Bodendynamik: Grundlagen, Kennziffern, Probleme und Lösungsansätze ; mit 29 Tabellen
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| Language: | German |
| Published: |
Berlin [u.a.]
Springer
2007
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| Edition: | 3., völlig neu bearb. Aufl. |
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis
Symbolverzeichnis............................... XIII
1 Einführung.................................. 1
1.1 Bodendynamische Problemstellungen................ 1
1.2 Unterschied zwischen Bodendynamik und klassischer
Bodenmechanik ............................ 2
1.3 Elemente bodendynamischer Untersuchungen ........... 4
1.4 Hinweis für den Gebrauch des Buches ................ 5
2 Grundlagen der Schwingungslehre ..................... 6
2.1 Bewegungsdifferenzialgleichung................... 6
2.2 Eigenschwingung............................ 7
2.2.1 Ungedämpfter Einmassenschwinger............. 8
2.2.2 Gedämpfter Einmassenschwinger .............. 10
2.3 Harmonische Anregung........................ 11
2.3.1 Ungedämpfter Einmassenschwinger............. 12
2.3.2 Gedämpfter Einmassenschwinger .............. 13
2.3.3 Gedämpfter Einmassenschwinger mit quadratischer
Anregung............................ 15
2.3.4 Zusammenfassung der wichtigsten Formeln ........ 17
2.4 Schwingungsisolation......................... 17
2.5 Stoßartige Belastung.......................... 19
2.5.1 Rechteckförmiger Stoß .................... 20
2.5.2 Stoß-Antwortspektren..................... 21
2.6 Allgemeine Belastung ......................... 21
2.7 Nichtlineare Systeme.......................... 24
2.8 Dämpfungsarten............................ 27
3 Wellenausbreitung.............................. 29
3.1 Eindimensionale Wellenausbreitung................. 31
3.1.1 Schubträger........................... 31
3.1.2 Allgemeine Wellengleichung ................. 33
3.1.3 Anwendungsbeispiel...................... 37
Inhaltsverzeichnis
IX
3.2 Wellenausbreitung im elastischen Raum............... 40
3.2.1 Herleitung der Bewegungsgleichung............. 40
3.2.2 Lösungen der dreidimensionalen Bewegungsgleichung . . 42
3.3 Wellenausbreitung im elastischen Halbraum ............ 43
3.3.1 Rayleigh-Wellen ........................ 43
3.3.2 Wellen im geschichteten Halbraum.............. 45
3.4 Wellenausbreitung in nicht idealen Verhältnissen.......... 45
3.4.1 Einfluss der Schichtung auf das Wellenbild ......... 45
3.4.2 Wellenausbreitung in Gemischen von Wasser und
Festsubstanz .......................... 46
3.4.3 Wellenausbreitung in porösen, gesättigten Materialien ... 48
3.4.4 Einfluss des Grundwasserspiegels .............. 49
3.4.5 Wellenausbreitungsgeschwindigkeit in wichtigen Böden
und Gesteinsarten....................... 50
4 Dynamische Bodenkennziffern ....................... 51
4.1 Bodenmodelle ............................. 51
4.1.1 Einflussparameter....................... 52
4.1.2 Elastische und elasto-platische Bodenmodelle ....... 53
4.1.3 Deformationsverhalten - Bruchverhalten.......... 57
4.2 Linear äquivalente Bodenkennziffern ................ 58
4.2.1 Sand............................... 62
4.2.2 Kies-Sand............................ 67
4.2.3 Tonige Böden.......................... 70
4.2.4 Fels ............................... 77
4.2.5 Abschließende Bemerkungen................. 78
4.3 Festigkeitseigenschaften unter dynamischer Belastung....... 78
4.3.1 Übersicht............................ 78
4.3.2 Entwicklung von Verformungen ............... 79
4.4 Konzeption von Untersuchungsprogrammen ............ 84
4.5 Feldmethoden ............................. 86
4.5.1 Reflexions-Seismik....................... 91
4.5.2 Refraktions-Seismik...................... 92
4.5.3 Hybridseismik......................... 94
4.5.4 Oberflächenwellenbasierende Methoden .......... 94
4.5.5 Crosshole-Seismik....................... 97
4.5.6
Downhole-
und Uphole-Seismik............... 99
4.5.7 Seismische Tomographie ................... 101
4.5.8 Wasserkanone (Beispiel für
dyn.
Plattenversuch)...... 102
4.6 Laborversuche ............................. 103
4.6.1 Resonant-Column-Versuch.................. 104
4.6.2 Ultraschallmessungen..................... 106
4.6.3 Zyklischer Scherversuch.................... 108
4.6.4 Zyklischer Triaxialversuch .................. 109
4.6.5 Zyklischer Torsionsversuch.................. 112
Inhaltsverzeichnis
4.7 Vergleich von Feld-und Labordaten ................. 114
4.8 Das Phänomen Bodenverflüssigung ................. 117
4.8.1 Übersicht und Definition ................... 117
4.8.2 Berechnung des Verflüssigungspotenzials.......... 121
4.8.3
Granulare
Böden........................ 124
4.8.4 Tonige Böden.......................... 129
4.8.5 Mischböden .......................... 130
4.8.6 Feldversuche zur Bestimmung des Verflüssigungspotenzials 131
4.8.7 Laborversuche zur Bestimmung des Verflüssigungspotenzials 135
4.9 Zentrifugenmodellversuche zur Untersuchung des
Systemverhaltens............................ 139
5 Erschütterungen............................... 142
5.1 Ausbreitung von Erschütterungen .................. 142
5.1.1 Erschütterungsausbreitung bei Verkehrsträgern ...... 144
5.1.2 Ausbreitung von Sprengerschütterungen .......... 151
5.1.3 Ausbreitung von Erschütterungen infolge Maschinen
in Industrieanlagen ...................... 152
5.2 Beurteilung der Erschütterungen................... 153
5.2.1 Schäden an Bauwerken .................... 154
5.2.2 Belästigung des Menschen .................. 158
5.2.3 Grenzwerte für Geräte..................... 163
5.3 Erschütterungsreduktion ....................... 164
5.3.1 Bauliche Maßnahmen bei der Quelle............. 164
5.3.2 Bauliche Maßnahmen auf dem Übertragungsweg ..... 166
5.3.3 Maßnahmen beim Empfänger ................ 169
6 Dynamisch belastete Fundamente...................... 171
6.1 Maschinenfundamente ........................ 171
6.1.1 Generelle Gesichtspunkte beim Entwurf........... 171
6.1.2 Modellbildung......................... 172
6.1.2.1 Modellbildung für starre Fundamente............ 173
6.1.3 Lösungsmethoden für Fundamente auf dem elastischen
Halbraum............................ 175
6.1.3.1 Einmassenschwinger-
Analógon
............... 178
6.1.3.2 Lösungsmethode mit Impedanzfunktionen......... 181
6.1.3.3 Methoden zur Berechnung von Impedanzfunktionen . . . 185
6.1.3.4 Dynamische Berechnung eines starren Fundamentes
mittels Impedanzfunktion .................. 186
6.1.3.5 Verfeinerte physikalische Modelle .............. 189
6.1.4 Diagramme für die Berechnung von Maschinenfundamenten 191
6.1.4.1 Resonanzkurven für das Einmassenschwinger-
Analógon
. 191
6.1.4.2 Impedanzfunktionen ..................... 196
6.1.5 Fundamentschwingungen auf realem Boden ........ 206
Inhaltsverzeichnis
XI
6.1.6 Kriterien beim Entwurf eines Maschinenfundamentes . . . 206
6.2 Bleibende Verformungen und Veränderungen der Tragfähigkeit . 208
6.2.1 Allgemeines .......................... 208
6.2.2 Entscheidungskriterien unabhängig von der Gründungsart 210
6.2.3 Akkumalation von vertikalen Verformungen bei
Flachfundamenten....................... 212
6.2.4 Pfahlfundationen ....................... 216
6.2.5 Einfluss des Porenwasserdruckes............... 221
6.2.6 Abschließende Bemerkungen................. 223
7 Geotechnisches Erdbebeningenieurwesen.................. 224
7.1 Erdbeben ................................ 224
7.1.1 Wirkung von Erdbeben .................... 224
7.1.2 Grundlagen und Begriffe ................... 225
7.2 Erdbebenerschütterung am Bauwerksstandort ........... 236
7.2.1 Herd-und Wellenausbreitungseinflüsse........... 237
7.2.2 Einfluss der Baugrundeigenschaften............. 240
7.3 Vorgehenskonzepte zur Ermittlung von Erdbebenbemessungs¬
größen .................................. 253
7.3.1 Seismotektonisches Modell.................. 254
7.3.2 Deterministische Methoden: Konzept, Vor- und Nachteile 257
7.3.3
Probabilistische
Methoden: Konzepte, Vor- und Nachteile 259
7.3.4 Ermittlung der Bemessungsgrößen amax, Antwortspektrum,
Dauer der Starkbebenphase.................. 267
7.3.5 Zeitverläufe für nichtlineare Berechnungen......... 273
7.3.6 Durch menschliche Aktivitäten induzierte seismische
Ereignisse............................ 275
7.4 Dynamische Boden-Bauwerk-Interaktion.............. 277
7.4.1 Wesen und Bedeutung der Boden-Bauwerk-Interaktion . . 277
7.4.2 Berechnungsmethoden .................... 279
7.4.3 Einfaches Modell für die Berechnung der Boden-
Bauwerk-Interaktion ..................... 281
7.5 Erdbebenbemessung von Fundationen und Stützkörpern..... 286
7.5.1 Grundsätze zur Standortwahl................. 286
7.5.2 Flachfundationen ....................... 287
7.5.3 Tieffundationen ........................ 287
7.5.4 Erdbebenbemessung von Stützwänden und Widerlagern
von Brücken .......................... 289
7.5.5 Einfluss des Wassers...................... 293
7.5.6 Deformationsberechnungen ................. 293
7.6 Baugrundverbesserungen....................... 293
7.7 Böschungsstabilität unter Erdbebenlasten.............. 298
7.7.1 Berechnung der bleibenden Deformationen infolge von
Trägheitskräften........................ 299
7.8 Erdbebensicherheit von Erd- und Steinschüttdämmen....... 304
XII Inhaltsverzeichnis
7.8.1 Einleitung............................ 304
7.8.2 Erdbebenverletzlichkeit von Erd- und Steinschüttdämmen
und Maßnahmen zu deren Verringerung .......... 306
7.8.3 Erdbebenschäden bei Erd-und Steinschüttdämmen .... 307
7.8.4 Wahl der Berechnungsmethode ............... 308
7.8.5 Untersuchung des Verflüssigungspotenzials......... 309
7.8.6 Berechnung der bleibenden Deformationen infolge von
Trägheitskräften........................ 311
7.9 Mikrozonierung ............................ 311
7.9.1 Einführung........................... 311
7.9.2 Durch den Baugrund verursachte Versagensarten ..... 318
Literaturverzeichnis.............................. 323
Sachverzeichnis ................................ 337
|
| adam_txt |
Inhaltsverzeichnis
Symbolverzeichnis. XIII
1 Einführung. 1
1.1 Bodendynamische Problemstellungen. 1
1.2 Unterschied zwischen Bodendynamik und klassischer
Bodenmechanik . 2
1.3 Elemente bodendynamischer Untersuchungen . 4
1.4 Hinweis für den Gebrauch des Buches . 5
2 Grundlagen der Schwingungslehre . 6
2.1 Bewegungsdifferenzialgleichung. 6
2.2 Eigenschwingung. 7
2.2.1 Ungedämpfter Einmassenschwinger. 8
2.2.2 Gedämpfter Einmassenschwinger . 10
2.3 Harmonische Anregung. 11
2.3.1 Ungedämpfter Einmassenschwinger. 12
2.3.2 Gedämpfter Einmassenschwinger . 13
2.3.3 Gedämpfter Einmassenschwinger mit quadratischer
Anregung. 15
2.3.4 Zusammenfassung der wichtigsten Formeln . 17
2.4 Schwingungsisolation. 17
2.5 Stoßartige Belastung. 19
2.5.1 Rechteckförmiger Stoß . 20
2.5.2 Stoß-Antwortspektren. 21
2.6 Allgemeine Belastung . 21
2.7 Nichtlineare Systeme. 24
2.8 Dämpfungsarten. 27
3 Wellenausbreitung. 29
3.1 Eindimensionale Wellenausbreitung. 31
3.1.1 Schubträger. 31
3.1.2 Allgemeine Wellengleichung . 33
3.1.3 Anwendungsbeispiel. 37
Inhaltsverzeichnis
IX
3.2 Wellenausbreitung im elastischen Raum. 40
3.2.1 Herleitung der Bewegungsgleichung. 40
3.2.2 Lösungen der dreidimensionalen Bewegungsgleichung . . 42
3.3 Wellenausbreitung im elastischen Halbraum . 43
3.3.1 Rayleigh-Wellen . 43
3.3.2 Wellen im geschichteten Halbraum. 45
3.4 Wellenausbreitung in nicht idealen Verhältnissen. 45
3.4.1 Einfluss der Schichtung auf das Wellenbild . 45
3.4.2 Wellenausbreitung in Gemischen von Wasser und
Festsubstanz . 46
3.4.3 Wellenausbreitung in porösen, gesättigten Materialien . 48
3.4.4 Einfluss des Grundwasserspiegels . 49
3.4.5 Wellenausbreitungsgeschwindigkeit in wichtigen Böden
und Gesteinsarten. 50
4 Dynamische Bodenkennziffern . 51
4.1 Bodenmodelle . 51
4.1.1 Einflussparameter. 52
4.1.2 Elastische und elasto-platische Bodenmodelle . 53
4.1.3 Deformationsverhalten - Bruchverhalten. 57
4.2 Linear äquivalente Bodenkennziffern . 58
4.2.1 Sand. 62
4.2.2 Kies-Sand. 67
4.2.3 Tonige Böden. 70
4.2.4 Fels . 77
4.2.5 Abschließende Bemerkungen. 78
4.3 Festigkeitseigenschaften unter dynamischer Belastung. 78
4.3.1 Übersicht. 78
4.3.2 Entwicklung von Verformungen . 79
4.4 Konzeption von Untersuchungsprogrammen . 84
4.5 Feldmethoden . 86
4.5.1 Reflexions-Seismik. 91
4.5.2 Refraktions-Seismik. 92
4.5.3 Hybridseismik. 94
4.5.4 Oberflächenwellenbasierende Methoden . 94
4.5.5 Crosshole-Seismik. 97
4.5.6
Downhole-
und Uphole-Seismik. 99
4.5.7 Seismische Tomographie . 101
4.5.8 Wasserkanone (Beispiel für
dyn.
Plattenversuch). 102
4.6 Laborversuche . 103
4.6.1 Resonant-Column-Versuch. 104
4.6.2 Ultraschallmessungen. 106
4.6.3 Zyklischer Scherversuch. 108
4.6.4 Zyklischer Triaxialversuch . 109
4.6.5 Zyklischer Torsionsversuch. 112
Inhaltsverzeichnis
4.7 Vergleich von Feld-und Labordaten . 114
4.8 Das Phänomen Bodenverflüssigung . 117
4.8.1 Übersicht und Definition . 117
4.8.2 Berechnung des Verflüssigungspotenzials. 121
4.8.3
Granulare
Böden. 124
4.8.4 Tonige Böden. 129
4.8.5 Mischböden . 130
4.8.6 Feldversuche zur Bestimmung des Verflüssigungspotenzials 131
4.8.7 Laborversuche zur Bestimmung des Verflüssigungspotenzials 135
4.9 Zentrifugenmodellversuche zur Untersuchung des
Systemverhaltens. 139
5 Erschütterungen. 142
5.1 Ausbreitung von Erschütterungen . 142
5.1.1 Erschütterungsausbreitung bei Verkehrsträgern . 144
5.1.2 Ausbreitung von Sprengerschütterungen . 151
5.1.3 Ausbreitung von Erschütterungen infolge Maschinen
in Industrieanlagen . 152
5.2 Beurteilung der Erschütterungen. 153
5.2.1 Schäden an Bauwerken . 154
5.2.2 Belästigung des Menschen . 158
5.2.3 Grenzwerte für Geräte. 163
5.3 Erschütterungsreduktion . 164
5.3.1 Bauliche Maßnahmen bei der Quelle. 164
5.3.2 Bauliche Maßnahmen auf dem Übertragungsweg . 166
5.3.3 Maßnahmen beim Empfänger . 169
6 Dynamisch belastete Fundamente. 171
6.1 Maschinenfundamente . 171
6.1.1 Generelle Gesichtspunkte beim Entwurf. 171
6.1.2 Modellbildung. 172
6.1.2.1 Modellbildung für starre Fundamente. 173
6.1.3 Lösungsmethoden für Fundamente auf dem elastischen
Halbraum. 175
6.1.3.1 Einmassenschwinger-
Analógon
. 178
6.1.3.2 Lösungsmethode mit Impedanzfunktionen. 181
6.1.3.3 Methoden zur Berechnung von Impedanzfunktionen . . . 185
6.1.3.4 Dynamische Berechnung eines starren Fundamentes
mittels Impedanzfunktion . 186
6.1.3.5 Verfeinerte physikalische Modelle . 189
6.1.4 Diagramme für die Berechnung von Maschinenfundamenten 191
6.1.4.1 Resonanzkurven für das Einmassenschwinger-
Analógon
. 191
6.1.4.2 Impedanzfunktionen . 196
6.1.5 Fundamentschwingungen auf realem Boden . 206
Inhaltsverzeichnis
XI
6.1.6 Kriterien beim Entwurf eines Maschinenfundamentes . . . 206
6.2 Bleibende Verformungen und Veränderungen der Tragfähigkeit . 208
6.2.1 Allgemeines . 208
6.2.2 Entscheidungskriterien unabhängig von der Gründungsart 210
6.2.3 Akkumalation von vertikalen Verformungen bei
Flachfundamenten. 212
6.2.4 Pfahlfundationen . 216
6.2.5 Einfluss des Porenwasserdruckes. 221
6.2.6 Abschließende Bemerkungen. 223
7 Geotechnisches Erdbebeningenieurwesen. 224
7.1 Erdbeben . 224
7.1.1 Wirkung von Erdbeben . 224
7.1.2 Grundlagen und Begriffe . 225
7.2 Erdbebenerschütterung am Bauwerksstandort . 236
7.2.1 Herd-und Wellenausbreitungseinflüsse. 237
7.2.2 Einfluss der Baugrundeigenschaften. 240
7.3 Vorgehenskonzepte zur Ermittlung von Erdbebenbemessungs¬
größen . 253
7.3.1 Seismotektonisches Modell. 254
7.3.2 Deterministische Methoden: Konzept, Vor- und Nachteile 257
7.3.3
Probabilistische
Methoden: Konzepte, Vor- und Nachteile 259
7.3.4 Ermittlung der Bemessungsgrößen amax, Antwortspektrum,
Dauer der Starkbebenphase. 267
7.3.5 Zeitverläufe für nichtlineare Berechnungen. 273
7.3.6 Durch menschliche Aktivitäten induzierte seismische
Ereignisse. 275
7.4 Dynamische Boden-Bauwerk-Interaktion. 277
7.4.1 Wesen und Bedeutung der Boden-Bauwerk-Interaktion . . 277
7.4.2 Berechnungsmethoden . 279
7.4.3 Einfaches Modell für die Berechnung der Boden-
Bauwerk-Interaktion . 281
7.5 Erdbebenbemessung von Fundationen und Stützkörpern. 286
7.5.1 Grundsätze zur Standortwahl. 286
7.5.2 Flachfundationen . 287
7.5.3 Tieffundationen . 287
7.5.4 Erdbebenbemessung von Stützwänden und Widerlagern
von Brücken . 289
7.5.5 Einfluss des Wassers. 293
7.5.6 Deformationsberechnungen . 293
7.6 Baugrundverbesserungen. 293
7.7 Böschungsstabilität unter Erdbebenlasten. 298
7.7.1 Berechnung der bleibenden Deformationen infolge von
Trägheitskräften. 299
7.8 Erdbebensicherheit von Erd- und Steinschüttdämmen. 304
XII Inhaltsverzeichnis
7.8.1 Einleitung. 304
7.8.2 Erdbebenverletzlichkeit von Erd- und Steinschüttdämmen
und Maßnahmen zu deren Verringerung . 306
7.8.3 Erdbebenschäden bei Erd-und Steinschüttdämmen . 307
7.8.4 Wahl der Berechnungsmethode . 308
7.8.5 Untersuchung des Verflüssigungspotenzials. 309
7.8.6 Berechnung der bleibenden Deformationen infolge von
Trägheitskräften. 311
7.9 Mikrozonierung . 311
7.9.1 Einführung. 311
7.9.2 Durch den Baugrund verursachte Versagensarten . 318
Literaturverzeichnis. 323
Sachverzeichnis . 337 |
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