Experimentelle und rechnerische Untersuchungen zum Tragverhalten räumlicher Aussteifungssysteme von Tiefen Baugruben

摘要

Struts are the most sensitive elements of deep excavations. Their failure can cause the collapse of the whole excavation, damaging adjacent structures. Thus high demands have to be made on the reliability of the calculation and design model used to predict the forces within a spatial bracing system. In contrast to linear excavations, the design of spatial, multi-layered bracing systems has to take complex interactions and dependencies within the soil and the whole struts structure into account. The case study of a deep excavation in Frankfurt Clay demonstrates these complex interactions based on continuous field observations: the time-variant mobilisation of the strut forces is strongly influenced by the time-dependent earth-pressure development and redistribution, by the pre-stressing of single struts and by various temperature changes within the spatial bracing system. Daily and seasonal temperature changes may represent the relevant load case for steel struts exposed to the elements. Standard design approaches often underestimate the impact of temperature changes. For the design of spatial bracing systems of deep excavations no standard design concept is established. The evaluation presented herein show that a three-dimensional analysis model is to be recommended as precondition for a reliable prediction of the strut forces within a statically indeterminate spatial bracing system.%Steifen sind die sensibelsten Bauteile einer Baugrubenkonstruktion, da ihr Versagen den Einsturz der Gesamtkonstruktion mit weitreichenden Schäden im Umfeld einer Baugrube zur Folge haben kann. Es sind daher hohe Anforderungen an die Realitätsnähe und Zuverlässigkeit des rechnerischen Bemessungsmodells, mit denen der Kraftfluss im Aussteifungssystem prognostiziert wird, zu stellen. Anders als bei Linienbaugruben sind bei räumlichen, mehrlagigen Aussteifungssystemen dabei vielfältige Wechselwirkungen und Abhängigkeiten innerhalb der gesamten Aussteifungskonstruktion zu berücksichtigen. Die in dem Beitrag vorgestellte Analyse der kontinuierlichen Messungen an einer Tiefen Baugrube im Frankfurter Ton zeigt die komplexen Zusammenhänge, die den Kraftfluss in einem solchen Aussteifungssystem beeinflussen: neben der aushubinduzierten, in bindigen Böden zeitvarian-ten Erddruckentwicklung und -umlagerung bestimmen Vorspannvorgänge und die räumlich inhomogenen Temperaturschwankungen die zeitabhängige Entwicklung der Steifenkräfte. Aus tageszeitlichen und saisonalen Temperaturwechseln kann sich für unverschattete Stahlsteifen der maßgebende Lastfall ergeben, was durch die gewählten Bemessungsansätze oft unterschätzt wird. Für räumliche Aussteifungssysteme Tiefer Baugruben gibt es kein einheitliches, bewährtes Bemessungskonzept. Die vorgestellten Untersuchungen zeigen aber, dass eine zuverlässige Prognose des Kraftflusses in einem statisch unbestimmten, räumlichen Aussteifungssystem ein dreidimensionales Berechnungsmodell erfordert, in dem das statische System der Aussteifung, die Systemsteifigkeit des Verbaus - unter Berücksichtigung von Gurtung und Ausfachung -und die Bettung, also die Wechselwirkung zwischen Verbau und Boden, zutreffend sowie die räumlich inhomogene Temperaturbeanspruchung mit ihrer maßgebenden Bandbreite anzusetzen sind.