Zum Tragverhalten von Stahlspundwänden mit breiten Zwischenbohlen

Abstract

Der stetig steigende Welthandel führt zu einer deutlichen Erweiterung und Verstärkung von Infrastrukturbauwerken für die Schifffahrt. Hierzu gehören einerseits Kaimauern im Seehafenbereich, andererseits aber auch Schleusenbauwerke. Stahlspundwände bieten in verschiedenen Ausführungsvariationen wirtschaftliche und ökologische Lösungen für beide Bereiche. Für den Tiefwasserbereich, in dem die Spundwände starker Beanspruchung ausgesetzt sind, werden kombinierte Spundwände verwendet. Tragbohlen aus runden Stahl-Hohlprofilen oder I-förmigen Walzprofilen, zweitere mit bis zu rund einem Meter Profilhöhe, tragen Erd- und Wasserdruck sowie Auflasten aus Hafenaufbauten in den Baugrund ab. Z- oder U-förmige Zwischenbohlen werden zwischen den Tragbohlen eingebaut, um die meist großen Längen der Kaimauern wirtschaftlich abzudecken. Spezielle Schlossprofile verbinden Trag- und Zwischenbohlen. Im Bereich geringerer Spundwandlängen werden die Tragbohlen und die Schlossprofile nicht verwendet, sondern es wird eine Wellenspundwand ausschließlich aus Zwischenbohlen hergestellt. Im Boden verankerte Gurtungen können zu einer Erhöhung der Tragfähigkeit genutzt werden. Wegen der großen Tonnagen der Baumaßnahmen und der hohen Beanspruchung der Spundwände ist eine Bemessungsgrundlage erforderlich, die gleichzeitig sicher und wirtschaftlich ist. Die gültigen Bemessungsregeln für Spundwände finden sich in DIN EN 1993-5, sie basieren allerdings auf Untersuchungen an maximal 700 mm breiten Z-förmigen Zwischenbohlen. Neuere Entwicklungen bringen schlankere, breitere Z-förmige Zwischenbohlen mit sich. Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist es, das Tragverhalten dieser bis zu 800 mm breiten Bohlen im Detail mit experimentellen und numerischen Methoden zu untersuchen. Aus den Ergebnissen von numerischen Parameteruntersuchungen werden Bemessungsansätze entwickelt, die nach DIN EN 1990 statistisch ausgewertet werden. Es werden die bestehenden Bemessungsregeln für Wellenspundwände unter reiner Biegung sowie unter einer Interaktion aus Biegung und lokaler Lasteinleitung mit neueren Untersuchungsergebnissen verglichen. Außerdem wird die Herleitung von Wasserdruckwiderständen von Zwischenbohlen vorgestellt, die in kombinierten Spundwänden in Solllage eingebaut sind. In einer weiteren Untersuchung an kombinierten Spundwänden wird der Einfluss von Lageimperfektionen, die beim Einbau der Spundwände unweigerlich entstehen, auf das Tragverhalten und den Wasserdruckwiderstand der Zwischenbohlen untersucht. Ein Bemessungsmodell für die Abschätzung des Tragfähigkeitsverlustes durch Systemstreckung wird hergeleitet. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass die derzeitigen Bemessungsregeln für Wellenspundwände unter Biegung angepasst werden müssen. Ein Vorschlag für diese Anpassung wird gemacht. Die Bemessungsregeln für die Interaktion aus Biegung und lokaler Lasteinleitung dagegen werden durch die vorgestellten Untersuchungen bestätigt. Für den Wasserdruckwiderstand wird das Vorgehen zur Ermittlung tabellierter Widerstandswerte bei Systemen in Solllage vorgestellt. Die Betrachtungen von aus der Solllage gestreckten Systemen führen zu Kriterien für die Begrenzung der Streckung und zu einem Vorschlag für eine statistisch abgesicherte Bemessungsregel. Anwendungsgebiete dieser Regel sind die Prüfung bestehender Spundwände, bei denen Imperfektionen festgestellt werden, sowie die Festlegung zulässiger Toleranzen bei der Errichtung neuer Spundwände.

The steadily increasing world trade leads to a significant expansion and strengthening of infrastructure structures for shipping. On the one hand, these include quay walls for big seaports, on the other hand smaller structures like sluices are also important. Steel sheet piles offer economic and ecological solutions for both areas in various design options. For the deep water area, where the sheet pile walls are exposed to heavy loads, combined sheet pile walls are used. The king piles consist of circular hollow sections or I-shaped rolled sections, the latter with a profile height of up to about one meter. These piles carry earth and water pressure as well as loads from harbour structures into the subsoil. Z- or U-shaped intermediate piles are installed between the king piles to cover the usually long lengths of quay walls economically. Special connector profiles are used to transfer the loads from the intermediate piles to the king piles. In the area of smaller sheet pile wall lengths, the king piles and the connector profiles are not used, but instead the sheet wall is produced exclusively with intermediate piles. Ground anchors can be used to increase the load capacity. Due to the large tonnages of the construction measures and the high loads on the pile walls, a design base that is both safe and economical is required. The current design rules for sheet piles can be found in EN 1993-5, however, they are based on investigations of Z-shaped intermediate piles with a maximum width of 700 mm. Recent developments have resulted in more slender, wider Z-shaped intermediate planks. The aim of the present work is to investigate in detail the load-bearing behaviour of these newer intermediate piles with a width of up to 800 mm by means of experimental and numerical methods. From the results of numerical parametric investigations, design approaches are formed. These approaches are statistically evaluated according to EN 1990. The existing design rules for sheet walls under pure bending as well as under an interaction of bending and local load introduction are compared with more recent investigation results. In addition, the derivation of water pressure resistances of intermediate piles is presented, which are installed in combined sheet pile walls in nominal position. In a further investigation on combined sheet pile walls, the influence of positional imperfections, which inevitably arise during the installation of the sheet piles, on the structural behaviour and the water pressure resistance of the intermediate piles is investigated. A design model for the estimation of the loss of water pressure capacity due to system extension is derived. On the one hand, the investigations show that the current design rules for sheet walls under bending must be adjusted. A proposal for this adaptation is made. On the other hand, the design rules for the interaction between bending and local load transfer are confirmed by the studies presented. For the water pressure resistance, the procedure for the determination of tabulated resistance values for systems in nominal position is presented. Investigations on stretched systems lead to criteria for limiting the extension of the system width and to a proposal for a statistically validated design rule. Areas of application of this rule are the examination of existing pile walls where imperfections are detected as well as the determination of permissible tolerances in the construction of new pile walls.