12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 245 Untersuchungen bezüglich der Ursachen von Differenzen zwischen prognostizierten und gemessenen Verformungen während komplexer Bauabläufe Dr. Claudia Klotz, Dr. Gebreselassie Berhane, Dipl Ing. (FH) Tomas Vardijan Ed. Züblin AG, Direktion Zentrale Technik, Technisches Büro Tiefbau Stuttgart, Deutschland Zusammenfassung Im Rahmen des Projektes Stuttgart 21, PFA 1.1 Talquerung mit Hauptbahnhof muss unter anderem das an das Baufeld direkt angrenzende LBBW-Gebäude währen der Baumaßnahme gesichert werden. Die Untersuchungen konzentrierten sich dabei auf zwei maßgebende Gründungselemente, die im Folgenden vorgestellt werden. Beide Beispiele zeigen die Möglichkeiten von „state of the art“ -Verformungsprognosen komplexer innerstädtischer Bauprojekte mit der FE-Methode. Damit können Bauabläufe simuliert und Verformungsprognosen realitätsnah im Stuttgarter Baugrund erstellt werden. Das aufgezeigte Vorgehen dient der Risikoreduktion z.B. im Umfeld sensibler Bestandsbebauungen und fördert die Akzeptanz auch für sehr anspruchsvolle Bauprojekt. 1. Einleitung 1.1 Sicherungsmaßnahmen an der Südwestecke des LBBW Gebäudes An der südwestlichen Gebäudeecke des LBBW-Gebäudes befinden sich zwei pfahlgegründete Gebäudestützen (Stütze 1+ 2) im Einflussbereich der Baugruben (Abbildung 1). Neben der Hauptbaugrube für den neuen Tiefbahnhof wurden im Umfeld der Gebäudestützen in mehrere Bauschritten kleinräumige Baugruben mit verformungsarmen Verbauten hergestellt. Die Verformung der Stützen in den verschiedenen Bauphasen wurde in der Planungsphase mit Hilfe der FE Methode und dem Bodenmodell Hardening Soil Small Strain in 2013 prognostiziert. und betrug für die maßgebende Stütze 1 bis zu ca. 15 mm Setzung. Im Zuge der Baumaßnahme wurden jedoch im Rahmen der Bauausführung Hebungen bis ca. 10 mm gemessen. Ziel einer Untersuchung im Jahr 2017 war es, den gemessenen Hebungsverlauf an der Stütze 1 noch während der Bauausführung mittels aktualisierte FE Modelberechnung nachzuvollziehen und eine Prognose für die weiteren Bauzustände zu erstellen. Im ersten Schritt wurde dazu ein neues detailliertes FE Modell mit dem umgesetzten Bauablauf und der tatsächlich gemessenen Grundwasserstände erstellt. Im Zuge der Berechnungen wurden die Bodenparameter der anstehenden Gipskeuperschichten (Kohäsion und Dilatanzwinkel) variiert und zusätzlich ein neues Stoffgesetz, das sogenannte Generalized Hardening Soil (GHS) Bodenmodell angewendet. Hierdurch wurden die Verformungsergebnisse hinsichtlich der Messungen wesentlich verbessert, bildeten aber den Verformungsverlauf immer noch unzureichend ab. Erst mit Einführung einer horizontalen Verformungsbedingung an den modellierten Verbauwänden konnten die Messungen näherungsweise nachvollzogen werden. 1.2 Sicherungsmaßnahmen an der Südostecke des LBBW Gebäudes An der Südostecke des LBBW Gebäudes liegt im Baufeld BA9 des neuen Tiefbahnhofs das Streifenfundament eines auskragenden Gebäudeteils der LBBW (Abbildung 1). Das Streifenfundament liegt im Nahbereich der Baugrube des Tiefbahnhofs und muss bauzeitlich umfangreich gesichert werden. Im Zuge der Ausführungsplanung wurden verschiedene Varianten für die Baugrubensicherung sowie die Auswirkungen verschiedener Verbauarten und unterschiedlicher Bauabläufe auf die Gebäudeverformungen mittels FE-Berechnungen untersucht. Im Zuge der Bauausführung wurde analog der Stütze 1+2 im Sinne der Beobachtungsmethode ein umfangreiches Messprogramm am Bauwerk und Verbau realisiert und die Messwerte laufend mit den Berechnungsergebnissen verglichen. 246 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Untersuchungen bezüglich der Ursachen von Differenzen zwischen prognostizierten und gemessenen Verformungen während komplexer Bauabläufe Abbildung 1: Übersicht LBBW -Eckstützen und Streifenfundament 2. Numerische Untersuchungen zu den Differenzen zwischen prognostizierten und gemessenen Verformungen für die Eckenstützen des LBBW-Gebäudes 2.1 Ursprüngliche Verformungsprognose und Verformungsmessungen Das Gebäude der Landesbank Baden-Württemberg (LBBW) steht im geringen Abstand zum neuem Tiefbahnhof. Verformungsuntersuchungen für die Baugrube und das Gebäude haben gezeigt, dass es durch die Bauaktivitäten am neuen Bahnhof zu unverträglich Setzungen an zwei Außenstützen des LBBW- Gebäudes kommen kann. Zur Sicherstellung der äußeren Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit der Gründungspfähle wurden Manschettenrohrinjektionen umgesetzt, die zum einen das Ziel haben evtl. Hohlräume zu verschließen und den Boden zu vergüten, zum anderen aber auch die Rückstellung von evtl. Stützensetzungen ermöglichen sollen. Die Verformungen für Stütze 1 und Stütze 2 wurden ursprünglich im Jahr 2013 prognostiziert. Ziel der Modellierung im 2013 war eine Abschätzung der zu erwartenden Verschiebungen der Stützengründung infolge der geplanten Bauhilfsmaßnahmen zu erhalten Insbesondere wurde untersucht, wie sich die Manschettenrohrinjektionen in ihrer Tendenz auf die Setzungen auswirken. Die Verschiebungen wurden mittels der Finite-Elemente-Methode in ebenen Berechnungsschnitten für die relevanten Bauphasen berechnet. Dabei wurden Schnitte in unterschiedlichen Richtungen untersucht, um eine quasi-räumliche Betrachtung zu ermöglichen. Es war in der Planung und Ausführung dafür Sorge zu tragen, dass die Stützenverformungen das für sie zulässige Maß von -11 mm Setzung und +2,0 mm Hebung nicht überschreiten. Die Messergebnisse während der Bauausführung weichen im großen Umfang von den errechneten Werten ab. Der Baugrubenaushub (Endaushub) in der Baugrube Baurampe (Abbildung 2) wurde am 20.02.2017 abgeschlossen. Zu diesem Zeitpunkt wurde an der Stütze 1 eine Hebung von ca. +10 mm gemessen. Dem gegenüber wurde für die Stütze 1 für den maximalen Aushub in der Baurampe BS-B-Baugrube eine Stützensetzung von ca. -15 mm mit dem ursprünglichen Model prognostiziert. 2.2 Baumaßnahmen im unmittelbaren Einflussbereich der Stützengründungen Im unmittelbaren Einflussbereich der betroffenen Stützengründungen wurden insgesamt vier Baumaßnahmen in folgender Reihenfolge durchgeführt: 1)Baugrube 1 (B1)- Rohrvortrieb DN500, Start- und Zielbaugrube; 2) Baugrube 2 (B2)teilgeböschte Baugruben zur Herstellung des Hauptsammlers West; 3) Baugrube 3 (B3)- Herstellung Baustraßenrampe BS-B und 4) Baugrube 4 (B4)- Herstellung Baugrube für Fernheiz- und Medienkanal. Abbildung 2: Baumaßnahmen im unmittelbaren Einflussbereich der Stützengründungen des LBBW Gebäudes 2.3 Numerische Untersuchungen zu den Differenzen zwischen prognostizierten und gemessenen Verformungen Die Anpassung der ursprünglichen Berechnungen wurde im Jahr 2017 mit dem Programm Plaxis 2D-AE.02 2014 durchgeführt. In den FEM-Berechnungen wurden die Spannungen und Verformungen im Baugrund mit zwei Stoffmodellen berechnet: Hardening Soil -Small Modell (HS-Small) und Generalized Hardening Soil Modell (GHS) berechnet. Für das HS-Small-Stoffmodel, außer der Scherfestigkeit und Wichte, sind noch weitere Kennwerte, insbesondere zur Beschreibung der Bodensteifigkeit, erforderlich um das Bodenverhalten realitätsnäher abzubilden. Das HS-Modell besitzt eine nichtlineare Spannungs-Dehnungs-beziehung und die Fließgrenze ändert sich mit dem Spannungszustand [1]. GHS ist ein angepasstes HS- 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 247 Untersuchungen bezüglich der Ursachen von Differenzen zwischen prognostizierten und gemessenen Verformungen während komplexer Bauabläufe Small-Modell und berücksichtigt die mittleren Hauptspannungen anstelle der kleinen Hauptspannungen bei der Ermittlung der spannungsabhängigen Bodensteifigkeit [2]. Bis knapp unter die Unterkante der Pfahlkopfplatten der Stützen 1 und 2 steht ein aufgefülltes Bodenmaterial an. Darunter folgen bereits die Schichten des Gipskeupers in Form des Dunkelroten Mergels bis ca. 19 m unter Gelände, die wiederrum vom Bochinger Horizont, den Grundgispschichten und dem Lettenkeuper unterlagert wird. Der mittels Manschettenrohrinjektion verbesserte Boden wurde als geometrisch abgegrenzter Körper mit verbesserten, homogenen Eigenschaften im Berechnungsmodell berücksichtigt und mit dem linear elastischen, ideal plastischen Mohr-Coulomb-Stoffmodell abgebildet Abbildung 3: FE Modell für die Baumaßnahmen im unmittelbaren Einflussbereich der Stützengründungen des LBBW Gebäudes Das neu verwendete FE- Modell basiert auf dem ursprünglichen FE -Modell von 2013. Es wurde jedoch in der Folge wesentlich erweitert, von allem in Bezug auf den Bauablauf und die Grundwasserschwankungen im Quartär und Dunkelroten Mergel gemäß GW-messungen während der Bauzeit. Während der Messungen des Grundwassers seit 2014 wurden Schwankungen bis 3,66m festgestellt (Abbildung 5). Die GW-Stände vor dem LBBW-Gebäude waren beeinflusst durch nahegelegene Baumaßnahmen der Stadtbahnlinie U12. In das FE Modell fließen die Wasserstände entsprechend den Messungen ein. Gleichzeitig wurden im FE Modell die gespannten Grundwasserverhältnisse des Mineralwassers im Lettenkeuper berücksichtigt. Zur Überwachung der LBBW-Stützen während der Bauarbeiten des Projektes Stuttgart 21 wurden ein Schlauchwaagensystem, ein Gleitmikrometer (GMM) und drei Inklinometer installiert. Des Weiteren erfolgt ein umfangreiches geodätisches Messprogramm mit einer tachymetrischen Messung und einem Feinnivellement. Abbildung 4 zeigt die Präzisionsnivellementmesspunkten für die Stützen 1, 2 und dem Keller der LBBW. Das Messprogramm am LBBW-Gebäude wurde am 20.08.2014 begonnen. Seitdem wurden umfangreiche Datenmengen erzeugt. Abbildung 4 Präzisionsnivellementmesspunkten Stützengründungen und Keller LBBW In Abbildung 5 sind die mittels Feinnivellment gemessenen Verformungen der Stütze 1 während der Baumaßnahmen zu den unterschiedlichen Bauphasen (A1 bis A10) zusammen mit den Grundwasserschwankungen über die Zeit dargestellt. Die natürlichen GW-Schwankungen, die Wasserabsenkung während des Aushubs und die Modellierung des Mineralwassers sind in dem neuen Modell berücksichtigt (Abbildung 5). Die Messdaten des Feinnivellements zum Vergleich mit den FE Berechnungen waren bis zum 14.01.2017. Der letzte Aushub A11 wurde ebenfalls mit den FE Berechnungen prognostiziert im Nachgang am 22.02.2017 mittels Feinnivellmnet gemessen wurde danach auf die Baustelle gemessen und mit den FE Berechnungen abgeglichen. Abbildung 5: Nivellementmessungen an der Stütze 1 (A1 bis A10) mit den Grundwasserschwankungen 2.4 Ergebnisse Ziel der Untersuchung war es, die gemessenen Hebungen rechnerisch nachvollzuziehen, das FE-Modell an den gemessenen Hebungen zu kalibrieren sowie eine Prognose der Verformungen infolge weiterer Baumaßnahmen zu ermöglichen (Aushub 11). Es wurden über acht Varianten hintereinander untersucht. Die folgenden Varianten sind relevant für die Ergebnisse: - Anpassung Kohäsion aller Schichten des Gipskeupers, von c‘ = 40 kPa auf c‘ = 50 kPa. - Anpassung Dilatanzwinkel aller Schichten des Gipskeupers, ψ = 10 ° auf ψ = 15°. - Verwendung des GHS-Bodenmodells. Ein direkter Vergleich zwischen dem HS-Small- und dem GHS-Modell (Abbildung 6) ergibt weiterhin Setzungen, jedoch um rd. 6,2 mm geringer. Auch die Kombination 248 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Untersuchungen bezüglich der Ursachen von Differenzen zwischen prognostizierten und gemessenen Verformungen während komplexer Bauabläufe aller Anpassungen (c = 50 kPa, ψ = 15°, obere Grenze der Bodensteifigkeit (20% mehr)) unter Anwendung des GHS-Modells ergibt weiterhin eine Absolutsetzung von ca. -6,7 mm (Endaushub) an der Stütze 1. Es ist ersichtlich, dass die Differenz zwischen den gemessenen und den errechneten Verformungen zwar sich gegenüber andere die ersten Varianten deutlich verringert hat, es werden jedoch immer noch Setzungen anstelle Hebungen errechnet. Andererseits wurde es festgestellt, dass die Verbauwände der Baugrube Provisorium Hauptsammler West (B1) und Unterhaupt Hauptsammler West (B2) kaum horizontale Verformung in Richtung der Baugrube zeigten. Sobald diese Tatsache auf das Berechnungsmodell übertragen wurde, indem der Verbau horizontal festgehalten wird, ergeben sich erstmalig in allen Aushubphase errechnete Hebungen für die Stütze 1. Zwar sind die errechneten Hebungen nicht deckungsgleich mit den gemessenen Hebungen, sie zeigen jedoch dieselbe Verformungsrichtung wie die Messungen an der Stütze 1. Abbildung 6: Nivellementmessungen an der Stütze 1 (A1 bis A10) mit den Grundwasserschwankungen Angesicht der massiven Baumaßnahmen (Injektionen, verlorene Verbauten, kleinräumiges Bauen), alte Gründungen und Pfahlwände zwischen der Baugrube und der Stütze 1 und die Einfluss von die Differenzen im Temperatur Winter/ Frühling und Sommer/ Herbst werden die Berechnungsergebnisse als realistisch und nachvollziehbar bewertet. 3. Sicherungsmaßnahmen an der Südostseite des LBBW Gebäudes 3.1 Einführung Im Rahmen des Projektes Stuttgart 21, soll unter anderem auch das bestehende Streifenfundament des LBBW-Gebäudes im Bauzustand gesichert werden. Gemäß Untersuchungen des Bauherrn beträgt die Differenzverformung zwischen Streifenfundament und Keller, welche ohne Schäden am Gebäude aufgenommen werden kann, Ds = ±3,0 mm. Zur Sicherung des Gebäudeteils wurde eine HDI-Tiefergründung des Streifenfundamentes vorgesehen. Die Baugrubensicherung für das Trogbauwerk war bauseits als rückverankerten Trägerbohlverbau geplant. Die entsprechende Ausführungsplanung zeigte, dass die prognostizierten Verformungen am Streifenfundament LBBW größer zu erwarten sind als zugelassen. Durch Bauaktivitäten und vor allem durch den großflächigen tiefen Baugrubenaushub für das Trogbauwerk konnte es zu unverträglichen Setzungen des Streifenfundaments bzw. zu unverträglichen Differenzverformungen zwischen Streifenfundament und Keller des LBBW-Gebäudes kommen. Daher sollte das Verbaukonzept geändert und Maßnahmen zur Begrenzung der Verformungen bzw. Verformungsunterschiede des LBBW-Gebäudes getroffen wurden. Folgendes sollte umgesetzt werden: a) Anordnung eines steifen Verbaus (überschnittene Bohrpfahlwand mit zusätzlicher Ankerlage, 4 Ankerlagen); b) Anordnung von Kompensationsinjektionen (MRI); c) Entfall der HDI-Tiefergründung und d) Umsetzung eines Voraushubkonzepts zur Verringerung von Hebungen Der im Bereich der Injektionsstrecke anstehende Baugrund besteht aus den Schichten des Dunkelroten Mergels. Diese werden in den Bohrprofilen als Schlufftonsteine, blättrig, sehr mürb bis mürb, z.T. halbfest bis fest, zersetzt, beschrieben. Zur Überwachung der Verformungen wurde ein Messsystem installiert, welches eine engmaschige Überwachung der auftretenden Setzungen ermöglicht. Abbildung 7: Baumaßnahmen neben dem Streifenfundament LBBW 3.2 FE-Modelle für die Verformungsprognose Die Berechnung der Verformungen wurde mit dem Programm Plaxis 2D-AE.02 2014 durchgeführt. In den FEM-Berechnungen werden die Spannungen und Verformungen im Baugrund mit dem Mohr Coulomb Modell und sog. HS-Small-Stoffmodell berechnet. Der mittels Manschettenrohrinjektion verbesserte Boden wird als geometrisch abgegrenzter Körper mit verbesserten, homogenen Eigenschaften im Berechnungsmodell berücksichtigt. Der verbesserte Bereich wird mit dem linear elastischen, ideal plastischen Mohr-Coulomb-Stoffmodell berechnet, da sich die Bodeneigenschaften nach Injektion derart verändert haben sollten, dass eine Abbildung mit dem HS-Small-Modell nicht mehr zwingend erforderlich ist. 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 249 Untersuchungen bezüglich der Ursachen von Differenzen zwischen prognostizierten und gemessenen Verformungen während komplexer Bauabläufe Die Lasten des Streifenfundaments und des LBBW Kellergeschosses wurde auf Grundlage von Grundrissen, Schnitten, Ansichten sowie aus Ergebnissen von Tragwerksberechnungen ermittelt. Die Verformungen der statischen Schnitte 2-2 (MQ16.2) und 3-3 (MQ16.1) wurden mit dem FEM-Programm Plaxis 2D prognostiziert. Abbildung 8: Grundriss Streifenfundament LBBW mit dem dazugehörigen Messprogramm Abbildung 9: Statischer Schnitt MQ16.2 Abbildung 10: Statischer Schnitt MQ16.1 3.3 Modellierung Maßnahmen an der Südostseite des LBBW Gebäudes mit FE Methode In den Berechnungen wurde der Baubemessungswasserstand HGW10 = +237,5 müNN zu Grunde gelegt. Das Grundwasser in der Baugrube wird mit dem Aushub 0,50 m unter Baugrubensohle schrittweise abgesenkt, während unterhalb der Grundgipsschichten der volle Wasserdruck des Lettenkeuperaquifers (Mineralwasser) wirkt. Die Grundgipsschichten wirken in der Berechnung als trennende Schicht des quartären Grundwassers zum darunterliegenden Lettenkeuper, sodass diese zum Schutze des Mineralwassers so gering wie möglich bis gar nicht beeinflusst werden dürfen. Die Absenkungskurve wurde anhand von analytischen Berechnungen (der Reichweite) ermittelt. Nach der Berechnung des Ausgangsspannungszustanwurden in den ersten fünf Phasen die GW-Schwankungen und Verkehrslasten modelliert. In den Phasen 3 und 4 wurde die Schwankung des Grundwasserspiegels zwischen HGW200 und bauzeitlichem Bemessungswasserstand HGW10 modelliert. Nach den Vorgeschichte 5 wird das Gebäude LBBW in drei Bauphasen hergestellt. Danach sind die Verformungen zu null gesetzt. Es folgt die Bauaktivitäten für die Baustrasse, Herstellung Verbau, kleinteiliger Aushub oberhalb Streifenfundament LBBW, Aufbringen einer Auflast und der Voraushub +247,0 müNN bis +242,2 müNN. Nach den Voraushub und Herstellung der Ankerlage 1 erfolgt der weitere Aushub für die Herstellung der MRI. Danach wird die Auflast an GOK entfernt. Ab Aushub 4 folgen weitere Zwischenaushübe bis Erreichen der Baugrubensohle, die Errichtung des neuen Tiefbahnhofs, die Arbeitsraumverfüllung und Entspannen der temporären Injektionsanker. 250 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Untersuchungen bezüglich der Ursachen von Differenzen zwischen prognostizierten und gemessenen Verformungen während komplexer Bauabläufe In den folgenden Abbildungen ist die Modellierung in Plaxis für die Schnitt MQ16.1 und Schnitt MQ 16.2 dargestellt. Abbildung 11: Modellierung Endaushub Schnitt MQ16.2 in Plaxis Abbildung 12: Modellierung Endaushub Schnitt MQ 16.1 in Plaxis 3.4 Ergebnisse Die Differenz zwischen den berechneten Verformungen am LBBW-Streifenfundament und LBBW-Keller sind pro Bauphase in Abbildungen 13 und 14 dargestellt. Während die Baumaßnahmen wurde die Differenz zwischen Streifenfundament und Keller, welche den Wert von Ds = ±3,0 mm nicht überschnitten dürfen gemessen. Die Auflast wurde auf die Baustelle nicht entfernt. Auf diesen Grund wurden die prognostizierten Werte in den Diagrammen angepasst (rote Linie). Im Ergebnis kann festgehalten werden, dass die mittels Feinnivellement gemessenen Verformungen (grün) geringere Setzungen als prognostiziert anzeigen. Die abweichenden Messungen der Schlauchwaagen kann in erster Linie auf Temperatureinflüsse, auf die im Außenbereich installierte Schlauchwaage zurückgeführt werden. Abbildung 13: Schnitt MQ 16.2 -Verformungsprognose und Messungen Abbildung 14: Schnitt MQ 16.1- Verformungsprognose und Messungen 4. Fazit Die Beide Beispiele zeigen eindrucksvoll die Möglichkeiten von „state of the art“ -Verformungsprognosen komplexer innerstädtischer Bauprojekte mittels der FE-Methode. Damit können Bauabläufe simuliert und Verformungsprognosen realitätsnah im Stuttgarter Baugrund erstellt werden. Das aufgezeigte Vorgehen dient der Risikoreduktion z. B. im Umfeld sensibler Bestandsbebauungen und kann aus Sicht des Autors die Akzeptanz auch für sehr anspruchsvolle Bauprojekte fördern. Quellenverzeichnis [1] Benz, T. (2007): Small-Strain Stiffness of Soils and its Numerical Consequences. Promotion [2] Petalas, A. (2013): The Generalized Hardening Soil Model. (Plaxis Manual)