Geosynthetics In Civil Engineering - TU Wien

20.06.2011

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Geosynthetics In Civil Engineering

Dipl.Ing. Klaus Oberreiter, MBA

17.-18. Juni 2011

Teil 4 – 2011: Bewehrungsanwendungen, Deponiebau,

Beckenbau

Bewehrungsanwendungen

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StützkonstruktionenKernanwendungen

Wirkungsweise

Tdes = Tmin / A1 * A2 * A3 * A4 * B

Gleitfläche

Geokunststoffbewehrung

in ursprünglicher Lage

Geokunststoffbewehrung

unter Belastung

Aktivierte Zugkraft

Aktivierte Zugkraft

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Bemessungsprinzip 1

Externe Stabilität: (Nachweisführung wie bei herkömmlichen Stützbauwerken)

Alle Nachweise zielen auf eine ausreichende Länge der Bewehrungslagen ab.

KippenGleiten

BöschungsbruchGrundbruch

Bemessungsprinzip 2

Interne Stabilität: zwei Nachweisführungen sind gefordert

Bruch der Bewehrung Herausziehen der Lagen

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EBGEO – Stützkonstruktionen

Anforderungen und Randbedingungen

Baugrundverhältnisse unterhalb und hinter der Stützkonstruktion

Lage des Grundwasserspiegels

Einflüsse durch Schichtwässer

Böschungsneigung der Baugrube bzw. einer existierenden Böschung

Höhe und Neigung der bewehrten Stützkonstruktion

Gestaltung und Anforderung der Frontausbildung

Vorgesehene Nutzungsdauer

Einwirkungen auf die Konstruktion z.B. Verkehrslasten

Zulässige Verformungen

Eigenschaften der vorgesehenen Baustoffe

EBGEO – Stützkonstruktionen

Nachweisführung

Grenzzustand der Tragfähigkeit GZ 1

Bruchmechanismen und Gleitlinien die Bewehrungslagen schneiden

(früher: Nachweis der inneren Standsicherheit)

Bruch der Bewehrung

Herausziehen der Bewehrung

Bruchmechanismen und Gleitlinien die Bewehrungslagen nicht schneiden

bzw. auf Bewehrung abgleitender Gleitkörper

(früher: Nachweis der äußeren Standsicherheit)

Widerstände von Bewehrungsanschlüssen, -fugen, -Konstruktionsteile

Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit GZ 2

Nachweis der Verformungen der Konstruktion, Einbauelemente,…

Setzungsberechnung nach DIN 4019

Lage der Sohldruckresultierenden nach DIN 1054

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DC Geotex Bemessungssoftware

ReSSA Bemessungssoftware

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Interne StabilitätBemessungszugfestigkeit

Tdes = Tmin

A1*A2*A3*A4* B

Tdes = Bemessungszugfestigkeit (LTDS)

Tmin = Kurzzeitzugfestigkeit des Produkts

A1 = Abminderungsfaktor Kriechen

A2 = Abminderungsfaktor Transport und Einbau

A3 = Abminderungsfaktor Fugen, Überlappungen, Nähte

A4 = Abminderungsfaktor Umgebungseinflüsse

B = Sicherheitsfaktor gegen Bruch der Bewehrung

Zeitstandverhalten A1

Kriechen resultiert aus drei

Mechanismen:

• das schrittweise Begradigen und Anordnen der

molekularen Ketten in Richtung der

aufgebrachten Belastung

das schrittweise Gleiten der Molekularketten

untereinander

• die zeitabhängige Verformung der gesamten

Struktur

Prüfling

Elektrischer

Kontakt

Belastung

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Zeitstandverhalten, Faktor A1

Ergebnisse

60,0

Bemessungs-

dauer 114 Jahre

Auslastung

60,0 %

Abminderungs-

faktor 1,67

Einbaubeanspruchung, Faktor A2

• Feldtests

• Labortests

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Baustellenversuche


Dehnung [%]

Kraft (kN/m)

bei 5% Arbeitsdehnung:

Faktor liegt bei 1,0 !!

10

20

30

40

50

2 4 6 8

Bei Bruch:

Faktor 1,25


Ermittlung des Abminderungsfaktors

unbelastete Probe

installierte Probe

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Materialunsicherheiten, RFmat

100%95%

Vertrauensbereich Tult

Umgebungseinflüsse, RFCH

In der CE-Anwendungsnorm EN 13251 ‚Geforderte Eigenschaften von

Geokunststoffen für die Anwendung in Erd- und Grundbau sowie in

Stützbauwerken ‘ ist ein genau definiertes Testprogramm für den verwendeten

Rohstoff vorgegeben.

z.B. für Polyester: Hydrolyse EN ISO 12447

Angaben zur Beständigkeit: CE Begleitdokument

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Kurzzeitzugfestigkeit TSTTS

Langzeitzugfestigkeit TLTTS

Bemessungszugfestigkeit

TLTDS

Miragrid GX 110/30

TSTTS: 110 kN/m

TLTTS:

RFCR : 110 kN/m / 1,46 = 75 kN/m

RFID : 75 kN/m / 1,20 = 63 kN/m

RFmat : 63 kN/m / 1,00 = 63 kN/m

RFCH : 63 kN/m / 1,1 = 57 kN/m

TLTDS:

FOS m: 57 kN/m / 1,4 = 41 kN/m

typischer Auslastungsgrad 30 – 40%

RFCR

RFID

RFCH

m

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Reibungseigenschaften EN ISO 12957-1

GX-Probe in Scherbox

Testkonfiguration

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Bewehrte Erde: Außenhautgestaltung

• Grüne Lösungen • Graue Lösungen

Bewehrte Wand Frankreich

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Bewehrte Wand A9 Phyrn/Österr.

Zahlen & Fakten

A9 Phyrn-Autobahn, BL7 Frühling/Sommer 2004

Beteiligte Firmen Baufirma: ARGE Habau, Alpine Planung: Spirk Partner Ziviltechniker Gmbh

Verwendete Produkte 9.500 m² polyfelt.Rock GX 3.100 m² polyfelt.Green B110 572 Stück Baustahlgittermatten

Polyslope SBeispiel B169 Ginzling

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Polyslope S Beispiel Handl (1)

Polyslope S Beispiel Handl (2)

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Polyslope SBeispiel Handl (3)

Rutschhangsanierung Samobor / Kroatien

Bauherr: Magistrat von Samobor

Bemessung: GeoKon, Zagreb Baufirma: Stridon Promet,Zagreb Jahr der Herstellung: 1999 Böschungshöhe: 12 m Böschungsneigung: 1 : 1.5 Bewehrungselemente:

polyfelt.PEC 50, polyfelt.TS 70

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Rutschhangsanierung Samobor / Kroatien

Steinschlagschutzwall Eiblschrofen/Schwaz

10.Juli 1999

2 Auffangdämme:

25m hoch

Basis 80m

Kubatur: 180.000m³

Bauzeit < 2 Monate

WLV Tirol, TU Wien, ILF

System polyslope S

Lagenabstand 50 cm

100 kN/m Zugfestigkeit

Einbindelänge 6,0m

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Lawinenschutzmauer Lanersbach

2001

Höhe 10 m, Neigung 60

Statisch unabhängig von

Stahlbetonmauer

4 verschiedene

Begrünungssysteme

Randbereich:

Grobsteinschlichtung

System polyslope S

Lagenabstand 50 cm

Zugfestigkeit 50 kN/m

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Geokunststoffe für naturnahe BaumaßnahmenPistenverbreiterung

Geokunststoffe für naturnahe BaumaßnahmenForststrassen / Güterwege

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Geokunststoffe für naturnahe BaumaßnahmenSanierung B115

B115

Instabile Steinwand

Rutschung durch

Hangwasser

Alte Trasse

Neue Trasse

(200m)

Backfill:

sG ‘=37,5°

Füll Material:

sG ‘=37,5°

Fundierung:

stabiler Fels


Objekt: Erdstützkonstruktion (70°) Höhe: 34m

System ‚Polyslope S‘

Bauherr: Steiermärkische Landesregierung FA 18B

Materialien:Rock GX 200/30Rock GX 110/30Green B110DC 402EGeodetectENNS

Kosteneinsparung gegenüber

Brückenkonstruktion:

€ 250.000,-

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Geokunststoffe für naturnahe Baumaßnahmen

Sanierung B115

27.04.05

Geokunststoffe für naturnahe Baumaßnahmen

Sanierung B115

05.05.05

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B115 Eisen Straße

2 EXCAVATORS

1 COMPACTOR

Transport of Fill Material

2 WORKERS

Staff for MachinesDaily Work:

At the beginning 100m³ fill/day

At half of structure 1.000m³ fill/day


Strain over Time

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

unload

ed

load

0.5

m fi

ll

load

4.5

m fi

ll

load

8.0

m fi

ll

load

end

stad

ion

afte

r som

e he

avy ra

infa

ll

Str

ain

[%

]

Sensor 1

Sensor 2

Sensor 3

Sensor 4

Sensor 5

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B115 Eisen Straße

07.06.05

B115 Eisen Straße

07.06.05

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Kostenvergleich versch. Stützbauwerke

Vorgabe:

• Neubau einer Straße

• in eine Böschung mit einer Neigung 2:3

• d.h. Böschungsanschnitt erforderlich

• 3 verschieden Stützkonstruktionen

werden verglichen

Schwergewichtsmauer

Raumgitterwand

Geokunststoff-bewehrte Steilböschung

[*Diplomarbeit TU Graz, Österreich]

~ 4m

2

35

78

2

2

35

33

1

2

42

18

2

0

20

40

60

80

100

120

Ta

ge

Var. A -

Schwergewichtswand

Var. B -

Raumgitterwand

Var. C -

GS-bewehrte Steilböschung

Bauzeit

Bst. einrichten Aushub/Sicherung Herstellen Wand Bst. räumen

117 d

71 d64 d

Übersicht Bauzeit

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Variante Bauzeit

[d]

Gemein-

kosten

'000 €

Einzel-

kosten

'000 €

Gesamt

kosten

'000 €

A Schwerge-

wichtswand117 230 531 761

B Raumgitter-

wand71 113 403 516

C GS-bewehrte

Steilböschung64 105 343 448

Vergleich der Kosten

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Ko

ste

n in

€

Vart. A – Schwergewichtswand

Var. B – Raumgitterwand

Var. C – GS-bew. Steilböschung

Kosten per m²-Wandansichtsfläche

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Kostenvergleich GRI

Vorteile GS-bewehrter Lösung im Bauablauf

Konventionelle Bauweise

• Fundament erforderlich

• Baustelle muss beidseitig zugänglich sein

• Bst. muss mit schweren LKW‘s (Beton)

erreichbar sein

• Wartezeiten für Schalung und Aushärtung

des Betons

• Fertigstellung des Bauwerks

(Hinterfüllung) erst nach Aushärtung des

Betons möglich

Bauweise mit bewehrter Erde

• kein Fundament erforderlich

• Wand kann von hinten aufgebaut werden

• Bst. muss nur für leichtes Baugerät ausgelegt werden (Zufahrtsstraßen)

• keine Wartezeiten, relativ Wetterunabhängig

• Wand und Hinterfüllung können in einem hochgezogen werden, da selbes Material

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Living Noise Barrier: Introduction

Living Noise Barrier: Construction Details

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Living Noise Barrier: Measurements

Living Noise Barrier: Measurements

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Living Noise Barrier: Results


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Living Noise Barrier: Summary

Geosynthetic reinforced noise barriers are an alternative to

conventional barriers

The use of recycled RH as fill material does not cause in a

contamination of water

Vegetation represents an innovative, effective and optically appealing

solution, depending on the technique – still vegetation is a challange

Sound absorption is up to 100% higher than with conventional barriers

Depending on system cost savings up to 55% compared to

conventional barriers

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Life Cycle Analysis & Carbon FootprintWhy it is important?

Key advantage of Geosynthetic solutions is the significantly more

efficient use of resources compared to traditional civil engineering

solutions using concrete and/or steel

With the growing idea on sustainabilty within the construction

industry, Geosynthetic solutions can demonstrate the reduction of

carbon footprint

Environmental Product Declarations will become obligatory in

Europe in the near future

Life Cycle Analysis & Carbon FootprintArgumentation

Financial Benefits

Reduced cost of imported material

Lower volumes of materials; material purchase costs and transportation are key areas

of cost saving

The Footprint calculator gives an estimated figure on cost savings in € due to

aggregate saving

Reduced cost of wastage

Through allowing reincorporation of existing lower quality soil on site

Less costs for disposal transport, landfill tax, gate fees,….

Environmental benefits

Reduced environmental carbon footprint of imported materials

Classical geoengineering solutions with concrete and steel have a high level of

embodied carbon and energy. Whilst geosynthetics have a similar high level of

embodied carbon, the overall geosynthetic solution would have a considerably smaller

caron footprint due to material saving and transport saving.

The Footprint calculator gives an estimated figure on Carbon savings due to

aggregate saving and therefore reduced transport.

Environmental savings from reduced transport

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Life Cycle Analysis & Carbon FootprintWRAP Sustainable Geosystems

UK study on sustainable geosystems:

final report end 2/2010

TC project included in study:

Axis Business Park, Liverpool

Bund Wall: 350m long; 9,5m high

PEC 55/55 and TS 20

Life Cycle Analysis & Carbon FootprintWRAP Sustainable Geosystems

Next steps

Technical Note on results of TC

project within WRAP study

4Q/2010: resp tbd

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Life Cycle Analysis & Carbon FootprintISO 14044:2006 Environmental Management – Requirements and

Guidelines for Life Cycle Assessment (LCA)

EAGM project with ETH Zürich- to push idea of Carbon Footprint and sustainability in civil engineering within

Europe

- to strengthen geosynthetic solutions vs. classical construction methods

- basis for active and common lobbying for the geosynthetic industry within Europe

- basis for active and common marketing activities and promotion for the geosynthetic industry within Europe

- basis for active marketing and promotion activities of every individual EAGM member on a common data basis to prevent competition

- basis to get a product environmental declaration by every individual participant of the study

Life Cycle Analysis & Carbon FootprintLCA: system boundaries and indicators

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Life Cycle Analysis & Carbon FootprintLCA: output of study e.g. reinforced wall

Life Cycle Analysis & Carbon FootprintLCA: output of study e.g. reinforced wall

e.g. 84% saving

of CO2-emission

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Deponiebau

ÜberblickAnwendungsgebiete

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Deponie Basisabdichtung i) Deponie St.Valentin, Austria

ii) Deponie Santovenia, Spain

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Deponie Basisabdichtung Deponie UK

Deponie Basisabdichtung i) Deponie Hehenberg, Austria

ii) Deponie Tulln, Austria

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Oberflächenabdichtung: OKA Timelkam, Austria

Kanäle / Beckenbau / Dämme

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Kanäle / Becken / Dämme

Anwendungsbeispiele

Kanäle Becken Dämme


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Becken i) Trinkwasserbecken, Gran Canaria

ii) Kühlwasserbecken, Südafrika

Bewässerungskanäle, Marchfeld, Austria

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Beschneiungsteich Flachau-Wagrain, Austria

Wassererlebnispark St. Martin/Tennengebirge, Austria

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Beschneiungsteich - Flachau

Beschneiungsteich Planai, Foto Fa. Maschinenhof

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Speicherteich Bad Kleinkirchheim

Bewässerungskanal Zújar (Badajoz), Spain

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Böschungsbewehrung

Böschungsstabilität

Deponieabdeckungen

Polyfelt DC

HumusPolyfelt TS

Drainage gravelPolyfelt P

PolylinePolyfelt DC

Levelling layer

PolymatHumus

Rock PECPolyline

Polyfelt DCLevelling

layer .

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50

Überlappungsbereiche bei

Böschungsverschneidungen

Wasserbecken Zillertal Mizun

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Verbindung von Dränagematten

mit Kabelbindern

Steinschüttung


Details


Detail Berme

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Deponie Ort/I., Austria


Detail Entleerung

Aushubmaterial ca. 30 cm

Aushubmaterial sortiert ca. 15cm

POLYFELT TS 840 (Filtervlies)

Filterschicht ca. 10 cm

Schutzvlies POLYFELT P 011

Kunststoffdichtungsbahn (PVC o. PEHD)

Schutzvlies POLYFELT P 011

Filterschicht ca. 15 cm

Rohplanum

Aushubmaterial ca. 30 cm.............

Aushubmaterial sortiert ca. 15cm..

POLYFELT DC 4514 – 2 (evtl.TS)

erforderlichenfalls Schutzvlies.......

Kunststoffdichtungsbahn...............

(PVC o. PEHD)

POLYFELT DC 4514 – 2...............

Rohplanum....................................

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Überlauf

BöschungsstabilitätDetail Verankerungsgraben

Cover Fill 20 cm KK 20/70

Geotextile POLYFELT P 011

Geomembrane 2mm PEHD einseitig sandrauh

Drainage POLYFELT DC 4514 – 2

Planum

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Vorhandene Kräfte 1


Vorhandene Kräfte 2

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Bemessungsparameter

Hangneigung1:1, 1:2, 2:3, 1:3,....... Länge der Böschung

Auflast

Höhe des Schüttmaterials

Wassermenge / Porenwasserdruck

Reibungsparameter

Bodenparameter

Art / Anzahl der Produkte

Produktparameter (z.B. RF kriechen,…)


Kritische Parameter 1 – Was muss beachtet werden?

Böschungsneigung

Zu steil? Externe Stabilität?

Abdecksystem

Art der Abdeckung: Boden, Beton, soil, concrete, Schotter,....

Schütthöhe, Gewicht der Steinblöcke, Blockgröße,...

Interne Stabilität der obersten Schüttlage? (Humus,Schotter,...)

Erosionsschutz

Teilweise / gesamte Böschung (UV, Auftrieb,..)

Installation

Wie wird installiert? (schwere Maschinen, mit Hand,...)

Verkehrsbelastung

Permanent (z.B. Instandhaltung) / während Installation

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Kritische Parameter 2 – Was muss beachtet werden?

Wasserableitkapazität

Oberflächenentwässerung

Porenwasserüberdruck unter Kunststoffdichtungsbahn KDB

Dränagekapazität unter der KDM

Wassermenge !!!

Verankerung

Genügend Platz für Verankerungsgraben

Verkehr / Straße an Böschungsschulter

Produkt Parameter

Reibungsverhalten

Zusätzliche Einwirkungen

Schnee z.B. alpinen Regionen

Eisbruch


Designprinzip: Koerner

• Gleitbruch des Bodens auf einer Abdichtung

• Grenzgleichgewichtsanalyse für eine begrenzte Böschung

• Einheitliche Dicke der Bodenlage

• Geringer passiver Anteil wirkt einem schmalen aktiven Anteil entgegen (passiver Anteil wird nicht in die Kalkulation mit einbezogen)

• Kein Wasserdruck

• Kein permanenter Verkehr

• Keine böschungsparallele Strömung

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Designprinzip: EBGEO

• Gleitbruch des Bodens auf einer Abdichtung

• Grenzgleichgewichtsanalyse für eine begrenzte Böschung

• Keilförmige Schüttung

• Passiver Anteil wird in der Kalkulation berücksichtigt

• Kein Porenwasserüberdruck

• Verkehr während der Bauphase wird berücksichtigt

• Böschungsparallele Strömung


Designprinzip

• Normalkraft durch Gewicht des Bodens

• Tangentialkraft durch Gewicht des Bodens

• F Rückhaltekraft aufgrund des vertikalen Anteils, wirkt gegen (abhängig von )

• Sicherheitsfaktor pro Lage

• ZLTDS

• Zreq

oben < unten

= unten /oben > 1

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Designprinzip: Verankerung

• Berechnung entsprechend

Koerner

• Minimale Abmessungen:

– 80 cm Breite

– 80 cm Tiefe

– 100 cm Länge an Schulter

• Kein Nachweis gegenüber dem

Abscheren der Böschungskrone


Designprinzip: Berme

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Designprinzip: Hangentwässerung

• Allgemein:

Q=q*L/i

i=sinarctan(1:n)

• Kritischer Parameter:

Regenspende: e.g. 155 l/s*ha

Annahme:

10% der Regenmenge muss dräniert

werden

q=0,0016 l/sm²

Böschungslänge l

1 m

Z

a

g

g x cos a

g x sin a

d


Bemessungsparameter

Slope length L

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Berechnungsbeispiel - Prinzip



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BöschungsstabilitätBerechnungsbeispiel - Reibungsbeiwerte



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Verankerungslänge

Ende

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