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Weil die Welt von heute Lösungen von morgen braucht. 10.12.2014 1
NEUES BERECHNUNGSVERFAHREN FÜR AXIALE PFAHLWIDERSTÄNDE VON
OFFENEN STAHLPROFILEN NACH EA-PFÄHLE UND EAU
Dr. Patrick Becker & Dr. Jan Lüking
STAHLSPUNDWÄNDE – NEUES FÜR PLANUNG UND ANWENDUNG
KEMPFERT + PARTNER GEOTECHNIKBeratende IngenieureKempfert Geotechnik GmbH, Hamburg INFRASTRUCTURE
Marine and Offshore Technology
Weil die Welt von heute Lösungen von morgen braucht. 10.12.2014 2
AXIALE PFAHLWIDERSTÄNDE VON OFFENEN STAHLPROFILEN
Weil die Welt von heute Lösungen von morgen braucht. 10.12.2014 3
AXIALE PFAHLWIDERSTÄNDE VON OFFENEN STAHLPROFILEN
Einleitung
Berechnungsverfahren für Rohrpfähle
Berechnungsverfahren für einfache und doppelte Stahlträgerprofile
Erfahrungswerte für Pfahlmantelreibung und Spitzenwiderstand
Zusammenfassung
Weil die Welt von heute Lösungen von morgen braucht. 10.12.2014 4
AXIALE PFAHLWIDERSTÄNDE VON OFFENEN STAHLPROFILEN
Einleitung
Berechnungsverfahren für Rohrpfähle
Berechnungsverfahren für einfache und doppelte Stahlträgerprofile
Erfahrungswerte für Pfahlmantelreibung und Spitzenwiderstand
Zusammenfassung
Weil die Welt von heute Lösungen von morgen braucht. 10.12.2014 5
Berechnung der axialen Pfahltragfähigkeit von offenen Profilen (Stahlrohrpfähle, einfache oder doppelte Stahlträgerprofile) kann nach EA-Pfähle (2012) und EAU (2012) erfolgen.
EINLEITUNG UND PROBLEMSTELLUNG
EA-Pfähle (2012) EAU (2012)
Anwendungsbereich bindige und nichtbindigeBöden
nichtbindigeBöden
Erfahrungswerte 10% und 50% QuantilVorbemessung, keine Angabe eines Quantilbereiches
Pfahldurchmesser: 0,3 m ≤ D ≤ 1,6 m 0,8 m ≤ D
Besonderheiten:
Verwendung von Modellfaktoren; Pfropfenbildung wird vorausgesetzt
Pfropfenbildung wird ausgeschlossen; Ansatz einer inneren Pfahlmantelreibung
Weil die Welt von heute Lösungen von morgen braucht. 10.12.2014 6
Lastabtrag im Pfropfen findet über Druckgewölbe statt, die auf einer erhöhten inneren Pfahlmantelreibung beruhen.
Pfropfenbildung generell abhängig vom Pfahldurchmesser, Lagerungsdichte und Einbringverfahren.
STAND DER WISSENSCHAFT ZUM LASTABTRAG
Weitere Quellen:Lüking (2010)Henke (2013)Lammertz (2008)
Weil die Welt von heute Lösungen von morgen braucht. 10.12.2014 7
Vergleichsberechnung für EA-Pfähle (10% und 50% Quantil) und EAU
EINLEITUNG UND PROBLEMSTELLUNG
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6äußerer Pfahldurchmesser [m]
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
bere
chne
te P
fahl
tragf
ähig
keit
Rc,
k [M
N]
qc = 7,5 MPa10% Quantil, EA-Pfähle (2012)50% Quantil, EA-Pfähle (2012)EAU (2012)
Pfahleinbindetiefe: 15mWandstärke: 10mmnichtbindiger Boden
qc = 15 MPa10% Quantil, EA-Pfähle (2012)50% Quantil, EA-Pfähle (2012)EAU (2012)
qc = 25 MPa10% Quantil, EA-Pfähle (2012)50% Quantil, EA-Pfähle (2012)EAU (2012)
FAZIT: Deutliche Unterschiede im Ergebnis !!!
Weil die Welt von heute Lösungen von morgen braucht. 10.12.2014 8
AXIALE PFAHLWIDERSTÄNDE VON OFFENEN STAHLPROFILEN
Einleitung
Berechnungsverfahren für Rohrpfähle
Berechnungsverfahren für einfache und doppelte Stahlträgerprofile
Erfahrungswerte für Pfahlmantelreibung und Spitzenwiderstand
Zusammenfassung
Weil die Welt von heute Lösungen von morgen braucht. 10.12.2014 9
Definition von zwei Modellen:
Modell 1: vollständige Verspannung und PfropfenbildungModell 2: keine Pfropfenbildung
ABLEITUNG DES BERECHNUNGSVERFAHRENS / ROHRPFÄHLE
Datenbank:
- 113 Pfahlprobebelastungen
- statisch / dynamisch
- Durchmesser 0,32m bis 1,42m
-> Statistische Auswertung und Ableitung von neuen Erfahrungswerten
Mod
ell 1
Mod
ell 2
Weil die Welt von heute Lösungen von morgen braucht. 10.12.2014 10
Regressionsmodell:
ROHRPFÄHLE / ERGEBNISSE VON MODELL 1
Rc,k,Modell 1 (s) = Pfropfen · qPfropfen,k · APfropfen +
qb,k · Ab +
s · qs,k,j · As,j
Pfropfen = 2,52 · e-1,85·D
s = 1,53 · e-0,85·D
Mod
ell 1
Annahme: vollständige Pfropfenbildung bis Durchmesser D ≤ 0,5m
Verwendung aller Pfahlprobebelastungsergebnisse bis D ≤ 0,5 m (14 Stück)
Ableitung von Erfahrungswerten für qPfropfen, qb und qs, siehe Folie 22
Weil die Welt von heute Lösungen von morgen braucht. 10.12.2014 11
Regressionsmodell:
ROHRPFÄHLE / ERGEBNISSE VON MODELL 2
Rc,k,Modell 2 (s) = qb,k · Ab +
qs,k,j · As +
qis,k,j · Ais,j
Annahme: keine Pfropfenbildung
Verwendung aller Pfahlprobebelastungsergebnisse D ≈ 1,5m (44 Stück)
Ableitung von Erfahrungswerten für qis, qb und qs,siehe Folie 23
Mod
ell 2
Weil die Welt von heute Lösungen von morgen braucht. 10.12.2014 12
Verrechnung beider Modelle für 0,5m ≤ D ≤ 1,5m
ROHRPFÄHLE / VERRECHNUNG BEIDER MODELLE
0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5äußerer Pfahldurchmesser [m]
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Ver
rech
nung
sfak
tore
n [-
]
Modell 1
Modell 2
Rc,k (s) = · Rc,k,Modell 1 (s) + · Rc,k,Modell 2 (s)
= 1; für D < 0,5 m, = -D + 1,5; für 0,5 m ≤ D ≤ 1,5 m, = 0; für D > 1,5 m,
= 0; für D < 0,5 m, = -0,52 · D2 + 2,04 · D – 0,89;
für 0,5 m ≤ D ≤ 1,5 m, = 1; für D > 1,5 m.
Weil die Welt von heute Lösungen von morgen braucht. 10.12.2014 13
ROHRPFÄHLE / ERGEBNISSE DER STATISTISCHEN AUSWERTUNG
negatives R: Rc,m kleiner Rc,k
positives R: Rc,m größer Rc,k
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100R [%]
02468
101214161820222426
Anza
hl [-
]
10% Quantilx = 29,5s = 24,0
0 2 4 6 8 10Pfahlprobebelastung Rc,m [MN]
0
2
4
6
8
10be
rech
nete
Pfa
hltra
gfäh
igke
it R
c,k [
MN
]
10% Quantil
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100R [%]
02468
101214161820222426
Anza
hl [-
]50% Quantilx = -1,28s = 34,3
0 2 4 6 8 10Pfahlprobebelastung Rc,m [MN]
0
2
4
6
8
10
bere
chne
te P
fahl
tragf
ähig
keit
Rc,
k [M
N]
50% Quantil
a) b)
c) d)
Datenbank mit 113 Pfahlprobebelastungen
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ROHRPFÄHLE / AUSGEWÄHLTE WSL ZWEIER PROBEBELASTUNGEN
8
6
4
2
0
Set
zung
s [c
m]
0 1 2 3 4 5 6 7Pfahlwiderstand R [MN]
Rb,k
Rs,k
RPfropfen,k und Ris,k
Rk
stat. PPB
Db x t:762 x 12,7de = 11,8m
6
4
2
0
Set
zung
s [c
m]
0 1 2 3 4Pfahlwiderstand R [MN]
Rb,k
Rs,k
RPfropfen,k
und Ris,k
Rk
stat. PPB
Db x t:500 x 10de = 11m
a) b)
Weil die Welt von heute Lösungen von morgen braucht. 10.12.2014 15
AXIALE PFAHLWIDERSTÄNDE VON OFFENEN STAHLPROFILEN
Einleitung
Berechnungsverfahren für Rohrpfähle
Berechnungsverfahren für einfache und doppelte Stahlträgerprofile
Erfahrungswerte für Pfahlmantelreibung und Spitzenwiderstand
Zusammenfassung
Weil die Welt von heute Lösungen von morgen braucht. 10.12.2014 16
ABLEITUNG DES BERECHNUNGSVERFAHRENS / TRÄGERPROFILE
Modell 1:vollständige Verspannung und Pfropfenbildung
Weil die Welt von heute Lösungen von morgen braucht. 10.12.2014 17
ABLEITUNG DES BERECHNUNGSVERFAHRENS / TRÄGERPROFILE
Rc,k (s) = Rb,k (s) + Rs,k (s) + RFl,k (s)
= qb,k · Ab + qs,k,j · As,j + · qs,k,j · As,Fl,j
0,65 ∙ , ∙ ∙
Rc,k (s) = Rb,k (s) + RPfropfen,k (s) + Rs,k (s) + RFl,k (s)
= qb,k · Ab + · qPfropfen,k · APfropfen + qs,k,j · As,j + · qs,k,j · As,Fl,j
Weil die Welt von heute Lösungen von morgen braucht. 10.12.2014 18
Geometrieabhängige Verspannungseffekte und Pfropfenbildung
ABLEITUNG DES BERECHNUNGSVERFAHRENS / TRÄGERPROFILE
Anwendung: 300 mm ≤ h ≤ 1000 mm290 mm ≤ bF ≤ 500 mm
0,65 ∙ , ∙ ∙
Weil die Welt von heute Lösungen von morgen braucht. 10.12.2014 19
ABLEITUNG DES BERECHNUNGSVERFAHRENS / TRÄGERPROFILE
Datenbank mit 31 Pfahlprobebelastungen Datenbank mit 26 Pfahlprobebelastungen
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ABLEITUNG DES BERECHNUNGSVERFAHRENS / TRÄGERPROFILE
Weil die Welt von heute Lösungen von morgen braucht. 10.12.2014 21
AXIALE PFAHLWIDERSTÄNDE VON OFFENEN STAHLPROFILEN
Einleitung
Berechnungsverfahren für Rohrpfähle
Berechnungsverfahren für einfache und doppelte Stahlträgerprofile
Erfahrungswerte für Pfahlmantelreibung und Spitzenwiderstand
Zusammenfassung
Weil die Welt von heute Lösungen von morgen braucht. 10.12.2014 22
ERFAHRUNGSWERTE FÜR MODELL 1
Bezogene Pfahlkopfsetzung
s/Deq
Widerstand des Pfropfens qPfropfen [kN/m²]
Spitzenwiderstand der Drucksonde qc [MN/m²]
7,5 15 25
0,035 1.200 ÷ 3.300 2.100 ÷ 4.000 2.500 ÷ 4.750
0,100 2.250 ÷ 4.000 4.000 ÷ 6.250 4.750 ÷ 7.250
Bezogene Pfahlkopfsetzung
s/Deq
Widerstand der Profilaufstandsfläche qb [kN/m²]
Spitzenwiderstand der Drucksonde qc [MN/m²]
7,5 15 25
0,035 3.900 ÷ 7.500 7.900 ÷ 11.500 10.300 ÷ 16.300
0,100 7.500 ÷ 9.000 15.000 ÷ 18.000 20.000 ÷ 25.000
Setzung
Widerstand des äußeren Pfahlmantels qs [kN/m²]
Spitzenwiderstand der Drucksonde qc [MN/m²]
7,5 15 25
ssg* 15 ÷ 25 35 ÷ 50 40 ÷ 70
ssg = sg = 0,1 Deq 25 ÷ 35 50 ÷ 70 60 ÷ 90
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ERFAHRUNGSWERTE FÜR MODELL 2
Bezogene Pfahlkopfsetzung
s/Deq
Widerstand des inneren Pfahlmantels qis [kN/m²]
Spitzenwiderstand der Drucksonde qc [MN/m²]
7,5 15 25
0,035 5 ÷ 10 10 ÷ 20 15 ÷ 25
0,100 10 ÷ 15 20 ÷ 30 25 ÷ 40
Bezogene Pfahlkopfsetzung
s/Deq
Widerstand der Profilaufstandsfläche qb [kN/m²]
Spitzenwiderstand der Drucksonde qc [MN/m²]
7,5 15 25
0,035 3.900 ÷ 7.500 7.900 ÷ 11.500 10.300 ÷ 16.300
0,100 7.500 ÷ 9.000 15.000 ÷ 18.000 20.000 ÷ 25.000
Setzung
Widerstand des äußeren Pfahlmantels qs [kN/m²]
Spitzenwiderstand der Drucksonde qc [MN/m²]
7,5 15 25
ssg* 15 ÷ 20 30 ÷ 45 35 ÷ 60
ssg = sg = 0,1 Deq 20 ÷ 30 40 ÷ 60 50 ÷ 80
Weil die Welt von heute Lösungen von morgen braucht. 10.12.2014 24
AXIALE PFAHLWIDERSTÄNDE VON OFFENEN STAHLPROFILEN
Einleitung
Berechnungsverfahren für Rohrpfähle
Berechnungsverfahren für einfache und doppelte Stahlträgerprofile
Erfahrungswerte für Pfahlmantelreibung und Spitzenwiderstand
Zusammenfassung
Weil die Welt von heute Lösungen von morgen braucht. 10.12.2014 25
Ableitung eines neuen empirischen Berechnungsverfahrens für Rohrpfähle und einfache und doppelte Stahlträgerprofile
Harmonisierung der beiden Verfahren nach EA-Pfähle und EAU
Verifizierung an großer Datenbank und daher statistisch weitestgehend abgesichert.
Aufnahme des Verfahrens in der EA-Pfähle und EAU, siehe entsprechende Jahresberichte 2014 (Bautechnik)
Die Ableitung erfolgte im Rahmen einer gemeinsamen Untergruppe der Ausschüsse EA-Pfähle und EAU. Beide Autoren bedanken sich für die fachtechnische Begleitung bei den folgenden Herren:
Dipl.-Ing. Glimm, Prof. Grabe, Dipl.-Ing. Kalle, Prof. Kempfert und Dr. Morgen.
ZUSAMMENFASSUNG UND DANKSAGUNG
Weil die Welt von heute Lösungen von morgen braucht. 10.12.2014 26
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit