Bodenmechanik
Bodenmechanik
Bodenmechanik
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Flashcards
Charakteristischer Wert einer Grösse
Untere Grenze eines effektiv im Feld oder im Labor gemessenen oder vorsichtig abgeschätzten Wertes (Index k).
Wert auf Bemessungsniveau
Mit einem Last- bzw. Sicherheitsfaktor vergrösserter bzw. verkleinerter Wert, bzw. daraus abgeleitete Auswirkung bzw. Tragwiderstand (Index d).
Einwirkung
Kraft z.B. eine Stützenkraft, die auf ein Fundament einwirkt
Auswirkung
Antwort des Bodens auf die Einwirkung: die Bodenpressungen die von unten auf das Fundament einwirken
Tragwiderstand oder Widerstand
Die Grösse, bei der der Boden wie auch ein Bauteil z.B. Stütze nachzugeben beginnt = Übergang zum Bruchzustand.
Innerer Tragwiderstand
Widerstand, den ein Pfahl (Beton und Stahl) oder ein Anker (Stahl) erbringen kann.
Äusserer Tragwiderstand
Widerstand der zwischen Boden und Bauteil mobilisiert werden kann. Z.B. Ein Pfahl oder Anker mit genügend innerem Tragwiderstand, der diese aber in den Boden leitet.
Lasteinleitung und -aufnahme
Einwirkungen oder Lasten aus dem Bauwerk werden in den Baugrund abgetragen. Für die Erstellung eines neuen Bauwerks muss deshalb ein Mindestumfang an Baugrundinformationen vorhanden sein und sie mit genügen Sicherheit gründen zu können.
Lasteinleitung und Verformungen
Bauwerkslasten führen zu Verformungen in Baugrund. Bei Gründungen treten Setzungen auf. Aus diesen Baugrundverformungen ergeben sich Einwirkungen auf das Bauwerk, Grösse und Verteilung hängen dabei von der Steifigkeit des Baugrunds und des Bauwerks ab. Auftretende Verformungen müssen auf Grund von Baugrundinformationen abgeschätzt werden.
Sicherheit
Der Baugrund ist Teil des Tragwerks und deshalb in den Sicherheitsnachweis miteinzubeziehen.
Materialeigenschaften des Bodens
Boden weist grössere Steubreite der Eigenschaften auf.
- Weder homogen noch isotrop
- Bodenbestandteile sind verschieden gross und haben unterschiedliche Formen und damit unterschiedliches physikalisches Verhalten (grosse Körner sind kugelig bis kubisch, kleine Körner sind plattenförmig)
- Weist keine oder nur geringe Zugfestigkeit auf
- nichtlinearer Zusammenhang zwischen Spannungen und Dehnungen
- Mit Hooke'schem Gesetz kann das Baugrundverhalten abschnitts- oder schichtweise beschrieben werden
Bodenmechanik
Bodenmechanik -> Physik der Lockergesteine
Felsmechanik -> Fels oder Festgestein
- Lockergesteine entstehen durch Verwitterung der Felsgesteine
- Transport der Lockergesteine durch Eis, Wasser, Luft
- Bodenmechanik beschäftigt sich mit dem Boden und dessen mechanischen Eigenschaften
- Es bleiben Unsicherheiten hinsichtlich Schichtverlauf und Streubreite der Eigenschaften auch bei einer ausreichenden Baugrunduntersuchung
- Umfang der Baugrunduntersuchung ist abhängig von dem zu erstellenden Bauwerk
Veränderung des Spannungszustands (durch Erstellung von Bauwerken)
Bei der Erstellung eines Bauwerks verändert sich der vorhandene Spannungszustand im Baugrund.
Dabei entspricht das vorhandene Sicherheitsniveau älterer Bauwerke nicht zwingend den heutigen Vorschriften.
Aufgaben des Ingenieurs
Wechselwirkungen zwischen Baugrund und Bauwerk mit ausreichender Genauigkeit beschreiben.
- um Schäden zu vermeiden
- die Sicherheit eines zu errichtenden Bauwerks zu gewährleisten
- mögliche Gefahren durch den Bauprozess zu erfassen
Während der Projektierungs- oder Planungsphase
- gegebene Baugrundinformationen miteinbeziehen
- Probleme erkennen
- wissen wann Spezialisten (Geotechniker) miteinbezogen werden müssen
Während der Realisierungsphase
- Baugrundverhältnisse überprüfen
- mit Annahmen vergleichen
- Abweichungen kommunizieren
- Massnahmen ergreifen
Einwirkungen aus dem Boden
Kräfte aus dem Baugrund oder Grundwasser sind im Vergleich zum Eigengewicht oder Nutzlast deutlich grösser
- einwirkende Kräfte sind nicht direkt zu erkennnen
- Eigengewicht des Bodens, feucht ca. 20kN/m3 dürfen nicht vernachlässigt werden
- Lasten von 1m hohen Damm entsprechen Lasten aus einem zweigeschossigen Wohngebäude
- horizontale Einwirkungen des Bodens auf Wände sind je nach Art des Baugrunds ca. 20% bis über 100% des hydrostatischen Drucks (je weicher der Boden desto mehr horizontale Last wirkt)
Einwirkungen aus dem Boden infolge Wasser
- Hydrostatischer Wasserdruck (ruhendes Wasser)
- Hydrodynamischer Wasserdruck oder Strömungsdruck (fliessendes Wasser)
- Auftrieb, Auftriebskräfte, Aufschwimmen
- Verlust der Tragfähigkeit durch hydraulischen Grundbruch
Globale Sicherheit
Die charakteristischen Widerstände oder Tragfähigkeiten Rk werdne mit den charakteristischen Einwirkungen oder Belastungen Ek verglichen. Das Verhältnis beschreibt die globale Sicherheit. Wenn die beiden Werte gleich gross ist dies der Grenz- oder Bruchzustand.
\(F =\eta= {R_k \over E_k}\)
Die erforderliche Sicherheit wird in Abhängigkeit der Aufgabenstellung und dem dabei verwendeten mechanischen Modell zur Beschreibung des Bruchzustands beschrieben (Böschungsstabilität, Grundbruch, Pfahltragfähigkeit)
Partialsicherheit
Der charakteristische Bodenkennwert mit Teilsicherheitsbeiwert auf Dimensionierungs- oder Bemessungswert abgemindert.
Bemessungswert des Widerstands Rd: \(R_d =R_k/\gamma_m\) \(mit \gamma_m=1.1\dots1.5\)
Die Einwirkungen werden mit Teilsicherheits- oder Lastfaktoren auf Dimensionierungs- oder Bemessungswert Ed erhöht.
Bemessungswert Einwirkungen Ed: \(E_d =E_k*\gamma_i\) \(mit \gamma_i=1.1\dots1.5\)
Der Bemessungswert des Widerstands muss grösser oder gleich dem Bemessungswert der Einwirkung sein.
Das Verhältnis von Einwirkung und Widerstand gibt den Ausnutzungsgrad, der beschreibt zu wieviel der Widerstand durch die Einwirkung in Anspruch genommen oder ausgenutzt wird. \(\mu=E_d/R_d \leq 1.0\)
Aus der Abminderung der Widerstände und der Erhöhung der Einwirkungen ergibt sich das Sicherheitsniveau. Dies entspricht dem Produkt der Teilsichereitsbeiwerte des globalen Sicherheitsfaktors \(\eta\): \(\gamma_m*\gamma_i\approx\eta\)
Grenzzustand der Tragsicherheitsnachweis
- Lagerverlust
- Bauteilversagen
- Gesamtverlust
Grenzzustand Gebrauchstauglichkeit
- Verformungen
- Spannungen
- Erschütterungen
- Schwindweite
- Aussehen
- Durchlässigkeit, Restwassermenge
\(E_d\leq C_d\)
Anwendungsgebiete
Neben den theoretischen Grundlagen, der Forschug und Beschreibung des Bodens und seines Verhaltens noch weitere Anwendungsgebiete.
- Baugruben
- Stützbauwerke
- Einschnitte und Böschungen
- Verkehrsflächen wie Strassen, Eisenbahn, Wasserleitungen
- Flach- und Tieffundationen
- Tunnelbau (Strassen, Eisenbahn, Wasserleitungen)
- Kavernen
- Erdbau
- Staumauern und Staudämme
Baugruben
Entspricht dem Raum unterhalb der Geländeoberfläche in Form der baulichen Anlage. Hinzu die seitlichen Arbeitsräume und der Platzbedarf für die Baugrubensicherung.
Bestandteile der Baugrube sind die Baugrubenumschliessung (Böschund oder Baugrubenverbau, entscheidend sind die Wasserverhältnisse) und Baugrubensohle. Die Art der Baugrubenumschliessung und die Ausbildung der Baugrubensohle sowie die Wasserhaltung und Drainage wird durch das anstehende Grundwasser beeinflusst.
Baugruben beinhalten Lösungen der verschiedenartigen grundbaulichen Probleme.
- Böschungsneigung (i.d.R. ohne Sicherung)
- Böschungssicherung (Spriessung, Baugrubenwände)
- Wasserhaltung (Beeinflussung des Grundwasserspiegels)
Stützbauwerke
Primäre Aufgabe der Bauwerke, das Erdreich temporär oder definitiv abzustützen
- Stützmauern: durch grosse Eigenlast können horizontale Erddruckkräfte aufgenommen und in den Untergrund geleitet werden. -> Schutz vor Verkehrswegen
- Stützwände: Im Boden eingespannt oder durch Anker ins Erdreich zurückverankert
Fundationen (Gründungen)
Lasten eines Bauwerks werden in den Baugrund übertragen.
- Flachfundationen: leiten Lasten unmittelbar unter dem Bauwerk in den Untergrund (tragfähiger Boden muss vorhanden sein).
- Tiefenfundation: Bei nichttragfähigem Boden werden die Lasten durch z.B. Pfählen in den Untergrund geleitet.
Kornverteilungskurve
Siebung (trocken oder nass): Korndurchmesser bis min. 0.1mm
Schlämmversuch: Korndurchmesser kleiner als 0.5mm
-> mit getrockneter Bodenmasse und Flüssigkeit wird Suspension hergestellt. Im Standzylinder aufgemischt und abgestellt.
Krümmungszahl
Beschreibt den Bereich zwischen d10 und d60.
\(C_c={d^2_{30}\over {d_{10}*d_{60}}}\)
Porosität und Porenziffer
Boden besteht aus Dreiphasensystem, Bodenteilchen, Wasser und Luft. Anteil der Poren am Gesamtvolumen kann durch Porosität und Porenziffer angegeben werden.
Porosität: Anteil der Poren am Gesamtvolumen (Boden und Poren)
Porenziffer: Porenvolumen auf das Feststoffvolumen (Feststoffvolumen ändert sich bei Verdichtung oder Auflockerung des Bodens nicht).
Plastizitätseigenschaften
Definiert durch
- Fliessgrenze
- Ausrollgrenze
- Schrumpfgrenze
Fliessgrenze und Ausrollgrenze sind Konsistenzgrenzen oder Atterberggrenzen und beschreiben den Übergang zwischen bestimmten Zustandsformen.
Fliessgrenze
Wird im Klopfgerät nach Casagrande bestimmt.
In der Schale des Klopfgerätes eine Probe von max. 10mm dicke einbauen. Eine Furche von ca. 40mm ziehen. -> Wenn die Furche bei 25 Schlägen auf 10mm Länge zusammengeflossen ist, ist die Fliessgrenze erreicht.
Ausrollgrenze
Von Hand gerollte Rollen vom 3mm die nicht zerbrechen. -> Ausrollgrenze erreicht
Schrumpfgrenze
Schrumpfgrenze ist erreicht, wenn sich bei weiterer Verringerung des Wassergehalts das Volumen des Bodens nicht mehr verringert (häufig ist ein Farbumschlag zu beobachten).
Plastizitätszahl
Differenz des Wassergehalts an der Fliessgrenze zum Wassergehalt an der Ausrollgrenze.
Liquiditätszahl oder Konsistenzzahl
Zustandsform des feinkörnigen Bodens oder Konsistenz beschrieben. Ist abhängig von der Plastizitätszahlt und Wassergehalt.
Liquiditätszahl gibt Hinweise auf mechanische Eigenschaften wie Festigkeit oder Verformbarkeit.
Wenn der Boden Wasser verliert, sinkt die Liquiditätszahl oder steigt die Konsistenzzahl. Steifigkeit und Festigkeit nehmen zu.