Standsicherheitsnachweis von Böschungen unter dynamischen Einwirkungen

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1 Standsicherheitsnachweis von Böschungen unter dynamischen Einwirkungen Geotechnisches Symposium Standsicherheit von Kippen des Braunkohlenbergbaus Landesamt für Bergbau, Geologie und Rohstoffe in Cottbus am 22./ Dipl.-Ing. Yves Koitzsch CDM Smith Consult GmbH

2 Motivation Warum sind dynamische Einwirkungen relevant? Erdbebengefährdung in Dtl. gering, jedoch keineswegs vernachlässigbar Gebiete mit seismischen Aktivitäten (Niederrhein. Bucht, Schwäbische Alb/ Hohenzollergraben, Gera/Schmölln) dynam. Einwirkungen z.b. relevant bei: Sanierungsmaßnahmen (Sprengung) Nachnutzung von Flächen Nutzung ehemaliger TRL als wasserwirtschaftliche Stauanlagen auftretende dynamische Einwirkungen müssen bei Planung oder Überprüfung berücksichtigt werden, z.b. bzgl. Relevanz für Standsicherheit

3 Motivation Auswirkung Dynamik auf Tragsicherheit/Gebrauchstauglichkeit

4 Motivation Auswirkung Dynamik auf Tragsicherheit/Gebrauchstauglichkeit

5 Inhalte 1 Motivation bzw. Veranlassung Warum sind dynamische Einwirkungen relevant? Auswirkung auf Tragsicherheit/Gebrauchstauglichkeit 2 Dynamische Eingangsgrößen Normungen und Empfehlungen Erforderliche Informationen Recherche- und Suchmöglichkeiten Methoden zur Ableitung und Berücksichtigung 3 Ablauf dynamische Berechnung Berechnungsverfahren Schritte einer dynamischen Analyse Bewertung der Ergebnisse 4 Anwendungsbeispiele Hafenböschung in verflüssigungsfähigem Sand Industrielle Absetzanlage 5 Zusammenfassung Was kann die dynamische Berechnung leisten? Ausblick

6 Dynamische Eingangsgrößen Normungen und Empfehlungen (Auszug) Bauwesen, Erd- und Grundbau DIN 4149 (04/2005): Bauten in deutschen Erdbebengebieten; Lastannahmen, Bemessung und Ausführung üblicher Hochbauten (Hilfsmittel für Erd-/Grundbau) DIN EN 1998 / EC 8 (12/2010): Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben: Teil 1: Grundlagen und Regeln für Hochbauten Teil 5: Gründungen, Stützbauwerke und geotechnische Aspekte Wasserbau/Talsperren DIN (07/2004): Teil 10 Gemeinsame Festlegungen, Teil 11 Talsperren (volldyn. Berechnungen unter definierten Randbedingungen) ATV-DVWK-M 502 (2002): Berechnungsverfahren für Staudämme DVWK-M 242 (1996): Berechnungsverfahren für Gewichtsstaumauern ThürTA-Stau (06/2005): Technische Anleitung Stauanlagen Schweizer Basisdokument zu dem Nachweis der Erdbebensicherheit von Stauanlagen (03/2003) zahlreiche aktuelle Veröffentlichungen und Empfehlungen z.zt. kein genormtes Verfahren für dynamische Berechnungen

7 Dynamische Eingangsgrößen Was wird grundsätzlich an Daten/Informationen benötigt? Kenntnisse zur potenziellen seismischen Gefährdung geotechnische und dynamische Feld- sowie Laboruntersuchungen bohrloch- und refraktionsseismische Messung (GGL GmbH) standortbezogenes seismologisches Gutachten (Auslegungserdbeben) Wiederkehrintervalle/Auftretenswahrscheinlichkeiten (BmEB, BtEB) seismologische Standortparameter zutreffende Beschleunigungsverläufe maximale Spitzenbeschleunigungen

8 Dynamische Eingangsgrößen Recherche- und Suchmöglichkeiten Karten der seismischen Gefährdung Spitzenbodenbeschleunigungen, PGA-Werte Größenordnung einer Beschleunigung, die wahrscheinlich in best. Zeitspanne überschritten wird spezifiziert 10%-ige Wahrscheinlichkeit des Überschreitens eines Bodenbewegungsparameters Auszug Erdbebenkataloge PEER Pacific Earthquake Engineering Research Center NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration Strong Motion Data Catalog Search USGS U.S. Geological Survey NSMP National Strong-Motion Project ESD European Strong-Motion Database GSHAP Global Seismic Hazard Assessment Program Wahl eines repräsentativen Bebenverlaufes anhand Standortparameter Karten Spitzenbeschleunigung mit Auftretenswahrscheinlichkeiten Normierung Bebenverlauf auf Spitzenbeschleunigung

9 Dynamische Eingangsgrößen Recherche- und Suchmöglichkeiten (Gefährdungskarten) internationale Karten am Beispiel Kroatien seismisches Risiko Deutschland nach EC 8 Teil 1 maßgebend für Untersuchungen nach Forderungen der Schadensbegrenzung (Verformungen) Karte makroseismische Intensitäten aus DIN 4149 nach EC 8 Teil 1 maßgebend für Untersuchungen nach Forderungen der Tragfähigkeit (Standsicherheit) Horizontale Beschleunigungswerte (Untergrundtyp A) für Referenz- Wiederkehrperiode 95 (10 Jahre mit Wahrscheinlichkeit 10%) u. 500 Jahre (50 Jahre, Wahrscheinlichkeit 10%) Quelle: Erdbebengefährdungskarte für 9,5% Überschreitungswahrscheinlichkeit von Bodenbeschleunigung PGA in 100 Jahren (bzw. P = p.a., T = Jahre) Grünthal, G.: Erdbebengefährdung für die Bemessung von Stauanlagen nach DIN ( )

10 Dynamische Eingangsgrößen Recherche- und Suchmöglichkeiten (Aufzeichnungen, Daten)

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12 Dynamische Eingangsgrößen Methoden zur Ableitung und Berücksichtigung Methode 1: Erdbebenzonen Bemessungswerte Bodenbeschleunigung Faktorisierung (Bedeutungsbeiwerte, Untergrundparameter) vereinfachte Ableitung/Verwendung pseudo-statischer Ersatzlasten Methode 2: Verwendung Beschleunigungsverläufe (Accelerogramme) dynamische Anregung des Modells, Beobachten der Reaktion oder dynamische Berechnung nach sugzessiver Scherfestigkeitsreduzierung

13 Dynamische Eingangsgrößen Methode 1: vereinfachte quasi-statische Ansätze Methode 1 (Anlehnung an DIN 4149) EZ Intensitätsintervalle / Bemessungswerte der Beschleunigung gefordert wird somit Nachweis ab PGA > 0,4 m/s² bzw. 0,041 g a g,vert durch Abminderung von a g,horiz ermitteln (Faktor 0,7) Bemessungswerte mit Aufschlägen g 1 versehen, die sich an Bedeutung Bauwerk orientieren (Kat. I... IV) zusätzliche Berücksichtigung Untergrundparameter S (Lage auf Lockergestein oder felsartigem Untergrund und Verwitterung)

14 Dynamische Eingangsgrößen Methode 1: vereinfachte quasi-statische Ansätze Bemessungsspektrum mit Maximalwerten der spektralen Beschleunigung für lineare Berechnungen für elast. Antwortspektrum und Intervall T B < T < T C (größte Amplituden bei dyn. Beanspruchung) gilt: mit S d (T).. b 0... q... S (T) d a g β g S 0 1 q Bemessungsspektrum Verstärkungsbeiwert der Spektralbeschleunigung mit Referenzwert b 0 = 2,5 für 5% viskose Dämpfung Verhaltensbeiwert für die Duktilität des Bauwerkes Verhaltenswert q (Duktilität Bauwerk ) Rückrechnungen: q = 1,75 (horiz.) und q = 2,55 (vert.) für Verhaltensbeiwerte von Erdbauwerken Beispiel: Damm mit zu schützenden Objekten im Vorland; Erdbebenzone EZ = 2 a g,hor = 0,60 m/s² und a g,vert = 0,70 a g,hor = 0,42 m/s² Beiwert g 1 = 1,4 (Bedeutungskategorie IV) Untergrundparameter S = 1,25 für Lage des Gebietes auf felsartigem Untergrund quasi-statische Ersatzlasten für Erdstatik: a b,hor = 1,50 m/s² = 0,153 g a b,vert = 0,71 m/s² = 0,072 g

15 Dynamische Eingangsgrößen Methode 1: Nachteile quasi-statischer Ansätze quasi-statische Ersatzlasten werden oft für maximale Beschleunigung abgeleitet dann sehr hoch und konservativ pos. Beschleunigungen folgen im nächsten Zeitschritt negative Beschleunigungen (D = 0,2 sec.!), die beginnender Deformation entgegenwirken Erdbeben verursachen bei Dämmen und Böschungen zusätzlich zu den statischen auch dynamische Belastungen Frequenzband Erdbeben oft deutlich höher als Eigenfrequenzen von Dämmen und Böschungen quasi-statische Einwirkungen werden i.d.r. wieder abgemindert PWD-Veränderungen aus dynamischer Einwirkung bleiben unberücksichtigt Gebrauchstauglichkeit des Systems nach Konsolidation? keine Berücksichtigung modellspezifischer Eigenfrequenzen usw. möglich

16 Dynamische Eingangsgrößen Methode 2: dynamische Berechnungsansätze deutlich komplizierter und aufwändiger, jedoch unter verschiedenen Randbedingungen gefordert (z.b. Damm als Sperrbauwerk, TK 1, H > 40 m) umfangreiche Berechnungsteilschritte notwendig, z.b.: a) Eigenfrequenzanalysen am ungedämpften Modell b) Ableitung Systemdämpfung bzw. Verwendung entsprechender Stoffgesetze c) dynamische Berechnung mit Auslegungserdbeben (SiEB) d) Tragsicherheitsuntersuchungen mit Beschleunigungsantworten e) dynamische Berechnungen mit schrittweise reduzierten Scherfestigkeiten f) Gebrauchstauglichkeitsuntersuchungen mit von c) abweichendem Beben iterative Prozesse mit Sensitivitätsanalysen für Kennwerte, horizontale/ vertikale dynamische Anregung, Beschleunigungsantworten usw

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18 Ablauf dynamische Berechnung a) Eigenfrequenzanalysen am ungedämpften System Modellausschnitt Vorgabe eines definierten Verschiebungsbetrages unterer Modellrand Eintrag als harmonische Anregung (horizontal und vertikal) Festlegung Beobachtungspunkte Messen und Auswerten Verschiebungsantworten u Bestimmung der ersten drei Systemeigenfrequenzen (w 1 w 3 ) Vgl. z.b. mit Näherungsformel aus Schweizer Basisdokument mgl.: ω1 3 x v s h x 1 = 2,40 x 2 = 5,52 x 3 = 8,65 Verschiebungsantworten v s mittlere Scherwellengeschwindigkeit im Dammmaterial h Dammhöhe

19 Ablauf dynamische Berechnung b) Einführung einer Systemdämpfung Berücksichtigung Eigenfrequenzen des Berechnungsmodells (w 1 w 3 ) vereinfachte Ableitung von Rayleigh- Dämpfungsparametern (a, b) a b w 2 i 2 w z i i b Dämpfung a Dämpfung Quelle: Grundbautaschenbuch, Teil 1, 6. Auflage Dämpfungsparameter a = 0,5236 b = 2, a Steuerung Einfluss Masse auf die Dämpfung und des Bereiches niedriger Frequenzen b Steuerung der Dämpfung proportional zur aktuellen Steifigkeit z definiert als viskose Dämpfung in % der kritischen Dämpfung (z = 5%) alternativ: Verwendung höherwertiger Stoffgesetze mit Dämpfung statische dynamische Steifigkeiten für Volldynamik

20 Ablauf dynamische Berechnung c) dynamische Berechnung wiederum Vorgabe eines Deformationsbetrages horizontal vertikal Auswort Beschleunigungsantworten (horizontal/vertikal) an Beobachtungspunkten Kopplung Deformationsbetrag mit echter Bebenaufzeichnung ( ) Beschleunigungsantworten Bereich potenzielle Versagenskinematik max. Beschleunigungsantworten horizontal vertikal in unterschiedlichen Zeitschritten! i.d.r. kein Kollaps in dyn. Berechnung trotz hoher Deformationen maßgebender Sicherheitsbeiwert (SM sf ) hier nicht ableitbar

21 Ablauf dynamische Berechnung d) Tragsicherheitsuntersuchungen mit Beschleunigungsantworten Mittelwert Beschleunigungsantwort Auswahl repräsent. Beschleunigung, Abminderung auf Effektivwert Wichtung a g,hor vert im Bereich maßgebender Versagenskinematik Auswertung der Beschleunigungsantworten Bebenanregung horizontal/vertikal Punkt MW a x MW a y maximale Beschleunigungsantwort [m/s²] -0,985 0,929 Zeitpunkt der maximalen Beschleunigungsantwort [s] 6,16 5,20 zugehörige Beschleunigungsantwort in orth. Richtung [m/s²] 0,207-0,498 rechnerische Beschleunigung in x-richtung [g]: -0,100-0,051 rechnerische Beschleunigung in y-richtung [g]: 0,021 0,095 Beschleunigungsantworten quasistatische Ersatzlasten Ersatzlasten dann auch in konventionellen Berechnungen verwendbar echte dynamische Berechnung dann eigentlich umgangen; Einwirkungen jedoch aus Dynamik ermittelt

22 Ablauf dynamische Berechnung e) dynamische Analysen mit abgeminderten Kennwerten *) BS 00 g f /c = 1,0 BS 01 g f /c = 1,1 BS 02 g f /c = 1,2 BS 07 g f /c = 1,7 BS 08 g f /c = 1,8 Schicht c ref φ c ref φ c ref φ c ref φ c ref φ kn/m² kn/m² kn/m² kn/m² kn/m² T 8 5,0 19,0 4,5 17,4 4,2 16,0 2,9 11,5 2,8 10,8 T 9 0,1 19,0 0,1 17,4 0,1 16,0 0,1 11,5 0,1 10,8 T 10 5,0 20,0 4,5 18,3 4,2 16,9 2,9 12,1 2,8 11,4 T 11 2,8 30,5 2,5 28,2 2,3 26,1 1,6 19,1 1,6 18,1 T 12 2,0 27,5 1,8 25,3 1,7 23,5 1,2 17,0 1,1 16,1 T 13 0,1 30,0 0,1 27,7 0,1 25,7 0,1 18,8 0,1 17,8 T 14 19,7 24,6 17,9 22,6 16,4 20,9 11,6 15,1 10,9 14,3 T 15 50,0 35,0 45,5 32,5 41,7 30,3 29,4 22,4 27,8 21,3 *) von Wolffersdorff, P.-A.; Mey, A.: Standsicherheitsnachweise für Staudämme bei Erdbebenbeanspruchung mit der Finite-Elemente-Methode schrittweise Abminderung Festigkeitsparameter (g f/c ) größtmöglicher Abminderungsfaktor stat. Standsicherheitsberechnung volldynamische numerische Berechnung für jede Abminderungsstufe Versagenspunkte/Scherdehnungen Aufzeichnung einzelner Berechnungsschritte (avi-format) qualitative Bewertung zusammenhängende Versagenskinematik iterative Näherung zum vorhandenen Standsicherheitsniveau relativ aufwändige Auswertungen

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24 Anwendungsbeispiel 1 Hafenböschung in verflüssigungsfähigem Sand Randbedingungen geplante Hafenerweiterung in seismisch aktiver Region in Kroatien Verbesserung durch Bebenanregung verflüssigbarer Bodenschichten (Sande, schluffige Sande) Untergrundverbesserung mittels Steinsäulen (Vibro Stone Column) Unterwasseraushub bis -20 m; Böschung mit Neigung 1:3 dynamische Untersuchungen mittels FEM zur Ausführungsoptimierung (Umfang Untergrundverbesserung)

25 Anwendungsbeispiel 1 Hafenböschung in verflüssigungsfähigem Sand

26 Anwendungsbeispiel 1 Hafenböschung in verflüssigungsfähigem Sand insb Kroatien seismisch äußerst aktives Gebiet (1.925 aufgezeichnete Beben) Bsp. Ston Slano salt plant: Beben 09/1996; M = 6,0; I max = VIII MSK; Nachbeben M = 4,5; I max = VI MSK Quelle: GEOFIZIKA VOL Seismicity of Croatia in the period ( ) umfangreiche Forschungen/Studien kroatischer Erdbebenkatalog normierte Accelerogramme (z.b. NEPH4 *), BAR, STON und ULCINJ) Karten mit PGA-Werten für versch. Referenz Wiederkehrperioden Skalierung Accelerogramme um PGA Herak, M.: Earthquake hazard in Southern Croatia (Dalmatia) in terms of PGA for 4 return periods *) synthetischer Verlauf, übrige Verläufe aufgezeichnet

27 Anwendungsbeispiel 1 Hafenböschung in verflüssigungsfähigem Sand ausgewählte Ergebnisse Auslegungserdbeben ULCINJ, 04/1979 (ca. 300 km südöstlich, M = 6,9) hohe Deformationsantworten Beschleunigungsantworten a g,hor vert = 0,182 g (!) 0,064 g Optimierung Ausführungstiefe Bodenverbesserung (9 bis 13 m) Wirksamkeit Bodenverbesserung nachgewiesen potenzielle Versagenskinematik unterhalb geringe Reserven Gesamtstandsicherheit (Reserve räumliche Einspannung )

28 Anwendungsbeispiel 2 Abdeckung einer Industriellen Absetzanlage

29 Anwendungsbeispiel 2 Abdeckung einer Industriellen Absetzanlage Aufgabenkomplexe: vertikale/horizontale Deformation Standsicherheit Innenböschungen unter dynamischen Einwirkungen besteht Gefährdung des Freilegens abgedeckter Bereiche Langzeitbeständigkeit EAD (Gefällestabilität Gerinne) bilden sich gegenläufige Gefälle und Vernässungsbereiche? Sensitivitätsbetrachtungen (Festigkeitseigenschaften Schichten, Bebenanregung usw.) Vgl. mit quasi-statischen Ansätzen

30 Horizontalbeschleunigung Beschleunigung in G Beschleunigung in m/s² 0,29 0,49 0,56-0,45 0,34 1,31-1,20 3,45-2,59 2,69-1,22 2,59-2,23-1,89 1,93-1,68 1,02 0,83 1,05-0,66 0,54-1,85 Beschleunigung in G Zeit [s] Vertikalbeschleunigung Beschleunigung in m/s² -0,34 0,92-0,82-0,41 1,14-0,95 0,52-0,39 0,42 0,83-0,61 1,10 2,19-1,78 2,02-0,87 2,63 1,80-2,01 0,76 0, Zeit [s] -0,90-0,75 0,93-0,60-0,39 0,22 0,24 Anwendungsbeispiel 2 Abdeckung einer Industriellen Absetzanlage -0,23-0,19 besondere Randbedingungen: sehr langes Berechnungsmodell (1.650 m) ohne Symmetrieeffekte versch. Stoffgesetze (MC, Soft-Soil) vorgegebenes Auslegungserdbeben unterschiedliche Fragestellungen (Standsicherheit und Verformungen) Dämme bereits standsicher profiliert Betrachtung Beckeninnenbereich Erfahrungswerte für spezielle geom. Situation nicht recherchierbar FE-Netz mit ca Knoten und Beobachtungspunkten

31 Anwendungsbeispiel 2 Abdeckung einer Industriellen Absetzanlage Tragsicherheitsuntersuchungen: MC-Modell, totale Festigkeiten, gekoppelte undränierte Analyse (Methode B in Plaxis) Gebrauchstauglichkeitsuntersuchungen: Soft Soil-Modell, eff. Festigkeiten, gekoppelte undr. Analyse (Methode A) mit anschl. Konsolidation ausgewählte Ergebnisse: Beschleunigungsantworten moderater als in quasi-statischen Ansätzen unterschiedliche Reaktion (a g,res. ) linke/rechte Beckeninnenböschung differenzierte Festigkeitsansätze in MC- bzw. Soft Soil-Stoffgesetz mit totalen bzw. effektiven Parametern Standsicherheitsforderung erfüllbar, Schwerpunkt rechte Innenböschung Volldynamik: keine ausgeprägten Versagensmechanismen trotz hoher Kennwertabminderungen! keine Beeinflussung Gerinnestabilität

32 Anwendungsbeispiel 2 Abdeckung einer Industriellen Absetzanlage

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34 Zusammenfassung Anwendungsfälle denkbar, in denen dyn. Berechnungen gefragt sind dynamische Berechnungsverfahren u.u. in Anwendungsfällen erfolgreich, in denen quasi-statische Ansätze versagen Abbildung standortspezifischer dynamischer Anregungen Berücksichtigung Frequenzbandbreite dynamischer Einwirkungen gekoppelte dynamische Berechnungen und Auswertungen mgl. (z.b. Auswirkungen PWD-Veränderungen und anschließende Konsolidation) Berücksichtigung einer mitschwingenden Wassermasse (z.b. Staudamm) Vorteil ergeben sich aus Verwendung der FE-Berechnung allgemein (potenziell Versagenskinematik, Soffgesetze, Verformungen)

35 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit... CDM Smith Consult GmbH Weißenfelser Straße 65 H Leipzig Glückauf!