Titelaufnahme

Titel
Analytische, numerische und experimentelle Untersuchungen von Meißelarbeiten bei der Pfahlherstellung mit dem Schlagbohrverfahren unter besonderer Berücksichtigung der Grundwasserbedingungen / Dietmar Kohlböck
VerfasserKohlböck, Dietmar
Begutachter / BegutachterinBrandl, Heinz ; Jodl, Hans Georg
Erschienen2008
UmfangXIII , 180 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2008
Anmerkung
Zsfassung in engl. Sprache
SpracheDeutsch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Spezialtiefbau / Bohrpfähle / Schlagbohrverfahren / Bohrgreifer / Fallmeißel / Lösetechnik / Fels / Grundwasser / Strömungssimulation / Strömungswiderstand
Schlagwörter (EN)geotechnics / pile construction / bored piles / percussive drilling / hammer grab / chisel / rock / groundwater / computational fluid dynamics / flow resistance
Schlagwörter (GND)Tiefbau / Schlagbohren / Pfahl / Meißel / Grundwasser
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-25427 Persistent Identifier (URN)
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Analytische, numerische und experimentelle Untersuchungen von Meißelarbeiten bei der Pfahlherstellung mit dem Schlagbohrverfahren unter besonderer Berücksichtigung der Grundwasserbedingungen [6.29 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Das Schlagbohrverfahren mit verschiedenen Bohrwerkzeugen stellt eine seit langem gängige Möglichkeit zur Herstellung von Pfählen dar. In der vorliegenden Dissertation wird der Einsatz von Meißelwerkzeugen beim Lösen von Festgestein bzw. sonstigen Bohrhindernissen untersucht.

Dabei wird der erschwerende Einfluß des Grundwassers beim Bohren besonders berücksichtigt.

Meißelwerkzeuge werden im Freifallbetrieb zum Lösen des Untergrundes an der Bohrlochsohle in schlagender Weise eingesetzt.

Die grundsätzlichen Überlegungen beruhten bisher darauf, daß die Werkzeuge ihre potentielle Energie von der Ausgangslage bis zum Auftreffen an der Bohrlochsohle in kinetische Energie umwandeln. Weitere im System wirkenden Widerstände, wie Trägheiten und Reibungsvorgänge, wurden dabei außer Acht gelassen. Beim Einsatz unter Wasser ergeben sich außerdem erhebliche Strömungswiderstände, für welche in der Literatur bis dato keine Angaben bekannt waren. Die Bewegungsvorgänge bei Meißelarbeiten waren daher nicht oder nicht ausreichend erfaßt, und die geometrische Ausführung bzw. der Einsatz der Werkzeuge vorwiegend empirisch bestimmt. In der vorliegenden Arbeit werden anhand einer Betrachtung der beim Freifallbetrieb maßgeblichen Komponenten analytische Modelle zur Beschreibung der Fallbewegung erstellt. Dies erfolgt für den Einsatz im trockenen und wassergefüllten Bohrloch.

Für die Rotationsbewegung des Meißels bei den Fallvorgängen unter Wasser, welche für ein vollständiges, systematisches Aufmeißeln des Untergrundes sorgt, wird ebenfalls ein analytisches Modell ausgearbeitet.

Die Strömungseigenschaften von verschiedenen Meißeltypen und -ausführungen werden umfangreich mit Hilfe von numerischen Strömungssimulationen untersucht. Dabei werden die Strömungswiderstände und Momenteneinwirkungen auf die verschiedenen Werkzeugvarianten im Bezug auf die Fall- und Rotationsbewegung ermittelt und gegenübergestellt. Die Ergebnisse der Berechnungen lassen Optimierungspotentiale in der Meißelausführung erkennen und dienen als Eingangsparameter für die analytischen Modelle.

Zur Überprüfung und Erweiterung der numerisch ermittelten Strömungseigenschaften wurden maßstäbliche Modellversuche durchgeführt.

Alle im Maßstab 1:7.4 untersuchten Meißelvarianten wurden in identischer Weise auch mit numerischen Strömungssimulationen gerechnet. Somit können direkte Vergleich zwischen den theoretisch und experimentell ermittelten Ergebnissen erfolgen und die analytischen Bewegungsgleichungen bestätigt werden. Dies betrifft sowohl die Fall- als auch die Rotationsbewegung der Werkzeuge. Bei Meßeinsätzen auf Baustellen konnten Fallvorgänge in trockenen, teilweise und vollständig wassergefüllten Bohrlöchern mit verschiedenen Methoden aufgenommen werden. Darüber hinaus wurden die auftretenden Kräfte bei den Meißelarbeiten in direkter und indirekter Weise gemessen, um Erkenntnisse über das Ausmaß und den Verlauf der Schlagkräfte zu gewinnen. Anhand der Ergebnisse aus den Baustellenmessungen werden die bisher angeführten Untersuchungen im praktischen Einsatz überprüft. Für die Erfassung der Schlagkräfte und Bewegungsvorgänge waren umfangreiche Meßmethoden erforderlich, die speziell für die gegenständlichen Untersuchungen angefertigt wurden. Dazu zählen ein photogrammetrisches Meßverfahren mit rechnergestützter Auswertung sowie ein Meßsystem zur Aufzeichnung der maßgeblichen Beschleunigungen bei den Meißelarbeiten. Diese Meßmethoden konnten sowohl bei den klein- als auch bei den großmaßstäblichen Versuchen erfolgreich eingesetzt werden. Anhand der analytisch, numerisch und experimentell ermittelten Ergebnisse lassen sich Vergleiche zwischen den verschiedenen Meißelvarianten vornehmen und Empfehlungen für die geometrische Ausführung und praktische Anwendung der Werkzeuge unter verschiedenen Randbedingungen angegeben.

Zusammenfassung (Englisch)

The installation of pile foundations by hammer grab and chisel is a long known construction method. In this doctoral thesis the use of chisel devices to break rock or other subsurface obstacles is investigated. The influence of groundwater conditions is particularly considered. Chisels are used in free fall operation to break hard layers in a percussive way at the borehole bottom. Preliminary approaches were based upon energy conservation, in order that the potential energy from the starting position is transferred into kinetic energy during the free fall. Non-conservative forces (frictional forces) and other inertial forces within the system were neglected. In underwater operation additional flow resistance forces act on the chisel, which were relatively unknown. As a consequence the motion of the devices could not sufficiently be described and the design and operation of the chisel was based upon empirical considerations.

In this dissertation analytical models for the motion of the chisel are developed for the application in dry and water-filled boreholes.

Additionally, a model for the rotation of the chisel during the free fall under water is created, which ensures a complete and systematic rock-breaking process at the borehole bottom.

Computational fluid dynamics simulations are used to predict the flow behaviour of various chisel types. The flow resistance forces and moments due to the flow around the chisels are computed and compared.

The computational results can be used for further optimisation in the design and as input parameters for the analytical models.

Model tests (scale 1:7.4) were performed to test the results from the computational fluid dynamics simulations and the analytical models.

Consequently, the equations for the translational and rotational motion could be verified. Several large scale tests on different construction sites were carried out to measure the motion of the chisel in dry, partly and completely water-filled boreholes. Additionally, indirect and direct measurements of the the chisel impacts were taken, in order to determine the amount and the development of the impact forces. The results of the large scale tests complete the experimental investigations. For the measurement of the chisel motion and impact forces, a sophisticated measurement system was developed. The system comprises a time-resolved photogrammetric measurement with computational evaluation and a complicated acceleration measurement during the chisel works.

These methods could be used for the small and large scale tests and have proven successful. The results of the analytical, numerical and experimental investigations allow an exact comparison between the chisel types. Furthermore detailed recommendations for the practical application of the devices under different conditions are given.