Sicherheit im Grundbau nach EC 7-1 und DIN 1054

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1 Sicherheit im Grundbau nach EC 7-1 und DIN 1054 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Matthias Pulsfort Bergische Universität Wuppertal, Lehr- und Forschungsgebiet Geotechnik Präsentation anlässlich des Spundwandseminars 2015 in Köln

2 Seminar Stahlspundwände Köln Sicherheit im Grundbau nach EC 7-1 und DIN 1054 Prof. Dr.-Ing. Matthias Pulsfort Folie 1.1

3 Seminar Stahlspundwände Köln Gliederung: 1 Sicherheitskonzept - Aktuelle Übersicht 2 Teilsicherheitsbeiwerte 3.1 Nachweis der Äußeren Standsicherheit (Abmessungen) 3.2 Nachweis der geotechnischen Gebrauchstauglichkeit 4.1 Nachweis der Inneren Standsicherheit (Bemessung) 4.2 Nachweis der Gebrauchstauglichkeit/Dauerhaftigkeit 5 Praktische Herstellbarkeit Ausführungsnormen 6 Ausschreibung/Abrechnung (Normen der VOB/C) Folie 1.2

4 1 Sicherheitskonzept Aktuelle Normensituation Systematik der Eurocodes (TC 250) EN 1990 EN 1991 EN 1992 EN 1993 EN 1994 EN 1995 EN 1996 EN 1999 EN 1997 EN 1998 Grundlagen Einwirkungen Baustoffbezogene Bemessung Geotechnik und Erdbeben Quelle: HARTE/PULSFORT/VOGT: Bemessungsaufgaben in der Geotechnik nach EC 7 und EC 2. Seminar der Ing.kammer NRW / Ingenieurakademie West, Duisburg 2015 Folie 1.3

5 1 - Übersicht der neuen Normen bauaufsichtlich eingeführt Normensystem für den Konstr. Ingenieurbau seit EAU (2012) EAB (2012) nach: SCHUPPENER/RUPPERT: Zusammenführung von europäischen und deutschen Normen Eurocode 7, DIN 1054 und DIN In: Bautechnik, 84 (2007), Nr. 9, S Folie 1.4

6 1 - Übersicht der neuen Normen DIN EN : Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik Teil 1 : Allgemeine Regeln (Ausgabe ) 166 Seiten - deutsche Übersetzung gegenüber 2009 verbessert! DIN EN / NA: DIN 1054: Nationaler Anhang - National festgelegte Parameter Teil 1: Allgemeine Regeln (Ausgabe ) 10 Seiten Baugrund - Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau - Ergänzende Regelungen zu DIN EN (Ausgabe ) 105 Seiten DIN 1054-A1: DIN 1054-A2 Baugrund - Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau - Ergänzende Regelungen zu DIN EN ; Änderung 1 (Ausgabe ) 4 Seiten Baugrund - Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau - Ergänzende Regelungen zu DIN EN ; Änderung 2 (Ausgabe ) Änderung 2, 7 Seiten Summe: 292 Seiten Folie 1.5

7 oder als konsolidierte Fassung auf 268 Seiten Revision: Entschlackung under construction Folie 1.6

8 1 angepasste Empfehlungen (2012) 690 Seiten 332 Seiten Folie 1.7

9 1 Sicherheitskonzept Grundlagen: DIN EN 1990 Begriffe Einwirkung F Auf das Tragwerk einwirkende Kraft- oder Verformungsgrößen, z.b. Lasten, Temperatur, eingeprägte Setzungsunterschiede. Beanspruchung E (exposure) Folge der gleichzeitig zu betrachtenden Einwirkungen bzw. einer Einwirkungskombination auf das Tragwerk oder seine Teile, z.b.: Schnittgröße, Spannung, Dehnung, Verformung etc. Widerstand R (resistance) Mechanische Eigenschaft des Tragwerks oder eines seiner Teile, bestimmten Beanspruchungen zu widerstehen, auch als Beanspruchbarkeit bezeichnet, z.b. ertragbare Schnittgröße, ertragbare Spannung etc. Baustoffeigenschaft X Eigenschaften von Baustoffen, Bauprodukten oder Baugrund, z.b. Festigkeit, Steifigkeit etc. Folie 1.8

10 1 Sicherheitskonzept Grundlagen: DIN EN 1990 Begriffe Charakteristischer Wert (Index k) Wert einer Einwirkung oder eines Tragwiderstands, der mit der geforderten Wahrscheinlichkeit nicht über- oder unterschritten wird. In der Regel auf der sicheren Seite abgeschätzter Mittelwert oder der Quantilwert. Repräsentativer Wert (Index rep) Bei mehreren veränderlichen Einwirkungen die Kombination aller charakteristischen Werte bei Berücksichtigung der Kombinationsbeiwerte Bemessungswert (Index d) Für die Nachweise von Grenzzuständen zugrunde zu legender Wert einer Einwirkung oder eines Tragwiderstands Einwirkungen: F d = F F rep Baustoffeigenschaften: X d = X k / M Folie 1.9

11 1 Sicherheitskonzept Grundlagen: DIN EN 1990 Begriffe Grenzzustand der Tragfähigkeit ULS Zustand des Tragwerks, dessen Überschreiten unmittelbar zu einem rechnerischen Einsturz oder anderen Formen des Versagens führt; Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit SLS Zustand des Tragwerks, bei dessen Überschreiten die für die Nutzung festgelegten Bedingungen nicht mehr erfüllt sind; Nationally determined parameters NDP National festzulegende Parameter (Verfahren, Klassen, einzelne Werte) Non-contradictory complementary information NCI Ergänzende, nicht widersprechende Angaben zur Anwendung der DIN EN Folie 1.10

12 1 Sicherheitskonzept Grundlagen: DIN EN 1990 Begriffe nach DIN EN 1990 ( ), 6.4 Nachweise für Grenzzustände der Tragfähigkeit ULS Zustand des Tragwerks, dessen Überschreiten unmittelbar zu einem rechnerischen Einsturz oder anderen Formen des Versagens führt; Ziel der Nachweisführung ist die Bemessung des Tragwerks oder Bauteils derart, dass dessen Versagenswahrscheinlichkeit hinreichend klein wird. Allgemeine Versagenszustände: EQU STR FAT Equilibrium Verlust der Lagesicherheit des Tragwerks, betrachtet als starrer Körper. Structural failure Versagen des Tragwerks oder übermäßige Verformungen, wobei die Tragfähigkeit von Baustoffen und Bauteilen entscheidend ist. Fatigue Ermüdungsversagen des Tragwerks. Folie 1.11

13 1 Sicherheitskonzept Grundlagen: DIN EN 1990 Begriffe nach DIN EN 1990 ( ), 6.4 Nachweise für Grenzzustände der Tragfähigkeit ULS Zustand des Tragwerks, dessen Überschreiten unmittelbar zu einem rechnerischen Einsturz oder anderen Formen des Versagens führt; Ziel der Nachweisführung ist die Bemessung des geotechnischen Bauwerks derart, dass dessen Versagenswahrscheinlichkeit hinreichend klein wird. Geotechnische Versagenszustände: GEO UPL HYD Geotechnical failure Versagen des Baugrunds oder übermäßige Verformungen, wobei die Tragfähigkeit des Bodens entscheidend ist. Uplift Verlust der Lagesicherheit des Tragwerks oder des Baugrundes aufgrund von Hebungen durch Wasserdruck (Auftrieb) oder sonstigen vertikalen Einwirkungen. Hydraulic failure Hydraulischer Grundbruch und Materialtransport im Boden infolge von hydraulischen Gradienten. Folie 1.12

14 1 Sicherheitskonzept Grundlagen: DIN EN 1990 Nachweisformate: DIN 1054 ( ) DIN EN ( ) + DIN 1054 ( ) Grenzzustände GZ 1A ULS EQU ULS UPL ULS HYD GZ 1B ULS GEO-2 (Nachweisverfahren 2) ULS STR GZ 1C ULS GEO-3 (Nachweisverfahren 3) Lastfälle Bemessungssituationen LF1 BS-P (persistent = ständig) LF2 BS-T (transient = vorübergehend) LF3 BS-A (accidental = außergewöhnlich) BS-E (earthquake = Erdbeben) Folie 1.13

15 1 Nachweisformate Grundlagen: DIN EN 1990 Nachweisformate für den Nachweis im Grenzzustand der Tragfähigkeit für geotechnische Standsicherheitsnachweise a) Nachweise gegen Verlust der Lagesicherheit: destabilisierende Einwirkungen gegenüber stabilisierenden Einwirkungen (d.h. es sind keine Widerstände mobilisierbar! EQU, UPL, HYD) ULS: E (F d ) = E d,dst E d,stb b) Nachweise von Bauteil- und Bodenwiderständen ungünstige Beanspruchungen E d nach DIN EN 1990 und für Widerstände R d nach DIN EN bzw. DIN 1054 (STR, GEO 2) ULS: E d (F k ) R d Folie 1.14

16 1 Sicherheitskonzept Grundlagen: DIN EN 1990 Bemessungssituationen für die Grenzzustände der Tragfähigkeit a) Ständige und vorübergehende Situationen (BS-P und BS-T) Bemessungswerte der ständigen Einwirkungen, der vorherrschenden veränderlichen Einwirkungen (Leiteinwirkung) und der mit Kombinationsbeiwerten behafteten zugehörigen veränderlichen Einwirkungen (Begleiteinwirkungen) gemäß der Kombinationsregel: E d E G P b) Außergewöhnliche Situationen (BS-A) z.b. Brand, Explosion oder Anprall c) Situationen infolge von Erdbeben (BS-E) Q G, j k, j P k Q,1 k,1 j1 i1 = Bemessungswert der Auswirkung dieser Einwirkungen! Q, i 0, i Q k, i Folie 1.15

17 1 Nachweisformate Grundlagen: DIN EN 1990 Teilsicherheitsbeiwerte für den Nachweis im Grenzzustand der Tragfähigkeit für Stahl- bzw. Stahlbetontragwerke des Hochbaus für Einwirkungen F d und Beanspruchungen E d nach DIN EN 1990 und für Widerstände R d nach DIN EN bzw. DIN EN (NA) ULS: E(F d ) = E d R d Folie 1.16

18 1 Sicherheitskonzept Grundlagen: DIN EN 1990 Nachweisführung nach altem Normenkonzept E R / HARTE/PULSFORT/VOGT: Bemessungsaufgaben in der Geotechnik nach EC 7 und EC 2. Seminar der Ing.kammer/Ingenieurakad. West, Duisburg 2015 Folie 1.17

19 1 Sicherheitskonzept Grundlagen: DIN EN 1990 Heutiges normenkonformes Grenzzustandskonzept probabilistisch: f(z) = f(r) f(e) p(z<0)?? Charakteristische Werte Bemessungswerte deterministisch: E d R d HARTE/PULSFORT/VOGT: Bemessungsaufgaben in der Geotechnik nach EC 7 und EC 2. Seminar der Ing.kammer/Ingenieurakad. West, Duisburg 2015 Folie 1.18

20 1 Sicherheitskonzept Grundlagen: DIN EN 1990 Bauwerke mit dominanter Horizontalkraft-Einwirkung z.b. Windenergieanlagen (WEA) Pfahlgründung Bei Zug- und Druckpfählen Bemessungswerte für max. Pfahldruckkräfte E 1,d = 1,35 E G,k + 1,50 E Q,k Y Z X HARTE/PULSFORT/VOGT: Bemessungsaufgaben in der Geotechnik nach EC 7 und EC 2. Seminar der Ing.kammer/Ingenieurakad. West, Duisburg 2015 Folie 1.19

21 1 Sicherheitskonzept Grundlagen: DIN EN 1990 Bauwerke mit dominanter Horizontalkraft-Einwirkung z.b. Windenergieanlagen (WEA) Pfahlgründung Bei Zug- und Druckpfählen Bemessungswerte für max. Pfahlzugkräfte E 1,d = 1,00 E G,k + 1,50 E Q,k Y Z X HARTE/PULSFORT/VOGT: Bemessungsaufgaben in der Geotechnik nach EC 7 und EC 2. Seminar der Ing.kammer/Ingenieurakad. West, Duisburg 2015 Folie 1.20

22 1 Sicherheitskonzept Grundlagen: DIN EN 1990 Bauwerke mit dominanter Horizontalkraft-Einwirkung z.b. Windenergieanlagen (WEA) Flachgründung Welche Kombination ist für die Ermittlung der Sohldruckverteilung anzusetzen: für die Beanspruchung der Bodenfuge? Y Z X für die Bemessung des Fundamentes? HARTE/PULSFORT/VOGT: Bemessungsaufgaben in der Geotechnik nach EC 7 und EC 2. Seminar der Ing.kammer/Ingenieurakad. West, Duisburg 2015 Folie 1.21

23 1 Sicherheitskonzept Grundlagen: DIN EN 1990 Bauwerke mit dominanter Einwirkung von Horizontallasten (SLS) 0,9 Quelle: Fingerloos et al.: Eurocode 2 für Deutschland: Erläuterungen zu DIN EN mit Nationalem Anhang Folie 1.22

24 1 - Sicherheitskonzept Änderung in der geotechnischen Nachweis- Philosophie : In der Regel rechnet man mit charakteristischen Werten der ständigen Einwirkungen, aber nun auch in der Geotechnik: repräsentative Werte bei mehreren veränderlichen Einwirkungen (d.h. jetzt mit ψ-werten nach DIN EN ): Q r e p Q k, 1 0, i Q k, i in der Geotechnik: ψ 0 = 0,8; ψ 1 = 0,7; ψ 2 = 0,5 Folie 1.23

25 2 - Teilsicherheitsbeiwerte γ F / γ E für Einwirkungen/Beanspruchungen Nachweisformat EQU Verlust der Lagesicherheit: Einwirkung bzw. Beanspruchung aus Zeichen BS-P BS-T Ungünstige ständige Einwirkungen γ G,dst 1,10 1,05 Günstige ständige Einwirkungen γ G,stb 0,95 0,90 Nachweisformat HYDRO/UPL Versagen durch hydraulischen Grundbruch und Aufschwimmen (ähnlich dem Verlust der Lagesicherheit) Einwirkung bzw. Beanspruchung aus Zeichen BS-P BS-T Destabilisierenden ständigen Einw. γ G, dst 1,05 1,05 Stabilisierende ständige Einw. γ G, stb 0,95 0,95 Strömungskraft bei ungünstigem Untergrund Strömungskraft bei günstigem Untergrund γ H 1,95 1,95 γ H 1,45 1,45 Folie 1.24

26 2 - Teilsicherheitsbeiwerte γ F / γ E für Einwirkungen/Beanspruchungen Nachweisformat STR/Geo-2 Versagen von Bauteilen und Baugrund: Einwirkung bzw. Beanspruchung aus Zeichen BS-P BS-T ständigen Einwirkungen allgemein γ G 1,35 1,20 günstigen ständigen Einwirkungen γ G,inf 1,00 1,00 ständigen Einw. aus Erdruhedruck γ G,E0 1,20 1,10 veränderlichen ungünstigen Einw. γ Q 1,50 1,30 Nachweisformat GEO-3 Versagen durch Verlust der Gesamtstandsicherheit im Baugrund (Böschungs- und Geländebruch) Einwirkung bzw. Beanspruchung aus Zeichen BS-P BS-T ständige Einwirkungen allgemein γ G 1,00 1,00 ungünstige veränderliche Einw. γ Q 1,30 1,20 Folie 1.25

27 2 - Teilsicherheitsbeiwerte γ R für Widerstände (Auszug) Nachweisformat STR/Geo-2 Versagen von Bauteilen und Baugrund: Widerstand Zeichen BS-P BS-T Erdwiderstand, Grundbruchwiderstand γ R,e 1,40 1,30 γ R,v Gleitwiderstand γ R,h 1,10 1,10 Pfahlwiderstand auf GL von Erfahrungswerten - Druckpfahl Pfahlwiderstand auf GL von Erfahrungswerten - Zugpfahl Herausziehwiderstand von Verpresskörpern von Ankern γ b, γ s 1,50 1,50 γ s,t 1,40 1,40 γ a 1,10 1,10 Nachweisformat GEO-3 Versagen durch Verlust der Gesamtstandsicherheit im Baugrund (Böschungs- und Geländebruch) Widerstand Zeichen BS-P BS-T Reibungsbeiwert tanφ bzw. tanφ U γ φ, γ φu 1,25 1,15 Kohäsion c bzw. undränierte γ c, γ cu 1,25 1,15 Scherfestigkeit c U Folie 1.26

28 3.1 - Nachweis der Äußeren Standsicherheit - Lagesicherheit (EQU) Nachweis, dass Nachweise für unterschiedliche Versagensmechanismen: - Gleiten - Grundbruch - Böschungs- und Geländebruch - Extreme Ausmitte der Sohldruckresultierenden ( Kippen = SLS) - Erforderliche Einbindetiefe - Erforderliche Länge von Ankern Folie 1.27

29 3.2 - Nachweis der Gebrauchstauglichkeit - Geotechnisch: vorrangig durch Begrenzung der Verformungen - Setzungen - Horizontalverschiebungen - Schiefstellungen - Schwingungsamplituden E d, frequ E G Q k, j 1,1 k,1 j1 i1 2, i Q k, i Zitat: Folie 1.28

30 Folie 1.29 Bemessungssituationen für die Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit a) Seltene Situationen (für nicht umkehrbare Auswirkungen) Seltene (charakteristische) Kombination: b) Häufige Situationen (für umkehrbare Auswirkungen) Häufige Kombination: c) Quasi-ständige Situationen (für Langzeitauswirkungen) Quasi-ständige Kombination: 1, 0,,1 1,, i i k i k j j k rare d Q Q G E E 1, 2,,1 1,1 1,, i i k i k j j k frequ d Q Q G E E 1, 2, 1,, i i k i j j k perm d Q G E E Nachweis der Gebrauchstauglichkeit

31 4.1 - Nachweis der Inneren Standsicherheit = Bauteil-Bemessung z.b. nach den Stahlbau-Normen Folie 1.30

32 4.2 Gebrauchstauglichkeit/Dauerhaftigkeit der Bauteile Stahlkonstruktionen z.b. hinsichtlich: Korrosionsschutz bzw. Abrostungszuschlag/Wanddickenverluste Sandschliff Anprall Ermüdung Folie 1.31

33 4.2 Dauerhaftigkeit von Beton nach DIN EN /NA Stahlbeton lt. Nationalem Anhang NA: Mischungsentwurf für die jeweilige Exposition (Druckfestigkeitsklasse nach Tabelle NA 4.3, LP-Bildner, Zementsorte) Beschränkung der Rissbreite Betondeckung der Bewehrung (Anforderungsklasse nach Tabelle NA 4.4) Folie 1.32

34 5 - Herstellbarkeit - Ausführungsnormen z.b. für Stahltragwerke im Grundbau: DIN EN ( ) Konformitätsnachweis für tragende Bauteile DIN EN ( ) Technische Regeln für die Ausführung von Stahltragwerken DIN EN ( ) Spundwandkonstruktionen (systematic review 2014/15) DINSpec ( ) Ergänzende Festlegungen zu DIN EN 1537 ( ) Verpressanker DIN EN ( ) Verdrängungspfähle Folie 1.33

35 5 - Herstellbarkeit - Ausführungsnormen z.b. Rammen und Ziehen Kriterien zur Beurteilung der Rammbarkeit Notwendigkeit von Rammhilfen (Auflockerungsbohrungen, Spülhilfe) Wiedergewinnbarkeit Folie 1.34

36 6 - Beispiel DIN 18304: Ramm-, Rüttel- und Pressarbeiten 2.3 Beschreibung von Boden und Fels und Einteilung in Homogenbereiche Boden und Fels sind zur Beurteilung für das Einbringen und Ziehen von Bauelementen in Homogenbereiche einzuteilen. Ein Homogenbereich ist ein räumlich begrenzter Bereich aus einer oder mehreren Boden- oder Felsschichten nach DIN 4020 und DIN EN , dessen bautechnische Eigenschaften eine definierte Streuung aufweisen und der sich von den Eigenschaften der abgegrenzten Bereiche abhebt. Für die Homogenbereiche sind die folgenden Eigenschaften und Kennwerte zusammen mit der zu Grunde gelegten Norm oder Empfehlung anzugeben. hier für diese Arbeiten in Boden: - Bodengruppe nach DIN 18196, ergänzend ortsübliche Bezeichnung, - Korngrößenverteilung nach DIN EN ISO , - Anteil an Steinen ( mm) und Blöcken (> 200 mm) nach DIN 18123, - Konsistenz nach DIN EN ISO oder DIN EN ISO und DIN 18122, - Lagerungsdichte auf Grundlage von Sondierungen nach DIN 4094 bzw. DIN EN ISO oder DIN EN ISO Folie 1.35

37 6 neue VOB-Normen - erf. Kennwerte/Eigenschaften von Böden DIN (ATV) Nr. Kennwerte/ ) Eigenschaften GK2, 3 GK1 1 Korngrößenverteilung m. n. e. n. e. Körnungsbändern 2a Anteil an Steinen 2b Anteil an Blöcken 2c Anteil an großen Blöcken 3 mineralogische n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. Zusammensetzung der Steine und Blöcke 4 Dichte n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. 5 Kohäsion n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. 6 undränierte Scherfestigkeit n. e. n. e. 7 Sensitivität n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. 8 Wassergehalt n. e. n. e. 9 Konsistenz n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. 10 Plastizität n. e. n. e. n. e. 11 Konsistenzzahl n. e. n. e. 12 Durchlässigkeit n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. 13 Lagerungsdichte 14 Kalkgehalt n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. 15 Sulfatgehalt n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. 16 organischer Anteil n. e. n. e. n. e. n. e. 17 Benennung und n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. Beschreibung organischer Böden 18 Abrasivität n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. n. e. 19 Bodengruppe 20 ortsübliche Bezeichnung n. e. n. e. Anzahl der Kennwerte/ Eigenschaften = Angabe erforderlich n.e. = Angabe nicht erforderlich 1) = Entwurf Folie 1.36