12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 21 Eurocode 7, Teil 3 „Geotechnical Structures“ - neue Ansätze für die Bemessung in der Geotechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Christian Moormann Universität Stuttgart, Institut für Geotechnik, Deutschland Dipl.-Ing. Claus Dietz Dietz Geotechnik Consult GmbH, Hilden, Deutschland Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Christos Vrettos Technische Universität Kaiserslautern, Fachgebiet Bodenmechanik und Grundbau, Deutschland Zusammenfassung Derzeit wird vom CEN/ TC 250 die zweite Generation der Eurocode für das Bauwesen erarbeitet. In diesem Kontext erfährt auch der Eurocode 7, EN 1997, eine grundlegende Überarbeitung. Er wird zukünftig drei Teile umfassen: Im Teil 1 „General rules“ werden alle grundsätzlichen Regelungen zur geotechnischen Bemessung enthalten sein; der Teil 2 „Ground properties“ entspricht bezüglich des Themenschwerpunktes dem bisherigen Teil 2 „Erkundung und Untersuchung“, wird aber strukturell stark verändert und u.a. um Regelungen für Untersuchungen im Fels ergänzt. Der Teil 3 „Geotechnical structures“ wird die bisher im Teil 1 enthaltenen Abschnitte zu Flach- und Tiefgründungen, zu Böschungen und Dämmen, zu Stützbauwerken und Verankerungen, aber auch zusätzliche Abschnitte z. B. über Bewehrte Erde und Baugrundverbesserungen enthalten. Der vorliegende Beitrag stellt den Aufbau und wesentliche Bemessungsgrundlagen des Teils 3 des EN 1997 entsprechend der aktuell vorliegenden Entwurfsfassung vor. 1. Einleitung Derzeit wird vom CEN/ TC 250 die zweite Generation der Eurocode für das Bauwesen erarbeitet. In diesem Kontext erfährt auch der Eurocode 7, EN 1997, eine grundlegende Überarbeitung. Die derzeitige in der Ingenieurpraxis in der Anwendung befindliche erste Generation der Eurocodes geht auf einen Fassung zurück, die bereits im Jahr 2004 als europaweit anzuwendende Normen zur Bemessung im Bauwesen in den Mitgliedländern des CEN eingeführt wurde. Die nationale Einführung dieser Eurocodes wurde häufig, wenn auch nicht immer durch Nationale Anwendungsdokumente ergänzt, so auch in Deutschland. Hierzu wurden im Fachbereich Grundbau, Geotechnik des DIN die DIN 1054 „Baugrund - Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau“ und die DIN 4020 “Geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke“ überarbeitet und als „Ergänzende Regelungen zu DIN EN 1997-1 bzw. -2“ eingeführt. Dabei wurden gegenüber den früheren nationalen Normen alle Regelungen gestrichen, die schon in der EN 1997-1 enthalten waren, und die zugehörigen national zu bestimmenden Parameter (NDP) der EN 1997-1 festgelegt, wie z. B. die Teilsicherheitsbeiwerte und die in Deutschland anzuwendenden Nachweisverfahren. Im Ergebnis wurden im Jahr 2011 im Handbuch Eurocode 7 „Geotechnische Bemessung - Band 1 Allgemeine Regeln“, die EN 1997- 1, der Nationale Anhang und die überarbeitete DIN 1054 „Baugrund - Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau - Ergänzende Regelungen zu DIN EN 1997-1“ zusammengefasst, um dem Anwender die jetzt gültigen Bemessungsregeln nutzerfreundlich in einem Dokument zu Verfügung zu stellen. Mit dem Mandat M/ 466 der Europäischen Kommission an das CEN (Europäisches Komitee für Normung) vom Mai 2010 wurde bereits die zukünftigen Weiterentwicklung (´Evolution´) der Eurocodes initiiert, da europäische Normen satzungsgemäß alle 5 Jahre einer Überprüfung und gegebenenfalls Überarbeitung zu unterziehen sind. Das Mandat M/ 466 umfasst neben der Erstellung neuer Eurocodes (z.B. für Glasstrukturen etc.) und neuer Teile für bestehende Eurocodes (z.B. ´Baugrundverbesserung´ im EN 1997) auch und insbesondere die Weiterentwicklung der bestehenden Eurocodes, speziell hinsichtlich der besonderen Aspekte: • Harmonisierung der Nachweisverfahren, • Harmonisierung und Reduktion der sogenannten ´Nationally Determined Parameters (NDPs)´, also der Teilsicherheitsbeiwerte, Modellfaktoren, Streuungsfaktoren etc.; • Berücksichtigung aktueller Entwicklungen / Forschungsergebnisse; • Berücksichtigung von neuen ISO-Normen; 22 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Eurocode 7, Teil 3 „Geotechnical Structures“ - neue Ansätze für die Bemessung in der Geotechnik • Vereinfachung der Regelungen, Erhöhung der Benutzerfreundlichkeit. Basierend auf der Antwort von CEN/ TC 250 auf dieses Mandat M/ 466 entstand ab 2012 das Mandat M/ 515, auf dessen Basis TC 250 im Jahr 2013 ein Arbeitsprogramm für die Überarbeitung der Eurocodes vorgelegt hat, dass 77 Einzelaufgaben umfasste. Im Zuge dieses Prozesses hatte das für den Eurocode 7 zuständige Sub-Komitee (SC7) im CEN/ TC 250 bereits im Jahr 2011 vierzehn sogenannte ´Evolution Groups´ (EG) eingerichtet, die die Überarbeitung des EN 1997 hinsichtlich Konzept und Leitlinien vorbereiten sollten. Aufgabe der EGs war es im Hinblick auf die geotechnische Bemessung die im EN 1997 enthaltenen Bemessungsverfahren für geotechnische Bauwerke zu überprüfen, Ansätze für bisher in EN 1997-1 nicht behandelte geotechnische Bauwerke (z. B. Bewehrte Erde und Baugrundverbesserungen), bzw. bisher nicht abgedeckte Aspekte wie ´Bauen im Fels´ und ´nicht monotone Einwirkungen auf geotechnische Bauwerke´ zu entwickeln sowie insbesondere die Nutzerfreundlichkeit („ease of use“ des EN 1997 zu verbessern. Auf dieser Basis erhielt das CEN/ TC 250 im Frühjahr 2015 den Auftrag und auch die finanzielle Unterstützung, die Eurocodes analog zu diesem Arbeitsprogramm zu überarbeiten und damit auch den Eurocode 7 in seiner zweiten Generation zu erstellen. In diesem Kontext wurde die Struktur des SC 7 angepasst und die bisherigen Evolution Groups durch ein System von Project Teams und Task Groups ergänzt. Um der zukünftigen Struktur des EN 1997 bei der Bearbeitung Rechnung zu tragen, wurden drei Working Groups (WG) eingerichtet, wobei jede WG aus Task Groups (TG) besteht, die spezifischen Themen zugeordnet sind und die eigentliche arbeitsfähige Einheit darstellen (Abb. 1). Aufgabe der aus Vertretern aller interessierten Länder zusammengesetzten TGs (meist 15 bis 20 Mitglieder) ist es, die von dem CEN mandatierten Project Teams (PT) zu begleiten und zu unterstützen. Die PTs setzen sich aus je 6 Mitgliedern einschließlich eines Team-Leaders zusammen und haben die Aufgabe, Textvorschläge für die neue Fassung der Eurocode 7 zu erarbeiten, die dann von den TGs und in einem letzten Schritt von den nationalen Spiegelausschüssen kommentiert werden. Die PT-Mitglieder wurden auf Grundlage einer europaweiten Ausschreibung ausgewählt und haben einen Vertrag, der ihre Aufgaben mit einem Zeitplan sowie ein ergänzendes budgetiertes Honorar für ihre ehrenamtliche Arbeit und die erforderlichen Reisen enthält. Die TGs sind bezüglich der PTs jedoch nicht weisungsbefugt, so dass die PTs im Rahmen ihres Mandats weitgehend autark arbeiten. EN 1997-3, also der zukünftige Eurocode 7, Teil 3, wird von den Project Teams PT 4 und PT 5 erarbeitet, die auf Seiten des SC 7 von insgesamt sieben TGs begleitet werden (Abb. 1). PT 4 und PT 5 haben im Oktober 2019 den sogenannten ´Final Draft´ vorgelegt, der bis Ende Januar 2019 von den nationalen Spiegelausschüssen kommentiert werden, so dass dann mit Vorlage des vorläufigen Entwurfs des EN 1997-3 Ende April 2019 zu rechnen ist. Abb. 1 Struktur des CEN/ TC250/ SC7 zur Erarbeitung der zweiten Generation des EN 1997 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 23 Eurocode 7, Teil 3 „Geotechnical Structures“ - neue Ansätze für die Bemessung in der Geotechnik Abb. 2 Restrukturierung der ersten Generation des Eurocode 7 in die zweite Generation Der SC 7 wird basierend auf den Entwurfsfassungen noch eine weitere redaktionelle Überarbeitung der drei Teile des EN 1997 vornehmen, so dass mit einem finalen ersten Entwurf im Sommer 2021 zu rechnen ist, der dann noch den formalen Abstimmungsprozess durchlaufen muss, so dass mit einer einführungsreifen Fassung des EN 1997 in allen drei Teilen in 2024/ 25 zu rechnen ist. 2. Umstrukturierung des Eurocode 7 Für die zukünftige, zweite Generation des EN 1997 wurde der bestehende Eurocode 7 entsprechend Abbildung 2 grundlegend umstrukturiert. Der neue Eurocode 7 wird sich in drei Teile gliedern: • Im Teil 1 „General Rules“ werden alle grundsätzlichen Regelungen zur geotechnischen Bemessung, i.e zu Bemessungssituationen, Nachweisverfahren, Grenzzuständen und zur Ableitung repräsentativer Werte zusammengefasst, die übergeordnet auch für die beiden anderen Teile des EN 1997 gelten werden. • Der Teil 2 „Ground Properties“ beschäftigt sich analog des neuen Titels mit der Ermittlung bodenmechanischer Kennwerte auf der Basis von Labor- und Feldversuchen; er weicht insofern deutlich von der aktuellen Fassung ab. Ergänzend werden Regelungen für Untersuchungen an Fels, zur Ermittlung dynamischer Bodenkennwerte und zum Umgang mit geophysikalischen Verfahren aufgenommen. • Der Teil 3 „Geotechnical Structures“ wird die bisher im Teil 1 enthaltenen Abschnitte zu Flächengründungen, Pfahlgründungen, Ankern, Stützbauwerken, hydraulischen Nachweisen, Gesamtstandsicherheit und Erddämmen sowie zusätzliche Abschnitte z. B. über Bewehrte Erde und Baugrundverbesserungen (Ground Improvement) umfassen. Entsprechend der Darstellung in Abbildung 2 ist damit der Inhalt des aktuellen Eurocode 7, Teil 1, aufgeteilt worden, • in den zukünftigen EN 1990, dessen neuer Titel „Basis of structural and geotechnical design“ verdeutlicht, dass grundlegende, auch für die geotechnische Bemessung wichtige Regelungen (Design Cases, Consequence Classes, Teilsicherheitswerte für Einwirkungen etc.) zukünftig hier zu finden sein werden, • in den zukünftigen EN 1997-1 „General rules“ und • den zukünftigen EN 1997-3 „Geotechnical structure“, der nachfolgend detaillierter vorgestellt werden soll. Der zukünftigen EN 1997-3 beinhaltet Text von den Kapiteln 5 bis 9 und 11 bis 12 des bestehenden Eurocode 7, Teil 1, zusammen mit den neuen Kapiteln zu „Ground improvement“ und „Reinforced soil structures“. Berechnungsverfahren, die bisher im Anhang des Eurocode 7, Teil 2, enthalten sind, z.B. für die Ermittlung des axialen Pfahlwiderstandes auf der Basis von CPT-Sondierungen, werden ebenfalls in den EN 1997-3 integriert werden. 3. Entwurf des EN 1997-3 3.1 Inhalt Die Titel der Kapitel (zukünftig ´Clauses´ genannt) des EN 1997-3 werden im Wesentlichen der Struktur des derzeitigen EN 1997-1 folgen und sich wie folgt gliedern: 1. Scope 2. Normative references 3. Terms, definitions, and symbols 4. Slopes, cuttings, and embankments (bisher: Kapitel 11 und 12) 5. Spread foundations (bisher: Section 6) 6. Piled foundations (bisher: Section 7) 7. Retaining structures (bisher: Section 9) 24 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Eurocode 7, Teil 3 „Geotechnical Structures“ - neue Ansätze für die Bemessung in der Geotechnik 8. Anchors (bisher: Section 8) 9. Reinforced soil structures (neu) 10. Ground improvement (bisher: Section 5.5, aber im Wesentlichen neu) Jedes der einer Geotechnischen Struktur gewidmete Kapitel (Kapitel 4 bis 10) folgt einer einheitlichen Gliederung, die wie folgt festgelegt wurde: 1. Scope 2. Basis of design 3. Materials 4. Groundwater 5. Geotechnical analysis 6. Ultimate limit states 7. Serviceability limit states 8. Execution 9. Testing 10. Reporting Nachfolgend werden nähere Angaben zu den einzelnen Unterkapiteln gemacht. 3.2 ´Basis of Design´ In EN 1997-3: 202x werden in den Unterkapiteln x.2 Basis of Design in Ergänzung zu den diesbezüglich bereits in EN 1997-1: 202x enthaltenen Regelungen jeweils für die Geotechnische Struktur spezifische Regelungen und Anforderungen formuliert, die sich auf folgende Aspekte beziehen: 1. Design situations 2. Geometrical data 3. Actions 4. Limit states 5. Design considerations 6. Minimum ground investigations 7. Geotechnical Complexity Classes Die Anforderungen an die Baugrunderkundung basieren im Wesentlichen auf dem Anhang B.3 des bestehenden EN 1997-2: 2007 und korrelieren bezüglich der erforderlichen minimalen Erkundungstiefe weitgehend mit den Anforderungen gemäß DIN 4020. 3.3 ´Materials´ Die originäre Quelle für Information zu den Eigenschaften von Boden und Fels sowie zu deren Bestimmung im neuen Eurocode 7 ist EN 1997-2: 202x „Ground Properties“. Die in EN 1997-3 enthaltenen Unterabschnitte x.3 Materials sollen lediglich ergänzend Angaben zur Bestimmung der Kennwerte von Materialien enthalten, die üblicherweise in der geotechnischen Bemessung verwendet werden, jedoch nicht von anderen Eurocodes abgedeckt werden. So wird für Beton bezüglich der Materialeigenschaften und Expositionsklassen auf Eurocode 2 (EN 1992: 202x) sowie auf EN 206 verwiesen. Bezüglich der Bemessungsparameter für Stahl wird auf Eurocode 3 (EN 1993: 202x) verwiesen, bezüglich der Eigenschaften von warmgewalzten Stahlerzeugnissen auf EN 10025, EN 10083 und EN 10149 sowie für für kaltgeformte Stahlhohlprofile auf EN 10210 und EN 10219. Bezüglich der Bemessungsparameter für Stahlpfähle wird auf Eurocode 3, Teil 5 (EN 1993-5) verwiesen sowie auf EN 10248 für warmgewalzte und auf EN 10249 für kaltgeformte Spundbohlen. Für Anker wird auf EN 10138-1 für Spannstahl und auf EN 10080 für schweißbaren Bewehrungsstahl verwiesen. Bezüglich der Eigenschaften von Geotextilien und geotextilverwandten Produkten für Erdarbeiten, Fundamente und Stützkonstruktionen wird auf EN 13251 Bezug genommen, auf EN ISO 10319 zur Bestimmung der Kurzzeitfestigkeit von Geokunststoffbewehrungen; und auf ISO/ TR 20432 zur Bestimmung der Langzeitfestigkeit von Geokunststoffbewehrungen. Für Stahlbewehrungen einschließlich Bänder, Stangen oder Stäbe wird auf EN 10025 und EN 10080 verwiesen, für geschweißte Gitter auf EN 10218 und 10080; für polymerbeschichtete Drahtgewebe auf EN 10218 und EN 10223. Ferner werden Normen für das Verzinken von Stahlbändern, Stangen, Stangen, Leitern oder geschweißten Drahtgeweben angegeben. Die Verweise sollen dem Bemessenden einen direktem Link auf die wachsende Zahl weiterer Normen und Regelwerke ermöglichen, auf die bei der geotechnischen Bemessung Bezug genommen werden muss. 3.4 ´Groundwater´ Die Unterkapitel x.6 Groundwater enthalten für die jeweilige Geotechnische Struktur spezifische Regelungen zum Umgang mit Grundwasser, soweit dies nicht durch die umfassenden und mehr allgemeinen Regelungen im Kapitel 6 ´Groundwater´ des EN 1997-1 abgedeckt ist. 3.5 Geotechnische Bemessung (´Geotechnical Analysis´) Nach EN 1997-1: 202x müssen Grenzzustände nach einer der folgenden Methoden überprüft werden: • Berechnung (´calculation´) • spezifischen technischen Regeln (´prescriptive measurement´) • Probebelastungen/ Versuche (´testing´) • Anwendung der Beobachtungsmethode (´application of observational method´) Die Unterabschnitte x.5 Geotechnical Analysis in EN 1997-3: 202x, die sich also mit der geotechnischen Analyse befassen, legen bestimmte Bemessungsverfahren, insbesondere Berechnungsverfahren zur Ermittlung von Widerständen fest, die für die jeweilige geotechnische Struktur angewendet werden sollten, um grundlegende Anforderung zu erfüllen. 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 25 Eurocode 7, Teil 3 „Geotechnical Structures“ - neue Ansätze für die Bemessung in der Geotechnik So gibt der Unterabschnitt 4.5 im Kapitel ´Slopes, cuttings, embankments´ dem Ingenieur die Erlaubnis, Grenzgleichgewichtsmethoden, numerische Methoden oder Grenzwertanalysen als Berechnungsverfahren zu Beurteilung der Standsicherheit von Geländesprüngen verwenden. Unterabschnitt 5.5 enthält für Flachgründungen Ansätze zur Bestimmung des Grundbruchwiderstandes, zum Widerstand gegen Gleiten und zur Ermittlung des Widerstandes gegen Durchstanzen. Dabei konnte eine europäische Harmonisierung dahingehend erreicht werden, dass nun auch die Ansätze, d.h. beispielsweise die Grundbruchformel in den normativen Text des EN 1997- 3 aufgenommen wurden; die Formeln für die Ermittlung der verschiedenen Tragfähigkeitsbeiwerte, Neigungsbeiwerte etc. finden sich dann im informativen Anhang. Im Kapitel 6 „Pfahlgründungen“ enthält der Unterabschnitt 6.5 Geotechnical Analysis Ansätze zur Ermittlung des Widerstandes axial belasteter Einzelpfähle auf der Grundlage von Berechnungen und Ergebnissen von Pfahlprobebelastungen, aber auch Hinweise für Pfahlgruppen und Kombinierte Pfahl-Plattengründungen. Ferner werden gegenüber der heutigen Normenfassung detailliertere Angaben zu Einwirkungen auf Pfähle aus Verschiebungen im Baugrund gemacht. Unterabschnitt 7.5 enthält Vorgaben zur Ermittlung des Erddrucks auf Stützkonstruktionen, im Wesentlichen also zum aktiven und passiven Erddruck sowie zum Erdruhedruck. Unterabschnitt 8.5 wird im Kapitel „Anker“ nicht genutzt. Im Kapitel 9 „Reinforced soil structures“ enthält der Abschnitt 9.5 Verweise auf Methoden zur rechnerischen Erfassung von Bewehrte-Erde Konstruktionen, Bodenvernagelungen, bewehrten Tragschichten über punktförmigen Traggliedern, der Bewehrung der Bassis von Dämmen auf weichen Böden etc. Ausgewählte Methoden, häufig u.a. auf der EBGEO basierend, werden detaillierter im informativen Anhang F dokumentiert. Für Baugrundverbesserungen enthält der Abschnitt 10.5 u.a. Regelungen für die Ermittlung der Eigenschaften von ´diffused ground improvements´ auf der Basis von statistischen Ansätzen oder zur rechnerischen Erfassung von Baugrundverbesserungen mit säulenartigen Tragelementen (´ground improvements with rigid inclusions´). 3.6 Nachweis der Grenzzustände der Tragfähigkeit (´Ultimate limit states´) Die Unterabschnitte in EN 1997-3: 202x, die den Nachweis der Grenzzustände abdecken, dienen hauptsächlich zwei Zwecken: • Identifikation der maßgebenden Grenzzustände, die für die jeweilige geotechnische Struktur nachzuweisen sind. • Angabe von Teilsicherheitsbeiwerte (´partial factors´) für die Widerstände und möglicherweise weiteren Faktoren (Streuungsfaktoren, Modellfaktoren etc.), mit denen diese Grenzzustände nachzuweisen sind. Tab. 1 Übersicht über die Design Cases und Teilsicherheitsbeiwerte gemäß EN 1997-3 (vorläufig, Stand 10/ 2019) 26 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Eurocode 7, Teil 3 „Geotechnical Structures“ - neue Ansätze für die Bemessung in der Geotechnik EN 1997-3: 202x kann dabei nicht alle Grenzzustände benennen, die sich auf eine bestimmte geotechnische Struktur auswirken können. Die im Regelfall nachzuweisenden Grenzzustände werden jedoch abgedeckt, und weniger häufig maßgebende Grenzzustände werden erwähnt, wenn sie im Einzelfall als relevant bekannt sind. Eine zentrale Vorgabe bei der Erstellung der zweiten Generation von Eurocodes ist es, doppelte Informationen zu vermeiden. Eine Konsequenz dieses Prinzips ist, dass die in EN 1990: 202x angegebenen Werte der Teilsicherheitsfaktoren für die Einwirkungen, i.e. γ G , γ Q , und γ E im EN 1997-3 nicht erneut aufgeführt werden können; stattdessen wird hinsichtlich der Definition der Bemessungsfälle, den sogenannten ´Design Cases´ DC1 bis DC4 auf die Regelungen des EN 1990: 202x verwiesen, in dessen Anhang A.1 auch die vorgenannten Teilsicherheitsbeiwerte für die Einwirkungen definiert werden. Ein Hauptvorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass EN 1990 unterschiedliche Werte für γ G , γ Q , und γ E für verschiedene Bauwerke (z.B. Gebäude, Brücken, Türme und Masten, Silos und Tanks usw.) festlegen kann, ohne dass dies den Text anderer Eurocodes beeinflusst. Ebenso können die Werte der Teilsicherheitsbeiwerte γ tan φ, γ c , γ cu , usw., die in der zweiten Generation von EN 1997- 1 angegeben sind, im neuen Teil 3 nicht dupliziert werden Diese Werte müssen also dem Anhang A des EN 1990 und der EN 1997-1: 202x für die dort angegebenen Kombinationen M1, M2 oder M3 von Teilsicherheitsbeiwerten auf der Widerstandsseite entnommen werden. Die Aufgabe der Unterabschnitte x.6 Ultimate limit states in EN 1997-3 besteht darin, die geeigneten Teilfaktoren für jeweilige geotechnische Struktur auszuwählen und die erforderlichen Werte der Teilsicherheitsbeiwerte auf der Widerstandsseite zu spezifizieren. Tabelle 1 zeigt einen stark verkürzten und vereinfachten Überblick über die anzuwendenden Nachweisformate und Teilsicherheitsbeiwerte nach EN 1997-3: 202x für ausgewählte geotechnische Strukturen entsprechend dem vorläufigen Stand des Entwurfes von 10/ 2019. Die Werte der für die Design Cases von Gebäuden angegebenen Teilsicherheitsbeiwerte sind in Klammern angegeben, erscheinen jedoch nicht in EN 1997-3: 202x. Es ist darauf hinzuweisen, dass in Tabelle 1 der Wert des Teilsicherheitsbeiwertes an mehreren Stellen einen „Konsequenzfaktor“ K F oder K M (´Consequence Factor´) enthält. Der Wert dieses Faktors hängt mit den Folgen eines Versagens zusammen, wie dies für eine bestimmte Struktur durch die Konsequenzklasse bestimmte Struktur durch die Konsequenzklasse (´Consequence Class´), in die er eingeteilt ist, festgelegt ist. Konsequenzklassen und die entsprechenden Werte von K F sind in EN 1990: 202x definiert (vgl. Tabelle 2); Die Werte von K M und K R (nicht in Tabelle 1 gezeigt) werden in EN 1997-3: 202x für bestimmte geotechnische Strukturen definiert. Der Grund, warum DC3 keinen Konsequenzfaktor K F für den Teilsicherheitsfaktor auf Einwirkungen vorsieht und stattdessen einen Konsequenzfaktor K M für Materialfestigkeiten einschließt, hängt mit dem Wert von γ G zusammen, der in diesem speziellen Design Case = 1,0 ist. Ein Teilsicherheitsbeiwert von γ G = 1,0 wird als ein ´do nothing´-Faktor betrachtet, d.h. die Zuverlässigkeit kann in diesem Fall nicht durch Faktorisierung der ständigen Einwirkungen angepasst werden. Die Zuverlässigkeit wird stattdessen durch Faktorisierung der Materialfestigkeit gewährleistet (γ M > 1,0 in DC3). Daher kann die Berücksichtigung des unterschiedlichen Zuverlässigkeitsniveaus in Abhängigkeit von der ´Consequence Class´ nur durch Faktorisierung des Teilsicherheitsbeiwertes γ M umgesetzt werden. Dies ist insbesondere für den Standsicherheitsnachweis von Böschungen, Dämmen und Einschnitten relevant. 3.7 Nachweis der Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit (´Serviceability limit states´) Die Abschnitt x.7 Serviceability Limit State in EN 1997-3 enthalten Regelungen für die Ermittlung von Setzungen, Tab. 2 ´Consequences classes´ gemäß EN 1990: Beispiele und Angabe des Konsequenzfaktors KF 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 27 Eurocode 7, Teil 3 „Geotechnical Structures“ - neue Ansätze für die Bemessung in der Geotechnik Hebungen und andere Verschiebungen sowohl im Baugrund als auch für Bauwerke. Wie bisher werden alle Untersuchungen ohne Ansatz von Teilsicherheitsbeiwerten mit charakteristischen bzw. repräsentativen Werten durchgeführt. Der Nachweis erfolgt im Regelfall durch die Gegenüberstellung von zulässigen und rechnerischen Verformungen. Eine Orientierung hinsichtlich „üblicherweise“ zulässigen Verformungen findet sich in EN 1990: 200x in Abhängigkeit von ´Structural Sensitivity Classes´. 3.8 Ausführung (´Execution´) Die Abschnitte x.8 Execution in EN 1997-3 enthalten im Wesentlichen Verweise auf die entsprechenden, europäischen Ausführungsnormen, von denen das CEN Technical Committee TC288 inzwischen insgesamt 13 Normen zu sogenannten ´special geotechnical works´ herausgebracht hat. Tabelle 3 gibt einen Überblick über die entsprechenden Verweise in den einzelnen Kapiteln des EN 1997-3. Ergänzende Regelungen werden nur in den Fällen formuliert, in denen keine Ausführungsnormen zur Verfügung stehen. 3.9 Prüfungen/ Probebelastungen (´Testing´) Die Abschnitte x.9 Testing in EN 1997-3 enthalten Regelungen zu der Anwendbarkeit von Tests bzw. Probebelastungen von geotechnischen Strukturen. Die Abschnitte sind insofern von besonderer Bedeutung für Anker und Pfähle. Üblicherweise erfolgt dabei ein Verweis auf die entsprechenden europäischen Normen zur Durchführung von Probebelastungen, die in den letzten Jahren in der Reihe der EN ISO 22477 Normen ´Testing of geotechnical structures´ erschienen sind. Ergänzend werden Angaben u.a. zu Kriterien für die Identifikation eines Widerstandes (Grenztragfähigkeit) z.B. für Pfähle formuliert. Tab. 3 In EN 1997-3; 202x zitierte Ausführungsnormen 3.10 Dokumentation (´Reporting´) Die Abschnitte x.10 Reporting des EN 1997-3 enthalten in Ergänzung zu den Vorgaben im Abschnitt 12 des EN 1997-1: 202x Regelungen zur Erstellung von Geotechnischen Berichten (´Geotechnical Design Reports × GDR´) und Herstellungsdokumentationen (´Geotechnical Construction Records × GCR´), die für die jeweilige Geotechnische Struktur maßgebend sind. 4. Beispiel: Clause 8 ´Anchors´ Ausgehend von dem vorlaufenden Überblick soll im Folgenden beispielhaft das Kapitel 8 „Anker“ des EN 1997- 3 näher betrachtet werden, um einen Eindruck hinsichtlich des Umfanges und der Regelungstiefe zu geben. 4.1 Rahmenbedingungen zur Überarbeitung des Kapitels 8 Anker Das Kapitel 8 Anker der EN 1997-1 wurde bereits in den Jahren 2010-2014 durch die Evolution Group 1 unter Leitung von Eric Farrell überarbeitet und 2014 das Addendum A1 als neuer Abschnitt 8 herausgebracht. Diese Version ist in Deutschland nicht bauaufsichtlich eingeführt worden, da es nicht ratsam erschien unmittelbar nach Einführung der Normengruppe EN1997-1, NA und Ergänzungsnorm DIN 1054 wieder eine neue Normenvariante einzuführen. Außerdem wurde diese Version von Deutschland abgelehnt, da dort der Begriff F serv für die charakteristische Ankerlast F k zusätzlich eingeführt wurde. Aus deutscher Sicht schien es nicht tragbar für eine aus dem Sprachgebrauch des EN 1997-1 vorhandene Kraft mit zwei unterschiedlichen Bezeichnungen zu benennen. Ebenfalls nach Einführung des europäischen Bemessungsnormpakets im Jahr 2012 wurde die Arbeiten an der Norm zur Prüfung von Verpressankern EN ISO 22477-5 abgeschlossen und diese 2018 veröffentlicht. 28 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Eurocode 7, Teil 3 „Geotechnical Structures“ - neue Ansätze für die Bemessung in der Geotechnik Der Begriff „Anker“ wird im Spezialtiefbau oft missverständlich für unterschiedliche Tragelemente verwendet. So werden Mikropfähle gemäß DIN EN 14199 die zur Verankerung von Spundwänden eingesetzt werden fälschlicherweise oft auch als Anker bezeichnet. Auch voll vermörtelte Felsnägel werden irrtümlich häufig Anker genannt. Neben den ankerspezifischen Weiterentwicklungen ergaben sich auch aus der überarbeiteten Norm EN 1990 „Grundlagen der Tragwerksplanung“ neue Aspekte, die zu beachten waren, u.a. hinsichtlich der nun ´Design Cases´ (DC) genannten Nachweisverfahren. Die vorstehend genannten Punkte sind bei der Überarbeitung des Kapitels 8 Anker zu berücksichtigen gewesen. Der fortentwickelte Text des Kapitels 8 wurde durch das Projektteam 5 (PT5) in Zusammenarbeit mit der Task Group 5 (TG5) unter der Leitung von Noel Huybrechts und unter Mitwirkung von Klaus Dietz auf deutscher Seite erarbeitet. 4.2 Anwendungsbereich Kapitel 8 Anker Der Anwendungsbereich des Kapitels 8 konnte im Ergebnis einer ausführlichen Diskussion zwischen der TG5 und dem PT5 deutlich präzisiert werden. Der Abschnitt 8 bezieht sich zukünftig auf alle Anker, die über einen Ankerkopf, eine freie Ankerlänge und ein Rückhalteelement verfügen, über welches die Ankerkraft in den Baugrund, Boden oder Fels, eingeleitet wird. Neben Verpressankern gemäß EN 1537 fallen auch Schraub- und Klappanker in den Bereich des Kapitels 8. Wie die Bemessung anderer stützender Bauelemente durchzuführen ist, wird in der Beschreibung des Anwendungsbereiches erläutert und festgelegt. 4.3 Bemessung des Bauteils Anker Der Bauteilwiderstand eines Ankers aus einerseits Herausziehwiderstand (R d,ULS ) und andererseits Tragglied (R t,d ), muss größer als die erforderliche Bemessungswert der Ankerkraft E d sein. E d ≤ min {R d,ULS ; R t,d } (1) Der Bemessungswert der Ankerkraft E d , einschließlich des Einflusses einer möglichen Vorspannung, ist die größere Kraft, die sich aus der Betrachtung des Grenzzustandes der Tragfähigkeit (ULS) oder des Grenzzustandes der Gebrauchstauglichkeit (SLS) des Bauwerks ergibt. Die Ermittlung der erforderlichen Ankerkräfte „E d “, erfolgt in der Regel gemäß den Kapiteln Stützbauwerke oder Böschungen. 4.4 Grenzzustand der Tragfähigkeit des Ankers 4.4.1 Ermittlung des Herausziehwiderstandes Der charakteristische Herausziehwiderstand eines Ankers (R k,ULS ), ist im Rahmen einer Untersuchungs- oder Eignungsprüfung mit einem Prüfverfahren gemäß EN ISO 22477-5 zu ermitteln. Die Bemessung ausschließlich auf der Grundlage von Erfahrungswerten ist nur zulässig, wenn dies in einem nationalen Anwendungsdokument ausdrücklich erlaubt wird. In Deutschland ist nur das Prüfverfahren 1 zulässig. Dies entspricht dem Prüfverfahren, wie es in DIN SPEC 18537 beschrieben ist. Für die Prüfverfahren 1 und 3 gemäß EN ISO 22477-5 sind in der Norm Grenzkriterien des Kriechmaßes und Teilsicherheitsbeiwerte zur Ermittlung des bemessungswertes des Herausziehwiderstandes angegeben. Für das Prüfverfahren 2 aus DIN EN 22477-5 werden keine Angaben gemacht, da dieses Verfahren nicht weiterverfolgt wird und nur noch in Ausnahmefällen in Großbritannien verwendet wird. Das Grenzkriechmaß zur Ermittlung des charakteristischen Herausziehwiederstandes (R k,ULS ) im Prüfverfahren 1 beträgt wie bisher a 1 = 2mm. Der Bemessungswert des Herausziehwiderstandes (R d,ULS ) wird wie folgt ermittelt: R d,ULS = R k,ULS / γ a (2) mit: γ a,ULS Teilsicherheitsfaktor (γ a,ULS = 1,1) 4.4.2 Ermittlung des Bauteilwiderstandes eines Ankers Der Bemessungswert des Bauteilwiderstand (R t,d ) eines Ankers wird wie folgt ermittelt: R t,d = R t,k / γ M (3) mit R t, charakteristischer Wert der Tragfähigkeit des Traggliedes gemäß den einschlägigen Materialnormen oder bauaufsichtlichen Zulassungen γ M Teilsicherheitsbeiwert gemäß den einschlägigen Materialnormen, z. B. für Stahl aus EN 1993-5 g M =1,15 4.5 Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit des Ankers Dieser Nachweis ist bei Anwendung des Prüfverfahrens 1, wie es in Deutschland vorgegeben ist, nicht erforderlich. Bei Anwendung des Prüfverfahrens 3 ist hier ein Nachweis zu führen, da bei diesem Prüfverfahren geringere Prüfkräfte, die sich auf die charakteristische Ankerkraft im Zustand der Gebrauchstauglichkeit beziehen, angewendet werden. Als geotechnischer Grenzwert wird hier die kritische Kriechkraft P c , wie sie gemäß der Untersuchungsprüfung im Prüfverfahren 3 nach EN ISO 22477-5 ergibt, herangezogen. 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 29 Eurocode 7, Teil 3 „Geotechnical Structures“ - neue Ansätze für die Bemessung in der Geotechnik 4.6 Prüfungen Für Anker ist die Durchführung von Belastungsprüfungen verpflichtend. Zur Ermittlung oder Überprüfung des Herausziehwiderstandes können Untersuchungs- oder Eignungsprüfungen gewählt werden. Abnahmeprüfungen sind an jedem Anker vorzunehmen, da nur dadurch die gewählten, vergleichsweise niedrigen Teilsicherheitsbeiwerte gerechtfertigt werden können. 4.6.1 Untersuchungsprüfung Untersuchungsprüfungen dürfen nicht an Bauwerksankern, sondern müssen immer an zusätzlichen Prüfankern durchgeführt werden, da sie bis zum Versagen der Baugrund/ Bauteilfuge durchgeführt werden sollen. Die Prüfkraft ist deshalb so zu wählen, dass ein Versagen der Baugrund/ Bauteilfuge innerhalb der in EN ISO 22477-5 angegebenen Laststufen erreicht wird. 4.6.2 Eignungsprüfung Die Eignungsprüfung soll bestätigen, dass die gewählten Abmessungen Krafteinleitungselemente mit ausreichender Sicherheit bestätigt werden können. Die Prüfkraft P P für eine Eignungsprüfung gemäß Prüfverfahren 1 ist wie folgt zu ermitteln: P P ≥ ξ a,ULS,test × γ a,ULS × E d (4) mit ξ a,ULS,test Modellfaktor, der national festgelegt werden kann, in der Regel ξ a,ULS,test = 1 γ a,ULS Teilsicherheitsfaktor γ a,ULS = 1,1 E d Bemessungsankerkraft Der Modellfaktor ξ a,ULS,test ermöglicht Ländern die es wünschen, unterschiedliche Prüflasten für Eignungs- und Abnahmeprüfungen festzulegen. 4.6.3 Abnahmeprüfung Die Abnahmeprüfung soll belegen, dass alle Bauwerksanker die Ankerkraft mit der vorgegebenen Sicherheit in den Baugrund ableiten können. Die Prüfkraft P P für eine Abnahmeprüfung gemäß Prüfverfahren 1 ist wie folgt zu ermitteln: P P = γ a,ULS × E d (5) mit: g a,ULS Teilsicherheitsfaktor (g a,ULS = 1,1) 4.7 Anmerkung zur Überarbeitung des Kapitel 8 ´Anker´ Die Definition des Begriffs Anker konnte im Rahmen der Überarbeitung des Kapitels 8 weiter präzisiert werden. Für Anker konnte erreicht werden, dass Bemessungs-, Ausführungs- und Prüfnorm nun widerspruchsfrei aufeinander abgestimmt sind. Abgesehen von den Umstellungen im Bereich der Design Cases kann die Bemessung entsprechend der bekannten Vorgehensweise weiter durchgeführt werden. Durch Wegfall des Prüfverfahrens 2 konnten die Regeln einfacher gefasst werden. 5. Ausblick Seit Ende Oktober liegt der neue Entwurf des EN 1997- 3 „Geotechnical Structures“ vor, der die entscheidende Grundlage für die Bemessung geotechnischer Bauwerke und Strukturen in der Zukunft bilden wird. Die zweite Generation des Eurocode 7 wird in Form des Teils 3 auch erstmals bisher nicht geregelte Strukturen wie Baugrundverbesserungen, Bodenvernagelungen und unter Einsatz von Geokunststoffen hergestellte Strukturen abdecken. Zudem werden Belange des Felsbaus beinhaltet sein. In vielen Kapiteln ist es gelungen, neuere Aspekte, die bisher nicht explizit geregelt waren, mit abzudecken, so u.a. die Bemessung von Pfahlgruppen, von Kombinierten Pfahl-Plattengründung (KPP) oder von Baugrundertüchtigungen mit steifen Elementen. Insofern wird der EN 1997-3 jüngeren Entwicklungen in der Geotechnik und in der Ingenieurpraxis Rechnung tragen. Eine Verbesserung der Nutzerfreundlichkeit, die von vielen Nutzern der ersten Generation des Eurocode 7 für sinnvoll und notwendig erachtet wurde, konnte hingegen - zumindest nach deutschen Maßstäben nicht in allen Belangen umgesetzt werden. Die Erfahrung zeigt, dass hier kein einheitliches Verständnis in den europäischen Ländern zur Definition des ´ease of use´ besteht; insbesondere dort, wo ergänzende nationale Regelungen und Empfehlungen - im Gegensatz zu den u.a. in Deutschland in Form der von Arbeitskreisen der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik (DGGT) erarbeiteten Empfehlungen nicht verfügbar sind, wird Benutzerfreundlichkeit häufig auch mit einer besonders hohen Regelungstiefe gleichgesetzt. Insoweit stellt der vorliegende Entwurf des EN 1997-3 auch einen Kompromiss zwischen diesen unterschiedlichen Erwartungen und Anforderungen dar. Ungeachtet dessen wird die zweite Generation des EN 1997 zu einer weiteren Harmonisierung der geotechnischen Bemessung beitragen. Nicht unberücksichtigt bleiben sollte bei der Gesamtbewertung, dass die Eurocodes allgemein, aber insbesondere auch der Eurocode 7 inzwischen weltweit eine hohe Akzeptanz und Anwendung als ein modernes, lebendiges Normenwerk erfahren. Viele asiatische und afrikanische 30 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Eurocode 7, Teil 3 „Geotechnical Structures“ - neue Ansätze für die Bemessung in der Geotechnik Länder richten beispielsweise inzwischen ihre nationalen Normen an den Eurocodes aus ein Umstand, der nicht nur eine Anerkennung für das ehrenamtliche Engagement der an der Erstellung der nächsten Generation des Eurocode 7 beteiligten, mehr als 180 europäischen Kollegen ist, sondern auch als Wettbewerbsvorteil für europäische Ingenieurbüros wahrgenommen werden sollte. Die nächste Generation des Eurocode 7 adressiert insofern nicht nur die nationale und die europäische Ingenieurpraxis, sondern wird auch weltweit Wirkung entfalten. Literatur [1] Bond, A.J., Burlon, S., van Seters, A., Simpson, B. (2015): Planned changes in Eurocode 7 for the second generation of Eurocodes. Proceedings, 16th European Conf. on Soil Mech. And Geotechnical Engng. [2] Bond, A.J., Formichi, P., Spehl, P., van Seters, A.J. (2019): Tomorrow’s geotechnical toolbox: EN 1990: 202x Basis of structural and geotechnical design. Proceedings, 17th European Conf. on Soil Mech. And Geotechnical Engng., Reykjavik, Iceland. [3] Estaire, J., Arroyo, M., Scarpelli, G., Bond, A.J. (2019): Tomorrow’s geotechnical toolbox: Design of geotechnical structures to EN 1997: 202x. Proceedings, 17th European Conf. on Soil Mech. And Geotechnical Engng., Reykjavik, Iceland. [4] Franzén, G., Arroyo, M., Lees, A., Kavvadas, M., van Seters, A.J., Walter, H., Bond, A.J. (2019): Tomorrow’s geotechnical toolbox: EN 1997-1: 202x General rules. Proceedings, 17th European Conf. on Soil Mech. And Geotechnical Engng., Reykjavik, Iceland. [5] Norbury, D., Arroyo, M., Foti, S., Garin, H., Reiffsteck, P., Bond, A.J. (2019): Tomorrow’s geotechnical toolbox: EN 1997-2: 202x Ground investigation. Proceedings, 17th European Conf. on Soil Mech. And Geotechnical Engng., Reykjavik, Iceland. [6] Bond, A.J., Jenner, C., Moormann, C. (2019): Tomorrow’s geotechnical toolbox: EN 1997-3: 202x Geotechnical Structures. Proceedings, 17th European Conf. on Soil Mech. And Geotechnical Engng., Reykjavik, Iceland. [7] Schuppener, B., Vogt, N., Ziegler, M. (2020): Neue Konzepte im Entwurf der EN 1997-1 „Eurocode 7: Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik - Teil 1: „Allgemeune Regeln“. Kolloquium „Bauen in Boden und Fels”, Technische Akademie Esslingen.