Erdbebenberechnung
Wirtschaftliche Vorteile fortschrittlicher Berechnungsmethoden
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Fortgeschrittene Berechnungsmethoden führen zu wirtschaftlichen Spundbohlenlösungen in erdbebengefährdeten Gebieten
Übliche seismische Berechnungsmethoden werden in vielen Fällen immer noch als unzureichend angesehen, insbesondere bei stahlbasierten Kaimauerkonstruktionen, bei denen die Anwendung dieser Bemessungsansätze ein erhebliches Potenzial zur Kostenoptimierung behindert.
SENER, eine internationale maritime Ingenieurgruppe mit Sitz in Spanien, führte eine Studie durch, um die Hauptmerkmale einer fortschrittlichen Bemessung von Spundwänden in erdbebengefährdeten Gebieten aufzuzeigen.
Diese Studie verwendet die dynamische Berechnungsmethode auf der Grundlage der Finite-Elemente-Methode (FEM) und unter Berücksichtigung des realen Beschleunigungszeitverlaufs als seismischen Input.
Broschüre zur seismischen Berechnung
Detaillierte Leitlinien für die seismische Bemessung von Spundbohlen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM), einschließlich der Modellgeometrie und hydrodynamischer Lasten, finden Sie in unserer umfassenden Broschüre, und unsere technischen Experten stehen Ihnen gerne zur Verfügung, wenn Sie Hilfe benötigen.
Fortgeschrittene seismische Berechnungsmethoden ermöglichen Kosteneinsparungen von bis zu 50 %
Der erste Teil der Studie verwendet einen Referenzfall, um die verschiedenen Aspekte hervorzuheben, die bei der dynamischen Bemessung mit FEM zu berücksichtigen sind, und beleuchtet die hydrodynamischen Lasten und ihre Auswirkungen auf die Bemessung unter Verwendung von Computational Fluid Dynamics (CFD) Modellen.
In der Literatur gibt es mehrere konstitutive Modelle für Böden, die für eine dynamische FEM-Berechnung verwendet werden können. Die Modelle, die das Bodenverhalten am besten beschreiben, erfordern in der Regel komplexe numerische Parameter, die dem Konstrukteur nicht immer zur Verfügung stehen. Das konstitutive Modell Hardening Soil Small Strain (HSSmall) stellt jedoch einen guten Kompromiss zwischen der Komplexität der Parameter und der Genauigkeit der Ergebnisse dar.
Das konstitutive Modell HSSmall weist die folgenden Merkmale auf:
- Verdichtung;
- Spannungsabhängige Steifigkeit;
- Boden-Spannungs-Verlauf;
- Plastisches Fließen;
- Dilatanz;
- Starke Steifigkeitsvariation im Bereich kleiner Dehnungen;
- Hysteretische, nichtlineare elastische Spannungs-Dehnungs-Beziehung (anwendbar im Bereich kleiner Dehnungen).
Eine parametrische Studie, die ein breites Spektrum von Fällen abdeckt
Der zweite Teil der Studie vergleicht die dynamische Berechnungsmethode mit der traditionellen pseudostatischen Methode, die die Mononobe-Okabe-Formel verwendet. Der Vergleich wird anhand einer parametrischen Studie durchgeführt, die elf Fälle behandelt. Die Ergebnisse werden vorgestellt, kommentiert und ausgewertet. Abschließend werden Schlussfolgerungen zu den besten Praktiken bei der seismischen Bemessung von Spundbohlen gezogen.
Die Studie umfasst 3 Fälle, die in 11 Unterfälle unterteilt sind.
- Fall 1: dichter sandiger Boden, niedriges Beschleunigungsniveau (0,10 g) und zwei Meeresbodenebenen
- Fall 2: dichter sandiger Boden, zwei seismische Einwirkungsniveaus: mittel (0,30 g) und hoch (0,40 g), und vier Meeresbodenebenen
- Fall 3: tonhaltiger Schluffboden, hohes Beschleunigungsniveau (0,50 g) und eine Meeresbodenebene
Die pseudostatische Bemessung wird mit dem elasto-plastischen Bettungsprogramm RIDO durchgeführt. Die seismische Einwirkung wird durch Modifikation der Erddruckkoeffizienten Ka und Kp auf der Grundlage der bekannten Mononobe-Okabe-Formel berücksichtigt. Dies führt zu einer Erhöhung des aktiven Drucks hinter der Wand und zu einer Verringerung des passiven Drucks vor der Wand.
Die dynamische Bemessung erfolgt mit der FEM-Software Plaxis 2D. Die seismische Einwirkung wird durch seismische Signale berücksichtigt, die am Boden des 2D-Modells eingeführt werden.
Die verwendeten Signale wurden an die Spektren der DIN EN 1998-1 angepasst und auf die jeweilige Spitzenbodenbeschleunigung (PGA) des untersuchten Falles skaliert.
In allen untersuchten Fällen zeigte sich ein erhebliches Optimierungspotenzial bei der Verwendung des FEM-Entwurfs. Die Biegemomente in der pseudostatischen Bemessung sind um 40 % bis 126 % höher als in der FEM-Bemessung. Unter Berücksichtigung der jeweiligen Spundwandprofile ergibt sich eine Materialkosteneinsparung von bis zu 28 % bei leichten bis mittleren Erdbeben (0,10 g) und bis zu 48 % bei starken Erdbeben (0,30 g-0,40 g).
Italienische Norm NTC 2018
Nachdem die Überschätzung, die sich aus der Durchführung pseudostatischer Berechnungen unter Verwendung der DIN EN 1998-5 ergeben kann, aufgezeigt wurde, wurde in der Studie analysiert, was die neue italienische Erdbebennorm NTC 2018 in dieser Hinsicht zu bieten hat.
NTC 2018 folgt der gleichen Philosophie wie die DIN EN 1998-5 für pseudostatische Berechnungen, führt jedoch zahlreiche Änderungen bei den Parametern ein, die die seismische Einwirkung definieren. Die wichtigsten Änderungen betreffen den seismischen Abminderungskoeffizienten, der u. a. die Verformbarkeit des Bauwerks und die Verformbarkeit des Bodens berücksichtigt. In der Praxis ermöglicht die NTC 2018 eine weitere Reduzierung des seismischen Koeffizienten für flexiblere Wände.
SENER führte die pseudostatischen Berechnungen unter Verwendung der NTC 2018 als Referenzstandard für den seismischen Koeffizienten durch. Die resultierenden Spundwandprofile waren leichter als die nach DIN EN 1998-5 ermittelten und näher an denen aus dynamischen FEM-Berechnungen.
Diese Ergebnisse bestätigen, dass der Eurocode DIN EN 1998-5 das wahre Potenzial von Spundbohlen in Erdbebengebieten nicht erkennen lässt. Dieses Potenzial kann durch fortschrittliche Berechnungsmethoden und neuere Normen voll ausgeschöpft werden.
