Stoßbeanspruchung von Bohrpfahlwandsystemen

Abstract

Kurzfassung Die Aufgabenstellung dieser Diplomarbeit entstand im Rahmen des Umbaues des Sudbahnhofes in Wien in Zusammenarbeit des Institutes fur Hochbau und Technologie, Forschungsbereich fur Baumechanik und Baudynamik und der OBB-Infrastruktur Bau AG mit dem Statik Buro TECTON consult.<br />Bei der Planung des Bahnhofes und dessen zugehorigen Gleis- und Tunnelsystemen wurde entschieden, die Tunnelwande aus Bohrpfahlwandsystemen, bei denen die Bohrpfahle in einem Abstand zwischen 1,5 und 3,0 Meter entfernt zueinander stehen, herzustellen.<br />Die Basis dieser Diplomarbeit ist ein gedachtes Katastrophenszenario, in dem im Tunnelsystem ein Zug entgleist und gegen die Tunnelwand prallt. Normalerweise werden bei herkommlichen Tunnelschalen beim Aufprall des Zuges nur Krafte in Querrichtung (und eventuell in Langsrichtung Reibungskrafte) erzeugt. Bei Tunnelwanden dieser Bauart ist auf Grund ihrer Beschaenheit zu berucksichtigen, dass im Falle eines Stovorganges auch Krafte in Tunnellangsrichtung erzeugt werden.<br />Ausgewahlt zur Untersuchung wurde Tunnelabschnitt T13 (von km +1116,00 bis km +1140,00).<br />Dieser Tunnelabschnitt ist eine Teilstrecke einer Abzweigung und be ndet sich ca. 60 - 80 m vor dem Weichenanfangspunkt im Feld SO4. Die Annahme ist, dass der Zug im Bereich der Weiche entgleist und dass es anschlieend im Feld T13 zu einem Stovorgang kommt.<br />Es stellt sich die Frage, ob es notwendig ist, eine zusatzliche Vorsatzschale zu errichten, oder die Raume zwischen den Bohrpfahlen mit Beton auszufullen um eine Stokraft in Langsrichtung zu verhindern.<br />Die Aufgabe dieser Arbeit ist es, die Krafte, die bei Stovorgangen dieser Art entstehen, unter Einbeziehung des Untergrundes zu ermitteln. Auerdem sind die Ergebnisse mit den Vorgaben der technischen Norm zu vergleichen um diese dann anhand dieser Arbeit qualitativ bewerten zu konnen.<br />Fa. SIEMENS stellte ein Versuchsergebnis zur Verfugung, in dem eine Taurus-Lok mit 5 m s gegen eine starre Wand fahrt. Um einen Vergleich mit anderen Stoberechnungen zu bekommen, wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit diese ebenfalls mit einer Anfahrgeschwindigkeit von 5 m s durchgefuhrt. Fur die Entwurfsgeschwindigkeit von 80 km h wurde eine statisch aquivalente Anpralllast mittels direkter Zeitintegration ermittelt.<br />Bei den Berechnungen wird das dreidimensionale Modell auf zwei zweidimensionale Rechenmodelle zuruckgefuhrt, in ein Rahmensystem in Langsrichtung und eines in Querrichtung, die beide durch den Stovorgang gleichzeitig belastet werden.<br />Erste Ergebnisse, bei denen die Mitwirkung des Bodens noch nicht berucksichtigt wurde, liegen weit uber den Werten der technischen Norm ONORM EN 1991-1-7. Es ergeben sich Schnittkr afte, die auf keinen Fall konstruktiv in den Gri zu bekommen sind.<br />Daraus ergibt sich die 3 Schlussfolgerung, dass ein Sto in Langsrichtung auf jeden Fall zu verhindern ist, oder mit dem Ausfall mehrerer Bohrpfahle zu rechnen ist.<br />Bei weiteren Berechnungen wird die Wirkung des Bodens in Form von elastischer Bettung miteinbezogen und schon von Anfang an angenommen, dass Stokrafte in Langsrichtung zum System verhindert werden. Der elastische Sto wird ausgeschlossen und der Berechnung wird nur mehr ein vollkommen unelastischer (plastischer) Sto zugrunde gelegt. Die Ergebnisse dieser Berechnungen werden in Abhangigkeit des Winkels zwischen Anstorichtung und Tunnelwand und der Bettungswirkung des Bodens dargestellt.<br />

Abstract This Master's Thesis was composed in the course of the reconstruction of the Vienna Sudbahnhof in close collaboration of the Vienna University of Technology's Institute of Building Construction and Technology, Research Center of Mechanics and Structural Dynamics and the OBBInfrastruktur Bau AG together with the engineering oce TECTON consult.<br />During the planning phase of the new railway station and the connected railway and tunnel systems, it was decided that the tunnel walls were to be constructed by the use of contiguous pile wall systems with bored pile walls being placed every 1,5 to 3,0 meters.<br />The main topic of the present Master's Thesis is a possible accident, in which a train derails and consequently collides with the wall of the tunnel. In the case of commonly shells a train crash merely causes forces in lateral direction (and possibly friction forces in longitudinal direction).<br />However, tunnels using contiguous pile wall systems additionally provoke forces in longitudinal direction when hit by a derailed train.<br />For means of analysis of the consequences of a train crashing into the tunnel wall, section T13 (from km +1116.00 to km +1140.00) was selected. T13 is part of an intersection and is situated approximately 60-80 m before the beginning of the switch point in the eld SO4. The analysed scenario infers that the train derails at the switch point and hits the tunnel wall in section T13.<br />Hereby, the question arises whether it is necessary to add an additional shell or to ll the free space between the bored piles with concrete in order to avoid forces in longitudinal direction.<br />The challenge is to evaluate those forces, that appeare at accidents of this kind, in involvement of the geotechnical in uences. Furthermore these data have to be compared with the speci cations of the technical norm in order to appraise them.<br />The company SIEMENS provided an experimental result, in which a Taurus-lokomotive collides with a rigid wall with the velocity of 5 m s . To compare calculations based on this szenario with the classical theory all calculations are done by assuming a velocity of 5 m s . For the design speed, which is 80 km h , a statically equivalent force has been calculated by integrating the force path, which is dependent on time.<br />The three-dimensional system is split into two two-dimensional systems, i.e. one frame in longitudinal direction and one frame in lateral direction. During the collision both systems are strained at the same time.<br />First data, which were calculated without geotechnical in uences, are much larger than those proposed by the standart ONORM EN 1991-1-7. The conclusion is, that collisions in longitudinal direction have to be avoided so as to avoid the complete damage of additional bored piles.<br />The following calculations are dedicated to the consideration of the geotechnical in uence by 5 means of continous elastic support. The assumption is, that no force in longitudinal direction will occure due to the special construction and only plastic collision is considered. The results of these calculations are illustrated dependent on the angle of the direction of the collision and the elastic support of the soil.