DE69710076T2 - U-förmige spundbohle mit niedrigem eintreibwiderstand - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine U-förmige Spundbohle mit geringem Eindringwiderstand.
• Seit mehr als 80 Jahren sind mehrere Millionen Tonnen U-förmiger Spundbohlen in der ganzen Welt für den Bau von Stützwänden verwendet worden, zum Beispiel bei Ausschachtungen, sowie beim Bau von Stauanlagen, Deichen und Wasserrückhaltebecken.
• Eine U-förmige Spundbohle hat eine flache Rückwand (den so genannten Flansch der Spundbohle), die so mit zwei Schenkeln (den so genannten Stegen der Spundbohle), die Schlösser aufweisen, verbunden ist, dass die Spundbohle eine zur Rückwand lotrechte Symmetrieebene aufweist. Zur Bildung einer Stützwand werden diese U-förmigen Spundbohlen mit Hilfe der Schlösser zusammengebaut, wobei sich ihre Rückwand abwechselnd auf einer der beiden Seiten der Ebene befindet, die durch die Mittelachsen der Schlösser verläuft. Diese Ebene bildet dann die Neutralbiegeebene der Wand aus U- förmigen Spundbohlen.
• Die klassischen Verfahren zum Eintreiben der Spundbohlen in den Boden sind das Schlag- und Vibrationsrammen. Es ist bekannt, dass diese Eintreibarbeitsgänge die Entwicklung einer bedeutenden Energie erfordern, die proportional zum Eindringwiderstand der Spundbohle ist. Für ein gegebenes Eintreibverfahren ist dieser Eindringwiderstand im Wesentlichen von den Bodeneigenschaften und dem Spundbohlenquerschnitt abhängig.
• "Höhe" oder auch "Tiefe" wird bei einer U-förmigen Spundbohle der Abstand genannt, den die, durch die Mittelachsen der zwei Schlösser verlaufende Ebene zur Außenfläche des Flanschs aufweist, und "Nutzbreite" der Abstand, den die Mittelachsen der zwei Spundbohlenschlösser zueinander aufweisen. Spundbohlen mit einer großen Nutzbreite ermöglichen grundsätzlich eine Reduzierung der Einbaukosten, denn es müssen zur Herstellung einer Wand weniger Spundbohlen in den Boden gerammt werden. Tiefe Spundbohlen können im Bereich des Flansches und der Stege verringerte Materialdicken aufweisen, und das bei einem gleichzeitig erhöhten Festigkeitsmodul; was natürlich den Selbstkostenpreis der Spundbohlen reduziert. Von daher besteht ein Interesse am Einsatz von tiefen und breiten, U-förmigen Spundbohlen, die im Bereich des Flansches und der Stege verringerte Materialdicken aufweisen.
• Heutzutage haben die auf dem Markt als Standardprofile befindlichen, U-förmigen Spundbohlen Nutzbreiten von 400 bis 600 mm und ein Verhältnis Tiefe zu Nutzbreite von 0,18 bis 0,54. Die gängigsten U-förmigen Spundbohlen haben ein Verhältnis Tiefe zu Nutzbreite von größer oder gleich 0,25 bzw. sogar von größer 0,30. Die Flanschdicke liegt im Bereich zwischen 7 und 20 mm und die Stegdicke zwischen 6 und 12 mm.
• Es ist jedoch anzumerken, dass breite und tiefe Spundbohlen mit geringen Materialdicken im Bereich des Flansches und der Stege bei schwierigen Eintreibbedingungen auch sehr schnell instabil werden. Von daher besteht das Interesse, die Belastungen, denen diese Spundbohlen beim Eintreiben ausgesetzt sind, zu begrenzen, d. h. Spundbohlen zu verwenden, die einen möglichst geringen Eindringwiderstand aufweisen. Aber obwohl die Verringerung der Materialdicken im Bereich des Flansches und der Stege mit Sicherheit einen positiven Einfluss auf den Eindringwiderstand hat, stellt man fest, dass eine Erhöhung des Verhältnisses Tiefe zu Nutzbreite leider eine sehr negative Wirkung auf den Eindringwiderstand der U-förmigen Spundbohlen hat.
• Es wird folglich begrüßt, dass die vorliegende Erfindung eine Lösung bietet, mit Hilfe derer sich der Eindringwiderstand einer U-förmigen Spundbohle verringern und gleichzeitig die Spundbohlenstabilität beim Eintreiben verbessern lässt.
• Diese Lösung ist im ersten Patentanspruch definiert.
• Dabei ist zu allererst anzumerken, dass im Gegensatz zu dem, was man von vornherein erwarten könnte, die Verringerung des Eindringwiderstands nicht durch ein dünnere Ausführung der Spundbohle erzielt wird, sondern durch Materialzugaben im Bereich der durch die zwei Flansch-Steg-Verbindungen definierten, konkaven Ecken.
• Eine Materialzugabe im Bereich einer konkaven Ecke, die durch zwei Stege einer Spundbohle in Form eines Winkeleisens definiert sind, wurde bereits im Jahre 1939 in dem Patent BE-A-433704 beschrieben. In diesem Patent wird im Wesentlichen aufgezeigt, dass die Materialzugabe die Spundbohlen-Winkelspitze verstärkt.
• Aus dem Patent FR-A-434497, das dem Patent US-A-1012124 entspricht, kennt man Spezialspundbohlen mit einem gekrümmten Flansch sowie zwei gekrümmten seitlichen Gliedern von sehr geringer Höhe, die mit dem gekrümmten Flansch verbunden sind und jeweils ein Schloss aufweisen. Diese ziemlich massiven Spundbohlen sollen auf Zug beansprucht werden und flache Spundbohlen ersetzen, um den Bau von Wänden zu ermöglichen, deren Gesamtwanddicke in der Mitte des Flansches nicht größer ist als die Dicke der zwei ineinander gesteckten Schlösser. Sie können folglich nicht mit den U-förmigen Spundbohlen verglichen werden, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind. Diese Letzteren haben wesentlich größere Tiefen, damit sie sich auf Biegung beanspruchen lassen. Es ist noch anzumerken, dass bei einer bevorzugten, im französischen Patent beschriebenen Ausführung, der gekrümmte Flansch eine Materialzugabe im Bereich der zwei Verbindungsstellen mit den seitlichen Gliedern umfasst, damit sich eine nahezu ebene Außenfläche auf der ganzen Breite ergibt. In dem französischen Patent wird außerdem dargelegt, dass diese Materialzugabe, die sich auf der Außenseite des gekrümmten Flanschs befindet, das Trägheitsmoment und das Festigkeitsmodul der Spundbohle merklich erhöht, den Querschnitt der Spundbohle beachtlich verstärkt und einer Verformung des gekrümmten Flansches unter Druck entgegenwirkt.
• Analoge Wirkungen erhält man natürlich auch mit der Materialzugabe gemäß der vorliegenden Erfindung. Man erhält vor allem eine größere Torsionsfestigkeit der U-förmigen Spundbohle. Der Materialüberschuss in den Verbindungsecken versteift die Stege und den Flansch, wodurch die Gefahr des Verziehens verringert wird. Außerdem erhöht sich das vollplastische Moment der Spundbohle und deren Biegedrehvermögen merklich, so dass sich beachtliche plastische Verformungsreserven bereitstellen lassen, bevor die U- förmige Spundbohle durch Zerstörung unbrauchbar wird.
• Jedoch liegt der hauptsächliche Wert der vorliegenden Erfindung in der Entdeckung, dass sich der Eindringwiderstand einer U-förmigen Spundbohle mit gegebenem Querschnitt durch eine Materialzugabe im Bereich der konkaven Ecken verringern lässt. Gemäß der vorliegenden Erfindung dienen die im Bereich der konkaven Ecken befindlichen, lokalen Materialzugaben vor allem dazu, die konkaven Ecken an den Flansch-Steg-Verbindungsstellen abzuflachen, d. h. die konkaven Ecken mit einem größeren Öffnungswinkel auszuführen. Während des Eintreibens der Spundbohle durch Einschlag- oder Vibrationsrammen erleichtert die Abflachung der konkaven Ecken das Fließen der Bodenteilchen aus dem Eckenbereich. Es wird so eine bedeutende Bodenverdichtung in den konkaven Ecken vermieden, was den Eindringwiderstand der Spundbohle verringert. Es ist anzumerken, dass die erzielte Wirkung besonders stark bei Sandböden auftritt.
• Zylindrische Verbindungsflächen, die nahezu tangential zu den Flächen des Flanschs und des jeweiligen Stegs in den konkaven Ecken angeordnet sind, liefern anscheinend in Bezug auf die Verringerung des Eindringwiderstands der Spundbohle die besten Ergebnisse. Diese Schlussfolgerung schließt jedoch die Verwendung von irgendwelchen gekrümmten Flächen, die ggf. zu den Flächen des Flanschs und des jeweiligen Stegs tangential angeordnet sein können, ja sogar von Polygonalflächen oder einer einfachen Planfläche zur Definition der Verbindungsflächen in den konkaven Ecken nicht aus, natürlich unter der Bedingung, dass die so gebildeten konkaven Ecken ausreichend abgeflacht sind, um das Fließen der Bodenteilchen aus dem Eckenbereich zu erleichtern.
• In einem genormten Sandbett ausgeführte Einrammversuche haben gezeigt, dass man eine bedeutsame Verringerung der Einrammenergie mit einer zylindrischen Verbindungsfläche ab einem Radius von 75 mm erhält, wobei diese tangential zu den Flächen des Flanschs und des jeweiligen Stegs in den konkaven Ecken angeordnet ist. Von diesem Ergebnis lässt sich ganz allgemein ableiten, dass die Materialzugabe zur Erzielung einer bedeutsamen Verringerung der Einrammzeit so sein muss, dass die konkaven Ecken an den Flansch-Steg-Verbindungsstellen mindestens einen genauso großen Öffnungswinkel aufweisen, wie eine zylindrische Tangentialverbindung vom Radius 75 mm. Quantitativ lässt sich beispielsweise sagen, dass die lokale Materialzugabe mindestens ausreichend sein muss, damit eine gedachte Zylinderfläche, die einen Radius von mindestens 75 mm aufweist und tangential zu den zwei Ebenen angeordnet ist, die die konkaven Verbindungsecken des Flanschs und des jeweiligen Stegs bei nicht vorhandener Materialzugabe bilden würden, vollständig im Inneren der Materialzugabe liegt, und zwar zwischen den zwei Berührungsmantellinien.
• Es ist anzumerken, dass die konvexen Ecken an den Flansch-Steg- Verbindungsstellen vorzugsweise nur leicht abgerundet sind (Rundungsradius ≤ 25 mm), so dass dem Profil ein möglichst hohes Trägheitsmoment durch maximale Materialkonzentration in der Außenpartie der Stege verliehen wird.
• Es bleibt anzumerken, dass die erfindungsgemäße Spundbohle vorteilhafterweise eine Stahlspundbohle ist, die durch Warmwalzen hergestellt wurde.
• Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spundbohle wird anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
• die Fig. 1 einen Querschnitt von einer Spundbohlenhälfte zeigt;
• die Fig. 2 eine Vergrößerung einer Flansch-Steg-Verbindung von der Spundbohle der Fig. 1 zeigt.
• Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt von der Hälfte einer erfindungsgemäßen U-förmigen Spundbohle. Die andere Hälfte ist zur dargestellten Hälfte genau symmetrisch, und zwar in Bezug auf die Symmetrieebene, die durch die Bezugsangabe 8 gekennzeichnet ist. Diese Spundbohle hat einen nahezu ebenen Flansch 10, der zur Symmetrieebene 8 des Querschnitts lotrecht angeordnet ist. Dieser Flansch 10 ist mit zwei, nahezu ebenen Stegen 12 verbunden, von denen nur der linke Steg auf der Fig. 1 dargestellt ist. Jeder dieser Stege 12 weist ein Schloss 14 auf, mit dem sich durch Ineinanderstecken eine mehr oder weniger dichte Stoßfuge mit einem entsprechenden Schloss einer anderen Spundbohle bilden lässt. Die Mittelachse des Schlosses 14, die senkrecht zur Zeichnungsebene verläuft, ist durch die Bezugsangabe 15 gekennzeichnet. Es ist noch anzumerken, dass der Flansch 10 im Allgemeinen wesentlich dicker ist als die Stege 12.
• Bei der dargestellten Spundbohle beträgt der spitze Winkel α, der zwischen den jeweiligen Stegen und einer zum Flansch parallelen Ebene gebildet wird, etwa 74º. Es versteht sich von selbst, dass dieser Winkel natürlich kleiner oder größer gewählt werden kann. Für die von der Erfindung betroffenen Spundbohlen beträgt der spitze Winkel α normalerweise zwischen 40º und 80º.
• Im Folgenden bezeichnen "durch die Flansch-Steg-Verbindungen definierte, konvexe Ecken" (oder kurz "konvexe Ecken"), die auf der Außenseite der Spundbohle befindliche und auf der Fig. 1 durch den Bezugspfeil 16 gekennzeichnete Ecke sowie die entsprechend symmetrische, nicht dargestellte Ecke; und "durch die Flansch-Steg-Verbindungen definierte, konkave Ecken" (oder kurz "konkave Ecken"), die auf der Innenseite der Spundbohle befindliche und auf der Fig. 1 durch den Bezugspfeil 18 gekennzeichnete Ecke sowie die entsprechend symmetrische, nicht dargestellte Ecke.
• Die konvexen Ecken 16 verbinden die äußeren Planflächen 20 der Stege 12 mit der äußere Planfläche 22 des Flanschs 10 (siehe auch Fig. 2). Diese konvexen Ecken 16 weisen eine Rundung auf, deren Radius "r" durch die Fertigungsbedingungen des Walzens und/oder durch Sicherheitserwägungen (Vermeidung scharfer Kanten) festgelegt ist. Normalerweise ist "r" größer als 10 mm und kleiner als 25 mm. Je kleiner "r" ist, desto höher ist das Biegefestigkeitsmodul des Profils.
• Um den Boden-Eindringwiderstand der Spundbohle zu verringern, werden die konkaven Ecken 18 gemäß der Erfindung durch eine lokale Spundbohlen- Materialzugabe an diesen Stellen stark abgeflacht. Diese Modifizierung der bekannten U-förmigen Spundbohle wird mit Hilfe der Fig. 2 ausführlicher analysiert. Auf dieser Letzteren ist die konkave Flansch-Steg-Ecke einer klassischen Spundbohle gestrichelt dargestellt (siehe Strichlinie, die mit dem Bezugszeichen 24 auf der Fig. 2 gekennzeichnet ist). Man stellt fest, dass diese konkave Ecke 24 eine Rundung aufweist, deren Radius durch die Fertigungsbedingungen des Walzens festgelegt ist und in etwa dem Radius "r" der konvexen Ecke 16 entspricht. Die lokale Materialzugabe, die zur Abflachung der klassischen konkaven Ecke 24 dient und folglich diese Ecke mit einem größeren Öffnungswinkel versieht, ist auf der gleichen Figur durch die straffierte Fläche 26 dargestellt. Diese Materialzugabe 26 definiert eine konkave Verbindungsfläche 30. Es bleibt anzumerken, dass die symmetrische konkave Ecke natürlich das gleiche Aussehen aufweist.
• Bei der auf den Fig. 1 und 2 dargestellten Spundbohle ist die konkave Verbindungsfläche 30 eine zylindrische Verbindungsfläche, die tangential zur inneren Planfläche des Flanschs 10 und zur inneren Planfläche 34 des Stegs 12 angeordnet ist. Die Pfeile 36 auf der Fig. 2 zeigen, wie Bodenteilchen längs der zylindrischen Verbindungsfläche 30 ungehindert abfließen können, wodurch die Bildung eines stark verdichteten Kerns in der konkaven Ecke 18 vermieden wird, der dem Eindringen der U-förmigen Spundbohle entgegenwirkt.
• In einem genormten Sandbett ausgeführte Einrammversuche haben gezeigt, dass man eine bedeutsame Verringerung der Einrammenergie mit einer zylindrischen Verbindungsfläche ab einem Radius von 75 mm erhält, wobei diese tangential zu den Flächen des Flanschs und des jeweiligen Stegs in den konkaven Ecken, und zwar an der Flansch-Steg-Verbindungsstellen angeordnet ist. In der Fig. 2 ist der Verlauf dieser zylindrischen "Minimal"- Verbindung in Form eines strichpunktierten Kreisbogens dargestellt und durch das Bezugszeichen 38 gekennzeichnet. Der Kreisbogen 38, der tangential zu den Verläufen der zwei Ebenen 32, 34 angeordnet ist, die die konkave Verbindungsecke aus Flansch und jeweiligem Steg bei nicht vorhandener Materialzugabe 26 bilden würden, soll die minimale Materialzugabe in den konkaven Ecken festlegen, die erforderlich ist, um eine bedeutsame Verringerung der Einrammenergie zu erzielen. Man sieht, dass die Materialzugabe, die der zylindrischen Verbindungsfläche 30 entspricht, deutlich größer ist, was nicht nur den Eindringwiderstand noch mehr verringert, sondern auch das vollplastische Moment und das Drehvermögen des Profils bei Biegung erhöht. Die Bezugsangabe 40 kennzeichnet den Verlauf einer Verbindungspolygonalfläche, die zwischen der Fläche 30 und der Fläche für die minimale Materialzugabe 38 liegt.
• Es wird begrüßt, dass die beschriebenen Spundbohlen sich von den bekannten U-förmigen Spundbohlen besonders unterscheiden:
• a) durch einen geringeren Eindringwiderstand, was sich vor allem bei einem Einbau in Sandböden durch Schlag- oder Vibrationsrammen feststellen lässt;
• b) durch eine beachtliche Erhöhung des vollplastischen Moments und des Biegedrehvermögens, die mit der Verringerung des Eindringwiderstands einhergeht, was eine bedeutsame Leistungssteigerung auf der Baustelle ermöglicht;
• c) durch eine Verbesserung der Spundbohlen-Torsionsfestigkeit;
• d) durch einen guten Wirkungsgrad von Elastizitätsfestigkeitsmodul zu Gewicht für eine aus solchen Spundbohlen gebildete Schutzmauer, und zwar auf Grund der Einsparungsmöglichkeiten bezüglich der Dicken des Stegs und des Flanschs außerhalb der Flansch-Steg-Verbindungsstellen;
• e) durch eine bessere Kraftübertragung im Falle von Stützschutzmauern, die mit Holmen und/oder Ankerplatten versehen sind.
• Schließlich stellt die vorliegende Erfindung ein Profil zum Schlag- und Vibrationsrammen vor, das für den Einbau unter schwierigen Bedingungen ideal ist.

Claims (9)

1. U-förmige Spundbohle, umfassend einen nahezu auf der ganzen Breite ebenen Flansch (10), zwei ebene Stege (12), die mit dem Flansch (10) so verbunden sind, dass sie symmetrisch zu einer zum Flansch (10) lotrechten Ebene (8) sind, sowie ein Schloss am Ende von jedem der beiden Stege (12); wobei die Spundbohle ein Verhältnis Tiefe zu Nutzbreite von größer oder gleich 0,18 aufweist, die Nutzbreite als der Abstand zwischen den Mittelachsen der Schlösser (14) definiert ist, und die Tiefe als der Abstand zwischen einer durch die Mittelachsen der zwei Schlösser (14) verlaufenden Ebene und der Außenfläche (22) des Flanschs (10) definiert ist; dadurch gekennzeichnet, dass die durch die zwei Flansch-Steg- Verbindungen definierten, konkaven Ecken (18) durch eine Materialzugabe (26) so stark abgeflacht sind, dass eine Verringerung des Eindringwiderstands der Spundbohle erzielt wird.

2. Spundbohle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialzugabe (26) ausreicht, damit eine gedachte zylindrische Fläche (38), die einen Radius von mindestens 75 mm aufweist und die tangential zu den, die Innenflächen des Flanschs und des Stegs (32, 34) verlängernden Ebenen angeordnet ist, vollständig im Inneren der Materialzugabe (26) liegt, und zwar zwischen den zwei Berührungsmantellinien.

3. Spundbohle gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die konvexen Ecken (16) leicht abgerundet sind und der Rundungsradius kleiner oder gleich 25 mm ist.

4. Spundbohle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsflächen, die die konkaven Ecken (18) definieren, gekrümmte Flächen (30) umfassen.

5. Spundbohle gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsflächen, die die konkaven Ecken (18) definieren, gekrümmte Flächen (30) umfassen, die zu den ebenen Innenflächen des Flanschs und des Stegs (32, 34) tangential angeordnet sind.

6. Spundbohle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsflächen, die die konkaven Ecken (18) definieren, Polygonalflächen (40) umfassen.

7. Spundbohle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsflächen, die die konkaven Ecken (18) definieren, eine ebene Fläche umfassen.

8. Spundbohle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spundbohle eine warmgewalzte Stahlspundbohle ist.

9. Spundbohle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis Tiefe zu Nutzbreite größer oder gleich 0,25 ist.