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Forschungsbericht: Verbesserung der Angaben über die vertikale Pfahltragfähigkeit in der geplanten DIN 1054, Teil 5

Verbesserung der Angaben über die vertikale Pfahltragfähigkeit in der geplanten DIN 1054, Teil 5 "Pfahlgründungen", Teil 2. Schlußbericht

E. Franke
TH Darmstadt, Fachbereich 14 Konstruktiver Ingenieurbau, Institut für Grundbau, Boden- und Felsmechanik
1990, 120 S.
Fraunhofer IRB Verlag

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Inhalt

Der Bemessungswert des Pfahlwiderstandes wurde bisher mit einem konstanten Sicherheitsbeiwert bestimmt. Damit wurde darauf abgezielt, hinreichenden Abstand vom Bruchzustand (Grenzzustand 1) zu halten und die Gebrauchstauglichkeit (Grenzzustand 2) zu gewährleisten. Nach den Eurocodes werden Bauwerke künftig für unterschiedliche Grenzzustände bemessen, wobei unterschiedliche Teilsicherheitsbeiwerte für die Einwirkungen und die Widerstände berücksichtigt werden. Da Grenzzustände setzungsabhängig auftreten können, muß der Verlauf des Spitzendruckes und der Mantelreibung ebenfalls setzungsabhängig bekannt sein. Es wird gezeigt, daß wegen des in jedem Einzelfall unterschiedlichen Verhältnisses von Pfahlmantel- zu Pfahlfußkraft zum einen die Anwendung unterschiedlicher Sicherheitsbeiwerte nicht praktikabel ist, zum anderen eigentlich überhaupt keine konstanten Sicherheitsbeiwerte begründbar sind. Im Bericht erfolgt die empirische Ermittlung der beiden Anteile an der Gesamt-Lastsetzungslinie fast ausschließlich über die Anwendung der Hyperbelmethode (Chins Method). Sowohl für die Mantelreibung, als auch für den Spitzendruck werden Hyperbelfunktionen angenommen. Durch Analyse ca. 300 durchgeführter Probebelastungen an Bohrpfählen wurden die Parameter der Hyperbelgleichungen bestimmt. Die so ermittelten Verläufe für Spitzendruck und Mantelreibung wurden an Probebelastungen adjustiert. (-y-)

Inhaltsverzeichnis

1 GRUNDSÄTZLICHES ZU DEN SICHERHEITSNACHEISEN FÜR PFIELE 1
1.1 Kritische Betrachtung der bisherigen Vorgehensweise 1
1.2 Bemessung von Pfählen nach dem Prinzip der Grenzzustände 3
1.2.1 Allgemeines 3
1.2.2 Die Sicherheitsnachweise 5
1.3 Die Sicherheitsbeiwerte, Grundsätzliches 6
1.3.1 Zur Verwendung von globalen Sicherheitswerten 6
1.3.2 Zur Verwendung von deterministischen Teilsicherheitswerten, getrennt für Spitzendruck und Mantelreibung 6
1.3.3 Zur Verwendung von probabilistisch ermittelten Teilsicherheitswerten für Spitzendruck und
Mantelreibung 10
1.4 Resume zu den grundsätzlichen Betrachtungen über Sicherheitsnachweise 13
2 ERMITTLUNG VON EMPIRISCHEN DATEN FÜR SPITZENDRUCK UND MANTELREIBUNG FÜR BOHRPFÄHLE ZUR VORBEREITUNG DER DIN 4014 (311990) 15
2.1 Einführung 15
2.2 Grundsätzliches zur Trennung von gemessenen Lastsetzungslinien obs Q(s) in solche der Mantelkraft Q_r(s) und der Fußkraft. Q_S(s)
2.3 Das Hyperbelverfahren 17
2.4 Ermittlung von Q_r(s) für Bohrpfähle 20
2.4.1 Anwendung des Hyperbelverfahrens zur Ermittlung von Q_r(s) aus obs Q(s) 20
2.4.2 Ermittlung von Sr des Punktes der maximalen Krümmung von Q_r(s)
2.4.3 Einfluss der Herstellungsart 26
2.4.4 Ermittlung einer Funktion der Anfangsneigung a_r 27
2.4.5 Abhängigkeit des Bruchwertes der Mantelreibung τ_mg von der Baugrundfestigkeit 28
2.4.6 Streuung der Mantelreibungswerte τ_mg 29
2.5 Ermittlung von Q_S (s) für Bohrpfähle 30
2.5.1 Spitzendruck σ_S(s) aus Messungen 30
2.5.2 Anpassung von σ_S(s)-Werten an Messergebnisse obs Q(s) 31
2.5.3 Berücksichtigung des Einflusses von Fußverbreiterungen 33
2.5.4 Einfluss der Pfahlelastizität 33
2.5.5 Durchmesserabhängigkeit des Spitzendrucks 34
2.6 Anwendung der Ergebnisse der Abschnitte 2.4 und 2.5 zur Berechnung von Q(s) 37
2.6.1 3 Wege zur Berechnung von cal Q(s) 37
2.6.2 Fehlerbetrachtung zu 2.6.1 38
3 SICHERHEITSBETRACETUNGEN 40
3.1 Grundsätzliches 40
3.2 Ermittlung des Bemessungswertes Q_d auf probabilistischer Grundlage
3.3 Vergleich von probabilistisch und deterministisch (wie bisher) ermittelten Bemessungswerten Q_d 42

Publikationslisten zum Thema:
Pfahlgründung, Bohrpfahl, Großbohrpfahl, Tragfähigkeit, Prognose, Berechnung, Bemessung, Norm, Grenzzustand, Sicherheitsnachweis, Sicherheitsbeiwert, Spitzendruck, Mantelreibung, Probabilistik, Probebelastung, Pfahltragfähigkeit, DIN 1054, Teil 5, Teilsicherheitsbeiwert, Analyse, Hyperbelverfahren, Lastsetzungslinie, Pfahlwiderstand,

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Forschungsberichte

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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

Norbert Vogt, Stefan Vogt
Knicken von Pfählen mit kleinem Durchmesser in breiigen Böden
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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

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

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

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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