Entwicklung eines Python‐Skripts zur Festigkeitsreduktion mit numerischen Methoden

Abstract

Die Anwendung numerischer Methoden beschränkt sich in der Geotechnik derzeit zumeist auf die Prognose des Verformungsverhaltens von Bauwerken im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit. Der Grenzzustand der Tragfähigkeit wird unter Berücksichtigung numerischer Methoden, z. B. der Finite‐Elemente‐Methode bisher nur in Ansätzen (z. B. bei homogenen Böschungen und kombinierter Pfahl‐Plattengründung) behandelt. In dem vorliegenden Beitrag wird daher die Grundlage für die Anwendung einer ganzheitlichen Methode zur parallelen Festigkeitsreduktion an Strukturelementen und einer Abminderung der Scherparameter des Bodens diskutiert.In einer ersten Parameterstudie wird ein auf der Programmiersprache Python basierendes Skript zur Reduktion der Scherparameter des Bodens durch einen Abgleich mit anerkannten Methoden zur Berechnung der Standsicherheit von Böschungen verifiziert. Anschließend werden die Anwendungsmöglichkeiten des Python‐Skripts so erweitert, dass in einer zweiten Parameterstudie die Festigkeitsparameter von Strukturelementen innerhalb einer stabilitätsgefährdeten Böschung reduziert werden können. Auf Grundlage dessen erfolgt eine Beurteilung über den wahrscheinlichen ersten Versagensmechanismus (Boden‐ oder Strukturversagen). Zum Abschluss werden die Ergebnisse der beiden Parameterstudien unter Berücksichtigung einer numerischen Nachweisführung in einen kausalen Kontext gebracht und zukünftige Forschungsansätze diskutiert.

Zur numerischen Berechnung der globalen Standsicherheit von Bauwerken im Boden

“…B. die Einbeziehung von Strukturelementen in einer ganzheitlichen Festigkeitsreduktion. In [4] wurden erste Untersuchungen zum Verhalten von Strukturelementen in einer Böschung unter Verwendung eines Python‐Skripts vorgestellt. Die Anwendbarkeit und die Besonderheiten des Python‐Skripts im Zusammenhang mit Verbauwänden und dem FE‐Programm Plaxis 2D werden darauf aufbauend in Abschnitt 2.3 erläutert.…”

“…Als Funktion des maximal aufnehmbaren Grenzmoments M pl sowie der Normalkraft N pl bei Stahlbauteilen besteht zudem die Option, die Streckgrenze f y zu reduzieren. Zusätzlich wird in [4] ein geometrischer Ansatz untersucht, in dem der Durchmesser einer Hangverdübelung aus Stahl im Bereich einer Böschung als Äquivalent eines Festigkeitsparameters reduziert wird. Dadurch werden zwangsweise sowohl die Dehnsteifigkeit EA als auch die Biegesteifigkeit EI reduziert.…”

“…Alternativ zur Vorgehensweise in Bild 1 wurde das in [4] beschriebene Vorgehen geprüft, die Reduktion der Festigkeitsparameter in lediglich einer Berechnungsphase, die auf den zu untersuchenden Zustand folgt und so lange wiederholt wird, bis sich ein Bruchzustand einstellt, durchzuführen. Für simple Konstruktionen wie Böschungen sind die Auswirkungen vernachlässigbar gering, wie die Ergebnisse in [4] gezeigt haben. Hierbei wird in jedem Berechnungsschritt vom Spannungszustand der Ausgangsphase ausgegangen.…”

“…Ziel ist es, die Anwendbarkeit des Python‐Skripts anhand von Parameterstudien zu verifizieren. Grundlage für den Vergleich bieten die an einer Böschung mit einer Hangverdübelung durchgeführten Parameterstudien [4]. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse werden dazu genutzt, das Python‐Skript zu erweitern und auf eine einfach ausgesteifte Baugrube anzuwenden.…”

“…Zu Beginn werden die in [4] bereits gewonnenen Erkenntnisse zur Anwendung eines mit der Programmiersprache Python erstellten Skripts auf eine einfach ausgesteifte Baugrube übertragen. Zur Verifikation des Skripts werden die berechneten Sicherheitsfaktoren mit den Ergebnissen der in Plaxis 2D implementierten Festigkeitsreduktion verglichen und analysiert.…”