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Forschungsbericht: Einheitlicher Nachweis der Grenzzustände für Flächen- und Pfahlgründungen und für Stützbauwerke in Erdbebenregionen nach ENV 1997-1 und ENV 1998-5

Einheitlicher Nachweis der Grenzzustände für Flächen- und Pfahlgründungen und für Stützbauwerke in Erdbebenregionen nach ENV 1997-1 und ENV 1998-5

Bauforschung, Band T 2854
Stavros Savidis, Christos Vrettos
TU Berlin, Grundbau-Institut
1999, 76 S., Abb.,Tab.,Lit.
Fraunhofer IRB Verlag

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Kurzbericht [PDF] deutsche Version
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Inhalt

Die Europäischen Vornormen ENV 1998-5 »Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben. Gründungen, Stützbauwerke« und ENV 1997-1 »Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik. Allgemeine Regeln« haben nur wenige Berührungspunkte. Dies liegt unter anderem daran, dass bei Bauwerksdimensionierungen gegen Erdbeben zusätzlich zu den üblichen Einwirkungen auch Frequenz- und Trägheitseinflüsse zu berücksichtigen sind. Mit den gegenwärtigen Kenntnissen lässt sich der Grenzzustand für den Erdbebenfall ausreichend genau berechnen. Nach wie vor sind jedoch seismisch bedingte Fundamentsetzungen und Erdkörperverformungen schwierig zu prognostizieren. Zu diesen Schlussfolgerungen kommt die Untersuchung, in der erläutert sind
1. Parameterstudien zum Einfluss der Bodenkennwerte auf die seismische Bodenantwort
2. Abschätzung des Verflüssigungspotentials mit In-situ-Sondierungen
3. dynamische Erddruckbelastung einer Stützmauer
4. seismische Belastung von Pfählen.
Alle Anwendungsbeispiele können für Berechnungen unmittelbar benutzt werden und verdeutlichen die Wechselwirkungen von Erdbebenquelle, Boden und Bauwerk.

Inhaltsverzeichnis

1. Angaben zu Bodenkennwerten im ENV 1998-5 3
2. Bodendynamische Kennwerte: Bestimmungsmethoden und Korrelationen 9
3. Anwendungsbeispiele 18
3.1 Beispiel 1: Einfluss der Bodenkennwerte auf die seismische Bodenantwort 19
3.2 Beispiel 2: Abschätzung des Verflüssigungspotentials 33
3.3 Beispiel 3: Stabilität einer Schwergewichtsmauer 45
3.4 Beispiel 4: Seismische Belastung von Pfählen 56
4. Schlussbemerkungen 63
5. Literatur 64

Publikationslisten zum Thema:
Flächengründung, Pfahlgründung, Stützmauer, Erdbeben, Bemessung, Berechnung, Erdbebensicherheit, Bodenmechanik, Bodendynamik, Anwendungsbeispiel, Parameterstudie, Verflüssigung, Verflüssigungspotential, Grundbruch, Erdbebenbelastung, Gewichtsmauer, Belastung(seismisch),

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Die Arbeit soll einen Beitrag zum Verständnis leisten, wie der Lastabtrag bei einem Rohrrammpfahl funktioniert. Zunächst werden die Eigenschaften eines elastischen Federmodells, das einen axial belasteten Pfahl abbildet, numerisch untersucht. Durch die Ergebnisse von großmaßstäblichen statischen und zyklischen Pfahlversuche mit offenen Stahlrohrrammpfählen (L ist gleich 17,7 m, D ist gleich 0,71 m) in nichtbindigen Böden, die an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Horstwalde bei Berlin durchgeführt wurden, wird gezeigt, dass diese Eigenschaften auch bei realen Pfählen von Bedeutung sind und die Erfassung der Pfahlelastizität relevant für die richtige Interpretation der Messergebnisse und die Beschreibung des Pfahlverhaltens ist. Bei zwei der offenen Pfähle wurden Dehnungsaufnehmer entlang der Pfahllänge appliziert. Damit wurde die Pfahllänge in sechs Bereiche unterteilt und für diese Bereiche jeweils die Pfahl-Boden-Interaktion während der durchgeführten statischen und zyklischen Schwell- und Wechsellastversuche ermittelt. Es konnte der Zusammenhang zwischen dem Verhalten der Last-Verschiebungskurven am Pfahlkopf und dem Verhalten der Pfahl-Boden-Interaktion entlang der Pfahllänge abgeleitet und beschrieben werden. Dadurch werden Bemessungsverfahren für die Bestimmung der Pfahltragfähigkeit validiert, neue Erkenntnisse für das Pfahltragverhalten gewonnen und neue Modellvorstellungen abgeleitet. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf das Verhalten der Pfähle unter zyklischer Belastung und die Bedeutung der Belastungsvorgeschichte bei der Interpretation der Last-Verschiebungsverhalten am Pfahlkopf. Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Bewertung der Last-Verschiebungskurven am Pfahlkopf entwickelt. Eine Ingenieurlösung der multimodalen Aufgabenstellung wurde durch Evolutionäre Algorithmen erreicht. Die Möglichkeiten, Grenzen und die Anwendbarkeit des Verfahrens im Rahmen der geotechnischen Beobachtungsmethode werden untersucht und dargestellt.

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Forschungsberichte

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Die Entwicklung eines Prognoseverfahrens für den sekundären Luftschall, der durch den Körperschall der Bauteile eines Gebäudes generiert wird, steht im Fokus dieses Projektes. Als Quelle wird in diesem Fall der schienengebundene Verkehr untersucht, der durch den Untergrund in den angrenzenden Gebäuden über die Schwingungen der Bauteile als sekundärer Luftschall wahrgenommen wird. Mit diesem Vorhaben wird die Erweiterung des bestehenden Modells auf inhomogene Bodenverhältnisse mit Pfahlgründungen und eine fundierte Verifizierung des Modelles angestrebt. Dabei werden verschiedene Bodentypen, z.B. geschichtete Böden und gebäudeseitig die induzierten Schwingungen in den unterschiedlichen raumbegrenzenden Flächen untersucht. Methodisch sollen sowohl numerische Berechnungen als auch messtechnische Untersuchungen durchgeführt werden und ein praxistaugliches Verfahren entwickelt werden.

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Bisher durchgeführte Forschungen zum Thema axial zyklisch belastete Mikropfähle in Sanden haben gezeigt, dass die Tragfähigkeit unter zyklischer Beanspruchung wesentlich geringer ist als bei statischer Beanspruchung. Für nichtbindige Böden wurden daher Abminderungsfaktoren in die DIN 1054:2005 aufgenommen. Für bindige Böden liegen bisher keine systematischen Untersuchungen im größeren Umfang vor. Ziel der Forschung war, auch für bindige Böden den Einfluss einer zyklischen Belastung auf das Trag- und Verformungsverhalten von Mikropfählen zu ermitteln. Hierzu wurden statische und zyklische sowie postzyklische statische Pfahlversuche an Mikroverpresspfählen mit GEWI-Stahltragglied im Maßstab 1 zu 1 in einem leicht bis mittelplastischen Ton überwiegend steifer Konsistenz durchgeführt. In insgesamt 5 zyklischen Versuchen mit bis zu 85.000 Lastwechseln im Zugschwellbereich wurde das Trag- und Verformungsverhalten untersucht. Die Belastungsfrequenz lag bei einem Zyklus pro Minute, variiert wurden das mittlere Belastungsniveau sowie die zyklische Lastamplitude. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass im untersuchten Boden ein Pfahlversagen unter zyklischer Schwellbeanspruchung ausschließlich auf Grund einer Akkumulation der plastischen Verformungen definiert werden kann. Zyklenanzahlen bis zu 100.000 Lastwechseln und mehr sind bis zu einer Lastamplitude von 30 Prozent des Pfahlwiderstands im Grenzzustand der Tragfähigkeit möglich. Eine verminderte Tragfähigkeit bei postzyklisch durchgeführten statischen Pfahlprobebelastungen konnte nicht festgestellt werden. Ergänzend durchgeführte zyklische Einfachscherversuche im Labor mit natürlichen Bodenproben aus dem Versuchsfeld zur Modellierung des Bodens im Pfahlmantelbereich zeigen ein qualitativ ähnliches Verhalten. Um eine Übertragung von Laborergebnissen auf Pfahlversuche im Feld zu ermöglichen, wären jedoch noch weitere Untersuchungen nötig.

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Pfahlwiderstände im Grenzzustand der Tragfähigkeit können nach Eurocode EC 7-1 (DIN EN 1997-1) aus Ergebnissen von Probebelastungen (EC 7-1, z.B. Gleichung 7.2) oder auf der Grundlage von Erfahrungswerten (EC 7-1, z.B. Gleichung 7.9) abgeleitet werden. Bei der Festlegung von charakteristischen Widerständen aus Probebelastungen werden die Messwerte durch Streuungsfaktoren abgemindert. Dieses Vorgehen unterscheidet sich wesentlich gegenüber dem Globalsicherheitskonzept nach DIN 1054:1976-11. Werden diesbezüglich die in EC 7-1 Tabelle A.9 empfohlenen Werte angewendet, so ergibt sich, bis auf wenige Sonderfälle, ein deutlich höheres Sicherheitsniveau und damit unwirtschaftlichere Bauweisen als dies bei den bisherigen nationalen Regelungen der Fall war. Die in Tabelle A.9 vorgeschlagenen Werte dürfen jedoch im Rahmen der nationalen Anwendungsregeln an nationale Sicherheitsstandards angepasst werden. Das Forschungsvorhaben hatte zum Ziel, die Teilsicherheitsbeiwerte und Streuungsfaktoren für den Eurocode EC 7-1, Kapitel 7 so zu kalibrieren und national anzupassen, dass durch ihre Anwendung der bisherige Sicherheitsstandard und die Wirtschaftlichkeit weitgehend erhalten bleiben. Dazu wurden umfangreiche Vergleichsberechnungen mit Parametervariationen an fiktiven Probebelastungsergebnissen durchgeführt. Die daraus gewählten Teilsicherheitsbeiwerte und Streuungsfaktoren wurden dann an zahlreichen, an der Universität Kassel archivierten statischen und dynamischen Probebelastungsergebnissen verschiedener Pfahlsysteme verifiziert. Im Rahmen der Forschungsarbeit wurden somit die Teilsicherheitsbeiwerte und Streuungsfaktoren national so angepasst, dass sich mit Einführung von Eurocode EC 7-1 für die maßgebenden Streubereiche von Probebelastungsergebnissen ein etwa vergleichbares Sicherheitsniveau ergibt, wie nach den entsprechenden Regelungen der DIN 1054:1976 bzw. DIN 1054:2005. Abweichungen davon resultieren aus einer grundsätzlich anderen Vorgehensweise zwischen den alten und neuen Normen und sind unvermeidlich. Differenze

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Die nationale bzw. europäische Normierung fordert Knicknachweise für schlanke Pfähle, die in Böden mit einer undränierten Scherfestigkeit von c tief u kleiner 15 kN/qm bzw. c tief u kleiner 10 kN/qm hergestellt sind. Bei größeren Scherfestigkeiten wird in der Regel kein Knicknachweis gefordert. Es gibt jedoch Beispiele, dass dieses Vorgehen nicht auf der sicheren Seite liegt. Publikationen, in welchen Modelle zur Lösung des Stabilitätsproblems oder Pfahlprobebelastungen dokumentiert sind, geben Hinweise, dass die Möglichkeit eines Pfahlversagens infolge Knickens durch die normentechnischen Regelungen unterschätzt wird. Mit Erfahrungen aus kleinmaßstäblichen Versuchen wurde ein Versuchsstand aufgebaut, in dem es möglich war, 4 m lange Pfähle einer Probebelastung zu unterziehen. Dazu wurden zylindrische Behälter geschaffen, Probepfähle darin eingestellt und der Ringraum mit flüssigem Ton aufgefüllt. Die angestrebte undrainierte Scherfestigkeit, bei welcher die Probebelastung stattfinden sollte, wurde durch gezielte Konsolidation erreicht. Insgesamt wurden 4 Pfähle mit Bodenstützung bis zum Versagen - stets Knicken - belastet. Dabei lag die undrainierte Scherfestigkeit zwischen etwa 8 und 25 kN/qm. Die Berechnung der Traglasten stabilitätsgefährdeter Pfähle erfolgt nach den einschlägigen Veröffentlichungen auf der Grundlage von Annahmen und Näherungen, die im Forschungsbericht kritisch bewertet und mit den Versuchsergebnissen verglichen werden. Da diese Rechenverfahren die vorliegende Problematik nicht wirklich zutreffend beschreiben, wurde ein eigenes Nachweiskonzept erarbeitet, mit dem alle wesentlichen Effekte, welche in den Versuchen auftraten, zu erfassen sind. Die seitliche Bodenstützung des Pfahls wird darin mit einer bilinearen Mobilisierungsfunktion mit maximaler Bodenreaktion, die das Umfließen des Bodens um den Pfahl charakterisiert, erfasst. Es werden Kurven errechnet, die Gleichgewichtszustände des nichtlinear gebetteten Pfahls wiedergeben. Zusätzlich wird geprüft, ob vor dem Stabilitätsversagen die Ma

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Der Bericht befaßt sich mit den Nachweisen der Grenzzustände für Flächen- und Pfahlgründungen und für Stützbauwerke nach ENV 1997-1 "Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik. Allgemeine Regeln, ENV 1998-1 "Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben" und ENV 1998-5 "Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben. Gründungen, Stützbauwerke". Aus den einzelnen Abschnitten des ENV 1998-5 werden die für die Bemessung relevanten bodenmechanischen und bodendynamischen Kennwerte identifiziert und wichtige Gesichtspunkte hinsichtlich ihrer Ermittlung und Anwendung zusammengestellt. Die entsprechenden Stellen bei ENV 1997-1 werden zitiert und Vergleiche vorgenommen. Die Verfahren und Korrelationen für bodendynamische Kennwerte werden zusammengestellt und hinsichtlich ihrer Eignung für die Nachweise beurteilt. Vier Anwendungsbeispiele werden vorgestellt und erläutert. Es handelt sich dabei um den Einfluß der Bodenkennwerte auf die seismische Bodenantwort, den Einfluß der Bodenkennwerte auf die Abschätzung des Verflüssigungspotentials, die dynamische Erddruckbelastung von Stützmauern und die seismische Antwort von Pfählen. Der vorhandene Kenntnisstand erlaubt die Berechnung des Grenzzustandes bei Erdbebenbelastung mit ausreichender Genauigkeit, während die zuverlässige Prognose der Größe der Verformungen nach wie vor schwierig bleibt.

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Zeitschriftenartikel

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