Sicherheit im Grundbau nach EC 7-1 und DIN 1054 · 2018. 6. 15. · Normensystem für den Konstr....

Sicherheit im Grundbau nach EC 7-1 und DIN 1054

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Matthias Pulsfort

Bergische Universität Wuppertal, Lehr- und Forschungsgebiet

Geotechnik

Präsentation anlässlich des Spundwandseminars 2015 in Köln

Folie 1.1Prof. Dr.-Ing. Matthias Pulsfort - Bergische Universität Wuppertal • Bauingenieurwesen

Seminar Stahlspundwände Köln – 10.12.2015

Sicherheit im Grundbau nach EC 7-1 und DIN 1054

Prof. Dr.-Ing. Matthias Pulsfort


Gliederung:

1 Sicherheitskonzept - Aktuelle Übersicht

2 Teilsicherheitsbeiwerte

3.1 Nachweis der Äußeren Standsicherheit (Abmessungen)

3.2 Nachweis der geotechnischen Gebrauchstauglichkeit

4.1 Nachweis der Inneren Standsicherheit (Bemessung)

4.2 Nachweis der Gebrauchstauglichkeit/Dauerhaftigkeit

5 Praktische Herstellbarkeit – Ausführungsnormen

6 Ausschreibung/Abrechnung (Normen der VOB/C)

Seminar Stahlspundwände Köln – 10.12.2015


Systematik der Eurocodes (TC 250)

1 – Sicherheitskonzept Aktuelle Normensituation

EN 1990

EN 1991

EN 1992 EN 1993 EN 1994

EN 1995 EN 1996 EN 1999

EN 1997 EN 1998

Grundlagen

Einwirkungen

Baustoff-

bezogene

Bemessung

Geotechnik

und

Erdbeben

Quelle: HARTE/PULSFORT/VOGT: Bemessungsaufgaben in der Geotechnik nach EC 7

und EC 2. Seminar der Ing.kammer NRW / Ingenieurakademie West, Duisburg 2015


1 - Übersicht der „neuen“ Normen – bauaufsichtlich eingeführt

Normensystem für den Konstr. Ingenieurbau seit 01.07.12

nach: SCHUPPENER/RUPPERT: Zusammenführung von europäischen und deutschen Normen

Eurocode 7, DIN 1054 und DIN 4020. In: Bautechnik, 84 (2007), Nr. 9, S. 636-640

EAB (2012)

EAU (2012)


1 - Übersicht der „neuen“ Normen

DIN EN 1997–1: Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik –

Teil 1 : Allgemeine Regeln (Ausgabe 2014-03) – 166 Seiten

- deutsche Übersetzung gegenüber 2009 verbessert!

DIN EN 1997-1/ NA:Nationaler Anhang - National festgelegte Parameter

Teil 1: Allgemeine Regeln (Ausgabe 2010-12) – 10 Seiten

DIN 1054:

Baugrund - Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau -

Ergänzende Regelungen zu DIN EN 1997-1

(Ausgabe 2010-12) – 105 Seiten

DIN 1054-A1:


Ergänzende Regelungen zu DIN EN 1997-1; Änderung 1

(Ausgabe 2010-12) – 4 Seiten

DIN 1054-A2


Ergänzende Regelungen zu DIN EN 1997-1; Änderung 2

(Ausgabe 2015-11) – Änderung 2, 7 Seiten

Summe: 292 Seiten


oder

als „konsolidierte“ Fassung

auf 268 Seiten

→ Revision: Entschlackung

„under construction“


1 – angepasste Empfehlungen (2012)

690 Seiten

332 Seiten


Begriffe

Einwirkung F

Auf das Tragwerk einwirkende Kraft- oder Verformungsgrößen, z.B. Lasten,

Temperatur, eingeprägte Setzungsunterschiede.

Beanspruchung E (exposure)

Folge der gleichzeitig zu betrachtenden Einwirkungen bzw. einer

Einwirkungskombination auf das Tragwerk oder seine Teile,

z.B.: Schnittgröße, Spannung, Dehnung, Verformung etc.

Widerstand R (resistance)

Mechanische Eigenschaft des Tragwerks oder eines seiner Teile, bestimmten

Beanspruchungen zu widerstehen, auch als Beanspruchbarkeit bezeichnet,

z.B. ertragbare Schnittgröße, ertragbare Spannung etc.

Baustoffeigenschaft X

Eigenschaften von Baustoffen, Bauprodukten oder Baugrund,

z.B. Festigkeit, Steifigkeit etc.

1 – Sicherheitskonzept Grundlagen: DIN EN 1990


Begriffe

Charakteristischer Wert (Index k)

Wert einer Einwirkung oder eines Tragwiderstands, der mit der geforderten

Wahrscheinlichkeit nicht über- oder unterschritten wird. In der Regel auf der

sicheren Seite abgeschätzter Mittelwert oder der Quantilwert.

Repräsentativer Wert (Index rep)

Bei mehreren veränderlichen Einwirkungen die Kombination aller charakteristischen

Werte bei Berücksichtigung der Kombinationsbeiwerte

Bemessungswert (Index d)

Für die Nachweise von Grenzzuständen zugrunde zu legender Wert einer

Einwirkung oder eines Tragwiderstands

Einwirkungen: Fd = F Frep

Baustoffeigenschaften: Xd = Xk/ M



Begriffe

Grenzzustand der Tragfähigkeit ULS

Zustand des Tragwerks, dessen Überschreiten unmittelbar zu einem rechnerischen

Einsturz oder anderen Formen des Versagens führt;

Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit SLS

Zustand des Tragwerks, bei dessen Überschreiten die für die Nutzung festgelegten

Bedingungen nicht mehr erfüllt sind;

Nationally determined parameters NDP

National festzulegende Parameter (Verfahren, Klassen, einzelne Werte)

Non-contradictory complementary information NCI

Ergänzende, nicht widersprechende Angaben zur Anwendung der DIN EN



Begriffe nach DIN EN 1990 (2010-12), 6.4

Nachweise für Grenzzustände der Tragfähigkeit ULS



„Ziel der Nachweisführung ist die Bemessung des Tragwerks oder Bauteils derart,

dass dessen Versagenswahrscheinlichkeit hinreichend klein wird“.

Allgemeine Versagenszustände:

EQU Equilibrium – Verlust der Lagesicherheit des Tragwerks, betrachtet als

starrer Körper.

STR Structural failure – Versagen des Tragwerks oder übermäßige

Verformungen, wobei die Tragfähigkeit von Baustoffen und Bauteilen

entscheidend ist.

FAT Fatigue – Ermüdungsversagen des Tragwerks.



Begriffe nach DIN EN 1990 (2010-12), 6.4

Nachweise für Grenzzustände der Tragfähigkeit ULS



„Ziel der Nachweisführung ist die Bemessung des geotechnischen Bauwerks derart,

dass dessen Versagenswahrscheinlichkeit hinreichend klein wird“.

Geotechnische Versagenszustände:

GEO Geotechnical failure – Versagen des Baugrunds oder übermäßige

Verformungen, wobei die Tragfähigkeit des Bodens entscheidend ist.

UPL Uplift – Verlust der Lagesicherheit des Tragwerks oder des Baugrundes

aufgrund von Hebungen durch Wasserdruck (Auftrieb) oder sonstigen

vertikalen Einwirkungen.

HYD Hydraulic failure – Hydraulischer Grundbruch und Materialtransport

im Boden infolge von hydraulischen Gradienten.



Nachweisformate:

DIN 1054 (2005-01) DIN EN 1997-1 (2014-03) + DIN 1054 (2010-12)

Grenzzustände

GZ 1A ULS EQU

ULS UPL

ULS HYD

GZ 1B ULS GEO-2 (Nachweisverfahren 2)

ULS STR

GZ 1C ULS GEO-3 (Nachweisverfahren 3)


Lastfälle Bemessungssituationen

LF1 BS-P (persistent = ständig)

LF2 BS-T (transient = vorübergehend)

LF3 BS-A (accidental = außergewöhnlich)

BS-E (earthquake = Erdbeben)


Nachweisformate für den Nachweis im Grenzzustand der Tragfähigkeit

für geotechnische Standsicherheitsnachweise

1 – Nachweisformate Grundlagen: DIN EN 1990

b) Nachweise von Bauteil- und Bodenwiderständen –

ungünstige Beanspruchungen Ed nach DIN EN 1990 und für

Widerstände Rd nach DIN EN 1997-1 bzw. DIN 1054 (STR, GEO 2)

ULS: Ed (Fk) Rd

a) Nachweise gegen Verlust der Lagesicherheit: destabilisierende

Einwirkungen gegenüber stabilisierenden Einwirkungen (d.h. es sind

keine Widerstände mobilisierbar! – EQU, UPL, HYD)

ULS: E (Fd) = Ed,dst Ed,stb


Bemessungssituationen für die Grenzzustände der Tragfähigkeit

a) Ständige und vorübergehende Situationen (BS-P und BS-T)

Bemessungswerte der ständigen Einwirkungen, der vorherrschenden

veränderlichen Einwirkungen (Leiteinwirkung) und der mit Kombinations-

beiwerten behafteten zugehörigen veränderlichen Einwirkungen (Begleitein-

wirkungen) gemäß der Kombinationsregel:

b) Außergewöhnliche Situationen (BS-A)

z.B. Brand, Explosion oder Anprall

c) Situationen infolge von Erdbeben (BS-E)

1

,,0,1,1,

1

,,

i

ikiiQkQkP

j

jkjGd QQPGEE


= Bemessungswert der Auswirkung dieser Einwirkungen!


Teilsicherheitsbeiwerte für den Nachweis im Grenzzustand der

Tragfähigkeit für Stahl- bzw. Stahlbetontragwerke des Hochbaus

für Einwirkungen Fd und Beanspruchungen Ed nach DIN EN 1990

und für Widerstände Rd nach DIN EN 1992-1-1 bzw. DIN EN 1993-1-1 (NA)

ULS: E(Fd) = Ed Rd

1 – Nachweisformate Grundlagen: DIN EN 1990


Nachweisführung nach „altem“ Normenkonzept

E R /


HARTE/PULSFORT/VOGT: Bemessungsaufgaben in der Geotechnik nach EC

7 und EC 2. Seminar der Ing.kammer/Ingenieurakad. West, Duisburg 2015


Heutiges normenkonformes Grenzzustandskonzept

deterministisch: Ed Rd

Charakteristische Werte

Bemessungswerte


probabilistisch: f(Z) = f(R) − f(E) → p(Z<0)??




Z

XY

Pfahlgründung

Bei Zug- und Druckpfählen

Bemessungswerte für

max. Pfahldruckkräfte

E1,d = 1,35 EG,k + 1,50 EQ,k

Bauwerke mit dominanter Horizontalkraft-Einwirkung – z.B.

Windenergieanlagen (WEA)





Z

XY

Pfahlgründung

Bei Zug- und Druckpfählen

Bemessungswerte für

max. Pfahlzugkräfte

E1,d = 1,00 EG,k + 1,50 EQ,k







Z

XY

Flachgründung

Welche Kombination ist für

die Ermittlung der

Sohldruckverteilung

anzusetzen:

• für die Beanspruchung

der Bodenfuge?

• für die Bemessung des

Fundamentes?







Quelle: Fingerloos et al.: Eurocode 2 für Deutschland: Erläuterungen zu DIN EN 1992-1-1 mit Nationalem Anhang

Bauwerke mit dominanter Einwirkung von Horizontallasten


0,9

(SLS)


1 - Sicherheitskonzept

Änderung in der geotechnischen

Nachweis-“Philosophie“:

In der Regel rechnet man mit charakteristischen Werten der ständigen Einwirkungen,

aber nun auch in der Geotechnik:

repräsentative Werte bei mehreren veränderlichen Einwirkungen

(d.h. jetzt mit ψ-Werten nach DIN EN 1990-2):

ikikr e p QQQ ,,01,

in der Geotechnik: ψ0 = 0,8; ψ1 = 0,7; ψ2 = 0,5


2 - Teilsicherheitsbeiwerte γF/ γE für Einwirkungen/Beanspruchungen

Nachweisformat EQU – Verlust der Lagesicherheit:

Einwirkung bzw.

Beanspruchung aus

Zeichen BS-P BS-T

Ungünstige ständige Einwirkungen γG,dst 1,10 1,05

Günstige ständige Einwirkungen γG,stb 0,95 0,90

Nachweisformat HYDRO/UPL – Versagen durch hydraulischen

Grundbruch und Aufschwimmen (ähnlich dem Verlust der Lagesicherheit)

Einwirkung bzw.

Beanspruchung aus

Zeichen BS-P BS-T

Destabilisierenden ständigen Einw. γG, dst 1,05 1,05

Stabilisierende ständige Einw. γG, stb 0,95 0,95

Strömungskraft bei ungünstigem

Untergrund

γH 1,95 1,95

Strömungskraft bei günstigem

Untergrund

γH 1,45 1,45


Nachweisformat STR/Geo-2 – Versagen von Bauteilen und Baugrund:

2 - Teilsicherheitsbeiwerte γF/ γE für Einwirkungen/Beanspruchungen

Einwirkung bzw.

Beanspruchung aus

Zeichen BS-P BS-T

ständigen Einwirkungen allgemein γG 1,35 1,20

günstigen ständigen Einwirkungen γG,inf 1,00 1,00

ständigen Einw. aus Erdruhedruck γG,E0 1,20 1,10

veränderlichen ungünstigen Einw. γQ 1,50 1,30

Nachweisformat GEO-3 – Versagen durch Verlust der

Gesamtstandsicherheit im Baugrund (Böschungs- und Geländebruch)

Einwirkung bzw.

Beanspruchung aus

Zeichen BS-P BS-T

ständige Einwirkungen allgemein γG 1,00 1,00

ungünstige veränderliche Einw. γQ 1,30 1,20


Nachweisformat STR/Geo-2 – Versagen von Bauteilen und Baugrund:

2 - Teilsicherheitsbeiwerte γR für Widerstände (Auszug)

Widerstand Zeichen BS-P BS-T

Erdwiderstand,

Grundbruchwiderstand

γR,e

γR,v

1,40 1,30

Gleitwiderstand γR,h 1,10 1,10

Pfahlwiderstand auf GL von

Erfahrungswerten - Druckpfahl

γb, γs 1,50 1,50

Pfahlwiderstand auf GL von

Erfahrungswerten - Zugpfahl

γs,t 1,40 1,40

Herausziehwiderstand von

Verpresskörpern von Ankern

γa 1,10 1,10

Nachweisformat GEO-3 – Versagen durch Verlust der

Gesamtstandsicherheit im Baugrund (Böschungs- und Geländebruch)

Widerstand Zeichen BS-P BS-T

Reibungsbeiwert tanφ´ bzw. tanφU γφ´, γφu 1,25 1,15

Kohäsion c´ bzw. undränierte

Scherfestigkeit cU

γc´, γcu 1,25 1,15


3.1 - Nachweis der Äußeren Standsicherheit

- Lagesicherheit (EQU)Nachweis, dass

Nachweise für unterschiedliche Versagensmechanismen:- Gleiten

- Grundbruch

- Böschungs- und Geländebruch

- Extreme Ausmitte der Sohldruckresultierenden („Kippen“ = SLS)

- Erforderliche Einbindetiefe

- Erforderliche Länge von Ankern


3.2 - Nachweis der Gebrauchstauglichkeit

- Geotechnisch:

vorrangig durch Begrenzung der Verformungen

- Setzungen

- Horizontalverschiebungen

- Schiefstellungen

- Schwingungsamplituden

Zitat:

1

,,21,1,1

1

,,

i

ikik

j

jkfrequd QQGEE


Bemessungssituationen für die Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit

a) Seltene Situationen (für nicht umkehrbare Auswirkungen)

Seltene (charakteristische) Kombination:

b) Häufige Situationen (für umkehrbare Auswirkungen)

Häufige Kombination:

c) Quasi-ständige Situationen (für Langzeitauswirkungen)

Quasi-ständige Kombination:

1

,,01,

1

,,

i

ikik

j

jkrared QQGEE

1

,,21,1,1

1

,,

i

ikik

j

jkfrequd QQGEE

1

,,2

1

,,

i

iki

j

jkpermd QGEE

3.2 - Nachweis der Gebrauchstauglichkeit


4.1 - Nachweis der Inneren Standsicherheit = „Bauteil-Bemessung“

z.B. nach den Stahlbau-Normen


4.2 – Gebrauchstauglichkeit/Dauerhaftigkeit der Bauteile

Stahlkonstruktionen z.B. hinsichtlich:

Korrosionsschutz bzw. Abrostungszuschlag/Wanddickenverluste

Sandschliff

Anprall

Ermüdung


4.2 Dauerhaftigkeit von Beton nach DIN EN 1992-1/NA

Stahlbeton lt. Nationalem Anhang NA:

– Mischungsentwurf für die jeweilige Exposition (Druckfestigkeitsklasse nach Tabelle NA 4.3, LP-Bildner, Zementsorte)

– Beschränkung der Rissbreite

– Betondeckung der Bewehrung (Anforderungsklasse nach Tabelle NA 4.4)


5 - Herstellbarkeit - Ausführungsnormen

• DIN EN 1090-1 (2012-02) Konformitätsnachweis für tragende Bauteile

• DIN EN 1090-2 (2011-10) Technische Regeln für die Ausführung von

Stahltragwerken

• DIN EN 12063 (1999-05) Spundwandkonstruktionen

(systematic review 2014/15)

• DINSpec 18537 (2012-02) Ergänzende Festlegungen zu DIN EN 1537

(2001-01) Verpressanker

• DIN EN 12699 (2001-05) Verdrängungspfähle

z.B. für Stahltragwerke im Grundbau:


5 - Herstellbarkeit - Ausführungsnormen

• Kriterien zur Beurteilung der Rammbarkeit

• Notwendigkeit von Rammhilfen

(Auflockerungsbohrungen, Spülhilfe)

• Wiedergewinnbarkeit

z.B. Rammen und Ziehen


6 - Beispiel DIN 18304: 2015-08 Ramm-, Rüttel- und Pressarbeiten

2.3 Beschreibung von Boden und Fels und Einteilung in

Homogenbereiche

• Boden und Fels sind zur Beurteilung für das Einbringen und Ziehen von Bauelementen in

Homogenbereiche einzuteilen.

• Ein Homogenbereich ist ein räumlich begrenzter Bereich aus einer oder mehreren

Boden- oder Felsschichten nach DIN 4020 und DIN EN 1997-2, dessen bautechnische

Eigenschaften eine definierte Streuung aufweisen und der sich von den Eigenschaften

der abgegrenzten Bereiche abhebt.

• Für die Homogenbereiche sind die folgenden Eigenschaften und Kennwerte zusammen

mit der zu Grunde gelegten Norm oder Empfehlung anzugeben.

hier für diese Arbeiten in Boden:

- Bodengruppe nach DIN 18196, ergänzend ortsübliche Bezeichnung,

- Korngrößenverteilung nach DIN EN ISO 14688-2,

- Anteil an Steinen (63 – 200 mm) und Blöcken (> 200 mm) nach DIN 18123,

- Konsistenz nach DIN EN ISO 14688-1 oder DIN EN ISO 14688-2 und DIN 18122,

- Lagerungsdichte auf Grundlage von Sondierungen nach DIN 4094 bzw. DIN EN ISO

22476-2 oder DIN EN ISO 22476-3.


6 – neue VOB-Normen - erf. Kennwerte/Eigenschaften von Böden

DIN (ATV)Nr. Kennwerte/

Eigenschaften

18300

GK2, 3

18300

GK1

18301 18304 18311 18312 18313 18319 183201) 18321 18324

1 Korngrößenverteilung m.

Körnungsbändern

n. e. n. e.

2a Anteil an Steinen

2b Anteil an Blöcken

2c Anteil an großen

Blöcken

3 mineralogische

Zusammensetzung der

Steine und Blöcke

n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e.

4 Dichte n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e.

5 Kohäsion n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e.

6 undränierte Scherfestigkeit n. e. n. e.

7 Sensitivität n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e.

8 Wassergehalt n. e. n. e.

9 Konsistenz n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e.

10 Plastizität n. e. n. e. n. e.

11 Konsistenzzahl n. e. n. e.

12 Durchlässigkeit n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e.

13 Lagerungsdichte

14 Kalkgehalt n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e.

15 Sulfatgehalt n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e.

16 organischer Anteil n. e. n. e. n. e. n. e.

17 Benennung und

Beschreibung organischer

Böden

n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e.

18 Abrasivität n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e.

19 Bodengruppe

20 ortsübliche Bezeichnung n. e. n. e.

Anzahl der Kennwerte/

Eigenschaften

13 8 13 10 14 16 12 18 6 12 19

= Angabe erforderlich n.e. = Angabe nicht erforderlich 1) = Entwurf

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