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Fachhochschule RegensburgFachbereich Bauingenieurwesen

Diplomarbeit

Geotechnik

Kurzfassung

Vergleichende Bewertung einfacher Verfahren zur Berechnung des Last-Setzungsverhaltens von Pfahl-Platten-Grndungen

Aufgabensteller:

Prof. Dr.-Ing. Thomas Neidhart

Abgabetermin: 30.04.2001

Bearbeiter:

Christian Hfler

FH RegensburgFachbereich Bauingenieurwesen

Geotechnik DiplomarbeitHfler Christian

Vergleichende Bewertung einfacher Verfahren zur Berechnungdes Last-Setzungsverhaltens von Pfahl-Platten-Grndungen

Seite 2

Inhaltsverzeichnis1. Einleitung

2. Vorstellung der Pfahl-Platten-Grndung

3. Verfahren zur Berechnung von Pfahl-Platten-Grndungen

3.1. Vorstellung der Berechnungsmethoden

3.1.1. Das Verfahren nach RANDOLPH & CLANCY3.1.2. Das vereinfachte Verfahren nach RANDOLPH3.1.3. Das Ersatzflchenverfahren nach THERZAGHI3.1.4. Das Verfahren nach BAUMGARTL3.1.5. Gegenberstellung der Vor- und Nachteile der Verfahren

3.2. Auswahl der Verfahren fr die Vergleichsberechnung

4. Auswertung der Vergleichsberechnung

4.1. Analyse und Bewertung

4.1.1. Lastaufteilung4.1.2. Setzung

4.2. Vorschlge fr den Einsatz der vereinfachten Verfahren

Literaturverzeichnis

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Geotechnik DiplomarbeitHfler Christian

Vergleichende Bewertung einfacher Verfahren zur Berechnungdes Last-Setzungsverhaltens von Pfahl-Platten-Grndungen

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1. Einleitung

Im Rahmen dieser Diplomarbeit sollte berprft werden, ob fr einfache Pfahl-Platten-Grndungen, oder Grndungen auf STS-Sulen eine Berechnung mit vereinfachtenVerfahren ausreichend ist.

2. Vorstellung der Pfahl-Platten-Grndung

Bei der Pfahl-Platten-Grndung handelt es sich um ein innovatives Grndungskonzept,bei dem sich das Tragsystem des Grndungskrpers in die drei gemeinsam wirkendenElemente

Pfhle Grndungsplatte Boden

unterteilt.

Im Gegensatz zu konventionellen Grndungen, bei denen die Bauwerkslasten entwedervollstndig ber die Grndungsplatte (Flachgrndungen) oder nur ber die Pfhle(Tiefgrndungen) abgetragen werden, wird bei der Pfahl-Platten-Grndung jedeTeilkomponente fr die Lastabtragung herangezogen (BAESMANN).

Die Lastabtragung einer Pfahl-Platten-Grndung wird in Abbildung 2.1 dargestellt.

Abb. 2.1 Lastabtragung bei einer Pfahl-Platten-Grndung (nach BAESMANN)

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Der Vorteil der Pfahl-Platten-Grndung gegenber den konventionellen Grndungenliegt nicht nur in der Reduzierung der Setzung, sondern auch in der hheren Sicherheitgegen ein Kippen des Grndungskrpers, wodurch die Gebrauchstauglichkeit erheblicherhht wird. Ein weiterer nicht zu vergessender Vorzug liegt in der wirtschaftlichenEinsparung durch die Bercksichtigung der Grndungsplatte und der Pfhle, wodurchbeide Grndungsbestandteile geringer dimensioniert werden knnen.

Die Verminderung der Setzung durch die zur Flachgrndung zustzlichen Pfhle wird inAbhngigkeit zum dimensionslosen Pfahlplatten-Koeffizienten KPP in Abbildung 2.2dargestellt. Der Pfahlplatten-Koeffizient gibt den Anteil der Last an, der durch die Pfhleabgetragen wird. Er liegt zwischen den Grenzwerten KPP = 0 fr die reine Flchen-grndung und KPP = 1 fr die reine Pfahlgrndung (BAESMANN). In der Abbildung istzu erkennen, dass mit der Zunahme des Pfahlplatten-Koeffizienten die Setzungabnimmt.

Abb. 2.2 Setzung als Funktion des Pfahlplatten-Koeffizienten KPP (nach BAESMANN)

Bei den bisher ausgefhrten Pfahl-Platten-Grndungen lag der Pfahlplatten-KoeffizientKPP in einem wirtschaftlichen Bereich von 0,4 bis 0,8 (BAESMANN).

Nach BAESMANN knnen durch die Anwendung einer Pfahl-Platten-Grndungfolgende Ziele erreicht werden:

bessere Wirtschaftlichkeit einer Tiefgrndung durch Einsparung erheblicherPfahlmassen (rund 60 bis 80 %)

Reduzierung der Setzung im Vergleich zu einer Flachgrndung hhere Wirtschaftlichkeit der Grndungsplatte, da bei richtiger Anordnung der

Pfhle die Biegebeanspruchung der Platte verringert wird bessere Aufnahme einer exzentrischen Bauwerkslast durch die Konstruktion

eines exzentrischen Grndungskrpers

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Setzungsfugen bei stark unterschiedlichen Belastungen knnen vermiedenwerden

3. Verfahren zur Berechnung von Pfahl-Platten-Grndungen

3.1. Vorstellung der Berechnungsmethoden

Fr die Berechnung des Last-Setzungsverhaltens von Pfahlplatten gibt es bislang nochkein allgemein anerkanntes Berechnungsverfahren oder eindeutige Nachweiskonzepte,lediglich einen Entwurf der KPP-Richtlinie. Nach diesem Entwurf muss daseingesetzte Rechenmodell eine realistische geometrische Modellierung derGrndungselemente und des Bodenkontinuums, sowie fr die Formulierung einerwirklichkeitsnahen Beschreibung des Werkstoffverhaltens von Tragwerk und Baugrundund des Kontaktverhaltens zwischen dem Boden und den mit ihm in Verbindungstehenden Bauteilen enthalten.Dies ist nicht bei allen im folgenden vorgestellten Verfahren der Fall, aber fr dieBemessung von Bodenverbesserungsmanahmen durch STS-Sulen oder zurAbschtzung, ob eine kombinierte Pfahl-Platten-Grndung sinnvoll ist, knnen dieseVerfahren trotzdem eingesetzt werden.

3.1.1. Das Verfahren nach RANDOLPH & CLANCY

Nach MOSSALLAMY haben Randolph/Wroth (1978, 1979 a) und Randolph (1983,1985) auf Grundlage der Elastizittstheorie ein analytisches Nherungsverfahren zurBestimmung des Last-Setzungsverhaltens von Einzelpfhlen und Pfahlgruppenentwickelt, welches durch Randolph und Clancy (1993) fr die Anwendung auf Pfahl-Platten-Grndungen erweitert wurde.

Da sowohl fr die reine Plattengrndung, als auch fr eine Grndung auf einer Pfahl-gruppe bereits Lsungen existieren, sollte nach RANDOLPH/CLANCY versuchtwerden, die Berechnung des Last-Setzungsverhaltens einer Pfahl-Platten-Grndung indie beiden Komponenten aufzuteilen, jedoch mit der Mglichkeit der gegenseitigenInteraktion.Diese Interaktion zwischen der Plattengrndung und der Grndung auf einerPfahlgruppe ermglicht RANDOLPH/CLANCY durch die Interaktionsfaktoren rp undpr, so dass die Setzung sp der Pfahlgruppe und die Setzung sr der Platte dann zuGleichung 3.1 ausgedrckt werden knnen.

=

r

p

rprp

rprp

r

p

Q

Qk/1k/k/k/1

s

s(Gl. 3.1)

wobei sp = Setzung der Pfahlgruppesr = Setzung der Grndungsplattekp = Steifigkeit der Pfahlgruppekr = Steifigkeit der Grndungsplatte

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rp; pr = InteraktionsfaktorenQp = Lastanteil der PfahlgruppeQr = Lastanteil der Grndungsplatte

Hierbei wird die Steifigkeit kr der Grndungsplatte ber konventionelle Methoden (z.B.nach Steinbrenner) berechnet, wobei die Steifigkeit die Einheitssetzung der Platte ist.Die Steifigkeit kp der Pfahlgruppe lsst sich nach MOSSALLAMY aus den Gleichungen3.2 und 3.3 berechnen, die Randolph/Worth fr eine Pfahlgruppe aufgestellt haben,wonach sich fr den j-ten Pfahl einer Pfahlgruppe aus NP Pfhlen schreiben lsst:

( ) =

=Np

1iijmi0i0

ljs )D/rln(*)r(*)(*G

1s (Gl. 3.2)

und

( ) =

=Np

1i ij

ib

ljb F

)Q(G*2

)1(s (Gl. 3.3)

wobei: ss = Setzung des Pfahls aufgrund der Mantelreibungsb = Setzung des Pfahls aufgrund der SpitzendruckkraftDij = Pfahl-Pfahl-Abstand (Dij = r0 fr i = j)

=

=jifrD*jifrr*2

Fij

0ij (Gl. 3.4)

rm = {0,25+Gl/Gb*[2,5**(1-)-0,25]}*l (Gl. 3.5)rm = Einflussradius des Pfahls (siehe Abbildung 3.1) = Gave/Gl (Gl. 4.6)Gl = Schubmodul am Pfahlfu0 = mittlere Mantelreibung = PoisonzahlQb = Last des jeweiligen Pfahls

Abb. 3.1 Erluterung des Einflussradius rm nach RANDOLPH

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Die Gleichungen 3.2 und 3.3 stellen ein lineares Gleichungssystem dar, dass nachMOSSALLAMY fr 2 Grenzflle lsbar ist:

1. gleiche Setzung aller Pfhle, dies wird durch die Kopplung der Pfhle durch einestarre Platte erreicht, oder

2. bekannte Pfahlkrfte (STS-Sulen unter einer Dammschttung)

Die gegenseitige Beeinflussung der Pfhle und der Grndungsplatte, also die Inter-aktionsfaktoren rp und pr, hat Randolph von einer Pfahl-Platten-Einheit bestehend auseinem Pfahl mit einer kreisrunden Platte hergeleitet. Dabei traf er die nherungsweiseAnnahme, dass die Setzung mit dem Abstand vom Pfahl logarithmisch abnimmt.Nach RANDOLPH/CLANCY kann der Interaktionsfaktor rp nach Gleichung 3.7angenhert werden.

)r/rln()r/rln(

10m

0crp (Gl. 3.7)

wobei: r0 = Pfahlradiusrc = Radius der Kopfplatte Ermittlung des quivalenten Radius der Kopfplatte siehe Abbildung 3.2

Abb. 3.2 Ermittlung des Ersatzradius rc nach RANDOLPH

Bei der Kopplung der Pfahlgruppe durch eine starre Platte und nach dem reziprokenTheorem kann der Interaktionsfaktor pr wie folgt geschrieben werden:

p

rrppr k

k*= (Gl. 3.8)