1. Beispiel: Betonplatte auf neun Bohrpfählen
Eine 10 Meter mal 10 Meter große, 180 mm dicke Betonplatte ist durch neun Bohrpfähle unterstützt, wobei vier Bohrpfähle (Knotenlager 5) einschließlich des mittleren Bohrpfahls nur Kräfte in Z-Richtung aufnehmen. Zwei der restlichen Bohrpfähle haben jeweils eine Neigung von 10° um die X-Achse (Knotenlager 6), zwei weitere haben jeweils eine Neigung von 10° um die Y-Achse (Knotenlager 7) und ein Bohrpfahl hat eine Neigung von 10° um die X- sowie Y-Achse (Knotenlager 8), sodass horizontale Kräfte in den entsprechenden Richtungen aufgenommen werden können und das System stabil ist.
Das System ist durch eine Flächenlast von 4,5 kN/m² sowie durch zwei Linienlasten von jeweils 1,0 kN/m belastet.
In der ersten Modellierungsvariante sind die Bohrpfähle durch gerade und geneigte, einwertige, starre Auflager dargestellt, während in der zweiten Variante die Bohrpfähle als gelenkig anschließende Balkenstäbe modelliert sind. Diese beiden Varianten unterscheiden sich statisch nur hinsichtlich der Dehnsteifigkeit der Balkenstäbe.
Die dritte Modellierungsvariante entspricht der zweiten - erweitert um eine Stabbettung in lokale y- und z-Richtung jedes Stabes, welche die Nachgiebigkeit des entsprechenden Baugrundes simuliert.
Zur Eingabe der Federkonstanten sei auf den Beitrag Stabbettung 1: Wegfedern und die FAQ Wie sind die Stabbettungen einzugeben? hingewiesen.
Die Unterschiede der drei Varianten zeigen sich in den Ergebnissen. Wie oben erwähnt, besteht zwischen den Varianten 1 und 2 hinsichtlich der Auflagerkräfte praktisch kein Unterschied, sodass auch die Ergebnisse einander entsprechen. Mit der angegebenen Belastung entstehen sowohl Zug- als auch Druckkräfte in den Bohrpfählen, wodurch die Verteilung der Last relativ ungleichmäßig und betragsmäßig hoch ist. Somit liegt man mit diesen beiden Varianten bezüglich der maximalen Auflagerkraft auf der sicheren Seite. Bild 04 zeigt die Auflagerkräfte der Varianten 1 und 2 reihenweise im Sichtbarkeitsmodus.
Zur Reduktion und gleichmäßigeren Verteilung der Auflagerkräfte empfiehlt sich die Eingabe einer Stabbettung. Die dadurch entstehenden Querkräfte und Biegemomente sind verhältnismäßig gering, sodass an dieser Stelle nur die auftretenden Normalkräfte beziehungsweise Auflagerkräfte betrachtet werden. Bild 05 zeigt die Auflagerkräfte der dritten Variante wiederum reihenweise im Sichtbarkeitsmodus.
2. Beispiel: Stahlkonstruktion auf drei Bohrpfählen
Eine Stahlkonstruktion, bestehend aus zwei miteinander biegesteif verbundenen Stahlträgern zu je 3 m und einer 1 m langen Konsole, wird am Ende der Konsole durch drei Einzellasten in alle drei Richtungen belastet. Als Unterstützung dienen drei Bohrpfähle mit Neigungen von je 10° um die X-Achse beziehungsweise Y-Achse.
An dieser Stelle werden zwei Modellierungsvarianten betrachtet: Variante 1 ohne Stabbettung, Variante 2 mit Stabbettung.
Betrachtet man das statische System sowohl in XZ-Ebene, als auch in YZ-Ebene, so fällt schnell auf, dass die Konstruktion aufgrund der sich in einem gemeinsamen Punkt schneidenden Wirkungslinien der Bohrpfahlkräfte instabil ist.
Demnach ist an dieser Stelle der Ansatz einer Stabbettung erforderlich.
Fazit
Bei der Modellierung von Bohrpfahlkonstruktionen liefern die prinzipiell beschriebenen zwei Möglichkeiten, sprich die Varianten mit oder ohne Stabbettung, unterschiedliche Ergebnisse. So liegt die Variante ohne Stabbettung hinsichtlich der Normalkräfte der Pfähle auf der ungünstigen Seite, während der Ansatz mit Stabbettung in der Regel wirtschaftlicher ist. Bei nicht ausreichend ausgesteiften Konstruktionen ist der Ansatz einer Stabbettung erforderlich, sofern eine andere horizontale Aussteifung ausgeschlossen ist.
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