Kontorshuset Kuggen ny grundläggningsmetod Byggnaden är grundlagd med m långa kohesionspålar. För att mins - ka sättningarna har stödpålar slagits och kapats cirka m under bottenplattan. Beräknad sättning efter hundra år är à cm. Utan stödpålarna skulle den beräknade medelsättningen bli cirka cm och med en kraftig snedsättning. I Göteborg är kontorshuset Kuggen på Chalmers Lindholmen under uppförande med fem våningar ovan mark och källare med underkant platta cirka 4 m under mark. Varje våningsplan utformas som ett liggande kugghjul, därav namnet Kuggen. Våningsplanen är olika stora och dessutom placerade så att ett överhäng bildas, vilket medför en förhållandevis stor osymmetrisk belastning på grundkonstruktionen. Omvänd kohesionspålning Grundläggningsmetoden innebär att byggnaden i princip grundläggs med konventionella kohesionspålar, men för att mins - ka sättningarna utförs även en stödpålning som fungerar som en omvänd kohesionspålning, se principsektion i figur. Stödpålarna (de omvända kohesionspålarna) slås till fast botten och kapas cirka m under bottenplattan. Placering av och antalet stödpålar väljs så att de beräknade sättningarna blir jämna och av önskvärd storleksordning. Kuggen sammankopplas via gångbroar till två andra byggnader, Navet och Jupiter, en stödpålad och en kohesionspålad, se figur 4 på sidan. Dimensioneringen har utförts så att den beräknade sättningen för Kuggen är ungefär hälften av den beräknade sättningen för Jupiter. Sättningsskillnaden mellan Kuggen och de omgivande byggnaderna blir därmed ungefär lika stor. Kohesionspålarna placeras i princip där byggnadslasterna kommer ner. Pålarnas längd samt utnyttjandegrad (påförd belastning) väljs så att lasten överförs Fyllning 7 m Lera Last av fyllning Friktionsjord Berg m Lera Block Stötvågsmätning har utförts på samtliga stödpålar och bärförmågan har beräknats som spets- och mantelbärigheten i friktionsjorden. m långa kohesionspålar av betong, med tvärsnitt 7x7 mm, som överför byggnadslasten till leran Stödpålar som kapas ca m under bottenplattan. Betongpålar med tvärsnitt 7x7 mm Fungerar som "omvända" kohesionspålar och minskar sättningarna genom att påhängslaster från leran överförs till fast botten Figur. Principsektion Figur : Principsektion. Konstruktion Tyréns AB 3-dimensionell modell av byggnaden beräkningar av: - moment - tvärkrafter - deformationer Samverkan byggnad - undergrund Geoteknik Bohusgeo AB 3-dimensionell modell av jordlagren Beräkningar av: - spänningar - portryck - sättningar Avlastning genom källarschakten Avlastning genom stödpålarna Artikelförfattare är Per-Gunnar Larsson, Bohusgeo AB, Uddevalla. Lastkoncentration från kohesionspålarna Figur Figur :. Beräkningsmodell och Beräkningsmodell beräknade spänningar. och b k d Bygg & teknik / 9
9 9 8 Lättklinker m tjocklek tot. m3 8 st stödpålar st kohesionspålar 8 8 9 9 Figur 3. Pålarnas placering Figur 3: Pålarnas placering. 8 8 7 7 Jupiter - 9 44 m kohesionspålar ( m trä+ m btg) 7 7 Lättklinker - för att marksättningarna skall bli likartade runt byggnaden 7 9 7 Figur 4. Kuggen, Jupiter Figur 4: och Kuggen, Navet. Jupiter Lerdjup och och Navet. fyllningar Lerdjup och fyllningar. Ytlast i kn/m Sättning i cm 8 Fyllningar utlagda: -, ca. m - 9, ca m - 9, ca m -, ca. m Totalt ca 4 m Sektion Portryck, mm Kuggen- 9 7 Vatten Navet - stödpålat Källare Djup i från markytan till lerans underkant 9 Från kartmaterial framtagen trolig sättning 7 8 9 Antal år efter Figur : Beräknade sättningar av utlagda fyllningar, 9, 9 och. inom den del av leran som beräknas ge jämnast och minst sättningar. Stödpålarna placeras i huvudsak inom samma områden som kohesionspålarna. Antalet och placeringen av stödpålarna påverkas även av fyllningar, intilliggande byggnader, lertjocklek med mera. Genom att göra sättningsberäkningar för olika antal och placering av stödpålar provar man sig fram till en acceptabel sättningsbild. I figur 3 redovisas den slutliga placeringen av kohesionspålarna och stödpålarna. En stor fördel med metoden är att man inom vissa gränser kan välja storlek på sättningar och framförallt placera stödpålarna så att sättningarna blir jämna. Stora uppfyllningar Kuggen är belägen invid Göta älv och inom ett område som tidigare utnyttjades för hamnverksamhet. Innan utbyggnaden av hamnområdena påbörjades utgjordes områdena av låglänt madmark. Mellan och påbörjades stora utfyllnadsarbeten för att skapa byggbara land - områden. Uppfyllningar har sedan skett vid ett flertal tillfällen och fyllningens totala tjocklek bedöms vid Kuggen uppgå till totalt cirka 4 m. De första fyllnadsmassorna utgjordes av muddermassor, vilka är svåra att skilja från de naturligt avsatta jordlagren. Som hjälp vid bedömningen av när och till vilka nivåer uppfyllningarna utförts finns äldre kartmaterial att tillgå. Av kartmaterial från framgår att den ursprungliga strandlinjen var belägen ungefär där Kuggen nu uppförs. De stora lermäktigheterna på à 8 m medför att man ej erhållit slutsättningarna, inte ens för de först utlagda fyllningarna. I beräkningarna har därför hänsyn tagits till de utfyllningar som utförts, 9, 9 och, se figur 4 och figur. I sättningsberäkningen som redovisas i figur, påbörjas alltså sättningsförloppet. Den troliga sättning som redovisas i figuren har tagits fram med hjälp av äldre kartmaterial och de geotekniska undersökningarna. Beräkningarna har utförts för att erhålla rätt spänningsoch portrycksfördelning för beräkningarna av Kuggens grundläggning. Komplicerade förhållanden Området där Kuggen uppförs är kraftigt påverkat av de äldre uppfyllningarna och av byggnaderna Navet och Jupiter. Exempel på hur beräknade tillskottsspänningar, porövertryck och konsolideringsgrad kan se ut före respektive efter det att Kuggen uppförts framgår av figur. Beräkningssektionens planläge framgår av figur 4. Av figur framgår bland annat, att före Kuggen uppfördes uppgick de kvarstående porövertrycken till som mest cirka kpa, inom lerlagrets mittre delar. Av diagrammet med konsolidering framgår att endast cirka procent av slutsätt- Bygg & teknik /
8 9 9 ningarna är bildade inom lerlagrets mittre delar. Inom den övre delen av Jupiters pålar sker en avlastning på grund av påhängslaster (negativ mantelkohesion) på pålarna och inom nedre delen av pålarna överförs lasten till leran från byggnaden och påhängslasten. Påhängslasten på Navets stödpålar medför att tillskottspänningarna och porövertrycken blir noll (sättningen avstannar). Kuggens placering mellan och förhållandevis nära Navet och Jupiter, medför komplicerade spännings- och sättningsförhållanden. För Kuggens sättningsförlopp kommer Navets stödpålar att ha en bromsande effekt medan Jupiters kohesionspålning kommer att ha en ökande effekt. Under Kuggen sker en avlastning av leran ner till cirka m djup under mark - ytan. Källarschakten samt påhängslasterna (negativ mantelkohesion) på stödpålarna och kohesionspålarna ger avlastningen på leran. Belastningen från byggnaden och påhängslasten på kohesionspålarna påföres leran inom kohesionspålarnas nedre del. Faktaruta Kuggen Byggherre: Chalmersfastigheter Arkitekt: Wingård Arkitektkontor AB Totalentreprenör: Peab Konstruktör: Tyréns AB Geotekniker: Bohusgeo AB - - - - - - - - - - - - - - - - - Jupiter 7 7 År 9 - FÖRE Kuggen Tillskottsspänningar i kpa 7 8 Känslighetsanalyser Det slutliga alternativet med kohesionspålar och stödpålar har tagits fram för de modeller av jordlagren, belastningarna och byggnaden som bedömts mest sannolika. Därefter har känslighetsanalyser gjorts, där de olika parametrarna varierats. Beräkningar har även utförts för olika kontakttryck under bottenplattan. Kontakttrycket (utöver vattenupptrycket) har varierats från till kpa under hela eller delar av plattan. Det finns emellertid osäkerheter i alla beräkningsmodeller och i valet av jordlagerparametrar. För att hantera dessa osäkerheter har byggnadskonstruktionen dimensionerats/kontrollerats så att den har tillräcklig styvhet i förhållande till undergrunden. Genom att variera kohesionspålarnas styvhet (fjäderkonstanten i programmet) erhålles från den tredimensionella modellen av byggnaden olika lastfördelningar mellan pålarna. Med dessa lastfördelningar utförs sättningsberäkningar i den tredimensionella modellen av lerlagren, där varje påle överför belastningen längs sin mantelyta. Ett flertal beräkningar utförs för att kontrollera att byggnadskonstruktionen klarar av att fördela om belastningen mellan pålarna, så att både större och mindre sättningar än medelsättningen kan utbildas inom samtliga delar av byggnaden. I figur 7 på nästa sida redovisas exempel på fyra sådana beräkningar. Detta är ett sätt att visa att Porövertryck i kpa 8 7-7 8 Konsolidering i % 7 8 9 8 7 9 Navet 7 8 Tillskottsspänningar i kpa - 7 8 Konsolidering i % byggnaden har tillräcklig styvhet för att omfördela belastningarna mellan kohesionspålarna. Tredimensionell modell av byggnaden Hela byggnaden modelleras med StruSoft:s FEM-Design 3D Structure. Beräkningarna är utförda av Tyréns i Göteborg. Tredimensionell belastnings- och jordlagermodell Fyllningar och källarschakter som rektangulära ytlaster. Pållaster genererade som punktlaster c- m längs pålen: uppåtriktad punktlast är negativ mantelkohesion (ger påhängslast) nedåtriktad punktlast är byggnadslast plus påhängslast. Lastspridning enligt Boussinesq och Mindlin. Samtliga laster ges en belastningshistoria. Totalt cirka 4 laster i varje beräkning. Olika lerlagertjocklekar med olika egenskaper som varierar i plan. Endimensionell konsolidering, med beaktande av krypning i leran. 9 - - - - - - - - - - - - - - - - - Jupiter 8 7 År - EFTER Kuggen 7 7 Kuggen 7 7 9 8 7 9 Porövertryck i kpa Figur : Exempel på beräknade tillskottsspänningar, porövertryck och konsolideringsgrad, före respektive efter det att Kuggen byggts. 9 Navet Bygg & teknik /
Medelsättning 3 cm 8 Medelsättning. cm 4 Medelsättning 9 cm Medelsättning cm Figur 7: Exempel på beräknade sättningar för olika lastfördelningar mellan kohesionspålarna. Lastfördelningarna är beräknade genom att fjäderkonstanten för de enskilda pålarna varierats. I figur 8 redovisas en sättningsberäkning med den valda kohesionspålningen, men där samtliga stödpålar tagits bort. Byggnadens medelsättning blir nästan tre gånger större än med stödpålarna och snedsättningen blir cirka cm. Även de lokala differenssättningarna inom byggnaden ökar kraftigt, vilket avsevärt ökar kravet på byggnadens styvhet (förmåga att omfördela belastningarna från de röda överbelastade delarna till de blå delarna). Nästan totalkompenserad Den totala belastningen från byggnaden uppgår till cirka 8 kpa. Vid sättningsbe- räkningarna har vattenupptrycket under bottenplattan satts till kpa (underkant bottenplatta är cirka m under Göta älvs medelvattennivå). Avlastningen till följd av källarschakten är à kpa. Byggnaden är alltså nästan totalkompenserad relativt den befintliga markytan (7 à 7 kpa jämfört med 8 kpa). De omgivande fyllningarna är emellertid cirka 4 m tjocka och lastspridningen från dessa in under byggnaden ger upphov till de största sättningarna. För de mest sannolika modellerna varierar lasten på kohesionspålarna mellan cirka 7 och 9 kn. Vid beräkningarna med varierande styvhet i pålarna kan pållasterna variera mellan cirka och kn och påhängslasten mellan och 7 kn. Beräkningarna visar att inga påhängslaster erhålles på vissa pålar under byggnadens centrala del och att höga påhängslaster erhålles på fasadpålarna, där den utanförliggande fyllningen hänger sig på. För full belastning på pålarna (påhängslasterna fullt utbildade) beräknas den elastiska deformationen i kohesionspålarna till cirka mm och i stödpålarna till cirka mm. För att erhålla dessa deformationer erfordras en långtidssättning i leran på cirka fem år. Avvägningar har utförts när bottenplattan och samtliga källarytterväggar gjutits (-4-9) samt efter det att hela betongstommen gjutits (--). Uppmätta sättningar är cirka 3 till 7 mm. Beräknade marksättningar runt Kuggen mellan och (hundra år) redovisas i figur 9 på nästa sida. Närmast Kuggen är sättningarna cirka cm, med en ökande sättning ut från byggnaden. I riktning mot Navet minskar dock sättningarna på grund av påhängslasterna på Navets stödpålar. Under samma tid (hundra år) är sättningen för Kuggen beräknad till à cm. Stödpålarna erhåller mycket höga påhängslaster, i närheten av brottlasten. Om Medelsättning 8 cm 38 - cm sättning 4 7 4 8 7784 87 8 4 3 4 44 4 48 8 8 8 4 34 48 4 44 4 34 338 4 4 4 4 4 48 8 4 78 8 8 8-7 cm sättning Figur 8: Beräkning av de sättningar som erhålles utan några stödpålar, men med den valda kohesionspålningen. Kuggen under uppförande, bilden tagen --. Till höger syns förbindelsegången mellan Kuggen och Navet (stödpålad). Till vänster om Kuggen ligger byggnaden Jupiter (kohesionspålad). Bygg & teknik /
9 8 7 Sättningar i cm mellan och ( år) 8 8 8 7 7 Jupiter - kohesionspålat 8 7 marksättningar Figur 9: 9Beräknade sättningar efter hundra år för Kuggen och markytan runt Kuggen. 7 7 8 7 Navet - stödpålat 7 8 9 källare någon stödpåle erhåller för hög belastning och deformeras, sker dock enbart en något större sättning och en samtidig omfördelning av belastningen till de andra stödpålarna. Vilka alternativa grundläggningsmetoder är tänkbara? Konventionell stödpålning? Konventionell kohesionspålning, med fler och olika långa pålar? De stora påhängslasterna på konventionella stödpålar skulle medföra fler och kraftigare pålar än normalt och det visade sig vara ett betydligt dyrare alternativ än den använda metoden. Fler och olika långa kohesionspålar ger förhållandevis liten effekt. Exempelvis ger en fördubbling av antalet kohesionspålar endast en minskning av sättningarna med à procent (av medelsättningen på cirka cm). Grundläggningsmetodiken har utvecklats i samarbete med byggnadskonstruktör Bengt Johansson på Tyréns AB i Göteborg. Bygg & teknik /