Dipl.-Ing. Sascha Heuß Bauwerk-Boden-Wechselwirkung...Bauwerk-Boden-Wechselwirkung | 23 Ein weiterer Vorteil ist die mögliche Untersuchung der Inter-aktion mehrerer unabhängiger

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| Bauwerk-Boden-Wechselwirkung

Dipl.-Ing. Sascha Heuß

Bauwerk-Boden-Wechselwirkung

Bettungszifferverfahren

GrundlagenAufgrund der Einfachheit in der Handhabung, ist das Bet-tungszifferverfahren nach Winkler die wohl am weitesten verbreitete Berechnungsmethode.

Im Zuge einer Vorbemessung führt der Bodengutachter eine überschlägige Setzungsberechnung durch, die als Grundlage für die Ermittlung des Bettungsmoduls dient.

Dabei gilt folgender Zusammenhang:

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mitk Bettungsmodulσ0,m mittlere Sohlpressungsm Setzung unter dem kennzeichnenden Punkt

In der Regel werden mindestens zwei Werte für den Bet-tungsmodul angegeben. Ein Wert für den Regelbereich und ein erhöhter Wert für den Randbereich der Bodenpatte.

Anforderungsorientiert und wirklichkeitsnah modellieren mit MicroFe

Eine der wichtigsten Aufgaben im Zuge der statischen Berechnung ist die Konstruk-

tion der Gründung und damit einhergehend die wirklichkeitsnahe Modellierung der

Bauwerk-Boden-Wechselwirkung. Sowohl im Hinblick auf die Effizienz als auch auf

den erforderlichen Detaillierungsgrad, bietet MicroFe eine Reihe von leistungsfähigen

Werkzeugen, die den Tragwerksplaner in die Lage versetzen, angepasste Lösungen für

unterschiedliche Aufgabenstellungen zu finden.

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21Bauwerk-Boden-Wechselwirkung |

Modellierung mit MicroFeDer Anwender definiert über Flächenlager die Bereiche, die elastisch gelagert werden sollen. In den Eigenschaften der Flächenlager werden die Bettungsmoduli in [kN/m³] fest-gelegt. Mechanisch erfolgt die Abbildung als Translations-feder, deren Federsteifigkeit sich durch Multiplikation des Bettungsmoduls mit den entsprechenden Flächenanteilen der angrenzenden Finiten Elemente ergibt.

Bodenplatte mit erhöhtem Bettungsmodul im Randbereich

Hinweise für die BerechnungDa der Bettungsmodul aus einer vorgeschalteten überschlä-gigen Setzungsberechnung abgeleitet wird, muss bei Ein-satz dieses Verfahrens darauf geachtet werden, dass die Randbedingungen, unter denen die Setzungsberechnung durchgeführt wurde mit denen der endgültigen statischen Berechnung hinreichend übereinstimmen. Eine enge Ab-stimmung mit dem Bodengutachter ist daher empfeh-lenswert. Der große Vorteil dieses Verfahrens liegt in der einfachen Handhabung und der Nachvollziehbarkeit des einfachen mechanischen Modells. Für einfache Bodenver-hältnisse und Konstruktionen liefert das Verfahren zuverläs-sige Ergebnisse. Da die Bodenplatte die einzige Verbindung zwischen den Fundamentfedern ist, wird deutlich, dass die-ses Verfahren an seine Grenzen stößt, wenn die Interaktion mehrerer Gebäudeteile, die z.B. durch Dehnungsfugen ge-trennt sind, bei der Bemessung zu berücksichtigen ist. Mit-nahmesetzungen werden nicht erfasst.

Anwendungsbereich• ein Baukörper• beliebiger Grundriss• wenig Planungsänderung, da sonst Anpassung

des Bettungsmoduls erforderlich

Pressungen unter der Bodenplatte

Steifezifferverfahren

GrundlagenBei dem Steifezifferverfahren handelt es sich um ein zwei-parametriges Bodenmodell, das aus dem Setzungsver-halten rechteckiger Gründungskörper abgeleitet ist. Der erste Parameter bildet – ähnlich dem Bettungsmodul – die Bettungs eigenschaften im Hinblick auf die vertikalen Ver-schiebungen ab. Der zweite Parameter beschreibt den Wider stand gegen die Verkrümmung der Bettungsfläche.

Der Anteil aus der elastischen Bettung ergibt sich zu:� � ��

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mit

c1, c2 Bettungsparameterw VerschiebungendΘ Elementfläche

Die Parameter c1 und c2 lassen sich aus dem Elastizitäts-modul, der Querdehnzahl und der Bettungsdicke des Bo-dens ableiten.

Modellierung mit MicroFeDer Arbeitsaufwand für den Anwender ist mit dem für die Anwendung des Bettungsmodulverfahrens vergleichbar. Der Unterschied liegt in der Geometrie des Flächenlagers, das mit einem sogenannten Bettungskragen über den Rand der Bodenplatte hinaus geführt werden muss. Bei recht-eckigen Gründungskörpern hat sich ein Überstand von ca. 1/3 der kürzeren Seitenlänge bewährt.

Bettungsfläche mit Bettungskragen

Der Bettungskragen dient der Modellierung der Setzungs-mulde. Mit der Verformungsausgabe kann kontrolliert werden, ob die Breite des Bettungskragens ausreichend ist. Im Idealfall sollten die Verformungen am Kragenrand auf Null auslaufen. Zur Ermittlung der Bettungsparameter müssen Steife modul, Querkontraktionszahl und Bettungs-dicke vorge geben werden.

Neben der Ermittlung mit den Verfahren von Pasternak und Barwaschow können die Bettungsparameter auch direkt eingegeben werden.

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Ein weiterer Vorteil ist die mögliche Untersuchung der Inter-aktion mehrerer unabhängiger Gebäudeteile. Da alle Grün-dungsbauteile über die Bettungsfläche miteinander verbun-den sind, werden Mitnahmesetzungen realitätsnah erfasst. Obwohl der Eingabeaufwand nicht größer als beim Bet-tungszifferverfahren ist, ist die Qualität der Berechnungser-gebnisse höher zu bewerten als die, die mit dem Bettungs-zifferverfahren gewonnen werden können. Als weiterer Vorteil kann angesehen werden, dass die überschlägige Setzungsberechnung des Bodengutachters und deren An-passung bei Konstruktionsänderungen nicht erforderlich ist. Der Tragwerksplaner wird flexibler bei der Anpassung der Gründungskonstruktion an den jeweiligen Planungs-stand und kann deren Auswirkung auf das Gesamttrag-werk direkt untersuchen. Voraussetzung für die Anwen-dung ist ein Baugrund, dessen Eigenschaften sich durch ein Einschichtenmodell abbilden lassen und ein Baukörper, des-sen Grundfläche nahezu rechteckig ist.

Anwendungsbereiche• homogener Bodenaufbau• mehrere Baukörper• näherungsweise rechteckige Baukörper• flexibel bei Konstruktionsänderungen

Untersuchung von Mitnahmesetzungen benachbarter Bauwerke

Bodenmodellierung mit Volumenelementen

GrundlagenDie Bodenmodellierung mit Volumenelementen bildet den Boden als elastischen, isotropen Halbraum über FE-Volumen elemente ab.

Modellierung mit MicroFeMicroFe ermöglicht, beliebig viele Schichten in unterschied-lichen Neigungen und Stärken übereinander abzubilden. Über die Definition des Flächenlagers werden die Abmes-sungen des Bodenkörpers im Grundriss festgelegt. Hierbei ist analog zum Steifezifferverfahren ein Bettungskragen um das Gründungsbauteil vorzusehen.

Danach sind über drei Punkte die Trennebenen zu defi-nieren, die die Grenzflächen zwischen den Bodenschich-ten bilden.

In der Praxis bietet sich an, als Definitionspunkte den Ort der Bodensondierungen zu wählen und jeweils das dort an-stehende Bodenprofil einzutragen. Bei großen Bauwerken können auch mehrere Bodenkörper nebeneinander einge-geben werden, um beispielsweise unterschiedliche Neigun-gen in den Boden schichten zu erfassen.

Verfahren nach Pasternak:

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Verfahren nach Barwaschow:

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mit

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� � �� · �1 � 2 · �� · �� E-Modul

ES Steifeziffer des Bodens

H Höhe der Bodenschicht

μ Querkontraktionszahl, in der Regel μ=0,3

Auswahl Berech-nungsgrundlage Steifezifferverfahren

Anschaulich kann man sich die Modellierung als auf Trans-lationsfedern gelagerte Bettungsfläche vorstellen, die einen von den Bodeneigenschaften abhängigen Verkrümmungs-widerstand aufweist. Hierdurch wird ermöglicht, dass so-wohl die Schubwirkung des Bodens und als auch die Ausbil-dung der Setzungsmulde Berücksichtigung finden.

Hinweise für die BerechnungDer Unterschied zum Bettungszifferverfahren wird deut-lich, wenn man eine Bodenplatte mit einer Gleichflächen-last beaufschlagt. Während beim Bettungszifferverfahren die Bodenplatte spannungsfrei bleibt, treten beim Steifezif-ferverfahren Biegebeanspruchungen auf, die aus der Ver-formung der Platte in der Setzungsmulde resultieren.

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Hinweise für die BerechnungBei der Modellierung des Baugrundes mit Hilfe von Volumen elementen handelt es sich um ein sehr realitäts-nahes Verfahren, das immer dann zur Anwendung kommen sollte, wenn die Randbedingungen für das Bettungsziffer- oder Steifezifferverfahren nicht eingehalten werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn es sich um einen mehrschich-tigen Bodenaufbau handelt, oder wenn die Schichtungen nicht horizontal verlaufen. Das Verfahren ist ebenfalls bei einer komplizierten Gebäudegeometrie oder bei der Not-wendigkeit von Pfahlgründungen zu verwenden.

Anwendungsbereich• inhomogener Bodenaufbau• komplexe Gebäudegeometrie• Pfahlgründungen

Tiefgarage auf geschichtetem Bodenmodell

Für die einzelnen Schichten sind der Steifemodul ES und die Querkontraktionszahl vorzugeben. Der E-Modul für die Vo-lumenelemente wird dann entsprechend der Umrechnungs-formel, die im Steifezifferverfahren angegeben ist, automa-tisch ermittelt. Die Seitenflächen und die Grundfläche des Bodenprismas werden starr gelagert. Alternativ kann das Bodenmodell von einem Prisma in einen Zylinder erweitert werden, um eine größere Auskling-Zone zu erhalten.

Eingabeoptionen Modellierung mit Volumenelementen

Das Fortbildungsseminar wird vom Fachbereich Bauwesen der Technischen Hochschule Mittel hessen, vertreten durch Prof. Dr.-Ing. Jens Minnert, ausgerichtet. Im Rahmen des Seminars werden wichtige Tendenzen und Neuerungen im Bauwesen angesprochen.

Diesjährige Schwerpunkte

Eurocode 2 für Deutschland Neue Entwicklungen im Fertigteilbau Innovativer Verbundbau Detailnachweise im Stahlbau Bauphysik

Das Fortbildungsseminar richtet sich an Mitarbeiter von Ingenieur- und Architekturbüros, Unternehmen, Verwaltungen und Prüfstellen, die sich mit Themen des Bauingenieurwesens bzw. der Architektur befassen.

Die Veranstaltung wird von der Ingenieurkammer Hessen mit 8 Unterrichtseinheiten für die Nachweisberechtigten der Fachliste „Standsicherheit“ sowie von der Architektenkammer mit 8 Fortbildungspunkten im Themenbereich „Konstruktionsplanung, Technik und Ausführung“ anerkannt.

Anmeldeschluss ist der 26. August 2011

VeranstalterTechnische Hochschule MittelhessenFachbereich Bauwesen

Prof. Dr.-Ing. Jens MinnertTelefon: 0641 309-1815E-Mail: [email protected] www.thm.de/event/bauforum

8. GIESSENER BAUFORUM 2011Freitag, 9. September 2011

TagungsgebührIngenieure: 120,00 EUR (inkl. MwSt.)Mitglieder im Förderverein: 100,00 EUR (inkl. MwSt.)Studenten: 30,00 EUR (inkl. MwSt.)

Darin enthalten sind Seminarband, Mittagessen sowie Tagungsgetränke.

TagungsortTechnische Hochschule MittelhessenWiesenstraße 14, 35390 GießenHaus I, Hörsaal 136 (Audimax)

Gießener Bauforum 2011.indd 1 11.07.2011 14:18:31

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Bohrpfähle

GrundlagenPfahlgründungen können nur in Systemen modelliert wer-den, die auf Volumenelementen gebettet sind. Die Model-lierung erfolgt durch starre Kopplung der Volumen elemente über die Länge des Pfahls. Sofern die Mantelreibung und der Spitzendruck beschränkt werden sollen, erfolgt der Anschluss über Kontaktelemente, die nur bis zu den defi-nierten Grenzwerten Kräfte über tragen. Anschaulich kann man sich das Verhalten als ein Rutschen des Pfahls im Bau-grund vorstellen.

Modellierung mit MicroFe

Die Bohrpfähle können mit Rechteck- oder Kreisquerschnitt vorgegeben werden. Die Länge ist beliebig, es ist nur darauf zu achten, dass die Pfähle vollständig innerhalb der model-lierten Boden schichten liegen. Die Pfähle können senkrecht oder geneigt eingebaut werden. Über nicht lineare Iteration wird festgelegt, in welcher Richtung der Pfahl Kräfte auf-nehmen soll. So sind reine Zug- oder Druckpfähle ebenso definierbar wie Pfähle, die in beiden Richtungen belast-bar sind. Für den Bodenplattenanschluss stehen die Alter-nativen „biegesteif“ und „gelenkig“ zur Verfügung.

Anwendungsbereiche• hohe Einzellasten• Überwindung schlecht trag fähiger Bodenschichten• Einleitung von Zugkräften in den Untergrund

Erweiterte ÜbernahmeDie Pfahlschnittgrößen am Kopf werden als Erweiterte Übernahme für die Baustatik-Module S538 und S539 zur Verfügung gestellt. Mit deren Hilfe erfolgt dann eine de-taillierte Bemessung der Bohrpfähle.

Gesamtsystem mit Pfahlgründung

Visualisierung der Pfahlgründung

Darstellung der Pfahlkopfkräfte

Proj.Bez O819 - Phytase-Fabrik Seite 1

S539

Datum 07.04.2011 mb BauStatik S539 2011.1145 Projekt Pfahlgründung

Ingenieurbüro Dr. Kretz - Fahrlücke 37 - 67661 Kaiserslautern

Position

Pos. S539 Stahlbeton-Pfahl, elastisch gebettet, DIN 1045-1, DIN 1054 (01/05)

System elastisch gebetteter Bohrpfahl

M 1:185

22.00

1.20

±0.00

-17.00

-1.00

y

z

1.20

1.20

Pfahl Art Lges

Ds

LFuss

Db

[m] [m] [m] [m]

Bohrpfahl 22.00 1.20 0.00 1.20

Bodenschichten Name hb

Es

ca

a

' cp

p

[m] [°][kN/m³] [MN/m²][kN/m²] [°]

Sand 17.00 30.0 19.0 12.000 0.0 20.0

11.0 0.0 -10.0

mb-V

iew

er V

ersion 2010 - C

opyright 2009 - m

b A

EC

S

oftw

are G

mbH


S539



Position

Bauteilbemessung Grundkombinationen nach DIN 1055-100

Ek ( * * EW)

1 1.35*Gk

3 1.00*Ek1

Bem.-schnittgrößen

Grenzzustand 1B Grenzzustand des Versagens von Bauwerken/Bauteilen

Normalkraft

M 1:355

-6506.14

A [m]

-5.0

-10.0

-15.0

-20.0

N [kN]

-

5

0

0

0

.

0

0

0

.

0

0

5

0

0

0

.

0

0

Auflagerpressungen

M 1:355

-3.49

17.89

A [m]

-5.0

-10.0

-15.0

-20.0

A

z,d

[kN/m]

-

2

0

.

0

0

0

.

0

0

2

0

.

0

0

-6.69

34.23

A [m]

-5.0

-10.0

-15.0

-20.0

A

y,d

[kN/m]

-

2

0

.

0

0

0

.

0

0

2

0

.

0

0

x Ek Nd,min

Ek Ay,d,min

Ek Az,d,min

Nd,max

Ay,d,max

Az,d,max

[m] [kN] [kN/m] [kN/m]

0.00 36 -6506.14 39 -0.18 38 -0.78

mb-V

iew

er V

ersion 2010 - C

opyright 2009 - m

b A

EC

S

oftw

are G

mbH


S539



Position

7 0.01 6 0.03

-22.00 1 -0.36 5 -0.18

7 0.01 6 0.03

Nachweise (GZT)

Widerstands-Setzungs-Linie

s[cm]

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

Rk [MN]

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

s

1,k

s

2,k

R

k

R

s,k

R

b,k

Ermittlung der

Mantelreibung

Bodenschicht von bis As,i

qs1,i,k

[m] [m] [m²] [MN/m²]

Sand 0.00 -17.00 64.09 0.12

Sand -17.00 -22.00 18.85 0.12

Rs,k

= ( qs1,i,k

* As,i

) = 9.95 MN

Ermittlung des

Spitzendrucks

Bodenschicht von bis Ab

qb1,k

[m] [m] [m²] [MN/m²]

Sand -22.00 -1016.00 1.13 3.00

Rb,k

= qb1,k

* Ab

= 3.39 MN

Widerstands-

Setzungs-Linien

Stelle s Rs,k

Rb,k

Rk

[cm] [MN] [MN] [MN]

0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

0.02 Ds

2.40 7.96 1.19 9.15

ssg

3.00 9.95 1.36 11.31

0.03 Ds

3.60 9.95 1.53 11.48

0.10 Ds

12.00 9.95 3.39 13.35

Die Widerstands-Setzungs-Linie Rk

wurde gemäß DIN

1054:2005-01, 8.4.4 nach Erfahrungswerten aus

Mantelreibung Rs,k

und Spitzendruck Rb,k

bestimmt.

mb-V

iew

er V

ersion 2010 - C

opyright 2009 - m

b A

EC

S

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are G

mbH

Ausgabe des BauStatik-Moduls S539 zur Pfahlbemessung

Zusammenfassung

Mit dem Bettungszifferverfahren, dem Steifezifferverfah-ren und der Bodenmodellierung mittels Volumenelemen-ten stehen leistungsfähige Werkzeuge zur Verfügung, mit deren Hilfe nahezu jede Gründungsaufgabe gelöst wer-den kann.

Ergänzend ist noch zu bemerken, dass unabhängig vom Boden modell die Modellierung des Gründungskörpers ebenfalls einen erheblichen Einfluss auf die Berechnungs-ergebnisse hat. Neben einfachen Plattenmodellen, bei denen die versteifende Wirkung von aufgehenden Bau-teilen wie z.B. Kelleraußenwänden nicht berücksichtigt wird, reicht das Spektrum bis hin zu dreidimensionalen Gebäude modellen, mit denen es möglich wird, das Trag-werk in seiner Gesamtheit zu betrachten.

Dipl.-Ing. Sascha Heußmb AEC Software GmbH [email protected]

Aktuelle Angebote

M280 Bettung mit Volumenelementen, mehrschichtige Böden

790,- EUR

M281 PfahlgründungZusatzmodul zu M280

390,- EUR

MicroFe 2011 comfort MicroFe-Paket „Platte + räumliche Systeme“

3.990,- EUR

PlaTo 2011 MicroFe-Paket „Platten“

1.490,- EUR

S538 Stahlbeton-Pfahl, axiale Belastung, DIN 1045-1 (08/08), DIN 1054 (01/05)

190,- EUR

S539 Stahlbeton-Pfahl, elastisch gebettet, DIN 1045-1 (08/08), DIN 1054 (01/05)

390,- EUR

Es gelten unsere Allg. Geschäftsbedingungen. Änderungen und Irrtümer vor be halten. Alle Preise zzgl. Versandkosten (7,50 EUR) und ges. MwSt. Hardlock für Einzel platz lizenz, je Arbeitsplatz erforderlich (95,- EUR). Handbücher auf DVD. Betriebssystem Windows XP (32) / Windows Vista (32/64) / Windows 7 (32/64) – Stand: Juli 2011

Preisliste siehe www.mbaec.de

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