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