Beengte Verhältnisse in Städten, tiefe Nutzung von Grundstücken und immer größere Dimensionierung von Bauwerken machen den Einsatz von Baugrubenverbauten notwendig. Im Hinblick auf die Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit der Baugruben und aller benachbarten Bauwerke während aller Bauzustände haben Verformungsprognosen damit eine große Bedeutung erlangt.
Für Verformungsberechnungen im Sinne des Nachweises der Gebraustauglichkeit stehen dem Geotechnikingenieur Berechnungsansätze der Stabstatik oder Numerische Verfahren zu Verfügung. Die drei gebräuchlichsten Verfahren, das klassische Trägermodell mit unnachgiebiger Stützung, das erweiterte Träger-modell mit gebettetem Wandfuß (Bettungsmodulverfahren) und die Finite-Elemente-Methode (Hardening-Soil Modell) sollen in der vorliegenden Arbeit näher erläutert und miteinander verglichen werden. Dazu werden anhand einer einfach gestützten Baugrubenwand die Berechnungsergebnisse aus ausführlichen Handrechnungen sowie den Grundbauprogrammen GGU-Retain V.5 und PLAXIS V.8 vorgestellt.
The cramped situation in cities, the deep using of sites and growing up of the dimension of buildings are the reasons for necessity of deep excavations. In view for the stability and serviceability of the building pit sheeting and all adjacent constructions the importance of prediction of deformations during all building phases has increased.
The Geotechnical Engineer has the choice between classical procedures or numerical methods to determine deformations for proving the Serviceability Limit State. The three common methods, the classical beam model with rigid supports, the configure beam model with earth support proposing an elastic subgrade reaction and the Finite-Elemente-Methode (using with Hardening Soil Model) should be explained and compared with each other. Therefore the results out of hand-calculations as well as of the Geotechnical design Programs GGU-Retain V.5 and PLAXIS V.8 for a single propped excavation wall are introduced.
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung
2 Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau
2.1 Zusammenführung der DIN 1054 und des Eurocodes 7-1
2.2 Teilsicherheitskonzept
2.2.1 Geotechnische Kategorien
2.2.2 Charakteristische Werte und Bemessungswerte
2.2.3 Einwirkungen, Beanspruchungen
2.2.4 Widerstände
2.2.5 Bemessungssituationen
2.2.6 Kombinationsregeln in den verschiedenen Bemessungssituationen
2.2.6.1 Nachweis der Tragfähigkeit
2.2.6.2 Nachweis der Gebrauchstauglichkeit
2.2.7 Grenzzustände der Tragfähigkeit (ULS)
2.2.7.1 Nachweis der Tragfähigkeit
2.2.7.2 Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben
2.2.8 Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (SLS)
2.2.8.1 Nachweis der Gebrauchstauglichkeit
2.2.8.2 Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben
2.2.9 Teilsicherheitsbeiwerte
3 Berechnungsgrundlagen
3.1 Hinweise zur Wahl geeigneter Konstruktionsarten für Baugrubensicherungsmaßnahmen
3.1.1 Allgemein
3.1.2 Stahlspundwände
3.1.3 Massive Baugrubenwände
3.1.3.1 Schlitzwände
3.1.3.2 Bohrpfahlwände
3.1.4 Trägerbohlwände
3.1.4.1 Ermittlung von Bewegungen und Verformungen
3.1.5 Stützung von Baugruben
3.1.5.1 Aussteifung
3.1.5.2 Verankerung
3.1.5.3 Gurtung
3.2 Bodenkenngrößen- Parameter
3.2.1 Erläuterung
3.2.2 Ermittlung & Festlegung von Bodenparametern
3.3 Einwirkungen auf Baugrubenkonstruktionen
3.3.1 Lastannahmen
3.3.2 Vereinfachte Verteilung des aktiven Erddrucks nach EB 69 & EB 70
3.3.3 Erddruck aus Nutzlasten in Form von Ersatzlasten
3.3.3.1 Lastfiguren infolge lotrechter Nutzlasten
3.3.3.2 Lastfiguren infolge waagerechter Nutzlasten
3.3.4 Erdruhedruck
3.3.5 Erddrucklast infolge benachbarter Bebauung
3.3.6 Erddrucklast aus Rückbauzuständen
3.3.7 Wasserdrucklast
3.4 Widerstände
3.4.1 Ansatz des passiven Erddrucks (Erdwiderstand) - Ebener Fall
3.4.2 Ansatz des passiven Erddrucks (Erdwiderstand) - Räumlicher Fall
3.5 Baugruben in weichen Böden
4 Verformungsberechnung zum Rechnerischen Nachweis der Gebrauchstauglichkeit
4.1 Klassisches Trägermodell (TM)
4.1.1 Ermittlung von Verschiebungen und Verformungen
4.1.2 Anwendung
4.1.3 Wandfußverschiebung
4.1.3.1 Mobilisierungsansatz von Besler für nichtbindige Böden
4.1.3.2 Erweiterung für bindige Böden
4.1.3.3 Berücksichtigung einer Vorbelastung bei nichtbindigen Böden
4.1.3.4 Berücksichtigung einer Vorbelastung bei bindigen Böden
4.2 Bettungsmodulverfahren (BM)
4.2.1 Bilineare Bettungsansätze
4.2.1.1 Bettungsmodul ks
4.2.1.2 Anwendung in der Praxis
4.2.2 Nichtlinearer Bettungsansatz nach Besler
4.2.2.1 Anwendung in der Praxis
4.3 Numerische Verfahren (FEM)
4.3.1 Stoffgesetze für Böden
4.3.1.1 Linear-elastische Stoffmodelle
4.3.1.2 Nichtlinear- elastische Stoffmodelle (mit veränderlichen Elastizitätsmoduln)
4.3.1.3 Elastisch- idealplastische Stoffmodelle
4.3.1.4 Elastoplastische Stoffmodelle (mit isotroper Verfestigung)
4.3.1.5 Hypoplastische Stoffmodelle
4.3.2 Hardening-Soil Modell in PLAXIS V.8
4.3.3 Anwendung der FEM für Nachweise der Gebrauchstauglichkeit
5 Beobachtungsmethode bzw. Messtechnische Bauwerksüberwachung
6 Vergleich der Methoden zur Ermittlung der Verformung - Berechnungsbeispiel
6.1 Lastgeschichte
6.2 Vorbemessung der erforderlichen Einbindetiefe
6.2.1 Iterative Lösung
6.2.2 Verfahren nach Blum
6.3 Verformungen aus dem klassischem Trägermodell
6.3.1 Vorgehensweise
6.3.2 Berechnungsergebnisse
6.3.3 Korrektur der Wandfußverschiebung mit Hilfe der Mobilisierungsfunktion nach Besler
6.4 Verformungen aus dem Bettungsmodulverfahren
6.4.1 Vorgehensweise
6.4.2 Berechnungsergebnisse
6.5 Berechnung der Verformungen mit der FEM
6.5.1 Vorgehensweise
6.5.2 Berechnungsergebnisse
6.5.3 Verformungen hinter der Wand
6.6 Vergleich der Biegelinien
7 Fazit
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht und vergleicht verschiedene Berechnungsansätze zur Prognose von Verformungen bei Baugrubenverbauwänden, um den Nachweis der Gebrauchstauglichkeit nach den aktuellen Normenwerken (Eurocode 7, DIN 1054) praxisgerecht zu führen. Die zentrale Forschungsfrage fokussiert sich auf die Genauigkeit und Praktikabilität klassischer Trägermodelle, Bettungsmodulverfahren und numerischer Berechnungen mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) unter Berücksichtigung unterschiedlicher Baugrundverhältnisse und Bauzustände.
- Grundlagen der Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau unter Berücksichtigung der neuen Eurocode-Systematik.
- Analyse und Vergleich der gängigen Konstruktionsarten wie Spundwände, Schlitzwände und Bohrpfahlwände.
- Vertiefte Betrachtung der Verformungsberechnungsmethoden: Klassisches Trägermodell, Bettungsmodulverfahren und Finite-Elemente-Methode (FEM).
- Durchführung eines vergleichenden Berechnungsbeispiels zur Evaluierung der unterschiedlichen Ansätze.
- Bewertung der Praktikabilität und der Anwendungsgrenzen für die tägliche Ingenieurpraxis.
Auszug aus dem Buch
3.1.2 Stahlspundwände
Spundwände bestehen in der Regel aus senkrecht eingerammten, einvibrierten oder eingepressten Stahlwalzprofilen, die über Schlossverbindungen zu einer nahezu wasserundurchlässigen, vollflächigen Baugrubenumschließung aneinandergefügt werden.
Holz- oder Stahlbetonspundwände kommen für den Baugrubenverbau nicht in Frage. Ausführungen hierzu finden sich bspw. in der EAU (2004), Abs. 8.
Angaben z.B. zum Entwurf, zum Schweißen und Einbau oder zum Abdichten von Schlossfugen sind in erster Linie in der DIN EN 12063, in den Handbüchern der Spundwandhersteller sowie in den EAU (2004) für Dauermaßnahmen (Kaianlagen etc.) oder den EAB (2006) für den temporären Baugrubenverbau enthalten. Daneben sind technische Lieferbedingungen wie z.B. Abmessung oder statische Werte verschiedener Profile in E DIN EN 10248-1 und E DIN EN 10249-1 oder in Tabellenbüchern aufgeführt.
Der Bauteilnachweis bzw. innere Bemessung der Stahlprofile erfolgt hinsichtlich ihrer Tragfähigkeit- und Gebrauchstauglichkeit gemäß der europäisch harmonisierten Stahlbaunormen nach DIN EN 1993-5 mit dem nationalen Anhang DIN EN 1993-5/NA. Die DIN 18800-1 wurde damit zurückgezogen. Angaben über Spundbohlen für Baugrubenkonstruktionen sind außerdem in den EAB (2006), EB 49 enthalten.
Die Berechnung und Bemessung bzw. die erdstatischen Nachweise der Grenzzustände der Spundwand erfolgen gemäß Kapitel 2.2.7 & 2.2.8 entsprechend Eurocode 7-1 mit den ergänzenden Regelungen der DIN 1054 und den EAB (2006).
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einführung: Die Einleitung umreißt das Spannungsfeld zwischen Wirtschaftlichkeit und Sicherheit bei der Baugrubenplanung und erläutert die Bedeutung der Gebrauchstauglichkeit.
2 Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau: Dieses Kapitel erläutert die Umstellung auf das Teilsicherheitskonzept nach Eurocode 7 und DIN 1054 sowie die Definition verschiedener Grenzzustände.
3 Berechnungsgrundlagen: Hier werden die verschiedenen Baugrubenkonstruktionen, Bodenkenngrößen und die Modellierung von Einwirkungen wie Erddruck und Wasserdruck detailliert dargestellt.
4 Verformungsberechnung zum Rechnerischen Nachweis der Gebrauchstauglichkeit: Dieses Kapitel vergleicht das klassische Trägermodell, das Bettungsmodulverfahren und die Finite-Elemente-Methode zur Verformungsprognose.
5 Beobachtungsmethode bzw. Messtechnische Bauwerksüberwachung: Hier wird der Einsatz messtechnischer Überwachung zur Qualitätskontrolle und zur Validierung von Berechnungsannahmen beschrieben.
6 Vergleich der Methoden zur Ermittlung der Verformung - Berechnungsbeispiel: Ein durchgerechnetes Praxisbeispiel demonstriert die Anwendung und Unterschiede der betrachteten Berechnungsverfahren.
7 Fazit: Das Fazit fasst die Eignung und die Anforderungen an den Ingenieur bei der Wahl der verschiedenen numerischen und klassischen Berechnungsmethoden zusammen.
Schlüsselwörter
Baugrubensicherung, Gebrauchstauglichkeit, Eurocode 7, DIN 1054, Trägermodell, Bettungsmodulverfahren, Finite-Elemente-Methode, FEM, Erddruck, Verformungsprognose, Bodenparameter, Standsicherheit, Geotechnik, Spundwand, Schlitzwand
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Ermittlung von Verformungen bei Baugrubenverbauwänden. Ziel ist es, dem Ingenieur Grundlagen und Methoden an die Hand zu geben, um den Nachweis der Gebrauchstauglichkeit sicher und normgerecht zu führen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zentrale Themen sind die Sicherheitsnachweise nach EC 7, die Wahl geeigneter Verbauarten (Spundwände, Schlitzwände), die korrekte Bestimmung von Bodenkenngrößen und der detaillierte Vergleich von Berechnungsverfahren zur Verformungsprognose.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das primäre Ziel ist es, die Unterschiede zwischen dem klassischen Trägermodell, dem Bettungsmodulverfahren und der numerischen FEM zu verdeutlichen, um dem Anwender eine Entscheidungshilfe für die Wahl der geeigneten Methode in Abhängigkeit der Randbedingungen zu bieten.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden methodische Vergleiche zwischen analytischen Modellen (Trägermodell), semi-numerischen Modellen (Bettungsmodul) und numerischen Kontinuumsmechanik-Modellen (FEM/Plaxis) anhand eines durchgerechneten, praxisnahen Berechnungsbeispiels durchgeführt.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil (Kapitel 4) werden die maßgeblichen Verfahren erläutert: das klassische Trägermodell mit unnachgiebiger Stützung, die Erweiterung mit gebettetem Wandfuß sowie die FEM unter Anwendung des Hardening-Soil-Modells.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die zentralen Begriffe sind Baugrubensicherung, Gebrauchstauglichkeit, Eurocode 7, FEM, Erddruck, Bodenkenngrößen und Verformungsprognose.
Warum ist der Nachweis der Gebrauchstauglichkeit bei Baugruben so bedeutend?
Aufgrund enger städtischer Bebauung können Verformungen der Baugrubenwand zu Setzungen an benachbarten Gebäuden führen. Der Nachweis ist daher entscheidend, um Schäden an der Umgebung und an Versorgungsinfrastrukturen zu vermeiden.
Welche Rolle spielen Bodenparameter in der FEM-Berechnung?
Bodenparameter bestimmen das Materialverhalten im numerischen Modell. Da der Boden inhomogen und anisotrop reagiert, ist die korrekte Wahl des Stoffmodells (z.B. Hardening-Soil-Modell) essenziell für die Genauigkeit der Verformungsvorhersage.
Was ist der Vorteil der Beobachtungsmethode?
Die Beobachtungsmethode erlaubt es, während der Bauausführung auf Basis von Messungen (z.B. Inklinometern) frühzeitig zu erkennen, ob sich das Bauwerk wie prognostiziert verhält, und bei Abweichungen rechtzeitig korrigierend einzugreifen.
- Quote paper
- Diplom Ingenieur (FH) Michael Riemer (Author), 2011, Nachweis der Gebrauchstauglichkeit für Baugrubensicherungen, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/170213
