Der Nachweis der Erdbebensicherheit ist in Deutschland für Talsperren ebenso wie für konventionelle Bauwerke erforderlich, sofern sich diese innerhalb einer Erdbebengefährdungszone befinden. Bei sogenannten hohen Erddämmen, die eine Dammhöhe h ≥ 40 m aufweisen, ist der Nachweis der Erdbebensicherheit im Allgemeinen auf der Grundlage von dynamischen Berechnungsverfahren durchzuführen. Diese Arbeit untersucht numerische Methoden, auf deren Grundlage das dynamische Verhalten von hohen Talsperren (Erddämmen), beim Nachweis der Erdbebensicherheit, simuliert werden kann. Im Zuge dessen werden zunächst die Anforderungen an den Nachweis der Erdbebensicherheit sowie die möglichen dynamischen Berechnungsverfahren beschrieben. Ebenso werden die bei der Modellbildung anzusetzen- den Randbedingungen erläutert. Diese Arbeit basiert auf Parameterstudien, die unter Anwendung des Zeitschrittverfahrens durchgeführt werden. Anhand dieser wird untersucht, wie das dynamische Verhalten eines Erddammes bei einer Erdbebensimulation, mit den derzeitigen Möglichkeiten numerischer Berechnungsmethoden sowie durch die Beschreibung des Materialverhaltens, möglichst wirklichkeitsnah abgebildet werden kann. Auf der Grundlage der durch die Parameterstudien gewonnenen Erkenntnisse wird ein Vorschlag entwickelt, wie beim Nachweis der Erdbebensicherheit an hohen Erddämmen vorgegangen werden kann. Bei dieser Vorgehensweise werden sowohl numerische als auch bodenmechanische Berechnungsmethoden eingesetzt. Die beschriebene Vorgehensweise beim Nachweis der Erdbebensicherheit wird anhand eines Beispiels verdeutlicht.
Inhaltsverzeichnis
1 Grundlagen der Bodendynamik
1.1 Einführung Bodendynamik
1.2 Grundlagen der Dynamik - Schwingungen
1.2.1 Begriffe und Bewegungsdifferenzialgleichung
1.2.2 Einmassenschwinger
1.2.3 Mehrmassenschwinger
1.2.4 Nicht-lineare Massenschwinger
1.3 Wellenausbreitung
1.3.1 Wellentypen
1.3.2 Wellenausbreitung im elastischen Raum
1.3.3 Wellenausbreitung im elastischen Halbraum
1.3.4 Wellenausbreitungsgeschwindigkeiten
1.3.5 Dämpfung der Wellenenergie
1.3.6 Energieanteil der Wellentypen
2 Materialverhalten von Böden bei dynamischen Einwirkungen
2.1 Einführung
2.2 Beschreibung des dynamischen Materialverhaltens - Stoffmodelle
2.2.1 Linear-äquivalente Stoffmodelle
2.2.2 Anwendung elastoplastischer Stoffmodelle in der Bodendynamik
2.2.3 Prinzipieller Aufbau elastoplastischer Stoffmodelle
2.2.4 Berücksichtigung kleiner Scherdehnungen
2.3 Dynamische Einflussgrößen
2.3.1 Bodenphysikalische Eigenschaften
2.3.2 Ansatz dynamischer Bodenkennwerte in numerischen Berechnungen
2.4 Bodenverflüssigung
2.4.1 Das Phänomen der Bodenverflüssigung
2.4.2 Abschätzung des Verflüssigungspotenzials
3 Erdbeben
3.1 Einführung
3.2 Erdbebeneinwirkung
3.2.1 Entstehung von Erdbeben
3.2.2 Erdbebenstärke
3.3 Einfluss lokaler Standortbedingungen - Baugrundschichtung
3.3.1 Ausbreitung von Erdbebenwellen im geschichteten Untergrund
3.3.2 Verstärkungseffekte von Erdbebeneinwirkungen im geschichteten Untergrund
3.4 Auswirkungen von Erdbeben auf Stauanlagen - Erddämme
4 Erdbebenbeanspruchung von hohen Erddämmen (Stand der Technik)
4.1 Einführung
4.2 Nachweis der Erdbebensicherheit bei hohen Erddämmen
4.2.1 Nachweise und Sicherheitskonzept nach DIN 19700
4.2.2 Umfang erforderlicher Nachweise im Lastfall Erdbeben
4.3 Ermittlung der Erdbebeneinwirkung
4.3.1 Klassifizierung der Untergrundverhältnisse
4.3.2 Ermittlung der Bodenbeschleunigung nach DIN EN 1998-1
4.3.3 Ermittlung der Bodenbeschleunigung für die Wiederkehrperioden gemäß den Anforderungen der DIN 19700
4.4 Dynamische Berechnungsverfahren bei hohen Erddämmen unter Erdbebenbelastung
4.4.1 Antwortspektrenverfahren
4.4.2 Zeitschrittverfahren
4.4.3 Böschungsstabilität
4.4.4 Prinzipielle Vorgehensweise beim Nachweis der Erdbebensicherheit an hohen Erddämmen
4.5 Modellbildung bei dynamischen Berechnungsverfahren
4.5.1 Antwortspektrenverfahren
4.5.2 Zeitschrittverfahren
4.6 Spannungszustände von Erddämmen unter Erdbebeneinwirkung
4.6.1 Dynamischer Spannungszustand
4.6.2 Einflüsse auf dynamische Spannungszustände
4.7 Schwingverhalten von hohen Erddämmen
4.7.1 Verwendung von Eigenfrequenzen
4.7.2 Ermittlung von Eigenfrequenzen von Erddämmen
4.7.3 Bandbreite der Eigenfrequenzen hoher Erddämme (h ≥ 40 m)
4.7.4 Eigenformen von Erddämmen
4.8 Zusammenfassung zum Stand der Technik zur Erdbebenbeanspruchung von hohen Erddämmen
4.8.1 Nachweis der Erdbebensicherheit bei hohen Erddämmen
4.8.2 Ermittlung der Erdbebeneinwirkung
4.8.3 Dynamische Berechnungsverfahren bei hohen Erddämmen unter Erdbebenbelastung
4.8.4 Modellbildung bei dynamischen Berechnungsverfahren
4.8.5 Spannungszustände von Erddämmen unter Erdbebeneinwirkung
4.8.6 Schwingverhalten von hohen Erddämmen
5 Parameterstudien
5.1 Untersuchungsprogramm
5.2 Grundlagen der Parameterstudien
5.2.1 Dammgeometrie und Untergrundverhältnisse
5.2.2 Berechnungsprogramm und Randbedingungen
5.2.3 Erdbebenbeanspruchung und -zeitverläufe
5.3 Parameterstudie - Modellbildung
5.3.1 Einführung
5.3.2 Mächtigkeit des Untergrundes
5.3.3 Modellbreite
5.3.4 Ansatz des spezifischen Eigengewichts im Untergrund
5.3.5 Überprüfung der erforderlichen Modellbreite
5.3.6 Zusammenfassung der Ergebnisse der Parameterstudie zur Modellbildung
5.4 Parameterstudie - Netzdiskretisierung
5.4.1 Einführung
5.4.2 Einfluss des Detaillierungsgrades
5.4.3 Einfluss der Netzfeinheit
5.4.4 Zusammenfassung der Ergebnisse der Parameterstudie Netzdiskretisierung
5.5 Parameterstudien zu weiteren Ansätzen bei der Modellbildung
5.5.1 Einführung
5.5.2 Ansatz der Materialdämpfung
5.5.3 Ansatz einer Wassermasse
5.5.4 Zusammenfassung der Ergebnisse der Parameterstudie zu weiteren Ansätzen bei der Modellbildung
5.6 Parameterstudie elastoplastische Stoffmodelle bei dynamischer Beanspruchung
5.6.1 Einführung
5.6.2 Ansatz elastoplastischer Stoffmodelle
5.6.3 Empfehlung zum Ansatz elastoplastischer Stoffmodelle bei dynamischen Berechnungen
5.7 Alternativer Ansatz der Erdbebenbeanspruchung
5.7.1 Einführung
5.7.2 Vorschlag eines alternativen Ansatzes der Erdbebenbeanspruchung
5.7.3 Empfehlung zur Anregung des Berechnungsmodells
5.8 Wahl des Berechnungsmodells
5.8.1 Einführung
5.8.2 Berechnungsausschnitt und Randbedingungen
5.8.3 Berechnungsnetz
5.8.4 Materialdämpfung
5.8.5 Ansatz des Wasserstandes und Strömungskräfte
5.8.6 Materialverhalten und Erdbebenverläufe
5.9 Untersuchungen des dynamischen Verhaltens von hohen Erddämmen
5.9.1 Untersuchungen
5.9.2 Verteilung der Antwortbeschleunigungen im Dammkörper
5.9.3 Verformungen
5.9.4 Spannungszustände
6 Nachweis der Erdbebensicherheit
6.1 Einführung
6.2 Vorschlag zur Vorgehensweise beim Nachweis der Erdbebensicherheit
6.2.1 Grundlagenermittlung
6.2.2 Modellbildung
6.2.3 Erdbebensimulation
6.2.4 Nachweis der Standsicherheit
6.2.5 Nachweis der Gebrauchstauglichkeit
6.2.6 Nachweis der Betriebssicherheit
6.2.7 Nachweis der Erdbebensicherheit
6.3 Beispiel einer Erdbebensimulation an einem hohen Erddamm
6.3.1 Berechnungsgrundlagen
6.3.2 Berechnungsannahmen
6.3.3 Ergebnisse der numerischen Berechnung
6.3.4 Nachweis der Erdbebensicherheit
6.3.5 Nachweis der Gebrauchstauglichkeit
6.3.6 Nachweis der Betriebssicherheit
7 Zusammenfassung
8 Glossar
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit befasst sich mit der methodischen Untersuchung der Erdbebensicherheit hoher Erddämme (Dammhöhe ≥ 40 m) mittels numerischer Simulationsverfahren. Ziel ist die Entwicklung eines praxisgerechten Nachweisverfahrens, das physikalisch fundiert ist und bestehende Regelwerke wie die DIN 19700 sinnvoll ergänzt, indem es sowohl bodenmechanische Parameter als auch dynamische Modellbildungskriterien integriert.
- Grundlagen der Bodendynamik und Schwingungslehre bei Erddämmen
- Numerische Modellierung des dynamischen Materialverhaltens mittels Stoffmodellen
- Einfluss von Standortbedingungen und Untergrundschichtungen auf Erdbebenwirkungen
- Parametrische Untersuchungen zur Netzdiskretisierung, Modellbreite und Materialdämpfung
- Vorschlag eines optimierten Verfahrens zum Nachweis der Erdbebensicherheit
Auszug aus dem Buch
1.1 Einführung Bodendynamik
In der Bodendynamik werden zeitabhängige Belastungen und die sich daraus ergebenden Reaktionen des Bodens berücksichtigt. Aufgrund dieser zeitabhängigen Belastungen des Bodens ergeben sich für unterschiedliche Zeitpunkte unterschiedliche Verschiebungen. Da ein physikalischer Zusammenhang zwischen der Verschiebung, der Geschwindigkeit sowie der Beschleunigung einer Masse besteht, ist bei Analysen der Dynamik, somit auch in der Bodendynamik, eine Berücksichtigung von Trägheitskräften erforderlich (vgl. [48]). Ebenso führen dynamische Einwirkungen zu wirksamen und neutralen Spannungszuständen im Boden.
Als eine der wesentlichen Beanspruchungen, mit denen sich die Bodendynamik befasst, sind Erschütterungen, die sich in Form von Wellen im Medium Boden ausbreiten, zu benennen. Neben lastinduzierten Ereignissen, die beispielsweise aus dem Verkehr oder aus Bauvorgängen stammen, sind in diesem Zusammenhang auch die Einflüsse aus Erdbebenereignissen zu berücksichtigen (vgl. [48]). Ebenso werden zyklische Belastungen, beispielsweise von Gründungsbauteilen, behandelt. Diese stellen in der Regel eine komplexe Problemstellung dar. Ferner kann es infolge von zyklischen Belastungen wasserführender Böden zu Porenwasserüberdrücken kommen. Ein bekanntes Phänomen, welches als Resultat auf induzierte Porenwasserüberdrücke auftreten kann, stellt die Bodenverflüssigung dar.
Im Allgemeinen ergeben sich die wesentlichen Herausforderungen der Problemstellungen in der Bodendynamik bei der Modellierung von Belastungsverläufen sowie der Abbildung der Materialeigenschaften (vgl. [48]). Um das dynamische Verhalten des Bodens abzubilden bzw. mathematisch zu beschreiben, ist es erforderlich spezielle Stoffmodelle in den bodendynamischen Anwendungsbereichen zu verwenden.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Grundlagen der Bodendynamik: Vermittlung der theoretischen Basis der Bodendynamik, einschließlich Schwingungslehre, Wellenausbreitung und den besonderen Herausforderungen bei der Modellierung von Bodenverhalten unter zyklischen Einwirkungen.
2 Materialverhalten von Böden bei dynamischen Einwirkungen: Vertiefte Analyse stoffmodellbasierter Beschreibungen von Böden, wobei der Fokus auf elastoplastischen Ansätzen, dynamischen Bodenkennwerten und der Phänomenologie der Bodenverflüssigung liegt.
3 Erdbeben: Beschreibung der Entstehung und Charakterisierung von Erdbebenereignissen sowie deren spezifische Auswirkungen auf Baugrundverhältnisse und bauliche Anlagen.
4 Erdbebenbeanspruchung von hohen Erddämmen (Stand der Technik): Darstellung der geltenden Anforderungen nach DIN 19700 sowie der gängigen numerischen Methoden und Modellbildungskriterien für den Nachweis der Erdbebensicherheit bei hohen Staudämmen.
5 Parameterstudien: Umfangreiche numerische Analyse zur Sensitivität des Berechnungsmodells, inklusive Modelltiefe, Netzdiskretisierung und verschiedenen elastoplastischen Stoffmodellen zur wirklichkeitsnahen Abbildung.
6 Nachweis der Erdbebensicherheit: Anwendung der erarbeiteten Erkenntnisse auf ein konkretes Fallbeispiel zur Durchführung eines Nachweises der Erdbebensicherheit unter Berücksichtigung der Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit.
7 Zusammenfassung: Synthese der wesentlichen Ergebnisse der Arbeit und Bewertung der entwickelten methodischen Ansätze für die Praxis.
Schlüsselwörter
Bodendynamik, Erddämme, Erdbebensicherheit, Numerische Methoden, Finite-Elemente-Methode, Stoffmodelle, Bodenverflüssigung, Schwingverhalten, Dynamische Einwirkungen, Modellbildung, Parameterstudie, Wellenausbreitung, Standsicherheit, Gebrauchstauglichkeit, Geotechnik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Nachweisführung der Erdbebensicherheit von hohen Erddämmen, wobei sie den Stand der Technik analysiert und eine methodisch optimierte Vorgehensweise zur wirklichkeitsnahen Simulation des dynamischen Verhaltens ableitet.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Zentrale Felder sind die bodendynamischen Grundlagen, die Modellbildung unter Berücksichtigung von elastoplastischem Materialverhalten und die Einflüsse von Standortbedingungen wie der Baugrundschichtung auf die Erdbebeneinwirkung.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist die Erarbeitung eines konsistenten, praxisorientierten Verfahrens zur Beurteilung der Erdbebensicherheit hoher Erddämme (h ≥ 40 m), das über die Anforderungen der Standard-Regelwerke hinausgeht und numerische Simulationen präzisiert.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden angewendet?
Die Arbeit stützt sich primär auf numerische Finite-Elemente-Simulationen (mit PLAXIS 2D) und umfangreiche Parameterstudien, die durch bodenmechanische Berechnungsverfahren zur Böschungsstabilität ergänzt werden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Aufarbeitung des dynamischen Bodenverhaltens, die Beschreibung des Standes der Technik bei der Erdbebenbemessung sowie die detaillierte Darstellung durchgeführter Parameterstudien zur Modellbildung, Netzverfeinerung und Materialmodellierung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird wesentlich durch die Begriffe Bodendynamik, Erddämme, Erdbebensicherheit, Numerische Methoden, Finite-Elemente-Methode, Stoffmodelle und Bodenverflüssigung definiert.
Warum sind Parameterstudien bei der Erdbebensimulation entscheidend?
Parameterstudien sind unerlässlich, da die Ergebnisse numerischer Simulationen stark von Annahmen zur Modelltiefe, Netzfeinheit und Materialparametern abhängen. Sie erlauben die Kalibrierung des Modells und die Identifikation kritischer Einflussgrößen für eine verlässliche Sicherheitsbewertung.
Wie unterscheidet sich der vorgeschlagene "alternative Ansatz" vom Standard?
Der alternative Ansatz verzichtet auf die Manipulation der physikalischen Materialkennwerte (Wichte) des Untergrundes, um unerwünschte modellbedingte Artefakte zu vermeiden, und nutzt stattdessen eine gezielte Anregung des Berechnungsmodells, um ein wirklichkeitsnahes Spannungsverhalten im Dammkörper zu gewährleisten.
Welche Rolle spielt die Dämpfung bei hohen Erddämmen?
Die Materialdämpfung ist entscheidend für das Schwingungsverhalten, da sie die Antwortamplituden im Resonanzfall begrenzt. Die Arbeit zeigt, dass eine frequenzabhängige Dämpfung nach Rayleigh notwendig ist, um das natürliche Dämpfungsverhalten der Dammbaustoffe korrekt abzubilden.
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- Christian Schulz (Author), 2013, Nachweis der Erdbebensicherheit bei hohen Talsperren (Erddämme) mit numerischen Methoden, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/214559
