DETAIL structure 01/2017

Interview mit Cecil Balmond Gitterstrukturen auf Basis asymptotischer Linien Weit gespanntes Hängedach aus Holz

Zeitschrift fĂźr Tragwerksplanung und Architektur Review of Structural Engineering and Architecture

structure

editorial

01/17 structure

Wenn von Baukultur die Rede ist, stehen nur selten sogenannte Zweckbauten im Vordergrund. Dabei prägen neben Konzerthäusern

Redaktion: Dr. Sandra Hofmeister (Chefredakteurin) Andreas Gabriel Roland Pawlitschko

oder Museen auch Bahnhöfe, Brücken oder Kraftwerke unsere Umwelt. Tragstruktur und räumliche Wirkung sind gerade bei solchen

Sabine Drey (grafische Gestaltung)

Gebäuden miteinander verknüpft, sodass

When architecture comes up in conversation,

überzeugende Lösungen meist nur in enger

the topic is rarely so-called functional build-

Abstimmung von Tragwerksplanern und Ar-

ings. At the same time, our environment is

chitekten gelingen.

shaped not only by concert halls and muse-

Dem Grundkonzept von DETAIL structure

ums, but also railway stations, bridges and

­entsprechend, legen die Projektdokumen­

power plants. Loadbearing structures and

tationen der vorliegenden Ausgabe einen

spatial effect are very much linked in such

Schwer­punkt auf die Ingenieursleistung.

buildings, which means that convincing solu-

­Dabei stehen der Infrastruktur dienende

tions mainly come about only as the result

­Gebäude gleichberechtigt neben Freizeit-

of close collaboration between structural

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

und Kulturbauten. Bei der auf Baumstützen

­engineers and architects.

Einzelheft: € 18,90

­ruhenden, glasgedeckten Dachkonstruktion

In accord with the basic concept of Detail-

des Hauptbahnhofs in Den Haag mit ihren

structure, the project discussions in this issue

rautenförmigen Feldern wirken Dach und

focus on the role of the structural engineer.

­Stützen als System zusammen. Im kanadischen

Roof and supports work together as a system

Surrey überspannt ein leichtes Hängedach

in the central station in The Hague, with its

aus Holz in weitem Schwung eine Schwimm-

glass-covered roof construction supported

halle für Wettkämpfe und Familien − dabei

on tree columns and composed of rhombic

galt es, auch die Windauftriebskräfte zu be-

panels. In Surrey, Canada, an extremely slim,

herrschen. Der äußerst schlanke, stählerne

timber suspended roof describes a long verti-

Schaft des neuen Aussichtsturms in Brighton,

cal curve over swimming pools serving fami-

an dem die Besucher in einer verglasten Kan-

lies and competitive swimmers − and succeeds

zel in die Höhe gleiten, erforderte besondere

in overcoming wind uplift forces. The exceed-

Maßnahmen zur Schwingungsdämpfung. So

ingly slender steel shaft of the new observa-

wird bei allen Projekten deutlich, wie Ingeni-

tion tower in Brighton, on which visitors slide

eure tragwerksplanerische Herausforderun-

up into the sky in a glazed cockpit, required

gen lösen und wie dies zum stimmigen Ge-

special engineering measures to dampen

samtergebnis beiträgt.

­vibrations. All the projects clearly show how

Andreas Gabriel

Redaktion Produkte: Katja Reich Rainer Bratfisch Übersetzung englisch: Raymond Peat Verlag und Redaktion: Institut für internationale Architektur-Dokumentation GmbH & Co. KG Hackerbrücke 6 80335 München Anzeigen: anzeigen@detail.de tel.: 089 381620 48

engineers overcome structural challenges and contribute to a successful completed project.

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editorial 1

inhalt content

hintergrund context

4 Cecil Balmond − das Poetische hinter den Dingen Cecil Balmond − the Poetic in what there is Andreas Gabriel

magazin journal

14 Studie − Olympia­ stadion für das 21. Jahrhundert Design Study − An Olympic Stadium for the 21st Century 16 Bücher Books

projekt und prozess

project and process 18 Theater bei ­Boulogne-sur-Mer Theatre near Boulogne-sur-Mer Andrew Todd, London LM Ingénieur, Paris

23 Turm mit beweg­ licher Aussichts­ kabine in Brighton Tower with moving observation pod in Brighton Marks Barfield Architects, London Jacobs UK, Manchester 28 Hauptbahnhof in Den Haag Central Railway Station in The Hague Benthem Crouwel Architects, Amsterdam Sweco Nederland, Houten 34 Kraftwerk in Düsseldorf Power Plant in Düsseldorf kadawittfeldarchitektur, Aachen Bollinger + Grohmann Ingenieure, Frankfurt am Main

produkte products

fachwissen

specialist know-how

58 DETAIL research DETAIL research

48 Minderungsmaß­ nahmen für schwingungsanfällige ­Baustrukturen Mitigation Measures for Vibration-Prone Structures Max Gündel

60 BIM – Building Information Modeling

52 Experimentelle Stu­ dien zur Konstruktion zweifach gekrümmter Gitterstrukturen Experimental studies on the construction of doubly curved structures Eike Schling, Rainer Barthel

69 Massivbau – Beton und Mauerwerk Concrete and ­masonry

66 Umbau und ­Sanierung Conversion and ­refurbishment

40 Sport- und Freizeitbad in Surrey Sports and Leisure Pool in Surrey HCMA Architecture + ­Design, Vancouver Fast + Epp, Vancouver

2 inhalt

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context

hintergrund

Cecil Balmond − das Poetische hinter den Dingen Cecil Balmond − the Poetic in what there is

Cecil Balmond Cecil Balmond ist Ingenieur, Architekt, Designer, Künstler und Autor. Nach langjähriger Tätigkeit in leitender Position bei Arup, wo er 2000 die Ent­ wurfs- und Forschungsgrup­ pe AGU (Advanced Geomet­ ry Unit) gründete, leitet er seit 2011 sein eigenes multi­ disziplinäres Forschungsund Planungsbüro Balmond Studio mit Standorten in Lon­ don, Porto und Sri Lanka. www.balmondstudio.com

A

Cecil Balmond

Was kennzeichnet Ihre Arbeitsweise und ab wann kommt dabei das Material ins Spiel?

Zuerst suche ich nach einer strukturellen Glie­ derung des räumlichen Aktionsfelds. Die Pla­ nung des Serpentine-Pavillons mit Toyo Ito ­etwa begannen wir mit der Vorstellung einer Box, und Ito wollte zunächst eine interessante Linienführung mit wenigen Stützen. Ich war ­jedoch nicht an einem klassisch modernen Ansatz interessiert und überlegte, was im Park

Cecil Balmond is an engi­ neer, architect, designer, art­ ist and ­author. After many years in leading position with Arup, where he founded the Advanced Geometry Unit (AGU) in 2000, he has led his own multidisciplinary ­research and design consul­ tancy Balmond Studio with offices in London, Porto and Sri Lanka since 2011.

B

4 background

Detail: Bei der Vielfalt Ihrer Arbeit fragt man sich, ob Sie eher Ingenieur, Künstler oder Wis­ senschaftler sind. Wie würden Sie sich selbst bezeichnen?

Balmond: Ich war an vielen architektonisch spannenden Gebäuden beteiligt, und meine Rolle dabei entsprach nicht dem üblichen ­Ingenieursbild. Traditionell beginnt der Ar­ chitekt mit der Planung und dann folgt der ­Ingenieur. Bei mir war das meist anders. Die Zusammenarbeit mit Architekten wie Rem ­Koolhaas, Toyo Ito oder Alvaro Siza funktio­ nierte deshalb so gut, weil ich meine Ideen von Anfang an genauso einbringen konnte wie sie selbst. Ein »Label« für meine Rolle ha­ be ich nicht. Am wichtigsten ist es, die eigene Persönlichkeit einzubringen. Dazu kommt eine künstlerische Haltung, dann die Professiona­ lität und erst zuletzt die Rolle als Experte. Zu Beginn meiner Karriere war ich noch von der ingenieursmäßigen Denkweise geprägt und fragte mich als erstes, wie die Tragstruktur aussieht, aber zwanzig Jahre später wurde dies zur letzten Frage von allen. Mein künstle­ rischer und musikalischer Hintergrund hatte zu einem offeneren Denken geführt und seither suche ich bei allen Aufgaben zunächst nach dem Poetischen hinter den Dingen.

Detail: Your work is so diverse that people must wonder whether you are an engineer, artist or scientist. How would you describe yourself?

Balmond: I have been involved in many archi­ tecturally exciting buildings, and my role in them has not reflected the normal image of an engineer. Traditionally the architect starts the design and is followed by the engineer. With me it’s usually different. That’s why cooperat­ ing with architects such as Rem Koolhaas, Toyo Ito or Alvaro Siza has worked so well: because I’ve been able to introduce my ideas from the very beginning, just like them. I don’t have a “label” for my role. It’s most important to bring your own personality to the table. Secondly, you must have an artistic way of thinking, fol­ lowed by professionalism and finally there is your role as an expert. At the beginning of my career, I still had an engineer’s mindset and my first thoughts were about how the loadbearing structure would look, but now − 20 years later − that would be my very last question. My ar­ tistic and musical background has given me an open mind and I look first for the poetic in what there is.

What characterises your way of working and when does the material come into play?

I first think of an abstract field composition.

In the design of the Serpentine Pavilion with Toyo Ito, we began with the idea of a box and Ito first wanted an attractive linearity with few columns. However, I was not interested in a traditional modern approach and thought over what was already to be found in Hyde Park. I saw all the people going here and there and recognised a series of lines that crossed and recrossed the park. I condensed this pattern, which led to an impression of ­increased speed. The many intersections caused the eye to jump from one to another, and, instead of the precisely limited box, we had created an unlimited space. I usually place function to one side at that point and search for a metaphor. Out of this often emerges an abstract concept. Only then do I think about scale and materiality and the ­engineer in me awakes. Depending on the material, this then leads to a specific configu­ ration and the appropriate connections. In the case of the Serpentine Pavilion, after I had rec­ ognised that I had only to cut off the corners of the two-dimensional pattern and fold the whole thing up for the pavilion to be as good

∂structure 01/17

C

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as done, it then became all about how to fabri­ cate these intersecting lines.

D

vorzufinden war. Ich sah all die Leute umher­ gehen und erkannte dabei eine Serie von Lini­ en, die den Hyde-Park durchziehen. Dieses Muster verdichtete ich, was zum Ausdruck ­höherer Geschwindigkeit führte. Die vielen Kreuzungspunkte lassen das Auge hin und herspringen und statt einer genau begrenzten Box entsteht so ein unbegrenzter Raum. Die Funktion schiebe ich zunächst meist beiseite und suche nach einer Metapher. Daraus ent­ steht dann oft ein abstraktes Konzept. Erst dann denke ich an Maßstab und Materialität und der Ingenieur in mir wird aktiv. Je nach Material führt das dann zu einer bestimmten Konfiguration und zu geeigneten Verbindun­ gen. Nachdem ich beim Serpentine-Pavillon erkannt hatte, dass ich nur die Ecken des zwei­ dimensionalen Musters aufschneiden und das Ganze falten muss und der Pavillon damit so gut wie fertig ist, ging es darum, all diese sich kreuzenden Linien herzustellen.

Wann fiel die Entscheidung, Stahl und Glas einzusetzen?

Wir hatten ein begrenztes Budget und ich dachte zunächst an eine Bekleidung mit Kunststofffolien, dann fand sich jedoch ein Sponsor für Gläser. Für die Tragstruktur hatte ich frühzeitig Stahl im Auge, es waren jedoch teils sehr komplizierte Kreuzungspunkte zu ­lösen. Eine wichtige Entscheidung war, die Achsen der unterschiedlich dicken Bleche durchlaufen zu lassen. Den Schweißprozess stimmte ich mit den Facharbeitern genau ab.

Da ich selbst schon Schweißarbeiten ausge­ führt habe, konnte ich die Verformung der Struktur beim Schweißen gut einschätzen.

Welche Projekte sehen Sie, neben dem Ser­ pentine-Pavillon als Meilensteine Ihrer Arbeit?

Auf gewisse Weise sind mir gerade die nicht gebauten Projekte wichtig, wie der Seehafen in Seebrügge oder die Bordeaux-Villa mit

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A, B B almond Studio in ­London, laufende ­Forschungsarbeit, Teil der Modellsammlung C–G Serpentine-Pavillon in London, 2002 Architekt: Toyo Ito

When was the decision made to use steel and glass?

We had a limited budget. I first considered a synthetic foil cladding but subsequently found a sponsor for glass. For the loadbearing struc­ ture, I had been considering steel from an ear­ ly stage, but there was the question of how to deal with the sometimes very complicated in­ tersections. An important decision was to allow the axes of the plates, which were of different thicknesses, to run through. I specified the precise details of the welding process in con­ junction with the welders. Because I had done some welding projects myself some time be­ fore, I could estimate reasonably well how the structure would deform due to welding.

A, B B almond Studio in Lon­ don, ongoing research work, part of the model collection C–G Serpentine Pavilion in London, 2002 architect: Toyo Ito

As well as the Serpentine Pavilion, which other projects do you see as milestones in your work?

In certain ways, the projects that remained un­ built are important to me, such as the harbour in Zeebrugge or the Bordeaux villa with Kool­ haas or the project for the ZKM library in Karls­ ruhe. Among the completed projects, as well as the Serpentine Pavilion, I would say our bridge in Coimbra was a key project. With its lateral offset and zig-zagging railings, it dis­ putes what we imagine a bridge should nor­ mally look like. The stadium in Chemnitz with Kulka Königs Architekten is included as our first digital experiment. The radical concept for the Institute of the Pen in Saudi Arabia plays an important role: 80 m span clear of any supports, with ceilings twisted about one another to gain stiffness. The fractal geometry of the structure is highly organised in a way that we still cannot quite fully understand. The poetic effect of such secrets I have sought to integrate into my work.

Based on a concept in which you played a sig­ nificant part, the National Taichung Theatre in Taiwan by Toyo Ito opened in 2016 after a long period of construction. Does the final ­result correspond with your aims at the start?

Unfortunately, I’ve not been able to visit the finished building yet, but I would really like to see how the ceilings, about which we had many discussions, were finally realised. It is the first building to have a spongiform struc­

F

G

hintergrund 5

projects

projekte

Sport- und Freizeitbad in Surrey Sports and Leisure Pool in Surrey

Architekten /Architects: HCMA Architecture + ­Design, Vancouver Projektteam / Project team: Darryl Condon Melissa Higgs Tragwerksplaner / Structural engineer: Fast+Epp, Vancouver Projektteam / Project team: Paul Fast Derek Ratzlaff

Schnitte Grundrisse Maßstab 1:1000 Sections floor plans scale 1:1000

40 project and process

Als Anziehungspunkt für Familien, Sportler und internationale Wettbewerbe spielt das Grandview Heights Aquatic Centre (GHAC) ­eine lebendige Rolle in der schnell wachsenden kanadischen Stadt Surrey. Die Architekten entwickelten ein Konzept, das Innen- und Außenräume über maximale Glasflächen optisch verbindet. Mit ihrem 50 m langen Wettkampfbecken und einem Kunstsprungturm erfüllt die Anlage alle Standards, um regionale, nationale und internationale Sportveranstaltungen durchzuführen, umfasst aber auch Freizeit­ becken, Warmbecken, Wasserrutsche, Sauna und Dampfbad, sowie ein Fitnesszentrum im Obergeschoss. Ein außergewöhnliches Hängedach aus Holz überspannt die Schwimmhalle. Es sorgt für eine warme Ausstrahlung im Inneren und erreicht die erforderlichen lichten Höhen mit einer insgesamt sehr flachen Struktur. Das maßvolle Gebäudevolumen ermöglichte es, die Kosten für die Gebäudehülle und die Klimatisierung zu begrenzen und Nutzerkomfort mit Energieeffizienz zu verbinden. GA

The Grandview Heights Aquatic Centre (GHAC) has a vital role as a magnet for families, water sports enthusiasts and international competitions in the rapidly growing city of Surrey, Canada. The architects developed a concept that maximises the area of glazed surfaces to visually connect internal and external spaces.

With its 50-m-long competition pool and ­diving platform, the facility complies with all the standards required to host regional, ­national and international sporting events. In addition, it also offers leisure pools, heated pools, water slides, saunas and steam baths, as well as a fitness centre on the upper floor.

An extraordinary suspended roof in timber spans the swimming pool. It creates a feeling of warmth and achieves the required headroom with a very shallow structure. The modest building volume keeps the costs of the building envelope and air-conditioning within limits and combines user comfort with energy ­efficiency.

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bb

aa

cc

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Eingangshalle Bademeister / Erste Hilfe Umkleiden Wasserrutsche Freizeitbecken Sauna / Dampfbad Warmbecken Wettkampfbecken Schulungsraum Lager Anlieferung Fitnessraum Technikraum Zuschauertribüne Sprungturm

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

entrance hall pool manager / first-aid changing rooms water slides leisure pool sauna / steam bath heated pool competition pool training room store deliveries fitness room plant room spectator stand springboard

13 14

12

15 4

Obergeschoss / Upper floor

b a 9

3 3

11

10

1

2 8 c

5

c

7

4

7

6 Erdgeschoss / Ground floor

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projekt und prozess 41

Paul Fast, Derek Ratzlaff Die Autoren: Paul Fast ist Gründer und geschäftsführender Gesellschafter des international tätigen Ingenieur­ büros für Tragwerksplanung Fast+Epp. Derek Ratzlaff ist Associate im Büro Fast+Epp und war gemeinsam mit Paul Fast für die Tragwerksplanung des Grandview Heights Aquatic Centre verantwortlich.

The authors: Paul Fast is the founder and managing partner of the international structural engineering consultancy Fast+Epp. Derek Ratzlaff is an associate at Fast+Epp and was jointly responsible with Paul Fast for the structural engineering design for the Grandview Heights Aquatic Centre.

A–C Prinzip Dachtragwerk D Verformung bei ungleicher Lastverteilung E statisches System F Stahlbetonstützen mit Fundamenten und ­Vorspannelementen Maßstab 1:400

A

B

C A–C structural principle of the roof D deformation under uneven loads E structural system F RC columns with foundations and prestressing elements scale 1:400

42 project and process

Ein unkonventionelles Tragwerkskonzept Das weitgespannte hölzerne Hängedach des Grandview Height Aquatic Centre (GHAC) ­demonstriert das Potenzial von Holz als kostengünstiges, statisch leistungsfähiges und ­ästhetisch ansprechendes Material für den Bau von Schwimmhallen.

Die Architekten regten an, eine Spannrichtung in Längsrichtung zu untersuchen und wir sahen dies durchaus zuversichtlich, nachdem ein ähnlicher Ansatz bei einem früheren Projekt von Fast+Epp zu einer kostengünstigen Lösung geführt hatte.

Für das GHAC schlugen wir ein schlankes und leichtes Hängedach mit »Seilen« aus Leimholz vor. Nach anfänglicher Skepsis schlossen sich die Architekten diesem unkonventionellen Ansatz an, nachdem wir die Vorzüge von Holz unter Einfluss der hohen Luftfeuchtigkeit und der eingesetzten Chemikalien in Schwimm­ bädern aufgezeigt hatten. Die schlanke Hängekonstruktion umhüllt das Gebäudevolumen mit einer statischen Höhe von lediglich 300 mm.

Erste Analysen führten rasch zur Einführung ­V-förmiger Mittelstützen zwischen den großen ­Becken, um Komplexität und Kosten der Gesamtstruktur zu minimieren. Zwischen diesen und je einer Reihe von sieben Stahlbeton­ pfeilern an den Gebäudeenden überspannen Paare von Leimholzprofilen mit einem Querschnitt von 13 ≈ 26,6 cm (B ≈ H) und 80 cm Achsabstand eine Weite von 55 bzw. 45 m.

Auf diese »Hängeseile« aus Leimholz ist eine doppelten Lage aus 16 + 12 mm dicken Sperrholzplatten befestigt. Randstreifen aus Stahlbeton fassen die Zugkräfte aus den Hängegliedern zusammen und übertragen sie in die Mittelstützen und äußeren Stützpfeiler.

Unconventional structural engineering ­concept The long-span timber suspended roof of the GHAC demonstrates the potential of wood as an inexpensive, structurally efficient and aesthetically pleasing material for the construction of swimming pool buildings.

The architects proposed a longitudinally spanning roof. We suggested a slender, lightweight suspended roof with “cables” manufactured from glued laminated timber (GLT). After some initial scepticism, the architects decided in favour of our unconventional approach after we had demonstrated the advantages of timber in conditions of high air moisture content and the effects of chemicals used in swimming pools.

The suspended construction has a structural depth of only 300 mm. Initial analyses quickly led to the introduction of V-shaped central supports between the two large pools to minimise complexity and cost. Pairs of 13 cm ≈ 26.6 cm GLT profiles at 80 cm centres span the 55 m and 45 m gaps between the central supports and seven reinforced concrete columns at each end of the building. A double layer of 16 + 12 mm thick plywood boards is attached to the tops of the GLT “suspension cables”. RC edge strips pick up the tensile forces from the suspension members and transfer them into the central and outer supports. Slab foundations acting with the backfill secure the columns against overturning. Originally, the variably sloping roof geometry in the transverse direction led to 14 different radii for the GLT “cables”. We adjusted their lengths so that they all had the same radius of curvature. The steel tubular columns connecting the up to 20-m-high facade structure to the roof are perforated and serve two functions: they carry the wind loads and act as ­integrated supply air distributors, largely dispensing with the need for internal ducts.

Deformations Suspended structures change their shape in response to the load placed upon them and are particularly sensitive to varying, unevenly distributed loads. Initial calculations for an uneven snow load showed vertical deformations of up to 1200 mm. However, the aim was to

D

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innere Kräfte / internal forces nur in Fassadenebene only in facade plane Auflagerreaktionen support reactions

45 m

55 m

E

1 Betonquerschnitt 675 ≈ 1000 mm mit Stabspanngliedern 6≈ Ø 46 mm 2 Betonquerschnitt 700 ≈ 1200 mm mit Stabspanngliedern 6≈ Ø 66 mm

2 1

1

1

2

2

1 675 ≈ 1000 mm concrete cross-section with 6≈ Ø 46 mm threadbars 2 700 ≈ 1200 mm concrete cross-section with 6≈ Ø 46 mm threadbars

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projekt und prozess 43

Plattenfundamente auf Höhe des Beckenbodens mit Auffüllung sichern die Pfeiler gegen Kippen.Ursprünglich hätte die in Querrichtung unterschiedlich geneigte Dachgeometrie zu 14 unterschiedlichen Radien der Leimholzprofile mit entsprechend hohen Produktionskosten geführt. Wir verfeinerten diese daher durch Anpassung der Längen der Leimhölzer so, dass derselbe Krümmungsradius für alle Pro­file eingesetzt werden konnte. Die tatsächlichen Hängelinien nach der Montage weichen etwas vom Kreisbogen ab und es ent­ stehen geringe Biegemomente in den hölzernen Seilen. Differenzen von bis zu 10 Grad zwischen der Sperrholzschalung und der waagerechten Oberseite der Leimhölzer in Querrichtung werden mit Passleisten ausgeglichen.

Die Stahlrohrstützen der an das Dach anschließenden, bis zu 20 m hohen Fassadenstruktur sind perforiert und besitzen eine Doppelfunktion: sie nehmen Windlasten auf und dienen zugleich als integrierte Zuluftverteiler.

Hierdurch konnte der Innenraum weitgehend von Lüftungsrohren frei gehalten werden.

3

1

≤10°

3 2 1

≤10°

4 2

G column head ­reinforcement scale 1:50 H GLT cross-section I GLT connection J on-site connection scale 1:20

220

G Bewehrungsführung ­Stützenkopf Maßstab 1:50 H Querschnitt Leimhölzer I Leimholzanschluss J Montagestoß Maßstab 1:20

4 280

280

120 220

120

G

120

1

280

20 75

1

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5

6

5

6

20 75

120

3

1

≤10°

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2 162

7

7

266

61

220

28 266

4

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H

340 120

280

120

61

263

280

340

8

≤10°

1 225

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130

9

7

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280

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280 340

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280

120

61

263

220 266 220

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4 4

8

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9

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2

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1

3

61 50 61

1

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5

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1

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20 75

6

8

1

J

Windauftrieb Die relativ leichte Holzstruktur besitzt nicht genügend Eigengewicht, um ein Abheben durch Wind zu verhindern. Zusätzliche Auflast wäre jedoch teuer und strukturell widersprüchlich, Abspannungen im Inneren mit Stahlseilen ­dagegen sehr unschön. Als Lösung dimensionierten wir die Leimholzelemente schließlich so, dass sie als flache, umgedrehte Druck­ bögen auch möglichen Windauftriebskräften standhalten. Sie sind zudem schubfest mit der Sperrholzschalung verbunden, die dadurch als Flansch eines Plattenbalkens wirkt. Der Tragwerksentwurf weicht also durch eine gewisse Biegesteifigkeit der Struktur von einem rein zugbeanspruchten Hängedach ab und kann auch eine Lastumkehr bewältigen.

130

61 50 61

9

130

1

Verformungen Hängestrukturen verändern ihre Form last­ abhängig und sind besonders empfindlich ­gegenüber wechselnden, ungleich verteilten Lasten. Erste Berechnungen für ungleiche Schneelast ergaben bis zu 1200 mm vertikale Verformung. Zur Begrenzung wurden horizontale Verschiebungen des Stahlbetonstreifens über den mittleren V-Stützen in Spannrichtung durch aussteiffende Stahlprofilstreben in Fassadenebene und Kopplung mit einer inneren Wandscheibe verhindert. Dadurch konnten die vertikalen Verformungen des Dachs auf 300 – 400 mm verringert werden. Ziel war jedoch, diese bis auf die von einem erprobten gleitenden Fassadenanschluss zu bewältigende Größe von 200 mm begrenzen. Dies gelang durch die Reduzierung möglicher ungleichmäßig verteilter Lasten aus abrutschendem Schnee mit einem auf die Dachhaut aufgebrachten System aus Schneerückhalteschwellen.

7

∂structure 01/17 266

162

44 project and process

28

225

Bauherr / Client City of Surrey, CA Landschaftsarchitekten / Landscape Architect PFS Studio, Vancouver Haustechnik / Mechanical ­Engineering AME Consulting, Vancouver Elektroplanung / Electrical Engineering AES Engineering, Vancouver

Dynamisches Verhalten Lage, Orientierung und Form des Gebäudes ließen Windanregungen mit Frequenzen ­unter 1 Hz erwarten. Um Schwingungsrisiken zu vermeiden, sollte die Eigenfrequenz der Dachstruktur daher über 1,5 Hz liegen. Nachdem die zweidimensionale Berechnung der Hängestruktur eine Eigenfrequenz von 0,9–1,0 Hz ergab, stieg der Wert bei Betrachtung als dreidimensional geschwungenes Dach mit Randfixierung und Vorspannung aus Eigengewicht auf 1,35 Hz. Zusätzlich dämpfend wirkt die verklebte, 150 mm dicke Wärmedämmschicht. Zur Überprüfung wurden Messungen vor Ort mit Metronom und Beschleunigungsmessern im Zuge einer »Jumping-Party« mit Testpersonen durchgeführt. Auf dieser Basis konnte schließlich eine Eigenfrequenz von 1,7 Hz prognostiziert und nachgewiesen werden, sodass die Balance aus Steifigkeit und Dämpfung des Dachaufbaus dynamisches Aufschaukeln verhindert.

Aufbau und Verbindungselemente Der Aufbau musste schnell erfolgen um das Holz vor Regen zu schützen. Die Länge der Leimhölzer war durch die Transportmöglichkeiten auf 25 m beschränkt. Die kürzere Spannweite benötigte daher jeweils eine Montageverbindung, die längere sogar zwei. Da Holzverbindungen auf der Baustelle aufwändiger auszuführen sind als Bolzenverbindungen von Stahl zu Stahl, bestehen die Verbindungselemente der Längsstöße aus 22 mm dicken Stahlplatten, die jeweils zwei Paare von Leimhölzern mit insgesamt sechs Bolzen verbinden (Abb. J). Um starke Biegungen der langen schlanken Leimhölzer während der Montage zu vermeiden, wurde bei der kurzen Spannweite ­eine Lasttraverse eingesetzt und die lange Spannweite mit zwei Kränen montiert. Die Montage benötigte lediglich 15 – 20 Minuten pro Leimholzpaar. Das gesamte Dach inklu­sive Sperrholzlage war in zwölf Tagen errichtet.

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limit this to the manageable size of 200 mm, which was within the capacity of a proven sliding façade connection. The designers solved the problem by stiffening the supports and ­reducing the unevenness of the distributed loads from slipping snow by fitting snow ­retainers to the roof.

Wind uplift The relatively light timber structure does not have enough self-weight to prevent wind ­uplift. Dismissing additional imposed load or steel cable stays inside the building, we ­designed the GLT members as flat inverted compression arches to accommodate any possible wind uplift forces. In addition, a sheartransmitting connection of the boards with the GLT members provides composite action.

Dynamic behaviour From the location, orientation and shape of the building, it was likely to be exposed to wind oscillations with a frequency of less than 1 Hz. In order to avoid vibration risks, the natural frequency of the roof structure needed to be above 1.5 Hz. A 3D analysis estimated it to be 1.35 Hz. The calculations were checked by taking measurements on site with a metronome and accelerometers at a “jumping party” of test people and confirmed as 1.7 Hz.

Generalunternehmer / General Contractor Ellis Don, Vancouver Ortbetonarbeiten/ Cast in Place Concrete Best Choice Construction, CA–Langley Vorspannelemente / ­Post-Tensioning Dywidag Systems International, CA–Surrey Leimholzelemente / Glulam Elements Western Archrib, CA–­Edmonton Fassadenarbeiten / Contractor Facade Construction Columbia Glazing Systems, Burnaby + Keith Panel Systems, Vancouver

1 Leimholzprofil 266/130 mm 2 Leimholzblock alle 5 m 140/52/180 mm 3 Sperrholz verleimt 12 + 16 mm 4 Stahlblech verzinkt verschraubt 800/220/6,4 mm 5 Bolzen Ø 25 mm 6 Stahlblech 200/22 mm 7 Bolzen Ø 57 mm 8 Stahlblech 350/280/30 mm 9 Stahlblech 225/200/16 mm 1 266/130 mm GLT profile 2 140/52/180 mm GLT block every 5 m 3 12 +16 mm glued plywood boards 4 800/220/6.4 mm galvanised bolted steel plate 5 Ø 25 mm bolts 6 200/22 mm steel plate 7 Ø 57 mm bolts 8 350/280/30 mm steel plate 9 225/200/16 mm steel plate

Erection and connecting elements Erection had to be completed quickly to protect the wood from rain. Transport restrictions limited the length of the GLT members to 25 m.

The shorter span therefore required one onsite longitudinal joint, the longer span two.

To save time, longitudinal joints consisting of 22-mm-thick steel plates were each connected to two pairs of GLT members by a total of six bolts. A lifting frame was used for the short span while the long-span beams were lifted with two cranes. The whole roof including plywood layer was erected in 12 days.

projekt und prozess 45

Vertikalschnitte Maßstab 1:20

dd

1 L eimholzprofil 266/130 mm 2 Dichtungsbahn Kunststoff Holzwerkstoffplatte 12 mm Wärmedämmung 100 mm Dampfsperre Sperrholzplatte 12 + 16 mm 3 gleitender Anschluss Stahlblech mit Langlöchern 4 Aluminiumblech 2,4 mm Wärmedämmung flexibel 175 mm, Dichtung Silikon 5 Hohlkammerplatte Poly­ carbonat 138 mm 6 Stahlrohr ¡ 155/105 mm 7 Pfosten Stahlrohr perforiert ¡ 410/310 mm 8 Stahlbeton 285 – 425 mm 9 Aluminiumpaneel ­wärmegedämmt 75 mm Luftzwischenraum 130 mm Akustikpaneel 2≈ 25 mm 10 Stahlrohr | 150/150 mm 11 Isolierverglasung

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Vertical sections scale 1:20

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1 2 66/130 mm GLT profile 2 synthetic waterproofing membrane 12 mm wood-based board 100 mm insulation vapour barrier 12 + 16 mm plywood board 3 sliding connection steel plate with elongated holes 4 2.4 mm aluminium plate 175 mm flexible insulation, silicone seal 5 138 mm poly­carbonate cellular sheet 6 ¡ 155/105 mm steel tube 7 ¡ 410/310 mm perforated steel tube post 8 285 – 425 mm reinforced concrete 9 75 mm aluminium panel with insulation 130 mm ventilation cavity 2≈ 25 mm acoustic panel 10 | 150/150 mm steel tube 11 insulation glazing

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products

produkte

Die Vermittlungsplattform betrachtet Entwicklungsfragen, Szenarien, Materialien und Konstruktionen zur Zukunft des Bauens. Im Netzwerk tauschen sich Architekten und Industrie, universitäre Forschung und Politik persönlich aus.

A

Zustandsänderung von Baustoffen und Tragwerken Im »Graduiertenkolleg 2075« der TU Braunschweig befassen sich Doktoranden und Post-Doktoranden mit dem Phänomen der Zustandsänderung von Baustoffen, die im Laufe der Zeit durch das Zusammenwirken von chemischen und physikalischen Einwirkungen ihre Eigenschaften ändern.

Ausgangsbasis sind zum einen Unfälle der letzten Jahre, wie beispielsweise der Einsturz der Eislaufhalle in Bad Reichenhall oder der Koror-Babeldaob-Brücke in Palau. In beiden Fällen hatte das Tragwerk ohne vorherige erkennbare Anzeichen nach vielen Jahren der Nutzungsdauer unerwartet versagt. Zum anderen basiert das Interesse einer Verlängerung der Nutzungsdauer – ohne Einbußen hinsichtlich der Gebäudesicherheit – auch auf einem ökonomischen Hintergrund. »Der monetäre Wert der Verkehrsinfrastruktur im Bundesgebiet (liegt bei) ca. 600 Mrd. Euro. Bei einer durchschnittlichen Nutzungsdauer von ca.

60 Jahren bewirkt die Verlängerung der Nutzungsdauer um 10 Jahre eine Wertschöpfung von ca. 100 Mrd. Euro«, wird auf der Projektseite erläutert.

Ziel des fachübergreifenden Forschungsverbunds einer Vielzahl von Instituten der TU Braunschweig – darunter die Institute für Statik, für An­ gewandte Mechanik, für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz, für rechnergestützte Modellierung im Bauingenieurwesen, für Wissenschaftliches Rechnen, für Stahlbau, für Kontinuumsmechanik – sowie dem Fraunhofer-­ Institut für Holzforschung ist die Ent-

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wicklung eines Konzeptes zur Bewertung der Zustandsänderung und damit der Qualität von Bauwerken des konstruktiven Ingenieurbaus. Bisher werden Eigenschaften von Bauteilen und Baustoffen bei der Erstellung des Gebäudes nachgewiesen. Zu diesem Zeitpunkt entsprechen ihre Eigenschaften dem Ideal. »Tatsächlich ändern sich der Zustand der Baustoffe und damit die Eigenschaften des Bauwerks im Laufe der Nutzungsdauer, sodass dessen Zuverlässigkeit und Qualität mit der Zeit abnehmen und die Tragsicherheit und Gebrauchstauglichkeit beeinträchtigt sein kann«, wird erläutert. »Beton, Stahl oder Holz erfahren während ihrer Lebensdauer vergleichbare planmäßige und unplanmäßige Einwirkungen, die jedoch unterschiedliche Auswirkungen haben können. So diffundiert z. B. Kohlendioxid in Betonbauteile und bewirkt eine Karbonatisierung der oberflächennahen Schichten. Stahlbauwerke sind inert gegen Kohlen­ dioxid. Besonders aggressive chemische Einwirkungen sind z. B. bei Abwasseraufbereitungsanlagen und Abwasserkanälen vorhanden und führen hier zu erhöhter Abnutzung und früher Schädigung der Bauwerksober­ flächen, ohne dass die Tragfähigkeit zwangsläufig gefährdet wird. Die in der Regel auf verschiedenen Raumund Zeitskalen ablaufenden Prozesse sind miteinander verknüpft und beeinflussen sich gegenseitig. Auch die Art der Beanspruchung ist wesentlich.

Wechselnde Anregungen führen zur Ermüdung eines Werkstoffs und zur

Mikrorissbildung, z. B. bei Eisenbahnbrücken oder bei Windenergieanlagen, die unbeachtet katastrophale Folgen haben können. Sie müssen daher bereits beim Tragwerksentwurf und in ihrer Entwicklung berücksichtigt werden.« Analyse des Baustoffzustands Um den aktuellen Bauwerkszustand zu analysieren und Aussagen über den weiteren Verlauf machen zu können, werden verschiedene Modelle, die sowohl Ist-Stand als auch Prog­ nosen aufzeigen, erstellt. Dabei soll durch die Berücksichtigung unterschiedlichster Parameter, die gleichzeitig auf ein Bauteil einwirken, eine integrale Information über die Zustandsänderung erarbeitet werden.

Der Alterungsprozess wird mithilfe von experimentellen und numerischen Untersuchungen von der Mikrostruktur bis zur Bauwerksebene validiert. Dabei werden das mechanische Verhalten von Beton, Stahl und Holz, Phasenübergänge, Temperatur- und Feuchteentwicklung sowie die Stoffausbreitung in Bauteilen berücksichtigt. Anhand des wirklichen Baustoffzustands wird dann eine Prognose ­ermittelt. Ist der reale Zustand nicht zu ermitteln, werden mathematische Berechnungen zu Hilfe gezogen. ­Anhand von ausgewählten Tragwerken und Konstruktionen werden weiterhin Untersuchungen zur Resttrag­ fähigkeit durchgeführt.

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Dauerstandverhalten von Hochleistungsbeton Im Teilprojekt »Auswirkungen von Dauerlasten auf das Tragverhalten von Massivbauteilen« wird das Mate­ rialverhalten von Betonen unter einer Dauerdruckbeanspruchung untersucht. Dauerdruckbeanspruchungen treten z. B. in Bauteilen wie Stützen, Wänden, Biegeträgern und Fundamenten auf und müssen bei der Bemessung berücksichtigt werden. Da bisherige Untersuchungen vorwiegend in den 1950er- und 1960er-Jahren an Normalbeton durchgeführt wurden, wird im Forschungsvorhaben – auch im Hinblick auf die jüngste Weiterentwicklung der Betontechnologie – ein besonderer Fokus auf die Untersuchung von hochfesten Betonen gelegt. Das Dauerstandverhalten soll u. a. an entsprechenden Prüfkörpern in Dauerstandversuchen ­untersucht werden. Hierbei werden auch Einflüsse aus Vorschädigungen und Unstetigkeiten durch eine eingelegte Betonstahlbewehrung berücksichtigt. Ziel ist es, das Dauerstand­ verhalten von Betonen grundlegend zu erforschen und hierauf aufbauend Modelle – auch für die Anwendung in verschiedenen Bauteilsituationen – zu entwickeln.

Alterung und Schädigung erforschen Die Dissertationen befassen sich mit der Zustandsänderung von Baustoffen, der Bewertung des Zustands sowie der Ermittlung der Resttragfähigkeit.

So wird beispielsweise die chemischphysikalische Degradation von Beton

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untersucht oder die Bedeutung von Rissen für die Durchlässigkeit von Beton. Weiterhin spielt die Diffusivität der Zementmatrix eine wichtige Rolle bei der Bewertung der Dauerhaftigkeit. Bei porösen Materialien werden beim Alterungsprozess Mikrorisse, Rissausbreitung sowie das Bruchverhalten erforscht. Numerische Simula­ tionen sollen Erkenntnisse über den Alterungsprozess im Zeitraffer geben.

Neben den Testverfahren zu den Werkstoffen Beton und Stahlbeton werden auch der Alterungsprozess und das Schädigungsverhalten bei Überbeanspruchung der Baustoffe Stahl und Holz erforscht. Kurzberichte aller Dissertationsthemen zur Beanspruchung und Dauerhaftigkeit der

verschiedenen Materialien können auf der Website des Graduiertenkollegs 2075 nachgelesen werden. Weitere Informationen über das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderte Projekt ist bei dem Sprecher Prof. Dr.-Ing. D. Dinkler, Institut für Statik, TU Braunschweig erhältlich.

Bettina Sigmund

Weiterführende Informationen: www.detail.de/research www.tu-braunschweig.de/grk-2075

A Das Graduiertenkolleg 2075 »Modelle für die Beschreibung der Zustandsänderung bei Alterung von Baustoffen und Tragwerken« wurde Oktober 2015 an der Technischen Universität Braunschweig eingerichtet. Träger sind die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), das Land Niedersachsen und die beteiligten Hochschullehrer B, C Betonabplatzungen aufgrund chemischer Einflüsse und Betonstahlkorrosion D Exemplarischer Versuchsaufbau zur Untersuchung des Dauerstandverhaltens von Beton

Partner von DETAIL research:

Förderer und wissenschaftliche Partner: D

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Interview mit Cecil Balmond Gitterstrukturen auf Basis asymptotischer Linien Weit gespanntes Hängedach aus Holz

Zeitschrift für Tragwerksplanung und Architektur Review of Structural Engineering and Architecture

structure Impressum ∂ structure Zeitschrift für Tragwerksplanung und Architektur 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 Business Information GmbH, München.

Geschäftsführung: Karin Lang Redaktion DETAIL structure: (Anschrift wie Verlag, Telefon Durchwahl -84, E-Mail: redaktion@detail.de): Dr. Sandra Hofmeister (Chefredakteurin, V. i. S. d. P.), Sabine Drey (SD), Andreas Gabriel (GA), Jakob Schoof (JS) Johanna Christiansen (JC), Burkhard Franke (BF), Florian Köhler (FLK), ­Andreas ­Ordon (AO), Roland ­Pawlitschko (RP) (freie Mitarbeit) Michaela Linder, Maria Remter (Assistenz) Marion Griese, Simon Kramer, Dejanira Ornelas Bitterer (Zeichnungen) Ralph Donhauser (freie Mitarbeit) Herstellung /DTP: Peter Gensmantel (Leitung), Cornelia Kohn, Andrea Linke, Roswitha Siegler, Simone Soesters Übersetzungen englisch: Raymond Peat Redaktion Produktinformation: Dorothea Gehringer, Katja Reich, ­Rainer Bratfisch (freie Mitarbeit) Tel. (089) 38 16 20-0, Verkauf und Marketing Claudia Langert (Verlagsleitung, V. i. S. d. P.) Medialeistungen und Beratung: Annett Köberlein (Leitung), DW -49 Anzeigendisposition: Claudia Wach (Leitung), DW -24 Tel. (089) 38 16 20-0 Meike Weber, Senior Vice President / Business Development Vertrieb und Marketing: Kristina Weiss (Leitung) Irene Schweiger (Vertrieb), Tel. (089) 38 16 20-37 Auslieferung an den Handel: VU Verlagsunion KG Meßberg 1, 20086 Hamburg Abonnementverwaltung und Adressänderungen: Vertriebsunion Meynen, Große Hub 10, 65344 Eltville, Tel. (0 61 23) 92 38-211, Fax: -212 detailabo@vertriebsunion.de

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Prof. Christoph Ackermann Prof. Dr. Anette Bögle Prof. Dr. Oliver Englhardt Prof. Dr. Stephan Engelsmann Knut Göppert 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- / Ingenieursaufnahmen, Werkfotos oder stammen aus dem ­Archiv DETAIL.

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