Seismische Bemessung von Spundbohlen. Flyer | 2021Stark und nachhaltig: ArcelorMittal präsentiert Stahl-Lösungen mit niedrigen CO2-Emissionen auf der Bauma Komplettes Stahlsortiment für die Bau- und Baumaschinenindustrie Produkte als XCarb® mit bis zu 81

Innovative seismische Konstruktionslösungen für nachhaltige Spundbohlen-Infrastrukturen

Hervorragende Leistung von Spundbohlen unter Erdbebenbelastung

Stahlspundbohlen werden häufig für den Bau einer Vielzahl von Bauwerken verwendet: Kaimauern und Wellenbrecher in Häfen, Uferbefestigungen an Flüssen und Kanälen, städtische Infrastrukturen wie Unterführungen sowie globale Gefahrenabwehrsysteme. Spundbohlen werden auch in erdbebengefährdeten Gebieten eingesetzt und haben sich bei Erdbeben bewährt.

Chile ist das Land, das die stärksten Erdbeben in der Geschichte erlebt hat, darunter das Maule-Erdbeben der Stärke 8,8, das 2010 die Pazifikküste erschütterte. Viele der Erdbeben, die Chile in den letzten zehn Jahren heimgesucht haben, verursachten schwere Schäden an den Betonhäfen des Landes. Der Hafen von Mejillones, der 2003 mit einer kombinierten Spundwand aus HZ/AZ für die Kaimauer und geraden Steg-Spundbohlen AS 500 für die Wellenbrecher gebaut wurde, blieb bei mehreren schweren Erdbeben mit einer Stärke von bis zu 7,7 unbeschädigt. Alle an diesem Projekt beteiligten Parteien (Hafenbehörde, Berater, Bauunternehmer und technische Universität) waren sich einig, dass dieser Hafen ein perfektes Beispiel für die Wirksamkeit flexibler Spundwandkonstruktionen unter extremen seismischen Bedingungen ist.

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Eine parametrische Studie, die ein breites Spektrum von Fällen abdeckt

Numerische Studien und physikalische Experimente (Zentrifugenprüfungen) haben gezeigt, dass diese herkömmlichen Bemessungsmethoden die Lasten auf Stützwände überschätzen, insbesondere bei flexiblen Wänden.

Die EN 1998-5 ermöglicht eine Reduzierung der seismischen Einwirkungen in Abhängigkeit von den zulässigen Verschiebungen durch einen Reduktionsfaktor „r“, der jedoch hauptsächlich für Schwerkraftwände gedacht ist und keine Reduzierung für verankerte Wände, einschließlich Spundwände, zulässt, trotz ihrer inhärenten Duktilität.

Heute ermöglichen leistungsfähige Konstruktionswerkzeuge unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM) dynamische Berechnungen, mit denen das Verhalten von Stützwänden unter verschiedenen seismischen Belastungen genau vorhergesagt werden kann.

Fortschrittliche seismische Bemessungsmethoden ermöglichen bis zu 50 % Kosteneinsparungen

Die Studie untersuchte elf Fälle mit unterschiedlichen Bodenerkundungen, seismischen Beschleunigungen und Wassertiefen (siehe Tabelle), um klare Schlussfolgerungen zu den Vor- und Nachteilen der einzelnen Bemessungsmethoden zu ziehen.

Die pseudostatische Bemessung wird mit der elastoplastischen Untergrundreaktionssoftware RIDO durchgeführt. Die seismische Einwirkung wird durch Modifizierung der Erddruckkoeffizienten Ka und Kp auf Basis der bekannten Mononobe-Okabe-Formel berücksichtigt. Dies führt zu einer Erhöhung des aktiven Drucks hinter der Wand und einer Verringerung des passiven Drucks vor der Wand.

Für eine wirtschaftliche Lösung ist die richtige Berücksichtigung hydrodynamischer Lasten erforderlich

Die gängige Praxis zur Berücksichtigung hydrodynamischer Lasten besteht darin, eine pseudostatische Last zu berücksichtigen, die gemäß EN 1998-5 (Westergaard-Formel) berechnet wird. Dies bedeutet, dass eine permanente Last durch das Wasser während der gesamten Dauer des Erdbebens auf die sich bewegende Kaimauer berücksichtigt wird. SENER führte FEM- und CFD-Berechnungen (Computational Fluid Dynamics) durch, um die Einwirkung hydrodynamischer Lasten auf eine Spundwand während der seismischen Bewegung zu messen.

Die CFD-Berechnungen berücksichtigten Boden-Flüssigkeits-Wechselwirkungen im Rahmen dynamischer Analysen. Die zum Zeitpunkt „t“ des Erdbebens berechnete hydrodynamische Belastung stimmte sehr gut mit der Westergaard-Belastung überein, die mit der seismischen Beschleunigung zum gleichen Zeitpunkt berechnet wurde. Das bedeutet, dass die in EN 1998-5 genannte hydrodynamische Belastung, die die maximale Bodenbeschleunigung verwendet, die Obergrenze der hydrodynamischen Belastungen darstellt.

Italienische Norm NTC 2018 würdigt tansanisches Sprichwort über die Flexibilität von Spundbohlen

Nachdem die Überbewertung aufgezeigt wurde, die sich aus pseudostatischen Berechnungen nach EN 1998-5 ergeben kann, wurde untersucht, was die neue italienische Erdbebennorm NTC 2018 in dieser Hinsicht zu bieten hat.

Die NTC 2018 folgt bei pseudostatischen Berechnungen derselben Philosophie wie die EN 1998-5, führt jedoch zahlreiche Änderungen an den Parametern zur Definition der Erdbebenwirkung ein. Die wichtigsten Änderungen betreffen den Erdbebenreduktionskoeffizienten, der unter anderem die Verformbarkeit der Konstruktion und die Verformbarkeit des Bodens berücksichtigt. In der Praxis ermöglicht die NTC 2018 eine weitere Reduzierung des Erdbebenkoeffizienten für flexiblere Wände.

SENER führte die pseudostatischen Berechnungen unter Verwendung der NTC 2018 als Referenznorm für den Erdbebenkoeffizienten durch. Die resultierenden Spundbohle-Profile waren leichter als die mit EN 1998-5 erhaltenen und näher an denen aus dynamischen FEM-Berechnungen.