Baugruben nach neuem Teilsicherheitskonzept (EAB 4. Auflage) · und finden sich in der neuen EB 89...

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Baugruben nach neuem Teilsicherheitskonzept (EAB 4. Auflage) – Ermittlung der Wandlänge – Ermittlung der Schnittgrößen

Dipl.-Ing. Thomas Garbers, Ingenieurservice Grundbau GmbH

Verfasser : Ingenieurservice Grundbau GmbH Hittfelder Kirchweg 24, 21220 Seevetal Programm : Bauwerk : 32. Erfahrungsaustausch Datum : Ingenieure für Baugrund / Bodengutachter 18.04.2007 Handwerkskammer zu Leipzig

Bauteil : Archiv – Nr. Block : Vorgang : Baugruben nach neuem Teilsicherheitskonzept Seite : 1

Baugruben nach neuem Teilsicherheitskonzept (EAB 4. Auflage) Ermittlung der Wandlänge Ermittlung der Schnittgrößen 32. Erfahrungsaustausch Ingenieure für Baugrund / Bodengutachter Handwerkskammer zu Leipzig Dresdener Straße 13 04103 Leipzig Dipl.-Ing. Thomas Garbers Ingenieurservice Grundbau GmbH Hittfelder Kirchweg 24 21220 Seevetal E-Mail: [email protected]



INHALTSVERZEICHNIS Inhalt Seite 1. Einleitung 3 2. Neues Sicherheitskonzept 4 3. Berechnungsgrundlagen 6 4. Berechnung 10 5. Berechnungsbeispiel 16 6. Ausblick 19



1. EINLEITUNG Seit Juni 2006 liegt die 4. Auflage der Empfehlungen des Arbeitskreises „Baugruben“ (EAB) vor. Die EAB wurde um die Kapitel

- Baugruben in weichen Böden (EB 90 -101) - Anwendung des Bettungsmodulverfahren (EB 102) - Anwendung der Finit-Element-Methode (EB 103)

ergänzt. Hauptsächlich wurde die EAB aber hinsichtlich des neuen Teilsicherheitskonzeptes überarbeitet. 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 die 4. Auflage der EAB 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 Folgenden möchte ich Ihnen die Grundlagen, die allgemeinen Festlegungen und den Gang bei der Ermittlung der Wandlänge und der Schnittgrößen erläutern.



2. NEUES SICHERHEITSKONZEPT 2.1 BEGRIFFE Mit dem neuen Sicherheitskonzept wurden auch neue Begriffe eingeführt. Diese wurde in die 4. Auflage der EAB übernommen:

Einwirkungen

Einwirkungen ist der neue Oberbegriff nicht nur für Lasten und Kräfte, sondern auch für aufgezwungene bzw. behinderte Verformungen oder Bewegungen.

Auswirkungen der Einwirkungen

Schnittkräfte und Spannungen, Veränderungen (Verformung, Dehnung usw.) oder Lageveränderungen (Verschiebung, Setzung usw.) an Bauwerken.

Widerstände

Scherfestigkeit (Reibunswinkel, Kohäsion), abgeleitete Bodenwiderstände (Erdwiderstand, Mantelwiderstand, Spitzenwiderstand)

Begriffsfestlegung

Der Widerstand ist der Grenzzustand des Bodens Die Bodenreaktion ist der Teil des Widerstandes der in Anspruch genommen wird



2.2 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.

Fd = Fk * γdstb ≤ Gk / γstb = Gd 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.

Ed = Ek * γF ≤ Rk / γR = Rd 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.

Ed = ≤ = Rd 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.



3. BERECHNUNGSGRUNDLAGEN 3.1 EINWIRKUNGEN

Ständige Einwirkungen Neben dem Wasserdruck ist auch die unbegrenzte Flächenlast von pk = 10 kN/m² als ständige Einwirkung anzusetzen. Die Höhe des anzusetzenden Wasserdruckes ist vertraglich zu vereinbaren!

Für die Zuordnung der unterschiedlichen Teilsicherheitsbeiwerte und die Berechnung werden folgende Bemessungsfälle unterschieden:

Regelfall Lastfall 2 Nutzlasten aus Brücken und Baugrubenabdeckungen Erddruck aus Nutzlasten Erddruck aus Gebäuden

Sonderfall Lastfall 2/3 Zusätzlich zu Lasten aus dem Regelfall Bremskräfte, Seitenstoß, Fliehkräfte Selten auftretende Lasten Wasserdruck über dem Regelfall Temperatureinwirkungen auf Steifen

Ausnahmefall Lastfall 3 Zusätzlich zu Lasten aus dem Ausnahmefall Anprall von Baugeräten Ausfall von Betriebs- und Sicherungsvorrichtungen Auskolkungen vor der Baugrubenwand Kurzzeitige Lasten (z.B. Ankerprüfungen)



Die ermittelten Einwirkungen sind mit den Teilsicherheitsbeiwerten der Tabelle 6.1 der EAB zu erhöhen.

Einwirkung bzw. Beanspruchung Formelzeichen Lastfall LF 1 LF 2 LF 3

GZ 1A: Grenzzustand des Verlustes der Lagesicherheit Günstige ständige Einwirkungen γG,stb 0,95 0,95 0,95 Ungünstige ständige Einwirkungen γG,dst 1,05 1,05 1,00 Ungünstige veränderliche Einwirkungen γQ,dst 1,50 1,30 1,00 Strömungskraft bei günstigem Untergrund γH 1,35 1,30 1,20 Strömungskraft bei ungünstigem Untergrund γH 1,80 1,60 1,35 GZ 1B: Grenzzustand des Versagens von Bauwerken und Bauteilen

Beanspruchungen aus ständigen Einwirkungen allgemein a γG 1,35 1,20 1,00

Beanspruchungen aus ständigen Einwirkungen aus Erdruhedruck γE0g 1,20 1,10 1,00

Beanspruchungen aus günstigen ständigen Einwirkungen b γG,inf 1,00 1,00 1,00

Beanspruchungen aus ungünstigen veränderlichen Einwirkungen γQ 1,50 1,30 1,00

GZ 1C: Grenzzustand des Verlustes der Gesamtstandsicherheit Ständige Einwirkungen γG 1,00 1,00 1,00 Ungünstige veränderliche Einwirkungen γQ 1,30 1,20 1,00 GZ 2: Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit γG = 1,0 für ständige Einwirkungen bzw. Beanspruchungen γQ = 1,0 für veränderliche Einwirkungen bzw. Beanspruchungen a einschließlich ständigem und veränderlichem Wasserdruck b nur im Sonderfall nach 8.3.4 (2).



3.2 WIDERSTÄNDE Die ermittelten Widerstände sind mit den Teilsicherheitsbeiwerten der Tabelle 6.2 der EAB abzumindern.

Widerstand Formelzeichen Lastfall LF 1 LF 2 LF 3

GZ 1B: Grenzzustand des Versagens von Bauwerken und Bauteilen Bodenwiderstände Erdwiderstand und Grundbruchwiderstand γEp,Gr 1,40 1,30 1,20 Gleitwiderstand γGl 1,10 1,10 1,10 Pfahlwiderstände Pfahldruckwiderstand bei Probebelastung γPc 1,20 1,20 1,20 Pfahlzugwiderstand bei Probebelastung γPt 1,30 1,30 1,30

Pfahlwiderstand auf Druck und Zug aufgrund von Erfahrungswerten

γP 1,40 1,40 1,40

Verpressankerwiderstände Widerstand des Stahlzuggliedes γM 1,15 1,15 1,15 Herausziehen des Verpresskörpers γA 1,10 1,10 1,10 GZ 1C: Grenzzustand des Verlustes der Gesamtstandsicherheit Scherfestigkeit

Reibungsbeiwert tan φ' des dränierten Bodens und Reibungsbeiwert tan φu des undränierten Bodens

γφ,γyu 1,25 1,15 1,10

Kohäsion c' des dränierten Bodens und Scherfestigkeit cu des undränierten Bodens

γc,γcu 1,25 1,15 1,10

Herausziehwiderstände Boden- bzw. Felsnägel, Ankerzugpfähle γN,γZ 1,40 1,30 1,20 Verpresskörper von Verpressankern γA 1,10 1,10 1,10 Flexible Bewehrungselemente γB 1,40 1,30 1,20



3.3 BODENKENNGRÖSSEN In der EAB sind im Wesentlichen folgende Änderungen zu finden:

Für die Wichten werden die Mittelwerte anstatt der oberen Werte angegeben Es werden charakteristische Werte anstatt der cal-Werte angegeben Es werden Angaben zur Kapillarkohäsion nichtbindiger Böden gemacht Die bindigen Böden werden jetzt in sechs Gruppen aufgeteilt

Im Gegensatz zur DIN 1055-2 werden höhere Werte für Reibungswinkel und Kohäsion angegeben. Diese können verwendet werden, wenn ein Baugrundsachverständiger aufgrund von eigenen Erfahrungen die Untersuchungsergebnisse bewertet oder zusätzliche Untersuchungen durchführt. An diesem Punkt schafft die EAB eine Möglichkeit mit geringem Kostenaufwand die anzusetzenden Bodenkenngrößen zu erhöhen, um so einen wirtschaftlicheren Verbau planen zu können.

z.B. mitteldicht gelagerter Sand φ’ = 32,5 – 37,5° anstatt 32,5°

3.4 ERDDRUCKNEIGUNGSWINKEL Die Angaben zu Erddruckneigungswinkel δa und δp sind jetzt wesentliche umfangreicher und finden sich in der neuen EB 89 wieder. Erdruckneigungswinkel Als Erddruckneigungswinkel wird der Winkel bezeichnet der

sich zwischen Kraftrichtung und der Normalen zur Wand unter den gegebenen Randbedingungen einstellt.

Wandreibungswinkel Der Wandreibungswinkel ist der physikalisch größtmögliche

Winkel zwischen der Kraftrichtung und der Normalen zur Wand.



Die Erddruckneigungswinkel hängen von der Relativbewegung Wand – Boden, der Gleitflächenform, dem Mobilisierungsgrad und dem Wandreibungswinkel δk ab. Der Wandreibungswinkel wiederum ist abhängig vor der Scherfestigkeit des Bodens und der Oberflächenrauhigkeit der Wand. Bei den Wandrauhigkeiten unterscheidet man:

verzahnt z.B. Ortbetonpfahlwände, Einphasendichtwände

rauh z.B. Beton, Stahl, Holz

weniger rauh z.B. Schlitzwand glatt alle Wände, wenn der Boden schwierige Eigenschaften

ausweist 3.5 ERD- UND WASSERDRUCK Ersatzreibungswinkel Der Ansatz eines Mindesterddruckes entfällt. Hierfür ist jetzt ein

Ersatzreibungswinkel φErs zu berücksichtigen (EB 4). Erdruckumlagerung Die Erddruckumlagerung erfolgt jetzt auch bei Spund- und

Ortbetonwänden bis zu Baugrubensohle (EB 70). Wasserdruck Der Wasserdruck ist als ständige Last anzusetzen.



4. BERECHNUNG 4.1 VORGEHENSWEISE

Die Berechnungen werden nach folgendem Schema durchgeführt:

1. Ermittlung der Belastung der Baugrubenwand

2. Festlegung des statischen Systems der Wand 3. Ermittlung der erforderlichen Einbindetiefe der Wand 4. Berechnung der Schnittgrößen und bodenmechanischen Nachweise 5. Nachweis der inneren Standsicherheit 4.2 ERMITTLUNG DER BELASTUNG



Da der Wandfuß nicht bekannt ist, ist der Erddruck unterhalb der Baugrubensohle als Funktion der Tiefe zu formulieren.

Erddruck Der Erddruck wird unter Verwendung der bisher gültigen Ansätze als aktiver oder erhöhter aktiver Erddruck ermittelt.

Umlagerung Die Lasten aus Bodeneigengewicht, Kohäsion und großflächigen Verkehrslasten wird in wirklichkeitsnahe Erddruckfiguren umgewandelt. Die Umwandlung in eine Rechteck wird nur noch mit einem Hinweis auf die 3. Auflage aufgeführt.

Wasserdruck Der Wasserdruck wird im Allgemeinen als hydrostatischer

Druck angesetzt. Die eventuell vorhandene Strömung des Wassers kann berücksichtigt werden.



4.3 STATISCHES SYSTEM

Im Normalfall wird das analytische Trägermodell zur Berechnung und Bemessung der Baugrubenwand verwendet. Es können aber auch das Traglastverfahren (EB 27), das Bettungsmodulverfahren (EB 102) oder die Finit-Element-Methode (EB 103) verwendet werden. Die Verankerungen bzw. Abstützungen werden bei dem analytischen Trägermodell als unverschieblich angesetzt. Als Auflagerungen im Boden stehen die freie Auflagerung oder die Einspannung nach Blum zur Verfügung.



4.4 ERMITTLUNG DER EINBINDETIEFE UND DER AUFLAGERKRÄFTE

Für den Nachweis der ausreichenden Einbindetiefe der Verbauwand werden die Bemessungswerte der Einwirkungen und Widerstände auf das System aufgebracht. Mit diesen Werten ist die Einbindetiefe zu variieren bis die Bedingungen für das Erdauflager erfüllt sind. Für Vorbemessungen kann das bisherige Verfahren der Globalsicherheit weiterhin verwendet werden. Hierfür sind die veränderlichen Lasten mit dem Faktor γQ/ γG zu vergrößern und der Erdwiderstand mit γ = 1,6 abzumindern.



Mit der gefundenen Einbindetiefe werden die Auflagerkräfte berechnet. Die Berechnung der Auflagerkräfte erfolgt mit charakteristischen Werten.



4.5 BODENMECHANISCHE NACHWEISE Im Anschluss sind die bodenmechanischen Nachweise zu führen: Nachweis der Vertikalkomponente: Es ist nachzuweisen das die Vertikalkomponente

Bv,k der Bodenreaktion Bk nicht größer ist als die aller von oben nach unten gerichteten charakteristischen Einwirkungen Vk. Dieser Nachweis kann bei verankerten Wände mit einer Ankerneigung αA ≥ 15° entfallen.

Nachweis der Einbindetiefe: Es ist nachzuweisen, dass die Auflagerkraft Bh,k

dem charakteristischen Wert der Beanspruchung des Bodens im Einbindebereich entspricht (freie Auflagerung). Bei eingespannten Systemen entspricht die Auflagerkraft Bh,k = 0,5* σph,k * t1 der Beanspruchung des Bodens im Einbindebereich. Die Sicherheit gegen Aufbruch des Bodens vor der Wand entspricht BGh,k * γG + BQh,k * γQ ≤ Eph,k / γEp.



4.6 ERMITTLUNG DER SCHNITTGRÖSSEN Die Schnittgrößen sind als charakteristische Werte aus den Belastungen und der Bodenreaktion im Einbindebereich zu ermitteln. Einwirkungen aus Bagger und Hebezeuge mit geringem Abstand von der Baugrubenkante haben eventuell im Hinblick auf günstig oder ungünstig bei der Ermittlung der Schnittgrößen einen anderen Einfluss als beim Nachweis der Einbindetiefe. Es ist zu beachten, dass bei freier Auflagerung im Boden bei Ansatz eines festen Auflagers ein fehlerhaftes Kragmoment und eine rückdrehende Verformung auftreten.

Wirklichkeitsnäher ist die Berechnung wenn das Auflager in den Fußpunkt der Wand verschoben wird und die Spannungsfläche der Auflagerlast Bh,k entspricht. Sofern im Bereich der Baugrubensohle mindestens mitteldicht gelagerter nichtbindiger Boden oder steifer bindiger Boden ansteht und die gradlinig mit der Tiefe zunehmende Verteilung der Bodenreaktion vorliegt, darf auch weiterhin bei der Ermittlung der Schnittgrößen mit einer stärkeren Ausnutzung des möglichen Erdwiderstandes gerechnet werden (γEp,red. = 1,0). Trägerbohlwände EB 14 und 25 Spund- und Ortbetonwände EB 19 und 26



5. Berechnungsbeispiel 5.1 Abmessungen und Bodenkenngrößen Das Berechnungsbeispiel ist dem Vortrag „Ermittlung der Schnittgrößen und der Wandlänge bei Verbauwänden“ von Herrn Prof. Walz (Grundbau-Seminar 29.03.07, TU Berlin) entnommen. Das komplette Beispiel ist in der Anlage beigefügt. Die Vergleichsberechnungen nach EAB 3. Auflage wurden mit dem Programm WinWalls durchgeführt. Die Ergebnisse sind ebenfalls als Anlage beigefügt. 5.2 Gegenüberstellung der Schnittgrößen und Einbindelängen

System Dimension Last 4.

Auflage EAB mit γEp = 1,30

4. Auflage EAB mit γEp = 1,00

3. Auflage

EAB Abweichung

[%]

Einbindetiefe T [m] 3,65 3,18 4,01 - 9,9

Ankerkraft Ah,k [kN/m] 243,55 237,99 250,35 - 5,2

Ersatzkraft Ch,k [kN/m] 237,47 251,62 251,89 - 0,1

max MFeld MF,k [kNm/m]

ständig 159,00 147,05 141,36 + 3,9

ständig + veränderlich 148,90 137,72

max MEinspann ME,k [kNm/m]

ständig -151,20 -144,46 -141,76 + 1,9

ständig + veränderlich -143,37 -136,56

max MAnker Mk [kNm/m] ständig -51,28 -51,28

-102,53 - 1,1 ständig +

veränderlich -101,38 -101,38



6. Ausblick

Nachteile: Durch die Einführung der Teilsicherheitsbeiwerte werden die erforderlichen Berechnungen wesentlich umfangreicher.

Das Sicherheitsniveau soll aber im Mittel nicht verringert werden. Wie aus dem gezeigten Beispiel zu ersehen ist, ist es schwer abzuschätzen ob die jeweilige Situation zu wirtschaftlicheren Ergebnissen führt.

Da die Einwirkungen und Widerstände streng getrennt werden, ist die Überlagerung von Erddruck und abgeminderten Erdwiderstand nicht mehr zulässig. Die Einbindelänge der Wand muss vor Beginn der eigentlichen Berechnungen mit den Bemessungswerten der Einwirkungen und Widerstände errechnet bzw. abgeschätzt werden. Der endgültige Entwurf wird dann mit charakteristischen Werten errechnet. Die errechneten Widerstände, Schnittgrößen und Auflagerkräfte werden erst nach Abschluss der Berechnungen mit Teilsicherheitsbeiwerte abgemindert bzw. erhöht.

Vorteile: Durch die Einführung des Teilsicherheitskonzeptes im Grundbau sind jetzt europaweit die Berechnungsweisen vereinheitlicht worden.

Alle Bauingenieure rechnen wieder nach dem gleichen

Sicherheitssystem Die Berechnungen werden auch zukünftig durch Programme erledigt. Dies fordert noch mehr als heute den erfahrenen Grundbauingenieur

Date post:	30-Aug-2019
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