Fachbereich Bauingenieurwesen Diplomarbeit (Kurzfassung) „Rechnerische Untersuchungen zum Einfluss von Ankerneigung und Ankerlänge auf die Nachbarbebauung“ erarbeitet von Roland Ochsenkühn Betreuung durch Prof. Dr.-Ing. Thomas Neidhart mit Unterstützung der Bauer Spezialtiefbau GmbH Schrobenhausen Regensburg, 30. November 2001
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Fachbereich Bauingenieurwesen Diplomarbeit Programm Plaxis unterstützt verschiedene Stoffmodelle, um das Verhalten von Boden und anderen Kontinua zu modellieren. Für die vorliegende
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Fachbereich Bauingenieurwesen
Diplomarbeit
(Kurzfassung)
„Rechnerische Untersuchungen zum Einfluss von Ankerneigung undAnkerlänge auf die Nachbarbebauung“
erarbeitet von
Roland Ochsenkühn
Betreuung durch Prof. Dr.-Ing. Thomas Neidhart
mit Unterstützung der Bauer Spezialtiefbau GmbH Schrobenhausen
4 Statische Berechnungen ............................................................................ 64.1 Statische Nachweise......................................................................................................... 64.2 Statische Berechnungen mit dem Programm Walls......................................................... 6
5 Plaxis: Finite-Elemente-Programm in der Geotechnik .............................. 75.1 Die Methode der Finiten Elemente .................................................................................. 75.2 Finite Elemente in der Geotechnik .................................................................................. 75.3 Das Programm Plaxis....................................................................................................... 7
7 Modellierung der Aufgabenstellung........................................................... 9
8 Parameterstudie der Gebäudekonstruktion I .......................................... 118.1 System und Diskretisierung ........................................................................................... 118.2 Einfluss der Vorspannkraft ............................................................................................ 138.3 Einfluss von Ankerneigung und Ankerlänge................................................................. 148.4 Bewertung ...................................................................................................................... 15
9 Parameterstudie der Gebäudekonstruktion II ........................................ 169.1 System und Diskretisierung ........................................................................................... 169.2 Variation der Ankerlage................................................................................................. 179.3 Auswertung .................................................................................................................... 189.4 Bewertung ...................................................................................................................... 21
In immer stärkerem Maße erhalten neue und auch bestehende Bauwerke im innerstädtischen
Bereich zur effektiveren Nutzung der Baugrundstücke mehrere Untergeschosse. Dies
erfordert immer tiefere Baugruben vor bestehenden Gebäuden.
Bei deren Herstellung bietet die rückwärtige Verankerung gegenüber einer konventionellen
Aussteifung den großen Vorteil der freien Baugrube. In die verankerte Baugrube kann das
Bauwerk ohne Behinderung durch Steifen und Verbände zeitsparend gebaut werden.
Die Zusammenhänge und Wechselwirkungen zwischen der verankerten Verbauwand und
einem hinter der Verbauwand bestehenden, flachgegründeten Gebäude im Verlauf der
Baugrubenerstellung sind jedoch meist unbekannt.
Bei der Erstellung von Baugruben entstehen so an Bestandsgebäuden immer wieder für das
Bauwerk nicht verträgliche Beanspruchungen, die sich in Form von Rissen oder sonstigen
Schäden äußern.
Gegenstand der vorliegenden Forschungsarbeit sind deswegen numerische Untersuchungen
einer verankerten Verbauwand bei rückwärtiger Bebauung.
Der Einfluss von Ankerlänge, Ankerneigung und Ankerkraft für verschiedene Gebäudetypen
soll untersucht werden, um die Geometrie zukünftig so zu wählen, dass die Beanspruchungen
an den Gebäuden möglichst gering gehalten werden können.
Es muß jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen werden, dass Schäden, resultierend aus
Hebungen infolge Nachverpressen bzw. Erschütterungen aus dem Bohrvorgang oder auch
eine fehlerhafte Ausführung auf der Baustelle in den vorliegenden Berechnungen nicht erfasst
werden können.
2 Aufgabenstellung
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2 AUFGABENSTELLUNG
Rechnerische Untersuchungen zum Einfluss von Ankerneigung und
Ankerlänge auf die Nachbarbebauung
Schäden an Bestandsgebäuden bei der Errichtung von Baugruben treten aufgrund vielfältigerUrsachen auf. Dies sind zum einen verfahrenstechnische Ursachen wie Erschütterungen,Entspannungen etc. und zum anderen Verformungen und damit resultierendeGebäudesetzungen aus der Verbauwand selbst, sowie Entspannungen, Zerrungen undSetzungen im Bereich der Ankerenden bei verankerten Verbauten. Gegenstand derDiplomarbeit ist es, zu dem letzten Ursachenfeld Auswirkung der Ankerlänge undAuswirkung der Lage der Verpresskörper zu den Bestandsgebäuden zu untersuchen.
Im Rahmen der Diplomarbeit soll für den Fall einer einlagig geankerten, ausreichend steifenBohrpfahlwand in einem Baugrund mit mittlerer Tragfähigkeit durch verschiedeneVariationsberechnungen untersucht werden, ob es günstige Ankerneigungen und günstigeAnkerlängen je nach Eigenart der Konstruktion des Nachbargebäudes gibt. Es sind diefolgenden Parameter zu variieren:
Zum ersten ist die Eigenart des Gebäudes unterschiedlich in Ansatz zu bringen:
• räumlich begrenzte ungeschwächte Mauerwerksscheibe quer zur Baugrube• unendlich lange ungeschwächte Mauerwerksscheibe quer zur Baugrube• Stahlbetonbau mit auf Streifenfundamenten gegründeten Wänden längs zur Baugrube und
nichttragenden Querwänden
Bei der Wahl der Ankergeometrie sind
• die Ankerlänge• die Ankerneigung• die Vorspannkraft
zu variieren.
Die Berechnungen sind mit einem nichtlinearen Finite-Elementprogramm (Plaxis) durch-zuführen. Bei der Auswertung sind die Verträglichkeitsbeanspruchungen aus derBaugrubenherstellung in Abhängigkeit der Ankergeometrie zu betrachten. Die Einwirkungensind zum einen als Spannungen und zum anderen bei nicht zugfestem Mauerwerksmaterial alsDehnungen auszuwerten. Im Zuge der Berechnungen ist zu erarbeiten und zu ergründen, beiwelchem Bauwerkstypen welche Ankergeometrien zu einer Minimierung der Beanspruchungder Gebäuden führen.
3 Verankerter Baugrubenverbau
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3 VERANKERTER BAUGRUBENVERBAU
3.1 Verbauwände
Für die Erstellung großer Baugruben stehen im wesentlichen vier verschiedene Verbauweisen
zur Verfügung. Darunter fallen die Trägerbohlwände, die Spundwände sowie massivere
Bauweisen wie Schlitzwände und Pfahlwände. Als eine besonders wirtschaftliche Alternative
zu Trägerbohl- und Spundwänden hat sich zusätzlich das „Mixed-in-Place“ - kurz MIP-
Verfahren erwiesen. Die hier beschriebenen Verbauwände können alle verankert ausgeführt
werden. Die Wahl der Verbaumethode erfolgt nach örtlichen, technischen und
wirtschaftlichen Gesichtspunkten. Für eine sachgemäße, optimale Lösung sind neben
Einheitskosten für den Verbau und die Erdmassenbewegungen folgende Kriterien
ausschlaggebend:
• Tiefe und Abmessungen der Baugrube
• Baugrund- und Grundwasserverhältnisse
• Gründungstiefe, Fundamentausbildung und Abstand angrenzender Bauwerke
• Belastungen und Erschütterungen innerhalb und außerhalb der Baugrube [14]
3.2 Verpressanker
Anker werden nach der Art der Abtragung der Zugkräfte im Boden unterschieden. Beim
Verpressanker wird die Zugkraft im hinteren Bereich des Ankers durch Mantelreibung
abgetragen. Die Aktivierung der Mantelreibung erfolgt durch Verpressen des ringförmigen
Hohlraumes zwischen Spannglied und Bohrlochwand. Für die Bemessung, Ausführung und
Prüfung von Verpressankern im Boden und Fels gilt DIN 4125. Die Norm unterscheidet
Temporäranker (Kurzzeitanker) und Permanentanker (Daueranker).
Kurzzeitanker dienen zur Sicherung von Baumaßnahmen über einen Zeitraum von maximal
zwei Jahren. Es handelt sich hierbei um die übliche Ankerart für Baugrubenverbauten.
3.3 Konstruktive Anordnung von Ankern
Im September 1995 erschien im „Bauingenieur“ ein Artikel von Herrn Dipl.-Ing. H.
Ostermayer über „Das Verhalten des Systems Bauwerk-Anker-Boden als Grundlage für den
Entwurf verankerter Konstruktionen“. Der Verfasser gibt darin einen Überblick über die
allgemeinen Entwurfsregeln. Diese wurden in derselben Form auch in seiner Veröffentlichung
über „Verpressanker“ im Grundbau-Taschenbuch, Teil 1 [5] dargestellt.
4 Statische Berechnungen
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4 STATISCHE BERECHNUNGEN
4.1 Statische Nachweise
Bei verankerten Baugrubenumschließungen bilden Wand, Erdreich und Verankerung ein
Gesamtsystem, dessen Standsicherheit zu untersuchen ist. Es sind stets folgende statische
Nachweise zu erbringen:
• Sicherheit gegen Geländebruch
• Standsicherheit in der „tiefen Gleitfuge“
• ausreichende Einbindetiefe der Wand
• Tragfähigkeit der Anker
• sicherer Abtrag der lotrechten Kräfte
Wie jede Stützwand kann auch eine Baugrubenwand insgesamt versagen. Damit dieser Fall
nicht auftritt, ist für den ungünstigsten Bruchmechanismus nachzuweisen, dass dieser noch
ausreichende Tragreserven hat. Abb. 4-1 zeigt zwei unterschiedliche Versagensfälle. In der
Fachliteratur wird der Fall a) als „Geländebruch“, der Fall b) als „Bruch in der tiefen
Gleitfuge“ bezeichnet.
Abb. 4-1: Mögliche Versagensarten bei verankerten Baugruben [16]
4.2 Statische Berechnungen mit dem Programm Walls
Das Programm Walls ist ein Produkt des Unternehmens FIDES DV-Partner GmbH München
und dient der Untersuchung von Spund-, Schlitz-, Trägerbohl- und Bohrpfahlwänden als
Baugrubenumschließungen. Den Berechnungen liegen die Empfehlungen des Arbeitskreises
„Baugruben“ EAB, die Empfehlungen des Arbeitskreises „Ufereinfassungen“ EAU der
Deutschen Gesellschaft für Erd- und Grundbau e.V. sowie die DIN 4085
(Berechnungsgrundlagen für die Ermittlung des Erddrucks) zugrunde. Nach einer
Beschreibung der Baugrundschichten und nach Vorgabe von Verkehrs- und Gebäudelasten
kann die Baugrubenumschließung je nach Art statisch berechnet werden.
a) b)
5 Plaxis: Finite-Elemente-Programm in der Geotechnik
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5 PLAXIS: FINITE-ELEMENTE-PROGRAMM IN DER GEOTECHNIK
5.1 Die Methode der Finiten Elemente
Die Finite-Element-Methode gehört zu den numerischen Verfahren zur Lösung von
Randwertproblemen. In der Geotechnik findet sie immer häufiger ihre Anwendung. Sie ist
eine sehr universelle Methode, die sich in allen Ingenieurbereichen wiederfindet. Bei
komplexen Problemen lassen sich mit ihr noch Lösungen finden, wo andere Verfahren
scheitern. Allerdings ist mit dieser Methode ein höherer Arbeitsaufwand verbunden.
Der Grundgedanke dieser Methode ist, einen Kontinuumsausschnitt in Elemente endlicher
Größe zu zerlegen. Diese Elemente werden dann als finite Elemente bezeichnet.
5.2 Finite Elemente in der Geotechnik
Numerische Methoden wie die Methode der Finiten Elemente bieten in der Geotechnik
hinsichtlich verschiedenster Randbedingungen Vorteile gegenüber den überschlägigen
empirischen Methoden. Diese werden, wie auch gewisse Einschränkungen, an dieser Stelle
kurz aufgeführt.
5.3 Das Programm Plaxis
Die numerische Berechnung mit der Methode der Finiten Elemente erfolgt mit dem
Programmsystem Plaxis 2D, Version 7.2, der Firma PLAXIS B. V. Niederlande. Es wurde
speziell für die Berechnung von Verformungsproblemen in Lockerböden und Festgestein
entwickelt und besteht jeweils aus 4 Unterprogrammen, die für eine komplette FEM-Analyse