Bemessung von Pfahlkopfplatten

20.08.2024

| Autor des Artikels:: Petra Topinkova

Beton

Detail 2D

Detail 3D

EN (Eurocode)

ACI (USA)

Anchoring

Concrete block

CSFM

Piles with substructures

Stress in reinforcement

Sind Sie in Ihrem Berufsleben schon einmal mit der Bemessung einer Pfahlkopfplatte konfrontiert worden? Dann wissen Sie, dass es eine knifflige Aufgabe sein kann, insbesondere bei einigen der komplexeren Pfahllayouts. Lassen Sie uns klären, welche Arten von Pfahlkopfplatte wir kennen und welche Designoptionen es gibt.

Was ist eine Pfahlkopfplatte?

Eine Pfahlkopfplatte ist eine Betonplatte, die häufig bei der Errichtung von Gebäuden, Brücken, Hafenanlagen und anderen schweren Infrastruktureinrichtungen verwendet wird, wenn die Bodenverhältnisse für flache Fundamente nicht ideal sind. Ihre Hauptfunktion besteht darin, die Lasten vom Überbau auf die Pfähle zu verteilen, die wiederum die Lasten auf die tieferen, stabileren Boden- oder Felsschichten übertragen.

Wir können die Pfahltypen nach mehreren Kriterien unterscheiden:

Nach dem Material (Beton, Stahl, Holz, ...)
Nach der Installationsmethode (gerammt, gebohrt, geschraubt, usw.)
Spezielle Typen (Mikropfähle...)

Die korrekte Bemessung von Pfählen ist besonders wichtig für den Nachweis von Setzungen, die dann bei der Bemessung des Oberbaus berücksichtigt werden. Die Bemessung hängt in erster Linie von der Umgebung ab, d. h. vom Boden und der maximal erforderlichen Setzung (die je nach Art des Überbaus und des Gesamtentwurfs festgelegt wird). Hierfür ist in der Regel der Bodengutachter zuständig.

Kommen wir nun zurück zur Bemessung von Pfahlkopfplatten. Wie bereits erwähnt, wird eine Pfahlkopfplatte häufig aus Stahlbeton hergestellt, und hier kommt der Statiker ins Spiel, der die Pfahlkopfplatte so dimensionieren muss, dass sie den Kräften aus dem Oberbau standhält und die Verteilung der Kräfte auf die einzelnen Pfähle bestimmt.

Wie man eine Pfahlkopfplatte bemisst

Im Allgemeinen sind mehrere Punkte zu berücksichtigen, die das Gesamtergebnis beeinflussen:

Das Material: In der Regel Stahlbeton
Dicke: Die Dicke einer Pfahlkopfplatte hängt von den Lasten ab, die es tragen muss, sowie vom Abstand der Pfähle.
Form und Größe: Form und Größe werden durch die Anordnung der Pfähle und die Art der vom Bauwerk ausgehenden Lasten bestimmt. Übliche Formen sind rechteckig, quadratisch und dreieckig.
Pfahlkopfbewehrung: Für die Aufnahme von Biegemomenten und Querkräften ist eine angemessene Bewehrung vorgesehen.
Ausrichten: Die korrekte Ausrichtung und Positionierung der Pfähle ist während der Bauphase von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass die Pfahlkopfplatte die Lasten effektiv übertragen kann.

Okay... wir wissen genau, was wir entwerfen müssen, aber wie und welche Möglichkeiten gibt es?

Der empirische Ansatz und die Fachwerkmethode (Strut-and-Tie Method)

Am einfachsten ist es, mit Anhaltspunkten zu beginnen, die auf empirischen Beziehungen zwischen Pfahlausrichtung, Dicke, Abmessungen usw. beruhen, und dann mit der Bemessung der Bewehrung nach der Fachwerk-Methode fortzufahren.

Die Fachwerkmethode (Strut-and-Tie-Methode, STM) ist ein Bemessungsansatz, der im Bauwesen, insbesondere bei der Bemessung von Stahlbetonkonstruktionen, verwendet wird. Sie ist besonders nützlich für die Analyse und Bemessung von Bereichen von Betonstrukturen, in denen die traditionellen Annahmen der Balkentheorie nicht gelten. Darunter fallen Bereiche mit komplexen Spannungsverteilungen, wie z. B. Diskontinuitätsbereiche (D-Bereiche), die um Öffnungen, Stützen und Lasteinleitungspunkte herum zu finden sind. STM vereinfacht komplexe Spannungsmuster in ein Modell, das aus einfachen, idealisierten Elementen besteht: Streben und Knoten.

Zur Anwendung der Fachwerk-Methode entwickeln Sie zunächst das Fachwerk-Modell, das den Kraftfluss innerhalb des D-Bereichs annähert, indem Sie die Positionen und Ausrichtungen der Streben und Knotenpunkte bestimmen. Berechnen Sie dann die Kräfte in jeder Strebe, indem Sie das Fachwerkmodell analysieren. Stellen Sie anschließend sicher, dass jede Strebe, jeder Anker und jeder Knotenpunkt in der Lage ist, die berechneten Kräfte aufzunehmen, indem Sie die Kapazität der Betonstreben für Druck, Zug und der Knotenpunkte für die Übertragung von Kräften überprüfen.

Die Fachwerk-Methode ist ein leistungsfähiges Werkzeug im Bauwesen, insbesondere für komplexe Bereiche in Betonstrukturen. Sie hat jedoch mehrere Nachteile:

Komplexität und erforderliche Fachkenntnisse: Die Bemessung mit der STM erfordert ein hohes Maß an Fachwissen und Erfahrung. Es kann für Ingenieure komplex und schwierig sein, das ST-Modell zu Beginn zu bestimmen.
Zeitaufwendig: Die Entwicklung eines genauen Fachwerkmodells und die Durchführung der erforderlichen Berechnungen können zeitaufwändig sein.
Vereinfachende Annahmen: Das STM beruht auf Vereinfachungen und Idealisierungen der tatsächlichen Spannungsverteilung. Diese Annahmen spiegeln das tatsächliche Verhalten der Struktur möglicherweise nicht perfekt wider.
Iterativer Charakter: Der Prozess kann iterativ sein und mehrere Anpassungen des Modells erfordern, um einer akzeptablen Bemessungzu erhalten. Dieser iterative Charakter kann die Komplexität und den Zeitaufwand erhöhen.
Konservativität: Die Methode kann manchmal zu übermäßig konservativen Annahmen gelangen, was dazu führt, dass mehr Material als nötig verwendet wird, was die Kosten erhöhen kann.
Nicht universell genug: Die Bestimmung des richtigen ST-Modells für untypische Formen kann schwierig oder sogar unmöglich sein.

Weitere Berechnungen und Nachweise, wie z. B. Durchstanzwiderstand und Detaillierungsprüfungen, müssen hinzugefügt werden.

Der CSFM-Ansatz

Eine Alternative wäre die Verwendung fortschrittlicherer Finite-Elemente-Methoden wie CSFM, die in IDEA StatiCa Detail implementiert sind.

CSFM steht für Concrete Stress Field Method. Dabei handelt es sich um eine Methode, die im Bauwesen für die Analyse und den Entwurf von Stahlbetonstrukturen verwendet wird. Die Methode basiert auf dem Konzept des Spannungsfeldes, das die Verteilung der inneren Spannungen in einem Betonelement darstellt. Sie berücksichtigt die Interaktion zwischen Beton und Bewehrung. Trotz ihrer Einfachheit liefert die Methode eine sehr realistische Beschreibung der Reaktion einer Betonstruktur sowohl im Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZT) als auch im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (GZG). Alle grundlegenden Annahmen werden in dem Artikel CSFM erklärt erläutert.

2D CSFM wurde bereits validiert, nicht nur durch theoretische und experimentelle Überprüfungen, sondern auch durch Referenzprojekte und deren Anwendung in der Praxis. Siehe zum Beispiel einige dieser Fallstudien.

Beispiel 1 - Pfahlkopfplatte

Im ersten Beispiel unten sehen Sie die Bemessung einer Pfahlkopfplatte. Die Bemessung erfolgte, einschließlich aller GZT- und GZG-Bewertungen, mit 2D CSFM in IDEA StatiCa Detail 2D. Im Bild sehen Sie das Basismodell und eine Zusammenfassung der Ergebnisse. Detaillierte Modellierungsabläufe und auch komplexe Ergebnisse finden Sie in dem bereits gestreamten Webinar.

Nicht alles (z.B. Wie berechnen wir das Betonvolumen für eine 3-Pfahl-Kopfplatte) kann durch Kombinationen von 2D-Aufgaben vereinfacht werden - deshalb entwickeln wir 3D CSFM. Dieses Programm befindet sich derzeit in der BETA-Phase und ist öffentlich zugänglich, damit Sie es über diesen Link testen können. Sobald mehr und mehr Verifizierungsstudien abgeschlossen sind, werden wir einer offiziellen Freigabe näher kommen.

Beispiel 2 - Dreieckige Pfahlkopfplatte

In der nächsten Abbildung sehen Sie ein Beispiel für eine dreieckige Pfahlkopfplatte mit drei Pfählen, das sich für 3D CSFM eignen könnte, da eine Vereinfachung auf eine 2D-Lösung nicht der Realität entsprechen würde. Mit 3D CSFM können wir nicht nur die Bewehrung bemessen, ob der Beton die gesamte Druckkraft richtig übertragen kann, sondern wir können auch sehen, wie die Last auf die einzelnen Pfähle verteilt wird.

Die größten Vorteile der Methode sind:

Automatisierung: In IDEA Statica wird das Finite-Elemente-Modell automatisch erstellt. Es besteht keine Notwendigkeit, langwierige Definitionen von Randbedingungen vorzunehmen, und im Vergleich zu STM ist es nicht erforderlich, das Verhalten der Struktur im Voraus zu kennen.
Genaue Spannungsdarstellung: Bietet im Vergleich zu einfacheren Methoden eine genauere Darstellung von Spannungsverteilungen in komplexen Regionen.
Universell genug: Kann auf eine breite Palette von Strukturelementen und Belastungsbedingungen angewendet werden.
Erhöhte Sicherheit: Hilft beim Entwurf sicherer Strukturen durch genaue Vorhersage potenzieller Versagensarten.

Fazit

Wenn es um die Bemessung von Pfahlkopfplatten geht, ist es auf den ersten Blick klar, dass die Pfahlkopfplatte ein weiterer Fall einer Diskontinuitätsregion ist. Obwohl wir in unseren Normen und Handbüchern einige Grundprinzipien für die Vorgehensweise haben, müssen wir mehr über das Verhalten der Struktur wissen, insbesondere wenn wir es mit atypischen Formen und Ausrichtungen zu tun haben. Mehr noch als bei anderen Teilen der Struktur können Pfahlkopfplatten manchmal ein Problem darstellen, wenn man sie in eine 2D-Aufgabe umwandelt, und es ist notwendig, das Problem räumlich zu lösen, um eine korrekte Beurteilung zu erhalten. Die Tatsache, dass es sich um den Teil des Bauwerks handelt, auf dem der Rest des Bauwerks buchstäblich steht, macht die Aufgabe noch bedeutsamer und erfordert die Aufmerksamkeit, die sie verdient.

Sowohl CSFM als auch STM werden für komplexe Regionen in Betonstrukturen verwendet. Während STM den Bereich zu einem fachwerkähnlichen Modell mit einzelnen Streben und Knotenpunkten vereinfacht, modelliert CSFM die kontinuierliche Spannungsverteilung im Beton. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die in IDEA StatiCa Detail implementierte Concrete Stress Field Method (CSFM) ein hochentwickeltes Werkzeug für die Bemessung und die Analyse von Stahlbetonstrukturen ist, das detaillierte Einblicke in Spannungsverteilungen und genaue Ergebnisse für 2D- und 3D-Aufgaben bietet.