Prüfung im Fach Grundbau II

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1 BAUINGENIEURWESEN Fachgebiet Bodenmechanik und Grundbau Prof. Dr.-Ing. habil. Christos Vrettos Prüfung im Fach Grundbau II Masterstudiengang Bauingenieurwesen Wintersemester 2017/ März 2018 Name: Vorname: Matrikel-Nr.: Aufgaben: 1 2 Dauer: 60 Minuten Mobiltelefone, Laptops, Smartphones und elektronische Medien sind auszuschalten. Das Handhaben, Klingeln, Leuchten, Blinken etc. des Gerätes wird als Täuschungsversuch gewertet.

2 Aufgabe 1 Erddruck (30 min) Eine Abraumhalde ist auf einem aus Schluff bestehenden Untergrund geschüttet. Bild 1.1 zeigt einen Querschnitt des ebenen Problems. Zur Ermittlung der Sohlnormal- sowie der Schubspannungsverteilung in der Haldensohle wurden die horizontalen und vertikalen Erddrücke in verschiedenen Schnitten berechnet. Die Tabelle 1.1 zeigt das Ergebnis, skaliert auf die Werte des Erddruckes von Schnitt 5. Folgende Punkte sind zu bearbeiten: 1.1 Ermitteln Sie die Erddruckkomponenten im Schnitt 5 und stellen Sie den Verlauf der beiden Erddruckkomponenten in den Schnitten 1 bis 9 zeichnerisch dar. 1.2 Berechnen Sie für die Schnitte 3, 5 und 8 die Sohlnormal- sowie die Schubspannungen. 1.3 Berechnen Sie in den drei Schnitten 3, 5 und 8 die erforderlichen Reibungswinkel erf s in der Sohle, bei denen das Grenzgleichgewicht gegen Gleiten gerade eingehalten ist. 1.4 Ermitteln Sie in der Sohle den kleinsten Ausnutzungsgrad f, wobei f = vorh s / erf s. In welchem Schnitt tritt dieser Wert auf? Bild 1.1: Systemquerschnitt mit Bodenparametern Tabelle 1.1: Einwirkungen in den Lamellengrenzen Schnitt E i h /Eh 5 0,000 0,075 0,274 0,590 1,000 1,450 1,740 1,890 1,910 E i v /Ev 5 0,000 0,087 0,272 0,555 1,000 1,400 1,345 0,380 0,000

3 Aufgabe 1 Erddruck (30 min)

4 Aufgabe 2 Erdbau (30 min) Zur Herstellung einer Auffüllung soll ein Grobkies mit einem tonigen Schluff vermischt werden. Die beiden Erdstoffe haben die folgenden Bodenkenngrößen: Grobkies: r = 20,25 kn/m 3 e = 0,565 emax = 0,70 ID = 0,45 w = 6% Schluff, tonig: S = 27,2 kn/m 3 e = 0,60 Sr = 0,90 Folgende Punkte sind zu bearbeiten: 2.1 In welchem Gewichtsverhältnis müssen die beiden Böden gemischt werden, wenn der Kies im Bodengemisch einen Porenanteil erhält, der der dichtesten Lagerung entspricht. Alle mit Luft gefüllten Poren des Kieses sollen mit dem tonigen Schluff gefüllt sein. 2.2 In Tabelle 2.1 finden Sie die Ergebnisse eines Proctorversuchs an Proben aus dem entstandenen Bodengemisch. Ermitteln Sie den optimalen Wassergehalt. Hinweis: Es wurde die gesamte Probe getrocknet. Tabelle 2.1: Ergebnisse des Proctorversuchs Versuch m + mb [g] md + mb [g] m [g] mw [g] d [Mg/m 3 ] w [%] , , , , , , , , , ,60 Versuchszylinder: Volumen V = cm 3 Gewicht mb = g m: Feuchte Probenmasse md: Trockene Probenmasse

5 BAUINGENIEURWESEN Fachgebiet Bodenmechanik und Grundbau Prof. Dr.-Ing. habil. Christos Vrettos Prüfung im Fach Grundbau II Masterstudiengang Bauingenieurwesen Sommersemester September 2017 Name: Vorname: Matrikel-Nr.: Aufgaben: 1 2 Dauer: 60 Minuten Mobiltelefone, Laptops, Smartphones und elektronische Medien sind auszuschalten. Das Handhaben, Klingeln, Leuchten, Blinken etc. des Gerätes wird als Täuschungsversuch gewertet.

6 Aufgabe 1 Dammbau (25 min) Ein kombinierter Kamin-Sohlfilter soll an der Luftseite eines homogenen Dammes angeordnet werden, Bild 1.4. Die Körnungslinien der vorgesehenen Baustoffe sind im Bild 1.1 dargestellt. Folgende Punkte sind zu bearbeiten: 1.1 Prüfen Sie, ob die Filterkriterien nach Cistin/Ziems (s. Bild 1.2) für die vorgesehenen Erdstoffe eingehalten sind. 1.2 Für den im Bild 1.4 dargestellten Damm sind zu bearbeiten: Bestimmen Sie die Sickerlinie durch den Damm nach Kozeny Entwerfen Sie ein Strömungsnetz. Die Anzahl der Stromröhren ist m = 4, die Anzahl der Potentiallinien n = Berechnen Sie die Sickerwassermenge pro laufenden Meter Dammbreite in m 3 /(s m). Der Boden D hat einen Durchlässigkeitsbeiwert k = m/s. 1.3 Für den Fall, dass der Filter am Dammfuß entfällt (homogener Damm), ist die Sickerlinie nach Kozeny zu konstruieren. Geben Sie an, wo die Sickerlinie an der Luftseite des Dammes austritt. D: Dammbaustoff F: Filterbaustoff Bild 1.1: Körnungslinien für Damm- und Filterbaustoff

7 Aufgabe 1 (1. Forts.) Dammbau (25 min) CU = U = Ungleichförmigkeitszahl Bild 1.2: Parameter A nach Cistin/Ziems Bild 1.3: Diagramm zur Ermittlung des Parameters c

8 Aufgabe 1 (2. Forts.) Dammbau (25 min) Bild 1.4: Dammquerschnitt (M 1:500)

9 Aufgabe 2 Erdbau (35 min) Als Schüttstoff für einen Uferdeich soll ein Kies mit einem sandigen Schluff vermischt werden. Bild 2.1 zeigt die Körnungslinien der beiden Böden. Folgende Punkte sind zu bearbeiten: 2.1 Tragen Sie die Körnungslinie des entstehenden Bodengemischs in das Diagramm (Bild 2.1) ein. Es sollen 30% Schluff mit 70% Kies gemischt werden. 2.2 Wieviel Porenvolumen ist nach Einbau des entstandenen Materials mit Luft gefüllt? Der Kies habe im Bodengemisch einen Porenanteil, der der lockersten Lagerung entspricht. 2 1 n = 0,33 0,923 Bild 2.1: Kornverteilungslinien Schluff, Kies

10 Aufgabe 2 (1. Forts.) Erdbau (35 min) Die Verdichtung wird auf der Baustelle durch Probenentnahme überprüft. Das Ergebnis eines Proctorversuchs zeigt Bild 2.2. Folgende Punkte sind zu bearbeiten: 2.3 Wieviel Prozent Proctordichte werden erreicht und welchen Wassergehalt besitzt die gewonnenen Probe? 2.4 Welche Wassermenge darf der Boden pro Volumeneinheit Schüttmaterial höchstens haben, um 98% Proctordichte auf der Baustelle zu erreichen? Die auf der Baustelle geleistete Verdichtungsarbeit entspricht der des Proctorversuchs. d [Mg/m 3 ] Bild 2.2: Proctorversuch

11 BAUINGENIEURWESEN Fachgebiet Bodenmechanik und Grundbau Prof. Dr.-Ing. habil. Christos Vrettos Prüfung im Fach Grundbau II Masterstudiengang Bauingenieurwesen Wintersemester 2016/ März 2017 Name: Vorname: Matrikel-Nr.: Aufgaben: Dauer: 60 Minuten Mobiltelefone, Laptops, Smartphones und elektronische Medien sind auszuschalten. Das Handhaben, Klingeln, Leuchten, Blinken etc. des Gerätes wird als Täuschungsversuch gewertet.

12 Aufgabe 1 Fangedamm (20 min) Die Baugrube für ein Brückenwiderlager soll mit einem Kastenfangedamm gesichert werden (Bild 1.1). Folgende Punkte sind zu bearbeiten: 1.1 Weisen Sie die Gesamtstandsicherheit der Konstruktion für die Bemessungssituation BS-T nach. 1.2 Bestimmen Sie die erforderlichen Ankerkräfte für die beiden Ankerlagen A 1 und A 2 je lfd m Fangedammlänge ebenso für BS-T. Bild 1.1: Schnitt durch den Fangedamm (Maße in [m])

13 Aufgabe 2 Dammbau (20 min) In einem Tal wird als Hochwasserschutz der Bau eines Staudammes geplant. Zur Entwässerung ist ein horizontaler Filterteppich vorgesehen. Bild 2.2 zeigt den Dammquerschnitt mit dem maximalen Einstauziel. Folgende Punkte sind zu bearbeiten: 2.1 Ermitteln Sie die Sickerparabel nach Kozeny und tragen Sie diese in Bild 2.2 ein. Benutzen Sie das beigefügte Diagramm in Bild Zeichnen Sie ein Strömungsnetz mit vier Stromlinien in das Lösungsblatt (Bild 2.2). 2.3 Ermitteln Sie die Sickerwassermenge q anhand dieses Strömungsnetzes. 2.4 Berechnen Sie die Mindestdicke d F des Filters. 2.5 Für den Punkt A (Bild 2.2) sind der hydraulische Gradient und die Druckhöhe zu ermitteln. Bild 2.1: Diagramm zur Ermittlung des Parameters c

14 Aufgabe 2 (1. Forts.) Dammbau (20 min) Bild 2.2: Dammquerschnitt (alle Maße in [m])

15 Aufgabe 3 Injektionstechnik (20 min) Eine langgestreckte Baugrube ist durch Spundwände gesichert (Bild 3.1). Die Auftriebssicherheit der Sohle muss während der Bauarbeiten sichergestellt werden. Es gelten die Teilsicherheiten für Bemessungssituation BS-T. Folgende Punkte sind zu bearbeiten: 3.1 Überprüfen Sie unter Berücksichtigung der Mehrschichtenformel, ob ein Einbinden der Spundwände bis zur Unterkante der Schluffschicht (-11,0 m, Schnitt a-a) ausreicht, so dass der Ausnutzungsgrad f zum Nachweis der Auftriebssicherheit der Baugrubensohle kleiner Eins ist. Es gilt f fs / g', wobei f s die spezifische Strömungskraft im Boden oberhalb von Schnitt a-a und g` das Gewicht des Boden oberhalb von Schnitt a-a sind. 3.2 In der anstehenden Kiesschicht soll eine Injektionssohle hergestellt werden. Die Durchlässigkeit des Kieses wird dadurch im Injektionsbereich auf k = 2, m/s reduziert. Ermitteln Sie die benötigte Dicke d inj der Injektionsschicht, so dass die Auftriebssicherheit im Schnitt a-a und Schnitt b-b erreicht wird. Es gilt die Definition des Ausnutzungsgrades wie unter Punkt 3.1. Bild 3.1: Querschnitt, charakteristische Bodenkenngrößen

16 BAUINGENIEURWESEN Fachgebiet Bodenmechanik und Grundbau Prof. Dr.-Ing. habil. Christos Vrettos Prüfung Fachstudienmodul Grundbau und Bodenmechanik Masterstudiengang Bauingenieurwesen Sommersemester September 2016 Name: Vorname: Matrikel-Nr.: Aufgaben: 1 2 Dauer: 60 Minuten Mobiltelefone, Laptops, Smartphones und elektronische Medien sind auszuschalten. Das Handhaben, Klingeln, Leuchten, Blinken etc. des Gerätes wird als Täuschungsversuch gewertet.

17 Aufgabe 1 Unterfangung (30 min) Um neben einem bestehenden Gebäude eine Baugrube auszuheben, werden die vorhandenen Streifenfundamente unterfangen. Dabei wird der anstehende Boden mittels Injektion verfestigt. Bild 1.1 zeigt einen Querschnitt des Unterfangungskörpers ( Inj = 21 kn/m 3 ) sowie die charakteristischen Bodenkennwerte des anstehenden Bodens. Die charakteristischen Einwirkungen P k und p k können vereinfachend als ständige Einwirkungen betrachtet werden. Die Lastannahmen sind so zu treffen, dass das Bauwerk keine Verschiebung erfährt. Folgende Punkte sind zu bearbeiten: 1.1 Ermitteln Sie die Ankerkraft A k (BS-P nach DIN 1054), so dass der Nachweis sowohl für den Grenzzustand der Tragfähigkeit als auch für den Gebrauchstauglichkeitsnachweis erbracht werden kann. 1.2 Führen Sie den Nachweis der Sicherheit in der tiefen Gleitfuge. Falls Teil 1.1 nicht gelöst wurde, kann mit einer Ankerkraft A k = 100 kn/m gerechnet werden. Bild 1.1: Unterfangungskörper mit charakteristischen Bodenkenngrößen

18 Aufgabe 2 Dammbau (30 min) In einem Talkessel wird als Hochwasserschutz der Bau eines Staudammes geplant. Zur Entwässerung ist eine Kombination aus Schrägfilter und horizontalem Filterteppich vorgesehen. Bild 2.1 zeigt den Dammquerschnitt mit dem maximalen Einstauziel. Folgende Punkte sind zu bearbeiten: 2.1 Ermitteln Sie die Sickerparabel nach Kozeny und tragen Sie diese in Bild 2.1 ein. Benutzen Sie das beigefügte Diagramm in Bild Zeichnen Sie ein Strömungsnetz mit vier Stromlinien in das Lösungsblatt (Bild 2.1). 2.3 Ermitteln Sie die Sickerwassermenge q anhand dieses Strömungsnetzes. 2.4 Berechnen Sie die Mindestdicken d 1 und d 2 der Filter. Im Schrägfilter soll mit dem hydraulischen Gradienten i = 1 gerechnet werden. 2.5 Für den Punkt A (Bild 2.1) sind der hydraulische Gradient und die Druckhöhe zu ermitteln. 2.6 Welche Korngrößenverteilung muss das Filtermaterial haben, wenn als Dammbaustoff ein sandiger Schluff mit der in Bild 2.3 dargestellten Korngrößenverteilung verwendet wird?

19 Aufgabe 2 (1. Forts.) Dammbau (30 min) Bild 2.1: Dammquerschnitt (alle Maße in [m], Maßstab 1:1000)

20 Aufgabe 2 (2. Forts.) Dammbau (30 min) Bild 2.2: Diagramm zur Ermittlung des Parameters c Bild 2.3: Körnungslinie des Schüttmaterials

21 BAUINGENIEURWESEN Fachgebiet Bodenmechanik und Grundbau Prof. Dr.-Ing. habil. Christos Vrettos Prüfung im Fach Grundbau II Masterstudiengang Bauingenieurwesen Wintersemester 2015/ März 2016 Name: Vorname: Matrikel-Nr.: Aufgaben: 1 2 Hinweis: Mobiltelefone, Laptops, Smartphones und elektronische Medien sind auszuschalten. Das Handhaben/Klingeln/Leuchten/Blinken etc. des Gerätes wird als Täuschungsversuch gewertet.

22 Aufgabe 1 Senkkasten (30 min) Für die Gründung eines Brückenpfeilers kommt das Senkkastenverfahren zum Einsatz. Der Caisson weist im Grundriss ein kreisförmiges Profil auf, der Außendurchmesser beträgt D a = 7 m. Betrachtet wird die im Bild 1.1 dargestellte Situation. Folgende Punkte sind zu bearbeiten: 1.1 Ermitteln Sie den erforderlichen Luftdruck p i in der Arbeitskammer. 1.2 Wie groß sind die an dem Senkkasten angreifenden Vertikalkräfte und welchen Wert erreicht die resultierende Schneidenlast? 1.3 Um eine weitere Absenkung zu erreichen, wird ein Zusatzgewicht ( G = 0,6 MN) aufgebracht. Um welches Maß d sinkt der Kasten maximal in den Boden ein? Hinweis: Sowohl bei der Erddruckberechnung als auch bei dem Grundbruchnachweis darf wie für ebene Verformungsprobleme gerechnet werden. Bild 1.1: Querschnitt (alle Maße in [m]) und charakteristische Bodenkenngrößen

23 Aufgabe 2 Dammbau (30 min) Das Bild 2.1 zeigt den Querschnitt eines homogenen Dammes. Folgende Punkte sind zu bearbeiten: 2.1 Für den Lastfall Volleinstau ist die Sickerparabel nach Kozeny zu konstruieren. Benutzen Sie das beigefügte Diagramm, Bild 2.2 sowie das beigefügte Lösungsblatt. 2.2 Ermitteln Sie die Sickerwassermenge und die Wasserdrücke an den Punkten (a), (b) und (c) anhand eines Strömungsnetzes (Lösungsblatt). 2.3 Im Bild 2.3 sind die Körnungslinien der Schüttmaterialien für den Damm und den Filterfuß eingezeichnet. Überprüfen Sie die Filterfestigkeit der beiden Materialien mit einer geeigneten Filterregel. Ordnen Sie bei Bedarf geeignete Übergangsfilter an; die dazu verwendeten Materialien sind in das Körnungsdiagramm einzutragen. Bild 2.1: Dammquerschnitt (alle Maße in [m]) Bild 2.2: Diagramm zur Ermittlung des Parameters c

24 Aufgabe 2 (1. Forts.) Dammbau (30 min) Bild 2.3: Körnungslinien der Schüttmaterialien

25 Aufgabe 2 (2. Forts.) Dammbau (30 min) Lösungsblatt: Maßstab 1:1000, alle Maße in [m]

26 BAUINGENIEURWESEN Fachgebiet Bodenmechanik und Grundbau Prof. Dr.-Ing. habil. Christos Vrettos Prüfung im Fach Grundbau II Masterstudiengang Bauingenieurwesen Sommersemester September 2015 Name: Vorname: Matrikel-Nr.: Aufgaben: 1 2 Hinweis: Mobiltelefone, Laptops, Smartphones und elektronische Medien sind auszuschalten. Das Handhaben/Klingeln/Leuchten/Blinken etc. des Gerätes wird als Täuschungsversuch gewertet.

27 Aufgabe 1 Unterfangung (30 min) Bei einer innerstädtischen Baugrube wird ein vorhandenes Wohngebäude mittels einer Düsenstrahlinjektion ( DS = 20 kn/m 3 ) unterfangen, Bild 1.1. Die Lastannahmen sind so zu treffen, dass das Bauwerk keine Verschiebung erfährt. Folgende Punkte sind zu bearbeiten: 1.1 Ermitteln Sie die Ankerkraft A d (BS-P nach DIN 1054: ), damit in der Sohle der Unterfangung keine klaffende Fuge auftritt. Die Einwirkungen P und p aus dem Gebäude können vereinfachend als ständige Einwirkungen betrachtet werden. 1.2 Führen Sie den Nachweis der Sicherheit in der tiefen Gleitfuge. Für die Ersatzankerwand ist ein Wandreibungswinkel von = 2/3 anzusetzen. Bei der Einwirkung p wirken 20% als ständiger und 80% als veränderlicher Anteil (P bleibt als ständige Einwirkung).

28 Aufgabe 1 (1. Forts.) Unterfangung (30 min) Bild 1.1: Unterfangungskörper mit charakteristischen Bodenkenngrößen

29 Aufgabe 2 Senkkasten (30 min) Ein kreisrundes Fundament mit einem Durchmesser von 11 m soll in Senkkastenbauweise hergestellt werden. Das Bodenprofil sowie die geplante Konstruktion sind in Bild 2.1 dargestellt. Folgende Punkte sind zu bearbeiten: 2.1 Skizzieren und benennen Sie qualitativ die angreifenden Kräfte am Senkkasten während des Absenkvorganges bei einer Absenktiefe von 12 m. Welche Nachweise werden beim Senkkasten geführt? 2.2 Bemessen Sie die Schneidenbreite b s für den Grenzzustand, in dem gerade ein Grundbruch stattfindet. Die Mindesteinbindetiefe beträgt hierbei t min = 0,2 m. Die Gewichtskraft der gesamten Konstruktion (Senkkasten inkl. Ballast) ist mit G = 16 MN angegeben. (Nachweis: Hängenbleiben ) 2.3 Kontrollieren Sie, ob ein Luftdruckausfall zu einem Durchrutschen des Senkkastens führen würde? Hinweise zur Senkkastenberechnung: Zur Berechnung der Reibungskräfte können folgende Wandreibungswinkel angesetzt werden: max = 2/3 und min = 1/3. Der Sicherheitszuschlag für den Luftdruck beträgt in 12 m Tiefe 0,2 bar. Durch den Luftdruck wird das Wasser bis UK Schneide verdrängt. Die Mindestarbeitshöhe in der Abbaukammer beträgt 1,2 m.

30 Aufgabe 2 (1. Forts.) Senkkasten (30 min) Bild 2.1: Querschnitt und charakteristische Bodenkenngrößen