Bemessung von tiefen Baugruben nach der neuesten Normengeneration Anwendung des Normen-Handbuchs zu DIN EN in Verbindung mit EAB 2012

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1 Stahlspundwände (11) Planung und Anwendung Bemessung von tiefen Baugruben nach der neuesten Normengeneration Anwendung des Normen-Handbuchs zu DIN EN in Verbindung mit EAB 2012 Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Christian Moormann und Dipl.-Ing. Linus Klein 1 Einleitung Mit der bauaufsichtlichen Einführung des Eurocode EC 7, Teil 1, in Form der DIN EN 1997: 2009 einschließlich des Nationalen Anhangs DIN /NA: und den ergänzenden Regelungen der DIN 1054: ist auch in der Geotechnik die Umstellung des für Entwurf, Berechnung und Bemessung maßgebenden Normenwerkes auf die europäischen Regelungen abgeschlossen. In diesem Zusammenhang wurde auch eine Anpassung der Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben (EAB) der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik erforderlich, die in der 2012 erschienen 5. Auflage dokumentiert sind. Neben der Anpassung an den EC 7-1 wurden in der 5. Auflage der EAB die Kapitel Baugruben im Wasser und Messtechnische Überprüfung und Überwachung von Baugrubenkonstruktionen maßgeblich überarbeitet beziehungsweise an den Stand der Technik an - gepasst. Im Folgenden wird mit dem Fokus auf die Anwendung für die Bemessung von tiefen Baugruben ein Überblick über die mit der Einführung des Eurocode 7 einhergehenden Umstellungen gegeben und einige wesent - liche Neuerungen in der 5. Auflage der EAB erläutert. 2 Normen-Handbuch EC 7 Band Überblick zur Normenumstellung Im Rahmen der Vereinheitlichung der Normen des konstruktiven Ingenieurbaus auf europäischer Ebene wurden 10 Eurocodes als Grundlage für Entwurf, Bemessung und Berechnung von Tragwerken, die Vertragsgestaltung von Bauarbeiten und die damit verbundenen Ingenieurleistungen sowie die Ausschreibung von Bauprodukten erarbeitet. DIN EN 1990: , i. e. Eurocode 0 Grundlagen der Tragwerksplanung, und DIN EN 1991: , i. e. Euro - code 1 Einwirkungen auf Tragwerke, bilden die Basis für die Anwendung der fachspezifischen Eurocodes im Bauwesen (Bild 1). Bild 1: Europäische Hierarchie der Bemessungsnormen, Stand

2 Bemessung von tiefen Baugruben nach der neuesten Normengeneration Bild 2: Zeitliche Entwicklung der Normung in der Geotechnik Der für die Geotechnik maßgebende Eurocode 7 Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik gliedert sich in den Teil 1 Allgemeine Regeln und den Teil 2 Erkundung und Untersuchung des Baugrunds. Der Teil 1 wurde als DIN EN : in Verbindung mit dem Nationalen Anhang und den ergänzenden Regelungen in den meisten Bundesländern mit einer Stichtagsregelung zum 1. Juli 2013 bauaufsichtlich eingeführt, in einigen Bun - desländern gelten Übergangsregelungen. Der Eurocode 7, Teil 2, wurde hingegen nicht in die Liste der Technischen Baubestimmungen aufgenommen. Die begleitenden nationalen Anhänge DIN EN /NA: und DIN EN /NA: stellen das Bindeglied zu den jeweiligen nationalen Normen, i.e. die DIN 1054: für den EC 7-1 und die DIN 4020: für den EC 7-2, dar (Bild 1). Der nationale Anhang DIN EN /NA enthält im Wesentlichen Angaben zu den national anzuwendenden Nachweisverfahren und Teilsicherheitsbeiwerten sowie zu den national gültigen informativen Anhängen des EC 7-1, während die DIN 1054: Baugrund Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau Ergänzende Regelungen zu DIN EN die als unverzichtbar angesehenen deutschen Erfahrungen und Regelungen in einer vergleichsweise umfangreichen Ergänzungsnorm zusammenfasst, also ergänzende, aber nicht im Widerspruch zum Euro - code 7 stehende Anwendungsregeln enthält. In DIN 1054: erfolgt zudem der Verweis auf wichtige nationale technische Regelwerke wie die Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben (EAB) und die Empfehlungen des Arbeitskreises Pfähle (EA-Pfähle). Die Dokumente DIN EN , DIN EN /NA und DIN 1054 wurden in dem Handbuch Eurocode 7, Band 1, in dem die einzelnen Bestandteile entsprechend der Gliederung der DIN EN unter Kenntlichmachung ihrer Zuordnung abgedruckt sind, zusammengefasst und 2011 veröffentlicht. Erst durch diesen Zusammendruck entstand ein lesbares und für den Nutzer anwendbares normatives Regelwerk. Das Normenhandbuch Eurocode 7, Band 1 ersetzt die DIN 1054: Baugrund Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau, die ihrerseits Nachfolgerin der fast 30 Jahre gültigen DIN 1054: war (Bild 2) [11]. Nachfolgend werden einige wesentliche, mit der Einführung des Eurocode 7, Band 1, ein - hergehende Umstellungen und Veränderungen erläutert. 2.2 Bemessungssituationen Der in DIN 1054: verwendete Begriff des Lastfalls wird in DIN EN durch den Begriff der Bemessungssituation ersetzt. DIN 1054 definiert vier Bemessungssituationen: Ständige Situationen (engl. persistent situations ), die den üblichen Nutzungsbedingungen eines Tragwerkes entsprechen, worin 2

3 Stahlspundwände (11) Planung und Anwendung ständige und während der Funktionszeit des Tragwerks regelmäßig auftretende veränder - liche Einwirkungen zusammengefasst werden, sind der Bemessungssituation BS-P zugeordnet. Vorübergehende Situationen (engl. transient situations ), wie Bauzuständen bei der Herstellung eines Bauwerks, Baumaßnahmen für vorübergehende Zwecke, z. B. Baugrubenkonstruktionen und planmäßig einmalig auftretenden Einwirkungen, sind der Bemessungssituation BS-T zugeordnet. Die Bemessungssituation BS-A ist in außergewöhnlichen Situationen (engl. accidental situations ), wie z. B. Anprall, extremes Hochwasser oder Ankerausfall, anzusetzen. Die neben der außergewöhnlichen Einwirkung angreifenden ständigen und regelmäßig auftretenden veränderlichen Einwirkungen sind bei Betrachtung einer Bemessungssituation BS-A gemäß den Bemessungssituationen BS-P und BS-T zu berücksichtigen. Einwirkungen infolge eines Erdbebenereignisses werden der Bemessungssituation BS-E (engl. earthquake ) zugeordnet, wobei gemäß DIN EN 1990 keine Teilsicherheitsbeiwerte angesetzt werden. Tabelle 1 stellt die aktuellen Bemessungs - situationen den bekannten Lastfällen nach DIN 1054: gegenüber. 2.3 Kombinationsbeiwerte Mit der bauaufsichtlichen Einführung der DIN EN können auch in der Geotechnik die repräsentativen Bemessungswerte der Einwirkungen aus den charakteristischen Einwirkungen unter Ansatz von Teilsicherheitsbeiwerten und Kombinationsbeiwerten ermittelt werden. Für geotechnische Fragestellungen sind die Kombinationsregeln gemäß DIN EN 1990 bzw. die Kombinationsbeiwerte ψ für sonstige Einwirkungen gemäß Tabelle A.1.1 (DIN EN 1990/NA) anzusetzen. Beim Nachweis der Sicherheit gegen Aufschwimmen (UPL) und beim Nachweis der Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch (HYD) sind die Bemessungswerte ohne Berücksichtigung von Kombinationsbeiwerten zu ermitteln. 2.4 Bemessungswerte von Einwirkungen aus Wasser Besonders hingewiesen sei auf die Ermittlung der Bemessungswerte der Beanspruchungen aus Grundwasser und freiem Wasser, die gerade für Spundwandkonstruktionen von besonderer Bedeutung sind, gleichwohl nicht einheitlich geregelt sind. Gemäß DIN 1054: sind bei der Ermittlung von Bemessungswerten der Beanspru- Tabelle 1: Bemessungs - situation nach DIN 1054:

4 Bemessung von tiefen Baugruben nach der neuesten Normengeneration chung aus freiem Wasser und Grundwasser auch für den veränderlichen Anteil des Wasserdrucks die Teilsicherheitsbeiwerte für ständige Einwirkungen zugrunde zu legen. Im Gegensatz dazu wird in DIN 19702: Massivbauwerke im Wasserbau zwischen ständigen und veränderlichen Einwirkungen sowie nach deren Wirkung zwischen günstigen und ungünstigen Einwirkungen unterschieden, woraus sich die Festlegung der Teilsicherheitsbeiwerte ergibt. Die Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben (EAB 2012) betrachten den gesamten Wasserdruck als ständige Einwirkung, die mit dem Teilsicherheitsbeiwert für ständige Einwirkungen zu beaufschlagen ist. Die Bemessungs - situation ist in Abhängigkeit von der Eintrittswahrscheinlichkeit des Wasserstandes zu wählen. So gilt bei Baugrubenkonstruktionen für den vorgegebenen Bemessungswasserstand die Bemessungssituation BS-T, während für hohe oder außergewöhnliche Wasserdrücke, infolge von Wasserständen, die ein Fluten der Bau - grube nach sich ziehen würden, die Bemessungssituation BS-T/A anzusetzen ist (siehe Tabelle 5). Im Fall einer verhinderten Umströmung des Wandfußes ist der Ansatz der Wasserdruckresultierenden aus der Überlagerung des Wasserdrucks auf der aktiven und passiven Seite nach EAB zulässig. Für umströmte Baugrubenkonstruktionen fordern die Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben (EB 63, Abs. 2) entgegen dem in DIN Kapitel 9.6 A(9) vorgeschlagenen vereinfachten Ansatz eine detaillierte Betrachtung der Strömungsverhältnisse, wodurch in der Regel numerische Simulationen und Parameterstudien unter Berücksichtigung der Anisotropie hinsichtlich der Durchlässigkeit erforderlich werden. Die Empfehlungen des Arbeitsausschusses Ufereinfassungen (EAU) lassen bei Ufereinfassungen, die größere Verschiebungen schadlos aufnehmen können, den Ansatz reduzierter Teilsicherheitsbeiwerte g red zu. Die Teilsicherheitsbeiwerte gemäß Tabelle 2 dürfen angewendet werden, wenn fundierte Messwerte bezüglich der höhenmäßigen und Tabelle 2: Reduzierte Teilsicherheitsbeiwerte g red gemäß den Empfehlungen des Arbeitsausschusses Uferein - fassungen zur Ermittlung der Bemessungswerte des Wasserdrucks zeitlichen Abhängigkeit zwischen Grund- und Außenwasserständen für die Ermittlung des Bemessungswasserstandes vorliegen, der Bemessungswasserstand auf Grundlage einer numerischen Modellierung der Bandbreite und der Auftretenshäufigkeit der tatsächlichen Wasserstände festgelegt wurde und im Rahmen der Beobachtungsmethode dieser Wasserstand während der Bauzeit durch geeignete Maßnahmen gewährleistet wird oder geometrische Randbedingungen vorliegen, die den Bemessungswasserstand auf einen Maximalwert begrenzen. 2.5 Grenzzustände Das Handbuch Eurocode 7, Band 1, unterscheidet den Grenzzustand der Tragfähigkeit, der als ULS ( ulimate limit state ) bezeichnet wird, und den Grenzzustand der Gebrauchs - tauglichkeit, der mit SLS ( serviceability limit state ) abgekürzt wird. Es sind stets grundsätzlich beide Nachweise zu führen. Mit Einführung der DIN EN wurden die in der Geotechnik nachzuweisenden Grenzzustände der Tragfähigkeit grundlegend neu gegliedert. So wurde der aus DIN 1054: bekannte Grenzzustand GZ 1A zur Untersuchung des Verlusts der Lagesicherheit in DIN EN stärker aufgegliedert und in Abhängigkeit von dem Versagensmechanismus wurden die Grenzzustände EQU ( equilibrium ), UPL ( up - lift ) und HYD ( hydraulic failure ) definiert (Tabelle 3). Der bisherige Grenzzustand GZ 1B nach DIN 1054: wird aufgeteilt in den Grenzzustand STR des inneren Versagens von Bauwerken und Bauteilen ( structural failure ) und in den Grenzzustand GEO-2 des Versagens oder sehr großer Verformungen des Baugrundes ( geotechnical failure ). Bei dem Grenzzustand STR sind also die werkstoffspezifischen Eigenschaften und Nachweisverfahren der konstruktiven Elemente nach den Vorgaben der Eurocodes EC 2 bis EC 6 und EC 9 zu berücksichtigen, wobei die Ermittlung der Schnitt - größen, soweit diese durch Erddruck, Wasserdruck oder die Widerstände des Bodens beeinflusst werden, unter Berücksichtigung des EC 7-1 zu erfolgen hat. Bei dem Nachweis des Grenzzustandes GEO-2, beispielsweise in Form des Nachweises gegen Gleiten und Grundbruch, werden bei dem in Deutschland anzuwendenden Nachweisverfahren DA2* die Widerstände zunächst mit den charakteristischen Bodenkennwerten ermittelt und erst auf der Widerstandsebene mit den Teilsicherheitsbeiwerten fakto- 4

5 Stahlspundwände (11) Planung und Anwendung Tabelle 3: Übersicht der Grenzzustände der Tragfähigkeit risiert. Der bisher als Grenzzustand GZ 1C bekannte Nachweis der Gesamtstandsicherheit wird nun als Grenzzustand GEO-3 betrachtet. Die geotechnischen Einwirkungen und Widerstände werden unverändert mit den Bemessungswerten der Scherfestigkeit ermittelt. Besondere Beachtung verdient der Grenzzustand HYD, der neben dem hydraulischen Grundbruch sowohl das Versagen durch innere Erosion als auch durch Piping im Boden umfasst, wobei zunächst nur für den Nachweis der Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch eine Grenzzustandsgleichung formuliert wird. Die anzusetzenden Teilsicherheitsbeiwerte gemäß DIN 1054: für die Faktorisierung der stabilisierenden Einwirkungen sind im Vergleich zu den Teilsicherheitsbeiwerten gemäß DIN EN um 0,05 größer. Damit liegt gemäß [15] gegenüber der früheren globalen Sicherheit eine geringfügig reduzierte Sicherheit vor, was aber durch eine Vergrößerung der Teil - sicherheitsbeiwerte für destabilisierende Einwirkungen der Strömungskräfte bei ungünstigem Untergrund ausgeglichen wird. Als ungünstiger Untergrund sind locker gelagerte Sande, Feinsande, Schluffe sowie weiche bindige Böden anzusehen, die infolge von Durchströmung zu Kornumlagerungen und Piping neigen. 3 Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben EAB 2012 Im Zuge der sich abzeichnenden bauaufsichtlichen Einführung der Eurocodes wurde eine Anpassung der 4. Auflage der Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben (EAB) der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik (DGGT) an die Vorgaben der DIN EN :2009 in Verbindung mit dem Nationalen Anhang DIN /NA: und den ergänzenden Regelungen der DIN 1054: , kurz dem Handbuch Eurocode 7, Band 1, erforderlich. Im Zuge dieser Anpassungen wurden u. a. die Lastfälle auf Bemessungssituationen umgestellt und die Grenzzustände der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit entsprechend neu geordnet. Da - rüber hinaus sind die aus der Anpassung heraus erforderlichen Änderungen jedoch verhältnismäßig gering, da bereits die 4. Auflage 2006 auf die Sicherheitsphilosophie des EC 7-1 ausgerichtet war. Dennoch wurden alle Empfehlungen von dem von Prof. Hettler geleiteten Arbeitskreis gründlich überprüft und soweit erforderlich angepasst [8]. Nachfolgend sollen wesentliche inhaltliche Änderungen und Fortschreibungen der 5. Auflage von 2012 zusammenfassend dargestellt und erläutert werden. 5

6 Bemessung von tiefen Baugruben nach der neuesten Normengeneration 3.1 Planung und Prüfung von Baugruben (EB 106) Neu aufgenommen in die 5. Auflage der EAB (2012) wurde als Abschnitt 1.6 die EB 106 Planung und Prüfung von Baugruben. In diesem Abschnitt werden u. a. die Anforderungen an den Inhalt eines Geotechnischen Entwurfsberichtes für Baugruben definiert. Bei Baugruben, die in die geotechnische Kategorie GK 3 einzustufen sind, wird empfohlen, einen Sachverständigen für Geotechnik im Zuge der bautechnischen Prüfung des Geotechnischen Entwurfsberichts und des Geotechnischen Berichts hinzuzuziehen, der auch an der Prüfung der Ausführungsplanung und zur Beurteilung der Ergebnisse der messtechnischen Überwachung und Überprüfungen beteiligt sein sollte. Bei der Ausführung von Baugruben der geotechnischen Kategorien GK 2 und GK 3 wird in EB 106 empfohlen, einen geeigneten Bauüberwacher, der über entsprechende Erfahrungen und Sachkunde mit Baugruben verfügt, einzuschalten. 3.2 Geotechnische Kategorien für Baugruben (Anhang A 5) Das Handbuch EC 7, Band 1, beinhaltet als nationale Ergänzung in Absatz A 2.12 Kriterien für die Einstufung von geotechnischen Konstruktionen in Geotechnische Kategorien. In Anlehnung an diese Regelungen wurde in die 5. Auflage der EAB als Anhang A 5 eine Übersicht mit Kriterien für die Zuordnung von Baugruben zu den geotechnischen Kategorien GK 1, GK 2 und GK 3 aufgenommen, die eine hilfreiche Ergänzung zu Tabelle AA.1 aus dem Handbuch Eurocode 7, Band 1 darstellt (siehe Tabelle 4). Der Verweis erfolgt über Absatz 1.6 der EAB (EB 106). 3.3 Bemessungssituationen nach EAB 2012 (EB 24, EB 79) Die 5. Auflage der Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben folgt den Vorgaben des Handbuchs Eurocode 7, Band 1. Tabelle 5 fasst die Bemessungssituationen für Baugruben nach EAB 2012 zusammen. Regelfall für die Bemessung von Baugruben ist die Bemessungssituation BS-T, der Ausnahmefall die Bemessungssituation BS-A. Darüber hinaus wird die Bemessungssituation BS-T/A definiert, die in Sonderfällen anzuwenden ist. Zu den Sonderfällen zählen nach EB 24, Abs. 4, Flieh- und Bremskräfte Tabelle 4: Geotechnische Kategorien für Baugruben gemäß Anhang A 5 der 5. Auflage der EAB (2012) sowie Seitenstoß (z. B. bei Baugruben, die sich neben oder unter Eisen- oder Straßenbahnen befinden), selten auftretende Lasten und unwahrscheinliche oder selten auftretende Kombinationen von Lastgrößen und Lastangriffspunkten, Wasserdruck infolge von Wasserständen, die über dem festgelegten Bemessungswasserstand liegen sowie Temperatureinwirkungen auf Steifen. Für die Bemessungssituation BS-T/A sind die Teilsicherheitsbeiwerte entsprechend zu interpolieren. 6

7 Stahlspundwände (11) Planung und Anwendung Tabelle 5: Bemessungs - situationen für Baugruben nach EAB 2012 Für Baugruben ist die Bemessungssituation BS-P, bisher Lastfall 1, in der Regel nicht maßgebend. Ausnahmen stellen der Nachweis der Standsicherheit in der tiefen Gleitfuge bei Ansatz des erhöhten aktiven Erddrucks bzw. des Erdruhedrucks (EB 44, Abs. 11), die Bemessung von Steifen (EB 52, Abs. 12) und die Bemessung von Verankerungen von Wänden im Vollaushubzustand dar. Die aktuellen Teilsicherheitsbeiwerte sind im Anhang A 6 der EAB 2012 dokumentiert. 3.4 Kombinationsregeln und repräsentative Werte nach EAB 2012 (EB 24) Die Kombinationsregeln des EC 7-1 bzw. der Eurocodes allgemein können insbesondere bei Baugruben zu einer großen, nur schwer zu handhabbaren, da unübersichtlichen Anzahl von Lastfällen führen. Ergänzend zu den Angaben in DIN EN 1990/NA werden in der EAB 2012, EB 24, Abs. 7, Empfehlungen zum Ansatz der Kombinationsbeiwerte ψ gemacht, um eine möglichst einfache Verfahrensweise bei der Ermittlung der repräsentativen Werte zu ermöglichen. Danach sollten bei Einwirkungen infolge der Gründungslasten von Altbauten neben Baugruben, bei Vertikallasten aus Straßen- und Schienenverkehr gemäß EB 55, bei vereinfachten Lastannahmen für Nutzlasten aus Baustellenverkehr und Baubetrieb gemäß EB 56 sowie für Nutzlasten aus Baggern und Hebezeugen gemäß EB 57 die Kombinationsbeiwerte mit einem Betrag von ψ = 1,0 angesetzt werden. Bei Baugruben neben Neubauten dürfen hingegen die repräsentativen Werte aus der Statik des Tragwerkplaners übernommen werden. Bild 3 zeigt Situationen, in denen dementsprechend die Kombinationsbeiwerte zu ψ = 1,0 gesetzt werden können. Bild 3: Ermittlung des repräsentativen Wertes der Einwirkungen bei Baugruben unter Ansatz eines Kombinations - beiwertes ψ = 1,0: Beispiele 7

8 Bemessung von tiefen Baugruben nach der neuesten Normengeneration 3.5 Erddruckansätze und Mindesterddruck bei kohäsiven Böden (EB 6) Die Erddruckkräfte und die Erddruckverteilungen aus Auflasten werden auch nach EAB (2012) konsequent mit dem charakteristischen Reibungswinkel j k ermittelt. Bei Böden mit Reibung und Kohäsion war es in der Vergangenheit wiederholt zu Diskussionen gekommen, ob der Erddruck aus Bodeneigengewicht und Kohäsion mit dem Mindesterddruck zu vergleichen ist und der Erddruck aus Auflasten dann gegebenenfalls zusätzlich zum Mindesterddruck anzusetzen ist oder ob die Erddruckresultierende gegebenenfalls auch die Erddruckordinate aus Bodeneigengewicht, Kohäsion und Auflasten mit dem Mindesterddruck zu vergleichen ist, wobei der letztgenannte Ansatz zu geringeren Einwirkungen auf Verbauwände und Stützkonstruktionen führt. Obgleich Untersuchungen zur Auswirkung hoher Kohäsionswerte bei Auflasten fehlen [8], wurde in der EAB 2012 diesbezüglich eine Öffnungsklausel eingeführt, wonach bei einem hohen Kohäsionsanteil der Erddruck aus Auflasten in besonderen Fällen teilweise durch rechnerische Zugspannungen reduziert werden darf. EB 6, Abs. 4 führt hierzu aus: In Ausnahmefällen dürfen bei einer Kohäsion c k > 30 kn/m 2 die so ermittelten Erddrücke aus Auflasten mit rechnerischen Zugspannungen aus Bodeneigengewicht und Kohäsion angemessen verrechnet werden, sofern genauere Untersuchungen durchgeführt wurden und ausreichende örtliche Erfahrungen vorliegen. eingerüttelte Spundbohlen ist eine Abminderung der angegebenen Erfahrungswerte um 25 % vorzunehmen. Bei der Ermittlung des charakteristischen Fußwiderstandes R b,k ist die vorhandene Stahlquerschnittsfläche A b als Fuß- bzw. Aufstandsfläche anzusetzen (Bild 4a). Bei der Ermittlung des charakteristischen Mantelwiderstandes R s,k ist die vorhandene Mantelfläche A s unterhalb der Baugrubensohle auf der Baugrubenseite (passive Seite) in Ansatz zu bringen. Hinsichtlich der anzusetzenden Reibungskraft darf alternativ die Vertikalkomponente des mobilisierten Bodenauflagers B v,k in der projizierten Fläche A s* an - gesetzt werden (Bild 4b) [14]. 3.7 Anwendung des Bettungsmodulverfahrens (EB 102) Mit der 4. Auflage der EAB im Jahr 2006 wurde in der Empfehlung EB 102 Zur Anwendung des Bettungsmodulverfahrens das Vorgehen bei der Anwendung des Bettungsmodulverfahrens zum Nachweis der Einbindetiefe, bei der Ermittlung der Schnittgrößen in der Verbauwand und zum Nachweis der Gebrauchstauglichkeit erläutert und drei Verfahren zur Bestimmung des Bettungsmoduls für die Berechnung von Verbauwänden vorgeschlagen. In der Folge Vertikale Tragfähigkeit von Spundwänden (EB 84 / EB 85) Der bislang zur Ermittlung der vertikalen Tragfähigkeit von Spundwänden verwendete Ansatz von Radomski [13] mit wirksamer Aufstandsfläche und entsprechender Mantelfläche wurde in Abstimmung zwischen den Arbeitskreisen Baugruben und Ufereinfassungen der DGGT durch einen Ansatz unter Verwendung des Sondierspitzendrucks und der tatsächlichen Stahlfläche ersetzt. In Anhang A 10 der EAB 2012 werden Erfahrungswerte für die charakteristische Mantelreibung q s,k und den charakteristischen Spitzendruck q b,k in Abhängigkeit vom mittleren Spitzenwiderstand q c der Drucksonde für nichtbindige Böden, nicht jedoch für bindige Böden, angegeben. Die Erfahrungswerte entsprechen den Werten an der oberen Bandbreite der Empfehlungen des Arbeitskreises Pfähle (2012). Für Bild 4: a) vorhandene Stahlquerschnittsfläche A b als Fußbzw. Aufstandsfläche und b) vorhandene bzw. projizierte Mantelfläche A s bei Spundwänden nach EAB (EB 85-1) 8

9 Stahlspundwände (11) Planung und Anwendung Tabelle 6: Horizontale Bettungsmoduli k sh,k unter Wasser: Spannen für Erfahrungswerte bei einem Ausnutzungsgrad des Erdwiderstands µ a ª 1 für die Bemessungssituation BS-T (EAB 2012) zeit kam es zu ausführlichen Diskussionen und Vergleichsberechnungen. Insbesondere wurde thematisiert, dass sich mit den aufgenommenen Regelungen im Vergleich zu Erfahrungswerten relativ geringe Bettungsmoduli k sh,k und damit große Wandverschiebungen ergaben [1], zudem führten die drei vorgeschlagenen Verfahren in einigen Fällen zu stark variierenden Ergebnissen, so dass die EB 102 vom Arbeitskreis Baugruben überarbeitet, zunächst als Entwurf veröffentlicht [7] und in einer neuen Fassung in die EAB 2012 aufgenommen wurde. Die Empfehlung zur Bestimmung des Bettungsmoduls k sh,k auf Grundlage einer Widerstands-Verschiebungs-Beziehung unter Anwendung von Mobilisierungsfunktionen ist in der 5. Auflage der EAB entfallen, da die Anwendung von Mobilisierungsfunktionen bei den praktischen Berechnungen auf Schwierigkeiten gestoßen ist, die zwar grundsätzlich lösbar sind [7], das Verfahren aber umständlich werden lassen. Stattdessen werden die in Tabelle 6 dokumentierten Anhaltswerte für mittlere horizontale Bettungsmoduli k sh,k bei durchlaufenden Wänden in nichtbindigen Böden unter Grundwasser in Abhängigkeit von der Lagerungsdichte angegeben. Die auf Erfahrungsgrundlage ermittelten Werte berücksichtigen näherungsweise den Einfluss der Vorbelastung und dürfen über Wasser verdoppelt werden. Während in der 4. Auflage Erfahrungswerte für k sh,k in Abhängigkeit von der Ausnutzung bzw. dem Mobilisierungsgrad des Erdwiderstandes µ = mob E ph / E ph,k angegeben wurden, werden die k sh,k -Werte nunmehr für einen Ausnutzungsgrad des Erdwiderstandes von µ a = E d / R d ª 1 unter Berücksichtigung der Sicherheitsanforderungen der DIN 1054: für die Bemessungssituation BS-T vorgegeben. Die sich ergebenden Bettungsmoduli (Tabelle 6) sind deutlich höher als nach EB 102 in der 4. Auflage der EAB ermittelte Vergleichswerte. Für Einzelheiten wird auf Hettler [7] verwiesen. Bei bindigen Böden mit steifer bis halbfester Konsistenz dürfen nach EB 102 neu Werte k sh,k zwischen 3 und 9 MN/m 3 für den Bettungs - modul in Ansatz gebracht werden. Alternativ kann die horizontale Bettung auch durch lokale nichtlineare Mobilisierungsansätze modelliert oder auf der Basis von Finite-Element-Berechnungen ermittelt werden. Die Notwendigkeit einer besonderen Sachkunde und Erfahrung zur Ermittlung eines wirklichkeitsnahen Bettungsmoduls wird in EB 102 hervorgehoben. 3.8 Baugruben im Grundwasser (EB 61 ff.) Das Kapitel 10 Baugruben im Grundwasser der EAB wurde für die 5. Auflage wesentlich überarbeitet. Auch motiviert durch Schadens - fälle wird der Planer nunmehr noch nachhaltiger dazu angehalten, zukünftig ausführlicher als bisher beispielsweise auf Risiken aus Erosionsvorgängen, Anisotropie in der hydraulischen Durchlässigkeit und hydraulischen Grundbruch einzugehen. In den Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben (2012) wird in EB 61 hinsichtlich der Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch explizit darauf hingewiesen, dass die Baugrubengeometrie und die Mächtigkeit der wasserführenden Schicht maßgeblich die räumliche Wirkung der Strömungskräfte und damit die erforderliche Einbindetiefe der Baugrubenwände beeinflusst. Insbesondere in Baugrubenecken beziehungsweise bei schmalen Baugruben besteht die Gefahr deutlich erhöhter Strömungskräfte, wodurch eine besondere Untersuchung erforderlich wird. Ergänzend zu den Angaben im Handbuch Eurocode 7, Band 1, wird in den Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben (2012) darauf hingewiesen, dass der bekannte geometrische Ansatz des Bruchkörpers nach Terzaghi/Peck [16] (siehe Bild 5) zum Nachweis der Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch, in Deutschland zu führen anhand der Grenz - zustandsgleichung unter Ansatz der Strömungskraft im Bodenprisma und dessen Gewicht unter Auftrieb, nur für homogene Böden gilt und in Fällen geschichteten Baugrunds genauere Untersuchungen erforderlich werden. Zudem wird in EB 61 darauf hingewiesen, dass der Standsicherheitsnachweis für eine Stromlinie 9

10 Bemessung von tiefen Baugruben nach der neuesten Normengeneration Bild 5: Bruchkörper nach Terzaghi/Peck [16] für den Nachweis der Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch GEO-2 die ausreichende Sicherheit gegen Herausziehen für das Gesamtsystem und den Einzelpfahl in der Pfahlgruppe nachzuweisen. Bei Ausfall eines Zugpfahls sind die Nachbarpfähle im Grenzzustand der Tragfähigkeit STR in der Bemessungssituation BS-A nachzuweisen. Es wird darauf hingewiesen, dass bei Mikro- und RI-Pfählen der maximale Pfahlachsabstand einen Betrag von 3,5 m nicht überschreiten sollte. Bei rückverankerten Sohlabdichtungen, beispielsweise bei DSV-Sohlen, kommt es im Zuge des Aushubs zu Hebungen der Baugrubensohle, die im Fall von relativ steifen Injektions- und Düsenstrahlsohlen zu Zwängungsbeanspruchungen führen, die gegebenenfalls im Zuge der Bemessung zu berücksichtigen sind (Bild 7). entlang der Wand nach Davidenkoff [2] ein - facher zu führen ist und als auf der sicheren Seite liegend anzusehen ist. Vereinfachte Ansätze zur Beurteilung der Sicherheit gegen hydrau - lischen Grundbruch, wie sie in früheren Auf - lagen der Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben enthalten waren, sind nicht mehr zulässig. Der Nachweis der Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch ist vielmehr in jedem Fall rechnerisch zu führen. Der Nachweis der Sicherheit gegen Aufschwimmen (UPL) ist u.a. auch für alle Fälle, in denen die Baugrubenwände zusammen mit einer horizontalen Abdichtung einen geschlossenen trogartigen Baukörper bilden, zu führen. EB 62 fordert im Vergleich zu den früheren Auflagen auch für mit Boden überdeckte mittelhochliegende verankerte Injektions- und Düsenstrahlsohlen den Nachweis der Sicherheit gegen Aufschwimmen (Bild 6). Abwärts gerichtete Einwirkungen, bestehend aus dem Eigengewicht der Baugrubenwände, der Vertikalkomponente des auf die Baugrubenwände einwirkenden Erddrucks sowie der Vertikalkomponente der Ankerkräfte (G W,k, T k und P V,k in Bild 6) dürfen nur in Ansatz gebracht werden, wenn eine Kraftübertragung in der Kontaktfläche Baugrubenwand/Sohldichtung nachgewiesen ist. Für schmale Baugruben oder im Randfeld bis zur ersten Zugpfahlreihe dürfen diese Kräfte in der Regel berücksichtigt werden. Bei mit Zugpfählen rückverankerten Sohlabdichtungen ist beim Nachweis der Sicherheit gegen Aufschwimmen sowohl die Pfahlgruppe als auch der Einzelpfahl zu betrachten. Zudem ist für den Grenzzustand der Tragfähigkeit Bild 6: Ansatz der Kräfte beim Nachweis der Sicherheit gegen Aufschwimmen bei einer verankerten mittelhoch liegenden Bodenverfestigung nach EB 62 der EAB 2012 Bild 7: Zwängungsbeanspruchungen in einer rückverankerten DSV-Sohle infolge Aushubentlastung 10

11 Stahlspundwände (11) Planung und Anwendung a) b) Bild 8: Vereinfachte Ansätze für die Erddruckabminderung (EB 75) mit im Verhältnis zu den mittleren Bereichen der Baugrubenwände: a) ebenso nachgiebigen Baugrubenecken, b) weniger nachgiebigen Baugrubenecken a) Bild 9: a) Berechnungsmodell, b) Vergleich der numerisch ermittelten räumlichen Erddruckverteilung mit den vereinfachten Ansätzen der EAB [10] b) 11

12 Bemessung von tiefen Baugruben nach der neuesten Normengeneration 3.9 Baugruben mit rechteckigem Grundriss (EB 75) Infolge großräumiger Spannungsumlagerungen bei annähernd rechteckigen Baugruben, deren Ecken in der Regel eine geringere Nachgiebigkeit aufweisen als die mittleren Bereiche der Seitenwände, kommt es zu einer Verminderung des einwirkenden Erddrucks im Bereich der Baugrubenseitenwände, wodurch sich gemäß Moormann [9] rechnerisch bis in die Mitte der Seitenwände eine Reduktion der horizontalen Wandverformungen im Vergleich zu einem rechnerisch üblicher Weise betrachteten ebenen Verformungszustand ergibt. Die in EB 75 Baugruben mit rechteckigem Grundriss enthaltenen Ansätze zur Verminderung des Erddrucks infolge räumlicher Wirkung, die in Abhängigkeit des Steifigkeitsverhältnisses zwischen den mittleren Bereichen der Baugrubenseiten und den Baugrubenecken definiert sind (Bild 8), stellen eine starke Vereinfachung dar und sind mit einer Überschätzung der Wandverformungen verbunden. Infolgedessen haben sich dreidimensionale numerische Berechnungen zur Abbildung des räumlichen Trag- und Verformungsverhaltens tiefer Baugruben bewährt [12]. Erst mit derartigen Berechnungen kann die Abhängigkeit des einwirkenden Erddrucks von den geometrischen Abmessungen der Baugrube und den geotechnischen Verhältnissen realistisch abgebildet werden (Bild 9) Messtechnische Überprüfung und Überwachung von Baugruben (EB 31 bis EB 36) Die Empfehlungen EB 31 bis EB 36 im Kapitel 14 Messtechnische Überprüfung und Überwachung von Baugrubenkonstruktionen der EAB wurden grundlegend überarbeitet und neu gegliedert. Hinsichtlich der Erfordernis von Messungen wird in EB 31 festgelegt, dass für Baugruben der Geotechnischen Kategorie GK 3 prinzipiell ein geeignetes Messkonzept zu erarbeiten und umzusetzen ist (exemplarisch: Bild 10). Für Baugruben der Geotechnischen Kategorie GK 2 ist über eine messtechnische Be - gleitung projektspezifisch zu entscheiden. Bei der Planung von Messungen gemäß EB 33 sind in einem Alarmplan die Schwell-, Eingreif- und Alarmwerte zur Beschreibung der Grenzen des Bauwerksverhaltens sowie Angaben zu Handlungsanweisungen festzulegen. Bei Anwendung der Beobachtungsmethode ist die Konstruktion so zu planen und auszuführen, dass durch die Bild 10: Messspiegel zur Erfassung der Verformungen am Kopf einer Spundwand aus Kombinationsprofilen. Nachrüstung geeigneter konstruktiver Maßnahmen ein mögliches Versagen der Konstruktion ausgeschlossen werden kann. Diese Maßnahmen sind bei der Ausführung vorzubereiten, so dass sie bei Bedarf rechtzeitig umgesetzt werden können. 4 Resümee und Ausblick Mit der Einführung des Eurocode 7 einschließlich Nationalem Anhang und ergänzenden Regeln der DIN 1054 ist die Umstellung der geotechnischen Normen von den langjährig bewährten nationalen Normen auf das europä - ische Regelwerk abgeschlossen. Die 5. Auflage der Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben (EAB 2012) wurde an die Vorgaben des Handbuchs Eurocode 7, Band 1, angepasst. Zudem wurden fachliche Aspekte wesentlich überarbeitet und fortentwickelt. Einige wesentliche Punkte dieser Neuerungen wurden vorlaufend dargestellt und erläutert. Nach gegenwärtigem Kenntnisstand ist davon auszugehen, dass die Regelungen des Normenhandbuchs Eurocode 7, Band 1, bis 2020 im Wesentlichen unverändert bleiben. 12

13 Stahlspundwände (11) Planung und Anwendung Die Europäische Kommission (EU) hat im Mai 2010 mit dem an das Europäische Komitee für Normung (CEN) gerichteten Mandat M 466 einen Prozess initiiert, die Eurocodes fortzuentwickeln ( Evolution ). Neben der Ausarbeitung neuer Eurocodes bzw. neuer Teile bestehender Eurocodes (u. a. für Glasstrukturen, fiberglasverstärkte Kunststoffe, Membranstrukturen etc.) sollen auch die bestehenden Eurocodes weiterentwickelt werden. Bei der Weiterentwicklung der bestehenden Eurocodes sollen u. a. aktuelle Forschungsergebnisse Berücksichtigung finden, aber auch der Prozess der Harmonisierung durch Vereinheitlichung der bislang national festzu - legenden Parameter (NDP Nationally Deter - mined Parameters, i. e. Teilsicherheitsbeiwerte, Modellfaktoren, Streuungsfaktoren etc.) weiter geführt und bestehende Regelungen vereinfacht werden. Ausgehend von dem Mandat der EU wurden 2011 sogenannte Evolution Groups eingerichtet, die die Aufgabe haben, im Hinblick auf die 2013 anstehende Regelanfrage zur Überarbeitung des EC 7 ein Konzept zu erarbeiten, das den Überarbeitungs-/Fortentwicklungsbedarf identifiziert und die strukturellen und inhaltlichen Leit - linien für eine Fortentwicklung des Eurocodes definiert. Auf der Basis der Antwort des TC 250 zu der Regelanfrage wird die Europäischen Union (EU) im Laufe des Jahres 2013, gegebenenfalls auch Anfang 2014 über eine Überar - beitung der Eurocodes entscheiden, wobei allgemein mit einem positiven Votum gerechnet wird. Auf Grund begrenzter Mittel ist dann mit einer fünfjährigen Überarbeitungszeit, i. e. von 2014 bis 2019, zu rechnen, so dass aus heutiger Sicht erwartet werden kann, dass eine neue Ausgabe der Eurocodes im Jahr 2020 eingeführt wird. Verantwortlich für die Fortentwicklung der Eurocodes ist der europäische Normenausschuss CEN/TC 250 Structural Eurocodes. Eines der neun Subcommittees des TC 250, der SC 7 widmet sich dem Eurocode EC 7, also der Fortentwicklung der Normung im Bereich Geo - technik. Bei diesen Entwicklungen wird es ein wesentliches Ziel sein, dem Aspekt der Anwenderfreundlichkeit der Normen und der inhaltlichen Straffung sowie Konzentration der umfang - reichen normativen Regelungen auf die Grundsätze auch von deutscher Seite aus zu nachhal - tigem Gehör zu verhelfen. 5 Literatur [1] Brandt, T., Bastian, D., Hillmann, S.: Die Berechnung von Baugruben mit dem Bettungsmodulverfahren nach EB 102. Bautechnik 88 (2011), Heft 10, S [2] Davidenkoff, R.: Zur Berechnung des hydraulischen Grundbruchs. Die Wasserwirtschaft 46 (1956), Heft 9, S [3] Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben EAB. 4. Auflage. Deutsche Gesellschaft für Geotechnik e.v. Berlin: Ernst & Sohn [4] Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben EAB. 5. Auflage. Deutsche Gesellschaft für Geotechnik e.v. Berlin: Ernst & Sohn [5] Empfehlungen des Arbeitskreises Pfähle EA-Pfähle. 2. Auflage. Deutsche Gesellschaft für Geotechnik e.v. Berlin: Ernst & Sohn [6] Empfehlungen des Arbeitsausschusses Ufereinfassungen Häfen und Wasserstraßen EAU. 11. Auflage. Hafentechnische Gesellschaft e.v. & Deutsche Gesellschaft für Geotechnik e.v. Berlin: Ernst & Sohn [7] Hettler, A.: Empfehlung EB 102 des Arbeitskreises Baugruben der DGGT zur Anwendung des Bettungsmodulverfahrens. Bautechnik 88 (2011), Heft 10, S [8] Hettler, A.: Die 5. Auflage der Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben. Bautechnik 89 (2012), Heft 9, S [9] Moormann, Chr.: Trag- und Verformungsverhalten tiefer Baugruben in bindigen Böden unter besonderer Berücksichtigung der Baugrund-Tragwerk- und der Baugrund-Grundwasser-Interaktion. Mitteilungen des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der Technischen Universität Darmstadt, Heft Nr. 59, Juli [10] Moormann, Chr.: Möglichkeiten und Grenzen experimenteller und numerischer Modellbildungen zur Optimierung geotechnischer Verbundkonstruktionen. Mitteilungen des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotechnik der Technischen Universität Darmstadt, Heft Nr. 83, Mai

14 Bemessung von tiefen Baugruben nach der neuesten Normengeneration [11] Moormann, Chr.: Die Geotechnische Normung auf dem Weg zum Eurocode 7. Der Prüfingenieur, April 2010, S [12] Moormann, Chr., Klein, L.: Deep Excavations with special ground shape. 5 th Biot Conference on Poromechanics, Wien 2013, p [13] Radomski, H.: Untersuchungen über den Einfluss der Querschnittsform wellenförmiger Spundwände auf die statischen und rammtechnischen Eigenschaften. Mitteilungen des Instituts für Wasserwirtschaft, Grundbau und Wasserbau der Universität Stuttgart, Heft 10, [14] Schallück, C., Pichler, T., Henke, S.: Neu - regelung des Nachweises der vertikalen Trag - fähigkeit von Spundwänden in der EAU. geotechnik 35 (2012), Heft 3, S [15] Schuppener, B.: Kommentar zum Handbuch Eurocode 7 Geotechnische Bemessung Allgemeine Regeln. Berlin: Ernst & Sohn [16] Terzaghi, K., Peck, R. B., deutsche Bearbeitung von A. Bley: Die Böden in der Baupraxis. Berlin/Göttingen/Heidelberg: Springer