Zum Nachweis der Standsicherheit von Verbauwänden mit der Finite-Elemente-Methode

Der Nachweis der Tragfähigkeit von Verbauwänden wird zumindest in Deutschland noch fast ausschließlich auf Basis der klassischen Erdstatik und kaum mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) geführt. Diese Vorgehensweise wird vor allem von den einschlägigen Normen und Regelwerken favorisiert. Eine Ausnahme stellt hier nur der Nachweis der Gebrauchstauglichkeit dar, für den wiederum die FEM empfohlen wird.  Dass der Nachweis der Standsicherheit von Verbauwänden mit der FEM trotz deren besonderen Möglichkeiten auf Einzelfälle beschränkt bleibt, liegt daran, dass es derzeit noch keine verbindlichen Regelungen für entsprechende Standsicherheitsberechnungen und auch kaum systematische Untersuchungen zum Einfluss der Boden- und Materialparameter auf das Systemverhalten gibt. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Standsicherheitsberechnung von Verbauwänden mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode. Sie soll Hinweise und Empfehlungen aufzeigen, wie eine Berechnung der Standsicherheit mit der FEM durchführbar ist und wie sie mit dem derzeitigen Sicherheitskonzept vereinbar wäre. Dazu werden numerische Untersuchungen durchgeführt, mit dem Ziel das Systemverhalten besser verstehen zu können und die Parameter zu identifizieren, die das Systemverhalten und somit auch die Standsicherheits- und Verformungsberechnung einer Verbauwand und deren Konstruktionsteile stark beeinflussen. Für ein besseres Verständnis, wird zunächst in der Dissertation herausgearbeitet, wie die Nachweise derzeit nach den klassischen Verfahren geführt werden. Es wird beschrieben wie sich die klassischen Verfahren mit der Zeit entwickelt haben und welche Nachweisverfahren derzeit verwendet werden. Anschließend wird auf die Berechnung der Standsicherheit mit der Finite-Elemente-Methode eingegangen. Auch hier wird zunächst beschrieben, wie sich die FE-Berechnung zeitlich entwickelt hat und was derzeit schon, in Bezug auf die  Standsicherheitsnachweise, mit der FEM berechnet werden kann. Es werden für beide Berechnungsverfahren die Vor- und Nachteile herausgearbeitet und kommentiert. Die numerischen Berechnungen zum Einfluss der Boden- und Materialparameter auf das Systemverhalten sollen zeigen, welche Parameter bei einer Standsicherheits- und Verformungsberechnung mit der FEM genau ermittelt werden müssen, da sie das Systemverhalten stark beeinflussen. Mit Hilfe dieser Ergebnisse wird ein Konzept zur Berechnung von Verbauwänden mit
FEM erarbeitet. Dieses enthält Empfehlungen und Hinweise, die bei einer FEM-Berechnung zu beachten sind. Außerdem wird ein Vergleich von FEM-Berechnungen mit Berechnungen nach dem klassischen Verfahren durchgeführt, um eine Einschätzung über die Ergebnisse der FEM-Berechnungen bezüglich des derzeitigen Sicherheitskonzeptes geben zu können.

The verification of the load bearing capacity of excavation pit walls, at least in Germany, is still carried out almost exclusively based on classical earth statics and rarely on the finite element method (FEM). This approach is favored above all by the relevant standards and codes. The only exception is the verification of serviceability, for which the FEM is again recommended.  The verification of the stability of excavation pit walls based on the FEM remains still limited to individual cases despite the distinct possibilities of this method. This is due to the fact that there are currently no binding regulations for relevant stability calculations and also hardly any systematic studies on the influence of the soil and material parameters on the system behavior. This dissertation deals with the stability analysis of excavation pit walls using the finite element method. It is intended to show indications and recommendations as to how a calculation of the stability with the FEM is feasible and how it would be compatible with the current safety concept. For this purpose, numerical investigations are carried out with the aim of better understanding the system behavior and identifying the parameters that strongly influence the system behavior and thus also the stability and deformation calculation of an excavation pit wall and its structural components. For a better understanding, the dissertation first elaborates on how the verifications are currently carried out according to the classical methods. It is described how the classical methods have developed over time and which analysis methods are currently used. Subsequently, the calculation of stability using the finite element method is discussed. At this point, it is first described how the FE calculation has developed over time, too, and what can currently already be calculated with the FEM with regard to the stability verifications. The advantages and disadvantages of both calculation methods are elaborated and commented on. The numerical calculations on the influence of the soil and material parameters on the system behavior are intended to show which parameters must be determined precisely in a stability and deformation calculation with the FEM, since they strongly influence the system behavior. With the help of these results, a concept for the calculation of shoring walls with FEM is developed containing recommendations and hints, which have to be considered during an FEM calculation. Furthermore, FEM calculations are compared to calculations using the classical method in order to be able to assess the results of the FEM calculations with regard to the current safety concept.

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