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September 2012
Tim Welskopf
Untersuchungen zum Tragverhalten von Pfählen unter aktiver Horizontalbelastung
Vertikale Pfähle tragen horizontale Belastungen am Pfahlkopf im umgebenden Boden durch horizontale Bettungsspannungen ab. In diesem Prozess wird der mobilisierbare Pfahlwiderstand durch die Pfahl-Boden-Interaktion bestimmt. Trotz zahlreicher Untersuchungen in den vergangenen Jahren ist der aktuelle Wissensstand bezüglich der horizontalen Pfahl-Boden-Interaktion noch immer unzureichend. In der Praxis wird sie häufig vernachlässigt oder in stark vereinfachter Form, wie im sogenannten Bettungsmodulverfahren, berücksichtigt, was zu unwirtschaftlichen oder sogar fehlerhaften Entwürfen führen kann. Die schon bei statischer Belastung zu beobachtende Komplexität der Pfahl-Boden-Interaktion ist auf das nichtlineare Tragverhalten des Bodens, die Phänomene in der Kraftübertragung zwischen Pfahl und Boden sowie die räumliche Komponente des Problems zurückzuführen. Im Falle einer zyklischen oder dynamischen Belastung des Pfahles wird der Schwierigkeitsgrad zusätzlich durch die unterschiedliche Steifigkeit des Bodens bei einem Richtungswechsel der Beanspruchung sowie die belastungsinduzierte Veränderung der Lagerungsdichte erhöht. Deshalb sind nur solche Methoden zur Untersuchung der Pfahl-Boden-Interaktion geeignet, die der Komplexität des Problems gerecht werden. Dementsprechend wurden in dieser Arbeit kleinmaßstäbliche Modellversuche sowie numerische Untersuchungen mit Hilfe dreidimensionaler Finite-Elemente-Modelle durchgeführt.
In den physikalischen Modellversuchen mit unterschiedlich dicht gelagertem trockenen Sand wurden Einzelpfähle (schwimmend) unter statischer, zyklischer und dynamischer (f <= 7 Hz) Horizontalbelastung betrachtet; Ergebnisse waren Last-Verschiebungskurven des Pfahlkopfes sowie aus den Dehnungsmessungen am Pfahlschaft zurückgerechnete Momentenverteilungen. Der geometrische Modellmaßstab betrug 1:12, wobei als Prototyp ein Stahlbetonpfahl mit einem Durchmesser von 30 cm und einer Einbindetiefe von 5 m diente. Um herstellungsbedingte Einflüsse zu berücksichtigen, erfolgte der Einbau der Modellpfähle durch vertikales Einpressen.
Das entwickelte FE-Modell des umgebenden Bodens, das auf dem hypoplastischen Stoffgesetz - erweitert um das Konzept der intergranularen Dehnung - basiert, wurde zur Nachrechnung der Modellversuche, der Verbesserung des Modellgesetzes und für Parameterstudien am Prototyp verwendet. Es ist in der Lage, die Veränderung der Bodeneigenschaften während der statischen, der zyklischen oder der dynamischen Belastung zu simulieren. Während die Pfahl-Boden-Interaktion bei Bohrpfählen zufriedenstellend beschrieben wird, so dass verschiedene Parameterstudien bezüglich der Boden-und Kontakteigenschaften durchgeführt werden konnten, lässt sich das im Modellversuch beobachtete Verhalten eines Verdrängungspfahles unter zyklischer oder dynamischer Belastung noch nicht zutreffend reproduzieren. Hier sind weitere Untersuchungen zur Verbesserung des numerischen Modells notwendig.
In den physikalischen Modellversuchen mit unterschiedlich dicht gelagertem trockenen Sand wurden Einzelpfähle (schwimmend) unter statischer, zyklischer und dynamischer (f <= 7 Hz) Horizontalbelastung betrachtet; Ergebnisse waren Last-Verschiebungskurven des Pfahlkopfes sowie aus den Dehnungsmessungen am Pfahlschaft zurückgerechnete Momentenverteilungen. Der geometrische Modellmaßstab betrug 1:12, wobei als Prototyp ein Stahlbetonpfahl mit einem Durchmesser von 30 cm und einer Einbindetiefe von 5 m diente. Um herstellungsbedingte Einflüsse zu berücksichtigen, erfolgte der Einbau der Modellpfähle durch vertikales Einpressen.
Das entwickelte FE-Modell des umgebenden Bodens, das auf dem hypoplastischen Stoffgesetz - erweitert um das Konzept der intergranularen Dehnung - basiert, wurde zur Nachrechnung der Modellversuche, der Verbesserung des Modellgesetzes und für Parameterstudien am Prototyp verwendet. Es ist in der Lage, die Veränderung der Bodeneigenschaften während der statischen, der zyklischen oder der dynamischen Belastung zu simulieren. Während die Pfahl-Boden-Interaktion bei Bohrpfählen zufriedenstellend beschrieben wird, so dass verschiedene Parameterstudien bezüglich der Boden-und Kontakteigenschaften durchgeführt werden konnten, lässt sich das im Modellversuch beobachtete Verhalten eines Verdrängungspfahles unter zyklischer oder dynamischer Belastung noch nicht zutreffend reproduzieren. Hier sind weitere Untersuchungen zur Verbesserung des numerischen Modells notwendig.
Schlagwörter: Tragverhalten von Pfählen; aktive Horizontalbelastung; Geotechnik
Berichte des Lehr- und Forschungsgebietes Geotechnik
Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. B. Walz und Prof. Dr.-Ing. M. Pulsfort, Wuppertal
Band 33
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