Interaktionsmodell zur Bemessung von Verankerungsgräben mit Geogittern

Jacobs, Felix; Meyer, Norbert; Ziegler, Martin; Heerten, Georg

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-119740

Interaktionsmodell zur Bemessung von Verankerungsgräben mit Geogittern = Interaction model for design of geogrid anchorage trenches

Jacobs, Felix

2016 & 2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Felix Jacobs

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (XXIV, 212 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2017

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Ziegler, Martin (Thesis advisor)^RWTH* ; Meyer, Norbert (Thesis advisor) ; Heerten, Georg (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-12-20

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-119740
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/680774/files/680774.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/680774/files/680774.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Geotechnik im Bauwesen und Institut für Grundbau, Bodenmechanik, Felsmechanik und Verkehrswasserbau (314310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Geogitter (frei) ; Verankerungsgraben (frei) ; Bemessung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Seit den 1970er Jahren werden Geogitter zur Bewehrung von Boden in allen Bereichen der Geotechnik eingesetzt, sei es in Tragschichten unter Verkehrswegen und Fundamenten als auch in Böschungen. Dabei geht es in aller Regel darum, diese Tragschichten steifer bzw. diese Böschungen steiler ausbilden zu können, als es mit dem lokal erhältlichen Boden ohne Hilfsmittel möglich ist. Die Bewehrung des lokal erhältlichen Bodens mit Geogittern führt zudem häufig zu wirtschaftlicheren und nachhaltigeren Bauweisen. Oberflächenparallel geführte Geogitter in Böschungen, wie beispielsweise in Oberflächenabdichtungssystemen von Deponien, nehmen den hangabwärtsgerichteten Anteil des Eigengewichts des aufliegenden Rekultivierungsbodens auf, sodass die in die Geogitter eingeleitete Zugkraft entlang der Böschung von unten nach oben sukzessive ansteigt. An der Böschungskrone muss diese hohe Zugkraft möglichst mit geringem Flächenverbrauch verankert werden, was häufig in sogenannten Verankerungsgräben geschieht. Der bisherige Bemessungsansatz der EBGEO (2010) umfasst zum einen nur den Grenzzustand der Tragfähigkeit und nicht der Gebrauchstauglichkeit und beinhaltet zum anderen einige Annahmen, die aufgrund dieser Arbeit und z. B. nach BAM (2012) als zu stark vereinfachend eingestuft werden. Außerdem beinhaltet dieser Bemessungsansatz keinen Nachweis der Verbindungsstellen zwischen den Längs und Querzuggliedern der Gitter, obwohl diese planmäßig einer Belastung ausgesetzt sind. Gerade im Hinblick auf die z. B. im Deponiebau geforderten langen Wirksamkeiten von 100 Jahren sollte der Berechnungsansatz allerdings ausreichend detailliert und konservativ sein. Aus diesen Gründen ist die Ausführung von Verankerungsgräben im Deponiebau zurzeit nur mit Einschränkungen zugelassen.Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher ein mechanisch basiertes Modell zur Bemessung von Geogittern und deren Verankerungsgräben unter Berücksichtigung aller maßgebenden Effekte entwickelt, um die Unsicherheiten in der bisherigen Bemessung nach den EBGEO (2010) auszuräumen. Nach einer umfassenden Literaturrecherche wurden die nichtlinearen Einflüsse von Normalspannung, Querzuggliederanzahl, Bodenart und -einbaudichte auf das Herausziehverhalten mit eigenen Herausziehversuchen an vier Geogitterprodukten und mit drei verschiedenen Böden quantifiziert. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde ein mechanisch basiertes Interaktionsmodell für horizontale Verankerungen entwickelt, das verschiedene bestehende Ansätze zusammenfasst und explizit die beiden Kraftübertragungsmechanismen Reibung auf Längszuggliedern und Erddruck vor Querzuggliedern berücksichtigt.Zur Betrachtung der Situation von Verankerungsgräben mit Umlenkungen im Geogitterverlauf musste das Modell weiterentwickelt werden. Neben dem Interaktionsmodell für horizontale Verankerungen beinhaltet das Gesamtmodell einen Ansatz zur Berücksichtigung von Umlenkkräften, die an den Umlenkpunkten im Verlauf des Geogitters im Graben auftreten, sowie Gleichgewichtsbetrachtungen an allen relevanten Versagensmechanismen eines Verankerungsgrabens. Auf Basis der mechanisch basierten Ansätze zur Interaktion, den Umlenkeffekten sowie der Versagensmechanismen und aufgrund seiner erfolgreichen Validierung ist das Gesamtmodell anwendbar, um die Widerstandsmobilisierung in Verankerungsgräben zu berechnen.Mithilfe des entwickelten Gesamtmodells des Verankerungsgrabens wurde der Berechnungsansatz der EBGEO (2010) mittels charakteristischen Berechnungen ohne Sicherheiten überprüft. Der Vergleich zeigte, dass die Umlenkungen im Verlauf des Geogitters einen widerstands und steifigkeitserhöhenden Effekt haben, dessen Größe abhängig von den jeweiligen Randbedingungen ist. In fast allen untersuchten Verankerungen war der Versagensmechanismus Gleiten, bei dem Widerstände nur an der Geogitterunterseite wirken, maßgebend, was in der bisherigen Bemessungspraxis nicht berücksichtigt wird. In Summe lag der Ansatz der EBGEO (2010), selbst bei Berücksichtigung des Versagensmechanismus Gleiten, für Verankerungen mit geringerer Steifigkeit tendenziell auf der unsicheren Seite. Um dennoch mithilfe der EBGEO (2010) eine sichere Bemessung durchzuführen, muss der erhaltene Widerstand mit einem definierten Modellfaktor von γMF,EBGEO = 1,67 abgemindert werden. Nur für Verankerungen mit größeren Steifigkeiten von kR ≥ 1820 kN/m² kann auf die Verwendung des Modellfaktors verzichtet werden, da der Ansatz auf der sicheren Seite liegt, allerdings auch unwirtschaftlich ist. Zur sicheren und zugleich wirtschaftlichen Bemessung von Geogittern und deren Verankerungs-gräben, wurde das entwickelte Gesamtmodell in ein Bemessungsmodell, basierend auf dem bekannten Bemessungskonzept für Verankerungsgräben, übertragen. Für die bekannten Nachweise im Grenzzustand der Tragfähigkeit liefert das Gesamtmodell den Bemessungswiderstand, während die aus der Böschung resultierende Zugkraft als Bemessungsbeanspruchung weiterhin nach EBGEO (2010) zu bestimmen ist. Zusätzlich sind in dem Bemessungsmodell zwei Materialnachweise der Verbindungsstellen zwischen Längs und Querzuggliedern der Geogitter definiert (Scherfestigkeit und maximal verträgliche Verschiebung), für die das Gesamtmodell in diesem Fall die Bemessungsbeanspruchungen liefert. Erstmals ist mit dem entwickelten Modell auch eine Bemessung von Grenzzuständen der Gebrauchstauglichkeit möglich, für die das Modell als Bemessungsbeanspruchung die bei den charakteristischen Belastungen auftretende Geogitterverschiebung an der Böschungskante berechnet.Um das entwickelte Bemessungsmodell nicht nur mit dem verfassten Code und dem Programm Matlab, sondern auch in einer einfachen Tabellenkalkulation anwenden zu können, wurde es zur Bemessung des Grenzzustands der Tragfähigkeit durch Diskretisierung des Geogitters in nur drei Abschnitte vereinfacht. Um die resultierende verminderte Genauigkeit des vereinfachten Bemessungsmodells zu berücksichtigen, ist bei dessen Verwendung ein steifigkeitsabhängiger Modellfaktor anzuwenden, der definiert wurde.Damit ist eine sichere Bemessung im Grenzzustand der Tragfähigkeit sowohl mit dem vereinfachten als auch dem detaillierten Bemessungsmodell möglich, im Gegensatz zum Ansatz der EBGEO (2010) inklusive der Bemessung der Verbindungsstellen. Durch Einführung des Modellfaktors für den Ansatz der EBGEO (2010) ist damit weiterhin eine Bemessung möglich, allerdings ist diese weniger wirtschaftlich als die Verwendung der präsentierten Bemessungs-modelle. Mit dem detaillierten Bemessungsmodell ist die Bemessung von Geogittern und deren Verankerungsgräben zudem erstmals im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit möglich.

Since the 1970’s geogrids are being used for soil reinforcement in all fields of geotechnics as in bearing layers under transportation ways and foundations and as in slopes. Generally, it is the goal to build these bearing layers stiffer and these slopes steeper than possible with a locally available soil without additives. The reinforcement of locally available soils additionally leads to more economic and sustainable constructions.Surface-parallel geogrids in slopes, as in veneer cover systems, e.g., of landfills, take up the downward-directed part of the top soil’s weight. Hence, the geogrid tensile force increases along the slope from bottom to top. This high tensile force has to be anchored within a small area at the top, which is often carried out in anchorage trenches. The current design of the German EBGEO (2010) regards only the ultimate and not the serviceability limit state, and is based on some assumptions that, based on this work and e.g. BAM (2012), are rated to be too simplifying. Additionally, the design does not comprise a proof of the junctions between longitudinal and transverse tensile members of the grids, although these are being loaded regularly. Especially in regard to landfill constructions with their required endurance of 100 years, a design model should be sufficiently detailed and conservative (Koerner 2012a, p. 454). Due to these arguments, the execution of anchorage trenches in landfill constructions in Germany is currently restricted. Therefore, in this work a mechanically based model for the design of anchorage trenches with geogrids, taking into account all decisive effects, was developed to resolve the uncertainties of the current design after EBGEO (2010). After a comprehensive literature review, the nonlinear influences on the pullout behavior of normal stress, number of transverse members, soil type and soil density were quantified with pullout tests using four geogrid products and three soils. Basing on these findings, a mechanically based interaction model for horizontal anchorage was developed that combines various existing approaches and takes into account the load transfer mechanisms of friction on the surfaces of the longitudinal tensile members as well as bearing in front of the transverse tensile members.For use in an anchorage trench with a non-horizontal but deviated geogrid alignment, this model had to be upgraded. Therefore, approaches to take into account deviation effects and different possible failure mechanisms were combined with the interaction model for horizontal anchorage. With its mechanically based approaches for the interaction, the deviation effects and the failure mechanisms and due to its successful validation, this model could be used for modeling the resistance mobilization of geogrids in anchorage trenches.With the developed anchorage trench model, the design approach of EBGEO (2010) was checked with characteristic calculations within a parametric study. The comparison showed that the deviations along the geogrid led to an increase in resistance and in stiffness of anchorage trenches. In almost all cases, the failure mechanism sliding with only resistance forces at the bottom side of the geogrid was decisive, which is not considered in the current design practice. In total, the design of EBGEO (2010), even when considering the mechanism sliding, tended to unsafe results for anchorage trenches with lower stiffness. In order to still be able to safely design with the approach of EBGEO (2010), the resulting resistance has to be reduced by a model factor of γMF,EBGEO = 1.67. Only for anchorage trenches with higher stiffness of kR ≥ 1820 kPa, EBGEO design leads to safe results without the model factor. However, in almost all cases, design with EBGEO (2010) and the model factor is not economic.For safe and, at the same time, economic design of geogrid anchorage trenches, the model was incorporated into a design concept, which was based on the existing design concept for anchorage trenches. For the known proofs of the ultimate limit state, the model gives the design resistance, while the tensile force resulting at the top of the slope, as design action, can still be determined according to EBGEO (2010). Additionally, the design model comprises two proofs against failure of the junctions between longitudinal and transverse tensile members (shear resistance and maximum allowable displacement), for which the model calculates the design actions. For the first time, with the developed model a design of the serviceability limit state is possible. For these, the model calculates the geogrid displacement at the top of the slope for the regarded load case as design action.To be able to use the design model for design of the ultimate limit state not only with the written code and the software Matlab, but also with a simple spreadsheet calculation, it was simplified by a coarse discretization of the geogrid into only three sections. The resulting reduced accuracy of the simplified design model is taken into account using a stiffness-dependent model factor that was defined.Thereby, a safe design of the ultimate limit state is possible with the simplified design model as well as the detailed design model, in contrast to design with EBGEO (2010), including a proof of the geogrid junctions. By introduction of a model factor for the approach of EBGEO (2010), design using EBGEO (2010) is still possible. However, this design is less economic than using the presented new design models. Additionally, with the detailed design model, for the first time, a design of the serviceability limit state is possible.

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