New, economic and safe foundation systems for highrise buildings in complicated urban environment

1.

100+ Forum Russia International Forum for
High-Rise and Special Constructions
Ekaterinburg, Russia, 5th – 7th October 2016
New, economic and safe foundation systems for highrise buildings in complicated urban environment
Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach
•Director of the Institute and the Laboratory of Geotechnics · TU Darmstadt
•Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
•Past Chairman of the Technical Committee 212 “Deep Foundations“ (TC 212) of the
International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering (ISSMGE)
•Board Member of the German Tunnel Association (STUVA)
•Board Member of the German Geotechnical Society (DGGT)
•Publicly Certified Expert and Independent Checking Engineering (ICE)
Dipl.-Ing. Steffen Leppla
•Research Associate at the Institute and Laboratory of Geotechnics · TU Darmstadt
•Certified Independent Expert for Geotechnics of metro and tram systems
Anastasia Bychkova, B. Sc.
•Research Fellow at the Institute and Laboratory of Geotechnics · TU Darmstadt

2.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
Soil-structure interaction
- Взаимодействие грунтов и конструкции
σ1–σ3 [MN/m²]
What’s the problem?
• settlements
Es = 400 MPa
• differential settlements => tilting
Сущность проблемы:
• осадки
• разные осадки => крен
Es = 30 MPa
ε1 [%]
Adequate foundation system
Адекватный фундамент
Frankfurt Clay
Moscow Limestone
2

3.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
Marriott-Hotel · Frankfurt am Main, Germany
Construction time:
1973 - 1976
Height:
162 m
Foundation:
raft foundation
max. settlements:
34 cm (!!)
Период строительства: 1973 - 1976
Высота:
162 м
Фундамент:
плитный фундамент
Осадка:
34 см (!!!)
3

4.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
Deutsche Bank · Frankfurt am Main, Germany
Foundation:
raft foundation
Height: 155 m
Settlements:
min.
max.
Δ
10 cm
22 cm
12 cm
Фундамент:
плитный фундамент
Высота: 155 м
Осадка:
мин. 10 см
макс. 22 см
Δ
12 см
4

5.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
Deutsche Bank · Frankfurt am Main, Germany
Settlement isolines
Изолинии осадок
22
5

6.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
Foundation systems
- Классификация фундаментов
Фундаменты
Фундаменты мелкого
заложения
Cвайные фундаменты
Skin friction
Комбинированные
свайно-плитные
фундаменты (КСПФ)
pile
Base pressure
6

7.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
Combined Pile-Raft Foundation (CPRF)
- Комбинированные свайно-плитные фундаменты (КСПФ)
Total resistance of the CPRF /
Общая несущая способность КСПФ:
m
R tot,k (s ) = ∑ Rpile,k, j (s ) + Rraft,k (s )
j=1
Pile resistance / Несущая способность сваи:
Rpile,k, j (s ) = Rb,k, j (s ) + R s,k, j (s )
Raft resistance / Несущая способность плиты:
Rraft,k (s) = ∫∫ σ(s, x, y ) dx dy
CPRF coefficient:
КСПФ коэффициент:
m
α CPRF =
∑R
j =1
pile , k , j
(s)
Rtot ,k ( s)
7

8.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
ISSMGE ·
Technical Committee TC 212 Deep Foundations
.
.
.
International
Details:
www.issmge.org/tc212
CPRF-Guideline
8

9.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
Modelling soil-structure interaction
- Моделирование взаимодействия грунтов и конструкции
Numerical Analysis
Численный анализ
Constitutive law
non-linear and stress dependent
Geometry
3-dimensional model
Физические законы
Нелинейность и зависимость от нагрузки
Геометрия
3-х мерная модель
σ1
hydrostatic axis
Fs
Fc
σ2
σ3
9

10.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
Messeturm · Frankfurt am Main, Germany
Settlements calculated for a shallow foundation:
Расчётная осадка фундаментой плиты:
s > 40 cm
z = 0 - 20 m → 75 - 80 %
Messeturm · Frankfurt am Main,
Germany
σ(z)
dz
Es (z)
0
z
Settlements:
s=∫
Комбинированный свайно-плитный
фундамент (КСПФ)
10

11.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
Messeturm · Frankfurt am Main, Germany
Effective building load:
Эффективная нагрузка на КСПФ:
= 1.570 MN
Ultimate pile load:
Максимальная нагрузка на сваи:
64 x 11.3 MN = 725 MN
Load transfer by raft:
Передача нагрузки через фундаментную плиту:
= 845 MN
Contact pressure:
Контактное давление: 250 kN/m2
αCPRF = 0.46
11

12.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
Messeturm · Frankfurt am Main, Germany
- Экономия затрат при производстве свай
Accomplished CPRF 64 piles (laverage = 30 m)
Реализированный КСПФ
Costs of pile production
стоимость производства свай:
64 piles x 30 m x 600 €/m
≈1.2 Mio. €
Pile foundation: 316 piles (l = 30 m)
Свайный фундамент
Costs of pile production
стоимость производства свай:
316 piles x 30 m x 600 €/m
≈ 5.7 Mio. €
Savings in costs of pile production
Экономия затрат при производстве свай
4.5 Mio. €
CO2 reduction: 2,500 t
12

13.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
European Central Bank · Frankfurt am Main,
Germany - Экономия затрат при производстве свай
Accomplished CPRF 97 piles (laverage = 30 m)
Реализированный КСПФ
Costs of pile production
стоимость производства свай:
97 piles x 30 m x 600 €/m
≈1.7 Mio. €
Pile foundation: 490 piles (l = 30 m)
Свайный фундамент
Costs of pile production
стоимость производства свай:
490 piles x 30 m x 600 €/m
≈ 8.8 Mio. €
Savings in costs of pile production
Экономия затрат при производстве свай
7.1 Mio. €
CO2 reduction: 2,500 t
13

14.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
Federation Tower · Moscow, Russia
14

15.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
Federation Tower · Moscow, Russia
360 m
243 m
15

16.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
Federation Tower · Moscow, Russia
Pile load tests TP 15-1 and TP 15-2 with Osterberg Cells (O-Cells)
Испытание свай по методу Остерберга (O-Cells)
7,35 m
3,8 m
16

17.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
Federation Tower · Moscow, Russia
Pile load tests TP 15-1 and TP 15-2
with Osterberg Cells (O-Cells)
Испытание свай по методу Остерберга
(O-Cells)
Трение боковой
поверхности
сваи
qs > 2300 kN/m²
TP 15-1
Deep foundations
TP 15-2
Urban tunnelling
Geothermics
Conclusions
17

18.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
Palais Quartier · Frankfurt am Main
- Испытание свай по методу Остерберга (O-Cells)
Верхняя ячейка Остерберга
Перемещение [мм]
Top ground surface 102,02 msl
100
80
60
40
20
Concrete 70,60 msl
0
Нагрузка [MH]
-20
0
5m
5
10
15
20
25
30
Upper Cell Level
Lower Cell Level
59,00 msl
D = 1.7 m
18

19.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
Palais Quartier · Frankfurt am Main
- Испытание свай по методу Остерберга (O-Cells)
Перемещение [мм]
9090
80
80
70
70
60
60
50
50
oberes
Pfahlsegment
Верхний
сегмент
сваи
40
40
30
30
20
20
Трение боковой поверхности сваи
qs = 830 kN/m²
10
Средний и нижний сегмент сваи
10
0
0
-10
--20
0
10 0
30
20
5
5
1010
15 15
20
20
25
25
30
Нагрузка [MН]
19

20.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
Back analysis for calibration of
numerical simulations ⋅ Lagos, Nigeria
Pile load test with Osterberg-Cells (O-Cells)
Испытание свай по методу Остерберга (O-Cells)
20

21.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
Back analysis for calibration of
numerical simulations ⋅ Lagos, Nigeria
Оptimised design of the foundation system by applying the back analysis
Оптимизация проектирования фундаментов с применением обратного расчета
Комбинированный свайно-плитный
фундамент (КСПФ)
21

22.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
Back analysis for calibration of
numerical simulations ⋅ Lagos, Nigeria
22

23.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
Kingdom Tower · Jeddah, Saudi Arabia
- Кингдом Тауэр · Джидда, Саудовская Аравия
Kingdom Tower:
Height:
Floors:
Load:
Single load:
Base area:
1.007 m
240
8.800 MN
up to 400 MN
3.720 m²
Высота:
1.007 м
Этажи:
240
Нагрузка:
8.800 MН
Сосредоточенная нагрузка: до 400 MН
Площадь:
3.720 м²
Rising bearing structure
Hallway walls
Core walls
Wing walls
Border walls
Reinforced concrete
and steel structure
23

24.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
Kingdom Tower · Jeddah, Saudi Arabia
Soil investigation – Исследование грунта
Coral limestone
Коралловый
известняк
C
‘
Gravel, siltstone
Гравий, алевролит
Weathered sandstone
Выветрелый песчаник
Gravel / Гравий
C
Sandstone
Песчаник
24

25.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
Kingdom Tower · Jeddah, Saudi Arabia
- Кингдом Тауэр · Джидда, Саудовская Аравия
25

26.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
Kingdom Tower · Jeddah, Saudi Arabia
Soil investigation – Исследование грунта
Deformation modulus determined by laboratory and field investigations / Модуль
деформации, определенный с помощью лабораторных и полевых исследований
E
[MN/m²]
Deformation
modulus
(range)
Coral limestone
Коралловый
известняк
Gravel, siltstone
Гравий, алевролит
Weathered sandstone
Выветрелый
песчаник
Gravel / Гравий
Sandstone
Песчаник
Depth
[mNN]
Einaxiale Druckfestigkeit
Probebelastungen
Pressuremeter Test
8 % Edyn aus PS-Logging
Triaxialversuche
15 % Edyn aus PS-Logging
26

27.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
Kingdom Tower · Jeddah, Saudi Arabia
– Final foundation design
Calculated settlements in [mm]
Расчетные осадки [мм]
83
86
89
92
95
-45 m
98
-65 m
101
104
-85 m
0m
10m 20m
107
110 [mm]
-105 m
Angle of twist:
β=δs/δL= 0,018m/22m
β=1/1200
27

28.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
Kingdom Tower · Jeddah, Saudi Arabia
- Кингдом Тауэр · Джидда, Саудовская Аравия
Core area
Ядро жесткости башни
Reinforcement of the raft
Арматура фундаментной плиты
Formwork and reinforcement of the raft
Опалубка и арматура фундаментной плиты
28

29.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
Kingdom Tower · Jeddah, Saudi Arabia
29

30.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
Recommendations for the design of CPRF
- Рекомендации по проектированию КПСФ
piles directly under the load of
the superstructure
cваи под нагрузками
конструкции
centre of the pile group =
centre of the loads
центр группы свай = центр
нагрузок
несколько длинных свай
лучше чем много коротких
короткие сваи: края и углы
плиты
a few long piles are better
than many short piles
CPRF coefficient:
m
α CPRF =
∑R
j =1
pile , k , j
(s)
Rtot ,k ( s )
shorter piles: edges and
corners
longer piles: inner part
calibration of the numerical
model is necessary
длинные сваи: внутренняя
часть плиты
необходимость калибровки
численной модели
использование обратного
расчета испытания свай для
определения свойств грунта
идеальный КСПФкоэффициент: αКСПФ = 0,5-0,7
back analysis of pile load
tests is ideal for parameter
identification
ideal CPRF-coefficient:
αCPRF = 0,5-0,7
30

31.

Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach • Managing Director of the Consulting Office Prof. Katzenbach
Thank you for your
kind attention!
Спасибо за внимание!
www.geotechnik.tu-darmstadt.de
31