Baugrubensicherungen nach den Empfehlungen des Arbeitskreises „Baugruben“ (2006)

1. Vorbemerkungen

Die im Juni 2006 in der 4. Auflage herausgegebenen Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben (EAB) berücksichtigen die bauaufsichtlich eingeführte Neufassung der DIN 1054 (2005-01) und ersetzen somit die 3. Auflage der EAB von 1994 sowie die „Entwurfsfassung" der Empfehlungen EAB-100 von 1996, in welcher das Teilsicherheitskonzept bereits verankert war.

Die EAB sind Regeln der Technik für fachgerechtes Verhalten im Normalfall, die sich bei der Berechnung und Bemessung von Baugrubensicherungen als anerkannte Regeln der Technik bewährt haben.

Das mit der DIN 1054 und den neuen EAB eingeführte Teilsicherheitskonzept und die strikte Trennung von Einwirkungen und Widerständen bringt eine Änderung des Bemessungs- und Nachweisverfahrens für Verbauwände gegenüber der bisherigen Methode mit sich. Darüber hinaus wurden sämtliche Empfehlungen aus der 3. Auflage einer grundsätzlichen Überarbeitung unterzogen.

2. Aufgabe

Herr Michael Riemer erhält die Aufgabe, die für die Bemessung von Verbauwänden wesentlichen Grundlagen, Berechnungs- und Nachweisschritte unter Anwendung der neuen EAB zu erfassen und in einer systematischen und zusammenfassenden Form darzustellen. Anzustrebendes Ziel ist dabei die Erstellung eines für Lehrzwecke verwendbaren Skriptes.

Er soll sich dabei hauptsächlich auf die einfachen statischen Systeme:

- die ungestützte, im Boden eingespannte Wand,

- die einfach gestützte (bzw. verankerte) im Boden frei aufgelagerte Wand und

- die einfach gestützte (bzw. verankerte) im Boden voll eingespannte Wand beziehen.

Des Weiteren soll Herr Riemer für die drei genannten statischen Systeme jeweils ein Berechnungsbeispiel - einschließlich der Bemessung der Verbauwand (Spund- bzw. Ortbetonwand) ausarbeiten. Ein weiteres Beispiel soll für eine Trägerbohlwand angefertigt werden.

Die Umsetzung der Aufgabe und die weitere Konkretisierung innerhalb des Aufgaben- rahmens soll in Absprache mit dem Betreuer erfolgen.

3. Weitere Hinweise

Die Diplomarbeit soll ein ausführliches Quellenverzeichnis sowie eine kurze Zusammenfassung enthalten.

Die Arbeit soll in zwei gedruckten Exemplaren an der HTWK eingereicht werden. Zusätzlich ist eine CD zu erstellen, auf der die Diplomarbeit sowohl als MS Word Datei als auch als PDF Datei abgespeichert ist.

Bestandteil der Diplomarbeit ist auch die Anfertigung eines (mit Powerpoint entwickelten) Präsentationsplakates im Format DIN A1. Zum Ausdrucken der ppt-Datei kann der Farbplotter der Fachgruppe „Tiefbau“ genutzt werden. Die Plakat-Datei soll ebenfalls auf die CD gespeichert werden.

Betreuer:

Prof. Dipl.-Ing. Manfred Kilchert

Termine:

Ausgabe der Diplomaufgabe: 27. November 2006

Abgabe der Diplomarbeit: 27. Februar 2007

Leipzig, den 27. November 2006

Prof. Dipl.-Ing. Manfred Kilchert

Erklärung 5

Erklärung

Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Diplomarbeit selbständig angefertigt habe. Es wurden nur die in der Arbeit ausdrücklich benannten Quellen und Hilfsmittel benutzt. Wörtlich oder sinngemäß übernommenes Gedankengut habe ich als solches kenntlich gemacht.

Ort, Datum Unterschrift

Kurzfassung 6

Kurzfassung

Die in den 70er Jahren erstmals veröffentlichten Empfehlungen des Arbeitskreises „Baugruben“ der Gesellschaft für Erd- und Grundbau e.V. hatten das Bestreben eine gewisse Einheitlichkeit in die Grundlagen der Berechnung von Baugrubenumschließungen zu bringen. Die vorliegende Arbeit versucht zunächst in allgemeiner Form über die Erläuterung dieser Grundlagen der mittlerweile in der 4. Auflage erschienenen EAB hinaus eine zusammenfassende Darstellung aller wesentlichen Fragen zu geben, die sich beim Entwurf einer standsicheren Baugrubenkonstruktion stellen, und beschreibt an-hand von vier vollständig durchgerechneten Beispielen, wie zukünftig auf vereinfachende Weise eine Vorbemessung der Einbindetiefe, die Berechnung und die Nachweisführung von Baugrubenwänden und seiner Einzelteile durchgeführt wird.

Abstract

The “Recommendation on Excavations”, edited by Deutsche Gesellschaft für Erd- und Grundbau e.V., which have been published first in the 1970’s, have had the aim of bringing a certain standard into the basics of calculation of excavation pits. At first this present paper tries, by exceeding the explanation of those basics given in the 4th edition of “Recommendation on Excavations” to describe all essential aspects that of calculation of excavation walls. A possible future procedure for the preliminary computation of embedment depth and a prospective method of designing and check calculation of excavation walls and their single parts is subsequently illustrated by four complete exam- ples.

Inhaltsverzeichnis 7

Inhaltsverzeichnis   

DIPLOMAUFGABE   2

ERKL  ÄRUNG  5

KURZFASSUNG.   6

ABSTRACT   6

ABBILDUNGSVERZEICHNIS   13

TABELLENVERZEICHNIS   14

ABK  ÜRZUNGSVERZEICHNIS.  15

EINLEITUNG   16

1  EINFÜHRUNG IN DIE NEUE DIN 1054 EC7  18

1.1  Entwicklung der DIN 1054 und des Eurocodes 7.  18

1.2  Sicherheitskonzepte  21

1.2.1  Globales Sicherheitskonzept (alte DIN 1054: 1976)  23

1.2.2  Teilsicherheitskonzept (EC 7: 2005)  24

1.2.2.1  Charakteristische Werte und Bemessungswerte  24

1.2.2.2  Grenzzustände der Tragfähigkeit.  25

1.2.2.3  Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit.  28

1.2.3  Teilsicherheitskonzept (neue DIN 1054: 2005)  28

1.2.3.1  Grenzzustände der Tragfähigkeit GZ 1.  28

1.2.3.2  Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit GZ 2.  30

1.2.3.3  Einwirkungen, Beanspruchungen und Einwirkungskombinationen  31

1.2.3.4  Widerstände und Sicherheitsklassen.  32

1.2.3.5  Lastfälle (LF)  32

1.2.3.6  Teilsicherheitsbeiwerte.  34

1.2.3.7  Bodenkenngrößen und Geotechnische Kategorien  35

Inhaltsverzeichnis 8

2  GRUNDLAGEN FÜR DIE BEMESSUNG DER  

BAUGRUBENSICHERUNGSMA  ßNAHMEN  37

2.1  Hinweise zur Konstruktion von Baugrubenverbauten  37

2.1.1  Allgemein  37

2.1.2  Trägerbohlwände  38

2.1.3  Spundwände (Stahl)  39

2.1.4  Massive Baugrubenwände  41

2.1.4.1  Schlitzwände  41

2.1.4.2  Bohrpfahlwände  43

2.1.5  Stützung von Baugruben  46

2.1.5.1  Aussteifung.  46

2.1.5.2  Verankerung.  47

2.1.5.3  Gurtung  49

2.2  Statische Systeme  50

2.3  Grundlagen der Erddruckberechnung nach E DIN 4085 (2002)  51

2.3.1  Allgemeines  51

2.3.2  Winkeldefinition.  53

2.4  Einwirkungen und Beanspruchungen  55

2.4.1  Lastannahmen  55

2.4.2  Aktiver Erddruck- Ebener Fall.  56

2.4.2.1  Allgemeine rechnerische Verfahren.  57

2.4.2.2  Verteilung des aktiven Erddruckes nach EB 69 EB 70  61

2.4.2.3  Aktiver Erddruck bei Baugruben neben Bauwerken  65

2.4.2.4  Aktiver Erddruck bei geschichtetem Boden  65

2.4.3  Erhöhter aktiver Erddruck (verminderter Erdruhedruck)  66

2.4.4  Aktiver Erddruck- Räumlicher Fall  68

2.4.5  Erdruhedruck  68

2.4.5.1  Allgemeine rechnerische Verfahren.  68

2.4.5.2  Verteilung des Erdruhedruckes nach EB 23  69

2.4.5.3  Erdruhedruck aus senkrechten oder waagerechten Bauwerkslasten  

nach  EB 18  70

2.4.6  Wasserdruck  71

2.4.6.1  Umströmung des Wandfußes  72

2.4.6.2  Am Strömen gehindertes Wasser  73

2.5  Widerstände.  74

2.5.1  Passiver Erddruck (Erdwiderstand)- Ebener Fall  74

2.5.2  Passiver Erddruck (Erdwiderstand)- Räumlicher Fall  76

Inhaltsverzeichnis 9

3  BEMESSUNG WANDARTIGER TRAGWERKE  78

3.1  Ermittlung der Einbindetiefe nach EB 80  78

3.1.1  Iterative Lösung  79

3.1.2  Rechnerunterstützte Handrechnung.  79

3.1.3  Nomogrammverfahren nach Blum.  80

3.2  Ermittlung der Schnittgrößen nach EB 82.  81

3.2.1  Auflagerkräfte.  81

3.2.2  Biegelinie und maximales Moment  81

3.3  Verfahren zur Ermittlung von Schnittgrößen und Einbindetiefen mehrfach  

gest  ützter Baugrubenwände  82

3.3.1  Berechnung mit Elastizitätstheorie und Traglastverfahren unter vereinfachten  

Berechnungsans  ätzen nach EB 27  82

3.3.2  Bettungsmodulverfahren und die Finite- Elemente- Methode  

nach  EB 102 und EB 103  83

3.4  Nachweis der Tragfähigkeit GZ 1  84

3.4.1  Nachweis der Lagesicherheit GZ 1A  84

3.4.1.1  Nachweis der Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch nach EB 61  84

3.4.1.2  Nachweis der Sicherheit gegen Aufschwimmen nach EB 62  86

3.4.2  Nachweis der Standsicherheit GZ 1B.  87

3.4.2.1  Nachweis des Erdauflagers nach EB 80.  87

3.4.2.2  Nachweis der Vertikalkomponente des mobilisierten Erdwiderstandes  

nach  EB 9.  87

3.4.2.3  Nachweis des Einbindetiefenzuschlages nach EB 26  88

3.4.2.4  Nachweis der Abtragung der Vertikalkomponente in den Untergrund  

nach  EB 84.  89

3.4.3  Nachweis der Gesamtstandsicherheit GZ 1C  90

3.5  Nachweis der Gebrauchstauglichkeit GZ 2  90

3.5.1  Allgemein  90

3.5.2  Bedeutung.  90

3.5.3  Vergleich der Methoden zur Ermittlung der Verformungen  91

3.5.4  Beobachtungsmethode  92

3.6  Berechnungsbeispiel  1

  - einfach gestützte und im Boden frei aufgelagerte Wände  93

3.6.1  Aufgabe.  93

3.6.2  Ermittlung von Erddruck und Erdwiderstand  95

3.6.3  Vorbemessung der erforderlichen Einbindetiefe t 0 durch rechnerunterstützte  

Handrechnung   99

3.6.4  Ermittlung der charakteristischen Einwirkungen unterhalb der BGS mit dem  

ermittelten  t 0  100

3.6.5  Ermittlung des charakteristischen Erdwiderstandes mit dem ermittelten t 0  100

3.6.6  Ermittlung der Auflagerkräfte und des maximalen Moments.  101

3.6.7  Bemessung eines Spundwandprofils  102

Inhaltsverzeichnis 10

3.6.8  Nachweis des Erdauflagers  103

3.6.9  Nachweis der Vertikalkomponente des mobilisierten Erdwiderstandes  

nach  EB 9  103

3.6.10  Nachweis Abtragung der Vertikalkräfte in den Untergrund nach EB 84  105

3.6.11  Durchbiegung  106

3.6.12  Fußverschiebung  107

3.6.13  Gesamtverschiebung.  108

3.7  Berechnungsbeispiel  2

  - nicht gestützte, im Boden eingespannte Wände  109

3.7.1  Aufgabe.  109

3.7.2  Ermittlung von Erddruck und Erdwiderstand  111

3.7.3  Vorermittlung der Einbindetiefe t 1  115

3.7.4  Ermittlung der wirksamen Wichte infolge Strömung mit dem ermittelten t 1  116

3.7.5  Ermittlung von Erddruck und Erdwiderstand mit dem ermittelten t 1  117

3.7.6  Ermittlung der Auflagerkräfte  118

3.7.7  Ermittlung des maximalen Moments.  120

3.7.8  Nachweis des Erdauflagers  123

3.7.9  Nachweis der Vertikalkomponente des mobilisierten Erdwiderstandes  

nach  EB 9  123

3.7.10  Nachweis des Einbindetiefenzuschlags nach EB 26.  125

3.7.11  Nachweis Abtragung der Vertikalkräfte in den Untergrund nach EB 84  127

3.7.12  Nachweis der Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch nach EB 61  128

3.8  Berechnungsbeispiel  3

  - einfach gestützte und im Boden eingespannte Wände  130

3.8.1  Aufgabe.  130

3.8.2  Ermittlung von Erddruck und Erdwiderstand  132

3.8.3  Vorermittlung der Einbindetiefe t 1 mit dem Nomogrammverfahren  135

3.8.4  Ermittlung der charakteristischen Einwirkungen unterhalb der BGS mit dem  

ermittelten  t 1  138

3.8.5  Ermittlung der charakteristischen Erdwiderstände mit dem ermittelten t 1  138

3.8.6  Ermittlung der Auflagerkräfte  138

3.8.7  Ermittlung des maximalen Moments.  140

3.8.8  Nachweis des Erdauflagers  141

3.8.9  Nachweis der Vertikalkomponente des mobilisierten Erdwiderstandes  

nach  EB 9  142

3.8.10  Nachweis des Einbindetiefenzuschlags nach EB 26.  143

3.8.11  Nachweis Abtragung der Vertikalkräfte in den Untergrund nach EB 84  145

Inhaltsverzeichnis 11

4  BEMESSUNG VON TRÄGERBOHLWÄNDEN.  147

4.1  Allgemein  147

4.2  Berechnungsalgorithmus.  147

4.3  Gleichgewicht der Horizontalkräfte bei Trägerbohlwänden nach EB 15.  149

4.4  Berechnungsbeispiel  4

  - einfach gestützte und im Boden frei aufgelagerte Trägerbohlwand  150

4.4.1  Aufgabe.  150

4.4.2  Ermittlung von Erddruck und Erdwiderstand  152

4.4.3  Ermittlung der Schnittgrößen  155

4.4.4  Bemessung der Bohlträger  157

4.4.5  Berechnung des Erdwiderstandes im Bereich der Einbindetiefe  158

4.4.6  Nachweis des Erdauflagers  159

4.4.7  Nachweis des Gleichgewichts der Horizontalkräfte nach EB 15.  159

4.4.8  Nachweis der Vertikalkomponente des mobilisierten Erdwiderstandes  

nach  EB 9  161

4.4.9  Nachweis Abtragung der Vertikalkräfte in den Untergrund nach EB 84.  162

5  VERANKERUNG MIT VERPRESSANKERN  165

5.1  Nachweis der Kraftübertragung von der Verankerung auf das Erdreich  

nach  EB 43  165

5.1.1  Berechnungsbeispiel- Fortsetzung Beispiel 3:  167

5.2  Nachweis der Standsicherheit in der tiefen Gleitfuge nach EB 44  170

5.2.1  Allgemein  170

5.2.2  Einfach verankerte wandartige Tragwerke  170

5.2.3  Mehrfach verankerte wandartige Tragwerke  172

5.2.4  Berechnungsbeispiel- Fortsetzung Beispiel 3:  173

5.3  Nachweis der Geländebruchsicherheit nach EB 45  177

6  BEMESSUNG UND NACHWEIS DER EINZELTEILE  178

6.1  Allgemein  178

6.2  Tragfähigkeit der Ausfachung von Trägerbohlwänden nach EB 47.  179

6.2.1  Berechnungsbeispiel- Fortsetzung Beispiel 4:  180

6.3  Tragfähigkeit von Bohlträgern nach EB 48  182

6.3.1  Berechnungsbeispiel- Fortsetzung Beispiel 4:  183

6.4  Tragfähigkeit von Spundwänden nach EB 49  186

6.4.1  Berechnungsbeispiel- Fortsetzung Beispiel 1:  187

Inhaltsverzeichnis 12

6.5  Tragfähigkeit von Ortbetonwänden nach EB 50  189

6.5.1  Berechnungsbeispiel- Fortsetzung Beispiel 3:  190

6.6  Tragfähigkeit von Gurten nach EB 51.  192

6.7  Tragfähigkeit von Steifen nach EB 52.  193

6.7.1  Berechnungsbeispiel- Fortsetzung Beispiel 1:  193

ANHANG A:  ABLAUFDIAGRAMME FÜR NACHWEISVERFAHREN  

NACH  EC (2005)  195

A.1  : Ablaufdiagramm für den Nachweis einer bodengestützten Wand  

nach  EC 7 (2005) Abs. 2.4.7.3.4.2 (Verfahren 1):  195

A.2  : Ablaufdiagramm für den Nachweis einer bodengestützten Wand  

nach  EC 7 (2005) Abs. 2.4.7.3.4.3 (Verfahren 2):  196

A.3  : Ablaufdiagramm für den Nachweis einer bodengestützten Wand  

nach  EC 7 (2005) Abs. 2.4.7.3.4.4 (Verfahren 3):  197

ANHANG B:  NOMOGRAMMVERFAHREN NACH BLUM.  198

B.1  : Nomogramm nach Blum zur Berechnung ungestützter,  

im  Boden eingespannter Baugrubenwände:  198

B.2  : Nomogramm nach Blum zur Berechnung einfach gestützter,  

im  Boden eingespannter Baugrubenwände:  199

B.3  : Nomogramm nach Blum zur Berechnung einfach gestützter,  

im  Boden frei aufgelagerter Baugrubenwände:  200

ANHANG C:  ZUSÄTZLICHE ZAHLEN UND KURVENTAFELN  201

C.1  : Erdwiderstandsbeiwerte K ph nach dem Gleitschema von Streck:  201

C.2  : Erdwiderstandsbeiwerte K C nach Caquot/ Kérisel:  202

C.3  : Umrechnungsfaktoren zu den Erdwiderstandsbeiwerten nach Caquot/ Kérisel:  203

C.4  : Erddruckbeiwerte nach DIN E 4085 (2002):  204

LITERATURVERZEICHNIS.   207

STICHWORTVERZEICHNIS   213

ANGEWANDTE  EMPFEHLUNGEN NACH NUMMERN GEORDNET  215

Abbildungsverzeichnis 13

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1.1: Organisation des europäischen Normeninstituts CEN 20

Abb. 1.2: Zeitplan für die Einführung des Eurocodes DIN EN 1997-1, nach Schuppener (2005) 21

Abb. 2.1: Profile von Spundbohlen verschiedener Hersteller 39

Abb. 2.2:

Abb. 2.3:

Abb. 2.4:

Abb. 2.5:

Abb. 2.6:

Abb. 2.7:

Abb. 2.8:

Abb. 2.9:

Abb. 2.10: Lastfiguren für den Erddruck aus lotrechten Nutzlasten bei wenig nachgiebig gestützten Wänden 59

Abb. 2.11: Lastfiguren für den Erddruck aus lotrechten Nutzlasten bei nicht oder nachgiebig gestützten Wänden 60

Abb. 2.12: Lastfiguren für den Erddruck bei waagerechten Nutzlasten 61

Abb. 2.13: Wirklichkeitsnahe Lastfiguren für gestützte Spund- und Ortbetonwände 63

Abb. 2.14: Wirklichkeitsnahe Lastfiguren für gestützte Trägerbohlwände 64

Abb. 2.15: Ermittlung der Gesamtlast des aktiven Erddrucks bei teilweise bindigen Bodenschichten 66

Abb. 2.16: Lastbildermittlung für Ortbetonwände bei Ansatz des Erdruhedruckes 70

Abb. 2.17: Wirkungen des Wassers auf Baugrubenkonstruktionen 72

Abb. 2.18: Räumlicher Bruchkörper und passiver Erdwiderstand vor Bohlträgern nach Weißenbach, A. (1962) 77

Abb. 3.1:

Abb. 3.2:

Abb. 3.3:

Abb. 3.4: nach Lackner 89

Abb. 3.5: Berechnete und am Bauwerk gemessene Verformungen 91

Abb. 5.1:

Abb. 5.2:

Abb. 5.3: Beispiele für Anker, deren Kräfte nicht als Einwirkungen berücksichtigt werden 172

Abb. C.1:

Abb. C.2: Abb. C.3:

Abb. C.4:

Abb. C.5: Erddruckbeiwert K pph für gekrümmte Gleitfläche bei . = = 0

nach Sokolovsky/ Pregl 206

Tabellenverzeichnis 14

Tabellenverzeichnis

Tab. 1.1: Vor- und Nachteile des globalen Sicherheitskonzepts 23

Tab. 1.2:

Tab. 1.3: Tab. 1.4:

Tab. 1.5:

Tab. 2.1:

Tab. 2.2:

Tab. 2.3:

Tab. 2.4:

Tab. 2.5: Vor- und Nachteile einer Aussteifung 47

Tab. 2.6: Vor- und Nachteile einer Verankerung 49

Abkürzungsverzeichnis 15

Abkürzungsverzeichnis

EAB Empfehlungen des Arbeitskreises „Baugruben“

EB Empfehlung der EAB

KEG Kommission der Europäischen Gemeinschaft

CEN Comité Européen de Normalisation

EN Europäische Norm

EC Eurocode

DIN Deutsches Institut für Normung

TC Technisches Komitee

SC Subkomitee

ENV Europäische Vornorm

NAD nationales Anwendungsdokument

GZ Grenzzustand

LF Lastfall

EK Einwirkungskombination

SK Sicherheitsklassen

VOB Vergabe- und Vertragsordnung

(alte Bez.: Verdingungsordung für Bauleistungen)

ATV Allgemeine Technische Vertragsbedingungen für Bauleistungen

FEM Finite- Elemente- Methode

BGS Baugrubensohle

Einleitung 16

Einleitung

Mit der Herausgabe der Empfehlungen verfolgt der Arbeitskreis „Baugruben“ seit der ersten Veröffentlichung 1970 die Ziele den Entwurf und die Berechnung von Baugrubenumschließungen zu erleichtern, Lastansätze und Berechnungsverfahren zu vereinheitlichen die Standsicherheit der Baugrubenkonstruktionen und ihrer Einzellteile sicherzustellen und die Wirtschaftlichkeit der Baugrubenkonstruktion zu verbessern. Die hier betrachtete 4. Auflage der Empfehlungen des Arbeitskreises „Baugruben“ (EAB) beruht voll und ganz auf den Festlegungen der DIN 1054: 2005- 01, erweitert sie durch ergänzende Regeln und hat sich als „Allgemein anerkannte Regel der Technik“ bewährt. 1

Die vorliegende Arbeit behandelt die Zusammenhänge und Hintergründe dieses Themas und versucht zunächst in allgemeiner Form eine zusammenfassende Darstellung aller grundlegenden auftretenden Fragen zu geben:

x Im ersten Kapitel wird auf die Entwicklung und Bedeutung des Eurocodes 7 und der DIN 1054 im Zusammenhang mit der Europäischen Normung und auf alle mit der damit verbundenen Umstellung vom Globalsicherheitskonzept auf das Teilsicherheitskonzept einhergehenden Neuerungen eingegangen.

x Um für den Leser im Vorfeld aus dem recht abstrakten System eines Baugrubenverbaus ein fassbares Bauwerk werden zu lassen, wird im Kapitel Zwei zunächst auf die Konstruktion der hauptsächlich angewandten Baugrubenverbauarten eingegangen, bevor im Folgenden die Lastansätze, grundlegende Rechenverfahren für die Erddruckberechnung und dessen Verteilung betrachtet werden.

Den Hauptteil stellt das Kapitel Drei zusammen mit dem Kapitel Vier dar:

x In dem die Bemessung wandartiger Tragwerke und die damit einhergehende Ermittlung der Einbindetiefe, die Ermittlung der Schnittgrößen und die Nachweisführung beschrieben wird. Da die meisten Schwierigkeiten jedoch im Detail stecken und erst bei einer konkreten Berechnung von Beispielen offenbar werden, wird anhand von drei vollständig durchgerechneten Beispielen beschrieben wie zukünftig die Berechnung von Baugrubenwänden durchgeführt wird.

x Das Kapitel Vier beschäftigt sich mit der Bemessung von Trägerbohlwänden, die ebenfalls anhand eines komplett durchgerechneten Berechnungsbeispieles erläutert wird.

¹ vgl. EAB (2006), Vorwort.

Einleitung 17

x Das Kapitel Fünf betrachtet die Bemessung einer Verankerung mittels Verpressanker und festigt die erläuterten Erkenntnisse anhand der Fortsetzung eines der Berechnungsbeispiele.

x Abschließend wird im Kapitel Sechs auf die Berechnung der Einzelteile eingegangen und anhand einzelner Fortsetzungen der Berechnungsbeispiele überschlägige Bemessungen vorgenommen.

Mit der endgültigen bauaufsichtlichen Zulassung der, auf dem Teilsicherheitskonzept beruhenden, neuen DIN 1054 und dem Auslaufen der alten DIN 1054 1976- 11 zum 31. Dezember 2007 wird es für jeden im Bereich der Geotechnik tätigen Ingenieur Zeit, sich mit den neuen Regeln zu beschäftigen. ¹ Und so denke ich, ist mit dieser Arbeit dem interessierten Leser eine zusammenfassende Arbeit an die Hand gegeben, die nicht nur die im Bereich der Baugrubensicherung, sondern im Bereich des gesamten Erd- und Grundbaus, auftretenden grundlegenden Fragen verstehen hilft.

¹ vgl. Ziegler, M. (2006), Vorwort.

1 Einführung in die neue DIN 1054 & EC7 18

1 Einführung in die neue DIN 1054 & EC7

1.1 Entwicklung der DIN 1054 und des Eurocodes 7

Im Auftrag der Kommission der Europäischen Gemeinschaft (KEG) wurde seit Mitte der 1970er Jahre durch das Europäische Komitee für Normung (Comité Européen de Normalisation, CEN) damit begonnen ein einheitliches europaweit geltendes Normenwerk zu erarbeiten. Ziel war die Harmonisierung des europäischen Binnenmarktes, der technischen Ausschreibung und der Beseitigung damit verbundener technischer Handelshindernisse im Bauwesen. Im Zuge dieser europäischen und internationalen Vereinheitlichung der unterschiedlichen nationalen Vorschriften wird auf lange Sicht auch ein wesentlicher Teil des jetzigen deutschen Normenwerkes für den Konstruktiven Ingenieurbau durch die Eurocodes (EC) 0- 9 abgelöst:

x EN 1990 EC 0 allgemein gültige Grundsätze

x EN 1991 EC 1 Grundlagen der Tragwerksplanung und Einwirkung auf Tragwerke

x EN 1992 EC 2 Planung von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken

x EN 1993 EC 3 Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten

x EN 1994 EC 4 Bemessung und Konstruktion von Verbundtragwerken aus Stahl und Beton

x EN 1995 EC 5 Entwurf, Berechnung und Bemessung von Holzbauwerken

x EN 1996 EC 6 Bemessung und Konstruktion von Mauerwerksbauten

x EN 1997 EC 7 Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik

x EN 1998 EC 8 Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben

x EN 1999 EC 9 Bemessung und Konstruktion von Aluminiumtragwerken

Für diese Normen des EC 0 bis EC 9 ist das Technische Komitee TC 250 zuständig. Es hat damit die Aufgabe ein einheitliches Sicherheitskonzept für das gesamte Bauwesen, das dem der Teilsicherheiten zugrunde liegt, zu erarbeiten.

1 Einführung in die neue DIN 1054 & EC7 19

Der Eurocode 7 wird wiederum durch das Unterkomitee CEN/ TC 250/ SC 7 erarbeitet und gliedert sich in:

x Teil 1 Allgemeine Regeln, in deutscher Fassung in Form der

DIN EN 1997- 1: 2005- 10 veröffentlicht,

x Teil 2 Laborversuche zur geotechnischen Bemessung, in deutscher Fassung als Europäische Vornorm in Form der DIN V ENV 1997- 2: 1999- 09 veröffentlicht,

x Teil 3 Felduntersuchungen zur geotechnischen Bemessung, in deutscher Fassung als Europäische Vornorm in Form der DIN V ENV 1997- 3: 1999- 10 veröffentlicht,

x Teil 4 Ergänzende Regeln für besondere Gründungselemente und -bauwerke.

Die Teile 2 und 3 werden jedoch zukünftig in einem Teil 2 „Erkundung und Untersuchung des Baugrunds“ zusammengefasst.

Eine Erarbeitung des Teils 4 wird nicht mehr weiter verfolgt. Stattdessen wird neben dem TC 250 das TC 288 unter dem Überbegriff „Ausführung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau)“ eine Reihe von Fachnormen erarbeiten:

x DIN EN 1536 Bohrpfähle

x DIN EN 1537 Verpressanker

x DIN EN 1538 Schlitzwände

x DIN EN 12 063 Spundwandkonstruktionen

x DIN EN 12 699 Verdrängungspfähle

x DIN EN 12 715 Injektionen

x DIN EN 12 716 Düsenstrahlverfahren

x DIN EN 12 794 Vorgefertigte Gründungspfähle aus Beton

x DIN EN 14 199 Mikropfähle

Diese Normen werden den Ausführungsteil der bisherigen Normen DIN 4014 „Bohrpfähle“, DIN 4026 „Rammpfähle“, DIN 4125 „Verpressanker, Kurzanker und Daueranker“ und DIN 4128 „Verpresspfähle mit kleinem Durchmesser“ ersetzen, deren Berech- nungsteile wiederum in der neuen DIN 1054 eingereiht werden.

1 Einführung in die neue DIN 1054 & EC7 20

Abb. 1.1: Organisation des europäischen Normeninstituts CEN 1

Um auch in der Geotechnik das Teilsicherheitskonzept, das durch die neue nationale Normengeneration bereits in nahezu allen Bereichen des konstruktiven Ingenieurbaus gültig ist, möglichst bald verbindlich einzuführen, wurde parallel zur europäischen Normung eine deutsche Normung vorangetrieben. Das Ergebnis, die neue DIN 1054, die mit der Fassung vom Januar 2005 bereits in der 2. Auflage erscheint, wird für den Bereich Geotechnik zusammen mit den Fachnormen des TC 288 die bisherige Fassung von November 1976 mit ihren Fachnormen ersetzen. Bis zur Einführung des Eurocodes wird sie, weitestgehend auf den EC 7 abgestimmt, als Übergangslösung dienen. Als ergänzende Berechnungsnormen kommen zudem folgende Normentwürfe hinzu:

x E DIN 4017: 2001-06 Berechnung des Grundbruchwiderstandes von Flachgründungen

x E DIN 4084: 2002-11 Baugrund- Geländebruchberechnung

x E DIN 4085: 2002-12 Baugrund- Berechnung des Erddrucks

¹ vgl. Ziegler, M. (2006), Bild 1-1, S. 1.

1 Einführung in die neue DIN 1054 & EC7 21

Bis Ende 2007 müssen zum EC 7 ein zugehöriges nationales Anwendungsdokument (NAD) erstellt werden. Welches die Aufgabe hat, die zum Teil recht allgemein gehaltenen Grundsätze in EC 7 länderspezifisch mit konkreten Inhalten zu hinterlegen. Alle Regeln die in DIN 1054: 2005 über den EC 7 hinausgehen, müssen in einer „Restnorm“ DIN 1054: 2007 als Ergänzungsnorm zusammengefasst werden. 1

Abb. 1.2: Zeitplan für die Einführung des Eurocodes DIN EN 1997-1, nach Schuppener (2005) 2

1.2 Sicherheitskonzepte

Sicherheit ist nur ein relatives Maß und kann nie absolut sein. Das Erkennen von Gefahr und deren Abwehr ist zur Schaffung dieser Sicherheit von höchster Bedeutung. Jedoch steht der Ingenieur bei der Errichtung eines sicheren Bauwerks im Spannungsfeld verschiedener gegeneinander konkurrierender Interessen und Ziele wie Wirtschaftlichkeit, Termineinhaltung, Ästhetik des Bauwerks, Beachtung der Umwelt und der Wahrung der eigenen Konkurrenzfähigkeit. 3

Mit dem endgültigem Auslaufen der DIN 1054 (1976) am 31. Dezember 2007 ⁴ soll für Entwurf, Berechnung und Bemessung im Erd- und Grundbau das Teilsicherheitskonzept gelten und das bisherige Globalsicherheitskonzept abgelöst werden.

Der rasante Fortschritt, Kostendruck und der damit verbundene raschere Vorstoß in technisches Neuland erlaubt es nicht mehr, Sicherheitsanforderungen wie beim Global-

¹ vgl.EAB (2006), EB 105 (5).

² vgl. Ziegler, M. (2005), Bild 1-2, S. 4.

³ vgl. Schmidt H.-H. (2001), S. 189.

⁴ nach DIN 1054 Berichtigung 1 (April 2005).

1 Einführung in die neue DIN 1054 & EC7 22

sicherheitskonzept aufgrund von Erfahrungswerten in den verschiedenen Teildisziplinen des Bauwesens empirisch festzulegen. Sicherheitsniveaus müssen rational und objektiv nachvollziehbar festgelegt werden und es muss die Möglichkeit eines Vergleichs der Sicherheitsniveaus der verschiedenen Bausparten geben. 1

Daher entschied man sich in den neuen europäischen Normengenerationen als Grundlage zur Entwicklung in sich geschlossener Bemessungsregeln für ein probabilistisches Sicherheitskonzept. In ihm wird das erforderliche Sicherheitsniveau für ein Bauwerk oder Bauteil dadurch erreicht, dass man allen genau analysierten Einflussgrößen entsprechend ihrer statistischen Streuung und entsprechend der möglichen Genauigkeit ihrer Ermittlung eigene Teilsicherheiten zuordnet.

Jedoch war diese probabilistische Sicherheitstheorie für die tägliche Praxis nur wenig geeignet, denn:

„Die Umsetzung der wissenschaftlichen Grundlagen in die praktische Bemessung über-fordert beim vorhandenen Ausbildungsstand die meisten der betroffenen Ingenieure.“ 2

„In den wenigsten Fällen liegen die erforderlichen statistischen Voraussetzungen vor.“ 3

„Es werden nur die Streuungen statistisch erfassbarer Einwirkungen und Widerstände berücksichtigt.“ 4

„Es muss anerkannt werden, dass eine probabilistische Formulierung von Bodenkennwerten eine schwierige Aufgabe darstellt, bei der eine einfache Übertragung der statistischen Methoden nicht zum Ziel führt.“ 5

Daher beruht abweichend vom ursprünglichen, die Wahrscheinlichkeitstheorie berücksichtigenden Sicherheitskonzept das neue Teilsicherheitskonzept auf einer pragmatischen Aufspaltung der bisher gebräuchlichen Globalsicherheiten in Teilsicherheitsbeiwerte für Einwirkungen bzw. Beanspruchungen und Teilsicherheitsbeiwerte für Widerstände. ⁶ Dabei geht man weiterhin davon aus, dass eine Versagenswahrscheinlichkeit von 1·10 ^-6 im Regelfall akzeptiert ist, dass also von einer Million gleichartigen und gleichartig belasteten Bauteilen eins versagt. Der Anwender hat also durch den Vergleich von einwirkenden und widerstehenden Größen nachzuweisen, dass der definierte Grenzzustand nicht erreicht wird.

¹ vgl. Hanisch, J. (1998), S. 632.

² nach Weißenbach, A. (1998), S. 639.

³ nach Weißenbach, A. (1998), S. 639.

⁴ nach Weißenbach, A. (1998), S. 639.

⁵ nach Fischer, L. (2001), S. 7.

⁶ vgl. EAB (2006), EB 77.

1 Einführung in die neue DIN 1054 & EC7 23

1.2.1 Globales Sicherheitskonzept (alte DIN 1054: 1976)

Für die alte Normengeneration im Erd- und Grundbau, mit DIN 1054 (1976) und den Berechnungsnormen Grundbruch/ DIN 4017 (1979), Setzungen/ DIN 4019 (1979), Gelände- und Böschungsbruch/ DIN 4084 (1981) und Erddruck/ DIN 4085 (1987), galten fast ausschließlich globale Sicherheitsfaktoren . Hierbei wird das Verhältnis zwischen den maximalen ungünstigen Kräften oder Momenten (= charakteristische Einwirkungen F K bzw. Beanspruchungen E K ) und den minimalen günstigen Kräften oder Momenten (= charakteristische Widerstände R K ) gebildet. Die Sicherheit gegen Versagen eines Bauwerks oder Bauteils war nachgewiesen, wenn

R

K t K 1, 05...2, 0 ( 1 . 1 )

F

K

eingehalten wurde.

Daraus ergeben sich folgende Vor- und Nachteile für die Arbeit mit dem globalen Sicherheitskonzept:

Tab. 1.1: Vor- und Nachteile des globalen Sicherheitskonzepts

1 Einführung in die neue DIN 1054 & EC7 24

1.2.2 Teilsicherheitskonzept (EC 7: 2005)

Um eine ausreichende Sicherheit nachzuweisen, müssen Grenzzustandsgleichungen erfüllt werden. Das Teilsicherheitskonzept unterscheidet verschiedene Grenzzustände der Tragfähigkeit, für die jeweils eigene Teilsicherheitsfaktoren gültig sind, und Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit. Es gilt im Allgemeinen, dass die Summe der Bemessungswerte der Beanspruchung, die aus Bemessungswerten der Einwirkungen resultieren, geringer als die Summe der Bemessungswerte der Widerstände sein muss.

1.2.2.1 Charakteristische Werte und Bemessungswerte

Um bei den Nachweisen der Grenzzustände dem probabilistischen Sicherheitskonzept zu entsprechen, werden die Einwirkungen (Beanspruchungen) und die Widerstände (Beanspruchbarkeiten) durch sogenannte „charakteristische Werte“ beschrieben. Es wird zwischen charakteristischen Werten einer Baustoff- oder Produkteigenschaft (X k ), einer Bauteileigenschaft (R k ), einer geometrischen Eigenschaft (a) und einer Einwirkung (F k ) unterschieden. Aus den charakteristischen Werten mit dem Index „k“ ergeben sich durch Multiplikation bzw. Division mit den Teilsicherheitsbeiwerten die Bemessungswerte mit dem Index „d“. Entsprechende Empfehlungen für Teilsicherheitsfaktoren sind dem Anhang A des EC 7-1 zu entnehmen.

Für den charakteristischen Wert einer Baustoff- und Produkteigenschaft definiert der EC 0 den Wert, der mit einer bestimmten Auftretenswahrscheinlichkeit bei unbegrenzter Probenzahl vorhanden ist. In der Geotechnik entsprechen diese Werte aufgrund der meist nur sehr begrenzten Anzahl von Probenzahlen nur vorsichtigen Mittelwerten, eigenen Erfahrungswerten oder sog. Rechenwerten aus Tabellen. 1

Im Grundsatz sind sie aber so festzulegen, dass die Ergebnisse der damit durchgeführten Berechnungen bzw. Nachweise auf der sicheren Seite liegen. 2

¹ vgl. Schmidt H.-H. (2001), S. 192 in dem auf den EC 0 Bezug genommen wird; Tabellenwerte sind der

DIN 1055, Teil 2 zu entnehmen.

² vgl. EC 7-1, Abs. 2.4.5.2 (5).

1 Einführung in die neue DIN 1054 & EC7 25

1.2.2.2 Grenzzustände der Tragfähigkeit

Folgende Grenzzustände der Tragfähigkeit sind definiert: 1

a) EQU (equilibrium): Gleichgewichtsverlust des als starrer Körper angesehenen Tragwerkes oder des Baugrunds, wobei die Festigkeiten der Baustoffe und des Bau-grunds für den Widerstand nicht entscheidend sind.

b) STR (structure): Inneres Versagen oder sehr große Verformung des Tragwerks oder seiner Bauteile, einschließlich der Fundamente, Pfähle, Kellerwände usw., wobei die Festigkeit der Baustoffe für den Widerstand entscheidend ist.

c) GEO (geotechnical failure): Versagen oder sehr große Verformung des Baugrunds, wobei die Festigkeit der Locker- und Festgesteine für den Widerstand entscheidend ist.

d) UPL (uplift): Gleichgewichtsverlust des Bauwerks oder Baugrunds infolge Auftrieb durch Wasserdruck.

e) HYD (hydraulic failure): Hydraulischer Grundbruch, innere Erosion und Piping im Boden, verursacht durch Strömungsgradienten.

Nachweis des statischen Gleichgewichts (EQU)

Das statische Gleichgewicht muss vorwiegend bei der konstruktiven Bemessung des Tragwerks nachgewiesen werden. In der Geotechnik beschränkt sich der Nachweis auf seltene Fälle wie die starre Gründung auf Fels.

Für den Nachweis der Lagesicherheit muss die Summe aus dem Bemessungswert der stabilisierenden Beanspruchung (E stb;d ) und dem Bemessungswert des Scherwiderstandes (T d : falls einbezogen, von geringer Bedeutung) größer als der Bemessungswert der destabilisierenden Beanspruchung (E dst,d ) sein. 2

d E ET ( 1 . 2 )

dst d stb d d ;;

¹ vgl. EC 7-1, Abs. 2.4.7.

² vgl. EC 7-1, Abs. 2.4.7.2.

1 Einführung in die neue DIN 1054 & EC7 26

Nachweis für konstruktive und geotechnische Grenzzustände bei ständigen und vorübergehenden Bemessungssituationen (STR & GEO)

Wenn das Versagen oder eine sehr große Verformung von Bauteilen oder des Baugrundes eines Tragwerks betrachtet wird, muss nachgewiesen werden, dass: 1

ER d ( 1 . 3 )

dd

E d Bemessungswert der Beanspruchung:

Die Teilsicherheitsbeiwerte können entweder auf die Einwirkung

J ˜ angewendet werden: ² E E

R d Bemessungswiderstände:

Die Teilsicherheitsbeiwerte können entweder auf die Baugrundeigenschaft X J , /

kM

auf die Widerstände R J oder auf beide angewendet werden: ³ /

dR

Nachweisverfahren

Auf welche Art und Weise die Gleichung (1.3) anzuwenden ist, wird im Eurocode durch drei Nachweisverfahren festgelegt. ⁴ Diese Nachweisverfahren sind von den zu untersuchenden Grenzzuständen GEO und STR vollständig entkoppelt, aber eng verknüpft mit den Teilsicherheitsbeiwerten, da sich deren Auswahl nach den angewandten Nachweisverfahren richtet bzw. ihre Kombination in den Nachweisverfahren 1, 2 und 3 unterschiedlich festgelegt wird. Ihre Gliederung erfolgt in Einwirkungen und Beanspruchungen (mit den Wertegruppen A1, A2), Baugrundkennwerte (mit den Wertegruppen M1, M2) und Widerstände (mit den Wertegruppen R1- R4). ⁵ Dabei erfolgt keine Unterscheidung nach Lastfällen, wie es national vorgenommen werden kann. ⁶ Ablaufdiagramme für die 3 Verfahren sind im Anhang A dargestellt.

¹ vgl. EC 7-1, Abs. 2.4.7.3.1.

² vgl. EC 7-1, Abs. 2.4.7.3.2.

³ vgl. EC 7-1, Abs. 2.4.7.3.3.

⁴ vgl. EC 7-1, Abs. 2.4.7.3.4.1.

⁵ die Bez. A1- 2, M1- 2 und R1- 4 erschließt sich aus den Tabellen für die Teilsicherheitsbeiwerte nach

EC 7 Anhang A.3.

⁶ vgl. Smoltczyk, (2005), S.93.

1 Einführung in die neue DIN 1054 & EC7 27

Nachweisverfahren bei Auftrieb (UPL)

Für den Nachweis bei Auftrieb muss der Bemessungswert der Kombination von destabilisierenden ständigen und veränderlichen vertikalen Einwirkungen V dst;d kleiner oder gleich der Summe des Bemessungswertes der stabilisierenden ständigen vertikalen Einwirkungen G stb;d und des Bemessungswertes eines eventuellen zusätzlichen Auf-triebswiderstandes R d sein. Die entsprechenden Teilsicherheitsbeiwerte aus Anhang A.4 des EC 7-1 müssen in Gl. 1.4 angewendet werden. 1

VGR d ( 1 . 4 a )

dst d stb d d ;;

mit

VGQ ( 1 . 4 b )

dst d dst d dst d ;;;

Nachweis des Widerstandes gegen einen hydraulischen Grundbruch (HYD)

Für den Nachweis des Widerstands gegen hydraulischen Grundbruch muss für jedes in Frage kommende Bodenprisma der Bemessungswert des destabilisierenden totalen Porenwasserdrucks u dst;d an der Unterseite des Prismas oder die Strömungskraft S dst;d im Prisma kleiner oder gleich den Bemessungswert der stabilisierenden totalen Vertikalspannung 1 stb;d an der Unterseite des Prismas oder des Auftriebsgewichts G` stb;d desselben Prismas sein. Die entsprechenden Teilsicherheitsbeiwerte aus Anhang A.5 des EC 7-1 müssen in Gl. 1.5 angewendet werden. 2

V d u ( 1 . 5 a )

dst d stb d ;;

oder

SG c d ( 1 . 5 b )

dst d stb d ;;

¹ vgl. EC 7-1, Abs. 2.4.7.4.

² vgl. EC 7-1, Abs. 2.4.7.5.

1 Einführung in die neue DIN 1054 & EC7 28

1.2.2.3 Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit

Durch den Nachweis der Sicherheit der Gebrauchstauglichkeit wird überprüft, ob die Verformung den zulässigen Rahmen nicht überschreitet bzw. der Bemessungswert E ^d einer Beanspruchung kleiner oder gleich dem Bemessungswert C d der Grenze einer Beanspruchung ist, die gerade noch zur im Gebrauchszustand maximal zulässigen Verformung führt. Die Einwirkungen werden hierbei nicht durch Teilsicherheitsbeiwerte erhöht. 1

EC d ( 1 . 6 )

dd

In bestimmten Fällen darf zum Erreichen der geforderten Grenzwerte ein hinreichend geringer Anteil der Bodenfestigkeit mobilisiert werden. 2

1.2.3 Teilsicherheitskonzept (neue DIN 1054: 2005)

Obwohl die DIN 1054 (2005) in enger Abstimmung mit dem EC 7-1 entstand, entspricht sie nicht in allen Einzelheiten dem EC 7-1, widerspricht ihm aber auch nicht.

Es werden wie im EC 7-1 verschiedene Grenzzustände der Tragfähigkeit, und Grenzzu-stand der Gebrauchstauglichkeit unterschieden.

1.2.3.1 Grenzzustände der Tragfähigkeit GZ 1

Die Überschreitung der hierdurch betrachteten Zustände führt zu einem Versagen von Teilen des Bauwerks oder des Bauwerkes als Ganzes und bedeutet eine akute Gefährdung von Menschen. Im Erd- und Grundbau unterscheidet die DIN 1054 (2005) anstelle der im EC 7-1 definierten Grenzzustände EQU, UPL, HYD, STR und GEO folgende drei Fälle:

a) GZ 1A beschreibt den Verlust der Lagesicherheit und betrifft folgende Standsicherheitsnachweise: 3

x Nachweis der Sicherheit gegen Umkippen (EQU) 4

x Nachweis der Sicherheit gegen Aufschwimmen (UPL) 5

x Nachweis gegen hydraulischen Grundbruch (HYD) 6

¹ vgl. EC 7-1, Abs. 2.4.8.

² vgl. EC 7-1, Abs. 2.4.8 (4).

³ vgl. DIN 1054 (2005), Abs. 4.3.1.

⁴ bezieht sich auf EQU aus Abs. 1.2.2.2.

⁵ bezieht sich auf UPL aus Abs. 1.2.2.2.

⁶ bezieht sich auf HYD aus Abs. 1.2.2.2.

1 Einführung in die neue DIN 1054 & EC7 29

Der GZ 1A kennt keine Widerstände, nur destabilisierende Einwirkungen F k , die mit dem Teilsicherheitsbeiwert dst • 1 multipliziert werden, und die stabilisierenden Einwirkungen G k , die mit den Teilsicherheitsbeiwerten stb < 1 multipliziert werden. Folgender Nachweis muss erfüllt werden:

J J ˜ d ˜ FF G G ( 1 . 7 )

dk d s t k s t bd

Um die Grenzzustände der DIN 1054 (2005) in die Terminologie des EC 7-1 zu übertragen, muss der Grenzzustand GEO ¹ in GEO 2 und GEO 3 aufgeteilt werden. 2

GEO 2 beschreibt das Versagen oder sehr große Verformung des Baugrundes im Zusammenhang mit der Ermittlung der Schnittgrößen und der Abmessungen.

GEO 3 beschreibt dagegen das Versagen oder sehr große Verformung des Baugrundes im Zusammenhang mit dem Nachweis der Gesamtfestigkeit.

b) GZ 1B beschreibt das Versagen von Bauwerken und Bauteilen. Folgende zwei Formen werden im Grundbau unterschieden: 3

x Nachweis der Tragfähigkeit von Bauwerken und Bauteilen, die durch den Bau-grund belastet bzw. durch den Baugrund gestützt sind. Der Nachweis entspricht ohne Einschränkung dem Grenzzustand STR ⁴ .

x Der Nachweis, dass die Tragfähigkeit des Baugrunds bei Inanspruchnahme der Scherfestigkeit beim Erdwiderstand, beim Gleitwiderstand, beim Grundbruch-widerstand und beim Nachweis der Standsicherheit in der tiefen Gleitfuge nicht überschritten wird entspricht dem Grenzzustand GEO 2.

Die DIN 1054 (2005) stützt sich hierbei auf das im EC 7-1 angebotene Nachweisverfahren 2, ⁵ in dem die Teilsicherheitsbeiwerte auf die Einwirkungen oder Beanspruchungen und auf die Widerstände des Baugrundes angewendet werden. Dabei dürfen die charakteristischen Schnittgrößen E k multipliziert mit den Teilsicherheitsbeiwerten F die charakteristischen Widerstände R k dividiert durch den Teilsicherheitsbeiwert R nicht überschreiten.

J J ˜d EE R R / ( 1 . 8 )

dk Fk Rd

¹ bezieht sich auf Abs. 1.2.2.2.

² vgl. EAB (2006), EB 105 (7).

³ vgl. DIN 1054 (2005), Abs. 4.3.2.

⁴ bezieht sich auf Abs. 1.2.2.2.

⁵ siehe hierzu auch Anhang A.2.

1 Einführung in die neue DIN 1054 & EC7 30

c) GZ 1C beschreibt den Verlust der Gesamtsicherheit ¹ und entspricht damit dem Grenzzustand GEO 3 und betrifft folgende Standsicherheitsnachweise:

x Nachweis der Sicherheit gegen Böschungsbruch

x Nachweis der Sicherheit gegen Geländebruch

Auch hierbei gilt, dass der Bemessungswert E d der Beanspruchung nicht größer als der Bemessungswert R d der Widerstände werden darf.

ER d ( 1 . 9 )

dd

Die DIN 1054 (2005) stützt sich hierbei auf das im EC 7-1 angebotene Nachweisverfahren 3, ² in dem die Teilsicherheitsbeiwerte auf die Einwirkungen oder Beanspruchungen des Tragwerkes und auf die Baugrundkenngrößen angewendet werden. Dabei werden die geotechnischen Einwirkungen und Widerstände mit Bemessungswerten der Scherfestigkeit ermittelt.

cc M MJ M MJ für Reibung tan tan / und tan tan /

M M dk ud uk ,,

cc J cc J cc für Kohäsion / und ,, /

dk c ud uk c

1.2.3.2 Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit GZ 2

Die Überschreitung der hier betrachteten Zustände bedeutet zwangsläufig eine Einschränkung oder gar den Verlust der planmäßigen Nutzungsfähigkeit des Bauwerkes. Typische Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit sind Verformungen, Eigenschwingungen oder Beanspruchungen, die im Laufe der Zeit die Dauerhaftigkeit beeinflussen.

Bei Baugrubenkonstruktionen sind benachbarte Bauwerke und bauliche Anlagen mit einzubeziehen. 3

In der Regel ist zu überprüfen, ob die eintretenden Verformungen oder Verschiebungen schadlos vom Bauwerk aufgenommen werden können. Für den Nachweis sind Größe, Dauer und Häufigkeit der charakteristischen Einwirkungen (d.h. Teilsicherheitsbeiwerte von 1,0) zu berücksichtigen. 4

¹ vgl. DIN 1054 (2005), Abs. 4.3.3.

² siehe hierzu auch Anhang A.3.

³ EAB (2006), EB 78 (6).

⁴ vgl. DIN 1054 (2005) , Abs. 4.4 (1)- (3).

1 Einführung in die neue DIN 1054 & EC7 31

1.2.3.3 Einwirkungen, Beanspruchungen und Einwirkungskombinationen

Nach Weißenbach, A./ Hettler, A. (2003) Abs. 2.1 bewirken Einwirkungen Beanspruchungen. Charakteristische Einwirkungen F k sind Gründungslasten ¹ , Grundbauspezifische Lasten ² (Eigenlast von Grundbauwerken, Erddruck, Wasserdruck…) und dynamischen Lasten ³ (aus Verkehrslasten, Anprall- und Stoßlasten oder Erdbeben). Charakteristische Beanspruchungen E k ⁴ sind die Summe der Auswirkungen aus den einzelnen Einwirkungen in Form von Schnittgrößen, Spannungen oder Verformungen. Dabei werden ständige (Index „G“) und veränderliche Lasten (Index „Q“) unterschieden.

Einwirkungskombinationen (EK) berücksichtigen die Möglichkeit des gleichzeitigen Auftretens von den unterschiedlichen Einwirkungen.

Die DIN 1054 (2005) unterscheidet dabei: 5

a) Regelkombination EK 1: ständige sowie während der Funktionszeit des Bauwerkes regelmäßig auftretende Einwirkungen,

b) Seltene Kombination EK 2: neben den Einwirkungen der Regelkombination zuzüglich selten oder einmalig planmäßig auftretende Einwirkungen,

c) Außergewöhnliche Kombination EK 3: neben den Einwirkungen der Regelkombination zuzüglich eine gleichzeitig mögliche außergewöhnliche Einwirkung die sich insbesondere bei Katastrophen oder Unfällen ergeben kann.

¹ siehe hierzu DIN 1054 (2005), Abs. 6.1.2.

² siehe hierzu DIN 1054 (2005), Abs. 6.1.3.

³ siehe hierzu DIN 1054 (2005), Abs. 6.1.4.

⁴ siehe hierzu DIN 1054 (2005), Abs. 6.1.5.

⁵ vgl. DIN 1054 (2005), Abs. 6.3.1.

1 Einführung in die neue DIN 1054 & EC7 32

1.2.3.4 Widerstände und Sicherheitsklassen

Widerstände ¹ resultieren aus der Festigkeit bzw. der Steifigkeit der Baustoffe oder des Baugrundes und können in Form von Scherfestigkeiten, Steifigkeiten, Sohl-, Erd-, Eindring-, Herauszieh- und Seitenwiderständen auftreten.

In Abhängigkeit von Dauer und Häufigkeit der maßgebenden Einwirkungen berücksichtigen die Sicherheitsklassen (SK) den unterschiedlichen Sicherheitsanspruch bei Widerständen. Die DIN 1054 (2005) unterscheidet dabei: 2

a) SK 1: Zustände während der Funktionszeit des Bauwerkes,

b) SK 2: Zustände, die während der Bauzeit, der Reparatur oder anderer Baumaßnahmen neben dem Bauwerk eintreten,

c) SK 3: Zustände, die während der Funktionszeit des Bauwerkes einmalig oder voraussichtlich nie eintreten.

1.2.3.5 Lastfälle (LF)

Die Lastfälle wiederum werden für den GZ 1 aus den Einwirkungskombinationen (EK) in Verbindung mit den Sicherheitsklassen (SK) bei den Widerständen gebildet.

Die DIN 1054 (2005) unterscheidet dabei drei Lastfälle: 3

a) Lastfall LF 1: EK 1 in Verbindung mit Zustand der SK 1. Entspricht der „ständigen Bemessungssituation“ der DIN 1055-100:2001-03, 9.3 (1),

b) Lastfall LF 2: EK 2 in Verbindung mit Zustand der SK 1 oder EK 1 in Verbindung mit Zustand der SK 2. Entspricht der „vorübergehenden Bemessungssituation“ der DIN 1055-100:2001-03, 9.3 (1),

c) Lastfall LF 3: EK 3 in Verbindung mit Zustand der SK 2 oder EK 2 in Verbindung mit Zustand der SK 3. Entspricht der „außergewöhnlichen Bemessungssituation“ der DIN 1055-100:2001-03, 9.3 (1).

¹ siehe hierzu DIN 1054 (2005), Abs. 6.2.

² vgl. DIN 1054 (2005), Abs. 6.3.2.

³ vgl. DIN 1054 (2005), Abs. 6.3.3 (1).

1 Einführung in die neue DIN 1054 & EC7 33

Tab. 1.2: Lastfälle 1

Damit gehören Baugrubenkonstruktionen zur Sicherheitsklasse SK 2. In Anlehnung an die beiden damit möglichen Lastfälle LF 2 und LF 3, ordnet die EAB (2006) in der EB 24 die Einwirkungen ² und Widerstände ³ folgendermaßen:

a) Regelfall: entspricht LF 2*

b) Sonderfall: entspricht LF 2/3**

c) Ausnahmefall: entspricht LF 3*

^{* Die Teilsicherheitsbeiwerte entsprechen denen der DIN 1054 (2005) Tab. 2. 4} ** Die Teilsicherheitsbeiwerte werden aus denen von LF 2 und LF 3 interpoliert.

¹ vgl. Schmidt H.-H. (2006), Tab. 8.1.

² siehe hierzu auch EAB (2006), EB 79 (1).

³ siehe hierzu auch EAB (2006), EB 79 (5).

⁴ hierfür sind laut EB 79 (2) die Tabellen aus Anhang A 6 der EAB (2006) zu nutzen.

1 Einführung in die neue DIN 1054 & EC7 34

1.2.3.6 Teilsicherheitsbeiwerte

Die für die Nachweisführung nach dem Teilsicherheitskonzept benötigten Bemessungswerte der Einwirkungen, Beanspruchungen und Widerstände ergeben sich durch Multiplikation bzw. Division ihrer charakteristischen Werte mit den entsprechenden Teilsicherheitsbeiwerten.

Mit der endgültigen Einführung des EC 7-1 dürfen die Zahlenwerte der Teilsicherheitsbeiwerte im NAD von den Nationalen Normungskomitees selber festgelegt werden. ¹ In der DIN 1054 (2005) sind sie im Abs. 6.4 festgelegt. Die Größe der Teilsicherheitsbeiwerte für die entsprechenden Grenzzustände richtet sich hier nach den Lastfällen.

Tab. 1.3: Teilsicherheitsbeiwerte für Einwirkungen und Beanspruchungen 2

¹ durch entsprechende Anmerkungen im EC 7-1 Abs. 2.4.6 und 2.4.7 geregelt.

² vgl. DIN 1054 (2005), Tabelle 2.

1 Einführung in die neue DIN 1054 & EC7 35

Tab. 1.4: Teilsicherheitsbeiwerte für Widerstände 1

1.2.3.7 Bodenkenngrößen und Geotechnische Kategorien

Bodenkenngrößen beschreiben die Baugrundeigenschaften einer Bodenschicht. Sie werden durch geotechnische Untersuchungen und damit verbundene Berechnungen und Überwachungsmaßnahmen, die in Anlehnung an die DIN 4020 (2003) durchgeführt werden, festgelegt. Deren Mindestanforderungen richtet sich wiederum nach der Geotechnischen Kategorie, die entsprechend dem Schwierigkeitsgrad bzw. dem Sicherheitsbedürfnis der Baumaßnahme entsprechend der Tab. 1.5 bestimmt wird. 2

Liegen keine entsprechenden bodenmechanischen Laborversuche vor und reichen die vorhanden Boohrergebnisse oder Erfahrungen aber aus die anstehenden Böden entsprechend der DIN 4022 und DIN 18196 zu benennen und zu klassifizieren, können die benötigten charakteristischen Bodenkenngrößen nach EAB (2006), EB 2, unter in

¹ vgl. DIN 1054 (2005), Tabelle 3.

² vgl. DIN 1054 (2005), Abs. 4.2.

1 Einführung in die neue DIN 1054 & EC7 36

Abs. 7 bis 9 festgelegten Voraussetzungen, auch aus entsprechenden Tabellen der Anhänge A3 und A4 der EAB (2006) ¹ festgelegt werden.

Die wichtigsten für die Standsicherheitsnachweise benötigten Bodenkenngrößen sind die Wichte des Bodens und seine Scherfestigkeit, die sich in der Regel in einen Reibungsteil (Reibungswinkel 3`) und einen Kohäsionsteil (Kohäsion c`) aufteilt.

Tab. 1.5: Einstufung von geotechn. Baumaßnahmen in Geotechnische Kategorien 2

Weitere Angaben für die Zuordnung zu geotechnischen Kategorien sind in Abs. 7.2, 8.2, 9.2 und 10.2 der DIN 1054 (2005) und in Abs. 6.2.2 bzw. Anhang A der DIN 4020 (2002) zu finden.

¹ sind in Anlehnung an die E DIN 1055- 2 (2003) entstanden.

² vgl. Feiser, J. (2004), Tafel 1; vgl. Möller, G. (2004), Abs. 3.6 und 3.7, S. 28ff.

2 Grundlagen für die Bemessung der Baugrubensicherungsmaßnahmen 37

2 Grundlagen für die Bemessung der

Baugrubensicherungsmaßnahmen

2.1 Hinweise zur Konstruktion von Baugrubenverbauten

2.1.1 Allgemein

Beengte Verhältnisse in Städten, tiefe Nutzung von Grundstücken und immer größere Dimensionierung von Bauwerken macht den Einsatz von Baugrubenverbauten notwendig. Im Hinblick auf die Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit der Baugruben und aller benachbarten Bauwerke während aller Bauzustände, die Wirtschaftlichkeit, der Arbeitssicherheit und dem Umweltschutz ist der Anspruch an den Entwurf, die Berechnung und Ausführung von Baugruben und allen damit verbundenen Sicherungsmaßnahmen zu einer anspruchsvollen Aufgabe geworden. Dabei sind die Baugrund- und Grundwasserverhältnisse, die bodenmechanischen Eigenschaften des Baugrundes der Platzbedarf der Baumaßnahme, Gründungstiefe und die Setzungsempfindlichkeit, Ab-stand und Lasten aller angrenzenden baulichen Anlagen und Verkehrsflächen zu berücksichtigen.

In der DIN 4124 (2002), Abs. 8. sind folgende Stützwände für den Baugrubenverbau genannt:

x Trägerbohlwände

x Spundwände

x Massive Verbauarten

Hierbei werden die beim Aushub freizulegenden Erdwände der Baugrube flächig durch Verbauelemente gesichert und bei einer angestrebten geringen Verformung der Baugrubenwände durch Steifen, Gurtung oder Ankern gesichert.

Die Wahl der Verbauart und Ausbildung der Sicherungsmaßnahmen hängt im großen Maße davon ab, inwieweit sich eine Baugrubenwand während aller Bauzustände bewegen und verformen darf. 1

¹ vgl. EAB (2006), EB 8 (1).

2 Grundlagen für die Bemessung der Baugrubensicherungsmaßnahmen 38

2.1.2 Trägerbohlwände

Trägerbohlwände bestehen aus vertikal angeordneten Traggliedern im Abstand von etwa 1- 3 m und einer waagerecht gespannten Ausfachung. Als Tragglieder dienen in der Regel gerammte, mit Schwingbär eingerüttelte oder in vorgebohrte Löcher gesetzte Stahlprofile. Es können aber auch Bohrrohre oder Bohrpfähle mit entsprechenden Vorrichtungen zur Lagerung der Ausfachung zum Einsatz kommen. Die Ausfachung kann außer aus Holzbalken auch aus Kanaldielen, Stahlbetonfertigteilen, Ortbeton oder Spritzbeton bestehen. Im Grundsatz gilt für die Ausfachung aber, dass ihre Einzelteile so lang sein müssen, dass sie auf jeder Seite mindestens auf einem Fünftel der Flanschbreite aufliegen, fest und unverschiebbar gegen den Boden gepresst werden (z.B. durch Keile) und stets dem Aushub folgend eingebaut wird. 1

Zur Abstützung dienen Steifen oder Anker, die an eine mit den Trägern verbundene horizontale Gurtung angeschlossen sind. Zur Sicherung des Bohlträgerbestandes und als konstruktive Maßnahme gegen Ausfall einer Steife oder eines Ankers sind die Bohlträger entweder durch eine durchgehende obere Gurtung oder durch durchgehend mitein-ander verbundene Stahlprofile im Wandkopfbereich miteinander zu verbinden. 2

Tab. 2.1: Vor- und Nachteile einer Trägerbohlwand

¹ vgl. DIN 4124 (2002), Abs. 8.2.3 und 8.2.4.

² vgl. DIN 4124 (2002), Abs. 8.2.9.

³ Dörken, W.; Dehne, E. (2005), Abs. 1.12, S. 51.

⁴ vgl. EAB (2006), EB 8 (1).

2 Grundlagen für die Bemessung der Baugrubensicherungsmaßnahmen 39

2.1.3 Spundwände (Stahl)

Spundwände bestehen überwiegend aus senkrecht eingerammten, einvibrierten oder eingepressten Stahlwalzprofilen ¹ , die über Schlossverbindungen zu einer nahezu wasserundurchlässigen, vollflächigen Baugrubenumschließung aneinandergefügt werden.

Abb. 2.1: Profile von Spundbohlen verschiedener Hersteller 2

Sofern nicht jede Doppelbohle für sich gestützt wird oder bei Stützung nur bei jeder zweiten Doppelbohle ein Nachweis der Lastübertragung geführt wird, dürfen die zur Abstützung dienenden Steifen und Anker nur gegen Zangen und Gurte gesetzt werden. 3

Angaben z.B. zum Entwurf, zum Schweißen und Einbau oder zum Abdichten von Schlossfugen sind in der DIN EN 12063 (1999) sowie in den Handbüchern der Spund-wandhersteller enthalten. Daneben sind technische Lieferbedingungen wie z.B. Abmessung oder statische Werte verschiedener Profile in DIN EN 10248-1 (1995) und DIN EN 10249-1 (1995) oder in Tabellenbüchern (z.B. In: Schneider, Franke, D. (2006), Tafel 11.75) aufgeführt.

¹ siehe hierzu Abb. 2.1.

² vgl. Möller, G. (2006), Bild 10-4, S. 321.

³ vgl. DIN 4124 (2002), Abs. 8.1.5.

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Tab. 2.2: Vor- und Nachteile einer Spundwand

¹ vgl. Möller, G. (2006).

² vgl. EAB (2006), EB 8 (1).