Dr.-Ing. Karl Morgen, Windels ▪ Timm ▪ Morgen, Hamburg
Bemessung nach EAU 2004
BAW – Kolloquium
22. September 2005
Erfahrungsaustausch zur Planung, Bemessung und Ausführung von Uferwänden aus Stahlspundbohlen
1. Sicherheitskonzepte
2. Verfahren nach BLUM
3. Berechnungsweise konform zur DIN 1054
4. Beispiel und Wirtschaftlichkeit nach DIN 1054
5. Erddruckumlagerung aus FE-Parameterstudien
6. Modifizierte Teilsicherheitsbeiwerte aus Parameterstudien
7. Berechnungsbeispiel EAU 2004
8. Zusammenfassung
Inhaltsverzeichnis
1. Sicherheitskonzepte
1. EAU 1990
2. DIN 1054 [ als Grundlage der EAU 2004 ]
1.1 Sicherheitskonzept der EAU 1990
1. Globales Sicherheitskonzept
2. Wo wirken globale Sicherheiten?
3. Scherparameterdefinition
1.1.1 Globales Sicherheitskonzept EAU 90
tγreactio= 1,0
reactio actio
cal ϕϕϕϕ´cal c
γactio = 1,0
ep
Berechnung der Einbindetiefe t, der Schnittgrößen M, Q und w mit γ = 1,0
1.1.2 Wo wirken globale Sicherheiten in der EAU 9 0?
cal ϕϕϕϕ´, cal c
zul M = W × zul σσσσ
A
M Q
KlassischeVerteilung
ep
DIN 1054
1.1.3 Scherparameterdefinition EAU 90
Die Versuchsanstaltliefert
charakt. Werteals
Grundwerte⇒ E 150⇒ E 96
ϕϕϕϕ´k , c´k
Der Baugrund-sachverständigeerstellt aus den
Grundwerten dieRechenwerte
cal tan ϕϕϕϕ´= tan ϕϕϕϕ´k / 1,10
cal c´ = c´k / 1,30DIN 1054
1.2 Sicherheitskonzept DIN 1054 (Grundlage EAU 20 04)
1. Teilsicherheitskonzept
2. Welche Teilsicherheitsbeiwerte gibt es?
3. Scherparameterdefinition
1.2.1 Teilsicherheitskonzept DIN 1054…
Beanspruchung des Bodenauflagers B wirdebenso wie die Schnittgrößen infolge ständiger und veränderlicher Einwirkungen mit Teilsicherheitsbeiwerten γG|Q
vergrößert!
Beanspruchbarkeit des Bodenauflagers Bund der Baustoffe (Material) werden mit Teilsicherheitsbeiwerten γEp bzw. γM
verkleinert!
+
II
... mit Definition von Grenzzuständen ...
Berechnung nach dem Teilsicherheitskonze pt(DIN 1055-100) durch Definition von Grenzzuständen
• Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZ 1)ist derjenige Zustand des Tragwerkes, dessen Überschreiten zu einem rechnerischen Einsturzoder anderen Formen des Versagens führt.
• Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeitist derjenige Zustand des Tragwerkes, dessen Überschreiten die für die Nutzung festgelegtenBedingungen nicht mehr erfüllt. (GZ 2)
II
... und den 3 Grenzzuständen der Tragfähigkeit im G Z 1
• GZ 1A – Grenzzustand des Verlustes derLagesicherheit: Hydraulischer Grundbruch
• GZ 1B – Grenzzustand des Versagens von Bauteilen:
Versagen von Bodenauflager,Material oder Standsicherheit in der tiefen Gleitfuge
• GZ 1C – Grenzzustand des Verlustes derGesamtstandsicherheit: Geländebruch
3.24.3
Kap.
1.2.3 Teilsicherheitsbeiwerte DIN 1054 ...
Teilsicherheitsbeiwerte für Beanspruchungen im GZ 1 BLastfall
1 2 3
Ständige Einwirkungen γγγγG 1,35 1,20 1,00
Veränderliche Einwirkungen γγγγQ 1,50 1,30 1,00
Teilsicherheitsbeiwerte für Widerstände im GZ 1BLastfall
1 2 3
Erdwiderstand γγγγEp 1,40 1,30 1,20
Gleitwiderstand γγγγ Gl 1,10 1,10 1,10
1,30
1,351,50
1,40
1,201,30
1,30
γγγγG
γγγγQ
γγγγPt
γγγγP 1,40Pfahlzugwiderstand MIT PB
Pfahlzugwiderstand OHNE PB
für für charchar .. Einwirkungen im GZEinwirkungen im GZ
1,001,00
1,20
für für BodenauflagerBodenauflager B im GZB im GZ
1B
1BγγγγEp
Vergrößerung
Verkleinerung
einschl. Wasserdruck
... und charakteristische Einwirkungen nach DIN 105 4
WüBoden-Eigenlast
pk ≤ ≤ ≤ ≤ 10 kN/m²
Erddruckinfolge .....
Wasser-druck
Erddruckinfolge .....
∆∆∆∆pk > > > > 10 kN/m²
zusätzlicherVerkehrs-lasten
ständige Einwirkungen G veränd. Einwirkg. Q 3.24.2
Kap.
Großflächen-gleichlast
DIN 1054
1.2.3 Scherparameterdefinition DIN 1054
CHARAKTERISTISCHEWERTE
der Bodenkenngrößen:
VorsichtigeSchätzwerte
der Mittelwerte
ϕϕϕϕ´k , c´k
DIN
105
4
DIN1054
Randbedingung imtheor. Fußpunkt : Q = 0
A
TF
Q
2.1 Verfahren nach BLUM - Frei aufgelagerte Wand
t
TFC
∆t
A
Randbedingung im theor. Fußpunkt : w‘ = 0
w
2.2 Voll eingespannte Wand
2.3 BLUM ′sche RB = Iterationsziel für t
AFREI
TF
QkA100%
C
Freie AuflagerungBLUM: ΣCi = 0 im TF
VolleinspannungBLUM: Σεεεεi = 0 im TF
TF
max εεεε[°][°][°][°]
Übergeordnete Grenzzustandsbedingung nachDIN 1054: Bd ≤≤≤≤ Eph,d
τ = 100%
ε = 0°ε = 0°ε = 0°ε = 0°
t1
t0C
0%<τ<100%
τ = 0%
10 10
w
Einspanngrad ττττ
3. DIN 1054-konforme Berechnung
Fk = char.Einwirkungen
Ak = char. Ankerkraft
Bk = char. Bodenauflager
char. max e p mob. e p
Char. Erd-widerstand
B = mobilisierter Erdwiderstand
infolge der Einwirk.
w; Q
; M
Kontrollpunkt C BLUM
Scherparameter ϕϕϕϕ′′′′k , c′′′′kBeanspruchungen Einwirkungen
3.1 Bodenauflagernachweis im GZ 1B
Char. Auflagerbeanspruchungen A h,k , Bk
Multiplikation mit Teilsicherheitsbeiwerten γγγγG|Q
→ Bemessungswerte A h,d , Bd
Grenzzustandsbedingung Bd ≤≤≤≤ Eph,d ?
Charakt. Erdwiderstand E ph,k
Division durch Teilsicherheitsbeiwert γγγγEp
→ Bemessungswert E ph,d
Systemwahl und Ansatz char. Einwirkungen F G|Q,k
Wahl der Einbindetiefe t
Ist BLUMsche-RB im theor. Fußpunkt C (TF) erfüllt? JA
STOP
NEIN
+
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
3.2 Grenzzustandsbed. im GZ 1B f. das Bodenauflag er
Ep,k
BF,dEp,d
γγγγEp
γγγγFBF,k
+3
4
5
6
7
8
GZ 1B:Ist das um γγγγF
vergrößerteBodenauflager
kleiner/gleich dem um γγγγEp
verminderten
Erdwiderstand?
BF,d ≤≤≤≤ Ep,d9
3.3 Affines Bodenauflager erforderlich !
A Qk
WkEp,k Bk
Char. Ep
Bem.-wert B d
Ea,kBdEp,d
Bem.-wert E p,d
Char. B k
3.4 Spundwand u. Zugpfahl n. EC 3-5 bzw. DIN 18800
Grenzzustandsbedingung Md ≤≤≤≤ My,d
Charakt. Wert der Beanspruchbarkeit M y,k
Division durch Teilsicherheitsbeiwert γγγγM
→ Bemessungswert R d My,d
Char. Werte der Schnittgröße, z.B. M k
Multiplikation mit Teilsicherheitsbeiwerten γγγγG|Q
→ Bemessungswert S d Md+
3
4
5
6
7
8
9
3.4.1 Trennen d. Schnittgrößen nach Ursachen
Ea,G,k
Ea,Q,k
Wk
Bk,G Bk,W Bk,Q
2.Mobilisiertes Boden-
auflager nach den Ursachen trennen
1. Einwirkungennach Ursachen
trennen
Ep,G,mob. / Ep,k
1% = 53 %Ep,W,mob. / Ep,k Ep,Q,mob. / Ep,k
14%z. B.: 38% + +
Unterschiedliche Teilsicherheitsbeiwerte
3.4.2 Multiplikation der charakteristischen Momen te
Multipli-kationmit …
MG,kMW, k
γγγγG = 1,35
γγγγG = 1,35
γγγγQ = 1,50
MQ, k
Erddruck aus G Wasserdruck Erddruck aus Q
Teilsicherheitsbeiwerte → Bemessungswert-Anteil
MQ, d
3.4.3 Addition d. Bemessungswertanteile zu M S,d
ΣΣΣΣMS,d
MG, d MW, d
MR,d<
MS,d =
MG,k × γγγγG +
MW,k × γγγγG +
MQ,k × γγγγQ
Erddruck aus G Wasserdruck Erddruck aus Q
4. Beispiel mit Vergleich zw. EAU 1990 und DIN 10 54
Mühlenberger Loch
Hamburger Hafen
Airbus-
Gelände
4.1 Querschnitt HWS-Wand
MühlenbergerLoch
Elbe Spüldamm mitHWS-Wand
West+9,25
-12,00
MTnw
45,0
+4,00 +5,00
-3,50
40,0
+8,10
MThw
-9,00
HW Sunk
Unverankerte Wand
4.2 Verfahrensauswahl
EAU 1990
DIN 1054
cal ϕϕϕϕ´= 27,5°
ϕϕϕϕ´k = 30,0°
Hier findet ein Wechsel von
cal.- auf char. Werte statt!
DIN 1054 *ϕϕϕϕ´k = 27,5°
Zum Vergleich mit cal-Werten:
4.3 Ergebnis: Theoretische UK Wand
LF 1 LF 3LF KLF 2
Hochwasser Sunk
1990
DINLF 3-2-3-4-5-6-7-8
mNN
Katastrophe:alle γγγγi = 1,0
∆∆∆∆L vonEAU 1990
zuDIN 1054
ϕϕϕϕ´k = 30,0°
ϕϕϕϕ´k = 27,5°
DIN*
4.4 Wirtschaftlichkeit
Wirtschaftlichkeit vonnach DIN 1054 berechnetenSpundwänden würde gegen-über denen nach EAU 1990ohne weiterführende Maßnahmen absinken!
4.5 Verbesserung der Wirtschaftlichkeit
Stufe 1 :Ansatz von zutreffenden Erdruckverläufen
Stufe 2 :Ansatz von gegenüber der DIN 1054 reduzierten Teilsicherheitsbeiwertenfür Einwirkungen und Widerstände
Modifikationen EAU 2004 ·/· DIN 1054
5. Zutreffende Erddruckverläufe
FEM-Untersuchungen
Messungen
Wahl zutreffender Erddruckfigurenin 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
5.1 FEM-Analyse für Bodenprofil A
Mit durchgehendem Sandboden
EAU2004
5.2 Messungen von Strom- u. Hafenbau
5.3 Gewähltes Prinzip der Erddruckumlagerung
Trapezförmiger Eah-Verlauf mit
variabler Völligkeitje nach Ankerlageund Bauverfahren
zBer.-Sohle
KlassischerEah-Verlauf
6. Parameterstudien m. reduz. Teilsicherheitsbeiw ert
A. Festlegung modifizierter Teilsicherheits-beiwerte γγγγEp,red für den Erdwiderstand, jedoch nur für die Ermittlung des Bemessungsbiegemomentes, NICHTfür die Rammtiefe und die Ankerkraft!
B. Festlegung modifizierter Teilsicherheits-beiwerte γγγγG,red für den Wasserdruck
Die Anwendung ist zudem an Randbedingungen geknüpft !
6.1 Wandberechnung mit Erddruckumlagerung
• Geländesprung (2×)
• Ankerlagenkote (2×)
• Baugrund (2×)
• Lagerungsart (2×) (voll eigespannt, frei)
• Bauweise (2×) (abgraben, hinterfüllt)
• Lastfall 1, 2 u. 3 mit zugehörigen
• Auflasten und
• Wasserüberdruck
32 Systememit jeweils 3 Lastfällen
6.2 Variation A zum Auffinden von ɣɣɣɣEp,red
LF 1 LF 2 LF 31,40 1,30 1,20Von …
γγγγEp in DIN 1054
1,00 1,00 1,00
Band-breite in 0,05er-
Schritten
Bis …
Variation von γEp
γγγγEp = 1,00
Für EAU Kap. 8.2.0 variierte Teilsicherheitsbeiwerte γγγγEp,red
Berechnungen mit Excel zu A
6.3 Gewählte ɣɣɣɣEp,red Biegemomentenermittlung EAU 2004
LF 1 LF 2 LF 3
1,20
1,151,10
1,40 1,30 1,20statt statt statt
Die Anwendung ist an
Randbedingungen geknüpft!
Nur anwendbar für die Ermitt-
lung des Biegemoments M
γγγγEp,red
6.4 Ansatz von ɣɣɣɣEp und ɣɣɣɣEp,red
Auflast p0Umlagerungsfigur
γγγγEp,red
Umlagerungsfigur
Keine ausrei-chende Festigkeit bzw. Konsistenz
Berechnungs-sohle
Trennebene
Berechnungssohle
γγγγEp
Eah, UMLAGERUNG Eph Eah, KLASSISCH
Keine ausrei-chende Festigkeit bzw. Konsistenz
Ausreichende Festigkeit
bzw. Konsistenz
6.5 Variation B zum Auffinden von γγγγG,red
LF 1 LF 2 LF 31,35 1,20 1,00Von …
1,15 1,05Bis …
γγγγEp, RED 1,20 1,15 1,10
Band-breite in 0,05er-
SchrittenVariation von γWü
Berechnungmit γγγγEp,RED aus
Variation A
γγγγG in DIN 1054
Wasser-druck
Für EAU Kap. 8.2.0varriierte Teilsicher-heitsbeiwerte γγγγWü,RED
Berechnungen mit EXCEL zu B
Unter Anwendung der γγγγEp,RED aus Variation A
6.6 Gewählte ɣɣɣɣG,red für Wasserdruck in EAU 2004
LF 1 LF 2 LF 3
1,20
1,10
1,35 1,20statt statt
1,00
Die Anwendung ist an
Randbedingungen geknüpft!
Anwendbar für die Ermittlung
von t, Ah , w, Q, M
Teilsicherheitsbeiwerte für Beanspruchungen im GZ 1 BLastfall
1 2 3
Ständige Einwirkungen γγγγG 1,35 1,20 1,00
Veränderliche Einwirkungen γγγγQ 1,50 1,30 1,00
Teilsicherheitsbeiwerte für Widerstände im GZ 1BLastfall
1 2 3
Erdwiderstand γγγγEp 1,40 1,30 1,20
Gleitwiderstand γγγγGl 1,10 1,10 1,10
1,50 1,30γγγγQ 1,00
t, Ah, w, Q, M
M
6.7 Teilsicherheitsbeiwerte in EAU 2004
1,15
1,35
1,20
1,20
1,30
γγγγG
γγγγPt
γγγγP 1,40Pfahlzugwiderstand MIT PB
Pfahlzugwiderstand OHNE PB
für geotechngeotechn . + Überbau. + Überbau --EinwirkungenEinwirkungen
1,00
1,10
für BodenauflagerBodenauflager B im GZ 1BB im GZ 1B
1,201,301,40
t, Ah, w, Q, M
Erdwiderstand γγγγEp,red
Erdwiderstand γγγγEp
1,001,20 1,10Wasserdruckeinwirkung γγγγG,red
7. Berechnungsbeispiel
-20,0
H = 26,0 m
+2,0
20 kN/m²
40 kN/m²30 kN/m²±0,0
-2,0 Lastfälle LF 1, 2, 3
20 30 40 kN/m²
a
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 ]
7.2 Berechnungsergebnisse bei a/H = 0,0
Verfahren L W A s
m cm³/m cm²/m
EAU 90 (M) 39,93 21.478 39,4
EAU 04 (U) 40,30 21.877 41,8
EAU 90 39,93 25.827 39,4
EAU 04 (u) 40,77 22.816 36,5
EAU 1990 (M) Momentenabminderung 33%EAU 2004 (U) Abgrabung (Erddruckumlagerung relativ groß)
EAU 1990 Ohne MomentenabminderungEAU 2004 (u) Hinterfüllung (Erddruckumlagerung relativ klein)
H
a = 0
7.3 Berechnungsergebnisse bei a/H = 0,3
Verfahren L W A s
m cm³/m cm²/m
EAU 90 (M) 37,67 12.198 57,6
EAU 04 (U) 37,09 9.505 64,1
EAU 90 37,67 15.103 57,6
EAU 04 (u) 37,84 11.590 58,6
EAU 1990 (M) Momentenabminderung 33%EAU 2004 (U) Abgrabung (Erddruckumlagerung relativ groß)
EAU 1990 Ohne MomentenabminderungEAU 2004 (u) Hinterfüllung (Erddruckumlagerung relativ klein)
H
a
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
8. Zusammenfassung
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 07/2004
3. Richwien, W.: ‚Die EAU 2004‘, Hansa 04/2005, BAW-Workshop Karlsruhe 15.04.2005
4. 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 1993-5‘, Hansa 06/2005
Weiterführende Literatur
Vielen Dank
für Ihre Aufmerksamkeit