Zum Tragverhalten von Spundwänden unter Berücksichtigung von Lageimperfektionen

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1 Zum Tragverhalten von Spundwänden unter Berücksichtigung von Lageimperfektionen Jürgen Grabe & David Osthoff Technische Universität Hamburg-Harburg Institut für Geotechnik und Baubetrieb Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 1

2 Gliederung 1. Einleitung 2. Änderung der Bodenzustandsgrößen infolge Einbringung 3. Einbringbedingte Profilverformung und Führungskräfte 4. Einfluss der Lageabweichungen der Tragbohlen auf die Tragfähigkeit der Zwischenbohlen 5. Tolerierbare Lageabweichungen der Tragbohlen 6. Fazit Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 2

3 Einleitung Belastung einer kombinierten Spundwand Pollerzug Schiffsstoß Wellen Eislasten Kranlasten Verkehrslasten Gewölbewirkung Erd- und Wasserdruck Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 3

4 Einleitung Fragestellungen 1. Wie verändern sich die Bodenzustandsgrößen durch die Profileinbringung? 2. Wie verformt sich das Profil bei der Einbringung und welche Führungskräfte resultieren daraus? 3. Wie beeinflussen Lageabweichungen der Tragbohlen die Tragfähigkeit von Zwischenbohlen gegenüber Wasserdruck? 4. Welche Lageabweichungen der Tragbohlen sind tolerierbar? Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 4

5 Änderung der Bodenzustandsgrößen infolge Einbringung Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 5

6 Änderung der Bodenzustandsgrößen infolge Einbringung Einbringen von Spundwänden Einpressen Vibrationsrammung Schlagrammung Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 6

7 Änderung der Bodenzustandsgrößen infolge Einbringung Pfahleinbringung drainierte Bedingungen Profil starr, Standard FEM Porenzahl (mittel dichte Lagerung) Einpressen Schlagrammung Vibrationsrammung Mahutka (2007): Zur Verdichtung von rolligen Böden infolge dynamischer Pfahleinbringung und durch Oberflächenrüttlung. Dissertation, Heft 15, Institut für Geotechnik und Baubetrieb, Technische Universität Hamburg-Harburg Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 7

8 Änderung der Bodenzustandsgrößen infolge Einbringung Veränderung der Porenzahl Lagerungsdichte I D =0.45 Einpressen Schlagrammung Vibrationsrammung Einpressen Vibrationsrammung Schlagrammung Verdichtung Auflockerung Verdichtung Auflockerung Verdichtung Auflockerung Grabe, Busch, Hamann (2014): On the set-up of piles. Tagungsband zur 33. Internationalen Conference on Ocean, Offshore and Artic Engineering (OMAE) in San Francisco, Florida Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 8

9 Änderung der Bodenzustandsgrößen infolge Einbringung Veränderung des Spannungszustandes Lagerungsdichten I D =0.45 / 0.80 Einpressen Schlagrammung Vibrationsrammung Grabe, Busch, Hamann (2014): On the set-up of piles. Tagungsband zur 33. Internationalen Conference on Ocean, Offshore and Artic Engineering (OMAE) in San Francisco, Florida Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 9

10 Änderung der Bodenzustandsgrößen infolge Einbringung Einbringung Rohrpfahl - Bodenverpfropfung innen außen Rohrpfahl, D i = 67cm Void Klei Sand Henke (2013): Untersuchungen zur Pfropfenbildung infolge der Installation offener Profile in granularen Böden. Habilitation, Heft 29, Institut für Geotechnik und Baubetrieb, Technische Universität Hamburg-Harburg Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 10

11 Änderung der Bodenzustandsgrößen infolge Einbringung Einbringung Rohrpfahl teildrainierte Bedingungen teildrainiert (k f = 10-4 m/s) drainiert Porenwasserüberdruck Effekt. radiale Tiefe z = 5.2 m Hamann (2015): Zur Modellierung wassergesättigter Böden unter dynamischer Belastung und großen Bodenverformungen am Beispiel der Pfahleinbringung. Dissertation, Heft 34, Institut für Geotechnik und Baubetrieb, Technische Universität Hamburg-Harburg Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 11

12 Änderung der Bodenzustandsgrößen infolge Einbringung Herstellungseinflüsse bei Spundwänden U-Profil Separate Diskretisierung von Profil und Profilfuß Profil unverformbar Henke (2008): Herstellungseinflüsse aus Pfahlrammung im Kaimauerbau. Dissertation, Heft 15, Institut für Geotechnik und Baubetrieb, Technische Universität Hamburg-Harburg Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 12

13 Änderung der Bodenzustandsgrößen infolge Einbringung Einpressen eines U-Profils Horizontalspannungen Tiefe z = 5 m dicht gelagert Pfad in 4 m Tiefe bei 5 m Einbringung locker dicht Henke (2013): Untersuchungen zur Pfropfenbildung infolge der Installation offener Profile in granularen Böden. Habilitation, Heft 29, Institut für Geotechnik und Baubetrieb, Technische Universität Hamburg-Harburg Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 13

14 Einbringbedingte Profilverformung und Führungskräfte Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 14

15 Einbringbedingte Profilverformung und Führungskräfte Herstellungseinflüsse bei Spundwänden Bodenverspannung im Profilinneren infolge Schlagrammen Einpressen Ziel: Numerische Simulation der Einbringung verformbare Profile Eingepresste Z-Profile Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 15

16 Einbringbedingte Profilverformung und Führungskräfte Einpressen von Spundwandprofilen Osthoff et al. (2015): Untersuchungen zur Beanspruchung von Spundwandprofilen durch den Einbringprozess. Tagungsband zum HTG-Kongress 2015 in Bremen, S Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 16

17 Einbringbedingte Profilverformung und Führungskräfte Einpressen von Spundwandprofilen Einbringtiefe 5,0 m dicht gelagert Osthoff et al. (2015): Untersuchungen zur Beanspruchung von Spundwandprofilen durch den Einbringprozess. Tagungsband zum HTG-Kongress 2015 in Bremen, S Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 17

18 Einbringbedingte Profilverformung und Führungskräfte Verspannungen im Boden infolge des Einpressens von Spundwandprofilen Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 18

19 Einbringbedingte Profilverformung und Führungskräfte Spannungen im Boden infolge Einpressen von verformbaren Spundwandprofilen Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 19

20 Auslenkung u y /l Profil [%] Auslenkung u y /l Profil [%] Einbringbedingte Profilverformung und Führungskräfte Auslenkung der Schlösser beim Einpressen von U- und Z-Profilen U-Profil Z-Profil locker mitteldicht dicht Schloss 2 Schloss Schloss 1 Auslenkung u x /l Profil [%] Auslenkung u x /l Profil [%] Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 20

21 Einbringbedingte Profilverformung und Führungskräfte Führungskräfte beim Einpressen von Spundwandprofilen in homogenen Sand Einbringtiefe 5,0 m Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 21

22 Einbringbedingte Profilverformung und Führungskräfte Zwischenfazit Bodenzustandsgrößen werden durch das Einbringverfahren verändert Einpressen: Verspannung Vibrationsrammung: Verdichtung Schlagrammung: Effekte liegen zwischen Einpressen und Vibrationsrammung Bodenverspannung Verformung von biege- und torsionsweichen Profile in Form von Rotation Abdriften Biegeweiche Profile haben geringere Einbringwiderstände, da sie den bodenbedingten Verspannungen ausweichen Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 22

23 Einfluss der Lageabweichungen der Tragbohlen auf die Tragfähigkeit der Zwischenbohlen Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 23

24 Einfluss der Lageabweichungen der Tragbohlen auf die Tragfähigkeit der Zwischenbohlen Belastung der Zwischenbohlen durch Wasserdruck - Sunk Lastfälle Quelle: Amtl. Anz. Nr. 14 (2008): Richtlinie: Berechnungsgrundsätze für Hochwasserschutzwände, Flutschutzanlagen und Uferbauwerke im Bereich der Tideelbe der Freien und Hansestadt Hamburg Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 24

25 Einfluss der Lageabweichungen der Tragbohlen auf die Tragfähigkeit der Zwischenbohlen Nachweis der Zwischenbohlen nach: EAU 2012 (E7) EC 3, Teil 5: Pfähle und Spundwände 40 kn/m² ohne gesonderten Nachweis, wenn Hinterfüllung Wanddicke lichter TB-Abstand: mindestens mitteldicht gelagert > 10 mm < 1,50 m (Z-Profile) < 1,80 m (U-Profile) Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 25

26 Einfluss der Lageabweichungen der Tragbohlen auf die Tragfähigkeit der Zwischenbohlen Nachweis der Zwischenbohlen sonst: Nachweis nach EC 3, Teil 5: Pfähle und Spundwände Aber was ist mit Stauchung Streckung Verdrehung Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 26

27 Einfluss der Lageabweichungen der Tragbohlen auf die Tragfähigkeit der Zwischenbohlen Numerisches Modell Osthoff (2016): Numerische Untersuchungen zum Tragverhalten von Zwischenbohlen kombinierter Spundwände unter Berücksichtigung von Rammimperfektionen. In: Tagungsband zur 34. Baugrundtagung 2016 in Bielefeld - Forum für junge Geotechnik-Ingenieure, S Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 27

28 Einfluss der Lageabweichungen der Tragbohlen auf die Tragfähigkeit der Zwischenbohlen Numerisches Modell Reibungszahl: 0,15 Stahlgüten: Zwischenbohle S 355 Tragbohlen + Schlösser S 430 Diskretisierungsgrad gemäß DIN EN aus Simulation eines Zugversuchs Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 28

29 Einfluss der Lageabweichungen der Tragbohlen auf die Tragfähigkeit der Zwischenbohlen Verformung bei Wasserdruck Osthoff (2016): Numerische Untersuchungen zum Tragverhalten von Zwischenbohlen kombinierter Spundwände unter Berücksichtigung von Rammimperfektionen. In: Tagungsband zur 34. Baugrundtagung 2016 in Bielefeld - Forum für junge Geotechnik-Ingenieure, S Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 29

30 Einfluss der Lageabweichungen der Tragbohlen auf die Tragfähigkeit der Zwischenbohlen Betrachtung der kinetischen Energie und der Energie der plastischen Verformung Lokalisierung des Versagens (z.b. Durchplastifizieren) anhand von und Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 30

31 Einfluss der Lageabweichungen der Tragbohlen auf die Tragfähigkeit der Zwischenbohlen Aufnehmbarer Wasserdruck ohne Lageabweichungen AZ 26 > AZ 13 > AZ18 AZ 13 größere Stegdicke Vereinfachter Nachweis um ein Vielfaches erfüllt, wenn Lageabweichungen Null AZ AZ AZ Aufnehmbarer Wasserdruck [kpa/m] (ohne Sicherheiten) Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 31

32 Einfluss der Lageabweichungen der Tragbohlen auf die Tragfähigkeit der Zwischenbohlen Aufnehmbarer Wasserdruck bei Lageabweichungen Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 32

33 Einfluss der Lageabweichungen der Tragbohlen auf die Tragfähigkeit der Zwischenbohlen Aufnehmbarer Wasserdruck bei Verdrehung Lageabweichung ungünstig, wenn Durchschlagmechanismus begünstigt und Belastung des Stegbleches erhöht wird. Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 33

34 Einfluss der Lageabweichungen der Tragbohlen auf die Tragfähigkeit der Zwischenbohlen Aufnehmbarer Wasserdruck bei Streckung der Zwischenbohle AZ AZ AZ η = p max,imperfektion p max,solllage 76 % 6 % Reduzierung bei Streckung von 15 cm: AZ 18: 24 % AZ 13: 48 % AZ 26: 17 % Reduzierung bei Verdrehung von 2,5 bis 5 : zusätzlich 5 bis 10 % Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 34

35 Einfluss der Lageabweichungen der Tragbohlen auf die Tragfähigkeit der Zwischenbohlen Versagensform leichte Profile Profil Streckung Stauchung AZ AZ Durchschlagversagen: Steg Zwischenbohle Durchschlagversagen: Steg Zwischenbohle Durchschlagversagen: Steg Zwischenbohle Zwischenbohle: Schloss Durchschlagversagen: Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 35

36 Einfluss der Lageabweichungen der Tragbohlen auf die Tragfähigkeit der Zwischenbohlen Versagensform - AZ bei Stauchung Zwischenbohle verformt sich Schlossfinger verhakt sich und plastifiziert RZD höhere Schlossgüte Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 36

37 Einfluss der Lageabweichungen der Tragbohlen auf die Tragfähigkeit der Zwischenbohlen Versagensform schwere Profile Profil Streckung Stauchung AZ Durchschlagversagen: Steg Zwischenbohle Durchschlagversagen: Steg Zwischenbohle (+ Flansch Tragbohle) AZ Schloss RZU Steg Zwischenbohle + Schloss RZU leichte Profile (AZ13, AZ18): Versagen der Zwischenbohlen infolge Durchschlagen schwere Profile (AZ 26, AZ 32): Versagen zunehmend abhängig von Tragbohle und Fädelschlösser Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 37

38 Tolerierbare Lageabweichungen der Tragbohlen Aufnehmbarer Wasserdruck der Zwischenbohlen a) Wasserseitige Anordnung Frage der zugelassenen Verformung b) Landseitige Anordnung Durchschlagversagen deutlich höhere aufnehmbare Wasserdrücke bei wasserseitiger Anordnung aufnehmbarer Wasserdruck abhängig von Systemmaß Imperfektion ungünstig, wenn Belastung des Stegbleches erhöht wird Stauchung der ZB Streckung der ZB (Reduktion bei 15 cm: %) Ein- bzw. beidseitige Verdrehung der TB: Reduktion von 5 bis 10 % Frage: Welches Toleranzmaß für Lageimperfektionen der Tragbohlen lässt sich ableiten? Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 39

39 Fazit Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 42

40 Fazit 1. Die Bodenzustandsgrößen im Nahfeld des Profils ändern sich durch die Profileinbringung 2. Das Profil weicht den aus der Einbringung resultierenden Spannungen im Boden aus, woraus bereits im homogenen Boden Führungskräfte resultieren. Die Führung muss entsprechend steif ausgebildet werden, um ein Ausweichen des Profils auf ein tolerierbares Maß zu begrenzen. 3. Lageabweichungen der Tragbohlen reduzieren die Tragfähigkeit der Zwischenbohlen gegenüber Wasserdruck. Dabei ist eine Streckung und Verdrehung besonders ungünstig. 4. Lageabweichungen der Tragbohlen sind auf Basis der FE-Untersuchungen bei beweglichen Mittelschloss für AZ , AZ , AZ , AZ zwischen -0,13 m und +0,10 m tolerierbar. 5. Die wichtigste Vorsorgemaßnahme gegen Schäden ist die lagegenaue Einbringung der zuerst gerammten Tragbohlenelemente (EAU 2012, Kap ) Stahlspundwände Neues für Planung und Anwendung 43