Fundamentierung des 1.007 m hohen Kingdom Tower in Jeddah

Univ. Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Technische Universität Darmstadt, Institut und Versuchsanstalt für Geotechnik

Dipl.-Ing. Matthias Seip Ingenieursozietät Professor Dr.-Ing. Katzenbach GmbH

Frankfurt am Main • Darmstadt • Weinheim • Kiew

1 Der Kingdom Tower in Jeddah Erstmals wird ein Bauwerk die Höhe von einem Kilometer übertreffen - der Kingdom Tower in Jeddah, Saudi-Arabien - soll nach der derzeitigen Planung 1.007 m hoch wer-den und überragt damit den bisherigen Rekordhalter, den Burj Dubai, um 179 m. Er wird insgesamt 167 nutzbare Stockwerke sowie die höchste je gebaute Besucherplatt-form in der Höhe von 502 m und eine, den Penthaus-Eigentümern vorbehaltene „Dach-terrasse“ auf 630 m Höhe besitzen. Der Entwurf für dieses außergewöhnliche Bauwerk stammt vom Architekturbüro Adri-an Smith + Gordon Gill (ASGG). Der Bauherr des Kingdom Tower ist die Jeddah Eco-nomic Company (JEC). Der Kingdom Tower - mit einer Bruttogeschossfläche von rd. 530.000 m² - beherbergt Büros, Wohnungen, ein Einkaufszentrum sowie ein Hotel. Der Wolkenkratzer liegt im Zentrum der Kingdom City (Bild 1), einem neuen Stadtentwicklungsprojekt im Norden Jeddahs, das auf einer Fläche von insgesamt 5 km² am Roten Meer entsteht. Die Grundfläche des Kingdom Tower inkl. des Sockelgebäudes beträgt 85.000 m², wo-von 3.720 m² auf die tetrapodenförmige Grundfläche der Fundamentplatte (Bild 2) für den Kingdom Tower selbst entfallen. Die Lasten werden über den zentralen Kern und die sich nach oben verjüngenden Wandscheiben über eine 4,5 m bis 5 m dicke Funda-mentplatte und 270 längengestaffelte Gründungspfähle abgetragen.

- 2 -

Bild 1 Lageplan Kingdom City (© JEC)

Bild 2 Grundriss der Fundamentplatte mit Kern-, Flur-, Flügel- und Abschlusswänden inkl. der Lage der Pfähle

- 3 -

Typische Wandlasten reichen von 50 MN für die kleinen Flügelwände bis zu 400 MN bei den Abschlusswänden an jedem der drei Schenkel am Ende der Flurwände. Die Ge-samtlast des Kingdom Tower beträgt inkl. Fundamentplatte 8.800 MN. Daraus resultiert eine theoretische Sohlspannung von 2.365 kN/m². Die 270 Gründungspfähle mit Durchmessern von 1,5 m bzw. 1,8 m sowie Längen von 45 m, 65 m, 85 m und 105 m sind gleichmäßig unter der Fundamentplatte verteilt und besitzen Pfahlabstände von 3,75 m bis 4,7 m (Bild 2). Die rechnerisch ermittelten Pfahllasten am Pfahlkopf liegen zwischen 18 MN und 40 MN. Die maximalen Pfahllasten wurden bei den 65 m und 85 m langen Pfählen in einer Tiefe von 55-65 m mit 47-50 MN ermittelt. Grund hierfür ist der Lasteintrag aus den Bereichen mit 45 m langen Pfählen.

Bild 3 Gebäudestruktur Kingdom Tower (© ASGG)

Fundamentplatte Kingdom Tower

Finales Pfahldesign

Untergeschoss Sockelbau

Aufgehende Tragstruktur

Flurwände Kernwände Flügelwände Abschlusswände

-105 mNN

-65 mNN

-85 mNN

-45 mNN

- 4 -

2 Baugrund- und Grundwasserverhältnisse Im Gegensatz zu anderen Projektstandorten großer Bauvorhaben im Nahen Osten, wie z.B. in den Vereinigten Arabischen Emiraten in Dubai (Epps 1980, Sharif & Ahmed 2010), sind die Baugrundverhältnisse in Jeddah wesentlich durch die oberflächennah anstehenden Korallenkalke geprägt, die bereichsweise durch Karstbildung kavernöse Hohlräume aufweisen (Stipho 1984, Rahim & Dhowian 1988, Abu Hajar & Hossain 1991). Daher wurden die Baugrund- und Grundwasserverhältnisse durch eine Vielzahl von Bohrungen, Labor und Feldversuchen erkundet und beschrieben. Der Baugrund wurde bis in eine Tiefe von 200 m unter der Geländeoberfläche erkundet. Hierzu wur-den zunächst orientierende und nachfolgend verdichtete Erkundungen ausgeführt, bei dem auch geophysikalische Erkundungsmethoden u.a. zur Ortung von Hohlräumen in den kavernösen Korallenkalken (Geoelektrische Tomographie, ERT) und zur Bestim-mung der dynamischen Baugrundeigenschaften und der Baugrundsteifigkeit (PS Sus-pension Logging) angewendet wurden. Die Lage der tiefen Erkundungsbohrungen ist in Bild 4 und der idealisierte Baugrundaufbau ist in Bild 5 dargestellt.

Bild 4 Lageplan der Baugrunderkundungsbohrungen im Tower-Bereich

Fundamentplatte Kingdom Tower

- 5 -

Die Geländeoberfläche liegt bei 3,5-4,5 mNN. Unter einer 2 m dicken Deckschicht aus Wüstensand folgen Korallenkalke bis in eine Tiefe von -50 mNN. An der Basis der Ko-rallenkalke sind Schluffsteinbänke mit einer mittleren Dicke von 2,5 m eingelagert. Da-runter folgen zwischen -47 mNN bis -52 mNN die oberen Kiesschichten und Konglo-merate, die den Übergang zu dem darunter anstehenden, verwitterten bis zersetzten Sandstein bilden, der wiederum bis in eine Tiefe von -90 mNN bis -105 mNN reicht und eine mittlere Dicke von 40 m besitzt. Unterlagert wird dieser Sandstein von den unteren, im Mittel 5,5 m dicken Kiesen. Ab einer Tiefe von 110 m unter der Gelände-oberfläche steht wiederum Sandstein an, dessen Verwitterungsgrad mit zunehmender Tiefe abnimmt. Der Grundwasserspiegel wurde bei den Bohrarbeiten zwischen 0 mNN und -1 mNN in 3-4 m Tiefe unter der Geländeoberfläche angetroffen. Die Baugrubensohle und somit die Unterkante der Fundamentplatte liegt bei 1 mNN und somit ein Meter hoch über dem Grundwasserspiegel.

Bild 5 Baugrundschnitt C – C´

- 6 -

3 Probebelastungen Zwischen 2010 und 2012 wurden insgesamt 6 axiale Probelastungen (Bild 6) nach dem Osterbergverfahren als so genannte Multileveltests, drei horizontale Pfahlprobebelas-tungen sowie eine axiale Fundamentprobebelastung (Bild 6) durchgeführt, um das Last-Verformungsverhalten des Baugrundes sowie die Pfahltragfähigkeitswerte zu ermitteln. Die axialen Probebelastungen wurden sowohl an Bohrpfählen als auch an Schlitzwand-elementen durchgeführt. Die Bohrpfähle besitzen einen Durchmesser von 1,5 m; die Schlitzwandelemente wiesen Abmessungen von 1,2 m x 2,8 m auf. Es wurden sowohl Pfähle als auch Schlitzwandelemente mit Längen von 45 m und 75 m getestet.

Bild 6 Pfahlprobebelastung (links) und Fundamentprobebelas-tung (rechts)

Sämtliche Pfahlbohrungen wurden mit Flüssigkeitsstützung ausgeführt. Es kamen Was-ser, Bentonit- und Polymersuspension zum Einsatz. Exemplarisch sind in Bild 7 die Ergebnisse der Probebelastung an einem 45 m langen Pfahl mit Bentonitstützung darge-stellt. In der Phase 1 wurde eine maximale Belastung von 20,6 MN aufgebracht. Die Setzun-gen des Pfahlfußelements betrugen dabei 0,7 mm. Die Hebungen an der Oberkante der unteren Presse betrugen 0,2 mm. Da der Bruchzustand während der Versuchsdurchfüh-

Pressen

Ext.

Fundament

Ext.

Ext.

Traverse

Reaktionspfähle

Pressenebene

- 7 -

rung nicht erreicht wurde, liegt der charakteristische Spitzendruck bei qb,k > 4.630 kN/m². In der Phase 2 wurde insgesamt eine Belastung von 24,4 MN über die obere Pressen-ebene aufgebracht. Die Setzungen des mittleren Pfahlsegmentes betrugen dabei 2,6 mm. Die Hebungen des oberen Pfahlsegmentes wurden mit 1,6 mm gemessen. Auch in der Phase 2 wurde der Bruchzustand nicht erreicht. Aus der Auswertung folgt, dass die cha-rakteristische Mantelreibung qs,k > 660 kN/m² ist. Die gleichen Größenordnungen erge-ben sich aus den übrigen Probebelastungen in den Korallenkalken. Bei den Probebelastungen, die bei einer Tiefe der Pfähle/Schlitzwandelemente von 75 m in dem verwitterten bis zersetzten Sandstein ausgeführt wurden, liegt die charakteristi-sche Mantelreibung in etwa bei der Hälfte des o.g. Wertes.

Bild 7 Probebelastung eines 45 m langen Probepfahls mit Ben-tonitstützung und 2 Pressenebenen im Korallenkalk, links Phase 1, rechts Phase 2

Neben der auf die Tragfähigkeit bezogenen Auswertung der Probebelastungsergebnisse wurden prüfseits die Last-Verformungskurven der Pfahlprobebelastungen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode nachgerechnet. Dabei wird deutlich, dass die aus Pressiome-terversuchen, einaxialen Druckversuchen und den PS-Suspension Loggings abgeleiteten Werte deutlich unter der aus den Probebelastung rückgerechneten Baugrundsteifigkeit liegen. Die mit der Rückrechnung ermittelte Steifigkeit des Korallenkalksteins ist mit E = 1.000 MN/m² doppelt so groß wie zunächst angenommen. Neben den axialen Pfahlprobebelastungen wurde auch eine Probebelastung an einem Einzelfundament (Bild 6) an der Oberfläche der Korallenkalke ausgeführt. Die Sohle

- 8 -

des 2,25 m2 großen Fundaments lag auf einem Niveau von +1 mNN und damit auf der Höhe der Gründungssohle der Fundamentplatte für das Hochhaus und der Einzelfunda-mente/Fundamentplatte des umgebenden Sockelbaus. In Bild 8 ist die Last-Setzungskurve des Einzelfundaments abgebildet.

Bild 8 Last-Setzungskurve der Probebelastung am Einzel-fundament

Aus der Last-Setzungskurve lässt sich mit der Gleichung

m

kk E

fbs

0 (1)

und

²667.2²25,2

000.6mkN

m

kN

A

P (2)

nach Umformung zu

²520005,0

65,05,1²667.20 mMNm

mmkN

s

fbE

k

km

ein Verformungsmodul von Em = 520 MN/m² für die oberen 3 m der Korallenkalke ab-leiten.

0

10

20

30

40

50

60

70

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Setzungen in [mm]

Last in [MN]

Last-Setzungskurve Einzelfundament

- 9 -

4 Entwicklung der Gründung Zu Beginn der Planungsphase wurde im Jahre 2010 zunächst die in Bild 9 links darge-stellte Gründung konzipiert. Dabei wurden ein einheitlicher Pfahldurchmesser von 1,5 m und zwei Pfahllängen, und zwar 45 m für die äußeren Pfähle und 75 m für die inneren Pfähle, zu Grunde gelegt. Zusätzlich wurde auch eine Gründung mit einer ein-heitlichen Pfahllänge von 45 m untersucht. Neben den unterschiedlichen Ansätzen der Baugrundsteifigkeit wurden die Untersuchungen sowohl mit Berücksichtigung der auf-gehenden Konstruktion als auch ohne durchgeführt.

Bild 9 Gründungsdesign 2010, links u. 2012, rechts (© ASGG) Insgesamt ergaben sich mit Werten von 13-19 cm Setzungen, die von den Planern für das Bauwerk unverträglich eingeschätzt worden sind. Ausgehend von diesen ersten Variantenabschätzungen wurde auf der Basis einer Viel-zahl von vertiefenden Untersuchungen im Jahr 2012 der Ausschreibungsentwurf (Bild 9, rechts) entwickelt, der gegenüber den Entwürfen aus 2010 deutlich längere Pfähle in der Kernzone (105 m), eine Pfahllängenstaffelung in den zwei Pfahlreihen außerhalb des Kerns (85 m und 65 m) und Pfähle mit einem Durchmesser von 1,8 m im Randbereich unter den hochbelasteten Abschlusswänden vorsieht. Mit diesem Gründungsentwurf wurde eine Vergleichmäßigung der Setzungen und mit rechnerischen Werten um s = 10 cm auch eine deutliche Reduzierung der Absolut-setzungen erreicht.

Design 2010: Pfahlanzahl: 270 Stck. Pfahllängen: 45m/75m Pfahldurchmesser: 1,5m Pfahlabstände: a < 3 · D

Design 2012: Pfahlanzahl: 270 Stck. Pfahllängen: 45m/65m/85m/105m Pfahldurchmesser: 1,5m/1,8m Pfahlabstände: a < 3 · D

- 10 -

6 Zusammenfassung Der Kingdom Tower in Jeddah, das mit einer geplanten Höhe von 1.007 m auf absehba-re Zeit höchste Hochhaus der Welt, ruht mit einer Last von 8.800 MN auf 270 bis zu 105 m langen Pfählen und einer 4,5 m bis 5 m dicken Fundamentplatte. Die Wandlasten des Kingdom Tower liegen zwischen 50 MN und bis zu 400 MN. Der Standort des Kingdom Tower weist einen vergleichsweise tragfähigen und bereits schon ab einer geringen Tiefe sehr steifen Baugrund auf. Baugrundsteifigkeiten von mehreren 100 MN/m² über nahezu die gesamte, vom Kingdom Tower beeinflusste Tiefe sowie charakteristische Pfahltragfähigkeiten von mehr als 100 MN sind günstige Rand-bedingungen für ein solches Projekt. Der Problematik der nicht eineindeutig zu identifizierenden Karstbildung in den Koral-lenkalken wird durch die robuste Pfahlgründung mit 270, bis zu 105 m langen Pfählen angemessen Rechnung getragen. Bei dem Großbauprojekt Kingdom Tower wurden im Rahmen der geotechnischen Prü-fung folgende Teilbereiche im Sinne des Vier-Augen-Prinzips unabhängig geprüft: Planung und Ausführung der Baugrunderkundung sowie Auswertung und Bewertung

der Erkundungsergebnisse Planung und Ausführung der in-situ Probebelastungen sowie Auswertung und Be-

wertung der Versuchsergebnisse Planung und Bemessung der Fundamentierung Aufgrund der Komplexität der Baumaßnahme wurde es unumgänglich, die Maßnahmen zur Baugrunderkundung und insbesondere die Ausführung der in-situ Probebelastungen vor Ort durch den unabhängigen geotechnischen Prüfsachverständigen zu begleiten (Bild 10).

Bild 10 Überwachung der in-situ Probebelastungen auf dem Pro-

jektareal

- 11 -

Literatur Abu Hajar, I.M., Hossain, D. (1991) Ground condition in Jeddah and its influence on selection and

design of foundation. Journal of King Abdulaziz University (JKAU): Earth Science, Vol. 4, 45-66

Epps, R.J. (1980) Geotechnical practice and ground conditions in coastal regions of the United Arab

Emirates. Ground Engineering 13, Vol. 3, 19-25 Hanisch, J., Katzenbach, R., König, G. (2002) Kombinierte Pfahl-Plattengründung. Ernst & Sohn, Berlin Rahim, K.S.A., Dhowian, A.W. (1988) Foundations on stone columns resting on Coralline Limestone. Second Interna-

tional Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering, 1.-5. Juni, St. Louis, Missouri, USA, 1117-1120

Saudi Building Code (SBC) (2007) SBC 301 Loads & Forces Requirements. SBCNC Saudi Building Code (SBC) (2007) SBC 303 Soil & Foundation Requirements. SBCNC Sharif, E.Y., Ahmed, M.J. (2010) Engineering Geology of Dubai. Arab Centre for Engineering Studies (ACES) Stipho, A.S. (1984) Soil conditions and foundation problems in the dessert regions of the Middle East.

First International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering, Mai, St. Luis, Missouri, USA, 21-25