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C. Dufour:
"Contribution to the optimised design of combined piled raft foundations (CPRF)";
Supervisor: D. Adam, P. Nagy, M. Huber; Institut für Geotechnik, 2018; final examination: 2018-06-15.

An increasing share of the population lives and works in cities. It is widely expected that these patterns persist as urban areas account for a greater share of activity. This asks for high rise buildings and advanced foundations systems, which are able to transfer high loads from the ground surface into deep layers.
This master thesis focuses on the optimisation of combined piled raft foundations (CPRFs), which are hybrid foundation systems combining the bearing capacity of a foundation raft with the piles. Elements of the foundation exercise a mutual load-bearing effect and present reciprocal interactions as well as interactions with the subsoil. Herein both a semi-analytical approach for the simulation of soil structure interaction and a multi-objective optimisation to minimise the required resources for the deep foundation are used. After outlining the semi-analytical model for the design of pile groups and CPRFs, it is applied in a standard CPRF benchmark from the literature. The obtained design is then optimised using genetic algorithms.
This new design approach enables a rapid and robust semi-analytical approximation of the load-bearing behaviour of the structure, which can facilitate the calculation and cost estimation of projects in the tender phase. It is further implemented in a script capable of an optimised design covering geotechnical as well as structural aspects. By using multi-objective optimisation, better and more cost-effective results have been achieved compared to reference solutions presented in the literature. As far as the overall need for concrete masses for the raft and the piles is concerned, the obtained solutions show significant reduction of required concrete. The findings of these analyses contribute to the cost efficient design of foundation systems combining the need of practical engineering, advanced soil mechanical approaches and optimisation techniques.
It has further been shown that a direct relation between costs and settlement can be established and displayed in the form of a Pareto front. This finding facilitates the evaluation of the possible cost savings with a concrete insight into the increased risks following those savings. The representation of a Pareto front enables a rapid cost-benefit analysis. This optimisation procedure represents a new perspective for constructors and planners, which opens the way for more competitive solutions in foundation design and fosters the optimisation of complex problems in civil engineering.

Ein zunehmender Teil der Bevölkerung lebt und arbeitet in Städten. Es ist zu erwarten, dass diese Tendenz fortdauert, da sich in Ballungsräume ein erheblicher Teil der Wirtschaftstätigkeit konzentriert. Der steigende Wohnraumbedarf in Großstädten bei hohen Grundstückspreisen führt unter anderem zum Bau von Hochhäusern in Ballungsräumen. Diese Hochhäuser fordern hochentwickelte Gründungen, die die hohen Lasten von der Gründungsoberfläche in tiefliegende Bodenschichten übertragen können.
Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wurden die Kombinierten Pfahl-Plattengründungen (KPP) behandelt. KPP sind geotechnische Verbundkonstruktionen mit gemeinsamer Tragwirkung von Fundamentplatte und Pfählen, die komplexe Wechselwirkungen aufweisen, sowohl zwischen den einzelnen Strukturelementen als auch mit dem Boden. Ein semi-analytisches Berechnungsverfahren wurde für die Abschätzung der Boden-Bauwerk Interaktion durchgeführt. Weiterhin wurde eine multikriterielle Optimierung für die Reduzierung der erforderlichen Ressourcen der Gründung entwickelt. Nachdem das semi-analytische Berechnungsverfahren für Pfahlgruppen und KPP hervorgehoben wird, wird es mit erprobten Beispielen aus der Literatur verglichen. Der daraus resultierende Entwurf wird schlussendlich optimiert mittels genetischer Algorithmen.
Dieses neue Verfahren ermöglicht eine schnelle und robuste Näherung des Tragverhaltens der Gründung, das die Kostenermittlung und die Berechnung in der Ausschreibungsphase unterstützen kann. Zudem wird das Verfahren in einem Skript abgeleitet, welches sowohl die geotechnische als auch die konstruktive Bemessung abdeckt. Anhand multikriterieller Optimierung wurden kosteneffektivere Lösungen als jene der Literatur ermittelt. Die Menge an erforderlichen Baumaterial konnte reduziert werden, ohne die Fähigkeiten des Trageverhaltens zu verringern. Die Ergebnisse dieser Analyse tragen zum kosteneffektiven Design von KPP bei.
Darüber hinaus wurde gezeigt, dass mit Hilfe eines evolutionären Algorithmus eine direkte Verbindung zwischen optimaler Setzung und minimalen Kosten abgeleitet und mittels einer Paretofront dargestellt werden kann. Auf die Gefahr hin, dass die Setzungen zunehmen, kann so festgestellt werden, welche Kosteneinsparungen möglich ist. Die Darstellung der Paretofront ermöglicht außerdem eine schnelle Kosten-Nutzen-Analyse. Dies eröffnet eine neue Sichtweise für BaumeisterInnen und PlanerInnen und fördert sowohl die Planung kompetitiver Lösungen als auch die Optimierung von komplexen Problemen im Bauwesen.

deep foundation, combined piled raft foundation, semi-analytical design approach

https://publik.tuwien.ac.at/files/publik_270296.pdf