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SCHWERPUNKT - BAUGRUND

SETZUNGSSCHÄDEN AN GEBÄUDEN - WAS TUN, WENN DER BAUGRUND NICHT MEHR TRÄGT?

Tiefe Risse im Mauerwerk können auf Setzungsschäden an Gebäuden hinweisen und rufen gleich in mehrfacher Hinsicht Unsicherheit hervor. Der Bewohner fragt sich, wie so etwas passieren kann und ob denn das Gebäude noch sicher auf seinen Fundamenten ruht. Der zur Hilfe gerufene Planer steht dagegen vor der Überlegung, mit welcher Methode sich dieser Mangel am besten beheben lässt. Einer bauwerksverträglichen Sanierung müssen in jedem Fall eine Ursachenforschung und die Erkundung des Baugrundes vorausgehen.

Wenn bei einem Gebäude die Tür plötzlich klemmt, kann es sein, dass der Schreiner nur wenig ausrichten kann, um das Problem zu beheben. Dies zeigt sich, wenn die abgehobelte und nachjustierte Tür ein paar Tage später erneut nicht ins Schloss fallen will und dazu an der Türecke plötzlich ein bisher nicht dagewesener Riss klafft. Eine solche Entdeckung sorgt sogleich für viel Aufregung, denn ganz anders als klemmende Türen und Fenster stellen sich Bewohner beim Anblick von Rissen und abplatzenden Putzbrocken schnell die bange Frage, ob denn das Gebäude noch sicher auf seinen Fundamenten ruht. Bewegt es sich? Fällt es gar bald zusammen? Sackt es womöglich ab?

Fast schon reflexartig schießen einem die Bilder von Nachterstedt in den Kopf, wo im Juli 2009 anderthalb Häuser mit 2,5 Millionen Kubikmeter Erde frühmorgens in einen See rutschten und drei Menschen in den Tod gerissen wurden. Oder das Städtchen Staufen im Breisgau nahe Freiburg, dessen Häuser in der Altstadt mit Rissen überzogen sind, weil sich im Untergrund nach Geothermiebohrungen in einer Keuperschicht durch Wassereinbruch Gips gebildet hat, der nun immer weiter aufquillt und so im Zeitlupentempo die Häuser nach oben drückt – durchschnittlich einen Zentimeter pro Monat.

Baugrund in Bewegung

Die Gründe, warum ein Gebäude, das jahrelang sicher auf seinen Fundamenten ruhte, plötzlich in Bewegung gerät, können vielseitig sein. Der Klassiker sind leichte, kaum wahrnehmbare Erdbeben, deren Erschütterungen aber für leichte Setzungen oftmals schon ausreichen. Gleiches vermögen anhaltende Vibrationen naher Baustellen auszulösen. Folgenreich können ebenso Bodenausspülungen infolge Hangwasser oder Hochwasser sein, die entweder zu Hohlräumen in dem belasteten Baugrund führen oder die geologischen Verhältnisse im Untergrund derart verändern, dass sich beispielsweise Mulden aus aufgeweichten Bodenlinsen bilden. Auch heiße und trockene Sommer verändern durch die anhaltende Dürre den Feuchtehaushalt – und damit die geologischen Verhältnisse und Bodenkonsistenzen – bis in tiefere Erdschichten. Man kann sich leicht ausrechnen, dass der prognostizierte Klimawandel solche regenarme Dekaden in immer kürzeren Abständen und sommers wie winters hervorbringt. Das wird Folgen für den Grundwasserstand und damit auch für Gebäude haben, deren ausgetrockneter Untergrund förmlich in Krumen zerbröselt. Problematisch zeigen sich in diesem Zusammenhang tonige Bodenarten, beispielsweise aus fettem Lehm, die ihr Volumen erheblich in Abhängigkeit der vorliegenden Feuchte ändern. In allen beschriebenen Szenarien wird dem Fundament binnen kurzer Zeit sprichwörtlich „der Boden entzogen“ und es droht abzukippen oder einzusacken. Was auch immer die Ursachen für Setzungen sein mögen – ist der Schaden erst einmal da und es bleibt noch Zeit, ihn zu beheben, ist guter Rat teuer. Was tun mit einem Gebäude, das auf wackligen Säulen steht, weil das Fundament seinen Halt verloren hat?

Einsinkende Fundamente und Risse

Grundsätzlich muss man zunächst wissen, dass sich jedes Gebäude beziehungsweise der darunter belastete Baugrund im Verlauf der Zeit mehr oder weniger setzt – ob Millimeter, Zentimeter oder Dezimeter hängt davon ab, wie es um die Zusammendrückbarkeit der Bodenschichten bestellt ist. Lässt sich der Baugrund gleichmäßig zusammenpressen, wird man das minimale Einsinken der Fundamente über mehrere Jahre kaum wahrnehmen und auch keinen Schaden feststellen. Problematischer zeigt sich dieser Vorgang, wenn die Setzungen ungleichmäßig vonstatten gehen oder der Baugrund von dem Gebäude durch Auf-, An- oder Umbauten statisch ungleich belastet wird. Dann kommt es unweigerlich zu Verformungen im Gefüge, in deren Folge Zwangskräfte auftreten, welche die Fundamente und die Tragstruktur des Gebäudes zusätzlich beanspruchen.
Bis zu einer gewissen Grenze ist ein Gebäude durchaus in der Lage, unterschiedliche Setzungen aufzunehmen, ohne dass sich gleich bedrohliche Risse bilden. Erfahrungsgemäß gelten Setzungen als unschädlich, wenn das Verhältnis von Setzungsunterschied zwischen zwei Punkten (Δs) und dem Abstand zwischen diesen beiden Punkten (l) kleiner als 1/500 ist. Beträgt Δs/l mehr als 1/300, ist bereits mit architektonischen beziehungsweise optischen Schäden zu rechnen. Hat sich ein Gebäudeteil um den Verhältniswert Δs/l > 1/150 gesetzt, muss man damit rechnen, dass die Konstruktion Schaden nimmt und folglich die Standsicherheit nicht mehr gewährleistet ist. Tauchen plötzlich Risse an Stellen auf, wo jahrelang alles in Ordnung war, ist unbedingt zu beobachten, ob die Risse weiter „arbeiten“ oder bereits zur Ruhe gekommen sind. Zur Beurteilung sollten erfahrene Baufachleute oder spezialisierte Sachverständige hinzugezogen werden, die aus dem Verlauf der in der Gebäudestruktur zu Tage getretenen Risse die Art der Bewegung erkennen und somit die Ursache einer eventuellen Setzung herausfinden. Liegt das Problem im schrumpfenden, nicht mehr tragfähigen Baugrund, muss derselbe verdichtet und verstärkt werden. Welche Methode man dafür wählt, hängt davon ab, wie die Situation vor Ort aussieht, was für ein Baugrund ansteht, ob benachbarte Gebäude gefährdet sind, wie stark in die Gebäudesubstanz eingegriffen werden soll oder darf und – last but not least – wie hoch das verfügbare Budget ist.

Viele Methoden - doch welche ist geeignet?

Unabhängig davon, für welches Verfahren man sich entscheidet, muss zuvor ermittelt werden, wie es um die Fundamentkonstruktion bestellt ist und wie der darunter anstehende Baugrund beschaffen ist. Dazu ist eine professionelle Bodenuntersuchung unerlässlich – ein Verzicht dieser wichtigen Erkundung kann Planer und Bauherr teuer zu stehen kommen. Erst danach lässt sich beurteilen, ob eher eine konventionelle Unterfangung nach DIN 4123 infrage kommt oder die Fundamente besser mit dem Düsenstrahlverfahren (HDI), mit einer Zement- oder Silikatgelinjektion oder mit Verpresspfählen ertüchtigt werden können. Eine besonders präzise, dauerhafte und mit nur sehr geringen Belästigungen verbundene Technik ist das sogenannte URETEK Verfahren, bei dem der Baugrund mittels eines Zweikomponenten-Expansionsharzes verdichtet und verstärkt wird.

Unterfangung nach DIN 4123

Bei einer konventionellen Unterfangung werden die Fundamente abschnittweise freigelegt und unterseitig mit einem Betonkörper verstärkt. Je nach Platzverhältnissen sind dabei aufwändige Handausschachtungen oft unvermeidbar, zudem kann das Zwischenlagern des Aushubs bei beengten Platzverhältnissen problematisch sein. Auch wenn dieses klassische Verfahren in Anbetracht der heutigen Alternativen vorzugsweise eher für kleinere Bauvorhaben infrage kommt, sind derartige Unterfangungen ingenieurmäßig zu planen und entsprechende Nachweise zu führen. Die sorgfältige Erkundung des Baugrundes ist ebenso unverzichtbar wie Abschätzung der zu erwartenden Setzungen aus der Dauerlast nach dem Tieferlegen der Gründungssohle. Ein weiteres Setzungsrisiko durch Umleiten der Kräfte lässt sich nicht ausschließen. Zu klären ist im Vorfeld unter anderem auch die Lage des Grundwasserspiegels.

Die abzufangende Maximallast ist auf 250 kN/m begrenzt und es müssen unterhalb der tiefer gelegten Gründungsebene mindestens mitteldicht gelagerte, nicht bindige beziehungsweise mindestens steife bindige Böden anstehen. Um eine für das Setzungsverhalten des Altbaus vorteilhafte Muldenlage zu erzwingen, ist mit den Unterfangungsarbeiten an den höher belasteten Bereichen zu beginnen – also an den Gebäudeecken oder einbindenden Querwänden. Meistens sind mehrere in sich abgeschlossene Unterfangungsabschnitte vorzusehen. In DIN 4123 (Ausgabe September 2000) sind alle wichtigen Forderungen bezüglich Vorerkundung, Planung und Ausführung beschrieben – diese Norm sollte in keinem Planungsbüro fehlen. Unterfangungen gehören ebenso wie Baugrubenränder zu den oft unterschätzten lästigen und Geld verschlingenden „Baubehelfen“, die jedoch eine besonders qualifizierte Planung und Bauüberwachung erfordern.

Unterfangung mit Beispiel für die Abfolge der Bauabschnitte (Arbeitstakte)

Düsenstrahlverfahren

Bei dem erschütterungsfreien Düsenstrahlverfahren (HDI) wird der Untergrund unter dem absackenden Fundament mit Zementsuspension oder einem Wasserstrahl unter hohem Druck säulenförmig aufgeschnitten und mit Zementsuspension zu einem Erdbeton vermörtelt. Durch das Aneinanderreihen dieser Säulen ergibt sich ein durchgehender, stützmauerartiger Unterfangungskörper. Diese Arbeiten erfordern nicht nur einen speziellen Maschinenpark, sondern auch eine durchgehende Qualitätssicherung mit Registrierung aller Bohr- und Düsdaten, weshalb für diese Methode nur Spezialtiefbauunternehmen beauftragt werden können. Meistens rücken die Firmen mit schwerem Baustellengerät und einer umfangreichen Baustelleinrichtung an. Die notwendigen Platzverhältnisse und die Baustellenlogistik sind also zuvor abzuklären. Auch sollte man erhebliche Verschmutzungen und Zerstörungen der nahen Umgebung einkalkulieren. Das Düsenstrahlverfahren eignet sich sowohl für bindige als auch für nicht bindige Böden. Die säulen- oder lamellenförmigen Vermörtelungskörper können lotrecht oder leicht geneigt unter das Fundament eingebracht werden.

Düsenstrahlverfahren: Herstellungsphasen eines Düsenstrahlunterfangungskörpers

Zementinjektion

Eine weitere Variante, mit der sich die Tragfähigkeit von Gründungskörpern erhöhen oder Fundamentlasten in den tieferen Untergrund übertragen lassen, sind Zementinjektionen. Dieses sogenannte Feststoff-Einpressverfahren eignet sich auch, um Setzungen auszugleichen sowie abgesackte Fundamente und damit die darauf gegründeten Gebäudeteile wieder anzuheben. Bei einer Zementinjektion wird der Untergrund gezielt so injiziert und dabei aufgesprengt, dass künstliche Klüfte entstehen, über deren Aufweitungen kontrollierte Hebungen möglich sind. Die Injektionen und Einpressungen erfolgen über Verpresslanzen oder im Manschettenrohrverfahren, bei dem Ventil- oder Manschettenrohre zur Injektion mit Packern befahren werden. Die injizierten Zement- oder Zement-Bentonit-Suspensionen sind dabei in Konsistenz und Feststoffgehalt auf die jeweilige Anwendung abzustimmen. Nach dem Einrammen oder Einspülen der Verpresslanzen werden diese nach einem vorgegebenen Schema verpresst („beaufschlagt“), wobei das ausführende Unternehmen den Verpressdruck, die Verpressrate und die Verpressmenge genau registrieren und dokumentieren muss. Eventuell sind Nachinjektionen vonnöten. Da die Reichweite und die Durchdringung des Porenraums bei einer Zementinjektion sehr stark von der Durchlässigkeit des Untergrunds abhängen, bilden sich im Baugrund zumeist sehr unregelmäßige Verpresskörper. Da sich nicht alle Hohlräume im Erdreich zuvor feststellen lassen, ist dieses Verfahren nur schwer kontrollierbar. Das allmähliche Erstarren der Suspension verzögert natürlich dessen Wirkung, was in manchen Fällen von Nachteil sein kann. Zu bedenken ist außerdem das zusätzliche Setzungspotenzial durch das eingebrachte Materialgewicht.

Phasen der Zementinjektion

Silikatgelinjektionen

Grundstoff für Silikatgelinjektionen ist Wasserglas, das durch Schmelzen von Natriumcarbonat und Quarzsand entsteht. Es wird mit Wasser verdünnt und mit organischen oder anorganischen Härtern zu einer Dispersion aufbereitet. Diese besitzt eine zeitlich begrenzte Verarbeitbarkeit, nach der sie zum Gel erstarrt. Die Verarbeitbarkeitszeit und die Porengröße des Bodens sind bestimmend für die Reichweite der Injektion. Mit einer Silikatinjektion aus Hartgelen lässt sich der Baugrund verfestigen, mit Weichgelen kann man den Baugrund dagegen abdichten. Letzteres ist beispielsweise hilfreich, um Dichtsohlen in Baugruben herzustellen, die tief in das Grundwasser einbinden. Mit Silikatgel verfestigte Böden eignen sich zur Unterfangung von Gebäudefundamenten, aber auch zu deren Verstärkung, um erhöhte Lasten aufnehmen zu können. Auch der Lückenschluss von Baugrubenwänden lässt sich damit erzielen. Da Silikatgele im Lauf der Zeit schrumpfen, also ihre Wirkung nicht dauerhaft beibehalten, sind sie nur für temporäre Einsatzzwecke gebräuchlich (zum Beispiel bei erhöhten Lasteinträgen während der Bauphase). Die Arbeitsschritte beim Einbringen des Injektionsgutes gleichen dem Ablauf einer Zementinjektion: Löcher ins Erdreich bohren, Manschettenrohre einsetzen, den Ringraum zwischen Manschettenrohr und Bohrlochwandung mit einem Sperrmittel geringer Festigkeit abdichten (Zement- Bentonitsuspension) und schließlich die Injektion gemäß Verpressplan durchführen und alles dokumentieren. Da eine Silikatgelinjektion die Qualität des Grundwassers beeinträchtigen kann, ist hierfür eine behördliche Genehmigung einzuholen, die oft nur mit strengen Auflagen erteilt wird.

Phasen einer Silikatinjektion

Verpresspfähle (Mikropfähle)

Um Druck- und Zuglasten über Gründungspfähle abzutragen, eignen sich sogenannte Verpress- oder Mikropfähle, die einerseits zur Auftriebssicherung von Baugruben und Bauwerkssohlen dienen sowie die Rückverankerung von Baugruben- und Bauwerkswänden sichern. Der Durchmesser der Kleinbohrverpresspfähle bleibt nach DIN EN 14199 unterhalb von 30 cm. Die Lastabtragung erfolgt ausschließlich über Mantelreibung in das umgebende Erdreich. Für die innere Tragfähigkeit sorgt im Allgemeinen ein zentrisch angeordnetes Stahltragglied. Der Verbund zum anstehenden Boden lässt sich durch Nachverpressen mit Zementmörtel weiter optimieren. Je nach Bodenverhältnissen und Pfahldurchmesser ergeben sich Tragfähigkeiten von über 1000 kN. Mikropfähle können selbst bei sehr beengten Platzverhältnissen mit relativ kleinen und leichten Bohrgeräten eingesetzt werden – und zwar bemerkenswert lärm- und erschütterungsarm. Optimale Voraussetzungen also für Gründungen oder Nachgründungen bei Bestandsbauwerken. Eine Sonderanwendung dieser Methodik sind Energiepfähle zur geothermischeNutzung des Untergrundes.

Eine Unterfangung mit Verpresspfählen bietet sich bevorzugt bei Gründungssanierungen und Fundamentverstärkungen an, wenn

  • sich die Nutzung ändert und das vorhandene Fundament oder der Baugrund in der Gründungsebene keine zusätzlichen Lasten mehr aufnehmen können,
  • alte Holzpfahlgründungen geschädigt sind und ersetzt werden müssen,
  • die Gebrauchstauglichkeit der Gründung eines Gebäudes gefährdet ist
  • Abfangungen für Unterfahrungen (Tunnelbau) oder
  • Lastumlagerungen erforderlich werden.

Der Einbau von Mikropfählen eignet sich sehr gut, um historische Bausubstanz zu sichern und deren Umnutzung auch aus statischer Sicht zu ermöglichen. Sowohl der Zustand der Bausubstanz, Zwischenbauzustände und die Zugänglichkeit beziehungsweise der zur Verfügung stehende Arbeitsraum können bei dieser Methode optimal berücksichtigt werden.

Unterfangung mit Verpressungspfählen

Segmentpfähle (Elementpfähle)

Sind Hebungen erforderlich, weil sich Bauwerke in Teilen oder als Ganzes schief gestellt haben, kommen u. a. auch sogenannte Segment- oder Elementpfähle zum Einsatz. Die eingebrachten Pfähle werden kraftschlüssig unter den lastabtragenden Fundamentbereichen festgesetzt und werden aus Einzelsegmenten (Muffen- bzw. Steckverbindungen) mit einem Durchmesser 31,5 cm und einer Einzellänge von 50 cm zusammengesetzt und direkt unter den Fundamentbalken in der Wirkungslinie der Normalkräfte aus der Wandkonstruktion eingebaut. Das Einpressen in den Baugrund geschieht erschütterungsfrei mit Hilfe von Hydraulikpressen. Diese ermöglichen ein sehr präzises Vorgehen. Im Anschluss wird die Hydraulikpresse an dem Pfahlkopf durch eine Spezialdruckspindel ersetzt und als endgültige kraftschlüssige Verbindung zwischen Pfahl und Fundament installiert sowie der Pfahlkopf ausbetoniert.

Der Arbeitsablauf zur Gründungsstabilisierung erfordert die Herstellung von Montagegruben mit den Abmessungen von ca. 1,00 m x 1,00 m bis mind. 0,80 m unter Gründungssohle der vorhandenen Fundamente. Die Montagegruben werden in der Regel mit einem Minibagger hergestellt. Zu jedem eingebrachten Stahlbeton-Segmentpfahl wird ein Belastungsprotokoll als Tragfähigkeitsnachweis erstellt. Die Pfahllänge wird bei durchschnittlich 3,50 m unter der Gründungssohle (Fundamentunterkante) liegen.

Prinzip eines Segmentpfahls

URETEK Verfahren

Seit mehr als dreißig Jahren hat URETEK Erfahrungen bei der Baugrundverstärkung und dafür spezielle Injektionsmethoden entwickelt, die es in drei Schritten – Bohren, Injizieren, Expandieren – ermöglichen, den Baugrund zu verdichten, stabilisieren und abgesackte Gebäudeteile oder Betonböden wieder anzuheben.

Mit der FloorLift®-Methode gelingt es zum Beispiel, während des laufenden Betriebs abgesackte Betonböden in nicht unterkellerten Lagerhallen mittels stark expandierenden Spezialharzen sanft anzuheben und millimetergenau wieder zu stabilisieren. Schon 15 Minuten nach dem Expandieren des FCKW-freien Kunstharzes ist der Boden wieder voll belastbar. Gutachten belegen: Boden oder Grundwasser werden nicht beeinträchtigt oder verschmutzt.

Die DeepInjection®-Methode hingegen ist für die zerstörungsfreie Fundamentsanierung und Baugrundverstärkung entwickelt worden. Auch hier erfolgt in den erwähnten drei Schritten „Bohren-Injizieren-Expandieren“ das Einbringen des Expansionsharzes, das sich in der Richtung des geringsten Widerstands ausdehnt – also genau dort, wo die Verdichtung am stärksten erwünscht ist. Auch bei diesem Verfahren muss das Gebäude nicht geräumt und auch nicht gegraben werden. Meist genügen zwei Tage für Vorbereitung, Expansion und Räumen der Baustelle – pro Tag ist die Stabilisierung von 12 bis 15 laufenden Metern Fundament möglich. Bemerkenswert ist die ausübende Kraft der Expansionsharze, die einen aufwärts gerichteten Druck von bis zu 50 t/m² auszurichten vermögen.

Eine dritte Verfahrensvariante ist die HybridInjection®-Methode, die eine Baugrundverstärkung für schwache und weiche Böden mit Hilfe von Bodenverbesserungssäulen ermöglicht. Durch gezielte Injektionen in vorgefertigte Geotextilien wird der Boden unter Fundamenten und Betonböden verdichtet und dessen Tragfähigkeit gesteigert. Typische Anwendungsfälle für dieses umweltfreundliche und zerstörungsfreie Verfahren sind beispielsweise lockere Lehm- oder Torfböden, die womöglich zudem Hohlräume aufweisen oder mit Wasser gefüllt sind.

Da bei allen drei genannten Methoden kein Eingriff in die Statik des Baukörpers erfolgt, sondern lediglich der Baugrund bearbeitet und verfestigt wird, braucht es für die URETEK Verfahren keine bauaufsichtliche Zulassung. Unabhängige Prüfinstitute bescheinigen den Expansionsharzen eine langfristige Stabilität und Beständigkeit (Volumenverringerung weniger als ein Prozent binnen zehn Jahren) sowie eine hohe Elastizität und Druckfestigkeit.

Die gesamte Ausrüstung für die Baustelleneinrichtung einschließlich Stromaggregat, Injektionspumpen und -schläuchen lagert auf
einem LKW. Schmutz fällt so gut wie gar nicht an und auch die Lärmemissionen halten sich in engen Grenzen. Ohne Beeinträchtigung des Umfeldes, praktisch ohne sichtbare Spuren zu hinterlassen, wird das Problem gelöst. Das Ergebnis zeigt sich unmittelbar und ist mittels Laserkontrolle direkt sicht- und nachvollziehbar.

Neben der Baugrundverstärkung und der Behebung von Setzungen kann das URETEK Verfahren auch zur präventiven Fundamentertüchtigung bei Lasterhöhungen, z. B. Aufstockungen von Gebäuden, eingesetzt werden.

Tiefeninjektionsmethode von URETEK

Autorin

Claudia Siegele

Freie Architektin und Fachjournalistin


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