Großbrückenfundamente mit Tiefgründungen : Vergleich der Berechnungsmethoden und deren Anwendungsgrenzen

Abstract

Pfahlkopfplatten sind relativ steife Konstruktionselemente, die die Lastübertragung von den Pfeilern in die Bohrpfähle übernehmen. Sie unterliegen meist punktförmigen Lasteinleitungen und weisen große Abmessungen in alle drei Richtungen auf. Aufgrund dessen erfahren sie eine stark nichtlineare Dehnungs- und Spannungsverteilung (ähnlich wie in 2D beim Vergleich einer Scheibe mit einem Balken) wodurch die im Eurocode 2 empfohlene Bemessung als Platte mit der Biegetheorie in Frage gestellt werden kann. Eine für Diskontinuitätsbereiche geeignete und ebenfalls im Eurocode 2 empfohlene Berechnungsvariante ist die Bemessung mittels Stabwerkmodellen. Dabei handelt es sich um einen Entwurfsansatz, der auf der sogenannten Plastizitätstheorie basiert. In dieser Arbeit soll die Berechnung als 3D-Stabwerkmodell untersucht werden. Als dritte Variante wird die Modellierung der Pfahlkopfplatte als nichtlineares Volumenmodell mit diskreter Bewehrung in SOFiSTiK untersucht. Ziel dieser Arbeit ist ein Vergleich der erforderlichen Hauptzugbewehrung der drei Modelle im Grenzzustand der Tragfähigkeit. Des Weiteren soll die Anwendbarkeit/ Praktikabilität der Berechnung von Pfahlkopfplatten mit dreidimensionalen Stabwerkmodellen und Volumenmodellen in der Praxis untersucht werden. Ebenfalls soll eine möglichst genaue Approximation des real auftretenden Spannungsverlaufs mit Hilfe des Volumenmodells erfolgen. In dieser Arbeit lag die erforderliche Bewehrung des Plattenmodells und des Volumenmodells relativ nahe beieinander, wobei beim Plattenmodell ca. 20% mehr Bewehrung notwendig war. Die erforderliche Bewehrung bei Berechnung des Stabwerkmodells war mit Abstand am größten. Aufgrund des großen Aufwands, der in der Praxis nur selten honoriert wird und der vielen aufgetretenen Probleme bei der Berechnung mit Volumenmodellen und 3D-Stabwerkmodellen wurde deren Verwendung in der Praxis als derzeit noch nicht geeignet, bzw. nur in Sonderfällen geeignet, beurteilt. Obwohl die Anwendungsgrenzen des Plattenmodells bei dieser Pfahlkopfplatte nicht eingehalten waren, lieferte die Plattentheorie auf der sicheren Seite liegende Ergebnisse.

Pile caps are relatively stiff structural elements that transfer loads from the piers to the bored piles. They are typically subjected to point loads and have large dimensions in all three directions. As a result, they experience a highly non-linear strain and stress distribution (similar to the 2D approach when comparing a slab to a beam), which may call into question the design as a plate using bending theory, as recommended in Eurocode 2. A suitable calculation option for discontinuous zones also recommended in Eurocode 2, is design using strut and tie models. This is a design approach based on the so-called plasticity theory. This master thesis examines the calculation using a 3D-strut and tie model. As a third option, modelling the pile cap as a nonlinear volume model with discrete reinforcement in SOFiSTiK is investigated.The aim of this master thesis is to compare the required main tensile reinforcement of the three models in the ultimate limit state. Furthermore, the applicability and practicality of calculating pile caps using three-dimensional strut and tie models and volume models will be investigated. The volume model will also be used to approximate the actual stress distribution as accurately as possible. In this study, the required reinforcement of the slab model and the volume model were relatively similar, with approximately 20% more reinforcement being required for the slab model. The required reinforcement for calculating the strut and tie model was by far the greatest. Due to the considerable effort involved, which is rarely rewarded in practice, and the many problems encountered when calculating with volume models and strut and tie models, their use in practice was assessed as currently unsuitable or only suitable in special cases. Although the application limits of the slab model were not met for this pile cap, the slab theory produced results on the save side.