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Foto: Naue
Abbildung 1: Beispiel einer temporären Arbeitsplattform für einen Raupenkran zur Errichtung einer Windenergieanlage (WEA).

Arash Khansari, Jörg Klompmaker, Lars Vollmert

Temporäre Gründungspolster mit Geogittern

Die Betriebslasten von Rammgeräten und Kranen steigen. Für ihre Einsätze konventionelle Plattformen zu bauen, ist oft unwirtschaftlich. Eine Alternative sind temporäre Gründungspolster mit Geogittern.

Was ist eine Arbeitsplattform? Eine Arbeitsplattform ist ein temporäres Gründungspolster, das aus einer verdichteten Schotterfüllung besteht mit dem Zweck, eine sichere Arbeitsebene für Baufahrzeuge zu schaffen (Abbildung 1). Das Gründungspolster soll die aus dem Baugerät resultierende Flächenpressung und Scherbeanspruchung auf ein verträgliches Maß für den gering tragfähigen Untergrund reduzieren.

Anwendungsbereiche

Aufgrund einer stetig wachsenden Nachfrage nach größeren Bauteilen (z.B. bei Pfahlgründungen, Windkraftanlagen, etc.) sind die Dimensionen von Rammgeräten und Kranen sowie deren Betriebslasten in den letzten Jahren erheblich gewachsen. Unter diesen Randbedingungen ist der Einsatz konventioneller Arbeitsplattformen (z.B. unbewehrte, ungebundene Gründungspolster, Stahlplatten) aufgrund der erforderlichen Schichtmächtigkeiten in der Regel unwirtschaftlich oder nicht ausreichend sicher. Dies hat zu einer steigenden Anzahl von Anwendungen mit geogitterstabilisierten und -bewehrten Tragschichten sowie zu einem besseren Verständnis bezüglich des Einflusses von Geogittern auf die Stabilisierung und Bewehrung granularer Böden geführt (1). Überträgt man diese positiven Erfahrungen auf das Anwendungsgebiet von Arbeitsplattformen, ergibt sich eine wirtschaftliche Lösung gegenüber dickeren, unbewehrten Tragschichten.

Bemessung von Arbeitsplattformen

Jedes Jahr kippen Pfahlrammen, Bohrgeräte und Krane um oder erleiden Beinaheunfälle aufgrund von Problemen mit unzureichenden Arbeitsplattformen (Abbildung 2). Diese vermeidbaren Vorfälle führen häufig zu schweren Verletzungen oder Todesfällen für Fahrzeugführer sowie zu erheblichen Schäden am Baugerät und den Bauteilen. Es ist Stand der Technik, alle möglichen Versagensmechanismen in der Entwurfsphase eines Projektes zu prüfen, um Unfälle zu vermeiden.

Trotz des breiten Anwendungsspektrums geogitterstabilisierter und bewehrter Arbeitsplattformen, gibt es in der aktuellen Ingenieurpraxis kein umfassendes Bemessungsmodell, das alle möglichen Versagensmechanismen der Konstruktion überprüfen kann.

Die derzeitigen Bemessungsmodelle konzentrieren sich vorrangig auf die Untersuchung möglicher Grundbruchfiguren. Es gibt jedoch weitere Versagensmechanismen, die die Stabilität der Konstruktion gefährden können (2). Zusätzlich zum Durchstanznachweis ist der Nachweis der ausreichenden Standsicherheit gegen Geländebruch mit kreisförmigen oder polygonalen Gleitflächen zu führen. Darüber hinaus sind die Gesamt- und Differenzverformungen der Arbeitsebene unter den großen Einzellasten der verwendeten Baugeräte zu berücksichtigen. Die Mehrzahl der in der Praxis verfügbaren Modelle zur Abschätzung des Durchstanzwiderstandes führt zu einer erheblichen Überschätzung der Dicke des Gründungspolsters aufgrund von konservativen Vereinfachungen der verwendeten Bemessungsmodelle (3).

Großmaßstäbliche Modellversuche

Zur Überwindung der bestehenden Schwächen aktueller Bemessungsmodelle, sind u.a. folgende Modellversuche durchgeführt worden:

  • Im Rahmen eines Forschungsprojektes zur Standsicherheit mobiler Baugeräte wurden an der Universität Stuttgart skalierte und großmaßstäbliche Versuche an geogitterstabilisierten und bewehrten Arbeitsplattformen durchgeführt (7), (8) (Abbildung 3). Ein Ziel dieser Versuche lag darin, den Einfluss der verwendeten Geogitter auf das Tragverhalten der Arbeitsplattform zu untersuchen. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wurde ein konzeptionelles Modell entwickelt, welches es ermöglicht, die Dicke der Arbeitsplattform sowie die Art der Bewehrung unter lokal hohen Lasten aus starren Fundamenten abzuschätzen. Lasten zunehmender Größe (P = 10, 20, 40, 50 kN usw.) wurden auf die Arbeitsplattform aufgebracht, um einen stufenweisen Vergleich der Ergebnisse für bewehrte und unbewehrte Plattformen zu ermöglichen und eine Prognose der maximal zulässigen Tragfähigkeit zu ermöglichen. Das skalierte Modell wurde durch eine rechteckige Platte mit Abmessungen von 25 cm x 35 cm belastet. Die Geometrie des Modells wurde mit einem Maßstab von 1:3 erstellt. Es wurden verschiedene Arbeitsplattformen (u.a. unbewehrt, mit einer Geogitterlage und mit zwei Geogitterlagen) eingebaut, um die Wirkung des Geogitters zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die zulässige Last, die auf das Modell mit Geogitter aufgebracht werden kann (82,5 kN), um ca. 25 % höher ist im Vergleich zum unbewehrten Modell (67,5 kN).
  • Am Institut für Grundbau, Bodenmechanik und Wasserbau der RWTH Aachen wurden großmaßstäbliche Triaxialversuche (4) mit einem Durchmesser von 500 mm und einer Höhe von 1.100 mm durchgeführt (Abbildung 4), um den Einfluss der verwendeten gelegten Geogitter auf die Bodeneigenschaften zu untersuchen. Im Versuchsaufbau wurde die Anzahl der Geogitterlagen variiert. Auf dem Geogitter wurden zusätzlich Dehnungsmessstreifen zur Erfassung der Verformungen unter Lasteinfluss angebracht. Die Ergebnisse der Versuche zeigen eine signifikante Verbesserung der Bodentragfähigkeit und der Elastizitätsmoduls durch die Anwendung der Geogitterbewehrung. Nach den Ergebnissen der Laborversuche lag der Elastizitätsmodul des geogitterstabilisierten Verbundkörpers um bis zu 70% höher im Vergleich zum unbewehrten Schotter.

Entwicklung eines „Hybrid-Modells“ zur Bemessung von Arbeitsplattformen

Die Entwicklung eines hybriden Nachweiskonzeptes verfolgt das Ziel, , einen optimierten und zuverlässigen methodischen Ansatz zur Abschätzung der maximalen Tragfähigkeit von Arbeitsplattformen zu entwickeln und damit gleichzeitig Schwächen bestehender Bemessungsmodelle zu überwinden. In diesem neuen Ansatz wurde die Wirkung des verwendeten gelegten Geogitters auf die Verbesserung des mechanischen Verhaltens des Bodens quantifiziert, um daraus Gleichungen zur Abschätzung der gesamten unmittelbaren elastischen Verformung von Arbeitsplattformen zu entwickeln. In diesem Zusammenhang wurden die folgenden Ergebnisse erzielt:

  1. In Anbetracht der Wissens- und Praxislücken bei der Bemessung von Arbeitsplattformen und unter Berücksichtigung der Ergebnisse aus den großmaßstäblichen Laborversuchen an der Universität Stuttgart wurde ein sogenanntes Hybrid-Modell entwickelt, welches aus (5) und (6) abgeleitet ist. Die Verifizierung des Modells gegenüber den Daten aus den großmaßstäblichen Modellversuchen zeigt, dass das Modell in der Lage ist, sichere und wirtschaftliche Ergebnisse bei der Bemessung von Arbeitsplattformen zu liefern (Abbildung 5).
  2. Auf Grundlage von Großversuchen an der RWTH Aachen wurde eine neue semi-empirische Gleichung entwickelt, um die äquivalente Bodensteifigkeit unter Berücksichtigung der Stabilisierungsfunktion von gelegten und geschweißten Geogittern (in Abhängigkeit der axialen Dehnsteifigkeit des Geogitters) abzuschätzen. Die Genauigkeit der neuen Gleichung bei der Abschätzung der Verformung der Arbeitsplattform wurde durch den Vergleich der Ergebnisse mit den Erkenntnissen aus den großmaßstäblichen Laborversuchen an der Universität Stuttgart nachgewiesen.
  3. Im Gegensatz zu den derzeit in der Praxis angewandten Modellen, die sich ausschließlich auf den Durchstanzwiderstand der Arbeitsplattform konzentrieren, ergab die Analyse dieser Studie unter Verwendung einer komplexen Kinematischen-Elemente-Methode (KEM), dass die Standsicherheit des Systems gegen Versagensmechanismen des Geländebruchs insbesondere dann maßgeblich wird, wenn die Baugeräte (z.B. Kran, Rammgerät) nahe am Rand der Arbeitsplattform positioniert sind. Das Hybridmodell kann diese Versagensmechanismen durch die Untersuchung der Geländebruchfiguren berücksichtigen.
  4. Das Hybridmodell wurde in einer neuen Software (Naue-Platform) integriert, die einen ganzheitlichen Nachweis aller wahrscheinlichen Versagensmechanismen bietet und gleichzeitig wirtschaftliche Ergebnisse unter Beibehaltung eines ausreichenden Sicherheitsniveaus durch den Einsatz von gelegten Geogittern liefert.
  5. Literatur: 1) Vollmert, L., Bräu, G. (2018). Performance of geogrid reinforced and stabilized base courses. In Proceedings of the 11th International Conference on Geosynthetics, Korea. 2) TWF: Temporary Works Forum (2019). Design of granular working platforms for construction plant. A guide to good practice, TWf2019: 02, Temporary Works Forum, c/o Institution of Civil Engineers, London, England. 3) BRE (2004). Working platforms for tracked plant. BR470. Garston, Watford, Chen, Q., & Abu-Farsakh, M. (2015). Ultimate bearing capacity analysis of strip footings on reinforced soil foundation. Soils and Foundations, 55(1), 74-85. 4) Ruiken, A. (2013). Zum Spannungs-Dehnungsverhalten des Verbundbaustoffs „geogitter¬bewehrter Boden“. Dissertation. Aachen: Fakultät für Bauingenieurwesen, Lehrstuhl für Geotechnik, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH). 5) Hanna, A. M., Meyerhof, G. G. (1980). Design charts for ultimate bearing capacity of foundations on sand overlying soft clay. Canadian Geotechnical Journal, 17(2), 300-303. 6) Meyerhof, G. G., Hanna, A. M. (1978). Ultimate bearing capacity of foundations on layered soils under inclined load. Canadian Geotechnical Journal, 15(4), 565-572.
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Foto: Naue Abbildung 2a: Beispiele für Unfälle mit Rammgeräten: umgestürzt aufgrund einer unzureichenden Tragfähigkeit des Bodens unterhalb der Arbeitsplattform, Deutschland 2018.
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Foto: Naue Abbildung 2b: Kai in Emsworth, Australien, 30. Juli 2019.
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Foto: Naue Abbildung 3: Aufgezeichnete Setzungen und Tragfähigkeit für bewehrte Arbeitsplattform (l.) unbewehrte Arbeitsplattform (r.).
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Foto: Nauer Abbildung 4: Großmaßstäbliche Triaxialversuche an der RWTH Aachen (4).
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Foto: Naue Abbildung 5: Zulässiger Druck auf der Arbeitsplattform: entwickeltes Hybrid-Modell vs. BRE-Modell vs. Laborversuche an der Universität Stuttgart.
Foto: Foto: Huesker

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Umwelt-Produktdeklaration für Geogitter

Nachhaltiges Bauen schließt die Verwendung nachhaltiger Baustoffe mit ein. Als erster Hersteller von Geokunststoffen hat die Huesker Synthetic GmbH, Gescher, für das Geogitter, Fortrac Typ T, die Umwelt-Produktdeklaration erhalten. Die Auszeichnung Environmental Product Declaration, kurz EPD wurde von dem Institut Bauen und Umwelt e.V. (IBU) verliehen.

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Geogitter ermöglichen Brückenanrampung

Der Ausbau der Staatsstraße 2183 nördlich von Bindlach in Bayern erforderte die Errichtung einer Brückenkonstruktion zur allgemeinen Verbesserung des Verkehrsflusses und Entschärfung der Gefährdungssituation, die durch einen höhengleichen Bahnübergang bestand. Im Rahmen des ersten Bauabschnittes wurde bereits das Brückenbauwerk auf Ortbetonpfählen gegründet.

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Geogitter im Unterbau von Straßen und Wegen

Asphalt-, Beton- und Pflasterdecken nehmen im Straßen- und Wegebau und bei Lagerflächen den Großteil der Spannungen auf, die sich aus den Verkehrslasten ergeben. Die finanziellen Mittel, die in die Verkehrsfläche investiert werden, sind daher in diesem Bereich gut aufgehoben. Hohe Festigkeiten der Werkstoffe fordern jedoch auch ihren Preis. Die Bestrebung, im Bereich der Deckschichten Kosten zu reduzieren und „dünner“ zu bauen, sind verständlich, aber vor dem Hintergrund der Langlebigkeit zu hinterfragen. In einigen Regionen und bei privaten oder kommunalen Anwendungen sind aber neue Verfahren gefragt, um die Kosten bei gleichbleibender Langlebigkeit zu reduzieren.

Foto: Huesker

Geogitter

Erstes Geogitter aus 100 % recyceltem PET-Garn

Huesker hat das weltweit erste Geogitter aus 100 % recyceltem PET vorgestellt. Erstes Produkt der ecoLine-Serie ist ein Asphaltbewehrungsgitter.

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