Die äußere Tragfähigkeit von Pfählen nach Teilsicherheitskonzept Ingenieurservice Grundbau GmbH

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1 Die äußere Tragfähigkeit von Pfählen nach Teilsicherheitskonzept Dipl.-Ing. Thomas Garbers, Überreicht durch Hittfelder Kirchweg Seevetal Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0)

2 Die äußere Tragfähigkeit von Pfählen nach Teilsicherheitskonzept 32. Erfahrungsaustausch Ingenieure für Baugrund / Bodengutachter Dresdener Straße Leipzig Dipl.-Ing. Thomas Garbers Hittfelder Kirchweg Seevetal tgarbers@isg-seevetal.de Vorgang : Pfähle nach neuem Teilsicherheitskonzept Seite : 1

3 INHALTSVERZEICHNIS Inhalt Seite 1. Einleitung 3 2. Neues Sicherheitskonzept 4 3. Berechnungsgrundlagen 8 4. Berechnung Berechnungsbeispiel EA-Pfähle Ausblick 20 Vorgang : Pfähle nach neuem Teilsicherheitskonzept Seite : 2

4 1. EINLEITUNG Die DIN 1054:2005 mit den Grundlagen zum Teilsicherheitskonzept ist inzwischen in fast allen Bundesländern bauaufsichtlich eingeführt. Da die Übergangsfrist Ende 2007 abläuft, sind ab Anfang 2008 nur noch Berechnungen nach dem Teilsicherheitskonzept zulässig. D.h. auch für ausführende und planende Ingenieure des Grundbaus und der Geotechnik sind die Tage der Globalsicherheit gezählt. Es ist also an der Zeit sich mit dem neuen Sicherheitskonzept zu beschäftigen um 2008 keinen Fehlstart zu erleben. Mein Vortrag soll Ihnen eine kleinen Einblick in den Abschnitt 8 Pfahlgründungen der DIN 1054 geben und Sie motivieren sich mit der neuen Materie zu beschäftigen, damit wir ab 2008 auf einem sicheren Fundament diskutieren und zusammen arbeiten können. Im Ende April 2007 erscheint ergänzend zur DIN 1054 die Empfehlungen des Arbeitskreises Pfähle (EA-Pfähle). In diesen Empfehlungen werden, ähnlich wie bei der EAB oder EAU, Empfehlungen für die Planung und Ausführung von Pfahlgründungen gegeben. Erstmalig werden in diesem Buch auch Berechnungsansätze für eine große Anzahl von Pfahlsystemen aufgeführt, die es dem Planer ermöglichen anhand von Bodenkennwerten (Lagerungsdichte, C u -Wert) die Tragfähigkeit von Pfählen zu ermitteln. Die sicherste Methode zur Ermittlung der Tragfähigkeit eines Pfahles bleibt jedoch nach wie vor die statische Probebelastung. Im Folgenden werde ich Ihnen die Grundlagen, die allgemeinen Festlegungen und den Gang bei der Ermittlung der Pfahllänge erläutern. Vorgang : Pfähle nach neuem Teilsicherheitskonzept Seite : 3

5 2. NEUES SICHERHEITSKONZEPT 2.1 BEGRIFFE Mit dem neuen Sicherheitskonzept wurden auch neue Begriffe eingeführt. Einwirkungen Auswirkungen der Einwirkungen Widerstände Begriffsfestlegung Einwirkungen ist der neue Oberbegriff nicht nur für Lasten und Kräfte, sondern auch für aufgezwungene bzw. behinderte Verformungen oder Bewegungen Schnittkräfte und Spannungen, Veränderungen (Verformung, Dehnung usw.) oder Lageveränderungen (Verschiebung, Setzung usw.) an Bauwerken Scherfestigkeit (Reibungswinkel, Kohäsion), abgeleitete Bodenwiderstände (Erdwiderstand, Mantelwiderstand, Spitzenwiderstand) Der Widerstand ist der Grenzzustand des Bodens Die Bodenreaktion ist der Teil des Widerstandes der in Anspruch genommen wird Vorgang : Pfähle nach neuem Teilsicherheitskonzept Seite : 4

6 2.2 EINWIRKUNGEN, BEANSPRUCHUNGEN E K N K N d charakteristische Beanspruchung eines Einzelpfahles charakteristische Beanspruchung Bemessungswert der Beanspruchung 2.3 WIDERSTÄNDE R 1,K R 1,d R 1m,i charakteristischer Pfahlwiderstand im Grenzzustand der Tragfähigkeit Bemessungswert des Pfahlwiderstandes im Grenzzustand der Tragfähigkeit Pfahlwiderstand aus Probebelastungsergebnissen R 2,K R 2,d charakteristischer Pfahlwiderstand im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit Bemessungswert des Pfahlwiderstandes im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit Vorgang : Pfähle nach neuem Teilsicherheitskonzept Seite : 5

7 2.4 GRENZZUSTÄNDE Im neuen Sicherheitskonzept werden Grenzzustände verglichen. Für die einzelnen Nachweise im Grundbau wurden folgende Grenzzustände formuliert: Grenzzustand GZ 1 Grenzzustand der Tragfähigkeit GZ 1A Grenzzustand des Verlustes der Lagesicherheit. Unter anderem Aufschwimmen und hydraulischer Grundbruch. Es treten keine Widerstände auf, es werden nur günstige und ungünstige Einwirkungen gegenübergestellt. F d = F k * γ dstb G k / γ stb = G d GZ 1B Grenzzustand des Versagens von Bauwerken und Bauteilen. Im GZ 1B wird überprüft ob die Abmessungen von Bauwerken und Bauteilen ausreichend gewählt wurden. Hierzu werden die Bemessungswerte der Beanspruchungen den Bemessungswerten der Widerstände gegenübergestellt. E d = E k * γ F R k / γ R = R d GZ 1C Grenzzustand des Versagens der Gesamtsicherheit. Im GZ 1C wird überprüft, ob die Gesamtstandsicherheit vorhanden ist (z.b. Geländebruch). Hierzu werden die Bemessungswerte der Beanspruchungen den Bemessungswerten der Scherfestigkeiten gegenübergestellt. E d = = R d Grenzzustand GZ 2 Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit Im GZ 2 werden in der Regel einzuhaltende Verformungen bzw. Verschiebungen überprüft. Die Nachweise sind mit charakteristischen Werten der Einwirkungen zu führen. Vorgang : Pfähle nach neuem Teilsicherheitskonzept Seite : 6

8 2.5 GEOTECHNISCHE KATEGORIEN Die Mindestanforderungen an Umfang und Qualität geotechnischer Untersuchungen, Berechnungen und Überwachungsmaßnahmen richten sich nach den drei Geotechnischen Kategorien. Die Anforderungen an den geotechnischen Bericht sind in DIN 4020 beschrieben. Leider wird die DIN 4020 nicht bauaufsichtlich eingeführt, sodass sie separat vereinbart werden muss. Gleichwohl ist sie Stand der Technik und muss deshalb bei den geotechnischen Untersuchungen berücksichtigt werden. GK 1 Bauwerke mit geringem Schwierigkeitsgrad GK 2 GK 3 Bauwerke mit mittlerem Schwierigkeitsgrad. Ein geotechnischer Bericht ist erforderlich. Bauwerke mit hohem Schwierigkeitsgrad. Ein geotechnischer Bericht ist erforderlich. Pfahlgründungen sind im Allgemeinen mindestens in die Geotechnische Kategorie 2 einzuordnen. Vorgang : Pfähle nach neuem Teilsicherheitskonzept Seite : 7

9 3. BERECHNUNGSGRUNDLAGEN 3.1 EINWIRKUNGEN, BEANSPRUCHUNGEN Gründungslasten Die Gründungslasten sind vom Tragwerksplaner in der Regel als charakteristische Schnittgrößen in Höhe der Oberkante der Gründungskonstruktion anzugeben (6.1.2). Grundbauspezifische Einwirkungen (6.1.3) Die Grundbauspezifischen Einwirkungen ergeben sich aus dem Grundbauwerk selbst oder aus den direkt auf das Grundbauwerk wirkenden Einwirkungen, wenn sie nicht bereits bei den Gründungslasten berücksichtigt wurden. Eigengewicht Erddruck Flüssigkeitsdruck Seitendruck (8.3.2) und negative Mantelreibung (8.3.3) Ständige Beanspruchungen Ständige Gründungslasten Erddrucklasten Negative Mantelreibung 3.2 LASTFÄLLE Für die Zuordnung der unterschiedlichen Teilsicherheitsbeiwerte und die Berechnung werden folgende Lastfälle unterschieden: LF 1 LF 2 LF 3 ständige und vorübergehende Bemessungssituation Bauzustände außergewöhnliche Bemessungssituationen Vorgang : Pfähle nach neuem Teilsicherheitskonzept Seite : 8

10 3.3 TEILSICHERHEITSBEIWERTE Tabelle 2 Teilsicherheitsbeiwerte für Einwirkungen und Beanspruchungen Einwirkung bzw. Beanspruchung Formelzeichen Lastfall LF 1 LF 2 LF 3 GZ 1A: Grenzzustand des Verlustes der Lagesicherheit Günstige ständige Einwirkungen γ G,stb 0,95 0,95 0,95 Ungünstige ständige Einwirkungen γ G,dst 1,05 1,05 1,00 Ungünstige veränderliche Einwirkungen γ Q,dst 1,50 1,30 1,00 Strömungskraft bei günstigem Untergrund γ H 1,35 1,30 1,20 Strömungskraft bei ungünstigem Untergrund γ H 1,80 1,60 1,35 GZ 1B: Grenzzustand des Versagens von Bauwerken und Bauteilen Beanspruchungen aus ständigen Einwirkungen allgemein a γ G 1,35 1,20 1,00 Beanspruchungen aus ständigen Einwirkungen aus Erdruhedruck γ E0g 1,20 1,10 1,00 Beanspruchungen aus günstigen ständigen Einwirkungen b γ G,inf 1,00 1,00 1,00 Beanspruchungen aus ungünstigen veränderlichen Einwirkungen γ Q 1,50 1,30 1,00 GZ 1C: Grenzzustand des Verlustes der Gesamtstandsicherheit Ständige Einwirkungen γ G 1,00 1,00 1,00 Ungünstige veränderliche Einwirkungen γ Q 1,30 1,20 1,00 GZ 2: Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit γ G = 1,0 für ständige Einwirkungen bzw. Beanspruchungen γ Q = 1,0 für veränderliche Einwirkungen bzw. Beanspruchungen a einschließlich ständigem und veränderlichem Wasserdruck b nur im Sonderfall nach (2). Vorgang : Pfähle nach neuem Teilsicherheitskonzept Seite : 9

11 Tabelle 3 Teilsicherheitsbeiwerte für Widerstände Widerstand Formelzeichen Lastfall LF 1 LF 2 LF 3 GZ 1B: Grenzzustand des Versagens von Bauwerken und Bauteilen Bodenwiderstände Erdwiderstand und Grundbruchwiderstand γ Ep,Gr 1,40 1,30 1,20 Gleitwiderstand γ Gl 1,10 1,10 1,10 Pfahlwiderstände Pfahldruckwiderstand bei Probebelastung γ Pc 1,20 1,20 1,20 Pfahlzugwiderstand bei Probebelastung γ Pt 1,30 1,30 1,30 Pfahlwiderstand auf Druck und Zug aufgrund von Erfahrungswerten γ P 1,40 1,40 1,40 Verpressankerwiderstände Widerstand des Stahlzuggliedes γ M 1,15 1,15 1,15 Herausziehen des Verpresskörpers γ A 1,10 1,10 1,10 GZ 1C: Grenzzustand des Verlustes der Gesamtstandsicherheit Scherfestigkeit Reibungsbeiwert tan φ' des dränierten Bodens und Reibungsbeiwert tan φ u des undränierten Bodens γ φ, γ yu 1,25 1,15 1,10 Kohäsion c' des dränierten Bodens und Scherfestigkeit c u des undränierten Bodens γ c, γ cu 1,25 1,15 1,10 Herausziehwiderstände Boden- bzw. Felsnägel, Ankerzugpfähle γ N, γ Z 1,40 1,30 1,20 Verpresskörper von Verpressankern γ A 1,10 1,10 1,10 Flexible Bewehrungselemente γ B 1,40 1,30 1,20 Vorgang : Pfähle nach neuem Teilsicherheitskonzept Seite : 10

12 4. BERECHNUNG 4.1 ALLGEMEIN Beanspruchungen Ermittlung der charakteristischen Beanspruchungen Ermittlung der Bemessungslasten N d = N G,k * γ G + N Q,k * γ Q Widerstände Ermittlung des Widerstandes R 1m, i (Probebelastung) Ermittlung des charakteristischen Widerstandes aus Probebelastungen oder Tabellenwerken R 1,k R 1,k = R 1m,i / ξ Ermittlung des Bemessungswertes des Widerstandes R 1,d R d = R k / γ Pc, Pt, P Vergleich Beanspruchung Widerstand N d R d Vorgang : Pfähle nach neuem Teilsicherheitskonzept Seite : 11

13 4.2 WIDERSTÄNDE Zur Ermittlung der Pfahlwiderstände können verschiedene Grundlagen verwendet werden: Statische Probebelastungen Die Widerstand-Setzungs-Linie sollte aufgrund von am Standort oder unter vergleichbaren Baugrundverhältnissen durchgeführten statischen Probebelastungen festgelegt werden. Die Widerstände sind mit dem Streuungsfaktor ξ abzumindern. Die charakteristischen Widerstände sind mit dem Teilsicherheitsbeiwert γ Pc auf Bemessungswiderstände umzurechnen. dynamische Probebelastungen Der charakteristische Pfahlwiderstand darf aus dynamischen Probebelastungen abgeleitet werden, wenn die durchführende Institution eine langjährige Erfahrung mit dem Messverfahren nachweisen kann. Die Widerstände sind mit dem Streuungsfaktor ξ abzumindern. Je nach Art der Auswertung und Kalibrierung ist der Streuungsfaktor um den Wert ξ zu vergrößern. Die Anzahl der ausgeführten Probebelastungen ist gegenüber statischen Belastungen zu verdoppeln. Die charakteristischen Widerstände sind mit dem Teilsicherheitsbeiwert γ Pc auf Bemessungswiderstände umzurechnen. Erfahrungswerte Der charakteristische Pfahlwiderstand darf aus allgemeinen Erfahrungswerten bestimmt werden (Bohrpfähle Anhang B, gerammte Verdrängungspfähle Anhang C, Mikropfähle Anhang D,). Zukünftig werden die Werte der neuen EA-Pfähle Verwendung finden. Die charakteristischen Widerstände sind mit dem Teilsicherheitsbeiwert γ P auf Bemessungswiderstände umzurechnen. Vorgang : Pfähle nach neuem Teilsicherheitskonzept Seite : 12

14 Tabelle 4 Streuungsfaktor ξ zur Berücksichtigung von Anzahl und Streuung der Ergebnisse von Pfahlprobebelastungen Zahl der Probebelastungen N Mittelwert R 1m a Streuungsfaktor ξ Kleinstwert R 1m,min Spalte 1 Spalte 2 Spalte 3 Spalte 4 s N / R 1m = 0 s N / R 1m = 0, ,15 2 1,05 1,10 1,05 >2 1,00 1,05 1,00 Vorgang : Pfähle nach neuem Teilsicherheitskonzept Seite : 13

15 5. BERECHNUNGSBEISPIEL EA-PFÄHLE Vollverdrängungspfahl nach EN 12699, System Atlas Bohrprofil Pfahlherstellung und Sondierung Auffüllu ng Sa nd Vorgang : Pfähle nach neuem Teilsicherheitskonzept Seite : 14

16 5.1 Bemessung anhand einer Spitzendrucksondierung charakteristischer Mantelwiderstand R s,k (untere Tabellenwerte) Schicht i A s,i q c,i q s,k,i R s,k,i [m] [m 2 ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [MN] 2,3 4,0 2,99 8,0 0,090 0,269 4,0 7,9 6,86 9,0 0,100 0,686 R s,k = 0,955 MN charakteristischer Mantelwiderstand R s,k (obere Tabellenwerte) Schicht i A s,i q c,i q s,k,i R s,k,i [m] [m 2 ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [MN] 2,3 4,0 2,99 8,0 0,111 0,332 4,0 7,9 6,86 9,0 0,124 0,851 R s,k = 1,183 MN Pfahlfußwiderstand bei Grenzsetzung R b,k Bezogene Setzung q b,k R b,k(s) s/d b [MN/m 2 ] [MN] 0,10 3,417 0,842 (untere Tabellenwerte) 0,10 4,833 1,190 (obere Tabellenwerte) charakteristische Pfahlwiderstände R 1,k obere Tabellenwerte [MN] untere Tabellenwerte [MN] 2,373 1,797 Design Pfahlwiderstände R 1,d untere Tabellenwerte 1,797 / 1,4 =1,283 MN obere Tabellenwerte 2,373 / 1,4 =1,695 MN Vorgang : Pfähle nach neuem Teilsicherheitskonzept Seite : 15

17 5.2 Vergleich mit den Ergebnissen einer Probebelastung Bohrprofil +23,53 mnn Auffüllung Sand Pfahlherstellung und Sondierung Drucksondierung q c [MN/m²] Widerstands - Setzungs - Linie ,06 4,99 Last [MN] ,19 30,40 23,70 38,66 Setzungen [mm] Vorgang : Pfähle nach neuem Teilsicherheitskonzept Seite : 16

18 charakteristischer Mantelwiderstand (untere Tabellenwerte) Schicht i A s,i q c,i q s,k,i R s,k,i [m] [m 2 ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [MN] 0,0 2,3 4,05 3,0 0,040 0,162 2,3 4,0 2,99 8,0 0,090 0,269 4,0 7,9 6,86 9,0 0,100 0,686 R s,k = 1,117 MN charakteristischer Mantelwiderstand (obere Tabellenwerte) Schicht i A s,i q c,i q s,k,i R s,k,i [m] [m 2 ] [MN/m 2 ] [MN/m 2 ] [MN] 0,0 2,3 4,05 3,0 0,048 0,194 2,3 4,0 2,99 8,0 0,111 0,332 4,0 7,9 6,86 9,0 0,124 0,851 R s,k = 1,377 MN charakteristischer Pfahlfußwiderstand (untere Tabellenwerte) Bezogene Setzung q b,k R b,k(s) s/d b [MN/m 2 ] [MN] 0,02 1,183 0,291 0,03 1,517 0,374 0,10 3,417 0,842 charakteristischer Pfahlfußwiderstand (obere Tabellenwerte) Bezogene Setzung q b,k R b,k(s) s/d b [MN/m 2 ] [MN] 0,02 1,700 0,419 0,03 2,217 0,546 0,10 4,833 1,190 Vorgang : Pfähle nach neuem Teilsicherheitskonzept Seite : 17

19 Grenzsetzung für den setzungsunabhängigen charakteristischen Pfahlmantelwiderstand s sg = 0,5*R s,k +0,5 s sg = 1,06 cm s sg = 1,19 cm (für die unteren Tabellenwerte) (für die oberen Tabellenwerte) Pfahlfußfläche A b = 0,246 m 2 Mittlere Bodenfestigkeit q c = 10 MN/m 2 (bis 4*D unter Pfahlfuß) Pfahlwiderstand (untere Tabellenwerte) Bezogene Setzung s/d b s sg 0,02 0,03 0,10 Pfahlkopfsetzung [cm] 1,06 1,12 1,68 5,6 R s,k (s) R b,k (s) R k (s) [MN] [MN] [MN] 1,117 0,275 1,392 1,117 0,291 1,409 1,117 0,374 1,491 1,117 0,842 1,959 Pfahlwiderstand (obere Tabellenwerte) Bezogene Setzung s/d b s sg 0,02 0,03 0,10 Pfahlkopfsetzung [cm] 1,19 1,12 1,68 5,6 R s,k (s) R b,k (s) R k (s) [MN] [MN] [MN] 1,377 0,435 1,812 1,377 0,419 1,796 1,377 0,546 1,923 1,377 1,190 2,567 Vorgang : Pfähle nach neuem Teilsicherheitskonzept Seite : 18

20 Widerstands - Setzungs - Linie 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 0 R k [MN] Setzungen [cm] Probebelastung obere Tabellenwerte untere Tabellenwerte charakteristische Pfahlwiderstände R 1,k Probelastung [MN] obere Tabellenwerte [MN] untere Tabellenwerte [MN] 2,900 2,373 1,797 Design Pfahlwiderstände R 1,d untere Tabellenwerte 1,797 / 1,4 =1,283 MN obere Tabellenwerte 2,373 / 1,4 =1,695 MN Probelastung 2,9 / 1,15 / 1,2 =2,101 MN Vorgang : Pfähle nach neuem Teilsicherheitskonzept Seite : 19

21 Probebelastung obere Tabellenwerte untere Tabellenwerte Aufnehmbare charakteristische Lasten N k [MN] Abweichung [%] 1,474 1,189 0,900 19,3 38,9 6. Ausblick Nachteile: Da die Einwirkungen und Widerstände mit unterschiedlichen Teilsicherheitsbeiwerten erhöht bzw. abgemindert werden, wird der Umfang der erforderlichen Nachweise größer. Aufgrund der großen Anzahl an Formelzeichen mit unterschiedlichen Fußnoten kann es, gerade in der ersten Zeit, zu Verwechslungen kommen. Vorteile: Durch die Einführung des Teilsicherheitskonzeptes im Grundbau, können jetzt alle Nachweise eines Bauwerkes mit dem neuen Konzept erstellt werden. D.h. europaweit ist die Berechnungsweise vereinheitlicht worden. Durch die Einführung der EA-Pfähle liegen für fast alle Pfahlsysteme Werte für Mantel- und Fußwiderstand vor. Die Pfahlprobebelastungen können sowohl statisch als auch dynamisch ausgeführt werden. Probelastungen bieten nach wie vor großes Potential zur Optimierung von Pfahlgründungen. Vorgang : Pfähle nach neuem Teilsicherheitskonzept Seite : 20