Bemessung nach EAU 2004

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1 BAW Kolloquium 22. September 2005 Erfahrungsaustausch zur Planung, Bemessung und Ausführung von Uferwänden aus Stahlspundbohlen Bemessung nach EAU 2004 Dr.-Ing. Karl Morgen, Windels Timm Morgen, Hamburg

2 Inhaltsverzeichnis 1. Sicherheitskonzepte 2. Verfahren nach BLUM 3. Berechnungsweise konform zur DIN Beispiel und Wirtschaftlichkeit nach DIN Erddruckumlagerung aus FE-Parameterstudien 6. Modifizierte Teilsicherheitsbeiwerte aus Parameterstudien 7. Berechnungsbeispiel EAU Zusammenfassung

3 1. Sicherheitskonzepte 1. EAU DIN 1054 [ als Grundlage der EAU 2004 ]

4 1.1 Sicherheitskonzept der EAU Globales Sicherheitskonzept 2. Wo wirken globale Sicherheiten? 3. Scherparameterdefinition

5 1.1.1 Globales Sicherheitskonzept EAU 90 Berechnung der Einbindetiefe t, der Schnittgrößen M, Q und w mit γ = 1,0 t γ reactio = 1,0 reactio actio γ actio = 1,0 e p cal ϕ cal c

6 1.1.2 Wo wirken globale Sicherheiten in der EAU 90? zul M = W zul σ A DIN 1054 M Q cal ϕ, cal c Klassische Verteilung e p

7 1.1.3 Scherparameterdefinition EAU 90 Die Versuchsanstalt liefert charakt. Werte als Grundwerte E 150 E 96 ϕ k, c k DIN 1054 Der Baugrundsachverständige erstellt aus den Grundwerten die Rechenwerte cal tan ϕ = tan ϕ k / 1,10 cal c = c k / 1,30

8 1.2 Sicherheitskonzept DIN 1054 (Grundlage EAU 2004) 1. Teilsicherheitskonzept 2. Welche Teilsicherheitsbeiwerte gibt es? 3. Scherparameterdefinition

9 1.2.1 Teilsicherheitskonzept DIN 1054 Beanspruchung des Bodenauflagers B wird ebenso wie die Schnittgrößen infolge ständiger und veränderlicher Einwirkungen mit Teilsicherheitsbeiwerten γ G Q vergrößert! Beanspruchbarkeit des Bodenauflagers B und der Baustoffe (Material) werden mit Teilsicherheitsbeiwerten γ Ep bzw. γ M verkleinert! +

10 ... mit Definition von Grenzzuständen... Berechnung nach dem Teilsicherheitskonzept (DIN ) durch Definition von Grenzzuständen Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZ 1) ist derjenige Zustand des Tragwerkes, dessen Überschreiten zu einem rechnerischen Einsturz oder anderen Formen des Versagens führt. Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit ist derjenige Zustand des Tragwerkes, dessen Überschreiten die für die Nutzung festgelegten Bedingungen nicht mehr erfüllt. (GZ 2) II

11 ... und den 3 Grenzzuständen der Tragfähigkeit im GZ 1 GZ 1A Grenzzustand des Verlustes der Lagesicherheit: Hydraulischer Grundbruch GZ 1B Grenzzustand des Versagens von Bauteilen: Kap Versagen von Bodenauflager, Material oder Standsicherheit in der tiefen Gleitfuge GZ 1C Grenzzustand des Verlustes der II Gesamtstandsicherheit: Geländebruch

12 1.2.3 Teilsicherheitsbeiwerte DIN Teilsicherheitsbeiwerte für Beanspruchungen im GZ 1B für char. Einwirkungen im GZ Vergrößerung Lastfall Ständige Einwirkungen γ G 1,00 1,35 1,20 einschl. Wasserdruck Veränderliche Einwirkungen γ 1,50 1,30 1,00 Q 1B 1,00 1,00 für Bodenauflager B im GZ Teilsicherheitsbeiwerte für Widerstände im GZ 1B Verkleinerung Lastfall Erdwiderstand γ Ep γ 1,40 1,30 1,20 Pfahlzugwiderstand Gleitwiderstand MIT PB γ Pt Gl 1,10 1,30 1,10 1,10 Pfahlzugwiderstand OHNE PB γ P 1,40 1B 1,20

13 ... und charakteristische Einwirkungen nach DIN 1054 DIN 1054 Kap. ständige Einwirkungen G Erddruck infolge... Wasserdruck veränd. Einwirkg. Q Erddruck infolge zusätzlicher Verkehrslasten p k 10 kn/m² Großflächengleichlast Boden- Eigenlast Wü p k > 10 kn/m²

14 1.2.3 Scherparameterdefinition DIN 1054 CHARAKTERISTISCHE WERTE der Bodenkenngrößen: Vorsichtige Schätzwerte der Mittelwerte ϕ k, c k DIN 1054 DIN 1054

15 2.1 Verfahren nach BLUM - Frei aufgelagerte Wand A Q TF Randbedingung im theor. Fußpunkt : Q = 0

16 2.2 Voll eingespannte Wand A w t t TF Randbedingung im theor. Fußpunkt : w = 0 C

17 2.3 BLUM sche RB = Iterationsziel für t Übergeordnete Grenzzustandsbedingung nach DIN 1054: B d E ph,d A FREI A 100% Q k Freie Auflagerung BLUM: ΣC i = 0 im TF Volleinspannung BLUM: Σε i = 0 im TF τ = 0% C TF max ε [ ] 0%<τ<100% Einspanngrad τ t 0 C τ = 100% w ε = 0 TF t 1

18 3. DIN 1054-konforme Berechnung Beanspruchungen Einwirkungen Scherparameter ϕ k, c k Char. Erdwiderstand A k = char. Ankerkraft B = mobilisierter Erdwiderstand infolge der Einwirk. B k = char. Bodenauflager w; Q; M F k = char. Einwirkungen char. max e p mob. e p Kontrollpunkt C BLUM

19 3.1 Bodenauflagernachweis im GZ 1B 1 2 Systemwahl und Ansatz char. Einwirkungen F G Q,k Wahl der Einbindetiefe t 3 Char. Auflagerbeanspruchungen A h,k, B k 4 Multiplikation mit Teilsicherheitsbeiwerten γ G Q + 5 Bemessungswerte A h,d, B d 6 Charakt. Erdwiderstand E ph,k 7 Division durch Teilsicherheitsbeiwert γ Ep 8 Bemessungswert E ph,d 9 Grenzzustandsbedingung B d E ph,d? 10 Ist BLUMsche-RB im theor. Fußpunkt C (TF) erfüllt? JA STOP NEIN

20 3.2 Grenzzustandsbed. im GZ 1B f. das Bodenauflager GZ 1B: Ist das um γ F vergrößerte Bodenauflager kleiner/gleich dem um γ Ep 7 γ Ep 8 6 E p,k E p,d + B F,d 5 3 B γ F,k F 4 verminderten Erdwiderstand? 9 B F,d E p,d

21 3.3 Affines Bodenauflager erforderlich! A Q k Bem.-wert E p,d Char. E p Ep,k E p,d B d B k E a,k W k Char. B k Bem.-wert B d

22 3.4 Spundwand u. Zugpfahl n. EC 3-5 bzw. DIN Char. Werte der Schnittgröße, z.b. M k Multiplikation mit Teilsicherheitsbeiwerten γ G Q + Bemessungswert S d M d Charakt. Wert der Beanspruchbarkeit Division durch Teilsicherheitsbeiwert Bemessungswert R d M y,k γ M M y,d 9 Grenzzustandsbedingung M d M y,d

23 3.4.1 Trennen d. Schnittgrößen nach Ursachen Unterschiedliche Teilsicherheitsbeiwerte 2. Mobilisiertes Bodenauflager nach den Ursachen trennen 1. Einwirkungen nach Ursachen trennen E a,q,k E a,g,k W k B k,g B k,w B k,q E p,g,mob. / E p,k E p,w,mob. / E p,k E p,q,mob. / E p,k z. B.: 38% + 14% + 1% = 53 %

24 3.4.2 Multiplikation der charakteristischen Momente Teilsicherheitsbeiwerte Bemessungswert-Anteil Erddruck aus G Wasserdruck Erddruck aus Q M G,k M W, k M Q, k Multiplikation mit γ G = 1,35 γ G = 1,35 γ Q = 1,50

25 3.4.3 Addition d. Bemessungswertanteile zu M S,d Erddruck aus G Wasserdruck Erddruck aus Q M G, d M W, d M Q, d M S,d = M G,k γ G + M W,k γ G + M Q,k γ Q ΣM S,d < M R,d

26 4. Beispiel mit Vergleich zw. EAU 1990 und DIN 1054 Hamburger Hafen Airbus- Gelände Mühlenberger Loch

27 4.1 Querschnitt HWS-Wand Elbe HW MThw MTnw Spüldamm mit HWS-Wand West Mühlenberger Loch Sunk +9,25 +8,10 +4,00 +5,00-3,50-9,00 40,0-12,00 45,0 Unverankerte Wand

28 4.2 Verfahrensauswahl Hier findet ein Wechsel von cal.- auf char. Werte statt! cal ϕ = 27,5 ϕ k = 30,0 EAU 1990 DIN 1054 Zum Vergleich mit cal-werten: ϕ k = 27,5 DIN 1054 *

29 4.3 Ergebnis: Theoretische UK Wand mnn LF 2 LF 3 Hochwasser LF K Katastrophe: alle γ i = 1,0 LF 1 LF 3 Sunk DIN ϕ k = 30,0 ϕ k = 27, DIN* L von EAU 1990 zu DIN 1054

30 4.4 Wirtschaftlichkeit Wirtschaftlichkeit von nach DIN 1054 berechneten Spundwänden würde gegenüber denen nach EAU 1990 ohne weiterführende Maßnahmen absinken!

31 4.5 Verbesserung der Wirtschaftlichkeit Modifikationen EAU 2004 / DIN 1054 Stufe 1: Ansatz von zutreffenden Erdruckverläufen Stufe 2: Ansatz von gegenüber der DIN 1054 reduzierten Teilsicherheitsbeiwerten für Einwirkungen und Widerstände

32 5. Zutreffende Erddruckverläufe FEM-Untersuchungen Messungen Wahl zutreffender Erddruckfiguren in Abhängigkeit vom Bauverfahren der Uferwand, d.h. - Abgraben VOR der Spundwand oder - Verfüllen HINTER der Spundwand SIEHE AUFSATZ: Erddruck und Teilsicherheitsbeiwerte der neuen EAU 2004 GLIMM / MORGEN, Veröffentlichung HANSA 07/2004

33 5.1 FEM-Analyse für Bodenprofil A EAU 2004 Mit durchgehendem Sandboden

34 5.2 Messungen von Strom- u. Hafenbau

35 5.3 Gewähltes Prinzip der Erddruckumlagerung Trapezförmiger E ah -Verlauf mit variabler Völligkeit je nach Ankerlage und Bauverfahren z Ber.-Sohle Klassischer E ah -Verlauf

36 6. Parameterstudien m. reduz. Teilsicherheitsbeiwert A. Festlegung modifizierter Teilsicherheitsbeiwerte γ Ep,red für den Erdwiderstand, jedoch nur für die Ermittlung des Bemessungsbiegemomentes, NICHT für die Rammtiefe und die Ankerkraft! B. Festlegung modifizierter Teilsicherheitsbeiwerte γ G,red für den Wasserdruck Die Anwendung ist zudem an Randbedingungen geknüpft!

37 6.1 Wandberechnung mit Erddruckumlagerung Geländesprung (2 ) Ankerlagenkote (2 ) Baugrund (2 ) Lagerungsart Bauweise (2 ) (voll eigespannt, frei) Lastfall 1, 2 u. 3 mit zugehörigen Auflasten und Wasserüberdruck 32 Systeme mit jeweils 3 Lastfällen (2 ) (abgraben, hinterfüllt)

38 6.2 Variation A zum Auffinden von ɣ Ep,red γ Ep in DIN 1054 Von LF 1 LF 2 LF 3 1,40 1,30 1,20 Bandbreite in 0,05er- Schritten γ Ep = 1,00 Bis Variation von γ Ep 1,00 1,00 1,00

39 Berechnungen mit Excel zu A Für EAU Kap variierte Teilsicherheitsbeiwerte γ Ep,red

40 6.3 Gewählte ɣ Ep,red Biegemomentenermittlung EAU 2004 LF 1 LF 2 LF 3 Die Anwendung ist an Randbedingungen geknüpft! Nur anwendbar für die Ermittlung des Biegemoments M γ Ep,red 1,20 1,15 1,10 statt statt statt 1,40 1,30 1,20

41 6.4 Ansatz von ɣ Ep und ɣ Ep,red Berechnungssohle Berechnungs-sohle γ Ep Umlagerungsfigur Keine ausreichende Festigkeit bzw. Konsistenz E ah, UMLAGERUNG E ph E ah, KLASSISCH Auflast p 0 Trennebene γ Ep,red Umlagerungsfigur Keine ausreichende Festigkeit bzw. Konsistenz Ausreichende Festigkeit bzw. Konsistenz

42 6.5 Variation B zum Auffinden von γ G,red γ Ep, RED 1,20 1,15 1,10 Wasser -druck Von Bandbreite in 0,05er- Schritten LF 1 LF 2 LF 3 1,35 1,20 1,00 Variation von γ Wü Berechnung mit γ Ep,RED aus Variation A Bis 1,15 1,05 γ G in DIN 1054

43 Unter Anwendung der γ Ep,RED aus Variation A Berechnungen mit EXCEL zu B Für EAU Kap varriierte Teilsicherheitsbeiwerte γ Wü,RED

44 6.6 Gewählte ɣ G,red für Wasserdruck in EAU 2004 Die Anwendung ist an Randbedingungen geknüpft! LF 1 LF 2 LF 3 1,20 Anwendbar für die Ermittlung von t, A h, w, Q, M 1,10 statt statt 1,35 1,20 1,00

45 6.7 Teilsicherheitsbeiwerte in EAU 2004 Teilsicherheitsbeiwerte für Beanspruchungen im GZ 1B für geotechn.. + Überbau-Einwirkungen Lastfall Ständige Einwirkungen γ G 1,35 1,20 1,00 1,35 1,20 1,00 γ Q 1,50 1,30 1,00 Veränderliche Einwirkungen γ Q 1,50 1,30 1,00 t, A h, w, Q, M Wasserdruckeinwirkung γ G,red für Bodenauflager B im GZ 1B Teilsicherheitsbeiwerte für Widerstände im GZ 1B Erdwiderstand γ Ep Lastfall ,20 1,15 Erdwiderstand Erdwiderstand γ Ep,red γ 1,40 1,30 1,20 Pfahlzugwiderstand Gleitwiderstand MIT PB γγ Pt Gl 1,10 1,30 1,10 1,10 Pfahlzugwiderstand OHNE PB 1,20 1,10 1,00 1,40 1,30 γ P 1,40 1,20 1,10 t, A h, w, Q, M M

46 7. Berechnungsbeispiel ±0,0 a +2,0 40 kn/m² 30 kn/m² 20 kn/m² -2,0 Lastfälle kn/m² LF 1, 2, 3 H = 26,0 m -20,0

47 7.1 Untersuchte Erddruckansätze Abgrabung EAU 1990 [ 33% Abminderung M Feld, Ea ] EAU 2004 [ Erddruckumlagerung relativ groß ] Hinterfüllung EAU 1990 [ Keine Abminderung von M Feld, Ea ] EAU 2004 [ Erddruckumlagerung relativ klein ]

48 7.2 Berechnungsergebnisse bei a/h = 0,0 EAU 1990 (M) Momentenabminderung 33% EAU 2004 (U) Abgrabung (Erddruckumlagerung relativ groß) Verfahren L W A s m cm³/m cm²/m EAU 90 (M) 39, ,4 EAU 04 (U) 40, ,8 a = 0 H EAU 90 39, ,4 EAU 04 (u) 40, ,5 EAU 1990 Ohne Momentenabminderung EAU 2004 (u) Hinterfüllung (Erddruckumlagerung relativ klein)

49 7.3 Berechnungsergebnisse bei a/h = 0,3 EAU 1990 (M) Momentenabminderung 33% EAU 2004 (U) Abgrabung (Erddruckumlagerung relativ groß) Verfahren L W A s m cm³/m cm²/m EAU 90 (M) 37, ,6 EAU 04 (U) 37, ,1 a H EAU 90 37, ,6 EAU 04 (u) 37, ,6 EAU 1990 Ohne Momentenabminderung EAU 2004 (u) Hinterfüllung (Erddruckumlagerung relativ klein)

50 8. Zusammenfassung Wirtschaftlichkeit von Spundwandbauwerken ist bei der Berechnung nach EAU 2004 gegeben durch... Ansatz von zutreffenden Erddruckverteilungen und Ansatz von reduzierten Teilsicherheitsbeiwerten für die Ermittlung der Biegemomente

51 Weiterführende Literatur 1. Vorträge HTG-Sprechtag zur Einführung der EAU 2004, CD-Rom, HTG 2. Glimm, M., Morgen, K.: Erddruck und Teilsicherheitsbeiwerte der neuen EAU 2004, Hansa 07/ Richwien, W.: Die EAU 2004, Hansa 04/2005, BAW-Workshop Karlsruhe Heibaum, M.: Neues Sicherheitskonzept nach DIN 1054 und EAU, Dokumentation D582, Stahl-Informationszentrum 2004, Düsseldorf 5. Morgen, K.: Spundwandberechnung nach neuer DIN 1054 am Beispiel einer HWS-Wand, Dokumentation D582 Stahlspundwände (5) Planung und Anwendung, Veröffentlichung Stahlinformationszentrum, Düsseldorf 6. Kalle, H.-U.: Bemessung von Stahlspundwänden gemäß EN , Hansa 06/2005

52 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

53