Forscher des Shibaura Institute of Technology haben ein umfassendes Rahmenwerk entwickelt, um Bohrinstabilitäten bei der Erneuerung von Gebäudefundamenten in dicht besiedelten Städten besser zu bewerten und zu vermeiden. Das quantitative Modell soll helfen, schräge Bohrungen und unwirksame Pfähle bei der Sanierung alter Bauwerke zu verhindern.
Bei der städtischen Nachverdichtung müssen alte Fundamentpfähle oft entfernt werden. Die entstehenden zylindrischen Hohlräume werden mit Bodenmaterial verfüllt, bevor neue Pfähle eingebaut werden. Aufgrund beengter Platzverhältnisse, Tiefenbeschränkungen und knapper Zeitpläne erreicht der verfüllte Boden jedoch häufig nicht die Eigenschaften des ungestörten Ursprungsbodens. Diese Unterschiede können beim Bohren neuer Pfähle zu erheblichen Problemen führen.
Wenn das Bohrgerät Bereiche mit unterschiedlicher Bodenfestigkeit durchdringt, kann es zu asymmetrischen Kräften und schiefen Bohrungen kommen. Feldbeobachtungen zeigen Abweichungen von mehr als zehn Millimetern pro Meter Tiefe. Solche Fehlstellungen mindern die Tragfähigkeit der Pfähle, bergen Sicherheitsrisiken und verursachen hohe Nachbesserungskosten oder sogar eine komplette Umplanung der Fundamente.
Das von Prof. Shinya Inazumi und seinem Team entwickelte Framework nutzt dreidimensionale elastoplastische Finite-Elemente-Analyse (FEA) kombiniert mit der Shear Strength Reduction Method (SRM). Es berücksichtigt verschiedene Festigkeitsverhältnisse zwischen Verfüll- und Ursprungsboden (0,8 bis 1,2) sowie sandige und tonige Böden.
Die Analysen zeigten, dass bei einem Festigkeitsverhältnis unter 0,9 asymmetrische Scherbrüche im schwächeren Boden auftreten und die Gefahr schiefer Bohrungen stark zunimmt. Tonige Böden erwiesen sich dabei als anfälliger als sandige. Die Forscher empfehlen daher als Auslegungskriterium, dass der Verfüllboden mindestens die 1,1-fache Festigkeit des Ursprungsbodens erreichen sollte. Zudem werden Zielreibungswinkel und Materialeigenschaften für die Verfüllung angegeben.
„Unser Framework wandelt erfahrungsbasierte Einschätzungen in ein messbares Designproblem um“, erklärte Prof. Inazumi. Das Modell könne auch standortspezifisch für Nachverdichtungsprojekte in Großstädten eingesetzt werden.
Das Rahmenwerk soll Ingenieuren helfen, Risiken bei der Fundamentsanierung besser zu managen, Nachbesserungen zu reduzieren und eine nachhaltigere Stadtentwicklung zu ermöglichen. Die Studie wurde in der Zeitschrift Results in Engineering veröffentlicht.
Credits
Professor Shinya Inazumi vom Shibaura Institute of Technology
