geosynthetics in civil engineering - tu wien
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20.06.2011
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Geosynthetics In Civil Engineering
Dipl.Ing. Klaus Oberreiter, MBA
17.-18. Juni 2011
Teil 4 – 2011: Bewehrungsanwendungen, Deponiebau,
Beckenbau
Bewehrungsanwendungen
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StützkonstruktionenKernanwendungen
Wirkungsweise
Tdes = Tmin / A1 * A2 * A3 * A4 * B
Gleitfläche
Geokunststoffbewehrung
in ursprünglicher Lage
Geokunststoffbewehrung
unter Belastung
Aktivierte Zugkraft
Aktivierte Zugkraft
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Bemessungsprinzip 1
Externe Stabilität: (Nachweisführung wie bei herkömmlichen Stützbauwerken)
Alle Nachweise zielen auf eine ausreichende Länge der Bewehrungslagen ab.
KippenGleiten
BöschungsbruchGrundbruch
Bemessungsprinzip 2
Interne Stabilität: zwei Nachweisführungen sind gefordert
Bruch der Bewehrung Herausziehen der Lagen
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EBGEO – Stützkonstruktionen
Anforderungen und Randbedingungen
Baugrundverhältnisse unterhalb und hinter der Stützkonstruktion
Lage des Grundwasserspiegels
Einflüsse durch Schichtwässer
Böschungsneigung der Baugrube bzw. einer existierenden Böschung
Höhe und Neigung der bewehrten Stützkonstruktion
Gestaltung und Anforderung der Frontausbildung
Vorgesehene Nutzungsdauer
Einwirkungen auf die Konstruktion z.B. Verkehrslasten
Zulässige Verformungen
Eigenschaften der vorgesehenen Baustoffe
EBGEO – Stützkonstruktionen
Nachweisführung
Grenzzustand der Tragfähigkeit GZ 1
Bruchmechanismen und Gleitlinien die Bewehrungslagen schneiden
(früher: Nachweis der inneren Standsicherheit)
Bruch der Bewehrung
Herausziehen der Bewehrung
Bruchmechanismen und Gleitlinien die Bewehrungslagen nicht schneiden
bzw. auf Bewehrung abgleitender Gleitkörper
(früher: Nachweis der äußeren Standsicherheit)
Widerstände von Bewehrungsanschlüssen, -fugen, -Konstruktionsteile
Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit GZ 2
Nachweis der Verformungen der Konstruktion, Einbauelemente,…
Setzungsberechnung nach DIN 4019
Lage der Sohldruckresultierenden nach DIN 1054
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DC Geotex Bemessungssoftware
ReSSA Bemessungssoftware
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Interne StabilitätBemessungszugfestigkeit
Tdes = Tmin
A1*A2*A3*A4* B
Tdes = Bemessungszugfestigkeit (LTDS)
Tmin = Kurzzeitzugfestigkeit des Produkts
A1 = Abminderungsfaktor Kriechen
A2 = Abminderungsfaktor Transport und Einbau
A3 = Abminderungsfaktor Fugen, Überlappungen, Nähte
A4 = Abminderungsfaktor Umgebungseinflüsse
B = Sicherheitsfaktor gegen Bruch der Bewehrung
Zeitstandverhalten A1
Kriechen resultiert aus drei
Mechanismen:
• das schrittweise Begradigen und Anordnen der
molekularen Ketten in Richtung der
aufgebrachten Belastung
das schrittweise Gleiten der Molekularketten
untereinander
• die zeitabhängige Verformung der gesamten
Struktur
Prüfling
Elektrischer
Kontakt
Belastung
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Zeitstandverhalten, Faktor A1
Ergebnisse
60,0
Bemessungs-
dauer 114 Jahre
Auslastung
60,0 %
Abminderungs-
faktor 1,67
Einbaubeanspruchung, Faktor A2
• Feldtests
• Labortests
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Baustellenversuche
Einbaubeanspruchung, Faktor A2
Dehnung [%]
Kraft (kN/m)
bei 5% Arbeitsdehnung:
Faktor liegt bei 1,0 !!
10
20
30
40
50
2 4 6 8
Bei Bruch:
Faktor 1,25
Einbaubeanspruchung, Faktor A2
Ermittlung des Abminderungsfaktors
unbelastete Probe
installierte Probe
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Materialunsicherheiten, RFmat
100%95%
Vertrauensbereich Tult
Umgebungseinflüsse, RFCH
In der CE-Anwendungsnorm EN 13251 ‚Geforderte Eigenschaften von
Geokunststoffen für die Anwendung in Erd- und Grundbau sowie in
Stützbauwerken ‘ ist ein genau definiertes Testprogramm für den verwendeten
Rohstoff vorgegeben.
z.B. für Polyester: Hydrolyse EN ISO 12447
Angaben zur Beständigkeit: CE Begleitdokument
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Kurzzeitzugfestigkeit TSTTS
Langzeitzugfestigkeit TLTTS
Bemessungszugfestigkeit
TLTDS
Miragrid GX 110/30
TSTTS: 110 kN/m
TLTTS:
RFCR : 110 kN/m / 1,46 = 75 kN/m
RFID : 75 kN/m / 1,20 = 63 kN/m
RFmat : 63 kN/m / 1,00 = 63 kN/m
RFCH : 63 kN/m / 1,1 = 57 kN/m
TLTDS:
FOS m: 57 kN/m / 1,4 = 41 kN/m
typischer Auslastungsgrad 30 – 40%
RFCR
RFID
RFCH
m
37
Reibungseigenschaften EN ISO 12957-1
GX-Probe in Scherbox
Testkonfiguration
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Bewehrte Erde: Außenhautgestaltung
• Grüne Lösungen • Graue Lösungen
Bewehrte Wand Frankreich
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Bewehrte Wand A9 Phyrn/Österr.
Zahlen & Fakten
A9 Phyrn-Autobahn, BL7 Frühling/Sommer 2004
Beteiligte Firmen Baufirma: ARGE Habau, Alpine Planung: Spirk Partner Ziviltechniker Gmbh
Verwendete Produkte 9.500 m² polyfelt.Rock GX 3.100 m² polyfelt.Green B110 572 Stück Baustahlgittermatten
Polyslope SBeispiel B169 Ginzling
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Polyslope S Beispiel Handl (1)
Polyslope S Beispiel Handl (2)
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Polyslope SBeispiel Handl (3)
Rutschhangsanierung Samobor / Kroatien
Bauherr: Magistrat von Samobor
Bemessung: GeoKon, Zagreb Baufirma: Stridon Promet,Zagreb Jahr der Herstellung: 1999 Böschungshöhe: 12 m Böschungsneigung: 1 : 1.5 Bewehrungselemente:
polyfelt.PEC 50, polyfelt.TS 70
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Rutschhangsanierung Samobor / Kroatien
Steinschlagschutzwall Eiblschrofen/Schwaz
10.Juli 1999
2 Auffangdämme:
25m hoch
Basis 80m
Kubatur: 180.000m³
Bauzeit < 2 Monate
WLV Tirol, TU Wien, ILF
System polyslope S
Lagenabstand 50 cm
100 kN/m Zugfestigkeit
Einbindelänge 6,0m
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Steinschlagschutzwall Eiblschrofen/Schwaz
Steinschlagschutzwall Eiblschrofen/Schwaz
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Steinschlagschutzwall Eiblschrofen/Schwaz
Steinschlagschutzwall Eiblschrofen/Schwaz
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Steinschlagschutzwall Eiblschrofen/Schwaz
Lawinenschutzmauer Lanersbach
2001
Höhe 10 m, Neigung 60
Statisch unabhängig von
Stahlbetonmauer
4 verschiedene
Begrünungssysteme
Randbereich:
Grobsteinschlichtung
System polyslope S
Lagenabstand 50 cm
Zugfestigkeit 50 kN/m
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Lawinenschutzmauer Lanersbach
Lawinenschutzmauer Lanersbach
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Lawinenschutzmauer Lanersbach
Lawinenschutzmauer Lanersbach
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Geokunststoffe für naturnahe BaumaßnahmenPistenverbreiterung
Geokunststoffe für naturnahe BaumaßnahmenForststrassen / Güterwege
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Geokunststoffe für naturnahe BaumaßnahmenSanierung B115
B115
Instabile Steinwand
Rutschung durch
Hangwasser
Alte Trasse
Neue Trasse
(200m)
Backfill:
sG ‘=37,5°
Füll Material:
sG ‘=37,5°
Fundierung:
stabiler Fels
Geokunststoffe für naturnahe BaumaßnahmenSanierung B115
Objekt: Erdstützkonstruktion (70°) Höhe: 34m
System ‚Polyslope S‘
Bauherr: Steiermärkische Landesregierung FA 18B
Materialien:Rock GX 200/30Rock GX 110/30Green B110DC 402EGeodetectENNS
Kosteneinsparung gegenüber
Brückenkonstruktion:
€ 250.000,-
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Geokunststoffe für naturnahe Baumaßnahmen
Sanierung B115
27.04.05
Geokunststoffe für naturnahe Baumaßnahmen
Sanierung B115
05.05.05
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B115 Eisen Straße
2 EXCAVATORS
1 COMPACTOR
Transport of Fill Material
2 WORKERS
Staff for MachinesDaily Work:
At the beginning 100m³ fill/day
At half of structure 1.000m³ fill/day
Geokunststoffe für naturnahe BaumaßnahmenSanierung B115
Strain over Time
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
unload
ed
load
0.5
m fi
ll
load
4.5
m fi
ll
load
8.0
m fi
ll
load
end
stad
ion
afte
r som
e he
avy ra
infa
ll
Str
ain
[%
]
Sensor 1
Sensor 2
Sensor 3
Sensor 4
Sensor 5
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B115 Eisen Straße
07.06.05
B115 Eisen Straße
07.06.05
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Kostenvergleich versch. Stützbauwerke
Vorgabe:
• Neubau einer Straße
• in eine Böschung mit einer Neigung 2:3
• d.h. Böschungsanschnitt erforderlich
• 3 verschieden Stützkonstruktionen
werden verglichen
Schwergewichtsmauer
Raumgitterwand
Geokunststoff-bewehrte Steilböschung
[*Diplomarbeit TU Graz, Österreich]
~ 4m
2
35
78
2
2
35
33
1
2
42
18
2
0
20
40
60
80
100
120
Ta
ge
Var. A -
Schwergewichtswand
Var. B -
Raumgitterwand
Var. C -
GS-bewehrte Steilböschung
Bauzeit
Bst. einrichten Aushub/Sicherung Herstellen Wand Bst. räumen
117 d
71 d64 d
Übersicht Bauzeit
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Variante Bauzeit
[d]
Gemein-
kosten
'000 €
Einzel-
kosten
'000 €
Gesamt
kosten
'000 €
A Schwerge-
wichtswand117 230 531 761
B Raumgitter-
wand71 113 403 516
C GS-bewehrte
Steilböschung64 105 343 448
Vergleich der Kosten
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Ko
ste
n in
€
Vart. A – Schwergewichtswand
Var. B – Raumgitterwand
Var. C – GS-bew. Steilböschung
Kosten per m²-Wandansichtsfläche
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Kostenvergleich GRI
Vorteile GS-bewehrter Lösung im Bauablauf
Konventionelle Bauweise
• Fundament erforderlich
• Baustelle muss beidseitig zugänglich sein
• Bst. muss mit schweren LKW‘s (Beton)
erreichbar sein
• Wartezeiten für Schalung und Aushärtung
des Betons
• Fertigstellung des Bauwerks
(Hinterfüllung) erst nach Aushärtung des
Betons möglich
Bauweise mit bewehrter Erde
• kein Fundament erforderlich
• Wand kann von hinten aufgebaut werden
• Bst. muss nur für leichtes Baugerät ausgelegt werden (Zufahrtsstraßen)
• keine Wartezeiten, relativ Wetterunabhängig
• Wand und Hinterfüllung können in einem hochgezogen werden, da selbes Material
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Living Noise Barrier: Introduction
Living Noise Barrier: Construction Details
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Living Noise Barrier: Construction Details
Living Noise Barrier: Construction Details
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Living Noise Barrier: Measurements
Living Noise Barrier: Measurements
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Living Noise Barrier: Results
Living Noise Barrier: Results
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Living Noise Barrier: Results
Living Noise Barrier: Summary
Geosynthetic reinforced noise barriers are an alternative to
conventional barriers
The use of recycled RH as fill material does not cause in a
contamination of water
Vegetation represents an innovative, effective and optically appealing
solution, depending on the technique – still vegetation is a challange
Sound absorption is up to 100% higher than with conventional barriers
Depending on system cost savings up to 55% compared to
conventional barriers
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Life Cycle Analysis & Carbon FootprintWhy it is important?
Key advantage of Geosynthetic solutions is the significantly more
efficient use of resources compared to traditional civil engineering
solutions using concrete and/or steel
With the growing idea on sustainabilty within the construction
industry, Geosynthetic solutions can demonstrate the reduction of
carbon footprint
Environmental Product Declarations will become obligatory in
Europe in the near future
Life Cycle Analysis & Carbon FootprintArgumentation
Financial Benefits
Reduced cost of imported material
Lower volumes of materials; material purchase costs and transportation are key areas
of cost saving
The Footprint calculator gives an estimated figure on cost savings in € due to
aggregate saving
Reduced cost of wastage
Through allowing reincorporation of existing lower quality soil on site
Less costs for disposal transport, landfill tax, gate fees,….
Environmental benefits
Reduced environmental carbon footprint of imported materials
Classical geoengineering solutions with concrete and steel have a high level of
embodied carbon and energy. Whilst geosynthetics have a similar high level of
embodied carbon, the overall geosynthetic solution would have a considerably smaller
caron footprint due to material saving and transport saving.
The Footprint calculator gives an estimated figure on Carbon savings due to
aggregate saving and therefore reduced transport.
Environmental savings from reduced transport
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Life Cycle Analysis & Carbon FootprintWRAP Sustainable Geosystems
UK study on sustainable geosystems:
final report end 2/2010
TC project included in study:
Axis Business Park, Liverpool
Bund Wall: 350m long; 9,5m high
PEC 55/55 and TS 20
Life Cycle Analysis & Carbon FootprintWRAP Sustainable Geosystems
Next steps
Technical Note on results of TC
project within WRAP study
4Q/2010: resp tbd
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Life Cycle Analysis & Carbon FootprintISO 14044:2006 Environmental Management – Requirements and
Guidelines for Life Cycle Assessment (LCA)
EAGM project with ETH Zürich- to push idea of Carbon Footprint and sustainability in civil engineering within
Europe
- to strengthen geosynthetic solutions vs. classical construction methods
- basis for active and common lobbying for the geosynthetic industry within Europe
- basis for active and common marketing activities and promotion for the geosynthetic industry within Europe
- basis for active marketing and promotion activities of every individual EAGM member on a common data basis to prevent competition
- basis to get a product environmental declaration by every individual participant of the study
Life Cycle Analysis & Carbon FootprintLCA: system boundaries and indicators
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Life Cycle Analysis & Carbon FootprintLCA: output of study e.g. reinforced wall
Life Cycle Analysis & Carbon FootprintLCA: output of study e.g. reinforced wall
e.g. 84% saving
of CO2-emission
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Deponiebau
ÜberblickAnwendungsgebiete
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ÜberblickAnwendungsgebiete
Deponie Basisabdichtung i) Deponie St.Valentin, Austria
ii) Deponie Santovenia, Spain
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Deponie Basisabdichtung Deponie UK
Deponie Basisabdichtung i) Deponie Hehenberg, Austria
ii) Deponie Tulln, Austria
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Oberflächenabdichtung: OKA Timelkam, Austria
Kanäle / Beckenbau / Dämme
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Kanäle / Becken / Dämme
Anwendungsbeispiele
Kanäle Becken Dämme
ÜberblickAnwendungsgebiete
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Becken i) Trinkwasserbecken, Gran Canaria
ii) Kühlwasserbecken, Südafrika
Bewässerungskanäle, Marchfeld, Austria
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Beschneiungsteich Flachau-Wagrain, Austria
Wassererlebnispark St. Martin/Tennengebirge, Austria
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Beschneiungsteich - Flachau
Beschneiungsteich Planai, Foto Fa. Maschinenhof
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Speicherteich Bad Kleinkirchheim
Bewässerungskanal Zújar (Badajoz), Spain
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Böschungsbewehrung
Böschungsstabilität
Deponieabdeckungen
Polyfelt DC
HumusPolyfelt TS
Drainage gravelPolyfelt P
PolylinePolyfelt DC
Levelling layer
PolymatHumus
Rock PECPolyline
Polyfelt DCLevelling
layer .
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Überlappungsbereiche bei
Böschungsverschneidungen
Wasserbecken Zillertal Mizun
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Verbindung von Dränagematten
mit Kabelbindern
Steinschüttung
Böschungsstabilität
Details
Böschungsstabilität
Detail Berme
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Deponie Ort/I., Austria
Böschungsstabilität
Detail Entleerung
Aushubmaterial ca. 30 cm
Aushubmaterial sortiert ca. 15cm
POLYFELT TS 840 (Filtervlies)
Filterschicht ca. 10 cm
Schutzvlies POLYFELT P 011
Kunststoffdichtungsbahn (PVC o. PEHD)
Schutzvlies POLYFELT P 011
Filterschicht ca. 15 cm
Rohplanum
Aushubmaterial ca. 30 cm.............
Aushubmaterial sortiert ca. 15cm..
POLYFELT DC 4514 – 2 (evtl.TS)
erforderlichenfalls Schutzvlies.......
Kunststoffdichtungsbahn...............
(PVC o. PEHD)
POLYFELT DC 4514 – 2...............
Rohplanum....................................
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Überlauf
BöschungsstabilitätDetail Verankerungsgraben
Cover Fill 20 cm KK 20/70
Geotextile POLYFELT P 011
Geomembrane 2mm PEHD einseitig sandrauh
Drainage POLYFELT DC 4514 – 2
Planum
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BöschungsstabilitätDetail Verankerungsgraben
BöschungsstabilitätDetail Verankerungsgraben
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Böschungsstabilität
Vorhandene Kräfte 1
Böschungsstabilität
Vorhandene Kräfte 2
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Böschungsstabilität
Bemessungsparameter
Hangneigung1:1, 1:2, 2:3, 1:3,....... Länge der Böschung
Auflast
Höhe des Schüttmaterials
Wassermenge / Porenwasserdruck
Reibungsparameter
Bodenparameter
Art / Anzahl der Produkte
Produktparameter (z.B. RF kriechen,…)
Böschungsstabilität
Kritische Parameter 1 – Was muss beachtet werden?
Böschungsneigung
Zu steil? Externe Stabilität?
Abdecksystem
Art der Abdeckung: Boden, Beton, soil, concrete, Schotter,....
Schütthöhe, Gewicht der Steinblöcke, Blockgröße,...
Interne Stabilität der obersten Schüttlage? (Humus,Schotter,...)
Erosionsschutz
Teilweise / gesamte Böschung (UV, Auftrieb,..)
Installation
Wie wird installiert? (schwere Maschinen, mit Hand,...)
Verkehrsbelastung
Permanent (z.B. Instandhaltung) / während Installation
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Böschungsstabilität
Kritische Parameter 2 – Was muss beachtet werden?
Wasserableitkapazität
Oberflächenentwässerung
Porenwasserüberdruck unter Kunststoffdichtungsbahn KDB
Dränagekapazität unter der KDM
Wassermenge !!!
Verankerung
Genügend Platz für Verankerungsgraben
Verkehr / Straße an Böschungsschulter
Produkt Parameter
Reibungsverhalten
Zusätzliche Einwirkungen
Schnee z.B. alpinen Regionen
Eisbruch
Böschungsstabilität
Designprinzip: Koerner
• Gleitbruch des Bodens auf einer Abdichtung
• Grenzgleichgewichtsanalyse für eine begrenzte Böschung
• Einheitliche Dicke der Bodenlage
• Geringer passiver Anteil wirkt einem schmalen aktiven Anteil entgegen (passiver Anteil wird nicht in die Kalkulation mit einbezogen)
• Kein Wasserdruck
• Kein permanenter Verkehr
• Keine böschungsparallele Strömung
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Böschungsstabilität
Designprinzip: EBGEO
• Gleitbruch des Bodens auf einer Abdichtung
• Grenzgleichgewichtsanalyse für eine begrenzte Böschung
• Keilförmige Schüttung
• Passiver Anteil wird in der Kalkulation berücksichtigt
• Kein Porenwasserüberdruck
• Verkehr während der Bauphase wird berücksichtigt
• Böschungsparallele Strömung
Böschungsstabilität
Designprinzip
• Normalkraft durch Gewicht des Bodens
• Tangentialkraft durch Gewicht des Bodens
• F Rückhaltekraft aufgrund des vertikalen Anteils, wirkt gegen (abhängig von )
• Sicherheitsfaktor pro Lage
• ZLTDS
• Zreq
oben < unten
= unten /oben > 1
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Böschungsstabilität
Designprinzip: Verankerung
• Berechnung entsprechend
Koerner
• Minimale Abmessungen:
– 80 cm Breite
– 80 cm Tiefe
– 100 cm Länge an Schulter
• Kein Nachweis gegenüber dem
Abscheren der Böschungskrone
Böschungsstabilität
Designprinzip: Berme
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Böschungsstabilität
Designprinzip: Hangentwässerung
• Allgemein:
Q=q*L/i
i=sinarctan(1:n)
• Kritischer Parameter:
Regenspende: e.g. 155 l/s*ha
Annahme:
10% der Regenmenge muss dräniert
werden
q=0,0016 l/sm²
Böschungslänge l
1 m
Z
a
g
g x cos a
g x sin a
d
Böschungsstabilität
Bemessungsparameter
Slope length L
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Böschungsstabilität
Berechnungsbeispiel - Prinzip
Böschungsstabilität
Berechnungsbeispiel - Prinzip
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BöschungsstabilitätBerechnungsbeispiel - Reibungsbeiwerte
Böschungsstabilität
Berechnungsbeispiel - Prinzip
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Böschungsstabilität
Berechnungsbeispiel - Prinzip
Verankerungslänge
Ende