Wahl der Berechnungsverfahren für Uferwände bei Ausbaumaßnahmen

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1 Wahl der Berechnungsverfahren für Uferwände bei Ausbaumaßnahmen am Beispiel der Berliner Wasserstraßen (UHW km 0,0 bis 4,0) Dr.-Ing. Anita Müller-Jahreis und Dipl.-Ing. Fritz Eißfeldt BAW - DH / K1 Folie-Nr. 1

2 Lage der Ausbaustrecke UHW-km 0 bis 4 5 Brücken Hochbauten Wohngebäude BAW - DH / K1 Folie-Nr. 2

3 Vorort-Situation BAW - DH / K1 Folie-Nr. 3

4 Ausbauquerschnitt UHW- km 0,250 Vertiefung um ca. 1,5m BWo NN m BWu NN m Sande Sande Faulschlamm Verankerung b = 55 m Verankerung Sande BAW - DH / K1 Folie-Nr. 4

5 Auszug aus geologischer Karte von Berlin UHW BAW - DH / K1 Folie-Nr. 5

6 Faulschlamm Baugrundaufbau im Längsschnitt BAW - DH / K1 Folie-Nr. 6

7 Bodenkenngrößen des Faulschlamms aus Alt- und BAW-Gutachten: organische Gehalte v gl = 7-50 % i.m. 30 % Porenzahlen e = 3,6-6,8 [-] i.m. 5 [-] Wichten γ / γ = 12 / 2 kn/m 3 Endscherfestigkeit ϕ = 25 / c = 3 kn/m 2 Anfangsscherfestigkeit ϕ u = 0 / c u = 4 bis 50 kn/m2 Steifemodul Es = 1,5 MN/m 2 Durchlässigkeitsbeiwert k < m/s aus Dissipationstests mit BAW-Sondier-LKW: Konsolidierungsgrad Durchlässigkeiten aus Laborversuchen an Sonderproben für FEM-Berechnungen: Kompressions- und Kriechverhalten Spannungs-Verformungsverhalten BAW - DH / K1 Folie-Nr. 7 Aussagen zur Anisotropie

8 Fragestellung für die Planfeststellung Verformungen für die Bebauung im Ausbauzustand? Bemessung der Uferwand und Verankerung? Vergleich ausbaubedingter und aufnehmbarer Verformungen? Notwendigkeit von Sicherungsmaßnahmen? z.b. steife Spundwandprofile größere Wandlängen zusätzliche Verankerungen Bauwerksertüchtigung BAW - DH / K1 Folie-Nr. 8

9 Interaktion Bauwerk-Boden Gebäude +32 mnn +30,45 mnn Auffüllung 1,5 m Aushub +26,5 mnn Sand geringer Festigkeit 8,5 m Verformungen +25,2 mnn +22,4 mnn Faulschlamm 8,6 m +13,8 mnn Sand mittlerer Festigkeit BAW - DH / K1 Folie-Nr. 9

10 Vorgehensweise Berechnungsverfahren für die neuen Uferwände: nach EAU: - Verfahren nach Blum - Bettungsmodulverfahren in WSV bauaufsichtlich gefordert! nach EAB: - EB 94 (Bautechnik 2002 Baugruben in weichen Böden ) (Entwurf) - EB 102 (Bautechnik 2003 Anwendung Bettungsmodulverfahren ) - EB 103 (Finite-Element-Methode) BAW - DH / K1 Folie-Nr. 10

11 Berechnungsverfahren nach EAU Verfahren nach Blum mit Ersatzkraft C Grundlagen: Erddruck dreieckförmig analytisches Verfahren (Stabstatik) Erdwiderstand η > 1 in weichen Böden Anfangs- und Endzustand berechnen Ergebnisse: nur Biegeverformungen der Wand keine Verformungen in Hinterfüllung Erfassung von Bauzuständen aufwändig alternativ Bettungsmodulverfahren Baugrundsteifigkeit über Bettungsmoduln erfassbar BAW - DH / K1 Folie-Nr. 11

12 Tiefe z Berechnungsverfahren nach EAB - Entwurf EB 94 Ersatzreibungswinkelverfahren c u mit Tiefe zunehmend c u1 c u c u konstant über Tiefe c u σ vm1 v Tiefe z σ v1 c u2 σ vm2 σ v2 BAW - DH / K1 Folie-Nr. 12 über GW unter GW über GW unter GW sin ϕ cu,1 c = σ u,1 v,1 sin ϕ cu,2 cu,2 = σ σ v,2 v,1 sin ϕ cu,1 c = σ u,1 vm,1 sin ϕ cu,2 c = σ u,2 vm,2

13 Verfahren nach EAB - Entwurf EB 102 Bettungsmodulverfahren KWST GW Grundlagen: Bodenspannungen vor Aushub berücksichtigen Mobilisierungskurve ansetzen Erdwiderstand η > 1 in weichen Böden Anfangs- und Endzustand Aushub Ergebnisse: Biegeverformungen der Wand Starrkörperverschiebungen der Wand keine Verformungen in Hinterfüllung Erfassung von Bauzuständen aufwändig Bettungsmoduln: überschläglich : k sh = E sh / t oder Tabellenwerte nach EB 102 BAW - DH / K1 Folie-Nr. 13

14 Bettungswerte im im Faulschlamm aus Mobilisierungskurven für den Erdwiderstand mobilisierter Erdwiderstand [kn/m] 3,50E+02 3,00E+02 2,50E+02 2,00E+02 1,50E+02 1,00E+02 5,00E+01 0,00E+00 MC-Modell, Parallelverschiebung Einfluss der Schichtdicke 8m_25 _3 kn/m2 6m_25 _3 kn/m2 4m_25 _3 kn/m2 0,00E+00 5,00E-01 1,00E+00 1,50E+00 2,00E+00 Verschiebung [m] Höhenkote [m] MC-Modell Bettungswerte Bettung 8m_Grenzwert Bettung 8m_0,10m Bettung 8m_0,05m Bettung 8m_0,02m Bettung 6m_Grenzwert Bettung 6m_0,10 Bettung 6m_0,05 Bettung 6m_0,02m Bettung 4m_Grenzwert Bettung 4m_0,10m Bettung 4m_0,05m Bettung 4m_0,02m Bettungswerte [kn/m 3 ] FE-Modell Mobilisierungsgrad des Erdwiderstandes beträgt % bei Verformungen 10 cm! BAW - DH / K1 Folie-Nr. 14

15 Verfahren nach EAB - Entwurf EB 103 FEM-Verfahren Grundlagen: zutreffende Eingangsparameter für Stoffmodell Geländebruchnachweis nach Fellenius-Regel Vorteile: Interaktion zwischen Bauwerk und Boden Erfassen der System- und Belastungsgeschichte Superposition der Spannungszustände aus einzelnen Bauphasen zeitabhängiges Verformungsverhalten Ergebnis: Aussagen zum Tragverhalten des Systems Verformungen der Wand und der Hinterfüllung BAW - DH / K1 Folie-Nr. 15

16 System- und Belastungsgeschichte für FEM 1. Ausgangsspannungszustand 2. Auffüllung über Faulschlamm ca Jahre als Kriechphase ca. 100 Jahre als Kriechphase 3. alte Spundwand und Verankerung ca. 25 Jahre als Kriechphase Istzustand vor Ausbau 4. Einbringen der neuen Spundwand, Verankerung und Aushub, Belastung Ausbauzustand für Kriechphase (80 Jahre) BAW - DH / K1 Folie-Nr. 16

17 Vorberechnungen zur Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit 1. vorhandenes Spundwandprofil mit Verankerung für Ausbau unzureichend! 2. Spundwandberechnung für zukünftige Belastungen im Ausbau: 2.1 Anfangsscherfestigkeit: EAU: Blumsches Verfahren EB 94: Ersatzreibungswinkel-Verfahren nicht maßgebend 2.2 Endscherfestigkeit: volle Einspannung - AZ 26 mit 17 m Länge freie Auflagerung - AZ 26 mit 13,5 m Länge UK-Spundwand im Faulschlamm BAW - DH / K1 Folie-Nr. 17

18 Vorberechnungen: Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit 17 m lange Spundwand 13,5 m lange Spundwand Höhenkote [mnn] Kanalsohle Blum_Einspannung FEM_SpW_ohne Kriechphase FEM_SpW_mit Kriechphase 80J S d d Moment [knm/m] Höhenkote [mnn] Kanalsohle Blum_Auflagerung FEM_SpW_ohne Kriechphase FEM SpW mit Kriechphase 80J Moment [knm/m] Höhenkote [mnn] Kanalsohle Blum_Einspannung FEM_ohne Kriechphase FEM mit Kriechphase 80J Horizontalverschiebungen [mm] BAW - DH / K1 Folie-Nr. 18 Höhenkote [mnn] Kanalsohle Blum_Auflagerung FEM_ohne Kriechphase FEM_mit Kriechphase 80 J Horizontalverschiebungen [mm]

19 Vorberechnungen zur Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit Verformungen in der Hinterfüllung bei unterschiedlichen Spundwandlängen 0 Verformungen [mm] Abstand zur Spundwand [m] 13,5 m SpW_ ohne Kriechphase 13,5 m SpW_nach Kriechphase 80 J 17 m SpW_ ohne Kriechen 17 m SpW_ mit Kriechphase 80 J 20 m SpW_ohne Kriechphase 20m SpW_mit Kriechphase BAW - DH / K1 Folie-Nr. 19

20 Festlegung für weitere Querschnitte Wahl eines steifen Spundwandprofiles Einbindung bis 2,5 m in Sande unterhalb des Faulschlammes Schräganker bis in den Sand unterhalb des Faulschlammes Verformungsberechnungen mit FEM BAW - DH / K1 Folie-Nr. 20

21 Ergebnisse für Tragfähigkeit (Momente) A S FEM-Kanalvertiefung FEM-Kriechphase Bettung überschläglich Bettung EB 102 Verfahren nach Blum F S BAW - DH / K1 Folie-Nr. 21 Anlage von Ing.-Büro Grassl/ GuD Berlin

22 Ergebnisse für Gebrauchstauglichkeit (Verformungen) A S FEM-Kanalvertiefung FEM-Kriechphase Bettung überschläglich Bettung EB 102 Verfahren nach Blum F S BAW - DH / K1 Folie-Nr. 22 Anlage von Ing.-Büro Grassl / GuD Berlin

23 Wahl der Berechnungsverfahren Spundwandbemessung: Bettungsmodulverfahren nach EB 102 Verformungsberechnung: FEM-Verfahren Berechnungsverfahren für die Planfeststellung festgelegt BAW - DH / K1 Folie-Nr. 23

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! BAW - DH / K1 Folie-Nr. 24