DE4027181A1 - Verfahren zur neigungsaenderung eines bauwerks - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Neigungsänderung und/oder zur Rückführung eines gegen die Vertikalachse geneigten Bauwerks gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

In der Architektur stellt sich hin und wieder das Problem, Bauwerke, die aufgrund spezifischer Bodenverhältnisse in eine Schieflage geraten sind, zumindest in dieser Schiefla­ ge zu stabilisieren oder gar in eine Vertikallage zurückzu­ führen.

Das wohl bekannteste Bauwerk, bei dem dieses Problem be­ steht, dürfte der "Schiefe Turm von Pisa" sein.

Aufgrund der dort gegebenen, speziellen Bodenverhältnisse ist dieser Turm bereits während seiner Bauphase in eine Schräg- bzw. Neigungslage geraten, die bis heute ein Ausmaß angenommen hat, das die Zerstörung dieses historischen Bau­ werks befürchten läßt, falls eine schonende Sanierung nicht realisiert werden kann.

Probleme vergleichbarer Art können auch bei anderen Bauwer­ ken vorliegen, so daß sich die nachfolgenden Ausführungen nicht ausschließlich auf den "schiefen Turm von Pisa" be­ ziehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art so zu konzipieren, daß eine schonende Neigungsänderung des sich in einer Schrägla­ ge befindenden Bauwerks möglich ist, wobei diese Verfah­ rensschritte gegebenenfalls mit einer Rückführung des Bauwerks in eine gewünschte, dann jedoch stabile Neigungs­ lage kompatibel sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem gattungsgemä­ ßen Verfahren durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Ein Kerngedanke der Erfindung kann demzufolge darin gesehen werden, das Erdreich unterhalb und im Bereich des Funda­ ments, vor allen Dingen auf der der Neigungsrichtung x₀ entgegengesetzten Richtung sehr feinfühlig und schonend zu entnehmen und somit relativ kleine Hohlräume zu erzeugen. In diese Hohlräume kann dann nach Freigabe der Hohlräume umliegendes Erdreich einfließen, so daß über die Lokalisie­ rung dieser Hohlräume und die gezielte Freigabe ein kon­ trolliertes Nachfließen des Erdreichs unterhalb des schie­ fen Bauwerks erzeugt wird und das schiefe Bauwerk somit wieder eine vertikale Ausrichtung, insbesondere in seine ursprüngliche Vertikalachse erfährt.

Zur Vereinfachung des Erfindungsgedankens wird nachstehend speziell für ein rundes, turmartiges Bauwerk, wie der Turm von Pisa, Bezug genommen. Hierbei wird einerseits z₀ als die Vertikalachse definiert, die durch den Mittelpunkt des Fundamentkreises bzw. der Bodenfläche des Bauwerks geht. Die Neigungsrichtung wird als Richtung x₀ be­ zeichnet, wobei senkrecht zu den beiden vorgenannten Achsen eine Querrichtung mit y₀ definiert wird.

Als weitere Vertikalachse z₁ wird die Lotrechte angese­ hen, die durch den Mittelpunkt der oberen Dachfläche geht.

Da der Untergrund unter dem Turm von Pisa beispielsweise aus relativ fließfähigem Material, wie Sand, Lehm oder Ton in abwechselnden Schichten besteht, stellt diese Fließfä­ higkeit einerseits ein besonders Problem dar. Anderer­ seits jedoch wird die Fließfähigkeit erfindungsgemäß gerade genutzt, um den Turm aus seiner Neigungslage zurückzufüh­ ren.

Hierzu wird vorzugsweise im Bereich unterhalb des Funda­ ments, aber auf der zur Neigungsrichtung x₀ abgewandten Seite, eine Vielzahl von Bohrungen relativ kleinen Durch­ messers vorzugsweise quer zur x₀-Richtung eingebracht.

Um dies zu realisieren, schlägt die Erfindung vor, beab­ standet zum schiefen Bauwerk und parallel zur Neigungs­ richtung x₀ mindestens eine Stützwand, z. B. als Pfahl­ wand, vorzusehen. Zur Verkürzung der Bohrlänge und zur ge­ naueren Kontrolle der in einem späteren Verfahrensschritt einsetzenden Fließvorgänge wird es bevorzugt, beidseitig eine derartige Stützwand vorzusehen.

Die verrohrten Bohrungen können dementsprechend einseitig oder beidseitig durch die Stützwände niedergebracht werden, wobei relativ kleine Durchmesser im Bereich von 5 bis 10 cm bevorzugt werden. Die Bohrungen können entsprechend den Druckverteilungen im Erdreich plaziert werden, wobei gege­ benenfalls auch Vorrichtungen unter einem Winkel kleiner 90° gegenüber der Neigungsrichtung x₀ vorgenommen wer­ den können.

Bei beidseitiger Bohrung werden die Bohrungen geeigneter­ weise so ausgerichtet, daß sich die Bohrrohre im mittleren Bereich treffen.

Während die Stützwände bis zum festen Untergrund abgetäuft werden, was beispielsweise etwa 40 m mehr betragen kann, werden die horizontalen Bohrungen unterhalb des Fundaments zur Erzeugung der Hohlräume insbesondere in dem sich an das Fundament anschließenden, sehr fließfähigen Untergrundbe­ reich, der beim Turm von Pisa aus Sand und Lehm besteht und aus der darunterliegenden Schicht des oberen Tons, einge­ bracht, also etwa bis zu einer Tiefe von 20 m unter NN.

Nach Durchführung dieser Bohrungen erhält man daher eine Vielzahl von verrohrten Hohlräumen im Abstand von x_b von der Vertikalachse z₀ und einem Abstand z_b von der durch den Fundament-Mittelpunkt (0) gehenden Neigungs­ achse x₀.

Die so eingebrachten Bohrrohre relativ kleinen Durchmessers werden dann sehr langsam und aufeinanderfolgend gezogen, so daß die freiwerdenden Hohlräume allmählich von nachfließen­ dem Erdreich gefüllt werden. Dieses Ziehen der Bohrrohre erfolgt entsprechend den im Untergrund gemessenen Druckdia­ grammen, wobei es zweckmäßig ist, im oberen Bereich unter­ halb des Fundaments längs Linien, konstanten und geringen Druckes zu beginnen und allmählich zu höheren Drucklinien vorzugehen. Stets ist jedoch erforderlich, ein ausreichen­ des Setzen des Erdreichs durch Nachfüllen der Hohlräume ab­ zuwarten, bis weitere Bohrrohre gezogen werden.

Durch das allmähliche Senken des Erdreichs auf der der Nei­ gungsrichtung abgelegenen Seite wird dementsprechend auch ein allmähliches, weitestgehend einseitiges Absinken des Turms bzw. Bauwerks auf der Entnahmeseite folgen, so daß die Vertikalisierung des Bauwerks sehr feinfühlig und suk­ zessive realisiert werden kann.

Bohrrohre, die nicht gezogen, aber niedergebracht wurden, können auch im Erdreich verbleiben oder mit stabilisieren­ den Injektionen versehen werden, so daß sie anschließend gezogen werden können.

Geeigneterweise können in dem fließfähigen Untergrund vor Ziehung der Bohrrohre auf der neigungsabgewandten Seite, auf der Neigungsseite Stabilisierungsinjektionen über Bohrrohre eingebracht werden. Hiermit kann zumindest in der Phase der Vertikalisierung ein "Fließen" des Untergrunds von der Neigungsseite auf die entgegengesetzte Seite weitestgehend verhindert werden.

Nach Durchführung der Vertikalisierungsphase wird dann eine Stabilisierungphase durchgeführt. Hierzu werden unterhalb des Fundaments des Turms zwei relativ starre Plattformen, insbesondere als Pfahlplattform, eingebracht. Beim Einbrin­ gen dieser Plattformen ist darauf zu achten, daß die im Erd­ reich erzeugten Spannungen kleiner sind als die vorherr­ schenden Druckgradienten. Die dicht unterhalb des Funda­ ments des Turms zu liegenkommende Plattform wird dabei mit einem Betonring ausgestattet, der das vorhandene Fundament bzw. den Bodensockel des Turms direkt formschlüssig umgibt und auf der oberen Plattform fixiert ist. Die konstruktiv eingeleitete Maßnahme könnte etwa mit der Plazierung des Turms auf einem schwimmenden Floß verglichen werden.

Beabstandet zu dieser oberen Plattform wird eine wesentlich größere untere Plattform im Untergrund des Turms erstellt, für die zunächst eine Verbindung mit der oberen Plattform vorgesehen sein kann.

Geeigneterweise werden diese Plattformen insbesondere als eine kombinierte Pfahl-/Flachwand-Konstruktion errichtet, wobei die Richtung der Pfähle vorzugsweise in Neigungsrich­ tung x₀ ausgerichtet ist.

Es entsteht hierdurch ein steifer Plattform- bzw. Kasten­ träger, der im Erdreich "schwimmt" und die gesamten Bewe­ gungen des Erdreichs weitgehend mitmachen kann, ohne sich dabei wesentlich zu verformen.

Nach Rückholung des Bauwerks in seine ursprüngliche Verti­ kallage bzw. nach Stabilisierung des Bauwerks wird dieses zweckmäßigerweise saniert, um die Stabilität des Bau­ werks in sich sicherzustellen.

Insbesondere im Falle des schiefen Turms von Pisa wäre die Möglichkeit gegeben, nach Durchführung der Stabilisierungs­ phase die Verbindung zwischen der oberen Plattform und der unteren Plattform zu lösen und in diesem Bereich eine Hebe­ einrichtung, insbesondere hydraulischer Art, vorzusehen. Mittels dieser Hebeeinrichtung, die auf der der ursprüngli­ chen Neigungsrichtung x₀ abgewandten Seite unterhalb des Fundaments plaziert wird, könnte dann der Turm wieder in eine Neigungslage angehoben werden, die für die Stabili­ tät des Bauwerks auch auf lange Sicht ungefährlich ist, die jedoch weitestgehend der ursprünglichen, attraktiven Schräglage entspricht.

Die Plattformen aus bewehrten Betonpfählen werden geeigne­ terweise in Neigungsrichtung unter dem Turm eingebracht, wobei hierzu auch weitere Stützwände quer zur Neigungs­ richtung x₀ vorgesehen werden können. Andere Herstel­ lungsverfahren zur Errichtung dieser geschlossenen Platt­ formen sind selbstverständlich möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet daher auch bei kritischen Bauwerkskonstruktionen eine sehr behutsame Ver­ tikalisierung, wobei sich diesem Schritt die Maßnahmen der Stabilisierung und gegebenenfalls sogar eine Rückführung in die dann jedoch stabile Neigungslage möglich ist.

Die Erfindung wird nachstehend beispielhaft anhand schema­ tischer Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch den Turm von Pisa in Neigungsrichtung x₀ mit den im Bodenbereich vorgesehenen Schichten;

Fig. 2 einen horizontalen Schnitt nach Fig. 1 im Bereich des Fundaments des Turms mit beidseitig vorge­ sehenen Stützwänden und dazu quer verlaufenden Bohrrohren;

Fig. 3 eine schematische, vertikale Schnittdarstellung des Turms mit zwei unter dem Fundament des Turms vorgesehenen Plattformen und einer die obere Plattform anhebbaren Hebeeinrichtung und

Fig. 4 einen Vertikalschnitt durch ein Ausführungsbei­ spiel einer Konstruktionsmöglichkeit einer Platt­ form.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des "schiefen Turms von Pisa" beispielhaft erläutert, wobei dies nicht in be­ schränkender Hinsicht zu verstehen ist.

In der Darstellung nach Fig. 1 ist in einem Vertikalschnitt der Turm 1 und die ihn tragenden Schichten des Untergrundes gezeigt. Der Turm 1 weist in Neigungsrichtung x₀ eine erhebliche Schräglage von ca. 5° gegenüber der vertikalen z₀ auf. Die Vertikalachse z₀ geht dabei durch den Mittelpunkt des Boden- bzw. Fundamentkreises. Der Schnitt­ punkt der Achsen wird als "0" des Koordinatensystems be­ zeichnet. Senkrecht zu den beiden Achsen x₀ und z₀ wird eine weitere Achse y₀ (vgl. Fig. 2) als Querachse definiert.

Darüber hinaus ist eine Hilfs-Vertikalachse z₁ einge­ zeichnet, die vom Mittelpunkt der Dachfläche des Turms 1 ausgeht.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist der Turm 1 auf Bodenschich­ ten errichtet, die von oben nach unten zunächst eine Sand- und Lehmschicht 3 und darunterliegend eine obere Ton­ schicht 4 aufweisen. Das Bodenniveau ist mit 2 markiert.

Unter Einbeziehung der einen horizontalen Schnitt im Be­ reich des Fundaments 5 des Turms 1 zeigenden Fig. 2 werden beim erfindungsgemäßen Verfahren zunächst beabstandet vom Turm und parallel zur Neigungsrichtung x₀ zwei Stüt­ zwände 10 niedergebracht. Diese Stützwände 10, die vorzugs­ weise als Pfahlwände erstellt werden, dienen einerseits da­ zu, das Fließen des Untergrunds des Turms in andere Berei­ che zu verhindern und vor allen Dingen jedoch dazu, aus ei­ ner mit der Stützwand gebildeten Baugrube, Bohrungen in ho­ rizontaler Richtung in den Untergrund des Turms einbringen zu können.

Zur Erzeugung der Bohrungen bzw. Hohlräume wird auf der der Neigungsrichtung abgewandten Seite des Turms 1 eine Viel­ zahl von Bohrrohren 11 beabstandet zueinander im Abstand x_b von der Vertikalen und z_b von der Neigungsachse niedergebracht. Die Durchmesser dieser Bohrrohre sind rela­ tiv klein gehalten, um hierüber sozusagen ein feindotiertes Nachfließen des Erdreichs erzeugen zu können. Zweckmäßiger­ weise werden die obersten Bohrungen geringfügig unterhalb des horizontalen Niveaus des niedrigsten Punktes des Funda­ ments 5 eingebracht.

Um nun den Turm 1 zu vertikalisieren, also in seine ur­ sprünglich vertikale Lage zurückzuversetzen, werden die Bohrungen 11 behutsam gezogen, so daß in die entstehenden Hohlräume umliegendes Erdreich fließen kann. Hiermit wird insgesamt eine allmähliche Senkung des Untergrunds unter den Fundamentbereich, der der Neigungsrichtung x₀ abge­ wandt ist, erreicht. Dies führt letztlich zu einer behutsa­ men Senkung dieses Fundamentbereichs und einer vertikalen Ausrichtung des gesamten Turms 1.

Aufgrund der leicht gekrümmten Bauweise des Turms von Pisa könnte eine geringfügige Schrägstellung auch dann noch ge­ geben sein, wenn die Hilfs-Vertikale z₁ mit der Verti­ kalen z₀ zusammenfällt.

Nach Rückführung des Turms 1 in diese Vertikalstellung, in der sozusagen eine stabile Lage erreicht ist, wird der Turm 1 in sich saniert, so daß die Eigenstabilität wieder gege­ ben ist.

Nach dieser Stabilisierungsphase wird bevorzugterweise, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, eine erste obere Plattform 21 mit darüber vorgesehenem Ringfundament unterhalb des Turms 1 eingebracht. Die Erstellung dieser Plattformen 21 und 23 ebenso wie die noch darunterliegende und beabstandete un­ tere Plattform 22 in bohrtechnischer Art ist heute möglich.

Das Ringfundament 23 umfaßt dabei schlüssig das Fundament 5 des Turms 1, so daß Plattform 21 und Ringfundament 23 den Turm 1 wie auf einem Floß tragen.

Die von der oberen Plattform 21 beabstandete untere Platt­ form 22, die wesentlich größeren Durchmesser aufweist, wird zweckmäßigerweise in Art einer kombinierten Pfahl-/Flach­ wand-Konstruktion 22 erstellt (Fig. 4).

Diese Konstruktion besteht einerseits aus horizontal einge­ brachten bewehrten Betonpfählen 31, die mittels bewehrter Beton-Flachwände 33 fest miteinander verbunden sind. Die Plattform 22 selbst kann dabei zwei Schichten aufweisen, so daß Flachwände 33 auch in vertikaler Richtung vorgesehen sind. Auf diese Weise entsteht ein sozusagen steifer Ka­ stenträger, der im Erdreich schwimmt und die Bewegungen des Erdreichs mitmacht, ohne jedoch sich selbst zu verformen.

Zwischen der oberen und der unteren Plattform 21 bzw. 22 wird im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 eine Hebeeinricht­ ung 27, speziell hydraulischer Art, vorgesehen. Mittels dieser Hebeeinrichtung 27 und dem auf der Gegenseite zur Abstützung der oberen Plattform 21 vorgesehenen Gegenlager 28 ist es nunmehr möglich, den Turm 1 wieder in eine Schräglage anzuheben, die einer unkritischen Schrägstel­ lung, gegebenenfalls jedoch der ursprünglichen Schräglage entspricht.

Die Erfindung bietet daher die Möglichkeit eines bodentech­ nischen Eingriffs gerade bei problematischen Bodenverhält­ nissen, wie es insbesondere beim schiefen Turm von Pisa ge­ geben ist.

Claims (11)

1. Verfahren zur Neigungsänderung und/oder zur Rückfüh­ rung eines gegen die Vertikalachse geneigten oder sich neigenden Bauwerks in seine vertikale Lage, insbeson­ dere eines turmartigen Bauwerks, das auf relativ fließfähigem Untergrund wie z. B. Sand, Lehm und/oder Ton errichtet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß außerhalb der Fundament-Vertikalen (z₀) des Bauwerks (1) im Bereich entgegengesetzt zur Neigungs­ richtung (x₀) unterhalb des Fundaments (5) des Bauwerks weitgehend horizontal verlaufende Hohlräume kleinen Durchmessers geschaffen werden und
daß anschließend durch Nachfließen des Untergrunds (3) in die Hohlräume unterhalb und im Bereich des Funda­ ments eine gewünschte Neigungsänderung bzw. Vertikal­ stellung des Bauwerks herbeigeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß parallel zur Neigungsrichtung (x₀) des Bau­ werks (1) und beabstandet dazu mindestens auf einer Seite des Bauwerks eine weitgehend senkrechte Stütz­ wand (10), insbesondere Pfahlwand, niedergebracht wird,
daß zur Erzeugung der Hohlräume außerhalb der Funda­ ment-Vertikalen (z₀) des Bauwerks (1), insbesonde­ re auf dem der Neigungsrichtung (x₀) entgegenge­ setzten Bereich im Untergrund des Bauwerks eine Viel­ zahl von Bohrrohren (11) bzw. verrohrten Bohrungen ausgehend von der oder den Stützwand/wänden einge­ bracht wird und
daß zum Nachfließen des Untergrunds (3) in Bohrungen von Bohrrohren (11) anschließend die Bohrrohre sukzes­ sive gezogen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrrohre (11) senkrecht zur Längserstreckung der Stützwand (10) und horizontal niedergebracht werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Bohrrohre (11) kleinen Durchmessers, z. B. im Be­ reich 5 bis 10 cm Durchmesser, verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beidseitig, parallel zur Neigungsrichtung (x₀) Stützwände (10) als Pfahl- oder Spundwände vorgesehen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrrohre (11) beidseitig durch die Stützwände (10) niedergebracht werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig von der Tiefe des Fundaments (5) des Bau­ werks (1) die Bohrrohre (11) über ein Mehrfaches die­ ser Tiefe im Untergrund (3) unter Bodenniveau, einge­ bracht werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere vor dem Ziehen der Bohrrohre (11) in Neigungsrichtung (x₀) im Bereich unter dem Funda­ ment eine oder mehrere Stabilisierungsinjektionen, insbesondere in horizontaler Richtung und senkrecht zur Neigungsrichtung eingebracht werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach Rückführung des Bauwerks in seine vertikale Lage (z₀) unterhalb seines Fundaments (5) zwei tiefenbeabstandete, weitgehend starre Plattformen (21, 22) errichtet werden, von denen die oberste Platt­ form (21) als insbesondere wannenartige Tragplattform des Bauwerks errichtet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen unterer und oberer Plattform (21, 22) min­ destens einseitig und quer (y₀) zur ursprünglichen Neigungsrichtung (x₀) des Bauwerks (1) eine Hebe­ einrichtung (27) zur Neigungsänderung des Bauwerks aus seiner vertikalen Lage (z₀) vorgesehen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauwerk (19) durch Anhebung oder Absenkung mit­ tels der Hebeeinrichtung (27) in seine ursprüngliche Neigungslage rückversetzt wird.