Die Bemessung von Kastenfangedämmen : eine strukturierte Betrachtung der analytischen Berechnungsansätze anhand von numerischen Vergleichsrechnungen : a detailed analysis of the analytical design approaches based on numerical comparative calculations

Abstract

Kastenfangedämme sind zusammengesetzte Stützbauwerke, die als temporäre Konstruktionenbei Baugruben in offenen Gewässern oder dauerhaft als Uferwände im Küsten- und Hafenbereicheingesetzt werden. Derzeit erfolgt die Bemessung nach den aktuell gültigen Normen und Regelwerken.Die Empfehlungen des Arbeitsausschusses Ufereinfassungen: Häfen und Wasserstraßen EAU2012 [14] führt spezielle Angaben, Annahmen sowie zu beachtende Normen und Vorschriften fürdie Nachweisführung auf. Diese beruhen größtenteils auf den Laborversuchen von Jelinek [22].Abgesehen hiervon liegen nur wenige weitere Forschungsarbeiten für dieses Fachgebiet vor.Das Ziel dieser Arbeit ist die Betrachtung und Diskussion der vereinfachten Annahmen ausder EAU für die Bemessung von Kastenfangedämmen. Hierbei liegt der Fokus auf der Versagensanalyse.Welches Ausmaß hat die Variation bestimmter Eingangsparameter auf die analytischeNachweisführung? Können die Annahmen für die Nachweise mit numerischen Vergleichsberechnungenbestätigt werden? Für die Beantwortung und die Diskussion der Forschungsfragen erfolgtdie Bemessung eines vorab festgelegten Kastenfangedammmodells nach den aktuellen Normenund Regelwerken in MATLAB. Hierfür werden drei Eingangsparametern (Reibungswinkel '0, Kohäsionc0, b/H-Verhältnis) variiert. Aus den analytisch ermittelten Ergebnissen werden geeigneteParameterkombinationen für die numerischen Vergleichsberechnungen in PLAXIS ausgewählt.Für die Ausgabe der numerisch ermittelten Ergebnisse wird die Darstellung der Verschiebungensowie Schubverzerrungen gewählt. So kann das analytisch berechnete Versagen numerisch dargestellt,mit den Annahmen der EAU verglichen und anschließend diskutiert werden. Des Weiterenwerden die horizontalen Spannungen an der luftseitigen Wand mit dem erhöhten Erddruckansatzder EAU sowie den Erddruckumlagerungsfiguren der EAU und EAB verglichen.Die Erhöhung des aktiven Erddrucks an der luftseitigen Wand sowie die Erddruckumlagerungsfigurlassen sich durch die Auswertung der horizontalen Spannungen an der Hinterseiteder luftseitigen Wand aus PLAXIS, für die in dieser Arbeit gewählten Modellbetrachtungen,bestätigen. Die vereinfachten Annahmen der EAU für den Nachweis gegen Versagen durch Kippenund Gleiten werden anhand der Ergebnisse der PLAXIS-Berechnungen mit der Parameterkombinationfür ein analytisches Versagen dieses Nachweises bestätigt. Die für die anderen Nachweisevereinfacht angenommenen Versagensfiguren können durch die Ergebnisse der numerischen Vergleichsberechnungenin dieser Arbeit nicht dargestellt oder bestätigt werden. In diesem Bereichliegt weiterer Forschungsbedarf vor.

Cofferdams are supporting structures, composed of mulitple elements, used for temporary excavationsin open water or permanently as marine structures in coastal or port areas. The designis carried out according to the latest valid standards. The Empfehlungen des ArbeitsausschussesUfereinfassungen: Häfen und Wasserstraßen EAU 2012 [14] list specific details, assumptions,standards and regulations, that have to be observed for compliance in design and construction.These are mostly based on the laboratory tests of Jelinek [22]. Apart from this, only a few otherresearch papers are available for this subject.The objective of this thesis is to consider and discuss the simplified assumptions (EAU) fordesigns of double-wall cofferdams with a focus on the failure analysis. How do certain parametersinfluence the results? Is it possible to confirm the assumptions of the analytical calculationswith numerical approaches like the FEM? To discuss these questions, a pre-specified model ofa cofferdam was designed in MATLAB according to current standards and guidlines. Threeparameters (friction angle '0, cohesion c, width to height ratio (b/H)) were varied to identifyparameter combinations for the numerical calculation with PLAXIS 2D. The deformations anddeviatoric strains of the structural elements were presented graphically to discuss the numericaloutputs of the finite element analysis. This allows to control the assumed failure mode from analyticalcalculations, to compare it with the assumptions of the EAU and to discuss it afterwards.Furthermore, the horizontal stresses (earth pressure) on the air sided wall are compared with twothings: The approach of an increased earth pressure (25%) according to the EAU and likewisethe redistribution of earth pressure according to the EAU and EAB.The increase of the active earth pressure on the air sided wall as well as the redistribution canbe confirmed by the numerical evaluation of the horizontal stresses from PLAXIS for the chosenmodel. The simplified assumptions (EAU) for the limit state design against failure by tilt andslide are approximately reflected by the numerical results from PLAXIS for the parameters, whichshould lead analytically to the limit state design. The other assumed, simplified failure modescouldn’t be reproduced or confirmed by the results of the numerical comparison calculations inthis thesis. Further research is needed in this field.