Elisabeth Seibel

• Numerische Berechnungsmodelle wurden in den letzten Jahren zunehmend für geotechnische Nachweise eingesetzt, da sie die Möglichkeit bieten, komplizierte Systemgeometrien und realistische, nichtlineare Materialmodelle für den Boden zu verwenden. In den geltenden Europäischen Normen gibt es hierzu kaum Vorgaben, weshalb deren Neufassung numerische Verfahren als Nachweismöglichkeit enthalten wird. Motiviert durch diese Entwicklung beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Implementierung und Modellierung verschiedener geotechnischer Randwertprobleme mittels der Finite-Elemente-Methode. Die Grundbruchsicherheit von Fundamenten kann mit numerischen Methoden gut abgebildet werden. Trotz Modellierungsschwierigkeiten lässt sich der Einfluss der Fundamentform über 3D-Modelle abschätzen und etablierte Vorschläge zur Berücksichtigung der Auswirkungen der Lastexzentrizität konnten verifiziert werden. Die Ergebnisse bestätigten außerdem, dass der Ansatz, die Anteile des Grundbruchwiderstands getrennt zu berechnen und dann zu überlagern, auf der sicheren Seite liegt. Zur Berücksichtigung seismischer Belastungen wurde die klassische Grundbruchformel um seismische Trägheitsfaktoren erweitert. Für Gründungen auf geschichteten Böden konnten Werte aus früheren analytischen und numerischen Untersuchungen gut reproduziert werden. Gestützte Baugrubenwände wurden mit zwei verschiedenen Nachweisalternativen numerisch analysiert: dem Material Factor Approach und dem Effect Factor Approach. Für beide Varianten wurden die Schnittkräfte in der Wand verglichen. Während an den Auflagern und entlang der Wandbettung beide Methoden ähnliche Ergebnisse liefern, zeigen sich in den Feldmomenten Unterschiede. Auch der Einfluss des Grundwassers wurde untersucht. Die Umsetzung des räumlichen Erdwiderstands in numerischen Modellen ist noch immer eine Herausforderung. Für den ebenen Zustand stimmen die numerischen Ergebnisse sehr gut mit den analytischen Lösungen der Normen überein. Einflussfaktoren auf die numerische Umsetzung von Brückenwiderlagern wurden identifiziert. Dazu gehören die Netzfeinheit und die Nachgiebigkeit der Flügelwände. Die Ergebnisse der Untersuchungen und die daraus abgeleiteten Schlussfolgerungen können in der Praxis und für die weitergehende Analyse von geotechnischen Bauwerken verwendet werden.
• Numerical calculation models have increasingly been used for geotechnical verifications in recent years. They offer the possibility of capturing complicated system geometries and realistic, non-linear material models for the soil. In the applicable design standards there are only sparse specifications. The upcoming editions of European design standards will include numerical methods for verification. Motivated by this development, the present thesis deals with implementing and modelling various geotechnical boundary value problems via the finite element method. The investigations carried out show that the safety of foundations against bearing failure can be assessed using numerical methods. Despite some modelling difficulties, the influence of the foundation shape can be estimated via 3D models. Available, well-established proposals for considering the effects of load eccentricity could be verified. The results also confirmed that the approach of calculating the individual parts of the bearing capacity and then superimposing them is on the safe side. To take seismic loads into account, the classical bearing capacity formula has been enhanced by appropriate seismic inertia factors. For foundations on stratified soils, values from previous analytical and numerical studies could be reproduced well. Propped excavation walls were analysed numerically using two different verification alternatives: the material factor approach and the effect factor approach. Sectional forces in the wall were compared for the two options. While for the sectional forces at the various supports and along the wall embedment both methods yield essentially similar results, differences appear in the values of the field moment. The influence of groundwater was also investigated. Implementing spatially distributed passive earth pressure in numerical models is still challenging. For plane strain, the numerical results agree very well with rigorous analytical solutions reproduced in the respective design codes. Factors influencing the numerical implementation of bridge abutments were identified, including the mesh fineness and the compliance of the wing walls. The findings of the investigations and conclusions may be used in design practice and for analysing other types of geotechnical structures.