Bemessung von Pfählen mit numerischen Verfahren
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- Ferdinand Frei
- vor 7 Jahren
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1 Bemessung von Pfählen mit numerischen Verfahren BAW - DH / K1 Folie-Nr. 1 Bundesanstalt für Wasserbau Dienststelle Hamburg, Referat Geotechnik Nord Dipl.-Ing. Christian Puscher
2 Gliederung - Warum Bemessen von Pfählen mit numerischen Methoden? - Beispiele für Einzelpfähle - Beispiele für Pfahlgruppen - Fallbeispiel Ostmolenkopf Wilhelmshaven - Fazit BAW - DH / K1 Folie-Nr. 2
3 Eigentlich: Warum Bemessen von Pfählen mit numerischen Methoden? - Lange Erfahrung mit Pfahlgründungen - Erfahrungswerte für Pfahltragfähigkeiten von Einzelpfählen vorhanden - Angaben für Einflüsse aus Gruppenwirkung vorhanden aber: BAW - DH / K1 Folie-Nr. 3
4 EAU 2004 BAW - DH / K1 Folie-Nr. 4
5 Anforderungen DIN 1054 BAW - DH / K1 Folie-Nr. 5
6 EA Pfähle - Einzelpfähle BAW - DH / K1 Folie-Nr. 6
7 EA Pfähle - Pfahlgruppen BAW - DH / K1 Folie-Nr. 7
8 Hochbauverformung Verformungen mit einfachen Verfahren berechenbar. Numerische Lösung möglich, aber nicht erforderlich. Verformungen mit einfachen Verfahren nicht berechenbar. Numerische Lösung erforderlich. BAW - DH / K1 Folie-Nr. 8
9 Pfahlverformung Verformungen aus Erfahrungswerten berechenbar. Numerische Lösung möglich, aber nicht erforderlich. Verformungen nur mit Erfahrungswerten nicht berechenbar. Numerische Lösung erforderlich. BAW - DH / K1 Folie-Nr. 9
10 Berechnungsbeispiel Bohrpfahl, d = 0,6 m, Stahlbeton C 20/25 0,0 m 1,5 m 6,5 m 1,0 m Sand geringer Festigkeit: q c = 5 MPa, ϕ = 30,0, E s = 15 MPa Klei: c u = 20 kpa, E s = 2 MPa Länge 10 m Sand großer Festigkeit: q c = 15 MPa, ϕ = 37,5, E s = 90 MPa BAW - DH / K1 Folie-Nr. 10
11 3D-FE-Modell BAW - DH / K1 Folie-Nr. 11
12 Einzelpfahl - Vertikalbelastung (Druck) 2500 kn Setzung im Schnitt mm 0 Modellausschnitt -64 BAW - DH / K1 Folie-Nr. 12
13 Einzelpfahl - Vertikalbelastung (Druck) 2500 kn 0 cm 0 kn 1000 kn Widerstand 2000 kn 2500 kn EA Pfähle, nur Sande großer Festigkeit 3 cm FEM EA Pfähle, alle Bodenschichten Setzung 6 cm (s g ) BAW - DH / K1 Folie-Nr. 13
14 Einzelpfahl - Vertikalbelastung (Zug) ca kn Hebungen im Schnitt mm 30 0 BAW - DH / K1 Folie-Nr. 14
15 Einzelpfahl - Vertikalbelastung (Zug) 0 cm 0 kn 600 kn Widerstand 1200 kn EA Pfähle Hebung 2 cm FEM BAW - DH / K1 Folie-Nr. 15
16 Einzelpfahl - Horizontalbeanspruchung Analytisch: Angabe der Bettung erforderlich (Angabe von Weggrößen am Kopf möglich) BAW - DH / K1 Folie-Nr. 16
17 Einzelpfahl - Horizontalbeanspruchung 100 kn 100 kn analytisch 20 mm Horizontalverformung Bettung BAW - DH / K1 Folie-Nr. 17
18 Einzelpfahl Horizontalbeanspruchung 100 kn numerisch mm mm 0 Verformung 20 mm Horizontalverformungen BAW - DH / K1 Folie-Nr. 18
19 Negative Mantelreibung Analytische Ermittlung: - Bestimmung der Pfahlsetzung - Bestimmung der Baugrundsetzung - Berechnung der Last aus negativer Mantelreibung BAW - DH / K1 Folie-Nr. 19
20 Negative Mantelreibung durch Flächenauflast 1. Einzellast 1000 kn 2. Flächenlast 20 kpa BAW - DH / K1 Folie-Nr. 20
21 Übergang negative - positive Mantelreibung Negative Mantelreibung Übergangsbereich mm 36 Positive Mantelreibung 18 0 BAW - DH / K1 Folie-Nr. 21
22 Negative Mantelreibung - Normalkraftverlauf Normalkraft im Pfahl in kn nur aus Einzellast aus Einzellast und negativer Mantelreibung Tiefe in m BAW - DH / K1 Folie-Nr. 22
23 Seitendruck - Beispiel mit Seitendruck aus Bodenverdrängung Ausschnitt Flächenlast 15 kpa Abstand Pfahl Last 5 m BAW - DH / K1 Folie-Nr. 23
24 Seitendruck - Auswirkungen der Setzungen max. Setzung 26 mm Pfahl BAW - DH / K1 Folie-Nr. 24 BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe Hamburg Ilmenau
25 Seitendruck - resultierende Pfahlverformung 2 mm Horizontalverformung Moment BAW - DH / K1 Folie-Nr. 25
26 Pfahlgruppe BAW - DH / K1 Folie-Nr. 26
27 Beispiel Oberbau numerisch Pfahl mit Ersatzfedern BAW - DH / K1 Folie-Nr. 27
28 Betonplatte d = 0,6 m, Stahlbeton C 20/25 11 m x 12 m, 24 Pfähle, Pfahlraster 3 m x 2 m Pfahlgruppe - Modell BAW - DH / K1 Folie-Nr. 28
29 Pfahlgruppe - Belastungsbeispiele Vertikalbelastung (Flächenlast) Horizontalbelastung Momentenbelastung 200 kpa 500 kn/m 250 kn/m BAW - DH / K1 Folie-Nr. 29
30 Pfahlgruppe Vertikallast Verformungen Kontinuum Setzungen OK Gelände mm 0 Schnittführung Setzungen Pfahlfußebene 28 mm Setzungen im Schnitt mm BAW - DH / K1 Folie-Nr. 30
31 Pfahlgruppe Vertikallast Verformungen Bauteile Platte: Setzungen mm 23 Pfähle: Verformung Platte: Momente 28 BAW - DH / K1 Folie-Nr. 31
32 Pfahlgruppe - Horizontallast Schnittführung Horizontalverformung mm 52 0 BAW - DH / K1 Folie-Nr. 32
33 Pfahlgruppe - Horizontallast Pfähle: Verformung Pfähle: Normalkräfte Platte: Vertikalverformung BAW - DH / K1 Folie-Nr. 33
34 Pfahlgruppe - Momentenbelastung Schnittführung Vertikalverformung mm 14 Horizontalverformung mm BAW - DH / K1 Folie-Nr. 34
35 Pfahlgruppe Momentenbelastung Normalkräfte Momente Horizontalverformung BAW - DH / K1 Folie-Nr. 35
36 FE-Betrachtung eines Wasserbauwerkes mit Pfahlgründung Beispiel: Ostmolenkopf Neuer Vorhafen, Wilhelmshaven BAW - DH / K1 Folie-Nr. 36
37 Standort Ostmolenkopf Neuer Vorhafen Jade BAW - DH / K1 Folie-Nr. 37
38 Standort Ostmolenkopf Neuer Vorhafen Jade BAW - DH / K1 Folie-Nr. 38
39 Baugrund und Materialparameter Sand (Festigkeit mit der Tiefe zunehmend) Schlickstreifen BAW - DH / K1 Folie-Nr. 39
40 Bau des Molenkopfes 1939 BAW - DH / K1 Folie-Nr. 40
41 Bau des Molenkopfes 1939/1940 BAW - DH / K1 Folie-Nr. 41
42 Luftbild BAW - DH / K1 Folie-Nr. 42
43 Nach dem 2. Weltkrieg bis 1949: Sprengungen an der Mole : Rahmenentwurf zur Wiederinbetriebnahme des neuen Vorhafens BAW - DH / K1 Folie-Nr. 43
44 Zustandsaufnahme 1958 BAW - DH / K1 Folie-Nr. 44
45 Neuer Entwurf des Molenkopfes Fertigstellung um 1962 BAW - DH / K1 Folie-Nr. 45
46 Fragen zum Molenkopf: - Ist der Molenkopf standsicher (keine Statik vorhanden, da analytisch keine Berechnung möglich)? - Ist das Tragverhalten des Molenkopfes vergleichbar mit dem des Fangedammes? - Kann das Bauwerk mit einer Verkehrslast von 20 kpa genutzt werden? - Wie tief kann vor der Spundwand abgegraben werden? - Erklärungen für die Verformung zwischen Molenkopf und Damm? => 3D FE-Berechnungen BAW - DH / K1 Folie-Nr. 46
47 FE-Modellierung: Pfähle Jade Hafen Große Pfahlanzahl => nur mit besonderen Pfahltypen (embedded piles) modellierbar BAW - DH / K1 Folie-Nr. 47
48 FE-Modellierung: Spundwände Larssen VI / V und eingespülter Sand BAW - DH / K1 Folie-Nr. 48
49 FE-Modellierung: Trogplatte und -wände - Beton als Volumenelement => kein gemischtes Tragverhalten im Verbund mit der Spundwand - keine Interfaces für Volumenelemente => Übergang zum Füllsand BAW - DH / K1 Folie-Nr. 49
50 FE-Modellierung: Aushub und Hinterfüllung - Komplexe Böschungen in Plaxis 3D-Foundation nicht befriedigend darstellbar - Näherung: Abtreppung zur Geländesimulation BAW - DH / K1 Folie-Nr. 50
51 FE-Modellierung: Flächenlast 10 kpa und Abbaggerung bis NN m BAW - DH / K1 Folie-Nr. 51
52 Ergebnis: Verformung Vorkriegsentwurf mm BAW - DH / K1 Folie-Nr. 52 BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe Hamburg Ilmenau
53 Ergebnis: Verformung Vorkriegsentwurf im Schnitt 20 mm 10 mm vertikal 10 mm 20 mm horizontal BAW - DH / K1 Folie-Nr. 53
54 Ergebnis: Pfahlverformung Vorkriegsentwurf Pfahl im Ausgangszustand Verformungsvektor Verformter Pfahl BAW - DH / K1 Folie-Nr. 54
55 Ergebnis: Schnittgrößen Pfähle Vorkriegsentwurf Normalkräfte Momente max.: ca. 685 kn Druck BAW - DH / K1 Folie-Nr. 55
56 FE-Modellierung: Sprengung und Demontage Einflüsse aus Sprengvorgängen und Demontage nicht simuliert => whished away BAW - DH / K1 Folie-Nr. 56
57 FE-Modellierung: Komb. Wand 2 x PSp 50 L + KS II und Seilkabelanker BAW - DH / K1 Folie-Nr. 57
58 FE-Modellierung: Auffüllung und Flächenlast 10 kpa BAW - DH / K1 Folie-Nr. 58
59 Ergebnis: Horizontalverformung Ist-Zustand mm mm 0-20 BAW - DH / K1 Folie-Nr. 59
60 Ergebnis: Pfahlverformung Ist-Zustand BAW - DH / K1 Folie-Nr. 60
61 Ergebnis: Schnittgrößen Pfähle Ist-Zustand Normalkräfte Momente max.: ca. 805 kn Druck BAW - DH / K1 Folie-Nr. 61
62 FE-Modellierung: Abgrabung bis NN -17,3 m und Flächenlast 20 kpa BAW - DH / K1 Folie-Nr. 62
63 Ergebnis: Verformung gepl. Ausbau mm mm 0-20 BAW - DH / K1 Folie-Nr. 63
64 Ergebnis: Pfahlverformung gepl. Ausbau BAW - DH / K1 Folie-Nr. 64 BUNDESANSTALT FÜR WASSERBAU Karlsruhe Hamburg Ilmenau
65 Ergebnis: Schnittgrößen Pfähle gepl. Ausbau Normalkräfte Momente max.: ca. 870 kn Druck BAW - DH / K1 Folie-Nr. 65
66 Fazit: - Für einfache Pfahlgründungen: analytische Berechnung mit Erfahrungswerten sinnvoll - Komplexe Lastabtragung: analytisch über Ersatzfedern (teilweise linear) und numerisch modellierten Überbau - komplexe Strukturen und/oder vielfältigen Einwirkungen: bessere Erfassung des Gesamttragverhaltens, aber Voraussetzung für gute Ergebnisse: Sinnvolle Eingangswerte Kalibrierung der Modelle Plausibilisierung der Ergebnisse Achtung: Bearbeitung zeitaufwändig teilw. Vereinfachungen (z.b. Einbringung) BAW - DH / K1 Folie-Nr. 66
67 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! BAW - DH / K1 Folie-Nr. 67
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