Institut für Grundbau, Bodenmechanik und Energiewasserbau

Numerische Berechnung von Pfählen unter kombinierter horizontaler und vertikaler Belastung

Khalid Abdel-Rahman, Klaus Thieken

In vielen Fällen werden Pfähle als Gründungselemente nicht nur axial, sondern zusätzlich auch lateral belastet. Die auftretenden Interaktionseffekte werden in der Praxis mangels verfügbarer Berechnungsansätze jedoch in aller Regel vernachlässigt.

Ziel des Forschungsprojektes ist es, die bislang lückenhaften Erkenntnisse zum Verhalten von Pfählen in nichtbindigen und bindigen Böden unter kombinierter Belastung aus Vertikal- und Horizontalkräften (H-V-Interaktion) sowie aus in unterschiedlichen Richtungen wirkenden Horizontalkräften (H-H-Interaktion) umfassend zu erweitern.

Mittels numerischer Modelle sollen H-V-Interaktionsdiagramme für unterschiedliche Abmessungen in verschiedenen Bodenarten ermittelt werden. Hieraus sollen Ansätze zur Berücksichtigung der Lastinteraktion in der praktischen Bemessung, d.h. zum Beispiel bei der Berechnung mit Bettungsmodulverfahren, abgeleitet werden.

Außerdem soll die H-H-Interaktion Gegenstand der Untersuchungen sein. Die in unterschiedlichen Bodenarten zu erwartenden Steifigkeitsveränderungen bei Belastung in horizontaler Richtung durch eine vorherige ebenfalls horizontale, aber in anderer Richtung wirkende Last sollen quantifiziert und hinsichtlich ihrer Auswirkung auf die Pfahlbemessung bewertet werden.

Für die Ermittlung der Interaktionseffekte aus kombinierter Belastung werden Pfähle mit Durchmessern von D= 1/ 2/3 m und Einbindelängen von L=10/20/30 m betrachtet. Mit diesen Pfahlgeometrieen sollen umfangreiche Parameterstudien durchgeführt werden. Hierbei liegt ein Hauptaugenmerk neben der Variation der Pfahlsteifigkeit EI, die vom annähernd starren bis hin zum biegeweichen Pfahl führt, auf den Bodenparametern und deren Auswirkungen auf das Interaktionsverhalten.

Zur Beurteilung der Interaktionseffekte muss für jeden Parametersatz zunächst ein normiertes Interaktionsdiagramm erstellt werden. Zur Erstellung eines solches Diagramms, wie es in Abbildung 2 dargestellt ist, werden meist mehr als 20 Einzelberechnungen mit unterschiedlichen Belastungswinkeln benötigt, um ein ausreichend genaues Bild zu erzeugen.

Um die schon zuvor erwähnte angestrebte Anpassung praktischer Bemessungsansätze, wie dem Bettungsmodulverfahren zu ermöglichen, ist neben dem globalen Pfahlverhalten auch das lokale Verhalten zu untersuchen.

Bisher erreichte Ergebnisse:

Im Rahmen der Untersuchungen wurden bisher zahlreiche Berechnungen durchgeführt, die auch zu Interaktionsdiagrammen zusammengefasst wurden. Zwei dieser Diagramme für unterschiedliche Pfahlsteifigkeiten in identischen Boden sind in den Abbildungen 3 und 4 dargestellt. Hieran lässt sich der Einfluss der Pfahlsteifigkeiten klar erkennen. Weiterhin wurde auch schon der Einfluss einiger Bodenparameter untersucht.

Weitere Informationen:

• Institut für Grundbau, Bodenmechanik und Energiewasserbau
• Abdel-Rahman, K., Achmus, M. (2006): “Numerical modelling of combined axial and lateral loading of vertical piles”. 6th European Conference on Numerical Methods in Geotechnical Engineering, Graz, Austria, September.
• Achmus, M., Abdel-Rahman, K. (2007): Numerical Modelling of Vertical Piles in Clay under Inclined Compression Loading. 12th International Colloquium on Structural and Geotechnical Engineering, Alexandria, Egypt.
• Achmus, M., Abdel-Rahman, K & Thieken, K. (2009). Numerical Study of the effect of combined loading on the behavior of piles in sand. International Symposium on Computational Geomechanics, Juan-Les-Pins, France