Untersuchungen möglicher Gründungen. in der HafenCity Hamburg

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1 Untersuchungen möglicher Gründungen in der HafenCity Hamburg Dipl.-Ing. Thomas Garbers, Ingenieurservice Grundbau GmbH Dipl.-Ing. Torsten Hauser, Franki Grundbau GmbH & Co. KG Dr. Leonardo Söllhuber, Franki Grundbau GmbH & Co. KG 1 Einleitung Die Arbeiten in der HafenCity in Hamburg gehen weiter, auch wenn die Elbphilharmonie fertig gestellt ist und am 17. Januar eingeweiht wurde. Nicht die Elbphilharmonie, aber die fortschreitende Fertigstellung der Gebäude in der HafenCity führt zu einer immer schwieriger werdenden Aufgabenstellung. Die Arbeiten finden zunehmend nicht mehr auf der grünen Wiese statt, sondern in einem bewohnten Umfeld. Auf die damit verbundenen höheren Anforderungen hinsichtlich Erschütterungen und Lärmemission muss bei zukünftigen Baumaßnahmen geachtet werden. Aber auch die grüne Wiese, hat in der HafenCity bereits ein Vorleben: Fundamente der Altbebauung die im Untergrund verblieben sind, vorhandene Kaianlagen, anliegende Straßen mit ihren neuen Medien-, Ver- und Entsorgungsleitungen. Vor diesem Hintergrund ist es wichtig möglichst frühzeitig Erkenntnisse über ausführbare Pfahlsysteme zu erhalten, um diese schon in der Planung zu berücksichtigen. So lassen sich Tragfähigkeiten und Tragwerk optimieren aber auch Bauabläufe besser planen, da Umwelteinflüsse reduziert und somit Stillstände während der Ausführung vermieden werden können. In der HafenCity werden überwiegend folgende Pfahlsysteme eingesetzt: Teilverdrängungsbohrpfähle Schraubpfähle (Atlas, Fundex) Rammpfähle (Fertigpfähle, Frankipfähle-NG) Im folgenden Beitrag wird über verschiedene Projekte in der HafenCity berichtet, bei denen in unterschiedlichen Projektphasen Untersuchungen hinsichtlich der Tragfähigkeit, Erschütterungen, Lärmemission und der Verdichtungswirkung ausgeführt wurden.

2 Statische Probebelastungen: Baufeld 80, Teilverdrängungsbohrpfahl d = 80 cm Baufeld 72: Atlas Schraubpfahl Baufeld 55-57: Frankipfahl-NG Hybridpfahl d s /d b = 41/51 cm d = 61, 71 cm d = 56 cm Erschütterungsmessungen: Baufeld Lärmmessungen: Baufeld Verdichtungsmessungen: Baufeld Alle Probebelastungen wurden mit hohen Anforderungen gem. EA-Pfähle ausgeführt. 2 Anforderungen In der HafenCity Hamburg sind verschieden Aspekte bei der Ausführung von Gründungsarbeiten zu berücksichtigen. Keine Rammarbeiten in einem Abstand von 10 m zu Kampfmittelverdachtsflächen Arbeiten im Bereich von vorhandenen rückverankerten Kaianlagen Arbeiten im Bereich vorhandener Wohn- und Geschäftshäusern mit den Anforderungen der DIN 4150 und der allgemeinen Verwaltungsvorschrift gegen Baulärm Arbeiten im Bereich vorhandener Resten der Altbebauung im Untergrund Abbildung 1: Typische Situation Baufelder, HafenCity Hamburg

3 Abbildung 2: Schnitt durch eine vorhandende Kaianlage Der Bereich der HafenCity liegt im Elbeurstromtal und ist geprägt durch tief reichende Weichschichten aus Torf und Klei. Darunter folgen tragfähige Sandschichten, die in den oberen Bereichen noch holozäne Einschlüsse aufweisen. Die Sande stehen in mitteldichter bis sehr dichter Lagerung an. Unterlagert werden die Sande durch Glimmerton und Glimmerschluffschichten. Die Mächtigkeit der künstlichen Auffüllungen variiert sehr stark, da teilweise auf verfüllten Hafenbecken gebaut wird. Auch in den Auffüllungen werden zum Teil hohe Lagerungsdichten angetroffen. Abbildung 3: Typisches Baugrundprofil, HafenCity Hamburg

4 3 Statische Probebelastungen 3.1 Baufeld 80 Auf dem Baufeld 80 wurden Teilverdrängungsbohrpfähle verschiedener Durchmesser ausgeführt. Dieses Pfahlsystem wurde in der HafenCity seit Mitte der 1990er Jahre (HTC) vielfach ausgeführt und die Tragfähigkeit durch Probebelastungen überprüft. Aufgrund dieser Erfahrungen und den Fortschritten in der Gerätetechnik, wurden Überlegungen angestellt, den Pfahldurchmesser auf d = 80 cm und die Tragfähigkeit auf N k = 3500 kn zu erhöhen. Um die Annahmen zu überprüfen, wurden der Ausführung der Bauwerkspfähle zwei statische Probebelastungen ausgeführt. Die Pfähle wurden dabei oberhalb der Absetztiefe der Bauwerkspfähle abgesetzt, um den char. Widerstand der Tragfähigkeit bei den Belastungen zu erreichen. In die Pfähle wurden Extensometer eingebaut, um die Lastabtragung entlang des Pfahlschaftes zu ermitteln. Abbildung 4: Baugrundprofil und Absetztiefe Pfahl P1

5 Abbildung 5: Ergebnisse Pfahl P1 3.2 Baufeld 72 Für die Gründung wurden Atlas Schraubpfähle mit einer max. Einwirkung von N k = 1500 kn ausgeführt. Um den Durchmesser d s /d b = 41/51 cm ausführen zu können, wurden zwei statische Probebelastungen ausgeführt. Da die Pfähle aufgrund anstehender holozäner Einschlüsse mit einer Mindestabsetztiefe ausgeführt werden mussten und als Reaktionspfähle Bauwerkspfähle verwendet wurden, konnte bei beiden Belastungen der char. Widerstand der Tragfähigkeit nicht erreicht werden. Aufgrund der Extensometerauswertungen konnten diese aber rechnerisch über eine Extrapolation mit dem Hyperbelverfahren ermittelt werden.

6 Abbildung 6: Baugrundaufbau, Pfahlangaben und Lastabtragung Abbildung 7: Ergebnis Pfahl P2 3.3 Baufeld Durch die geplanten Gebäude sind sehr hohe Lasten in den Baugrund abzutragen. Die vorhandenen Gebäude (z.b. U-Bahntunnel, Büro- und Wohnhäuser) und rückverankerten Kaianlagen sowie die im Untergrund verbliebenen Reste des abgerissenen Kraftwerks

7 Hafen ergeben eine sehr anspruchsvolle Aufgabenstellung für die Planung der Gründung. Um im Vorwege gesicherte Erkenntnisse zu erzielen, wurden neben den statischen Probebelastungen auch Erschütterungs- und Lärmmessungen aber auch Verdichtungskontrollen ausgeführt. Es sollten folgende Fragen beantwortet werden: Welche Tragfähigkeiten sind mit unterschiedlichen Pfahlsystemen erreichbar? Bis zu welcher Entfernung ist die Ausführung von Frankipfählen NG möglich, um die Vorgaben der DIN 4150 einzuhalten? Bis zu welcher Entfernung macht sich die Verdichtung bei Vollverdrängungspfählen bemerkbar, um die Anker der Kaimauer nicht zu beschädigen? Wie sind die Vorgaben der Verwaltungsvorschrift gegen Baulärm einzuhalten? Abbildung 8: Übersicht Untersuchungsstandorte Die Bemessung der Pfahlfüße der Probepfähle erfolgte mit den obereren Erfahrungswerten der EA-Pfähle. Bei den Probebelastungen wurden folgende max. Lasten geplant bzw. aufgebracht: Frankipfahl-NG, d = 61 cm / kn Hybridpfahl, d = 56 cm / kn Frankipfahl-NG, d = 71 cm / kn

8 Abbildung 9: Baugrundprofil, Absetztiefen Hybridpfahl 2.1 Abbildung 10: Widerstands-Setzungslinie Hybridpfahl 2.1

9 Abbildung 11: Bemessungskurve, Baugrundprofil, Absetztiefen Frankipfahl-NG P3 Abbildung 12: Widerstands-Setzungslinie Frankipfahl-NG P3

10 4 Erschütterungsmessungen Auf den Baufeldern wurden parallel zu der Herstellung der Pfähle für die Probebelastungen Erschütterungsmessungen an verschiedenen Gebäuden und dem Tunnel der U-Bahnlinie U4 durchgeführt. Abbildung 13: Lage der Messstellen Wie zu erwarten, blieben die Schwingungen am U-Bahn Tunnel innerhalb der Vorgaben. Maßgebend wurden also die Erschütterungen an den Wohn- und Bürogebäuden in 91 und 160 m Entfernung. Die größten Schwingungen traten dabei auf der Decke im 15. OG auf. Wie aus den Bilder 14 zu erkennen ist, konnte durch das erschütterungsfreie abteufen des Bohrrohres beim Hybridpfahl (R1.2) keine Reduzierung der Erschütterung erreichte werden. Aufgrund der hohen Lagerungsdichte der anstehenden Sande (q c 15 MN/m²) konnte das Rohr eine zu kurze Strecke in diese drehend eingebracht werden. Somit ist die Ausführung dieses Pfahlsystems auf diesem Baufeld nicht sinnvoll. Wie aus den Bildern 14 bis 16 zu erkennen ist, können Frankipfähle-NG mit einem minimalen Abstand von ca. 52 m zu den Gebäuden hergestellt werden. Maßgebend ist hierbei, unter Berücksichtigung der prognostizierten Bauzeit von ca. 80 Tagen, nicht die Erschütterungseinwirkung auf die Gebäude, sondern auf Menschen (DIN ).

11 Abbildung 14: Erschütterungen Probefeld 1 50 Abbildung 15: Prognose der Erschütterungen nach DIN

12 52 Abbildung 16: Prognose der Erschütterungen nach DIN Lärmpegelmessungen Auf den Baufeldern wurden parallel zu der Herstellung der Pfähle für die Probebelastungen Lärmpegelmessungen an den naheliegenden Gebäuden durchgeführt. Um die Ausbreitung der Schallwellen zu reduzieren, wurden bei weiteren Proberammungen Container als Schallschutzwand aufgestellt.

13 Abbildung 17: Lage der Messstellen Diese wurden nicht befüllt, um den Aufwand für die Umsetzvorgänge möglichst gering zu halten. Abbildung 18: Ramme mit Schallschutzwand

14 Abbildung 19: Schallmessung am Mischgebiet Durch den schraubenden Einbringvorgang konnten bei der Herstellung des Hybridpfahles die Lärmemissionen reduziert werden (Bild 19). Aus diesem Grund könnte ein Gerät ohne zusätzliche Maßnahmen bzw. ein zweites Gerät mit Schallschutzmaßnahmen in Einsatz gebracht werden ohne die Grenzen der DIN 4150 und der allgemeinen Verwaltungsvorschrift gegen Baulärm zu überschreiten. Aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen zwischen Wohn- und Mischgebieten können Frankipfähle-NG aufgrund der Grenzwerte für Wohngebiete nur eingeschränkt oder mit zusätzlichen Schallschutzmaßnahmen, wie z.b. die Schallschutzfolie (Bild 20), eingesetzt werden.

15 Abbildung 20: Ramme mit Schallschutzfolie 6 Messungen der Verdichtungswirkung Im Bereich von verankerten Kaianlagen besteht die Gefahr bei der Herstellung von Pfählen im unmittelbaren Bereich der Verankerung diese zu beschädigen und somit in ihrer Tragfähigkeit bzw. Dauerhaftigkeit zu schwächen. Um die Verdichtungswirkung bei der Herstellung von Vollverdrängungspfählen zu untersuchen, wurden in unterschiedlichen Abständen zur Pfahlachse vor und nach der Pfahlherstellung Drucksondierungen ausgeführt. Durch die Untersuchungen sollten folgende Fragen beantwortet werden:

16 Wie hoch ist die Verdichtungswirkung? Ist die Verdichtung noch bei einem Abstand von 1,5*d (Schaft) wirksam? Wie die Bilder sowie die Tabelle 1 zeigen, ist die Verdichtungswirkung im tragfähigen Baugrund auch in einen Abstand vom 1,5fachen Schaftdurchmesser noch deutlich zu erkennen. Im Bereich der Weichschichten ist keine Verdichtung erkennbar. Aufgrund der Hindernise im Bereich der Auffüllungen, mussten hier teilweise vorgeschachtet werden, sodass für diesen Bereich keine Aussagen gemacht werden können. Aufgrund der hohen Sandanteile ist aber auch hier eine Verdichtung zu erwarten, auch wenn sie aufgrund der Inhomogenität dieser Schicht geringer ausfallen dürfte als in den Elbsanden. Abbildung 21: Lage der Drucksondierungen

17 Abbildung 22: Spitzenwiderstände Frankipfahl-NG Ø 61 cm Abbildung 23: Spitzenwiderstände Hybridpfahl Ø 56 cm

18 Pfahltyp Abstand zur Pfahlachse Tabelle 1: Ergebnisse der Drucksondierungen Bezogene Mittelwerttiefe [m] Mittelwert des Spitzendrucks vorher [MN/m²] Mittelwert des Spitzendrucks nachher [MN/m²] Erhöhung [%] Frankipfahl NG 0,3 m 13,35 18,70 21,3 42,1 198 Frankipfahl NG 0,5 m 14,00 17,50 18,7 34,9 186 Frankipfahl NG 0,8 m 14,00 18,69 23,4 39,3 159 Hybridpfahl 0,3 m 13,19 14,30 9,2 20,7 213 Hybridpfahl 0,5 m 14,00 20,00 17,1 28,6 167 Hybridpfahl 0,8 m 14,00 20,00 20,4 28, Fazit und Ausblick Die verschiedenen Belastungen und Messungen haben Erkenntnisse gebracht, die für die zukünftigen Projekte genutzt werden können. Bei den ausgeführten statischen Probebelastungen konnten aufgrund der eingesetzten Messtechnik Aussagen zu Widerständen der Pfähle im tragfähigen Baugrund gemacht werden. Aufgrund der Auswertungen konnten die Widerstands-Setzungs-Linien zielsicherer extrapoliert werden. Die Tragfähigkeiten der getesteten gerammten und geschraubten Verdrängungspfähle liegen oberhalb der oberen Erfahrungswerte der EA-Pfähle. Die Tragfähigkeiten der Teilverdrängungsbohrpfähle d = 80 cm erreichten nicht die prognostizierten Widerstände nach EA-Pfähle. Bei der Herstellung der Hybridpfähle konnten die Erschütterungen nicht wie erwartet deutlich reduziert werden. Bei der Herstellung der Hybridpfähle wird die Schallemission deutlich reduziert. Die eingesetzten leeren Container ergaben nicht die gewünschte Reduzierung.

19 Bei Verdrängungspfähle lässt sich auch in einer Entfernung von 1,5*d noch eine deutliche Verdichtungswirkung in den tragfähigen Schichten nachweisen. Dies führt auch bei der Herstellung von Pfählen mit einem Abstand von 3,0*d zu einer Verbesserung des Baugrundes und somit zu einer Steigerung der Tragfähigkeit (sh. EA-Pähle, ). Eine Verdichtungswirkung innerhalb der Weichschichten wurde nicht festgestellt. Was folgt aus den Versuchen: Die Tragfähigkeiten bei Verdrängungspfählen kann deutlich gesteigert werden. Bei der Ausführung von Teilverdrängungspfählen ist die Qualitätsüberwachung zu intensivieren, um die erforderlichen Tragfähigkeiten zu erzielen und diese auch in der täglichen Arbeit sicherzustellen. Hier können folgende Vorschläge als Diskussionsgrundlage dienen: o Herstellung und Belastung von Probepfählen vor der Ausführung von Bauwerkspfählen, um Ansätze zu überprüfen und Herstellkriterien festzulegen. o Ausführung der Bauwerkspfähle anhand der Herstellkriterien. o Wenn möglich mit gleichem Gerät (Bohrtisch, Drehmoment usw.) und Geräteführer. o Automatische Auszeichnung der Herstellung (Umdrehungen, Vortrieb usw.). Der Hybridpfahl ist in urbanen Gebieten eine Alternative zu erschütterungsfreien Systemen, wenn der Baugrund geeignet ist und entsprechende Einbringung des Vortreibrohres möglich ist. Es sind weitere Möglichkeiten einer Schallschutzmaßnahme zu untersuchen, die ein leichtes Umsetzen während der Bauzeit ermöglichen. Es sind weitere Versuche mit Hybridpfählen in locker bzw. mitteldicht gelagerten Sanden erforderlich, um die Grenzen der erschütterungsfrei hergestellten Einbindelängen in diesen Sanden zu erkunden.

20 Im Bereich von vorhandenen Schrägankern ist auch bei Verdrängungspfählen nicht mit einer Schädigung zu rechnen, wenn der Kreuzungspunkt außerhalb von tragfähigen Schichten liegt. Die erkundeten Verdichtungswirkungen führen bei der Herstellung von Pfahlgruppen zu einer Steigerung der Gruppentragfähigkeit (sh. EA-P, ). Hierzu sind weitere Untersuchungen erforderlich, um gesicherte Empfehlungen für die Planung von Pfahlgruppen erstellen und diese zukünftig wirtschaftlicher bemessen zu können. Literatur DGGT e.v., AK 2.1 Pfähle ; Empfehlungen des Arbeitskreises Pfähle, 2. Auflage Autoren Dipl.-Ing. Thomas Garbers tgarbers@isg-seevetal.de Ingenieurservice Grundbau GmbH Hittfelder Kirchweg 24, Seevetal Tel.: Dipl.-Ing. Torsten Hauser thauser@franki.de Dr. Leonardo Söllhuber lsoellhuber@franki.de Franki Grundbau GmbH & Co. KG Hittfelder Kirchweg 24-28, Seevetal Tel.: