Bemessung der Verankerung von Geogittern bei oberflächenparallel bewehrten Systemen

Abstract

In oberflächenparallel geschichteten Systemen, wie beispielsweise Oberflächenabdichtungen von Deponien, werden Geogitter eingesetzt, um diese Systeme steiler bauen zu können. Darin nehmen die Geogitter hohe Zugkräfte auf, die an der Böschungskrone in sogenannten Verankerungsgräben verankert werden. Der bisherige Bemessungsansatz der EBGEO (2010) beinhaltet einige Annahmen, die als zu vereinfachend eingestuft werden müssen. Des Weiteren fehlt darin der Nachweis der Festigkeit der Verbindungsstellen zwischen den Längs- und Querzuggliedern der Gitter, obwohl diese planmäßig einer Belastung ausgesetzt sind. Gerade im Hinblick auf die zum Beispiel im Deponiebau geforderten hohen Lebensdauern von 100 Jahren sollte der Berechnungsansatz alle Materialkomponenten umfassen und auf der sicheren Seite liegen.

Mit Blick auf die Vielzahl der existierenden und augenscheinlich standsicheren Verankerungsgräben stellte sich die Frage, ob sich die zum Teil gegenläufigen Effekte der in den Regelwerken getroffenen vereinfachenden Annahmen neutralisieren oder ob das geforderte Sicherheitsniveau nicht erreicht wird.

Zur Beantwortung dieser Frage wurde ein Modell zur Bemessung von Verankerungsgräben mit Geogittern entwickelt. Die damit durchgeführte Überprüfung des Ansatzes der EBGEO (2010) zeigte, dass dieser Ansatz aufgrund seiner Vereinfachungen nicht bei allen Verankerungssituationen die rechnerisch geforderte Sicherheit aufweist. In diesem Beitrag wird daher ein Weg aufgezeigt, wie der Bemessungsansatz der EBGEO (2010) praktikabel angepasst werden kann, um für alle Verankerungsgräben eine ausreichend sichere Bemessung zu erreichen.

Einleitung

Verankerungsgräben von Geogittern in oberflächenparallel geschichteten Böschungssystemen werden in Deutschland nach den Vorgaben der EBGEO (2010) bemessen. Der Berechnungsansatz beinhaltet Annahmen, die u. a. Müller (2011) als zu stark vereinfachend einstufte. Gerade im Hinblick auf die zum Beispiel im Deponiebau geforderten langen Wirksamkeiten von 100 Jahren muss der Berechnungsansatz jedoch ausreichend konservativ sein (Koerner 2012, S. 454). Da dies mit dem Bemessungsansatz der EBGEO (2010) nicht hinreichend gegeben ist und da derzeit keine alternativen Bemessungsansätze vorhanden sind, ist die Ausführung von Verankerungsgräben im Deponiebau zurzeit nur mit Einschränkungen zugelassen (BAM 2012).

Um die Unsicherheiten in der bisherigen Bemessung auszuräumen, wurde aufbauend auf den langjährigen Untersuchungen zum Interaktionsverhalten von Geogittern und Boden (Ziegler und Timmers (2003), Ruiken (2013)) an der RWTH Aachen University ein mechanisch basiertes Interaktionsmodell zur Bemessung von Verankerungsgräben mit Geogittern unter Berücksichtigung aller maßgebenden Effekte entwickelt (vgl. Jacobs 2016). Das Modell sowie die Überprüfung des Ansatzes der EBGEO (2010) mit dem entwickelten Modell werden in diesem Beitrag dargestellt und daraus resultierend ein Weg für eine Korrektur des EBGEO-Ansatzes aufgezeigt.

Interaktionsmodell für Widerstand von Verankerungsgräben

Basierend auf den Erkenntnissen einer umfangreichen Studie mit rund 120 Geogitter-Herauszieh- und Scherversuchen wurde zunächst ein mechanisch basiertes Interaktionsmodell für die horizontale Verankerung von Geogittern im Boden entwickelt. Dieses eindimensionale, diskrete Model ist in Bild 1 schematisch abgebildet. Mit dem Modell können der Widerstand eines Geogitters gegen Herausziehen aus dem umgebenden Boden sowie dessen verschiebungsabhängige Mobilisierung, also die Herausziehwiderstands-Verschiebungs-Kurve, bestimmt werden. Dazu werden in dem Modell verschiedene bestehende Ansätze zusammengefasst und explizit die beiden auftretenden Kraftübertragungsmechanismen „Reibung auf Längszuggliedern“ und „Erddruck vor Querzuggliedern“ berücksichtigt, die experimentell mit Herausziehversuchen an modifizierten Geogitterproben ermittelt werden. Das Interaktionsmodell für horizontale Verankerungen konnte mit großen Herausziehversuchen, die in einem Versuchsgerät der TU Clausthal mit gleichen Materialien durchgeführt wurden, erfolgreich validiert werden.

Für die Modellgleichungen, die Ermittlung der Modelleingangsfunktionen, die Modellkalibrierung sowie Details zur Modellvalidierung wird auf Jacobs (2016) verwiesen.

Abb. 1: Interaktionsmodell (Jacobs 2016)

Zur Verankerung der Geogitter in oberflächenparallel geschichteten Systemen, wie Oberflächenabdichtungen von Deponien, werden diese häufig in Gräben, sogenannte Verankerungsgräben, gelegt (s. Bild 2). Zur Modellierung von Verankerungsgräben wurde das Interaktionsmodell für horizontale Verankerungen in Bezug auf erstens die Umlenkungen im Geogitterverlauf und zweitens verschiedene mögliche Versagensmechanismen im Graben erweitert. Diese Erweiterungen sind nachfolgend kurz beschrieben.

Abb. 2: a) Oberflächenparallel geschichtetes System einer Deponieoberflächenabdichtung (Bildquelle: NAUE GmbH & Co. KG) und

b) Schnitt durch einen Verankerungsgraben (Jacobs & Ziegler 2017)

An den Punkten von Neigungsänderungen im Verlauf eines Geogitters kommt es zu Umlenkeffekten. Im ersten Fall wird das zugbeanspruchte Geogitter in Richtung des Bodenauflagers verformt, sodass sich dadurch die wirkende Normalspannung zwischen Geogitter und unterliegendem Boden erhöht (Umlenkpressung). Im zweiten Fall hebt sich das Geogitter, in Abhängigkeit des Gewichts des aufliegenden Bodens, mitsamt dem aufliegenden Boden vom Bodenauflager ab, sodass in dem Fall zwischen Geogitter und unterliegendem Boden keine Kraftübertragung stattfindet (Umlenkabhebung).

Des Weiteren war im Modell des Verankerungsgrabens zu berücksichtigen, dass die nachfolgend aufgeführten unterschiedlichen Mechanismen zu dem Versagen eines Verankerungsgrabens führen können, s. Bild 3 und vgl. auch Syllwasschy & Sobolewski (2008):

1. Herausziehen des Geogitters aus einem stabilen Bodenblock (mit Widerstandskräften an Geogitterober- und

Geogitterunterseite),

1. Gleiten des Geogitters mitsamt aufliegendem Boden über dem Bodenauflager (mit Widerstandskräften nur an

Geogitterunterseite),

1. Abscheren der Böschungskrone und Gleiten des Geogitters mitsamt aufliegendem Boden im Grabenbereich (mit

Widerstandskräften in der Scherfuge unterhalb der Böschungskrone und an Geogitterunterseite im

Grabenbereich).

Abb. 3: Mögliche Versagensmechanismen: a) Herausziehen, b) Gleiten und c) Versagen der Böschungskrone (Jacobs & Ziegler 2017)

Für den ermittelten maßgebenden Mechanismus wird der Gesamtwiderstand der Verankerung über Gleichgewichtsbetrachtung an den freigeschnittenen Bruchkörpern aus der Summe der Geogitter-Boden-Interaktionskräfte sowie Gewichts- und Erddruckkräfte berechnet.

Im Ergebnis liefert das Modell unter Berücksichtigung der maßgeblichen mechanischen Effekte die vollständige Widerstands-Verschiebungs-Kurve des betrachteten Geogitter-Verankerungsgrabens, an der der maximale Verankerungswiderstand abgelesen werden kann.

Überprüfung des Ansatzes der EBGEO (2010)

Mit dem entwickelten Modell für Geogitter-Verankerungsgräben wurde in einer breit angelegten Parameterstudie der Ansatz der EBGEO (2010) überprüft. Die in dieser Parameterstudie untersuchten Größen (Geometrie, Geogitter, Boden und Verbundeigenschaften) und ihre großen Spannweiten sind in Bild 4 dargestellt. Für die Definition und Hinweise zur Bestimmung der einzelnen Parameter wird auf Jacobs (2016) verwiesen.

Abb. 4: Variierte Parameter und ihre untersuchten Wertebereiche (Jacobs & Ziegler 2017)

Für jeden der sich durch die Parametervariation ergebenden Verankerungsgräben wurde jeweils der maßgebende Verankerungswiderstand sowohl mit dem Modell als auch nach EBGEO (2010) ermittelt. In Bild 5 sind diese Widerstände aller betrachteten Verankerungen übereinander aufgetragen. Im Vergleich mit dem Modell zeigt sich, dass der EBGEO Widerstand häufig größer als der Modellwiderstand ist und somit der Ansatz der EBGEO (2010) nicht für alle Fälle die erforderliche Sicherheit aufweist.

Abb. 5: Vergleich der modellierten Verankerungswiderstände mit denen nach EBGEO (2010) (Jacobs & Ziegler 2017)

Bemessungsvorschläge für Verankerungsgräben mit Geogittern

Mit dem vorgestellten Modell (vgl. die detaillierte Beschreibung in Jacobs 2016) kann eine sichere Bemessung von Geogitter-Verankerungsgräben erfolgen.

Da die Verwendung dieses Modells allerdings einen erhöhten versuchstechnischen und programmtechnischen Aufwand erfordert, wurde in Jacobs & Ziegler (2017) ein Weg aufgezeigt, wie der Ansatz der EBGEO (2010) für die ausreichend sichere Bemessung von Verankerungsgräben korrigiert werden kann. Dies wird nachfolgend dargestellt:

Die erforderliche Größe des Modellfaktors wird derzeit in der EBGEO-Arbeitsgruppe des Arbeitskreises 5.2 der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik e. V. (DGGT) diskutiert. Er wird voraussichtlich in einer Größenordnung von 1,2 liegen.

Zusammenfassung

Aufgrund der Vereinfachungen im Bemessungsansatz der EBGEO (2010) für Geogitter-Verankerungsgräben, wurde für diese Problemstellung an der RWTH Aachen University ein Interaktionsmodell entwickelt. Die mit diesem Modell durchgeführte Überprüfung des Ansatzes der EBGEO (2010) ergab, dass die Bemessung nach EBGEO (2010) nicht für alle möglichen Verankerungsgräben rechnerisch eine ausreichende Sicherheit aufweist.

Zur sicheren und wirtschaftlichen Bemessung von Geogitter-Verankerungsgräben kann das entwickelte Modell verwendet werden. Des Weiteren wurde ein Weg aufgezeigt, wie der Ansatz der EBGEO (2010) unter Berücksichtigung von drei Vorgaben, u. a. Ansatz eines Modellfaktors, für die Bemessung von Verankerungsgräben genutzt werden kann. Die erforderliche Größe des Modellfaktors wird derzeit in der EBGEO-Arbeitsgruppe des Arbeitskreises 5.2 der DGGT diskutiert.

Literaturverzeichnis

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung – BAM (2012). Vorläufige Richtlinie für die Zulassung von Bewehrungsgittern aus Kunststoff für Deponieoberflächenabdichtungen. 2. Auflage, Mai 2012, Berlin.

EBGEO (2010). Empfehlungen für den Entwurf und die Berechnung von Erdkörpern mit Bewehrungen aus Geokunststoffen – EBGEO. München, Ernst & Sohn, 2010.
978 3 433 02950 3.

Jacobs, F. (2016). Interaktionsmodell zur Bemessung von Verankerungsgräben mit Geogittern. Dissertation, RWTH Aachen University, Aachen 2016.

Jacobs, F. & Ziegler, M. (2017). Vorschläge zur Bemessung von Verankerungsgräben mit Geogittern. Tagungsband der Fachsektionstage Geotechnik. Interdisziplinäres Forum.

6.-8. September 2017 in Würzburg. DGGT, S. 612-617, ISBN 978-3-946039-03-7.

Koerner, R.M. (2012). Designing with Geosynthetics, Vol. 1, 6. Ausgabe, Xlibris Corporation, USA.

Müller, W. (2011). Zur Bemessung der Verankerung von Bewehrungsgittern aus Kunststoff beim Schutz von Böschungen vor hangparallelem Gleiten. Bautechnik, Vol. 88, 347-361.

Ruiken, A. (2013). Spannungs-Dehnungsverhalten des Verbundbaustoffs „geogitterbewehrter Boden“. Dissertation, RWTH Aachen.

Syllwasschy, O. & Sobolewski, J. (2008). Sonderlösung für die Verankerung von Dichtungssystemen auf Böschungen. 24. Fachtagung „Die sichere Deponie – Sicherung von Deponien und Altlasten mit Kunststoffen“, Würzburg.

Ziegler, M. & Timmers, V. (2003). Neues Bemessungskonzept für die Bemessung der Verankerungslänge von Geogittern. 8. Informations- und Vortragstagung über „Kunststoffe in der Geotechnik“, März 2003, München, Sonderheft der Zeitschrift Geotechnik.