für Herrn Dipl.-Ing.(FH) Michael Riemer

Auswirkungen auf die Umgebung dagegen eher untergeordnet sind, kann die Genauigkeit der Verformungsprognose durch den Ansatz der Bettungsreaktion am Bodenauflager verbessert werden.

• Wenn neben der Verformungen der Wand auch die des umgebenden Bodens mit erfasst werden sollen, ist eine numerische Berechnung mit der Methode der Finiten-Elemente unter Berücksichtigung des Ausgangs-spannungszustandes erforderlich.

Inhaltsverzeichnis V

Inhaltsverzeichnis   

Kurzfassung.   I

Abstract.   I

Aufgabenstellung  zur Masterarbeit  II

Inhaltsverzeichnis   V

Abbildungsverzeichnis   IX

Tabellenverzeichnis   XI

Abk  ürzungsverzeichnis  XII

1  Einführung  1

2  Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau.  3

2.1  Zusammenführung der DIN 1054 und des Eurocodes 7-1  3

2.2  Teilsicherheitskonzept.  6

2.2.1  Geotechnische Kategorien  7

2.2.2  Charakteristische Werte und Bemessungswerte.  8

2.2.3  Einwirkungen, Beanspruchungen.  9

2.2.4  Widerstände  9

2.2.5  Bemessungssituationen  9

2.2.6  Kombinationsregeln in den verschiedenen Bemessungssituationen.  11

2.2.6.1  Nachweis der Tragfähigkeit  11

2.2.6.2  Nachweis der Gebrauchstauglichkeit  13

2.2.7  Grenzzustände der Tragfähigkeit (ULS)  14

2.2.7.1  Nachweis der Tragfähigkeit  14

2.2.7.2  Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben.  17

2.2.8  Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (SLS)  18

2.2.8.1  Nachweis der Gebrauchstauglichkeit  18

2.2.8.2  Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben.  19

2.2.9  Teilsicherheitsbeiwerte.  20

3  Berechnungsgrundlagen.  23

3.1  Hinweise zur Wahl geeigneter Konstruktionsarten für  

Baugrubensicherungsma  ßnahmen  23

3.1.1  Allgemein  23

3.1.2  Stahlspundwände.  24

3.1.3  Massive Baugrubenwände  25

3.1.3.1  Schlitzwände  25

Inhaltsverzeichnis VI

3.1.3.2  Bohrpfahlwände  27

3.1.4  Trägerbohlwände  30

3.1.4.1  Ermittlung von Bewegungen und Verformungen  31

3.1.5  Stützung von Baugruben.  32

3.1.5.1  Aussteifung.  32

3.1.5.2  Verankerung.  34

3.1.5.3  Gurtung  36

3.2  Bodenkenngrößen- Parameter.  36

3.2.1  Erläuterung.  36

3.2.2  Ermittlung Festlegung von Bodenparametern.  40

3.3  Einwirkungen auf Baugrubenkonstruktionen  41

3.3.1  Lastannahmen  41

3.3.2  Vereinfachte Verteilung des aktiven Erddrucks nach EB 69 EB 70  42

3.3.3  Erddruck aus Nutzlasten in Form von Ersatzlasten.  46

3.3.3.1  Lastfiguren infolge lotrechter Nutzlasten  46

3.3.3.2  Lastfiguren infolge waagerechter Nutzlasten.  47

3.3.4  Erdruhedruck.  48

3.3.5  Erddrucklast infolge benachbarter Bebauung  49

3.3.6  Erddrucklast aus Rückbauzuständen  51

3.3.7  Wasserdrucklast.  52

3.4  Widerstände  54

3.4.1  Ansatz des passiven Erddrucks (Erdwiderstand) - Ebener Fall.  55

3.4.2  Ansatz des passiven Erddrucks (Erdwiderstand) - Räumlicher Fall  55

3.5  Baugruben in weichen Böden  56

4  Verformungsberechnung zum Rechnerischen Nachweis der  

Gebrauchstauglichkeit.   58

4.1  Klassisches Trägermodell (TM)  58

4.1.1  Ermittlung von Verschiebungen und Verformungen  58

4.1.2  Anwendung  60

4.1.3  Wandfußverschiebung  61

4.1.3.1  Mobilisierungsansatz von Besler für nichtbindige Böden.  61

4.1.3.2  Erweiterung für bindige Böden  63

4.1.3.3  Berücksichtigung einer Vorbelastung bei nichtbindigen Böden  64

4.1.3.4  Berücksichtigung einer Vorbelastung bei bindigen Böden  66

4.2  Bettungsmodulverfahren (BM)  68

4.2.1  Bilineare Bettungsansätze.  68

4.2.1.1  Bettungsmodul k s  69

4.2.1.2  Anwendung in der Praxis.  72

4.2.2  Nichtlinearer Bettungsansatz nach Besler.  72

4.2.2.1  Anwendung in der Praxis  73

Inhaltsverzeichnis VII

4.3  Numerische Verfahren (FEM)  74

4.3.1  Stoffgesetze für Böden.  75

4.3.1.1  Linear-elastische Stoffmodelle  75

4.3.1.2  Nichtlinear- elastische Stoffmodelle (mit veränderlichen  

Elastizit  ätsmoduln)  76

4.3.1.3  Elastisch- idealplastische Stoffmodelle  76

4.3.1.4  Elastoplastische Stoffmodelle (mit isotroper Verfestigung)  77

4.3.1.5  Hypoplastische Stoffmodelle  78

4.3.2  Hardening-Soil Modell in PLAXIS V.8  79

4.3.3  Anwendung der FEM für Nachweise der Gebrauchstauglichkeit  83

5  Beobachtungsmethode bzw. Messtechnische  

Bauwerks  überwachung  85

6  Vergleich der Methoden zur Ermittlung der Verformung -  

Berechnungsbeispiel   88

6.1  Lastgeschichte  91

6.2  Vorbemessung der erforderlichen Einbindetiefe  91

6.2.1  Iterative Lösung.  92

6.2.2  Verfahren nach Blum.  92

6.3  Verformungen aus dem klassischem Trägermodell  105

6.3.1  Vorgehensweise.  105

6.3.2  Berechnungsergebnisse.  105

6.3.3  Korrektur der Wandfußverschiebung mit Hilfe der  

Mobilisierungsfunktion  nach Besler  107

6.4  Verformungen aus dem Bettungsmodulverfahren.  112

6.4.1  Vorgehensweise.  112

6.4.2  Berechnungsergebnisse.  113

6.5  Berechnung der Verformungen mit der FEM.  115

6.5.1  Vorgehensweise.  115

6.5.2  Berechnungsergebnisse.  118

6.5.3  Verformungen hinter der Wand  119

6.6  Vergleich der Biegelinien.  121

7  Fazit  123

Anhang A:  Ablaufdiagramme für Nachweisverfahren nach EC 7  124

A.1  : Berechnungsverfahren 1 für den Nachweis einer bodengestützten  

Wand  nach EC 7 Abs. 2.4.7.3.4.2  124

A.2  : Berechnungsverfahren 2 für den Nachweis einer bodengestützten  

Wand  nach EC 7 Abs. 2.4.7.3.4.3  125

A.3  : Berechnungsverfahren 3 für den Nachweis einer bodengestützten  

Wand  nach EC 7 Abs 2 4 7 3 4 4  126

Inhaltsverzeichnis VIII

Anhang B:  Ermittlung der Einbindetiefe mit dem Verfahren nach Blum.  127

B.1  : Berechnungsalgorithmus für das Verfahren 1 zur Ermittlung der  

Einbindetiefe  t für den Ausnutzungsgrad μ 1.  127

B.2  : Berechnungsalgorithmus für das Verfahren 2 zur Ermittlung des  

Ausnutzungsgrades  des Erdwiderlagers bei vorgegebener  

Einbindetiefe  t.  128

Anhang C:  Bodenkenngrößen für Vorentwürfe  129

C.1  : Mittlere Bodenkennwerte für Vorentwürfe von Flächengründungen.  129

C.2  : Mittlere Bodenkennwerte für Vorentwürfe-  

Rechenwerte  (abgeminderte charakteristische Werte)  130

Anhang :D  Weitere Berechnungsverfahren zur Berücksichtigung der  

Verformungseinflüsse   131

D.1  : Berechnungsformeln für horizontale Wandverschiebungen von  

r  ückverankerten Baugruben in nichtbindigen Böden  131

D.2  : Erläuterungen.  132

Anhang E:  Ergebnisausgaben für das Berechnungsbeispiel 1  133

Technisches  Regelwerk.  142

Normen   142

Veröffentlichungen  der Arbeitskreise der DGGT  149

Literaturverzeichnis   151

Fachzeitschriften   151

Monografien  / Abhandlungen  152

Fachbeitr  äge in Schriftreihen und Tagungsbänden.  154

Fachkapitel  in Sammelwerken.  155

Angek  ündigte Neuerscheinungen  156

Genutzte  Grundbausoftware  156

Stichwortverzeichnis   157

Simulation ............................................................................................... 2

geotechnischer Normen........................................................................... 5

Trägerverbaus ....................................................................................... 31

axialer Dehnung ε 1 ................................................................................ 38 Abbildung 3.8: Verformungsmoduln bei unterschiedlichen

Randbedingungen ................................................................................ 39 Abbildung 3.9: Wirklichkeitsnahe Lastfiguren für gestützte Spund- und

Ortbetonwände ...................................................................................... 44 Abbildung 3.10: Wirklichkeitsnahe Lastfiguren für gestützte

Trägerbohlwände................................................................................... 45 Abbildung 3.11: Lastfiguren für den Erddruck aus lotrechten Nutzlasten bei

nicht oder nachgiebig gestützten Wänden ............................................. 46 Abbildung 3.12: beispielhafte Verteilung und Überlagerung der

Erdruckanteile ....................................................................................... 47

Erdruhedruckes ..................................................................................... 48

Verbaukonstruktionen von Baugrubenwänden in weichen Böden ......... 57

Gebrauchstauglichkeit mit GGU-Retain V.5........................................... 60 Abbildung 4.3: Ausgangsspannungszustand vor dem einbindenden Teil

einer Baugrubenwand nach Besler bei nichtbindigem (a) und

bindigem (b) Boden ............................................................................... 64

Erdwiderstandsbeiwert K’ ph in Abhängigkeit der dimensionslosen

Verschiebung ξ ..................................................................................... 65 Abbildung 4.5: Lastbild für elastische Bettung bei nichtbindigen Boden mit

Vorbelastung nach EAB......................................................................... 68 Abbildung 4.6: Ermittlung des Bettungsmoduls aus der Widerstands-

Verschiebungs-Beziehung ..................................................................... 71 Abbildung 4.7: Anwendung des erweiterten Trägermodells mit gebetteten

Wandfuß für Nachweise der Gebrauchstauglichkeit mit

GGU-Retain V.5..................................................................................... 72 Abbildung 4.8: Stoffverhalten im Triaxialversuch (links) und im

Ödometerversuch (rechts) bei Erstbelastung......................................... 76

Ödometerversuch (rechts) ..................................................................... 78 Abbildung 4.11: Hyperbolischer Spannungs-Verformungs-Ansatz aus

dräniertem Triaxialversuch .................................................................... 81 Abbildung 4.12: Fließfläche im Hauptspannungsraum nach dem HS-Modell

für kohäsionslosen Boden ..................................................................... 82 Abbildung 4.13: Anwendung der FEM für Nachweise der

Gebrauchstauglichkeit ........................................................................... 84 Abbildung 5.1: schematische Darstellung des Messprogramms Baugrube

Potsdamer Platz ................................................................................... 86

Trägermodellverfahren (Anhang E) ..................................................... 106

Wandfußverschiebung (Anhang E)...................................................... 111

und eventueller Verankerung............................................................... 115

Endzustand EZ (Anhang E) ................................................................. 119 Abbildung 6.12: Hebungen der Baugrubensohle im

Endzustand EZ (Anhang E) ................................................................. 120 Abbildung 6.13: Vergleich der Verfahren für die

frei aufgelagerte Wand (Anhang E) ..................................................... 121 Abbildung 6.14: Vergleich der Verfahren für die

eingespannte Wand (Anhang E).......................................................... 122

Beanspruchungen.................................................................................. 21

Lagerungsdichte .................................................................................... 62 Tabelle 4.2: Faktor f δ zur Berücks. des Einflusses einer negativen

Wandreibung ......................................................................................... 62 Tabelle 4.3: Faktor f S zur Berücksichtigung des Einflusses aus

Grundwasser ......................................................................................... 62

Verschiebungsgrößen für steife bis halbfeste bindige Böden

entsprechend großmaßstäblicher Modellversuche von Wittlinger ......... 63

frei aufgel. SPW..................................................................................... 94 Tabelle 6.6: Zusammenstellung der ständigen Einwirkungen

eingespannte SLW ................................................................................ 98 Tabelle 6.7: Zusammenstellung des Erdwiderstandes nach Lackner im

Auflagerbereich für die eingespannte Schlitzwand (SLW) ................... 103 Tabelle 6.8: Vergleich der Einbindetiefe nach Blum mit der

iterativen Lösung ................................................................................. 104 Tabelle 6.9: Bestimmung des Bettungsmoduls aus dem

Steifenmodul (Anhang E)..................................................................... 112

1 Einführung 1

1 Einführung

Bei der Errichtung eines Bauwerks steht der Ingenieur stets im Spannungsfeld verschiedener gegeneinander konkurrierender Interessen und Ziele wie Wirtschaftlichkeit, Terminhaltung, Ästetik und angemessenem Unterhaltsaufwand des Bauwerkes, Beachtung der Umwelt und Wahrung der eigenen Konkurrenzfähigkeit. ¹ Die Hauptaufgabe des entwerfenden Ingenieurs liegt dabei jedoch darin, ein Bauwerk so zu konzipieren, dass es während der vorgesehenen Nutzungsdauer neben seiner Tragfähigkeit auch seine Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit behält.

Der Begriff der Gebrauchstauglichkeit beschreibt dabei die Eigenschaft eines Bauwerkes die für die Nutzung festgelegten Anforderungen zu erfüllen. Diese Anforderungen können sich dabei auf die Funktion des Bauwerkes oder seiner Teile, das Wohlbefinden von Personen oder das Erscheinungsbild beziehen. Im Rahmen der Nachweisführung sind im Allgemeinen folgende Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit bzw. Nachweiskriterien zu betrachten: 2

• Verformungen und Verschiebungen, die zu einer Beeinträchtigung der Nutzung des Tragwerkes, zu Schäden an angrenzenden Bauteilen oder einem nachteiligen Erscheinungsbild führen,

• Schwingungen, die zu Schäden oder Beeinträchtigungen der Funktionsfähigkeit am Tragwerk selbst oder an angrenzenden Bauteilen führen, bzw. bei Menschen körperliches Unbehagen herbeiführen,

• Schäden, die Funktionsfähigkeit, Dauerhaftigkeit oder Erscheinungsbild des Tragwerks beeinträchtigen,

• sichtbare Schäden aufgrund von Materialermüdung oder anderer zeitabhängigen Auswirkungen.

Zu Beginn der vorliegenden Arbeit erfolgt eine Einordnung der Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit für Baugruben in das Umfeld der aktuellen Normung und Empfehlungen die für die Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau von Bedeutung sind.

Die Betrachtung der Konstruktionsarten für Baugruben, Erläuterungen zu den maßgebenden Bodenparametern und die Einordnung von Einwirkungen, Bean-

¹ VGL. SCHMIDT,H.- H. (2006), S.229.

² VGL. HOLSCHEMACHER, K. (2009).

1 Einführung 2

spruchungen und Widerständen sollen im Kapitel 3 aus dem recht abstrakten System eines Baugrubenverbaus für den Leser ein fassbares und berechenbares Bauwerk werden lassen.

Die Technischen Wissenschaften und so auch die Geotechnik sind aus der Entwicklung des Computers gekennzeichnet durch die Wechselbeziehung zwischen Theoriebildung, Experiment und Simulation.

Abbildung 1.1: Tetraeder von Computer, Theorie, Experiment und Simulation 1

Im Hauptteil, dem Kapitel 4, werden die maßgeblichen Verfahren zur Abschätzung der Verformungen einer Baugrubenkonstruktion erläutert und versucht damit alle Eckpunkte dieses Zusammenhangs aufzunehmen. Zuerst erfolgt die Erläuterung des auf den Ansätzen der Stabstatik basierenden und fest in den Normen und deren Sicherheitskonzepten verankerten klassischen Trägermodells mit unnachgiebiger Stützung und seiner Erweiterung mit gebetteten Wandfuß. Als nächstes werden die numerischen Verfahren zur Abschätzung bzw. Simulation der Verformungen und speziell die Finite-Elemente-Methode unter Anwendung des Hardening-Soil Modells betrachtet. Und zuletzt die Bedeutung und Anwendung der Beobachtungsmethode erklärt.

Da die meisten Schwierigkeiten jedoch im Detail stecken und erst bei einer konkreten Berechnung von Beispielen offenbar werden, wird in Kapitel 6 an-hand eines einfachen durchgerechneten Beispiels beschrieben, wie die Abschätzung der Verformungen praktisch durchgeführt werden können.

Am Ende der Arbeit befindet sich zusätzlich zu einem Verzeichnis der verwendeten Literatur eine Zusammenstellung der für diese Arbeit relevanten Technischen Regelwerke.

¹ NACH. KURRER, K.-E. (2010), BILD 39.

2 Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau 3

2 Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau

Bei all den durch heutige technischen Möglichkeiten und den zur Verfügung stehenden Erkenntnissen und gesammelten Daten muss man sich dennoch stets vor Augen halten, dass durch die zwangsläufigen Vereinfachungen bei der Abbildung des geometrischen Modells einer Konstruktion und den Einschränkungen bei den verwendeten Rechenmodell Sicherheit nur ein relatives Maß bleibt und nie absolut sein kann. Um diese Sicherheit dennoch möglichst objektiv zu bestimmen bzw. nachzuweisen, sollen Normen sowohl die Annahmen als auch die Berechnungsansätze und Vorgehensweisen dabei vereinheitlichen.

2.1 Zusammenführung der DIN 1054 und des Eurocodes 7-1

Im Zuge der europäischen und internationalen Vereinheitlichung der unterschiedlichen nationalen Vorschriften zur Harmonisierung des europäischen Binnenmarktes und technischer Ausschreibungen wurden in nunmehr allen Bereichen des konstruktiven Ingenieurbaus des deutschen Normenwerkes die Vorgaben des Eurocodes umgesetzt. Eine endgültige Ablösung durch den Eurocode, wie von der Europäischen Union verlangt, hat bisher jedoch noch nicht statt gefunden. Und so stehen mit dem Auslaufen der Koexistenzperioden der einzelnen Normen noch einmal eine Reihe von Veränderungen bevor.

Der Eurocode 7, „Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik“ liegt in Teil 1 als DIN EN 1997-1 „Allgemeine Regeln“ seit Oktober 2005 ¹ und in Teil 2 als DIN EN 1997-2 „Erkundung und Untersuchung des Baugrundes“ seit September 2007 ² vollständig vor. Da die Regeln des Europäischen Komitees für Normung (CEN) verlangen, dass nach einer Kalibrierungsperiode von zwei Jahren und einer Koexistenzperiode von weiteren drei Jahren alle deutschen Normen, die Regelungen der Eurocodes enthalten, zurückgezogen werden müssten, werden auch die mit dem EC konkurrierenden DIN 1054:2005-01, „Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau“ und die DIN 4020:2003-09, „Geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke“ durch überarbeitete Fassungen als Ergänzungsregeln zum EC 7 abgelöst.

Grundnorm im so entstehenden neuen Normensystem zur geotechnischen Bemessung wird die DIN EN 1997-1(EC 7-1) sein. Im seit Dezember 2010 voll-

¹ NEUE ÜBERARBEITETE FASSUNG:DIN EN 1997-1:2009-09.

² NEUE ÜBERARBEITETE FASSUNG: DIN EN 1997-2:2010-10.

2 Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau 4

ständig vorliegenden Nationalen Anhang (NA-1) ¹ wird angegeben, welches der zur Auswahl gestellten Nachweisverfahren und welche Teilsicherheitsbeiwerte im nationalen Normenwerk maßgebend sind. Er ist also ein formales Bindeglied zwischen dem Eurocode EC 7-1 und den nationalen Ergänzungsregeln. Anmerkungen, Erklärungen oder Ergänzungen zum Eurocode EC 7-1 sind nicht zulässig.

Abbildung 2.1: Zeitplan für die Einführung des Eurocodes 7-1 2

Die als Anwendungsregel zum Eurocode EC 7-1 neu erarbeitete Ergänzungsregel DIN 1054 ³ unterscheidet sich von der bisher geltenden und bauaufsichtlich eingeführten Übergangsfassung ⁴ wie folgt: 5

• sie ist gekürzt, um dem Wiederholungsverbot Genüge zu tun,

• sie ist in formaler Hinsicht streng an den Eurocode EC 7-1 angepasst,

• und sie enthält Ergänzungen, Verbesserungen und Änderungen.

Im NA-1 und der neuen DIN 1054 wird darüber hinaus auf geltende Berech-nungsnormen, einschlägige Empfehlungen aus Arbeitskreisen und Herstel-lungsnormen des Spezialtiefbaus verwiesen.

Analog verhält es sich bei Baugrunduntersuchungen und dem sie regelnden Eurocode EC 7-2, so dass der Nutzer auch hier drei Regelwerke parallel und alle anderen zu beachtenden relevanten Normen zur Erkundung, Untersuchung und Beschreibung des Baugrundes im Auge behalten muss. 6

¹ DIN EN 1997-1/NA1:2010-12.

² VGL. SCHUPPENER, B.; RUPPERT, F.-R. (2007), BILD 3.

³ DIN 1054:2010-12.

⁴ DIN 1054:2005-01.

⁵ VGL. EAB (2006), EB 105.

⁶ ENTSPR. NORMEN WERDEN IN EINEM NORMENVERZEICHNIS AM ENDE DIESER ARBEIT AUFGELISTET.

2 Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau 5

Abbildung 2.2: Zukünftige Hierarchie europäischer und deutscher geotechnischer Normen 1

Um für den Anwender die Handhabung der parallel zu beachtenden drei Regelwerke zu erleichtern ist es geplant, neben der Einzelveröffentlichung der drei Regelwerke diese auch in einem DIN-Fachbericht bzw. Normen-Handbuch zusammenzufassen. ² Obgleich die DIN 1054 mit den ergänzenden Regeln zu EC 7-1 und der zugehörige NA im Dezember 2010 erschienen ist, erfolgt die bauaufsichtliche Einführung der drei Normen oder des Normenhandbuchs jedoch erst zum 01.07.2012. ³ Erst dann wird die DIN 1054:2005-01 auslaufen und die Anwendung des Eurocode 7-1 verpflichtend sein.

¹ IN ANLEHNUNG AN: SCHUPPENER, B.; RUPPERT, F.-R. (2007).

² SIEHE HIERZU IN: LITERATURVERZEICHNIS- ANGEKÜNDIGTE NEUERSCHEINUNGEN.

³ VGL. SCHUPPENER, B. (2010), FOLIE 10.

2 Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau 6

2.2 Teilsicherheitskonzept

Für die alte Normengeneration im Erd- und Grundbau galten fast ausschließlich globale Sicherheitsfaktoren η. Die Sicherheit gegen Versagen eines Bauwerkes war nachgewiesen, wenn

R

η = ≥ (2.1) k 1,05...2,0

F

k

eingehalten wurde, also das Verhältnis zwischen den charakteristischen Einwirkungen F k und den charakteristischen Widerständen R k größer als ein empirisch festgelegter Sicherheitsfaktor blieb.

Das Teilsicherheitskonzept unterscheidet verschiedene Grenzzustände der Tragfähigkeit, für die jeweils eigene Teilsicherheitsfaktoren gültig sind, und Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit. Bei der Anwendung wird die im System vorhandene Sicherheit durch Teilsicherheitsbeiwerte auf die Widerstands-und Einwirkungsseite aufgeteilt. Eine ausreichende Sicherheit ist im Allgemeinen gegeben, wenn die Summe der Bemessungswiderstände R d größer als die Summe der Bemessungseinwirkungen F d ist.

∑ ≥ ∑ (2.2) ¹ R F

d d

War nach dem globalen Sicherheitskonzept zur Bestimmung noch nicht bekannter Bauteilabmessungen wie zum Beispiel der Einbindetiefe einer Baugru-benwand die Überlagerung von Einwirkungen und den um η=1,5 abgeminderten Widerstand noch möglich, müssen Einwirkungen und Widerstände heute streng getrennt werden. 2

¹ VGL. ZIEGLER, M. (2008), ABS.2.2.

² VGL. EAB (2006), EB 11 (7).

2 Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau 7

2.2.1 Geotechnische Kategorien

Die Baugrundeigenschaften einer Bodenschicht werden durch charakteristische Bodenkenngrößen beschrieben. Sie werden durch geotechnische Untersuchungen und damit verbundene Berechnungen und Überwachungsmaßnahmen, die in Anlehnung an den Eurocode EC 7-2 ¹ bzw. die DIN 4020 ² durchgeführt werden, festgelegt. Deren Mindestanforderungen richtet sich wiederum nach der Geotechnischen Kategorie, die entsprechend dem Schwierigkeitsgrad bzw. dem Sicherheitsbedürfnis der Baumaßnahme, den Baugrundverhältnissen und Wechselwirkungen zwischen Bauwerk und Umgebung bestimmt wird. Hierzu werden drei geotechnische Kategorien gebildet:

Tabelle 2.1: Zuordnung Geotechnischer Kategorien 3

Eine spätere Änderung der GK bzw. Ergänzung der Baugrunderkundung auf-grund zutage tretender neuer Umstände während der Ausführung ist unbedingt notwendig.

Der Entwurf und die Bemessung von Gründungskonstruktionen und die Bau-grunduntersuchungen sind als zusammenhängende Aufgaben zu verstehen. In DIN EN 1997-1 wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Sicherheit der Gründung nur zuverlässig berechnet werden kann, wenn die Kenngrößen des Baugrunds zuverlässig und nachprüfbar angegeben werden können. 4

¹ DIN EN 1997-2:2010-10.

² DIN 4020:2010-02.

³ ANGABEN ÜBER DIE ZUORDNUNG GEOTECHNISCHER KATEGORIEN SIND U.A. IN DER DIN 4020 UND

^DER DIN 1054 ZU FINDEN.

⁴ VGL. SCHUPPENER, B.; RUPPERT, F.-R. (2007).

2 Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau 8

2.2.2 Charakteristische Werte und Bemessungswerte

Als charakteristischer Wert wird der Wert einer Einwirkung F k oder eines Wider-standes R k bezeichnet von dem angenommen wird, dass er mit einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeit im Bezugszeitraum unter Berücksichtigung der Nutzungsdauer des Bauwerkes und der entsprechenden Bemessungssituation nicht über- oder unterschritten wird. ¹ Charakteristische Werte werden in der Regel aufgrund von Versuchen, Messungen, Rechnungen oder Erfahrungen gewonnen. Ihre „repräsentativen Werte“ werden im Allgemeinen für ständige Einwirkungen G k durch ihre Mittelwerte und für veränderliche Einwirkungen Q ^k durch die 98%- Quantilwerte (für den Bezugszeitraum eines Jahres) gebildet. ² Im Grundsatz sind sie aber so festzulegen, dass die Ergebnisse der damit durchgeführten Berechnungen bzw. Nachweise auf der sicheren Seite liegen. Um dies zu gewährleisten kann es erforderlich sein, obere und untere charakteristische Werte festzulegen und in den Berechnungen jeweils die ungünstigsten Kombinationen auszuwählen.

Durch multiplizieren des charakteristischen bzw. repräsentativen Wertes einer Einwirkung F k bzw. F rep oder einer Beanspruchung E k mit Teilsicherheitsbeiwerten γ F ≥ 1,0 bzw. dividieren der charakteristischen Widerstände R k durch Teilsicherheitsbeiwerte γ R ≥ 1,0 erhält man die Bemessungswerte, die durch den Index „d“ gekennzeichnet sind und den Nachweisen eines Grenzzustandes zugrunde gelegt werden. ³ In der Geotechnik ist man bestrebt so lange wie möglich mit charakteristischen Werten zu rechnen bzw. die Teilsicherheitsbeiwerte möglichst erst auf Beanspruchungen, nicht auf Einwirkungen anzuwenden. Im Konstruktiven Ingenieurbau werden die statischen Berechnungen dagegen bereits mit Bemessungswerten durchgeführt. Die damit aus dem Hochbau resultierenden Gründungslasten müssen für die geotechnische Nachweisführung wieder in charakteristische bzw. repräsentative Größen zurück transformiert werden, was sich gerade bei der Anwendung nichtlinearer Verfahren zur Schnittgrößenermittlung als schwierig erweist. 4

¹ VGL. DIN EN 1997-1:2009-09, ABS. 2.4.5.

² VGL. VOGT, N. (2008), ABS. 3.2.1.

³ VGL. DIN EN 1997-1:2009-09, ABS. 2.4.6.

⁴ SIEHE HIERZU ANGABEN DER DIN 1054:2010-12, ABS. A 2.4.2.3.

2 Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau 9

2.2.3 Einwirkungen, Beanspruchungen

Charakteristische Einwirkungen F k können Gründungslasten, grundbauspezifische Lasten (Eigenlast von Grundbauwerken, Erddruck, Wasserdruck, etc.) und dynamische Lasten (aus Verkehrslasten, Anprall- und Stoßlasten oder Erdbeben) sein. Charakteristische Beanspruchungen E k sind die Summe der Auswirkungen aus den einzelnen Einwirkungen in Form von Schnittgrößen, Spannungen oder Verformungen. 1

Nach Eurocode 0 ² sind die Anteile aus ständigen (Index „G“) und veränderlichen (Index „Q“) Einwirkungen getrennt zu behandeln. Zu den ständigen Einwirkungen zählen bei Baugrubenkonstruktionen neben den Eigenlasten in der Regel die grundbauspezifischen Einwirkungen Erd- und Wasserdruck. Als veränderliche Einwirkungen genügt es regelmäßig auftretende Nutzlasten zu berücksichtigen.

2.2.4 Widerstände

Widerstände resultieren aus der Festigkeit bzw. der Steifigkeit der beanspruchten Baustoffe oder des Baugrundes und können in Form von Scherfestigkeiten, Steifigkeiten, Sohl-, Erd-, Eindring-, Herauszieh- und Seitenwiderständen auftreten. 3

2.2.5 Bemessungssituationen

Im übrigen Konstruktiven Ingenieurbau ist es üblich veränderliche Einwirkungen für den Nachweis der Tragfähigkeit hinsichtlich der Häufigkeit ihres Auftretens und für den Nachweis der Gebrauchstauglichkeit hinsichtlich einer Auftretenswahrscheinlichkeit durch verschiedene repräsentative Werte zu unterscheiden. Zu diesem Zweck werden unter Einbeziehen der Kombinationsbeiwerte Ψ i ≤ 1,0 verschiedene Kombinationsregeln bzw. Bemessungssituationen erfasst. Damit kann eine statistische Gewichtung unabhängig voneinander auftretender veränderlicher Einwirkungen getroffen werden.

In der deutschen Geotechnik stieß dieses Prinzip jedoch auf großen Widerstand und man wendet stattdessen das System der 3 Lastfälle, LF 1, LF 2 und LF 3 mit abgestuften Teilsicherheitsbeiwerten an. ⁴ Die Lastfälle werden dabei gemäß

¹ VGL. DIN 1054:2005-01, ABS. 6.1.

² VGL. DIN EN 1990:2010-12.

³ SIEHE HIERZU DIN 1054:2005-01, ABS. 6.2.

⁴ VGL. SMOLTCZYK, U.; VOGT, N. (2005), S.15-16.

2 Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau 10

DIN 1054:2005-01 ¹ für den Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZ 1) aus den Einwirkungskombinationen (EK 1-3) in Verbindung mit den Sicherheitsklassen (SK 1-3) bei den Widerständen gebildet. Die EAB (2006) ² führt neben den für Baugrubenkonstruktionen einzig möglichen LF 2 (Regelfall) und LF 3 (Ausnahmefall) zusätzlich den Sonderfall (LF 2/3) ein. Wobei die Teilsicherheitsbeiwerte für den LF 2/3 aus den sich nach der DIN 1054:2005 richtenden Lastfälle 2 und 3 interpoliert werden. 3

Mit der endgültigen Einführung des EC in der Geotechnik werden die bisherigen Lastfälle zukünftig als Bemessungssituation bezeichnet. Für den Nachweis der Tragfähigkeit werden die Bemessungssituationen gemäß neuer DIN 1054 ⁴ nun wie im übrigen Hochbau hinsichtlich ihrer Häufigkeit wie folgt definiert:

• BS-P ständige Situationen (persistent situations) Hierbei werden ständige und während der Funktionszeit des Bauwerks regelmäßig auftretende veränderliche Einwirkungen berücksichtigt.

• BS-T vorübergehende Situationen (transient situations) Diese Bemessungssituation wird Bauzuständen zugeordnet, wie sie bei der Herstellung oder Reparatur eines Bauwerkes auftreten. Sie bezieht sich weiterhin auf Baumaßnahmen vorübergehenden Zweckes wie bspw. Baugrubenkonstruktionen und deren Einzelteile, soweit für diese nichts anderes festgelegt wurde und auf Situationen, bei denen neben den veränderlichen Einwirkungen der BS-P noch eine seltene ungewöhnlich große, planmäßig nur einmalig oder möglicherweise nie auftretende Einwirkung auftritt.

• BS-T/A besondere Situationen

Bei Baugrubenkonstruktionen darf analog zum Sonderfall LF 2/3 ⁵ die Bemessungssituation BS-T mit abgeminderten Teilsicherheitsbeiwerten unter Bezeichnung BS-T/A eingeführt werden. 6

• BS-A außergewöhnliche Situation (accidential situations) Treten neben den ständigen und veränderlichen Einwirkungen der BS-P und BS-T noch Einwirkungen außergewöhnlicher Situationen wie z.B. Feuer, extremes Hochwasser, Anprall etc. auf, liegt die Bemessungssituation BS-A vor. Sie besteht auch wenn gleichzeitig mehrere voneinander unabhängige

¹ VGL. DIN 1054:2005-01, ABS. 6.3.3 (1).

² VGL. EAB (2006), EB 24.

³ VGL. EAB (2006), EB 79.

⁴ VGL. DIN 1054:2010-12, ABS. „ZU 2.2“.

⁵ VGL. EAB (2006), EB 24.

⁶ VGL. DIN 1054:2010-12, ABS. „ZU 2.2“ A(6).

2 Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau 11

seltene Einwirkungen (z.B. ungewöhnlich große, planmäßig nur einmalig oder möglicherweise nie auftretende Einwirkung) zu berücksichtigen sind.

• BS-E Situation infolge Erdbebeben (earthquake) Ist in erdbebengefährdeten Gebieten unter Berücksichtigung des Eurocode 8 oder der DIN 4149 einzubeziehen.

Bei der Bildung eines repräsentativen Wertes mehrerer voneinander unabhängigen veränderlicher Einwirkungen sind damit nun auch die Kombinationsregeln (siehe hierzu auch Abs. 2.2.6) der verschiedenen Bemessungssituationen nach DIN EN 1990 bzw. DIN 1055-100 zu beachten.

Für den Nachweis der Gebrauchstauglichkeit gelten hinsichtlich ihrer Auftretenswahrscheinlichkeit dabei folgende Bemessungssituationen bzw. Lastkombinationen: 1

• Seltene (charakteristische) Situationen

Situationen mit nicht umkehrbaren, also bleibenden Auswirkungen auf das Tragwerk.

• Häufige Situationen

Situationen mit umkehrbaren Auswirkungen auf das Tragwerk.

• Quasi-ständige Situationen Situationen mit Langzeitwirkungen auf das Tragwerk.

2.2.6 Kombinationsregeln in den verschiedenen Bemessungssituationen

Auch in der Geotechnik wird ausdrücklich empfohlen bei der Bildung eines repräsentativen Wertes mehrerer voneinander unabhängigen veränderlicher Einwirkungen zukünftig die Kombinationsregeln der verschiedenen

Bemessungssituationen nach DIN EN 1990 bzw. DIN 1055-100 zu beachten. Sofern nicht die Kombinationswerte Ψ i für den Hochbau nach Tabelle NA. A 1.1 aus DIN EN 1990/NA:2010-12 anzuwenden sind, gelten in der Geotechnik die Werte für sonstige Einwirkungen (Ψ 0 =0,8, Ψ 1 =0,7 und Ψ 2 =0,5).

2.2.6.1 Nachweis der Tragfähigkeit

Mit dem in der Geotechnik im Regelfall geltenden Nachweisverfahren 2 ² werden die Einwirkungen stets als charakteristische Werte G k bzw. Q k in die Schnittgrößenberechnung eingeführt. Erst für die Nachweisführung sind die daraus

¹ VGL. GRÜNEBERG, J. (2004), ABS. 10.3.

² DER EC 7-1 BIETET FÜR DIE GRENZZUSTÄNDE STR UND GEO DREI NACHWEISVERFAHREN AN.

VGL. DIN EN 1997-1:2009-09, ABS. 2.4.7.3.4. UND ANHANG A.

2 Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau 12

resultierenden charakteristischen bzw. repräsentativen Beanspruchungen (Schnittgrößen, Spannungen, Verformungen) mit den Teilsicherheitswerten γ ^F und ggf. mit dem Kombinationsbeiwert Ψ i in Bemessungswerte umzurechnen. Bei linear-elastischer Berechnung (Elastizitätstheorie) ¹ der Schnittgrößen und Gültigkeit des Superpositionsprinzips ² erfolgt die Ermittlung der Bemessungswerte der Gesamtbeanspruchung E d aus folgenden Einwirkungskombinationen der unabhängigen, gleichzeitig auftretenden Einwirkungen: 3

• Grundkombination (BS-P und BS-T): ( ) ∑ ∑ ( ) γ γ γ γ = ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅Ψ ⋅ (2.3) E EG E P EQ EQ

, , , 1 , 1 , 0 , , d G j kj P k Q k Q i i k i

^{≥ >} 1 1 j i

• Kombination für außergewöhnliche Bemessungssituation (BS-A):

∑ = E

dA

^≥ 1 j

• Kombinationen für die Bemessungssituation infolge Erdbeben (BS-E): ( ) ( ) ( ) ( ) ∑ ∑ = + + + Ψ ⋅ (2.5) E E G E P E A E Q

, 2 , , dAE k j k Ed i k i

^{≥ >} 1 1 j i Darin bedeutet:

γ γ γ zugehörige Teilsicherheitsbeiwerte für Einwirkungen , ,

G Q P ψ ψ ψ Kombinationsbeiwerte , ,

^{0 1 2} G k,,j / P k charakteristischer Wert der unabhängigen ständigen Einwirkung/ Vorspannung

Q k,1 / Q k,i charakteristischer Wert der vorherrschenden/ sonstigen unabhängigen veränderlichen Einwirkung

A d / A Ed Bemessungswerte einer außergewöhnlichen Einwirkung/ infolge

¹ ELASTIZITÄTSTHEORIE: THEORIE ZUR ERMITTLUNG VON ZUSTANDSGRÖßEN BEI ANNAHME EINES

LINEAREN MATERIALVERHALTENS. MAN UNTERSCHEIDET JE NACHDEM, OB DIE GLEICHGEWICHTS- ^{BEDINGUNGENAM UNVERFORMTEN} (TH. I. ORDNUNG) ODER UNTER VORAUSSETZUNG EINER

GLEICHBLEIBENDEN LÄNGSKRAFT AM VERFORMTEN (TH. II. ORDNUNG) SYSTEM FORMULIERT WER-

DEN. (VGL. WORMUTH, R.; SCHNEIDER, K-J. (2009); S.280/ 284)

² SUPERPOSITION: ÜBERLAGERUNG VERSCHIEDENER LASTFÄLLE AM GLEICHEN SYSTEM, WOBEI DIE

BERECHNETEN ZUSTANDSGRÖßEN DER EINZELNEN LASTFÄLLE ADDIERT WERDEN. VORAUSSETZUNG

IST DIE LINEARITÄT ZW. LASTEN UND ZUSTANDSGRÖßEN. (VGL. WORMUTH, R.; SCHNEIDER, K-J.

(2009); S.77)

³ VGL. DIN 1054:2010-12, ABS. ZU “2.4.7.3.2“.

2 Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau 13

2.2.6.2 Nachweis der Gebrauchstauglichkeit

Analog zum Nachweis der Tragfähigkeit muss der Bemessungswert der Beanspruchung E d für jeden kritischen Lastfall aus den Kombinationen der unabhängigen, gleichzeitig auftretenden Einwirkungen ermittelt werden: 1

• Seltene Kombination:

= E

d rare ,

• Häufige Kombination:

E

d frequ ,

• Quasi-ständige Kombinationen

E

d perm ,

Bei Nachweisen der Gebrauchstauglichkeit geht es im Wesentlichen um die Einhaltung von Verformungen bzw. Verschiebungen. Für die Verformungen v ist die quasi-ständigen Situation maßgebend und ermittelt sich dementsprechend aus: ⎛ ∑ = v v G

⎜ k j ⎝ ^≥ j 1

wobei die Kombinationsbeiwerte ψ i so zu wählen sind, dass die setzungswirksamen Anteile der Lasten in Abhängigkeit vom Zeitsetzungsverhalten der beteiligten Böden zutreffend und auf der sicheren Seite liegend erfasst werden. 2

¹ VGL. GRÜNEBERG, J. (2004), ABS. 10.

² VGL. DIN 1054:2010-12, ABS. ZU “2.4.8“.

2 Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau 14

2.2.7 Grenzzustände der Tragfähigkeit (ULS) 1

Die Überschreitung der hierdurch betrachteten Zustände führt zu einem rechnerischen Versagen von Teilen des Bauwerks oder des Bauwerkes als Ganzes.

2.2.7.1 Nachweis der Tragfähigkeit

Im Nachweis der Tragfähigkeit wird im Grundsatz der Bemessungswert der Beanspruchung E d dem der Beanspruchbarkeit R d gegenübergestellt und nachgewiesen, dass:

≤ (2.10) E R

d d

Anstelle der in DIN 1054:2005-01 unterschiedenen drei Fälle GZ 1A, GZ 1B und GZ 1C definiert die DIN EN 1997-1 folgende Grenzzustände der Tragfähigkeit:

• Grenzzustand EQU (Verlust der Lagesicherheit) Das statische Gleichgewicht (equilibrium) muss vorwiegend bei der konstruktiven Bemessung des Tragwerks nachgewiesen werden. In der Geotechnik beschränkt sich der Nachweis auf die Sicherheit gegen Umkippen. Für den Nachweis der Lagesicherheit muss die Summe aus dem Bemessungswert der stabilisierenden Beanspruchung E stb;d und Scherwiderständen T d geringer Bedeutung, größer als der Bemessungswert der destabilisierenden Beanspruchung E dst,d sein: 2

≤ + (2.11) E E T

, , dst d stb d d

Der Grenzzustand EQU entspricht damit dem bisherigen Grenzzustand GZ 1A.

• Grenzzustand UPL (Aufschwimmen)

Dieser Grenzzustand beschreibt den Gleichgewichtsverlust des Bauwerkes oder Baugrunds infolge von Auftrieb (uplift) oder Wasserdruck und entspricht ebenfalls dem bisherigen Grenzzustand GZ 1A. Für den Nachweis der Sicherheit gegen Aufschwimmen muss der Bemessungswert aus 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 Auftriebswiderstandes R ^d sein: 3

= + ≤ + (2.12) V G Q G R

, , , , dst d dst d dst d stb d d

¹ „ULTIMATE LIMIT STATE“.

² VGL. DIN EN 1997-1:2009-09, ABS. 2.4.7.2.

³ VGL. DIN EN 1997-1:2009-09, ABS. 2.4.7.4.

2 Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau 15

• Grenzzustand HYD (Hydraulischer Grundbruch) Entsprechend dem bisherigen Grenzzustand GZ 1A muss für den Nachweis der Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch (hydraulic failure) 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 σ stb;d an der Unterseite des Prismas oder des Auftriebsgewichts G` stb;d desselben Prismas sein: 1

σ ≤ (2.13a) u

, , dst d stb d

oder

≤ (2.13b) S G′

. , dst d stb d

• Grenzzustand STR (Tragwerks- und Querschnittsversagen) Dieser Grenzzustand beschreibt das Materialversagen bzw. das innere Versagen oder sehr große Verformungen von Bauwerken und Bauteilen (structure) wobei nachzuweisen ist, dass die Bemessungsbeanspruchungen E ^d jederzeit kleiner sind als die Bemessungswiderstände R d der Baustoffe: 2

≤ (2.14) E R

d d

Der Grenzzustand STR entspricht damit dem bisherigen Grenzzustand GZ 1B und folgt dem Nachweisverfahren 2 ³ wonach, wie in der Geotechnik üblich, die Teilsicherheitsbeiwerte erst auf die Beanspruchungen und die Widerstände des Baugrunds angewendet werden.

• Grenzzustand GEO-2 (Baugrundversagen)

Der Grenzzustand GEO beschreibt das Versagen oder sehr große Verformungen des Baugrunds (geotechnical failure), wobei die Festigkeit des Bodens oder Festgesteins für die Widerstandsseite entscheidend ist. Der Grenzzustand GEO-2 wird im Zusammenhang mit der äußeren Bemessung bzw. dem Nachweis eines ausreichenden Erdwiderstands, dem Nachweis der Sicherheit gegen Gleiten und Grundbruch, dem Nachweis der Tragfähigkeit von Ankern und Pfählen und dem Nachweis der Standsicherheit in der tiefen Gleitfuge betrachtet. ⁴ Die Vorgehensweise entspricht der Nachweisführung des bisherigen Grenzzustand GZ 1B und folgt dem Ablauf des Nachweisverfahren 2, d.h. wie im Grenzzustand STR darf die Bemessungs-

¹ VGL. DINEN 1997-1:2009-09, ABS. 2.4.7.5.

² VGL. DIN EN 1997-1:2009-09, ABS. 2.4.7.3 UND ANHANG A.2 DIESER ARBEIT.

³ VGL. DIN EN 1997-1:2009-09, ABS. 2.4.7.3.4.3.

⁴ VGL. DIN 1054:2010-12, ABS. ZU “2.4.7.3.4.3“.

2 Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau 16

schnittgröße E d höchstens so groß werden wie der Bemessungswider-stand R d .

• Grenzzustand GEO-3 (Verlust der Gesamtstandsicherheit) Der Grenzzustand GEO-3 entspricht im Zusammenhang mit dem Nachweis der Gesamtstandsicherheit, d.h. dem Nachweis der Sicherheit gegen Böschungsbruch und Geländebruch sowie dem Nachweis der Standsicherheit von konstruktiven Böschungssicherungen, dem bisherigen GZ 1C. Die Vorgehensweise der Nachweisführung folgt dem Ablauf des Nachweisverfahren 3 ¹ und nimmt damit in der Geotechnik eine Sonderstellung ein, da hierbei die Teilsicherheitsbeiwerte auf die Einwirkungen oder Beanspruchungen des Tragwerkes und auf die Baugrundkenngrößen angewendet werden. Die geotechnischen Einwirkungen und Widerstände werden demnach mit Bemessungswerten der Scherfestigkeit ermittelt: ′ ′ ϕ ϕ γ ′ ϕ ϕ γ = = für Reibung tan und tan tan tan

ϕ ϕ d k , , u d u k u

′ ′ c γ ′ c γ = = für Kohäsion d und , c c

k c , u d u k cu

Wie in Grenzzustand STR und GEO-2 ist weiterhin maßgebend, dass der Bemessungswert E d der Beanspruchungen höchstens so groß sein darf wie der Bemessungswert R d des Widerstandes.

Abbildung 2.3: Gegenüberstellung der Grenzzustände der Tragfähigkeit 2

¹ VGL. DIN 1054:2010-12, ABS. ZU “2.4.7.3.4.4“ UND ANHANG A.3 DIESER ARBEIT.

² VGL SCHUPPENER, B. (2010), FOLIE 14.

2 Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau 17

2.2.7.2 Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben

Ausführliche Regelungen zur Vorgehensweise in den einzelnen für Baugrubenverbauten zu führenden Tragfähigkeitsnachweise sind in den EAB (2006) festgelegt:

Für den Grenzzustand UPL (Aufschwimmen):

• Nachweis der Sicherheit gegen Aufschwimmen nach EB 62

Für den Grenzzustand HYD (Hydraulischer Grundbruch):

• Nachweis der Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch nach EB 61

Für den Grenzzustand STR (Tragwerks- und Querschnittsversagen):

• Nachweis der Sicherheit gegen Materialversagen bzw. Tragfähigkeit der Einzelteile: Ausfachung von Trägerbohlwänden (EB 47), Bohlträger (EB 48), Spundbohlen (EB 49), Ortbetonwände (EB 50), Gurte (EB 51), Steifen (EB 52), Grabenverbau (EB 53), Hilfsbrücken & Baugrubenabdeckungen (EB 54) und Stahlzugglieder von Zugpfählen und Verpressankern (EB 86)

Für den Grenzzustand GEO-2 (Standsicherheit):

• Nachweis des Erdauflagers bzw. der Einbindetiefe nach EB 80

• Gleichgewicht der Horizontalkräfte bei Trägerbohlwänden nach EB 15 (ergänzend zum Nachweis der Einbindetiefe)

• Nachweis des Einbindetiefenzuschlages bei Spund- und Ortbetonwänden nach EB 26

• Nachweis der Vertikalkomponente des mobilisierten Erdwiderstandes nach EB 9

• Nachweis der Abtragung der Vertikalkomponente in den Untergrund nach EB 84

• Nachweis eines ausreichenden Herausziehwiderstandes bzw. der Kraftübertragung von der Verankerung auf das Erdreich nach EB 43

• Nachweis einer ausreichenden Ankerlänge bzw. Nachweis der Standsicherheit in der tiefen Gleitfuge nach EB 44

Für den Grenzzustand GEO-3 (Gesamtstandsicherheit):

• Nachweis der Geländebruchsicherheit nach EB 45

Sollte das statische System durch den Nachweis der Gebrauchstauglichkeit, insbesondere der Untersuchung der Verformung bzw. Verschiebung der Bau-grubenwand, nachträglich deutlich verändert werden müssen, ist der Nachweis in den Grenzzuständen STR und GEO-2 erneut zu erbringen. 1

¹ VGL. EAB (2006), EB 83 (12).

2 Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau 18

2.2.8 Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (SLS) 1

Der Grenzzustand SLS beschreibt einen Zustand des Tragwerks, bei dessen Überschreitung zu vermuten ist, dass festgelegte Bedingungen, etwa durch nicht hinnehmbare Risse, klemmende Türen oder Beschädigungen an Gebäudeanschlussleitungen, nicht mehr erfüllt sind. ² Bei Baugrubenkonstruktionen schließt der Grenzzustand SLS auch die Gebrauchstauglichkeit benachbarter Bauwerke, Leitungen, Verkehrsflächen und anderer baulicher Anlagen mit ein. 3

2.2.8.1 Nachweis der Gebrauchstauglichkeit

Der Nachweis ist erbracht, wenn der Bemessungswert E d der Beanspruchung (z.B. vorhandene Spannungen, Verformungen oder Verschiebungen) den Bemessungswert C d des Gebrauchstauglichkeitskriteriums (z.B. ertragbare Spannungen, zulässige Verformungen oder Verschiebungen) nicht überschreitet:

≤ (2.15) E C

d d

Die Gebrauchstauglichkeitskriterien sind für jedes Projekt während der Planung neu festzulegen, da sie von einer Vielzahl unterschiedlicher Randbedingungen abhängen. Angaben über die Begrenzung der Spannungen, Rissbreiten oder Verformungen zur Sicherung der Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit sind bspw. den einzelnen bauartspezifischen Bemessungsnormen für Beton, Holz, Mauerwerk, Stahl u.s.w. zu entnehmen. Insbesondere sind aber auch die sich aus den Regelungen des Tiefbaus ergebenden Toleranzen, wie sie bspw. für Setzungen von Versorgungsleitungen oder den Straßen- und Gleisoberbau gelten, zu beachten.

Die maßgebenden Beanspruchungen (Spannungen, Verformungen oder Verschiebungen) sind dabei immer mit charakteristischen Größen zu bestimmen. Das bedeutet, dass, sofern die bei den Nachweisen STR oder GEO-2 zugrunde gelegten Einwirkungen ausreichend genau den Grenzzustand SLS wiedergeben und die Teilsicherheitsbeiwerte auch erst auf Beanspruchungen angesetzt wurden, die bei diesen Nachweisen ermittelten Schnittgrößen übernommen werden können. ⁴ Jedoch ist zu beachten, dass für den Grenzzustand SLS andere Bauzustände maßgebend sein können als für den Nachweis der Standsicherheit. 5

¹ „SERVICEABILITY LIMIT STATE“.

² VGL. DIN EN 1997-1:2009-09, ABS. 2.4.8. (5).

³ VGL. EAB (2006), EB 78 (6).

⁴ VGL. DIN 1054:2010-12, ABS. ZU “2.4.8“, A(2C).

⁵ VGL. WEIßENBACH, A.; GOLLUB, P. (1995). ABS.3. SIEHE AUCH KAPITEL 3.5. DIESER ARBEIT.

2 Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau 19

2.2.8.2 Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben

Sofern bei mindestens mitteldicht gelagerten nicht bindigen Böden und bei mindestens steifen bindigen Böden keine erhöhten Ansprüche an die Gebrauchstauglichkeit gestellt werden und in den Grenzzuständen GEO-2 und GEO-3 und den damit verbundenen Regelungen der EAB (2006) eine ausreichende Sicherheit nachgewiesen werden kann, darf für die Bemessungssituationen BS-P und BS-T auf einen gesonderten Nachweis der Gebrauchstauglichkeit verzichtet werden. ¹ Darüber hinaus können bei Ansatz des erhöhten aktiven Erddrucks oder des Erdruhedrucks durch die Regelungen über Baugruben neben Bauwerken in der EAB (2006) ² , insbesondere der Empfehlungen EB 20, EB 22 und ggf. EB 23 die zu erwartenden Verformungen so stark begrenzt werden, dass Schäden an benachbarten Bauwerken weitgehend vermieden werden. Ein Nachweis der Gebrauchstauglichkeit ist demnach erforderlich bei: 3

• Baugrubenkonstruktionen und einer Nachbarbebauung ² in weichen Böden, 4

• Baugruben neben sehr hohen, schlecht gegründeten oder in schlechtem baulichen Zustand befindlichen Bauwerken,

• Baugruben mit sehr geringem oder ohne Abstand zu einem vorhandenen Gebäude,

• Baugruben neben Bauwerken bei gleichzeitig hohem Grundwasserstand,

• Baugruben neben Bauwerken, die einen besonderes großen Anspruch an die Beibehaltung der Ruhelage stellen (z.B. empfindliche Maschinen),

• bei Baugruben neben empfindlichen Anlagen wie Bahnanlagen, nicht längsschlüssigen Rohrleitungen, Wasser- oder Gasleitungen, gemauerte Abwasserleitungen, und Masten,

• Baugruben mit einer steiler als 35° geneigten Verankerung,

• Baugruben ohne Arbeitsraum, bei denen der Freiraum für das Bauwerk unzulässig eingeengt werden könnte.

¹ VGL. DIN 1054:2010-12, ABS. A 9.8.1.2 (1).

² VGL. EAB (2006), ABS. 9. SIEHE AUCH KAPITEL 3.3.5 DIESER ARBEIT.

³ VGL. EAB (2006), EB 83 (1) & (2).

⁴ HIERBEI IST DER ABS. 12, INSBESONDERE DIE EB 101 DER EAB (2006) ZU BERÜCKSICHTIGEN.

2 Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau 20

2.2.9 Teilsicherheitsbeiwerte

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

Um das Sicherheitsniveau des Globalsicherheitskonzeptes weitgehend zu erhalten, wird mit der endgültigen Einführung des EC 7-1 auch in der neuen DIN 1054 von der Möglichkeit Gebrauch gemacht, die Zahlenwerte der Teilsicherheitsbeiwerte national zu regeln. ¹ Die Größe der Teilsicherheitsbeiwerte für die entsprechenden Grenzzustände orientiert sich dabei an den bisherigen Tabellen der DIN 1054:2005-01, richtet sich in Zukunft aber nicht mehr nach den Lastfällen sondern nach den Bemessungssituationen.

Neu ist auch die Erfassung von Teilsicherheitsbeiwerten für die Scherparameter des Bodens in Verbindung mit den für ein geotechnisches Versagen relevanten Grenzzuständen.

Tabelle 2.2: Teilsicherheitsbeiwerte für geotechnische Kenngrößen 2

¹ DURCH ENTSPRECHENDE ANMERKUNGEN IM EC 7-1 ABS. 2.4.6 UND 2.4.7 GEREGELT.

² NACH. DIN 1054:2012-12, TABELLE A 2.2.

2 Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau 21

Die Teilsicherheitsbeiwerte für den Nachweis im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (SLS) werden sowohl auf Einwirkungs- als auch Widerstandsseite zu 1,0 gesetzt. In der Bemessungssituation BS-E werden nach DIN EN 1990 keine Teilsicherheitsbeiwerte angesetzt. Teilsicherheitsbeiwerte γ M für die Materialfestigkeiten werden durch die entsprechenden Bauartennormen festgelegt.

Tabelle 2.3: Teilsicherheitsbeiwerte für Einwirkungen und Beanspruchungen 1

¹ NACH. DIN 1054:2010-12, TABELLE A 2.1.