Der Frankipfahl in Österreich

Priv.Doz. Dipl.-Ing. Dr.techn. Fritz KOPF FCP, Fritsch Chiari & Partner, Wien

Dipl.-Ing. Thomas GARBERS Isg, Ingenieurservice Grundbau GmbH, Seevetal

Dipl.-Ing. Erwin PANI FCP, Fritsch Chiari & Partner, Wien

KURZFASSUNG

Der Frankipfahl ist ein Ortbetonrammpfahl mit vergrößertem ausgerammten Pfahlfuß. Seine Herstellung und Dimensionierung wird beschrieben und beispielhaft auf typische Musterprofile, die bestimmte Gebiete Österreichs charakterisieren angewandt. Die Vor- und Nachteile des Pfahlsystems werden gegenübergestellt und seine Anwendung gemäß der aktuellen Normenlage dargestellt.

1. DER FRANKIPFAHL – NEUE UND ALTE METHODE

1.1. Die Herstellung

Der Frankipfahl wurde vor mittlerweile über hundert Jahren vom belgischen Ingenieur Edgard Frankignoul (1882-1954) erfunden und 1909 zum Patent angemeldet. Seit dieser Zeit hat sich diese Pfahltechnologie von Europa ausgehend weltweit verbreitet und ist bei tausenden von Bauprojekten erfolgreich angewendet worden. Mittlerweile wurde die ursprüngliche Herstellungsmethode leicht modifiziert und an die heutigen Baustellenverhältnisse angepasst. Es handelt sich beim Frankipfahl um einen Ortbetonrammpfahl mit vergrößertem Pfahlfuß. Die Bodenverbesserung durch den Verdrängerpfahl und die Möglichkeit, den Pfahlfuß gezielt auszubilden hat der Frankipfahl in der Regel eine bedeutend höhere Tragkraft als Bohrpfähle mit vergleichbaren Abmessungen. Er wird in folgenden Arbeitsschritten hergestellt:

Das Vortreibrohr wird angesetzt, mit einem Pfropfen aus Trockenbeton oder Kies verschlossen und mittels Rammbär angestampft. Der Pfropfen verschließt das Rohr wasserdicht.

Der Rammbär schlägt auf den Pfropfen, der sich im Vortreibrohr verkeilt und dieses in den Boden treibt. Durch die Innenrammung und das Schlagen des Freifallbärs auf den Pfropfen werden Geräusch- und Erschütterungsausbreitung in Grenzen gehalten.

Beim Erreichen der Endtiefe wird der Pfropfen ausgestampft und der Pfahlfuß ausgebildet indem unter leichtem Ziehen des Rohres (2-3 cm/Schlag) das erforderliche Volumen an trockenem Beton ausgetrieben wird. Das Rohr bleibt dabei stets wasserdicht verschlossen und wird während des Ausstampfens des Fußes

insgesamt um 80 cm gezogen. Falls eine größere Länge erforderlich würde, wird das Rohr nochmals eingerammt und der Fuß abermals von unten beginnend weiter ausgerammt.

Im Unterschied zum alten Verfahren wird nach dem Einstellen des Bewehrungskorbes der Schaft nicht mehr im Stampfverfahren des abschnittweise eingebrachten Betons unter Ziehen des Rohres ausgestampft, sondern mit fließfähigem Beton in Einem betoniert und das Rohr gezogen. Im neuen Konzept steht also der Spitzenwiderstand im Vordergrund. Das Risiko während des Ausrammens des Schaftes zu tief zu schlagen und Wasser sowie Erdeinbrüche in Kauf zu nehmen wird nicht mehr eingegangen.

Nach dem Erhärten des Betons wird der Pfahlkopf abgeschrämt und die Bewehrung freigelegt. Damit ist er fertig hergestellt und kann in das weitere Bauwerk integriert werden.

Abb. 1 Arbeitsschritte bei der Herstellung des Frankipfahles im „neuen Verfahren“ [CD Franki Grundbau, Technische Informationen 2014]

Es können Maximaltiefen von 27m (in Ausnahmefällen 35m) erreicht werden, wobei unterschiedliche Geräte für das Rammen des Rohres (z.B. Simplex-Ramme) und für die Ausbildung des Fußes (Franki-Ramme) verwendet werden müssen. Für Standardanwendungen sind 16m Pfahllänge üblich und mit dem Franki-Gerät alleine herstellbar. Die typischen Durchmesser sind 42 cm, 51 cm, 56 cm, 61 cm und 71 cm, wobei

durch den breiten Pfahlfuß ein größerer Achsabstand (3,5 anstatt der üblichen 2,5 )

eingehalten werden muss, wenn gegenseitige Beeinflussung vermieden werden soll. Frankipfähle können bis zu einer Neigung von 1:4 vom Gerät weg, bzw. max. 1:6 in der

Neigung unter das Gerät hergestellt werden, die geleistete Rammarbeit ist aber im Vergleich zur lotrechten Herstellung vermindert. Unter durchschnittlichen Bedingungen können mit einem Gerät etwa 5-10 Pfähle am Tag hergestellt werden. In sehr weichen Böden kann mittels Kies (16-32) eine Kiesvorverdichtung (KVV) erzielt werden, die mindestens 1m unter den künftigen Pfahlfuß zu reichen hat. Ab einer Schlagzahl von 125 Normschlägen/2m wird der Untergrund hinreichend tragfähig eingestuft. Bei zu dichter Lagerung des Baugrundes kann ein Vorbohren notwendig werden um den Pfahl abteufen und das Rohr auch wieder ziehen zu können. Das anstehende Grundwasser ist auf Betonaggressivität (abbinden, treiben, lösen) zu untersuchen, da der trocken eingestampfte Fußbeton mit diesem Wasser abbinden muss. Durch den Rammvorgang treten Erschütterungen im Umfeld auf (Maxima bei 10 Hz - 20 Hz), weshalb der Frankipfahl im dichter verbauten Gebiet und in der Nähe von Schwingungsanfälligen Strukturen, denkmalgeschützten Gebäuden und sensiblen Einbauten oft nicht zum Einsatz kommen kann. In Abbildung 2 ist im doppellogarithmischen Maßstab der Zusammenhang zwischen maximaler Schwinggeschwindigkeit und dem Abstand vom hergestellten Pfahl exemplarisch für die Daten einer Baustelle dargestellt.

Abb. 2 Maximale Schwinggeschwindigkeit in Abhängigkeit des Abstandes zum Pfahl in doppellogarithmischer Skalierung. Richtwerte nach dem neuen Vorschlag zur ÖNORM S 9020

1.2. Die Ermittlung der Bruchlast aus Erfahrungswerten

Aus den Erfahrungen über viele Jahrzehnte mit der alten und der neuen Herstellungsart von Frankipfählen hat sich durch Auswertung der durchgeführten Probebelastungen eine Methode entwickelt die Bruchlast des Frankipahls bzw. die erforderliche Fußausbildung unter den erkundeten Bedingungen zu prognostizieren. Diese ist in den Empfehlungen des Arbeitskreises Pfähle „EA-Pfähle“ [EA-Pfähle] wie folgt aufgezeigt: Für die Mantelreibung wird die Länge des Pfahles um 0,8m reduziert um nur die Schaftlänge ohne Fußausbildung zu berücksichtigen.

Tab. 1 Spannen der Erfahrungswerte für die charakteristische Pfahlmantelreibung qs,k für Frankipfähle [EA-Pfähle]

mittlerer Spitzenwiderstand qc 

der Drucksonde [MN/m²]

Bruchwert qs,k der 

Pfahlmantelreibung [kN/m²]

7,5 70 ‐ 95

15 115 ‐ 150

25 135 ‐ 180

Scherfestigkeit cu,k des 

undrainierten Bodens [kN/m²]

60 35 ‐ 45

150 55 ‐ 70

250 70 ‐ 90

nichtbindiger 

Boden

bindiger 

Boden

Zwischenwerte dürfen geradlinig interpoliert werden Der dominante Anteil des Pfahlwiderstandes ist jedoch jener, den der Pfahlfuß beisteuert. Der Vorteil des Frankipfahles ist, dass er nicht nach starren Vorgaben hergestellt wird sondern die Pfahlherstellung selbst gleichzeitig als Erkundung für die richtige Wahl der Pfahllänge und der Ausbildung des Pfahlfußes dient. Damit können Abweichungen von den Annahmen verlässlich erkannt werden und es kann flexibel auf die örtlichen Begebenheiten reagiert werden. Als dimensionsloser Kennwert für die Tragfähigkeit des Untergrundes wird der Norm-Rammarbeit-Anteil W definiert, wobei die tatsächliche (bei geneigten Pfählen nach Tabelle abgeminderte) Rammarbeit Wist auf eine Pfahldurchmesser-abhängige Basis Wnorm bezogen wird (Gl. 1).

norm

ist

W

WW (Gl. 1)

Tab. 2 Abminderungsfaktor für die geleisteten Rammarbeit Wist bei geneigten Frankifählen [EA-Pfähle]

bis 10:1 1,00

bis   8:1 0,95

bis   6:1 0,90

bis   4:1 0,85

Tab. 3 Norm-Rammarbeit Wnorm für lotrechte Frankifähle [EA-Pfähle]

Rohrdurchmesser 

Ds [cm]

Bärgewicht 

[kN]Fallhöhe [m]

Anzahl der 

Rammschläge / 

2m

Norm‐ 

Rammarbeit 

Wnorm [kNm]

42 22,0 6,5 125 17.875

51 30,0 6,5 125 24.375

56 37,5 6,5 125 30.469

61 45,0 6,5 125 36.563

Abb. 3 Obere Erfahrungswerte für Pfahlfußwiderstände (ULS) und erforderliche Fußvolumen von Frankipfählen in nichtbindigen Böden [EA-Pfähle]

Mittels Fußbemessungsnomogrammen kann das erforderliche Volumen des Pfahlfußes ermittelt werden um den gewünschten Pfahlwiderstand zu erreichen. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel eines jener Fußbemessungsnomogramme, die für nichtbindige Böde, bindige Böden und Geschiebemergel vorliegen und die oberen bzw. unteren Erfahrungswerte für Pfahlfußwiderstände angeben und mit deren Hilfe, in Abhängigkeit des Norm-Rammarbeit-Anteils, das erforderliche Pfahlfußvolumen ermittelt werden kann. Man kann dem Nomogramm entnehmen, dass der Pfahlfußwiderstand unabhängig vom Pfahldurchmesser ist. Außerdem ist ersichtlich, dass der Norm-Rammarbeit-Anteil ein Bodenkennwert ist, der mit Bodenparametern wie Sondierwiderstand qc oder der undrainierten Scherfestigkeit cu,k verglichen werden kann (siehe zweite Skala der Abszisse). Das für die örtlichen Gegebenheiten zutreffende Diagramm wird auf der Baustelle angewendet, sodass der Pfahlfuß stets der künftigen Pfahllast entsprechend ausgestampft werden kann. Die Setzungen unter Gebrauchslast können auf diese Methode hervorragend homogenisiert werden. Die Absolutsetzungen liegen erfahrungsgemäß in einer Größenordnung von 0,5 - 1,0 cm, die Relativsetzungen liegen mit der beschriebenen Pfahlherstellungs-Methode bei etwa 25% - 30% davon.

2. GEOLOGISCHE VERHÄLTNISSE –

BEDINGUNGEN FÜR DEN FRANKIPFAHL IN ÖSTERREICH

2.1. Typische Regionen Österreichs

Selbstverständlich kann der folgende Versuch repräsentative Untergrundverhältnisse für bestimmte Österreichische Regionen nur beispielhaften Charakter haben. Die gezeigten Musterprofile dienen lediglich zur Demonstration der Anwendung des Frankipfahls im Vergleich zu einem Bohrpfahl gleicher Traglast. Sie sind ein Kondensat zahlreicher Bodenaufschlüsse, die den einzelnen Regionen zugeordnet werden konnten und zeigen auch nicht die Bandbreite der geometrischen und bodenmechanischen Verhältnisse an, sondern wurden exemplarisch als typische, im österreichischen Dauersiedlungsraum vorkommende Bodentypen kreiert. Es kann natürlich auch kein Anspruch auf Vollständigkeit erhoben werden. Es soll lediglich skizziert werden, in welchen Regionen mit dem Vorkommen bestimmter Bodentypen gerechnet werden kann. Die inneralpinen Bereiche wurden mit Ausnahme der Talfüllungen aufgrund ihrer Heterogenität, dem vielerorts oberflächlichen Anstehen von Fels, sowie der weniger dichten Besiedelung bewusst ausgeklammert.

Abb. 4 Skizze einiger in Österreich vorkommender Bodentypen aus baugeologischer Sicht im Kontext der Geologischen Karte: 1) Böden im Sedimentationsraum der Donau, 2) Pleistozäne Terrassenböden, 3) Lössböden, 5) Lakrustische Talfüllungen, 6) Böden im Kristallin der Böhmischen Masse, 7) Schlier, 8) Inneralpine Talfüllungen, 9) Moorböden, 10) Böden der Flyschzone. Plangrundlage: Hydrogeologische Karte der Republik Österreich, herausgegeben von der geologischen Bundesanstalt

Der Bodentyp 4 „Verwitterungslehme“ wurde in der Darstellung (Abbildung 4) ausgeklammert, da dieser sehr häufig und im gesamten Gebiet der Republik Österreich verbreitet ist. Die Verbreitungsgebiete der Bodentypen gemäß dieser Karte sind nicht als exakte Abgrenzung zu verstehen, es handelt sich lediglich um Gebiete mit dominantem Vorkommen. Ein Anspruch auf Vollständigkeit kann dabei nicht erhoben werden. Beispielsweise sind die Flächen mit dem Index 8 (Inneralpine Talfüllungen) exemplarisch für die Sedimente der Flüsse in den Alpen, auch wenn sich die Darstellung nur auf die großen Talfüllungen der Flüsse Inn und Mur beschränkt.

2.2. Musterprofile aus baugeologischer Sicht -

der Vergleich zwischen Franki- und Bohrpfahl gleicher Traglast

In die Abbildungen der dermaßen konstruierten Musterprofile der „charakteristischen Bodentypen“ mit zugehörigen repräsentativen Rammsondierungsprofilen wurden für typische Pfahllasten die entsprechenden Frankipfähle im Vergleich mit Bohrpfählen gleicher Tragkraft dargestellt. Nur im Beispiel „Kristallin der böhmischen Masse“ ist das Tragverhalten der beiden Pfahltypen unterschiedlich gewählt. Aus dem Vergleich der Geometrie ist ersichtlich, dass der Frankipfahl systembedingt auch schon bei geringerer Einbindetiefe vergleichbares Tragverhalten zeigt und generell weniger Beton erforderlich ist. Die Gesamtherstellungskosten sind aus diesen Kennzahlen ohne Kenntnis der projektspezifischen Randbedingungen nicht direkt ableitbar. Jedoch wird aus dieser Gegenüberstellung ersichtlich, wo die Vorteile der einzelnen Pfahlsysteme liegen. Beim Musterprofil „Moorböden“ wurde kein Vergleich zwischen Frankipfahl und Bohrpfahl gezogen, weil die Herstellung des Frankipfahls unter den angenommenen Verhältnissen nicht verlässlich möglich bzw. sinnvoll wäre und sich die Länge des Bohrpfahles nach der Mächtigkeit der organischen Schichten richtet. In der EA-Pfähle wird die charakteristische Pfahlmantelreibung auf Ergebnisse der Drucksondierung bezogen. In Österreich wird jedoch aufgrund der Heterogenität der Bodenprofile der Rammsondierung meist der Vorzug gegenüber der Drucksondierung zur indirekten Erkundung gegeben, weshalb im Folgenden das typische Ergebnis einer Rammsondierung bei den Musterprofilen angegeben wird.

2.2.1. Böden im Sedimentationsraum der Donau

Die Flussablagerungen der Donau des jüngeren Holozän bestehen meist aus Kies, Sand, Ton, Auelehm und anderem Schwemmmaterial. Es dominieren hierbei meist Kiese. Vielfach werden die fluviatilen Sedimente von Löss oder Lösslehm überlagert. Die Mächtigkeit der Flussablagerungen variiert von wenigen Metern bis zu mehreren Zehnermetern. Das Liegende bilden in der Regel die tertiären Feinsande, Schluffe und Tone des sogenannten Wiener Tegels.

Abb. 5 Böden im Sedimentationsraum der Donau (1)

2.2.2. Pleistozäne Terrassenböden

Diese sind geprägt von fluviatilen Kiesen der Günz-, Mindel- (Deckenschotter), sowie Riß- und Würmeiszeit (Terrassenschotter). Sie sind im Alpenvorland verbreitet. In Abhängigkeit vom Alter der Kiese weisen diese einen höheren Verwitterungsgrad auf, als quartäre Schotter. Dies spiegelt sich auch im höheren Schluff- und Sandanteil wider. Die bei den Rammsondierungen gemessenen Schlagzahlen sind meist weniger oszillierend und vielfach niedriger als bei quartären Flusskiesen. Teils bauen die Terrassen- und Deckenschotter Hochflächen auf, die vielmals stark zertalt sind. Im Wiener Raum wird das Liegende vom sogenannten Wiener Tegel gebildet.

Abb. 6 Pleistozäne Terrassenböden (2)

2.2.3. Lössböden (Lösslehm)

Löss ist ein äolisches Sediment mit einem dominanten Grobschluff-Anteil und wechselnd hohen Karbonatgehalten bis etwa 30 %. Er wurde vor allem im Pleistozän während der Kaltzeiten gebildet. Das Material stammt vorwiegend aus den damals fast vegetationslosen und daher vor dem Angriff des Windes ungeschützten Schwemmebenen der großen FIüsse. Der Löss bedeckt in Mächtigkeiten bis zu wenigen Zehnermetern riesige Flächen im Bereich der großen Flusslandschaften und der angrenzenden Hügelländer, wo er das Substrat für wertvolle landwirtschaftliche Boden bildet. Durch die Tiefenverwitterung wird Löss zu Lösslehm umgewandelt und ist dann an der Oberfläche häufig nicht von Verwitterungs- oder Hanglehmen zu unterscheiden. Löss gilt im Vergleich zu Lösslehm und Verwitterungslehm in der Regel als leichter rammbar. Lössböden neigen bei Wasserzutritt und Erschütterung tendenziell zu Sackungen.

Abb. 7 Lössböden (3)

2.2.4. Verwitterungslehme

Bei den in Österreich vorkommenden Verwitterungslehmen handelt es sich großteils um Schluffe mit hohem Feinsandanteil, vielfach auch tonigen Anteilen. Die Verwitterungslehme entstehen vielfach, jedoch nicht ausschließlich aus Lösselehmen durch fortschreitende Verwitterung. Oftmals sind auch erhöhte organische Anteile vorzufinden. Aufgrund der meist steiferen Konsistenz sind Verwitterungslehme oft schwerer rammbar, als Lösslehme.

Abb. 8 Verwitterungslehm (4)

2.2.5. Lakrustische Talfüllungen

In den postglazialen Becken bildeten sich Seen, dessen feinkörnige Ablagerungen in Mächtigkeiten von bis zu mehreren Zehnermetern anstehen. Zumeist handelt sich hierbei um unterschiedlich plastische, feinsandige Schluffe, die örtlich Zwischenlagen aus Feinsand enthalten. Beispielhaft für großflächige Seetonablagerungen sind das Gebiet um die Stadt Salzburg, sowie das Rheintal.

Abb. 9 Lakrustische Talfüllungen (5)

2.2.6. Kristallin der Böhmischen Masse

Die Böhmische Masse ist Teil des alten europäischen Grundgebirges, dessen südlicher zentraleuropäischer Teil das Mühlviertel und das Waldviertel aufbaut. Der Gesteinsinhalt der Böhmischen Masse setzt sich aus metamorphen Abkömmlingen von klastischen Sedimenten (Paragneise), Kalken und Mergeln (Marmore und Kalksilikatgneise) sowie Magmatiten - basischen (Amphibolite) und sauren (Orthogneise) - zusammen. Riesige Massen von Graniten - der Südböhmische Pluton - dominieren im Westen. Häufig wird das Kristallin von Sedimenten späterer Epochen überdeckt. Die kristallinen Gesteine werden vielerorts von einer wenige Dezimeter bis mehrere Meter mächtige Schicht verwitterten Kristallins überdeckt.

Abb. 10 Böden im Kristallin der böhmischen Masse (6)

2.2.7. Schlier

Beim Schlier handelt es sich um meist mergelige bis sandige Sedimente des Neogens, welches regelmäßig von unterschiedlich mächtigen Horizonten aus Mittel- bis Feinsanden unterbrochen wird. Er bildet das Liegende in großen Teilen der subalpinen Molassezone. Im Vergleich zum Wiener Tegel ist der Sandanteil meist höher. Teilweise treten verhärtete Horizonte (Sandstein, Schluffstein, Tonstein) auf.

Abb. 11 Schlier (7)

2.2.8. Inneralpine Talfüllungen

Die Flussablagerungen vormals vergletscherter Täler bestehen meist aus Kies, Sand, Ton, Aulehm und anderem Schwemmmaterial. Es dominieren hierbei Kiese. Die diese Kiese überlagernden Horizonte sind meist geringmächtig, in den Talflanken werden diese oftmals von Hangschuttmaterial überlagert. Im Vergleich zu den Sedimenten der Donau sind die Schotter der Alpenflüsse meist grobkörniger, weniger gerundet und dichter gelagert. In Abhängigkeit von der Genese bildeten sich auch vielerorts Konglomerate (zB. Im Raum Steyr). Die Mächtigkeit der inneralpinen Talfüllungen kann in Abhängigkeit der Lage des Talbodens bis zu mehreren hundert Metern betragen.

Abb. 12 Inneralpine Talfüllungen (8)

2.2.9. Moorböden

Moore sind lebende Ökosysteme. In ihnen wird organische Substanz akkumuliert und zu Torf umgewandelt. Ohne spezielle Gründungsmaßnahmen stellen Moorböden keinen dauerhaft geeigneten Baugrund dar. Das Grundwasser ist üblicherweise betonaggressiv.

Abb. 13 Moorböden (9)

2.2.10. Flyschzone

Die Gesteine dieser vom Rheintal bis zur Donau und darüber hinaus in den Bisambergzug reichenden Zone sind in einem langgestreckten Tiefseetrog entstanden. Die Gesteinsfolgen sind weitgehend wasserundurchlässig, mergelreiche Partien sind rutschanfällig, bei Starkregen besteht Hochwassergefahr. Typisch für die Böden der Flyschzone ist das Auftreten von Grobklastika in einer sandig-tonigen Matrix.

Abb. 14 Böden der Flyschzone (10)

3. DIE VORSCHRIFTGEMÄßE ANWENDUNG DES FRANKIPFAHLS

3.1. Grundlagen der Bemessung

Die Bemessung von Pfählen ist EU-weit in der ÖNORM EN 1997-1 „Eurocode 7: Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik; Teil 1: Allgemeine Regeln“ geregelt. In Österreich sind zusätzlich die Vorgaben der ÖNORM B 1997-1-1 „Eurocode 7: Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik; Teil 1: Allgemeine Regeln; Nationale Festlegungen zu ÖNORM EN 1997-1 und nationale Ergänzungen“ einzuhalten.

Die beiden ÖNORMEN verlangen für den Einzelpfahl Nachweise gegen das Eintreten folgender Grenzzustände der Tragfähigkeit

Grundbruch der Pfahlgründung (GEO),

unzureichender Zugwiderstand der Pfahlgründung bei Aufschwimmen (UPL) oder Rausziehen unter einer äußeren Zuglast (GEO),

Bodenversagen bei Querbelastung des Pfahles (GEO),

inneres Versagen des Pfahles (STR) bei Druck, Zug, Biegung, Knicken oder Schub,

sowie gegen das Eintreten folgender Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit

übermäßiger Setzungen,

übermäßiger Hebungen,

übermäßiger seitlicher Bewegungen und

unzulässiger Schwingungen.

Eine Bemessung auf Basis von unternehmenseigenen Norm-Fußkurven ist in der ÖNORM B 1997-1-1 nicht behandelt. Die ÖNORM EN 1997-1 selbst sieht für die Ermittlung

des charakteristischen Widerstandwertes Rc;k von auf Druck belasteten Pfählen folgende

Möglichkeiten vor:

statische Probebelastungen,

Ergebnisse von Baugrunduntersuchungen,

Stoßversuche bzw. dynamische Probebelastungen,

Anwendung von Rammformeln oder

Analyse von Wellengleichung.

Die Behandlung von unternehmenseigenen Norm-Fußkurven könnte sich an den Normenvorgaben für Stoßversuche bzw. dynamische Probebelastungen oder der Anwendung von Rammformeln orientieren, da die ÖNORM EN 1997-1 für die Ermittlung von

charakteristischen Widerstandwerten Rc;k für all diese Fälle denselben Satz von

Teilsicherheitsbeiwerten t = 1,1 und Streuungsfaktoren 5 = [1,4 bis 1,6] bzw. 6 = [1,25 bis

1,4] vorsieht.

Da eine österreichweite, abgesicherte normgerechte Vorgangsweise auf Basis von unternehmenseigenen Norm-Fußkurven derzeit nicht in einem nationalen Anwendungsdokument geregelt ist, wird nachfolgend nur auf die äußere Bemessung (GEO) von axial auf Druck beanspruchten Frankipfählen auf Basis von statischen Pfahlprobebelastungen eingegangen.

3.2. Bemessung von axial auf Druck beanspruchten Frankipfählen

Gemäß ÖNORM B 1997-1-1 ist für die Bemessung von axial auf Druck beanspruchten Pfählen das Nachweisverfahren 2 gemäß ÖNORM EN 1997-1, Abschnitt 2.4.7.3.4.3(1)P anzuwenden. Es muss gelten:

Fc;d ≤ Rc;d mit Fc;d Bemessungswert der Drucklast auf den Pfahl zufolge Statik,

Rc;d Bemessungswiderstand des auf Druck belasteten Pfahl.

Der Bemessungswiderstand eines auf Druck belasteten Pfahles Rc;d lässt sich gemäß

ÖNORM EN 1997-1 aus einer Pfahlprobebelastung folgendermaßen ableiten:

Rc;d Rc;k / t min { ( Rc;m )mitt / 1, ( Rc;m )min / 2 } / t

mit Rc;k charakteristischer Wert des auf Druck belasteten Pfahls,

Rc;m aus Probebelastungen gemessene Kleinst- bzw. Mittelwerte,

t 1,1 Teilsicherheitsbeiwert gemäß ÖNORM B 1997-1-1, Tab. 7,

1, 2 Streuungsfaktor gemäß ÖNORM B 1997-1-1, Tab. 8. abhängig von der

Anzahl n probebelasteter Pfähle:

1 auf Mittelwerte von gemessenen Pfahlwiderständen,

2 auf Kleinstwerte von gemessenen Pfahlwiderständen.

Wie anhand der Tabelle für die Streuungsfaktoren leicht erkennbar ist, kann bei Erhöhung

der Anzahl n probebelasteter Pfähle eine Einsparung bei der Pfahlbemessung erzielt werden.

Bei einer Gegenüberstellung des Aufwandes für Pfahlprobebelastungen ist zu beachten, dass für einen Probepfahl fünf verlorene Pfähle hergestellt werden müssen (1 Probepfahl plus 4 Zugpfähle).

D.h. zum Beispiel bei Ausführung von 4 Probepfählen, anstatt 1 Probepfahl, ergibt sich eine mögliche höhere Ausnützung – bei Bemessung auf die Mittelwerte der gemessenen Pfahlwiderstände – von ca. 25 %. In diesem Beispiel werden anstatt 5 Stück verlorene Pfähle also 20 Stück verloren. Der zusätzliche Verlust von 15 Stück Pfählen ist daher ab einer Gesamtpfahlanzahl von ca. 4 x 15 - 5 = 55 Stück Bauwerkspfähle zu empfehlen. Werden noch mehr Bauwerkspfähle verbaut ist bei diesem Beispiel eine Prüfanzahl von n ≥ 4 bereits unbedingt zu empfehlen.

4. ZUSAMMENFASSUNG

Die Betrachtung des Frankipfahles unter Österreichischen Bedingungen zeigt, dass er dort, wo er idealerweise einsetzbar ist, mit relativ geringem Aufwand hohe Tragkräfte aufzunehmen im Stande ist. Idealbedingungen für dieses Pfahlsystem herrschen, wenn höhere Pfahllasten aufzunehmen sind, der Boden gut rammbar ist (HDP n10≈10), wenn keine relevanten Rammhindernisse zu erwarten sind, die Herstellungsgeschwindigkeit nicht ganz im Vordergrund steht, sich in der näheren Umgebung keine erschütterungssensible Bebauung befindet, der Untergrund ggf. kontaminiert sein könnte und daher kein Bodenaushub erwünscht ist. Wenn diese Idealbedingungen nicht vorliegen, bei heterogenen kleinräumig wechselnden Bedingungen, Schichten, die nicht penetrierbar aber dennoch nicht tragfähig sind, sehr langen Pfahllängen und in betonaggressivem Milieu, gibt es z.T. recht einfache Abhilfen wie z.B.

für n = 1 2 3 4 5

1 1,40 1,30 1,20 1,10 1,00

2 1,40 1,20 1,05 1,00 1,00

Betontechnologie (Zement, Zuschlag) bei aggressiven Wässern, aber auch das Vorbohren wird bei Bedarf angewendet. Der Frankipfahl verliert dadurch zusehends seine Attraktivität im Vergleich zu anderen Pfahlsystemen. Ist er aber anwendbar bietet er doch einige Vorteile in geringem Beton- und Energieverbrauch, kleineren erforderlichen Fundamenten bzw. Pfahlrosten. Mit seinem dünnen Schaft und auf Spitzendruck dimensionierten Fuß ist der Frankipfahl auch eine gute Lösung bei der Fundierung von integralen Brücken, die in letzter Zeit häufig zur Anwendung kommen und denen hohe Traglasten bei gleichzeitigem biegeweichem Verhalten und horizontaler Flexibilität sehr entgegen kommen. Mit Hilfe der Bemessungsnomogramme ist der Frankipfahl unschwer zu bemessen und es kann der Pfahlfuß auf die Baustellenbedingungen und den erforderlichen Pfahlwiderstand abgestimmt ausgerammt werden. Systembedingt sind dadurch verlässlich hohe Pfahllasten aufnehmbar. Das derzeit gültige nationale Anwendungsdokument ÖNORM B 1997-1-1 sieht keine klare normgemäße Regelung für die Anwendung von Bemessungsnomogrammen vor. Nur die Nachweisführung über statische Probebelastungen ist national eindeutig geregelt. Für eine wirtschaftliche Dimensionierung auf Basis von statischen Probebelastungen ist die Anzahl geplanter Versuchspfähle in Bezug zur Gesamtzahl der Bauwerkspfähle zu setzen, um von geringeren Streuungsfaktoren profitieren zu können. Nach nahezu hundertjährigem weltweitem Einsatz des Frankipfahles wurde das System neuerdings auf einen mit plastischem Beton hergestellten Schaft ohne Ausrammen des Schaftes umgestellt. Das bei der alten Methode (Ausrammen des Schaftes) bestehende Risiko, Fehlstellen im Schaft zu produzieren ist dadurch minimiert. Die Betrachtungen zeigen, dass es weiterhin technisch und wirtschaftlich sinnvoll ist, den Frankipfahl weitere hundert Jahre einzusetzen.

LITERATUR

Deutsche Gesellschaft für Geotechnik (2012): Empfehlungen des Arbeitskreises “Pfähle” EA-Pfähle. Ernst & Sohn, 2. Auflage.

Brieke W., Garbers T (2006): Die Herstellungsvarianten des Frankipfahls, Möglichkeiten der Traglaststeigerung, Beitrag zur 34. Konferenz der Czech Geotechnical society, Brünn

Franki Grundbau (2014): Technische Informationen 2014. CD ÖNORM EN ISO 22476-2 (2005): Geotechnische Erkundung und Untersuchung -

Felduntersuchungen, Teil 2: Rammsondierungen Geologische Bundesanstalt (1969): Hydrogeologische Karte der Republik Österreich ÖNORM S 9020 (1986): Bauwerkserschütterungen; Sprengerschütterungen und

vergleichbare impulsförmige Immissionen, Hinweise auf den neuen Entwurf der S 9020 ÖNORM EN 1997-1 „Eurocode 7: Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik;

Teil 1: Allgemeine Regeln“