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Geotechnische Herausforderungen bei der Planung und Her-

stellung der Grndung der Central Bank of Nigeria, Lagos

Roberto CudmaniSmoltczyk & Partner GmbH, Stuttgart, Deutschland

Cezary SomiskiBilfinger Berger Ingenieurbau GmbH, Wiesbaden, Deutschland

Andrs A. PeaBilfinger Berger Ingenieurbau GmbH, Wiesbaden, Deutschland

Christian SchwabBilfinger Berger Ingenieurbau GmbH, Wiesbaden, Deutschland

Zusammenfassung

Im Herz der Wirtschaftsmetropole Lagos entsteht zurzeit der Neubau der Zentralbank von Nigeria (Central Bank La-gos, CBL). In der ersten Phase des Projekts werden ein 24-geschssiges Gebude und weitere Peripherieeinrichtungenvon der Julius Berger Nigeria PLC schlsselfertig errichtet. Die hohen und bereichsweise sehr konzentrierten Gebude-lasten, die fr Lagos typischen mchtigen und gering tragfhigen holoznen Bodenformationen, sowie der geringeAbstand zur Nachbarbebauung stellen hohe Anforderungen an die Tiefgrndung des Gebudes und machen die Her-stellung von bis zu 63 m langen Grobohrpfhlen erforderlich. Zur Untersuchung des Tragverhaltens eines Einzel-

pfahls wurden zwei vollinstrumentierte Pfahlprobebelastungen durchgefhrt, bei denen der Spitzendruck und der Man-telreibungswiderstand getrennt gemessen wurden. Die hochqualitativen Ergebnisse der Pfahltests sowie die umfassendeUntersuchung und detaillierte Beschreibung der Baugrundbedingungen ermglichten es, die Anzahl und Lnge derPfhle mit Hilfe von Finite-Elemente-Berechnungen bei gleichzeitiger Einhaltung der Gebrauchstauglichkeitsanforde-rungen zu optimieren.

1. EinfhrungIn Lagos wird zurzeit der Neubau der Zentralbank von

Nigeria (Central Bank Lagos, CBL), die wichtigsteFinanzinstitution des Landes, errichtet. Mit ca. 20 Mio.Einwohnern ist die an der Kste des Golfs von Guinealiegende Stadt Lagos die grte Metropole des Landesund gehrt neben Kairo und Kinshasa zu den bevlke-rungsreichsten Stdten Afrikas (Abbildung 1). DieStadt erstreckt sich ber das Festland und eine Reihevon Inseln und liegt durchschnittlich fnf Meter berdem Meeresspiegel. Der aktuelle und zuknftige Sitzder CBL liegt im Finanzviertel auf Lagos Island.

Der existierende CBL-Gebudekomplex, der in zweiPhasen komplett rckgebaut und durch Neubautenersetzt werden soll, ist von hohen Bank- und Finanz-gebuden umgeben. Das Grundstck grenzt im Nordenan die National Bank und die Afribank, im Sden andas Gebude der nigerianischen Brse, und im Westenan das Hochhaus der Nicon-Versicherungsgesellschaft(Abbildung 2).

In der ersten Phase wurden ein Flgel des bestehendenVerwaltungsgebudes und verschiedene Peripherie-einrichtungen rckgebaut.

Abbildung 1: Die Stadt Lagos am Golf von Guinea,

Nigeria. Aktueller und zuknftiger Sitz der Central Bank in

der Insel von Lagos (Bilder aus Google Maps [4])

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Abbildung 2: Grundriss des Gelndes der Zentralbank

in Lagos und des in der Phase I und II geplanten Neu-

baus und Umbaus.

Der in dieser Phase zu errichtende Neubau besteht auseinem 24-geschossigen vollunterkellerten Gebude undeiner 6-geschossigen Polizei- und Feuerwehrstation.Das Hauptgebude hat eine Grundrissflche von 60 mauf 65 m und eine Hhe von ca. 100 m. Mit einer ge-samten Bro- und Nutzflche von ca. 70.000 m2 solldas Gebude Platz fr 2.000 Bankangestellte und 600Besucher bieten (Abbildung 3).

Abbildung 3: Architektonische Animation des fertigen

CBL-Gebudes

In der Phase II sollen die brigen Bauwerke und Ein-richtungen rckgebaut und durch neue Gebuden er-setzt werden. Bis dahin sollen die sdlich und sdst-lich des neuen Hauptgebudes stehenden alten Verwal-tungsgebude in Betrieb bleiben.

Die Phase I des Projekts mit einem Auftragsvolumenvon ca. 180 Mio. wurde im Juli 2007 an die JuliusBerger Nigeria PLC als Design&Construct-Auftrag

vergeben. Die schlsselfertige bergabe des Hauptge-budes ist fr Anfang 2013 geplant. Die Ausfhrungs-

planung wird vom Technischen Bro (TB) der Bilfin-ger Berger Nigeria GmbH durchgefhrt. Fr die geo-technische Planung der Baugrube und der Grndungder Gebude ist das TB der Bilfinger Berger Ingeni-eurbau GmbH zustndig. Der Fokus unseres Beitragsliegt auf der Planung und die Ausfhrung der Grn-

dung des CBL-Gebudes. Die ebenfalls anspruchsvol-len Baumanahmen fr die Umschlieung der Baugru-

be sind kein Gegenstand dieser Verffentlichung.

2. Geologische und geotechnische Baugrundbe-dingungen

Der westliche Bereich der Kste Nigerias, in dem sichdas CBL-Gelnde befindet, gehrt zum Benin-Sedimentationsbecken. Er besteht aus relativ mchti-gen quartren Bodenformationen, die von tertiren undkreidezeitlichen Sedimentgesteinformationen unterla-gert werden.

Aus dem Hinterland wird die Kstenregion in Lagosvor allem vom Niger, aber auch von anderen Flssen,mit Swasser und Frachtgut beliefert. Unterschiede inTidenhub, Sedimentfhrung und Strmungsrichtungenlieen eine Nehrungskste mit abgedmmten Lagunenentstehen (Abbildung 1). Kstenparalell werden dieLagunen durch Gewsser (creeks) verbunden. Diehufige Vernderung der Kstenlinie fhrt zur nde-rung des Ablagerungsmilieus im Meer und auf demFestland. Es entstehen holozne Wechsellagen ausfeinen fluviatilen und marinen Sedimenten (Sand,

Schluff, Ton, Torf). Sie liegen auf dicht bis sehr dichtgelagerten Wechsellagen aus pleistoznen Kiesen,Sanden, Schluffen und Tonen, die erst in Tiefen vonmehr als 100 m anzutreffen sind.

Um die rtlichen Baugrundverhltnisse zu untersu-chen, wurde ein Baugrunderkundungsprogramm kon-zipiert und ausgefhrt. Es umfasste insgesamt 5 Boh-rungen (max. Tiefe 80 m), 23 Drucksondierungen(max. Tiefe 45 m) sowie die Entnahme gestrter undungestrter Bodenproben fr Laborversuche. In denBohrungen wurden SPT-Versuche zur Beurteilungender Lagerungsdichte der nichtbindigen Bodenschichten

sowie Taschenpenetrometerversuche und Minischer-flgelversuche zur Beurteilung der Konsistenz bzw.zur Abschtzung der undrainierten Scherfestigkeit der

bindigen Bodenschichten durchgefhrt. Die Laborver-suche umfassten Bodenklassifikationsversuche sowiedometer- und Triaxialversuche an ungestrten Bo-denproben der weichen bindingen Bodenschichten

Aufgrund widersprchlicher Ergebnisse der Bohrun-gen und der SPT-Versuche ab Bohrtiefen von ca. 50 mund der Ergebnisse der stichprobenartigen berwa-chung der Erkundungsarbeiten entstanden ernste Zwei-

fel an der Qualitt der Bohrarbeiten des vom Bauherrn beauftragten Subunternehmers, die letztendlich zurAusfhrung von fnf zustzlichen Bohrungen fhrten.

Phase 1

Phase 2

Diesel-Tanks

Phase II

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Typische Ergebnisse von Drucksondierungen undSPT-Versuchen sowie die mittels Taschen-Penetrometer (PP), Mini-Scherflgel (PVS) undtriaxialer Kompression (CIU-Versuche) ermittelteScherfestigkeit des undrnierten Bodens sind in

Abbildung 4 und 5 dargestellt.

Abbildung 4: Vereinfachtes Bodenprofil und

Drucksondierwiderstand als Funktion der Tiefe

Der Untergrund besteht aus den fr Lagos typischenmarinen und fluviatilen holoznen Wechsellagerungenschluffiger, toniger und sandiger Bodenschichten.Unter einer ca. 4 m mchtigen locker bis sehr lockergelagerten sandigen Auffllung (Schicht A) liegenlockere bzw. mitteldichte schluffige Sande (B), dieLinsen aus weichem mittelplastischem schluffigemTon sowie organische Tone und Torf beinhalten kn-nen. Die Mchtigkeit der Schicht B betrgt ca. 15 m.Diese Schicht wird von einer ca. 10 m mchtigen, sehrweichen bis steifen, mittelplastischen, bereichsweiseorganischen Tonschicht mit Sandeinlagerungen (C), ca.17 m mitteldichtem bis dichtem Sand mitSchluffbndern (D) und einer ca. 3 m steifen mittel-

plastischen Tonschicht (E) unterlagert. Ab ca. 50 munter Gelnde stehen dichte bis sehr dichte Sande (Fund H) an, die durch einen zwischen 57,5 m und 60 mTiefe liegenden sehr weichen, hoch plastischen, orga-nischen schluffigen Ton (G) getrennt werden. Es ist

anzumerken, dass die Schicht G bei keiner der ur-sprnglichen Bohrungen angetroffen wurde und erst

durch die fnf zustzlichen Bohrungen identifiziertwerden konnte.

Abbildung 5: Vereinfachtes Bodenprofil, Schlagzahl

N30 und undrnierte Scherfestigkeit cu ber die Tiefe

Die Gelndeoberkante befindet sich bei 3,5 m LCD(Lagos Chart Datum

). Der Grundwasserspiegel liegtca. 1,5 m unter Gelnde bei 2,0 m LCD.

Tabelle 1 zeigt die Bodenkennwerte, die fr die erdsta-tischen Berechnungen verwendet wurden.

Tabelle 1: Charakteristische Bodenkennwerte

qc [MPa]

N30

cu [kPa]

nichtbindigeAuffllung

SchluffigeSand mitBndern ausSchluff, Ton,Torf

Schluffiger Ton

SchluffigeSand mit Bn-der aus Schluff,Ton, Torf

Schluffiger Ton

Sand

OrganischerTon

Sand

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3. Pfahlherstellung Neben den anspruchsvollen Baugrundverhltnissenwaren bezglich des geotechnischen Entwurfs ver-

schiedene Randbedingungen hinsichtlich Art und Her-stellung der Grndung zu bercksichtigen. So war

beispielsweise der sonst fr die Herstellung langerBohrpfhlen bliche Einsatz von Sttzflssigkeiten wieBentonit oder Polymeren aufgrund eines Einfuhrverbo-tes nicht mglich (lokal vorhandenes Bentonit erflltnicht die notwendigen Qualittsanforderungen). DieMglichkeit unverrohrt bzw. teilverrohrt nur unterWasserberdruck zu bohren wurde wegen der anste-henden Sandschichten verworfen. Letztendlich wurdendie Bohrpfhle mit dem Durchmesser 1524 mm voll-verrohrt im Greiferverfahren hergestellt. Fr die Instal-

lation der Verrohrung wurden eine oszillierende undeine rotierenden Verrohrungsmaschine vom Typ VRM1500 bzw. RDM 2000 verwendet. Die Pfahlintegrittwurde dynamisch mit der Low-Strain-Methode ge-

prft. Zustzlich wurden an den zwei Testpfhlen So-nic Tests durchgefhrt. Bis auf zwei Pfhle, die Fehl-stellen am Pfahlkopf zeigten und saniert werden muss-ten, konnten alle Pfhle anhand der Integrittsprfun-gen in die Klassen 1 und 2 nach EA-Pfhle eingestuftwerden.

4. Geotechnisches GrndungsdesignAufgrund der hohen und ber die Grndungsflchesehr ungleichmig verteilten Gebudelasten (im Mit-tel 525 kN/m2, bereichsweise bis zu 700 kN/m2), des inden oberen 30 m vorliegenden wechselhaften undgering tragfhigen Baugrunds sowie der Nhe zur

Nachbarbebauung wurde eine Flachgrndung des Ge- budes schon in der Angebotsphase ausgeschlossen.Der Fokus wurde auf eine Tiefgrndung mit Gro-

bohrpfhlen mit Durchmesser von Ds = 1,5 m gelegt.Die Abtragung der konzentrierten Lasten von Sttzenund Wnden auf die Pfhle erfolgt ber eine 1,7 mdicke Bodenplatte. Die Plattensohle liegt ca. 6,0 munter GOK bei -2,5 m LCD.

4.1 Einzelpfahlbemessung

Fr eine erste Abschtzung der erforderlichen Anzahlund Lnge der Pfhle sowie die Bemessung der Pfahl-

probebelastungen wurden zum Beginn der PlanungGrndungshorizonte in den Schichten D und F in Be-tracht gezogen. Daraus resultieren Pfahllngen von35 m bzw. 45 m bezogen auf die Sohle der Bodenplat-te. Zu diesem Zeitpunkt war die Baugrunderkundungnoch nicht abgeschlossen und die Existenz der SchichtG noch nicht bekannt.

Die Pfahlbemessung erfolgte nach Britisch StandardBS 8004 (1986). Danach ist die zulssige Pfahlbelas-

tung aus dem Pfahlwiderstand im Grenzzustand derTragfhigkeit mit einer globalen Sicherheit zwischen2 und 3 zu ermitteln. Da Pfahlprobebelastungen fr dieendgltige Pfahlbemessung geplant waren und derBaugrund als ausreichend erkundet betrachtet wurde,kam der Wert = 2,0 zur Anwendung. Basierend auf

den zu diesem Zeitpunkt unvollstndigen Ergebnissender Baugrunderkundung und unter Bercksichtigungvon Erfahrungswerten wurden eher konservativeGrenzwerte der Mantelreibung fr die verschiedenenBodenschichten und des Spitzendrucks des Grn-dungshorizontes ermittelt. Fr die Pfahllngen 35 mund 45 m ergaben sich Grenzwerte des Pfahlwider-stands von 14 MN und 20 MN sowie zulssige Pfahl-

belastungen von 7 MN und 10 MN. Somit wurden zudiesem Zeitpunkt ca. 340 bzw. 226 Pfhle bentigt (imMittel 1 Pfahl je 12 m2 bzw. 18 m2), um die Lasten desHauptgebudes in den Baugrund abzutragen.

4.2 Pfahlprobebelastungen

Um die Voraussetzung des BS 8004 fr die Verwen-dung von = 2,0 erfllen zu knnen und insbesondereaufgrund des hohen Optimierungspotentials der Pfahl-anzahl bei einer Erhhung der Tragfhigkeit von 10%konnten 20 Pfhle gespart werden wurde entschieden,zwei Pfahlprobebelastungen vor Beginn der eigentli-chen Pfahlherstellung durchzufhren. Entsprechenddem vorlufigen Design waren die auf GOK bezoge-nen Testpfahllngen 51 m (TP 1) und 41 m (TP 2).

Das Konzept der Pfahlprobebelastung sah vor, Mantel-reibung und Spitzendruck getrennt voneinander zumessen. Zur Erfassung des Spitzenwiderstands wurdenOsterberg-Zellen (O-Zellen) ca. 1 m oberhalb derPfahlspitze eingebaut. Die Messung der Mantelreibungerfolgte mit einer aus einem Reaktionsbalken und zweiReaktionspfhlen bestehenden Rahmenkonstruktion.Die zwei Testpfhle und die drei Reaktionspfhle wur-den in einer Reihe angeordnet.

Abbildung 6: Pfahltesteinrichtung fr getrennte Mes-

sung des Spitzen- und des Mantelreibungswiderstands

Abbildung 6 zeigt eine schematische Ansicht derPfahltesteinrichtung. Die Testpfhle sind in verschie-

R1 R2 R3

TP1

TP2

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denen Tiefen mit Dehnungsmessgebern bestckt, umdie Verteilung des Mantelreibungswiderstands in denverschiedenen Bodenschichten erfassen zu knnen.

Nach der Herstellung der Reaktions- und Testpfhlewurde der Reaktionsbalken auf den Pfhlen R1, R2

und TP 1 aufgesetzt. Im Raum zwischen Testpfahlkopfund Reaktionsbalken wurden hydraulische Pressenangeordnet. Die Tests wurden in zwei Phasen durchge-fhrt. In der ersten Testphase erfolgte die Belastungder Pfahlspitze mit der O-Zelle. Als Widerlager wirktder darber liegende Pfahlabschnitt. Nach Erreichender maximalen Testlast wird die O-Zelle entlastet. Inder zweiten Phase wird der Pfahl durch die am Pfahl-kopf angeordneten Pressen bei offener O-Zelle belas-tet, wodurch die Mantelreibung gemessen werdenkann.

Nach Umsetzen der Testeinrichtung erfolgte der Testvon TP 2 mit der gleichen Vorgehensweise.

Tabelle 2 stellt die aus den Pfahlprobebelastungenermittelten Grenzwerte der Mantelreibung und desSpitzenwiderstands im Vergleich zu den Erfahrungs-werten der EA-Pfhle dar. Die ermittelten Mantelrei-

bungswerte liegen im Wesentlichen an der oberenGrenze der Erfahrungswerte. Die gemessenen Spit-zenwiderstnde liegen 10% (TP 2), bzw. 30% (TP 1)ber der oberen Grenze der Erfahrungswerte.

Tabelle 2: Ermittelten Grenzwerte der Mantelreibung

und des Spitzenwiderstands im Vergleich zu den Erfah-

rungswerten aus der EA-Pfhle.

Abbildung 7 zeigt die gemessenen Mantelreibungs-und Spitzenwiderstnde und den daraus resultierendenPfahlwiderstand als Funktion der Pfahlkopfverschie-

bung fr die Testpfhle TP 1 und TP 2.

Nach BS 8004 wird der bei einer Verschiebung von10% des Pfahldurchmessers gemessenen Pfahlwider-stand als Grenzwert definiert. Aus Abbildung 7 erge-

ben sich Grenzwerte von 17 MN und 25,7 MN undzulssige Pfahlbelastungen von 8,5 MN und 12,8 MN

bei Pfahlkopfverschiebungen von 9 mm und 10 mm frTP 2 bzw. TP 1.Auf der Basis der Pfahlprobebelastungen ergab sich frdie favorisierte Grndungsvariante mit 45 m langen

Pfhlen im Vergleich zur ersten vorsichtigen Scht-zung eine Reduktion der Pfahlanzahl von 226 auf 176(im Mittel 1 Pfahl je 23 m2).

Abbildung 7: Gemessener Mantelreibungs- und Spit-

zenwiderstand und daraus resultierender Pfahlwider-stand fr TP1 und TP2

4.3 Setzungsverhalten der Pfahlgrndung

Abbildung 17 zeigt die fr die Abtragung der Gebu-delasten gewhlte Pfahlanordnung. Aus der ungleich-migen Verteilung der Gebudelasten resultiert ein

bereichsweise sehr enges Pfahlraster, das die Betrach-tung von Gruppeneffekten fr die Berechnung derGrndungssetzungen erforderlich machte. Zudem wur-de etwa zeitgleich mit dem Ende der Pfahlprobebelas-tungen die Existenz der ca. 3Ds unterhalb der geplanten

Pfahlabsetztiefe liegenden, sehr weichen Tonschicht Gfestgestellt, von der eine magebende Beeinflussungder Gebudesetzungen zu erwarten war.Die Abschtzung der Gebudesetzungen erfolgte mitnichtlinearen 2D-FE-Berechnungen und linear elasti-schen 3D-FE-Berechnungen, die in den nchsten Kapi-teln beschrieben werden.

4.4 2D-FE-Berechnungen

Ziel der 2D-FE Berechnungen war, die zu erwartendenGebudesetzungen und Differenzsetzungen unter Be-rcksichtigung von Konsolidations- und Kriechverfor-mungen abzuschtzen.

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Die Berechnungen wurden mit dem FE-ProgrammABAQUS [1] durchgefhrt.Zur Modellierung des mechanischen Verhaltens dernichtbindigen Schichten A, B, D, F und H wurde einhypoplastisches Stoffgesetz verwendet. Das mechani-sche Verhalten der bindigen Schichten C, E und G

wurden mit einem visko-hypoplastischen Stoffgesetzabgebildet. Die Parameter der Stoffgesetzte wurden aufder Basis von dometerversuchen und Erfahrungswer-ten abgeschtzt. Eine detaillierte Beschreibung derverwendeten Stoffgesetze und der Stoffparameter kn-nen [2] und [3] entnommen werden.

4.4.1 Nachrechnung der PfahltestsUm die abgeschtzten Stoffparameter zu validieren,wurden die statischen Pfahltests TP 1 und TP 2 nach-gerechnet. Die verwendeten 2D-axialsysmmetrischenFE-Modelle werden in Abbildung 8 (a), (b) dargestellt.

Abbildung 8: FE-Netze fr die Nachrechnung derPfahltests: TP2 (a) und TP1 (b).

Der Grundwasserspiegel wurde in den Berechnungen1,5 m unter GOK angesetzt. Zur Modellierung derPfhle wurden ein Elastizittsmodul von E = 34 GPaund eine Poissonzahl von = 0,2 angenommen. DerKontakt zwischen dem Pfahl und dem Boden wurde als

Master-Slave-Kontakt mit coulombscher Reibungmodelliert. Die in situ effektiven vertikalen Spannun-gen ergeben sich aus dem berlagerungsdruck. Dieeffektiven Horizontalspannungen werden mit einemErddruckbeiwert von K0 = 0,4 fr die Schichten D, E,F, H und K0 = 0,5 fr die Schichten A, B, C und Germittelt. Die Pfahltestsimulation erfolgte in 5 Berech-nungsschritten (Tabelle 3).

Abbildung 9: Vergleich der gemessenen und berechne-

ten Spitzen- und Mantelreibungswiderstand fr TP 2.

Tabelle 3: Berechnungsschritte in der Analyse der

statischen Pfahltests.

Schritt Aktion1 Gleichgewicht

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2 O-Cell Belastung3 O-Cell Entlastung4 Pfahlkopfbelastung5 Pfahlkopfentlastung

Abbildung 9 (a) und (b) vergleichen exemplarisch die

gemessenen und nachgerechneten Spitzen- und Man-telreibungswiderstnde fr TP 2. Die gute berein-stimmung konnte durch geringfgige Anpassung derStoffparameter und des Kontaktreibungswinkels amPfahlmantel erreicht werden.

4.4.2 SetzungsberechnungenDie Abschtzung der Gebudesetzungen erfolgte anden Schnitten 1-1 und 2-2 unter Verwendung von 2D-FE-Modellen unter Annahme ebener Verformungsbe-dingungen (siehe Abbildung 10). Beim Querschnitt 1-1

binden die Pfhlen 63 m und 50 m in den Baugrundein. Mit Ausnahme von zwei 40 m langen Pfhlenwerden alle Pfhle in Querschnitt 2-2 bei 50 m unterGOK abgesetzt.

Abbildung 10: Ausschnitte der verwendeten FE-Netzen

in der 2D Setzungsanalyse, (a) Querschnitt 1-1, (b)

Querschnitt 2-2.

In der Simulation erfolgt der Lastabtrag vereinfachtber tiefliegende Flachfundamente. Die Lasten der inAbbildung 11 dargestellten Pfahluntergruppen werdenin den Absetztiefen der Pfahlfe aufgebracht. Diefarbigen Linien in Abbildung 10 gekennzeichnen dieStellen der Lastaufbringung im Modell. In den Simula-

tionen wird die endgltigen Pfahlanordnung mit Ab-setztiefen in -37 m LCD (Schicht D), -47 m LCD(Schicht F) und -60 m LCD (Schicht H) bercksichtigt.

Die Vorgehensweise fr die Festlegung dieser Pfahl-anordnung wird in Kapitel 4.5.2 erlutert.

Zur Ermittlung der an der UK der Pfahluntergruppeankommenden Lasten wurden 2D-FE axialsymmetri-

schen Simulationen mit Ersatzpfhlen fr jede Unter-gruppe durchgefhrt, wobei sich der Durchmesser derErsatzpfhle aus den in Abbildung 11 mit gestricheltenLinien dargestellten Grundrissflchen ergab. Die an derSpitze der Ersatzpfhle ankommenden Lasten variierenzwischen 40% bis 70% der Gesamtlasten. Die im FE-Modell aufgebrachten Lasten sind Tabelle 4 zu ent-nehmen. Um die Baugrundverformungen unterhalb derPfahlgrndung mit dem tiefliegenden Fundamentrealistisch abschtzen zu knnen, wurde entlang der inAbbildung 10 gekennzeichneten vertikalen Linien einebertragung von Schubspannungen durch die Einfh-rung reibungsloser Kontaktflchen ausgeschlossen.

Tabelle 4: Lasten der Pfahluntergruppen angewandt in

der 2D Setzungsanalyse in Querschnitten 1-1 und 2-2.

Pfahl-Untergruppe

Last[kN/m2]

Pfahl-Untergruppe

Last[kN/m2]

Querschnitt 1-1 Querschnitt 2-21-2 374,3 2-1a 7,51-3 515,6 2-1b 2,51-4 233,3 2-1c 2,81-5 551,2 2-2 206,8

1-41 641,0 2-3a 358,5

2-3b 310,72-3c 295,7

Abbildung 11: Querschnitte 1-1, 2-2 zur 2D FE-

Analyse der Setzungen. Pfahluntergruppen mit Wir-

kungsflchen der Pfahllasten und Messpunkten der

Setzungen.

Die Berechnungen erfolgen in drei Berechnungsschrit-ten. Durch die Verwendung eines Visko-

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hypoplastischen Stoffgesetzes wird auch die Zeitab-hngigkeit des Bodenverhaltens bercksichtigt. Zuerstfindet der Aushub der Baugrube in einem Zeitraumvon 3 Monaten statt. In einer Bauzeit von 2 Jahrenwerden die Lasten auf die tiefenliegenden Fundamenteaufgebracht. Anschlieend werden diese Lasten ber

einen Zeitraum von 10 Jahren konstant gehalten. Ab- bildung 12 und Abbildung 13 zeigen die berechnetenSetzungen der tiefliegenden Fundamente fr dieSchnitten 1-1 und 2-2.

Abbildung 12: Berechnete und gemessene (nach Bau

des 8. Stockwerkes) Setzungen im Querschnitt 1-1.

Abbildung 13: Berechnete und gemessene (nach Bau

des 8. Stockwerkes) Setzungen im Querschnitt 2-2.

Die Sprnge in den Setzungskurven, die insbesondereim Schnitt 1-1 zu erkennen sind, resultieren aus denunterschiedlichen Tiefenlagen der Fundamente undwerden in der realen Pfahlgrndung aufgrund der aus-gleichenden Wirkung der Bodenplatte nicht auftreten.Daher kann aus den Ergebnissen der durchgefhrtenFE-Simulationen nur eine grobe Verteilung und die

Grenordnung der zu erwartenden Grndungssetzun-gen abgeleitet werden. Mit diesen Einschrnkungen istin Schnitt 1-1 und Schnitt 2-2 durch die ausgleichende

Wirkung der Bodenplatte von maximalen Setzungenvon ca. 50 bis 60 mm und Differenzsetzungen von ca.20 mm zwischen der unter der weichen Schicht Ggegrndeten Pfahlgruppe 1-41 und den oberhalb dieserSchicht abgesetzten Pfahlgruppen 1-5 und 1-4 auszu-gehen.

Abbildung 14: Zeitliche Entwicklung der Setzungen der

Pfahlgruppen 1-5 (gegrndet oberhalb Tonschicht G)

und 1-41 (gegrndet unterhalb Tonschicht G).

Die berechneten Differenzsetzungen von im Mittel40 mm zwischen dem kaum belasteten Bereich 2-1a, 2-1b und 2-1c (Grndung von Dieseltanks) und dendeutlich strker belasteten Bereichen 2-2, 2-3a, 2-3bund 2-3c knnen auftreten, da beide Bodenplattenbe-reiche durch eine Fuge getrennt sind.

Abbildung 15: Gemessene Setzungen des CBL-

Gebudes nach Fertigstellung des 8. Stockwerkes.

Eine Abschtzung der zeitlichen Entwicklung der Set-

zungen der Pfahlgruppen 1-41 und 1-5 stellt Abbildung14 dar. Die Setzungen der Gruppe 1-41 sind am Endeder Bauzeit so gut wie abgeschlossen, whrend die

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Gruppe 1-5, die oberhalb der weichen Schicht G abge-setzt ist, in der Betriebsperiode von 10 Jahren ca. 15mm Setzung erfhrt.

4.4.3 Vergleich von bisher gemessenen und be-rechneten Gebudesetzungen

Die bisher gemessenen Gebudesetzungen werden inAbbildung 12 und Abbildung 13 dargestellt. Die Lageder Messpunkte ist Abbildung 11 zu entnehmen. NachHerstellung von 8 der 24 Geschosse liegt die grtegemessene Setzung bei 12 mm bis 13 mm im Vergleichzu den fr diesen Bauzustand prognostizierten Setzun-gen von ca. 15-20 mm aus den 2D-FEM-Modell (Ab-

bildung 15).

4.5 3D-FE-Berechnungen

Die linear elastischen 3D-Berechnungen dienen der

tragwerkplanerischen Bemessung des Kellergeschos-ses, der Optimierung der Pfahlanordnung und Pfahl-lngen, der Bestimmung der Pfahllasten sowie derSetzungen und Differenzsetzungen unter Betrachtungder Steifigkeit des relativ massiven Kellerkastens.Um eine sehr aufwendige FE-Simulation des dreidi-mensionalen Randwertproblems mit Boden-Bauwerk-Grndungs-Interaktion zu umgehen, wurde das Verhal-ten des Kellergeschosses und der Pfahlgrndung mit-tels getrennter Modelle analysiert. Die Kopplung derModelle erfolgte durch die Einhaltung der Verfor-mungskompatibilitt am Interface zwischen Grndung

und Bauwerk.

4.5.1 Modellierung des BauwerksDer komplette Kellerkasten (Wnde, Sttzen, Rampen,Bodenplatte und Betondecke) wurde detailliert im 3D-FE Modell nachabgebildet. Die Pfhle wurden durchlinear elastische Federn modelliert und an der Sohleder Bodenplatte angebracht (Abbildung 16).

Abbildung 16: Sohle des Kellerkastens mit Ersatzfe-

dern.

Das numerische Modell und die Simulationen wurdenvom Technischen Bro der Nigeria GmbH (Trag-werksplaner) mit dem Programm SOFISTIK durchge-

fhrt, die neben der Berechnung von Schnittgrenund Verformungen auch eine direkte Bemessung derMassivbauteile ermglicht. Auf eine detaillierte Be-schreibung dieses FE-Modells wird an dieser Stelleverzichtet.

4.5.2 Modellierung der GrndungDie Ersatzfedersteifigkeit des Pfahls i ergibt sich ausdem Verhltnis der Pfahllast Pi zur Pfahlkopfverschie-

bung ui, Ki = Pi / ui. Die Pfahlkopfsetzung resultiert ausden Setzungen des Einzelpfahls und der Gruppenset-zung, ui = ue,i + ug,i. Da auf Basis der Ergebnisse derPfahlprobebelastungen und der 2D-FE Setzungsbe-rechnungen die zu erwartenden Gruppensetzungenmindestens um Faktor 5 grer als die Einzelpfahlset-zung sind, drfen Gruppeneffekten bei der Ermittlungvon Ki nicht vernachlssigt werden.

Abbildung 17: Tiefliegende Ersatzfundamente fr die

Abschtzung der Pfahlgruppensetzungen.

Zur Bestimmung der Pfahlsetzungen wurde die Pfahl-grndung in 50 Pfahlgruppen unterteilt (Abbildung17). Die Pfahlgruppen wurden durch quadratische oderrechteckige tiefliegende Fundamente ersetzt, derenSohlen an den Spitzen der Pfahlgruppen liegen. Der

Umriss der Ersatzfundamente resultiert aus der Lageder ueren Pfhle der Gruppe plus einen Pfahldurch-messer. Die Nummerierung der Pfhle und der Pfahl-gruppen ist in Abbildung 18 dargestellt. Um die auf dieErsatzfundamente aufzubringenden Lasten zu definie-ren, wurden die Ergebnisse der im Kapitel 4.4.2 er-whnten Ersatzpfahlberechnungen herangezogen. DieFlchenlasten der Fundamente wurden aus den an derSpitze der Ersatzpfhle ankommenden Lasten berech-net. Die ber dem Mantel der Ersatzpfhle abgetrage-nen Lasten wurden auf die Flche zwischen den Er-satzfundamenten gleichmig verteilt. Die Zonen A bisF in Abbildung 18 wurden eingefhrt, um die unter-schiedliche Lastabtragung der verschiedenen Pfahl-gruppen nherungsweise zu bercksichtigen.

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Tabelle 5 zeigt die Anteile der ber Spitzendruck undMantelreibung abgetragenen Pfahllasten fr jede Zone.Der grte Spitzenanteil wird fr die Zone D ermittelt,welche die grte Pfahlgruppe beinhaltet und erwar-tungsgem den strksten Gruppeneffekt aufweist. ImGegensatz dazu weisen die Bereiche C und E die

schwchsten Gruppeneffekte auf.

Die Berechnung der Setzungen der tiefliegenden Fun-damente erfolgt nach dem Steifemodulverfahren mitHilfe des Programms DC-Setzung. In der Modellierungwerden die unter der Spitze der Pfhle liegendenSchichten mit den Es-Werten aus Tabelle 1 verwendet.Die Modellierung des Grndungsverhaltens wurdevom geotechnischen Planer durchgefhrt.

Zone A

Zone B

Zone C

Zone D

Zone F

Zone E

A A

Abbildung 18: Tiefliegende Ersatzfundamente und

Lastabtragungszonen .

Tabelle 5: Anteile der ber Spitzendruck und Mantel-

reibung abgetragenen Pfahllasten in verschiedenen

Grndungsbereichen.

BereichLastabtragungsanteile

Spitzendruck Mantelreibung

A 0,48 0,52B 0,54 0,46C 0,46 0,54D 0,68 0,32

E 0,45 0,55F 0,57 0,43

4.5.3 Kopplung der Modelle fr Grndung undBauwerk

Die Kopplung des Grndungsmodells mit dem Bau-werksmodell erfolgt unter Betrachtung der kinemati-schen Kompatibilitt am Grndungs-Bauwerk-Interface. Die Kompatibilitt der Verformungen erfor-dert, dass die aus beiden Modellen resultierenden Inter-face-Verschiebungen identisch sind. In unserer Model-lierung kann diese Bedingung nur nherungsweise

erfllt werden, da im Grndungsmodell die tiefenlie-genden Ersatzfundamente voneinander entkoppelt sind,

d.h. die Kopplung der Pfhle innerhalb einer Gruppeund zwischen den Gruppen ber die Bodenplatte ver-nachlssigt wird.In der Berechnung wurde die Kompatibilittsbedin-gung iterativ erfllt. In der ersten Iteration wird ange-nommen, dass alle Ersatzfedern die gleiche Steifigkeit

haben. Die Federsteifigkeit wird aus den Ergebnissender Pfahltests abgeleitet und betrgt 1500 MN / m. MitHilfe des Sofistik-Modells werden Verformungen desKellerkastens und Pfahlkrfte (Federkrfte) berechnet.Diese Pfahllasten werden auf dem Grndungsmodellaufgebracht, um Pfahlsetzungen zu ermitteln. Aus denPfahlkrften und den Pfahlsetzungen ergeben sich neueFedersteifigkeiten, mit denen die zweite Iteration ge-startet wird.Der Iterationsvorgang wurde beendet, sobald die Ab-weichung der Pfahllasten und der Pfahlsetzungen inzwei aufeinanderfolgenden Iterationsschritten kleinerals 10% wurde.

4.5.4 Ergebnisse der BerechnungenUm die Anzahl der Pfhlen zu minimieren und gleich-zeitig rechnerische Setzungen und Differenzsetzungenauf einem fr das Bauwerk und die aufwendige Fassa-de des Gebudes vertrglichen Ma zu begrenzen,wurden Berechnungen mit verschiedene Pfahlanord-nungen und Pfahllngen durchgefhrt. Als Gebrauchs-tauglichkeitskriterium wurden eine maximale Setzungdes Gebudes von 12 cm und eine maximale Verdre-hungen von 1/500 vorgegeben.

Zuerst wurden alle Pfhle bei -47m LCD, oberhalb derweichen Tonschicht G, abgesetzt (Grndungsvariante1). Das Konturdiagramm der resultierenden Setzungenist in Abbildung 19 gezeigt. Aufgrund der maximalenSetzungen von ca. 0,2 m im Kernbereich des Hauptge-

budes (Achse 5 bis 8 und Achse D bis B) und vonunzulssigen Verdrehungen von bis zu 1/200 wurdediese Variante nicht weiter verfolgt.

Abbildung 19: Kontourdiagramm der Setzungen fr

ein einheitliches Absetzniveau der Pfahlgrndung von

-47m LCD (Grndungsvariante 1).

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In einem zweiten Schritt wurden 43 Pfhle im Kernbe-reich (Achse 5 bis 8 und Achse D bis B) bis auf -60 mLCD verlngert. Die zulssige Pfahllast der ca. 63 mlangen Pfhle wurde auf Basis der Ergebnisse derPfahlprobebelastungen zu 15 MN berechnet.Einige Pfhle zwischen den Achsen 7 bis 10 und Ach-

sen E bis F mit relativ niedrigen Pfahllasten wurdenauf -37 m LCD verkrzt. Die Absetztiefe der restlichenPfhle wurde bei -47 m LCD beibehalten. Die Verln-gerung der Pfhle im Kernbereich bewirkt hier eineHalbierung der Setzungen (Abbildung 21). Die Set-zungen am Rand des Kernbereichs liegen immer nochber 0,12 m. Auch die Verdrehungen bersteigen denzulssigen Wert deutlich.In weiteren Rechenvarianten wurde die Anzahl der bei-60 m LCD abgesetzten Pfhle sukzessiv erhht, bisdie berechneten Setzungen und Verdrehungen diezulssigen Werte einhielten.Die Pfahlanordnung, die zur Erfllung der Gebrauchs-

tauglichkeitsbedingungen fhrt, ist in Abbildung 21dargestellt. Die endgltige Pfahlgrndung besteht aus161 Bohrpfhlen. Die berechneten Pfahllasten sindstets kleiner als die zulssigen Werte.Die meisten Pfhle (98) werden in der Tiefe -47m LCD abgesetzt. In einem erweiterten Kernbereichsind Pfhle bis -60 m LCD erforderlich (55). In einemkleineren Bereich der Grndung sind Pfhle bis -37 mLCD zur Abtragung der Lasten ausreichend (8). Diefr die endgltige Pfahlgrndung resultierenden Set-zungen zeigt Abbildung 22.Im Allgemeinen liegen die in Abbildung 22 dargestell-

ten Setzungen 20% bis 30% ber den mit dem 2D-FE-Modell berechneten Setzungen (Abbildung 12 undAbbildung 13). Bei der 2D-Modellierung trugen nurdie an den Pfahlspitzen ankommenden Lasten zu denSetzungen der Pfahlgruppen bei, was einer sehr flachenAbstrahlung der Mantelreibungskrfte entspricht. Umeine auf der sicheren Seite liegende Bemessung desKellerkastens zu ermglichen, wird bei der 3D-Modellierung angenommen, dass die gesamten Pfahl-lasten in der Absetztiefe der Pfhle und innerhalb desGrundriss des Gebudes wirken. Dies entspricht einersehr steilen Abstrahlung der Mantelreibungskrfte.

Abbildung 20: Konturdiagramm der Setzungen fr

Grndungsvariante 2.

Depth 47mLCD

Depth 60mLCD

Depth 37mLCD

Abbildung 21: Anordnung und Absetzniveau der aus-

gefhrten Pfahlgrndung

Abbildung 22: Konturdiagramm der Setzungen fr die

ausgefhrte Pfahlgrndung

Daher kann davon ausgegangen werden, dass die 2D-und 3D-Setzungsberechnungen mgliche untere bzw.obere Grenzen der zu erwartenden Setzungen darstel-len.

4.6 Horizontale Beanspruchung der Grndungs-pfhle im Bauzustand

Aufgrund der berwiegend vertikal wirkenden Gebu-delasten war vorgesehen, wenn mglich, die Grn-dungspfhle unbewehrt herzustellen. Bedingt durcharchitektonische Vorgaben sind Sttzen und Wnde ingeringem Abstand von der ueren Begrenzung desGebudes anzuordnen (siehe Abbildung 24). Da dieGrndungspfhle nahe an den Lasteinleitungsbereichen

positioniert werden sollten, liegen diese im ungnstigs-

ten Fall in einem lichten Abstand von lediglich weni-gen Dezimetern vom Bodenplattenrand bzw. von der

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berschnittenen Bohrpfahlwand, die zur horizontalenBaugrubensicherung verwendet wurde.

(a)

(b)

(c) Abbildung 23: 2D-FEM-Modell: (a) FE-Netz zu Be-

ginn der Berechnung (b) FE-Netz am Ende des Aus-

hubs (c) Ansicht und Draufsicht der Pfhle im Bau-

grund im Schnitt 2

Die Pfhle binden wesentlich tiefer als dieVerbauwand ein und haben eine nicht zu vernachlssi-

gende Biegesteifigkeit, wodurch diese das Erdwiderla-ger auf der Baugrubenseite der Wand (Dbelwirkung)verstrken. Ein steiferes Erdwiderlager wirkt sich aufdie Wandverformungen whrend des Aushubs gnstigaus, fhrt jedoch zu einer horizontalen Zwangsbean-spruchung der Bohrpfhle.

Daher musste also berprft werden, ob aufgrund deraushubbedingten Biege- und Scherbeanspruchungendie Bewehrung von Randpfhlen erforderlich wird.

Die Abschtzung der Beanspruchung der betroffenenGrndungspfhle erfolgte mit Hilfe von ebenen 2D-

FE-Simulationen. Hierzu wurde das FE-ProgrammABAQUS verwendet. Die geplante Herstellreihenfolgewurde durch einzelne Bauzustnde in den Berechnun-gen bercksichtigt. Im Bereich des Erdwiderlagerswurden die Pfhle wie auch der Boden mitKontinuumselementen abgebildet. Jedoch wurde imBereich der Pfhle nicht der in Modelltiefe zwischenden Pfhlen liegende Baugrund in den Berechnungenangesetzt, sondern alleine die Pfhle (siehe Abbildung23). Zwar liegt dieser Ansatz fr den Nachweis derinneren Tragfhigkeit der Pfhle in Allgemeinen aufder sicheren Seite, aber er ermglicht in Anbetracht der

schlechten mechanischen Baugrundeigenschaften einerealistische Abschtzung der horizontalen Pfahlbean-spruchung.

Abbildung 24: Gltigkeitsbereich der Berechnungs-

schnitte

Aufgrund der unregelmigen Anordnung von Sttzenund Wnden folgt auch eine unregelmige Anord-

nung der Grndungspfhle im Grundriss. Um diePfahlbewehrung zu optimieren, wurden daher ver-schiedene Berechnungsquerschnitte definiert und rech-

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nerisch untersucht (siehe Abbildung 24). Die berechne-ten Schnittgren fr Berechnungsschnitt 1 sind inAbbildung 25 dargestellt.

Abbildung 25: Berechnete Schnittgren fr die Be-

rechnungsschnitt 1: (a) Biegemomente, (b) Querkrfte

Die Berechnungsergebnisse an den einzelnen Schnittenergeben, dass gerade in der ersten Pfahlreihe (Reihe 1)ausgehend von der Verbauwand Biegemomente von1022 kN/m bis 1781 kN/m auftreten knnen. In denweiter entfernten Pfahlreihen nehmen die ermitteltenBiegemomente rasch ab, so dass im vorliegenden Fallnur die erste Pfahlreihe, in Ausnahmenfllen auch die

zweite Pfahlreihe, in den oberen 20 m bis 30 m be-wehrt werden musste. Die grten Biegemomenteergeben sich dabei im Berechnungsschnitt 1, in demlediglich ein Pfahl in geringem Abstand von derVerbauwand in der 1. Pfahlreihe vorhanden ist (sieheTabelle 6).

Tabelle 6: Berechnete maximale Biegemomente in den

einzelnen Pfahlreihen

maximales Biegemoment [kNm/m]Schnitt Reihe 1 Reihe 2 Reihe 3 Reihe 4

1 1781 311 103 -2 1022 692 214 1963 1503 601 377 1964 1202 882 269 2485 1290 1065 553 3446 1396 335 103 -7 1619 346 86 -8 1321 826 474 2059 1322 540 381 196

5. SchlussbemerkungIn der Praxis wird oft ber den Nutzen von Pfahlpro-

bebelastungen diskutiert. In diesem Projekt konntegezeigt werden, dass gerade bei wenig tragfhigen

Bden insbesondere wenn nicht ausreichende Erfah-rungen mit dem Baugrund aus frheren Baumanah-men vorliegen Probebelastungen durchaus eine Mi-nimierung der ausfhrungstechnischen Risiken sowieeine technische und wirtschaftliche Optimierung derGrndung ermglichen knnen. Es zeigt sich, dass die

Durchfhrung der Tests vor Beginn der eigentlichenProduktion am sinnvollsten ist. Wichtig ist es, dass dientige Zeit fr die Auswertung und Interpretation derTests sowie fr die Bercksichtigung der Ergebnisse inder Planung eingerumt wird. In diesem Projekt betrugdie Zeit von der Beauftragung der Pfahlprobebelastun-gen bis zur Auswertung der Versuchsergebnisse ca. 4Monate (ohne Umsetzung der Ergebnisse in der Pla-nung).

Bei der Berechnung der Setzungen der Pfahlgrndungwurde auf eine 3D-Simulation der Boden-Grndung-Bauwerks-Interaktion verzichtet, obwohl dies soft-

waretechnisch realisierbar gewesen wre. Stattdessenwurde der Schwerpunkt auf die Zusammenarbeit mitdem Tragwerksplaner gesetzt, was letztendlich zurEntwicklung des 3D-FE- Modells des Bauwerks mitvereinfachter Betrachtung der Grndung-Baugrund-Bauwerks-Interaktion fhrte. Zwar ist dadurch evtl. nureine grobe Prognose der Setzungen mglich, aber dievorgeschlagene Modellierungsvorgehensweise ermg-licht im Gegensatz zu einer vollen 3D-Modellierungdes Randwertproblems eine schnelle Bewertung vonGrndungsvarianten und war eine wichtige Vorausset-zung fr die durchgefhrte Optimierung der Pfahl-

grndung.

Der durch die Pfahlprobebelastungen und die numeri-schen Modellierung verursachte Planungsaufwandwurde durch den wirtschaftlichen Nutzen bei der Bau-ausfhrung um das mehrfache kompensiert.

6. Literatur[1] ABAQUS, Version 6.8, Users manual,

www.simulia.com.

[2] Herle and G. Gudehus. Determination of pa-

rameters of a hypoplastic constitutive modelfrom gain properties. Mechanics of Cohesive-Frictional Materials 4 (1999), No. 5, pp. 461486

[3] Niemunis, A.: Extended hypoplastic models forsoils. Schriftenreihe des Institutes fr Grundbauund Bodenmechanik der Ruhr-Universitt Bo-chum, 2003 (34)

[4] www.google.com