Entwicklung von Methoden zur Bemessung der Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit duktiler geotechnischer Tragwerke bei Beanspruchung durch starke Erdbeben

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Gerd Gudehus
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung von 2003 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5401015

• Erstellungsjahr: 2010

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Verhalten von Bauwerken während starker Erdbeben vorherzusagen, stellt nach wie vor eine anspruchsvolle Aufgabe für den Erdbebeningenieur dar. Vor allem dann, wenn der Boden dem Bauwerk und seiner Gründung keinen Halt mehr bietet, weil sich der Boden aufgrund der seismischen Einwirkung transient ändert (erweicht bis hin zur Verflüssigung). Der Stand der Wissenschaft zur Bestimmung der Erdbebensicherheit von Bauwerken unter Berücksichtigung der Boden-Bauwerk-Gründungs-Interaktion (engl. soil-foundation-structure interaction, kurz SFSI ) ist, obwohl er sich in den letzten Jahren verbessert hat, noch immer unzulänglich. In der Praxis wird das Verhalten des Bodens noch immer stark vereinfacht - wenn nicht gar ignoriert. Die SFSI kann einen maßgeblichen Einfluss auf das seismische Verhalten von bedeutenden Konstruktionen, wie verletzlicher Infrastruktur (d. h. Kraftwerken, Häfen, Staudämmen, Industrie, etc.) oder Lebensadern (d.h. Pipelines, Brücken, etc.)haben. Ein genaues Verständnis der Interaktion zwischen der Struktur, ihrer Gründung und dem Boden ist eine unerlässliche Voraussetzung, um die dynamische Antwort von Konstruktionen, die auf verflüssigungsempfindlichen oder weichen Böden gegründet sind, zu bestimmen. In dieser Untersuchung werden experimentelle und auchnumerische Verfahren vorgeschlagen, um das Verhalten von Gründungselementen – Pfähle und Pfahlgruppen – im Boden bei monotoner, alternierender und dynamischer Horizontalbeanspruchung besser nachzubilden. Dieses Verhalten ist nur mit nichtlinearen Stoffgesetzen abbildbar. Die für Erdbeben oft eingesetzen Modelle mit angepassten Steifigkeiten (z.B. Shake) sind dafür ungeeignet. Das Bodenverhalten unter Erdbebenbeanspruchung ist abhängig von Bodenart und -zustand; zur Erfassung der für die SFSI relevanten Größen wird eine Kombination von Hypoplastizität, Drucksondierungen und Monitoring vorgeschlagen. Eine solche Methode war bisher für weich-/feinkörnige Böden (wie beispielweise Tone) nicht verfügbar. Die Ergebnisse haben über das Erdbeben-Ingenieurwesen hinaus Bedeutung. Erstmals wurden numerische Modelle mit validierten Stoffgesetzen für Vorgänge mit wiederholter Pfadumkehr bis hin zur Verflüssigung durch Modell- und Feldversuche detailliert bestätigt. Dies wird auch anderen Anwendungen mit Wechselbeanspruchungen (Verkehrswege, Onshore- und Offshore-Bauwerke) zugute kommen. Für energetisch begründete neuartige Theorien bieten die Ergebnisse Anregung und Bestätigung.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2004): Experimental and numerical investigation of the behaviour of piles in soft soils under monotonic and alternating loading. In: Proceedings of the 13th World Conference on Earthquake Engineering (13WCEE04), Vancouver, B.C., Canada, 1. - 6. August 2004, Paper 2964
  Buehler, M. M., R. O. Cudmani, G. Gudehus
  
• (2004): Numerical study of the soil-structure interaction during strong earthquakes. In: Proceedings of the 13th World Conference on Earthquake Engineering (13WCEE04), Vancouver, B.C., Canada, 1. - 6. August 2004, Paper 2959
  Cudmani, R.O., R. Cudmani
  
• (2004): Study on performance of pile walls using laminar shake box. In: Proceedings of the 13th World Conference on Earthquake Engineering (13WCEE04), Vancouver, B.C., Canada, 1. - 6. August 2004, Paper 2790
  Boominathan, A., R. Chandaka, M. M. Buehler, G. Gudehus
  
• (2005): Disaster prevention and natural hazards mitigation in earthquake engineering design using seismic soil-foundation-structure interaction analysis. In: Proceedings of the IYGEC 2005, International Young Geotechnical Engineer’s Conference, Osaka, Japan, 13. - 15. September 2005
  Buehler, M. M.
  
• (2005): Numerical investigation of the seismic behaviour of structures on soft and liquefiable soils considering the nonlinear soil-foundation-structure interaction. In: Proceedings of the International Conference on the 250th Anniversary of the 1755 Lisbon Earthquake, Lisbon, Portugal, 1. - 4. November 2005, pp. 386-393
  Buehler, M. M., R. O. Cudmani
  
• (2006): A full seismic soil-foundationstructure interaction approach. First European Conference on Earthquake Engineering and Seismology, Geneva, Switzerland, 3. - 8. September 2006, Paper 421
  Bühler, M. M., H. Wienbroer, D. Rebstock, G. Huber
  
• (2006): Eingeschränkt duktile geotechnische Tragsysteme. 29. Baugrundtagung Bremen
  Gudehus, G.
  
• (2006): Thin layer shearing of a highly plastic clay. Nonlinear Processes in Geophysics 13, No. 6, pp. 671-680
  Balthasar, K., Gudehus, G., Külzer, M., Libreros Bertini, A.B.
  
• Experimental and numerical investigation of soil-foundation-structure interaction during monotonic, alternating and dynamic loading. Dissertation, IBF-Veröff. Heft-Nr. 166, (2006)
  Michael Max Bühler
  
• Hypo- und visko-hypoplastische Modellierung von Kriech- und Rutschbewegungen, besonders infolge Starkbeben. Dissertation, IBF-Veröff. Heft-Nr. 165, (2006)
  Ana Bolena Libreros Bertini
  
• Application of hypoplastic and viscohypoplastic constitutive models for geotechnical problems. Dissertation, IBF-Veröff. Heft-Nr. 171 (2009)
  Thomas Meier