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Heidelberg, Universitätsklinikum Neubau des Herzzentrums

Erschütterungseinwirkungen auf

die umliegenden Gebäude und die

medizintechnischen Geräte in den

Gebäuden

Prognoseberechnungen

Projekt-Nr.: 249105

Erstellt im Auftrag von: Universitätklinikum Heidelberg Klinik Technik GmbH Planungsgruppes Technik & Bau 3.2.5 Im Neuenheimer Feld 670 69120 Heidelberg

Dipl.-Ing. Andreas Witzsche, Dipl.-Geophys. Reinhard Schulz

2020-08-14

CDM Smith Consult GmbH · Ingersheimer Straße 10 · 70499 Stuttgart · tel: 0711 83076-0 · fax: 0711 83076-76 · stuttgart@cdmsmith.com · cdmsmith.com Bankverbindungen: Sparkasse Darmstadt IBAN DE86 5085 0150 0022 0019 81 BIC (Swift) HELADEF1DAS Uni Credit Bank AG IBAN DE44 5082 0292 0003 0451 45 BIC (Swift) HYVEDEMM487 Commerzbank Bochum IBAN DE39 4304 0036 0221 1134 00 BIC (Swift) COBADEFF430 Niederlassung: Stuttgart, eingetragen unter HRB 10957 AG Bochum Geschäftsführung: Dr. Ralf Bufler (Vorsitz) · Andreas Roth \cdmeu.internal.cdm.com\Projects\249000-249499\249105\600_Arbeitsergebnisse\610_Erschütterungsprognose\Herzzentrum\20200814be 249105_3_HD_Herzzentrum_Erschütterungsprognose.docm

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INHALTSVERZEICHNIS

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1 ZUSAMMENFASSUNG ............................................................................................. 6

2 VORBEMERKUNG .................................................................................................... 7

3 UNTERLAGEN .......................................................................................................... 7

4 AUFGABENSTELLUNG ............................................................................................ 9

5 GRUNDLAGEN .......................................................................................................... 9 5.1 Bauwerke und medizintechnische Geräte................................................................... 9 5.2 Bewertungsgrundlage............................................................................................... 10 5.3 Baugrund.................................................................................................................. 11 5.4 Auswertung des Feldtests – Ermittlung von der Schwingungsausbreitungsparametern ................................................................................................................................. 11 5.5 Parameter möglicher Baugeräte ............................................................................... 20

6 ERGEBNIS DER PROGNOSEBERECHNUNGEN .................................................. 24 6.1 INF156 – Deutsches Zentrum für Lungenforschung (DZL) ....................................... 25 6.2 INF162 – Nierenzentrum .......................................................................................... 29 6.3 INF165 – Leit- und Informationszentrale ................................................................... 32 6.4 INF360 – Centre for Organismal Studies (COS) ....................................................... 34 6.5 INF361 – Boga-Zentrum ........................................................................................... 38 6.6 Gewächshäuser ....................................................................................................... 40

7 ZUSAMMENFASSENDE BEWERTUNG UND EMPFEHLUNGEN .......................... 43

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ABBILDUNGSVERZEICHNIS

Seite Abbildung 1: Lage der Anregungspunkte und Sensoren beim Feldtest .............................. 13 Abbildung 2: Abnahme der maximalen Schwinggeschwindigkeit im Freifeld mit der Entfernung zum Anregungspunkt mit Regression (grüne Linie) und oberer Grenze des Vertrauensbereichs bei der statistischen Sicherheit von P=95% (rote Linie) ........................................................................................ 14 Abbildung 3: Mittleres Terzspektrum im Abstand von 1 m vom Anregungspunkt ............... 15 Abbildung 4: Mittleres Terzspektrum im Abstand von 18 m vom Anregungspunkt ............. 16 Abbildung 5: Hauptfrequenzen der Registrierungen in Abhängigkeit vom Abstand zum Anregungspunkt. Die gestrichelte blaue Linie deutet den Abnahmetrend an, die grauen gestrichelten Linien die Streubreite der mittleren Frequenzen. .................................................................................................. 16 Abbildung 6: Zeitspuren der Registrierungen im Freifeld im Abstand von 1,4 m und 9,9 m vom Anregungspunkt sowie im Gebäude INF156 im Raum R004 an der Außenwand in Richtung Anregungspunkt (von oben nach unten). Zu beachten sind die unterschiedlichen Skalierungen der Schwinggeschwindigkeitsachsen (siehe auch Text). ..................................... 18 Abbildung 7: Mittleres Terzspektrum des Hintergrundrauschens im UG des INF156 sowie die VC-B-Linie und die maximal zulässigen Schwinggeschwindigkeitswerte für das Konfokalmikroskop .......................... 19 Abbildung 8: Mittleres Terzspektrum der bei den Falltests erzeugten Erschütterungen im UG des INF156 sowie die VC-B-Linie und die maximal zulässigen Schwinggeschwindigkeitswerte für das Konfokalmikroskop .......................... 19 Abbildung 9: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten im Freifeld in Abhängigkeit von der fallenden Masse bzw. der Energie eines Schlags unterschiedlicher Meißel (siehe Kapitel 5.5) und der Entfernung zum Anregungspunkt (mit statistischer Sicherheit P=95%) ................................... 24 Abbildung 10: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten im Freifeld bei Anregung durch Vibrationsrammen oder Verdichtungsgeräte (siehe Kapitel 5.5) und der Entfernung zum Anregungspunkt (mit statistischer Sicherheit P=95%) ........................................................................................ 25 Abbildung 11: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten am Fundament des INF156 bei kurzzeitiger Einwirkung in Abhängigkeit von der fallenden Masse / Schlagenergie eines Meißels und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Sicherheit von P=95%). .................. 26 Abbildung 12: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten im Obergeschoss des INF156 in Abhängigkeit von der fallenden Masse / Schlagenergie eines Meißels und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Sicherheit von P=95%). ............................................................ 27 Abbildung 13: Prognostiziertes Terzspektrum der durch eine aus 1 m Höhe fallenden Masse von 100 kg erzeugten Erschütterungen im UG des INF156 sowie

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die VC-B-Linie und die max. Schwinggeschwindigkeitswerte für das Konfokalmikroskop ........................................................................................ 28 Abbildung 14: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten am Fundament des INF156 bei Dauereinwirkungen in Abhängigkeit von der eingeleiteten Energie und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Sicherheit von P=95%). ................................................................................ 29 Abbildung 15: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten am Fundament des INF162 in Abhängigkeit von der fallenden Masse / Schlagenergie eines Meißels und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Sicherheit von P=95%). ................................................................................ 30 Abbildung 16: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten im Obergeschoss des INF162 in Abhängigkeit von der fallenden Masse / Schlagenergie eines Meißels und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Sicherheit von P=95%). ............................................................ 31 Abbildung 17: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten im Obergeschoss des INF162 infolge Dauererschütterungen in Abhängigkeit von der eingeleiteten Energie und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Sicherheit von P=95%). ............................................................ 32 Abbildung 18: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten am Fundament des INF165 in Abhängigkeit von der fallenden Masse / Schlagenergie eines Meißels und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Sicherheit von P=95%). ................................................................................ 33 Abbildung 19: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten am Fundament des INF165 bei Dauereinwirkungen in Abhängigkeit von der eingeleiteten Energie und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Sicherheit von P=95%). ................................................................................ 34 Abbildung 20: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten am Fundament des INF360 in Abhängigkeit von der fallenden Masse / Schlagenergie eines Meißels und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Sicherheit von P=95%). ................................................................................ 35 Abbildung 21: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten im Obergeschoss des INF360 in Abhängigkeit von der fallenden Masse / Schlagenergie eines Meißels und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Sicherheit von P=95%). ............................................................ 36 Abbildung 22: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten im Obergeschoss des INF360 infolge Dauererschütterungen in Abhängigkeit von der eingeleiteten Energie und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Sicherheit von P=95%). ............................................................ 37 Abbildung 23: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten am Fundament des INF361 in Abhängigkeit von der fallenden Masse / Schlagenergie eines Meißels und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Sicherheit von P=95%). ................................................................................ 38 Abbildung 24: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten im Obergeschoss des INF361 in Abhängigkeit von der fallenden Masse / Schlagenergie eines Meißels und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Sicherheit von P=95%). ............................................................ 39

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Abbildung 25: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten im Obergeschoss des INF361 infolge Dauererschütterungen in Abhängigkeit von der eingeleiteten Energie und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Sicherheit von P=95%). ............................................................ 40 Abbildung 26: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten am Fundament des Gewächshauses in Abhängigkeit von der fallenden Masse / Schlagenergie eines Meißels und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Sicherheit von P=95%). ............................................................ 41 Abbildung 27: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten am Gewächshaus infolge Dauererschütterungen in Abhängigkeit von der eingeleiteten Energie und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Sicherheit von P=95%). ................................................................................ 42

TABELLENVERZEICHNIS

Seite Tabelle 5-1: Betroffene Gebäude und ihre Besonderheiten ................................................ 9 Tabelle 5-2: Vereinfachtes Baugrundmodell im Bereich des Uniklinikums nach ([U2] ....... 11 Tabelle 5-3: Energieeinträge beim Feldtest ...................................................................... 12 Tabelle 5-4: Ausbreitungsgeschwindigkeiten v und v im Bereich des Klinikums ............. 12 s r Tabelle 5-5: Erschütterungserzeugende Verfahren und relevante Parameter ................... 20 Tabelle 5-6: Gerätedaten einiger Hydraulikmeißel ([U24]) ................................................ 21 Tabelle 5-7: Gerätedaten einiger Vibrationsrammen ([U8]) ............................................... 22 Tabelle 5-8: Gerätedaten einiger Schlagrammen ([U8], [U18], [U19]) ............................... 22 Tabelle 5-9: Gerätedaten einiger Vibrations- und Explosionsstampfer ([U24]) .................. 23 Tabelle 5-10: Gerätedaten einiger Vibrationsplatten / Rüttelplatten ([U24])......................... 23

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1 ZUSAMMENFASSUNG

Das Universitätsklinikum Heidelberg plant auf dem Gelände der ehemaligen Kinderklinik ein neues Herzzentrum und Forschungsinstitut zu errichten. In unmittelbarer Nachbarschaft der noch existierenden alten Gebäude befinden sich Forschungs- und Klinikeinrichtungen mit er- schütterungsempfindlichen medizintechnischen Geräten.

Im Vorfeld der (Rück-) Baumaßnahme wurden basierend auf einem Feldtest die zu erwartenden Erschütterungseinwirkungen auf die Nachbargebäude und insbesondere die medizintechnischen Geräte prognostiziert.

Für die Abbrucharbeiten ist der Einsatz von Hydraulikmeißeln sowie der Einsatz von Abbruch- zangen und entsprechend fallenden Massen näher betrachtet worden. Da außerdem eventuell Straßensicherungsmaßnahmen durch das Erstellen einer Spundwand sowie eine Leitungsverle- gung erforderlich sind, wurden auch diese Baumaßnahmen erschütterungstechnisch bewertet.

Es zeigte sich, dass die zu erwartenden Erschütterungseinwirkungen in den im Rahmen der ge- genständlichen Untersuchungen betrachteten Fällen unterhalb der Anhaltswerte der DIN 4150 „Erschütterungen im Bauwesen“, Teil 3 „Einwirkungen auf bauliche Anlagen“ liegen und somit eine Schädigung der Gebäude im Sinne der Norm nicht zu erwarten ist.

Die Erschütterungseinwirkungen auf die medizintechnischen Geräte – hier sind insbesondere ein Konfokalmikroskop sowie ein micro-CT im Gebäude INF156 des Deutschen Lungenfor- schungszentrums zu nennen, deren Erschütterungsfestigkeit im Wesentlichen durch die VC-B- Linie der VDI-Richtlinie 2038, Blatt 2 festgelegt ist – führen zu einer deutlichen Überschreitung der Grenzwerte. Entsprechend sind erschütterungsmindernde Maßnahmen erforderlich.

Hier kommen prinzipiell Maßnahmen am Emissionsort, auf dem Übertragungsweg oder am Im- missionsort in Frage, wobei Dämpfungsmaßnahmen an den medizintechnischen Geräten als zielführendste und wirtschaftlichste Lösung angesehen werden.

Da Prognosebetrachtungen immer nur eine Annäherung an die wahren Verhältnisse darstellen, empfehlen wir, die Baumaßnahme mittels Erschütterungsmessungen in den betroffenen Gebäu- den und insbesondere an den medizintechnischen Geräten zu überwachen.

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2 VORBEMERKUNG

Am Medizinstandort Heidelberg wird die personalisierte Herzmedizin in Deutschland durch ein neues Herzzentrum und das neue Forschungsinstitut „Informatics for Life“ vorangetrieben. Das Zentrum soll auf dem Gelände der ehemaligen Kinderklinik in Nachbarschaft des Nierenzent- rums, dem Deutschen Lungenforschungszentrum sowie dem Centre for Organismal Studies mit Anschluss an den Klinikring im Bereich der Medizinischen Klinik realisiert werden (angepasst nach [U1]).

Mit Schreiben vom 31.07.2020 beauftragte das Universitätsklinikum Heidelberg die CDM Smith Consult GmbH mit der Ermittlung der zu erwartenden Erschütterungseinwirkungen auf die be- nachbarten Gebäude und den darin befindlichen medizintechnischen Geräten bei der (Rück-) Baumaßnahme.

3 UNTERLAGEN

[U1] Internet-Seite des Universitätsklinikums Heidelberg: https://www.klinikum.uni-heidel- berg.de/startseite-unterseiten/medizin-campus-heidelberg/bauen

[U2] Töniges GmbH – Beratende Geologen und Ingenieure Ingenieurgeologisches Gutachten „Heidelberg, Im Neuenheimer Feld 530, Leitungsar- beiten“, Sinsheim, 22.01.2020

[U3] CDM Smith Consult GmbH Erschütterungseinwirkungen auf die Messgeräte im Analysezentrum III – Prognosebe- rechnungen, Stuttgart, 22.05.2020

[U4] DIN 4150 Erschütterungen im Bauwesen

Teil 1: Vorermittlung von Schwingungsgrößen; Juni 2001
Teil 2: Einwirkungen auf Menschen in Gebäuden, Juni 1999
Teil 3: Einwirkungen auf bauliche Anlagen; Dezember 2016

[U5] DIN EN 60721 Klassifizierung von Umweltbedingungen Teil 3 Klassen von Umwelteinflussgrößen und deren Grenzwerte Hauptabschnitt 3: Ortsfester Einsatz, wettergeschützt

[U6] VDI 2038, Blatt 2 Gebrauchstauglichkeit von Bauwerken bei dynamischer Einwirkung, 2013

[U7] Empfehlungen des Arbeitskreises „Baugrunddynamik“ der Deutschen Gesellschaft für Erd- und Grundbau e.V. Juli 1992, Erschienen in der Bautechnik, Verlag Ernst & Sohn, Heft 9, 1992

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[U8] Achmus, M., Kaiser, J., tom Wörden, F. Bauwerkserschütterungen durch Tiefbauarbeiten (Grundlagen - Messergebnisse - Prognosen), Mitteilungen des Instituts für Grundbau, Bodenmechanik und Energie- wasserbau (IGBE) der Universität Hannover, Heft 61, Hannover 2005

[U9] Kramer, H. Angewandte Baudynamik – Grundlagen und Praxisbeispiele, Bauingenieur-Praxis, Ernst & Sohn, Berlin 2013

[U10] Broschüre SkyScan 1176 micro-CT (englisch), Bruker

[U11] Betriebsanleitung Konfokalmikroskop Leica TCS SP28, Leica

[U12] Zerrentin & Scharf Gutachten zu Erschütterungen durch Baumaßnahmen beim Ausbau der Bundeswas- serstraße Main in der Stauhaltung Ottendorf (Ma-km 344,55 bis 359,20), Bundesan- stalt für Wasserbau, 21.05.2010

[U13] Optimierung des Rückbaus / Abbruchs von Gebäuden zur Rückgewinnung und Aufbe- reitung von Baustoffen unter Schadstoffentfrachtung (insbes. Sulfat) des RC-Materials sowie ökobilanzieller Vergleich von Primär. und Sekundärrogstoffeinsatz inkl. Wieder- verwertung, Bericht UBA-FB 001676 (Texte 05/2013), Umweltbundesamt, Juni 2012

[U14] Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten - Teil 5: Pfähle und Spundwände; ENV 1993-5:1998

[U15] Funk, K. Expertensystem für Lärm- und Erschütterungsprognosen beim Einbringen von Spund- bohlen, Mitteilungen des Curt-Risch-Instituts für Dynamik, Schall- und Messtechnik der Universität Hannover (Eigenverlag), 1996

[U16] Müller-Boruttau, F.H. Erschütterungen beim Spundwandbau: Einwirkungen auf Menschen, Bauwerke und technische Einrichtungen, Bauingenieur, 71. Jg., 1996

[U17] Hiller, D.M. & Crabb, G.I. Groundborne vibration caused by mechanical construction works, Transport Research Laboratory, TRL report 429, Crowthorne, 2000

[U18] Palloks, W. & Zierach, R. Zum Problem der Prognose von Schwingungen und Setzungen durch Pfahlrammun- gen mit Vibrationsbären, in: Mitteilungsheft Nr. 72 der Bundesanstalt für Wasserbau, 1995

[U19] Delmag, Diesel Pile Hammers, Technisches Datenblatt

[U20] Barsig, M., Bericht zum Spundwandseminar am 26.03.2009 an der TU Berlin – Bedeutung für die Sanierung des Landwehrkanals, Berlin, 2009

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[U21] Fröhlich, K., Einbringverfahren für Spundwände und deren Auswirkung auf die Tragfähigkeit, Vor- trag beim BAW-Kolloquium September 2018

[U22] Mirko Nickel, Planungsgruppe Technik & Bau 3.2.5, Klink Technik GmbH, pers. Mittei- lung

[U23] René Bruse, Technischer Leiter des Botanischen Gartens, pers. Mitteilung

[U24] Eigene Internet-Recherche

4 AUFGABENSTELLUNG

Im Vorfeld der Rückbaumaßnahmen zur Baufeldfreimachung für das geplante Herzzentrum des Universitätsklinikums Heidelberg soll das Schwingungsausbreitungs- und -übertragungsverhal- ten des Baugrunds und diverser Gebäude in der nächsten Umgebung des Baufeldes ermittelt und unter Berücksichtigung der in den Gebäuden verwendeten erschütterungsempfindlichen medizintechnischen Geräten schwingungsrelevante Parameter für die Rückbaumaßnahme ab- geleitet werden.

5 GRUNDLAGEN

5.1 Bauwerke und medizintechnische Geräte

Durch die Baumaßnahme sind insbesondere die in Tabelle 5-1 aufgelisteten Gebäude betroffen. Weiterhin sind Besonderheiten bzgl. der Nutzung und der in den Gebäuden verwendeten er- schütterungsempfindlichen medizintechnischen Geräte aufgeführt.

Tabelle 5-1: Betroffene Gebäude und ihre Besonderheiten

Gebäude Beschreibung Einstufung nach Besonderheiten DIN 4150, T3, Zeile INF156 Laborgebäude 1 - Konfokalmikroskop (Deutsches Zentrum für Lungen- - micro-CT forschung)

Ultrafeinwaage
Ultrazentrifuge
u.a. INF162 Nierenzentrum 1 - Patienten
Dialysesysteme
Mikroskope INF165 Leit- und Informationszentrale 1 - Server

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Gebäude Beschreibung Einstufung nach Besonderheiten DIN 4150, T3, Zeile INF360 Centre for Organismal Studies 1 - z.T. denkmalgeschützt

Mikroskop INF361 Boga-Zentrum 1 - RNA-Analyse-Geräte Gewächshäuser 3 - filigrane Bauweise

5.2 Bewertungsgrundlage

Die auf die Gebäude einwirkenden Erschütterungen sind nach der DIN 4150 „Erschütterungen im Bauwesen“, Teil 3 „Einwirkungen auf bauliche Anlagen“ ([U4]) zu bewerten. Die Gebäude sind bis auf die Gewächshäuser des Botanischen Gartens, die aufgrund ihrer filigranen Bau- weise in die Gruppe nach Zeile 3 der Tabelle 1 der DIN 4150, Teil 3 „Bauten, die wegen ihrer besonderen Erschütterungsempfindlichkeit nicht denen nach Zeil 1 und Zeile 2 entsprechen…“ eingeordnet werden, in die Gruppe „Gewerblich genutzte Bauten, Industriebauten und ähnlich strukturierte Bauten“ einzustufen (Zeile 1 der Tabellen 1 und 4 der DN 4150, Teil 3).

Zur erschütterungstechnischen Einordnung der Analysegeräte, für die keine Angaben zur Er- schütterungsfestigkeit vorliegen, dienen die DIN EN 60721 „Klassifizierung von Umweltbedin- gungen“, Teil 3 „Klassen von Umwelteinflussgrößen“, Hauptabschnitt 3 „ Ortsfester Einsatz, wet- tergeschützt“ ([U5]) sowie die VDI-Richtlinie 2038, Blatt 2 „Gebrauchstauglichkeit von Bauwer- ken bei dynamischer Einwirkung“ ([U6]), in der auch Kriterien für Erschütterungseinwirkungen auf Maschinen und empfindliche Geräte genannt sind.

Insbesondere ist hier ein Konfokalmikroskop im Gebäude INF156 zu nennen, für das die tolerier- baren Vibrationen mit 30 µm/s bei Frequenzen zwischen 5 Hz und 30 Hz, sowie 60 µm/s bei Frequenzen über 30 Hz angegeben sind.

Nach der im Internet verfügbaren Broschüre zum micro-CT ([U10]) ist mit dem Gerät eine maxi- male Auflösung von 9 µm möglich. Als einzuhaltendes Kriterium hinsichtlich der Erschütterungs- festigkeit wird auf der sicheren Seite liegend entsprechend die VC-Linie B der VDI 2038, Blatt 2 ([U6]) angenommen. Entsprechend sind im Frequenzbereich um 2 Hz des RMS-Terzspektrums Schwinggeschwindigkeiten bis zu 100 µm/s und im Bereich 8 Hz bis 100 Hz bis zu 25 µm/s zu- lässig. Es ist nicht bekannt, ob das micro-CT auf schwingungsdämpfenden Füßen steht, so dass für die weiteren Betrachtungen davon ausgegangen wird, dass dies nicht der Fall ist und somit die Gebäudeschwingungen ungedämpft auf das Gerät übertragen werden.

Für die anderen in Tabelle 5-1 genannten medizintechnischen Geräte liegen keine Angaben zur Erschütterungsfestigkeit vor. Es kann aber davon ausgegangen werden, dass die Anforderun- gen für das Konfokalmikroskop bzw. der VC-B-Linie als Maximalforderung anzusehen sind.

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5.3 Baugrund

Der Baugrund im Bereich des Universitätsklinikums stellt sich nach dem Gutachten der Töniges GmbH [U2], das für das ca. 700 m nördlich vom geplanten Herzzentrum gelegene Areal um das Gebäude AZ III erstellt wurde, aber aus geologischer Sicht hier auch gültig sein dürfte, folgen- dermaßen dar:

„Das geplante Baufenster liegt auf der östlichen Grabenscholle des Oberrheingrabens, im Be- reich des Neckarschwemmfächers. Bei der Entstehung des Rheingrabens wurden hier mächtige Sedimentschichten abgelagert.

Im Altquartär wurde im Rhein - Neckar - Raum überwiegend eine rhythmische Abfolge aus Schluff und Sand, die sog. „Untere sandige - schluffige Folge“ ausgebildet. Das darüber fol- gende Jungquartär besteht aus einer Wechselfolge von kiesig - sandigen und feinkörnigen, toni- gen bis sandigen Sedimenten. Im Bereich des Bauvorhabens wurden im oberen Jungquartär Neckarsedimente aus sandigen Kiesen und kiesigen Sanden abgelagert. Später wurden diese von bindigen Deckschichten (Auenlehme, Decklehme) überlagert“.

Das Grundwasser wurde in keinem der Aufschlüsse angetroffen und ist laut der „Hydrologischen Kartierung des Rhein-Neckarraumes auf einem Niveau von etwa 96 – 97 m über NN“ anzutref- fen ([U2]). Schwingungstechnisch ist das Vorhandensein von Grundwasser für die weiteren Überlegungen irrelevant, da die erschütterungswirksamen Scher- und Oberflächenwellen nicht signifikant vom Grundwasser beeinflusst werden ([U8]).

Für die weiteren Betrachtungen wurde das vereinfachte Baugrundmodell nach dem Ingenieurge- ologischen Gutachtens der Töniges GmbH ([U2]) verwendet.

Tabelle 5-2: Vereinfachtes Baugrundmodell im Bereich des Uniklinikums nach ([U2]

Schicht Lagerung / Konsistenz Höhe (m über NN) Tiefe (m unter GOK) von bis bis Auffüllung -- / -- 110,29 109,69 0,6 Deck- und Auelehme -- / halbfest 109,69 106,49 3,8 Neckarkiese mitteldicht-dicht / halbfest 106,49 -- --

5.4 Auswertung des Feldtests – Ermittlung von der Schwingungsausbreitungspara- metern

Hinsichtlich der Ausbreitung der Schwingungen und deren Auswirkungen auf die Geräte im Ge- bäude sind im Wesentlichen drei Punkte zu betrachten:

Wellenausbreitung im sogenannten Freifeld

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Übergang vom Boden ins Bauwerk
Ausbreitung im Bauwerk und Einwirkung auf Anlagen im Gebäude

Zur Ermittlung des Schwingungsausbreitungsverhaltens, den Wellendämpfungseigenschaften der Baugrundschichten sowie dem Schwingungsübertragungsverhalten des Systems Boden- Bauwerk und innerhalb der Bauwerke wurden am 04.08.2020 Schwingungsmessungen im Frei- feld sowie in diversen Gebäuden und an medizintechnischen Geräten bei Schwingungsanregun- gen durch ein Fallgewicht (30 kg aus unterschiedlichen Fallhöhen) durchgeführt.

Insgesamt wurden an fünf verschiedenen Punkten Schwingungen angeregt und die sich aus- breitenden Wellen in unterschiedlicher Entfernung zum jeweiligen Anregungspunkt im Freifeld sowie in den angrenzenden Gebäuden aufgezeichnet. In Abbildung 1 sind die Punkte in das Luftbild des Untersuchungsbereichs projiziert. Die Schwingungen wurden mit kalibrierten 3-Kom- ponenten-Schwinggeschwindigkeitsaufnehmern und einem kalibrierten 3-Komponenten Be- schleunigungsaufnehmer (an technischen Geräten bzw. der Glasscheibe des Gewächshauses) registriert.

Durch das Fallgewicht wurden die in Tabelle 5-3 angegebenen Energien in den Baugrund einge- tragen.

Tabelle 5-3: Energieeinträge beim Feldtest

Gewicht (kg) Fallhöhe (m) Energieeintrag (kNm) 30 1,0 0,294 30 1,7 0,500 30 1,75 0,515

Die mittleren Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Scherwellen v und der Oberflächenwellen v s R wurden dem Bericht zu den Erschütterungsprognosen für das AZ III ([U3]) entnommen (siehe Tabelle 5-4).

Tabelle 5-4: Ausbreitungsgeschwindigkeiten v und v im Bereich des Klinikums s r

Schicht Mittlere Scherwellen- Mittlere Oberflächenwellen- geschwindigkeit geschwindigkeit v (m/s) v (m/s) s R Auffüllung, Deck- und Auelehme 281 253 Neckarkies 351 316

Basierend auf den gegenständlichen Feldmessungen wurde das Wellendämpfungs- und Über- tragungsverhalten (s.u.) ermittelt.

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Abbildung 1: Lage der Anregungspunkte und Sensoren beim Feldtest

Proj.-Nr.: 249105: Heidelberg, Campus, Prognoseabschätzung der Erschütterungseinwirkungen auf AZ III 20200814be 249105_3_HD_Herzzentrum_Erschütterungsprognose.docm Seite 13/44

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Ausbreitung der Schwingungen im Freifeld Aus der Abnahme der Schwinggeschwindigkeitsamplitude v mit der Entfernung x lässt sich das Schwingungsdämpfungsverhalten des Baugrundes ermitteln, das durch √ ()=

mit E: von der Erschütterungsquelle eingeleitete Energie in kNm K: Konstante, die u.a. von der Bodenart und der Art der Erschütterungsquelle abhängt β: Dämpfungskonstante

oder vereinfacht ()= beschrieben werden kann.

Aus den mit dem Fallgewicht angeregten Schwingungen – insgesamt 41 verschiedene Versuche – wurden die Parameter c und β bei einer statistischen Sicherheit von P=95% zu c = 72,651 und β = 1,188 bestimmt (vgl. Abbildung 2).

Abbildung 2: Abnahme der maximalen Schwinggeschwindigkeit im Freifeld mit der Entfer- nung zum Anregungspunkt mit Regression (grüne Linie) und oberer Grenze des Vertrauensbereichs bei der statistischen Sicherheit von P=95% (rote Linie)

Neben der Amplitude, die maßgeblich durch die in den Baugrund eingetragene Energie bestimmt wird, und der Ausbreitungsgeschwindigkeit wird eine Schwingung durch ihr Spektrum, d.h. ihre

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unterschiedlichen Frequenzen charakterisiert. Für die Ermittlung der Schwingungseinwirkung auf ein Gebäude und die Einrichtungen im Gebäude sind hierbei folgende Punkte zu betrachten:

Anregungsfrequenz (abhängig vom Schwingungserzeuger)
Frequenzänderung (Dämpfung) auf dem Wellenlaufweg
Boden-Bauwerks-Eigenfrequenz
Resonanzfrequenz der Gebäudedecken

Bei den im Rahmen dieser Prognosebetrachtungen durchgeführten Messungen zeigte sich, dass durch die fallenden Massen Frequenzen oberhalb von 30 Hz angeregt wurden. Auf ihrem Lauf- weg durch den Untergrund werden die höheren Frequenzen der seismischen Wellen stärker ge- dämpft als die niedrigen Frequenzen. Dies ist auch hier zu beobachten – beispielhaft sind in Ab- bildung 3 und Abbildung 4 die mittleren Terzspektren der Registrierungen im Abstand von 1 m bzw. 18 m vom Anregungspunkt dargestellt. Es ist zu erkennen, dass Frequenzen oberhalb von etwa 110 Hz fast vollständig gedämpft wurden und sich die Hauptfrequenz von etwa 100 Hz (Ab- bildung 3) auf ca. 50 Hz (Abbildung 4) verschoben hat. Bei größeren Abständen zum Anregungs- punkt verschiebt sich das Spektrum weiter zu tieferen Frequenzen (Abbildung 5 zeigt die Haupt- frequenzen entlang in Abhängigkeit vom Abstand zum Anregungspunkt), so dass im Abstand von 70 m die Hauptfrequenz bei ca. 40 Hz liegt. Es muss erwähnt werden, dass durch die unter- schiedlichen Anregungspunkte und damit bedingten kleinräumigen Unterschiede die Streubreite der angeregten Frequenzen relativ hoch ist.

Abbildung 3: Mittleres Terzspektrum im Abstand von 1 m vom Anregungspunkt

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Abbildung 4: Mittleres Terzspektrum im Abstand von 18 m vom Anregungspunkt

Abbildung 5: Hauptfrequenzen der Registrierungen in Abhängigkeit vom Abstand zum Anre- gungspunkt. Die gestrichelte blaue Linie deutet den Abnahmetrend an, die grauen gestrichelten Linien die Streubreite der mittleren Frequenzen.

Beim Übergang der Schwingungen vom Baugrund auf das Bauwerk werden die Schwingungs- amplituden im Regelfall reduziert. Nach [U4] liegt die Boden-Bauwerk-Eigenfrequenz für 1- bis

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2-geschossige Bauwerke, wie es die Gebäude im vorliegenden Fall sind, bei mittleren Scherwel- lengeschwindigkeit von 150 m/s bis 200 m/s im Bereich ≈ 15 .

Durch die Falltests zeigte sich, dass die Hauptfrequenzen in den Gebäuden in Fundamentnähe bei ca. 24 Hz lagen. Dies ist auf die im Untersuchungsgebiet höheren Bodensteifigkeiten mit Scherwellengeschwindigkeiten zwischen 280 m/s und 350 m/s zurückzuführen.

Bei Anregungsfrequenzen von > √2 ist nach [U4] mit einer Amplitudenabschwächung zu

rechnen, während bei < √2 eine Verstärkung möglich ist. In der Literatur finden sich Werte

für den Übertragungsfaktor bei impulsartiger Anregung oberhalb der Boden-Bauwerks-Eigenfre- quenz von 0,2 < < 0,5.

Anhand des Feldtests ergab sich hier ein Übertragungsfaktor deutlich unterhalb der oben ge- nannten Werte von = 0,033.

Innerhalb des Gebäudes werden die Wellen weitergeleitet. Hierbei sind insbesondere die Verti- kalschwingungen der Stockwerksdecken von Bedeutung, weil sich hier erhebliche Vergrößerun- gen der Schwinggeschwindigkeitsamplituden ergeben können ([U6]), wenn die Decken mit ihrer Eigen- / Resonanzfrequenz angeregt werden. Bei weitgespannten Stahlbetondecken in Industrie- gebäuden – als solches sind die untersuchten Gebäude bautechnisch einzuordnen – beträgt die Deckenresonanzfrequenz nach [U4] und [U16] 5 Hz bis 15 Hz, meist 7 Hz bis 10 Hz.

Nach [U4] kann bei einer harmonischen Anregung mit der Deckeneigenfrequenz der maximale Übertragungsfaktor mit folgender Gleichung angenähert werden: ,

1

, 2

D ist hierbei ein integrales Dämpfungsmaß, dass für Stahlbetondecken mit 0,02 ≤ D ≤ 0,05 abge- schätzt werden kann. Hieraus ergeben sich Übertragungsfaktoren zwischen 10 und 25. Bei nicht- resonanter Anregung – das heißt, einer Anregungsfrequenz mindestens 5 Hz oberhalb der Reso- nanzfrequenz – sind nach [U15] Werte für < 1,5 möglich. ,

Nach den erhobenen Daten liegt die Anregungsfrequenz in den Gebäuden bei ca. 24 Hz und da- mit mindestens 10 Hz oberhalb der Deckenresonanzfrequenz. Auf der sicheren Seite liegend wird der maximale Übertragungsfaktor zu 1,5 angesetzt. ,

In Abbildung 6 sind exemplarisch die Zeitspuren Aufzeichnungen von drei Sensoren in unter- schiedlichen Abständen bei Anregung durch ein Fallgewicht dargestellt, an denen auch die Amplitudenabschwächungen im Freifeld bzw. beim Übergang ins Gebäude zu erkennen sind.

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Abbildung 6: Zeitspuren der Registrierungen im Freifeld im Abstand von 1,4 m und 9,9 m vom Anregungspunkt sowie im Gebäude INF156 im Raum R004 an der Außen- wand in Richtung Anregungspunkt (von oben nach unten). Zu beachten sind die unterschiedlichen Skalierungen der Schwinggeschwindigkeitsachsen (siehe auch Text).

Das im Rahmen des Feldtests aufgezeichnete „Hintergrundrauschen“ im UG des Gebäudes INF156, in dem sich die erschütterungssensibelsten Geräte (Konfokalmikroskop und micro-CT) befinden, lag deutlich unterhalb der für diese Geräte einzuhaltenden Schwinggeschwindigkeits- werte (VC-B-Linie nach [U6] und Werte in [U11]; Abbildung 7).

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Abbildung 7: Mittleres Terzspektrum des Hintergrundrauschens im UG des INF156 sowie die VC-B-Linie und die maximal zulässigen Schwinggeschwindigkeitswerte für das Konfokalmikroskop

Durch die bei den Falltests erzeugten Erschütterungen wurden die Kriterien der VC-B-Linie sowie die für das Konfokalmikroskop noch eingehalten (Abbildung 8).

Abbildung 8: Mittleres Terzspektrum der bei den Falltests erzeugten Erschütterungen im UG des INF156 sowie die VC-B-Linie und die maximal zulässigen Schwingge- schwindigkeitswerte für das Konfokalmikroskop

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5.5 Parameter möglicher Baugeräte

Im Rahmen dieses Gutachtens sollen erschütterungsrelevante Parameter für mögliche (Rück-) Bauverfahren und -geräte angegeben werden. Ohne Anspruch auf Vollständigkeit werden hier insbesondere der Einsatz von Hydraulikmeißeln und Zangen betrachtet. Fräsen und Sägen sind gemeinhin als erschütterungsarme Verfahren beschrieben ([U13]) und werden hier nicht betrach- tet.

Da eventuell auch Spundwände mittels Vibrationsrammen und / oder Schlagrammen eingebracht werden müssen, sowie Verdichtungsgeräte wie Vibrations- und Explosionsstampfer sowie Vibra- tionsplatten zum Verfüllen von Leitungsgräben zum Einsatz kommen können, werden die durch diese Geräte hervorgerufenen Erschütterungen ebenfalls bewertet.

Die relevanten Geräteparameter für die verschiedenen Einsatzbereiche sind in Tabelle 5-5 aufge- führt.

Tabelle 5-5: Erschütterungserzeugende Verfahren und relevante Parameter

Abbruch Meißel Energie pro Meißelschlag E in kNm Zangen Fallende Massen (Energie aus Fallhöhe, E in kNm) Rammung Vibrationsrammung Leistung W in kW (ggf. aus Ölmenge und Öldruck zu be- rechnen), Betriebsfrequenz f in Hz Schlagrammung Energie pro Rammschlag E in kW (ggf. aus Schlaggewicht und Fallhöhe zu berechnen) Verdichtung Vibrations- / Explosions- Betriebsgewicht G in kg, Fallhöhe in m stampfer Vibrationsplatten Betriebsgewicht G in t, Betriebsfrequenz f in Hz

Für die in Tabelle 5-5 angegebenen unterschiedlichen erschütterungserzeugenden Bauverfahren und -geräte werden basierend auf den Ergebnissen des Feldtests und den einzuhaltenden Wer- ten an den medizintechnischen Geräten (VC-B-Linie nach [U6] bzw. Werte nach [U11]) im Fol- genden mit den in der Literatur (z.B. [U4], [U8], [U14], [U15], [U16], [U17]) genannten Gleichun- gen die maximal einzuleitenden Energien festgelegt.

Abbruch mittels Zangen und Meißelarbeiten

Beim Abbruch mittels Zangen („Knabbern“) sind fallende Massen Ursache für Erschütterungen. Der Energieeintrag berechnet sich dann aus = ∙∙ℎ, mit m: Masse, g: Erdbeschleunigung (9,81 m/s²) und h: Fallhöhe.

Die Größe der bei Meißelarbeiten – hier sind Arbeiten mit einem Hydraulikmeißel als Anbaugerät an einen Bagger gemeint – erzeugten Erschütterungen hängt von der Stoßenergie der Meißel, aber auch vom Andruck, der Neigung und Richtung des Meißels ab ([U12]). Auf der sicheren Seite liegend wird angenommen, dass die gesamte Energie eines Meißelschlags in den

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Baugrund eingeleitet wird und Schwingungen hervorruft. Das Ausbreitungsverhalten der Erschüt- terungen entspricht dann dem bei fallenden Massen.

Die resultierende Bodenschwinggeschwindigkeit v (in mm/s) folgt der Beziehung:

√ ()= ([U4])

mit E: von der Erschütterungsquelle eingeleitete Energie in kNm K: Konstante, die u.a. von der Bodenart und der Art der Erschütterungsquelle abhängt r: Entfernung zwischen Anregungspunkt und Immissionsort β: Dämpfungskonstante

In Tabelle 5-6 sind bespielhaft entsprechende Hydraulikmeißel (ohne Anspruch auf Vollständig- keit und neueste Bauart) aufgelistet, die die maximal einzuleitende Energie bei einer Arbeitsfre- quenz deutlich oberhalb der Boden-Bauwerks-Frequenz einhalten.

Tabelle 5-6: Gerätedaten einiger Hydraulikmeißel ([U24])

Hersteller / Gerätebe- Gerätegewicht Meißeldurch- Schläge Energie pro Schlag zeichnung G (t) messer (mm) pro Minute E (kNm) Kinshofer KFX16 0,95 115 600-900 2,6 Kinshofer KFX40 3,2 160 300-650 9,0 Atlas Copco HB 2500 2,5 155 280-580 10,4 Atlas Copco HB 4700 4,7 190 280-540 15,0

Schlag- und Vibrationsrammen

In der Regel machen die Hersteller von Schnellschlag- oder Vibrationsrammen keine Angaben zur Vibrationsenergie in ihren Datenblättern, kann nach [U8] die emittierte Energie E (in kNm) für Vibrationsrammen und Schnellschlaghämmer über den Ansatz

mit W: hydraulische Leistung in kW (= Ö (/)∙ ()) f: (Schlag-)Frequenz in Hz

abgeschätzt werden.

Zur Vermeidung von Resonanzeffekten beim Schwingungsübergang vom Boden ins Bauwerk müssen Vibrationsrammungen mit Frequenzen deutlich oberhalb der Boden-Bauwerks-Eigenfre- quenz durchgeführt werden. In Tabelle 5-7 sind bespielhaft entsprechende Geräte (ohne An- spruch auf Vollständigkeit und neueste Bauart) aufgelistet, die die maximale Energie bei einer Ar- beitsfrequenz deutlich oberhalb der Boden-Bauwerks-Eigenfrequenz einleiten.

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Tabelle 5-7: Gerätedaten einiger Vibrationsrammen ([U8])

Hersteller / Gerä- Gerätege- Statisches Frequenz Fliehkraft Vibrator- Energie tebezeichnung wicht Moment f (Hz) F (kN) leistung E=W/f 0 G (t) M (kgm) W (kW) (kNm) Vib s Tünkers HVB 16 0,90 3,2 35 157,2 67 1,91 Müller MS-5 HFBV 1,58 0-5,0 45 400 95 2,11 ABI MRZ 500 V 2,82 0-6,0 46 500 >100 >2,17

Für die Spundwanderstellung sind hochfrequente Vibratoren mit Regelsystem einzusetzen, bei denen ein Durchlaufen von Resonanzfrequenzen – insbesondere die des Systems Boden-Bau- werk – beim An- oder Abfahren des Vibrators durch ein im Betrieb veränderliches statisches Mo- ment verhindert wird.

Bei Fallhämmern oder Hydraulikhämmern kann – falls keine Herstellerangaben zur maximalen Schlagenergie vorliegen – die Energie aus dem Gewicht und der Fallhöhe des Schlaggewichts ermittelt werden. In Tabelle 5-8 sind bespielhaft entsprechende Geräte (ohne Anspruch auf Voll- ständigkeit und neueste Bauart) aufgelistet, die die maximale Energie bei einer Arbeitsfrequenz deutlich oberhalb der Boden-Bauwerks-Frequenz einleiten.

Tabelle 5-8: Gerätedaten einiger Schlagrammen ([U8], [U18], [U19])

Art des Hersteller / Gerät Schlag- Max. Fall- Schlag- Energie Rammbären gewicht höhe frequenz E (kNm) m (t) h (m) f (1/min) Dieselbär Delmag D 8-22 0,80 -- 36 - 52 27 – 13 Delmag D 12-42 1,28 -- 35 - 52 46 – 20 Delmag D 16-32 1,60 -- 36 - 52 54 – 25 Hydraulikbär Menck MHF 3-7 7,0 1,07 45 80,0 Menck MHF 10-20 20,0 1,10 40 225,0

Vibrations- und Explosionsstampfer

Für Vibrations- und Explosionsstampfer kann der für die Anregung von Erschütterungen rele- vante Energieeintrag in den Boden näherungsweise aus = ⋅⋅ℎ mit m: Gerätegewicht in kg g: Fallbeschleunigung (g=9,81 m/s²) h: Fallhöhe in m abgeschätzt werden.

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Tabelle 5-9: Gerätedaten einiger Vibrations- und Explosionsstampfer ([U24])

Gerätetyp Hersteller / Gerät Geräte- Sprunghöhe Schlag- Energie gewicht h (mm) frequenz E (kNm) m (kg) f (1/min) Vibrations- Wacker-Neuson 58 61 656 0,035 stampfer BS50-4As Ammann AVS 68-4 68 65 680 0,041 Zipper ZI-RAM80C 89 40 – 65 600 - 700 0,035 – 0,057 Explosions- Delko H2S 104 460 60- 80 0,470 stampfer

Vibrationsplatten / Rüttelplatten

Für Vibrationsplatten bzw. Rüttelplatten, bei denen die vertikale Schwingwegamplitude und damit der Energieeintrag von den Geräteeinstellungen wie z.B. der Vorlaufgeschwindigkeit abhängen, kann der maximale Energieeintrag zu

= (2)

mit F : Fliehkraft in kN 0 f: Betriebsfrequenz in Hz G : dynamisches (mitschwingendes) Gerätegewicht in t dyn definiert werden ([U8]).

Tabelle 5-10: Gerätedaten einiger Vibrationsplatten / Rüttelplatten ([U24])

Hersteller / Gerät Geräte- Fliehkraft Betriebs- Energie gewicht F (kN) frequenz E (kNm) 0 m (kg) f (Hz) Scheppach HP800S 50 8,2 98 0,0111 Bomag BP 25/50 D 122 25 92 0,0482 Wacker-Neuson DPU6555H 480 65 69 0,1471 Ammann APH 110-95 778 110 48 0,5372

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6 ERGEBNIS DER PROGNOSEBERECHNUNGEN

Ausgehend von den ermittelten Übertragungsparametern (s. Kapitel 5.4) ergeben sich für die hier betrachteten Arbeiten „Gebäuderückbau“, „Spundwandherstellung“ und „Verdichtung von Lei- tungsgräben“ für die verschiedenen Gebäude und insbesondere den darin befindlichen medizin- technischen Geräten unterschiedliche Erschütterungsbelastungen, die im Folgenden näher be- trachtet werden.

Ausgangspunkt für die Erschütterungseinwirkungen auf die Gebäude sind einerseits kurzzeitige Ereignisse wie fallende Massen, Meißelschläge und Rammschläge, andererseits „Dauereinwir- kungen“ infolge von Vibrationsrammungen oder Verdichtungsarbeiten, die in der DIN 4150, Teil 3 unterschiedlich bewertet werden.

Die maximale Schwinggeschwindigkeit im Freifeld nimmt mit zunehmendem Abstand zum Emis- sionsort ab. In Abbildung 9 ist dies mit den aus dem Falltest prognostizierten Parametern in An- hängig der in den Boden eingeleiteten Energie dargestellt.

Abbildung 9: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten im Freifeld in Abhängig- keit von der fallenden Masse bzw. der Energie eines Schlags unterschiedlicher Meißel (siehe Kapitel 5.5) und der Entfernung zum Anregungspunkt (mit statisti- scher Sicherheit P=95%)

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Abbildung 10: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten im Freifeld bei Anregung durch Vibrationsrammen oder Verdichtungsgeräte (siehe Kapitel 5.5) und der Entfernung zum Anregungspunkt (mit statistischer Sicherheit P=95%)

Für die einzelnen Gebäude und den darin befindlichen medizintechnischen Geräten ergeben sich im Einzelnen die in den folgenden Kapiteln erläuterten Konsequenzen.

6.1 INF156 – Deutsches Zentrum für Lungenforschung (DZL)

Das INF156 ist ein 3-geschossiges (Keller, EG, OG) Labor- und Bürogebäude und befindet sich südlich des Baufeldes des geplanten Herzzentrums.

Am Fundament des Gebäudes INF156, das sich in einer minimalen Entfernung von ca. 13 m von den Abbruchgebäuden befindet, werden bei den betrachteten Erschütterungseinwirkungen (maxi- mal eine fallende Masse von 2000 kg aus 10 m Höhe) die Anhaltswerte der DIN 4150, Teil 3 ([U4]) deutlich eingehalten (Abbildung 11). Ebenso sind im Obergeschoss des Gebäudes keine Überschreitungen der Anhaltswerte zu erwarten (Abbildung 12).

Eine Schädigung des Gebäudes im Sinne der Norm ist für die hier betrachteten Fälle somit nicht zu erwarten.

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Abbildung 11: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten am Fundament des INF156 bei kurzzeitiger Einwirkung in Abhängigkeit von der fallenden Masse / Schlagenergie eines Meißels und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei ei- ner statistischen Sicherheit von P=95%). Zusätzlich ist mit der roten Linie der kleinste Anhaltswert der Schwinggeschwin- digkeit nach DIN 4150, Teil 3, Zeile 1 eingetragen. Die dunkelrote Linie markiert den Wert der VC-B-Linie für Frequenzen oberhalb 8 Hz. Die senkrechte gestri- chelte Linie markiert den minimalen Abstand zum Abbruchgebäude.

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Abbildung 12: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten im Obergeschoss des INF156 in Abhängigkeit von der fallenden Masse / Schlagenergie eines Meißels und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Sicherheit von P=95%). Zusätzlich ist mit der roten Linie der Anhaltswert der Schwinggeschwindigkeit nach DIN 4150, Teil 3, Zeile 1 für horizontale und mit der magentafarbenen Li- nie für vertikale Schwingungen eingetragen. Die senkrechte gestrichelte Linie markiert den minimalen Abstand zum Abbruchgebäude.

Im Untergeschoss des Gebäudes werden einige erschütterungsempfindliche medizintechnische Geräte betrieben. Dies sind insbesondere

Ultrafeinwaage (auf Marmortisch)
Ultrazentrifuge
micro-CT
Konfokalmikroskop

Nach der im Internet verfügbaren Broschüre zum micro-CT ([U10]) ist mit dem Gerät eine maxi- male Auflösung von 9 µm möglich. Als einzuhaltendes Kriterium hinsichtlich der Erschütterungs- festigkeit wird auf der sicheren Seite liegend die VC-Linie B der VDI 2038, Blatt 2 ([U6]) ange- nommen. Im Frequenzbereich um 2 Hz des RMS-Terzspektrums sind demnach Schwingge- schwindigkeiten bis zu 100 µm/s und im Bereich 8 Hz bis 100 Hz bis zu 25 µm/s zulässig. Es ist nicht bekannt, ob das micro-CT auf schwingungsdämpfenden Füßen steht, so dass für die weite- ren Betrachtungen davon ausgegangen wird, dass dies nicht der Fall ist und somit die Gebäu- defundamentschwingungen ungedämpft auf das Gerät übertragen werden.

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Für das Konfokalmikroskop, das momentan auf einem normalen Labortisch steht, sind nach der von einem Mitarbeiter des DZL zur Verfügung gestellten Betriebsanleitung ([U11]) Schwingge- schwindigkeiten bis 30 µm/s zwischen 5 Hz und 30 Hz zulässig, bei höheren Frequenzen sollen 60 µm/s nicht überschritten werden.

Die anderen medizintechnischen Geräte sind i.d.R. in geringeren Anforderungsklassen einzuord- nen.

Die nach obigen Szenarien auf die medizintechnischen Geräte einwirkenden Erschütterungen übersteigen den zulässigen Wert der VC-B-Linie (entspricht im interessierenden Frequenzbereich etwa dem Wert für das Konfokalmikroskop) um ein Vielfaches. Selbst bei geringen Energieeinträ- gen in den Baugrund (z.B. 100 kg aus 1 m Höhe) werden die Anforderungen nicht eingehalten (Abbildung 11 und Abbildung 13).

Abbildung 13: Prognostiziertes Terzspektrum der durch eine aus 1 m Höhe fallenden Masse von 100 kg erzeugten Erschütterungen im UG des INF156 sowie die VC-B-Linie und die max. Schwinggeschwindigkeitswerte für das Konfokalmikroskop

Die durch „Dauereinwirkungen“ (Einvibrieren von Spundwänden oder Verdichtungsarbeiten) an den Geräten im UG hervorgerufenen maximalen Schwinggeschwindigkeiten liegen nach den Prognoseberechnungen infolge der großen Abstände zwischen den Anregungspunkten und dem Gebäude INF156 unterhalb der VC-B-Linie (Abbildung 14).

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Abbildung 14: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten am Fundament des INF156 bei Dauereinwirkungen in Abhängigkeit von der eingeleiteten Energie und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Sicherheit von P=95%). Die dunkelrote Linie markiert den Wert der VC-B-Linie für Frequenzen oberhalb 8 Hz. Die senkrechte gestrichelte Linie markiert den minimalen Abstand zur Spundwandachse vor Gebäude INF154.

Zur Einhaltung der Anforderungen der VC-B-Line sind erschütterungsmindernde Maßnah- men erforderlich.

Nach vorliegenden Informationen ([U22]) sollen Baustraßen entlang des Gebäudes INF156 füh- ren, so dass neben den oben betrachteten Erschütterungen auch Schwingungen durch Baustel- lenfahrzeuge o.ä. zu erwarten sind. Basierend auf den Erfahrungen aus Messungen in anderen Projekten wird davon ausgegangen, dass durch „normalem“ LKW-Baustellenverkehr ohne abrup- tes Beschleunigen oder Bremsen keine Erschütterungen in relevanter Höhe erzeugt werden.

6.2 INF162 – Nierenzentrum

Das INF162 ist ein 5-geschossiges (zweifach unterkellert, EG, zwei Obergeschosse) Gebäude mit Behandlungs- und Krankenzimmern (u.a. Dialysegeräte) sowie im 2.OG einem biochemi- schen Labor mit erschütterungsempfindlichen Mikroskopen, die der Klasse der VC-A-Linie

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(0,4 mm/s bei 2 Hz; 0,1 mm/s bei 8 Hz-100 Hz) zuzuordnen sind. Das Gebäude befindet sich westlich des Baufeldes des geplanten Herzzentrums.

Abbildung 15: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten am Fundament des INF162 in Abhängigkeit von der fallenden Masse / Schlagenergie eines Meißels und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Sicherheit von P=95%). Zusätzlich ist mit der roten Linie der kleinste Anhaltswert der Schwinggeschwin- digkeit nach DIN 4150, Teil 3, Zeile 1 eingetragen. Die senkrechte gestrichelte Linie markiert den minimalen Abstand zum Abbruchgebäude.

Am Fundament des Gebäudes, das sich in einer minimalen Entfernung von ca. 24 m von den Ab- bruchgebäuden befindet, werden bei den betrachteten Erschütterungseinwirkungen (maximal eine fallende Masse von 2000 kg aus 10 m Höhe) die Anhaltswerte der DIN 4150, Teil 3 ([U4]) deutlich eingehalten (Abbildung 15). Ebenso sind im Obergeschoss des Gebäudes keine Über- schreitungen der Anhaltswerte zu erwarten (Abbildung 16).

Eine Schädigung des Gebäudes im Sinne der Norm ist für die hier betrachteten Fälle nicht zu erwarten.

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Abbildung 16: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten im Obergeschoss des INF162 in Abhängigkeit von der fallenden Masse / Schlagenergie eines Meißels und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Sicherheit von P=95%). Zusätzlich ist mit der roten Linie der Anhaltswert der Schwinggeschwindigkeit nach DIN 4150, Teil 3, Zeile 1 für horizontale und mit der magentafarbenen Li- nie für vertikale Schwingungen eingetragen. Die dunkelrote Linie markiert den Wert der VC-A-Linie für Frequenzen oberhalb 8 Hz, die senkrechte gestrichelte Linie den minimalen Abstand zum Abbruchgebäude.

Im Obergeschoss des Gebäudes werden durch die kurzzeitigen einwirkenden Erschütterungen (fallende Massen, Meißelarbeiten) Schwinggeschwindigkeiten oberhalb der Werte der VC-A-Linie auftreten (Abbildung 16). Bei den durch die hier betrachteten Vibrationsrammen zur Spundwand- erstellung emittierten Dauererschütterungen dürften die entsprechenden Werte eingehalten wer- den (Abbildung 17). Für die Verdichtung des Leitungsgrabens an der nördlichen Stirnseite des Gebäudes dürfen zur Einhaltung der Werte der VC-A-Linie nur Vibrations- oder Rüttelplatten mit einer Fliehkraft unter 50 kN zum Einsatz kommen.

Zur Einhaltung der Kriterien der VC-A-Linie sind erschütterungsmindernde Maßnahmen erforderlich.

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Abbildung 17: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten im Obergeschoss des INF162 infolge Dauererschütterungen in Abhängigkeit von der eingeleiteten Energie und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Si- cherheit von P=95%). Zusätzlich ist mit der roten Linie der Anhaltswert der Schwinggeschwindigkeit nach DIN 4150, Teil 3, Zeile 1 für horizontale und mit der magentafarbenen Li- nie für vertikale Schwingungen eingetragen (hier identisch). Die dunkelrote Linie markiert den Wert der VC-A-Linie für Frequenzen oberhalb 8 Hz, die senkrechte gestrichelte Linie den minimalen Abstand zur Spundwand und die strich-punk- tierte Linie den Abstand zum Leitungsgraben.

6.3 INF165 – Leit- und Informationszentrale

Das INF165 ist ein eingeschossiges, containerartiges Bürogebäude, in dem sich Server befinden. Da keine Angaben zur Erschütterungsfestigkeit vorliegen, werden die Server basierend auf Er- fahrungen aus einer Vielzahl von anderen Erschütterungsüberwachungsprojekten in Rechenzen- tren der Klasse 3M1 der DIN 60721-3-3 ([U5]) zugeordnet.

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Abbildung 18: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten am Fundament des INF165 in Abhängigkeit von der fallenden Masse / Schlagenergie eines Meißels und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Sicherheit von P=95%). Zusätzlich ist mit der roten Linie der kleinste Anhaltswert der Schwinggeschwin- digkeit nach DIN 4150, Teil 3, Zeile 1 eingetragen. Die senkrechte gestrichelte Linie markiert den minimalen Abstand zum Abbruchgebäude.

Der Anhaltswert der DIN 4150, Teil 3 wird bei kurzzeitigen Erschütterungseinwirkungen eingehal- ten (Abbildung 18).

Die durch Ramm- und Verdichtungsarbeiten am Server auftretenden maximalen Schwingge- schwindigkeiten liegen unterhalb der Werte der Klasse 3M1 der DIN 60721-3-3 ([U5], Abbildung 19).

Erschütterungsmindernde Maßnahmen sind nicht erforderlich.

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Abbildung 19: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten am Fundament des INF165 bei Dauereinwirkungen in Abhängigkeit von der eingeleiteten Energie und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Sicherheit von P=95%). Die orange Linie markiert den minimalen Wert der Klasse 3M1 für Frequenzen zwischen 9 Hz und 100 Hz. Die senkrechte gestrichelte Linie markiert den mini- malen Abstand zur Spundwandachse vor Gebäude INF154, die strich-punk- tierte Linie den Abstand zum Leitungsgraben.

6.4 INF360 – Centre for Organismal Studies (COS)

Das INF360 ist ein dreigeschossiges (Keller, EG, OG) Büro- und Laborgebäude, das zum Teil unter Denkmalschutz steht, aber aufgrund der Bausubstanz nach Zeile 3 der Tabelle 1 der DIN 4150, Teil 3 („Gewerblich genutzte Bauten, Industriebauten und ähnlich strukturierte Bau- ten“) einzuordnen ist. Es befindet sich ca. 40 m nördlich des Baufeldes.

Nach Auskunft eines Mitarbeiters des COS ist geplant, ein erschütterungsempfindliches Mikro- skop im OG zu installieren. Da hierzu keine weiteren Daten vorliegen, wird die VC-A-Linie als Kri- terium angesetzt und für die weiteren Betrachtungen angenommen, dass das Gerät nicht er- schütterungsgedämpft aufgestellt wird.

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Abbildung 20: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten am Fundament des INF360 in Abhängigkeit von der fallenden Masse / Schlagenergie eines Meißels und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Sicherheit von P=95%). Zusätzlich ist mit der roten Linie der kleinste Anhaltswert der Schwinggeschwin- digkeit nach DIN 4150, Teil 3, Zeile 1 eingetragen. Die senkrechte gestrichelte Linie markiert den minimalen Abstand zum Abbruchgebäude.

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Abbildung 21: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten im Obergeschoss des INF360 in Abhängigkeit von der fallenden Masse / Schlagenergie eines Meißels und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Sicherheit von P=95%). Zusätzlich ist mit der roten Linie der Anhaltswert der Schwinggeschwindigkeit nach DIN 4150, Teil 3, Zeile 1 für horizontale und mit der magentafarbenen Li- nie für vertikale Schwingungen eingetragen. Die dunkelrote Linie markiert den Wert der VC-A-Linie für Frequenzen oberhalb 8 Hz, die senkrechte gestrichelte Linie den minimalen Abstand zum Abbruchgebäude.

Die Anhaltswerte der DIN 4150, Teil 3 werden bei Erschütterungseinwirkungen durch die hier be- trachteten Emittenten eingehalten (Abbildung 20 bis Abbildung 22).

Eine Schädigung des Gebäudes infolge der baustellenbedingten Erschütterungseinwir- kungen ist nicht zu erwarten.

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Abbildung 22: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten im Obergeschoss des INF360 infolge Dauererschütterungen in Abhängigkeit von der eingeleiteten Energie und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Si- cherheit von P=95%). Zusätzlich ist mit der roten Linie der Anhaltswert der Schwinggeschwindigkeit nach DIN 4150, Teil 3, Zeile 1 für horizontale und mit der magentafarbenen Li- nie für vertikale Schwingungen eingetragen (hier identisch). Die dunkelrote Linie markiert den Wert der VC-A-Linie für Frequenzen oberhalb 8 Hz, die senkrechte gestrichelte Linie den minimalen Abstand zur Spundwand.

Infolge kurzzeitiger Erschütterungseinwirkungen durch fallende Massen oder Meißelarbeiten wer- den die Werte der VC-A-Linie am geplanten Mikroskop im OG überschritten (Abbildung 21). Die durch Vibrationsrammungen verursachten und im OG auftretenden maximalen Schwingge- schwindigkeiten werden unterhalb der Werte der VC-A-Linie (Abbildung 22) bleiben.

Zur Einhaltung der Kriterien der VC-A-Linie sind erschütterungsmindernde Maßnahmen erforderlich.

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6.5 INF361 – Boga-Zentrum

Das INF361 ist ein modernes dreigeschossiges (Keller, EG, OG) Büro- und Laborgebäude etwa 30 m nördlich des Baufeldes.

Nach Auskunft eines Mitarbeiters des Botanischen Gartens ([U23]) ist geplant, ein RNA-Analyse- gerät im Gebäude zu installieren. Nach den verfügbaren Unterlagen ([U24]) ist allerdings nicht davon auszugehen, dass das Gerät als besonders erschütterungsempfindlich anzusehen ist. Auf eine weitergehende Betrachtung wird hier deshalb verzichtet.

Abbildung 23: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten am Fundament des INF361 in Abhängigkeit von der fallenden Masse / Schlagenergie eines Meißels und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Sicherheit von P=95%). Zusätzlich ist mit der roten Linie der kleinste Anhaltswert der Schwinggeschwin- digkeit nach DIN 4150, Teil 3, Zeile 1 eingetragen. Die senkrechte gestrichelte Linie markiert den minimalen Abstand zum Abbruchgebäude.

Proj.-Nr.: 249105: Heidelberg, Universitätsklinikum, Erschütterungseinwirkungen infolge Baumaßnahmen 20200814be 249105_3_HD_Herzzentrum_Erschütterungsprognose.docm Seite 38/44

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Abbildung 24: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten im Obergeschoss des INF361 in Abhängigkeit von der fallenden Masse / Schlagenergie eines Meißels und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Sicherheit von P=95%). Zusätzlich ist mit der roten Linie der Anhaltswert der Schwinggeschwindigkeit nach DIN 4150, Teil 3, Zeile 1 für horizontale und mit der magentafarbenen Li- nie für vertikale Schwingungen eingetragen. Die senkrechte gestrichelte Linie markiert den minimalen Abstand zum Abbruchgebäude.

Die Anhaltswerte der DIN 4150, Teil 3 werden bei Erschütterungseinwirkungen durch die hier be- trachteten Emittenten eingehalten (Abbildung 23 bis Abbildung 25).

Eine Schädigung des Gebäudes infolge der baustellenbedingten Erschütterungseinwir- kungen ist nicht zu erwarten.

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Abbildung 25: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten im Obergeschoss des INF361 infolge Dauererschütterungen in Abhängigkeit von der eingeleiteten Energie und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Si- cherheit von P=95%). Zusätzlich ist mit der roten Linie der Anhaltswert der Schwinggeschwindigkeit nach DIN 4150, Teil 3, Zeile 1 für horizontale und mit der magentafarbenen Li- nie für vertikale Schwingungen eingetragen (hier identisch). Die senkrechte ge- strichelte Linie markiert den minimalen Abstand zur Spundwand.

6.6 Gewächshäuser

Bei den Gewächshäusern östlich des Gebäudes INF361 sowie westlich vom INF360 handelt es sich um verglaste Stahlrahmenkonstruktionen, die aufgrund ihrer filigranen Bauweise und ver- gleichsweise großen Glasflächen in die Kategorie nach Zeile 3 der Tabelle 1 der DIN 4150, Teil 3 („Bauten, die wegen ihrer besonderen Erschütterungsempfindlichkeit nicht denen nach Zeile 1 und Zeile 2 entsprechen…“) eingeordnet werden. Der kürzeste Abstand zum Baufeld beträgt etwa 20 m.

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Abbildung 26: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten am Fundament des Ge- wächshauses in Abhängigkeit von der fallenden Masse / Schlagenergie eines Meißels und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Si- cherheit von P=95%). Zusätzlich ist mit der roten Linie der kleinste Anhaltswert der Schwinggeschwin- digkeit nach DIN 4150, Teil 3, Zeile 3 eingetragen. Die senkrechte gestrichelte Linie markiert den minimalen Abstand zum Abbruchgebäude.

Die Anhaltswerte der DIN 4150, Teil 3 werden bei Erschütterungseinwirkungen durch die hier be- trachteten Emittenten eingehalten (Abbildung 23).

Die prognostizierten Schwinggeschwindigkeiten bei Einwirkung von Dauererschütterungen liegen unterhalb eines Wertes von 0,2 mm/s, der schon ohne Baumaßnahmen durch die „normale“ Nut- zung des Gewächshauses sowie den Straßenverkehr (Busse) auftritt.

Eine Schädigung der Gewächshäuser infolge der baustellenbedingten Erschütterungsein- wirkungen ist nicht zu erwarten.

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Abbildung 27: Prognostizierte maximale Schwinggeschwindigkeiten am Gewächshaus infolge Dauererschütterungen in Abhängigkeit von der eingeleiteten Energie und der Entfernung zum Anregungspunkt (bei einer statistischen Sicherheit von P=95%). Die senkrechte gestrichelte Linie markiert den minimalen Abstand zur Spund- wand.

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7 ZUSAMMENFASSENDE BEWERTUNG UND EMPFEHLUNGEN

Bei den Abständen der betroffenen Gebäude INF156, INF162, INF165, INF360, INF361 und den Gewächshäusern zum Baufeld des neuen Herzzentrums werden die Anhaltswerte der maximalen Schwinggeschwindigkeit nach der DIN 4150, Teil 3 ([U4]) für kurzzeitige Einwirkungen durch fal- lende Massen bis 2000 kg aus 10 m Höhe (oder äquivalente Energieeinträge wie Meißelschläge) sowie durch Dauererschütterungen infolge Vibrationsrammungen oder -verdichtung in den Ge- bäuden eingehalten.

Die relevanten Erschütterungskriterien für die medizintechnischen Geräte werden in den hier be- trachteten realitätsnahen Fällen nicht eingehalten, so dass erschütterungsmindernde Maßnah- men erforderlich sind. Es können hierbei Maßnahmen am Emissionsort (an der Quelle), auf dem Wellenweg oder am Immissionsort ergriffen werden.

Emissionsseitig können bei den Rückbauarbeiten z.B. Fräsen zum Einsatz kommen oder die Ab- bruchgebäude zersägt und die einzelnen Stücke abgelegt werden. Diese Maßnahmen sind aber sehr zeitaufwändig und aus wirtschaftlichen Überlegungen nicht zielführend.

Neben den hier betrachteten schwingungsverursachenden Geräten und Verfahren zum Einbrin- gen der Spundwände existieren Systeme zum erschütterungsfreien Einpressen von Spundboh- len. Allerdings gibt es hierbei Einschränkungen bei mitteldicht bis dicht gelagertem Kies und dicht gelagerten Böden mit Steineinlagerungen ([U21]), wie sie hier im Baugrund auftreten ([U2]). Durch Zusatzmaßnahmen, wie z.B. Spülhilfen oder Vorbohren, ist aber auch in solchen Böden das Verfahren anwendbar ([U20]).

Auf dem Übertragungsweg kann ggf. durch offene oder mit speziellen Dämmmaterialien verfüllte Bodenschlitze in der Nähe der Quelle oder dem Immissionsort eine Reduzierung der Schwin- gungseinwirkungen erreicht werden. Aufgrund der örtlichen Bedingungen scheint diese Möglich- keit aber nicht realisierbar.

Am Immissionsort bzw. an den betroffenen medizintechnischen Geräten sollte durch entspre- chende Dämpfungsmaßnahmen der ungestörte Betrieb sichergestellt werden können. Hier bieten sich erschütterungsdämpfende Tischplattformen oder Tische (z.B. von Bilz AG, Fabreeka GmbH, AMETEK GmbH /TMC Business Segment; [U24]) oder Dämpferfüße an. Wir sehen diese Maß- nahmen als zielführendste und wirtschaftlich sinnvollste Mittel an.

Eine detaillierte Planung und Empfehlungen zur Erschütterungsdämpfung der einzelnen medizin- technischen Geräte sind nicht Bestandteil der gegenständlichen Prognose, können aber im Rah- men eines gesonderten Auftrags erstellt werden.

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Die Ermittlung von Schallpegeln und / oder den Einwirkungen durch sekundären Luftschall waren nicht Bestandteil des vorliegenden Gutachtens.

CDM Smith Consult GmbH 2020-08-14

erstellt:

i.V. i.V.

Dipl.-Ing. Andreas Witzsche Dipl.-Geophys. Reinhard Schulz

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NBHZ-VM-GUG-001-G-200814-Erschuetterungsprognose.pdf

Erschütterungseinwirkungen auf

die umliegenden Gebäude und die

medizintechnischen Geräte in den

Gebäuden

Prognoseberechnungen

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