LRFD Design Specifications of Shallow Foundations

Bearbeiter: PD Dr.-Ing. K. Lesny, Dr.-Ing. A. Kisse (seit Mai 2008 bei CDM Consult GmbH, Bochum)

Kooperation mit: Geotechnical Engineering Research Laboratory, University of Massachusetts Lowell, USA; Geoscience Testing and Research, Inc., Chelmsford, MA, USA

Förderung durch: National Cooperative Highway Research Program - Nr. NCHRP 24-31

Laufzeit: 01.05.2007 bis 30.04.2009

Kurzbeschreibung des Projekts

Analog zu der Entwicklung in Europa begann bereits Ende der 1970er Jahre die für Straßenbaumaßnahmen in den USA zuständige American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO), für Brückenbauwerke bzw. deren Tragstrukturen probabilistische Bemessungsregeln einzuführen. In den 1990er Jahren wurde dann das damalige Working Stress Design (analog zum globalen Sicherheitskonzept) an das so genannte Limit State Design (LSD) (Bemessung für Grenzzustände der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit nach dem Konzept der Teilsicherheitsbeiwerte) angepasst, jedoch ohne dass gleichzeitig eine grundlegende Überarbeitung der Bemessungsregeln stattfand. Erst mit dem Vorgängerprojekt NCHRP 12-66 (AASHTO LRFD Specifications for Serviceability in the Design of Bridge Foundations) gelang es dem Kooperationspartner, den Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (Serviceability Limit State - SLS) von Brückenfundamenten rigoros auf das LSD umzustellen. Nach wie vor jedoch sind die Bemessungsvorschriften für den Grenzzustand der Tragfähigkeit (Ultimate Limit State - ULS) flachgegründeter Brückenfundamente unbefriedigend. Insbesondere die Regelungen zur Berücksichtigung des Einflusses kombinierter Belastung, wie sie typischerweise bei Brückenfundamenten auftreten, sind unzureichend, in gewisser Weise beliebig und ohne klare Handlungsanweisung an den Planer. Auch die Teilsicherheitsbeiwerte auf die Widerstände sind kaum begründet und erscheinen in ihrer Größenordnung ebenfalls beliebig.

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist daher eine grundlegende Überarbeitung der derzeitigen AASHTO Bemessungsregeln für flachgegründete Brückenfundamente im Straßenbau im Rahmen des nunmehr verbindlich vorgeschriebenen LSD. Dabei wird das so genannte Load and Resistance Factor Design (LRFD), also die Bemessung mit Teilsicherheitsbeiwerten auf Belastung und Widerstand, konsequent umgesetzt.

Die Forschungsarbeiten basieren auf einer umfangreichen Datenbank, die bereits in dem Projekt NCHRP 12-66 angelegt und im Rahmen dieses Forschungsprojekts zunächst erheblich erweitert wurde. Die Datenbank enthält mittlerweile die Ergebnisse weltweit durchgeführter groß- und kleinmaßstäblicher Belastungsversuche an Fundamenten einschließlich Angaben zu Fundamentgeometrie, Bodeneigenschaften, Last-Verschiebungskurven usw.. Die Versuche wurden überwiegend in nichtbindigem Boden durchgeführt, es liegen aber auch Daten zu Versuchen in bindigem Boden und in Fels vor (Bild 1). Von den ca. 500 Versuchen wurden rund 50% in Deutschland durchgeführt. Dazu zählen die großmaßstäblichen Belastungsversuche der Deutschen Forschungsgesellschaft für Bodenmechanik (DEGEBO) in Berlin (siehe Aufstellung in Weiß, 1978), insbesondere aber die am hiesigen Institut durchgeführten kleinmaßstäblichen Modellversuche unter kombinierter Belastung (vor allem Perau, 1995), die für die Durchführung dieses Projekts von besonderer Bedeutung sind.

 

Bild 1:  Vorhandene Datenbanken mit Belastungsversuchen an groß- und kleinmaßstäblichen Fundamenten in Boden und Fels

Bild 1: Vorhandene Datenbanken mit Belastungsversuchen an groß- und kleinmaßstäblichen Fundamenten in Boden und Fels

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden zunächst typische Brückenbauwerke und ihre Tragstrukturen identifiziert und die zugehörigen Belastungsrandbedingungen (Art, Größe und Kombination der Lasteinwirkungen) festgelegt. Diese Systeme dienen im weiteren Verlauf als Bemessungsbeispiele für das zu entwickelnde LRFD Bemessungskonzept. Auf Basis einer umfangreichen Literaturauswertung wurden dann die für diese Bemessungssituationen relevanten Grenzzustände der Tragfähigkeit definiert und die zugehörigen Grenzzustandsgleichungen festgelegt.

Die Unsicherheiten sowohl in den Bemessungsansätzen als auch in der Bestimmung der Bodenkenngrößen (insbesondere Reibungswinkel j') wurden anhand der in den Datenbanken dokumentierten Versuchsergebnisse sowie durch Parameterstudien und Analysen der Grenzzustandsgleichungen quantifiziert. Dabei war jedoch zu berücksichtigen, dass eine Vielzahl der Versuche in der Datenbank gerade unter kombinierter Belastung kleinmaßstäbliche Modellversuche sind, die unter kontrollierten Einbaubedingungen durchgeführt wurden. Die bekannten maßstabsbedingten Einflüsse auf die Tragfähigkeit eines Fundaments (Spannungszustand, progressiver Bruch etc.) sowie die natürlichen Streuungen der Bodenparameter müssen jedoch bei der Herleitung der Teilsicherheitsbeiwerte berücksichtigt werden.

Da die einzelnen Unsicherheiten kaum spezifiziert werden können, werden sie im Rahmen dieses Forschungsvorhabens in dem Bias l als Quotient der gemessenen Bruchlast aus den Versuchen zu der berechneten Bruchlast (z. B. aus der Grundbruchgleichung) zusammengefasst. Bild 2 zeigt den aus Versuchen unter lotrecht-mittiger Belastung ermittelten Bias in Abhängigkeit von der Fundamentgröße und den Versuchsbedingungen. Danach nimmt der Bias mit zunehmender Fundamentgröße bei kontrollierten Versuchsbedingungen in ähnlicher Weise wie bei natürlichen Versuchsbedingungen zu. Der insgesamt größere Bias unter kontrollierten Versuchsbedingungen ist im Wesentlichen auf den eher konservativen Ansatz für den Tragfähigkeitsfaktor Ng nach Vesic (1973) zurückzuführen wie weitere Untersuchungen gezeigt haben. Streuungen der Bodenparameter spielen hierbei eine untergeordnete Rolle. Unter natürlichen Bedingungen jedoch führen Inhomogenitäten des Baugrundaufbaus und die mit der Bestimmung des Reibungswinkels verbundenen Unsicherheiten zu einer Reduzierung des Bias.

Bild 2:  Abhängigkeit des Bias des Grundbruchwiderstands (gemessener/berechneter Wert) von der Fundamentbreite und den Versuchsrandbedingungen für lotrecht-mittige Belastung

Bild 2: Abhängigkeit des Bias des Grundbruchwiderstands (gemessener/berechneter Wert) von der Fundamentbreite und den Versuchsrandbedingungen für lotrecht-mittige Belastung

Auf dieser Grundlage wurden anhand probabilistischer Berechnungen (Monte Carlo Simulation und FOSM) für verschiedene Sicherheitsindices b vorläufige Teilsicherheitsbeiwerte für den Grundbruchwiderstand in Abhängigkeit von den Belastungs- und den Versuchsrandbedingungen hergeleitet (beachte: der charakteristische Widerstand wird hier mit dem Teilsicherheitsbeiwert multipliziert). Tabelle 1 zeigt die Teilsicherheitsbeiwerte für einen Sicherheitsindex von b = 3,0.

Tabelle 1: Vorläufige Teilsicherheitsbeiwerte für den Grundbruchwiderstand für b = 3,0

Loading Type

Underlying soil

condition

Resistance factor

f

Efficiency fb/l [%]
Vertical centric Controlled 0,90 52
Natural 0,45 45    
Vertical-eccentric Controlled 0,75 41,4
Inclined-centric Controlled 0,7 49
Inclined-eccentric  Positive or rerversible moment Controlled 0,7 49,6
Negative moment Controlled 1,0 49,3

Bild 4 zeigt exemplarisch die Ergebnisse einer Bemessung für das in Bild 3 dargestellte Beispiel eines Brückenwiderlagers. Für den Grundbruchwiderstand wurden dabei die neuen Teilsicherheitsbeiwerte nach Tabelle 1 verwendet, für den Gleitwiderstand wurde der in AASHTO (2006) angegebene Teilsicherheitsbeiwert von ft = 0,80 angesetzt.

Bild 3:  Bemessungsbeispiel eines Brückenwiderlagers (nach Kimmerling, 2002)

 Bild 3: Bemessungsbeispiel eines Brückenwiderlagers (nach Kimmerling, 2002)

Bild 4:      Einfluss der Fundamentbreite auf den Mobilisierungsgrad m (Indices v: Grundbruchwiderstand, h: Gleitwiderstand, M: zulässige Ausmitte)

Bild 4: Einfluss der Fundamentbreite auf den Mobilisierungsgrad m (Indices v: Grundbruchwiderstand, h: Gleitwiderstand, M: zulässige Ausmitte)

Im weiteren Verlauf der Arbeiten stehen u. a. die endgültige Festlegung der Teilsicherheitsbeiwerte, die Einbeziehung des Gleitwiderstands und letztendlich die Überarbeitung der AASHTO Spezifikationen im Vordergrund.

Literatur:

AASHTO (2006): LRFD Bridge Design Specifications, Section 10: Foundations, American Association of State Highway & Transportation Officials, Washington D.C.

Kimmerling, R. E. (2002): Geotechnical Engineering Circular No. 6 - Shallow Foundations. FHWA Report No. FHWA-IF-02-054, Washington D.C., 310 pp.

Perau, E. W. (1995): Ein systematischer Ansatz zur Berechnung des Grundbruchwiderstands von Fundamenten. Mitteilungen aus dem Fachgebiet Grundbau und Bodenmechanik, Heft 19, Universität-Gesamthochschule Essen, Hrsg. Prof. Dr.-Ing. W. Richwien, Verlag Glückauf GmbH

Vesic, A. A. (1975): Bearing Capacity of Shallow Foundations. In: Winterkorn, H. F. & Fang, H. Y.: Foundation Engineering Handbook, Van Nostrand Reinhold, New York, S. 121-147

Weiß, K. (1978): 50 Jahre Deutsche Forschungsgesellschaft für Bodenmechanik (DEGEBO). Mitteilungen der Deutschen Forschungsgesellschaft für Bodenmechanik an der Technischen Universität Berlin, Heft 33

Veröffentlichungen:

Amatya, S.; Paikowsky, S. G.; Lesny, K.; Kisse, A. (2009): Uncertainties in the Bearing Capacity of Shallow Foundations and the Factor Ng Using an Extensive Database. International Foundation Congress & Equipment Expo '09, Orlando, March 15-19 (angenommen)

Links:
http://www.uml.edu/research_labs/Geotechnical_Engineering/
http://www.gtrinc.net