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Der Leitfaden zur Projektierung von Baugrundverbesserungen durch Injektionen von expandierendem Polyurethanharz soll Bauingenieuren, Architekten, Baufachleuten, Geologen und Geotechnikern eine Anleitung für die Planung und Ausführung bieten. Mit dem Leitfaden kann einerseits in der Vorprojektphase abgeschätzt werden, ob die URETEK-Methode zum Einsatz kommen könnte, und andererseits können die Vorgänge im Boden aufgrund einer Polyurethanharz-Injektion besser verstanden werden.
Der Leitfaden zur Projektierung von Baugrundverbesserungen durch Injektionen von expandierendem Polyurethanharz (PUR) wurde von der italienischen in die deutsche Sprache übersetzt (er existiert in auch französischer Sprache). Das Hauptziel des Buches ist, den Planern von Baugrundverbesserung mit der URETEK-Methode eine Grundlage sowie eine Anleitung in die Hand zu geben, wie diese selbständig eine Vordimensionierung einer solchen Massnahme durchführen können.
Arbeitsablauf
Im Leitfaden werden eingangs die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von PUR sowie die allgemeinen Anwendungsbereiche beschrieben. Die geotechnischen Einsatzgebiete und Anwendungsmöglichkeiten der URETEK-Methode sind vielfältig. Um Injektionen in einer gewissen Tiefe auszuführen, wird der PUR im flüssigen Zustand durch Injektionsrohre, die durch vorgängig gebohrte Löcher mit einem Durchmesser von maximal 30 mm eingebracht werden, in den zu konsolidierenden Boden injiziert. Das PUR-Injektionsgut dehnt sich danach stark aus und wirkt dadurch verdichtend auf den umliegenden Boden, wodurch eine Tragfähigkeitssteigerung erreicht wird. In granularen Böden (Sanden und Kiesen) durchdringt die PUR-Injektion die Porenräume und ein monolithisches Konglomerat mit erhöhten mechanischen Eigenschaften entsteht (Abbildung 1), währenddem in bindigen Böden (Tonen und Silten) die Porenräume nicht durchdrungen werden, sondern ein engmaschiges sowie lamellenförmiges Netz – ähnlich dem Wurzelgebilde einer Pflanze – gebildet wird (Abbildung 2).
Anwendungsmöglichkeiten
Eine Anwendungsmöglichkeit für tiefliegende Injektionen im Boden ist beispielsweise die Traglasterhöhung oder Baugrundverbesserung von bestehenden Infrastrukturen, die durch eine höhere Ausnutzungsziffer aufgestockt oder in eine andere Nutzung überführt werden. Eine weitere Anwendung ist die Erhaltung von Gebäuden mit Setzungsschäden. Durch die PUR-Injektion in den Boden in gewissen Tiefen kann eine Stabilisierung oder das Ausgleichen von differenziellen Setzungen durch eine Anhebung der Fundation erreicht werden (Abbildung 3). Das Stabilisieren oder Anheben von Gebäuden durch Injektionen mit PUR kann eine kostengünstige Alternative zu konventionellen Unterfangungen darstellen.
Für oberflächennahe Injektionen in den Boden sind das Vorgehen und die Wirkungsweise ähnlich. Die Anwendungsmöglichkeiten können jedoch noch beträchtlich erweitert werden. Beispielsweise sind Strassensanierungen durch eine Stabilisierung oder das Anheben von Strassenfundationsschichten (Kofferungen) inkl. der Deckschicht möglich. Weitere Einsätze von PUR-Injektionen in den Boden sind die Stabilisierung von Brückenwiderlagern sowie Stützmauern. Des Weiteren kann durch die PUR-Injektionen in schwind- und quellfähigen Böden (Tonen) die hydraulische Durchlässigkeit reduziert werden. Dies führt zu geringeren differenziellen Verformungen und somit zu weniger Rissschäden an bestehenden Infrastrukturen oder Gebäuden.
Vorteile
Die Vorteile der URETEK-Methode gegenüber konventionellen Massnahmen der Baugrund-Verbesserung oder Unterfangung von Gebäuden sind die kurze Bauzeit und der minimale bauliche Eingriff. Um die Injektionslanzen einzuführen, werden Löcher mit einem Durchmesser von maximal 30 mm durch die Fundation gebohrt. Diese sind auch im Gebäudeinnern ausführbar und wenig invasiv. So sind in den meisten Fällen lediglich geringe Aushubarbeiten notwendig, um z.B. aufgrund einer Haushebung die Werkleitungsanschlüsse in das Kellergeschoss anzupassen oder die unterstützenden Flachpressen zu montieren (Abbildung 4). Die einfache Behebung von differenziellen Setzungen, die ebenfalls unter Kellerinnenwänden oder in der Mitte der Fundamentplatte durchgeführt werden können, sind weitere Vorteile. Dieselbe Schadensbehebung gestaltet sich mit einer klassischen Mikropfahl-Unterfangung bedeutend aufwändiger. Durch die expandierenden PUR-Injektionen kann neben der Tragfestigkeitserhöhung des Bodens auch eine Durchlässigkeitsverminderung erreicht werden. Aufgrund dieser vielen Vorteile ist die URETEK-Methode eine attraktive Alternative für Baugrundverbesserungen oder Gebäudeanhebungen.
Risstheorie
Im Leitfaden sind einige oben genannten vielfältigen Anwendungsbereiche in den weiteren Kapiteln durch theoretische und numerische Modelle untermauert (Abbildung 5). Insbesondere die Randbedingungen der Risstheorie, die zur Anwendung kommt für Haushebungen, wird ausführlich beschrieben. In den meisten Fällen sind die anzuhebenden Gebäude in sogenannt normalkonsolidierten Baugrundverhältnissen mit einem Erdruhedruckkoeffizient K0 < 1.0 (K0 = Horizontalspannung/Vertikalspannung) fundiert. Unter diesen Bedingungen erzeugt eine erste Serie von Harzinjektionen in einer bestimmten Tiefe eine Rissbildung in vertikaler Richtung. Die Harzexpansion führt zur Erhöhung der Horizontalspannungen in der Umgebung des injizierten Bodens, so dass durch eine zweite Injektionsserie eine Rissbildung in der horizontalen Ebene ausgelöst werden kann. Diese Rissbildung bewirkt somit ein Anheben der Gebäudefundation. Am Ende des Leitfadens werden numerische Bespiele von Injektionen von expandierendem PUR in grob- wie auch in feinkörnigen Böden aufgezeigt.
Qualitätssicherung des Leitfadens
Das «Kompetenzzentrum für Kunststoffe im Bauwesen (KIB)» der HSR Hochschule für Technik Rapperswil wurde von der URETEK Schweiz AG beauftragt, die Qualitätssicherung der Übersetzung des auf Italienisch vorliegenden Leitfadens ins Deutsche durchzuführen. Parallel dazu besteht bereits seit einiger Zeit eine aktive Zusammenarbeit in der angewandten Forschung und Entwicklung aF&E. Weitere Informationen zum KIB sind unter www.kib.hsr.ch zu finden.
Christian Bommer, MSc Bauingenieur,
Geschäftsführer KIB