Veröffentlichung: Seismic design of sheet piles: economic benefits of advanced design methods

Um die Konstruktions- und Projekteffizienz mit Spundwandlösungen in Gebieten mit hohem Erdbebenrisiko weiter zu verbessern, werden in der englischen Veröffentlichung „Seismic design of sheet piles: economic benefits of advanced design methods“ (Erdbebenbemessung von Spundwänden: wirtschaftliche Vorteile fortschrittlicher Bemessungsmethoden) innovative Konstruktionsmethoden für extrem dynamische Belastungsbedingungen in Häfen und Wasserstraßen und anderen Infrastrukturbereichen vorgestellt.

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Wirtschaftliche und sichere Planungsansätze für Spundwandkonstruktionen in stark erdbebengefährdeten Zonen

Spundbohlen aus Stahl, die häufig für den Bau einer Vielzahl von Konstruktionen wie Kaimauern und Wellenbrechern in Häfen, Uferbefestigungen an Flüssen und Kanälen, Unterführungen sowie globalen Gefahrenschutzsystemen verwendet werden, haben sich in Erdbebengebieten in vielen Ländern der Welt bewährt.

Chile, das Land mit den stärksten Erdbeben in der Geschichte, ist ein hervorragendes Beispiel: Während die Häfen aus Beton schwer beschädigt wurden, hat der Hafen von Mejillones, der 2003 mit einer HZ® / AZ®-Kombi-Spundwand für die Kaimauer und AS 500-Flachprofilen für den Wellenbrecher erbaut wurde, bei vielen schweren Erdbeben mit Stärken von bis zu 7,7 keine Schäden erlitten. Somit ist er das perfekte Beispiel für die Leistungsfähigkeit flexibler Spundwandkonstruktionen unter extremen Erdbebenlasten.

Trotzdem ist weiterhin unter einigen Planern eine gewisse Zurückhaltung verbreitet, Stahlspundbohlen in Erdbebengebieten einzusetzen. Diese Bedenken können aus der Erfahrung mit herkömmlichen Entwurfsmethoden resultieren, die flexible Wände in Erdbebenzonen nicht bevorzugen. Diese Entwurfsmethoden beinhalten normalerweise pseudostatische Berechnungen unter Verwendung der Mononobe-Okabe-Theorie (1931).

Numerische Studien und physikalische Experimente (Zentrifugentests) haben gezeigt, dass diese konventionellen Konstruktionsmethoden die Belastungen von Stützmauern überschätzen - insbesondere bei flexiblen Wänden. Obwohl EN 1998-5 eine Reduzierung der Erdbebenwirkung in Abhängigkeit von den zulässigen Verschiebungen (Reduktionsfaktor „r“) ermöglicht, gilt dies nur für Schwergewichtswände und nicht für verankerte Wände wie Spundwände, trotz derer inhärenten Duktilität.

Leistungsstarke Bemessungshilfen mit Finite-Elemente-Modellen (FEM) ermöglichen heute dynamische Berechnungen, mit denen das Verhalten der Stützmauern unter verschiedenen Erdbebenlasten genau vorhergesagt werden kann (darunter einschließlich innerer Kräfte, Deformierungen, Anstieg des Porenwasserdrucks und erwarteten Versagensarten).


Materialkosteneinsparungen dank dynamischer Entwurfsmethoden

Ein Forschungsprojekt unter der Leitung von ArcelorMittal R & D und eine Studie des weltweit führenden maritimen technischen Beratungsunternehmens SENER zeigten ein erhebliches Optimierungspotenzial. In der Studie wurde ein breites Spektrum von Fällen analysiert (vier Wassertiefen; vier seismische Beschleunigungen; zwei Bodenbedingungen), in denen die konventionelle pseudostatische Methode auf der Grundlage von EN 1998-5 unter Verwendung einer elastoplastischen Software zur Analyse der Reaktion des Untergrunds und der volldynamischen, fortschrittlichen Methode mit FEM-Software.

Alle untersuchten Fälle zeigten ein erhebliches Optimierungspotential bei Anwendung der FEM-Methode. Die Biegemomente im pseudostatischen Design sind 40% bis 126% höher als im FEM-Design. Bei Betrachtung der jeweiligen Spundwandprofile kann dies mit den fortschrittlichen Erdbebendesignmethoden zu bis zu 50% Einsparung der Materialkosten führen.

Zusätzliche Materialeinsparungen durch richtige Analyse von hydrodynamischen Lasten

Hydrodynamische Lasten werden üblicherweise als pseudostatisch betrachtet und gemäß EN 1998-5 unter Verwendung der Westergaard-Formel als permanente Wasserlast während der gesamten Dauer des Erdbebens berechnet. SENER verwendete FEM und Computational Fluid Dynamics (CFD), um den Einfluss hydrodynamischer Lasten auf eine Spundwand während des Erdbebens unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen Boden und Flüssigkeit unter dynamischer Analyse zu berechnen.

Die Verwendung der traditionellen Westergaard-Formel in EN 1998-5 entspricht den hydrodynamischen Belastungen, die durch CFD zu einem bestimmten Zeitpunkt während des Erdbebens erhalten wurden. Da nach Westergaard dies jedoch als dauerhafte Belastung während des gesamten Erdbebens betrachtet wird, ist eine Überschätzung seiner Auswirkungen offensichtlich.

Die mit Plaxis 2D durchgeführten FEM-Bemessungen verglichen die Ergebnisse bei der Verwendung der traditionellen Westergaard-Last mit denen, die bei Verwendung einer realistischen zeitabhängigen variablen Last (durch eine dynamische Last oder durch hinzugefügte Massen) erhalten wurden. Die Ergebnisse zeigten eine Erhöhung des Biegemoments um 24,5% (in Bezug auf die Auswirkungen der reinen Erdbebenlasten) bei Verwendung der herkömmlichen Westergaard-Last im Vergleich zu 4% bei Verwendung der Momentanlast. In dieser Fallstudie bedeutet die Berücksichtigung einer realistischen hydrodynamischen Belastung eine Materialkostenersparnis von 14%, wenn die entsprechenden Spundwandprofile berücksichtigt werden.

Text:
ArcelorMittal Sheet Piling
Constructalia

Bilder:
ArcelorMittal Sheet Piling
Puerto Angamos