Leistungsbeschreibung des BauStatik-Moduls S572 von Dipl.-Ing. (FH) Markus Öhlenschläger

Transkript

1 º Fachartiel 26 Leistungsbeschreibung des BauStati-Moduls S572 von Dipl.-Ing. (FH) Marus Öhlenschläger Proj.Bez mb BauStati Seite Position mb BauStati S Projet Beschreibung Pos. Spundwand, DIN 1054(2005) System M 1: Bauzustände Name z[m] Lagerung[%] Kommentar A Voraushub B Aushubschritt C Aushubschritt D Aushubschritt E Endaushub Baugrund Gelände erds. ebenes Gelände Boden Schicht h γ ϕ ca, δ a, δ 0, γ ' cp, δ p, δ p C, [m] [N/m³] [ ] [N/m²] [ ] [ ] Auff Ton Ton Stützungen Aner Name z[m] α [ ] l[m] l0[m] Einwirungen #BodenE Erddruc infolge Bodeneigenlast Ständige Belastungen #GWstän Wasserdruc ständig Ständige Belastungen Spundwandonstrutionen dienen zur Sicherung von Geländesprüngen und zur Übertragung von Belastungen in den Baugrund. Häufige Anwendungen sind Baugrubensicherungen, Stützwände, Bestandteile von Bauweren wie z.b. Unterführungen oder Sicherung von wasserbaulichen Anlagen. Die grundlegende Norm für die Berechnung und die Nachweisführung von im Boden eingebetteten Stützbauweren stellt die DIN 1054 (/05) dar. mb AEC Software GmbH Europaallee Kaiserslautern Darüber hinaus sind bei Baugruben die Empfehlungen des Arbeitsreises Baugruben (EAB), der Deutschen Gesellschaft für Geotechni e.v.. Bei Wänden, die an wasserbaulichen Anlagen als dauerhafte Bauwere Anwendung finden, sind die Empfehlungen des Arbeitsausschusses Ufereinfassungen (EAU) der Deutschen Gesellschaft für Geotechni e.v. zu beachten. System Grundlegend für die Berechnung ist, dass die Spundwand von der rechten Seite durch Erddruc belastet und von der linen durch Erdwiderstand gestützt ist. Bei der Erddrucermittlung ann das Gelände in ebener, geneigter oder auch abgeböschter Ausführung berücsichtigt werden.

2 Bild 1. Momenten-Verlauf je Fußlagerung Für die Bestimmung des Erdwiderstandes wird eine ebene Baugrubensohle unterstellt, wobei wahlweise eine Stützböschung definiert werden ann. Die Beschreibung des anstehenden Baugrundes ist schichtenweise über die üblichen Parameter wie Wichte, Wichte unter Auftrieb, Reibungswinel, Kohäsion sowie Wandreibungswinel möglich. Somit önnen beliebig wechselnde Bodeneigenschaften simuliert werden. Der Verlauf der Schichtgrenzen ist hierbei horizontal. Bauzustände Besonders bei rücveranerten Spundwänden, die als Baugrubensicherung eingesetzt werden, sind herstellungsbedingt Bauzustände notwendig und somit zu untersuchen. Die Stahl-Spundwandbohlen werden in den Baugrund eingebracht. Anschließend wird in einzelnen Bauzuständen das Bodenmaterial vor der Spundwand abgetragen (Aushub der Baugrube) und Stützungen erzeugt. Der erste Bauzustand, der sog. Voraushub, erfolgt häufig als ausragende Wand. Ist die Aushubtiefe erreicht erfolgt die Herstellung einer Stützung wie z.b. Rücveranerung oder Steifen. Anschließend wird der Baugrund bis zur Aushubtiefe des folgenden Bauzustandes abgetragen und die nächste Stützung hergestellt. Für jeden Aushub wiederholen sich die Abläufe bis die Endaushubtiefe erreicht wird. Somit weist das System je Bauzustand unterschiedliche Ausprägungen auf. Besonders bei der Spundwand-Profilwahl sind diese unterschiedlichen Systeme entscheidend, denn das gewählte Profil muss die Beanspruchungen aller Bauzustände abdecen. Mit dem Programm S572 önnen für die Berechnung Bauzustände definiert und somit die Herstellungsgeschichte abgebildet werden. Die folgenden Eingabeoptionen stehen hierbei aushubphasenbezogen zur Wahl: Lagerung am Wandfuß (frei aufgelagert bis eingespannt) Stützungen als Aner oder Steifen Ständige Wasserstände für Luft- und Erdseite Veränderliche Wasserstände für Luft- und Erdseite Stützböschung in der Baugrube Weiterhin ist für die Nachweise gemäß DIN 1054 (/05) Abs die Sicherheitslasse für Widerstände festzulegen. Dieser Sicherheitsanspruch ann ebenfalls in den Bauzuständen unterschieden werden. So ist es möglich alle Bauzustände als Herstellung oder Reparatur und den Endaushub als Funtionszeit des Bauwers zu delarieren. Nach DIN 1054 stehen die folgenden drei Klassen zur Wahl: º Bild 2. Darstellung der Bauzustände Zustände der Sicherheitslasse SK 1: Auf die Funtionszeit des Bauwers angelegte Zustände. Zustände der Sicherheitslasse SK 2: Bauzustände bei der Herstellung oder Reparatur des Bauwers. Zustände der Sicherheitslasse SK 3: Während der Funtionszeit einmalig oder voraussichtlich nie auftretende Zustände. Erddrucermittlung Der belastende Erddruc wird gem. E DIN 4085 (12/02) bestimmt. Hier ann zwischen dem ativen Erddruc oder Erdruhedruc gewählt werden. Nach EAB EB 8 ist die Größe des Erddrucs maßgeblich von der horizontalen Bewegung der Spundwand abhängig. Um dies bei der Ermittlung berücsichtigen zu önnen, steht zusätzlich als Zwischenwert ein erhöht ativer Erddruc zur Wahl. Der Erddruc wird auf Grundlage von charateristischen Scherfestigeiten aus den Anteilen Kohäsion, vertialer Gleichflächenlast sowie Bodeneigenlast aufsummiert. Bei bindigen Schichten wird darüber hinaus der Ersatzreibungswinel ermittelt um negative oder zu geringe Erddrüce zu verhindern. Als Mindesterddruc wird dann der ungünstigere Verlauf auf die Spundwand angesetzt Fachartiel 27

3 Fachartiel 28 Für gestützte Spundwände wird sich abweichend von der lassischen Erddrucverteilung eine Verteilung einstellen, bei der sich mehr Last an den Stützungen der Wand onzentriert. Um dies zu berücsichtigen gibt es sowohl von EAB als auch EAU Empfehlungen für Erddrucumlagerungen für rücveranerte Baugruben sowie für abgegrabene oder hinterfüllte Ufersicherungen. Für die einzelnen Bauzustände stehen in Abhängigeit der gewählten Vorschrift (EAU oder EAB) und der Anzahl der Stützungen alle möglichen Umlagerungsfiguren zu Auswahl Bild 3. Belastungsfiguren nach EAB Belastungen Neben dem Erddruc infolge Bodeneigenlast önnen auch Erddrucanteile infolge vertialer oder horizontaler Linienlasten, vertialer Blocund Streifenlasten sowie großflächiger Auflasten, bestimmt und bei den Nachweisen und Bemessungen berücsichtigt werden. Diese Belastungen greifen entweder an Geländeoberante oder unterhalb als Gründungslasten benachbarter Bauwere. Darüber hinaus önnen weitere Belastungen wie Vertial- oder Horizontalräfte sowie Momente oder horizontale Spannungen diret auf die Spundwand einwiren. Bild 4. Beispiel Bloclasten Wasserstände Für die Ermittlung des Erddrucs önnen zwei im Boden vorherrschende Wasserstände eingetragen und berücsichtigt werden. Dabei wird der niedrigste Wasserstand als ständige Einwirung behandelt, der höhere Wasserdruc gemäß DIN 1054 Abs (5) als außergewöhnliche Einwirung. Bei der automatischen Überlagerung bzw. Kombinationsbildung wird dann der jeweils ungünstigere Wasserstand berücsichtigt. Einwirungen Auf Grundlage von eigen definierten Einwirungen werden durch das Programm alle möglichen Kombinationen automatisch erzeugt. Die Einwirungen werden einem Typ gemäß DIN zugeordnet. Dabei stehen neben ständigen Einwirungen auch die veränderlichen Einwirungen nach Tabelle A.2 der DIN sowie eigen definierte Einwirungen zur Verfügung. Alle Belastungen werden jetzt als charateristische Werte eingetragen und einer Einwirung zugeordnet. Durch Gruppenzuweisung önnen auch Einwirungen erzeugt werden, die sich gegenseitig ausschließen und somit nicht gleichzeitig in derselben Kombination enthalten sind. Für die geotechnischen Nachweise werden gemäß DIN 1054 Abs drei Einwirungsombinationstypen unterschieden: Regel Kombination EK1: Ständige sowie während der Funtionszeit regelmäßig auftretende Veränderliche Einwirung Seltene Kombination EK2: Außer den Einwirungen der Regel-Kombination seltene oder einmalige planmäßige Einwirungen. Außergewöhnliche Kombination EK3: Außer den Einwirungen der Regel-Kombination eine gleichzeitig mögliche außergewöhnliche Einwirung, insbesondere bei Erdbeben, Katastrophen oder Unfällen. Jede automatisch gebildete Kombination wird automatisch entsprechend der beinhalteten Einwirungen typisiert. Somit bilden alle Kombinationen, bei denen eine außergewöhnliche Einwirung enthalten ist, eine Regel-Kombination (EK1). Ist eine außergewöhnliche Einwirung enthalten, so wird diese als außergewöhnliche Kombination (EK3) behandelt. Lastfälle der DIN 1054 In der DIN 1054 (/05) werden drei Lastfälle beschrieben, welche sich aus den Einwirungsombinationen in Verbindung mit den Sicherheitslassen ergeben. Es wird unterschieden in: Lastfall LF 1: ständige Bemessungssituation Lastfall LF 2: vorübergehende Bemessungssituation Lastfall LF 3: außergewöhnliche Bemessungssituation

4 Fachartiel 30 Durch die Auswahl der Sicherheitslasse und Typisierung der gebildeten Einwirungsombinationen wird für jeden Nachweis automatisch vom Programm der maßgebende Lastfall bestimmt. Für definierte Kombinationstypen mit Bemessungswerten der Belastung ann der zu untersuchende Lastfall manuell vorgegeben werden. In der Regel wird für Spundwände, die als Baugrubensicherungen eingesetzt werden, über die Sicherheitslasse 2 der Lastfall 2 maßgebend. Geotechnische Nachweise Das Programm führt die erforderlichen geotechnischen Nachweise gemäß DIN 1054, die sich in die Nachweise Verlust der Lagesicherheit (GZ 1A) und Versagen von Bauweren und Bauteilen aufgliedern. Die folgenden Nachweise werden vom Programm geführt: Versagen des Erdwiderlagers in Grenzzustand 1B Ein Spundwandbauwer erreicht seine Standsicherheit indem die horizontale Belastung omplett oder teilweise über die horizontale Erdwiderstandsraft vor der Wand abgetragen wird. Für jeden Bauzustand ist somit nachzuweisen, dass die Spundwand über eine ausreichende Einbindetiefe verfügt, um die vorherrschende Belastung abzutragen. B h,d E ph,d γ Ep η Bemessungswert des Horizontalanteils der Auflagerraft für das Erdwiderlager Bemessungswert des Horizontalanteils des Erdwiderstandes Teilsicherheitsbeiwert für den Erdwiderstand Abminderungsfator zur Redution der Fußverschiebung nach DIN 1054 Abs (4) Über die Nachweisführung Versagen des Erdwiderlagers wird die erforderliche Einbindetiefe je Bauzustand, bzw. Aushubphase unter Berücsichtigung von DIN 1054 Abs sowie EAB (EB 80) ermittelt. Nachweis der Vertialomponente der Auflagerraft Neben der Nachweisführung der Abtragung der horizontalen Auflagerraft in den Baugrund ist auch die Vertialomponente der Auflagerraft B zu beurteilen. Hierfür ist nachzuweisen, dass bei gewähltem negativem Neigungswinel δ p,m, mb-viewer Version Copyright mb AEC Software GmbH die von unten nach oben gerichtete vertiale Auflagerraft B v, leiner ist als die Summe der von oben nach unten gerichteten Anteile je Einwirung. V B v, A v, E av, C v, δ p,m, B G P Bild 5. Darstellung Vertialräfte A E Charateristische Summe aller von oben nach unten gerichteter Einwirungen Charateristische Vertialomponente der Auflagerraft B am Erdwiderlager Charateristische Vertialomponente der Auflagerraft A Charateristische Vertialomponente des Erddrucs Charateristische Vertialomponente der Ersatzraft C gemittelter Wandreibungswinel zur Ermittlung der Erdwiderstandsraft Dem Nachweis der vertialen Auflagerraft ist ein Grenzzustand zugeordnet. Nach DIN 1054 Abs wird der Nachweis auf charateristischem Lastniveau geführt. Falls der Nachweis nicht erfüllt ist und die Vertialomponente der Bodenauflagerraft größer ist als die Summe der minimalen vertialen Gesamtbeanspruchung der Wand, so ist der negative Wandreibungswinel δ p,m, und somit auch der maximale Erdwiderstand überschätzt. Der Wandreibungswinel ist dann zu reduzieren. Besonders bei frei ausragenden oder einfach rücveranerten Baugruben mit flacher Anerneigung beeinflusst die Nachweisführung die Ermittlung der Einbindetiefe. Die Anpassung des Wandreibungswinels für die Ermittlung des Erdwiderstandes ann vom Programm automatisch erfolgen. a,

5 Fachartiel 32 Nachweis der Ersatzraft C im Grenzzustand 1B Für im Erdwiderlager eingespannte oder teilweise eingespannte Spundwände ist die Einbindetiefe um einen Tiefenzuschlag t 1 ( Rammtiefenzuschlag ) über die theoretische Einbindetiefe t 1 hinaus, zur Aufnahme der statisch erforderlichen Ersatzraft C, zu verlängern. Vereinfacht, ohne weiteren Nachweis, ann der Tiefenzuschlag mit 20% der theoretischen Einbindetiefe angenommen werden. Bei genauerer Nachweisführung sind auch geringere Zuschläge, jedoch mindestens 10%, möglich. Das Programm ermöglicht neben dem vereinfachten Ansatz von 20% für eine wirtschaftliche Betrachtung auch den genaueren Nachweis, ob die Ersatzlast C h,d über die Bodenreation E phc,d über den Tiefenzuschlag t1 abgetragen werden ann. C h,d E phc,d γ Ep t 1 e phc, B h, Bild 6. Darstellung Ersatzraft C E ah, e ah, Bemessungswert der Ersatzraft Bemessungswert des Erdwiderstandes Teilsicherheitsbeiwert für den Erdwiderstand Tiefenzuschlag Charateristische Erdwiderstandsordinate Bei der genaueren Nachweisführung wird iterativ der notwendige Tiefenzuschlag zur Aufnahme der Ersatzraft bestimmt. Die Nachweisführung selbst erfolgt nach EAB (EB 26) oder EAU (E 56) entsprechend DIN 1054 Abs Nachweis gegen Versinen von Bauteilen im Grenzzustand 1B Für wandartige Stützbauwere wie Spundwände ist es erforderlich nachzuweisen, dass das Bauteil infolge wandparalleler Beanspruchung im Boden C h, e phc, versint. Die Grenzzustandsbedingung wird in DIN 1054 Abs wie folgt beschrieben. V d R d Bemessungswert der vertialen Wandbeanspruchung Bemessungswert des Widerstandes der Spundwand in axialer Richtung Die sogenannte äußere Tragfähigeit für Spundwände wird nach EAB (EB 85) ermittelt. Diese setzt sich zum einen aus dem Fußwiderstand und zum anderen aus dem Mantelwiderstand zusammen. Die dafür notwendige Mantelreibung und der Spitzendruc önnen hierfür auf Grundlage von Erfahrungswerten nach EAB A 10 bestimmt oder durch Vorgabe von Ergebnissen aus Probebelastungen ermittelt werden. Nachweis der Standsicherheit in der tiefen Gleitfuge im Grenzzustand 1B Zur Ermittlung der erforderlichen Anerlänge ist der Nachweis in der tiefen Gleitfuge erforderlich. Hierbei wird nachgewiesen, dass der Bodenörper, der sich über die Anerlänge definiert, auf einer ebenen Gleitfläche abrutscht. Die an den Bodenörper angreifenden Kräfte bilden ein Kraftec über welches die mögliche Anerraft A mögl, bestimmt wird. A vorh,d A mögl,d Bemessungswert der Anerbeanspruchung Bemessungswert des Widerstandes Über die Vorgabe einer Schrittweite für die Anerverlängerung ann das Programm automatisch die Anerlänge so weit steigern, bis der Nachweis erfüllt ist. Definiert ist der Nachweis in DIN 1054 Abs Berücsichtigt wird je nach Ausführungsart die EAB (EB 44) oder EAU (E 10) Bild 7. Bruchörper für Nachweis Tiefe Gleitfuge

6 Tragfähigeit der Spundwandbohlen Nach DIN 1054 Abs ist für Bauteile die Tragfähigeit nachzuweisen. Für die Spundwandbohlen erfolgt die Nachweisführung der Querschnittstragfähigeit gem. DIN nach dem Verfahren elastisch-elastisch. E d R M,d Bemessungswert der Beanspruchung Bemessungswert des Bauteilwiderstandes Zur Berechnung der Spundwand wird als statisches System ein unnachgiebig gelagerter Träger angenommen. Bei einer frei aufgelagerten Wand stellt jeder Aner oder Steife sowie das Widerlager im Schwerpunt des mobilisierten Erdwiderstandes ein Lager des Trägers dar. Für frei ausragende oder eingespannte Wände wird zur Bestimmung der Ersatzraft C ein weiteres horizontales Lager am theoretischen Fußpunt der Wand erzeugt. Über den theoretischen Fußpunt hinaus wird die Wand um den Tiefenzuschlag t zur Aufnahme der Ersatzraft verlängert Med Ved Bild 8. Bemessungsschnittgrößen Die Auflager am Wandfuß als Puntlager abzubilden, erzeugt durch das so entstehende Stützmoment infolge Ausragung zwangsläufig eine fehlerhafte Momenten-Verteilung sowie Auflagerräfte. Für realistischere Schnittgrößenverteilungen wird bei der Berechnung die resultierende Auflagerreation in Form einer Spannungsverteilung als Einwirung auf die Wand angesetzt. Ausgabe Die Ausgabe der Eingabewerte, der Berechnungsgrundlagen sowie der Berechnungs- und Bemessungsergebnisse erfolgt übersichtlich in textlicher und teilweise in grafischer Form für jeden Bauzustand. Darüber hinaus wird im Anschluss an den letzten Bauzustand eine Übersicht in tabellarischer Form angeboten. Dies erleichtert deutlich die Bearbeitung der Spundwandberechnung. Der Umfang ann gezielt angepasst und auch reduziert werden Ned Dipl.-Ing. (FH) Marus Öhlenschläger mb AEC Software GmbH mb-news@mbaec.de Proj.Bez Schnittgrößen DIN : E 1 M 1:100 mb BauStati Nachweis A Aushubphase: Vertialomponente Voraushub des VertialraftBauzustand: der Erdwiderstands nach EAB EB 9Lagerung des Wandfußes: im Boden voll eingespannt Aushubniveau z = 1.50 m Theoretische Einbindetiefe t = 1.37 m Maßgebende Kombination (charateristisch) Einwirung #BodenE E1 z mb M V Seite N BauStati Rammtiefenzuschlag (0.20*t) Δ t = 0.27Proj.Bez m [m] [Nm/m] [N/m] [N/m] N/m = Position Vertialomp. erforderliche AuflagerraftWandlänge 6.72Le r 3.14 m Bv, = f mb Beschreibung BauStati S Projet System Eigengewicht der Wand G = 5.74 N/m M 1:55 Vertialomp. Erddruc Ea v, = N/m N/m 3.18 Vertialomp Auflagerraft = Vertialomp. Anerraft 1 Av, = 9.29 Bv, N/m V = N/m 4.60 Eigengewicht Wand G = der 9.11 N/m Vertialomp. Erddruc = N/m Bv, V M V N Einwirung 6.72 #GWstän z Ea v, 7.38 N/m [m] Vertialomp. [Nm/m] Anerraft [N/m] [N/m] Av, = 1 Vertialomp. Anerraft 2 Av, = N/m Kombinationen V = N/m mb AEC Software GmbH Europaallee Kaiserslautern GZ 1B: Grenzzustand Versagen von Bauweren, E Typ Σ (γ *ψ Bv * EW) V *#BodenE+1.20*#GWstän 1 EK Bemessung Charateristische gem. Kombinationen DIN (11/1990) E Typ Σ (γ *ψ Berechnungsverfahren: * EW) Elastisch - Elastisch 1 CK 1.00*#BodenE+1.00*#GWstän Profilstahl S Strecgrenze fy, = N/mm² Grenznormalspannung σ = N/mm² R, d Grenzschubspannung τ = N/mm² R, d Elastizitätsmodul Es = N/mm² Wasserdruc Belastender Wasserdruc gewähltes Profil: Hoesch 12 luftseitig Grundwasserstand: 8.00 m mb WH AEC = Software GmbH N/m Europaallee vorh. Wy 14 = Kaiserslautern cm3 vorh. Iy = cm4 erdseitig Grundwasserstand: 8.00 m WH Spannungen = N/mE z σ τ σ v [m] [N/mm²] [N/mm²] [N/mm²] Einwirung B C [N/m] Normalspannung[N/m] σ /σ R, d / / #BodenE Schubspannung τ /τ R, d / #GWstän 0.00 Vergleichsspannung 0.00σ v /σ R, d Seite Position mb BauStati S Projet Beschreibung Kombinationen nach DIN E Typ Σ (γ *ψ * EW) 1 GK 1.35*#BodenE+1.35*#GWstän Med Ved char. Auflagerräfte Vd Nd DIN : E 1 z Md Einwirung B A1 [N/m] [N/m] [N/m] [m] [Nm/m] [N/m] #BodenE #GWstän char Schnittgrößen Einwirung #BodenE M 1: Nachweise Erdwiderlager Wasserdruc Ned Proj.Bez M Nachweis gegen Versagen des Erdwiderlagers nach EAB EB 80 Maßgebende Kombination (GZ 1B) E1 Lastfall LF2 TS-Beiwert Erdwiderstand γ = 1.30 E p Horizontalomp. Proj.Bez mb BauStati Auflagerraft Bh, d = Seite N/m Horizontalomp. Erdwiderstand Ep h, d = Position N/m Beschreibung Projet mb BauStati Bh, d Ep h, d S char. Schnittgrößen Einwirung #BodenE M 1:100 M Bauzustand: D System M 1:190 mb AEC Software GmbH Europaallee Kaiserslautern mb BauStati Aushubphase: 3. Aushubschritt Lagerung des Wandfußes: im Boden frei aufgelagert Aushubniveau z = 9.50 m Theoretische Einbindetiefe t = 1.78 m erforderliche Wandlänge f = m Le r Seite Position mb BauStati S Projet Beschreibung Erdwiderstand Eph = N/m Epv = N/m Belastender Wasserdruc Einwirung #BodenE z M V N [m] [Nm/m] [N/m] [N/m] Angebote BauStati 2009 luftseitig Grundwasserstand: 8.00 m WH = N/m erdseitig Grundwasserstand: 8.00 m WH = N/m S572 Spundwand, DIN 1054 (/05), (EAB, EAU) V mb AEC Software GmbH Europaallee Kaiserslautern Leistungsbeschreibung siehe nebenstehenden Fachartiel V 6.35 N N Fachartiel 33 *Ationspreise befristet bis S572 Spundwand, DIN 1054 (/05), (EAB, EAU) Für Kunden mit S570 (alte DIN) und Servicevertrag** 149,-EUR* statt 390,- EUR 0,-EUR Bestellformular: Seite 45 Es gelten unsere Allgemeinen Geschäftsbedingungen. Änderungen und Irrtümer vorbehalten. Alle Preise zzgl. Versandosten (7,50 EUR) und ges. MwSt. Hardloc für Einzelplatzlizenz, je Arbeitsplatz erforderlich (95,- EUR). Handbücher auf DVD. Betriebssysteme Windows 2000 / XP (32) / Vista (32/64) Stand: November 2008 **Gilt nicht für Module nach alter Norm, die im Rahmen von Sonderationen z.b. für 19,- EUR erworben wurden.