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Standsicherheitsanalyse und Bemessung eines Straßentunnels in stark wechselnden Gebirgsverhältnissen
(2007)
Für den Bauingenieur gehört der Tunnelbau auf Grund seiner Komplexität zu den interessantesten, faszinierendsten, zugleich aber auch zu den schwierigsten Aufgaben in seinem Tätigkeitsbereich. Bei der Planung eines Tunnelbauwerkes stehen mehrere Faktoren in direkter Beziehung, wie beispielsweise die vorherrschenden Gebirgsverhältnisse, die gewählte Konstruktion und das angewendete Bauverfahren. Durch die komplexe Wechselwirkung von Bauwerk und Gebirge unterscheidet sich der Tunnelbau maßgeblich von den anderen anspruchsvollen Bauingenieurdisziplinen wie Brücken-, Tief- und Industriebau sowie dem allgemeinen Hochbau. Ein Charakteristikum von Tunneln ist das Durchfahren stark wechselnder Gebirgsverhältnisse, die zum Zeitpunkt der Planung nur grob und ohne scharfe qualitative und quantitative Abgrenzung bekannt sind. Da aufgrund ihrer tektonischen Entstehungsgeschichte die meisten Gebirge heterogen aufgebaut sind, müssen bei der Bemessung von Tunnelbauwerken die Streuungen der geologischen und gebirgsmechanischen Parameter berücksichtigt werden, die beispielsweise aus Trennflächen, wie Schichtungen und Klüftungen resultieren. Ziel dieser Diplomarbeit ist es, in Zusammenarbeit mit der Praxis die wesentlichsten Schwierigkeiten beim Bau des Schmücketunnels zu eruieren und anschließend eine Empfehlung für weitere Baumaßnahmen auszusprechen. Hierzu dienen die Planungsunterlagen des derzeit in Ausführung befindlichen Tunnels, die im Zuge der Bearbeitung dieser Arbeit ausgewertet und aufgearbeitet werden. Des Weiteren werden Varianten für die Beherrschung der komplexen Grundwasserverhältnisse diskutiert und diese einer technisch-wirtschaftlichen Bewertung in Form eines Variantenvergleiches unterzogen. Anschließend folgt die Nennung der Vorzugsvariante. Darüber hinaus erfolgt in der vorliegenden Arbeit eine Analyse der beim Schmücketunnel angewendeten Messtechnik. Daraus resultierend sollen 0 Einleitung 2 Empfehlungen hinsichtlich der messtechnischen Überwachung für die Errichtung zukünftiger Tunnelbauwerke gegeben werden. In einem weiteren Kapitel werden Bemessungsansätze eines repräsentativen Querschnittes diskutiert und schließlich eine Standsicherheitsanalyse für die Tunnelinnenschale durchgeführt. Auf Grund der großen Bandbreite der in den Bodengutachten angegebenen Gebirgskennwerte erfolgt die Berechnung verschiedener Varianten bezüglich der erforderlichen Bewehrungsmengen. Um eine Balance zwischen wissenschaftlichem Arbeiten und den Erfahrungen aus der Praxis zu schaffen, sehe ich die Unterstützung durch die Professur Grundbau der Bauhaus-Universität Weimar sowie durch das Unternehmen DEGES in Berlin als grundlegende Voraussetzung für die inhaltliche Vollständigkeit der vorliegenden Diplomarbeit an.
Zahlreiche Hochwasserereignisse führten in den letzten Jahren zu großen wirtschaftlichen Schäden, vor allem durch das Versagen von Hochwasserschutzdeichen HWD. Aus diesem Grund wurden großformatige Erkundungen bestehender Hochwasserschutzdeiche durch die Länder angeordnet. Ziel der Erkundungen sollte es sein, die Standsicherheit der HWD zu beurteilen. Daher sollten die möglicherweise auftretenden Versagenszustände bekannt sein und die zur Beurteilung wichtigen bodenmechanischen Parameter. Für eine umfassende Erkundung des Deichkörpers und seines Untergrundes müssen mehrere Schritte durchgeführt werden. Erst durch die Kombination mehrerer Erkundungsmethoden ist es möglich ein ganzheitliches Baugrundmodell aufzustellen und die notwendigen bodenmechanischen Parameter zu ermitteln. Als Voruntersuchung kommt dafür die Geophysik in Frage. Die Relevanz der einzelnen Methoden wird in dieser Arbeit vorgestellt. Im Anschluss daran sollte eine Erkundung mit konventionellen Methoden erfolgen. Mit den Ergebnissen wird das Baugrundmodell aufgestellt und die wichtigen bodenmechanischen Parameter ermittelt. Ziel dieser Arbeit war es, eine Vorgehensweise zu Erkundung von Hochwasserschutzdeichen aufzustellen.
Grundwasser und Grundwasserströme haben auf die Gründung von Gebäuden einen nachhaltigen Einfluss. Für einen geplanten Ersatzneubau eines Altenpflegeheimes, in der Domäne der Gemeinde Neustadt/Harz, ist ein Gründungskonzept zu entwickeln. Hierbei steht vor allem die geographische Nähe des Neubaus zu einem künstlichen Teich im Vordergrund der Gründungsempfehlung. Anhand der vorliegenden geologischen und hydrologischen Erkundungsergebnisse werden unterschiedliche Profillängsschnitte des Geländes entwickelt. Auf der Grundlage des maßgebenden Längsschnittes und der errechneten maximalen Grundwasserstände werden verschiedene Gründungskonzepte entwurfen. Aus einem anschließenden Vergleich der Gründungskonzepte geht eine Vorzugslösung hervor. Ziel des Vergleiches ist es die Gründung an die geologischen und hydrologischen Besonderheiten des Baugrundes anzupassen. Weiterhin wird ein Konzept für den Feuchteschutz entwickelt. Die Grundlage dieser Konzeption bilden die errechneten maximalen Grundwasserstände.
Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit dem Einfluss variierender Randbedingungen auf die mobilisierten Einzelwiderstände bei der numerischen Simulation von Pfahlprobe-belastungen. Pfahlprobebelastungen werden durchgeführt, um die getroffenen Annahmen bei der Bemessung der äußeren Tragfähigkeit zu überprüfen und ggf. an die vorherrschenden Baugrund¬verhältnisse anzupassen. Die in-situ Verhältnisse des Baugrundes können nur idealisiert mit empirischen oder numerischen Berechnungsalgorithmen dargestellt werden. Daher sind in Deutschland zur Bemessung von Pfählen und der Ermittlung der Pfahlwiderstände Probebelastungen nach DIN 1054 (2005) und nach Empfehlungen des (Arbeitskreis 2.1 DGGT°1998) anzuraten. Bei vergleichbarer Geologie kann auch auf Erfahrungswerte zurückgegriffen werden. Allgemein unterscheidet man zwischen statischen und dynamischen Belastungsversuchen. Bei den drei, in dieser Arbeit untersuchten, Pfahlprobebelastungen handelt es sich um statische Probebelastungen. Dabei wurden die Lasten mittels pneumatischer Pressen in den Pfahl eingeleitet. Als Widerlager dienten entweder aufliegende statische Lasten oder ins Erdreich verankerte Zugpfähle, die über Stahlträger mit der Presse verbunden waren. Im Rahmen der Arbeit wird der Einfluss einer möglichen Auflockerungszone unter dem Pfahlfuß auf die mobilisierten Einzelwiderstände und das Last-Setzungs-Verhalten untersucht. Um die Wirkung der Auflockerungszone zu untersuchen wird eine Parameterstudie durchgeführt, in deren Verlauf die geometrische Form und Größe der Zone variiert wird. Die numerischen Berechnungen werden mit der FE-Software PLAXIS 8.0 durchgeführt. Anhand des Versuchspfahles 'Al Attar Tower' werden die Einflüsse der Auflockerungszone auf das Last-Setzungsverhalten, sowie auf die Entwicklung der Einzelwiderstände untersucht. Während dieser Betrachtung wird das numerische Modell unter Verwendung der Referenz-daten der Pfahlprobebelastung kalibriert und eine Vorzugsvariante ermittelt. Danach werden die gewonnenen Erkenntnisse auf einen Bauwerkspfahl, welcher sich im gleichen Baufeld befindet und sich in den Abmessungen (Pfahllänge und Durchmesser) von dem Versuchspfahl unterscheidet, übertragen. Infolge dieses Vergleiches wird die Anwendbarkeit des numerischen Modells überprüft und gegebenenfalls an die neuen Bedingungen angepasst. Im dritten Schritt erfolgt eine Kontrolle der Ergebnisse anhand eines zweiten Vergleichs-pfahles. Bei diesem Pfahl handelt es sich um einen Bauwerkspfahl, der im Zuge einer Baumaßnahme in unmittelbarer Nähe zum Baufeld 'Al Attar Tower' hergestellt wurde. Der zweite Vergleichspfahl wurde für die Kalibrierung des numerischen Modells ausgewählt, da er sich in seiner Herstellungsart von den zwei anderen Pfählen unterscheidet. Es handelt sich eben¬falls um einen suspensionsgestützt hergestellten Bohrpfahl, beim dem allerdings eine Polymersuspension benutzt wurde. Im Weiteren Verlauf der Herstellung wurde das Bohrloch vor dem Betoniervorgang gespült, um Bohrrückstände auszuräumen. Auch diese Ergebnisse der numerischen Pfahlbelastungssimulation werden mit den zuvor gewonnenen Ergebnissen verglichen. Indessen muss sich zeigen, dass mit dem vorgestellten numerischen Modell eine ausreichend genaue Übereinstimmung der Mess- und Berechnungsergebnisse erzielt werden kann. Das heißt, das entwickelte numerische Modell kann durchaus für die Bemessung von Pfahlgründungen bei vergleichbaren geologischen Randbedingungen verwendet werden. Ferner wird die Eignung des verwendeten Stoffmodells zur Beschreibung der Verformungs- und Spannungszustände im Baugrund geprüft. Neben den numerischen Berechnungen beschäftigt sich ein weiterer Abschnitt dieser Arbeit mit empirischen Berechnungsverfahren. Darin werden die Anwendbarkeit und die Aussage-kraft dieser meist sehr einfachen Terme auf die vorherrschenden Baugrund¬ver¬hältnisse betrachtet.
Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit der Simulation der Spannungszustände und Grundwassersituation anhand eines Praxisbeispieles. Dieses wird mit Hilfe des Finite-Elemente(FE)-Programms PLAXIS V8 durchgeführt. Dabei gilt es die Sicherheit gegen Hydraulischen Grundbruch und den Einfluss der baugrubenseitigen Widerlagerwirkung zu bestimmen. Außerdem werden vorhandene Theorien zur Nachweisführung gegen Hydraulischen Grundbruch in bindigem Boden überprüft und die Ergebnisse mit denen aus der FE-Berechnung verglichen. Abschließend ist die Frage zu klären, ob beim Nachweis der Standsicherheit einer Baugrubenwand ein Versagen durch Hydraulischen Grundbruch ausgeschlossen werden kann.
Oberflächenabdichtungen von Deponien sind in ihrer langfristigen Funktion häufig durch eine austrocknungsbedingter Rissbildung der mineralischen Dichtungskomponente gefährdet. Als Ursachen gelten insbesondere das standortspezifische Klima mit den stark schwankenden Randbedingungen (Niederschlag, Temperatur), Pflanzen und Tiere sowie auch ein ungeeigneter Systemaufbau. Durch einen Wasserentzug treten Schrumpfungsprozesse in der mineralischen Dichtung auf welche über negative Dehnungen zu Dehnungsbrüchen und damit zu einer Rissbildung führen. Für die Beanspruchbarkeit eines Dichtungsmaterials bei Wasserentzug sind insbesondere dessen Schrumpfverhalten und dessen Zugfestigkeit von Bedeutung. Beide Eigenschaften wurden durch eigens konzipierte Laborversuche beispielhaft an zwei typischen Dichtungsböden untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine große Abhängigkeit von der Wasserspannung sowie von der Bodenstruktur. Für die Zugfestigkeit und dem daraus abgeleiteten Dehnungsmodul gilt z. B. jeweils eine eindeutige Zunahme mit Zunahme der Wasserspannungen. Mit Hilfe der Ergebnisse aus den Laborversuchen sowie numerischen Berechnungen des Was-serhaushaltes und der vorherrschenden Spannungen kann eine erste Rissgefährdungsabschätzung für mineralische Dichtungen in Oberflächenabdichtungen abgeleitet und angewandt werden. Weitere Erläuterungen z. B. zu den Eigenschaften und der Teilsättigung bindiger Böden, analytische Zugfestigkeitsberechnungen oder Empfehlungen zum Entwurf und der Herstellung von Oberflächenabdichtungen ergänzen die Arbeit.
Kurzfassung An einem zweigeschossigen Wohnhaus des 18. oder frühen 19. Jahrhunderts, das im Laufe der Geschichte sehr unterschiedlich genutzt und mehrfach umgebaut wurde, traten anhaltende Deformationen der Giebelwand auf. Die Beobachtungen der Vergangenheit ergaben, dass die Bewegungen zu auffallenden Rissen an den Innenwänden führten und ein Ausbauchen der Außenwand verursachten. Da Schäden an Gebäuden durch Risse und Verformungen die verschiedensten Ursachen haben können, erfordert eine 'Therapie', also die Schaffung einer zielgerichteten, der Bauwerkssubstanz angepassten Problemlösung, die sorgfältige Aufnahme und Analyse der Schäden sowie die Ermittlung der Schadensursache bzw. die Feststellung der Standsicherheitsdefizite, welche mit 'Anamnese' und 'Diagnose' der Heilkunde vergleichbar sind. Die hier vorliegende Arbeit befasst sich mit einer Schadensanalyse, wie im Vorangegangenen beschrieben wurde und liefert im Anschluss eine Lösung zur Ertüchtigung des Gebäudes unter denkmalpflegerischen Aspekten.