Tiefgaragen. Teil 1 | Technische & Kostenanalyse
Ausführungsplanung | Die Niederlande
- Tiefgaragen. Teil 1 | Technische & Kostenanalyse
Haftungsausschluss
Die wirtschaftliche Analyse wurde von dem niederländischen beratenden Ingenieurbüro Witteveen + Bos (W+B) für ArcelorMittal im Jahr 2020 durchgeführt. Die Entwurfsannahmen wurden für eine Tiefgarage unter Bodenverhältnissen ermittelt, wie sie in der Innenstadt von Amsterdam, Niederlande, anzutreffen sind.
ArcelorMittal betont, dass W+B eine objektive und unvoreingenommene Fallstudie durchgeführt hat. Bei der Analyse handelt es sich um eine rein hypothetische Fallstudie mit Einschränkungen hinsichtlich der Beständigkeit von Kosten und Techniken, da diese Aspekte auf Märkten und in unterschiedlichen Baugründen sehr dynamisch sein können.
Diese Fallstudie ist kein projektspezifischer Entwurf, daher können weder ArcelorMittal noch Witteveen + Bos für Entscheidungen verantwortlich gemacht werden, die in spezifischen Projekten auf der Grundlage des Entwurfs oder der Schlussfolgerungen des von W+B erstellten Berichts getroffen werden.
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In einer zweiten Phase wird auf der Grundlage der Ergebnisse der Fallstudie eine Ökobilanz erstellt, um den CO2-Fußabdruck in die Auswahl der Lösung einzubeziehen, die zu den niedrigsten Gesamtlebenszykluskosten führt, einschließlich der Belastungen oder Vorteile am Ende der Lebensdauer (Rückbau, Recycling der Gebäudeelemente). Die Ökobilanz wird von einem unabhängigen Sachverständigen begutachtet. Wir sind der Meinung, dass eine Ökobilanz eine recht faire und transparente Methode ist, um verschiedene Lösungen und Anbieter zu vergleichen, vorzugsweise auf der Grundlage spezifischer Umweltproduktdeklarationen (EPD) der Hersteller und nicht auf der Grundlage generischer Daten aus Datenbanken.
Bei der Wahl einer Lösung sind mehrere Schlüsselindikatoren zu berücksichtigen, wobei der wichtigste die Baukosten (einschließlich der Planung) sind. Der Kostenindikator der von W+B durchgeführten Analyse ist in der nachstehenden Tabelle zusammengefasst. Die Fallstudie hatte zwei unterirdische Ebenen, aber die Ergebnisse wären bei einer Tiefgarage mit drei Ebenen recht ähnlich. Es ist zu beachten, dass die Schlussfolgerungen nicht einfach auf andere Situationen oder andere Länder übertragen werden können, ohne einen Korrekturfaktor anzuwenden. Die Spundwand ist die kostengünstigste Lösung, der Unterschied beträgt etwa 40 % im Vergleich zur Cutter-Soil-Mix-(CSM)-Wand, etwa 50 % im Vergleich zur überschnittenen Bohrpfahlwand und mehr als 150 % im Vergleich zur Schlitzwand .
In dieser Fallstudie ist die Stahlspundwandlösung für die Stützwand der Tiefgarage mit zwei Ebenen unter dem Boden um mindestens 38 % kostengünstiger.
Einleitung
Um einen fundierten Vergleich von Spundbohlen mit alternativen Lösungen zu ermöglichen, wurde eine einfache, aber realistische Fallstudie durchgeführt. Der Fall basiert auf einer Standardgeometrie von ca. 30 m x 250 m mit ca. 600 Parkplätzen und einer angenommenen Nutzungsdauer von 100 Jahren in einer innerstädtischen Umgebung, in der Setzungen und Erschütterungen zu befürchten sind. Die Analysen berücksichtigten weiche Baugrundbedingungen (typisch für Deltagebiete) mit einem relativ hohen Grundwasserspiegel.
Folgende Konstruktionsmethoden wurden analysiert
- Stahlspundwand;
- Soil-Mix-Wand (Cutter Soil Mix, CSM);
- Schlitzwand;
- überschnittene Bohrpfahlwand.
Ziel der Arbeit war es, verschiedene Alternativen zu entwerfen und die Baukosten der Wände zu vergleichen, wobei finanzielle Aspekte im Zusammenhang mit der Ausführungsgeschwindigkeit berücksichtigt wurden.
Das in diesem Projekt erstellte Leistungsverzeichnis dient als Grundlage für eine spätere Lebenszyklusanalyse (Teil eines anderen Projekts).
Geotechnische Bemessung
Geometrische Daten
Die Außenmaße der Tiefgarage betragen 30 m x 250 m. Der Mindestabstand in Garagen beträgt 2,3 m. Darüber hinaus werden weitere 0,3 m für Installationen usw. benötigt. Die Garage soll 2 Parkebenen haben, und das Dach soll 2 m unter der Oberfläche beginnen, so dass in Zukunft Versorgungsleitungen (Kabel und Rohre) über der Garage verlegt werden können.
Unter der Annahme einer Stützenreihe in der Mitte des Bauwerks beträgt die Spannweite 15 m. Das Bauwerk hat folgende Abmessungen (Höhe)
- Dach: 0,8 m - 1,0 m;
- Sohlplatte: 0,4 m - 0,5 m;
- Unterwasserbetonplatte: 0,8 m - 1,0 m;
- zusätzliche 0,2 - 0,3 m Kies unter der Unterwasserbetonplatte.
Diese großen Abmessungen wurden gewählt, um die Konstruktion robust zu machen, was zu einer Aushubtiefe von 10,5 m führt. Die Geometrie ist in Abbildung 2.1 dargestellt. Auf die Bodenoberfläche wird eine variable Auflast von 20 kPa aufgebracht.
Praktische Aspekte
Das Bauwerk wird in der Reihenfolge „von unten nach oben” (Bottom-up) ausgeführt, wobei unter Wasser gearbeitet (gegraben) wird, bis die Unterwasserbetonsohlplatte eingebracht ist. Dies ist die logische Wahl, wenn die Verfügbarkeit von Oberflächen ein oder zwei Jahre lang kein Thema ist. Nur bei extremen Einschränkungen der Oberflächenverfügbarkeit würde man sich für den „Top-Down”-Bau entscheiden, da diese Methode folglich Einschränkungen beim Heben, Arbeiten auf engem Raum, Einschränkungen der Luftqualität usw. bedeutet. Die innerstädtischen Bahnhofskästen der Amsterdamer Nord-Süd-Linie wurden aufgrund der enormen Auswirkungen auf den Verkehr an der Oberfläche und der Probleme mit dem Auftrieb an der tiefsten Aushubstelle (Druckgrabung) von oben nach unten gebaut. Dies bedeutete einen Anstieg der Kosten und der Dauer.
Es werden mindestens zwei Schichten von Streben eingeführt, eine oberhalb und eine unterhalb des Wasserspiegels. Da sich die Baustelle inmitten eines Stadtgebiets befindet, ist die Kontrolle der Verformungen von entscheidender Bedeutung. Die Verformungen von Stützwänden können Schäden an den umliegenden Bauwerken verursachen. In den Niederlanden gibt es kein Gesetz, das die maximal zulässige Verformung vorschreibt, aber es ist gängige Praxis, 1/200 der Stützhöhe als maximal zulässige Verformung der Wand zu akzeptieren, mit einem Maximum von 50 mm.
Um die Verformungen zu reduzieren, wird die erste Ebene der Streben vor Beginn des Aushubs gesetzt. Die Verwendung von Streben (und Trägern) ist im städtischen Bereich unvermeidlich, unabhängig vom gewählten Wandtyp. Das Strebensystem wird sich zwischen den verschiedenen Wandtypen kaum unterscheiden, da die Kräfte in den Streben ähnlich sind.
Es ist weniger vorteilhaft, Anker anstelle von Streben einzusetzen, da der Bau mitten in einem städtischen Gebiet stattfindet (auf Pfählen gegründet). Die Wahrscheinlichkeit, dass unterirdische Objekte wie Fundamente, Kabel, Rohre usw. im Weg sind, ist hoch. Außerdem könnte die Verwendung von Ankern zu rechtlichen Problemen führen, da es in der Regel nicht erlaubt ist, Gegenstände außerhalb der eigenen Grundstücksgrenzen im Boden zu belassen. Die Verankerungen sollten jedoch keinen Einfluss auf die Wahl des Wandtyps haben. Die Verankerungen können zu einer zusätzlichen Vertikallast an der Wand führen, die jedoch bei allen betrachteten Wandtypen als tragfähig angesehen wird. Es ist möglich, dass diese Wahl zu einer zusätzlichen Spundwandlänge führt (ein zusätzlicher Meter Spundwandlänge in Sandschichten erzeugt etwa 100 kN Belastbarkeit, da das horizontale Gleichgewicht auch eine gute Sandschicht erfordert). Alternativ könnten die Spundbohlen zusammengeschweißt werden, so dass die Belastbarkeit auch von den Zwischenbohlen abhängt.
Sicherheitsphilosophie
Die Stützwand ist nach dem europäischen Bemessungscode Eurocode 7, Bemessungsansatz 1 (DA 1, Kombination 1 und 2), dem in den Niederlanden vorgeschriebenen Bemessungsansatz, bemessen. Als maßgebende Bedingungen werden Verschiebungen und Biegemomente (und ggf. Rissbreite) berücksichtigt.
Passive und aktive Erddruckbeiwerte werden unter der Annahme gekrümmter Gleitflächen (Kötter) berechnet. Auf der Aktivseite wird eine Auflast von 20 kPa berücksichtigt.
Design-Software
Die Stützwand wird mit der Software D-Sheet Piling (Version 18.1) von Deltares bemessen. Dies ist die in den Niederlanden am häufigsten verwendete Software für die Bemessung von Stützwänden.
Unterwasserbetonplatte
Der Beton wird als zusätzliche Bodenschicht modelliert. Der Elastizitätsmodul des Betons ist E = 20 GPa und die Breite des Baugrubenaushubs beträgt b = 30 m. Der Bettungsmodul der Betonschicht von K = E / (b/2), der etwa 106 kN/m3 beträgt, wird bei der Bemessung berücksichtigt.
Das Stückgewicht des Betons ist nicht Null, wird aber als nahezu Null modelliert, da davon ausgegangen wird, dass das Gewicht des Bodens auf die Stützpfähle übertragen wird (die Sohlplatte wird während der Bauphase durch Zugpfähle gestützt, um Auftrieb zu vermeiden, und kann sich lokal auf vertikal belastete Pfähle an den Säulen übertragen, die alle Lasten anziehen) und daher nicht auf den Boden direkt unter dem Boden wirkt. Phi und Delta werden als Null modelliert, um die homogene, im Gegensatz zur körnigen Beschaffenheit von Beton im Vergleich zum Boden besser darzustellen. Als Wert für die Kohäsion wird die halbe Druckfestigkeit des Betons (c = 15 MPa) angenommen, so dass bei Kp = 1 die passive Spannung gleich der Druckspannung des Betons ist.
Stützwände
Stahlspundwand
Der ursprüngliche Entwurf sah eine AZ 20-700 Spundbohle vor, da die bevorzugte Einbringmethode in dicht besiedelten städtischen Gebieten das Pressen ist und für die AZ-800 Reihe keine Pressgeräte verfügbar waren. In der Zwischenzeit wurden mehrere Pressen für die 800 mm breiten Pfähle entwickelt. Daher würde der Entwurf heutzutage einen AZ 20-800 berücksichtigen, der gleichwertige Querschnittseigenschaften wie der AZ 20-700 hat, aber kaum 8 % leichter ist.
Im Allgemeinen wird eine 10 mm dicke Spundbohle als praktische untere Grenze in Bezug auf Steifigkeit und Festigkeit für das Einpressen von Spundbohlen in den Boden angesehen, aber dies hängt von den Bodenverhältnissen und der Länge der Bohle ab.
Aus Gründen der Konsistenz wird der Vergleich mit den alternativen Lösungen dennoch mit dem ursprünglichen Spundwandprofil durchgeführt.
Die Korrosion wird in der Torfschicht berücksichtigt. Nach dem niederländischen Code CUR 166 beträgt der erwartete Verlust an Stahldicke 0,012 mm pro Jahr und Seite.
Die gewählte Stahlgüte ist S 355 GP nach DIN EN 10248. Eine höherwertige Stahlsorte führt zu einer höheren Biegemomentenkapazität, aber nicht unbedingt zu einer besseren Einpressbarkeit.
Um Setzungen aufgrund von Verdichtungen in den Granulatschichten während des Einsatzes eines Vibrationshammers zu vermeiden, ist der Einbau mit einem hydraulischen Pressensystem vorgesehen, das die einzelnen Spundbohlen bis zur erforderlichen Tiefe in den Boden drückt. Dies führt zu einer geringeren Produktivität, die derzeit bei 10 m Wandfortschritt pro Arbeitstag liegt.
Die eingepresste Spundbohle bietet die höchste Qualität bei der Verhinderung von Setzungen durch die Einbringung, da es keinen Spannungsabbau gibt, außer in den Fällen, in denen der Einpressvorgang eine übermäßige Auf- und Abwärtsbewegung (Rütteln) erfordert. Beachten Sie, dass das Vorbohren aufgrund des Spannungsabbaus einen gewissen Setzungseffekt verursachen könnte.
Besondere Maßnahmen wie Wasserstrahlen oder verpressbares Vorbohren sind nicht vorgesehen, könnten aber in bestimmten Fällen erforderlich sein, wenn es beim Rammen der Spundbohlen zu Versagungen kommt.
Nach dem Aushub und der Entwässerung werden die Schlösser der Spundbohlen dichtgeschweißt, um die höchstmögliche Qualität der Wasserdichtigkeit zu erreichen.
Die Verbindung mit der Unterwasserbetonschicht wird durch das Anschweißen von Bewehrungsstabstücken an der Spundbohle auf der oberen Ebene des Unterwasserbetons vor dem Einbringen der Spundbohle erreicht, wodurch Unterwasserschweißungen eingespart werden. Die Biegung der Spundbohle erzeugt eine konzentrierte Reaktionskraft im oberen Teil der Betonplatte. In diesem Bereich bietet der Bewehrungsstab einen optimalen Scherwiderstand und verfügt über einen ausreichenden Betonkeil, um eine Scherebene im Beton zu verhindern und gleichzeitig dem Wasserdruck nach oben standzuhalten.
Schlitzwand
Die Schlitzwand hat eine Wandstärke von 800 mm, die Stahlgüte ist B 500 S und die Betongüte wurde auf C35/45 festgelegt. Die minimal erforderliche Biegemomentkapazität berücksichtigt sowohl das Kriterium des Grenzzustandes der Gebrauchstauglichkeit (SLS) als auch das Kriterium des Grenzzustandes der Tragfähigkeit (ULS). Die Menge der Bewehrungsstäbe beträgt 61,3 kg/m3 (kg Stahl/ m3 Beton) in Bezug auf die Erhaltung der Bewehrung, das SLS-Rissbreitenkriterium ist 0,3 mm.
Das Biegemoment in SLS ist der maßgebende Faktor (Versagensmodus) für die Stahlbewehrung der Wand. Ein unzureichender BMC-Gehalt in SLS würde zu Rissen in der Wand führen und Korrosion der Bewehrungsstäbe verursachen, was die Integrität der Wand beeinträchtigen würde.
Verbesserung der Schlitzwandqualität
Die Qualität der Schlitzwand ist in den letzten Jahren zu einem ernsten Problem geworden. Wenn das Verfahren zur Herstellung der Schlitzwand vollständig beherrscht wird, kann ein hochwertiges und dauerhaftes Produkt erzielt werden. Bei einigen neueren Projekten gab es jedoch Bedenken hinsichtlich der Wasserdichtigkeit der Fugen. Dies war der Auslöser für ein Forschungsprogramm, das sich speziell mit dem Fließen von Beton und der Erkennung von Fehlern vor dem Aushub befasst. Ein Ergebnis dieser Forschung ist die Anwendung des Crosshole Sonic Logging. Die Methode besteht aus einer akustischen Prüfung, die nach der Aushärtung des Betons und vor dem Aushub durchgeführt wird, um eine kontinuierliche Präsenz des Betons zwischen den Aufnahmerohren in voller Länge zu erkennen. Verdächtige Stellen können mit Gegenmaßnahmen wie Injektionen hinter den Fugen behandelt werden.
Die Auswirkungen des Einbaus sind hauptsächlich induzierte Setzungen. Ungefähr 1 % des überschüssigen Materials wird abgetragen, was zu einer keilförmigen Setzung rund um den Aushub führt. Eine mögliche Lösung zur Kontrolle der Setzungen besteht darin, die Plattenbreite auf einen minimalen Einzelgreifer von 2,80 m zu reduzieren, um die Wölbungswirkung im Baugrund zu optimieren. Der Nachteil dieser Maßnahme ist die Zunahme der Anzahl der Fugen und der damit verbundene Rückgang der Produktion. Eine praktische Platte ist etwa 5 m breit, sofern der Abstand zu benachbarten Bauwerken mehr als 5 m beträgt. Die maximale Plattenbreite von 7,80 m wird bei innerstädtischen Projekten nicht empfohlen. Die erwartete Produktion pro Tag beträgt 5 m pro Tag (eine Doppelgreiferplatte, die angesichts des begrenzten Geländes mit einem Kran hergestellt wird).
Soil-Mix-Wand
Die Soil-Mix-Wand hat eine Wandstärke von 550 mm und ist innen mit HEA 320-Profilen in der Stahlgüte S 355 ausgestattet, die einen Achsabstand von 1.100 mm haben.
IPE-Profile könnten die HEA-Profile ersetzen, sofern die Wölbungswirkung erfüllt ist (siehe Abbildung 3.9.).
Überschnittene Bohrpfahlwand
Die überschnittene Bohrpfahlwand wird aus Betonbohrpfählen mit einem Durchmesser von 630 mm hergestellt. In die Wand werden HEA 320 Profile in der Stahlgüte S 355 mit einem Achsabstand von 1.000 mm eingesetzt. Die Überlappung der Pfähle beträgt 130 mm.
IPE-Profile könnten die HEA-Profile ersetzen, sofern die Wölbungswirkung erfüllt wird.
Bewehrungskörbe werden nicht berücksichtigt, da der Einbau ein Problem darstellen könnte.
Für die überschnittene Bohrpfahlwand gelten bis zu einem gewissen Grad die gleichen Überlegungen wie für die Soil-Mix-Wand. Bei einer Baugrube unterhalb des Grundwasserspiegels ist die Wasserdichtigkeit angesichts der enormen Anzahl von Fugen ein äußerst wichtiges Thema. Bei diesem Konzept wird der Boden nicht gemischt, sondern mit Hilfe einer durchgehenden Holbohrschnecke (CFA) durch Beton ersetzt.
Da nicht jeder Pfahl mit einem Stahlprofil ausgestattet ist, ist die Wölbung äußerst wichtig, da sonst die Zwischenstütze ihre Verbindung verliert und somit ein ernsthaftes Leck entsteht. Der maximal zulässige Abstand zwischen den Trägern ist daher entscheidend.
Die Auswirkungen des Einbaus sind hauptsächlich induzierte Setzungen. Ungefähr 1 % des überschüssigen Materials wird abgetragen, was zu einer keilförmigen Setzung rund um den Aushub führt. Das Konzept erzeugt keine nennenswerten Erschütterungen. Das Konzept beruht auf einem Überschnitt im zuvor eingebrachten, noch nicht vollständig ausgehärteten Pfahl, wodurch ein mehr oder weniger kontinuierlicher Querschnitt an der Überlappung der Pfähle entsteht, ohne dass wasserdichte Profile verwendet werden.
Stützen und Sohlplatten werden mit der überschnittenen Bohrpfahlwand verbunden, indem die Stahlträger mit dem horizontalen Element verbunden werden.
Die überschnittene Bohrpfahlwand erzeugt weniger Abraum als die Schlitzwand.
Die erwartete Produktionsrate beträgt typischerweise 8 m pro Tag, was 16 Bohrpfählen pro Tag entspricht.
Überblick über die Merkmale von Stützwänden
Brandschutz
Einleitung
Eines der wichtigsten Themen bei der Planung einer Tiefgarage ist der Brandschutz. Die Abstellung von Fahrzeugen in einem engen Raum unter der Erde stellt im Vergleich zu einem Gebäude höhere Anforderungen an die Sicherheitsmaßnahmen im Brandfall. Diese Maßnahmen hängen von der Größe der Tiefgarage ab (Unterteilung, Anzahl der Stellplätze, ...) und umfassen beispielsweise Brandmelde- und Warnsysteme, möglicherweise die Notwendigkeit von Belüftung, Rauchabzug und/oder Sprinklern sowie die Bereitstellung von Feuerlöschern und ausreichenden Fluchtmöglichkeiten. Als solche sind diese Maßnahmen unabhängig von der Bauweise, vorausgesetzt, der strukturelle Widerstand bleibt für eine vorgeschriebene Branddauer erhalten. Die (strukturelle) Feuerbeständigkeit wird durch die Bauweise bestimmt (z. B. Tragsystem, Verwendung von Materialien).
Brandszenario und Temperaturbelastungen
Zur Veranschaulichung der Anforderungen an die Brandbemessung wurden zwei kürzlich in den Niederlanden gebaute Projekte mit Stahlspundbohlen bewertet: Parkhaus Apeldoorn und Parkhaus Utrecht. Die Berechnungen basieren auf Eurocode 3 und gehen von einem Brandszenario aus, bei dem Fahrzeug 1 zum Zeitpunkt t = 0, Fahrzeug 2 bei t = 12 Minuten und Fahrzeug 3 bei t = 24 Minuten in Brand gerät (siehe Abbildung unten).
Die umgebende Struktur ist dieser Brandlast ausgesetzt. In der nachstehenden Abbildung ist der Temperatureinfluss auf den Träger (vergleichbar mit der Spundwand) für Fahrzeug 1 dargestellt.
Spundwand
Auf der Grundlage von Finite-Elemente-Berechnungen bei diesen beiden Projekten wurde vom Auftragnehmer abgeleitet, dass die Temperatur an der Vorderseite der Spundbohle 400 °C nicht überschreiten würde. Außerdem ist der Bereich, in dem sich diese Temperaturen entwickeln würden, begrenzt.
Es ist zu beachten, dass diese Projekte durch sandige Böden, einen hohen Grundwasserspiegel und relativ dicke (mehr als 14 mm) Spundandwandprofile gekennzeichnet waren. In dem in diesem Dokument beschriebenen Fall besteht die Bodenschicht nicht aus Sand, sondern hat einen hohen Grundwasserspiegel. Die Berechnungen ergaben, dass die Bodenschichten eine geringere Einwirkung haben, der Grundwasserspiegel und die Stahldicke jedoch eine entscheidende Rolle spielen. Im Rahmen dieses Projekts wurden keine fortgeschrittenen FEM-Berechnungen für die Brandschutzanalyse durchgeführt. Aus diesem Grund gehen wir davon aus, dass die Spundbohle geschützt wird, um eine übermäßige thermische Belastung zu vermeiden.
Spundwände erfahren einen lokalen, gleichmäßigen Temperaturanstieg über die Dicke des Querschnitts, der gemäß den niederländischen Richtlinien für Bauwerke von Rijkswaterstaat (ROK) den Einsatz von Brandschutzmaßnahmen erfordert, sofern nicht etwas anderes nachgewiesen/berechnet wird. Zu diesen Maßnahmen gehört vor allem das Aufbringen von Beschichtungen, deren Dicke und Art von der erforderlichen Feuerbeständigkeit abhängen.
Soil-Mix-Wand
Bei der Brandbeanspruchung einer Wand aus mit erhärtetem Zement vermischtem Erdreich wird der Feuerwiderstand durch alle Materialkomponenten bestimmt. Das Ausmaß der Einwirkung hängt von der durch das Feuer aufgeheizten Fläche und der Leitfähigkeit des Soil-Mix ab. Die Einwirkung der Temperatur hängt von den verschiedenen Komponenten des Soil-Mix ab. Das Bodenmaterial selbst trocknet bei steigenden Temperaturen zunächst durch Verdunstung von Feuchtigkeit aus. Je nach Bodenart können sich bei hohen Temperaturen bestimmte (chemische) Prozesse entwickeln. Bei Quarzsand beispielsweise verändert sich die innere Struktur bei hohen Temperaturen, was zu einer plötzlichen Ausdehnung des Materials führt. Lehm tritt bei hohen Temperaturen in einen Sinterungsprozess über, wodurch die Tonpartikel schmelzen und verschmelzen. Torf besteht unter anderem aus kohlenstoffhaltigen Zersetzungsprodukten, die sich bei einem Brand weiter zersetzen können. All diese Prozesse verändern die Struktur des Bodens und können sich auf die Verdichtung und Zersetzung auswirken, wodurch die allgemeine Standsicherheit von Soil-Mix gewährleistet wird. Für den erhärteten Zement entwickeln sich mit steigender Temperatur verschiedene Austrocknungsprozesse, beginnend mit der Verdampfung von Feuchtigkeit. Bei höheren Temperaturen wird chemisch gebundenes Wasser, das zur Bildung des Zements verwendet wurde, freigesetzt und verdampft anschließend.
Diese Prozesse führen zu einem Abbau des Zements, der sich in einer abnehmenden Festigkeit und Steifigkeit niederschlägt. Je nach den erreichten Temperaturen und der Erhitzungsgeschwindigkeit kann die Zersetzung des Zements zu einer weiteren Destabilisierung des Bodengemisches führen, wodurch die eingebetteten Stahlprofile dem Feuer ausgesetzt werden können. Es ist zu vermeiden, dass der Soil-Mix im Feuer über längere Zeit hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Die Einwirkung des Feuers auf die Stahlprofile beeinträchtigt die Tragfähigkeit, da die Möglichkeiten zum Lastabtrag insbesondere im Vergleich zu einer Schlitzwand begrenzt sind. Vor der Soil-Mix-Wand sollten Schutzmaßnahmen wie hitzebeständige Platten oder Bretter angebracht werden. Diese Schutzmaßnahmen werden höchstwahrscheinlich einen Stützrahmen erfordern, da eine direkte Befestigung an der Soil-Mix-Wand schwierig erscheint und von der Ausreißfestigkeit des Materials an den verankerten Vorrichtungen abhängt. Es sind höchstwahrscheinlich Brandschutzmaßnahmen erforderlich, um zu verhindern, dass die Verdichtung und Zersetzung des Soil-Mix während der Brandeinwirkung beeinträchtigt wird. Die Anbringung von hitzebeständigen Platten oder Brettern auf dem Soil-Mix hängt in erster Linie von der Ausreißfestigkeit des Materials ab und könnte die Verwendung eines Stützrahmens erfordern.
Überschnittene Bohrpfahlwand
Für diesen Wandtyp gelten ähnliche Aspekte der Feuerbeständigkeit wie für die Schlitzwand. Dabei sind sowohl der Temperaturverlauf als auch das Auftreten von Abplatzungen zu berücksichtigen. Die Unterschiede in den Auswirkungen der Brandeinwirkung sind auf die Querschnittskonfiguration zurückzuführen, bei der die teilweise Überlappung der Betonpfähle ohne Bewehrung von Bedeutung ist. An diesen Schnittpunkten ist der Querschnitt der überschnittenen Bohrpfahlwand am kleinsten, und Schäden aufgrund von Wärmedurchdringung und Abplatzungen würden sich stärker auswirken als im übrigen Teil der Wand. In dieser Hinsicht ist die Tragfähigkeit der überschnittenen Bohrpfahlwand auch stärker von der Brandeinwirkung betroffen als eine Schlitzwand. Die eingebetteten Stahlprofile erlauben nur einen Lastabtrag in Längsrichtung, wobei die Kraftumverteilung in Querrichtung durch die Querschnittskonfiguration begrenzt ist.
An der überschnittenen Bohrpfahlwand können Brandschutzmaßnahmen wie Platten oder Bretter angebracht werden. Aufgrund der profilierten Oberfläche können nur die äußersten Teile der Pfähle als Basis verwendet werden. In diesem Zusammenhang könnte auch die Verwendung von Spritzverkleidungen in Betracht gezogen werden. Je nach Achsabstand könnte ein zusätzlicher Rahmen erforderlich sein, um die Schutzelemente zu tragen. Eine überschnittene Bohrpfahlwand, die einem Feuer ausgesetzt ist, wird lokal beschädigt. Die Fähigkeit, Lasten sowohl in Längs- als auch in geringerem Maße in Querrichtung zu übertragen, ist begrenzt. Brandschutzmaßnahmen können sowohl hitzebeständige Platten oder Bretter als auch Spritzverkleidungen umfassen.
Schlüsselindikator – Kosten
Der Vergleich der Kosten pro Wandtyp für die gesamte Tiefgarage auf der Grundlage der Gesamtkostenschätzung basiert auf der beschriebenen Geometrie. Es ist zu beachten, dass es sich hierbei um eine Schätzung zu Vergleichszwecken handelt1). Die Kostenauswirkungen für die einzelnen Wandtypen wurden mit diesen Schätzungen transparent gemacht. In der Kostenschätzung werden folgende Posten definiert:
- Zuschläge: decken bekannte, aber nicht detaillierte Elemente des Entwurfs oder der Ausführung ab;
- einmalige Kosten: indirekte Kosten im Zusammenhang mit einmaligen Aufgaben, wie Mobilisierung/Demobilisierung (Personal, Material, Ausrüstung), Einrichtung der Baustelle, Wiederherstellung der Baustelle, Baustellenzufahrt;
- Baustelleneinrichtung: jede Baustelle ist einzigartig in Bezug auf Geometrie, Standortbedingungen, Zugang, angrenzende Einrichtungen und Strukturen usw. Da es sich bei dieser Analyse um einen allgemeinen Ansatz handelt, werden diese Kosten mit einem Prozentsatz anstelle einer detaillierten Berechnung erfasst;
- Baustellenorganisation: zeitabhängige Kosten im Zusammenhang mit Baustellenbüros und allgemeinem Personal (Bauleiter, Vermessungspersonal usw.);
- allgemeine Kosten: zugewiesene Kosten (Vorstand, Hauptverwaltung usw.) als Teil der indirekten Baukosten;
- Ingenieurbüros: Kosten im Zusammenhang mit Umwelt, juristischen Verfahren, wirtschaftlichen Aspekten, organisatorischen Aspekten. Diese Kosten können sowohl mit der Organisation des Kunden als auch mit dem eingestellten Personal/der Beratung zusammenhängen. Die Kosten beschränken sich nicht nur auf die Planung und/oder Qualitätskontrolle, sondern auch auf das Projektmanagement und verschiedene Forschungsarbeiten;
- vorhergesehene Kosten: könnte als Auftragnehmer eines Ausschreibungsangebots betrachtet werden.
Auswirkungen des Wandtyps auf Planung und Cashflow
Während in der normalen Produktion verschiedene Bauschritte aneinandergereiht und kombiniert werden, lässt die Stützwand kaum Kombinationen zu und verbleibt immer als separater, sequenzieller Bauschritt auf dem kritischen Pfad. Die Produktionsgeschwindigkeit steht daher in direkter Wechselbeziehung mit der Gesamtbauzeit und dem Cashflow.
Aus diesem Grund wurden die Produktionsgeschwindigkeiten und die damit verbundenen Vorbereitungen verglichen, wobei von einer Breite von 30 m und einer Länge von 250 m ausgegangen wurde, was einem Gesamtumfang von 560 m entspricht. Darüber hinaus setzt die Analyse fünf Arbeitstage pro Woche voraus.
Spundbohlen: Einbringung im Einpressverfahren mit einer Rate von 10 m Wand pro Tag und drei zusätzlichen Tagen für primäre Ausrüstung und Materialien. Das bedeutet 56 Tage Produktion und drei Tage Vorbereitung. Gesamtdauer 59 Tage, fast 12 Wochen. Das Dichtschweißen der Spundbohlenschlösser erfolgt parallel zum Bau und hat daher keine Auswirkungen auf den kritischen Pfad. Außerdem kann das Schweißen der Bewehrungsstäbe in einem höheren Tempo vorbereitet werden als die Einbringung der Spundbohlen.
Schlitzwand: Produktion von 1 Platte pro Tag, mit einem Kran vor Ort und 5 m Breite. Dies bedeutet eine Produktionsdauer von 112 Tagen. Für die Mobilisierung des Krans und der Bentonitanlage werden 2 Wochen benötigt, für die Stützwände 4 Wochen vor Beginn der Produktion, also insgesamt 6 Wochen (30 Arbeitstage) vor Beginn der Produktion. Die Gesamtzeit beträgt 142 Tage, also weit mehr als 28 Wochen.
Soil-Mix: Produktion von 4 Platten pro Tag, mit einer effektiven Breite von 2,5 m pro Platte, also 10 m pro Tag. Die Ausführungsgeschwindigkeit ist identisch mit der von Stahlspundbohlen, die Baustellenvorbereitung identisch mit der von Schlitzwänden. Dies bedeutet 56 Tage für die Produktion und 30 Tage für die Vorbereitung. Die Gesamtzeit beträgt 86 Arbeitstage, also etwa 17 Wochen.
Überschnittene Bohrpfahlwand: 16 Bohrpfähle pro Tag führen zu einer Produktion von 8 m pro Tag, also insgesamt 70 Tage Einbauzeit. Die Vorbereitung der Baustelle ist vergleichbar mit der Einbringung von Spundbohlen, etwa 3 Tage. Die Gesamtzeit beträgt 73 Tage, etwa 15 Wochen.
Die Auswirkungen der Ausführungszeit auf den kritischen Pfad können in den Cashflow übertragen werden. Zwei finanzielle Aspekte werden durch die Verlängerung der Bauzeit beeinträchtigt. Die Investition selbst erfordert eine längere Laufzeit, was bedeutet, dass die Zinszahlungen über einen längeren Zeitraum oder bei gleicher Laufzeit und späterem Zahlungsbeginn über einen etwas höheren Betrag geleistet werden müssen. Auch die Einnahmen werden sich verschieben.
Zusammenfassung
Ziel der Analyse war es, einen fundierten Vergleich mehrerer alternativer Lösungen für den Bau einer Stützwand für eine Tiefgarage in einem städtischen Gebiet auszuarbeiten. W+B führte eine einfache aber realistische Fallstudie durch, bei der von einer Standardgeometrie von ca. 30 m x 250 m ausgegangen wurde, die ca. 600 Parkplätze in einer innerstädtischen Umgebung mit Bedenken hinsichtlich Setzungen und Erschütterungen vorsieht. Der Baugrund ist typisch für Deltagebiete mit einem relativ niedrigen Grundwasserspiegel.
In Bezug auf die Risiken ist zu beachten, dass die Wasserdichtigkeit bei deltaischen Bodenverhältnissen sowohl für überschnittene Bohrpfahlwände als auch für Soil-Mix-Wandtypen ein ernsthaftes Problem darstellt.
Die Wandtypen Stahlspundbohlen und Soil-Mix müssen mit Brandschutzmaßnahmen ausgestattet werden, um den Brandschutzbestimmungen zu entsprechen. Es wird davon ausgegangen, dass die Spundbohle mit einem Spritzschutz und die Soil-Mix-Wand mit einer plattierten Version abgedeckt wird, wobei beide eine typische Wandstärke von 30 mm aufweisen. Kostenvoranschläge und Einbringschätzungen ermöglichen einen Vergleich der Gesamtwirtschaftlichkeit der einzelnen Alternativen, einschließlich der Auswirkungen auf Kosten und Cashflow.
Schlussfolgerung
Der Einfluss des Wandtyps auf die Gesamtkosten ist erheblich, liegt aber innerhalb einer Bandbreite von weniger als 10 %. Die Wände selbst haben eine viel größere Bandbreite an Kosten, bringen aber auch später im Bauprozess zusätzliche Kosten mit sich, wie z. B. für den Brandschutz und die Dauer der Bauarbeiten. Da das Einbringen der Wand eine Grundvoraussetzung für den Fortgang der Bauarbeiten ist, steht die Einbringung/Aushärtung der Wand immer auf dem kritischen Pfad. Dies bedeutet, dass sich jede Zeitersparnis beim Bau der Wand unmittelbar auf die Gesamtbauzeit und die damit verbundenen Investitionen, den Cashflow und die Dauer der Behinderung auswirkt.
Zusammenfassung
Aus dieser Analyse lässt sich schließen, dass die eingepresste Spundbohlen-Stützwand die kosteneffizienteste Lösung ist: niedrigste Kosten, schnellste Ausführung und hohe Qualität in Bezug auf die Wasserdichtigkeit und die Auswirkungen auf die umliegenden Bauwerke. Die Schlitzwand bietet eine robuste Lösung, erscheint aber zu teuer und zu schwer für eine Tiefgarage mit zwei Ebenen. In sandigen Böden mit niedrigem Grundwasserspiegel sollten die überschnittene Bohrpfahlwand und die Soil-Mix-Stützwand wegen des Risikos der fehlenden Wasserdichtigkeit nicht verwendet werden. Sie könnten in anderen Situationen in Betracht gezogen werden.
Haftungsausschluss
Die in diesem Dokument über Stahlspundwände enthaltenen Daten und Kommentare dienen lediglich der allgemeinen Information. Die Angaben sind ohne Gewähr. ArcelorMittal Commercial RPS S.à r.l. übernimmt keine Haftung für Fehler, Auslassungen oder missbräuchliche Nutzung der beigefügten Informationen und lehnt hiermit jegliche Haftung ab, die sich aus der Möglichkeit oder Unmöglichkeit der Nutzung der darin enthaltenen Informationen ergibt. Nutzung der Informationen auf eigene Gefahr und eigenes Risiko. ArcelorMittal Commercial RPS S.à r.l. kann in keinem Fall für Schäden haftbar gemacht werden, einschließlich entgangener Gewinne, entgangener Einsparungen oder anderer beiläufig entstandener Schäden oder Folgeschäden, die sich aus der Nutzung der hierin enthaltenen Informationen oder aus der Unmöglichkeit ihrer Nutzung ergeben sollten. Unser Angebot an Spundbohlen unterliegt dem Vorbehalt der Änderung.
Quellenangaben
Unveröffentlichte Berichte für ArcelorMittal
- Stahlspundbohlen für Tiefgaragen, Royal Haskoning DHV NL, Niederlande, 2018;
- Gestaltung von Tiefgaragen, Witteveen + Bos, Niederlande, 2020.
Niederländische Normen, Empfehlungen und Richtlinien, die bei der Entwurfsanalyse von Witteveen + Bos verwendet wurden
- Bouwbesluit 2012, besluit van 29 augustus 2011 houdende vaststelling van voorschriften met betrekking tot het bouwen, gebruiken en slopen van bouwwerken, Staatsblad van het Koninkrijk der Nederlanden 416, jaargang 2011;
- NEN 6098, rookbeheersingssystemen voor mechanisch geventileerde parkeergarages, Nederlands Normalisatie Instituut, Februar 2012;
- NEN-EN 1990+A1+A1/C2, Eurocode: Grondslagen van het constructief ontwerp, Nederlands Normalisatie Instituut, Dezember 2011;
- NEN-EN 1991-1-2+C1, Eurocode 1: Belastingen op constructies - Deel 1-2: Algemene belastingen - Belasting bij brand, Nederlands Normalisatie Instituut, Dezember 2011;
- NEN-EN 1992-1-2+C1, Eurocode 2: Ontwerp en berekening van betonconstructies - Deel 1-2: Algemene regels - Ontwerp en berekening van constructies bij brand, Nederlands Normalisatie Instituut, November 2011;
- NEN-EN 1993-1-2+C2, Eurocode 3: Ontwerp en berekening van staalconstructies - Deel 1-2: Algemene regels - Ontwerp en berekening van constructies bij brand, Nederlands Normalisatie Instituut, Dezember 2011;
- ROK, Richtlijnen Ontwerp Kunstwerken, versie 1.4, Rijkswaterstaat, April 2017;
- Demonstration of real fire tests in car parks and high buildings, rapport EUR 20466 EN, Contract No. 7215-PP/025, European Commission, technical steel research, steel structures, 2002;
- Onderzoek brand parkeergarage Lloydstraat, Rotterdam, Efectis Nederland rapport 2007-Efectis- R0894, opdrachtgever: Veiligheidsregio Rotterdam-Rijnmond, Efectis, Dezember 2007;
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