Möglichkeiten zur Modellierung von Bohrpfählen

Fachbeitrag

Bei der Modellierung von Bohrpfählen bieten RFEM und RSTAB verschiedene Optionen. Auf der einen Seite lassen sich Bohrpfähle als einwertige Auflager beziehungsweise Pendelstützen darstellen. Auf der anderen Seite ist ebenso eine realistische Modellierung unter Berücksichtigung des Baugrundes mit Hilfe des Ansatzes einer Stabbettung möglich. Im Folgenden werden diesbezüglich zwei Beispiele veranschaulicht. Die Thematiken Pfahlspitzenwiderstand, Pfahlmantelreibung und Bodenschichten sind hingegen kein Bestandteil dieses Beitrages.

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.

Bild 01 - Grundriss Betonplatte auf neun Bohrpfählen

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.

Bild 02 - Modellierung Variante 1 und 2 ohne Stabbettung

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.

Bild 03 - Modellierung Variante 3 mit Stabbettung

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.

Bild 04 - Auflagerkräfte der Varianten 1 und 2 ohne Stabbettung, 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.

Bild 05 - Auflagerkräfte der Variante 3 mit Stabbettung, 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.

Bild 06 - Isometrie Variante 2

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.

Schlüsselwörter

Bohrpfahl Stabbettung Pendelstütze Aussteifung

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