Einführung in die neue Norm DIN 1054: Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau

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1 Institut für Geotechnik Einführung in die neue Norm DIN 1054: Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau Univ.-Prof. Dr.-Ing. Herbert KLAPPERICH Dipl.-Ing. Taner AYDOGMUS TU Bergakademie Freiberg I Inst. f. Geotechnik I Gustav-Zeuner-Str. 1 I Freiberg Tel. (03731) I Fax: (03731) I

2 DIN 1054 Im Januar 2005 erschien als Ersatz für die 30 Seiten DIN 1054: Zulässige Belastung des Baugrunds die 118 Seiten DIN 1054: Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau, bei der die neue Sicherheitsphilosophie zur Anwendung kommt. Dabei werden anstelle der globalen Sicherheitsfaktoren getrennte Teilsicherheitsfaktoren für Einwirkungen und Widerstände eingeführt. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Herbert KLAPPERICH / Dipl.-Ing. Taner AYDOGMUS 2

3 DIN 1054: Anwendungsbereich - Bauwerke und Bauteile im Erd- und Grundbau: Gründungen (Flach- und Pfahlgründungen) Geotechnische Bauwerke (Stützbauwerke, konstruktive Böschungssicherungen, im Baugrund eingebettete Bauwerke, Grundbaukonstruktionen für vorübergehende Zwecke, Erdbauwerke) Außerdem gilt sie für natürliche HängeH nge. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Herbert KLAPPERICH / Dipl.-Ing. Taner AYDOGMUS 3

4 Einwirkungen, Beanspruchungen, Widerstände Sicherheitskonzept Grundlegende Bauteil Auflager Last Grundlegende Anforderung Das Das Bauwerk oder oder Teile Teile davon davon dürfen dürfen während der der Nutzungsdauer nicht nicht einstürzen, sich sich zu zu stark stark verformen, andere andere Bauteile, Einrichtungen, oder oder Ausstattungen infolge infolge zu zu großer großer Verformungen beschädigen. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Herbert KLAPPERICH / Dipl.-Ing. Quelle: Quelle: Taner Prof. Prof. AYDOGMUS Göttsche, Göttsche, FH FH Nordostniedersachsen Nordostniedersachsen 4

5 Querschnittsversagen Tragfähigkeit Fähigkeit des des Tragwerks und und seiner seiner Teile, Teile, allen allen Einwirkungen zu zu widerstehen, denen denen es es während der der Errichtungund Nutzungsdauer planmäßig standhalten soll. und soll. Bauteil ist ist nicht tragfähig Beispiel: Biegebeanspruchung des des Querschnitts in in Feldmitte übersteigt die die Beanspruchbarkeit des des Biegeträgers. Das Das Tragwerk hält hält der der Belastung nicht nicht stand. stand. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Herbert KLAPPERICH / Dipl.-Ing. Taner AYDOGMUS 5

6 Große e Durchbiegung Gebrauchstauglichkeit Fähigkeit des des Tragwerks und und seiner seiner Teile, Teile, die die planmäßige Nutzung entsprechend festgelegter Bedingungen zu zu ermöglichen.?!? Bauteil ist ist nicht gebrauchstauglich Beispiel: Die Die Biegebeanspruchung führt führt zu zu starken starken Verkrümmungen. Das Das Tragwerk kann kann wegen wegen großer großer Durchbiegung seine seine Funktion nicht nicht mehr mehr erfüllen. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Herbert KLAPPERICH / Dipl.-Ing. Taner AYDOGMUS 6

7 Beanspruchung E (Bauteil-) ) Widerstand R Hoffentlich Hoffentlich ist ist R E Beanspruchung Folge Folge der der gleichzeitig zu zu betrachtenden Einwirkungen bzw. bzw. einer einer Einwirkungskombination auf auf das das Tragwerk oder oder seine seine Teile Teile oder oder an an einem einem betrachteten Ort Ort (Querschnitt) des des Tragwerks. Tragwiderstand durch durch die die Baustoffe festgelegte mech. mech. Eigenschaft des des Tragwerks, des des Bauteils Bauteils oder oder des des Bauteilquerschnitts, best. best. Beanspruchungen zu zu widerstehen. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Herbert KLAPPERICH / Dipl.-Ing. Taner AYDOGMUS 7

8 Beanspru- chung E? Problem Wie Wie genau genau lassen lassen sich sich die die Einwirkungen erfassen? Wie Wie gut gut sind sind die die Lastannahmen? Ist Ist das das statische Modell Modell richtig? richtig? Sicherheit Fähigkeit des des Tragwerks zur zur Sicherstellung von von Tragfähigkeit und und Gebrauchstauglichkeit, die die eine eine Gefährdung der der öffentlichen Sicherheit und und Ordnung verhindern.? Widerstand R R ist ist abhängig von von den den mechanischen Eigenschaften des des Tragwerks. Streuen Streuen diese? diese? Welche Welche Eigen- Parameter beeinflussen diese diese Eigenschaften? Univ.-Prof. Dr.-Ing. Herbert KLAPPERICH / Dipl.-Ing. Taner AYDOGMUS 8

9 Beanspru- chung E + Globales- Sicherheitskonzept Die Die Einwirkungen werden werden mit mit einem einem Sicherheitsfaktor vergrößert. Sicherheit Fähigkeit des des Tragwerks zur zur Sicherstellung von von Tragfähigkeit und und Gebrauchstauglichkeit, die die eine eine Gefährdung der der öffentlichen Sicherheit und und Ordnung verhindern. Widerstand R R muss muss dann dann durch durch bessere bessere Eigenschaften wie wie z.b. z.b. höhere höhere Werkstofffestigkeiten oder oder größere größere Querschnitte angepasst werden. werden. So So erhält erhält das das Tragwerk die die Grenzzustände sind sind Zustände, bei bei deren deren Überschreitung das das Tragwerk die die angenommenen Entwurfsanforderungen nicht nicht länger länger erfüllt. erfüllt. Univ.-Prof. Dr.-Ing. gewünschte Herbert KLAPPERICH Sicherheit. / Dipl.-Ing. Taner AYDOGMUS 9

10 Globalsicherheitskonzept In den bisherigen deutschen Normen wird die Standsicherheit η vorh als Quotient von Widerstand R und Beanspruchung S nachgewiesen, der dann größer als ein globaler Sicherheitsfaktor η sein muss. R η = η vorh S R S η Univ.-Prof. Dr.-Ing. Herbert KLAPPERICH / Dipl.-Ing. Taner AYDOGMUS 10

11 Beanspru- chung E + Widerstand R - Teil- Sicherheitskonzept Die Die Einwirkungen werden werden mit mit einem einem Teilsicherheitsbeiwert vergrößert. So So erhält erhält das das Tragwerk die die nötige nötige Teilsicherheit auf auf der der Einwirkungsseite. Der Der Widerstand des des Tragwerks wird wird mit mit einem einem Teilsicherheitsbeiwert reduziert. So So erhält erhält das das Tragwerk die die nötige nötige Teilsicherheit auf auf der der Widerstandsseite. Teilsicherheitsbeiwerte Beiwerte zur zur Bestimmung der der Bemessungswerte von von Einwirkungen, von von Beanspruchungen oder oder von von Tragwiderständen aus aus den den repräsentativen bzw. bzw. charakteristischen Werten. Werten. Grenzzustand Zustand Zustand des des Tragwerks, bei bei dessen dessen Überschreitung die die der der Tragwerksplanung zugrunde gelegten Anforderungen (rechnerischrisch) nicht nicht mehr mehr erfüllt erfüllt (rechne- sind. sind. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Herbert KLAPPERICH / Dipl.-Ing. Taner AYDOGMUS 11

12 Teilsicherheitsbeiwertheitsbeiwerte Teilsicher- (steuern).. (steuern).. Beanspru- chung E Grenzzustand Grenzzustand + Bezeichnungen Bemessungswert E d d Charakteristischer Wert Wert E k k Charakteristische Werte Werte sind sind vorsichtige Mittelwerte, die die aus aus Berechnungen oder oder aus aus Materialuntersuchungen abgeleitet werden; werden; gekennzeichnet durch durch den den Index Index k. k. Widerstand R - Bemessungswert R d d CharakteristischerWert R k tischer k Bemessungswerte Wert Wert einer einer Einwirkung oder oder eines eines Widerstandes, der der für für den den Nachweis eines eines Granzzustandes zugrundegelegt wird; wird; gekennzeichnet durch durch den den Index Index d. d. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Herbert KLAPPERICH / Dipl.-Ing. Taner AYDOGMUS 12

13 Teilsicherheit Teilsicherheit auf auf der der Einwirkungsseite Einwirkungsseite E k + E R E d d R d d E d = γ F * E k Grenzzustand der der Tragsicherheit Zustand Zustand des des Tragwerks, dessen dessen Überschreitung unmittelbar zu zu einem einem un- rechnerischen Einsturz oder oder anderen anderen Formen Formen des des Versagens führt; führt; der der Grenzzustand ergibt ergibt sich sich i.a. i.a. aus aus dem dem größten größten rechnerischen Tragwiderstandstand. R k - R d = =R R k /γ /γ R Teilsicherheit Teilsicherheit auf auf der der Widerstandsseite Widerstandsseite Univ.-Prof. Dr.-Ing. Herbert KLAPPERICH / Dipl.-Ing. Taner AYDOGMUS 13

14 Teilsicherheit Teilsicherheit auf auf der der Einwirkungsseite Einwirkungsseite E k + E d C d E d = γ E * E k Grenz- wert C d Grenzzustand der der Gebrauchstauglichkeit Zustand Zustand des des Tragwerks, bei bei dessen dessen Überschreitung die die für für die die Nutzung festgelegten Bedingungen nicht nicht mehr mehr erfüllt erfüllt sind, sind, ohne ohne dass dass seine seine Tragfähigkeit verloren geht; geht; z.b. z.b. die die Funktion des des Bauwerks, das das optische Erscheinungsbild oder oder das das Wohlbefinden von von Personen. C d ist d ist der der Grenzwert Grenzwert des des Gebrauchstauglichkeitskriteriums (z.b. (z.b. ertragbare ertragbare Spannung, Spannung, Verformung, Verformung, kriteriums Schwingung, Schwingung, Rissbreite) Rissbreite) Univ.-Prof. Dr.-Ing. Herbert KLAPPERICH / Dipl.-Ing. Taner AYDOGMUS 14

15 Teilsicherheitskonzept Verfahren mit faktorisierten Einwirkungen und Widerständen ' ' E = E( ϕ,c) γ R d d k k k ' ' k ϕk, k E = R ( c )/ γ R Verfahren mit faktorisierten Scherparameter tan ϕ = (tan ϕ ) / γ ϕ ' d ' d c = c / γ ' k c ' k Univ.-Prof. Dr.-Ing. Herbert KLAPPERICH / Dipl.-Ing. Taner AYDOGMUS 15

16 Grenzzustände nde Zum Nachweis der Standsicherheit werden Grenzzustände angenommen. Grenzzustände nde sind Zustände nde, bei deren Überschreitung das Tragwerk die angenommenen Entwurfsanforderungen nicht länger erfüllt llt. Die DIN 1054: unterscheidet zwei Gruppen von Grenzzuständen: GZ 1 Grenzzustand der Tragfähigkeit (ULS Ultimate Limit States) GZ 2 Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (SLS Serviceability Limit States) Univ.-Prof. Dr.-Ing. Herbert KLAPPERICH / Dipl.-Ing. Taner AYDOGMUS 16

17 Grenzzustand der Tragfähigkeit In GZ 1 werden drei Fälle unterschieden: GZ 1A Verlust der Lagesicherheit Nachweis der Sicherheit gegen Aufschwimmen, Abheben und hydraulischen Grundbruch. GZ 1B Versagen von Bauwerken und Bauteilen Ermittlung der Beanspruchungen in Bauwerken und Bauteilen, die durch den Baugrund belastet bzw. durch den Baugrund gestützt werden & Tragfähigkeit des Baugrundes (Grundbruchwiderstand oder Gleitwiderstand). GZ 1C Verlust der Gesamtstandsicherheit Nachweis der Sicherheit gegen Böschungsbruch und Geländebruch. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Herbert KLAPPERICH / Dipl.-Ing. Taner AYDOGMUS 17

18 Lastfälle (LF) Einwirkungskombination (EK) & Sicherheitsklassen (SK) bei Widerständen Lastfall LF 1: ständige Bemessungssituation, im wesentlichen ständige und während der Funktionszeit des Bauwerks regelmäßig auftretende veränderliche Einwirkungen. Lastfall LF 2: vorübergehende Bemessungssituation, außer den Einwirkungen des LF1 seltene oder einmalige planmäßige Einwirkungen sowie Bauzustände. Lastfall LF 3: außergew ergewöhnliche Bemessungssituation, außer den Einwirkungen des LF 1 eine gleichzeitigmögliche außergewöhnliche Einwirkung. Insbesondere Katastrophen, Unfälle oder andere voraussichtlich nie auftretende Zustände. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Herbert KLAPPERICH / Dipl.-Ing. Taner AYDOGMUS 18

19 Globales- vs. Teilsicherheitskonzept Die in der DIN 1054: , dokumentierten Teilsicherheitsbeiwerte sind so festgelegt, dass das bewährte Sicherheitsniveau der DIN 1054: erhalten bleibt. Näherungsweise kann das Teilsicherheitskonzept in das globale Sicherheitskonzept wie folgt überführt werden: R E mit η= ( γ γ ) E k k F R k ( γf γr) Teilicherheitskonzept Globalsicherheitskonzept R η k R E γ mit γ = 1 und γ =η E k k F F R k γr Rk η Univ.-Prof. Dr.-Ing. Herbert KLAPPERICH / Dipl.-Ing. Taner AYDOGMUS 19

20 Vielen Dank für f r Ihre Aufmerksamkeit! Univ.-Prof. Dr.-Ing. Herbert KLAPPERICH / Dipl.-Ing. Taner AYDOGMUS 20