fachbereich bauingenieurwesen diplomarbeit programm plaxis unterstützt verschiedene stoffmodelle,...

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

Regensburg, 30. November 2001

2

INHALTSVERZEICHNIS DER KURZFASSUNG

1 Einleitung ................................................................................................... 3

2 Aufgabenstellung ....................................................................................... 4

3 Verankerter Baugrubenverbau .................................................................. 53.1 Verbauwände ................................................................................................................... 53.2 Verpressanker .................................................................................................................. 53.3 Konstruktive Anordnung von Ankern ............................................................................. 5

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

6 Stoffgesetze ............................................................................................... 8

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

10 Zusammenfassung ................................................................................. 22

11 Literaturverzeichnis ............................................................................... 23

1 Einleitung

3

1 EINLEITUNG

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

4

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

5

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

6

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

7

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

nacheinander abzuarbeiten sind: Input (Eingabe), Calculations (Berechnung), Output

(Ausgabe) und Curves (Diagramme). Alle Unterprogramme verfügen über eine graphische

Benutzeroberfläche, über welche die Dateneingabe erfolgt.

6 Stoffgesetze

8

6 STOFFGESETZE

Die Elementsteifigkeitsmatrix bei einer FEM-Analyse nimmt gerade in der Geotechnik eine

zentrale Stellung ein. Erfahrungsgemäß sollte deshalb der Wahl der Stoffgesetze und der

Bestimmung der entsprechenden Bodenparameter besondere Sorgfalt zuteil werden, um bei

einer numerischen Berechnung zu verwertbaren Ergebnissen zu gelangen. Eine umfangreiche

Erfahrung im Bereich der Parameterbestimmung ist daher unumgänglich.

Unter Stoffgesetzen versteht man dabei mathematische Modelle, die das Verhalten des

Bodens in mechanischer Hinsicht beschreiben. Sie geben an, wie die Spannungen von den

Dehnungen abhängen [12].

Das Programm Plaxis unterstützt verschiedene Stoffmodelle, um das Verhalten von Boden

und anderen Kontinua zu modellieren. Für die vorliegende Arbeit sind das linear-elastische-,

das Mohr-Coulomb-, sowie das Hardening Soil-Modell von Bedeutung.

Nach einer ausführlichen Beschreibung der einzelnen Stoffgesetze wird anhand von

Beispielberechnungen aufgezeigt, dass das linear-elastische-Modell ungeeignet und das

Mohr-Coulomb-Modell für verschiedene Arten von Problemstellungen erhebliche

Unzulänglichkeiten aufweist.

Die Verwendung eines einheitlichen Steifemoduls führt dazu, dass bei der Entlastung die

Verformungen nahezu wieder vollständig zurückgehen. Dies wird im Hardening Soil-Modell

durch die Eingabe eines Erst- und Wiederbelastungsmodul berücksichtigt, so dass zwischen

Erst- und Wiederbelastung unterschieden werden kann und plastische irreversible

Verformungen erfasst werden.

Eine weitere Einschränkung ist die Annahme eines konstanten Steifemoduls über die gesamte

Tiefe, der sich jedoch als spannungsabhängig erweist.

In [19] kommt Vermeer nach der Untersuchung einer verankerten Stützwand zu der Aussage,

dass es durch eine einfache Erweiterung des Mohr-Coulomb-Modells, dem Hardening Soil-

Modell, gelingt, im Labor beobachtetes Steifigkeitsverhalten von Böden realistisch zu

erfassen.

Ein geringfügig höherer Aufwand bei der Bestimmung der normalisierten Steifigkeiten, für

welche dieselben Versuche benutzt werden können (die in der Regel ohnehin bei Verwendung

des Mohr-Coulomb-Modells ausgewertet werden) reicht aus, um eine wesentlich genauere

Erfassung des tatsächlichen Spannungs-Dehnungsverhaltens zu erzielen.

Auf Grund dieser Untersuchungen wird für die Berechnung des Bodenverhaltens in der

vorliegenden Arbeit das Hardening Soil-Modell verwendet.

7 Modellierung der Aufgabenstellung

9

7 MODELLIERUNG DER AUFGABENSTELLUNG

Ausgehend von den statischen Berechnungen in Kapitel 4 soll das im Programm Plaxis zu

modellierende Verbausystem mit rückwärtiger Bebauung in bindigem Boden noch einmal

kurz beschrieben werden: Bei einer 40 m breiten Baugrube wird ein Geländesprung von 6,0 m

durch eine 1-fach verankerte hinreichend steife Verbauwand gesichert. Die Baugrube sei

ausreichend lang, so dass räumliche Stützeffekte vernachlässigbar sind und von einem ebenen

Verformungszustand ausgegangen werden kann. Die Verbauwand mit 6,32 m Einbindetiefe

besteht aus einer überschnittenen Pfahlwand mit einer Dicke von 0,75 m und ist durch

Litzenanker mit Ankerabstand a = 1,30 m gestützt.

Abb. 7-1 Systemskizze der zu modellierenden verankerten Verbauwand

Bei der rückwärtigen Bebauung werden die Gebäudekontruktion I (ungeschwächte

Mauerwerkscheiben quer zur Baugrube) und Gebäudekonstruktion II (auf Steifenfundamen-

ten gegründete Wände längs zur Baugrube mit nichttragenden Querwänden) differenziert.

Um eine möglichst realistische Abbildung der Boden-Bauwerk-Konstruktion zu erzielen, ist

die Wahl der Eingabeparameter von entscheidender Bedeutung. Ein solch komplexes

Verfahren wie die FEM erfordert dabei eine umfangreiche Erfahrung im Bereich der

Diskretisierung sowie im Bereich der Parameterbestimmung. Dies gilt in besonderem Maße in

der Geotechnik. Hier müssen die Geomaterialien im Boden so hingenommen werden wie sie

im Baugrund vorkommen. Diese Eigenschaften und vor allem die Wechselwirkungen

zwischen den einzelnen Elementen gilt es, realitätsnah zu modellieren.

7 Modellierung der Aufgabenstellung

10

In der vorliegenden Parameterstudie wird als typischer Boden für den gesamten diskretisierten

Bereich überkonsolidierter Ton (tertiäre Tone und Tonmergel) gewählt, für den drainiertes

Verhalten angenommen wird. Die herzustellende Baugrube soll somit die

Baugrundverhältnisse im Frankfurter Bereich widerspiegeln. Grundwasser findet sich erst

weit unter der Baugrubensohle, so dass es für diese Problemstellung nicht zu berücksichtigen

ist.

Aufgrund der bereits in Kapitel 6 (Stoffgesetze) erläuterten realistischeren Abbildung des

Bodenverhaltens wird als Stoffgesetz das Hardening Soil-Modell verwendet. Da die Wahl der

Materialparameter bei Berechnungen dieser Art erheblichen Einfluss auf die Ergebnisse hat,

müssten bei einem baupraktischen Einsatz der FEM grundsätzlich die charakteristischen

Kennwerte ermittelt werden.

Die Materialparameter der vorliegenden Arbeit für Frankfurter Ton stammen aus einem

Artikel von Herrn Y.El-Mossallamy, erschienen anläßlich der „Tenth International

Conference on Computer Methods and advances in Geomechanics“ [21]. Sie haben sich

sowohl in zahlreichen Tests anerkannter Labors als auch an ähnlichen bereits ausgeführten

Projekten bestätigt.

Zeichen Wert Größe Benennungref50E 35 [MN/m²] Erstbelastungsmodul

Sekantensteifigkeit bei 50% der Spannungsdifferenz beim TriaxialversuchrefurE 105 [MN/m²] Ent-/Wiederbelastungsmodul

Steifigkeit bei Ent-/Wiederbelastung im Triaxialversuch

urν 0,2 [-] Querkontraktionszahl bei Ent-/Wiederbelastung

m 1,0 [-] Exponent für Druckabhängigkeit der Steifigkeit im Ödometerversuch

Rf 0,9 [-] Reduktionsfaktor

� 20 [kN/m³] Feuchtwichte

�‘ 10 [kN/m³] Wichte unter Auftrieb

kx 2�10-5 [m/sec] horizontale Durchlässigkeit

ky 0,01� kx [m/sec] vertikale Durchlässigkeit

c 20 [kN/m²] Kohäsion aus Mohrscher Spannungsebene

� 20 [°] Reibungswinkel für den Peakzustand im Triaxialversuch

K0 0,8 [-] Ruhedruckbeiwert für Normalkonsolidierung

Tab. 7-1: Materialparameter für Frankfurter Ton nach dem Modell Hardening-Soil [21]

8. Parameterstudie der Gebäudekonstruktion I

11

8 PARAMETERSTUDIE DER GEBÄUDEKONSTRUKTION I

8.1 System und Diskretisierung

Bei der Gebäudekonstruktion I handelt es sich um ein Bestandsgebäude mit ungeschwächten

Mauerwerkscheiben quer zur Baugrube. Das Gebäude ist 20 m hoch, 21,7 m breit und 1 m tief

in den Boden eingebunden. Es beginnt unmittelbar 0,3 m von der Bohrpfahlwand entfernt.

Die 40 m breite Baugrube wird bis 6 m unter Geländeoberkante ausgehoben.

Im Vorfeld der FEM-Analyse ist es notwendig, das zu erstellende Modell zu dimensionieren.

Dies bedeutet, es sollen optimale Modellgeometrien gefunden werden, die einerseits die

Realität möglichst genau widerspiegeln und andererseits keinen unnötigen Berechnungs-

aufwand erfordern. Das Modell ist so groß zu wählen, dass an den Rändern die Spannungen

und Verformungen zu vernachlässigen sind. Eine Vergrößerung des Modells soll zu keinen

wesentlichen Änderungen mehr führen.

Vor der Wand wird die halbe Baugrubenbreite (= 20,0 m) diskretisiert. Gelände-

verformungen hinter der Verbauwand sind erfahrungsgemäß bis zu einem Abstand von 2- bis

3-facher Baugrubentiefe zu erwarten [10]. Der Berechnungsabschnitt wird auf 50,0 m hinter

der Wand und 30,0 m unter Baugrubensohle begrenzt.

x

y

0 1 2

3456789

10 11

12 13

14

15

1617

Abb. 8-1: Modellierung der Gebäudekonstruktion I und der verankerten Verbauwand in Plaxis

6,0 m

21,7 m

6,32 m

30,0 m

50,0 m20,0 m

20,0 m


12

Das vollständige Modell der Gebäudekonstruktion I mit dem generierten Netz ist in Abb. 8-2

dargestellt.

Abb. 8-2: Modell mit generiertem Netz

Im Folgenden werden Länge, Neigung und Vorspannkraft der Anker des generierten Modells

variiert. Alternativ wird zusätzlich ein unendlich langes Gebäude untersucht.


13

8.2 Einfluss der Vorspannkraft

Als erste Einflussgröße soll die Auswirkung der Vorspannkraft untersucht werden. Für diese

Berechnungen wird der Anker so lang gewählt, dass der Verpresskörper hinter dem Gebäude

zu liegen kommt. Es soll untersucht werden, ob mit zunehmender Vorspannkraft an dem

Bestandsgebäude eine Art Einspannwirkung entstehen kann, die sich günstig auf die

Verformungen und damit verbundenen Dehnungen ausüben würde. Bei konstanter

Ankerlänge von 40 m und einer Neigung der Anker von 25° zeigt Abb. 8-3 die

Wandverschiebungen in Abhängigkeit der Vorspannkraft.

23,7

30

-12,00 -10,00 -8,00 -6,00 -4,00 -2,00 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00horizontale Wandverschiebung [mm]

Tief

e un

ter G

elän

deob

erka

nte

[m]

50kN/m100kN/m188kN/m200kN/m250kN/m300kN/m

Baugrubensohle

Vorspannkraft:

Verbauwand

Anker

Vorspannkraft nach EAB

-6,0

-12,32

Abb. 8-3: Wandverschiebung in Abhängigkeit der Vorspannkraft

Die Verformungen im Wandfuß bleiben konstant. Dagegen nehmen sie am Wandkopf mit

größerer Vorspannkraft ab.

Die Zunahme der Verschiebungen im Bereich des Wandkopfs mit abnehmender

Vorspannkraft entsprechen dabei den vorweggenommenen Stahldehnungen durch die

Vorspannung der Anker.

Die Ankervorspannung vermindert die Wandverschiebung lediglich um das Maß der

elastischen Ankerstahldehnung. Der Einfluss macht sich nur örtlich im Bereich der

aufgebrachten Vorspannung bemerkbar.

Geländeoberfläche


14

8.3 Einfluss von Ankerneigung und Ankerlänge

Abb. 8-4 und 8-5 zeigen für die begrenzte Mauerwerksscheibe zusammenfassend die

Abhängigkeit der auftretenden Dehnungsbeanspruchungen an der Mauerwerksscheibe von

Ankerneigung und Ankerlänge.

0,0550,0450,0300,072

0,161

0,286

0,368

0,818

0,0690,0680,0590,099

0,143

0,234

0,322

0,723

0,0800,1020,1150,116

0,166

0,2320,286

0,904

0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

0,600

0,700

0,800

0,900

1,000

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0

Ankerlänge [m]

max

imal

e ho

rizon

tale

Deh

nung

[mm

/m]

20° Ankerneigung25° Ankerneigung30° Ankerneigung

Abb. 8-4: Maximale auftretende Dehnungen bei Interaktion von Ankerlänge und –neigung

0,450,73

0,450,30

0,73

1,84

2,88

3,76

7,64

0,770,721,13

2,01

2,95

3,75

7,11

0,951,28

1,431,46

2,25

3,40

3,89

7,93

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0

Ankerlänge [m]

max

imal

e ho

rizon

tale

Deh

nung

[mm

/m]

20° Ankerneigung25° Ankerneigung30° Ankerneigung

Abb. 8-5: Gesamtdehnungen bei Interaktion von Ankerlänge und -neigung

EAB

EAB


15

8.4 Bewertung

Die Größe der Dehnungen nimmt mit zunehmender Ankerlänge ab, erreicht jedoch bei großer

Verlängerung einen konstanten Wert. Um die für Mauerwerk verträgliche Dehnung von

mm/m 0,20∆ H ≤ε zu erreichen, reicht eine Verlängerung der Anker von 11,5 m auf 15 m

unabhängig von der Ankerneigung bereits aus.

Grundsätzlich ist der Einfluss der Ankerneigung auf die Beanspruchung der Wand relativ

gering. Eine Ankerneigung zwischen 20° und 30° erweist sich als günstig.

Deutlich erkennbar ist, dass sich bei größeren Ankerlängen eine flachere Ankerneigung

vermindernd auf die Dehnungsbeanspruchung auswirkt. Der Abstand des Verpresskörpers

zum Bauwerk muss nur groß genug sein (> 3,0 m).

Eine Erhöhung der Vorspannkraft wirkt sich nur geringfügig aus. Bei der nach EAB

errechneten Vorspannung sind die elastischen Ankerstahldehnung bereits vorweggenommen.

Das Aufbringen einer höheren Vorspannkraft kann zwar die Dehnungbeanspruchungen an der

Gebäudeunterseite reduzieren, jedoch entstehen dann an der Oberseite des Gebäudes für das

Mauerwerk nur schlecht aufnehmbare Zugspannungen.

Die Verschiebung der verankerten Baugrubenwand wird in erster Linie von der Ankerlänge

beeinflusst. Eine Variation der Ankerneigung hat nur geringe, die Erhöhung der

Vorspannkraft nur örtliche Auswirkungen im Bereich des Ankeransatzpunktes.

Die Untersuchung am unendlich langen Gebäude zeigt prinzipiell die gleichen Ergebnisse. Es

erweist sich jedoch als günstig, den Verpresskörper gesamt hinter das Gebäude zu legen. Aus

der Untersuchung lässt sich schließen, dass es bei den unendlich langen Mauerwerksscheiben

nicht möglich ist, die Dehnungen durch Erhöhung der Ankerlänge in dem Maße zu

reduzieren, wie bei der räumlich begrenzten durch Verlängerung der Anker bis hinter das

Gebäude.

9 Parameterstudie der Gebäudekonstruktion II

16

9 PARAMETERSTUDIE DER GEBÄUDEKONSTRUKTION II

9.1 System und Diskretisierung

Bei der Gebäudekonstruktion II handelt es sich um eine Stahlbetonkonstruktion. Die

tragenden parallel zur Baugrube verlaufenden 16 cm starken Betonwände sind im Abstand

von 10 m auf 1 m hohen und 2 m breiten Betonfundamenten gegründet, die über die gesamte

Höhe in den Boden eingebunden sind. Das Gebäude erstreckt sich über zwei Stockwerke und

ist somit 8 m hoch und 20 m breit. Quer zur Baugrube verlaufen nichttragende

Gasbetonwände, die aufgrund des Baugrubenaushubs sowie der Anordnung von Ankern

Dehnungsbeanspruchungen ausgesetzt sind. Das Gebäude beginnt unmittelbar 0,3 m von der

Bohrpfahlwand entfernt. Die 40 m breite Baugrube wird bis 6 m unter Geländeoberkante

ausgehoben.

Vor der Wand wurde die halbe Baugrubenbreite (= 20,0 m) diskretisiert. Der

Berechnungsausschnitt wurde auf 50,0 m hinter der Wand und 30,0 m unter Baugrubensohle

begrenzt. Für eine Ankerneigung von 25° und eine Ankerlänge von 13,0 m ergibt sich die in

Abb. 9-1 dargestellte Modellierung.

0 1 2

345

6 7

8

9

1011

12131415 1617 1819 2021 222324 25 26

27

A

28

B

29

A

30 31 32

3334 35363738

Abb. 9-1: Modellierung der Gebäudekonstruktion II und der verankerten Verbauwand in Plaxis

6,0 m

8,0 m

6,32 m

30,0 m

50,0 m20,0 m

20,0 m


Das vollständige Modell der Gebäudekonstruktion II mit dem generierten Netz ist in der

Abb.9-2 dargestellt.

Abb. 9-2: Modell mit generiertem Netz

9.2 Variation der Ankerlage

Der Verpresskörper soll in verschiedensten Lagen unterhalb des Gebäudes angeordnet

werden. Die untersuchten Ankerlängen und Ankerneigungen sind in Abb. 9-3 dargestellt. Die

Vorspannung bleibt mit 188 kN/m für alle Ankerlagen konstant.

Abb. 9-3: Variation von Ankerlänge und Ankerneigung b

10°

17,5°

13,0m

8,0m

13,0m

20,0m

17

ei Gebäudekonstruktion II

25°

25,0m

35,0m


18

9.3 Auswertung

Die vertikalen Verschiebungen des mittleren Streifenfundamentes lassen sich sowohl in

Abhängigkeit von der Ankerneigung als auch im Vergleich zum Abstand des Fundaments

vom Verpresskörper angeben. Die ermittelten Berechnungsergebnisse sind dabei in Tab. 9-1

dargestellt.

Ankerneigung Abstand zum Fundament vertikale Verschiebung[°] [m] [mm]

10,0 1,56 1,7817,5 2,71 0,7625,0 3,80 0,58

Tab. 9-1: Vertikale Verschiebungen des Fundaments

Die Verschiebungen werden dabei explizit für den Baugrubenaushub einschließlich der

Erstellung von Pfahlwand und Einbringung der Anker ermittelt. Die Fundamentsetzungen aus

der Gebäudelast wurden bereits im vorangegangenen Berechnungsschritt zu Null

zurückgesetzt. Es zeigt sich eine Abhängigkeit der Verschiebungen vom Abstand Fundament-

Verpresskörper. Mit zunehmendem Abstand nehmen die Setzungen des Fundaments deutlich

ab. Die daraus resultierende verminderte Beanspruchung der nichttragenden Wände zeigen

die Dehnungsverteilungen in Abb. 9-4 und Abb. 9-5.

Abb. 9-4: Dehnungsverteilung bei einem Abstand Fundament-Verpresskörper von 1,56 m

Abb. 9-5: Dehnungsverteilung bei einem Abstand Fundament-Verpresskörper von 3,80 m


19

Die Veränderung der Gebäudebeanspruchung mit zunehmender Ankerlänge zeigen Abb. 9-6

bis 9-10.

Abb. 9-6: Dehnungsverteilung bei einer Ankerlänge von 8,0 m




20



Bei einer Verlängerung der Anker von 8 auf 13 m bleiben die Dehnungsverteilungen

konstant, bzw. verstärken sich in einigen Bereichen sogar. Dies resultiert aus der ungünstigen

Lage des Verpresskörpers direkt unterhalb der Fundaments und der damit entstehenden

Setzungsmulde bei einer Ankerlänge von 13 m.

Ersichtlich ist, dass bei einer Verlängerung der Anker bis hinter das mittlere Fundament

(Ankerlänge = 20 m) die Beanspruchung des Gebäudes minimal werden und eine weitere

Verlängerung der Anker keine weiteren Dehnungsverminderungen hervorrufen


21

9.4 Bewertung

Bei der Herstellung von Verbauwänden vor bestehenden Gebäuden von der Art der

Gebäudekonstruktion II, kommen sowohl der Lage, als auch dem Abstand des

Verpresskörpers zum Fundament entscheidende Bedeutung zu.

Dies resultiert aus der Entstehung einer Setzungsmulde, deren Ort und Größe im

Wesentlichen durch die Lage des Verpresskörpers bestimmt wird.

Zufolge dem Artikel „Verpressanker“ von Helmut Ostermayer im Grundbau-Taschenbuch [5]

sollte der planmäßige Abstand zwischen Verpresskörper und bestehenden Bauwerken 3,0 m

nicht unterschreiten. Dies hat sich in den FEM-Berechnungen bestätigt.

Eine Minimierung der Gefährdung der rückwärtigen Bebauung wird jedoch am besten durch

eine Ankerverlängerung über das Bauwerksende hinaus erreicht, so dass das gesamte

Bauwerk durch das Verbausystem erfasst wird.

Ist dies nicht möglich, sollte durch eine Vergrößerung der Ankerneigung oder eine

Verlängerung der Anker unterhalb des Gebäudes gewährleistet werden, dass der

Verpresskörper in größerer Tiefe und nicht im Fundamentbereich zu liegen kommt.

10 Zusammenfassung

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10 ZUSAMMENFASSUNG

In der vorliegenden Arbeit wurden mit dem Finite-Element-Programm Plaxis die

Auswirkungen von Ankerlänge, Ankerneigung und Vorspannung auf das Trag- und

Verformungsverhalten einer verankerten Verbauwand sowie auf die damit verbundenen

Beanspruchungen auf unmittelbar angrenzende Bestandsgebäude untersucht.

Bei der Herstellung von Baugruben vor bestehenden Gebäuden treten Spannungsänderungen

im Boden auf, die sowohl Geländesetzungen als auch horizontale Geländeverformungen zur

Folge haben. Daher wurde die Parameterstudie anhand der Modellierung von zwei

unterschiedlichen Gebäudekonstruktionen durchgeführt.

Gebäudekonstruktion I (Mauerwerksscheibe) wird vor allem durch Horizontalverschiebungen

beansprucht, wohingegen bei Gebäudekonstruktion II (Stahlbetonbau auf Streifenfunda-

menten) die Dehnungen zum größten Teil durch Setzungen der Fundamente hervorgerufen

werden.

Zu welchem Grad Bestandsgebäude durch schlecht verträgliche Dehnungen beansprucht

werden, hängt im Wesentlichen von der Länge der Anker und der Lage des Verpresskörpers

ab. Der Hauptbeanspruchungsbereich liegt nach der vollständigen Erstellung der Baugrube

vor allem hinter dem Verpresskörper. Es kommt zur Ausbildung einer Setzungsmulde hinter

der Verankerung. Der Verpresskörper sollte deshalb nicht im Bereich von Fundamenten zu

liegen kommen.

Eine Minimierung der Gefährdung rückwärtiger Bebauung wird aber vor allem durch eine

Verlängerung der Anker über das Bauwerksende hinaus erreicht, so dass das gesamte

Bauwerk durch das Verbausystem erfasst wird.

Ist dies nicht möglich, so ist zumindest auf einen ausreichenden Abstand des Verpresskörpers

zu bestehender Bebauung zu achten. Bei Verlängerung der Anker bis zur Verdoppelung der

Ankerlänge nach EAB lassen sich Dehungsreduktionen von 50 bis 90% erreichen. Die ersten

30% der Verlängerung haben dabei die größten Beanspruchungsminderungen zur Folge.

11 Literaturverzeichnis

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11 LITERATURVERZEICHNIS

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[5] Smoltczyk, Ulrich: Grundbau-Taschenbuch Teil 1-3. Ernst & Sohn, 6. Auflage, 2001.

[6] Hafenbautechnische Gesellschaft e.V.: Empfehlungen des Arbeitsausschusses „Ufereinfassungen“.

Ernst & Sohn, 9. Auflage, 1997.

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[9] Schneider, Klaus-Jürgen: Bautabellen für Ingenieure. Werner-Verlag; 12.Auflage; 1996.

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[13] Schneider/Weickenmeier: Mauerwerksbau aktuell. Werner-Verlag; 2001.

[14] Simmer, Konrad: Grundbau Teil 1+2.Teubner Verlag; 18. Auflage; 1999.

[15] Werner, H.: Walls3 Benutzerhandbuch. Germering; 1993.

[16] Kuntsche, Konrad: Geotechnik. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH; 2000.

[17] Schad, H.: Vorlesungsskript Geotechnik 2 – Numerische Verfahren. Institut für Geotechnik der

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[18] Förster, Wolfgang: Mechanische Eigenschaften der Lockergesteine. Teubner Verlag; 1996.

[19] Vermeer, P.A., Schanz, T.: Die Steifigkeit des Bodens und ihr Einfluss auf die Fußeinspannung einer

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11 Literaturverzeichnis

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[20] Schanz, T.: Verformungsprognosen in der Geotechnik - Möglichkeiten und Grenzen. Schriftenreihe

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[23] Häring, S.: Technologie der Baustoffe. C.F.Müller Verlag; 13. Auflage; 1996.

[24] Bauer Spezialtiefbau: Der Bauer-Verpressanker. Informationsbroschüre. Schrobenhausen; 1999.

fachbereich bauingenieurwesen diplomarbeit programm plaxis unterstützt verschiedene stoffmodelle,...

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