als charakteristische Werte (ohne Teilsicherheitsbeiwert) vorausgesetzt. Der erforderliche Abstand zwischen den charakteristischen Werten der Belastung und der Grenztragfähigkeit der Gründung ist von der Gründungsart und der Nachweismethode abhängig. Für die Zugbelastung der Stufenfundamente, Bohrfundamente, Einblockgründungen und Plattengründungen wird ein Teilsicherheitsbeiwert von 1,5 gefordert. In manchen Normen wird zwischen Normal- und Ausnahmebelastung unterschieden, so auch in EN 50 341-3-4. Für die Gründungsbemessung wird meist von der Normalbelastung ausgegangen. Die charakteristischen Werte der Ausnahmebelastungen dürfen dabei abgemindert werden. Gemäß EN 50 341-3-4 betrifft dies Die Lastfälle J, K und L, wobei der Abminderungsfaktor 0,8 beträgt.
Die bautechnische Bemessung der Gründung bezieht sich auf die innere Tragfähigkeit der Gründungskörper. Die Beanspruchung der Gründung wird aus den Bemessungswerten der Mastberechnung ermittelt. Bei Betongründungen erfolgt die Bemessung, Ermittlung der Schnittgrößen und die Ausführung nach ENV 1992-3. Die Betongüte muss mindestens der Klasse C20/25 entsprechen. Die Bemessung von Gründungselementen aus Stahl richtet sich nach ENV 1993-1. Die Teilsicherheitsbeiwerte für die Einwirkungen sind in den Bemessungswerten enthalten; für die Ermittlung der Beanspruchbarkeiten sind die Teilsicherheitsbeiwerte für Werkstoffe nach EN 50 341-3-4 zu beachten.

Stufenfundamenttypen

Hinsichtlich der Herstellungsart und des Tragverhaltens werden die Stufenfundamente nach zwei Fundamenttypen unterschieden. Beim Fundamenttyp A wird die untere Stufe an das gewachsene Erdreich betoniert. Die Grubenschalung endet an der Oberkante der unteren Stufe. Dieser Fundamenttyp setzt standfesten, bindigen, trockenen Boden voraus. Da zum Einrichten der Mastfüße ein bis zwei Tage benötigt werden, ist der untere Teil der Baugrube während der Zeit bis zum Betoneinbringen einsturzgefährdet. Beim Fundamenttyp S wird die untere Stufe an eine Schalung betoniert. Die Grubenschalung endet an der Funamentsohle und bildet die Schalung für die untere Stufe. Der Fundamenttyp S kann auch in nicht standfesten und nassen Böden verwendet werden.

Geotechnische Bemessung

Stufenfundamente werden in Deutschland nach EN 50 341-3-4 geotechnisch bemessen. Die Sohlpressung bei Druckbeanspruchung ist unter Berücksichtigung des Eigengewichtes von Fundament und auflastendem Erdreich nachzuweisen. Bei Zugbeanspruchung treten über dem Umfang der unteren Stufe bis an die Erdoberkante Scherkräfte auf, die die Tragfähigkeit einer Gründung bei Zugbeanspruchung ganz wesentlich bestimmen. Da allgemein gültige Angaben über deren Größe nicht gemacht werden können, wurde ein Verfahren entwickelt, das die Scherwirkung durch das Gewicht eines von dem Auflastwinkel ß begrenzten Erdkörpers ersetzt. Dieser Winkel stellt aber nicht die Begrenzung des Erdkörpers dar, der beim Herausziehen des Fundamentes angehoben wird. Größe und Wirkungsweise des Erdauflastwinkels hängen von der Herstellungsart des Fundamentes, den Abmessungen und der Bodenart ab. Der zu verwendende Erdauflastwinkel errechnet sich sich aus dem Produkt des Erdauflastwinkels aus der Tabelle mit der Wurzel des Quotienten aus der Gründungsbreite b und der Tiefe des Erdauflastkörpers. In der Tabelle sind die Erdauflastwinkel für verschiedene Bodenarten und Fundamenttypen angegeben. Die Werte gelten für Fundamentbreiten von 1,5 bis 5,0 m. Als Fundamentbreite b gilt bei quadratischer unterster Stufe die Seitenlänge, bei kreisförmiger Stufe der Durchmesser. Der untere Wert ß0 gilt für eine Fundamentbreite von 5,0 m und der obere Werte für eine Fundamentbreite von 1,5 m. Zwischenwerte dürfen linear interpoliert werden. Ab einer bestimmten Eingrabtiefe findet eine Erdpyramidenüberschneidung statt. Das Erdvolumen der Erdpyramidenüberschneidung wird hälftig auf die beiden Zugfundamente verteilt.
Die Wirkungsweise des Auflastwinkels ist von der Herstellungsart des Fundamentes abhängig. Bei den Fundamenttypen A und S liegt der Angriffspunkt für den Erdauflastwinkel über der Fundamentsohle. Die Tiefe des Auflastkörpers ergibt sich aus den unten aufgeführten Skizzen. Übersteigt das Verhältnis von Breite zu Tiefe den Wert 1, so ist ß = ß0 bei der Berechnung einzusetzen. Der Erdauflastwinkel ist auf Werte kleiner gleich 35° beschränkt. Das Rechenverfahren gilt für solche Stufenfundamente, deren Verhältnis Breite zu Tiefe größer 0,60 ist. Die Standsicherheit wird nach den in EN 50 341-3-4 festgelegten Grundsätzen nachgewiesen. Bei den auf Druck beanspruchten Stufenfundamenten ist nachzuweisen, dass die als gleichmäßig verteilt angenommenen Bodenpressungen in der Fundamentsohle die zulässige Bodenpressung nicht überschreiten. Als Erdauflast ist die Last des lotrecht über der Fundamentsohle liegenden Erdreiches zu berücksichtigen. Der Einfluss der Horizontallast auf die Bodenpressung darf im Allgemeinen gegenüber dem überwiegenden Einfluss der Vertikallast vernachlässigt werden. Bei Endmasten mit einseitiger Belegung, bei abgeknickten Füßen und hohen Kräften kann die Horizontallast die Bodenpressung jedoch wesentlich erhöhen.
Bei den auf Zug beanspruchten Stufenfundamenten gilt ein Teilsicherheitsbeiwert von 1,5. Wenn andere Standsicherheiten gefordert werden, kann die Art des Nachweises beibehalten werden, wobei dann die geänderten Standsicherheiten zu beachten sind. Neben der erforderlichen Standsicherheit ist nachzuweisen, dass das Verhältnis aus Eigenlast des Fundamentes + senkrecht darüber liegenden Erdauflast und der Eckstielzugkraft beim Fundamenttyp A größer 0,67 und beim Fundamenttyp S größer 0,80 ist. Der gedachte Durchstoßpunkt des Eckstieles durch die Fundamentsohle darf höchstens um das Maß e vom Mittelpunkt der Fundamentsohle abweichen (siehe Skizzen). Die Grenztragfähigkeit der auf Zug beanspruchten Gründungen wird wesentlich durch Dichte und Konsistenz des umgebenden Erdreiches beeinflusst. Bei intensiver künstlicher Verdichtung des Baugrundes durch Rütteldruck- oder ähnliche Verfahren kann dies besonders berücksichtigt werden.

Ausführung

Bei Beachtung der Anforderungen nach EN 50 341-3-4 kann auf eine Bewehrung der Stufenfundamente verzichtet werden. Sollte jedoch die Beanspruchung der Fundamente eine Bewehrung erforderlich machen, erfolgen Ermittlung der Schnittgrößen und Bemessung nach ENV 1992-3. Der Beton ist mindestens in der Festigkeitsklasse C20/25 auszuführen. Höhere Betonfestigkeiten sollten aber möglichst vermieden werden. Die Abmessungen der Fundamente hängen auch von den geforderten Arbeitsräumen ab. Angaben hierüber finden sich in DIN 4124. Als Arbeitsraum gilt der freie Raum zwischen der Schalung des Baukörpers und der Innenkante von Gurtung des Grubenverbaus. Bei rechteckigen Baugruben und rundem Fundamentkörper bis 1,50 m Durchmesser muss der Arbeitsraum an der engsten Stelle mindestens 0,35 m und bei rechteckigem Fundamentkörper mindestens 0,5 m betragen. Für 0,1 m starke Gurte des Grubenverbaus ergibt sich eine minimale Auskragung der unteren Stufe von 45 cm und damit bei einem Fundamentschaft mit 1,10 m Durchmesser eine minimale Fundamentbreite von 2,00 m.
Die Stufenhöhe ergibt sich bei unbewehrtem Beton aus der Größe des Verhältnisses "n" von Stufenhöhe zu Auskragung, das mindestens 1,4 betragen muss. Beim Übergang von einem runden Fundamentschaft zu einer quadratischen Sohle muss zur Ermittlung der Auskragung der Durchmesser "d" des Fundamentschaftes auf die Ersatzstufenbreite b = d/1,13 abgemindert werden.
Eine auskragende Stufe wird bei Zugbelastung auf Biegung beansprucht. Im Gegensatz zur Druckbelastung liegt bei Zugbelastung der Betonquerschnitt mit dem maximalen Biegemoment aus dem Erdgewicht nicht eindeutig fest. Unter der Annahme eines monolithischen Betongefüges entsteht das maximale Biegemoment bei rechteckigem Schaft am Fußpunkt der oberen Stufe und bei rundem Schaft im Abstand der Ersatzbreite. Das Auskragungsverhältnis n = 1,4 sollte bei allen Stufen eingehalten werden. Fundamente mit Auskragungen it n < 1,4 müssen bewehrt und nachgewiesen werden. Bei abgeknicktem Eckstiel können die Stufen symmetrisch übereinander aufgebaut werden. Bei durchgehendem Eckstiel wird die erste Stufe über der Sohle mittig angeordnet und die nach oben folgenden entsprechend der Eckstielneigung versetzt. Der Mittelpunkt der Fundamentsohle darf höchstens um das in den Skizzen (sieh unten) angegebene Maß "e" vom gedachten Durchstoßpunkt des Eckstieles durch die Fundamentsohle abweichen. Diese Forderung ist beim Abstecken der Fundamentgrube zu berücksichtigen.

Eckstielverankerung

Die Eckstiele können im Beton entweder über gesonderte Elemente oder allein durch Haftung zwischen Eckstiel und Beton verankert werden. Als Verankerungselemente dienen meist Haftwinkel aus einem gängigen Winkelprofil oder Knaggen von quadratischem oder rechteckigem Querschnitt. Der bautechnische Nachweis der Verankerung ist für die Druckspannung zwischen den Verankerungsteilen und dem Beton, für die Verbundspannung in der Umrissfläche der Verankerungsteile und für die Verbindung der Verankerungsteile mit dem Eckstiel zu führen. Die Schubspannung der Kehlnähte zwischen den Verankerungsteilen und dem Eckstiel wird nach ENV 1993-1 nachgewiesen. Die Biegebeanspruchung der Schweißnähte muss nicht beachtet werden. Die bautechnischen Nachweise erfolgen mit den Grenzlasten.

Hinweis

Die folgenden Erläuterungen zur Vorgehensweise stammen aus den genannten Normen und der Fachliteratur "Freileitungen - Planung, Berechnung, Ausführung" 5.Auflage von Friedrich Kießling, Peter Nefzger und Ulf Kaintzyk, erschienen im Springer-Verlag (ISBN 3-540-42255-2).