structure – published by DETAIL 04/2019

„Arena“ in Herzogenaurach 12 500 Tonnen Leichtigkeit Arena in Herzogenaurach 12,500 Tonnes of Lightness

4.19

Bahnhofsgebäude in Rennes Transluzente ETFE-Dachlandschaft Railway Station Building in Rennes Translucent ETFE Roof Landscape

TOITURE ETFE

R5000 PARECLOSE ETFE

150

BOUDIN ETFE RIVE EXTERIEURE 800

880 370

PATTE PONCTUELLE TRAVERSANT LA PARECLOSE

ENTRETOISE

SOUS TENSION

160

220 LONGERON INTERMEDIAIRE

TUYAU DESSERVANT LE MODULE

PERCEMENTSaa POUR PASSAGE TUYAU

TUBE FLEXIBLE ALIMENTATION AIR

schlaich bergermann partner

editorial

Planung und Bau von Großprojekten können eine Generationenaufgabe sein. Vor 22 Jahren wurde in Stuttgart der Wettbewerb für einen neuen, unterirdischen Hauptbahnhof entschieden. Nach schier unendlichen Bürgerprotesten und nachdem die Deutsche Bahn zwischenzeit-

The design and construction of major projects

lich selbst Abstand von dem Projekt genom-

can take a generation. 22 years ago, a compe-

men hatte, nimmt der Bau nunmehr Formen

tition was held for a new, sub-surface, main

an. In unserem Technikbeitrag berichten die

railway station in Stuttgart. After almost end-

­Ingenieure über Planung und Bau der Kelch-

less public protests, and Deutsche Bahn tem-

stützen in der Bahnhofshalle. Um ungewöhnli-

porarily distancing itself from the project, con-

che Planungs- und Bauprozesse geht es auch

struction is now taking shape. In the technical

in den übrigen Beiträgen in dieser Ausgabe.

article of this issue, the engineers explain the

Ähnlich wie Stuttgart organisiert auch die bre-

design and construction of chalice columns

tonische Stadt Rennes ihren Hauptbahnhof und

that support the roof of the the station hall.

sein Umfeld neu. Im Zuge dessen hat das nur

Further unusual design and construction

30 Jahre alte Bahnhofsgebäude eine neue Ein-

­processes are also covered in this issue. Like

gangshalle mit leichter Dachkonstruktion aus

Stuttgart, the Breton city of Rennes is also

Folienkissen erhalten. In Herzogenaurach wur-

­reorganising its main railway station and

de die 12 500 Tonnen schwere Stahlkonstruk­

­surroundings. The existing station building,

tion des Adidas-Bürogebäudes „Arena“ erst in

which was only 30 years old, gained a new

Bodennähe vormontiert und dann in einem

­entrance hall with a light-weight roof construc-

Stück um mehr als 10 m angehoben. Laut den

tion made of foil cushions. For reasons of effi-

Planern war dies sinnvoller als eine Montage in

ciency, the 12,500 t steel structure of the Adi-

der endgültigen Höhe. Und nahe dem schwä-

das “Arena” office building in Herzogenaurach

bischen Herrenberg ist ein Holzturm entstan-

was assembled at ground level and then lifted

den, dessen Segmente sich einzeln austau-

up more than 10 m in one piece. A timber

schen lassen, ohne das Bauwerk demontieren

tower built In Herrenberg near Stuttgart al-

zu müssen. An der ETH Zürich wird unterdes-

lows individual segments to be ­replaced with-

sen an Methoden für den Tragwerksentwurf

out the tower having to be totally dismantled.

geforscht, mit denen die Gestaltungsspielräu-

Research at the ETH Zurich highlights a

me gerade in frühen Planungsphasen deutlich

­method of structural engineering design that

größer werden. Was es mit dem sogenannten

allows much greater design ­freedom, specifi-

Combinational Equilibrium Modelling auf sich

cally in the early phases. The method is based

hat, erläutert der Essay in diesem Heft.

on combinational equilibrium modelling and is explained in the essay of this issue.

Viel Freude bei der Lektüre!

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Jakob Schoof redaktion@structure-magazin.de

I wish you an enjoyable read!

editorial 1

inhalt content

projekte projects 1 editorial

magazin reports

4 Ingenieurbaukunst: Das CNIT in Paris The Art of the Structural ­Engineer: CNIT in Paris Jakob Schoof

6 Mobile Raum- und Klangskulptur Mobile Spatial and Sound Sculpture Heike Kappelt

8 structure research: Spannstahl mit Form­ gedächtnis Prestressing Steel with Shape Memory Bettina Sigmund

essay essay

12 Tragwerksentwürfe mit Gleichgewichtsmodellen Structural Design with Equilibrium Models Patrick Ole Ohlbrock, Pierluigi D‘Acunto

18 Bürogebäude Arena in Herzogenaurach Arena Office Building in Herzogenaurach Behnisch Architekten / Werner Sobek

26 St.-Philips-Fußgängerbrücke in Bristol St Philips Footbridge in Bristol Knight Architects / Jacobs

32 Bahnhofsgebäude in Rennes Railway Station ­Building in Rennes SNCF Gares & ­Connexions / AREP / MaP 3

produkte products

technik

technology 44 Kelchstützen für ­Stuttgart 21 Chalice Columns for Stuttgart 21 Roland Bechmann, Angelika Schmid, Torsten Noack

50 Software / BIM 52 Beton, Bewehrungs-, Schalungstechnik Concrete, Reinforcement, Formwork 56 Tunnelbau Tunnel Construction 58 Brandschutz Fire Protection 60 Impressum, Bildnachweis Imprint, Copyright

38 Aussichtsturm Naturpark Schönbuch bei Stuttgart Viewing Tower at Schönbuch Nature Park near Stuttgart schlaich bergermann partner

2 inhalt

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Tragwerksentwürfe mit Gleichgewichtsmodellen Structural Design with Equilibrium Models

Text: Patrick Ole Ohlbrock Pierluigi D‘Acunto Patrick Ole Ohlbrock studierte Bauingenieurwesen mit der Querschnittsvertiefung Architektur an der TU München. Derzeit ist er an der Professur für Tragwerksentwurf an der ETH Zürich als Dozent und Assistent tätig.

Pierluigi D‘Acunto studierte Bauingenieurwesen und ­Architektur an der Universität Pisa und an der Architectural Association in London. Heute ist er Dozent und Postdoc am Lehrstuhl für Tragwerksentwurf an der ETH Zürich.

Patrick Ole Ohlbrock studied civil engineering with the ­minor subject architecture at TU Munich. He is currently a lecturer and research­ assistant at the Chair of Structural Design at ETH Zurich.

Pierluigi D’Acunto studied building engineering and ­architecture at the University of Pisa and at the Architectural Association in London.

Today he is a lecturer and postdoctoral researcher at the Chair of Structural Design at ETH Zurich.

Combinatorial Equilibrium Modelling (CEM) is a tool for computational form-finding developed by Patrick Ole Ohlbrock and Pierluigi D’Acunto at the Chair of Structural Design at ETH Zurich. CEM is intended to support the conceptual design of structures in static equilibrium beyond the boundaries of known ­typologies. Thanks to its intuitiveness, the tool can be used by both structural engineers and architects, thus contributing to the development of designs in which engineering thinking and freedom of architectural expression are seamlessly combined.

Formfindung durch grafische Statik CEM ermöglicht die interaktive Erzeugung von Tragwerken im statischen Gleichgewicht mithilfe von topologischen und geometrischen Transformationen.1 Im Mittelpunkt steht die grafische Statik – ein vektorbasierter Ansatz, der es möglich macht, die Form einer Tragwerksstruktur auf intuitive, direkte und präzise Weise mit ihren inneren Kräften in Bezug zu setzen. Die grafische Statik basiert auf zwei voneinander abhängigen Diagrammen: dem Lageplan, der die Geometrie einer Tragstruktur zusammen mit ihren äußeren Kräften abbildet, und dem Kräfteplan, der das Gleichgewicht der auf jeden Knoten der Struktur ausgeübten Kräfte zeigt.2 ETH-Bibliothek, Archives and Private Collections

Download CEM Software: https://github.com/ OleOhlbrock/CEM

Combinatorial Equilibrium Modelling (CEM) ist ein neues Werkzeug zur computergestützten Formfindung, das Patrick Ole Ohlbrock und Pierluigi D’Acunto am Lehrstuhl für Tragwerksentwurf der ETH Zürich entwickelt haben. CEM soll das Entwerfen von Tragwerken, die sich in einem statischen Gleichgewicht ­befinden, über die Grenzen der bekannten Typologien hinweg unterstützen. Das Tool eignet sich aufgrund seiner intuitiven Bedienbarkeit sowohl für Tragwerksplaner als auch für Architekten und trägt auf diese Weise zur Entwicklung von Entwürfen bei, bei denen ­ingenieurhaftes Denken und ein freier architektonischer Ausdruck fließend ineinander übergehen.

A

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Form-finding through graphic statics CEM allows for the interactive generation of mixed tension-compression structures in static equilibrium by means of topological and geometric transformations.1 At the core of CEM is graphic statics, that is, a vector-based approach that enables the form of a structure to be ­correlated to its internal forces, in a direct, precise and intuitive way. Graphic statics is grounded on two reciprocal diagrams: the form diagram, which depicts the geometry of the structure along with its external forces; and the force diagram, which represents the equilibrium of the forces applied to each node of the structure.2 Before being superseded by analytical mechanics in the first half of the 20th century, graphic statics was regularly e ­ mployed by structural engineers and architects for the analysis and design of structures in static equilibrium. Over the last few years, thanks to the development of computer-aided design and the emergence of many new parametric digital tools, graphic statics has experienced a revival at both professional and academic levels.3 As exemplarily shown by the Salginatobel Bridge in 1929 by Robert Maillart (Fig. A), graphic statics can be used as a powerful ­approach for structural form-finding.4 In fact, after the explicit g ­ eometrical relationship between form and forces is established through the reciprocal ­diagrams, the design process can be initialised by defining firstly the magnitude and the sign of the internal forces within the structure and by determining subsequently the resultant equilibrium form. Thanks to this approach, the design process can be ­directed towards almost bending-free, and hence material-­efficient structural solutions.

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X x

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Unique features of CEM In the field of computer-aided form-finding, several methods have been developed since the 1970s, especially for the generation of ­surface structures with purely tensile or compressive internal forces. Above all, the Force Density Method (FDM) is particularly relevant.5 In recent years, various approaches have been proposed to extend the FDM to mixed tension-compression structures. For an appro­ priate initial choice of the force densities, the FDM can provide a comprehensible solution.

However, making a suitable choice of these force density parameters is generally a complex task. Thus, the application of the FDM is either confined to form-finding of well-known structural typologies, or it relies on the experience and mathematical expertise of the users for more complex structural configurations.

Bevor sie in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts durch die analytische Mechanik abgelöst wurde, setzten Tragwerksplaner und Architekten die grafische Statik häufig für die Analyse und Gestaltung von Tragwerken ein. Aufgrund der zunehmenden Verbreitung des computergestützten Entwerfens und der Entwicklung neuer parametrischer Modellierungstools erlebt die grafische Statik seit einigen Jahren ­sowohl in der Lehre als auch in der Planungspraxis eine Renaissance.3 Wie die Salginatobel-Brücke von Robert ­Maillart aus dem Jahr 1929 exemplarisch zeigt (Abb. A), kann die grafische Statik auch als leistungsfähiger Ansatz zur Formfindung von Tragsystemen genutzt werden.4 Nachdem der eindeutige geometrische Bezug zwischen Form und inneren Kräften durch die sich ergänzenden Diagramme festgelegt ist, kann der Entwurfsprozess mit der Definition der ­inneren Kräfte beginnen. Daraus lässt sich anschließend eine resultierende Gleichgewichtsform ermitteln. Durch diesen Ansatz entstehen im Entwurfsprozess Tragsysteme, die nahezu frei von Biegemomenten und damit im Idealfall materialeffizient sind.

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A structural design using graphic statics: form and force diagrams of Salginatobel Bridge (1929) by Robert ­Maillart B overview of the CEM ­algorithm: ­topological (left), form (centre), and force (right) diagrams. red: tension, blue: ­compression, green: external force, X: edge, x: form member, x*: force vector C, D proposal for the Tokyo Olympic Stadium 2020 (P. D’Acunto, L. Ingold, P. O. Ohlbrock)

C P. D’Acunto, L. Ingold, P. O. Ohlbrock

Besonderheiten des CEM Im Bereich der computergestützten Form­ findung wurden seit den 1970er-Jahren mehrere Methoden insbesondere zur Erzeugung von Flächentragwerken entwickelt, in denen ausschließlich reine Zug- oder Druckkräfte wirken.

Besonders wichtig in diesem Zusammenhang ist die Kraftdichte-Methode (KDM).5 In den letzten Jahren entstanden verschiedene Ansätze, um diese Methode auch auf gemischte Systeme mit beliebigen Konstellationen von Druck- und Zugkräften anwenden zu können.

Für eine angemessene Wahl der Kraftdichten kann die KDM nachvollziehbare Lösungen bieten. Geeignete Parameter für diese Kraftdichten auszuwählen, stellt allerdings meist eine komplexe Aufgabe dar. Und so beschränkt sich die Anwendung der KDM oftmals auf die Formfindung gut bekannter Tragwerkstypologien, während sie bei komplexeren gemischten Systemen vor allem von der Erfahrung und dem mathematischen Fachwissen der Anwender abhängt.

Das Hauptziel des CEM besteht darin, die Entwerfer bereits in der frühen Konzeptphase von typologischen Einschränkungen zu befreien

A Tragwerksentwurf mit Zug / tension grafischer Statik: Lage/ compression und Druck Kräfteplan der ­Salginatobel-Brücke Externe Kraft / external force (1929) von Robert A aillart Kante (topologisches Diagram) ­M edge (topological diagram) B Überblick über den ­Aalgorithmus des CEM: Stab (Lageplan) topologisches Dia-diagram) form member (form gramm (links), Lageplan a * Kraftvektor (Kräfteplan) (Mitte) und Kräfteplan force vector (force diagram) (rechts) . rot: Zug, blau: Druck, grün: externe Kraft, X: Kante, x: Stab, x*: Kraftvektor C, D Entwurf Olympiasta­ dion 2020 in Tokio (P. D’Acunto, L. Ingold, P. O. Ohlbrock)

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essay 13

Bürogebäude Arena in Herzogenaurach Arena Office Building in Herzogenaurach

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Mit zwei ausdrucksstarken Solitären hat der Sportartikelhersteller Adidas die Bauarbeiten auf seinem Unternehmenscampus in Herzogenaurach vorerst abgeschlossen. 1999 hatte das Unternehmen erste Abteilungen in ein saniertes Kasernengebäude auf der ehemaligen US-Militärbasis verlegt. 20 Jahre und diverse Neubauten später ist nun auch das Mitarbeiterrestaurant „Halftime“ und das Bürogebäude „Arena“ fertiggestellt worden. Gemeinsam mit einem künstlich angelegten See bilden sie das neue Entree zum Areal und zugleich eine dezente Barriere zwischen internem und öffentlichem Bereich. Im Arena-Gebäude von Behnisch Architekten sind gut 2100 Arbeitsplätze entstanden; außerdem befinden sich hier der Besucherempfang und eine Cafeteria.

Die Architekten beschreiben ihr Entwurfskonzept so: Eine Analyse der unternehmensinternen Abläufe hatte einen Idealgrundriss mit ­offenen, über drei Geschosse verteilten Büroflächen ergeben. Zugleich wünschte sich der Bauherr eine möglichst große Fernwirkung des Hauses. So entstand die Idee eines 143 ≈ 118 m großen Kubus auf 67 schräg gestellten

With two landmark buildings, the Adidas Group has, for the time being, concluded ­construction on its campus on a former US military base in Herzogenaurach, Germany.

Together with an artificial lake, the staff restaurant by Cobe and the adminstration building

by Behnisch Architects form the new entrance to the campus as well as a discreet barrier ­between its internal and public areas. The Arena houses some 2100 workplaces as well as the visitor reception and a cafeteria. According to Stefan Behnisch, the idea of a flexible workspace distributed across three floors was based on an analysis of the company’s ­internal processes. The client also wished for the building to stand out as a clear architectural symbol. This led to the design of a 143 ≈ 118 m cuboid resting on 67 inclined supports. Six inner courtyards bring natural light into the deep upper floors, which seem to hover above the campus landscape.

The aluminium brise soleil that covers the building’s four sides looks like a delicate mesh from a distance, but reveals its true dimensions close-up: each of its diamond-shaped

David Matthiessen

Architekten /Architects: Behnisch Architekten, ­Stuttgart, DE Tragwerksplaner / Structural engineers: Werner Sobek, Stuttgart, DE Bauherr / Client: adidas, Herzogenaurach, DE Generalunternehmer / ­ General contractor: Züblin, Stuttgart, DE Stahlbau / Steel construction: ARGE WoS Stahlbau – Züblin Stahlbau, Hosena, DE / stahl + verbundbau, ­Dreieich, DE Brandschutz / Fire protection: Endreß Ingenieurgesellschaft, Ludwigshafen, DE Fassadenplanung / Facade engineering: KuB Fassadentechnik, Schwarzach, AT Landschaftsarchitekten / Landscape architects: LOLA Landscape Architects, Rotterdam, NL Standort / Location: Adi-Dassler-Strasse1 91074 Herzogenaurach, DE

18 projects

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Lageplan Adidas-Campus Maßstab 1:25 000 1 Bürogebäude „Spikes“ (ehem. Kasernenge­ bäude) 2 Fitnesszentrum / Kita 3 Parkhaus 4 Bürogebäude „Laces“ 5 Brand Center 6 Mitarbeiterrestaurant „Halftime“ 7 Bürogebäude „Arena“ Grundrisse Maßstab 1:1500

David Matthiessen

Stützen. Drei große und drei kleine Innenhöfe belichten die sehr tiefen Obergeschosse. Außen umgibt ein Brise Soleil aus hell beschichteten, teils gelochten Aluminiumblechen den Neubau. Jedes der rautenförmigen Elemente ist rund 8 m breit und 1,2 m hoch. Ihre Abmessungen variieren je nach Himmelsrichtung leicht und wurden mithilfe von Verschattungssimulationen festgelegt.

Unter den drei Büroebenen scheint die ­Campuslandschaft durchzulaufen. Das „Landschaftsgeschoss”, das den schwebenden Block von seinem Unterbau trennt, dient als Pausen- und Bewegungsfläche. Das darunterliegende Erdgeschoss mit Empfang, Präsen­ tationsflächen und Cafeteria gleicht einem ­Betonhügel mit begrünten Böschungen, der eher Teil der Landschaft als des Gebäudes zu sein scheint. Die einzigen Verbindungen hinauf in die Büroebenen bilden zwei Erschließungskerne aus Beton und das alle Ebenen durchdringende Atrium, in dem eine skulpturale Stahltreppe vom Erdgeschoss ins erste Obergeschoss hinaufführt. Zwei kleinere Lufträume in Verlängerung des Atriums dienen der inneren Vertikal­erschließung des Verwaltungsbereichs. Die Büroflächen zu beiden Seiten der Erschließungsmagistrale sind lediglich mit eingestellten Kuben in FrachtcontainerOptik gegliedert, die kleinere Besprechungsräume und Telefonzellen enthalten. Im Zusammenspiel mit den unverkleideten, weiß lackierten Stahlträgern und -stützen sowie den offen belassenen Stahlverbunddecken verleihen sie den Bürozonen den Charakter von Werkshallen.

JS

openings is about 8 m long. In addition to its function as a shading system, which was tested in thermodynamic simulations, the brise soleil mediates between the building scale and the human scale.

The ground floor, with the reception, cafeteria and presentation areas, resembles a concrete hill with green embankments and seems more like part of the campus landscape than part of the building. The only elements connecting to the office levels are two concrete access cores and the atrium penetrating all levels, where a sculptural staircase held by steel truss girders leads up from the entrance level to the lowest office level. Two smaller open staircases on ­either side of the main atrium connect the office floors with each other.

JS

location plan of Adidas Campus scale 1:25,000 1 “Spikes” office building (former barracks) 2 fitness centre /nursery school 3 parking garage 4 “Laces” office building 5 brand centre 6 “Halftime” staff restaurant 7 “Arena” office building floor plans scale 1:1500

W Mehr Informationen further information structure-magazin.de/ 4-2019-adidas

143

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a Erdgeschoss / Ground floor

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2. Obergeschoss / Second floor

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projekte 19

Visualisierungen: ingenhoven architects

Kelchstützen für Stuttgart 21 Chalice Columns for Stuttgart 21

Text: Roland Bechmann, Angelika Schmid, Torsten Noack Die Autoren sind seit 2009 Projektverantwortliche im ­Büro Werner Sobek für die Planung des neuen Stuttgarter Tiefbahnhofs.

The authors have been project managers at Werner ­Sobek working on the design of the new Stuttgart underground railway station since 2009.

44 technology

Stuttgart 21 ist ein Verkehrs- und Städtebauprojekt zur Neuordnung des Eisenbahnknotens Stuttgart. Kernstück ist der Umbau des ­alten 16-gleisigen, oberirdisch gelegenen Kopfbahnhofs in Stuttgart in einen unterirdischen 8-gleisigen Durchgangsbahnhof. Seine Fertigstellung ist für 2025 geplant. Durch den Rückbau von oberirdischen Bahngleisen und Stellwerken werden rund 100 ha Land für neue Grünflächen und die Erweiterung der Innenstadt gewonnen.

Der Entwurf für den neuen Bahnhof wurde von Christoph Ingenhoven in Zusammenarbeit mit Frei Otto erstellt; dieser Entwurf ging 1997 aus einem internationalen, mit 126 Teilnehmern besetzten Realisierungswettbewerb als Sieger hervor. Für das Tragwerk war zunächst das Ingenieurbüro Happold, später Leonhardt Andrä und Partner zuständig. Ab 2009 übernahm das Büro Werner Sobek die Tragwerks- und Fassadenplanung. Hierbei ging es zum einen um die Modifikation der Entwurfsplanung, zum anderen um die Genehmigungs- und Ausführungsplanung. Diese Planung basierte zunächst auf den geltenden DIN-Normen, ab 2014 erfolgte die Überarbeitung auf Eurocode-Basis. Die hohe äußere Belastung (zum Beispiel durch die Erdaufschüttung), die schwierige Gründungssituation, die komplexe Geometrie der Stahlbetonkonstruktion und die großen Spannweiten erforderten einen durchgängig digi­ talen Planungsansatz und diverse Neuentwicklungen an der Schnittstelle von Planung und Ausführung.

Stuttgart 21 is a transportation and urban ­development project to redesign Stuttgart’s major rail interchange. Key to the project is the reconstruction of the old 16-platform, surface rail terminus station in Stuttgart to form a sub-surface, eight-platform, through station.

Completion of the station is scheduled for 2025. Taking up the surface-level tracks and demolishing signal boxes releases around 100 hectares of land for new green space and the expansion of the urban centre.

The design for the new station was originally prepared by Christoph Ingenhoven in conjunction with Frei Otto; this design emerged as the winner from the 126 participants in an international competition held in 1997. Structural engineering consultants Happold were initially responsible for the structure. This role was later taken up by Leonhardt Andrä und Partner. Consulting engineers Werner Sobek assumed responsibility for the design of the structure and facade in 2009. At this point, the task was to modify the design and take it forward into the approval and execution ­design phases. This updated design was based on the applicable DIN standards at that time.

From 2014, the design has used Eurocodes.

The high external loads (for example from the earth fill), difficult ground conditions, complex geometry of the reinforced concrete structure and long spans demanded a completely digital approach to the design and many new ­initiatives at the interface of design and construction.

Tragende Trogwände und Kelche Die derzeit im Bau befindliche 420 m lange, 80 m breite und bis zu 12 m hohe Bahnsteighalle ist ein monolithisches Stahlbetonbauwerk aus weißem Sichtbeton, bestehend aus dem sogenannten Trog und einem darüberspannenden Schalendach. Das Dach, ­eine mehrfach gekrümmte Form, wird von 28 Kelchstützen getragen, die das Erscheinungsbild des Tiefbahnhofs entscheidend prägen (Abb. A, B). 23 der 28 Kelchstützen sind sogenannte Regelkelche. Sie bestehen aus einem Fuß, einer Schale und der sogenannten Hutze; letztere ist ein halbkreisförmiger Überzug, der das Schalendach im Bereich des Lichtauges aussteift. Hinzu kommen vier Flachkelche ohne Randverstärkung und ein größerer Sonderkelch. Dieser ist im Grundriss in Bezug auf die anderen Kelchstützen um

Structural trough walls and chalices The 420 m long, 80 m wide and up to 12 m high platform hall currently being built is a monolithic, reinforced concrete structure constructed out of white, fair-faced concrete consisting of a “trough” topped with a shell roof.

The multiply curved roof is carried by 28 chalice-shaped columns, which are crucial to the station’s striking appearance (Fig. A, B). Some 23 of the 28 columns are “standard” chalices.

They consist of a foot, a shell and a “scoop”; then a semi-circular upstand beam is added to stiffen the shell roof at the huge skylight or “light-eye”. A further four “flat” chalices have no edge stiffening and there is one large special chalice. The latter is turned through 180° compared with the other chalices so that it opens to provide access to the inner city. In addition to the total of 28 full chalices, there

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180° gedreht, sodass er sich als Zugang zur Innenstadt öffnet. Zu den insgesamt 28 Kelchstützen kommen noch 18 sogenannte Rest­ kelche (Abb. B). Nach ihrer Fertigstellung werden all diese Elemente durch das Schließen der zwischen ihnen liegenden Schwindgassen miteinander verbunden. Das Trogbauwerk gründet auf Ortbeton- und Rammpfählen, die in der Regel deutlich oberhalb des Grundgipses ­enden. Der Grundgips dient als Trennschicht zum Mineralwasserhorizont. Die Kelchstützen wiederum gründen auf der Bodenplatte des Trogs. Die Rand- und Restkelche schließen biegesteif an die Außenwände an.

Bedingt durch die Topografie des Stuttgarter Talkessels und die komplexen Projektrandbedingungen, beispielsweise die unterirdischen S-Bahn- und Stadtbahntrassen, die ober- und unterhalb des neuen Tunnels verlaufen, ver­ ändert sich der Abstand zwischen Dach und Trog und damit die Bauhöhe der Kelche über die Länge der Bahnsteighalle. Die Entwurfsidee sah vor, eine rein druckbeanspruchte Konstruktion mit möglichst wenig Stahlbetonbewehrung zu entwickeln. Auch wenn sich dies aufgrund von Zwangsbeanspruchungen, Erdbeben- und Erddrucklasten nicht zu 100 % realisieren lässt, reduziert die gewählte Form

are also 18 “partial” chalices. Once complete, all these elements will be connected to one another by filling the shrinkage gaps between them with reinforced concrete. The trough structure is founded on bored insitu-concrete piles and driven piles, which generally end above the underlying gypsum beds. These bands of gypsum act as a barrier to the water in aquifers below them. The chalice columns are founded on the ground slab of the trough.

The edge and partial chalices are connected to the outside walls by a moment connection.

Due the topography of the Stuttgart Basin as well as the complex project restraints and conditions, for example the sub-surface light railway and tram tracks that run above and ­below the new tunnel, the distance between roof and trough, and therefore the height of the chalices, vary along the length of the platform hall. The design concept envisaged a structure loaded purely in compression with as little steel reinforcement as pos­sible. Even though this could not be 100 % achieved due to imposed movement strains, seismic and earth pressure loads, the form chosen for the structure considerably reduced tensile forces and bending moments. The ­result is spans up to 36 m and comparatively little reinforce-

A 3 D-Modell eines Kelches 1 Hutze 2 Kelchschale 3 Kelchfuß B 3D-Modell des Schalendachs 1 Randkelch 2 Innenkelch 3 Restkelch 4 Schwindgasse C freitragende Bewehrung eines Kelchfußes vor dem Einschalen A 3 D model of a chalice 1 scoop 2 chalice shell 3 chalice foot B 3D model of the shell roof 1 edge chalice 2 inner chalice 3 partial chalice 4 shrinkage gap C freestanding reinforcement of a chalice foot ­before erection of ­formwork

Achim Birnbaum

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technik 45

Brandschutz Fire Protection

Brandschutz durch Feuerverzinken Ein zentrales brandschutztechnisches Schutzziel für Tragwerke ist es, die Standsicherheit im Brandfall zu ge­ währleisten. Stahl- und Stahlverbund­ tragwerke sind besonders zu schüt­ zen, da eine Erwärmung der Bauteile mit einer Reduktion der Festigkeit und Steifigkeit einhergeht. Für eine Feuerwiderstandsdauer ab 30 Minu­ ten (R 30) werden dafür in der Regel passive Brandschutzsysteme wie intu­ meszierender Anstrich oder Umhül­ lung mit Brandschutzplatten erfor­ derlich. Diese führen zu erheblichen Mehrkosten der Stahlbauweise und deshalb häufig zu einer Bevorzugung des Werkstoffs Beton.

Ein Forschungsprojekt am Lehrstuhl für Metallbau der Technischen Uni­ versität München hat 2018 ergeben, dass eine Feuerverzinkung zu einer verzögerten beziehungsweise langsameren Erwärmung beiträgt. Hier­ durch können ungeschützte „feuer­ verzinkte“ Stahlkonstruktionen in ­vielen Fällen eine Feuerwiderstands­ dauer von 30 Minuten erreichen.

Die langsamere Erwärmung von feuer­

Schlanke Brandwand in neuen Höhen Mit dem Brandwandsystem W131.de von Knauf ist es erstmals möglich, ­eine schlanke Brandwand mit nur 2× 12,5 mm Beplankung je Seite zu bauen. Möglich macht dies die neue Knauf Diamant Steel mit Blechkaschie­ rung; sie ist geprüft bis 9 m Wand­ höhe und gleitendem Deckenan­ schluss. Die feuerbeständigen Wände bewahren unter Brandeinwirkung ­ihre Standsicherheit und bleiben als Raumabschluss wirksam, da sie ge­ genüber herabfallenden Bauteilen besonders widerstandsfähig sind. Die Stoßbeanspruchung von 3000 Nm nach Feuereinwirkung wurde nach­ gewiesen. Ergänzt wird das System durch einen gleitenden Deckenan­ schluss bis maximal 40 mm Decken­ durchbiegung.

feuerverzinken.de

verzinktem Stahl basiert auf einer ver­ ringerten Emissivität. Emissivität ist ein Maß dafür, wie stark ein Mate­rial Wärmestrahlung mit seiner Umge­ bung austauscht. Feuerverzinkter Stahl weist bei Brandeinwirkung bis zu einer Temperatur von 500 °C eine Emissivität auf, die um 50 % geringer ist. Gerade in der Anfangsphase eines Brandes führen verringerte Werte der Emissivität zu einer deutlich verzö­ gerten Erwärmung der Bauteile und können insbesondere bei Bauteilen mit einer ausreichenden Massivität wesentlich dazu beitragen, einen Feu­ erwiderstand von R 30 zu erreichen.

Fire protection Through Hot-dip Galvanising A core fire-protection objective for load-bearing structures is to ensure stability in the event of a fire. Steel and steel composite structures require particular protection, as the heating of the components is accompanied

Slim Firewall in New Heights With Knauf’s W131.de firewall system, for the first time it is possible to build a slim fire wall with just 2× 12.5 mm planking per side. This is made possi­ ble by the new Knauf Diamant Steel

by a reduction in strength and rigidity.

For a fire resistance d ­ uration of 30 minutes or more (R 30), passive fire protection systems such as a foaming coat or cladding with fire protection panels are generally required. As part of a research project at the Chair of Metal Construction at the Technical University of Munich, it has now been established that hot dip galvanising contributes to delayed or slower heat­ ing. It allows unprotected, hot-dip ­galvanised steel structures to achieve a fire resistance of 30 minutes in many cases.

Hot-dip galvanised steel has an emis­ sivity that is 50 % lower when exposed to fire up to a temperature of 500 °C. Especially in the initial phase of a fire, reduced emissivity values lead to sig­ nificantly delayed heating of the com­ ponents and can make a significant contribution to achieving a fire resist­ ance of R 30, especially for compo­ nents with sufficient massiveness.

with sheet-metal lamination. It has been tested up to a wall height of 9 m and with a sliding ceiling connection.

The fire-resistant walls maintain their stability under fire exposure and are effective as protective barriers be­ cause they are particularly resistant to falling components, with a proven impact load of 3000 Nm. The system is supplemented by a sliding ceiling connection with a maximum ceiling deflection of 40 mm.

knauf.de

58 products

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James Hardie Europe GmbH

Prüfzeugnis für tragende F 90-B-Wandkonstruktionen Die tragenden F 90-B-Wandkonstruktionen von James Hardie haben ein neues allgemeines bauaufsichtliches Prüfzeugnis (abP) erhalten. Durch das abP ergeben sich neue Möglichkeiten im Holzbau. Es stehen nun zwölf Wandkonstruktionen zur Verfügung, die als Innenwand beziehungsweise Außenwand mit entsprechendem Wetterschutz einen Feuerwiderstand von 90 Minuten aufweisen.

Das abP betrifft tragende, raumab­ schließende F 90-B-Wandkonstruktionen in Holzständerbauweise. Sie bieten verschiedene Variationen in der Beplankung. So lassen sich Auf­ bauten mit 2× 12,5 oder 2× 5 mm Gipsfaserplatten realisieren, um einen Feuerwiderstand von tragenden F 90B-Wandkonstruktionen zu erreichen.

fermacell.de

Test Certificate for Load-Bearing F90-B Wall Constructions James Hardie’s F90-B load-bearing wall constructions have received a new General Building Inspectorate Test Certificate (abP). The abP opens up new possibilities in timber con­ struction. Twelve wall constructions are now available, which have a fire resistance of 90 minutes as inner walls or outer walls with corresponding weather protection.

The abP is for load-bearing, space-­ enclosing F90-B timber-frame wall constructions, with panelling varia­ tions. Thus, superstructures can be re­ alised with 2× 12.5 mm or 2× 5 mm gypsum fibre boards in order to ren­ der load-bearing F90-B wall construc­ tions fire resistant.

rockwool.de

Brandschutz bei Agraffenkonstruktionen Als Ergänzung zur nichtbrennbaren Flächendämmung aus Steinwolle ­bietet Rockwool das Fixrock BWM ­Brandriegel Kit. Es eignet sich für vor­ gehängte, hinterlüftete Fassaden, bei denen die Bekleidung mit Agraffen unsichtbar befestigt wird. Das Brand­ riegel Kit verfügt über die Brandschutz­ klassifizierung A2-s1, d0 und besteht aus zwei miteinander verklebten Stein­ wolleplatten mit unterschiedlicher Rohdichte. Eingesetzt werden kann es in einem Zwischenraum bis maximal 400 mm zwischen tragender Wand und Hinterkante der Bekleidung, wenn die Dämmung zweilagig verlegt wird.

Der Brandriegel wird einfach zwischen die montierte Flächendämmung ge­ drückt und durch entsprechende Klemmwirkung und Reibungskräfte in seiner Position gehalten. Die An­ wendung ist geprüft mit den Flächen­ dämmungen Fixrock 035 VS und ­Fixrock 033 VS. Fire Protection for Clasp Constructions Rockwool offers the Fixrock BWM fire block kit as a supplement to the noncombustible surface insulation made of rock wool. It is suitable for curtaintype, rear-ventilated facades where the cladding is invisibly fixed with clasps. The fire block kit is classified as fire protection classification A2-s1, d0 and consists of two rock wool pan­ els with different bulk densities glued together. It can be used in a space of up to 400 mm between the loadbearing wall and the rear edge of the cladding if the insulation is laid in two layers. The fire block is simply pressed between the installed surface insulation and is held in place by the corresponding clamping effect and frictional forces.

The fire block has been tested for use with the Fixrock 035 VS and Fixrock 033 VS surface insulation types, which meet the requirements for an ap­ proved structure due to their specific bulk densities and dimensional sta­ bility. The fire block is available in thicknesses from 180 to 300 mm.

Sicherer Halt für Brandschutzplatten Im Zuge der Sanierung und Moderni­ sierung des Hallepoort-Tunnels in Brüssel wurden auch Brandschutzplat­ ten montiert. Die Brandschutzplatten wurden auf einer Unterkonstruktion aus Edelstahl montiert und mit dem Deckennagel FNA II, dem Bolzenanker FAZ II und dem Universal-Schienen­ system FUS von Fischer an Betonwän­ den und -balken verankert. Mit seiner zulässigen Last von bis zu 2,4 kN, ­einer Verankerungstiefe von 25 mm sowie dem geringen Bohrdurchmes­ ser von 6 mm wird der FNA II gerne im Tunnelbau eingesetzt. Der Spreiz­ clip verschafft dem Nagelanker be­ reits beim Einstecken in das Bohrloch festen Halt, wodurch dieser bei der Überkopfmontage nicht herausfällt.

Per Schlagmontage lässt sich der ­Dübel dann einfach und schnell fixie­ ren. Der massive Schaftquerschnitt sorgt für die hohe Tragfähigkeit.

Bei Belastung spreizt der installierte Nagelanker selbständig nach.

Secure Hold for Fire Protection Panels Fire protection panels were also in­ stalled as part of the refurbishment and modernisation of the Hallepoort Tunnel in Brussels. The fire protection panels were mounted on a stainlesssteel substructure, anchored to con­ crete walls and beams with the Fis­ cher FNA II nail anchor, the FAZ II bolt anchor and the FUS universal rail sys­ tem. With its permissible load of up to 2.4 kN, an anchoring depth of 25 mm and small drilling diameter of 6 mm, the FNA II is often used in tunnel con­ struction. The expansion clip provides the nail anchor with a firm hold on insertion into the drill hole, so that it doesn’t fall out on overhead installa­ tion. The anchor can then be fixed quickly and easily by impact mount­ ing. The solid shaft cross-section en­ sures a high load-bearing capacity.

Under load the installed nail anchor expands automatically.

fischer.group

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Impressum / Imprint Medialeistungen und Beratung / Media Services and Consulting: Zeitschrift für Tragwerksplanung und Ingenieurbau Review of Structural Design and Engineering www.structure-magazin.de ISSN 2568-2253 Verlag / Publisher: DETAIL Business Information GmbH Messerschmittstr. 4 80992 München / Munich Tel. +49 (0)89 38 16 20-0 Fax +49 (0)89 38 16 20-866 www.detail.de Postanschrift / Postal address: Postfach / PO box: 50 02 05 80010 München / Munich Geschäftsführung / Managing Director: Michael Hengstmann Redaktion / Editors: Tel. +49 (0)89 38 16 20-884 redaktion@structure-magazin.de Dr. Sandra Hofmeister (SaH) (Chefredakteurin / Editor-in-Chief), Jakob Schoof (JS) (stellvertretender Chefredakteur / Deputy Editor-in-Chief, V. i. S. d. P.), Heike Kappelt (HK) Freie Mitarbeit / Contributing Editors: Burkhard Franke (BF), Roland ­Pawlitschko (RP) Grafik / Design: Sabine Drey Assistenz / Editorial Assistants: Michaela Linder, Maria Remter Redaktion Produktinformation und Detail Research / Product Informa­ tion and Detail Research Editors: produktredaktion@structuremagazin.de Ines Mansfeld (IM) (V. i. S. d. P.), Thomas Jakob (TJ) Freie Mitarbeit / Contributing Editors: Bettina Sigmund (BS) Lektorat / Proofreading: Gabriele Oldenburg CAD-Zeichnungen / CAD drawings: Ralph Donhauser, Sabrina Heckel (freie Mitarbeit / Freelance Contributor) Herstellung, DTP / Production, DTP: Peter Gensmantel (Leitung / Manager), Michael Georgi, Cornelia Kohn, ­­Roswitha Siegler, Simone Soesters Übersetzungen / Translation: Raymond Peat, Marc Selway

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Arena in Herzogenaurach 12 500 Tonnen Leichtigkeit Arena in Herzogenaurach 12,500 Tonnes of Lightness

4.19

Bahnhofsgebäude in Rennes Transluzente ETFE-Dachlandschaft Railway Station Building in Rennes Translucent ETFE Roof Landscape

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TOITURE ETFE

R5000 PARECLOSE ETFE

150

BOUDIN ETFE RIVE EXTERIEURE 800

880 370

PATTE PONCTUELLE TRAVERSANT LA PARECLOSE

ENTRETOISE

SOUS TENSION

160

220 LONGERON INTERMEDIAIRE

TUYAU DESSERVANT LE MODULE

PERCEMENTSaa POUR PASSAGE TUYAU

TUBE FLEXIBLE ALIMENTATION AIR

Cover structure 4/19 Bahnhofsgebäude in Rennes Railway Station Building in Rennes © Mathieu Lee-Vigneau Rubrikeinführende Fotos / Photos ­introducing main sections: Seite / page 3: Mobile Raum- und Klangskulptur Sichtung in München Mobile Spatial and Sound Sculpture in Munich © Anne Wild Seite / page 11: Studie: Olympiastadion Tokio Study: Olympic Stadium Tokyo. © P. D‘Acunto, L. Ingold, P. O. ­Ohlbrock Seite / page 17: Bürogebäude Arena in Herzogenaurach Arena office building in Herzogenaurach © David Matthiessen Seite / page 43: Kelchstützen für Stuttgart 21 Chalice Columns for Stuttgart 21 © Achim Birnbaum Seite / page 49: La Marseillaise in Marseille / Fassade Verankerungstechnik, Halfen Fixing systems, Halfen © Tom Jasny

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