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Die Sanierung einsturzgefährdeter Stützmauern aus Naturstein ist ein komplexes Feld aus baustofflichen, statischen und insbesondere geotechnischen Belangen. Der Erhalt von Natursteinstützmauern steht im Vordergrund. Die Bodenvernagelung hat dabei in Verbindung mit der Ertüchtigung des Altmauerwerks eine besondere Bedeutung. Bei der Bodenvernagelung gibt es verschiedene Konzepte. In dieser Diplomarbeit werden die baustofflichen Grundlagen zur Natursteinsanierung behandelt bis hin zur Schadensbilderkennung und anschließender Sanierung. Ein wesentlicher Punkt ist die Charakterisierung der Sanierungskonzepte mittels der Bodenvernagelung. Anschließend werden Berechnungsgrundlagen für die erforderliche Nagelzugkraft ermittelt. Abschließend werden Vergleichsuntersuchungen herangezogen und mit Beispielen untermauert.
Der Baugrund ist durch seine geologische Entstehung und verschiedener anthropogener Einflüsse geprägt. Dadurch ist er in seinen physikalischen und geometrischen Eigenschaften inhomogen. Aufgrund des oftmals geringen Erkundungsumfangs durch wenige punktförmige Aufschlüsse unterliegen die Baugrunddaten einer zufälligen und systematischen räumlichen Streuung. Die Unsicherheit der Messergebnisse ist u.a durch Fehlerquellen in den Messverfahren, in den empirischen Beziehungen zur Bestimmung der Baugrundparameter und bei der Datenbearbeitung sowie in der Heterogenität des Mediums Boden begründet. In der Praxis werden aus den Erkundungsergebnissen des Baugrundes Schichtenverzeichnisse erstellt, in denen Homogenbereiche definiert werden können. Mittels definierter Schichtmächtigkeiten oder festgelegter Schichtgrenzen lässt sich ein dreidimensionales geologisches Schichtenmodell aufbauen, das aus mehreren miteinander verbundenen zweidimensionalen Datensätzen besteht. Für Interpolationen innerhalb eines Untersuchungsraumes im geologischen Modell haben sich geostatistische Methoden als geeignet erwiesen. Die Modellierung des Baugrundes mit Hilfe von geostatistischen Verfahren in der Praxis geschieht bisher in der Regel auf der Annahme deterministischer Eingangsgrößen. Die Untersuchung des Einflusses streuender und unsicherer Ausgangskennwerte auf die Ergebnisse der einzelnen Stufen der geostatistischen Modellbildung erlaubt eine bessere Beurteilung der Berechnungsergebnisse. In der Geotechnik wird deshalb versucht, die Vorteile geostatistischer Verfahren in bodenmechanische Nachweise einzubeziehen. Bodenkenngrößen können damit qualifizierter und mit verbesserter Aussagesicherheit in die Gründungsberechnungen und Nachweise eingehen. Baugrunderkundungen sind ein Kostenfaktor bei der Entwicklung und Durchführung eines Bauprojektes. Der Baugrund kann deswegen unter dem Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit nur an wenigen Stellen untersucht werden. Großflächige Areale, die z.B. für eine Ansiedlung von Industrie und Gewerbe vorgesehen sind, werden im Rahmen einer Vorerkundung punktuell beprobt. Sind dann innerhalb von Lokalbereichen konkrete Projekte geplant, werden diese Flächen in einer Nacherkundung detailliert und spezifisch untersucht. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von Strategien, die es erlauben, unter Einbeziehung von Ergebnissen aus Vorerkundungsuntersuchungen und anderen zusätzlichen Informationsquellen eine optimale Anordnung der Punkte für eine Nacherkundung eines Lokalbereiches mit möglichst geringen zusätzlichen Kosten zu finden. Mit Hilfe einer optimierten Messnetzkonstellation und einer verbesserten Aussagekraft der Messwerte soll die Aussagesicherheit der räumlichen Schätzung der Baugrundkenngrößen an unbeprobten Orten verbessert und gesteigert werden. Hierzu gilt es die Unsicherheiten aus dem Messnetz und aus den Baugrundkenngrößen zu analysieren, miteinander zu verknüpfen und Strategien zur Reduktion der Unsicherheiten zu entwickeln.
Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung des Talzuschubs im Bereich der Hangrohrbahn des PSW Hohenwarte II. Als Ergebnis vorgenommener Untersuchungen wurde eine starke Abhängigkeit des Grades der Bewegung der Schollen von der Höhe des Bergwasserspiegels festgestellt. Als besonders empfindlich hat sich Scholle I herausgestellt. Ziel dieser Arbeit war es, einen „kritische Wasserstand“ in Scholle I, unter Verwendung des stochastischen Ansatzes der Versagenswahrscheinlichkeit, zu definieren. Durch Anwendung von Zufallszahlen, nach der Monte-Carlo-Methode, wurde eine charakteristische Streuung der Reibungswinkel für den Bruchmechanismus berechnet. Durch die Definition eines Grenzkriteriums der Versagenswahrscheinlichkeit wurde es möglich, unter Beachtung verteilungsspezifischer Kriterien, rückrechnend die geometrische Lage des „kritischen Wasserstandes“ zu ermitteln. Anschließend wurden Vorschläge zur Sanierung der Rutschung ausgearbeitet. Die verschiedenen Vorschläge sollen durch das Garantieren eines permanent als sicher geltenden Bergwasserspiegels, das Maß der Verformung am Hang minimieren oder sogar auf Null setzen. Das Augenmerk liegt hierbei auf der Verwendung unterschiedlicher Entwässerungsprinzipien und technischer Arbeitsmittel.
Beim Einsatz geosynthetischer Baustoffe im Erd-, Wasser- und Grundbau ist deren Langzeitverhalten von grundlegender Bedeutung für ihre Einsatzmöglichkeiten. Je nach dem polymeren Grundmaterial und Stabilisatoren wird das Langzeitverhalten wesentlich durch das Spannungsverhalten bestimmt, welches zusätzlich durch das Bodenmilieu, die Temperatur und etwaige atmosphärische Einflüsse beeinflusst werden kann. Bei dem weltweiten Einsatz geosynthetischer Baustoffe sind bei der Bewertung des Langzeitverhaltens deshalb die Einflüsse aus dem unterschiedlichen Bodenmilieu und den Klimazonen zu berücksichtigen. In dieser Diplomarbeit werden die hauptsächlichen Einsatzmöglichkeiten geosynthetischer Baustoffe unter extremen Klimabedingungen zusammengestellt. Dabei werden regionale Erfordernisse berücksichtigt. Grundlagen sind die DIN-Fachberichte, CE-Kennzeichnungsnormen und Leitfäden. Die in den genannten Unterlagen getroffenen Aussagen wurden recherchiert und ggf. untersetzt. Die klimatischen Einsatzbedingungen für die Angaben in diesen Unterlagen wurden definiert. Schwerpunktmäßig wurde hier auf die Probleme bei tiefen Temperaturen und auf den Einfluss extremer Temperaturschwankungen eingegangen.
Kurzfassung Das Messprinzip faseroptischer Sensoren beruht auf der Tatsache, dass durch eine Faser Licht geleitet wird. Aufgrund externer Einflüsse, die physikalischer, chemischer oder auch anderer Art sind, werden die Eigenschaften des Lichtes, wie z.B. die Wellenlänge oder auch die Intensität geändert. Diese Veränderungen können von einem Messsystem für sofortige oder auch spätere Analysen aufgenommen werden. Bei der Kostenbetrachtung eines Bauwerkes sollten nicht nur die für die Erstellung notwendigen Kosten, sondern auch die Kosten zum Unterhalt und zur Instandhaltung betrachtet werden. Um die zu erwartenden Kosten im Falle einer Sanierung und Instandsetzung zu reduzieren, müssen notwendige Verfahren bereits bei der Errichtung von Bauwerken angewandt werden. Ein solches Verfahren ist die permanente Bauwerksüberwachung (Monitoring). Sie dient einerseits zur Sicherstellung der Nutzungsfähigkeit des Bauwerkes und soll andererseits vor allem während der Bauzeit die Möglichkeit bieten, Veränderungen die ohne geeignete Gegenmaßnahmen zu Schäden führen können, rechtzeitig zu erkennen. Bereits in der Planungsphase eines Bauwerks sollte geprüft werden, ob die Anwendung einer Bauwerksüberwachung sinnvoll und notwendig ist. Dabei sind die für die Errichtung auftretenden Baukosten den notwendigen Kosten für die Installation und den Betrieb eines solchen Verfahrens gegenüber zu stellen. Die Folgekosten, die bei einem eventuellen Schaden am Bauwerk und somit einer Instandhaltung bzw. Sanierung anfallen würden, sollten nicht außer Acht gelassen werden. Im Rahmen dieser Arbeit ist die Anwendbarkeit faseroptischer Sensoren im Bauwesen und speziell in der Geotechnik bei Pfahlgründungen untersucht worden. Bei der Qualität der zu erfassenden Messwerte zeigen FOS kaum Unterschiede zu den herkömmlichen Sensoren. Erst bei weiteren Betrachtungen der Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten FOS ergeben sich deutliche Vorteile gegenüber herkömmlicher Sensorik. Diese Vorteile, wie z.B. die Widerstandsfähigkeit gegenüber Störeinflüssen, den Einsatz in chemisch aggressiver Umgebung, die hohe Langlebigkeit u.a. prädestinieren die faseroptische Sensorik für die Installation in Pfählen.
Die Geotechnik steht übergeordnet für die Teildisziplinen Bodenmechanik und Grundbau. Während der Grundbau den Entwurf, die Konstruktion, die Bemessung sowie die Ausführungstechnologie von Stützbauwerken und Gründungen behandelt, beschäftigt sich die Bodenmechanik mit den theoretischen Grundlagen zum Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Bauwerk und Baugrund. Dabei stehen die Klassifikation und das Verhalten der Lockergesteine, die Begriffe Spannungen und Deformations- und Scherfestigkeitsmechanismen, sowie deren zeitabhängige Entwicklung im Vordergrund. In der Vergangenheit ermöglichten die zahlreichen Aufgabensammlungen eine anwendungsorientierte Erschließung dieser Teilgebiete. Durch die Verabschiedung und Einführung neuer Normen (insbesondere DIN 1054) und durch den bereits aktualisierten Wissensspeicher Geotechnik wurde eine Überarbeitung der Aufgabensammlungen notwendig. In der Diplomarbeit wurden die vorhandenen Übungshefte in der Aufgabensammlung Geotechnik zusammengefasst und Aufgaben zu Seminaren, zur Klausurvorbereitung und zum Selbststudium nach der gültigen Normung erarbeitet. In Anlehnung an die Gliederung des Wissensspeichers Geotechnik entstanden neue Kapitel wie Baugrund, Stützkonstruktionen, Pfahlgründungen, Wasser im Boden sowie Wasserhaltung und Grundwasserabsenkung. Bereits bestehende Abschnitte wurden ergänzt und dem geltenden Regelwerk angepasst. Kurze theoretische Darlegungen zu Beginn der einzelnen Abschnitte vermitteln Grundlagenwissen und sind zum besseren Verständnis opulent illustriert. Die Bearbeitung gab Gelegenheit, Beispiele mit ähnlichen Aufgabenstellungen zu entnehmen und Unstimmigkeiten in Text und Bildern zu berichtigen.
In Oberflächenabdichtungssystemen für Deponien und Altablagerungen werden sehr häufig mineralische Dichtungen bzw. geosynthetische Tondichtungsbahnen als Hauptdichtungskomponente geplant und eingebaut. In den letzten Jahren wurde jedoch in Testfeldern und bei Aufgrabungen oft eine starke Reduzierung der Dichtwirksamkeit der mineralischen Dichtungskomponenten infolge austrocknungsbedingter Rissbildung bzw. Durchwurzelung festgestellt. Ursache war häufig die mangelnde Wasserspeicherfähigkeit der Rekultivierungsschicht in den klimatisch trockenen Jahreszeiten an ungünstigen Standorten und somit eine Austrocknung des gesamten Systems. Um diese Effekte zu minimieren bzw. zu verhindern, sind für die Rekultivierungsschicht nun ausreichend qualifizierte Böden und standortangepasste Mächtigkeiten vorgeschrieben, damit ein ausreichender Wasserspeicher ganzjährig zur Verfügung steht. Ansonsten wird die maximal aufnehmbare Zugkraft des Bodens überschritten und es entstehen Risse, die zu einer Minderung bzw. totalen Versagen der Dichtungskomponente führen kann. Einer der Schwerpunkte dieser Arbeit ist die Aufbereitung und Erweiterung der Literatur bezüglich dem Einfluss von Luftströmung bzw. Druckgradienten und deren Wirkungsweise in porösen Medien sowie deren Einfluss auf die angrenzenden bindigen Schichten. Des Weiteren gibt es eine Beschreibung der unterschiedlichen Phänomene bzw. etwaige analytische Ansätze. Ein weiterer Schwerpunkt liegt in einer numerischen Aufbereitung von Zugversuchen an bindigen Böden unter verschiedenen Wassergehalten.
Die Bewertung der Standsicherheit von Erdbauwerken stellt eine der wichtigsten Aufgaben bei Ausbau und Unterhaltung von Wasserstraßen, im Staudamm- und im Deichbau dar. Zur Beurteilung der Standsicherheit spielen die infolge Aufsättigung und Durchströmung entstehenden Kräfte eine maßgebende Rolle, daher steht die Abschätzung von Fließprozessen durch oder unter diesen Erdbauwerken im Mittelpunkt geotechnischer Fragestellungen. Eine detaillierte Beschreibung von Fließprozessen in den teilgesättigten Erdbauwerken ist außerordentlich komplex. Zurzeit können diese nur auf der Grundlage numerischer Modelle beschrieben werden. In dieser Arbeit soll im Rahmen numerischer Studien die Effekte herausgearbeitet werden, die sich aus der Verwendung unterschiedlicher Modellansätze hinsichtlich Dimensionalität und zeitlichem Ablauf ergeben. Hierzu wurde ein Szenario vorgegeben, dass eine Fehlstelle in einem gedichteten Kanaldamm vorsieht. Unterhalb der Fußsohle führt ein Düker, unter dem eine hydraulische wirksame Fuge angenommen wird. Es erfolgt eine teilgesättigte Infiltration sowie eine sehr rasche Ausbreitung des Potentials entlang der Fuge. Hierzu wird die Zuverlässigkeit der verwendeten numerischen Modelle durch Vergleich der Modellergebnisse für stationäre sowie instationäre Betrachtung überprüft. Hierbei stehen Diskretisierungsaspekte in Orts- und Zeitrichtung im Vordergrund.
Die Erkundung und Beschreibung des Baugrundes ist aufgrund seiner Genese und der anthropogenen Einflüsse oft schwierig. Die gewonnenen Aufschlüsse im Boden und Fels sind aber unabhängig vom Umfang immer als Stichprobe zu bewerten. Zwischenwerte werden meist linear interpoliert oder durch weiterführende Informationen verdichtet. Für die Dimensionierung von Grundbauwerken werden diese Informationen weiter vereinfacht, in dem für definierte Homogenbereiche vorsichtige Mittelwerte in Ansatz gebracht werden. Diese werden zunehmend unter Berücksichtigung ihrer Streuung und Unsicherheit in geotechnische Nachweiskonzepte integriert. In dieser Diplomarbeit sollen auf der Grundlage analytischer geschlossener Algorithmen und Funktionsansätze zur Einschätzung der Gefährdung, die Versagenswahrscheinlichkeit bzw. die Zuverlässigkeit für ein definiertes Untersuchungsgebiet unter Verwendung streuender Einflussgrößen ermittelt werden. Hierzu wurden verschiedene Methoden angewandt. Die erforderlichen Eingangsparameter sind aus dem zur Verfügung gestellten Datensatz abzuleiten.
In der vorliegenden Arbeit wird diese Entscheidungsfindung anhand einer Dammgründung auf gering tragfähigem Boden untersucht und eine ausgewählte Variante nach DIN 1054 und EC 7 berechnet. Dazu wird nach einer umfassenden Darstellung der Baugrundsituation ein kurzer Überblick über grundsätzlich mögliche Maßnahmen der Dammgründung gegeben. Im weiteren Verlauf werden drei Ausführungsvarianten einem Vorentwurf gleich kommend entwickelt und hinsichtlich ihrer Kosten, dem Risiko der Ausführung, ökologischem Anspruch, Bauzeit und technischem Aufwand miteinander verglichen. Nach einer Gegenüberstellung und dem Herausarbeiten der wichtigsten Unterschiede in den Normgrundlagen von DIN 1054 und EC 7 erfolgt die Berechnung und Auswertung der ausgewählten Vorzugsvariante.