Für die Berechnung der Standsicherheit von Konstruktionen mit Geokunststoffen ist die Ermittlung des "Interaktionsverhaltens" in den Schichtgrenzen zwischen Geokunststoffen und Lockergesteinen unerlässlich. Das Verbundverhalten in der Grenzfläche ist sehr komplex. Es ist von einer Vielzahl von Faktoren abhängig, die im Rahmen dieser Arbeit experimentell, analytisch und numerisch untersucht werden. Als Ausgangspunkt für die experimentellen Untersuchungen wird vom Verfasser ein multifunktionales Geosynthetik-Boden-Interaktionsprüfgerät entwickelt und gebaut, mit dem alle zur Standsicherheit eines geokunststoffbewehrten Erdkörpers benötigten Verbundparameter ermittelt werden können. Aus den erarbeiteten Ergebnissen resultiert die Empfehlung einer Gerätekonfiguration zur Bestimmung der Verbundparameter unter mechanisch klar definierten Randbedingungen, und die Grundlagen für die zukünftige Nutzung geringtragfähiger bindiger Lockergesteine als vollwertige Füllböden in geokunststoffbewehrten Konstruktionen werden gelegt.

Mit der vorliegenden Arbeit soll ein Beitrag geleistet werden, die lokalen Tragmechanismen eines Brückenhohlkastens im Bereich der Feldumlenkstellen (Feldlisenen) zu untersuchen und zu optimieren. Beim Entwurf einer Brücke gewinnt die Frage der Dauerhaftigkeit u.a. in Deutschland und der Schweiz eine immer zentralere und grössere Bedeutung. Dadurch können die laufenden Kosten reduziert werden, während ausserhalb dieser beiden Länder im Allgemeinen mehr Gewicht auf die rationelle Fertigung und die Kostenersparnis in der Bauphase gelegt werden. Die Dauerhaftigkeit von extern vorgespannten Brücken mit ihren relativ geringen Wartungs- und Unterhalts- bzw. Instandstellungskosten sind das Hauptargument für diese Bauweise. Bei Vorspannung ohne Verbund sind für externe Spannglieder grössere Verankerungskonstruktionen erforderlich, weil die Spannglieder nicht im Steg selbst, sondern mit einem Mindestabstand zum Steg in Lisenen vorgespannt werden müssen. Über diese Verankerungsstellen werden in Hohlkastenbrücken grosse Kräfte konzentriert in die Stege, Boden- und Fahrbahnplatten eingeleitet. Im Sinne von Gewichtsreduktion des Brückenbauwerks sollen die Feldlisenen möglichst schlank und Platz sparend ausgeführt werden. Nur durch eine sorgfältige Bemessung und Konstruktion der Verankerungs- und Umlenkstellen kann die Voraussetzung für sichere und dauerhafte Brückenbauwerke gewährleistet werden. Die Bruchsicherheit ist dadurch nicht beeinträchtigt. Von grösstem Interesse ist jedoch die Gebrauchstauglichkeit, das heisst die Rissbreiten mit Rücksicht auf Korrosionsschäden in der Bewehrung. Bei den ersten in Deutschland extern vorgespannten Brücken schlug Prof. Eibl für den Stahl III vor, die Spannungen von 240 N/mm2 auf 220 N/mm2 zu begrenzen. In der Richtlinie für externe Vorspannung von 1998 wurden die Spannungen weiter auf 180 N/mm2 reduziert. Um eine unkontrollierte Rissbildung in den hoch bewehrten Verankerungskonstruktionen zu verhindern, sind genaue Kenntnisse der Kraftflüsse und für die Praxis taugliche Bemessungsmodelle notwendig. Die Geometrie und die statische Berechnung der gewählten Umlenkkonstruktion müssen entsprechend gewichtet werden. In dieser Arbeit werden an zwei Vergleichsmodellen die lokalen Tragmechanismen einer extern vorgespannten Hohlkastenbrücke im Bereich der Feldumlenkstelle (Feldlisene) untersucht. Mit linear-elastischen und nichtlinearen numerischen Berechnungen wird abgeklärt, ob unter dem Ansatz einer Spannungserhöhung im Bewehrungsstahl auf 285 N/mm2, die Gebrauchstauglichkeit noch gewährleistet werden kann. Den Berechnungen wird eine Krafteinleitung von 2 x 3 MN mit Umlenkkräften von 4 x 0,64 MN zu Grunde gelegt. Die Berechnungen zeigen, dass das Ziel, mit einer Bewehrung von As = 3,35 % m2/m unter Gebrauchslasten keine Rissbreiten über 0,2 mm auftreten, erreicht werden kann. Die Berechnungen werden zudem an einem Brückenmodell im Massstab 1:1 in einem Belastungsversuch an der Empa in Dübendorf auf ihre Aussagekraft und Richtigkeit überprüft und bestätigt. / This present work which is aimed at contributing to local carrying mechanisms of a bridging box girder in the field of belt reversals, should be investigated and optimized. In designing a bridge the main concern is that of durability; especially in Germany and Switzerland, this is invariably acquiring a more central meaning. In this way recurring expenses can be reduced, whilst beyond these two countries in general more weight is laid on the rational manufacture and cost saving in the construction phases. The durability of externally pre-stressed bridges with their relatively low maintenance and service as well as repair costs are the main arguments for this method of construction. Larger anchorage construction is necessary for pre-tensioning external tensions. This is because the tensions are themselves not placed on the ligament itself, but must be pre-stressed in pilaster strips with a minimum distance. Over these anchorage locations immense energy is concentrated in the large box girder bridges, and thus induced in the ligament, ground and track supporting layers. As far as weight reduction of the bridging structure is concerned, the field pilaster strips should be designed as thin as possible and also be able to save space. Only through careful measuring and construction of the anchor and turning points can the requirements for safe and lasting bridge construction works be guaranteed. The bridge safety is thus not affected. However, the greatest interest is that of userfriendliness, i.e. the width of the fissure with consideration of corrosion damages in the armouring. At the first external pre-stressed bridge in Germany, Prof. Eibl suggested that for the steel III, stressing of 240/Nmm2 should be limited to 220 N/mm2. In the guideline for external pre-stressing of 1998, the tensions were further reduced to 180 N/mm2. In order to prevent an uncontrolled crack formation in the highly armoured anchorage construction, concrete knowledge of the distribution of forces for the applicable measurement models is necessary. The geometry and the statistical calculation of the selected deflect construction must be weighed accordingly. In this project two comparative models were inspected, which tested the local load mechanism of an external pre-stressed box girder bridge in the field redirecting area. With linear elasticity and numerical calculations it is possible to clarify if the serviceability can be allowed under the accretion of a stress increase in the armouring steel to 285 N/mm2. The calculations are based on a load transmission of 2 x 3 MN with a deviation force of 4 x 0,64 MN. The calculations will have a force transmission of 2 x 3 MN with turning forces of 4 x 0.64 MN forming the basis. The calculations portray that the goal to avoid any fissures over 0,2 mm can be achieved, with an armoring of As = 3,35 % m2/m under the service load. Additionally, the calculations will be assessed of their validity and accuracy on a scale of 1:1 in a loading test at the EMPA (the Swiss Federal Laboratories for Materials Testing and Research) in Dübendorf and be therefore confirmed.

Mit der vorliegenden Arbeit soll ein Beitrag geleistet werden, die lokalen Tragmechanismen eines Brückenhohlkastens im Bereich der Feldumlenkstellen (Feldlisenen) zu untersuchen und zu optimieren. Beim Entwurf einer Brücke gewinnt die Frage der Dauerhaftigkeit u.a. in Deutschland und der Schweiz eine immer zentralere und grössere Bedeutung. Dadurch können die laufenden Kosten reduziert werden, während ausserhalb dieser beiden Länder im Allgemeinen mehr Gewicht auf die rationelle Fertigung und die Kostenersparnis in der Bauphase gelegt werden. Die Dauerhaftigkeit von extern vorgespannten Brücken mit ihren relativ geringen Wartungs- und Unterhalts- bzw. Instandstellungskosten sind das Hauptargument für diese Bauweise. Bei Vorspannung ohne Verbund sind für externe Spannglieder grössere Verankerungskonstruktionen erforderlich. Dies, weil die Spannglieder nicht im Steg selbst, sondern mit einem Mindestabstand zum Steg in Lisenen vorgespannt werden müssen. Über diese Verankerungsstellen werden in Hohlkastenbrücken grosse Kräfte konzentriert in die Stege, Boden- und Fahrbahnplatten eingeleitet. Im Sinne von Gewichtsreduktion des Brückenbauwerks sollen die Feldlisenen möglichst schlank und Platz sparend ausgeführt werden. Nur durch eine sorgfältige Bemessung und Konstruktion der Verankerungs- und Umlenkstellen kann die Voraussetzung für sichere und dauerhafte Brückenbauwerke gewährleistet werden. Die Bruchsicherheit ist dadurch nicht beeinträchtigt. Von grösstem Interesse ist jedoch die Gebrauchstauglichkeit, das heisst die Rissbreiten mit Rücksicht auf Korrosionsschäden in der Bewehrung. Bei den ersten in Deutschland extern vorgespannten Brücken schlug Prof. Eibl für den Stahl III vor, die Spannungen von 240 N/mm2 auf 220 N/mm2 zu begrenzen. In der Richtlinie für externe Vorspannung von 1998 wurden die Spannungen weiter auf 180 N/mm2 reduziert. Um eine unkontrollierte Rissbildung in den hoch bewehrten Verankerungskonstruktionen zu verhindern, sind genaue Kenntnisse der Kraftflüsse und für die Praxis taugliche Bemessungsmodelle notwendig. Die Geometrie und die statische Berechnung der gewählten Umlenkkonstruktion müssen entsprechend gewichtet werden. In dieser Arbeit werden an zwei Vergleichsmodellen, die lokalen Tragmechanismen einer extern vorgespannten Hohlkastenbrücke im Bereich der Feldumlenkstelle (Feldlisene) untersucht. Mit linear-elastischen und nichtlinearen numerischen Berechnungen wird abgeklärt, ob unter dem Ansatz einer Spannungserhöhung im Bewehrungsstahl auf 285 N/mm2, die Gebrauchstauglichkeit noch gewährleistet werden kann. Den Berechnungen wird eine Krafteinleitung von 2 x 3 MN mit Umlenkkräften von 4 x 0,64 MN zu Grunde gelegt. Die Berechnungen zeigen, dass das Ziel, mit einer Bewehrung von As = 3,35 % m2/m unter Gebrauchslasten keine Rissbreiten über 0,2 mm auftreten, erreicht werden kann. Die Berechnungen werden zudem an einem Brückenmodell im Massstab 1:1 in einem Belastungsversuch an der Empa in Dübendorf auf ihre Aussagekraft und Richtigkeit überprüft und bestätigt. / This present work which is aimed at contributing to local carrying mechanisms of a bridging box girder in the field of belt reversals, should be investigated and optimized. In designing a bridge the main concern is that of durability; especially in Germany and Switzerland, this is invariably acquiring a more central meaning. In this way recurring expenses can be reduced, whilst beyond these two countries in general more weight is laid on the rational manufacture and cost saving in the construction phases. The durability of externally pre-stressed bridges with their relatively low maintenance and service as well as repair costs are the main arguments for this method of construction. Larger anchorage construction is necessary for pre-tensioning external tensions. This is because the tensions are themselves not placed on the ligament itself, but must be pre-stressed in pilaster strips with a minimum distance. Over these anchorage locations immense energy is concentrated in the large box girder bridges, and thus induced in the ligament, ground and track supporting layers. As far as weight reduction of the bridging structure is concerned, the field pilaster strips should be designed as thin as possible and also be able to save space. Only through careful measuring and construction of the anchor and turning points can the requirements for safe and lasting bridge construction works be guaranteed. The bridge safety is thus not affected. However, the greatest interest is that of userfriendliness, i.e. the width of the fissure with consideration of corrosion damages in the armouring. At the first external pre-stressed bridge in Germany, Prof. Eibl suggested that for the steel III, stressing of 240/Nmm2 should be limited to 220 N/mm2. In the guideline for external pre-stressing of 1998, the tensions were further reduced to 180 N/mm2. In order to prevent an uncontrolled crack formation in the highly armoured anchorage construction, concrete knowledge of the distribution of forces for the applicable measurement models is necessary. The geometry and the statistical calculation of the selected deflect construction must be weighed accordingly. In this project two comparative models were inspected, which tested the local load mechanism of an external pre-stressed box girder bridge in the field redirecting area. With linear elasticity and numerical calculations it is possible to clarify if the serviceability can be allowed under the accretion of a stress increase in the armouring steel to 285 N/mm2. The calculations are based on a load transmission of 2 x 3 MN with a deviation force of 4 x 0,64 MN. The calculations will have a force transmission of 2 x 3 MN with turning forces of 4 x 0.64 MN forming the basis. The calculations portray that the goal to avoid any fissures over 0,2 mm can be achieved, with an armoring of As = 3,35 % m2/m under the service load. Additionally, the calculations will be assessed of their validity and accuracy on a scale of 1:1 in a loading test at the EMPA (the Swiss Federal Laboratories for Materials Testing and Research) in Dübendorf and be therefore confirmed.

Beim Kammer-Pfeiler-Abbauverfahren auf flach einfallende Kaliflöze wird die Stabilität der Kammerfirsten von einer Reihe naturgegebener sowie technischer Faktoren beeinflusst, die im Rahmen dieser Arbeit vorgestellt werden. Ausgewählte Einflussfaktoren wie Lage und Eigenschaften von Löserflächen, die Firstankerung, Stoffgesetze für die Salzgesteine sowie die Firstwölbung werden darüber hinaus mit Hilfe numerischer Parametervariationsrechnungen unter Nutzung eines Finite-Differenzen-Programms und einer vergleichenden Ergebnisauswertung untersucht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Firstankerung, wobei das tatsächliche elasto-plastisch-verfestigende Materialverhalten heutiger Ankerstähle numerisch umgesetzt wird, Ankervorspannkräfte sowie der Ankersetzzeitpunkt variiert werden und der Einfluss unterschiedlicher Teufen auf das Anker- und Firstverhalten herausgearbeitet wird. Durch die Untersuchungen werden die Modellvorstellungen über die Ankerwirkung bei dünnmächtig ausgebildetem unmittelbarem Kammerhangenden gefestigt, es werden Verformungsreserven bei dem verwendeten Ankerstahl „Bergbau – GEWI – Stahl ST 450 / 700“ aufgedeckt und insgesamt zeigen die numerischen Untersuchungsergebnisse, dass die bisher in der Praxis angewandte Verfahrensweise zur Erzielung stabiler Firstverhältnisse in der Gewinnungsphase als geeignet anzusehen ist.

Das Bodenverhalten unter dynamischer Beanspruchung ist sehr komplex, wird jedoch in der Praxis häufig mit Hilfe von vereinfachten Modellen abgebildet. Die Gültigkeit solcher Modelle ist jedoch aufgrund des spannungs- und dehnungsabhängigen Bodenverhaltens sehr begrenzt. Alternativ dazu bieten sich dynamische numerische Berechnungen mit fortgeschrittenen Stofmodellen, die das Bodenverhalten in einem großen Dehnungs- und Spannungsbereich realitätsnah repräsentieren können. In dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit sich das komplexe Bodenverhalten unter dynamischen Einwirkungen mit Hilfe der Hypoplastizität abbilden lässt. Dabei wurde die entscheidende Rolle der Parameterermittlung veranschaulicht und zusätzlich ein angemessener Vorgang zur Bodenparameterbestimmung beschrieben. Zunächst wurde das Verhalten einer trockenen Sandschicht infolge von Erdbebenbeanspruchungen numerisch untersucht. Die Ergebnisse der Berechnungen zeigen, dass die Beschleunigungsamplifikation in der Nähe zur Bodenoberfläche von der Frequenz und der Amplitude der Grundbeschleunigung abhängt. Weiterhin nimmt die berechnete Eigenfrequenz und die entsprechende Amplifikation mit zunehmender Beschleunigungsamplitude ab. Des Weiteren wurde ein Zentrifugenversuch an einem im Sand eingebeteten Tunnel unter Erdbebeneinwirkungen nachgerechnet. Die berechneten Ergebnisse zeigen eine ausreichende Übereinstimmung mit dem Experiment. Mit der numerischen Nachrechnung wurde auch eine Abhängigkeit zwischen den Änderungen der Biegemomente in der Tunnelschale und der Oberflächensetzung im umliegenden Boden festgestellt. Die Standsicherheit von Böschungen unter Erdbebenbeanspruchungen stellt wegen des komplexen Bodenverhaltens eine weitere Herausforderung für die Berechnungen dar. Zunächst wurde überprüft, inwieweit sich das Böschungsverhalten mit der in der Praxis häufig eingesetzten pseudo-statischen Methode abbilden lässt. Hierfür wurde für eine in der Zentrifuge untersuchte Modellböschung die pseudostatische Analyse durchgeführt. Die im Zentrifugenversuch aufgetretenen oberflächennahen Gleitfläche lässt sich durch die pseudo-statische Methode nicht prognostizieren. Für eine oberflächennahe Gleitfläche wurde hingegen ein sehr hoher Standsicherheitsfaktor ermittelt. Mit einer numerischen Nachrechnung mit einem hypoplastischen Stoffmodell mit Betrachtung der intergranularen Dehnungen konnte das Verhalten der Modellböschung qualitativ und quantitativ sehr gut abgebildet werden. Somit wurden sowohl die oberflächennahe Gleitfläche als auch die Vertikal- und Horizontalverschiebungen realitätsnah wiedergegeben. In dieser Arbeit wurde des Weiteren ein Vorgang als Kombination zwischen den dynamischen numerischen Berechnungen und der pseudo-statischen Methode zur Bewertung der Standsicherheit von Böschungen unter dynamischer Einwirkung vorgeschlagen. Damit ließ sich ebenso ein realitätsnäher Stansicherheitsfaktor ermitteln. Da die Anwendung der pseudo-statischen Methode bei den Böschungen aus wassergesättigten kohäsionslosen Böden problematisch ist, lassen sich solche Böschungen entweder mit Zentrifugenmodellen oder numerisch mit fortgeschrittenen Stoffmodellen untersuchen. In dieser Arbeit wurden Nachrechnungen von Zentrifugenversuchen durchgeführt. Es handelt sich um einen Erddamm aus einem wassergesättigten, dicht gelagerten Nevada Sand unter Erdbebeneinwirkung. Mit der numerischen Berechnung wurde das Dammverhalten qualitativ und quantitativ sehr gut abgebildet. Sowohl die Dammverschiebungen als auch der Aufbau des Porenwasserdrucks zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit den Messungen. Weiterhin wurden mit den gleichen Bodenparametern zwei weitere Zentrifugenversuche unter Erdbebeneinwirkung nachgerechnet. Beide Modellversuche wurden mit einem locker gelagerten, wassergesättigten Nevada Sand durchgeführt. Bei einem Versuch wurde ein Erddamm und bei dem anderen eine Sandschicht untersucht. In den numerischen Nachrechnungen ließen sich sowohl die Verschiebungen als auch die Porenwasserdrücke in beiden Randwertproblemen realistisch abbilden. Weiterhin wurde die Wirkung von Schottersäulen zur Verhinderung der Bodenverflüssigung numerisch untersucht. Zunächst wurden die Dränage- und die Aussteifungswirkung der Schottersäulen unabhängig voneinander betrachtet. Die Dränagewirkung ist vernachlässigbar, da sich während eines Erdbebens der Porenwasserdruck sehr schnell aufbaut. Wegen der hohen Steifigkeit der Schottersäulen wird zwar weniger Porenwasserdruck in den Boden aufgebaut. Die effektive Spannung nimmt jedoch trotzdem unverhindert ab. Dies lässt sich damit begründen, dass die hohe Säulensteifigkeit zu einer Spannungsumlagerung in Richtung Säulen führt und ein Siloeffekt entsteht. Somit wird der Boden zum Teil von den Säulen getragen und die totale Spannung im Boden nimmt ab. In der 3D-Berechnungen ist dieser Siloeffekt deutlich geringer als in den 2D-Berechnungen. Nichtsdestotrotz zeigen sowohl die 2D- als auch die 3D-Berechnungen, dass die Säulensteifigkeit eine nur mäßige Wirkung zur Verhinderung der Bodenverflüssigung aufweist. In weiteren 3D-Berechnungen wurde der Einfluss der Säulenherstellung untersucht. Hierfür wurden Berechnungen mit erhöhter Bodendichte und Seitenspannung durchgeführt. Sowohl die Verdichtung als auch die Erhöhung der Seitenspannung verlangsamen den Porenwasserdruckaufbau bzw. die Abnahme der effektiven Spannung. Der Einfluss der Bodenverdichtung ist jedoch wesentlich höher. Weiterhin weist die Wirkung der Schottersäulen eine Abhängigkeit von der dynamischen Belastung auf. Die Bodenverflüssigung infolge eines kleinen Erdbebens wird verhindert, während sich die Verflüssigung infolge eines stärkeren Erdbebens nur um wenige Sekunden verzögert. / The soil behavior under dynamic loading is very complex. However, in daily use it is often illustrated by means of simplified models. The validity of these models is very limited due to the stress and strain-dependent soil behavior. Alternatively, dynamic numerical calculations can be performed with advanced constitutive models which can represent soil behavior in a wide range of strain and stress. In this work it was investigated, to which extent the complex soil behavior can be reproduced using hypoplasticity.Furthermore,the important role of parameter determination was illustrated. In addition, an appropriate procedure for determining soil parameters was described. First, the behavior of a dry sand layer under earthquake load was investigated numerically. The results of the calculations show that the acceleration amplification near the ground surface depends on the frequency and the amplitude of the basic acceleration. Furthermore, the calculated natural frequency and the corresponding amplification decrease with increasing acceleration amplitude. In addition, a centrifuge test on a tunnel embedded in sand under earthquake effects was numerically calculated. The calculated results show a satisfactory agreement with the experiment. The numerical calculation also revealed a dependency between the changes in the bending moments in the tunnel lining and the surface settlement of the surrounding soil. Due to the complex soil behavior, the stability of slopes under earthquake loads poses a further challenge for the calculations. Firstly, it was examined, to which extent slope behavior can be represented with the frequently used pseudo-static method. For this purpose the pseudo-static analysis was carried out for a model earth dam examined in the centrifuge. The pseudo-static method predicts a deep seated sliding surface in contrast to the shallow sliding surface in the centrifuge test. However, for a shallow sliding surface, a very high stability safety factor was determined. With a numerical calculation using a hypoplastic material model considering the intergranular strains, the behavior of the earth dam could be reproduced qualitatively and quantitatively very well. Thus, the shallow sliding surface as well as the vertical and horizontal displacements were reproduced realistically. In this thesis, a combination of the dynamic numerical calculation and the pseudo-static method for assessing the stability of slopes under dynamic influence was proposed. So, a realistic stability safety factor can be determined. The application of the pseudo-static method is problematic in case of slopes in saturated non-cohesive soil. These slopes can either be investigated with centrifuge models or numerically with advanced material models. In this work, numerical recalculations of centrifuge tests were carried out. It is an earth dam from a saturated Nevada sand under an earthquake effect. With the numerical calculation the dam behavior was reproduced qualitatively and quantitatively in a satisfactory manner. Both the dam displacements as well as the build-up of pore water pressure show a very good agreement with the measurements. Two further centrifuge tests were also carried out using the same soil parameters. Both model tests were conducted with a loose saturated Nevada sand. One test was carried out on an earth dam and the other on a sand layer. With the numerical calculations, both displacements and pore water pressures were reproduced realistically in both boundary value problems. In addition the effect of stone columns to prevent soil liquefaction was studied numerically. First, the drainage and stiffening effects of stone columns were examined separately. The drainage effect has no significant influence because of the very rapid build-up of pore water pressure during the earthquake. Due to the high stiffness of the stone columns, less pore water pressure builds up in the soil. However, the effective stress continues to decrease unhindered. The high stiffness of the columns leads to a stress redistribution in the direction of the columns and a silo effect arises. In 3D calculations, the silo effect is significantly lower than in 2D calculations. The 2D and 3D calculations show that the column stiffness has a moderate effect to prevent soil liquefaction. In further 3D calculations, the influence of column installation was investigated. Calculations with increased soil density and lateral stress were carried out for this purpose. Both the compaction and the increase of the lateral stress slow down the build-up of pore water pressure and the decrease in effective stress. However, the impact of soil compaction is much higher. Furthermore, the effect of stone columns depends on the dynamic load. The soil liquefaction due to a small earthquake is prevented, while liquefaction due to a stronger earthquake is delayed only by a few seconds.

Das Bodenverhalten unter dynamischer Beanspruchung ist sehr komplex, wird jedoch in der Praxis häufig mit Hilfe von vereinfachten Modellen abgebildet. Die Gültigkeit solcher Modelle ist jedoch aufgrund des spannungs- und dehnungsabhängigen Bodenverhaltens sehr begrenzt. Alternativ dazu bieten sich dynamische numerische Berechnungen mit fortgeschrittenen Stofmodellen, die das Bodenverhalten in einem großen Dehnungs- und Spannungsbereich realitätsnah repräsentieren können. In dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit sich das komplexe Bodenverhalten unter dynamischen Einwirkungen mit Hilfe der Hypoplastizität abbilden lässt. Dabei wurde die entscheidende Rolle der Parameterermittlung veranschaulicht und zusätzlich ein angemessener Vorgang zur Bodenparameterbestimmung beschrieben. Zunächst wurde das Verhalten einer trockenen Sandschicht infolge von Erdbebenbeanspruchungen numerisch untersucht. Die Ergebnisse der Berechnungen zeigen, dass die Beschleunigungsamplifikation in der Nähe zur Bodenoberfläche von der Frequenz und der Amplitude der Grundbeschleunigung abhängt. Weiterhin nimmt die berechnete Eigenfrequenz und die entsprechende Amplifikation mit zunehmender Beschleunigungsamplitude ab. Des Weiteren wurde ein Zentrifugenversuch an einem im Sand eingebeteten Tunnel unter Erdbebeneinwirkungen nachgerechnet. Die berechneten Ergebnisse zeigen eine ausreichende Übereinstimmung mit dem Experiment. Mit der numerischen Nachrechnung wurde auch eine Abhängigkeit zwischen den Änderungen der Biegemomente in der Tunnelschale und der Oberflächensetzung im umliegenden Boden festgestellt. Die Standsicherheit von Böschungen unter Erdbebenbeanspruchungen stellt wegen des komplexen Bodenverhaltens eine weitere Herausforderung für die Berechnungen dar. Zunächst wurde überprüft, inwieweit sich das Böschungsverhalten mit der in der Praxis häufig eingesetzten pseudo-statischen Methode abbilden lässt. Hierfür wurde für eine in der Zentrifuge untersuchte Modellböschung die pseudostatische Analyse durchgeführt. Die im Zentrifugenversuch aufgetretenen oberflächennahen Gleitfläche lässt sich durch die pseudo-statische Methode nicht prognostizieren. Für eine oberflächennahe Gleitfläche wurde hingegen ein sehr hoher Standsicherheitsfaktor ermittelt. Mit einer numerischen Nachrechnung mit einem hypoplastischen Stoffmodell mit Betrachtung der intergranularen Dehnungen konnte das Verhalten der Modellböschung qualitativ und quantitativ sehr gut abgebildet werden. Somit wurden sowohl die oberflächennahe Gleitfläche als auch die Vertikal- und Horizontalverschiebungen realitätsnah wiedergegeben. In dieser Arbeit wurde des Weiteren ein Vorgang als Kombination zwischen den dynamischen numerischen Berechnungen und der pseudo-statischen Methode zur Bewertung der Standsicherheit von Böschungen unter dynamischer Einwirkung vorgeschlagen. Damit ließ sich ebenso ein realitätsnäher Stansicherheitsfaktor ermitteln. Da die Anwendung der pseudo-statischen Methode bei den Böschungen aus wassergesättigten kohäsionslosen Böden problematisch ist, lassen sich solche Böschungen entweder mit Zentrifugenmodellen oder numerisch mit fortgeschrittenen Stoffmodellen untersuchen. In dieser Arbeit wurden Nachrechnungen von Zentrifugenversuchen durchgeführt. Es handelt sich um einen Erddamm aus einem wassergesättigten, dicht gelagerten Nevada Sand unter Erdbebeneinwirkung. Mit der numerischen Berechnung wurde das Dammverhalten qualitativ und quantitativ sehr gut abgebildet. Sowohl die Dammverschiebungen als auch der Aufbau des Porenwasserdrucks zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit den Messungen. Weiterhin wurden mit den gleichen Bodenparametern zwei weitere Zentrifugenversuche unter Erdbebeneinwirkung nachgerechnet. Beide Modellversuche wurden mit einem locker gelagerten, wassergesättigten Nevada Sand durchgeführt. Bei einem Versuch wurde ein Erddamm und bei dem anderen eine Sandschicht untersucht. In den numerischen Nachrechnungen ließen sich sowohl die Verschiebungen als auch die Porenwasserdrücke in beiden Randwertproblemen realistisch abbilden. Weiterhin wurde die Wirkung von Schottersäulen zur Verhinderung der Bodenverflüssigung numerisch untersucht. Zunächst wurden die Dränage- und die Aussteifungswirkung der Schottersäulen unabhängig voneinander betrachtet. Die Dränagewirkung ist vernachlässigbar, da sich während eines Erdbebens der Porenwasserdruck sehr schnell aufbaut. Wegen der hohen Steifigkeit der Schottersäulen wird zwar weniger Porenwasserdruck in den Boden aufgebaut. Die effektive Spannung nimmt jedoch trotzdem unverhindert ab. Dies lässt sich damit begründen, dass die hohe Säulensteifigkeit zu einer Spannungsumlagerung in Richtung Säulen führt und ein Siloeffekt entsteht. Somit wird der Boden zum Teil von den Säulen getragen und die totale Spannung im Boden nimmt ab. In der 3D-Berechnungen ist dieser Siloeffekt deutlich geringer als in den 2D-Berechnungen. Nichtsdestotrotz zeigen sowohl die 2D- als auch die 3D-Berechnungen, dass die Säulensteifigkeit eine nur mäßige Wirkung zur Verhinderung der Bodenverflüssigung aufweist. In weiteren 3D-Berechnungen wurde der Einfluss der Säulenherstellung untersucht. Hierfür wurden Berechnungen mit erhöhter Bodendichte und Seitenspannung durchgeführt. Sowohl die Verdichtung als auch die Erhöhung der Seitenspannung verlangsamen den Porenwasserdruckaufbau bzw. die Abnahme der effektiven Spannung. Der Einfluss der Bodenverdichtung ist jedoch wesentlich höher. Weiterhin weist die Wirkung der Schottersäulen eine Abhängigkeit von der dynamischen Belastung auf. Die Bodenverflüssigung infolge eines kleinen Erdbebens wird verhindert, während sich die Verflüssigung infolge eines stärkeren Erdbebens nur um wenige Sekunden verzögert. / The soil behavior under dynamic loading is very complex. However, in daily use it is often illustrated by means of simplified models. The validity of these models is very limited due to the stress and strain-dependent soil behavior. Alternatively, dynamic numerical calculations can be performed with advanced constitutive models which can represent soil behavior in a wide range of strain and stress. In this work it was investigated, to which extent the complex soil behavior can be reproduced using hypoplasticity.Furthermore,the important role of parameter determination was illustrated. In addition, an appropriate procedure for determining soil parameters was described. First, the behavior of a dry sand layer under earthquake load was investigated numerically. The results of the calculations show that the acceleration amplification near the ground surface depends on the frequency and the amplitude of the basic acceleration. Furthermore, the calculated natural frequency and the corresponding amplification decrease with increasing acceleration amplitude. In addition, a centrifuge test on a tunnel embedded in sand under earthquake effects was numerically calculated. The calculated results show a satisfactory agreement with the experiment. The numerical calculation also revealed a dependency between the changes in the bending moments in the tunnel lining and the surface settlement of the surrounding soil. Due to the complex soil behavior, the stability of slopes under earthquake loads poses a further challenge for the calculations. Firstly, it was examined, to which extent slope behavior can be represented with the frequently used pseudo-static method. For this purpose the pseudo-static analysis was carried out for a model earth dam examined in the centrifuge. The pseudo-static method predicts a deep seated sliding surface in contrast to the shallow sliding surface in the centrifuge test. However, for a shallow sliding surface, a very high stability safety factor was determined. With a numerical calculation using a hypoplastic material model considering the intergranular strains, the behavior of the earth dam could be reproduced qualitatively and quantitatively very well. Thus, the shallow sliding surface as well as the vertical and horizontal displacements were reproduced realistically. In this thesis, a combination of the dynamic numerical calculation and the pseudo-static method for assessing the stability of slopes under dynamic influence was proposed. So, a realistic stability safety factor can be determined. The application of the pseudo-static method is problematic in case of slopes in saturated non-cohesive soil. These slopes can either be investigated with centrifuge models or numerically with advanced material models. In this work, numerical recalculations of centrifuge tests were carried out. It is an earth dam from a saturated Nevada sand under an earthquake effect. With the numerical calculation the dam behavior was reproduced qualitatively and quantitatively in a satisfactory manner. Both the dam displacements as well as the build-up of pore water pressure show a very good agreement with the measurements. Two further centrifuge tests were also carried out using the same soil parameters. Both model tests were conducted with a loose saturated Nevada sand. One test was carried out on an earth dam and the other on a sand layer. With the numerical calculations, both displacements and pore water pressures were reproduced realistically in both boundary value problems. In addition the effect of stone columns to prevent soil liquefaction was studied numerically. First, the drainage and stiffening effects of stone columns were examined separately. The drainage effect has no significant influence because of the very rapid build-up of pore water pressure during the earthquake. Due to the high stiffness of the stone columns, less pore water pressure builds up in the soil. However, the effective stress continues to decrease unhindered. The high stiffness of the columns leads to a stress redistribution in the direction of the columns and a silo effect arises. In 3D calculations, the silo effect is significantly lower than in 2D calculations. The 2D and 3D calculations show that the column stiffness has a moderate effect to prevent soil liquefaction. In further 3D calculations, the influence of column installation was investigated. Calculations with increased soil density and lateral stress were carried out for this purpose. Both the compaction and the increase of the lateral stress slow down the build-up of pore water pressure and the decrease in effective stress. However, the impact of soil compaction is much higher. Furthermore, the effect of stone columns depends on the dynamic load. The soil liquefaction due to a small earthquake is prevented, while liquefaction due to a stronger earthquake is delayed only by a few seconds.

Beim Kammer-Pfeiler-Abbauverfahren auf flach einfallende Kaliflöze wird die Stabilität der Kammerfirsten von einer Reihe naturgegebener sowie technischer Faktoren beeinflusst, die im Rahmen dieser Arbeit vorgestellt werden. Ausgewählte Einflussfaktoren wie Lage und Eigenschaften von Löserflächen, die Firstankerung, Stoffgesetze für die Salzgesteine sowie die Firstwölbung werden darüber hinaus mit Hilfe numerischer Parametervariationsrechnungen unter Nutzung eines Finite-Differenzen-Programms und einer vergleichenden Ergebnisauswertung untersucht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Firstankerung, wobei das tatsächliche elasto-plastisch-verfestigende Materialverhalten heutiger Ankerstähle numerisch umgesetzt wird, Ankervorspannkräfte sowie der Ankersetzzeitpunkt variiert werden und der Einfluss unterschiedlicher Teufen auf das Anker- und Firstverhalten herausgearbeitet wird. Durch die Untersuchungen werden die Modellvorstellungen über die Ankerwirkung bei dünnmächtig ausgebildetem unmittelbarem Kammerhangenden gefestigt, es werden Verformungsreserven bei dem verwendeten Ankerstahl „Bergbau – GEWI – Stahl ST 450 / 700“ aufgedeckt und insgesamt zeigen die numerischen Untersuchungsergebnisse, dass die bisher in der Praxis angewandte Verfahrensweise zur Erzielung stabiler Firstverhältnisse in der Gewinnungsphase als geeignet anzusehen ist.

Für die Berechnung der Standsicherheit von Konstruktionen mit Geokunststoffen ist die Ermittlung des "Interaktionsverhaltens" in den Schichtgrenzen zwischen Geokunststoffen und Lockergesteinen unerlässlich. Das Verbundverhalten in der Grenzfläche ist sehr komplex. Es ist von einer Vielzahl von Faktoren abhängig, die im Rahmen dieser Arbeit experimentell, analytisch und numerisch untersucht werden. Als Ausgangspunkt für die experimentellen Untersuchungen wird vom Verfasser ein multifunktionales Geosynthetik-Boden-Interaktionsprüfgerät entwickelt und gebaut, mit dem alle zur Standsicherheit eines geokunststoffbewehrten Erdkörpers benötigten Verbundparameter ermittelt werden können. Aus den erarbeiteten Ergebnissen resultiert die Empfehlung einer Gerätekonfiguration zur Bestimmung der Verbundparameter unter mechanisch klar definierten Randbedingungen, und die Grundlagen für die zukünftige Nutzung geringtragfähiger bindiger Lockergesteine als vollwertige Füllböden in geokunststoffbewehrten Konstruktionen werden gelegt.

Mit der vorliegenden Arbeit soll ein Beitrag geleistet werden, die lokalen Tragmechanismen eines Brückenhohlkastens im Bereich der Feldumlenkstellen (Feldlisenen) zu untersuchen und zu optimieren. Beim Entwurf einer Brücke gewinnt die Frage der Dauerhaftigkeit u.a. in Deutschland und der Schweiz eine immer zentralere und grössere Bedeutung. Dadurch können die laufenden Kosten reduziert werden, während ausserhalb dieser beiden Länder im Allgemeinen mehr Gewicht auf die rationelle Fertigung und die Kostenersparnis in der Bauphase gelegt werden. Die Dauerhaftigkeit von extern vorgespannten Brücken mit ihren relativ geringen Wartungs- und Unterhalts- bzw. Instandstellungskosten sind das Hauptargument für diese Bauweise. Bei Vorspannung ohne Verbund sind für externe Spannglieder grössere Verankerungskonstruktionen erforderlich. Dies, weil die Spannglieder nicht im Steg selbst, sondern mit einem Mindestabstand zum Steg in Lisenen vorgespannt werden müssen. Über diese Verankerungsstellen werden in Hohlkastenbrücken grosse Kräfte konzentriert in die Stege, Boden- und Fahrbahnplatten eingeleitet. Im Sinne von Gewichtsreduktion des Brückenbauwerks sollen die Feldlisenen möglichst schlank und Platz sparend ausgeführt werden. Nur durch eine sorgfältige Bemessung und Konstruktion der Verankerungs- und Umlenkstellen kann die Voraussetzung für sichere und dauerhafte Brückenbauwerke gewährleistet werden. Die Bruchsicherheit ist dadurch nicht beeinträchtigt. Von grösstem Interesse ist jedoch die Gebrauchstauglichkeit, das heisst die Rissbreiten mit Rücksicht auf Korrosionsschäden in der Bewehrung. Bei den ersten in Deutschland extern vorgespannten Brücken schlug Prof. Eibl für den Stahl III vor, die Spannungen von 240 N/mm2 auf 220 N/mm2 zu begrenzen. In der Richtlinie für externe Vorspannung von 1998 wurden die Spannungen weiter auf 180 N/mm2 reduziert. Um eine unkontrollierte Rissbildung in den hoch bewehrten Verankerungskonstruktionen zu verhindern, sind genaue Kenntnisse der Kraftflüsse und für die Praxis taugliche Bemessungsmodelle notwendig. Die Geometrie und die statische Berechnung der gewählten Umlenkkonstruktion müssen entsprechend gewichtet werden. In dieser Arbeit werden an zwei Vergleichsmodellen, die lokalen Tragmechanismen einer extern vorgespannten Hohlkastenbrücke im Bereich der Feldumlenkstelle (Feldlisene) untersucht. Mit linear-elastischen und nichtlinearen numerischen Berechnungen wird abgeklärt, ob unter dem Ansatz einer Spannungserhöhung im Bewehrungsstahl auf 285 N/mm2, die Gebrauchstauglichkeit noch gewährleistet werden kann. Den Berechnungen wird eine Krafteinleitung von 2 x 3 MN mit Umlenkkräften von 4 x 0,64 MN zu Grunde gelegt. Die Berechnungen zeigen, dass das Ziel, mit einer Bewehrung von As = 3,35 % m2/m unter Gebrauchslasten keine Rissbreiten über 0,2 mm auftreten, erreicht werden kann. Die Berechnungen werden zudem an einem Brückenmodell im Massstab 1:1 in einem Belastungsversuch an der Empa in Dübendorf auf ihre Aussagekraft und Richtigkeit überprüft und bestätigt. / This present work which is aimed at contributing to local carrying mechanisms of a bridging box girder in the field of belt reversals, should be investigated and optimized. In designing a bridge the main concern is that of durability; especially in Germany and Switzerland, this is invariably acquiring a more central meaning. In this way recurring expenses can be reduced, whilst beyond these two countries in general more weight is laid on the rational manufacture and cost saving in the construction phases. The durability of externally pre-stressed bridges with their relatively low maintenance and service as well as repair costs are the main arguments for this method of construction. Larger anchorage construction is necessary for pre-tensioning external tensions. This is because the tensions are themselves not placed on the ligament itself, but must be pre-stressed in pilaster strips with a minimum distance. Over these anchorage locations immense energy is concentrated in the large box girder bridges, and thus induced in the ligament, ground and track supporting layers. As far as weight reduction of the bridging structure is concerned, the field pilaster strips should be designed as thin as possible and also be able to save space. Only through careful measuring and construction of the anchor and turning points can the requirements for safe and lasting bridge construction works be guaranteed. The bridge safety is thus not affected. However, the greatest interest is that of userfriendliness, i.e. the width of the fissure with consideration of corrosion damages in the armouring. At the first external pre-stressed bridge in Germany, Prof. Eibl suggested that for the steel III, stressing of 240/Nmm2 should be limited to 220 N/mm2. In the guideline for external pre-stressing of 1998, the tensions were further reduced to 180 N/mm2. In order to prevent an uncontrolled crack formation in the highly armoured anchorage construction, concrete knowledge of the distribution of forces for the applicable measurement models is necessary. The geometry and the statistical calculation of the selected deflect construction must be weighed accordingly. In this project two comparative models were inspected, which tested the local load mechanism of an external pre-stressed box girder bridge in the field redirecting area. With linear elasticity and numerical calculations it is possible to clarify if the serviceability can be allowed under the accretion of a stress increase in the armouring steel to 285 N/mm2. The calculations are based on a load transmission of 2 x 3 MN with a deviation force of 4 x 0,64 MN. The calculations will have a force transmission of 2 x 3 MN with turning forces of 4 x 0.64 MN forming the basis. The calculations portray that the goal to avoid any fissures over 0,2 mm can be achieved, with an armoring of As = 3,35 % m2/m under the service load. Additionally, the calculations will be assessed of their validity and accuracy on a scale of 1:1 in a loading test at the EMPA (the Swiss Federal Laboratories for Materials Testing and Research) in Dübendorf and be therefore confirmed.

Mit der vorliegenden Arbeit soll ein Beitrag geleistet werden, die lokalen Tragmechanismen eines Brückenhohlkastens im Bereich der Feldumlenkstellen (Feldlisenen) zu untersuchen und zu optimieren. Beim Entwurf einer Brücke gewinnt die Frage der Dauerhaftigkeit u.a. in Deutschland und der Schweiz eine immer zentralere und grössere Bedeutung. Dadurch können die laufenden Kosten reduziert werden, während ausserhalb dieser beiden Länder im Allgemeinen mehr Gewicht auf die rationelle Fertigung und die Kostenersparnis in der Bauphase gelegt werden. Die Dauerhaftigkeit von extern vorgespannten Brücken mit ihren relativ geringen Wartungs- und Unterhalts- bzw. Instandstellungskosten sind das Hauptargument für diese Bauweise. Bei Vorspannung ohne Verbund sind für externe Spannglieder grössere Verankerungskonstruktionen erforderlich, weil die Spannglieder nicht im Steg selbst, sondern mit einem Mindestabstand zum Steg in Lisenen vorgespannt werden müssen. Über diese Verankerungsstellen werden in Hohlkastenbrücken grosse Kräfte konzentriert in die Stege, Boden- und Fahrbahnplatten eingeleitet. Im Sinne von Gewichtsreduktion des Brückenbauwerks sollen die Feldlisenen möglichst schlank und Platz sparend ausgeführt werden. Nur durch eine sorgfältige Bemessung und Konstruktion der Verankerungs- und Umlenkstellen kann die Voraussetzung für sichere und dauerhafte Brückenbauwerke gewährleistet werden. Die Bruchsicherheit ist dadurch nicht beeinträchtigt. Von grösstem Interesse ist jedoch die Gebrauchstauglichkeit, das heisst die Rissbreiten mit Rücksicht auf Korrosionsschäden in der Bewehrung. Bei den ersten in Deutschland extern vorgespannten Brücken schlug Prof. Eibl für den Stahl III vor, die Spannungen von 240 N/mm2 auf 220 N/mm2 zu begrenzen. In der Richtlinie für externe Vorspannung von 1998 wurden die Spannungen weiter auf 180 N/mm2 reduziert. Um eine unkontrollierte Rissbildung in den hoch bewehrten Verankerungskonstruktionen zu verhindern, sind genaue Kenntnisse der Kraftflüsse und für die Praxis taugliche Bemessungsmodelle notwendig. Die Geometrie und die statische Berechnung der gewählten Umlenkkonstruktion müssen entsprechend gewichtet werden. In dieser Arbeit werden an zwei Vergleichsmodellen die lokalen Tragmechanismen einer extern vorgespannten Hohlkastenbrücke im Bereich der Feldumlenkstelle (Feldlisene) untersucht. Mit linear-elastischen und nichtlinearen numerischen Berechnungen wird abgeklärt, ob unter dem Ansatz einer Spannungserhöhung im Bewehrungsstahl auf 285 N/mm2, die Gebrauchstauglichkeit noch gewährleistet werden kann. Den Berechnungen wird eine Krafteinleitung von 2 x 3 MN mit Umlenkkräften von 4 x 0,64 MN zu Grunde gelegt. Die Berechnungen zeigen, dass das Ziel, mit einer Bewehrung von As = 3,35 % m2/m unter Gebrauchslasten keine Rissbreiten über 0,2 mm auftreten, erreicht werden kann. Die Berechnungen werden zudem an einem Brückenmodell im Massstab 1:1 in einem Belastungsversuch an der Empa in Dübendorf auf ihre Aussagekraft und Richtigkeit überprüft und bestätigt. / This present work which is aimed at contributing to local carrying mechanisms of a bridging box girder in the field of belt reversals, should be investigated and optimized. In designing a bridge the main concern is that of durability; especially in Germany and Switzerland, this is invariably acquiring a more central meaning. In this way recurring expenses can be reduced, whilst beyond these two countries in general more weight is laid on the rational manufacture and cost saving in the construction phases. The durability of externally pre-stressed bridges with their relatively low maintenance and service as well as repair costs are the main arguments for this method of construction. Larger anchorage construction is necessary for pre-tensioning external tensions. This is because the tensions are themselves not placed on the ligament itself, but must be pre-stressed in pilaster strips with a minimum distance. Over these anchorage locations immense energy is concentrated in the large box girder bridges, and thus induced in the ligament, ground and track supporting layers. As far as weight reduction of the bridging structure is concerned, the field pilaster strips should be designed as thin as possible and also be able to save space. Only through careful measuring and construction of the anchor and turning points can the requirements for safe and lasting bridge construction works be guaranteed. The bridge safety is thus not affected. However, the greatest interest is that of userfriendliness, i.e. the width of the fissure with consideration of corrosion damages in the armouring. At the first external pre-stressed bridge in Germany, Prof. Eibl suggested that for the steel III, stressing of 240/Nmm2 should be limited to 220 N/mm2. In the guideline for external pre-stressing of 1998, the tensions were further reduced to 180 N/mm2. In order to prevent an uncontrolled crack formation in the highly armoured anchorage construction, concrete knowledge of the distribution of forces for the applicable measurement models is necessary. The geometry and the statistical calculation of the selected deflect construction must be weighed accordingly. In this project two comparative models were inspected, which tested the local load mechanism of an external pre-stressed box girder bridge in the field redirecting area. With linear elasticity and numerical calculations it is possible to clarify if the serviceability can be allowed under the accretion of a stress increase in the armouring steel to 285 N/mm2. The calculations are based on a load transmission of 2 x 3 MN with a deviation force of 4 x 0,64 MN. The calculations will have a force transmission of 2 x 3 MN with turning forces of 4 x 0.64 MN forming the basis. The calculations portray that the goal to avoid any fissures over 0,2 mm can be achieved, with an armoring of As = 3,35 % m2/m under the service load. Additionally, the calculations will be assessed of their validity and accuracy on a scale of 1:1 in a loading test at the EMPA (the Swiss Federal Laboratories for Materials Testing and Research) in Dübendorf and be therefore confirmed.