Nachweis der Gebrauchstauglichkeit für Baugrubensicherungen

Grundlagen und Anwendung des Bettungsmodulverfahrens und der FEM-Berechnung (PLAXIS)


Masterarbeit, 2011

171 Seiten, Note: 1,7


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Kurzfassung

Abstract

Aufgabenstellung zur Masterarbeit

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einführung

2 Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau
2.1 Zusammenführung der DIN 1054 und des Eurocodes
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

Anhang A: Ablaufdiagramme für Nachweisverfahren nach EC 7
A.1: Berechnungsverfahren 1 für den Nachweis einer bodengestützten Wand nach EC 7 Abs. 2.4.7.3.4.2
A.2: Berechnungsverfahren 2 für den Nachweis einer bodengestützten Wand nach EC 7 Abs. 2.4.7.3.4.3
A.3: Berechnungsverfahren 3 für den Nachweis einer bodengestützten Wand nach EC 7 Abs. 2.4.7.3.4.4

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 ȝ = 1
B.2: Berechnungsalgorithmus für das Verfahren 2 zur Ermittlung des Ausnutzungsgrades des Erdwiderlagers bei vorgegebener Einbindetiefe t

Anhang C: Bodenkenngrößen für Vorentwürfe
C.1: Mittlere Bodenkennwerte für Vorentwürfe von Flächengründungen
C.2: Mittlere Bodenkennwerte für Vorentwürfe- Rechenwerte (abgeminderte charakteristische Werte)

Anhang D: Weitere Berechnungsverfahren zur Berücksichtigung der Verformungseinflüsse
D.1: Berechnungsformeln für horizontale Wandverschiebungen von rückverankerten Baugruben in nichtbindigen Böden
D.2: Erläuterungen

Anhang E: Ergebnisausgaben für das Berechnungsbeispiel 1

Technisches Regelwerk

Normen

Veröffentlichungen der Arbeitskreise der DGGT

Literaturverzeichnis

Fachzeitschriften

Monografien/ Abhandlungen

Fachbeiträge in Schriftreihen und Tagungsbänden

Fachkapitel in Sammelwerken

Angekündigte Neuerscheinungen

Genutzte Grundbausoftware

Stichwortverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

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

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

Abbildung 2.2: Zukünftige Hierarchie europäischer und deutscher geotechnischer Normen

Abbildung 2.3: Gegenüberstellung der Grenzzustände der Tragfähigkeit

Abbildung 3.1: Beispiele für verschiedene Arten von Elementen und Fugen ...

Abbildung 3.2: Fördern des Bohrgutes

Abbildung 3.3: Arten von Bohrpfahlwänden

Abbildung 3.4: Räumlicher Erdwiderstand und Verschiebungsanteile eines Trägerverbaus

Abbildung 3.5: Aushubgrenze vor Einbau einer Stützung

Abbildung 3.6: Verankerungsarten

Abbildung 3.7: Zusammenhang zwischen Spannungsverhältnis ı1/ı3 und axialer Dehnung İ1

Abbildung 3.8: Verformungsmoduln bei unterschiedlichen Randbedingungen

Abbildung 3.9: Wirklichkeitsnahe Lastfiguren für gestützte Spund- und Ortbetonwände

Abbildung 3.10: Wirklichkeitsnahe Lastfiguren für gestützte Trägerbohlwände

Abbildung 3.11: Lastfiguren für den Erddruck aus lotrechten Nutzlasten bei nicht oder nachgiebig gestützten Wänden

Abbildung 3.12: beispielhafte Verteilung und Überlagerung der Erdruckanteile

Abbildung 3.13: Lastfiguren für den Erdruck aus waagerechten Nutzlasten ... 47

Abbildung 3.14: Lastbildermittlung für Ortbetonwände bei Ansatz des Erdruhedruckes

Abbildung 3.15: Abstand zwischen Baugrubenwand und Bauwerk

Abbildung 3.16: Lastfiguren für Rückbauzustände bei Trägerbohlwänden

Abbildung 3.17: Wirkung des Wassers auf Baugrubenkonstruktionen

Abbildung 3.18: Vereinfachte Verteilung des passiven Erddrucks

Abbildung 3.19: Schematische Darstellung von möglichen Verbaukonstruktionen von Baugrubenwänden in weichen Böden

Abbildung 4.1: Systeme und Belastung zur Ermittlung der Einbindetiefe

Abbildung 4.2: Anwendung des Trägermodells für Nachweise der Gebrauchstauglichkeit mit GGU-Retain V.5

Abbildung 4.3: Ausgangsspannungszustand vor dem einbindenden Teil einer Baugrubenwand nach Besler bei nichtbindigem (a) und bindigem (b) Boden

Abbildung 4.4: Mobilisierungskurven aus dimensionslosen

Erdwiderstandsbeiwert K’ph in Abhängigkeit der dimensionslosen Verschiebung ȟ

Abbildung 4.5: Lastbild für elastische Bettung bei nichtbindigen Boden mit Vorbelastung nach EAB

Abbildung 4.6: Ermittlung des Bettungsmoduls aus der Widerstands- Verschiebungs-Beziehung

Abbildung 4.7: Anwendung des erweiterten Trägermodells mit gebetteten Wandfuß für Nachweise der Gebrauchstauglichkeit mit GGU-Retain V.5

Abbildung 4.8: Stoffverhalten im Triaxialversuch (links) und im Ödometerversuch (rechts) bei Erstbelastung

Abbildung 4.9: Verschiedene Grenzbedingungen bzw. Fließflächen

Abbildung 4.10: Be- und Entlastungszyklen im Triaxialversuch (links) und im Ödometerversuch (rechts)

Abbildung 4.11: Hyperbolischer Spannungs-Verformungs-Ansatz aus dräniertem Triaxialversuch

Abbildung 4.12: Fließfläche im Hauptspannungsraum nach dem HS-Modell für kohäsionslosen Boden

Abbildung 4.13: Anwendung der FEM für Nachweise der Gebrauchstauglichkeit

Abbildung 5.1: schematische Darstellung des Messprogramms Baugrube Potsdamer Platz

Abbildung 6.1: Systemskizze Beispiel1

Abbildung 6.2: Lastgeschichte

Abbildung 6.3: Lastbilder für einfach gestützte frei aufgelagerte Spundwand ..

Abbildung 6.4: Lastbilder für einfach gestützte eingespannte Schlitzwand

Abbildung 6.5: Ergebnisse aus dem klassischen Trägermodellverfahren (Anhang E)

Abbildung 6.6: Mobilisierungsfunktion im K'ph/Kph-ȟ-Diagramm

Abbildung 6.7: Biegelinien nach Korrektur der Wandfußverschiebung (Anhang E)

Abbildung 6.8: Ergebnisse aus dem Bettungsmodulverfahren (Anhang E)

Abbildung 6.9: Empfohlener Berechnungsausschnitt für tiefe Baugruben und eventueller Verankerung

Abbildung 6.10: Ergebnisse aus der Finite-Elemente-Methode (Anhang E) .. 118 Abbildung 6.11: Setzungen an der Geländeoberfläche hinter der Wand im Endzustand EZ (Anhang E)

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

Abbildung 6.13: Vergleich der Verfahren für die frei aufgelagerte Wand (Anhang E)

Abbildung 6.14: Vergleich der Verfahren für die eingespannte Wand (Anhang E)

Tabellenverzeichnis

Tabelle 2.1: Zuordnung Geotechnischer Kategorien

Tabelle 2.2: Teilsicherheitsbeiwerte für geotechnische Kenngrößen

Tabelle 2.3: Teilsicherheitsbeiwerte für Einwirkungen und Beanspruchungen

Tabelle 2.4: Teilsicherheitsbeiwerte für Widerständen

Tabelle 3.1: Vor- und Nachteile eines Spundwandverbaus

Tabelle 3.2: Vor- und Nachteile einer Schlitzwand

Tabelle 3.3: Vor- und Nachteile einer Bohrpfahlwand

Tabelle 3.4: Vor- und Nachteile einer Trägerbohlwand

Tabelle 3.5: Vor- und Nachteile einer Aussteifung

Tabelle 3.6: Vor- und Nachteile einer Verankerung

Tabelle 4.1: Faktor fD zur Berücksichtigung des Einflusses der Lagerungsdichte

Tabelle 4.2: Faktor fį zur Berücks. des Einflusses einer negativen Wandreibung

Tabelle 4.3: Faktor fS zur Berücksichtigung des Einflusses aus Grundwasser

Tabelle 4.4: Faktor fB zur Ermittlung der relativen Wandversch. im Grundfall .. 62

Tabelle 4.5: Faktoren f1C und f2C zur Beschreibung der Verschiebungsgrößen für steife bis halbfeste bindige Böden entsprechend großmaßstäblicher Modellversuche von Wittlinger

Tabelle 4.6: Zusammenfassung der Stoffgesetze für Böden in PLAXIS V.8

Tabelle 6.1: Bodenkennwerte Beispiel 1

Tabelle 6.2: Erddruckneigungswinkel Beispiel 1

Tabelle 6.3: Querschnittswerte der untersuchten Verbauwände Beispiel 1

Tabelle 6.4: Materialkennwerte der Steifen Beispiel 1

Tabelle 6.5: Zusammenstellung der ständigen Einwirkungen, frei aufgel. SPW

Tabelle 6.6: Zusammenstellung der ständigen Einwirkungen eingespannte SLW

Tabelle 6.7: Zusammenstellung des Erdwiderstandes nach Lackner im Auflagerbereich für die eingespannte Schlitzwand (SLW)

Tabelle 6.8: Vergleich der Einbindetiefe nach Blum mit der iterativen Lösung

Tabelle 6.9: Bestimmung des Bettungsmoduls aus dem Steifenmodul (Anhang E)

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Kurzfassung

Beengte Verhältnisse in Städten, tiefe Nutzung von Grundstücken und immer größere Dimensionierung von Bauwerken machen den Einsatz von Baugruben- verbauten notwendig. Im Hinblick auf die Standsicherheit und Gebrauchstaug- lichkeit der Baugruben und aller benachbarten Bauwerke während aller Bauzustände haben Verformungsprognosen damit eine große Bedeutung er- langt.

Für Verformungsberechnungen im Sinne des Nachweises der Gebraustauglich- keit 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 ausführli- chen Handrechnungen sowie den Grundbauprogrammen GGU-Retain V.5 und PLAXIS V.8 vorgestellt.

Abstract

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 re- sults 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 in- troduced.

Aufgabenstellung zur Masterarbeit

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

Thema: Nachweis der Gebrauchstauglichkeit für Baugrubensicherungen

Einleitung

Wenn bei Baugruben in besonderen Fällen die Gefahr besteht, dass Verformungen und Verschiebungen einer Baugrubenwand auftreten, welche die Standsicherheit oder Gebrauchsfähigkeit von benachbarten Bauwerken oder Anlagen beeinträchtigen, ist der Nachweis der Gebrauchstauglichkeit nach den geltenden Regelwerken zu führen (EAB, EB 83).

Beim Nachweis sind dabei zwei Fälle zu unterscheiden:

- Wenn zwar die Verformungen der Wand genauer erfasst werden sollen, die Auswirkungen auf die Umgebung dagegen eher untergeordnet sind, kann die Genauigkeit der Verformungsprognose durch den Ansatz der Bettungs- reaktion am Bodenauflager verbessert werden.
- Wenn neben der Verformungen der Wand auch die des umgebenden Bo- dens mit erfasst werden sollen, ist eine numerische Berechnung mit der Me- thode der Finiten-Elemente unter Berücksichtigung des Ausgangs- spannungszustandes erforderlich.

Aufgabenstellung

Herr Michael Riemer erhält die Aufgabe, die für die Verformungsberechnungen von Verbauwänden wesentlichen Grundlagen und Berechnungsansätze zu erfassen und in einer systematischen und zusammenfassenden Form darzu- stellen.

Zunächst soll der Bezug zu den aktuellen Normenwerken und Empfehlungen, insbesondere dem Eurocode 7, der DIN 1054, den Empfehlungen des Arbeits- kreises „Baugruben“ EAB und den Empfehlungen des Arbeitskreises „Numerik in der Geotechnik“ erfolgen und die daraus abzuleitenden Regeln für die Einhal- tung und den Nachweis der Gebrauchstauglichkeit dargelegt werden.

Die Kernaufgabe soll darin bestehen die aktuellen und wichtigsten Erkenntnisse über die für den Gebrauchstauglichkeitsnachweis geeigneten Methoden zur Verformungsberechnung für Baugrubenverbauwände - speziell das Bettungs- modulverfahren und der Finite-Elemente-Methode - und die dafür wesentlichen Grundlagen in einer systematischen Form darzustellen und zu erläutern.

Durch eine praxisorientierte Anwendung der erarbeiteten Grundlagen sollen vergleichende Verformungsanalysen zunächst für das statische System einer einfach gestützten Baugrubenwand in einem geschichteten Baugrund mit den verfügbaren Berechnungsverfahren durchgeführt werden. Dabei soll der Ein- fluss des Vorbauzustandes berücksichtigt und der Einfluss der Baugrundpara- meter verdeutlicht werden. Für die numerischen Berechnungen stehen Herrn Riemer das Programm GGU-RETAIN und das FEM-Programm PLAXIS zur Verfügung.

Es sollen die Praktikabilität der verwendeten Verfahren bewertet und die Anwendungsgrenzen aufgezeigt werden.

Durchführung der Masterarbeit

Die Umsetzung der Aufgabe und die weitere Konkretisierung innerhalb des Aufgabenrahmens soll in regelmäßiger Absprache mit dem Betreuer erfolgen.

Die Masterarbeit soll neben einem ausführlichen Quellenverzeichnis eine Zusammenstellung der relevanten Technischen Regelwerke enthalten.

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

Ausgabe der Aufgabenstellung: 19. Oktober 2010

Abgabe der Masterarbeit: 28. Februar 2011

1 Einführung

Bei der Errichtung eines Bauwerks steht der Ingenieur stets im Spannungsfeld verschiedener gegeneinander konkurrierender Interessen und Ziele wie Wirt- schaftlichkeit, Terminhaltung, Ästetik und angemessenem Unterhaltsaufwand des Bauwerkes, Beachtung der Umwelt und Wahrung der eigenen Konkurrenz- fähigkeit.1 Die Hauptaufgabe des entwerfenden Ingenieurs liegt dabei jedoch darin, ein Bauwerk so zu konzipieren, dass es während der vorgesehenen Nut- zungsdauer 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 Nut- zung des Tragwerkes, zu Schäden an angrenzenden Bauteilen oder einem nachteiligen Erscheinungsbild führen,
- Schwingungen, die zu Schäden oder Beeinträchtigungen der Funktionsfä- higkeit 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 zeitabhän- gigen 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- 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 in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.1: Tetraeder von Computer, Theorie, Experiment und Simulation1

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 anhand 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.

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 Einschrän- kungen bei den verwendeten Rechenmodell Sicherheit nur ein relatives Maß bleibt und nie absolut sein kann. Um diese Sicherheit dennoch möglichst objek- tiv 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 unter- schiedlichen 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 Eu- rocode, 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 20051 und in Teil 2 als DIN EN 1997-2 „Erkundung und Untersuchung des Baugrundes“ seit September 20072 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 überarbeite- te 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 vollständig 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. An- merkungen, Erklärungen oder Ergänzungen zum Eurocode EC 7-1 sind nicht zulässig.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Zeitplan für die Einführung des Eurocodes 7-12

Die als Anwendungsregel zum Eurocode EC 7-1 neu erarbeitete Ergänzungsregel DIN 10543 unterscheidet sich von der bisher geltenden und bauaufsichtlich eingeführten Übergangsfassung4 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 Berechnungsnormen, einschlägige Empfehlungen aus Arbeitskreisen und Herstellungsnormen 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

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2: Zukünftige Hierarchie europäischer und deutscher geotechni- scher Normen1

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.

2.2 Teilsicherheitskonzept

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

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

eingehalten wurde, also das Verhältnis zwischen den charakteristischen Einwirkungen Fk und den charakteristischen Widerständen Rk 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 Widerstandsund Einwirkungsseite aufgeteilt. Eine ausreichende Sicherheit ist im Allgemeinen gegeben, wenn die Summe der Bemessungswiderstände Rd größer als die Summe der Bemessungseinwirkungen Fd ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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

2.2.1 Geotechnische Kategorien

Die Baugrundeigenschaften einer Bodenschicht werden durch charakteristische Bodenkenngrößen beschrieben. Sie werden durch geotechnische Untersu- chungen und damit verbundene Berechnungen und Überwachungsmaßnah- men, die in Anlehnung an den Eurocode EC 7-21 bzw. die DIN 40202 durchgeführt werden, festgelegt. Deren Mindestanforderungen richtet sich wie- derum nach der Geotechnischen Kategorie, die entsprechend dem Schwierig- keitsgrad bzw. dem Sicherheitsbedürfnis der Baumaßnahme, den Baugrundverhältnissen und Wechselwirkungen zwischen Bauwerk und Umge- bung bestimmt wird. Hierzu werden drei geotechnische Kategorien gebildet:

Tabelle 2.1: Zuordnung Geotechnischer Kategorien3

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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

2.2.2 Charakteristische Werte und Bemessungswerte

Als charakteristischer Wert wird der Wert einer Einwirkung Fk oder eines Wider- standes Rk bezeichnet von dem angenommen wird, dass er mit einer vorgege- benen 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 Gk durch ihre Mittelwerte und für veränderliche Einwirkungen Qk 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 charakte- ristische Werte festzulegen und in den Berechnungen jeweils die ungünstigsten Kombinationen auszuwählen.

Durch multiplizieren des charakteristischen bzw. repräsentativen Wertes einer Einwirkung Fk bzw. Frep oder einer Beanspruchung Ek mit Teilsicherheitsbeiwer- ten [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] bzw. dividieren der charakteristischen Widerstände Rk durch Teilsi- cherheitsbeiwerte [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] 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 mög- lich 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 re- sultierenden 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

2.2.3 Einwirkungen, Beanspruchungen

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

Nach Eurocode 02 sind die Anteile aus ständigen (Index „G“) und veränderli- chen (Index „Q“) Einwirkungen getrennt zu behandeln. Zu den ständigen Ein- wirkungen zählen bei Baugrubenkonstruktionen neben den Eigenlasten in der Regel die grundbauspezifischen Einwirkungen Erd- und Wasserdruck. Als ver- änderliche Einwirkungen genügt es regelmäßig auftretende Nutzlasten zu be- rücksichtigen.

2.2.4 Widerstände

Widerstände resultieren aus der Festigkeit bzw. der Steifigkeit der beanspruch- ten Baustoffe oder des Baugrundes und können in Form von Scherfestigkeiten, Steifigkeiten, Sohl-, Erd-, Eindring-, Herauszieh- und Seitenwiderständen auf- treten.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 Ȍi ” 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 DIN 1054:2005-011 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 (Ausnah- mefall) 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 10544 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 vor ü bergehende Situationen (transient situations)

Diese Bemessungssituation wird Bauzuständen zugeordnet, wie sie bei der Herstellung oder Reparatur eines Bauwerkes auftreten. Sie bezieht sich wei- terhin auf Baumaßnahmen vorübergehenden Zweckes wie bspw. Baugru- benkonstruktionen 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 2/35 die Bemessungssituation BS-T mit abgeminderten Teilsicherheitsbeiwerten unter Bezeichnung BS-T/A eingeführt werden.6

- BS-A au ß ergew ö hnliche Situation (accidential situations)

Treten neben den ständigen und veränderlichen Einwirkungen der BS-P und BS-T noch Einwirkungen außergewöhnlicher Situationen wie z.B. Feuer, ex- tremes Hochwasser, Anprall etc. auf, liegt die Bemessungssituation BS-A vor. Sie besteht auch wenn gleichzeitig mehrere voneinander unabhängige 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 Auftre- tenswahrscheinlichkeit dabei folgende Bemessungssituationen bzw. Lastkom- binationen: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 re- präsentativen Wertes mehrerer voneinander unabhängigen veränderlicher Ein- wirkungen zukünftig die Kombinationsregeln der verschiedenen Bemessungssituationen nach DIN EN 1990 bzw. DIN 1055-100 zu beachten. Sofern nicht die Kombinationswerte Ȍi 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 (Ȍ0=0,8, Ȍ1=0,7 und Ȍ2=0,5).

2.2.6.1 Nachweis der Tragfähigkeit

Mit dem in der Geotechnik im Regelfall geltenden Nachweisverfahren 22 werden die Einwirkungen stets als charakteristische Werte Gk bzw. Qk in die Schnitt- größenberechnung eingeführt. Erst für die Nachweisführung sind die daraus resultierenden charakteristischen bzw. repräsentativen Beanspruchungen (Schnittgrößen, Spannungen, Verformungen) mit den Teilsicherheitswerten ȖF und ggf. mit dem Kombinationsbeiwert Ȍi in Bemessungswerte umzurechnen. Bei linear-elastischer Berechnung (Elastizitätstheorie)1 der Schnittgrößen und Gültigkeit des Superpositionsprinzips2 erfolgt die Ermittlung der Bemessungswerte der Gesamtbeanspruchung Ed aus folgenden Einwirkungskombinationen der unabhängigen, gleichzeitig auftretenden Einwirkungen:3

- Grundkombination (BS-P und BS-T):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

- Kombination f ü r au ß ergew ö hnliche Bemessungssituation (BS-A): (2.4)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

- Kombinationen f ü r die Bemessungssituation infolge Erdbeben (BS-E):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Darin bedeutet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.2.6.2 Nachweis der Gebrauchstauglichkeit

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

- Seltene Kombination:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

- Häufige Kombination:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

- Quasi-ständige Kombinationen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

wobei die Kombinationsbeiwerte ȥi so zu wählen sind, dass die setzungswirk- samen Anteile der Lasten in Abhängigkeit vom Zeitsetzungsverhalten der betei- ligten Böden zutreffend und auf der sicheren Seite liegend erfasst werden.2

2.2.7 Grenzzustände der Tragfähigkeit (ULS)1

Die Überschreitung der hierdurch betrachteten Zustände führt zu einem rechne- rischen 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 Ed dem der Beanspruchbarkeit Rd gegenübergestellt und nachgewiesen, dass:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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 Estb;d und Scherwiderständen Td geringer Bedeutung, größer als der Bemessungswert der destabilisierenden Beanspruchung Edst,d sein:2

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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 Bemes- sungswert aus destabilisierenden ständigen und veränderlichen vertikalen Einwirkungen Vdst;d kleiner oder gleich der Summe des Bemessungswertes der stabilisierenden ständigen vertikalen Einwirkungen Gstb;d und des Be- messungswertes eines eventuellen zusätzlichen Auftriebswiderstandes Rd sein:3

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

- 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 destabilisieren- den totalen Porenwasserdrucks udst;d an der Unterseite des Prismas oder die Strömungskraft Sdst;d im Prisma kleiner oder gleich den Bemessungswert der stabilisierenden totalen Vertikalspannung ıstb;d an der Unterseite des Pris- mas oder des Auftriebsgewichts G`stb;d desselben Prismas sein:1

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

- Grenzzustand STR (Tragwerks- und Querschnittsversagen)

Dieser Grenzzustand beschreibt das Materialversagen bzw. das innere Ver- sagen oder sehr große Verformungen von Bauwerken und Bauteilen (struc- ture) wobei nachzuweisen ist, dass die Bemessungsbeanspruchungen Ed jederzeit kleiner sind als die Bemessungswiderstände Rd der Baustoffe:2

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Grenzzustand STR entspricht damit dem bisherigen Grenzzustand GZ 1B und folgt dem Nachweisverfahren 23 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 Verfor- mungen des Baugrunds (geotechnical failure), wobei die Festigkeit des Bo- dens 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 Tragfä- higkeit von Ankern und Pfählen und dem Nachweis der Standsicherheit in der tiefen Gleitfuge betrachtet.4 Die Vorgehensweise entspricht der Nach- weisführung des bisherigen Grenzzustand GZ 1B und folgt dem Ablauf des Nachweisverfahren 2, d.h. wie im Grenzzustand STR darf die Bemessungs- schnittgröße Ed höchstens so groß werden wie der Bemessungswider- stand Rd.

- 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 Bö- schungsbruch und Geländebruch sowie dem Nachweis der Standsicherheit von konstruktiven Böschungssicherungen, dem bisherigen GZ 1C. Die Vor- gehensweise der Nachweisführung folgt dem Ablauf des Nachweisverfah- ren 31 und nimmt damit in der Geotechnik eine Sonderstellung ein, da hierbei die Teilsicherheitsbeiwerte auf die Einwirkungen oder Beanspru- chungen des Tragwerkes und auf die Baugrundkenngrößen angewendet werden. Die geotechnischen Einwirkungen und Widerstände werden dem- nach mit Bemessungswerten der Scherfestigkeit ermittelt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3: Gegenüberstellung der Grenzzustände der Tragfähigkeit2

2.2.7.2 Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben

Ausführliche Regelungen zur Vorgehensweise in den einzelnen für Baugruben- verbauten zu führenden Tragfähigkeitsnachweise sind in den EAB (2006) fest- gelegt:

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), Stei- fen (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 (er- gänzend 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 Kraftüber- tragung von der Verankerung auf das Erdreich nach EB 43
- Nachweis einer ausreichenden Ankerlänge bzw. Nachweis der Standsicher- heit 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 Baugrubenwand, nachträglich deutlich verändert werden müssen, ist der Nachweis in den Grenzzuständen STR und GEO-2 erneut zu erbringen.1

2.2.8 Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (SLS)

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 Gebäu- deanschlussleitungen, nicht mehr erfüllt sind.12 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 Ed der Beanspruchung (z.B. vorhandene Spannungen, Verformungen oder Verschiebungen) den Be- messungswert Cd des Gebrauchstauglichkeitskriteriums (z.B. ertragbare Span- nungen, zulässige Verformungen oder Verschiebungen) nicht überschreitet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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 Ver- schiebungen) 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 wiederge- ben 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 an- dere Bauzustände maßgebend sein können als für den Nachweis der Standsi- cherheit.5

2.2.8.2 Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben

Sofern bei mindestens mitteldicht gelagerten nicht bindigen Böden und bei min- destens steifen bindigen Böden keine erhöhten Ansprüche an die Gebrauchs- tauglichkeit 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 ne- ben Bauwerken in der EAB (2006)2, insbesondere der Empfehlungen EB 20, EB 22 und ggf. EB 23 die zu erwartenden Verformungen so stark begrenzt wer- den, dass Schäden an benachbarten Bauwerken weitgehend vermieden wer- den. Ein Nachweis der Gebrauchstauglichkeit ist demnach erforderlich bei:3

- Baugrubenkonstruktionen und einer Nachbarbebauung2 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 längs- schlüssigen Rohrleitungen, Wasser- oder Gasleitungen, gemauerte Abwas- serleitungen, und Masten,
- Baugruben mit einer steiler als 35° geneigten Verankerung,
- Baugruben ohne Arbeitsraum, bei denen der Freiraum für das Bauwerk un- zulässig eingeengt werden könnte.

2.2.9 Teilsicherheitsbeiwerte

Die für die Nachweisführung nach dem Teilsicherheitskonzept benötigten Be- messungswerte der Einwirkungen, Beanspruchungen und Widerstände erge- ben sich durch Multiplikation bzw. Division ihrer charakteristischen oder repräsentativen Werte mit den entsprechenden Teilsicherheitsbeiwerten [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten].

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 Kenngrößen2

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Teilsicherheitsbeiwerte für den Nachweis im Grenzzustand der Gebrauchs- tauglichkeit (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 ȖM für die Mate- rialfestigkeiten werden durch die entsprechenden Bauartennormen festgelegt.

Tabelle 2.3: Teilsicherheitsbeiwerte für Einwirkungen und Beanspruchungen1

Tabelle 2.4: Teilsicherheitsbeiwerte für Widerständen1

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

[...]


1 VGL. SCHMIDT, H.- H. (2006), S.229.

2 VGL. HOLSCHEMACHER, K. (2009).

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

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

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

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.

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

2 SIEHE HIERZU IN: LITERATURVERZEICHNIS- ANGEKÜNDIGTE NEUERSCHEINUNGEN.

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

1 VGL. ZIEGLER, M. (2008), ABS.2.2.

2 VGL. EAB (2006), EB 11 (7).

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).

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.

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.

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).

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.

1 ELASTIZITÄTSTHEORIE: THEORIE ZUR ERMITTLUNG VON ZUSTANDSGRÖßEN BEI ANNAHME EINES LINEAREN MATERIALVERHALTENS. MAN UNTERSCHEIDET JE NACHDEM, OB DIE GLEICHGEWICHTS- BEDINGUNGEN AM 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“.

1 VGL. GRÜNEBERG, J. (2004), ABS. 10.

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

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.

1 VGL. DIN EN 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“.

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.

1 VGL. EAB (2006), EB 83 (12).

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.

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.

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.

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

1 NACH. DIN 1054:2010-12, TABELLE A 2.3.

Ende der Leseprobe aus 171 Seiten

Details

Titel
Nachweis der Gebrauchstauglichkeit für Baugrubensicherungen
Untertitel
Grundlagen und Anwendung des Bettungsmodulverfahrens und der FEM-Berechnung (PLAXIS)
Hochschule
Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig
Note
1,7
Autor
Jahr
2011
Seiten
171
Katalognummer
V170213
ISBN (eBook)
9783640888801
ISBN (Buch)
9783640888818
Dateigröße
13751 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Gebrauchstauglichkeitsnachweis, Baugrube, Baugrubensicherungen, Gebrauchstauglichkeit, Plaxis, GGU Retain, Bettungsmodulverfahren, Verformungsprognose, Eurocode 7, DIN 1054, Finite-Elemente-Methode, EAB, Geotechnik
Arbeit zitieren
Diplom Ingenieur (FH) Michael Riemer (Autor), 2011, Nachweis der Gebrauchstauglichkeit für Baugrubensicherungen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/170213

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