By Dipl.-Ing. Daniel Bacon, Technical Director at gbc engineers
Wybierasz lokalizację. Podłoże musisz zaakceptować.
Lokalizację centrum danych można wybrać pod kątem zasilania, światłowodu, klimatu, dostępu do wody, podatków i warunków planistycznych. Podłoża nie da się wybrać. A właśnie podłoże, bardziej niż prawie każdy inny czynnik lokalizacyjny, zdecyduje, czy strategia posadowienia będzie prosta, ekonomiczna i przewidywalna, czy stanie się późnym problemem kosztowym.
Fundamenty rzadko są największą pozycją w CapEx centrum danych. Są jednak jedną z najczęstszych przyczyn późnych niespodzianek. Wysoki poziom wód gruntowych, którego nie uwzględniono przy odwodnieniu. Zanieczyszczony nasyp, który zmienia urobek w odpad niebezpieczny. Wzmocnienie podłoża, które wygląda taniej na papierze, ale później wymaga większych fundamentów, grubszych warstw rozkładających obciążenia i wiąże się z ryzykiem zatwierdzeń.
Ten artykuł jest przeznaczony dla deweloperów i generalnych wykonawców, którzy pozyskali teren, zobowiązali się do harmonogramu i muszą teraz podjąć decyzje fundamentowe, z których konsekwencjami będą żyć przez kolejne dwadzieścia do trzydziestu lat.
Dlaczego fundamenty centrów danych są inne
Hiperkalowe centrum danych nie jest typowym budynkiem. Hale rackowe przenoszą stałe obciążenia powierzchniowe rzędu 15 do 25 kN/m². Strefy generatorów, pomieszczenia UPS i instalacje chłodnicze generują znacznie większe obciążenia skupione przy poszczególnych słupach. Podłogi podniesione, trasy kablowe i systemy techniczne tolerują bardzo ograniczone odkształcenia. Po uruchomieniu obiektu dostęp do fundamentów jest praktycznie niemożliwy.
Z tego wynikają trzy konsekwencje. Fundamenty muszą być przewidywalne, a nie tylko wystarczające. Dopuszczalne osiadania są bardziej rygorystyczne niż w prawie każdym innym typie budynku, zwykle poniżej 25 mm osiadania całkowitego i 1:500 osiadania różnicowego na krytycznych rozpiętościach. Decyzje fundamentowe wpływają nie tylko na konstrukcję, ale także na koordynację MEP, odwodnienie, koryta odwadniające, wysokości podłóg podniesionych, siatkę konstrukcyjną i harmonogram rozruchu.
Te wymagania oznaczają, że strategia posadowienia powinna otrzymać więcej uwagi na wcześniejszym etapie projektu, niż zwykle zakładają deweloperzy.
Czytaj więcej: Projektowanie konstrukcji centrum danych: Zrozumienie wymagań dotyczących obciążeń użytkowych
Wszystko zaczyna się od wiedzy o tym, co znajduje się pod terenem
Każda decyzja fundamentowa opiera się na jednym dokumencie: raporcie geotechnicznym. Jeśli oszczędza się na tym raporcie, projekt opiera się na domysłach dotyczących warstw nośnych, poziomu wód gruntowych, zanieczyszczeń i rzeczywistych wymagań wobec fundamentów.
Badania geotechniczne dostarczają danych w konkretnych punktach. Odwierty wykonuje się w siatce, na terenach centrów danych zwykle co dwadzieścia do czterdziestu metrów. To, co znajduje się między tymi punktami, nie jest mierzone bezpośrednio. Jest interpretowane. Ta interpretacja, czyli projektowy model podłoża, jest realną wartością dobrego inżyniera geotechnika, a nie same surowe profile odwiertów.
Wynikają z tego dwie zasady. Pierwsza to odpowiednio zainwestować w rozpoznanie podłoża. Koszt dodatkowych odwiertów, badań laboratoryjnych i monitoringu wód gruntowych jest niewielki w porównaniu z kosztem przeprojektowania podczas uzgodnień lub budowy. Druga to interpretować podłoże odpowiednio wcześnie razem z projektantem konstrukcji, tak aby koncepcja fundamentów odzwierciedlała rzeczywiste obciążenia budynku.
Jeden praktyczny krok ma wyjątkowo duże znaczenie: uzupełnienie programu odwiertów o odpowiednią liczbę sondowań statycznych, czyli Cone Penetration Tests (CPT). CPT polega na wciskaniu w grunt oprzyrządowanej sondy i daje ciągły profil wraz z głębokością, obejmujący wytrzymałość gruntu, warstwowanie i ciśnienie porowe, z dużo większą rozdzielczością niż same odwierty. Na dużych terenach centrów danych CPT wypełnia luki między odwiertami i zmniejsza ryzyko przeoczenia lokalnie słabych warstw, które później mogą powodować osiadania lub powiększenie fundamentów.
Dobrze rozpoznany teren ogranicza niespodzianki podczas budowy. Słabo rozpoznany teren je gwarantuje.
Warunki terenowe, które decydują o strategii posadowienia
Gdy podłoże jest właściwie scharakteryzowane, o strategii fundamentowej najczęściej decydują cztery warunki.
1. Nośność płytkiego podłoża
Jeżeli górne metry gruntu są mocne, obciążenie budynku można rozłożyć przez fundamenty bezpośrednie i płytę konstrukcyjną. Jeżeli są słabe, fundamenty bezpośrednie musiałyby być bardzo duże, aby bezpiecznie przenieść obciążenia. Ich geometria może wtedy kolidować z siatką konstrukcyjną, wysokościami podłóg podniesionych i spadkami odwodnienia.
2. Poziom wód gruntowych, ograniczenia środowiskowe i kondygnacje podziemne
Wysoki poziom wód gruntowych zmienia wszystkie dalsze decyzje. Może całkowicie wykluczyć metody wzmocnienia podłoża oparte na zagęszczaniu. Może wymusić znaczne odwodnienie podczas wykonywania pali i wykopów pod kondygnacje podziemne. Jeżeli wody gruntowe są zanieczyszczone, co często zdarza się na terenach poprzemysłowych atrakcyjnych dla centrów danych, sama woda staje się problemem utylizacyjnym.
W niektórych jurysdykcjach i strefach wodonośnych ograniczenia idą dalej. Przepisy ochrony wód gruntowych mogą ograniczać lub zakazywać palowania, jeżeli wiercenia mogłyby stworzyć połączenia między warstwami wodonośnymi albo przenieść zanieczyszczenia do głębszych warstw. W takich przypadkach wzmocnienie podłoża może być preferowane nie dlatego, że jest konstrukcyjnie lepsze, ale dlatego, że łatwiej je zatwierdzić.
Kondygnacje podziemne wzmacniają wszystkie te problemy. Strategia hydroizolacji, zabezpieczenie przed wyporem i długoterminowe koszty pompowania zależą od przewidywalnego reżimu wodnego. W środowisku wód gruntowych nawet niewielkie osiadania różnicowe mogą prowadzić do rys wpływających na szczelność, co jest nie tylko problemem konstrukcyjnym, ale także ryzykiem operacyjnym.
3. Zanieczyszczenie podłoża
Wiele najbardziej atrakcyjnych terenów pod centra danych ma historię przemysłową. Są to dawne tereny energetyczne, transportowe lub produkcyjne. Jeżeli grunt jest zanieczyszczony, każdy metr sześcienny wykopu staje się kwestią kosztów i harmonogramu.
Ma to znaczenie, ponieważ prawie każda strategia fundamentowa przemieszcza grunt. Pale wiercone generują urobek. Wymiana gruntu generuje urobek. Głębokie kondygnacje podziemne generują urobek. Różnica kosztów między wywozem niezanieczyszczonego urobku a materiału niebezpiecznego jest na tyle duża, że może zmienić pozornie najtańszą opcję posadowienia.
4. Wielkość i koncentracja obciążeń konstrukcyjnych
Centra danych są nietypowymi budynkami. Hale rackowe generują wysokie, ale stosunkowo równomierne obciążenia powierzchniowe. Strefy techniczne generują bardzo wysokie skupione obciążenia słupów. Ta kombinacja ma znaczenie, ponieważ wzmocnienie podłoża zwykle najlepiej działa pod obciążeniami równomiernie rozłożonymi i wymaga warstwy rozkładającej obciążenia lub pogrubionej płyty, aby rozproszyć obciążenia skupione. To zwiększa ilość betonu, zbrojenia i wysokość konstrukcyjną.
Im większa koncentracja obciążeń, tym mocniejszy staje się argument za posadowieniem na palach. Im bardziej równomierne obciążenia i im lepsza jakość podłoża, tym bardziej realne staje się wzmocnienie gruntu.
Czytaj więcej: Prefabrykowane płyty kanałowe do centrów danych
Dwa podejścia i możliwość ich połączenia
Po scharakteryzowaniu tych warunków inżynier zawęża wybór. Dominują dwa ogólne podejścia.
Wzmocnienie podłoża poprawia istniejący grunt na miejscu, tworząc sztywniejsze podłoże kompozytowe pod budynkiem. Zakres metod jest szeroki: od technik zagęszczania po elementy wiercone lub iniekcyjne, które zachowują się niemal jak pale. Kluczowa różnica polega na tym, że w wielu systemach część obciążenia nadal przenosi matryca gruntowa.
Posadowienie na palach omija słabe grunty przypowierzchniowe i przekazuje obciążenia przez elementy konstrukcyjne do głębszych warstw nośnych. Działa dobrze, gdy obciążenia są skupione, warunki gruntowe zmienne, tolerancje osiadań małe albo ścieżka zatwierdzeń dla pali jest jednoznaczna.
Wybór rzadko jest tak binarny, jak wygląda. Zazwyczaj preferuje się jednolity system, wyłącznie pale albo wyłącznie posadowienie bezpośrednie, ponieważ jednolitość upraszcza projektowanie, wykonawstwo i kontrolę jakości. Na dużych terenach centrów danych sensowne może być jednak podejście hybrydowe: pale pod silnie obciążonymi strefami technicznymi, generatorami i głównymi słupami oraz wzmocnienie podłoża pod bardziej równomiernie obciążonymi częściami hali.
Koszty, które deweloperzy odkrywają zbyt późno
Oferty fundamentowe łatwo porównuje się po stawkach jednostkowych i cenach całkowitych. Różnice między projektami prawie nigdy nie leżą wyłącznie w tych liczbach. Pojawiają się w czterech obszarach, które na etapie koncepcji często są wyceniane zbyt lekko.
Utylizacja urobku. Pale wiercone, wymiana gruntu i wykopy pod kondygnacje podziemne generują duże ilości materiału. Na czystym terenie jest to koszt transportu. Na terenie zanieczyszczonym jest to koszt odpadu niebezpiecznego, który może przesądzić, czy dana metoda pozostaje ekonomiczna.
Odwodnienie. Jeżeli poziom wód gruntowych jest wysoki, każdy metr wykopu poniżej zwierciadła wody oznacza pompowanie wody, którą trzeba gdzieś odprowadzić. Na czystym terenie oznacza to zrzut do cieku lub kanalizacji na podstawie pozwolenia. Na terenie zanieczyszczonym może to oznaczać najpierw oczyszczanie, czasem kosztujące więcej niż oszczędność wynikająca z pierwotnie wybranej metody posadowienia.
Ryzyko zatwierdzeń przy metodach niestandardowych. Niektóre systemy wzmocnienia podłoża znajdują się w szarej strefie regulacyjnej. Są sprzedawane jako wzmocnienie podłoża, więc pozostają poza ścisłymi wymaganiami norm palowych, ale w procesie wykonania i funkcji bardzo przypominają pale. Podczas zatwierdzania organy lub sprawdzający mogą mimo to oceniać je według norm palowych. W najlepszym przypadku oznacza to dodatkowe sprawdzenia. W najgorszym może prowadzić do przeprojektowania i opóźnień.
Ryzyko harmonogramowe. Każdy problem fundamentowy jest problemem ścieżki krytycznej. W przeciwieństwie do wielu kwestii budowlanych, nierozstrzygniętego pytania o fundamenty nie da się obejść. Nic ponad poziomem terenu nie może ruszyć, dopóki nie zostanie ono rozwiązane.
Pytania, które warto zadać inżynierowi
Strategia fundamentowa jest rekomendacją, a nie faktem. Jak każda propozycja inżynierska, powinna wytrzymać bezpośrednie pytania. Deweloperzy i generalni wykonawcy często wahają się, czy kwestionować argumentację techniczną, bo dziedzina jest specjalistyczna. Właśnie takie pytania często ujawniają jednak najdroższe założenia.
Proszę wyjaśnić, dlaczego wybrano to podejście. Wzmocnienie podłoża czy pale, ta metoda zamiast alternatyw. Inżynier powinien umieć jasno przedstawić łańcuch rozumowania, od warunków gruntowych przez obciążenia i limity osiadań po koszty oraz ryzyko zatwierdzeń.
Czy proponowana metoda jest objęta uznaną normą? Dotyczy to szczególnie wzmocnienia podłoża. Niektóre metody są dobrze opisane przez Eurokod 7 i załączniki krajowe. Inne są systemami własnościowymi opracowanymi przez wykonawców. Takie systemy mogą być technicznie bardzo dobre, ale wymagają jasnej podstawy obliczeniowej i zatwierdzeniowej.
Czy ta strategia jest zgodna z ograniczeniami środowiskowymi i sejsmicznymi terenu? Nie każda metoda jest odpowiednia w każdym regionie. Zasady ochrony wód gruntowych mogą wykluczyć pale. Projektowanie sejsmiczne może premiować pale w porównaniu ze słabszymi systemami wzmocnienia podłoża. Zanieczyszczony grunt może całkowicie zmienić rachunek ekonomiczny.
Czy każdy pal lub każdy element fundamentu został zaprojektowany na rzeczywiste obciążenie, czy przyjęto najgorszy przypadek i zastosowano go wszędzie? To jedna z najczęstszych przyczyn przewymiarowania w centrach danych. Jeżeli największa głowica palowa jest kopiowana dla wszystkich słupów, beton, zbrojenie i wykop są niepotrzebnie mnożone przez tysiące pozycji.
Dobre odpowiedzi na te pytania brzmią jak przemyślany, konkretny osąd inżynierski. Słabe odpowiedzi brzmią jak przywiązanie do konwencji albo do preferowanej metody wykonawcy. Różnica między nimi często oznacza CapEx.
Studium przypadku: ponowna ocena propozycji wzmocnienia podłoża w rzeczywistym projekcie
gbc engineers otrzymało niedawno zlecenie niezależnego przeglądu projektu fundamentów dla dużego projektu centrum danych. Wykonawca zaproponował system kolumn o kontrolowanym module odkształcenia, czyli Controlled Modulus Columns (CMC), jako metodę wzmocnienia podłoża.
Kolumny CMC to wiercone elementy betonowe instalowane w gruncie w układzie siatki. Na budowie wyglądają bardzo podobnie do pali wierconych, ale z jedną kluczową różnicą: nie mają zbrojenia. Oznacza to, że nie można ich weryfikować w taki sam sposób jak pali nośnych.
Nasz przegląd ujawnił zasadnicze pytanie projektowe. Jeżeli wykonawca i tak jest gotów wiercić betonowe kolumny o podobnej średnicy i głębokości jak pale wiercone, ale pozostawić je niezbrojone i oprzeć na warstwie kruszywa oraz dużych stopach bezpośrednich, czy to rzeczywiście oszczędza pieniądze w porównaniu ze zbrojonymi palami i mniejszymi, zoptymalizowanymi oczepami?
Rysunki porównawcze jasno pokazały różnicę.
Dla typowego fundamentu słupa przejście z fundamentu bezpośredniego opartego na CMC na oczep palowy zmniejszyło objętość betonu fundamentowego ponad gruntem z 24,3 m³ do 16,8 m³, czyli o około 30 procent. Dla bardziej obciążonego słupa objętość spadła z 42,4 m³ do 16,9 m³, czyli o około 60 procent.
Naszą rekomendację uzasadniały trzy kwestie.
- Pierwszą było przenoszenie obciążeń skupionych. Systemy CMC dobrze działają pod równomiernymi obciążeniami powierzchniowymi, ale koncentracje naprężeń przy głowicach kolumn pod obciążeniami skupionymi, typowymi dla stref technicznych i słupów siatki konstrukcyjnej, są trudniejsze do uzasadnienia. Posadowienie na palach daje bardziej bezpośrednią i czytelną ścieżkę obciążenia.
- Drugą była zgodność z normami i ryzyko zatwierdzenia. CMC znajduje się w szarej strefie między wzmocnieniem podłoża a palowaniem. Nie ma osobnej normy Eurokodu dla tego systemu, a organy mogą w procesie zatwierdzania potraktować go jak posadowienie na palach. Wtedy projekt musiałby być sprawdzany względem wymagań, dla których system nie został pierwotnie zaprojektowany.
- Trzecią kwestią był ukryty koszt konstrukcji wspierającej. Ponieważ CMC polega na warstwie kruszywa i fundamentach bezpośrednich do rozłożenia obciążeń skupionych, fundament ponad podłożem znacząco rośnie w porównaniu ze zoptymalizowanym oczepem palowym. Gdy uwzględni się beton, zbrojenie i czas wykonania, początkowa przewaga cenowa wzmocnienia podłoża może zniknąć.
Zarekomendowaliśmy posadowienie na palach wierconych ze zoptymalizowanymi, indywidualnie zaprojektowanymi oczepami jako rozwiązanie bardziej jednoznaczne normowo, mniej ryzykowne i ostatecznie bardziej ekonomiczne. Przegląd wsparł decyzję na etapie, na którym strategię fundamentową można było jeszcze zmienić, zanim stałaby się źródłem opóźnień i roszczeń.
Co zrobić na etapie koncepcji
Najcenniejszym działaniem, jakie deweloper centrum danych może podjąć w zakresie fundamentów, jest zlecenie niezależnego przeglądu, zanim strategia wykonawcy zostanie zablokowana. Projekt koncepcyjny, RIBA Stage 2 przed przetargiem, to właściwy moment. Na tym etapie dostępny jest raport geotechniczny, wstępne założenia obciążeń i ograniczenia terenowe, ale projekt nie jest jeszcze związany z jedną metodą.
Dobrze opisany przegląd na tym etapie odpowiada na cztery pytania. Czy rozpoznanie geotechniczne wystarcza do podjęcia decyzji projektowych? Czy proponowana strategia odpowiada rzeczywistym obciążeniom i warunkom terenowym? Czy ukryte koszty, w tym urobek, woda, zatwierdzenia i harmonogram, zostały właściwie ujęte? Czy istnieje prostsza albo bardziej ekonomiczna alternatywa?
Wynikiem nie jest projekt. Jest nim pewność podjęcia właściwej decyzji w momencie, w którym decyzja ta nadal jest tania.
Współpraca z gbc engineers
gbc engineers zapewnia niezależne, neutralne wobec dostawców przeglądy projektów fundamentów dla centrów danych w Europie, od obiektów enterprise po kampusy hyperscale. Nie jesteśmy związani z żadnym wykonawcą, systemem ani konkretną metodą. Naszym zadaniem jest przedstawienie ryzyk gruntowych, obciążeń konstrukcyjnych, wymagań zatwierdzeniowych i kosztów całkowitych w sposób zrozumiały i możliwy do sprawdzenia.
Jeżeli planujesz centrum danych i chcesz uzyskać drugą opinię na temat strategii posadowienia, chętnie porozmawiamy. Wczesne zaangażowanie, zwykle na etapie koncepcji, daje zdecydowanie największą wartość.
|
O nas
gbc engineers
to międzynarodowe biuro inżynierskie z oddziałami w Niemczech, Polsce i Wietnamie, które zrealizowało ponad 10 000 projektów na całym świecie. Świadczymy usługi w zakresie inżynierii konstrukcyjnej, projektowania centrów danych, inżynierii infrastruktury i mostów, BIM & Scan-to-BIM oraz zarządzania budową. Łącząc niemiecką jakość inżynieryjną z międzynarodowym doświadczeniem, dostarczamy klientom zrównoważone, bezpieczne i efektywne rozwiązania.
|