Influence of concrete material time-dependency and temperature on the performance of a cofferdam structure braced with reinforced concrete ring beams

Abstract

The lateral load resisting system of tall buildings is often made of reinforced concrete shear walls that are constructed using a cofferdam structure. The term cofferdam, often used in offshore applications, is employed in this research as a temporary watertight structure made of steel sheet piles and internally braced with steel or reinforced concrete ring beams to retain the surrounding soil. The soil removal inside of the cofferdam, necessary to install the foundations of the concrete core in rock or competent soil, is typically performed following a bottom-up excavation sequence. The performance of these type of systems in urban environments is critical as excessive excavation-induced ground movements can lead to significant damage of adjacent infrastructure. In this research, concrete material time-dependent and temperature-dependent effects of shrinkage, creep, and aging of concrete ring beam bracings are shown to have contributed to the lateral deformations of an urban cofferdam built for a structure that was projected as the tallest building in America. It is shown that because of the very low stiffness of perimeter steel sheet piles, the performance of these cofferdams is highly influenced by the quality control and adequate curing of the concrete material of the ring beams used as the internal lateral bracing system of the cofferdam. It is also shown with actual performance data how the sequence and timing of cycles of excavation and lateral bracing highly impacted the performance. The concrete material time-dependent effects presented in this research have not been incorporated as an integral part of the analysis and design of these temporary structures in urban environments and ignoring these effects conceal the fundamental reason for the resulting lateral deformations of these structures.

Resumen: Los sistemas de contención para cargas laterales de edificios altos son comúnmente hechos con muros de concreto construidos a partir de ataguías. Las ataguías son normalmente usadas para aplicaciones costeras, la empleada en esta investigación fue usada como una estructura temporal impermeable construida con tablestacas de acero y arriostrada internamente por anillos de acero o concreto reforzado para soportar el suelo alrededor. El proceso de excavación dentro de la ataguía necesario para instalar las fundaciones del núcleo rígido de concreto en roca o suelo competente, es típicamente realizado a partir de una excavación descendente-ascendente. El desempeño de este tipo de estructura en un ambiente urbano es crítico, pues movimientos del suelo alrededor inducidos por la excavación pueden llevar a daños significativos en estructuras cercanas. En esta investigación se muestran como los efectos en el tiempo y de la temperatura del concreto: contracción, repteo y madurez han contribuido a deformaciones laterales en una ataguía urbana construida para el edificio proyectado como el más alto de América. Se muestra como por la baja rigidez del tablestacado perimetral de acero, las deformaciones de la ataguía son altamente dependientes del control de calidad y del curado del concreto reforzado empleado para el arrostramiento interno con anillos perimetrales. También se presenta con instrumentación de campo como la secuencia constructiva y los tiempos de los ciclos de excavación impactaron altamente el desempeño de la estructura. Los efectos del concreto, dependientes del tiempo y la temperatura que son tratados en esta investigación no son tenidos en cuenta de forma integral en los análisis y durante la etapa de diseño, ignorar estos efectos es la principal razón de las deformaciones laterales resultantes de estas estructuras.