By Dipl.-Ing. Daniel Bacon, Technical Director at gbc engineers
Sie wählen den Standort. Den Baugrund übernehmen Sie.
Sie können Ihren Rechenzentrumsstandort nach Stromversorgung, Glasfaseranbindung, Klima, Wasser, Steuern und Baurecht auswählen. Den Baugrund können Sie nicht auswählen. Und genau dieser Baugrund entscheidet mehr als fast jeder andere Standortfaktor darüber, ob Ihre Gründungsstrategie einfach, kostengünstig und planbar bleibt oder spät im Projekt zu einem Kostenproblem wird.
Fundamente sind selten der größte Einzelposten im CapEx eines Rechenzentrums. Sie sind jedoch zuverlässig eine der größten Quellen für späte Überraschungen. Ein hoher Grundwasserstand, der nicht für die Wasserhaltung berücksichtigt wurde. Kontaminierter Auffüllboden, der den Aushub zu Sonderabfall macht. Eine Baugrundverbesserung, die auf dem Papier günstiger wirkt, aber später größere Fundamente, dickere Lastverteilungsplatten und Genehmigungsrisiken verursacht.
Dieser Artikel richtet sich an Entwickler und Generalunternehmer, die bereits einen Standort gesichert haben, an einen Terminplan gebunden sind und nun Gründungsentscheidungen treffen müssen, deren Folgen sie die nächsten zwanzig bis dreißig Jahre tragen.
Warum Fundamente für Rechenzentren anders sind
Ein Hyperscale-Rechenzentrum ist kein typisches Gebäude. Rack-Hallen tragen dauerhafte Flächenlasten von 15 bis 25 kN/m². Generatorbereiche, USV-Räume und Kälteanlagen erzeugen wesentlich höhere Einzellasten an einzelnen Stützen. Doppelböden, Kabeltrassen und technische Anlagen tolerieren nur sehr begrenzte Verformungen. Sobald der Betrieb läuft, ist der Zugang zu den Fundamenten praktisch nicht mehr möglich.
Daraus folgen drei Punkte. Fundamente müssen nicht nur ausreichend, sondern berechenbar sein. Setzungsgrenzen sind enger als bei fast allen anderen Gebäudetypen, typischerweise unter 25 mm Gesamtsetzung und 1:500 Differenzsetzung über kritische Felder. Und Gründungsentscheidungen beeinflussen nicht nur den Rohbau, sondern auch TGA-Koordination, Entwässerung, Entwässerungsrinnen, Doppelbodenhöhen, Tragwerksraster und Inbetriebnahmeplanung.
Diese Anforderungen bedeuten, dass die Gründungsstrategie deutlich früher im Projekt mehr Aufmerksamkeit erhalten muss, als Entwickler ihr häufig geben.
Weiterlesen: Tragwerksplanung Rechenzentrum: Verständnis der Anforderungen an Nutzlasten
Es beginnt damit, zu wissen, was unter Ihrem Standort liegt
Jede Gründungsentscheidung basiert auf einem einzigen Dokument: dem Baugrundgutachten. Wenn an diesem Gutachten gespart wird, raten Sie letztlich über tragfähige Schichten, Wasserstände, Kontamination und darüber, was die Gründung tatsächlich leisten muss.
Eine Baugrunderkundung liefert Daten an einzelnen Punkten. Bohrungen werden in einem Raster angeordnet, bei Rechenzentrumsstandorten typischerweise alle zwanzig bis vierzig Meter. Was zwischen diesen Punkten liegt, wird nicht direkt gemessen. Es wird interpretiert. Diese Interpretation, das Bemessungsbaugrundmodell, ist der eigentliche Wert eines guten geotechnischen Ingenieurs und nicht nur die reinen Bohrprofile.
Daraus ergeben sich zwei Grundsätze. Der erste ist, ausreichend in die Erkundung zu investieren. Die Kosten zusätzlicher Bohrungen, Laborversuche und Grundwassermessungen sind gering im Vergleich zu den Kosten einer Umplanung während der Genehmigung oder Bauausführung. Der zweite ist, den Baugrund früh genug mit einem Tragwerksplaner zu interpretieren, damit das Fundamentkonzept die tatsächlichen Lasten des Gebäudes widerspiegelt.
Ein praktischer Schritt hat besonders große Wirkung: Ergänzen Sie das Bohrprogramm durch eine ausreichende Anzahl von Drucksondierungen, also Cone Penetration Tests (CPTs). Ein CPT drückt eine instrumentierte Sonde in den Boden und liefert ein kontinuierliches Profil mit der Tiefe, einschließlich Bodenfestigkeit, Schichtung und Porenwasserdruck, und zwar mit wesentlich höherer Auflösung als Bohrungen allein. Für große Rechenzentrumsstandorte schließen CPTs die Lücken zwischen Bohrungen und verringern das Risiko, lokal schwache Schichten zu übersehen, die später Setzungen oder Fundamentvergrößerungen verursachen.
Ein gut untersuchter Standort begrenzt Überraschungen während der Bauphase. Ein schlecht untersuchter Standort garantiert sie.
Die Standortbedingungen, die Ihre Gründungsstrategie bestimmen
Sobald der Baugrund ausreichend beschrieben ist, entscheiden vor allem vier Bedingungen über die Gründungsstrategie.
1. Tragfähigkeit des oberflächennahen Baugrunds
Wenn die oberen Meter des Baugrunds tragfähig sind, kann die Gebäudelast über Flachgründungen und eine tragende Bodenplatte verteilt werden. Sind sie schwach, müssten Flachgründungen sehr groß werden, um die Lasten sicher zu übertragen. Die Geometrie kann dann mit dem Tragraster, den Doppelbodenhöhen und den Entwässerungsgefällen in Konflikt geraten.
2. Grundwasserstand, Umweltauflagen und Untergeschosse
Ein hoher Grundwasserstand verändert alle nachgelagerten Entscheidungen. Er kann verdichtungsbasierte Baugrundverbesserungsverfahren vollständig ausschließen. Er kann erhebliche Wasserhaltung während der Pfahlherstellung und des Aushubs von Untergeschossen erforderlich machen. Wenn das Grundwasser kontaminiert ist, was bei industriell vorgeprägten Standorten häufig vorkommt, kann das Wasser selbst zum Entsorgungsproblem werden.
In einigen Rechtsräumen und Grundwasserbereichen geht die Einschränkung noch weiter. Umweltrechtliche Grundwasserschutzauflagen können Pfahlgründungen einschränken oder untersagen, wenn Bohrungen Verbindungen zwischen Grundwasserleitern schaffen oder Schadstoffe in tiefere Schichten verlagern könnten. In solchen Fällen kann Baugrundverbesserung bevorzugt werden, nicht weil sie strukturell überlegen ist, sondern weil sie genehmigungsfähiger ist.
Untergeschosse verstärken all diese Themen. Abdichtungskonzept, Auftriebssicherheit und langfristige Pumpkosten hängen von einem berechenbaren Wasserregime ab. In Grundwasserumgebungen können bereits kleine Differenzsetzungen zu abdichtungsrelevanten Rissen führen, was nicht nur ein Tragwerksproblem, sondern auch ein Betriebsrisiko ist.
3. Kontamination des Baugrunds
Viele der attraktivsten Rechenzentrumsstandorte haben eine industrielle Vorgeschichte. Sie liegen auf ehemaligen Energie-, Verkehrs- oder Produktionsflächen. Ist der Baugrund kontaminiert, wird jeder Kubikmeter Aushub zu einer Kosten- und Terminfrage.
Das ist wichtig, weil fast jede Gründungsstrategie Boden bewegt. Bohrpfähle erzeugen Bohrgut. Bodenaustausch erzeugt Aushub. Tiefe Untergeschosse erzeugen Aushub. Der Kostenunterschied zwischen der Entsorgung von unbelastetem Aushub und gefährlichem Material ist erheblich genug, um die scheinbar günstigste Gründungsoption zu verändern.
4. Höhe und Konzentration der Tragwerkslasten
Rechenzentren sind ungewöhnliche Gebäude. Rack-Hallen erzeugen hohe, aber relativ gleichmäßige Flächenlasten. Technikbereiche erzeugen sehr hohe konzentrierte Stützenlasten. Diese Kombination ist entscheidend, weil Baugrundverbesserung tendenziell unter gleichmäßig verteilten Lasten am besten funktioniert und eine Lastverteilungsplatte oder dickere Bodenplatte benötigt, um Einzellasten zu verteilen. Das erhöht Beton, Bewehrung und Bauhöhe.
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Zwei Ansätze und die Möglichkeit, sie zu kombinieren
Sobald diese Bedingungen beschrieben sind, grenzt Ihr Ingenieur die Wahl ein. Zwei Grundansätze dominieren.
Baugrundverbesserung stärkt den vorhandenen Boden an Ort und Stelle, um unter dem Gebäude einen steiferen Verbundbaugrund zu schaffen. Die Bandbreite der Verfahren ist groß: von Verdichtungsverfahren bis zu gebohrten oder verpressten Elementen, die sich fast wie Pfähle verhalten. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass das verbesserte Erdreich in vielen Systemen weiterhin einen Teil der Last über die Bodenmatrix trägt.
Pfahlgründungen umgehen schwache oberflächennahe Böden und leiten Lasten über Tragglieder in tiefere tragfähige Schichten ab. Sie funktionieren gut, wenn Lasten konzentriert, Baugrundverhältnisse wechselhaft, Setzungstoleranzen eng oder Genehmigungswege für Pfähle eindeutig sind.
Die Wahl ist selten so binär, wie sie wirkt. Üblicherweise wird ein einheitliches System bevorzugt, entweder nur Pfähle oder nur Flachgründungen, weil Einheitlichkeit Planung, Ausführung und Qualitätssicherung vereinfacht. Auf großen Rechenzentrumsstandorten kann jedoch auch ein hybrider Ansatz sinnvoll sein: Pfähle unter stark belasteten Technikbereichen, Generatoren und Hauptstützen sowie Baugrundverbesserung unter gleichmäßiger belasteten Hallenbereichen.
Die Kosten, die Entwickler zu spät entdecken
Gründungsangebote lassen sich leicht über Einheitspreise und Angebotssummen vergleichen. Die Unterschiede zwischen Projekten liegen fast nie nur in diesen Zahlen. Sie liegen an vier Stellen, die in der Konzeptphase oft zu vorsichtig oder zu niedrig bewertet werden.
Entsorgung von Aushubmaterial. Bohrpfähle, Bodenaustausch und Untergeschossaushub erzeugen große Mengen Aushub. Auf einem unbelasteten Standort ist das ein Transportkostenpunkt. Auf einem kontaminierten Standort ist es ein Sonderabfallkostenpunkt, der darüber entscheiden kann, ob ein Verfahren wirtschaftlich bleibt.
Wasserhaltung. Wenn der Grundwasserstand hoch ist, muss bei jedem Meter Aushub unterhalb des Wasserspiegels Wasser abgepumpt werden. Auf einem sauberen Standort bedeutet das Einleitung in ein Gewässer oder einen Kanal mit Genehmigung. Auf einem kontaminierten Standort kann es zuerst Aufbereitung bedeuten, manchmal zu Kosten, die größer sind als die Einsparung durch die ursprünglich gewählte Gründungsmethode.
Genehmigungsrisiko bei nicht standardisierten Verfahren. Einige Baugrundverbesserungssysteme liegen in einer regulatorischen Grauzone. Sie werden als Baugrundverbesserung vermarktet und bleiben damit außerhalb der strengen Anforderungen von Pfahlnormen, ähneln im Bauablauf und in der Funktion jedoch stark Pfählen. Im Genehmigungsverfahren können Behörden oder Prüfingenieure sie dennoch nach Pfahlnormen beurteilen. Im besten Fall entsteht dadurch zusätzlicher Prüfaufwand. Im schlechtesten Fall drohen Umplanung und Terminverzug.
Terminrisiko. Jedes Fundamentproblem ist ein kritischer Pfad. Anders als bei vielen Bauproblemen kann man eine ungeklärte Gründungsfrage nicht umgehen. Über Gelände kann nichts beginnen, bis sie gelöst ist.
Fragen, die Sie Ihrem Ingenieur stellen sollten
Eine Gründungsstrategie ist eine Empfehlung, keine Tatsache. Wie jeder ingenieurtechnische Vorschlag sollte sie direkte Fragen aushalten. Entwickler und Generalunternehmer zögern oft, technische Begründungen zu hinterfragen, weil das Fachgebiet ungewohnt ist. Genau diese Fragen decken jedoch häufig die kostenträchtigsten Annahmen auf.
Erklären Sie mir, warum Sie diesen Ansatz gewählt haben. Baugrundverbesserung oder Pfahlgründung, dieses Verfahren gegenüber Alternativen. Der Ingenieur sollte die Begründungskette klar darstellen können, von Baugrundverhältnissen über Lasten und Setzungsgrenzen bis zu Kosten und Genehmigungsrisiko.
Ist das vorgeschlagene Verfahren durch eine anerkannte Norm abgedeckt? Das gilt besonders für Baugrundverbesserung. Einige Verfahren sind durch Eurocode 7 und nationale Anhänge gut erfasst. Andere sind proprietäre Systeme, die von den ausführenden Unternehmen entwickelt wurden. Diese Systeme können technisch sehr gut sein, aber sie benötigen eine klare Nachweisführung.
Ist diese Strategie mit den Umwelt- und Erdbebenanforderungen des Standorts vereinbar? Nicht jedes Verfahren passt zu jeder Region. Grundwasserschutzauflagen können Pfahlgründungen ausschließen. Erdbebenbemessung kann Pfahlgründungen gegenüber schwächeren Baugrundverbesserungssystemen begünstigen. Kontaminierter Baugrund kann die wirtschaftliche Bewertung vollständig verändern.
Haben Sie jeden Pfahl oder jedes Fundamentbauteil für seine tatsächliche Last bemessen, oder wurde der ungünstigste Fall auf alles übertragen? Das ist eine der häufigsten Ursachen für Überbemessung bei Rechenzentren. Wenn der größte Pfahlkopf für alle Stützen kopiert wird, werden Beton, Bewehrung und Aushub auf Tausende von Positionen unnötig multipliziert.
Gute Antworten auf diese Fragen klingen nach durchdachtem, projektspezifischem Ingenieururteil. Schlechte Antworten klingen nach Gewohnheit oder nach der bevorzugten Methode eines Auftragnehmers. Der Unterschied zwischen beidem ist häufig CapEx.
Fallbeispiel: Neubewertung eines Baugrundverbesserungsvorschlags in einem realen Projekt
gbc engineers wurde kürzlich mit einer unabhängigen Prüfung des Gründungskonzepts für ein großes Rechenzentrumsprojekt beauftragt. Der Unternehmer hatte ein Controlled-Modulus-Column-System (CMC) als Baugrundverbesserung vorgeschlagen.
CMC-Säulen sind gebohrte Betonelemente, die rasterförmig in den Boden eingebracht werden. Auf der Baustelle sehen sie Bohrpfählen sehr ähnlich, mit einem entscheidenden Unterschied: Sie sind unbewehrt. Das bedeutet, dass sie sich nicht auf dieselbe Weise wie tragende Pfähle nachweisen lassen.
Unsere Prüfung brachte die eigentliche Entwurfsfrage zum Vorschein. Wenn der Unternehmer bereit ist, Betonsäulen mit ähnlichem Durchmesser und ähnlicher Tiefe wie Bohrpfähle herzustellen, diese aber unbewehrt zu lassen und auf einen Schotterpolster plus große Flachfundamente zu setzen, spart das dann wirklich Geld gegenüber bewehrten Pfählen mit kleineren, optimierten Pfahlköpfen?
Die Vergleichszeichnungen machten den Fall deutlich.
Beim typischen Stützenfundament reduzierte der Wechsel von einer CMC-gestützten Flachgründung zu einem Bohrpfahlkopf das Fundamentbetonvolumen oberhalb des Baugrunds von 24,3 m³ auf 16,8 m³, eine Einsparung von rund 30 Prozent. Bei der stärker belasteten Stütze reduzierte sich das Volumen von 42,4 m³ auf 16,9 m³, eine Einsparung von rund 60 Prozent.
Drei Punkte stützten unsere Empfehlung.
- Der erste Punkt war der Umgang mit konzentrierten Lasten. CMC-Systeme funktionieren gut unter gleichmäßigen Flächenlasten, aber die Spannungskonzentrationen an Stützenköpfen unter konzentrierten Tragwerkslasten, typisch für Technikbereiche und Rasterstützen, sind schwerer nachzuweisen. Eine Pfahlgründung bietet einen direkteren und klareren Lastpfad.
- Der zweite Punkt war Normenklarheit und Genehmigungsrisiko. CMC liegt in der regulatorischen Grauzone zwischen Baugrundverbesserung und Pfahlgründung. Es gibt keine eigene Eurocode-Norm dafür, und Behörden können das System im Genehmigungsverfahren wie eine Pfahlgründung einstufen. Dann müsste der Entwurf gegen Anforderungen geprüft werden, für die das System nicht ursprünglich konzipiert wurde.
- Der dritte Punkt waren versteckte Kosten im tragenden Aufbau. Weil CMC auf eine Schotterschicht und Flachfundamente angewiesen ist, um konzentrierte Lasten zu verteilen, wächst das Fundament oberhalb des Baugrunds erheblich im Vergleich zu einem optimierten Pfahlkopf. Sobald dieser Beton, diese Bewehrung und diese Bauzeit eingerechnet werden, kann der anfängliche Preisvorteil der Baugrundverbesserung verschwinden.
Wir empfahlen eine Bohrpfahlgründung mit optimierten, individuell bemessenen Pfahlköpfen als normklarere, risikoärmere und letztlich wirtschaftlichere Lösung. Die Prüfung unterstützte eine Entscheidung in einem Projektstadium, in dem die Gründungsstrategie noch angepasst werden konnte, bevor sie zu Terminverzug und Nachträgen führte.
Was in der Konzeptphase zu tun ist
Die wertvollste Maßnahme, die ein Rechenzentrumsentwickler bei Fundamenten ergreifen kann, ist eine unabhängige Prüfung, bevor die Strategie des Unternehmers festgelegt wird. Die Konzeptplanung, RIBA Stage 2 vor der Ausschreibung, ist der richtige Zeitpunkt. In dieser Phase liegen Baugrundbericht, erste Lastannahmen und Standortbeschränkungen vor, aber das Projekt ist noch nicht auf eine bestimmte Methode festgelegt.
Eine gut definierte Prüfung beantwortet in dieser Phase vier Fragen. Reicht die Baugrunderkundung aus, um die Entwurfsentscheidungen darauf zu stützen? Ist die vorgeschlagene Strategie für die tatsächlichen Lasten und Standortbedingungen geeignet? Wurden die versteckten Kosten, einschließlich Aushub, Wasserhaltung, Genehmigungen und Terminplan, richtig berücksichtigt? Gibt es eine einfachere oder wirtschaftlichere Alternative?
Das Ergebnis ist kein Entwurf. Es ist die Sicherheit, die richtige Entscheidung zu treffen, solange diese Entscheidung noch kostengünstig getroffen werden kann.
Zusammenarbeit mit gbc engineers
gbc engineers bietet unabhängige, herstellerneutrale Prüfungen von Gründungskonzepten für Rechenzentrumsprojekte in Europa, von Enterprise-Anlagen bis zu Hyperscale-Campussen. Wir sind an keinen Unternehmer, kein System und kein bestimmtes Verfahren gebunden. Unsere Aufgabe ist es, die Baugrundrisiken, die Tragwerkslasten, die Genehmigungsanforderungen und die Gesamtkosten verständlich und prüfbar zu machen.
Wenn Sie ein Rechenzentrum planen und eine zweite Einschätzung zu Ihrer Gründungsstrategie wünschen, sprechen wir gerne mit Ihnen. Eine frühe Einbindung, typischerweise in der Konzeptphase, bietet mit Abstand den größten Mehrwert.
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Über uns
gbc engineers
ist ein international tätiges Ingenieurbüro mit Standorten in Deutschland, Polen und Vietnam und hat weltweit bereits über 10.000 Projekte realisiert. Wir bieten Leistungen in den Bereichen Tragwerksplanung, Rechenzentrumsplanung, Infrastruktur- und Brückenbau, BIM & Scan-to-BIM sowie Projekt- und Baumanagement an. Durch die Verbindung deutscher Ingenieurqualität mit internationaler Expertise schaffen wir für unsere Auftraggeber nachhaltige, sichere und effiziente Lösungen.
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