Die Grundlage jedes Hebevorgangs: Warum die Bodenunterstützung wichtig ist

Newtons drittes Bewegungsgesetz besagt, dass jede Aktion eine gleich große und entgegengesetzte Reaktion hervorruft. Um das Gleichgewicht zu halten, übt ein Objekt eine Kraft auf ein anderes aus (z. B. ein Kran auf dem Boden oder Ihr Fuß auf dem Boden), übt das zweite Objekt eine gleich große, aber entgegengesetzte Kraft auf das erste Objekt aus. Fehlt dem zweiten Objekt die nötige Stabilität oder Tragkraft, führt dies zum Versagen.

Um eine ausreichende Fundamentunterstützung (Bodenunterstützung) für Schwerlasthubvorgänge sicherzustellen, muss der Hebeplaner drei grundlegende Elemente klar und gründlich verstehen: Bodenstabilität, Bodenkapazität und Kenntnisse über den Hebevorgang selbst.

Seit der Erfindung des Baukrans durch die Griechen um 600 v. Chr. bis heute besteht das grundlegende Verständnis, dass sowohl eine ausreichende Bodenstabilität als auch eine ausreichende Bodenkapazität für die Gewährleistung sicherer und effizienter Hebevorgänge von entscheidender Bedeutung sind.

Ob beim Heben einer 10.000 Tonnen schweren Last oder beim Heben des Hinterteils vom Sofa – jede sichere und erfolgreiche Lastbewegung hängt von stabilen und tragfähigen Untergründen ab. Daher beginnt jeder Hebevorgang „unter der Erde“ mit der universellen Notwendigkeit einer ausreichenden Fundamentunterstützung.

Trotz seiner jahrhundertelangen Bekanntheit hat das Thema Bodenabstützung in letzter Zeit in der Schwerlastbranche noch mehr an Bedeutung gewonnen. Beispiele für diese verstärkte Aufmerksamkeit finden sich im neu veröffentlichten SC&RA-Leitfaden zu Materialien, Auswahl und Verwendung von Abstützplatten und im bald erscheinenden, nicht verbindlichen Anhang zum ASME P30-Standardanhang D – Planung von Fundamenten und Abstützungen für schwere Lasten.

Kurzer Vorbehalt: Dieser Artikel konzentriert sich auf Empfehlungen für Hebevorgänge mit größerer Kapazität, höherer Komplexität und größerer Komplexität. Es versteht sich, dass die Wirtschaftlichkeit von Taxikranen die Umsetzung vieler dieser Empfehlungen einschränkt oder unmöglich macht. Sie können jedoch dazu beitragen, den Bedarf an solchen Informationen unabhängig von Hebegröße und -komplexität zu verdeutlichen.

Sicherstellung der Bodenunterstützung

Um eine ausreichende Fundamentunterstützung (Bodenunterstützung) für Schwerlasthubvorgänge zu gewährleisten, müssen drei grundlegende Elemente vom Hebeplaner klar und gründlich verstanden werden:

Bodenstabilität – Kenntnis der Integrität der Erdoberfläche und der Bedingungen unter der Oberfläche, einschließlich Kenntnis der unterirdischen Anlagen (Fundamente, Tanks, Versorgungseinrichtungen usw.), des Zustands dieser Anlagen und ihrer dreidimensionalen Lage (Koordinatenposition und Überdeckungstiefe), Bereiche mit möglicherweise nicht verfestigten Böden und Hohlräume unter der Oberfläche.

Bodentragfähigkeit – mechanische Tragfähigkeit des Bodens, der Straßendecke oder der erhöhten Struktur, Verformungen zu widerstehen und die auferlegten Lasten zu tragen.

Kenntnisse über den Aufzug selbst – Identifizierung der einzusetzenden speziellen Aufzugshandhabungsausrüstung (LHE), aller einzusetzenden Hilfsgeräte und der damit verbundenen Bodenreaktionskräfte (Bodendruck, auch GBPs genannt), die auf den Boden ausgeübt werden.

Geophysikalische Methoden erfassen Daten über weite Bereiche und liefern ein umfassendes Bild der Untergrundbedingungen im gesamten Gelände. Die Analyse dieser Daten ermöglicht die Identifizierung von Hohlräumen und Bereichen mit unverfestigten Böden im Untergrund sowie die Abschätzung ihrer Position und Ausdehnung.

Bodenstabilität

Die Kenntnis der Oberflächen- und Untergrundbedingungen des Standorts ist ein entscheidender erster Schritt im Planungsprozess eines Aufzugs. Ein weiterer wichtiger Schritt ist die Sammlung verfügbarer historischer und projektbezogener Dokumente. Luftaufnahmen (aktuelle und historische), topografische Vermessungen, geotechnische Berichte, Versorgungskarten und -atlanten, Bauzeichnungen und Baustellenlogistikpläne helfen dem Planer, sich über mögliche Anlagen und unterirdische Elemente zu informieren. Mit diesen Informationen erfolgt im nächsten Schritt eine physische Standortuntersuchung. Standortuntersuchungen bieten die Möglichkeit zur Validierung und Dokumentation des Ist-Zustands.

Bei der Planung der Standortuntersuchung ist es wichtig, die Einsatzorte der Hilfsgeräte oder die Fahrwege der Lade- und Hebegeräte, die das Gelände verlassen oder durchqueren, nicht zu ignorieren.

Der Untersuchungsprozess beginnt mit einer Begehung des Geländes, um die Beschaffenheit der Bodenoberfläche und der oberirdischen Elemente zu beobachten. Die Begehung dient auch der Identifizierung weiterer potenzieller Gefahrenquellen wie Versorgungsstrukturen, angrenzende Keller, Fundamente und erhöhte Gebäude.

Obwohl manuelle Messungen zur Dokumentation dieser Merkmale verwendet werden können, ermöglicht die heutige Technologie die 3D-Datenerfassung. Terrestrisches Laserscanning, LiDAR, SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) und/oder Photogrammetrie, einschließlich Drohnen (unbemannte Flugsysteme), sind allesamt praktikable Datenerfassungstechnologien. Obwohl jede dieser Technologien ihren spezifischen Anwendungsbereich hat, ermöglichen sie eine vollständige und präzise Erfassung der Bedingungen vor Ort.

Die Kombination geophysikalischer und geotechnischer Untersuchungen ist für die Beurteilung von Untergrundverhältnissen sehr empfehlenswert. Zusammen bieten sie einen umfassenden Überblick über die Untergrundbedingungen. Verschiedene ASTM-Normen regeln geophysikalische und geotechnische Prüfmethoden.

Bei geophysikalischen Untersuchungen kommen nichtinvasive Techniken wie Bodenradar (GPR) zum Einsatz, um ein qualitatives Verständnis und eine Charakterisierung der Untergrundbedingungen zu entwickeln. Geophysikalische Methoden erfassen Daten über weite Bereiche und liefern ein umfassendes Bild der Untergrundbedingungen im gesamten Gebiet. Die Analyse dieser Daten ermöglicht die Identifizierung von Hohlräumen und Bereichen mit unverfestigten Böden im Untergrund sowie die Abschätzung ihrer Position und Ausdehnung.

Ein weiterer Vorteil einer GPR-Untersuchung ist die Möglichkeit, das Vorhandensein verschiedener unterirdischer Anlagen, einschließlich metallischer und nichtmetallischer Materialien, zu erkennen und zu bestätigen. GPR ermöglicht die analytische Dokumentation der Tiefe und Position von unterirdischen Versorgungsleitungen, Betonfundamenten und Ähnlichem. Auch tragbare Ortungsgeräte für Rohre und Kabel können bei diesen Untersuchungen eingesetzt werden, um die Standorte leitfähiger unterirdischer Versorgungsleitungen zu ermitteln.

Es ist wichtig zu beachten, dass geophysikalische Daten nichts enthalten, was ein unterirdisches Ziel (auch bekannt als „Anomalie“) spezifisch von einem anderen identifiziert oder unterscheidet. Anders ausgedrückt: GPR-Daten enthalten nichts, was ein bestimmtes lineares Ziel automatisch als Abwasserkanal identifiziert oder einen Abwasserkanal automatisch von einer Gasleitung, einem Rohrleitungspaket oder einer Baumwurzel unterscheidet. Die ordnungsgemäße Auswertung dieser Daten erfordert Expertenanalysen und zusätzliche Informationen (z. B. historische und projektbezogene Dokumente), um die Daten in einen Kontext zu setzen und sie wirklich nutzbar zu machen.

Die geotechnische Datenerhebung ist ein physikalisch invasiver Prozess, der quantitative Daten zum Bodenmaterial liefert. Eine umfassende geotechnische Untersuchung umfasst die Entnahme von Bodenproben an bestimmten Stellen (Bodenbohrungen). Die Analyse beginnt mit der Erfassung der Anzahl der Schläge, die erforderlich sind, um einen Spaltlöffel-Probenehmer 15 cm tief in den Boden zu treiben („Schlagzählung“), und der visuellen Beurteilung der entnommenen Proben. Die Analyse wird in einem Testlabor durchgeführt.

Eine schnelle, kostengünstige und alternative geotechnische Methode zur Bewertung der Bodenfestigkeit ist die dynamische Kegel-Penetometrie (DCP). Dabei wird ein Metallkegel auf einem Messstab mithilfe eines Standardgewichts aus einer festen Höhe in den Boden getrieben und die Eindringtiefe pro Schlag gemessen, um den Bodenwiderstand zu bestimmen. Die Eindringraten werden mit dem California Bearing Ratio (CBR) korreliert, aus dem die Bodensteifigkeit berechnet wird.

Eine letzte Voraussetzung für die Datenerfassung vor Ort ist die Einrichtung einer Vermessungskontrolle und/oder Georeferenzierung. Die bekannten Ausrichtungen und Standorte von Oberflächenmerkmalen und Datenerfassungspunkten sind für die Beurteilung des geplanten Lifts und die ordnungsgemäße Planung von Verbesserungen und Liftausrüstung von entscheidender Bedeutung.

Bodenkapazität

Nachdem die Standortbedingungen dokumentiert und charakterisiert wurden, muss die mechanische Tragfähigkeit des Bodens bestimmt werden.

Anhand geotechnischer Prüfdaten kann eine Fachkraft die maximale Bodentragfähigkeit für den jeweiligen Standort berechnen. Die maximale Bodentragfähigkeit wird im Allgemeinen als die maximale Belastung pro Flächeneinheit definiert, die der Boden aushalten kann, bevor er versagt. Sie ist ein entscheidender Faktor für die Festlegung der zulässigen Bodentragfähigkeit für den geplanten Hebevorgang.

Die Arbeit der Dearborn Companies umfasst Kraneinsätze auf Hochbauten, dichten Stadtstraßen, Kraftwerken und Industrieanlagen sowie Windparks sowie technische Anwendungen komplexer Gerüste, Abstütz- und Erdstützsysteme.

Unabhängig von der verwendeten geotechnischen Testmethode stellen die Daten eine Momentaufnahme der Bodenbedingungen an diesem bestimmten Standort dar. Im gesamten LHE-Einsatzgebiet sind mehrere Testpunkte erforderlich, da die Bedingungen zwischen den Punkten abgeleitet oder interpoliert werden.

Anhand der maximalen Tragfähigkeit und eines Auslegungsfaktors (auch Sicherheitsfaktor genannt) berechnet der Sachverständige die zulässige Bodentragfähigkeit für den geplanten Aufzug. Ein Auslegungsfaktor ist ein Multiplikator, der in diesem Fall auf die maximale Tragfähigkeit angewendet wird, um Unsicherheiten in den Materialeigenschaften und unbekannten Umwelteinflüssen Rechnung zu tragen und eine Sicherheitsmarge gegen Totalausfall zu gewährleisten.

Den Aufzug verstehen

Sobald die bestehenden Bedingungen dokumentiert und die Bodentragfähigkeit des Standorts bekannt sind, kann die endgültige Planung des Hubs erfolgen. Der Abgleich der berechneten Bodenkräfte des LHE mit der zulässigen Bodentragfähigkeit dient als Grundlage für Entscheidungen über Einsatz und Positionierung von Kranstellflächen und -matten, den möglichen Bedarf und Umfang von Bodenverbesserungen oder sogar mögliche Änderungen der LHE-Auswahl oder des Hubstandorts.

Egal wie sorgfältig der Hebeplan oder wie elegant die Takelage ist, nichts überlebt einen schlechten Stand – jeder Hebevorgang beginnt und endet mit dem, was darunter ist.

DER AUTOR

Mike Walsh, Mitglied der ASME P30, ist Präsident der Dearborn Companies, einem Familienunternehmen in dritter Generation, das seit über 70 Jahren Ingenieur- und Bauberatung anbietet. Die Arbeit der Dearborn Companies umfasst Kraneinsätze auf Hochbauten, dichten Stadtstraßen, Kraftwerken, Industrieanlagen und Windparks sowie die technische Anwendung komplexer Gerüste, Abstützungen und Erdstützsysteme.