Dämme der Talsperrenklasse und sehr kleine bis mittlere HRB Materialeigenschaften

Dynamische Finite-Element-Analysen

Finite-Element-Berechnungen basieren auf eine Zerlegung der untersuchten Struktur in einzelne Elemente, welche in den Knotenpunkten miteinander verbunden sind.

Die als Unbekannte eingeführten Verschiebungen (und Rotationen) in den einzelnen Knoten werden mit Hilfe von kinematischen Beziehungen und Stoffgesetzen aufgrund der Gleichgewichtsbedingungen in den Knoten berechnet. Aus den Verschiebungen der Knoten folgen die Verzerrungen und Spannungen in den Elementen.

Bei der linear-äquivalenten Methode wird das Materialverhalten bei dynamischer Beanspruchung mittels linear-äquivalenten Bodenkennziffern genügend genau modelliert. Solche Analysen beruhen im Allgemeinen auf totalen Spannungen. Sie erlauben es nicht, bleibende Deformationen zu berechnen. Als Alternative kön-nen elasto-plastische Materialgesetze verwendet werden, womit auch die Berechnung von bleibenden De-formationen möglich ist.

Die verschiedenen Berechnungsmethoden basieren auf einer Zeitintegration, um den Einfluss der Nichtlinea-ritäten zu berücksichtigen. Der Einfluss des Porenwasserdruckanstiegs ist aus Laborversuchen abzuleiten und in der Zeitberechnung stufenweise durch Anpassung der Verformungs- und Festigkeitseigenschaften zu berücksichtigen.

Für besondere Untersuchungen sind wirklichkeitsgetreuere Modelle mit Berücksichtigung der Nichtlinearitä-ten zu verwenden. Solche nichtlinearen Analysen beruhen auf effektiven Spannungen. Die Berechnungsme-thoden basieren auf einer direkten Integration der nichtlinearen Bewegungsgleichungen. Die Porenwasser-spannungen werden in die Bewegungsgleichungen miteinbezogen.

2 Dämme der Talsperrenklasse 2 und sehr kleine bis mittlere HRB

Die Baudokumentationen und Messungen während des Betriebes sind, falls vorhanden, eingehend zu studie-ren.

Aufgrund der Materialeigenschaften (Korngrößenverteilung, Lagerungsdichte) lassen sich die Bereiche, in denen ein erdbebeninduzierter Porenwasserdruckaufbau zu erwarten ist, identifizieren. Für diese Materialien sind Untersuchungen anzuordnen, welche ihre dynamischen Eigenschaften erfassen. Werden ausnahmsweise keine Neuuntersuchungen vorgesehen, so ist mit sehr konservativen Annahmen der Materialeigenschaften zu rechnen.

Die Untersuchungen bei bestehenden Bauten sind nach den Grundsätzen für Neubauten durchzuführen.

Modellbildung

Eine mögliche asynchrone Anregung des Untergrundes in Bezug auf die Längsrichtung des Dammes wird vernachlässigt.

Bewertung des potenziellen erdbebeninduzierten Porenwasserdruckanstiegs

Es sind insbesondere locker gelagerte, kohäsionslose, homogene Sande, welche im gesättigten Zustand bei zyklischer Belastung zur Entwicklung von hohen Porenwasserüberdrücken neigen. Dicht gelagerte Sande zeigen beim Bruch ein dilatantes Verhalten, so dass die erdbebeninduzierten Porenwasserüberdrücke im Allgemeinen wieder abgebaut werden.

Die Bewertung aufgrund von SPT-Versuchen basiert auf empirischen Korrelationen nach Seed & Idriss (1982, vgl. Abbildung 15):

Abbildung 15: Bewertung des Verflüssigungspotenzials nach Seed und Idriss (1982) (aus [BWG 2003])

Zur Abschätzung der mobilisierbaren Scherfestigkeit sind aufgrund der Untersuchungen von H.B. Seed wei-tere Korrelationen entwickelt worden. Die Gleichung in Kapitel 3.1.4.3 zur Berechnung der restlichen Scher-festigkeit basiert auf SPT-Versuchen gemäß Abbildung 16 (nach Stark & Mesri 1992):

Abbildung 16: Mobilisierbare Scherfestigkeit aufgrund von SPT-Versuchen, nach Stark und Mesri (1992) (aus [BWG 2003])

Die Punkte 1 bis 20 in Abbildung 16 stellen dabei verschiedene Ereignisse von Bodenverflüssigungen dar.

Mit Berücksichtigung des undränierten Verhaltens des jeweiligen Materials ergibt sich schließlich der Zu-sammenhang gemäß Abbildung 17:

Abbildung 17: Korrelation zwischen den Resultaten aus SPT-Versuchen und der undränierten Scherfestigkeit, nach Stark und Mesri (1992) (aus [BWG 2003])

3 Dämme der Talsperrenklasse 1 und große HRB, beide mit H ≤ 40 m Materialeigenschaften, Untersuchungsmethoden

Neubauten

In der Literatur sind verschiedene Ansätze zu finden, welche für eine bestimmte Materialart den Verlauf des Schubmoduls G bzw. der Materialdämpfung D mit den Schubdehnungen γ beschreiben. Diese Ansätze be-schreiben in der Regel den Verlauf der Funktion G/Gmax bzw. D/Dmax in Abhängigkeit der Schubdehnungen γ. Gmax bzw. Dmax bedeuten dabei die Werte des maximalen Schubmoduls bzw. der maximalen Dämpfung.

Zur Anpassung dieser Kurven an die lokalen Verhältnisse (Lagerungsdichte etc.) ist in dynamischen Unter-suchungen mindestens der Wert für Gmax zu bestimmen. Das Dämpfungsverhältnis D kann in der Regel kon-servativ aus ähnlichen Materialien abgeleitet werden.

Bestehende Bauten

Zur Erfassung der Materialeigenschaften bei bestehenden Bauten gelten grundsätzlich die gleichen Überle-gungen wie bei Neubauten.

Die Baudokumentationen und Messungen während des Betriebes sind eingehend zu studieren.

Aufgrund der Materialeigenschaften (Korngrößenverteilung, Lagerungsdichte) lassen sich die Bereiche, in denen ein erdbebeninduzierter Porenwasserdruckaufbau zu erwarten ist, identifizieren. Für diese Materialien sind Untersuchungen anzuordnen, welche ihre dynamischen Eigenschaften erfassen. Werden ausnahmsweise keine Neuuntersuchungen vorgesehen, so ist mit sehr konservativen Annahmen der Materialeigenschaften zu rechnen.

Modellbildung

Eine mögliche asynchrone Anregung des Untergrundes in Bezug auf die Längsrichtung des Dammes wird vernachlässigt.

Grundsätzlich entspricht das Vorgehen zur Berechnung von Dammbauwerken der Talsperrenklasse 1 und große HRB dem Vorgehen in Kapitel 3.2.3 für Dammbauwerke der Talsperrenklasse 2 und kleine bis mittle-re HRB.

Die einzigen Unterschiede zu der Berechnung von Dammbauwerken der Talsperrenklasse 1 und große HRB sind:

 die vertiefte Analyse der Verflüssigung mit Feldversuchen

 die Berechnung der Gleitverschiebungen mit engeren Grenzwerten der Zulässigkeit 4 Dämme der Talsperrenklasse 1 und große HRB, beide mit H > 40 m Materialeigenschaften, Untersuchungsmethoden

Neubauten

Methoden zur Erfassung der Eigenschaften des Untergrundes:

Zur Ermittlung der statischen und dynamischen Eigenschaften der Materialien sind Laborversuche mit mög-lichst ungestörten Bodenproben aus Kernbohrungen durchzuführen.

Empirische Korrelationen von Feldversuchen mit diesen Materialeigenschaften sind nur für Vorstudien er-laubt.

Methoden zur Erfassung der Eigenschaften der Dammschüttmaterialien:

Zu berücksichtigen ist das unterschiedliche Verhalten der Materialien im Labor im Gegensatz zum Verhalten im Dammkörper. Im Allgemeinen sind deshalb während und nach dem Bau des Dammes zusätzliche Feld-versuche durchzuführen. So lassen sich die getroffenen Annahmen kontrollieren.

Bestehende Bauten

Grundsätzlich wird davon ausgegangen, dass bei Dämmen der Talsperrenklasse 1 und bei große HRB m die vorhandenen Baudokumente eine ausführliche Beschreibung sowohl der Untergrundverhältnisse als auch des Dammkörpers enthalten. Diese umfassen jedoch im Allgemeinen nur statische Kenngrößen.

Diese Dokumente sind eingehend zu evaluieren. Zudem geben die während dem Betrieb durchgeführten Messungen der Deformationen und der Porenwasserdrücke weitere Erkenntnisse über das Verhalten des Dammes und über eventuelle Anomalien.

Aufgrund der Materialeigenschaften (Korngrößenverteilung, Lagerungsdichte) lassen sich die Bereiche, in denen ein erdbebeninduzierter Porenwasserdruckaufbau zu erwarten ist, identifizieren. Für diese Materialien sind Untersuchungen anzuordnen, welche ihre dynamischen Eigenschaften erfassen. Werden ausnahmsweise keine Neuuntersuchungen vorgesehen, so ist mit sehr konservativen Annahmen der Materialeigenschaften zu rechnen.

Untersuchungen bestehender Bauten sind nach den Grundsätzen für Neubauten durchzuführen.

Anhang 3: Berechnungsgrundlagen für