Zusätzliche Biegebeanspruchungen von Schrägpfählen

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1 Kurzfassung zum Vortrag an der TUHH am Zusätzliche Biegebeanspruchungen von Schrägpfählen Einleitung Mit dem Neubau bzw. der Erweiterung bestehender Hafenflächen ist in vielen Fällen eine gleichzeitige Anhebung des vorhandenen Geländeniveaus verbunden. Die Sicherung des Geländesprunges zwischen der planmäßigen Hafensohle und dem Gelände erfolgt durch ein Uferbauwerk. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und wegen ihrer statisch konstruktiven Eignung werden häufig rückverankerte Stahlspundwände mit Schrägpfählen aus Stahlprofilen ausgeführt. Im Zuge der Bauausführung der Geländeerhöhung z.b. durch eine nasse Aufspülung oder einen trockenen Einbau des Füllmaterials wird ein bereits eingebauter Schrägpfahl durch die Baugrundsetzungen zwangsverformt. Diese Zwangsverformung bewirkt eine zusätzliche Beanspruchung des Schrägpfahles, die bei den Tragfähigkeitsnachweisen angemessen zu berücksichtigen ist. Diese Problematik ist hinlänglich bekannt und Gegenstand experimenteller baubegleitender Messungen sowie theoretischer Untersuchungen gewesen. Die Wirtschaftsbehörde der Freien und Hansestadt Hamburg, vertreten durch das Amt für Stromund Hafenbau, hat seit 1974 und zuletzt bei der Verlängerung des Europakais Messungen an den Schrägpfählen durchführen lassen. In dem vorliegenden Aufsatz wird ein grafische unterstütztes Verfahren vorgestellt, mit dem die setzungsinduzierten Biegebeanspruchungen von Schrägpfählen einfach verankerter Uferbauwerke ermittelt und bei dem Nachweis der inneren Tragfähigkeit berücksichtigt werden können. An fünf ausgeführten Bauwerken wird die Anwendung der Diagramme gezeigt und soweit verfügbar den Meßergebnissen gegenübergestellt. In dem im Bauingenieur, Januar 2001, veröffentlichten Aufsatz Setzungsinduzierte Biegebeanspruchungen von Schrägpfählen hatten sich Fehler eingeschlichen. Bitte beachten Sie die Änderungen zu den Gleichungen (6d, 15 bis 16) der veröffentlichten Fassung. Ich bitte die Fehler zu entschuldigen.

2 Es folgen die Folien zum Vortrag.

3 Zusätzliche Biegebeanspruchungen von Schrägpfählen Gliederung Einleitung - Veranlassung Bisherige Untersuchungen Eigenes Modell - Berechnung der Setzungen - Berechnung der Moment-Verkrümmungs-Linien - Berechnung der Durchbiegung Anwendung - Beispiele aus der Praxis Zusammenfassung Jörg Kobarg (C) 2001

10 Voraussetzungen Setzungen infolge großflächiger Auffüllungen, d.h. Setzungen sind an jedem Punkt der geplanten GOF gleich. Beschränkung auf zwei setzungsrelevante Bodenschichten W" für Weichschicht und G" für die übergelagerte steifere Schicht. Auffüllung und Bodenschicht G" haben gleiche Wichte und gleiche Steifeziffer. Die tragfähige Bodenschicht ist quasi starr und liefert somit keinen Beitrag zur Setzung. Bodenschichten und Geländeoberflächen verlaufen horizontal. Der Schräganker ist an der Uferwand gelenkig und unverschieblich angeschlossen. Die Beanspruchungen werden am unverformten System ermittelt (Th. I. Ordnung). Linear elastisches Materialverhalten der Böden. Jörg Kobarg (C) 2001

12 Setzung im Punkt "A" Anteil aus der Weichschicht s W := p calh W E sw Anteil aus der vorhandenen Bodenschicht "G" s G := p calh G E sg Anteil aus der Weichschicht s F := p h E sg Gesamtsetzung in "A" s A := s W + s G + s F Fall 1 für ξ A 2/3: der Punkt "A" liegt innerhalb des vorhandenen Geländes ( ) 3 C 2 := ξ A H u H W ( ) s A := ξ W 1 n S + C 2 n S p H S E sw H u < H W s A := C 2 p H S E sw Fall 2 für ξ A > 2/3: der Punkt "A" liegt in der Auffüllung C 1 := n S 1 k 3 5 ξ A ξ A 2 5 C 2 := 1 + C 1 n S ( ) s A := ξ W 1 n S + C 2 n S p H S E sw Jörg Kobarg (C) 2001

16 Vertikalkomponente der Durchbiegung im Punkt "A" "1" α α "1" δ δ = δ cos(α) δ Av := κ pl L a b cos( α) mit b := 1 2 a δ Av := a κ pl L 2 cos( α) ( ) 2 1 mit C ξ cos α := + A siehe auch nächste Folie sin( α) 2 ( ) Jörg Kobarg (C) δ Av := C 3 H S κ A

18 Anwendungsbeispiele Kaimauer Norderloch Zur Vorbereitung der Messungen wurde das Profil PSt 370/115 durch ein C50 Profil verstärkt und entspricht somit etwa einem PSt 370/122 Aus der Rammung der Ortbetonpfähle ergab sich ein Zuschlag von s = 0,10 m. Die Setzungen wurden aus den Durchbiegungen zurückgerechnet s = δv = δ cos(α) DMS-Pfahl 1: max s = 0,14 m DMS-Pfahl 2: max s = 0,17 m max M = rd. 410 knm rd. 430 knm max M = rd. 475 knm > 430 knm Die maximale gemessene Krümmung ([2] Bild 22.2) von κ = 0,0062 [1/m] ist kleiner als die berechnete Krümmung κ A = 0,01505 [1/m] ohne die Zusatzsetzung von 0,10 m ergibt sich eine Krümmung von 0,0116 [1/m] >> κ pl = 0,00412 [1/m] Europakai Block 3 bzw. 11 Die Setzungen wurden aus den Durchbiegungen zurückgerechnet s = δv = δ cos(α) Die rechnerische Auswertung der Meßergebnisse ergab: Meßstelle 01 (Schrägpfahl 17, Block 3) MR 07 ( ): max s = 0,28 m max M = rd knm >> 614 knm Meßstelle 04 (Schrägpfahl 67, Block 11) MR 07 ( ): max s = 0,27 m max M = rd. 530 knm < 614 knm Bei nahezu gleich großen Setzungen ergeben sich für den Schrägpfahl 17 nahezu doppelt so große Krümmungen und Biegemomente wie für Pfahl Nr. 67. Dieser Unterschied kann z.b. mit der Umstellung von Rammpfählen auf Bohrpfähle oder mit unterschiedlicher Mächtigkeit vorhandener Weichschichten bzw. unterschiedlichen Bettungsverhältnissen zusammenhängen. Die vorliegenden Dokumentationen zum Bauwerk liefern leider keine weiteren Informationen.

19 Kaimauer Oderhöft Inklinometermessungen lagen hier nicht vor. Aus den Randdehnungen wurden Biegemomente bis maximal 456 knm berechnet. Die eigene Vergleichsberechnung liefert ein Biegemoment von 375 knm Predöhlkai, 6. Liegeplatz, Block 51, Pfahl S 46 Für den Pfahl S 46 wurden die Dehnungsmessungen aus dem Zeitraum von März 1997 bis Januar 1998 ausgewertet, es ergaben sich folgende Randdehnungen: Zugseite rd. 100 mm/m und 185 mm/m Druckseite -0,5 mm/m und 13,4 mm/m Aus den Randdehnungen wurden folgende inneren Schnittgrößen ermittelt:: Biegemoment und Normalkräfte: bis M = 315 knm mit N = 1863 kn M = 424 knm mit N = 1245 kn Die eigene Vergleichsberechnung liefert ein Biegemoment von 245 knm

20 Bauvorhaben: Kaimauer Norderloch, Hamburg 1987/88 s A [m] Systemdaten: H G = 4.50 H W = 5.00 H S = 9.50 H A = 4.60 [m] ξ W = 0.53 ξ A = 0.48 H u = 8.46 [m] E sg = E sw = 3.00 [MN/m²] n S = 0.30 calγ A = [kn/m³] h = [m] p = [kn/m²] k = mpl [./.] Ergebnisse: Fall = "1a" ξ A h = 1.04 [m] p = [kn/m²] 1 calh G = 3.46 calh W = 5.00 [m] C 1 = "--" C 2 = s A = 0.34 s = 0.10 cals A = 0.44 [m] 0.6 α = Grad C 3 = κ A = 1 / R [1/m] PSt 370/122 St Sp 37 (St 37) ξ σ = 50% H = 0.37 [m] ε s = κ A = [1/m] für LF HZ γ = 1.5 κ pl = [1/m] m pl = 0.74 M pl = [knm] m pl M pl = [knm] Jörg Kobarg

21 Bauvorhaben: Europakai Block 3 bzw. 11, Hamburg 1997/98 s A [m] Systemdaten: H G = 0.00 H W = 0.50 H S = 0.50 H A = [m] ξ W = 1.00 ξ A = H u = 9.60 [m] E sg = E sw = 1.00 [MN/m²] n S = 0.10 calγ A = [kn/m³] h = [m] p = [kn/m²] k = mpl [./.] Ergebnisse: Fall = "2" ξ A h = 9.10 [m] p = [kn/m²] 1 calh G = 0.00 calh W = 0.50 [m] C 1 = 0.93 C 2 = s A = 0.21 s = 0.10 cals A = 0.31 [m] 0.6 α = Grad C 3 = κ A = 1 / R [1/m] PSt 370/132 St Sp S 36 (St 52) ξ σ = 50% H = 0.37 [m] ε s = κ A = [1/m] für LF HZ γ = 1.5 κ pl = [1/m] m pl = 0.67 M pl = [knm] m pl M pl = [knm] Jörg Kobarg

22 Bauvorhaben: Kaimauer Oderhöft, Hamburg s A [m] Systemdaten: H G = 2.40 H W = 2.35 H S = 4.75 H A = 8.65 [m] ξ W = 0.49 ξ A = 1.82 H u = 8.04 [m] E sg = E sw = 6.00 [MN/m²] n S = 0.60 calγ A = [kn/m³] h = [m] p = [kn/m²] k = mpl [./.] Ergebnisse: Fall = "2" ξ A h = 3.29 [m] p = [kn/m²] 1 calh G = 2.40 calh W = 2.35 [m] C 1 = C 2 = s A = 0.29 s = 0.10 cals A = 0.39 [m] 0.6 α = Grad C 3 = κ A = 1 / R [1/m] PSt 370/107 St Sp 37 (St 37) ξ σ = 50% H = 0.37 [m] ε s = κ A = [1/m] für LF HZ γ = 1.5 κ pl = [1/m] m pl = 0.74 M pl = [knm] m pl M pl = [knm] Jörg Kobarg

23 Bauvorhaben: Predöhlkai, 6. LP, ai Block 51 Pfahl S46, Hamburg 1997 s A [m] Systemdaten: H G = 0.00 H W = 0.50 H S = 0.50 H A = [m] ξ W = 1.00 ξ A = H u = [m] E sg = E sw = 1.50 [MN/m²] n S = 0.15 calγ A = [kn/m³] h = [m] p = 231 [kn/m²] k = mpl [./.] Ergebnisse: Fall = "2" ξ A h = [m] p = [kn/m²] 1 calh G = 0.00 calh W = 0.50 [m] C 1 = C 2 = s A = 0.20 s = 0.10 cals A = 0.3 [m] 0.6 α = Grad C 3 = κ A = 1 / R [1/m] PSt 370/116 St Sp 37 (St 37) ξ σ = 78% H = 0.37 [m] ε s = κ A = [1/m] für LF HZ γ = 1.5 κ pl = [1/m] m pl = 0.46 M pl = [knm] m pl M pl = [knm] Jörg Kobarg

24 Bauvorhaben: Altenwerder Block 4, Hamburg s A [m] Systemdaten: H G = 0.00 H W = 8.00 H S = 8.00 H A = 2.00 [m] ξ W = 1.00 ξ A = 0.25 H u = 6.00 [m] E sg = E sw = 2.00 [MN/m²] n S = 0.20 calγ A = [kn/m³] h = 6.45 [m] p = 64.5 [kn/m²] k = 1.24 mpl [./.] Ergebnisse: Fall = "1b" ξ A h = 2.00 [m] p = [kn/m²] 1 calh G = 0.00 calh W = 6.00 [m] C 1 = "--" C 2 = 0.75 s A = 0.19 s = 0.10 cals A = 0.29 [m] 0.6 α = Grad C 3 = κ A = 1 / R [1/m] HTM 600x136 St Sp S 36 (St 52) ξ σ = 50% H = 0.57 [m] ε s = κ A = [1/m] für LF HZ γ = 1.5 κ pl = [1/m] m pl = 0.78 M pl = [knm] m pl M pl = [knm] Jörg Kobarg

25 Zusammenfassung Sowohl die Messungen an Schrägpfählen als auch die rechnerischen Untersuchungen zu den Biegebeanspruchungen machen deutlich, daß der Einfluß von Setzungen auf die Standsicherheit bei den Nachweisen der Pfahlquerschnitte zu berücksichtigen ist. Diese Beanspruchungen sind insbesondere immer dann von Bedeutung, wenn die Auffüllungen durch Weichschichten unterlagert sind, bzw. wenn die Spundwand einschließlich ihrer Rückverankerung bereits vor der geplanten Geländeerhöhung hergestellt worden ist. Diese Situation tritt in der Regel bei einer Geländeaufspülung ein. In diesen Fällen wird der Schräganker durch die Setzungen der aufgespülten Hinterfüllung zwangsverformt. Die Setzungen liegen, wie die Beispiele aus dem Hamburger Hafen mit Geländeauffüllungen zeigen, durchaus im Bereich mehrerer Dezimeter. Mit den vorgestellten Diagrammen können die zusätzlichen Biegebeanspruchungen von Stahlpfählen einfach ermittelt und beim Nachweis der inneren Tragfähigkeit berücksichtigt werden. Der Einfluß von Systemparametern bzw. Steifemoduln auf die Biegemomente ist hiermit leicht zu studieren. Sie haben die Möglichkeit dieses Verfahren auf unserer Internetseite online anzuwenden. Für weitere Informationen stehe ich Ihnen gern zur Verfügung. Hamburg im November 2001 Jörg Kobarg