Untersuchungen zum herstellungsbedingten Schlossversagen bei kombinierten Stahlspundwänden
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Forschungsprojekt beschäftigt sich mit den Ursachen für Schlosssprengungen bei kombinierten Spundwänden und den schadensursächlichen Mechanismen in den Spundwandschlössern. Ein weiterer Schwerpunkt sind Untersuchungen zur Ursache von einbringbedingten Lageabweichungen der Profile und ihre Folgen für die Tragfähigkeit. In einer Fallstudie werden verschiedene Ufereinfassungen aus kombinierten Spundwänden betrachtet, bei deren Bau Schlosssprengungen auftraten. Die Bandbreite der zur Ausführung gekommenen Konstruktionen macht deutlich, dass lokale Randbedingungen sowie Erfahrungswerte die Wahl der Ausführungsvariante und der Bauweise bestimmen. Aus diesem Grund ist das Auftreten von Schlosssprengungen je Schadensfall auf die besonderen Randbedingungen zu untersuchen. Schlossschäden lassen sich entweder auf einzelne Ursachen oder auf eine Überlagerung mehrerer Mechanismen zurückführen. Im konkreten Schadensfall ist daher eine detaillierte Betrachtung aller möglichen Ursachen und deren Kombinationen erforderlich. Da keine Schadensfälle zu nachträglichen Schlosssprengungen bekannt sind, wird ein Versagen der Spundwandschlösser nach der Einbringung als unwahrscheinlich eingeschätzt. In Feldmessungen wird das dynamische Schwingungsverhalten von Spundwandprofilen beim Vibrationsrammen messtechnisch begleitet. Das Schwingungsverhalten in-situ wird überwiegend durch die Maschinenparameter und die Rammführung bestimmt. Die Spundwandschlösser schwingen sowohl in axialer als auch in horizontaler Ebene und hierbei überwiegend innerhalb des möglichen Schlossspiels. Ein Reibkontakt der Schlösser, der zu einer Temperaturbeanspruchung in den Spundwandschlössern und zu Schlossschäden führen kann, entsteht vornehmlich aufgrund von äußeren Zwängen, wie beispielsweise infolge von Lageabweichungen der Profile oder durch eine eingeschränkte Schlossgängigkeit. Reibungsbedingte Hitzeschäden an den Spundwandschlössern sind daher in der Regel lokal begrenzt. Eine allgemeine thermische Beanspruchung der Spundwandschlösser im Rahmen der Vibrationsrammung konnte nicht festgestellt werden. Sind die Fädelschlösser ungeschützt, so kann Boden in die Schlösser eindringen und sich beim Einbringen des anderen Schlosspartners verspannen. Laborversuche zeigen, dass die Verspannungstendenz eines granularen Bodens mit seiner Verdichtungsfähigkeit IF zunimmt. Ein Wechsel von Vibrations- auf Schlagrammen führt bereits bei geringen Rammtiefen zu schädigenden Radialspannungen im Schloss. Numerische Simulationen zeigen, dass übliche Fädelschlösser infolge dieser Beanspruchung plastifizieren und sich mit der Folge von Schlosssprengungen aufweiten. Im Allgemeinen kann eine nicht lagetreue Einbringung der Profile zu Zwangsbeanspruchungen in den Spundwandschlössern führen. In 1g-Modellversuchen wird für das Einbringen von Spundwandprofilen durch Einpressen gezeigt, dass Lageabweichungen aus der Interaktion von Boden und Profil resultieren können. Aufgrund von Verspannungseffekten zwischen den Profilinnenflächen neigen U-Profile zu einem Ausweichen aus der Wandebene, während sich Z-Profile als Einzelbohle verdrehen. Unter Anwendung der FEM werden die Mechanismen und deren Einflüsse auf die Führungs- und Einpresskräfte untersucht. Für die räumlichen FE-Analysen wird unter Ansatz der CEL-Methode eine Modellierungstechnik zur Abbildung schlanker Profile entwickelt und angewendet. Lageabweichungen der Tragbohlen zeigen einen maßgeblichen Einfluss auf die Tragfähigkeit kombinierter Spundwände gegenüber Wasserüberdruck. Im Rahmen von FE-Analysen für den ebenen Verformungszustand wird der Einfluss von Einbringtoleranzen auf die Einbaubarkeit der Zwischenbohlen sowie auf die Tragfähigkeit im Endzustand untersucht. Allgemein führen Lageabweichungen und Verdrehungen der Tragbohlen dann zu einer reduzierten Tragfähigkeit, wenn sie die Belastungen des Stegbleches erhöhen. Es werden Diagramme für gängige Zwischenbohlen entwickelt, die eine Berechnung des aufnehmbaren Wasserüberdrucks unter Berücksichtigung von Imperfektionen ermöglichen. Abschließend werden Empfehlungen für konstruktive Maßnahmen formuliert, um Schlossschäden und Lageabweichungen der Profile zu vermeiden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2015): »Untersuchungen zur Beanspruchung von Spundwandprofilen durch den Einbringprozess«. In: Konferenzband des HTG-Kongresses 2015, Hafenbautechnische Gesellschaft, Bremen, S. 185–198
Osthoff, D., Grabe, J. und Pucker, T.
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(2016): »Numerische Untersuchungen zum Tragverhalten von Zwischenbohlen kombinierter Spundwände unter der Berücksichtigung von Rammimperfektionen«. In: Baugrundtagung Forum für junge Geotechnik-Ingenieure, DGGT Deutsche Gesellschaft für Geotechnik, S. 121–129
Osthoff, D.
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(2016): »Untersuchung von Schlosssprengungen an ausgeführten Ufereinfassungen mit kombinierten Spundwänden«. In: Bautechnik 93 (12), S. 912–924
Osthoff, D. und Grabe, J.
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(2016): »Zum Tragverhalten von Spundwänden unter Berücksichtigung von Lageimperfektionen«. In: Stahlspundwände – Neues für Planung und Anwendung, Stahl- Informations-Zentrum
Grabe, J. und Osthoff, D.
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(2017): »Messtechnische Begleitung einer Spundwandvibrationsrammung«. In: J. Stahlmann (Hg.): Stahl im Wasserbau. In: Mitteilungen des Institutes für Grundbau und Bodenmechanik der Technischen Universität Braunschweig, Band 103, S. 71–88
Osthoff, D.
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(2017): »Zu den Ursachen von Schlosssprengungen bei kombinierten Spundwänden«. In: Konferenzband des HTG-Kongresses 2017, Hafenbautechnische Gesellschaft, Duisburg, S. 39–49
Osthoff, D. und Grabe, J.
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(2018): »Messtechnische Begleitung des vibrierenden Einbringens von Stahlspundwandprofilen«. In: Geotechnik
Osthoff, D.
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(2018): »Zur Ursache von Schlosssprengungen und zu einbringbedingten Lageabweichungen von Spundwänden«. Dissertation, Institut für Geotechnik und Baubetrieb der TUHH, 2018. Erscheinungsdatum: 2018
Umfang/FormatXVI, 196 S.
Osthoff, D.
