Untersuchungen zur Eignung von Spundwänden als Pressenwiderlager für den Rohrvortrieb
- Art: Diplomarbeit
- Autor: Stefan Hildebrandt
- Abgabedatum: Januar 2001
- Umfang: 207 Seiten
- Dateigröße: 4,3 MB
- Note: 1,0
- Institution / Hochschule: TU Berlin/Universidad Austral de Chile Deutschland
- ISBN (eBook): 978-3-8324-4174-6
-
ISBN (Paperback) :
978-3-8324-4174-6 P - ISBN (CD) :978-3-8324-4174-6 CD
- Sprache: Deutsch
- Prämierung:
- Arbeit zitieren: Hildebrandt, Stefan Januar 2001: Untersuchungen zur Eignung von Spundwänden als Pressenwiderlager für den Rohrvortrieb, Hamburg: Diplomica Verlag
- Schlagworte: Spundwand, Presskraft, Rohrvortrieb, Pressenwiderlager, FEM-Berechnung
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Diplomarbeit von Stefan Hildebrandt
Einleitung:
Während meines Studiums an der Technischen Universität Berlin bin ich für die Gildemeister Tief-, Stahl- und Rohrleitungsbau GmbH & Co.KG tätig. Neben dem konventionellen Rohrleitungsbau in offener Bauweise sowie den Horizontalspülbohr- und Druckluftarbeiten zählt der Rohrvortrieb mit den unterschiedlichen Verfahren zu den Hauptgeschäftsbereichen dieses Unternehmens.
Nach einem Schadensfall an einem Widerlager stellte sich verstärkt die Frage nach der Bestimmung der maximalen Presskraft, die ein Widerlager aufnehmen kann. Auf der Suche nach einem interessanten Diplomarbeitsthema bot es sich an, diese Problematik zum Gegenstand meiner Arbeit zu machen.
Gang der Untersuchung:
Im ersten Kapitel wird dazu das Prinzip des Rohrvortriebs kurz erläutert. Unterteilt nach nichtsteuerbaren und steuerbaren Verfahren werden die einzelnen Arbeitsweisen dargestellt. Weiterführend werden die Ausführungsmöglichkeiten der Pressbaugruben und der Widerlagerkonstruktion beispielbezogen beschrieben.
Das zweite Kapitel enthält eine Literaturstudie zu möglichen Nachweisverfahren eines Pressenwiderlagers. Anhand einer selbst gewählten Beispielbaugrube mit homogenen Bodenverhältnissen wird die Vergleichbarkeit unter den einzelnen Nachweisen hergestellt.
Um die Ergebnisse der Literaturstudie bewerten zu können, wird im dritten Kapitel der Arbeit eine Berechnung der Beispielbaugrube mit der Finite Elemente Methode durchgeführt. Dazu steht am Fachgebiet „Grundbau und Bodenmechanik“ das FE-Programmsystem ANSYS zur Verfügung. Die Auswertung der Ergebnisse erfolgt sowohl an farbigen Isoflächendarstellungen zur anschaulichen Abbildung der horizontalen Verformungs- und Spannungsverläufe im gesamten Berechnungsmodell als auch an separaten Biegelinien und Erddruckkurven der einzelnen Lastfälle.
Der Einfluss einzelner Berechnungsgrößen wird im Rahmen einer Parameterstudie im Kapitel vier untersucht. So wird beispielsweise durch Variation des Trägheitsmomentes der Einfluss der relativen Wandsteifigkeit auf das Tragverhalten der Widerlagerkonstruktion erforscht. Weiterführend werden noch verschiedene Faktoren der Modellierung des Bodens als linear elastisch - ideal plastisches Material berücksichtigt.
Der anschließende Vergleich der Ergebnisse der Literaturstudie mit den Berechnungsdaten der FE-Analyse ermöglicht eine Bewertung der einzelnen Nachweisverfahren.
Im letzten Kapitel wird eine Schadensfallsimulation an einem Widerlager durchgeführt. Das Ziel ist es, die in der Realität aufgetretenen und dokumentierten Verschiebungen der Druckwand bei der lt. Pressprotokoll aufgebrachten maximalen Presskraft mit einer FEM-Berechnung nachzuweisen.
Mit dieser Diplomarbeit liegt somit eine umfassende Betrachtung zur Problematik der Widerlagertragfähigkeit im Allgemeinen und für Spundwände im Speziellen vor.
Inhaltsverzeichnis:
| 1. | Das Prinzip des Rohrvortriebs | 1 |
| 1.1 | Einleitung | 1 |
| 1.2 | Bauweise und Bauablauf - allgemein | 3 |
| 1.3 | Die unterschiedlichen Verfahren | 6 |
| 1.3.1 | Nicht steuerbare Verfahren | 7 |
| 1.3.1.1 | Horizontalrammverfahren mit offenem Rohr | 7 |
| 1.3.1.2 | Horizontal – Pressbohrverfahren | 8 |
| 1.3.1.3 | Zusammenfassung der nicht steuerbaren Verfahren | 10 |
| 1.3.2 | Steuerbare Verfahren | 11 |
| 1.3.2.1 | Pilotrohrverfahren | 11 |
| 1.3.2.2 | Pressbohrverfahren | 13 |
| 1.3.2.3 | Schildvortriebsverfahren | 15 |
| 1.3.2.4 | Zusammenfassung | 18 |
| 1.4 | Vortriebsrohre | 19 |
| 1.5 | Baugruben | 26 |
| 2. | Literaturstudie zu möglichen Nachweisverfahren eines Widerlagers | 37 |
| 2.1 | Einleitung | 37 |
| 2.2 | Standsicherheitsnachweis nach Dipl.-Ing. Max Scherle | 38 |
| 2.3 | Abschätzung der Widerlagertragfähigkeit nach SIA-Norm 195 | 45 |
| 2.4 | Abschätzung der Widerlagertragfähigkeit nach Buchholz | 48 |
| 2.5 | Vergleich der zusammengetragenen Ergebnisse | 50 |
| 3. | Numerische FE-Berechnung mit dem Programmsystem ANSYS | 51 |
| 3.1 | Grundlagen der Berechnung | 51 |
| 3.2 | Idealisierung des Problems | 52 |
| 3.2.1 | Idealisierung der Materialeigenschaften | 53 |
| 3.2.2 | Idealisierung der Bauteile | 58 |
| 3.2.3 | Idealisierung der Geometrie | 59 |
| 3.2.4 | Idealisierung der Wechselwirkung zwischen Boden und Spundwand | 60 |
| 3.2.5 | Idealisierung der Belastungszustände | 62 |
| 3.2.6 | Idealisierung der Berechnungsschritte | 63 |
| 3.3 | Preprocessing | 64 |
| 3.3.1 | Einheitenkonvention | 64 |
| 3.3.2 | Modellerstellung im Rechner | 64 |
| 3.3.3 | Elementtypen, Materialien, Stoffgesetz | 64 |
| 3.3.4 | Geometrie | 68 |
| 3.3.5 | Vernetzung und Elementierung | 73 |
| 3.3.6 | Kopplung der Knoten | 77 |
| 3.3.7 | Komponentenbildung | 77 |
| 3.4 | Solution | 79 |
| 3.4.1 | Lagerung des Modells | 79 |
| 3.4.2 | Belastung des Systems | 80 |
| 3.4.2.1 | Primärspannungszustand | 80 |
| 3.4.2.2 | Bodenaushub bis -3,0m | 81 |
| 3.4.2.3 | Bodenaushub bis -8,0m | 81 |
| 3.4.2.4 | Vortrieb | 82 |
| 3.5 | Postprocessing | 85 |
| 3.5.1 | Primärspannungszustand | 85 |
| 3.5.2 | Aushubzustände | 90 |
| 3.5.3 | Vortriebszustand | 101 |
| 3.6 | Interpretation und Bewertung der Ergebnisse | 131 |
| 4. | Parameteruntersuchung | 138 |
| 4.1 | Variation der relativen Wandsteifigkeit | 138 |
| 4.1.1 | Variation NULL | 140 |
| 4.1.2 | Variation HALB | 142 |
| 4.1.3 | Variation DOPPELT | 143 |
| 4.1.4 | Variation UNENDLICH | 145 |
| 4.1.5 | Auswertung der Ergebnisse | 146 |
| 4.1.6 | Bewertung der Ergebnisse | 152 |
| 4.2 | Variation des Stoffgesetzes | 154 |
| 4.2.1 | Vorstellung und Auswertung der Ergebnisse | 155 |
| 4.2.2 | Bewertung der Ergebnisse | 162 |
| 4.3 | Variation des Dilatanzwinkels | 163 |
| 4.3.1 | Vorstellung und Auswertung der Ergebnisse | 164 |
| 4.3.2 | Bewertung der Ergebnisse | 169 |
| 4.4 | Abschätzung und Berücksichtigung der räumlichen Tragwirkung | 170 |
| 5. | Vergleich von Literatur- und FEM-Ergebnissen | 172 |
| 5.1 | Nachweis nach Scherle | 172 |
| 5.2 | Nachweis nach der SIA-Norm 195 | 174 |
| 5.3 | Abschätzung der Widerlagertragfähigkeit nach Buchholz | 175 |
| 5.4 | Vergleichende Beurteilung der Ergebnisse | 176 |
| 6. | Numerische Berechnung eines Schadensfalls | 178 |
| 6.1 | Beschreibung der Baumaßnahme | 178 |
| 6.2 | Beschreibung des Schadensfalls | 179 |
| 6.3 | Idealisierung der Berechnungsgrundlagen für die FE-Berechnung | 183 |
| 6.4 | Preprocessing | 186 |
| 6.5 | Solution | 188 |
| 6.6 | Postprocessing | 189 |
| 6.7 | Auswertung der Ergebnisse | 190 |
| 6.8 | Bewertung der Ergebnisse | 194 |
| 7. | Schlusswort | 196 |
| 8. | Literaturverzeichnis | 198 |
| 8.1 | Teil 1 | 198 |
| 8.2 | Teil 2 | 198 |
| 8.3 | Teil 3 | 199 |
| 8.4 | Teil 4 | 200 |
| 8.5 | Teil 5 | 200 |
| 8.6 | Teil 6 | 200 |
| 8.7 | Hilfsmittel und Software | 202 |
Am Beispiel einer Rohrvortriebsmaßnahme in der Max-Burghart-Straße / Ernst-BuschStraße in Berlin-Buch, welche von der Gildemeister GmbH & Co.KG durchgeführt wurde, findet sich eine weitere Methode zur Abschätzung der Widerlagertragfähigkeit. Im Zuge der Statik der Startbaugrube VIIIs des vorgenannten Bauvorhabens benutzt das beauftragte Ingenieurbüro Rüdiger-Diedrich die Modellversuche von Buchholz , um die zulässige Presskraft zu ermitteln. Buchholz hat hier in sogenannten Sandkisten-Versuchen den Erdwiderstand vor quadratischen Ankerplatten ermittelt. Durch Variation der Abmessungen b * h der Platte und der Einbautiefe H erhielt er beim horizontalen Ziehen durch feuchten und trockenen Sand die jeweils zugehörigen Erdwiderstände. Die mechanische Ähnlichkeit zwischen Modellversuch und Realität ist bis zu einem Größenverhältnis von H/h = 5,5 gegeben. Die Ermittlung der maximalen Vorpresskraft wird anhand der in [3] beschriebenen Methode durchgeführt. Demnach setzt sich die gesamte Erdwiderstandskraft Epgesamt aus dem ebenen Anteil Epeben und dem seitlichen Anteil Eps infolge räumlicher Tragwirkung zusammen. [...]
vorgenommen, auf dessen Abszisse das Verhältnis B/h aufgetragen ist. Die Ordinate wird von dem Quotienten Eh/(γ h² B) gebildet. Das Diagramm selbst enthält zwei Kurvenscharen. Die Schar A wird von Reibungswinkeln 15° < ϕ’ < 40° gebildet. Das Verhältnis ME / ( γ h ) stellt die Kurvenschar B dar. Die Verläufe der Kurven beruhen auf Erfahrungswerten aus der Praxis, wobei bei der Kurve A die zulässige Kraft auf das Widerlager kleiner als der Erdwiderstand ist. Die Kurve B hingegen stellt die zulässige horizontale Verschiebung der Platte im Verhältnis zur Breite der Platte dar, welches bei maximal 2% liegt. Wird bei der Ablesung die Kurve A zuerst erreicht, so ist die Tragfähigkeit des Widerlagers maßgebend, bei der Kurve B ist dementsprechend die Verformung maßgebend. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass die Verformungen der Wand direkt in die Beurteilung der Widerlagertragfähigkeit mit einbezogen werden. [...]
Eine weitere Möglichkeit zur Abschätzung der zulässigen Vortriebskraft bzw. zur Beurteilung der Tragfähigkeit des Widerlagers findet sich in der SIA - Norm 195 „Pressvortrieb“, herausgegeben vom Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein [2]. Als Modell zur Abschätzung der Widerlagertragfähigkeit benutzt die SIA-Norm eine Druckwand der Breite B, die auf der Baugrubensohle in der Tiefe h installiert ist. Die Höhe der Druckwand wird nicht als Parameter erfasst. Die Vortriebskraft Eh wirkt zentrisch auf das Widerlager. Als Bodenparameter gehen die Wichte γ, der effektive Reibungswinkel ϕ’ und der Steifemodul, hier Zusammendrückungsmodul ME genannt, in die Berechnung mit ein. Der Einfluss einer Verbauwand wird nicht berücksichtigt. Die Abschätzung der zulässigen Presskraft wird anhand eines Diagramms [...]
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Link zur Arbeit:
http://www.diplom.de/ean/9783832441746
Arbeit zitieren:
Hildebrandt, Stefan Januar 2001: Untersuchungen zur Eignung von Spundwänden als Pressenwiderlager für den Rohrvortrieb, Hamburg: Diplomica Verlag
Schlagworte:
Spundwand, Presskraft, Rohrvortrieb, Pressenwiderlager, FEM-Berechnung
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