DETAIL structure 02/2015 (English)

Hochwasserschutz in New York Konferenzsaal mit weit gespannter Holzkonstruktion Logistik eines Großbrückenbaus

Zeitschrift für Architektur und konstruktiven Ingenieurbau Review of Architecture and Structural Engineering

structure

editorial

02/15 structure

Mit dem innovativen Tragwerkskonzept des

In high-rise construction, the engineer Bill

Burj Khalifa in Dubai hat der Ingenieur Bill

Baker‘s innovative structural engineering con-

­Baker dem Hochhausbau zu neuen Dimensio-

cept for the Burj Khalifa in Dubai opened up

nen verholfen. In seinem Hintergrundartikel

an entire new dimension. In his background

(Seite 6) zeigt er auf, dass es zugleich simpel

article (page 6) he shows that designing tall

und komplex sein kann, hohe Gebäude zu

buildings can be both simple and complex.

entwerfen. Denn einerseits ist auch ein noch

A tower, however tall it is, remains a vertical

so großer Turm nichts anderes als ein vertika-

cantilever, and as such a statically determinate

ler Kragarm und damit ein statisch bestimmtes

system. On the other hand, it can be very

System. Andererseits aber kann es sehr auf-

d­emanding to design a suitable structure for

wändig sein, das richtige Tragwerk dafür zu

that purpose.

entwickeln.

An exceptional feat of engineering was also

Eine außergewöhnliche Ingenieurleistung war

required for the nearly one and a half kilo­

auch bei der fast eineinhalb Kilometer langen,

metres long, doubly curved highway bridge

doppelt gekrümmten Autobahnbrücke im

in Sundsvall in Sweden, where the bridge

schwedischen Sundsvall gefragt, die in elegan-

­elegantly spans across the bay (page 48). It

Vertrieb und Abonnement: detailabo@vertriebsunion.de tel.: 06123 9238-211

tem Schwung eine Meeresbucht überspannt

­also required a very strong performance from

Einzelheft: € 18,90

(Seite 48). Gleichzeitig verlangte sie den betei-

the involved firms in terms of construction

ligten Firmen bautechnische und logistische

technology and logistics – not only due to the

Höchstleistungen ab, nicht nur wegen des

tight schedule, but also because none of the

straffen Terminplans, sondern weil keine der

steel components, prefabricated in southern

in Süddeutschland vorgefertigten und bis zu

Germany and weighing up to 100 tons, have

100 Tonnen schweren Stahlteile die exakt glei-

the exact same shape. In contrast, the new

che Form haben. Tief in die Erde gegraben da-

subway stations Szent Gellért tér and Fővám

gegen sind die neuen U-Bahn-Stationen Szent

tér with their high design quality are located

Gellért tér und Fővám tér in Budapest (Seite 22).

deeply underground (page 22). Here, we illus-

Hierzu stellen wir neben Architektur und Trag-

trate the related architecture and structural

werk ausführlich die auf der Deckelbauweise

design as well as the construction processes,

basierenden Prozesse dar. Die weiteren Pro-

based on the cut-and-cover method. The

jekte in diesem Heft ergänzen das konstruktive

further projects presented in this issue com-

Spektrum. So vielfältig die verschiedenen Bei-

plement the broad range of structures. As di-

spiele auch sind, haben sie neben spannenden

verse as the featured examples are, aside from

Tragwerkslösungen und Bauprozessen eine

their exciting structural solutions and const-

anspruchsvolle architektonische Haltung ge-

ruction processes they share high demands

meinsam und entsprechen damit der Grund-

in terms of architectural design. Thus, they

idee von DETAIL structure: Dem gelungenen

­represent the basic idea of DETAIL structure:

Zusammenspiel von Gestaltung, Tragwerk und

the successful interplay between design,

Konstruktion.

structure, and construction.

4 editorial

Christian Schittich

Redaktion: Christian Schittich (Chefredakteur) Andreas Gabriel Roland Pawlitschko Sabine Drey (grafische Gestaltung) Redaktion Produkte: Tim Westphal Katja Reich Übersetzung englisch: Mark Kammerbauer Verlag und Redaktion: Institut für internationale Architektur-Dokumentation GmbH & Co. KG Hackerbrücke 6 80335 München Anzeigen: anzeigen@detail.de tel.: 089 381620 48

∂structure 02/15

inhalt content

projekt und prozess

produkte

22 Zwei Stationen der Metró Budapest Two Stations of the Budapest Metro sporaarchitects, Tibor

56 DETAIL research DETAIL research

project and process

30 Militärmuseum in Soesterberg Military Museum Soesterberg Felix Claus Dick van Wageningen Architekten, Amsterdam 37 Kapelle in Sayama Chapel in Sayama Hiroshi Nakamura & NAP, ­Tokio

hintergrund context

6 Der Stand der Technik im Hochhausbau The state-of-the-art in highrise construction Bill Baker

magazin journal

16 Weinkellerei in Margaux Wine Cellar in Margaux Foster + Partners, London 18 Ausstellungen und Auslobungen 20 Bücher und Veranstaltungen

∂structure 02/15

products

58 Gebäudehülle Building envelope 62 Konstruktion Construction 66 Planung Planning

40 Konferenzsaal in Genf Conference Hall in Geneva Behnisch Architekten, Stuttgart

69 Technische Gebäudeausrüstung Technical building equipment

48 Autobahnbrücke bei Sundsvall Highway Bridge in Sundsvall K R A M Group / Rundquist Arkitekter, Stockholm

fachwissen

specialist know-how 72 Hochwasserschutz für das Whitney Museum in New York City Flood Mitigation for the Whitney ­Museum in New York City Karl Morgen, Friedrich Hilgenstock 76 Die Weiterentwicklung tragender Glaskonstruktionen Advances in structural glass design Rob Nijsse, Fred Veer 83 Abbildungsnachweis, Impressum Imprint, copyright

inhalt 3

Der Stand der Technik im Hochhausbau The state-of-the-art in highrise construction

Bill Baker Der Autor ist Bauingenieur und seit 1996 Partner bei Skidmore, Owings & Merrill (SOM) in Chicago.

The author is a structural ­engineer and a partner at Skidmore, Owings & Merrill (SOM) in Chicago.

A H ome Insurance Building, Chicago 1885 (abgerissen 1931) B Schubverzerrung in ­Hochhäusern C Tragsystem einer »gerahmten« Röhre Guiyang World Trade Center, CN–Guiyang Fertigstellung 2018 A H ome Insurance Building, Chicago 1885 (demolished 1931) B shear deformation in highrise buildings C structural system, “framed tube”, Guiyang World Trade Center, CN-Guiyang completion 2018

6 background

Neben vielen wirtschaftlichen, städtebaulichen und ökologischen Gründen, die für die Verdichtung unserer Städte durch Hochhäuser sprechen, verspüren die Menschen seit jeher den Wunsch, immer höher zu bauen. Historische Belege hierfür bieten die Geschichten über den Turmbau zu Babel, aber auch realisierte Bauten wie die ägyptischen und mittelamerikanischen Pyramiden. Bis zum späten 19. Jahrhundert war die Menschheit aufgrund fehlender technischer Möglichkeiten allerdings dazu verurteilt, weitgehend am Boden zu bleiben. Erst das 1885 in Chicago fertiggestellte Home Insurance Building (Abb. A) verfügte über jene technischen Innovationen, mit denen die bisherigen Grenzen überwunden werden konnten und gilt daher als das erste moderne Hochhaus der Welt. Die wichtigsten Innovationen dieses Gebäudes betrafen das vertikale Transportsystem (absturzsichere ­Aufzüge) und das Tragsystem (Skelettrahmenkonstruktion aus Stahlträgern und guss- bzw. schmiedeeisernen Elementen). Bis heute sind es diese beiden Systeme, die die baulichen Grenzen von Hochhäusern definieren.

Hohe Gebäude zu entwerfen ist zugleich simpel und komplex. Auf großmaßstäblicher Ebene sind die tragwerksplanerischen Herausforderungen eigentlich unkompliziert: Ein Turm ist ein vertikaler Kragarm und damit ein statisch bestimmtes System. Für alle Lasten gibt es nur einen Weg: den nach unten. Zudem können Tragwerksplaner bereits im Entwurfsstadium, also noch vor Festlegung des detaillierten Tragsystems, ziemlich genaue Aussagen zu Gesamtgewicht, Nutzlasten und horizontalen Lasten treffen. Und selbst in welchem Ausmaß sich ein Gebäude bewegen und wie sein Schwingverhalten sein wird, ist ungefähr bekannt. Sehr schwierig hingegen ist die Entwicklung des statischen Systems, mit dem sich die anfänglich definierten Ziele erreichen lassen.

Riesiger vertikaler Kragarm Wie oben beschrieben, handelt es sich bei Hochhäusern um Biegeträger, die im Baugrund eingespannt sind – also um riesige vertikale Kragarme. Ebenso wie bei allen hohen, schlanken Türmen müssen auch bei diesen Gebäuden Überlegungen zum Biege-, Schub-, Torsions- und Stabilitätsverhalten angestellt werden. Niedrige oder eher kompakte Bauwerke, die sich im Grunde ebenfalls wie Krag-

Tall buildings are dreams rendered in steel and concrete. In addition to the economic, developmental and environmental justifications of tall building-driven urban densification, there is an innate desire in mankind to go higher and higher. Historically, this became apparent in the stories of the Tower of Babel or Icarus and Daedalus as well as artifacts such as the pyramids of Egypt and Central America.

However, until the late 19th century mankind was held close to the ground by the limits of technology. It is generally recognized that Chicago’s Home Insurance Building of 1885 (ill. A) was the first building that had the technical innovations required to go beyond the previous limitations. Thus, it is considered to be the first skyscraper built. The key innovations were the vertical transportation system (the safety elevator) and the structural system (skeletal-frame made of structural steel, cast and wrought iron elements). It is still these two systems, the vertical transportation system and the structural system, that define the limits of tall buildings.

Designing the structure of a tall building is both simple and complex. At a global scale

A

∂structure 02/15

arme verhalten, erfordern in der Planung nicht die gleiche konzeptuelle Strenge wie sehr hohe und schlanke Türme, um die es in diesem Artikel geht.

Wichtigster Konstruktionsbestandteil eines ­jeden hohen Gebäudes ist sein Aussteifungssystem. Hochhäuser müssen den Windkräften widerstehen, aber auch den bei Erdbeben auftretenden Kräften. Sie müssen des Weiteren steif genug sein, um ein Ausknicken unter Vertikallasten zu verhindern und um horizontale Bewegungen auf ein akzeptables Maß zu minimieren. Zudem müssen sie den Anforderungen an die Gebrauchstauglichkeit gerecht werden. Die eigentliche Kunst der Tragwerksplanung bei Hochhäusern liegt jedoch in der gekonnten Ausgestaltung der Aussteifung.

Betrachtet man ein Bauwerk nur als Ansammlung von Stützen, Trägern, Diagonalen, Wänden und Knotenpunkten, wird schnell klar, dass deren Zusammenspiel viel zu unübersichtlich ist, um daraus ein klares Tragwerkskonzept entwickeln zu können. Sinnvoller ist es daher, das Gebäude als zusammenhängende Struktur zu verstehen, die auf besagtem vertikalen Kragarm basiert. Bereits dieses einfache statische Grundsystem kann in seiner Ausgestaltung eine hohe Komplexität aufweisen: Es kann perforiert sein, über nicht prismatische Außenflächen verfügen oder aus einer Vielzahl versetzter Haupttragelemente bestehen.

Je höher und schlanker ein Turm oder Hochhaus ist, desto klarer und geradliniger sollte – nicht zuletzt im Sinne der Kosteneffizienz – auch das statische System ausgelegt sein.

In solchen Systemen steht das globale Biegeund Schubverhalten in einer engen Wechselbeziehung. Wird die Schubverzerrung vollständig blockiert werden, desto eher entspricht das Tragverhalten des Kragarms der theoretischen Annahme eben bleibender Querschnitte und damit linearer Biegespannungsverläufe (Abb. B). In der Realität wird sich stets eine Überlagerung aus Schub- und Biegeverformungen einstellen. Bei effizienten Türmen kann der Anteil der Schubverformungen unter 30 % der Gesamtverformung liegen – ein Beispiel hierfür ist die »additive Röhrenstruktur« (bundled framed tube) des Willis Tower (Sears Tower). Bei sehr effizienten Türmen, wie etwa beim Burj Khalifa, kann dieser Wert auf bis zu 10 % reduziert werden.

Das Tragwerk muss darüber hinaus den potenziell destabilisierenden Wirkungen aus ­Vertikallasten (Ausknicken) standhalten. Ist die Tragstruktur bereits in Bezug auf seitliche Krafteinwirkungen eher weich, können diese Lasten die aus der Querbelastung resultierende Beanspruchung stark vergrößern und den Turm eventuell sogar zum Einsturz bringen.

Ebenso wichtig ist die Torsionssteifigkeit des Gebäudes. Neben bereits untersuchten Einschränkungen hinsichtlich der Gebrauchstauglichkeit (Isyumov 1996) 1 können Torsionseffekte insbesondere unter Erdbebenbelas-

∂structure 02/15

the overall problem is simple. A tower is a ­vertical cantilever. There is only one load path: down. An experienced tall building engineer can closely estimate the global weight and the lateral loads prior to determining the structural system. It is even approximately known how much the building moves and what the dynamic properties are, because these will be determined by the design goals. What is very complex is the process of determining the structural system that will achieve these predetermined goals.

1 Isyumov, Nick, John Kilpatrick. »Full-Scale ­Experience with Wind-­Induced Motions of Tall Buildings« ASCE Structures Congress 1996, Chicago, ­Illinois, April 1996

A Giant Beam At a global scale, a tall building is a giant beam-column that cantilevers out of the ground supporting its gravity loads and resisting lateral loads. With a beam-column, we are

Δ Windrichtung Wind direction verformter, ebenbleibender Querschnitt Deformed section idealized as a plane

Verformung inkl. zusätzlicher Schubverzerrung Warped section

(Normal-) Spannungsverteilung (Normal-) Spannungsverteilung infolge reiner Biegetheorie infolge der Schubverzerrung Stress in column due to true cantilever Actual stress due to shear lag

(Normal-) Spannungsverteilung infolge der Schubverzerrung Actual stress due to shear lag

(Normal-) Spannungsverteilung infolge reiner Biegetheorie True cantilever stress Windrichtung Wind direction

B

Eingespanntes Hochhaus Cantilevered building

(Normal-) Spannungsverteilung infolge von Windbelastung Axial stress distribution (wind)

C

hintergrund 7

Neues Bauen mit Holz Typen und Konstruktionen

Transparente Schalen Form Topologie Tragwerk

Ingenieurbaukunst 2016 Made in Germany

Marc Wilhelm Lennartz, Susanne Jacob-Freitag, 184 S., Birkhäuser, Basel Nov. 2015, ISBN 978-3-0356-0455-9, € 59,95

Hans Schober, 256 S., Ernst & Sohn, Berlin Aug. 2015, ISBN 978-3-433-03120-9, € 79,-

bundesingenieurkammer (Hrsg.), ca. 200 S., Ernst & Sohn, Berlin Nov. 2015, ISBN 978-3-433-03126-1, € 39,90

Anhand von 24 internationalen Projek­ ten gibt das Fachbuch einen Über­ blick über die derzeitige Vielfalt der Möglichkeiten im modernen Holzbau.

Die Beiträge dokumentieren in Tex­ ten, Bildern und Plänen sowohl die ­architektonischen als auch die kons­ truktiven Qualitäten zeitgemäßer Holz­ bauten, von der Entwurfsplanung über das Tragwerk bis ins Detail. Dabei werden verschiedene Typologien und Konstruktionen in Holz vorgestellt, wie weitgespannte Hallen, leichte Nach­ verdichtungen und vorgefertigte Bau­ elemente.

Gläserne Netzkuppeln als Überdach­ ungen können Gebäude und städte­ bauliche Ensembles aufwerten. Sie vereinen konstruktive und ökonomi­ sche Vorteile mit reizvollen gestalte­ rischen Möglichkeiten. Das Buch ist die erste umfassende Darstellung von Entwurf, Konstruktion und Berechnung filigraner, doppeltgekrümmter und weitgespannter verglaster Schalen.

Anhand zahlreicher weltweit gebauter Beispiele von schlaich bergermann und partner aus den Jahren 1989 bis 2014 erläutert der Autor als maßgeb­ lich Beteiligter die wesentlichen Ent­ wurfsparameter, stellt die Netzstruk­ turen und die Knotendetails vor und bewertet diese. In klarer grafischer Darstellung und übersichtlicher Syste­ matik wird das an Projekten wie dem Flusspferdehaus im Zoo Berlin (1997), der Glaskonstruktion der DZ Bank in Berlin (1998) oder der Messe Mailand (2005) gesammelte Wissen bezüglich der transparenten Schalentragwerke aufbereitet und als Orientierung und Hilfestellung bei der Planung zur Ver­ fügung gestellt.

Ausführlich erläutert der Autor die Geometrie­prin­zipien, die beim Ent­ wurf der Schalentragwerke relevant sind. Diese können mit Modulen gän­ giger CAD-Programme leicht umge­ setzt werden. Das Buch zeigt, dass ­fließende und homogene Strukturen für nahezu beliebige Formen erzeugt werden können, insbesondere Stab­ strukturen aus ebenen Vierecken, die sich für eine Verglasung mit ebenen Scheiben eignen. Anhand ausgeführ­ ter Beispiele werden die neuesten Methoden der Formfindungsberech­ nung und Optimierung durch komple­ xe Interaktion von Tragwerksplanung, Form und Topologie demonstriert. Im Vordergrund steht dabei immer das Ziel ausdrucksvoller Netzkonstruktio­ nen mit minimalem Gewicht.

Anspruchsvolle Ingenieurbauprojekte mit Beteiligung deutscher Ingenieure weltweit präsentiert der von der Bun­ desingenieurkammer herausgegebe­ ne Band. Die Ingenieure selbst stellen ihre Projekte vor und geben dadurch einen unmittelbaren Einblick in ihre Arbeitsweise. Sie beschreiben die speziellen Herausforderungen der ­jeweiligen Planungsaufgabe und die Art der Lösungsfindung. So werden die vielschichtigen technischen Zu­ sammenhänge präzise dargestellt und verständlich erläutert. Damit stellt das reich illustrierte Buch eine aktuelle Leistungsschau des deutschen Bau­ ingenieurwesens dar.

bauforum-Kalender 2016 bauforumstahl (Hrsg.), 144 S., Stahlbau Verlags- und Service GmbH, Düsseldorf 2015, € 19,90 www.bauforumstahl.de/bauforum-kalender

Der Kalender in DIN A5 Format bringt auf jeweils einer Doppelseite pro ­Woche Informationen, Skizzen und ­Bilder von herausragenden Stahlbau­ projekten. Die Auswahl basiert auf den prämierten Einreichungen des Preises und des Ingenieurpreises des Deutschen Stahlbaus 2014/15 und weiteren deutschen und internatio­ nalen Auszeichnungen. Ergänzend werden Stahlbauthemen wie Hallen­ tragwerke, typische Profile, Korro­ sionsschutz oder Kostenermittlung auf eigenen Doppelseiten behandelt.

20 journal

Messetermine aqua alta 2016 Fachmesse für Hochwasserschutz, Kli­ mafolgen, Katastrophenmanagement Essen 13.01.2016 –15.01.2016 www.aqua-alta.de InfraTech 2016 Fachmesse für Straßen- und Tiefbau Essen 13.01.2016 –15.01.2016 www.infratech.de DEUBAUKOM 2016 Fachmesse für Architektur und Inge­ nieurkunst, Wohnungswirtschaft, Bau­ gewerbe und Industriebau Essen 13.01.2016 –15.01.2016 www.deubaukom.de bautec 2016 Baufachmesse Berlin 16.02.2016 –19.02.2016 www.bautec.de FeuerTrutz 2016 Fachmesse für vorbeugenden Brand­ schutz Nürnberg 17.02.2016 –18.02.2016 www.feuertrutz-messe.de

∂structure 02/15

projects

projekte

Zwei Stationen der Metró Budapest Two Stations of the Budapest Metro

Architekten /Architects: sporaarchitects, Tibor ­Dékány, Sándor Finta, Ádám Hatvani, Orsolya Vadász, www.sporaarchitects.hu Mitarbeiter / Team: Zsuzsa Balogh, Attila Korompay project architects, Bence Várhidi, Noémi Soltész, ­András Jánosi, Diána Molnár, Károly Stefkó Tragwerksplanung / Structural engineer: Konsortium aus Uvaterv, Főmterv, Mott-Macdonald Architekten der M4 Metro ­Linie / General architects of the M4 line: Palatium Stúdió, Zoltán Erő, Balázs Csapó www.palatiumstudio.hu Bauherr / Client: Budapest Transport Ltd., DBR Metro Project Director www.bkv.hu

22 project and process

Die Budapester Metró ist, nach der London Underground, die zweitälteste U-Bahn der Welt. 1896 eröffnete die »Millennium-Linie« M1 und ist bis heute fester Bestandteil des ­U-Bahnnetzes, das 2014 mit der ­Linie M4 um zehn neue Stationen erweitert wurde. Diese verbindet den westlich der Donau gele­genen Stadtteil Buda mit dem Stadtzentrum Pest auf der Ostseite.

Bisher war der öffentliche Nahverkehr in Ungarn ausschließlich Planungsaufgabe von Ingenieuren und Verkehrsplanern. Angestoßen durch den damaligen Stadtbaumeister und die Architektenkammer wurde 2003 ein Wettbewerb zur Konzeption der künftigen U-bahnstationen initiiert – mit dem Ziel das Image der U-Bahn zu verbessern. Diese erfreute sich wenig Beliebtheit, auch aufgrund räumlicher Defizite der in früheren Jahrzehnten eher technokratisch umgesetzten Planungen unter dem Einfluss der damaligen Sowjetunion.

Das Büro Palatium Stúdió definierte die Leit­ linien für die städtebaulichen und konstruktiven Rahmenbedingunen. Der wichtigste Entwurfsansatz war, die Stationen nicht als bloßen Transitbereich zu interpretieren. Sie sollten vielmehr Teil des öffentlichen Raums werden.

Wie eine Art Platz (ungarisch »tér«) unter der Erde, an dem man sich gerne aufhält, und sei es nur für ein paar Minuten. Das Budapester Büro sporaarchitects entwarf in Zusammen­ arbeit mit einem Konsortium von Ingenieur­ büros die zwei tiefsten U-Bahnhöfe der Linie: Szent Gellért tér und Fővám tér. Sie liegen am Donauufer knapp 40 Meter unter der Erde.

Die Stationen gleichen sich in der Gestaltung ihres Tragwerks und folgen dem selben Prinzip: Zurückhaltende Eingriffe an der Obefläche, unauffällig eingefügt in die historischen Budapester Bauten, gehen im Untergrund über in ein umso imposanteres Raumvolumen.

Die markante Tragstruktur aus Sichtbeton ist das raumbestimmende Element. ­Assoziationen zu den fantastischen Kerker­ darstellungen Piranesis liegen da nicht fern.

Die Verknüpfung von Architektur und Inge­ nieurswesen demonstriert selbstbewusst, was zeitgemäße Baukultur in Budapest bedeuten kann. Eine Haltung, die es inmitten der historischen Bausubstanz und vor dem Hintergrund der derzeitigen politischen Situation nicht ­immer leicht hat.

∂structure 02/15

3

2

1 5 4

13

aa 9

9

The Budapest Metro is considered the world‘s second oldest subway line, with the London Underground being the oldest. The “Millennium-Line“ M1 began service in 1896 and has remained an integral part of the subway network ever since. In 2014 the M4 line with its ten new stations was included. It connects ­Buda, the part of the city located west of the Danube, to Pest, the part of the city along the eastern banks. Until recently the public transportation system in Hungary was planned ­exclusively by engineers and traffic planners.

Inspired by the urban planning director at the time and the local architect‘s chamber, a competition initiated in 2003 was intended to explore the potential of architectural design for future subway stations. The aim was to ­improve the image of the subway system. It was not very popular, also due to the spatial deficits of a technocratic type of planning that was implemented during the past decades and originally influenced by the Soviet Union.

8

4 a

6

7 6

a

5

Ebene -1 / Level -1

9

9 10

Grundrisse, Schnitt Station Szent Gellért tér Maßstab 1:1000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Haupteingang Büro Schalter Luftraum Galerie Aufzug Treppe (2. Ausgang) Geräuschdämpfung Lüftung Schaltwarte Transformatorenräume Bahnsteig Tunnel

Floor plans, section Station Szent Gellért tér scale 1:1000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Main entrance Office Counter Void Gallery Elevator Staircase (2nd exit) Soundproofing Ventilation Control room Transformer rooms Platform Tunnel

5 6

4 9

Ebene -3 / Level -3

9 10

12

11

6

9 13

Ebene -4 Bahnsteig / Level -4 platform

∂structure 02/15

projekt und prozess 23

1

2

3

4

5

Die U-Bahnstation Fővám tér ist mit über 40 m der tiefste Punkt der Metro Line M4. Beim Abstieg mit der Rolltreppe durchkreuzt der Besucher die eindrucksvolle Tragstruktur aus Beton. Die Sichtbetonträger nehmen die Dynamik der Verkehrsströmungen auf und werden zum Sinnbild für deren Vernetzungen und Querungen. Begleitet wird der Fahrgast von Tageslicht, das über die großen Verglasungen der Oberlichter durch die offene Trägerstruktur bis auf den Bahnsteig dringt. Die enorme Tiefe der Station wird dadurch eindrucksvoll inszeniert. Die Materialwahl ist geprägt von ­einer gewissen Rohheit: Glatter und rauer Sichtbeton an Trägern und Wänden, sowie Glas und voroxidiertes Stahlblech bestimmen die Gestaltung. Der Naturstein­boden, die ­Beleuchtung und die technischen Einbauten folgen der einheitlichen Designvorgabe für ­alle Stationen der Linie. AO

Grundrisse, Schnitte Station Fővám tér Maßstab 1:1000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Eingang Straßenbahn Luftraum Aufzug Lüftung Galerie Schaltwarte Transformatorenräume Bahnsteig Tunnel Oberlichter

Floor plans, sections Station Fővám tér scale 1:1000 Entrance Streetcar Void Elevator Ventilation Gallery Control room Transformer rooms Platform Tunnel Skylights

7 5

6

3

4

5

Ebene -4 / Level -4 b

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Ebene -1 / Level -1

7

11

8

5

c

c 3

9

10

b

10

4

bb

24 project and process

Ebene -5 Bahnsteig / Level -5 platform

∂structure 02/15

11 2

3

10

cc

In collaboration with a group of engineering firms, the Budapest-based office sporaarchitects designed the two stations of the line located at its deepest points: Szent Gellért tér and Fővám tér. They are located along the banks of the Danube, roughly 40 m below grade. The stations resemble twins and follow the same principle: a small footprint along the surface blends in unobtrusively with the historic buildings of Budapest. Below ground, it accesses a cavernous space that is all the more impressive. The striking exposed concrete structure defines the space. This connection between architecture and engineering produced a proud statement in terms of how contemporary architecture in Budapest can present itself.

∂structure 02/15

At more than 40 m below grade, the second subway station, Fővám tér, is at the deepest point of the M4 Metro line. Descending via the escalator becomes a journey through the impressive concrete structure. The intersecting exposed concrete beams reflect the dynamics of the traffic flows and symbolize their interweaving and traversing character. Daylight reaches down to the platform via the largescale glazing of the skylights and the open structure above. At Fővám tér, this dramatically enhances the station‘s enormous depth. The design features exposed concrete, glass and oxidized steel sheet metal. Natural stone flooring, lighting and technical equipment follow uniform design specifications for all stations.

Die Bilderreihe zeigt den ­Abstieg vom Straßenlevel bis zum Bahnsteig der Station Fővám tér über 40 Meter ­unter die Erde.

The image sequence illustrates the descent from the street level to the platform of Station Fővám tér, more than 40 m below ground.

projekt und prozess 25

A Gergely Pataki Der Autor ist Bauingenieur und arbeitet seit 1999 bei der Firma Uvaterv in Budapest.

The author is a structural ­engineer. He joined Uvaterv Engineering Consultants in Budapest in 1999.

26 project and process

Bauprozess der Station Fővám tér Fővám tér ist ein Knotenpunkt des öffentlichen Nahverkehrs. Die U-Bahn kreuzt sich mit einer Tramlinie, die eine Ebene unter der Oberfläche verläuft. Die darüber gelegene Donaupromenade wird von Bussen und Autos befahren. Diese Funktionen zu verbinden stellte eine Herausforderung dar, sowohl konzeptionell als auch konstruktiv. Das begrenzte Baufeld zwischen Donau und dem historischen Gebäude der Corvinus Universität ließ nur eine kleine Box für die Station zu. Der Bahnsteig musste durch Tunnelplattformen realisiert werden, damit die 80 m lange UBahn anhalten kann. Die Deckelbauweise war ideal für diese Voraussetzungen. Vorbild für die in Ungarn noch nie im U-Bahnbau eingesetzte Konstruktionsweise war unter anderem die Münchner U-Bahn. Abschnittsweise wurde mit einem Greifer Erdreich entfernt, mit einer Bentonitsuspension stabilisiert und Schlitzwände für die Box der Station betoniert (1).

Anschließend wurde die oberste Ebene größtenteils fertiggestellt. Dadurch konnten der Straßenverkehr und die Tram nach relativ kurzer Bauzeit wieder in Betrieb genommen wer-

den (2). Nacheinander wurden von oben nach unten Ebenen zur Aufnahme der horizontalen Lasten betoniert und das Erdreich darunter ausgehoben (3). Die horizontalen Träger wirken dem Erd- und Wasserdruck der Donau entgegen und sind durch einen umlaufenden Ringbalken von über 2 m Breite und 1 m Höhe verbunden. Der Ringbalken ist zur Lagesicherung ringsum mit Stahlprofilen an der Schlitzwand befestigt. Für diese und die innere Wand kam wasserundurchlässiger Beton zum Einsatz, dazwischen wurde zudem abgedichtet. Nach Fertigstellung der untersten Ebene (4) konnte der Bau der Tunnelplattformen ­beginnen. Während der Bauphase diagnostizierten geotechnische Untersuchungen Verwerfungslinien. Dies hatte Auswirkungen auf die Planung: Die unterste Trägerebene musste neu dimensioniert und die Tunnel von der Donauseite in Richtung Universität verlagert werden (5). Bodenvereisung mit flüssigem Stickstoff verhinderte das Eindringen von Wasser während der Bohrungen. Abschließend konnten die Verbindungen zu den nächsten Stationen ca. 10 m unter der Donau und 20 m unter der Pester Altstadt gebohrt werden (6).

∂structure 02/15

products

produkte

Gebäudehülle Fassade, Dach, Befestigungstechnik

Alle Produktinformationen sind redaktionell aus­ gewählt und bearbeitet von Tim Westphal und Rainer Bratfisch.

Fassade in Naturstein »light« Die von Gatermann + Schossig geplante Sanierung des in den 1950erJahren errichteten Verwaltungsgebäudes der Stadtwerke Gelsenkirchen orientiert sich konsequent am historischen Erscheinungsbild. Die Struktur mit feingliedrigen Natursteinelementen wurde erhalten und neu akzentuiert. Im Projekt fand das System »Airtec Stone« von Lithodecor Verwendung, da es durch individuelle Formteile und das im Vergleich zu konven­ tionellen Konstruktionen mit massiven Natursteinplatten geringere Gewicht Vorteile bot. Die Montage der VHF erfolgte ohne Eingriffe in die bestehende Konstruktion. Die Fensterrahmen wurden vor die Brüstungen gesetzt und neue Kalksteinplatten verdeckt in eine Aluminium-Unterkonstruktion eingehängt. Speziell für die Ausführung der Säulenkonstruktion wurden 3- und 5-gliedrige U-Schalen mit Eckausbildungen von 90°/135° gefertigt, 2,70 m hohe Elemente mit Kalksteinoberfläche ermöglichten die exakte Umsetzung des Entwurfs.

Witterungsschutz für das Dach Auf dem Sonnenplateau Penkenjoch über dem Zillertal entstand in nur drei Monaten die Granatkapelle. Gegründet auf einem Betonsockel, besteht sie aus zwölf Rhomben aus 120 mm ­dicken Brettsperrholzplatten. Die Fassadenflächen sind mit 300 mm breiten Cortenstahlplatten verkleidet, getrennt durch 10 mm breite Schattenfugen.

Die Platten ruhen auf insgesamt 2280 in der Tragstruktur verankerten Gewindestangen. Die Fassade wiegt 17 t, die Unterkonstruktion 4 t.Als dauerhaften Schutz vor der Witterung erhielt die Kapelle hinter den Cortenstahlplatten eine Kunststoff-Dachabdichtung auf der Basis von Polyisobutylen (PIB).

Zum Einsatz kam die Premiumdachbahn »Rhepanol fk« von FDT mit integriertem Kunststoff­vlies und industriell vorgefertigtem Dichtrand. Mit einer Kälteflexibilität bis -60 °C vereinfacht sie nicht nur die Verarbeitung, sondern ist auch äußerst stabil und widerstandsfähig und zu 100 % recycelbar.

Zur Windsogsicherung wurden die Bahnen mit dem dauerelastischen und nicht versprödenden FDT-Dachbahnenkleber streifenweise auf der Holztragkonstruktion verklebt und zusätzlich mit einem Klettsystem befestigt.

Eine schnelle, saubere und dauerhaft dichte Einbindung der Gewindestangen für die Cortenstahlplatten in die Flächenabdichtung gewährleistet der FDT-Blitzschutzdurchgang mit materialhomogener Rhepanol-Manschette.

Die Gewindegänge wurden im Übergangsbereich mit Rhepanol-Grundie-

rung Precol vorbehandelt und mit PIBPaste versiegelt. Abschließend wurde jede Gewindedurchführung mit einer Schlauchschelle, Dichtscheibe und Mutter abgesichert. Ecken und Kanten wurden mit Rhepanol-Abdeckband und -Dichtungsband abgedichtet.

FDT Flachdach Technologie GmbH & Co. KG 68199 Mannheim www.fdt.de

DAW SE, Geschäftsbereich Lithodecor 08491 Netzschkau www.lithodecor.de

58 products

∂structure 02/15

Software für Projekt- und Unternehmenscontrolling Mit dem Programm »S-Control« von Kobold können Ingenieure und Architekten alle Prozesse von der Projektplanung über die Steuerung bis zur Nachkalkulation bearbeiten. Das Honorarermittlungssystem S-HOAI verwaltet die Honoraransätze und erstellt Angebote sowie Akonto-, Teil- und Schlussrechnungen. Durch die Analyse der-Projekte kann eine mittel- und langfristige Planung erstellt werden, um das Potenzial der Mitarbeiter entsprechend einzusetzen. Jeder Mitarbeiter weist täglich seine geleisteten Stunden den Leistungsphasen mit dem Vermerk zu, ob es sich um Vertrags- oder Sonderleistungen han-

delt, und bucht die Stunden entweder auf Kostenträgerprojekte oder Gemeinkostenprojekte. Auswertungen über die produktiven und unproduktiven Stunden zeigen die Produktivität des Büros. Sonderleistungen sind in S-Control definiert und auf Knopfdruck ist ersichtlich, wie viele Stunden angefallen sind. Mit den vorgefertigten Formularen sind Berichte schnell erstellt, wie z. B. über die in den einzelnen Leistungsphasen aufgelaufenen Stunden im Vergleich zu den budgetierten. Auch mit dem Erstellen der Schlussrechnung lassen sich das erwirtschaftete Honorar, die budgetierten sowie geleisteten Stunden, die dem Projekt zugewiesenen Kosten und den Ertrag, den das Projekt erwirtschaftet hat, ausdrucken.

Diese Zahlen sind für zukünftige Stundenbudgetierungen sowie Kostenvergleiche eine wichtige Grundlage. Auswertungen über die Honorarvorschau und den Auftragsbestand zeigen darüber hinaus, was in Rechnung gestellt wurde, welche Außenstände das Büro hat und für welche Projekte Rechnungen geschrieben werden können, da der entsprechende Leistungsstand erreicht ist.

Ergänzend ist ersichtlich, wie viel Prozent der jeweiligen Leistungen bei bestimmten Leistungsphasen noch fehlt, um die Rechnung stellen zu können.

Absturzsicherungen auf dem Dach

lassen für den horizontalen Einsatz) nach DIN EN 360. Das Sicherungs­ system wird grundsätzlich horizontal verbaut und erlaubt individuelle ­Befestigungsvarianten in Wand und Fassaden. Lux-top FSA 2010-H wird werkseitig vorkonfektioniert geliefert, d. h. gebogen und bemessen und dann lediglich mit wenigen Hand­ griffen auf der Baustelle montiert. Das Seilsystem LUX-top FSE 2003 kann auf Gleitbügel- sowie Umkehrdächern montiert werden. Bei Dachaufbauten erweist sich die variable Ecküberfahrung des Seilsystems als komfortabel und robust. Der Spannkrafterhalter schützt das System vor außerordent­ lichen Belastungen. Die geforderte Dokumentation der Befestigung von Anschlageinrichtungen erfolgt mit »Lux-top Quick-Doku«. Neben einer übersichtlichen Dokumentation der Befestigung der Anschlageinrichtungen bietet das Programm laut Hersteller eine bequeme Erfassung und Auswertung aller wichtigen Montagedaten, inklusive der Fotodokumentation am Computer oder dem Smartphone.

Kobold Management Systeme GmbH 42283 Wuppertal www.kbld.de

Sicherheitslösung für die Brückensanierung Die denkmalgeschützte 80 m lange Whitchurch Bridge in der englischen Grafschaft Oxfordshire, erbaut bereits im Jahr 1902, ist eine von nur zwei Mautbrücken in Privatbesitz über die Themse und wird jedes Jahr von 1,8 Mio. Fahrzeugen genutzt. Bei der Sanierung der Brücke wurde als Seitenschutzlösung das Stahlgitter von Combisafe eingesetzt. Die alten Gitterträger wurden vorab entfernt, um einen Neuanstrich aufzubringen. Mithilfe von Stahlträgerzwingen wurden 160 m Combisafe-Stahlgitter an jeder Brückenseite angebracht. Die Lösung ­vereint ein Schutzgeländer, ein Bordbrett und Stahlmaschen. Die Gitter ­erfüllen die Anforderungen der Richtlinie EN13 374 Klasse A – C. Das Containment der Stahlgitter sorgte darüber hinaus dafür, dass die Nutzer des Flusses unter der Brücke vor im Rahmen der Reparaturarbeiten an der Brücke herunterfallendem Schutt geschützt waren.

Combisafe Deutschland GmbH 95028 Hof www.combisafe.de

68 products

Absturzsicherungen werden nach den Planungsgrundlagen der Internatio­ nalen Gruppe D-A-CH-S erarbeitet. »Lux-top FSE 2003« der Luxemburger ST Quadrat Fall Protection ist ein überfahrbar oder nicht-überfahrbar konstruiertes Edelstahlseilsicherungssystem mit beweglicher Führung, das mit verschiedenen Anschlagpunkten als Seilhaltepunkte kombiniert werden kann. Alle Anschlageinrichtungen sind so konzipiert, dass eine Installation des Systems im flach geneigten Dach möglich wird. Das System ist für sechs Personen ausgelegt, wobei gleichzeitig maximal vier Monteure in einem Feld angeschlagen sein dürfen.

Das Schienensystem »Lux-top FSA 2010-H« ist eine horizontale Anschlageinrichtung mit fester Führung gemäß DIN EN 795 Typ D zum Anschlagen der persönlichen Schutzausrüstung gegen Absturz in absturzgefährdeten Bereichen. Es fungiert als Anschlageinrichtung zur Nutzung mit Auffanggurt nach DIN EN 361 und Falldämpfer nach DIN EN 355 oder alternativ mit Auffanggurt nach DIN EN 361 und einem Höhensicherungsgerät (zuge-

ST Quadrat Fall Protection S.A. 5410 Beyren/Luxemburg www.st-quadrat.lu

∂structure 02/15

Konstruktion Stahlbau, Holzbau, Tragwerke, Stahl-Glas-Konstruktionen, Modulares Bauen, Brücken

Brückenabläufe der Köhlbrandbrücke 2015 wurde die Fahrbahn der Köhlbrandbrücke in Hamburg auf der gesamten Westrampe und dem oberen Teil der Ostrampe saniert. Im Zuge dessen ist die Abdichtung erneuert worden. Für die Grundsanierung der vier Fahrspuren wurden zunächst die vorhandenen Asphaltschichten bis auf den Brückenträger entfernt. Vor dem Aufbringen des neuen Korro­ sionsschutzes aus Primer, Zwischen­ beschichtung, Deckanstrich und Epo­ xidharzbeschichtung wurde die Stahlkonstruktion im Feststoffstrahlverfahren behandelt und gegen eindringendes Oberflächenwasser mit Bitumenschweißbahnen abgedichtet. Die Installation der ca. 120 neuen Brücken­ abläufe von ACO erfolgte ohne Eingriff in die Stahl- bzw. Tragkonstruktion. Die in die Stahlkonstruktion integrierten kreisförmigen Ablauf-Unter­ teile wurden nicht erneuert, erhielten jedoch einen neuen Korrosionsschutz.

In Zusammenarbeit und enger Abstimmung zwischen der Hamburg Port Authority (HPA) und ACO wurden Brückenabläufe entwickelt, die problemlos in die vorhandene Konstruktion

eingesetzt werden konnten. Die Ablauf-Oberteile aus Gusseisen (EN-GJL 200) bestehen aus einem Rahmen und einem Rost (Klasse D 400). Die 500 ≈ 500 mm großen Sonderabläufe gemäß DIN EN 124/DIN 1229 besitzen ein 100° klappbares Scharnier und eine Verschraubung, die vor unbefugtem Öffnen und Herausnehmen des Rostes schützen. Mit dem Aufbringen des Gussasphalts wurden die Arbeiten an den Fahrbahnbelägen abgeschlossen. Der Wasserlauf, in dem die Brückenabläufe positioniert wurden, ­wurde mit einem abgeriebenen Gußasphalt für ein schnelles Abfließen des Oberflächenwasers versehen.

ACO Tiefbau Vertrieb GmbH Rendsburg www.aco-tiefbau.de

Markante Stahl-Membrankonstruktion Der Turm auf dem Erweiterungsbau des Science Center Phänomenta in ­Lüdenscheid entstand in interdisziplinärer Zusammenarbeit von KKW Architekten, Werner Bauingenieuren und formTL Ingenieuren als Stahl-Fachwerk-Turm, in dessen Innenraum eine helixförmig gespannte Membran eingeschrieben ist. Diese Primärkonstruktion umhüllt ein Foucaultsches Pendel, das an einem weiteren sekundären Tragwerk aufgehängt ist. Durch diese Trennung kann sich das Pendel unbeeinflusst vom Wind sowie von den ­Eigenschwingungen der Primärstruktur bewegen und den Besuchern die Erd-rotation veranschaulichen.

Die Membranhelix innerhalb des Stahl-Tragwerks besteht aus 3 Bau­ steinen: 990 m² Membran, drei formgebende Seile und 9 Abspannungen mit Beschlägen. Während die errechnete Größtform die Kollisionsfreiheit zu den äußeren Turmrohren sicherstellt, verhindert die ermittelte Kleinstform Berührungen mit der inneren Pendelkonstruktion. Für den Raum ­unter dem Pendel entwarfen die Ausstellungsdesigner von beier+wellach projekte das Phänorama: eine 360°Projektion der Stadt Lüdenscheid und von deren Umland, die wie ein über­ dimensionales Kaleidoskop von der Schwingungsdauer des 30 m langen Pendels gesteuert wird. formTL ingenieure für tragwerk und leichtbau gmbh Radolfzell www.form-TL.de

62 products

∂structure 02/15

know-how

fachwissen ∂structure 02/15

rubrik dt 71

Die Weiterentwicklung tragender Glaskonstruktionen Advances in structural glass design

Rob Nijsse Fred Veer

Konstruieren mit Glas

Rob Nijsse ist Professor für Tragwerksentwurf an den ­Fakultäten für Architektur und Bauingenieurwesen der TU Delft und Mitinhaber des ­Ingenieurbüros ABT in Delft.

Fred Veer forscht und lehrt an der Architekturfakultät der TU Delft im Bereich der Materialforschung.

Bei vielen Architekten und Ingenieuren verstärkte sich seit den 1980er-Jahren der Wunsch, vollständig aus Glas bestehende Konstruk­ tionen zu schaffen. Es entsprach dem Zeitgeist, Transparenz in allen gesellschaft­lichen Bereichen zu fordern, und vielfach wurde dies wörtlich auf Gebäude übertragen. Glas verbindet die Eigenschaft der Transparenz mit der Fähigkeit eine klimatische Barriere zwischen Außen und Innen zu schaffen. Zudem ist Glas ein nachhaltiges Material. Hergestellt aus Sand ist es zu 100 % recycelbar und benötigt keinen Korrosionsschutz.

Die vom Ingenieur Peter Rice (RFR, London) geplante, 1986 errichtete gläserne Struktur der Gewächshausfassaden in der Stadt der Wissenschaften und der Industrie im Park »La Villette« in Paris (Abb. A) verdeutlicht, dass durch intelligente Materialkombination sichere, verlässliche gläserne Strukturen möglich sind. Bei jeder Glaskonstruktion muss vor ­allem die ausreichende Tragsicherheit ­gewährleistet sein. Besonders das Laminieren von Glas, also das Verkleben mehrerer Glasschichten, ermöglicht es, diese Sicherheitsanforderung zu erfüllen. Die Gewächshäuser von La Villette demonstrieren die Leistungsfähigkeit der Kombination von laminiertem Glas mit klug gestalteten Stahlverbindungen, die alle Gebäudebewegungen und thermisch bedingten Effekte berücksichtigen. Besondere Beachtung fand hier der Fügevorgang und, noch wichtiger, die Demontagemöglichkeit im Fall der Beschädigung einer Glaseinheit 1.

Die Glasindustrie fertigt Glaspaneele aus ­wirtschaftlichen und produktionstechnischen Gründen in der Regel in maximalen Größen von ­6 ≈ 3,2 m. Auch wenn diese Grenze inzwischen überwunden ist, sind die Anwender bei normalen Preisen nach wie vor an die Maximallänge von 6 m gebunden. Daher sind oft Verbindungselemente erforderlich, die auch Bau- und Herstellungstoleranzen aufnehmen können. Üblicherweise werden diese in Stahl ausgebildet. An der TU Delft sind wir jedoch überzeugt, dass Glas und Klebstoffe eine ebenso gelungene Kombination darstellen wie Stahl und Schweißtechnologie.

In Folge der Konstruktion der Gewächshäuser in La Vilette stellten sich Ingenieure weltweit der Herausforderung, alle Gebäudeelemente in durchgängig gläserne Strukturen zu über-

A

B C D

ewächshäuser am MuG seum für Wissenschaft und Technik, Parc de La Villette, Paris 1986 Adrien Feinsilber / RFR zerstörte Glasbrücke in Arnhem gläserner Engel von ­Herman ­Lamers Verbindungssteg in ­Rotterdam, 1994, ­Architekt Dirk Jan Postel, Tragwerksplanung Rob Nijsse /ABT

A

B

C

76 specialist knowledge

führen – mit anderen Worten, Träger, Stützen, Decken, Dächer, Fassaden und Wände in ­sichere Ganzglasstrukturen umzuwandeln.

Diese Entwicklung lässt sich sehr gut an einer 1994 in Rotterdam errichteten Glasbrücke ­demonstrieren. Bei der von Dirk Jan Postel von Kraayvanger Architekten entworfenen Brücke (Abb. D) wurden so gut wie alle Bauteile als Ganzglaselemente ausgeführt 2. Der Glasboden befindet sich in 3 m Höhe. Wir verwendeten für alle Teile laminierte Gläser und setzten bei der Tragwerksberechnung einen Sicherheitsfaktor von 10 an. Als zulässige Zugbelastung wurden 20 MPa angesetzt. Zu dieser Zeit existierten keine Regelwerke und Normen für Glasstrukturen; die 20 MPa rechneten wir ­zurück aus Tabellen, die die erforderlichen Glasstärken für Fenster in Abhängigkeit von der Gebäudehöhe vorgaben. Der Architekt demonstrierte den skeptischen Nutzern die Leistungsfähigkeit des Konzepts durch Aufbringen einer »Testlast« aus dicht gedrängten Freiwilligen. Der Rotterdamer Glasbrücke folgte eine Reihe ähnlicher Brücken. Ein Unfall zerstörte die 1996 über dem Eingang des Zoos in Arnhem errichtete Glasbrücke: 2012 fuhr ein Gabelstaplerfahrer mit angehobener Ladung gegen die Brücke. Obwohl beide Träger vollständig zerstört waren, funktionierte das Sicherheitskonzept; die Brücke stürzte nicht ein und war immer noch nutzbar, wenn auch mit wesentlich verringerten Sicherheits­ reserven (Abb. B). Die Neuerrichtung erlaubte uns, die technische Leistungsfähigkeit zu verbessern: wir ersetzten die einfachen laminierten Glaswände durch laminierte Isoliergläser.

Ganzglasstützen Am längsten widersetzte sich eines der wichtigsten Tragwerkselemente dem Bedürfnis nach vollständig gläsernen Strukturen: die Stütze. Hauptgrund ist, dass Glas allgemein immer noch als schwaches, leicht zerbrechliches Material empfunden wird. Was für ein Weinglas gilt, trifft jedoch nicht auf Tragstrukturen zu. Entwürfe verantwortungvoller Inge­ nieure sorgen für eine ausreichende »Robustheit«, sodass die Gesamtstruktur auch bei erheblicher Überbelastung nicht grundlegend versagt. Um dies zu demonstrieren, entwickelten wir eine Reihe möglicher Konzepte für ­»sichere« Glasstützen. Die Sicherheitsreserven beruhen dabei hauptsächlich darauf, dass der

∂structure 02/15

Kleber, der die Glasschichten verbindet, auch gebrochene Teile so zusammenhält, dass sie nach wie vor Lasten abtragen können. Im Folgenden werden drei Konzepte vorgestellt, die für weitere Forsch­ungen am interessantesten erscheinen.

Horizontal geschichtete Glasstützen Der holländische Künstler Herman Lamers bat uns um Unterstützung bei einer vollständig gläsernen Statue des Erzengels Michael, dargestellt als normaler Mensch mit Flügeln.

Nach einigen Versuchen entschieden wir uns – auch aus Kostengründen – mit Glasschichten zu arbeiten, die von transparenter Klebefolie zusammengehalten werden (Abb. C). Aus dem Computermodell der Statue wurden Horizontalschnitte im Abstand von 8 mm erzeugt und an den Glashersteller übermittelt, der sie mittels Wasserstrahlschnitt aus rechteckigen Glastafeln ausschnitt. Diese wurden so aufeinandergeklebt, dass die gewünschte Form entstand. Als Dreingabe konnte aus den Rest­ stücken der Glastafeln eine gläserne Stütze mit der Form der Statue als innerer Hohlraum hergestellt werden. Durch die Statue angeregt, entstanden Entwürfe horizontal geschichteter Glasstützen und es wurden Testverfahren für solche Konstruktionsweisen entwickelt. Roy van Heugten stellte im Zuge seiner Diplom­ arbeit an der Technischen Universität Eind­ hoven unterschiedliche Modelle horizontal geschichteter Glasstützen her und untersuchte ihre Leistungsfähigkeit (Abb. E, G – I) 3.

H-Profile aus laminiertem Glas Aus drei Glastafeln – zwei für die Flansche und eine für den Steg – lassen sich Glasstützen mit H-Förmigem Querschnitt herstellen. Vorteilhaft ist es, die Verbindung der Flansche mit dem Steg als Polyurethan-Klebeverbindung auszuführen, da dieser Kleber bei ausreichender Schichtdicke die Toleranzen zwischen den Gläsern aufnehmen kann und immer noch die erforderliche Widerstandsfähigkeit gegenüber Scherkräften besitzt. Vierzehn 2,5 m hohe Ganzglas-H-Profile wurden im Stevin ­Labor in Delft zusammengefügt und unter steigender Druckbelastung bis zum Versagen getestet. Die Ergebnisse dieser Versuche zeigen eine durchschnittliche Grenzlast von 437 kN und einen durchschnittlichen Grenzdruck von 72,8 MPa bei einer Standardabweichung von 34,4 %. Obwohl die Last­kapazität bemerkens-

E

∂structure 02/15

A

B C D D

reenhouses at the g ­Cité des Sciences et de l’Industrie, Parc de la Vilette in Paris 1986 Adrien Feinsilber / RFR destroyed glass bridge in Arnhem glass angel by Herman Lamers overpass in Rotterdam, 1994, architect Dirk Jan Postel, structural design Rob Nijsse/ABT

wert hoch ist, bleibt die statistische Streuung also sehr groß. Der kritischste Punkt ist dort, wo die Kräfte von der Versuchseinrichtung in das Glas eingeleitet werden. Kleine Unregelmäßigkeiten der oberen oder unteren Grenzflächen führen zu ungleichmäßiger Kraftver­ teilung. Auch bei Verwendung von Zulagen aus Holz oder Weichaluminium bleiben die Stellen der Lasteinleitung in das Glas oder aus dem Glas in andere Teile des Gebäudes die kritischsten Detailpunkte. Diese müssen noch weiter untersucht und geprüft werden.

Gebündelte Glasstützen Die gebündelte Glasstütze wird aus mindestens sechs massiven Glasprofilen mit einer ­Dicke von jeweils 30 mm gebildet. Solche ­Stäbe werden in der chemischen Industrie eingesetzt, da Glas gegenüber fast allen Stoffen neutral ist. Ein zentraler Stab und fünf weitere ringsum formen eine sicherheitstechnisch fast perfekte Stütze. Es entsteht ein großer Querschnitt und das Zusammenwirken der Stäbe erhöht die Knicklast des Bündels, auch wenn sie nur punktuell verbunden sind. Die Trag­ fähigkeit bleibt auch bei der Zerstörung eines oder zweier Stäbe hoch. Wir konnten durch ­eine Reihe von Versuchen nachweisen, dass dies zu sehr robusten Stützen führt (Abb. L– N).

Glas verbinden Viele Problemstellungen für Ingenieure betreffen die Verbindungstechnik. Glas (vor ­allem Kalknatron-Floatglas als gebräuchlichste Glasart) ist ein Material, an das sich im gewissen Sinne schwer anschließen lässt. Die Problematik zeigt sich beim Vergleich einiger der entscheidenden Materialkonstanten für Glas und andere Materialien (Abb. J). Young-Modul und Härte von Glas ähneln denen von Metallen. Glas besitzt jedoch eine Bruchdehnung und eine Bruchzähigkeit weit unterhalb derer von Polymeren. Verglichen mit transparenten Polymeren ist es also härter und abriebfester, verglichen mit Metallen jedoch sehr spröde und wenig zugresistent. Verbindungsmethoden wie sie für Metalle oder Polymere eingesetzt werden, sind also für Glas kaum tauglich. Man kann Glas durchbohren und einen Bolzen einführen. Die Bohrung wird das Material allerdings schädigen. Die Sprödigkeit des Glases

F

G

H

I

fachwissen 77

Rob Nijsse Fred Veer Rob Nijsse is professor for structural design at the Faculty of Architecture and the Built Environment and the Faculty of Civil Engineering wat the TU Delft and co-owner of the Structural Engineering firm ABT in Delft.

Fred Veer is researcher and teacher in the field of Materials Science at the Faculty of Architecture and the Built ­Environment at the TU Delft.

P P

Fassadenmuster der Gussglas-­ fassade PC Hoofstraat in ­Amsterdam, 2014 Q–S Untersuchungen an ­Prototypen von Gussglas-­ elementen P

facade pattern, cast glass facade, PC Hoofstraat in Amsterdam, 2014 Q–S research on cast glass ­element prototypes

Q

80 specialist knowledge

I-beams made of laminated glass Glass I-beams can be made of three glass panels – two for the flanges and one for the web. Using a polyurethane adhesive to connect flanges and web proved advantageous.

If layers are sufficiently thick, the adhesive connection has the capacity to bear tolerances between the glass components while maintaining the required resistance to shear forces.

14 all-glass I-beams of 2,5 m height were assembled in the Stevin Lab in Delft and tested under increasing compressive loads until ­failure. The results of these destruction tests indicate an average limit state stress of 437 kN and an average limit state compression of 72.8 MPa at a standard deviation of 34,4 %. ­Although the load capacity is remarkably high, the probability distribution is also very large.

The critical point is where the forces are transmitted from the test equipment into the glass.

Bundled glass columns are made of at least six massive glass profiles with a thickness of 30 mm each. A central bar and five additional ones around it comprise an almost perfect ­column in terms of technological safety. It features a deep cross section, and the interaction of the elements increases the buckling load of the bundle, even if they are merely connected along certain points. The load bearing capacity remains high even if one or two bars are ­destroyed. Within a series of tests we were able to prove that this configuration leads to very robust columns (ill. L– N).

R

Connecting glass

S

In a certain way, glass (most of all soda-lime float glass as most widely used type of glass) is a material that can‘t be connected easily. This difficulty becomes obvious when comparing a few of the decisive material constants for glass and other materials (ill. J). Young-module and hardness of glass are similar to metals. However, glass possesses an elongation at break and a fracture toughness far below that of polymers. Compared to transparent polymers, it is

harder and has a higher abrasion ­resistance.

Compared to metals, it is very brittle and has a low tensile resistance. Connection methods used for metals or polymers are, thus, hardly suitable for glass. Glass can be drilled and a bolt can be introduced. Drilling will, however, damage the material. The sensible choice is to use adhesive connections. Glass also has a high surface tension. Adhesives can easily spread across its surface. In addition, the surface neither ages nor corrodes. Adhesives have generally proven their effectiveness for glass applications. Three ­important distinctive parameters exist: shear strength, thickness, and elongation at break.

High shear strength typically follows low thickness and low elongation at break. A thick ­adhesive layer is better for low compressive loads, since the adhesive may start to creep.

Thin adhesive layers on the other hand can‘t cover rough surfaces. A hard and thin adhesive possesses a limited impact strength, since it can hardly tolerate movement.

Cast glass – 3D elements instead of panels Glass is an inorganic smelting product 4. The majority of soda-lime float glass across the world is poured homogeneously onto a substrate of molten tin in order to produce glass panels. However, glass panels are limited in their range of application compared to sheet metal. The main problem is buckling during construction with large, thin elements. To go beyond this limitation, glass needs to be cast into spatial forms. Simple, solid glass block can serve to create stacked, brick-wall-type structures (ill. Q) or other, more complex forms such as load-bearing as well as decorative architraves (ill. R, S). Pouring float glass is a complex procedure, because slow cooling from approximately 800 °C to room temperature is required. Larger elements need more time to cool off. The process itself is simple: a heat-resistant mould is made of sand and the liquid glass is cast at a temperature of 1200 °C. As soon as it has hardened enough, the glass element is removed from the mould and placed into a preheated oven where it is subject to controlled cooling. Steel formwork ­enables creating very smooth surfaces (ill. Q).

In general, the technology to cast glass is available. The facade made of glass block with adhesive connections in the PC Hoofstraat building in Amsterdam serves as an example (ill. O, P). The real breakthrough of cast glass in architecture will occur as soon as a new glass recipe aimed at the requirements of casting glass is introduced. It will no longer ­require the long cooling process, transcend the size limitations of soda-lime float glass and, as result, permit far more economic modes of production. That is the approach we follow at the TU Delft glass research group.

∂structure 02/15

Hochwasserschutz in New York Konferenzsaal mit weit gespannter Holzkonstruktion Logistik eines Großbrückenbaus

Zeitschrift für Architektur und konstruktiven Ingenieurbau Review of Architecture and Structural Engineering

Zeitschrift für Architektur und konstruktiven Ingenieurbau Review of Architecture and Structural Engineering

structure structure Redaktionsbeirat

Impressum ∂ structure Zeitschrift für Architektur und konstruktiven Ingenieurbau Verlag: Institut für internationale Architektur-Dokumentation GmbH & Co. KG, Hackerbrücke 6, 80335 München Tel. (089) 38 16 20-0, Fax (089) 38 16 20-66 Internet: http:// www.detail.de Postanschrift: Postfach 20 10 54, 80010 München Persönlich haftende Gesellschafterin: Institut für internationale ArchitekturDokumentation Verwaltungs-GmbH, München, eine 100 %-ige Tochter der ATEC Business Information GmbH. Kommanditistin (100 %): ATEC Busi­ ness Information GmbH, München.

Redaktion DETAIL structure: (Anschrift wie Verlag, Telefon Durchwahl -84, E-Mail: redaktion@detail.de): Christian Schittich (Chefredakteur, V. i. S. d. P., CS), Johanna Christiansen (JC), Sabine Drey (SD), Andreas Gabriel (GA), Maria Remter (MR), Jakob Schoof (JS).

Freie Mitarbeit: Burkhard Franke (BF), Sophie Karst (SK), Florian Köhler (FLK), Roland Pawlitschko (RP) Zeichnungen: Martin Hämmel Emese M. Köszegi, Simon Kramer Freie Mitarbeit: Ralph Donhauser Übersetzungen englisch: Mark Kammerbauer Redaktion DETAIL transfer: (Anschrift wie Verlag) Tel. (089) 38 16 20-0 Meike Weber (V. i. S. d. P.), Tim Westphal (Leitung), Rainer Bratfisch, Katja Reich Herstellung / DTP: Peter Gensmantel (Leitung), Cornelia Kohn, Andrea Linke, Roswitha Siegler, Simone Soesters Vertriebsservice: (Abonnementverwaltung und Adressänderungen) Vertriebsunion Meynen, Große Hub 10, 65344 Eltville Tel. (0 61 23) 92 38-211, Fax: -212 E-Mail: detailabo@vertriebsunion.de Marketing und Vertrieb: Claudia Langert (Leitung) Irene Schweiger (Vertrieb) Tel. (089) 38 16 20-37 (Anschrift wie Verlag) Anzeigen: Karin Lang (Leitung, V. i. S. d. P.), Claudia Wach, DW -24 (Anschrift wie Verlag) Tel. (089) 38 16 20-0

∂structure 02/15

DETAIL structure erscheint im Mai + November DETAIL structure ist nur über den DETAIL Online Shop erhältlich: www.detail.de/shop oder innerhalb des DETAIL Abonnements.

DETAIL structure Einzelheft: € 18,90 / CHF 28,– / £ 13,60 / US$ 24,50 Abonnement 10 Ausgaben und zusätzlich 6 Sonderhefte: Inland: € 179,– Ausland: € 179,– / CHF 251,– / £ 119,– / US$ 234,– Für Studenten: Inland: € 95,– Ausland: € 95,– / CHF 137,– / £ 67,– / US$ 124,– Ausland zzgl. MWSt, falls zutreffend Alle Preise verstehen sich zuzüglich Versandkosten. Abonnements sind 6 Wochen vor Ablauf kündbar.

Konto für Abonnementzahlungen: Deutsche Bank München BLZ 700 700 10 · Konto 193 180 700 IBAN: DE24700700100193180700 SWIFT: DEUTDEMM Alle Rechte vorbehalten.

Für unverlangte Manuskripte und ­Fotos wird nicht gehaftet. Nachdruck nur mit Genehmigung. Für Vollstän­ digkeit und Richtigkeit aller Beiträge wird keine G ­ ewähr übernommen.

Repro: Martin Härtl OHG Kistlerhofstraße 70, 81379 München Druck: W. Kohlhammer Druckerei GmbH + Co. KG Augsburger Straße 722, 70329 Stuttgart Bei Nichtbelieferung ohne Verschul­ den des Verlages oder infolge von Störungen des Arbeitsfriedens bestehen keine Ansprüche gegen den Verlag.

Zurzeit gilt Anzeigenpreisliste Nr. 47 2015 für alle Beiträge, soweit nicht ­anders angegeben bei Institut für internationale ArchitekturDokumentation GmbH & Co. KG Dieses Heft ist auf chlorfrei­ gebleichtem Papier gedruckt.

Die Beiträge in DETAIL sind urheber­ rechtlich geschützt. Eine Verwertung dieser Beiträge oder von Teilen davon (z. B. Zeichnungen) sind auch im Ein­ zelfall nur in den Grenzen der gesetz­ lichen Bestimmungen des Urheber­ rechtsgesetzes in der jeweils gelten­ den Fassung zulässig. Sie ist grund­ sätzlich vergütungspflichtig. Zuwider­ handlungen unterliegen den Straf­ bestimmungen des Urheberrechts.

©

Prof. Christoph Ackermann Prof. Dr. Anette Bögle Prof. Dr. Oliver Englhardt Prof. Dr. Stephan Engelsmann Dr. Bernhard Hauke Prof. Dr. Steffen Marx Prof. Dr. Lamia Messari-Becker Stefan Schmidt Dr. Heiko Trumpf Joram Tutsch

Abbildungsnachweis Fotos ohne Nennung sind Architekten­ aufnahmen, Werkfotos oder stammen aus dem Archiv DETAIL. Seite 5: Christian Schittich, D–München Seite 6: Frances Loeb Library, GSD, Harvard Seite 10: Nick Merrick © Hedrich Blessing Seite 15: Roland Pawlitschko, D–München Seite 16, 17 oben: seele, CZ–Pilsen Seite 17 unten: Nigel Young / Foster + Partners Seite 18 erstes von oben: Hisao Suzuki, E–Barcelona Seite 18 zweites von oben: Ari Marcopoulos, USA–New York Seite 18 unten: Iwan Baan, NL–Amsterdam Seite 21, 22 unten, 23 unten, 24 rechts, 25, 28 unten: Tamás Bujnovszky, H–Budapest Seite 22 oben: www.bkk.hu Seite 23 oben, 24 links: Andreas Ordon, D–München Seite 30–34, 36: Christian Richters, D–Berlin Seite 35: Gijs Dragt Seite 37 oben, 38, 39 rechts: Hiroshi Nakamura & NAP Co., Ltd. Seite 37 unten, 39 links: Koji Fujii / Nacása & Partners Inc. Seite 40, 41, 42 unten, 47: David Matthiessen, D–Stuttgart Seite 43 unten, 44, 45: Charpente Concept, CH–Genf Seite 49, 50, 51 oben, 53 oben: Kasper Dudzik, S–Lund Seite 54 oben rechts, viertes von oben links, 55: Torbjörn Bergkvist, S–Sundsvall Seite 58 oben, 58 unten rechts: Enrico Cano / FDT Seite 58 rechts Mitte: Stadlmyer Seite 60 oben links: Prefa / Croce

Seite 60 oben Mitte: Hufton+Crow / Studio Libeskind Seite 62 oben links, 62 unten: Olaf Wiechers Seite 62 rechts: Rolf J. Rutzen / Pressestelle Stadt ­Lüdenscheid Seite 64 unten: Rüdiger Mosler Seite 65 links oben: Christian Grass Seite 68 unten: The Toll House, GB–Reading Seite 70 oben links: Kai Schlender Seite 70 links Mitte: JNS Dachtechnik, D–Feldkirchen Seite 72: Karin Jobst / © WMAA Seite 73 oben links, 73 unten links, 74 oben links, 74 oben rechts, 74 ­unten rechts: ©Walz&Krenzer, USA–Oxford, CT Ganzseitige Schwarzweißfotos: Seite 5: John Hancock Center in ­Chicago, Architekten: SOM, USA–Chicago Seite 15: Weinkellerei in Margaux, Architekten: Foster + ­Partners, GB–London Seite 21: Metró-Station in Budapest, Architekten: sporaarchitects, H–Budapest Seite 55: Autobahnbrücke bei Sunds­ vall, Architekten: K R A M Group / Rundquist ­Arkitekter Seite 71: Hochwasserschutz für das Whitney Museum in New York City, Architekten: Renzo Piano Building W ­ orkshop, USA– New York

impressum 83