Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig
Fachbereich Bauwesen
Studiengang Bauingenieurwesen

Berechnung von Baugrubensicherungen nach den Empfehlungen des Arbeitskreises "Baugruben" (2006)

Michael Riemer

Inhaltsverzeichnis

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

2 Grundlagen für die Bemessung der Baugrubensicherungsmaßnahmen ... 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

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 gestützter Baugrubenwände ... 82
3.3.1 Berechnung mit Elastizitätstheorie und Traglastverfahren unter vereinfachten Berechnungsansätzen 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 t0 durch rechnerunterstützte Handrechnung ... 99
3.6.4 Ermittlung der charakteristischen Einwirkungen unterhalb der BGS mit dem ermittelten t0 ... 100
3.6.5 Ermittlung des charakteristischen Erdwiderstandes mit dem ermittelten t0 ... 100
3.6.6 Ermittlung der Auflagerkräfte und des maximalen Moments ... 101
3.6.7 Bemessung eines Spundwandprofils ... 102
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 t1 ... 115
3.7.4 Ermittlung der wirksamen Wichte infolge Strömung mit dem ermittelten t1 ... 116
3.7.5 Ermittlung von Erddruck und Erdwiderstand mit dem ermittelten t1 ... 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 t1 mit dem Nomogrammverfahren ... 135
3.8.4 Ermittlung der charakteristischen Einwirkungen unterhalb der BGS mit dem ermittelten t1 ... 138
3.8.5 Ermittlung der charakteristischen Erdwiderstände mit dem ermittelten t1 ... 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

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
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 Kph nach dem Gleitschema von Streck: ... 201
C.2: Erdwiderstandsbeiwerte KC 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

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:

• 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.
• 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:

• 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.
• Das Kapitel Vier beschäftigt sich mit der Bemessung von Trägerbohlwänden, die ebenfalls anhand eines komplett durchgerechneten Berechnungsbeispieles erläutert wird.
• Das Kapitel Fünf betrachtet die Bemessung einer Verankerung mittels Verpressanker und festigt die erläuterten Erkenntnisse anhand der Fortsetzung eines der Berechnungsbeispiele.
• 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.² 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 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:

• EN 1990 EC 0 allgemein gültige Grundsätze
• EN 1991 EC 1 Grundlagen der Tragwerksplanung und Einwirkung auf Tragwerke
• EN 1992 EC 2 Planung von Stahlbeton- und Spannbetontragwerken
• EN 1993 EC 3 Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten
• EN 1994 EC 4 Bemessung und Konstruktion von Verbundtragwerken aus Stahl und Beton
• EN 1995 EC 5 Entwurf, Berechnung und Bemessung von Holzbauwerken
• EN 1996 EC 6 Bemessung und Konstruktion von Mauerwerksbauten
• EN 1997 EC 7 Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik
• EN 1998 EC 8 Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben
• 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.

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

• Teil 1 Allgemeine Regeln, in deutscher Fassung in Form der DIN EN 1997- 1: 2005- 10 veröffentlicht,
• Teil 2 Laborversuche zur geotechnischen Bemessung, in deutscher Fassung als Europäische Vornorm in Form der DIN V ENV 1997- 2: 1999- 09 veröffentlicht,
• Teil 3 Felduntersuchungen zur geotechnischen Bemessung, in deutscher Fassung als Europäische Vornorm in Form der DIN V ENV 1997- 3: 1999- 10 veröffentlicht,
• 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:

• DIN EN 1536 Bohrpfähle
• DIN EN 1537 Verpressanker
• DIN EN 1538 Schlitzwände
• DIN EN 12 063 Spundwandkonstruktionen
• DIN EN 12 699 Verdrängungspfähle
• DIN EN 12 715 Injektionen
• DIN EN 12 716 Düsenstrahlverfahren
• DIN EN 12 794 Vorgefertigte Gründungspfähle aus Beton
• 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 Berechnungsteile wiederum in der neuen DIN 1054 eingereiht werden.

[...]

1 vgl. EAB (2006), Vorwort.
2 vgl. Ziegler, M. (2006), Vorwort.