Stahl verstehen: Entwerfen und Konstruieren mit Stahl - Ein Handbuch 9783034610490, 9783034602716

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STA H L VERSTEHEN

STA H L VERSTEHEN --entwerfen und konstruieren mit stahl --Terri Meyer Boake Mit Technischen Illustrationen von Vincent Hui

Birkhäuser Basel

Autorin und Verlag danken den Regionalverbänden des Canadian Institute of Steel Construction und der Walters Group für ihre Beteiligung an diesem Buch.

Übersetzung aus dem Englischen

Vertrieb

Steffen Walter

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Lektorat

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ISBN 978-3-0346-0271-6

geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechts. 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Dieses Buch ist auch in englischer Sprache erschienen (ISBN 978-3-0346-0269-3).

© 2012 Birkhäuser GmbH, Basel Postfach, 4002 Basel, Schweiz Ein Unternehmen von ActarBirkhäuser

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inhalt



8 V O R W O R T

42

K APITEL 1

12

T rans f or m ationen i m S tahl b a u

14

D ie E ntwi c kl u n g slo g ik von S tahl u nd m oderner A r c hitekt u r

14

Zugbeanspruchung

K APITEL 4

Ferti g u n g , Monta g e u nd ihre Bede u t u n g f ü r den E ntw u r f

44

45 P ro z esspro f il

: E rweiter u n g des R o y al O ntario M u se u m ( R O M )

15 Industrialisierung und Massenfertigung 15 Normaler Baustahl oder freilie­ gende Stahlkonstruktion 15

V o m V er f ahren z u r T e c hnolo g ie

V o m E ntw u r f z u den vor g e f erti g ten Ba u teilen

46

Physische und digitale Modelle

49

Proportionen

49 Transport und Baustellenabläufe 51 Endmontage der Stahlbauteile 52 Auswirkungen von Witterung und Klima auf die Montage



K APITEL 2 53 Schaffung dauerhafter Stabilität

18



D as Material S tahl

20 K onstr u ktive

E i g ens c ha f ten 21

W ar m g ewal z te S tahlpro f ile

54 Koordination mit anderen Gewerken 55

P ro z esspro f il : L eslie D an Fa c u lt y o f P har m a c y

56

Vorfertigung in der Werkstatt

57 Montage der Pods

22 S tahlhohlpro f ile

58 Montage eines Trägers

24 E insparpoten z iale

58 Montage der Stützen

b ei P lan u n g u nd A u s­ s c hrei b u n g von S tahl

59 Anheben des 50-t-Trägers 60 Anheben der Pods

25

E ntw u r f s - u nd Modellier u n g sso f tware



26

K APITEL 3

62

V er b ind u n g en von S tahl b a u teilen u nd V er f ahren des S tahlskelett b a u s

28

D as P rin z ip des S kelett b a u s

K APITEL 5

Freilie g ende K onstr u ktionen : Ges c hi c hte u nd E ntwi c kl u n g

64

D ie E ntwi c kl u n g von S tahlhohlpro f ilen

64

D ie W eiterentwi c k l u n g von Ba u stahl f ü r f reilie g ende K onstr u k­ t­ionen d u r c h die H i g h T e c h - Bewe g u n g

65

T y polo g ie der f r ü hen H i g h - T e c h - A r c hitekt u r

28 Gr u ndla g en

der V er­ b ind u n g von Ba u teilen

31 R

ah m enver b ind u n g en

31 Träger-Balken-Verbindungen 32

Balken- oder Träger-StützenVerbindungen

66 Typ „Erweiterter Grundriss“

33 Stützenverbindungen

70 Typ „Raster / Feld”

34 Steckbolzenverbindungen

74 Typ „Mast mit Abspannung”

35 D e c kens y ste m e

78

37

A u s g estei f te S y ste m e

38 Fa c hwerktr

ä g ers y ste m e

38 Ebene Fachwerkträger 39 Raumfachwerkträger

V on H i g h - T e c h z u Ba u ­ stahl f ü r f reilie g ende K onstr u ktionen

79 Ba u ph

y sikalis c he P ro b le m e



80

K APITEL 6

Freilie g ende K onstr u ktionen : E ntw u r f u nd D etailplan u n g

82

83

83

85



K APITEL 7

102

Bes c hi c ht u n g , O b er f l ä c hen­ b ehandl u n g u nd Brands c h u t z



124

K APITEL 9

K o m ple x e S tahl konstr u ktionen : D ia g onale Fa c hwerk g itter ( D ia g rids )

N or m aler Ba u stahl u nd Ba u stahl f ü r f reilie­ g ende K onstr u ktionen

104 K orrosionss c h u t z

W as wird u nter Ba u stahl f ü r f reilie g ende K on str u ktionen verstanden ?

105

V or b ereit u n g des S tahls f ü r die Bes c hi c ht u n g

106

W ahl des Bes c hi c ht u n g s u nd A nstri c hs y ste m s

129

Gebäude mit Tragwerken aus Röhrenbündeln

106

Grundierungen

129

Verbundbauweise

106

A nstri c hs y ste m e f ü r f reilie g ende S tahl­ konstr u ktionen

130 Windlastprüfungen

H a u pt f aktoren f ü r die Gestalt u n g K lassen von Ba u stahl f ü r f reilie g ende K onstr u ktionen

105 Brands c h u t z

85 KLASSE AESS 1 – GRUNDELEMENTE

107 Defizite von Farbanstrichen

86 KLASSE AESS 2 – SCHAUELEMENTE

107 Aufbringen von Anstrichen: in der Werkstatt oder auf der Baustelle?

88 Klasse AESS 3 – Schauelemente 89 KLASSE AESS 4 – EXPONIERTE ELEMENTE

108 K orrosionss c h u t z ­

s y ste m e

126 H o c hh 127

108

Verzinkung

131

D ia g onale Fa c hwerk­ g itter ( D ia g rids )

131

Vorteile des Diagonalgitters gegenüber dem biegesteifen Rahmen

132 Hochhäuser mit Diagonalgittern 136 P ro z esspro f il

: Bow E n c an A T ower

110 Wetterfester Stahl

93

111 Edelstahl

93

A n f order u n g en an die a u s b ild u n g von A ns c hl ü ssen Verbindungsmuster

94

Zuschnitt des Stahls

95

W ahl des V er b ind u n g st y ps

139

109 Metallbeschichtung

92 Mischbauweisen

112 Brands c h u t z s y ste m e 112

Brandbekämpfungsanlagen

113

Brandschutz-Spritzputze

113

Beton

113 Dämmschichtbildende Anstriche

97

Gussverbindungen

98

W ahl der Ba u teilt y pen

141 Hybride Bauformen



144

K A PITEL 10

G u ssteile

146 Ges c hi c hte



K APITEL 8

Ge b o g ene S tahl b a u teile

118

99 Standard-Bauprofile 99 Best

P ra c ti c e b ei m Ba u von f reilie g enden S tahlkonstr u ktionen

99 Sorgfältiger Umgang mit Bauteilen 99 Transport

H erstell u n g g e b o g ener V erl ä u f e

118 Bes c hr

ä nk u n g en f ü r die Ferti g u n g g e b o g ener S tahl b a u teile

119

D er Bie g evor g an g

120

A nwend u n g en f ü r g e b o g ene S tahl b a u teile

100 Festlegung von Hebesequenzen 100

Beschränkungen auf der Baustelle

101 Montage

u nd

Ge g enwart

116

98 Hohlprofile

Gekrümmte Diagonalgitterkonstruktionen für niedrige und mittelhohe Gebäude

140 Diagonalgitterkonstruktionen für kristalline Bauformen

95 Schraubverbindungen 96 SchweiSSverbindungen

Gebäude mit diagonal ausgesteifter Röhre

128 Fachwerkband-System

91 SONDERBAUTEILE 92 EDELSTAHL FÜR KONSTRUKTIVE ANWENDUNGEN

ä u ser

122 Fa c ettier u n g

als A lter native z u m Bie g en

123

H erstell u n g von K r ü m m u n g en a u s S tahl b le c hen

147 Gr u ndt

y pen von G u ssver b ind E R N

148 Z u g b eanspr u c hte

V er b ind u n g sele m ente 150 Basisver

b ind u n g en

151 V er

z wei g te V er b ind u n g en

153

P ro z esspro f il : S c ien c e B u ildin g D E R Universit y o f G u elph



K A PI T E L 11

158



Z u g b eanspr u c hte K onstr u ktionen u nd R a u m f a c h werke

160 Z u g b eanspr u c hte

K on -

str u ktionen 161

K A PI T EL 13

202

K o m ple x e R ah m en konstr u ktionen : S tahl u nd H ol z

204 E i g ens c ha f ten

u nd Monta g e

206 O b er

164 Differenzierung der einwirkenden Lasten in Fachwerken

207

V erde c kte S tahl b a u teile

208

P ro z esspro f il : E rweite­ r u n g s b a u der A rt Galler y o f O ntario ( A G O )

167 Einfache Vordachkonstruktionen 168 Konstruktionen mit Seilverspannungen 170 Tensegrity-Konstruktionen

f l ä c hen b ehandl u n g

212 P ro z esspro f il

: E iss c hnellla u f halle R i c h m ond

a u m f a c hwerke

176 UnregelmäSSige Module



216

178

K APITEL 12

S tahl - u nd Glaskonstr u k­ ­­t­ionen

K apitel 1 4

S tahl u nd N a c hhalti g keit

218

S tahl als na c hhalti g er Ba u sto f f

219

D as Zerti f i z ier u n g ss y s te m L eadership in E ner g y and E nviron m ental D e si g n ( L E E D T M )

220

R e c y c lin g u nd W iederverwend u n g

180 Fr ü he

Ba u ten a u s S tahl u nd Glas

181

T e c hnis c he A spekte der K o m b ination von S tahl u nd Glas

220 Recyclinganteil 183 Unterkonstr u ktionen

f ü r V er g las u n g en 184

W ahl des g eei g neten S y ste m s

186

E in f a c he T ra g s y ste m e f ü r V orhan g f assaden

186

E in f a c he T ra g s y ste m e m it W indver b ä nden

187

S eilverspannte Ge b ä u de­ h ü llen m it tra g ender V ollver g las u n g

220 Wiederverwendung von Bauteilen 221 Angepasste Nachnutzung 223 N a c hhalti g keit

f rei­lie g ender S tahl­ konstr u ktionen 223 E m issionsar

me E ntw u r f sstrate g ien

225 Reduzierung des Materialeinsatzes 225 Reduzierung von Anstrichen und Beschichtungen 225 Reduzierung von Arbeitskosten 188 Seilnetzfassaden 189

Punkthalterungen aus Edelstahl

190 Seilbinderkonstruktionen

Zu öffnende Stahl- und Glaskonstruktionen

196 Ge b o g ene

For m en

197 Gitters c halen b a u

226 Reduzierung des Transportaufwandes 227 Dauerhaftigkeit

192 Komplexe Seilkonstruktionen 195

ANHANG

weise

237 Abbildungsnachweis 238 Register technischer Begriffe 240 Register der Bauaufgaben 241

Bautenregister

242 Register der Architekten und Stahlbaufirmen 243 Ortsregister 244

173 Nichtebene Raumfachwerke



S tahl in te m por ä ren A u sstell u n g s b a u ten

236 Literaturhinweise

161 Kreuzverstrebungen

172 R

228

K A PI T E L 15

205 D etailplan u n g 206 Ferti g u n g

Zugverbinder



Über die Autorin und den technischen ILLUSTRATOR

245 Sponsoren

Vo r w o r t Der Hochbau wird zu einem immer komplexeren Fachgebiet und Arbeitsfeld. Architekten und Ingenieure können beim Entwurf der Tragkonstruktion von Gebäuden aus zahlreichen Baustoffen und Bausystemen wählen. Die Grundidee dieses Buches beruht auf der festen Überzeugung von den Vorzügen, die im Verständnis des inhärenten Zusammenhangs zwischen den Materialeigenschaften und dem architektonischen Entwurf liegen. Qualitativ hochwertige Entwürfe orientieren sich am Potenzial der verwendeten Baustoffe und machen es sich als Grundlage der Planung zu eigen. Dabei muss die Auswahl des Materials für die Haupttragkonstruktion am Beginn der Konzeptplanung stehen, die in den Entwurf zu überführen und mit Hilfe der einzelnen Entwurfsziele weiter auszuarbeiten ist. Obwohl Stahl aufgrund seiner Eigenschaften ein hochtechnisches Material ist – von der Planung bis zur Ausführung –, bieten seine Merkmale ein enormes Potenzial für eine dynamische Architektur. Die Verfasserin dieses Buches hält es für wichtiger, dass Architekten ein gutes Verständnis der Art und Ausführung von Stahlkonstruktionen entwickeln, als dass sie Berechnungen durchführen. Gewinn verspricht hierbei die vertiefte Betrachtung von realisierten Beispielen. Darüber hinaus müssen sich Architekten der wichtigen Rolle bewusst sein, die das Stahlbau- und -montageunternehmen bei der Unterstützung des Entwurfs komplexerer Konstruktionen und Details einnimmt. Seit 1983 bin ich als Dozentin für Hochbau an der Architekturfakultät der University of Waterloo in Ontario, Kanada, tätig. Mein Lehransatz beruht wesentlich auf der Untersuchung realisierter Projekte, mit dem Ziel des Verständnisses der ihnen innewohnenden Intentionen, Erfolge und Fehlschläge sowie der Ableitung entsprechender Schlussfolgerungen. Bei der Dokumentation beispielhafter Stahlbauprojekte – so weit möglich auch ihrer Bauphasen – habe ich mit dem Canadian Institute of Steel Construction und der Steel Structures Education Foundation of Canada zusammengearbeitet. Nach Ablauf der Bauphase sind bestimmte Aspekte des Bauprozesses nicht mehr erkennbar, was die Darlegung der Konstruktion eines Gebäudes erschwert. Ein Großteil der Publikationen im Architektur­ bereich bezieht sich auf Gebäude während ihrer Nutzung und enthält nur in seltenen Fällen umfassende Informationen über den Bauprozess. Auch Architekturfotografie zeigt meist die fertiggestellten Gebäude. Die Dokumentation von Bauprozessen kann mehrere Jahre in Anspruch nehmen. In den meisten Fällen stammen Fotos aus der Bauphase von den vor Ort beteiligten Mitarbeitern und sind nicht für eine Veröffentlichung bestimmt. Solche Dokumentationen zu erstellen ist zu meinem persönlichen Anliegen, zu meiner Leidenschaft geworden, um selbst ein Verständnis des Bauprozesses zu entwickeln und es mit jenen zu teilen, die ihn studieren wollen. Während der vergangenen zehn Jahre dokumentierte ich Projekte bekannter Architekten wie Foster + Partners, Frank Gehry, Studio Libeskind, Antoine Predock oder Will Alsop über den größten Teil der Bauphase, von der Grundsteinlegung bis zur Eröffnung des Gebäudes. Diese in meinem Land realisierten Projekte legen in einigen Kapiteln den Schwerpunkt der Beispiele auf Kanada. Sie dienen als Bezugspunkt für die umfassenderen Beschreibungen der Fertigungs- und Montageabläufe. Mein Dank gilt den Stahlbauunternehmen Walters Inc., Benson Steel und Mariani Metal für die Möglichkeit des Besuches ihrer Fertigungsbetriebe sowie den bauausführenden Unternehmen PCL Constructors, EllisDon Corporation, Vanbots und Ledcor für den mir gewährten Zugang zu den Baustellen. Darüber hinaus danke ich Kubes Steel für die Möglichkeit der Besichtigung des Biegebetriebs.

Die groß bemessenen, spezialgefertigten Verbindungen am von Richard Rogers geplanten Terminal 5 des Flughafens Heathrow in London sind Ergebnis einer intensiven Zusammenarbeit zwischen Architekt, Tragwerksplaner, Stahlbau­ unternehmen und bauausführender Firma. – 8

– 9

ZIEL UND ZWECK DIESES BUCHES Das vorliegende Werk soll Architekten eine neue Art der Information über den Baustoff Stahl bieten, die ihnen einen Wissensvorsprung bei der Erfassung und Realisierung des Entwurfspotenzials dieses Materials verschafft. Zwischen den historischen Entwicklungen der Eisen- und Stahltechnologien in den vergangenen 250 Jahren und der Entwicklung der modernen Architektur bis heute besteht eine starke Verbindung: Es  fanden Transformationen statt, deren kurzer Abriss die Darstellung in den folgenden Kapiteln durchzieht. Die Verbindung zwischen bahnbrechenden Innovationen im Bereich Eisen und Stahl und der Vervollkommnung dieser Methoden, wie sie heute die Entwurfs-, Fertigungs- und Montageverfahren prägen, stellt die Grundlage für das Verständnis aller Aspekte des Entwerfens mit Stahl für die Bauaufgaben unserer Zeit dar. Dies ist keine Sammlung von Fallstudien. Viele der beispielhaft herangezogenen Projekte werden verteilt auf die einzelnen Kapitel in ihren jeweiligen Aspekten behandelt. Darüber hinaus enthält das Buch einige detaillierter ausgearbeitete „Prozessprofile“, die im Projektzusammenhang einen umfassenderen Einblick in die Planungs- und Bauabläufe bieten. Ein Schwerpunkt neben der Betrachtung herkömmlicher Rahmenkonstruktionen mit nicht sichtbaren Stahlbauteilen liegt auf freiliegenden Konstruktionen, die wesentlich erhöhte Anforderungen an den Architekten stellen, der sich nun am Entwurf und der Ausführungsplanung der Systeme und Anschlüsse beteiligen muss. Fotoaufnahmen Die Fotoaufnahmen stammen in ihrer Mehrzahl von der Verfasserin (sofern kein anderer Bildnachweis angegeben ist). Architektur ist nur über die konkrete Erfahrung erfassbar – einzelne Aufnahmen aus „klassischer“ Perspektive führen zu keinem umfassenden Verständnis eines Gebäudes. Die gewählten Ansichten und die Darstellung einer breiten Palette bekannter und weniger bekannter Projekte sollen neue, andersartige Einblicke in die Stahlbauweise ermöglichen. Dabei kommt es vor allem auf die Details an. Daher führen die Aufnahmen den Leser möglichst nahe an den Gegenstand heran und damit hoffentlich an ein besseres Verständnis des Prozesses und der Abläufe beim Planen und Entwerfen mit Stahl. Das Buch beruht auf meiner unmittelbaren Erfahrung mit Gebäuden in Stahlbauweise. Von Orten und Projekten, die ich besucht habe, spreche ich lieber, als von den Erfahrungen Anderer. Meine Fotoaufnahmen legen den Schwerpunkt auf Aspekte, die sich in anderen Bildern häufig nicht wiederfinden. Viele der Fotos stammen aus meiner bestehenden, zu Lehrzwecken angelegten Sammlung. In ihrem internationalen Bestand wurde sie noch einmal bedeutend erweitert, um den weltweiten Stand der Technik im Stahlbau besser abbilden zu können. Zeichnungen und andere Abbildungen Für die Stahlbauweise sind Zeichnungen mit relativ hohem Detaillierungsgrad zu erstellen, um die am Projekt Beteiligten mit den erforderlichen Informationen zum Entwurf der Konstruktion und der Verbindungen zu versorgen. Zahlreiche im vorliegenden Werk enthaltene Abbildungen wurden von Herstellern zur Verfügung gestellt, die an der Ausführung vieler der dargestellten Projekte beteiligt waren. Diese Abbildungen veranschaulichen die verschiedenartigen Vorgehensweisen, die bei der Weitergabe von Daten zur Detaillierung von Stahlkonstruktionen und zur Integration anderer Bausysteme angewandt werden. Sofern keine entsprechenden Zeichnungen oder Fotos zur Verfügung standen, erstellte Vincent Hui Abbildungen mit ausführlicheren Darstellungen und gegebenenfalls technischen Daten zu einem bestimmten Gebäude bzw. einer Bauweise. Auf die Angabe von Maßen und Größen konnte in den im vorliegenden Werk enthaltenen Abbildungen zu den einzelnen Projekten verzichtet werden, weil sie in erster Linie dem konzeptionellen Verständnis der für die Gebäude genutzten Bausysteme und Anschlussdetails dienen sollen.

– VORWORT

DANK Die Publikation des vorliegenden Werks wurde durch die großzügige Unterstützung der Walters Inc. Steel Fabricators und der im Canadian Institute of Steel Construction vertretenen Regionen ermöglicht. Besonderer Dank gilt Vincent Hui und Sam Ghantous von der Ryerson University in Toronto für die Erstellung der technischen Abbildungen dieses Buches. Das Schreiben dieses Buches war Kulminationspunkt der 30 Jahre Wissen und Erfahrungen, die ich beim Entwurf und bei der Realisierung von Stahlbauten erwerben konnte. Diese Entwicklung begann mit dem Architekturstudium Ende der 1970er und Anfang der 1980er Jahre, als ich nach Paris reiste und dort das gerade errichtete Centre Pompidou aus nächster Nähe betrachten konnte. Mein Interesse an der High-TechBewegung, historischen Bauten aus Gussstahl und dem gerade aufkommenden Bauen mit freiliegendem Stahl führte mich auf einen Weg, auf dem ich mir Wissen über architektonisch herausragende Stahlbauten aneignen und ein umfangreiches Bildarchiv aufbauen konnte. Im Laufe der Jahre versuchte ich, jedes dieser Gebäude selbst zu besichtigen und es aus meiner persönlichen Perspektive zu dokumentieren. Natürlich konnten meine Studenten nicht all diese Orte besuchen. Ich versuchte jedoch, ihnen einen individuelleren Blick auf die Architektur zu vermitteln, wie er sich in den üblichen Publikationen zum Stahlbau und zu Bautechniken nicht findet. Ende der 1990er Jahre begann ich mit einer Forschungstätigkeit, die vom Canadian Institute of Steel Construction (CISC) und der Steel Structures Education Foundation unterstützt wurde. Die von diesen Einrichtungen finanzierte, von mir betriebene Forschung bot weitere Möglichkeiten, zu einem umfassenderen Verständnis der Auswirkungen der Fertigung und Montage auf den Entwurf und die Detailplanung zu gelangen und mich dabei intensiver mit konkreten Bauvorhaben vertraut zu machen. Mein Dank gilt Mike Gilmor, Dave MacKinnon und Hugh Krentz für diese mir übertragenen interaktiven Bildungsprojekte. Die Beteiligung am Ausschuss für freiliegende Stahlkonstruktionen und die Erarbeitung eines Leitfadens „CISC Guide for Specifying Architecturally Exposed Structural Steel“ für deren Ausschreibung schufen die Grundlage für die im vorliegenden Buch enthaltenen weiterführenden technischen Betrachtungen. Ohne die Unterstützung durch Sylvie Boulanger, Walter Koppelaar und Tim Verhey wäre es mir nicht annähernd möglich gewesen, ein solch tiefes Verständnis des Stahlbaus zu entwickeln und die damit verbundenen praktischen Erfahrungen zu sammeln. Als Ingenieurin ergänzt Sylvie Boulanger meine Tätigkeit auf hervorragende Weise und hat mir bereitwillig ihr umfangreiches Wissen vermittelt. Walter Koppelaar hat mir stets Mut zugesprochen, mir Zugang zu seinem Fertigungsbetrieb gewährt und die – nicht immer einfach zu organisierende – Besichtigung zahlreicher Baustellen ermöglicht (OCAD, ROM, Leslie Dan, Guelph Science Building, Bow Encana Tower, Canadian Museum for Human Rights). Ohne diese Eindrücke, die ich aus erster Hand während der Bauphase gewinnen konnte, hätte ich meinen Wissens- und Erfahrungsschatz nicht über den eines gewöhnlichen Dozenten hinaus erweitern können, und mein Bildarchiv wäre wesentlich kleiner. Tim Verhey versorgte mich immer wieder mit äußerst detaillierten technischen Erläuterungen, die sich vielfach in diesem Buch wiederfinden. Zu Dank verpflichtet bin ich ebenfalls Rob Third und Ziggy Welsch von der Firma George Third and Son Fabricators, Steve Benson von Benson Steel, Vince Mariani von Mariani Metal und John Rogers von der Firma Kubes Steel. Die von ihnen gelieferten Informationen und Bilder sind ebenso wie die Betriebsbesichtigungen und die dabei gewonnenen Einblicke im vorliegenden Werk umfassend dargestellt. Mein Dank gilt den Studierenden und Mitarbeitern an der Architekturfakultät der University of Waterloo. Dort bin ich seit 1986 in Vollzeit als Dozentin tätig. Sie haben mich in meiner Arbeit stets bestärkt. Vielen Dank auch an Reinhold Schuster, meinen ehemaligen Professor für Konstruktionslehre, der mein Interesse am Stahlbau und an der Lehrtätigkeit förderte, sowie an Ed Allen für die Anregung, dass Lehrmaterialien „mehr“ sein können. Des Weiteren gilt mein Dank meinem Lektor Andreas Müller. Er hat dieses Buch „in mir gesehen“ und die Arbeit daran zu einem großen Vergnügen gemacht. Vielen Dank an Andreas und seine Frau Barbara, die mich während der Dokumentation und des Lektorats in Berlin bei sich aufnahmen. Darüber hinaus hat Rein Steger hervorragende Arbeit beim Layout geleistet. Vielen Dank an Steffen Walter für die Über­ tragung ins Deutsche. Zu guter Letzt danke ich meiner Familie dafür, dass sie mich während des vergangenen Jahres „ertragen“ hat, als ich gewissermaßen „im Buch lebte“ – ein Jahr voller Freude, ein Jahr des Schreibens und des Reisens. Mein Dank gilt meinen Töchtern Alex und Sierra für die Begleitung auf meinen Europa- und China-Reisen, auf denen ich mein Bildarchiv erweitern konnte, sowie meinem Mann Brian, mit dem ich in die Vereinigten Arabischen Emirate reiste, um dort einige spektakuläre Bauwerke zu besichtigen. Meiner Tochter Elanne danke ich dafür, dass sie meine vielfache lange Abwesenheit so großzügig in Kauf nahm.

– 11

K APITEL 1 ---

T rans f or m ationen i m stahl b a u --DIE ENTWICK LUNGSLOGIK VON STA HL UND MODERNER ARCHITEKTUR ZUGBEANSPRUCHUNG INDUSTRIALISIERUNG UND MASSENFERTIGUNG NORMALER BAUSTAHL ODER FREILIEGENDE STAHLKONSTRUKTION

VOM V ER FA H R EN ZU R T E C H N O L O G I E

Oriental Pearl Tower und die Skyline von Shanghai, gesehen vom Huangpu-Fluss. Der Wandel der Architektur beruht auf der Nutzung der Potenziale von Stahl als Baustoff und tritt in der futuris­ tisch anmutenden Skyline zutage. Ob Stahlskelettkonstruktion oder mit Stahl bewehrter Beton: Die Potenziale der Materialität und der konstruktiven Eigenschaften von Stahl bilden die Grundlage der architektonischen Lösungen.

Die Entwicklung der konzeptionellen Ansätze, die dem architektonischen Entwerfen in den vergangenen 300 Jahren zugrunde lagen, offenbart einen inhärenten Zusammenhang von Form und Theorie der Architektur mit dem Auftreten neuer Baustoffe, mit der technologischen Weiterentwicklung verfügbarer Materialien und mit dem Fortschritt bei der Begrenzung von Umweltauswirkungen. Gering ist der Anteil der Veränderungen, die nicht auf den Einfluss neuer Technologien zurückzuführen sind. Die Transformationen aufgrund der Verwendung von Stahl als Hauptbaustoff haben den gesamten Verlauf des Architektur- und Baugeschehens erfasst. In nahezu jeder Stadtlandschaft, jedem Großprojekt findet sich dieses Material. Stahl hat die Art und Weise, in der wir Gebäude entwerfen, grundlegend verändert. Konstruktionen können entworfen werden, die zuvor nur in der Vorstellungskraft existierten und „Visionären“ vorbehalten waren. Dennoch vermögen viele praktizierende Architekten das Potenzial des Baustoffs Stahl noch nicht in vollem Umfang auszuschöpfen. Es fehlt am Verständnis und in der Folge bei den Anwendungen in der konstruktiven Durchbildung - vom Entwurf über die Vorfertigung bis zur Montage. Dabei hat Stahl im Zuge seiner Wandlung vom herkömmlichen verdeckten Einbau zur Sichtbarmachung und Nutzung als architektonisches Gestaltungsmittel eine zusätzliche Verlagerung vom Bauingenieurwesen hin zur Architektur erfahren. Mit der im 18. und 19. Jahrhundert in Frankreich und England aufkommenden Eisenbauweise ging eine zunehmende Aufspaltung der Fachgebiete des Architekten und des Ingenieurs einher, die zugleich zu einer Trennung, in Architekturtheorie und -lehre, im Hinblick auf die Anerkennung und Nutzung des Baustoffs führte. Die Berechnung und Ausführungsplanung von Eisenkonstruktionen gehörte nunmehr zu den Aufgaben des Ingenieurs, da Eisen im 18. Jahrhundert zunächst üblicherweise für Brücken, Fabrikhallen und überdachte Einkaufspassagen verwendet wurde, Bautypen, die nur in seltenen Fällen von Architekten entworfen wurden. Der Baustoff war kontrovers; in der Folge wurde Eisen zunächst als Industriewerkstoff eingeordnet. Selbst J. N. L. Durand von der École Polytechnique, die als Bildungseinrichtung für Architektur im Vergleich zur École des Beaux-Arts eher technisch orientiert war, lehnte Eisen als Baustoff ab. Und doch wurde sein Grundlagenwerk Précis des Leçons mit dem darin begründeten „mécanisme de la composition“ wegweisend für ein rationalisiertes Raster, das die anerkannten klassischen Symmetrielinien des Beaux-Arts-Ansatzes integrierte, darüber hinaus aber nachfolgend die Industrialisierung und Standardisierung von Architektur ermöglichte – Merkmale, die der Eisen- und Stahlbauweise im besonderen und der Massenproduktion bzw. modularen Fertigung im allgemeinen in hohem Maße entsprachen.

DIE ENT W ICK LUNG S L OG IK VON STA HL UND MODERNER ARCHITEKTUR Der architektonische Entwurf steht in enger Verbindung mit den für Tragwerk und Verkleidung gewählten Materialien und Systemen, und des Weiteren mit der dem Baustoff eigenen Festigkeit und seinen Leistungsmerkmalen. Es besteht ein tiefer innerer Zusammenhang zwischen den Merkmalen des gewählten Baustoffs und der Entwurfsaufgabe. Die Materialauswahl muss parallel zur Entwicklung der Idee, des Entwurfskonzeptes erfolgen. Architektonisch herausragende Projekte sind das Ergebnis solchen ganzheitlichen Denkens. Die Erfindung des Eisens und nachfolgend des Stahls führte zu einem vollständigen Wandel sowohl des Entwurfsprozesses als auch seines Ergebnisses. Die in Architektur und Ingenieurwesen in den vergangenen 250 Jahren erzielten Fortschritte trugen wesentlich zum heutigen Verständnis des Baustoffs Stahl und zu seiner Nutzung für den architektonischen Entwurf bei. Aus der historischen Entwicklung resultierende Veränderungen beeinflussen nach wie vor die Art und Weise, in der Architektur heute geplant und entworfen wird. Dies gilt insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, für das Bauen und Entwerfen mit Stahl. ZUGBEANSPRUCHUNG Vor dem Beginn des „Eisenzeitalters“ wurden Bauten auf Druckbeanspruchung bemessen. Dagegen zeigt Stahl aufgrund seiner Eigenschaften eine besonders hohe Leistungsfähigkeit unter Einwirkung von Zugkräften. Kein anderer häufig verwendeter Baustoff bietet auch nur annähernd diesen konstruktiven Vorteil. Vor den frühen Gebäuden aus Eisen gibt es keine nennenswerten konstruktiven oder architektonischen Beispiele für Entwürfe, die bewusst das Verhalten des Baustoffes unter Zugbelastung nutzten.

– TRANSFORMATIONEN IM STAHLBAU

INDUSTRIALISIERUNG UND MASSENFERTIGUNG Eisen und Stahl sind sehr gut für industrielle Fertigungsprozesse und Massenproduktion geeignet. Diese Eigenschaften hatten schon immer wesentlichen Einfluss auf den Entwurf, die Vorfertigung und die Errichtung von Stahlbauten. Architekten müssen sich in größerem Maße als bei anderen Baustoffen mit der Feinplanung des Bauablaufs vertraut machen. Sie müssen ein Verständnis der Verfahren der Stahlfertigung und -montage entwickeln, um einen erfolgreichen und praxisgerechten Entwurf mit diesem Material zu ermöglichen. NORMALER BAUSTAHL ODER FREILIEGENDE STAHLKONSTRUKTION In Gebäuden kann Stahl in zwei verschiedenen Formen eingesetzt werden. Entweder erfüllt er eine rein konstruktive Aufgabe und ist nicht sichtbar, oder er dient als freiliegender Baustoff auch der architektonischen Gestaltung. Nicht sichtbarer Stahl ist mit der gebotenen Wirtschaftlichkeit so zu bemessen, dass er die angreifenden Lasten abtragen kann. Freiliegende Stahlkonstruktionen sind darüber hinaus so zu konzipieren, dass sie dem Gebäude eine dynamische, lebendige Ästhetik verleihen. Bei herkömmlichem Baustahl ist das Projektteam lediglich in begrenztem Umfang am Entwurf der Stahlkonst­ ruktion beteiligt. Freiliegender Stahl mit gestalterischem Anspruch erfordert dagegen vom Architekten nicht nur ein Verständnis der konstruktiven Aspekte von Lastverläufen und Arten von Tragwerken, sondern auch ein hinreichendes Maß an Erfahrung im Entwurf fertigungstechnisch möglicher Anschlüsse. Der Architekt muss darüber hinaus den Gesamteinfluss der sich ergebenden Fertigungs- und Montageprozesse auf die Durchführbarkeit und Wirtschaftlichkeit des Projekts berücksichtigen. Dies kann unter dem Begriff „Best Practices“ gefasst werden.

Die Bibliothèque Ste. Geneviève in Paris, entworfen von Henri Labrouste, zeigt

V O M V E R F A H R E N ZU R T E C H N O L O G I E

die neue Leichtigkeit der Konstruktion, die durch die Einführung von industriell

Auf den raschen technologischen Fortschritt, zu dem es ab dem frühen 18. Jahrhundert kam, ist die wis-

hergestelltem Gusseisen ermöglicht

senschaftliche Unterscheidung von konstruktiven und baustofftechnischen Neuerungen aus dem Geist

wurde. Labroustes Werk begründete eine neue Typologie, die heute als „konstruk­

der „Technologie“ gegenüber dem „Verfahren“ anwendbar. Technologie betreibt die wissenschaftliche

tiver Rationalismus“ bezeichnet wird.

Untersuchung eines Bereiches bzw. einer Fragestellung. Entsprechende Studien werden in größerem Maße

Hier wurde das Konzept der massenge­

erst seit Beginn der industriellen Revolution und dem damit verbundenen Aufkommen komplexer mathe-

fertigten und nachfolgend zusammen­

matischer, naturwissenschaftlicher und ingenieurtechnischer Untersuchungen durchgeführt. Mit diesen

gefügten Architektur erstmalig angewandt.

Mitteln eröffnete die Wissenschaft ein Versuchsfeld für immer zuverlässigere Voraussagen. Technologie schafft eine größere Sicherheit beim Entwurf von Bauwerken nach präzisen Vorgaben sowie eine höhere Geschwindigkeit bei Dokumentation und Bauausführung. Auf der anderen Seite verhelfen Verfahren zu Wissen und Kenntnissen, die aus Versuch und Irrtum, also aus nichtwissenschaftlichen Experimenten gewonnen werden. Die Technologie baut jedoch auf dem Verfahren als Ausgangspunkt für Studien und Feld für Experimente auf. An die Architekturgeschichte und ihren Zusammenhang mit der transformierenden Wirkung der Eisen- und Stahlbauweise sind vier wichtige Fragen zu stellen: → Wori n besta nden die dem Baustoff Sta hl eigenen kon str u ktiven Vorteile, u nd au f welche Weise beei n flussten sie den architektonischen Entw u rf?

→ Wie ka m es au fgr u nd der Sta hlbauweise zu ei nem Wa ndel der ph ysischen For m gebu n g u nd da mit des A rchitektu rstils?

→ Au f welche Weise verä nderte die Sta hlbauweise u n sere Bautätig keit u nd da mit auch die hi nter i h r stehenden Entw u rfsverfa h ren?

→ Welche realisierten Projekte stellen g ültige Referenzen dar, au f deren Gr u ndlage die For men sprache des Sta hlbaus weiterzuentwickeln ist?

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Die Methodik der Stahlskelett-Elementbauweise und die Durchbildung von Anschlüssen, die in Bauwerken des konstruktiven Rationalismus des 19. Jahrhunderts und nachfolgend in der High-Tech-Architektur sichtbar ist, wird nach wie vor kontinuierlich weiterentwickelt und vervollkommnet. Sie bildet einen der ästhetischen Orientierungspunkte freiliegender Stahlkonstruktionen. Das ihr zugrunde liegende, auf industriellen Verfahren beruhende Bausystem führt auch dazu, dass die Stahlbauweise im Vergleich zum Ortbeton wirtschaftlicher und kostengünstiger ist. Stahl wurde als konstruktiver Baustoff zum Sinnbild der Technologie und der Moderne des 20. Jahr-

Eines der hervorstechenden Merkmale

hunderts. Als neues Material für Tragkonstruktionen mit enormer Zugfestigkeit ermöglichte Stahl den

des Stahls ergibt sich unmittelbar aus

Entwurf von leichter, geradezu „schwebender“ Architektur, die durch zusätzliche Massen vor dem sprichwörtlichen „Abheben“ bewahrt werden musste. Wenn es Stahl nicht gäbe, wären wir zurückge-

seiner unvergleichlichen Zugfestigkeit: seine Eignung für die Planung auskra­ gender Bauteile. Das von Morphosis

worfen auf eine erdverbundene, auf Druckbeanspruchung abgestellte Formensprache. Es waren die

Architects entworfene Studentenwohnheim

hervorragenden Zugeigenschaften des Stahls, die die vorgängige Entwurfspraxis für Stahlbetonbauten

(Graduate Residence) der University of

dazu herausforderte, aus der reinen Bemessung auf Druck herauszutreten, und die zur Entwicklung

Toronto in Ontario bedient sich dieser

der Zugbewehrung, der Vorspannung und einer konstruktiven Sprache voller Vorstellungskraft und Fantasie führten.

Eigenschaft des Stahls für die weit über die Straße ragende Namenstafel.

Bahnbrechende Innovationen in der jüngsten Geschichte des Stahlbaus haben die Schwerpunkte des Entwerfens und nachfolgend auch der Architekturtheorie verschoben. Die britische High-Tech-Bewegung konnte sich auf die Neuentwicklung von Stahlrohren stützen, deren Form die Struktur und das Erscheinungsbild dieser neuartig gestalteten, freiliegenden Stahlverbindungen veränderte. Aus dieser Bewegung entstand dann die zur architektonischen Gestaltung verwendete freiliegende Stahlkonstruktion in ihrer heutigen Ausprägung. Bei dieser Art der konstruktiven Formgebung ist der Architekt besonders gefordert, da er sich in zunehmendem Maße mit dem Entwurf, der Detaillierung und der Ausführung der Stahlkonstruktionen auseinandersetzen muss. Dies bezieht sich auf die ingenieurtechnische Seite solcher Formen, aber auch auf die aus ihrer Fertigung erwachsenden Versprechen und realen Gegebenheiten. Wenn Mies davon sprach, dass „Gott im Detail“ sei, so blickte er damit wohl schon über den strengen Formalismus der Stahlbauten der frühen Moderne hinaus auf die bunte Ausdrucksvielfalt von heute. Bausysteme aus Eisen, Stahl und Glas sind durch ihre parallele Entwicklungsgeschichte eng miteinander verbunden. Frühe Typologien von Ausstellungsgebäuden, Einkaufspassagen und Galerien beruhten darauf, dass mit den neu entwickelten Eisen- und Stahl­ skelettsystemen in zunehmendem Maße Glas zur Nutzung des Tageslichts im Gebäude eingesetzt werden konnte. Die Entwicklung von punktgehaltenen Edelstahl-Anschlüssen, kabelverspannten Konst­ ruktionen und selbsttragenden Verglasungssystemen für Projekte wie die von Peter Rice entworfenen Gewächshäuser der Cité des Sciences in La Villette oder das Willis Faber Dumas Building von Sir Norman Foster haben das Konzept und die Ausführung der „gläsernen Box“ der Moderne mit ihrer Abhängigkeit von herkömmlichen Vorhangfassadensystemen für immer verändert. Und in jüngster Zeit haben Stahlgitterkonstruktionen wie die von Massimiliano Fuksas konzipierte Messe in Mailand oder das Dach des Innenhofs des British Museum von Sir Norman Foster das Entwerfen mit Stahl aus der festgefügten Geometrie platonischer Körper befreit.

Der Führungsmonteur bei der Montage eines eng eingepassten Stahlbauteils des Diagonalgitters am vom Studio Libes­ kind entworfenen Erweiterungsbau des Royal Ontario Museum, Michael Lee-Chin Crystal, in Toronto, Ontario.

– TRANSFORMATIONEN IM STAHLBAU

Entworfen von Santiago Calatrava, veranschaulicht Brookfield Place in Toronto, Ontario, das Potenzial anspruchs­ voller freiliegender Stahlkonstruktionen.

Das von Helmut Jahn konzipierte Neue Kranzler-Eck in Berlin verdeutlicht die Dynamik, die durch die Verbindung von sichtbarem Stahl mit Glasfassaden entstehen kann.

Der Pritzker Pavilion in Chicago, Illinois, entworfen von Frank Gehry, verkörpert das expressive Potenzial und die bauli­ chen Herausforderungen des Einsatzes gebogener Stahlkonstruktionen.

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K APITEL 2 ---

D as Material S tahl --KONSTRUKTIVE EIGENSCHAFTEN W A R MG E W A L Z T E S T A H L P R O F I L E STA HL HOHL PROFIL E WIDERSTANDSSCHWEISSEN QUADRATPROFIL-FORMWALZEN MIT VERSCHWEISSUNG

EINSPA R POTENZI A L E BEI PL A NUNG U N D A U S S C H R E I BU N G V O N S T A H L ENTWURFS - UND M O D E L L I E R U N G S S OF T WA R E

Stahl wird in vielen verschiedenen Formen hergestellt. Die Verfügbar­ keit von Bauteilen unterscheidet sich je nach Land oder Region.

KONSTRUKTIVE EIGENSCHAFTEN Jeder Baustoff zeigt ein für ihn typisches Verhalten. Dabei beruhte der technologische Fortschritt in der Architektur auf der Entdeckung der vorteilhaftesten Eigenschaften des jeweiligen Materials. Stahl weist aufgrund seiner Struktur eine besonders hohe Leistungsfähigkeit unter Einwirkung von Zugkräften auf. Kein anderer häufig verwendeter Baustoff bietet auch nur annähernd diesen konstruktiven Vorteil.

Vergleich der Bruchgrenzen: Herkömmlicher Kohlenstoffstahl: 400 MPa Hochfester Stahl: 760 MPa Edelstahl: 860 MPa Spannlitzen aus Stahl: 1.800 MPa Schmiedeeisen: 234-372 MPa Gusseisen mit 4,5 % Kohlenstoff: 200 MPa Holz (Kiefer): 40 MPa Marmor: 15 MPa Für Beton wird eine nicht nennenswerte Zugfestigkeit angegeben.

Die Festigkeit von Stahl wird durch seine Bruchfestigkeit bestimmt. Diese stellt die Höchstspannung dar, die ein Baustoff unter Zug oder Dehnung aufnehmen kann, bevor es aufgrund einer erheblichen Kontraktion des Querschnitts des Probekörpers zur Einschnürung kommt. Die Zugfestigkeit hängt vom Kohlenstoffgehalt des Stahls sowie von eventuell enthaltenen Legierungen ab. Stahltragwerke werden überwiegend aus normalem Kohlenstoffstahl gefertigt. Dieser Stahl ist geeignet für Schweiß- und Schraubverbindungen und wird in vielen Fällen sowohl für nicht sichtbare Tragkonstruktionen als auch für freiliegende konstruktive Anwendungen eingesetzt. Hochfester Stahl wird meist für große Spannweiten verwendet, um das vom Tragglied aufzunehmende Eigengewicht und damit den Materialverbrauch zu reduzieren sowie die Gesamtabmessungen der konstruktiven Bauteile zu verkleinern. Edelstahl verfügt über eine höhere Festigkeit, ist aber aufgrund des Einsatzes von Legierungen teurer und erfordert während seiner Herstellung einen höheren technischen Aufwand. Daher wird er in der Regel nur dann eingesetzt, wenn der Stahl in hohem Maße Umwelteinwirkungen ausgesetzt ist. Stahl kann entweder in einem integrierten Hüttenwerk im LD-Verfahren (Linz-Donawitz-Verfahren bzw. Sauerstoffblasverfahren) oder auf einer Kleinanlage mit Hilfe eines Lichtbogenofens hergestellt werden. Im Lichtbogenofen kann ein höherer Anteil an Stahlschrott verarbeitet werden (siehe Kapitel 14 „Stahl und Nachhaltigkeit“ mit weiteren Angaben). Bei beiden Verfahren wird im Prozess ein bestimmter Anteil Roheisen zugegeben. Auf beiden Anlagentypen können warmgewalzte Profile, Flach- und Rundstähle hergestellt werden. Herkömmlicher Konstruktionsstahl ist als solcher nicht korrosionsbeständig. Er ist daher bei Anwendung unter hoher Feuchtigkeit oder in aggressiven Umgebungen auf geeignete Weise zu schützen. Edelstahl und wetterfester Stahl verfügen über modifizierte chemische Eigenschaften, so dass sie auf jeweils verschiedene Weise aufgrund ihrer Zusammensetzung gegen schädliche Korrosionseinwirkung beständig sind (siehe Kapitel 7 „Beschichtung, Oberflächenbehandlung und Brandschutz“ mit weiteren Angaben).

– DAS MATERIAL STAHL

W A R MG E W A L Z T E S T A H L P R O F I L E Im Warmwalzprozess werden Stahlprofile in einer Reihe von Formen hergestellt, die nach ihren Querschnittseigenschaften unterschieden werden können, beispielsweise nach Außenabmessungen, Stegund Flanschdicken oder Gewicht je laufendem Meter. Je nach Nachfragesituation, Fertigungskapazität und Orientierung an britischen oder SI-Einheiten können sich die Abmessungen der weltweit von Stahlwerken angebotenen Erzeugnisse unter Umständen geringfügig unterscheiden. Der Transport der Stahlbauteile vom Stahlwerk zum Fertiger und nachfolgend auf die Baustelle beeinflusst wesentlich die Kosten des Produkts. Durch Importe besonders geformter Profile kann sich diese Situation noch ungünstiger gestalten; darüber hinaus kommt es im Projektablauf möglicherweise zu Verzögerungen. Der Transport wirkt sich des Weiteren auf die Einstufung des Bauwerks als mehr oder weniger nachhaltig aus, daher kommt es auch hier auf die Nähe zum Fertigungsbetrieb an. Warmgewalzte Stahlprofile erhalten ihre Form auf Walzen. Bei der Fertigung von Stahlbauteilen ist darauf zu achten, dass die inneren „Ecken“ (Stöße von Steg und Flansch) ausgerundet sind. Bezeichnungen, Abmessungen und Verfügbarkeit warmgewalzter Stahlprofile unterscheiden sich weltweit. Daher wird dringend empfohlen, diese Angaben in der für das Bauvorhaben maßgeblichen Region zu prüfen. Links: Die innenliegende Ecke und die Außenkanten der abgebildeten gleich­ schenkligen Winkelstähle weisen eine Ausrundung auf. Rechts: Der Walzprozess zur Herstellung dieser Trägerprofile hat zu einer Abschrä­ gung der Flansche geführt.

Wenn Abmessungen die Kapazitätsgrenzen des Walzwerks überschreiten, dann müssen diese Bauteile nachfolgend aus Stahlblechprofilen zusammengefügt werden. In diesem Fall werden die größtmöglichen Profilmaße von den verfügbaren Blechdicken bestimmt. An den Anschlüssen der Bleche sind nach dem Schweißen durchlaufende Nähte sichtbar. Dieses große Bauteil wird aus 150-mmStahlblechen verschiedener Dicke zusammengefügt, um die gewünschten Abmessungen zu erreichen.

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STA HL HOHL PROFIL E Seit dem Ende der 1970er Jahre haben Stahlhohlprofile das Erscheinungsbild und die Detaillierung von Stahlkonstruktionen entscheidend verändert. Dies gilt insbesondere für freiliegende Tragwerke. Die üblicherweise verwendeten Hohlprofile werden in quadratischen, rechteckigen oder kreisrunden Querschnitten hergestellt. Seit kurzem werden auch elliptische Elemente angeboten, wenngleich die Zahl der Abmessungen und der Werke mit entsprechender Fertigung begrenzt sind. Die Außenabmessungen unterscheiden sich je nach Kapazität des Stahlwerks. In der Regel müssen Profile mit einem Durchmesser von mehr als 400 mm einzeln bestellt werden. In manchen Fällen werden diese mit spiralförmig verlaufenden Schweißungen gefertigt. Dies ist vor Auftragserteilung zu prüfen, sofern solche Schweißnähte für das Projekt aus ästhetischer Sicht nicht akzeptabel sind. Stahlhohlprofile sind von mechanischen Rohren zu unterscheiden. Hohlprofile werden üblicherweise durch Walzen/Umformen und Schweißen von Stahlblechen (mit durchlaufender Naht) hergestellt, während Rohre in einem Strangpressvorgang gefertigt werden und deshalb keine Nähte aufweisen. Mechanische Rohre bestehen aus anderen Stahlsorten, was zu veränderten konstruktiven und schweißtechnischen Eigenschaften führt. Darüber hinaus sind Rohre ausschließlich mit kreisrundem Querschnitt verfügbar und weisen eine Oberfläche auf, deren Merkmale von Kohlenstoffstahl abweichen, so dass die Kombination unterschiedlicher Materialien für freiliegende konstruktive Bauteile das Erscheinungsbild möglicherweise negativ beeinflusst, da die unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheit auch nach dem Aufbringen üblicher Farbanstriche sichtbar bleibt. Die Oberfläche von Rohren entspricht eher der Textur von Gussstahl. Sie werden daher häufig mit Gussteilen kombiniert (siehe Kapitel 10 „Gussteile“). Rohre können in erdbebengefährdeten Gebieten nicht eingesetzt werden. Zur Herstellung von Hohlprofilen dienen drei Verfahren. Die beiden verbreitetsten Prozesse sind das Widerstandsschweißen und das Quadratprofil-Formwalzen mit Verschweißung. Widerstandsschweissen Hohlprofile werden aus Stahlblechen gefertigt, die auf großen Coils aufgerollt sind. Das Blech wird vom Coil abgewickelt und läuft über eine Reihe von Walzen, die es zu einem kreisrunden Querschnitt umformen. Diese Röhre wird dann auf einer entsprechenden Anlage mit einer durchlaufenden Schweißnaht am Stoß versehen. Die Randbereiche des Bandstahls werden durch Hochfrequenzinduktion oder Kontaktschweißung erwärmt und nachfolgend mittels Schweißrollen zusammengefügt, um so eine durchlaufende Längsschweißnaht zu erzeugen, ohne dass Füllmetall zugegeben werden muss. Nachdem sie durch Schweißung in eine kreisrunde Form gebracht wurden, werden die Röhren über weitere Rollen geleitet, die rechteckige oder quadratische Formen erzeugen. Diese Profile werden dann auf die erforderlichen Längen zugeschnitten. Die Breite des Stahlbleches bestimmt den größtmöglichen Umfang der Röhrenform. Vor der Aufnahme sehr großer Röhrendurchmesser in die Planung sollte daher das lokal verfügbare Größtmaß ermittelt werden. Links: Zur Herstellung von Hohlprofil­ querschnitten wird Stahlblech von der Rolle eingesetzt. Die Breite des Bleches bestimmt den Umfang der Röhre. Rechts: Die runde Hauptform des Stahlhohlprofils wird vor Aufbringen der Schweißnaht durch eine Reihe von Rollen erzeugt.

– DAS MATERIAL STAHL

Die hier abgebildeten rechteckigen

QUADRATPROFIL-FORMWALZEN MIT VERSCHWEISSUNG

Stahlhohlprofile verfügen über eine relativ

Dieses Verfahren wird ausschließlich für Bauteile mit quadratischem Querschnitt eingesetzt. Dabei

dicke Wandung, so dass die Profilecken einen größeren Radius als bei der

geht man von einem langen Flachblech aus. In der Schweißanlage befinden sich Umformwerkzeuge,

Verwendung dünnerer Bleche aufweisen.

die in mehreren Schritten den Bandstahl bearbeiten und in der ersten Umformstation die oberen bei-

Die Schweißnaht ist auf der Profilinnen­

den Ecken der quadratischen bzw. rechteckigen Röhre ausbilden. An den folgenden Arbeitsstationen

seite sichtbar, wobei ihre außermittige

werden die unteren beiden Ecken des Profils hergestellt. Während der Formgebung des Bauteils bildet

Lage anzumerken ist. Die Position der Schweißnaht ist veränderlich, weil das für die Herstellung der Bauteile verwendete

sich entlang der oberen Mittellinie des Profils die Naht. Sobald die Röhre annähernd ihre endgültige Form und Größe aufweist, wird diese Naht mittels Hochfrequenz-Kontaktschweißung verschlossen. Die

Grundprofil kreisförmig ist, so dass eine

verschweißte Röhre wird gekühlt und durchläuft nachfolgend eine Reihe von Bearbeitungsstationen,

einheitliche Ausrichtung der Naht beim

an denen sie ihre endgültigen Abmessungen erhält.

Durchlaufen der Walzen nur schwer zu erreichen ist. Einige Hersteller sind jedoch in der Lage, die Schweißnaht durchgängig präziser anzuordnen.

Da röhrenförmige Bauteile aus Stahlblech gefertigt werden, ist die Wandstärke auf allen Seiten identisch. Stahlhohlprofile werden in verschiedenen Gewichten mit entsprechenden Außenmaßen hergestellt, da diese durch die Einstellung der Profilierungswalzen gesteuert werden. Im Interesse eines einheitlichen Erscheinungsbildes kann die Bauteilgröße identisch gestaltet werden, wobei die Wanddicken je nach Tragfähigkeitsanforderungen variieren können. Die Schweißnaht ist auf der Profilaußenseite teilweise nicht mehr sichtbar, findet sich jedoch weiterhin am Produkt. Beim Einbau solcher Profile in exponierter Lage kommt es darauf an, die Anordnung der Schweißnaht in den Planungsunterlagen festzulegen. Dabei ist es völlig legitim, eine einheitliche, möglichst nicht sichtbare Anordnung der Schweißnaht vorzugeben, um das Erscheinungsbild des endbehandelten Stahls zu verbessern. Der Einsatz von Stahlhohlprofilen bietet gegenüber herkömmlichem Konstruktionsstahl zahlreiche Vorteile. Zwar sind Hohlprofile geringfügig teurer als konventionelle Stahlbauteile, jedoch ergeben sich andererseits Einsparungen aufgrund der verringerten Außenfläche, die endzubehandeln ist. Trotz der Tatsache, dass Stahlhohlprofile in der Regel vorwiegend in exponierten Bereichen eingesetzt werden, lassen sich Materialkosten einsparen, wenn diese Bauteile als nicht ausgesteifte oder zweiachsig lastabtragende Stützen oder Träger ausgebildet werden. Die Ver wendu n g von Sta hlhohlprofilen fü h rt vor allem zu folgenden Vorteilen:

→ ästhetisch a n sprechendes Erschei nu n gsbild au fgr u nd der wa h rgenom menen Leichtig keit der Bauteile u nd der klaren, ei n fachen Profilier u n g

→ i m Vergleich zu herköm mlichen Sta hlprofilen geri n geres Gewicht des Sta hls au fgr u nd der relativ hohen Effizienz des du rch die Profile gebildeten Trag werks

→ hohe Stabilität gegenüber Torsion sbea n spr uchu n g du rch außer mittig ei nwirkende Lasten → au fgr u nd i h rer reduzierten Schla n k heit i n Knicksituationen effizientes Verhalten u nter Dr uckbea n spr uchu n g

→ effizienter als herköm mliche Breitfla n schträger, wen n das Bauteil au f sei ner gesa mten Lä n ge frei beweglich sei n muss

→ bessere Trag wirk u n g bei kombi nierter Biege- u nd Torsion sbea n spr uchu n g; besonders vorteilhaft fü r i n ei ner Ebene gebogene Bauteile.

→ reduzierte Kosten der Beschichtu n g, sofer n i m In nenbereich kei ne Beschichtu n g au fgetragen werden muss (was bei Verzi n k u n g der Fall wäre)

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EINSPA R POTENZI A L E BEI PL A NUNG UND A U S S C H R E I BU N G V O N S T A H L Die Kosten des Stahls unterscheiden sich je nach Projekt erheblich und werden von zahlreichen Variablen beeinflusst. Da Stahl einen hohen Recyclinganteil enthalten kann und damit die Gewinnung und Aufbereitung von Roherz vermieden wird, lassen sich dadurch auch die Grundkosten senken. Wenn es aufgrund hoher Nachfrage zu einem lokalen Engpass an Stahlschrott kommt, kann dies aber wiederum die Kosten des Stahls erhöhen. Die mit der Herstellung von Profilen verbundenen Energiekosten wirken sich ebenfalls aus. In der Regel berechnen sich die Kosten von herkömmlichem Baustahl innerhalb eines Projekts in etwa nach der benötigten Tonnage, werden aber auch in gewissem Umfang von der Art des Profils beeinflusst. W-Profile, Winkel und U-Profile führen dabei üblicherweise zu geringeren Kosten als Hohlprofile, da bei letzteren die Fertigungskosten höher sind. Bei entsprechendem Entwurf ermöglichen Hohlprofile jedoch einen effizienteren Einsatz des Stahls, so dass die Gesamtkosten wegen der letztlich benötigten geringeren Tonnage dann sogar niedriger liegen können. Bei freiliegenden Stahlkonstruktionen machen die Fertigungskosten einen größeren Teil aus, da hier der Stahl als architektonisches Gestaltungselement dient. In solchen Projekten werden die Verbindungen zwischen den Bauteilen komplexer und unregelmäßiger ausgebildet, was zu einer Kostensteigerung zwischen 20 und 250 % im Vergleich zu Standardlösungen führt (siehe ausführlich Kapitel 6 „Freiliegende Konstruktionen“). Ein modularer Aufbau und die Serienfertigung wirken sich selbst bei komplexesten Entwürfen vorteilhaft aus, da für die Ausrichtung und Verschweißung in der Werkstatt Einspannvorrichtungen konstruiert werden können, die zu einem hohen Maß an Konsistenz führen. Die Fertigung in der Werkstatt ist in der Regel kostengünstiger als entsprechende Tätigkeiten auf der Baustelle. In der Werkstatt herrschen kontrollierte Umgebungsbedingungen. Die Verfügbarkeit von Hallenkränen zum Anheben der Bauteile führt zur Effizienzsteigerung. Wichtig ist, zu Beginn die maximale Elementgröße zu definieren, die noch in der Werkstatt vorgefertigt werden kann. Diese richtet sich nach der Größe der Werkstatt, den Abmessungen der Türen bzw. Tore, der zulässigen Traglast des Krans, der Ladekapazität des LKWs sowie der lichten Durchfahrtshöhe unter Brücken auf der Strecke zwischen der Werkstatt und der Baustelle. Die Entfernung, über welche die Elemente transportiert werden müssen, wirkt sich unmittelbar auf die Lieferkosten aus. Die Montagekosten werden von der Komplexität des Gebäudes und seiner Tragkonstruktion beeinflusst. Eine hohe Komplexität bedeutet in der Regel eine längere Montagedauer. Bei großen Baustellen mit mehreren Kranen zur Abstimmung der Hebevorgänge entstehen ebenfalls zusätzliche Kosten. In manchen Fällen kann der Kran zentral auf der Baustelle aufgestellt werden, und die Bauteile können so bemessen werden, dass sie von einem einzigen Kran angehoben werden können. Bauteile mit regelmäßigen Geometrien lassen sich schneller montieren, da die Hebepunkte auf einfachere Weise festgelegt werden können und sich die Bauteile problemlos zusammenfügen lassen. Gebäude mit diagonalen Fachwerkgittern oder außermittigen Geometrien erfordern zusätzliche Montagezeit. Dabei ist nicht ungewöhnlich, dass die Stahlbaumonteure mehrere Versuche unternehmen müssen, um unregelmäßig geformte oder nicht ausbalancierte Bauteile in ihre Einbaulage zu bringen. Bei komplexeren oder spezialgefertigten Konstruktionen wie freiliegenden Tragsystemen, zugbeanspruchten Konstruktionen, diagonalen Fachwerkgittern, gebogenen Elementen sowie Verbundkonst­ ruktionen mit Holz und Glas sollten zusätzliche Kosten für den besonderen Planungsaufwand, Werkstattzeichnungen, Modelle und mögliche Verzögerungen berücksichtigt werden. Bei Standardprojekten machen die Materialkosten heute ca. 25 % der Kosten des montierten und beschichteten Stahls aus. Bei Projekten mit freiliegenden Stahlkonstruktionen kann der Anteil der Personal- und Planungskosten wesentlich höher liegen.

– DAS MATERIAL STAHL

ENTWURFS - UND M O D E L L I E R U N G S S OF T WA R E Durch die Umstellung auf Systeme des Building Information Modeling (BIM; Gebäudedatenmodellierung) ergeben sich Kosteneinsparungen bei der Ausführungsplanung einer breiten Palette von konstruktiven Stahlbauteilen. In Stahlbauprojekten jeden Komplexitätsgrades wird heute zumeist auf spezielle BIM-Software zur Detaillierung zurückgegriffen. Im Modellier u n gsmodus u m fasst diese Software folgende F u n ktionen:

→ A n sicht der Trag werksmodelle → Erzeug u n g u nd Ä nder u n g von Raster n → Modellier u n g von Bauteilen u nd Sch raubverbi ndu n gen → Erzeug u n g von Schweißnä hten → Hi nzu füg u n g von Lasten zu ei nem Modell → Erzeug u n g von Baugr uppen aus Sta hlbauteilen → Erzeug u n g von Ebenen der Montagehierarchie → Erzeug u n g von detaillierten Sta hlverbi ndu n gen → Erzeug u n g von automatisch vorei n gestellten A n schlüssen a n verschiedene Bauteile → Erzeug u n g von Montageseq uenzen → A n sicht der Modelldaten i n 4D (Ablau fsi mulation) → automatische Markier u n g u nd Nu m merier u n g von Bauteilen Im Ausgabemodus bietet die BIM-Software folgende F u n ktionen:

→ Erzeug u n g allgemei ner Lageplä ne (Gr u nd riss, Sch nitt, Montage usw.) → Erzeug u n g von Zeich nu n gen fü r ei nzelne Bauteile u nd Baugr uppen → Dr ucken u nd Plotten von Zeich nu n gen u nd Berichten → Erzeug u n g von Berichten (Montagelisten, Stücklisten usw.) Die Software erleichtert die Zusa m menarbeit i m Projekttea m du rch folgende Optionen:

→ gleichzeitige A rbeit meh rerer Nutzer a m selben Modell → Sch nittstelle zu a nderen Softwaretools u nd Gewerken → Datenaustausch → Datenex port u nd -i mport → Sch nittstelle fü r den Datenaustausch mit der Software zu r Trag werkspla nu n g u nd Stati k → Import u nd Ex port graphischer 2D- u nd 3D-Daten Die Integration dieser neuartigen Modellierungssoftware hat den Planungs- und Entwurfsprozess wesentlich vereinfacht und die Anlage einer breiten Palette von Projekten mit immer komplexeren Geometrien ermöglicht. Ein typisches digitales Modell, das mit Hilfe einer speziellen BIM-Software zur Detailplanung von Stahlbauteilen erzeugt wurde. Es zeigt die Stahlgründung des von Foster + Partners und Zeidler Part­ nership entworfenen Bow Encana Tower in Calgary, Alberta. Die Farbmarkierung ermöglicht eine einfache Differenzierung zwischen den einzelnen Systemen und kann auch zur Kennzeich­nung der Bauab­ läufe herangezogen werden.

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K apitel 3 ---

V E R B I N D U N G E N von S T A H l b a u teilen U N D ver f ahren des S tahlskelett b a u s --D A S prin z ip D E S S K E L E T T B A U S GRUNDL AGEN DER VER BINDUNG VON BAUTEIL EN R AHMENVERBINDUNGEN TRÄGER-BALKEN-VERBINDUNGEN BALKEN- ODER TRÄGER-STÜTZEN-VERBINDUNGEN STÜTZENVERBINDUNGEN STECKBOLZENVERBINDUNGEN

DECK ENSYSTEME AUSG ESTEIFTE SYSTEME F A C H W E R K T R ÄG E R S Y S T E M E EBENE FACHWERKTRÄGER Für die Stahlhohlprofilkonstruktion

RAUMFACHWERKTRÄGER

des von Pei Cobb Freed and Partners entworfenen Quartier 206 in den Friedrichstadtpassagen in Berlin wurden vorwiegend Schweißverbin­ dungen eingesetzt, um ein gefälliges Erscheinungsbild der Anschluss­ punkte der groß bemessenen runden Bauteile zu erzielen. Für die kleineren, das Oberlicht abstützenden Elemente wurde eine Kombination aus Schweißund Schraubverbindungen verwendet, da diese Bauteile weniger in Erschei­ nung treten. Die Rahmenkonstruktion hebt sich vom dunklen Nachthimmel ab, so dass die Anordnung der Bauteile nachts deutlicher hervortritt als am Tag.

DA S PR INZIP DES SK EL ET T BAUS Der Stahlbau entwickelte sich als Elementbausystem aus Verfahren in der Frühphase der Industrialisierung, die zur Errichtung von Gebäuden aus guss- oder schmiedeeisernen Tragwerken entwickelt worden waren. Die einzelnen Tragglieder werden entweder miteinander verschraubt oder verschweißt. Gebäude werden in der Regel aus einer Reihe vorgefertigter Elemente errichtet, die jeweils in der Werkstatt vormontiert werden. Endmontage und Errichtung finden auf der Baustelle statt. Ein größtmöglicher Anteil der Vorfertigung in der Werkstatt wird angestrebt, da sich Zuschnitt, Formgebung, Verschweißung und Endbehandlung der Bauteile unter den dort herrschenden kontrollierten Bedingungen reibungsloser gestalten. Die Beförderung von der Werkstatt zur Baustelle setzt Grenzen hinsichtlich der maximalen Abmessungen von Bauteilen, die noch transportiert werden können. Dem Zusammenbau mehrerer kleinerer zu einem größeren Element auf der Baustelle sind durch die zulässige Traglast des Kranes und die Größe des Montagebereiches Grenzen gesetzt. Die Stahlskelettbauweise vereinfacht Fertigung, Errichtung und statische Berechnung. Dabei beruht die Grundkonstruktion auf einer geradlinigen Anordnung gerader Tragglieder, die an den Knotenpunkten miteinander verbunden sind. Eine regelmäßige Geometrie und im Raster angeordnete Stützen tragen zur Minimierung von außermittigen Lasteinwirkungen auf die Konstruktion bei. Dabei ist die orthogonale Anordnung zwar unter dem Gesichtspunkt der Raumplanung vorteilhaft, jedoch in sich instabil. Die Stabilität in Querrichtung wird durch Verstärkungen und Aussteifungen gewährleistet; hierfür werden entweder Volltafeln, biegesteife Verbindungen oder Dreiecksverbände eingesetzt. Auch ergibt sich aus der Skelettbauweise eine Vereinfachung der statischen Berechnung, da Stahlbausysteme meist in zweidimensionale Segmente und statisch bestimmte Konstruktionen gegliedert werden können – im Gegensatz zu Betonbausystemen mit ihren durchlaufenden Traggliedern und monolithischen Bauweisen. Der von William Le Baron Jenney im Jahr

GRUNDL AGEN DER VER BINDUNG VON BAUTEIL EN

1890 entworfene Fair Store in Chicago, Illinois, war eines der ersten mehrge­ schossigen Bauwerke, bei denen sich eine standardisierte Skelettbauweise herauszu­ bilden begann. Zur damaligen Zeit wurden

Bei allen Stahlskelettkonstruktionen werden unabhängig von ihrem Komplexitätsgrad standardisierte Verfahren zur Verbindung von Bauteilen und Erfüllung der Anforderungen an die Lastabtragung eingesetzt. Die Anschlüsse erfüllen dabei meist die Funktion eines „Gelenks“ und übertragen vertikale und

als Arten von Traggliedern lediglich Doppel-T-Träger, Winkel und Bleche eingesetzt. Diese wurden zumeist durch Warmnieten miteinander verbunden.

horizontale Schubkräfte. Sie sind nicht darauf ausgelegt, Kraftmomente, Biege- oder Torsionskräfte

Die heute angewandten Skelettbauweisen

aufzunehmen. Zur Herstellung der Anschlüsse sind daher einfache Schraub- oder Schweißverbindungen

sind von diesen Bauten der Frühphase

möglich. Bei auftretenden hohen Momenten oder Biegekräften können die Anschlüsse verstärkt und bie-

abgeleitet.

gesteif ausgebildet werden, indem der Anschluss mit zusätzlichen angeschraubten oder geschweißten Blechen oder Winkeln versehen wird. Querlasten können durch Hinzufügung von Aussteifungssystemen aufgenommen werden, die als dreieckige Anordnungen in das Stahlskelett integriert werden – Dreiecksformen sind in sich biegesteif. Die zusätzliche Erfüllung des Kriteriums der Erdbebensicherheit beruht auf denselben Vorgehensweisen wie für die Verbindungen und Anschlüsse des Stahlskeletts. Anschlüsse zwischen Stahlbauteilen sind entweder verschraubt oder verschweißt. Schrauben können nach ihrer Festigkeit und Art des Kopfes unterschieden werden. Wenn der Stahl nicht sichtbar ist, stellt die Auswahl des Schraubentyps eine rein statische Überlegung dar, wobei eine für die Aufnahme der Schubkräfte ausreichende Zahl von Schrauben sowie eine für das Schraubenraster hinreichende Blechgröße vorzusehen sind. Der Entwurf der Stahlskelettsysteme und Verbindungen hat unmittelbare Auswirkungen auf die Baupraxis: Stahlkonstruktionen lassen sich mit Schraubverbindungen rascher montieren, was jedoch die Anwendung von Schweißverfahren nicht ausschließt, falls diese aus ästhetischen oder konstruktiven Gründen bevorzugt werden. Als Schraubentypen werden in der Regel entweder Sechskantschrauben oder vorspannbare Schrauben eingesetzt. Beide bestehen aus hochfestem Stahl und erfüllen denselben Zweck. Sechskantschrauben müssen für das Anziehen von beiden Seiten zugänglich sein, es wird jedoch kein spezielles Werkzeug benötigt. Vorspannbare Schrauben erfordern zum Festziehen und Abtrennen des Endes Sonderwerkzeug, müssen jedoch nur von einer Seite aus zugänglich sein.

– VERBINDUNGEN UND STAHLSKELETTBAU

Die hier abgebildete Schraubverbindung im von Antoine Predock entworfenen Canadian Museum for Human Rights in Winnipeg, Manitoba, verdeutlicht das Verfahren des zusätzlichen Anziehens der Mutter.

In den meisten Fällen können Schrauben fest angezogen werden, also mit der maximalen Kraft, die der Monteur anwenden kann. Sie müssen nicht vorgespannt werden. Nur unter besonderen Bedingungen ist eine solche Vorspannung erforderlich: bei nicht zulässigem Schlupf, für erdbebensichere Verbindungen, bei Stoß- oder Dauerschwingungsbeanspruchung, bei ausschließlicher Zugbelastung oder wenn überproportional große Bohrungen vorgesehen werden. In allen anderen Fällen ist das feste Anziehen der Schrauben für übliche Endanschlüsse von Trägern völlig ausreichend. Die Entscheidung für oder gegen eine Vorspannung der Schrauben hängt vor allem von der jeweiligen Anwendung ab; die Größenordnung der abzutragenden Last ist sekundär. Wenn die Schrauben vorgespannt werden müssen, so sollte dies vorzugsweise durch zusätzliches Anziehen der Mutter geschehen. Nachdem die Schrauben fest angezogen wurden, erfolgt eine zusätzliche Drehung der Mutter, um die Schraube auf das gewünschte Maß vorzuspannen. Hierbei markiert der Arbeiter vor der zusätzlichen Drehung meist den Schraubendurchmesser mit Kreide. Bei der Abnahme ist dann erkennbar, ob die Teildrehung korrekt ausgeführt wurde. Häufig ist für die gewünschte Vorspannung der Schraube nur eine zusätzliche Drehung um ein Drittel erforderlich. Vorspannbare Schraubenverbindungen bieten eine weitere Möglichkeit, die gewünschte Spannung der Schraube zu erzielen, jedoch wird das herkömmliche Verfahren des zusätzlichen Anziehens der Mutter vielfach als zuverlässiger angesehen. Um die Spannung der Schraube zu bestimmen, muss diese vom Wert des Drehmoments abgeleitet werden. Nach der Umrechnung ist der Wert häufig nicht repräsentativ für die tatsächliche Spannung der Schraube, was vor allem auf verzinkte Schrauben zutrifft. Links: Der Kopf bei vorspannbaren Schrauben unterscheidet sich deutlich von der üblichen Sechskantschraube. Unterlegscheibe und Mutter zum Festziehen befinden sich auf der Rückseite, so dass auf deren Zugänglichkeit zu achten ist. Sie werden ein­ gesetzt, wenn Schlupf vermieden werden soll. Beim Bow Encana Tower wurden sie für die provisorischen Stützen-Stützen-Verbin­ dungen vor der endgültigen Verschweißung verwendet. Rechts: Der hier abgebildete Träger ist transportfertig. Seine Laschen sind mit hochfesten Sechskantschrauben befestigt. Bei sol­ chen Schrauben für konstruktive Anwendungen wird die Mutter üblicherweise auf der Seite des einfachsten Zugangs angeordnet.

Bei Stahl, der als sichtbares architektonisches Gestaltungselement eingesetzt wird (siehe Kapitel 5 „Freiliegende Konstruktionen“), sind die Auswahl der Schraubenköpfe und des Verschraubungsrasters sowie die für die Anordnung der Schraubenköpfe bevorzugte Seite von großer Bedeutung für das architektonische Erscheinungsbild. Ein wesentlicher Teil der für die Montage erforderlichen Bautoleranzen ergibt sich aus der Genauigkeit der Flucht und Bohrung der Schraubenlöcher. Häufig wird fälschlicherweise davon ausgegangen, dass Bohrungen zur Aufnahme von Schrauben grundsätzlich größer ausgelegt werden, um die genaue Ausrichtung der Bauteile während der Montage zu erleichtern. Das Gegenteil ist richtig: Ungenauigkeiten summieren sich zu größeren Abweichungen und gestalten die Montage komplizierter. In einer Stahlskelettkonstruktion bestehen für Schraubenlöcher enge Toleranzen, die bei Entwürfen mit sichtbarem Stahl als Gestaltungselement noch geringer ausfallen, da es hier auf äußerst genaue Passung ankommt. Langlöcher werden nur dann vorgesehen, wenn sekundäre Systeme wie zum Beispiel vorgehängte Fassaden an der Stahlskelettkonstruktion befestigt werden, um Abweichungen in der Ausrichtung der verwendeten Bausysteme auszugleichen. Sechskant- oder Spannschrauben Links: Montage einer Sechskantschraube. Auf beiden Seiten der Verbindung zwischen dem Stahl und dem Schraubenkopf bzw. der Mutter wird je eine übliche Unterlegscheibe verwendet, die bei der Lastabtragung eine unterstützende Funktion über­ nimmt. Dieser Schraubentyp wird in der Regel fest angezogen und muss normalerweise nicht vorgespannt werden. Rechts: Montage einer vorspannbaren Schraubenverbindung. Der spezielle Federring wird nur auf der Rückseite der Verbin­ dung verwendet. Einige patentgeschützte Typen verfügen über kleine Einschlüsse, die mit einer leuchtend eingefärbten Substanz gefüllt sind. Diese wird herausgedrückt, wenn die gewünschte Vorspannung erreicht ist.

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Die zusammenzufügenden Stahlbauteile können entweder mit einer Überlappung des die Hauptlast abtragenden Teils des Traggliedes oder nacheinander „in Reihe“ angeordnet werden. Überlappungsverbindungen: Eine Überlappungsverbindung dient in der Regel als Zugstoß und ist für Verbindungen geeignet, die nicht symmetrisch ausgebildet sein müssen. In den Abbildungen auf der linken Seite ändert sich die Ausrichtung des Bleches beiderseits der Verbindung. Bei Einwirkung von Lasten auf die Verbindung kann es zum Versagen kommen, indem die Öffnung bis zum Durchknöpf­ versagen auseinandergezogen (Mitte) oder die Schraube vollständig abgeschert wird (unten). Je höher die auf die Verbindung einwirkende Last, desto größer die Abmessung bzw. Zahl der erforderlichen Schrauben. Für die Aufnahme der Zugbeanspruchungen kommt es ebenfalls auf die Blechdicke an. Zur Lastverteilung ist zwischen den Schraubenlöchern und der Blechkante ein ausreichender Abstand vorzusehen. In den Abbildungen auf der rechten Seite ist der Stahl auf beiden Seiten der Verbindung ungleich angeordnet. Der rot gekennzeichnete Bereich stellt das Blech dar, das bei Versagen der Verbindung herausgezogen wird (Mitte). In diesem Fall kommt es zu einem Abscheren der Schraube auf zwei Ebenen (unten). Links: Im Bow Encana Tower sind alle Aussteifungsanschlüsse als einfache Überlappungsverbindung ausgebildet. Das Schrauben­ raster in der Verbindung hält die Bauteile exakt in der erforderli­ chen geometrischen Anordnung und bietet einen für die Lastab­ tragung ausreichenden Schraubenquerschnitt. Rechts: Wenn eine noch höhere Tragfähigkeit erforderlich ist, kann die Anzahl der Überlappungsbleche erhöht werden. Bei der Verbindung am Guelph Science Building sind zwei Schraubentypen sichtbar. Die Befestigung des x-förmigen Bleches an der Unterseite des Flansches erfolgt über Spannschrauben, während durch den Anschluss selbst eine hochfeste Stahl-Sechskantschraube geführt wird. Die in dieser Gelenkverbindung einzeln angeordnete Schraube soll eine Drehbewegung ermöglichen, um die Ausrich­ tung bei der Montage zu vereinfachen. Gerade Stöße: Diese Verbindungsart wird gewählt, wenn die Hauptachse des Stahlbleches und die einwirkenden Kräfte „par­ allel“ verlaufen. Die Verbindung wird ergänzt durch zusätzliche Bleche, die entweder auf einer oder auf beiden Seiten des Stoßes angebracht werden. Die Zahl der in der Verbindung verwendeten Schrauben richtet sich nach der Fläche, die für die Aufnahme der Schubkräfte erforderlich ist. In den Abbildungen auf der linken Seite befindet sich lediglich auf einer Seite der Verbindung ein Stoßblech. Diese Anordnung resultiert bei der Lastabtragung durch die Schrauben in einer einzigen Schubebene (unten). Die Abbildungen auf der rechten Seite zeigen eine Verbindung, durch welche die Schubfläche in den Schrauben verdoppelt wird, indem auf beiden Seiten des Haupttraggliedes ein Blech montiert wird (unten). Wenn der Stoß auf Zug beansprucht wird, muss sich darüber hinaus genügend Stahl zwischen dem Schraubenloch und dem Ende des Bleches befinden, um ein Durchknöpfen zu verhindern (Mitte). Links: Für die Stirnflächen der Breitflanschträger der von Rem Koolhaas entworfenen Seattle Public Library, Washington, D.C. wurden gerade Stöße vorgesehen, da die Ausfachungsstäbe genau in der Flucht verlaufen müssen. Die Bleche sind auf beiden Seiten des Stoßes angeordnet. Über und unter den Anflanschungen sind zusätzliche Blechverstärkungen angeschweißt, um Wechselwir­ kungen zwischen dem Tragwerk und der vorgehängten Wandver­ kleidung auszuschließen. Rechts: Zur Verlaschung dient ein gerader Stoß. In den Anschluss wird ein Schlag-Ringschlüssel eingeschoben, um die genaue Ausfluchtung während der Montage zu gewährleisten. Die teil­ weise Verschraubung ermöglicht den Abbau des Kranes.

– VERBINDUNGEN UND STAHLSKELETTBAU

Schweißverbindungen werden in der Regel für die Vorfertigung großer Hauptbauteile in der Werkstatt verwendet, wie beispielsweise großer Blechträger oder Verbundprofile. Schweißungen in hoher Qualität erfolgen am besten unter kontrollierten Bedingungen. Geschweißte Anschlüsse sind ebenfalls vorzuziehen, wenn komplexe Fachwerkträger aus Hohlprofilen hergestellt werden sollen, da sich die üblichen Anschlussverfahren mit Einsatz von Blechen und Winkeln besser für die Verbindung von Bauteilen mit Stegen und Flanschen eignen. Bei Schweißverbindungen ergeben sich andere Fragestellungen, wenn man verdeckt angeordnete mit freiliegenden Konstruktionen vergleicht. In Kapitel 6 „Freiliegende Konstruktionen“ werden Fragen der Ästhetik und Kosten im Zusammenhang mit Schweißverbindungen erörtert. Schweißverbindungen: Bleche können mit Hilfe zweier Grundtypen von Schweißun­ gen auf Stoß miteinander verbunden werden. Fugennähte (links) kommen zum Ein­ satz, wenn die beiden Bleche in derselben Flucht verlaufen müssen. Dickere Bleche werden mit einer Doppel-V-Naht verschweißt (oben links), dünnere mit einer V-Naht (unten links). Wenn die Bleche nicht exakt ausgefluchtet werden müssen, können Überlappungsschweißungen hergestellt werden (rechts). Bei lediglich geringen Lasteinwirkungen auf die Überlappung ist die Ausbildung einer Einfachkehlnaht oder Stirnnaht möglich (oben rechts). Bei höheren Lasten ist eine Doppelkehl­ naht vorzusehen (unten rechts). Für Bleche, die in einer Flucht verlaufen müssen, kann mit Hilfe von Fugennähten ein sauberes Erscheinungsbild der Verbindung hergestellt werden, wenn auf Laschen verzichtet werden soll. Je nach Vorgaben für die Oberflächenqualität können die Schweißnähte wie ausgeführt belassen oder glattgeschliffen werden. Das Schleifen sollte dabei besonders anspruchsvollen Anwendungen vorbehalten bleiben, da es kostenintensiv und zeitaufwändig ist. Darüber hinaus kommt es beim Schleifen aufgrund der Abtragung von Schweiß­ material zu einer Minderung der Tragfähigkeit der Schweißung.

R AHMENVERBINDUNGEN Stahlkonstruktionen werden mit Hilfe weniger typisierter Verbindungen montiert. Bei der Entwicklung der typisierten Rahmenverbindungen wurde vom Einsatz von Flanschprofilen ausgegangen. Diese ermöglichen auf beiden Seiten des Bauteils einen Zugang zur Verschraubung. Bei Verwendung von Hohlprofilen sind die Verbindungen entsprechend anzupassen, da hier die einfache Variante mit durchgehenden Schrauben nicht möglich ist. TRÄGER-BALKEN-VERBINDUNGEN Für den Anschluss eines Trägers an einen Balken können drei grundlegende Verfahren angewandt werden. Die Auswahl hängt von den Lastanforderungen an das Deckensystem, Beschränkungen der lichten Geschosshöhe und Bereitstellung von Raum zur Aufnahme von Leitungskanälen ab. Leitungen können an der Unterseite des Bauteils entlanggeführt werden, jedoch besteht auch die Möglichkeit, den Träger oder Balken zu durchbohren, um Durchführungen zu schaffen. Links: „Ausgeklinkte“ Verbindung. Bei dieser Anschlussart wird der Obergurt des Trägers ausgeschnitten, so dass die Oberkanten bündig abschließen. So wird eine ebene Fläche für den Einbau des Deckensystems geschaffen. Der Steg ist in der Regel am Steg des Balkens befestigt, wobei zwei Winkel verwendet werden, die mit beiden Bauteilen verschraubt werden. Mitte: Auflager des Trägers auf dem Balken. Die Flansche sind auf einfache Weise miteinander verschraubt. Dieses Verfahren wird angewandt, wenn es nicht auf die Geschosshöhe ankommt oder wenn über dem Balken Durchführungen für Leitungen hergestellt werden sollen. Rechts: Einfache Rahmenverbindung des Trägers mit dem Steg des Balkens ohne Ausklinkung. Diese Variante ist geeignet, wenn kein Deckenbauteil abzustützen ist.

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Links: Eine ausgeklinkte Verbindung bietet trotz der Größen­ unterschiede der Träger eine ebene Fläche für den Einbau des Fußbodens. Die in den Anschlüssen sichtbare abweichende Schraubenzahl weist eindeutig auf die unterschiedlichen abzutra­ genden Schubkräfte hin. Rechts: Die Stahlskelettbauweise beinhaltet eine eindeutige Hierarchie der Abtragung von Lasten im Bauwerk, hier für den von Frank Gehry entworfenen Erweiterungsbau der Art Gallery of Ontario in Toronto, Ontario. Der sehr hohe Träger dient als Trans­ ferträger der Lastverteilung und schafft einen weiten stützenfreien Raum. In den Träger wurden Ausschnitte eingebracht, welche die Durchführung von Leitungen ermöglichen. Zur Verstärkung des Trägerstegs wurden an den Ausschnitten zusätzliche Stahlteile aufgeschweißt. Decken-Hauptträger aus Stahl sind über Aus­ klinkungen in den Transferträger eingebunden. Kleinere Träger übertragen die Deckenlasten auf die Hauptträger. Rahmenver­ bindungen ermöglichen trotz ihrer Komplexität eine einfache statische Berechnung.

Rahmenverbindungen mit üblichen Breitflanschprofilen werden meist bei nicht sichtbaren Bauteilen aus Konstruktionsstahl eingesetzt. Der Einsatz des Stahls als exponiertes architektonisches Gestaltungselement erfordert zusätzliche Detailplanung im Hinblick auf Ausrichtung und Genauigkeit. Aus ästhetischen Gründen kann es notwendig sein, sowohl Ober- als auch Untergurt in einer Flucht anzuordnen oder die Palette an verwendeten Stahlprofilen zu standardisieren, um ein einheitlicheres Erscheinungsbild zu schaffen - selbst wenn die Profile dadurch schwerer oder größer ausfallen als für die einwirkenden Lasten erforderlich.

Links: Für das von Cannon Design entworfene große Son­ nenschutzdach des Las Vegas Courthouse, NV, wurden hohe Breitflanschträger verwendet, die das Raster gliedern. Kleiner bemessene Stahlprofile dienen als Ausfachungen und für den Sonnenschutz. Aufgrund des sichtbaren Stahls lag die Priorität auf einem einheitlichen Erscheinungsbild. Rechts: Die hohen Träger mussten mit ausgeklinkten Anschlüssen an Ober- und Untergurt versehen werden, um ein einheitliches, ungerichtetes Raster zu schaffen.

BALKEN- ODER TRÄGER-STÜTZEN-VERBINDUNGEN Balken und Träger übertragen die von der Decke einwirkenden Lasten auf die Stützen. Der Anschluss erfolgt dabei entweder an den Stützenflansch oder den Steg; dies hängt von der Ausrichtung der Stütze ab, die sich wiederum aus der konstruktiven Durchbildung ergibt. Stützen sind in der Regel so ausgerichtet, dass die vorherrschende Windlast rechtwinklig zum Stützenflansch angreift. Der Anschluss an den Flansch ermöglicht den Stahlbaumonteuren einen einfacheren Zugang für das Anziehen der Schrauben. Träger und Balken werden von einem Kran in ihre Einbaulage gehoben. Die entsprechenden Bohrungen in den Winkeln werden mit Hilfe eines Schlag-Ringschlüssels in Deckung gebracht, und die Schrauben werden eingeführt. In manchen Fällen werden an der Stütze provisorische Winkelauflager befestigt, um eine Abstützung für die Positionierung des Trägers zu schaffen, so dass der Kran die Last früher freigeben und der Montageablauf beschleunigt werden kann. Diese hilfsweise angebrachten Teile können nach Fertigstellung der Verbindung entweder entfernt oder belassen werden, um den Anschluss auszusteifen.

– VERBINDUNGEN UND STAHLSKELETTBAU

Beim Anschluss des Trägers an den Stützensteg ist darauf zu achten, dass die Stahlbaumonteure über ausreichend Platz für den Zugang verfügen. Links: Aufsitzende Verbindung. Winkel werden mit der Stütze verschraubt, um während der Montage eine Aufnahme für den Träger zu schaffen. Die Winkel können in ihrer Lage belassen werden, so dass sie bei Bedarf eine zusätzliche Abstützung bieten, oder aber entfernt werden. Mitte: Bei dieser Standard-Rahmenverbindung werden die Winkel bereits in der Werkstatt mit dem Trägersteg verschraubt; die Verschraubung mit dem Stützenflansch erfolgt dann auf der Baustelle. Die Verbindung dient als Gelenk, da sie lediglich für die Aufnahme von Schubkräften ausgelegt ist. Rechts: Diese Verbindung wurde verstärkt, um Momentenkräfte aufnehmen zu können. Hierfür wurden vor der Montage Bleche an die Stütze angeschweißt und auch mit den Trägerflanschen verschweißt, um eine biegesteife Verbindung zu schaffen.

Beim Bau des Daches dieses Umsteige­ bahnhofs in Vancouver, British Columbia, wurden eine Reihe von StandardAnschlussverfahren zur Lastübertragung auf die Stütze angewandt. Die Spannrich­ tung verläuft stets rechtwinklig zum Stüt­ zelement. In diesem Fall ist der Balken seitlich mit der H-Stütze verbunden, wobei Winkel mit dem Steg verschraubt sind. Die Übertragung von Lasten erfolgt von der profilierten Dacheindeckung über die Träger und zurück auf die Stütze.

STÜTZENVERBINDUNGEN Stahlstützen werden in der Regel mit einer Grundplatte verschweißt, welche die Stütze mit dem Gründungspfeiler oder dem Tragwerk verbindet. Diese Platte ist üblicherweise größer als die Stütze, mit Bohrungen versehen und auf Verankerungsbolzen abgesenkt, die in die Gründung eingebracht wurden. Links: Bei dieser einfachen StützenfußVerbindung dienen vier Gewindebolzen zur Verankerung der Platte. Die Platte ist gegenüber dem Betonfundament leicht erhöht, so dass Justiermuttern unter der Platte angebracht werden können. Der Hohlraum unter der Platte ist mit Einpressmörtel gefüllt, um die Lastabtra­ gung zu unterstützen und die Muttern in ihrer Lage zu fixieren. Das Stützglied ist

Im Zuge der Übertragung der vertikalen Last von oben nach unten durch das Bauwerk erhöhen sich

gelenkig mit dem Fuß verbunden.

die auf die Stützen in den unteren Geschossen einwirkenden Lasten. Stützen für die oberen Geschosse

Mitte: An den Fuß der kreisrunden Hohlprofilstütze ist eine Rundplatte angeschweißt.

eines Gebäudes müssen daher geringere Tragfähigkeitsanforderungen erfüllen als Stützen, die für weiter unten liegende Geschosse vorgesehen sind. In mehrgeschossigen Bauten sind die Stützen auf Stoß zu montieren, da die möglichen Größtlängen wegen des erforderlichen Transports Beschränkungen unterworfen sind. Die Last muss vollständig von einer auf die andere Stütze übertragen werden.

Rechts: Für größere Stützen, die höhere Lasten abzutragen haben und möglicher­ weise auftretende Querkräfte aufnehmen müssen, ist eine aufwändigere Fußkons­t­ ruktion erforderlich. Im hier abgebildeten

Bei einfachen Anschlüssen ohne außermittige Lasten und mit identischen Stützenabmessungen am Stoß werden die aufeinandertreffenden Flächen geglättet, um den Lastverlauf nicht zu unterbrechen. Zur Aufrechterhaltung einer wirksamen Verbindung können an die Flansche und den Steg Verbindungslaschen geschraubt werden. Wenn die untere Stütze nur unwesentlich größer ist und sich die Flansche

Fall verlaufen die Gewindebolzen durch

weitgehend in der Flucht befinden, werden auf jeder Seite der Flansche der oberen Stütze Füllbleche

eine Doppelplatte, an die zur Verstärkung

angebracht. Wenn die obere Stütze wesentlich kleinere Abmessungen aufweist und die Flansche nicht

umlaufend Stahlrippen angeschweißt sind. Die geometrische Anordnung wurde sorgfältig geplant, um den Zugang zum Anziehen der Schrauben zu ermöglichen.

in der Flucht liegen, werden an beiden Stützen Fußbleche montiert, um den Lastverlauf zu vervollständigen und die Entstehung von Druckpunkten in der Verbindung zu verhindern. Die Stützenstöße können verschweißt oder verschraubt werden.

Unter der Grundplatte befinden sich Justiermuttern - daher der vor der End­ montage noch vorhandene Spalt.

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Die Abbildungen veranschaulichen die üblichen Verfahren zur Herstellung von Stützenstößen bei nicht sichtbarem Konstrukti­ onsstahl. Der Stoß befindet sich in der Regel etwa 600 mm über dem Boden. Links: Wenn die obere Stütze schlanker als die untere ist, sind zur Ausfluchtung der Flansche und für die Verschraubung der äußeren Verbindungslaschen Füllbleche zu montieren. Ein zwi­ schen den Stützen eingefügtes horizontales Blech verhindert die Entstehung von Druckpunkten und unterstützt die Lastabtragung. Mitte: Die Abmessungen der Stützen sind identisch, die Verbin­ dungslaschen werden angeschraubt. Dieses Verfahren entspricht im Wesentlichen einer stumpf gestoßenen Verbindung. Rechts: Die Außenbleche werden an die untere Stütze ange­ schweißt. Die obere Stütze wird auf ihre Einbaulage abgesenkt und durch Schrauben fixiert. Aufgrund der identischen Abmes­ sungen der Stützen sind keine Füllbleche erforderlich.

Links: Die abgebildete Stahlstütze mit quadratischem Querschnitt wurde in ihre Einbauposition gebracht und wird für die Fugenver­ schweißung vorbereitet. Die an beiden Seiten montierten Schraub­ laschen werden entfernt, sobald die Schweißnaht vollständig aufgebracht ist. Die Kanten der oberen Stütze wurden abgefräst, um Platz für die Schweißung zu schaffen. So soll die mit der Schweiß­ naht verbundene Stahloberfläche vergrößert werden. Aufgrund der identischen Stützenquerschnitte sind keine weiteren Anpassungen erforderlich. Rechts: Die beiden abgebildeten H-Stützen wurden an ihrem Stoß miteinander verschweißt. Da die obere Stütze geringfügig schlanker ist als die untere, wurde zusätzlich ein Blech angeschweißt, um eine vollständige Lastabtragung über die Verbindung zu gewährleisten. Die langgestreckten Vorsprünge an den Kanten der aufeinandertref­ fenden Flansche weisen auf die Position der entfernten provisorischen Verbindungslaschen hin. Links: Für den hier abgebildeten Stützenstoß wurden miteinander verschraubte Ausgleichsbleche verwendet. Die Größe des Bleches ist so zu wählen, dass es die Schraubenlöcher aufnehmen kann und einen Zugang zum Anziehen der Schrauben ermöglicht. Rechts: Bei dem hier abgebildeten Stützenstoß werden für die Verbindung der beiden gleich großen Stützen Laschen verwendet. Die Löcher am oberen Ende der Verbindungslaschen dienen zur Einhängung des Krangeschirrs, so dass die Stütze in ihre Einbau­ position gebracht werden kann.

STECKBOLZENVERBINDUNGEN Meist dienen Verbindungen als Gelenk und übertragen horizontale und vertikale Schubkräfte, ohne auf Momentenbeanspruchung ausgelegt zu sein. Manche Gelenkverbindungen sind explizit als solche ausgebildet, so dass ihre Funktion stärker ablesbar wird. Verbindungen, deren konstruktive Aufgabe darin besteht, Drehbewegungen zu ermöglichen, sind durch die Verwendung eines einzelnen Stiftes oder eines anderen Befestigungsmechanismus gekennzeichnet. Bei Rahmenverbindungen, die horizontale und vertikale Lasten übertragen und nicht auf Drehbewegung ausgelegt sind, werden dagegen so viele Schrauben verwendet, wie zur Aufnahme der Schubkräfte am betreffenden Punkt erforderlich sind. – VERBINDUNGEN UND STAHLSKELETTBAU

Links: Bei dem von Richard Rogers entworfenen Terminal 5 des Flughafens Heathrow in London werden zur Verbindung der Bauteile verschiedene Steckbolzenverbindungen verwendet. Rechts: Unterschiedliche Farbanstriche verdeutlichen, dass an dieser Stelle verschiedene Tragsysteme aufeinandertreffen. Das Mittel eines einzelnen Befestigungspunktes, einer Steck­ bolzenverbindung, wird modifiziert, um bei identischem Erscheinungsbild eine höhere Biegesteifigkeit und damit Schub­ tragfähigkeit am Übergang zwischen blauem Träger und grauem Verbindungselement zu erzielen - hier werden vier Befestigungs­ punkte verwendet.

Links: Der Bodenanschluss der Hauptstahlrippen in den U-Bahnstationen von Dubai ist auf einer Steckbolzenverbindung gelagert. Der geringfügige V-förmige Spalt auf beiden Seiten der Verbin­ dung ermöglicht einen gewissen Spielraum während der Montage und hebt auch die Funktion des Anschlusses hervor. Rechts: Der Fuß der konischen Stahlstütze des Themenpavillons der Expo in Shanghai wird durch eine eigens gefertigte Steck­ bolzenverbindung gelöst.

Selbst die ungewöhnlichsten Stahlbauverbindungen stellen Abwandlungen der in diesem Kapitel dargestellten grundlegenden Verfahren dar. In einigen Fällen resultiert ihr Erscheinungsbild eher aus ästhetischen Erwägungen als aus funktionellen Anforderungen. Bei diesem Anschluss am von Santiago Calatrava entworfenen Brookfield Place in Toronto, Ontario, werden Verschweißung und Verschraubung miteinander kombiniert. Die Fertigung der Elemente ist hochpräzise, die eigentliche Schraubverbindung recht einfach.

DECK ENSYSTEME Schwerkräfte verteilen sich in einem Stahlskelettbau entlang eines logischen Pfades. Die Dimensionierung und das Raster von Traggliedern richten sich nach der Art des eingesetzten Deckensystems. Dies gilt insbesondere für Art und Raster der Bauteile, die der Abstützung der Decke selbst dienen. Hier ergeben sich Unterschiede zwischen der Standardanwendung von nicht sichtbarem Konstruktionsstahl und Stahl, der als sichtbares architektonisches Gestaltungselement dient. Die Decken konstr u ktion ka n n bestehen aus: → profilierten Sta hlblechen mit Au fbeton (Höhe zwischen 38 u nd 91 m m) → Hohlkör perdecken aus Beton fertigteilen F ü r die Tragkonstr u ktion der Decke kön nen folgende Varia nten gewä hlt werden: → Träger (in der Regel Breitfla nsch- oder Doppel-T-Profile) → Sta hlgitter pfetten → Cellfor mträger → Fachwerkträger Das Absta ndsraster der die Decke tragenden Bauteile richtet sich nach: → der möglichen Spa n nweite des Deckensystems selbst → der Stützweite → der Bauteilhöhe (die meist du rch die vorgegebene Geschosshöhe besch rä n kt wird) → den einwirkenden Lasten (Eigenlast des Gebäudes u nd aus seiner Nutzu n g resultierende Verkeh rslasten) – 35

Bei einer Leichtbau-Profildecke (38 mm Höhe mit Aufbeton) sind die Tragglieder möglicherweise in einem engen Raster von bis zu 1,8 m (Mittenabstand) anzuordnen. Bei diesem Abstand bieten sich in der Regel Stahlgitterpfetten an. Bei größerer Höhe des Deckenaufbaus (76 bis 91 mm) und höherem Bewehrungsgrad des Aufbetons können die Stützelemente in einem Raster von einigen Metern geplant und schwerere Träger eingesetzt werden. Bei Deckenkonstruktionen aus Stahl-Trapezblechen verläuft die Ausrichtung des Profils senkrecht zur Spannrichtung des Trägers oder Balkens. Der Abstand zwischen den Trägern oder Balken richtet sich nach der möglichen Spannweite der Deckenkonstruk­ tion und der Tragfähigkeit der Träger oder Balken im Verhältnis zu ihrer Spannweite. Je leichter und flacher die Bauteile, desto geringer der Abstand. Links sind Stahlgitterpfetten in einem engeren Raster angeordnet, rechts sind Träger bei höherem Aufbau weiter voneinander entfernt montiert.

Links: Einer der Vorteile der Stahlskelettbauweise besteht darin, dass sie eine Bautätigkeit während des gesamten Jahres ermöglicht, selbst bei sehr niedrigen Temperaturen. Als Teil der Stahlkonstruktion des Bay Adelaide Center in Toronto, Ontario, wurden Stahlgitterpfetten zur Abstützung des Deckensystems eingesetzt. Rechts: Vor der Betonierung der Deckenplatte werden die Stahl­ profile durch Hinzufügung von Stehbolzen, Bewehrungsstäben und -matten vorbereitet, um die Betonfestigkeit zu erhöhen und Rissbildungen zu verhindern sowie den konstruktiven Verbund zwischen der Betondecke und den Stahlprofilen zu verstärken.

Bei nicht geradlinigen Geometrien ist die Anordnung der Tragglieder anzupassen. Für kürzere Spannweiten können Bauteile mit geringerem Eigengewicht verwendet werden. Bei der Planung von Stützen- und Trägerrastern sollte im Interesse der Effizienz und Kosteneinsparung so weit wie möglich auf regelmäßige Geometrien zurückgegriffen werden. Dabei können besondere, nicht geradlinige Anordnungen meist von der übrigen Konstruktion entkoppelt werden. Diese finden sich üblicherweise an der Gebäudeaußenwand oder bei größeren Deckenöffnungen bzw. -durchbrüchen. An der äußeren Kante sind in der Regel Anpassungen für die Montage des vorgehängten Wand- oder Fassadensystems vorgesehen. Zwar sind viele Verfahrensweisen des Stahlskelettbaus weltweit relativ einheitlich, jedoch werden für die Abstützung von Leichtbaudecken unterschiedliche Tragglieder verwendet. In Nordamerika sind dies häufig Stahlgitterpfetten, in der Europäischen Union werden vorzugsweise Cellformträger eingesetzt. Die den Obergurt einer Stahlgitterpfette bildenden Doppelwinkel müssen auf dem Träger aufliegen, in den die Stahlgitterpfette eingebunden ist. Bei Cellformträgern werden übliche Winkelverbinder verwendet. Cellformträger, die moderne Version des Wabenträgers, werden aus Breitflansch- oder DoppelT-Trägern durch Trennen in Stegrichtung gefertigt, wobei ein patentgeschütztes Bandschneideverfahren angewandt wird. Die entstehenden unteren und oberen Profile werden miteinander verschweißt, so dass im Steg kreisrunde Löcher entstehen. Die Träger sind um 40 bis 60 % höher als der ursprüngliche Träger und bieten eine bis zu 2,5-fache Tragfähigkeit. Während des erneuten Verschweißens kann der Stich der Träger überhöht werden, um einer folgenden Absenkung der Konstruktion unter Schwerlast entgegenzuwirken. Die Öffnungen dienen zur Durchführung von Leitungen.

– VERBINDUNGEN UND STAHLSKELETTBAU

In diesem Gebäude in London werden als Tragelemente Cellform­ träger mit runden Ausschnitten verwendet. Die Stegöffnungen ermöglichen die Durchführung von Leitungen und verringern das Eigengewicht des Bauteils. Die Außenkante des Gebäudes weist eine Sägezahnstruktur auf, welche die vorgehängte Fassade auf­ nimmt. Diese Struktur entsteht durch die Verwendung herkömmli­ cher Breitflansch- oder Doppel-T-Träger, die eine Auskragung der Deckenplatte über die Stützenachse hinaus bilden.

Links: Die Sägezahnstruktur ragt auf dem abgebildeten Geschoss nur geringfügig hervor, so dass zu ihrer Einbindung an dieser Stelle keine umfangreichen Anpassungen der Tragkonstruktion erforderlich sind. Rechts: Die Untersicht der Deckentragkonstruktion dieses Londoner Bürogebäudes verdeutlicht, wie das Tragwerk zur Aufnahme einer abgerundeten Ecke angepasst wird.

AUSG ESTEIFTE SYSTEME Rahmen- und Gelenkverbindungen sind in sich instabil. Um das Tragwerk in Querrichtung stabil zu gestalten, sind zusätzliche Maßnahmen zu treffen. Das Deckensystem sorgt für einen Teil dieser Stabilität, insbesondere bei Verwendung schwererer Verbundkonstruktionen aus Beton und Stahl mit ausreichendem Bewehrungsgrad des Betons. Dazu muss die Betonbewehrung in die Stahlkonstruktion eingebunden sein. Zur Stabilisierung werden häufig Betonkernkonstruktionen eingesetzt, da diese monolithische Bauweise in sich biegesteif ist. Zu r Erhöhu n g der Stabilität bieten sich drei weitere Verfa h ren a n: → Verstärk u n g der Ra h menverbindu n gen selbst zu r Herstellu n g der Biegesteifigkeit → A nbrin gen von Aussteifu n gen a n der Tragkonstr u ktion → Ver wendu n g von Wa ndscheiben (entweder aus Beton oder Sta hlblech) Die Verstärkung der Verbindungen zur Aufnahme von Biegemomenten wird als Portalrahmenbauweise bezeichnet. Diese ist geeignet für Hochhäuser oder Gebäude in erdbebengefährdeten Gebieten. Stattdessen kann das Tragwerk auch mit einer Diagonal- oder K-Aussteifung mittels dreieckiger Formen versehen werden. Diagonalaussteifungen sind nicht in jedem Fall die bevorzugte Lösung, da sich daraus Konflikte mit der Raumnutzung ergeben können. Zwar sind in allen Gebäuden zur Erzielung einer hinreichenden Standsicherheit Aussteifungen zu planen, jedoch sind in erdbebengefährdeten Gebieten zusätzliche Aussteifungen oder Bauteile mit höherem Eigengewicht vorzusehen. Dieses Spezialgebiet des Bauingenieurwesens wird im vorliegenden Band nicht behandelt. Dennoch sollte ein grundlegendes Verständnis der Art der Maßnahmen vorhanden sein, die für die Erdbebenbemessung von Stahlskelettbauten erforderlich sind. Die Seattle Space Needle in Washington, D.C., wurde in einem Erdbebengebiet errichtet. Zur Verstärkung der vollständig aus Stahl errichteten Tragkonstruktion wurden Kreuzstreben eingesetzt. Diese Bauteile verstärken gleichzeitig die Rahmenverbindungen.

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F A C H W E R K T R ÄG E R S Y S T E M E Ein Fachwerkträger umfasst eines oder mehrere dreieckige Elemente, die aus geraden Bauteilen bestehen, deren Enden über Anschlüsse (Knotenpunkte) bezeichnet werden. Für äußere Kräfte und Reaktionen auf diese Kräfte wird angenommen, dass diese ausschließlich an den Knotenpunkten einwirken und in den Bauteilen Axialkräfte erzeugen, die entweder reine Zug- oder Druckkräfte darstellen. Momente (Drehmomente) werden ausdrücklich ausgeschlossen, da sämtliche Anschlüsse eines Fachwerkträgers als Gelenke betrachtet werden. Fachwerkträger können eben, kastenförmig oder räumlich ausgebildet sein. Ebene Fachwerkträger sind zweidimensional, wobei alle Tragglieder im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind und die Lasten des Fachwerkträgers von ihren Endanschlüssen aus aufgenommen werden. Kastenträger haben ebenfalls nur eine Spannrichtung, verfügen jedoch über eine dreidimensionale Komponente, die in der Regel die Form eines Rechtecks oder Dreiecks aufweist. Räumlich ausgebildete Fachwerkträger werden auch als Raumfachwerk bezeichnet. Solche Systeme können in mehrere Richtungen aufgespannt werden, wobei ihre Lasten von jedem beliebigen Knoten des Systems aus übertragen werden (siehe Kapitel 11 „Zugbeanspruchte Konstruktionen und Raumfachwerke“). EBENE FACHWERKTRÄGER Arten von ebenen Fachwerkträgern: Ebene Fachwerkträger werden in unzähligen Abwandlungen eingesetzt. Hier sind einige der häufigsten Varianten dargestellt. Gefertigt aus herkömmlichen Stahlwinkeln und -blechen, stellen sie

Sprengwerk

für die Herstellung die preisgünstigsten Möglichkeiten dar. Die oberen und unteren Tragglieder werden als Gurte Howe-Dreiecksbinder

bezeichnet, die dazwischen liegenden Stahlbauteile als Füll- bzw. Ausfachungs­ stäbe. Unter typischer Lasteinwirkung Scherenbinder

nimmt der Obergurt Druckbeanspruchun­ gen, der Untergurt dagegen Zugbeanspru­

Modifizierter Warren-Träger

chungen auf.

(Strebenfachwerkträger) Howescher Träger (N-Binder) Pratt-Träger (Ständerfachwerkträger)

Träger und Balken sind für die Abtragung von Lasten über ihre gesamte Länge ausgelegt („verteilte Lasten“). Daher sind diese Tragglieder für die Aufnahme von Biegebeanspruchungen geeignet. Fachwerkträger sind dagegen als gelenkig verbundene Konstruktionen ausgelegt, wobei Lasten axial über jedes Tragglied abgetragen werden sollen. Daher sind die Tragglieder so konzipiert, dass sie entweder nur Druck- oder nur Zugbeanspruchungen aufnehmen, jedoch keine Biegekräfte. Aus diesem Grund dürfen Lasten auf Fachwerkträger ausschließlich an ihren Knotenpunkten übertragen werden. Die Bedachung mit Trapezblechen aus Stahl wird von Pfetten gestützt. Pfetten verbinden als Tragglieder die Fachwerkträger und übertragen die einwirkenden Lasten auf den Fachwerkträger an seinen Knotenpunkten. Bei präziser Realisierung der Anschlussgeo­ metrie sollte die Last durch den Mittelpunkt der Verbindung abgetragen werden, so dass im Gurt und in den Füllstäben entweder nur axiale Zugbeanspruchung oder nur axiale Druckbeanspruchung auftritt. Je größer die Abstände zwischen den Fachwerkträ­ gern, desto massiver müssen die Pfetten ausgebildet werden. Die Dimensionierung des Fachwerkträgers selbst richtet sich nach der möglichen Spannweite der Bedachung, da das Abstandsraster der Pfetten hierdurch unmittelbar beeinflusst wird.

– VERBINDUNGEN UND STAHLSKELETTBAU

Aus Sicht des architektonischen Entwurfs bieten Fachwerkträger ein enormes Potenzial. Bei der Fertigung aus Standardprofilen lässt die Reduzierung auf rein axiale Zug- oder Druckbeanspruchung bei der Auswahl der Tragglieder eine Feinabstimmung auf die Art der Beanspruchung zu. Als Zugglieder können Stäbe oder Seile verwendet werden, die sich von den für Druckglieder verwendeten Profilen abheben. Dadurch eröffnen sich einzigartige Möglichkeiten für den Entwurf der Verbindungen zwischen den Traggliedern, da eine individuell auf das Bauvorhaben abgestimmte Formensprache für die Ausbildung der architektonischen Details entwickelt werden kann (siehe auch Kapitel 11 „Zugbeanspruchte Konstruktionen und Raumfachwerke“).

Links: Diese Eisenbahnbrücke in Paris stellt einen modifizierten Pratt-Träger dar. Um die Expansion und Kontraktion des Stahls aufzunehmen, ist ein Ende der Brücke als Gelenkverbindung konstruiert, das andere als Rollenlager. Rechts: Die Bedeutung der Geometrie des Knotenpunktes wird an der Ausrichtung der an diesem Knotenpunkt endenden Tragglie­ der deutlich. Hier wurde der Versuch unternommen, die Schwer­ punkte aller Tragglieder an einem Punkt zusammenzuführen.

Links: Die weit gespannten Warren-Träger im Canadian War Museum in Ottawa, Ontario, das von Raymond Moriyama entworfen wurde, sind aus quadratischen Hohlprofilen gefertigt. Die Füllstäbe haben einen geringfügig schlankeren Querschnitt als die Ober- und Untergurte, so dass die Anschlüsse leichter hergestellt werden konnten. Die Last der Stahlbedachung wird über Breitflanschträger auf die Fachwerkträger abgetragen. Auf der Dachebene sind zusätzlich Kreuzstreben montiert. Rechts: Die Fachwerkträger im Entwurfsstudio der School of Architecture der University of New Mexico in Albuquerque, New Mexico, das von Antoine Predock konzipiert wurde, sind aus Breitflanschprofilen gefertigt. Die einmündenden Träger, die die Stahldachkonstruktion stützen, sind in die Knotenpunkte des Fachwerkträgers eingebunden. Die Tragglieder wurden unab­ hängig von ihrer Druck- oder Zugfestigkeit einheitlich gestaltet.

Für das von Dub Architects entworfene Tragwerk des Oberlichts des Rathauses von Edmonton in Alberta wurde ein System aus kreuzweise angeordneten Vierendeel-Fachwerkträgern verwendet, das aus geschweißten quadratischen Hohlprofilen besteht. Ein Vierendeel-Träger ist ein spezieller Fachwerkträger ohne dreieckige Formen, der vorzugsweise für die Schaffung fester, biegesteifer Verbindungen dient. Er erlaubt eine einfachere Geometrie für die Verschweißung der Anschlüsse. Die gewählten quadratischen Hohlprofile erleichterten die Verschweißung der einzelnen Elemente, erschwerten allerdings die Realisierung einiger Knotenpunkte.

RAUMFACHWERKTRÄGER Systeme aus Raumfachwerkträgern begrenzen die Anforderungen an die Spannweite der Tragglieder, welche die Dach- oder Deckenlasten auf die Fachwerkträger übertragen. Bei weit gespannten Bauteilen bietet die dritte Dimension des Fachwerkträgers ein höheres Maß an Stabilität in Querrichtung. Bei kastenförmigen Fachwerkträgern verläuft die Spannrichtung linear, während Raumfachwerke frei in mehrere Richtungen aufgespannt werden können. Wie bei den anderen Arten von Fachwerkträgern sind Lasten an den Knotenpunkten abzutragen, so dass auf die Tragglieder ausschließlich axiale Lasten einwirken. Raumfachwerkträger werden in der Regel für jedes Projekt individuell gefertigt. Häufig werden sie als sichtbare Elemente montiert. Da diese oft komplexe geometrische Formen annehmen, werden üblicherweise kreisrunde Hohlprofile verwendet, da sich bei diesen Traggliedern Schweißverbindungen erfahrungsgemäß einfacher lösen lassen.

– 39

Links: Für das Tragsystem des Vordaches des Baltimore Convention Center in Baltimore, Maryland, wurden dreieckige Fachwerkträger verwendet, die mit leichteren Hohlprofilen ausgesteift sind, so dass die Konstruktion auf den Betrachter wie ein Raumfachwerk wirkt. Die Hauptträger verfügen über deutlich größere Tragglieder. Rechts: Alle Trägeranschlüsse sind geschweißt. Die Bleche zwi­ schen den Bauteilen dienen nicht zur Aussteifung; sie sollen die dahinter angebrachten Leuchten verdecken. Kleinere Hohlprofile sind an die Untergurte der Dreiecksträger angeschweißt und sorgen so für Stabilität in Querrichtung.

Beim Einsatz von Fachwerkträgern können Formen nahezu unbegrenzt variiert werden. Bei gebogenen oder gewölbten Geometrien können die Fachwerkträger so gefertigt werden, dass sie die gebogene Form über ihre Spannweite aufnehmen. Bei diesen Trägern können Ober- und Untergurt als gebogene Bauteile und die Füllstäbe gerade ausgebildet werden. Die Form dieser Metrostation in Dubai entsteht durch die Verwendung gebogener Dreiecksfachwerkträger.

Die über die Metrostationen in Dubai gespannten gebogenen Dreiecksträger bestehen aus einem einzelnen runden HohlprofilObergurt und paarweise angeordneten runden HohlprofilUntergurten, die durch kleinere runde Hohlprofil-Füllstäbe voneinander getrennt sind. Die Schweißverbindungen tragen in Verbindung mit dem gebogenen Stahl dazu bei, dass die Steifig­ keit des Fachwerkträgers auch ohne diagonale Füllstäbe in der Ebene des Bogens/Trägers erhalten bleibt.

Links: Das Stoffdach des von A-Form Architecture entworfenen Bank of America Pavilion in Boston, Massachusetts, wird getra­ gen von einem einzelnen, bogenförmig ausgebildeten Raumfach­ werkträger. Durch den Träger war bei der Montage der Zugang vom Boden aus vorhanden. Rechts: Da der Fachwerkträger nicht in einem Stück gefertigt und transportiert werden konnte, wurde er in Abschnitte gegliedert. Um eine durchlaufende Verbindung über die Gurte zu gewähr­ leisten wurden Bleche an die Enden der runden Hohlprofile angeschweißt. Die Verbindung zwischen der Röhre und dem Blech wurde durch zusätzliche Dreiecksbleche zwischen den Schrauben­löchern ausgesteift.

Fachwerkträger stellen ein relativ vielseitig einsetzbares Tragsystem dar, da sie sowohl als weit gespannte Tragglieder als auch zur Schaffung von nutzbarem Raum dienen können. Bei ausreichender Höhe des Trägers können Nutzflächen um die Füllstäbe herum geplant werden.

– VERBINDUNGEN UND STAHLSKELETTBAU

Links: Auf jedem zweiten Geschoss des University Hospital in Edmonton, Alberta, wurden Warren-Träger verwendet, welche die groß dimensionierte Haustechnik aufnehmen. So konnten die Patientengeschosse von gebäudetechnischen Anlagen frei gehalten werden. Rechts: Das Phoenix Convention Center in Arizona verfügt über ein auskragendes Fachwerk, das sich über die Straße erstreckt und so ein Vordach mit Sonnenschutzwirkung bildet. Diese Fach­ werkelemente sind wiederum in das Haupttragwerk des Gebäudes eingebunden, was überhaupt erst die Auskragung in der hier realisierten Dimension ermöglicht.

Die ungewöhnliche Form des von Will Alsop entworfenen Erweiterungsbaus des Ontario College of Art and Design in Toronto entsteht durch hohe Fachwerkträger, die einen ausladenden, zweigeschossigen Seminarbereich schaffen, der auf 27 m langen Stahlpfeilern aus Hohlprofilen aufliegt. Diese isometrische Konstruktionszeichnung des von Will Alsop entworfenen Erweiterungsbaus des Ontario College of Art and Design (OCAD) in Toronto, Ontario wurde vom beauftragten Stahlbauunternehmen Walters Inc. zur Visualisierung der Konst­ ruktion des Stahlskeletts verwendet. Die Errichtung des Bauwerks wurde vereinfacht durch die mögliche Auskragung der hohen, sich über zwei Geschosse erstreckenden Stahlfachwerkträger vom Betonkern. Die Träger wurden schrittweise über die Pfeiler hinaus montiert.

Links oben: Die dem Stahl eigene Zugfestigkeit ermöglicht die Auskragung der hohen Fachwerkträger. Für Deckenkonstrukti­ onen und Bedachung wurden Stahlprofile verwendet. Das zwei­ geschossige, auf den Pfeilern aufliegende Seminargebäude wird von den Fachwerkträgern umschlossen. Der Grundriss bzw. das Raumprogramm wurden um die Tragkonstruktion herum geplant. Links unten: Die Diagonalstreben der Fachwerkträger verlaufen durch den Innenraum des Studios des OCAD. Die im Innenraum präsente Konstruktion kann auf einfache Weise umbaut werden. Der überwiegende Teil der Konstruktion wird von den Wänden der kleineren Räume verdeckt. Die sichtbaren Stahlteile wurden durch eine Kombination aus einer dämmschichtbildenden Brand­ schutzbeschichtung und einem Brandlöschsystem geschützt. Rechts: Das Planen von Stahlkonstruktionen erfordert ein hohes Maß an Visualisierung. In dieser Darstellung des Stahlbauunternehmens Walters Inc. wird das Verständnis des Zusammenhanges zwischen der Tragfähigkeit des Stahls und der Architektur deutlich.

Ein hinreichendes Verständnis des Entwurfs der statischen Verbindungen und der Zielstellungen der Skelettbauweise ermöglicht einfache Lösungen für eine innovative architektonische Formensprache.

– 41

K APITEL 4 ---

FERT IG UNG , MON TAG E un d i h re b e d eutung für DEN ENTWURF --VOM ENT WUR F ZU DEN VORG EFERTIGTEN BAUTEIL EN PROZES SPROFIL : ERW EITERUNG DES ROYA L ON TA R IO MUSEUM (ROM) - MICH A EL L EE - CHIN CRYSTA L / ST UDIO DA NIEL L IBE S K IND PHYSISCHE UND DIGITALE MODELLE PROPORTIONEN TRANSPORT UND BAUSTELLENABLÄUFE ENDMONTAGE DER STAHLBAUTEILE AUSWIRKUNGEN VON WITTERUNG UND KLIMA AUF DIE MONTAGE SCHAFFUNG DAUERHAFTER STABILITÄT KOORDINATION MIT ANDEREN GEWERKEN

PROZESSPROFIL: L E S L IE DA N FACULT Y OF PH A R M AC Y / FOSTER + PA RTNER S VORFERTIGUNG IN DER WERKSTATT MONTAGE DER PODS

Die Montage und Errichtung von Bauwerken aus Stahl erfordert Team-

MONTAGE EINES TRÄGERS

arbeit: das Anheben des „Pods“ in der Leslie Dan Faculty of Pharmacy in Toronto, Ontario, die von Foster

MONTAGE DER STÜTZEN

+ Partners entworfen wurde. Sowohl für den Architekten als auch für das

ANHEBEN DES 50-t-TRÄGERS ANHEBEN DER PODS

Stahlbauunternehmen Walters Inc. war dies das erste Projekt seiner Art. Die in leuchtendem Orange erscheinenden Punkte auf den Ketten markieren die Höhen und ermöglichen während des Hebevorgangs eine ständige Prüfung der Ausrichtung.

VOM ENT WUR F ZU DEN VORG EFERTIGTEN BAUTEIL EN Die Umsetzung einer Entwurfsidee in eine Reihe (vor)gefertigter, auf der Baustelle einfach zu montierender Elemente erfordert einen hohen Arbeitsaufwand. Selbst im 21. Jahrhundert stellen Entwurf, Vorfertigung und Montage von Stahlbauten trotz des technischen Fortschritts einen weitgehend manuellen Prozess dar. Bei jedem Schritt kommt es auf die Kommunikation zwischen den Beteiligten, handwerkliches Können und die richtige Entscheidungsfindung an. Mit Ausnahme von Stahlkonstruktionen für standardisierte Bau­ typen wie etwa Einkaufszentren ist jedes Projekt einzigartig. Daher müssen die mit Entwurf, Fertigung und Errichtung verbundenen Betrachtungen auf das jeweilige Projekt zugeschnitten werden. Dies scheint der Grundidee von Eisen und Stahl als für die Massenfertigung und Montage geeignete Baustoffe zu widersprechen. Dennoch beruft sich die Branche weiterhin auf diese Ansätze als Grundlage für die Erzielung von Kosteneinsparungen und kurzen Bauzeiten. Gesichtspunkte des reinen Handwerks und handwerklichen Könnens bleiben ein Kernbestandteil des Entwerfens mit Stahl. Wenn der Vorentwurf des Architekten an die Grenzen erprobter Beispiele für Detaillierung, Vorfertigung und Errichtung stößt, werden Stahlbauunternehmen häufig noch vor dem endgültigen Entwurf und der Ausschreibungsphase des Projekts in die Diskussion einbezogen. Dies steht im Gegensatz zur Verfahrensweise bei Bauvorhaben geringerer Komplexität - hier gibt das Stahlbauunternehmen nach Veröffentlichung der Ausschreibung einfach ein Angebot ab. Bei einfachen Projekten schlägt der Stahlbauer gegebenenfalls nur geringfügige Änderungen der vom Bauingenieur geplanten Tragkonstruktion vor, um die Effizienz zu erhöhen. Von größter Bedeutung sind die mit der Errichtung betrauten Stahlbaumonteure. In der Regel wird ein Monteur als Verantwortlicher bestimmt, dessen Problemlösungskompetenz den Baufortschritt, die Schnelligkeit der Montage und den termingerechten Abschluss der Arbeiten entscheidend beeinflusst. Stahlbauer verfügen über ein untrügliches Gespür für die Passgenauigkeit von Bauteilen. Sie sind für die korrekte Ausfluchtung während der Montage ebenso wie für die Qualität der Oberflächen von Schweißungen auf der Baustelle oder die Endbehandlung des Stahls verantwortlich. Diese Arbeiten bergen auch ein hohes Gefährdungspotenzial. Selbst bei angelegter Fallschutzausrüstung und Sicherung durch Seile wird ein wesentlicher Teil der Arbeiten in großer Höhe, unter verschiedensten Witterungsbedingungen und an Bauteilen ausgeführt, die Tausende Tonnen schwer sein können.

Stahlbauer bringen sich für ein Pressefoto in Positur. Anlass war das Anheben des

In diesem Kapitel dienen zwei detaillierte Prozessprofile der Beschreibung des Montage- und Errichtungs-

letzten Stahlbauteils für das Royal Ontario

prozesses. Der von Daniel Libeskind entworfene Erweiterungsbau des Royal Ontario Museum und die Leslie

Museum in Toronto, Ontario, entworfen

Dan Faculty of Pharmacy von Foster + Partners, beide in Toronto, stellen Projekte höchster Komplexität dar, die eine entsprechend angepasste, hochprofessionelle Detaillierung, Vorfertigung und Montage erforderten. Ein Verständnis der hier angewandten Verfahren schafft die Grundlage für das Verständnis von Prozessen, die bei vielen einfacheren Projekten genutzt werden.

– FERTIGUNG UND MONTAGE

vom Studio Libeskind. Die Monteure zeigen Stolz auf ihr handwerkliches Können und den unfallfreien Abschluss des Projekts. Auf dem Trägerelement finden sich die Unterschriften aller Beteiligten.

PROZESSPROFIL: ERWEITERUNG DE S ROYA L ON TA R IO MUSEUM (ROM) MICH A EL L EE - CHIN CRYSTA L / STUDIO DANIEL LIBESK IND Entwurfsarchitekten: Studio Daniel Libeskind Architekten vor Ort: Bregman and Hamann Bauingenieure: ARUP London/Halsall Associates Generalübernehmer: Vanbots Construction Corporation Stahlbau und -montage: Walters Inc. Isometrische Darstellung der Gesamtkonst ­r uktion der Erweiterung des Royal Ontario Museum in Toronto, Ontario. Die Zeichnung wurde vom Stahlbau- und -montageunternehmen Walters Inc. aus Hamilton, Ontario, angefertigt. Sie diente als Referenz für das Gesamtprojekt und zeigt jedes einzelne Stahlbauteil.

Für komplexe Gebäude - insbesondere mit unregelmäßigen geometrischen Formen - sind vielfältige digitale und reale Zeichnungen und Modelle für die Kommunikation zwischen den Teammitgliedern erforderlich. In nahezu allen Phasen des Entwurfs, der Vorfertigung und der Montage dieses Projekts zeigte sich, dass eine einfache Normalprojektion nicht sinnvoll für die Definition der Bauvolumina und Details war. Eine 3D-Modellierung diente als Grundlage für die nachfolgende Erzeugung der technisch komplexeren Stahlkonstruktionsmodelle, die vom Stahlbauunternehmen erstellt wurden. Für Angebote und Baugenehmigungsverfahren wurden die üblichen Architektenpläne, Schnittdarstellungen und Aufrisse entwickelt. Diese Zeichnungen bedurften dann jedoch umfangreicher Ergänzungen. Die unterschiedlichen abgewinkelten Ebenen der Wände führten zu unzähligen Einzelanfertigungen von Stahlbauteilen und Verbindungen für das Diagonalgitter. Die Massenermittlung und Dimensionierung musste anhand von Zeichnungen durchAm Anfang der Erweiterung des ROM

geführt werden, die plangleich mit den abgewinkelten Flächen waren. Mochten auch die methodischen

stand - geradezu klassisch - eine Skizze

Verfahrensweisen für die Konstruktion und Montage der ebenen Flächen der Gebäudeaußenhaut einfach

auf einer Serviette.

und repetitiv sein, so erforderte doch jede einzelne Fläche und jeder Vor- oder Rücksprung eine sorgfältige Detaillierung, um die zahllosen unregelmäßigen Formen zu meistern. – 45

Bei den meisten Standardbauprojekten definieren und erstellen der Architekt und der Bauingenieur die Angebotsunterlagen - häufig im Zusammenspiel mit dem Projektmanagement-Team. In diesem Fall arbeitete der Stahlbauer mit den Ingenieuren zusammen. Er vermochte die dreidimensionalen kristallinen Formen in konkrete Stahlbauteile und realisierbare Verbindungen zu überführen. PHYSISCHE UND DIGITALE MODELLE Wie bei der überwiegenden Zahl von Bauvorhaben wurden als Ergänzung der in digitaler Form vorliegenden Modelle auch physische Modelle verwendet. Diese umfassten beispielsweise Modelle, die mit Innenraumbeleuchtung, Personen und Fahrzeugen sehr detailliert ausgearbeitet waren und vom Auftraggeber für Präsentationen genutzt wurden. Andere Modelle wurden speziell dafür erstellt, die Geometrie des Baukörpers zu durchdringen und nachfolgend die konstruktiven Details herauszuarbeiten. Eines der zahlreichen Baumassenmodelle, die von den Architekten erstellt wurden, um die feinen Abstufungen der kristallinen Formen darzustellen. Das hier abgebildete physische Modell ist relativ weit entfernt von digitalen Modellen, die für die eigentliche Konstruktion eines solch komplexen Gebäudes herangezogen werden. Es dient als Hilfsmittel für die Überzeugungsarbeit gegenüber dem Bauherrn und zum Vergleich der Bau­ massenvarianten.

Weiterhin wurden dreidimensionale physische Modelle eingesetzt, um die Stahlkonstruktion zu veranschaulichen, wobei die einzelnen Schichten der Geschoss- bzw. Diagonalgitterkonstruktionen der Kristallflächen dargestellt wurden, die den Baukörpern aufgelagert sind. Die für die Vorfertigung in der Werkstatt genutzte Reihe von Konstruktionszeichnungen umfasste je eine Zeichnung für jedes einzelne Bauteil der Stahlskelettkonstruktion. Zwar verleihen die im Diagonalgitter selbst enthaltenen Dreiecksformen einem Großteil der schiefen Ebenen Stabilität, jedoch wurden im gesamten Tragwerk auch Systeme aus biegesteifen Verbindungen verwendet, die der Verstärkung und Erhöhung der Stabilität in Querrichtung dienen. Dies gilt insbesondere für große Fachwerkträger oder Oberlichteinfassungen, die während der Bauphase - jedoch auch in der endgültigen Planung - abgehängt sind oder auskragen. Links: Ein vom Stahlbauunternehmen für die Prüfung des Stahls auf den Außen­ flächen verwendetes Modell. Rechts: Dieses aus Papier und Draht gefertigte Modell entstand aus den Zeichnungen der „schwebenden“ Stahldeckenkonstruktionen, die vom Diagonalgitter der Außenwände konstruktiv getrennt sind. In den Decken befinden sich zahlreiche Durchbrüche, eine vertikale Flucht ergibt sich nur zu einem geringen Teil.

– FERTIGUNG UND MONTAGE

Walters Inc. griff für die Planung der unzähligen Anschlussdetails auf die im eigenen Haus entwickelte 3D-Software zurück. Solche Programme ermöglichen es dem Konstrukteur, räumliche Modelle aller Stahlbauteile mit den jeweils einwirkenden Lasten zu erzeugen. Das Modell kann gedreht oder auseinandergezogen werden, um die einzelnen Profile, Bauteilabmessungen, Blechdicken oder erforderliche Schraubund Schweißverbindungen zu betrachten. Da der Stahl in diesem Gebäude praktisch überall verdeckt sein sollte, wurde die Auswahl der Bauteilformen und -größen dem Fachplaner überlassen, wobei die Kriterien der Tragfähigkeit, Verbindbarkeit und Wirtschaftlichkeit maßgebend waren. Bei Stahl als sichtbarem Gestaltungselement hätten die Architekten dem Fachplaner in weit größerem Maße zugearbeitet.

Das von den Stahlbauunternehmen

Die konstruktive Durchbildung der Stahlbauteile wird von den Tragwerksplanern vorgegeben und durch

erzeugte 3D-Modell wurde mit Hilfe einer

den Stahlbauer und Fachplaner umgesetzt. Die technischen Daten werden in eine branchenübliche

Spezialsoftware für die Detaillierung von

Spezialsoftware eingespeist, die das Stahlbauunternehmen für den Entwurf und die Detaillierung jeder

Stahlbauteilen erstellt. Das Modell des Gesamtgebäudes ist notwendig, um alle

einzelnen Verbindung nutzt. Bei dieser Detailplanung sind die Lastabtragungen in den Anschlüssen,

Anschlüsse miteinander zu verbinden und

die Abmessungen aller an einem bestimmten Anschluss aufgelösten Stahlbauteile sowie Schraub- und

in einen konstruktiven Gesamtzusammen-

Schweißverbindungen zu berücksichtigen.

hang zu überführen.

Die für jeden Knotenpunkt im größeren Modell durchgeführte Detailplanung findet sich nachfolgend in einer Reihe tatsächlich gefertigter Bauteile wieder. Im digitalen Modell sind darüber hinaus transport- und montagebedingte Beschränkungen hinsichtlich der Abmessungen von Bauteilen zu berücksichtigen. Aus diesen Daten wird ein separates Zeichnungsblatt erzeugt, das für die Fertigung jedes einzelnen Bauteils verwendet wird.

Links: Digitales Modell mit Detaillierung einer Kristallfläche. Rechts: Dieses Foto wurde aus dem gleichen Winkel wie das digitale Modell aufgenommen. Es wird deutlich, wie genau die beiden Abbildungen übereinstimmen: Die in der Realität montierte Konstruktion gibt exakt die Darstellung in der Zeichnung wieder.

– 47

Bei einem herkömmlichen, mit orthogonalen Feldern geplanten Projekt wird die Lage von Elementen in der Regel mit Hilfe ihres Stützen-Raster-Schnittpunktes und der Geschossebene definiert. Bei einem Bauvorhaben wie dem ROM wurden andere Hilfsmittel zur Lokalisierung der Einbauorte entwickelt. Jedes Stahlbauteil wurde einem der fünf Haupt„kristalle“ zugeordnet. Innerhalb dieser „Kristalle“ wurde die Lage durch Scheitelpunkte genauer definiert. Darüber hinaus waren zahlreiche Elemente so ungewöhnlich geformt, dass sie mit speziellen Namen bezeichnet wurden, was angesichts der Komplexität des Projekts sinnvoller war, als sie anhand ihres Stützen-Raster-Schnittpunktes zu lokalisieren. Das Bauteil ist hier zunächst als digitales Modell, dann auf der Fertigungszeichnung und schließlich in der Werkstatt dargestellt. Es wurde liebevoll als „Eule“ bezeichnet. Aus dem digitalen Modell erstellte Zeichnung des Bauteils. Die Vorfertigung und Herstellung der komplexesten Teile mit erforderlicher Verschweißung sollte in der Werkstatt erfolgen. Das Element wurde dann so zugeschnitten, dass es auf einen Tieflader passte und transportiert werden konnte. Da die auf der Baustelle herzustellenden Anschlüsse verschraubt werden sollten, wurden alle Schraubenlöcher bereits in der Werkstatt gebohrt. Anzubringende Bleche, die beweglich sein sollten, wurden zugeschnitten und in einigen Fällen in montagefertiger Form lose befestigt.

Oben: Das digitale Bild wurde nachfolgend in ein Zeichnungsblatt umgewandelt, das zur Vorfertigung des Bauteils in der Werkstatt diente. Links: Die „Eule“ kurz vor ihrer Fertigstellung. Alle kleineren Stahlteile wurden anhand der Angaben auf dem Zeichnungsblatt zugeschnitten. Während der Vorfertigung musste das Element häufig angehoben und gedreht werden. Rechts: Die „Eule“ fertig montiert auf der Baustelle.

– FERTIGUNG UND MONTAGE

Der Detaillierungsgrad des digitalen Modells verschafft den Planern einen realistischen Eindruck der Funktionsweise des Bauteils. Da das vom Stahlbauunternehmen erstellte digitale Modell Grundlage für eine Reihe sehr genauer Zeichnungen ist, die zur Vorfertigung der Bauteile dienen, sollte das in seiner Endlage montierte Element nicht davon abweichen. Änderungen mit dem Ziel, das Bauteil „mit Gewalt“ einzupassen, hätten gravierende Auswirkungen auf alle folgenden Bauteile, deren Passung nicht mehr gewährleistet wäre. Wenn ungewöhnliche Winkel geplant sind oder Stahl in exponierter Lage verwendet wird, werden die Passtoleranzen in der Regel auf die Hälfte der üblichen Toleranzen reduziert. Die Verwendung von Langlöchern oder Ausgleichsblechen zur Verbesserung der Bauteilpassung ist nicht zulässig. Obwohl für die Detaillierung der Anschlüsse computergestützte Verfahren eingesetzt werden, müssen die Bauteile manuell gefertigt werden. Die für das Element erforderlichen Stahlteile werden vermessen, zugeschnitten und mittels Schweißung zusammengefügt, wobei so „altertümliche“ Werkzeuge wie Anschlagwinkel und Bleistift zum Einsatz kommen. Nicht alle Teile werden CAD/CAM-gestützt zugeschnitten. Zur Stabilisierung der Lage der Bauteile werden in der Werkstatt Heftschweißungen aufgebracht. So können der Hallenkran oder die provisorischen Stützen entfernt und dennoch die vollständigen Schweißungen zu einem späteren Zeitpunkt durchgeführt werden. PROPORTIONEN Eine der schwierigeren Aufgaben besteht darin, die Proportionen bezüglich der Größe der Bauteile zu berücksichtigen. Vielfach nimmt man Stahlbauteile aus großer Entfernung von unten wahr, so dass jedes Gefühl für Proportionen verloren geht. Bei der Planung von nicht sichtbaren Stahlbauteilen ist dies nicht weiter problematisch. Sichtbare Stahlelemente sind dagegen häufig näher am Beobachter angeordnet, der auch die Detaillierung würdigen wird. Dies hat Konsequenzen für die Wahl des Fertigungsverfahrens und der Bauweise. TRANSPORT UND BAUSTELLENABLÄUFE Einzelne Stahlbauteile dürfen nur so groß bemessen sein, dass sie noch zur Baustelle transportiert werden können. Diese Größenbeschränkung ist entscheidend für die Anordnung der Verbindungen zwischen den einzelnen Teilen: Je größer die Zahl der Verbindungen, die bereits in der Werkstatt hergestellt werden können, desto wirtschaftlicher die Fertigung der Bauteile und desto kürzer die Montagezeit. Schweißarbeiten sollten vorzugsweise in der Werkstatt, Verschraubungen auf der Baustelle ausgeführt werden. Falls aus ästhetischen Gründen ausschließlich Schweißverbindungen zugelassen werden sollen, sind weitere Überlegungen zur Realisierung der Schweißungen auf der Baustelle erforderlich. Oben: Zwei Arbeiter in der Werkstatt

In der Regel sind zwischen der Werkstatt und der Baustelle gewisse Entfernungen zurückzulegen. Der Ent-

übertragen die Markierungen von der

wurf und die Detailplanung der Anschlüsse zwischen den Bauteilen muss sich dabei zwingend an den

Zeichnung auf ein Stahlbauteil für das ROM. Unten: Der Vergleich der Größe

Gegebenheiten der Transportstrecke orientieren. Das Stahlbauunternehmen ist über die lichte Höhe aller Straßenüberführungen und über für den Spediteur kritische Wenderadien zu informieren. Örtliche, wesentlich schmalere Straßen schränken den Zugang zur Baustelle unter Umständen noch weiter ein.

der Monteure mit den Stahlbauteilen verdeutlicht die Proportionen.

Die Bauteile sollten vorzugsweise auf einen üblichen Auflieger verladen werden können, da die meisten Stahlbauunternehmen über einen entsprechenden Fuhrpark verfügen. Auflieger oder Achsen lassen sich an die Gegebenheiten des Projekts anpassen. Vorteilhaft ist es auch, darauf zu achten, dass die Stahlteile die Breite des Aufliegers nicht überschreiten, da bei übergroßen Elementen eine Transportbegleitung durch die Polizei oder sogar eine Vollsperrung der betreffenden Straße notwendig werden kann. Verkehrsstaus können durch Zeitplanung außerhalb der Hauptverkehrszeiten umgangen werden.

– 49

Die zulässige Bauteilgröße richtet sich auch nach der auf der Baustelle verfügbaren Montagefläche. Vor

Mit über 17 m Länge passte dieses Stahl-

dem Anheben des Elements kann hier eine kontrollierte Vormontage erfolgen, um die Montagezeit zu

bauteil gerade noch auf einen Tieflader.

verkürzen und den Zugang zu den Anschlüssen zu erleichtern. Der Baustellenkran kann zum Anheben und Drehen der Bauteile im Montagebereich eingesetzt werden, so dass die Monteure ebenerdigen Zugang zur vollständigen Herstellung der Verbindungen haben.

Die Knotenpunkte für die Anschlüsse der anderen Bauteile des Diagonalgitters wurden in der Werkstatt geschweißt, um die größtmögliche Maßgenauigkeit zu erzielen.

Stahlbauer montieren eine Reihe von kleineren Bauteilen zu einem größeren Element für die Endmontage. Die Arbeiten werden im eingeschränkten Montagebereich vor der Baustelle ausgeführt. Hierfür muss das Montageunternehmen die einzelnen Lieferungen in der richtigen Reihenfolge planen, so dass nur die gerade benötigten Teile auf der Baustelle gelagert werden.

In diesem Beispiel war der am nördlichen Rand der Baustelle gelegene Montagebereich extrem eng bemessen. Aus diesem Grund wurden die Stahlbauteile abgeladen und sehr kompakt in einer Reihenfolge gelagert, die dem Montageablauf entsprach. Viele der größeren, winkligen Teile des Diagonalgitters wurden weitgehend als gerade Bauteile mit in der Werkstatt angefügten Kopfenden transportiert und dann vor der Endmontage im Montagebereich zu größeren Einheiten zusammengefügt. Mit fortschreitender Endmontage reduzierte sich der für die Vormontage verfügbare Bereich kontinuierlich, da das errichtete Gebäude die zuvor freie Fläche der Baustelle in Anspruch nahm. Daher waren die Planung des Montageablaufs und der Entladepunkt für die gelieferten Bauteile hier von noch größerer Bedeutung.

– FERTIGUNG UND MONTAGE

ENDMONTAGE DER STAHLBAUTEILE Der Standort und die Reichweite des Krans beeinflussen den Entwurf des Bauwerks. 99 % der Endmontage des ROM wurden mit einem Turmdrehkran ausgeführt, der sich in der Mitte der Baustelle befand. Aufstellort und Reichweite des Krans wurden so berechnet, dass alle anzuhebenden Bauteile erreicht werden konnten. Wiederum waren die Platzknappheit auf der Baustelle und der Aufstellort für das Projekt maßgeblich, da die nahe gelegene Straße und der eng bemessene Vormontagebereich den Einsatz größerer Auslegerkrane zur routinemäßigen Unterstützung des Montageablaufs nicht zuließen. Die Auswahl des oder der Krantypen beeinflusst darüber hinaus die Planung der Stahlbauteile. Krane sind nach ihrer zulässigen Traglast dimensioniert. Der Standort des Turmdrehkrans wurde

Beim Entwurf des Bauwerks wird eine konkrete Reihenfolge für die Montage der einzelnen Teile festge-

mit Blick auf die Nutzung der maximalen

legt. Bei einem Projekt mit orthogonaler Geometrie ist dieser Schritt relativ einfach. Für das ROM musste

Reichweite des Kranarms ausgewählt. Die Stahlkonstruktion musste den Stand-

dagegen eine sorgfältige Planung entwickelt werden, da der Erweiterungsbau auf drei Seiten von einem

ort des Krans aussparen, um Unterbre-

bereits vorhandenen Gebäude umschlossen war. Das ursprünglich für die Planung der Verbindungen

chungen wichtiger tragender Bauteile des

genutzte, größer angelegte digitale Modell diente nun zur Aufteilung der Konstruktion in Hebesequen-

Diagonalgitters zu vermeiden. Bei einem

zen. Zur Herstellung der anfänglichen Standfestigkeit begann man mit der Montage der Stahlbauteile

herkömmlichen Gebäude ist dies weniger

um den Betonkern herum. Die weiteren Abschnitte wurden dann in systematischer Abfolge montiert.

von Belang.

Farbmarkierungen kennzeichnen die Bauteilgruppen, die zu einem bestimmten Teil des Montageablaufs gehören.

Für die Bauteile werden Hebepunkte berechnet, so dass sie sich beim Anheben durch den Kran im korrekten Winkel für die Verschraubung oder Verschweißung an den Anschlüssen befinden. Bei der herkömmlichen Montage trägt die Schwerkraft dazu bei, die Bauteile in ihre endgültige Einbaulage zu bringen. Stützen verfügen über einen speziellen Anschlagpunkt zum Einhängen des Krangeschirrs. Symmetrische Träger können mittig angehoben werden, wenn sie relativ kurz sind. Bei größerer Länge oder geringfügiger Asymmetrie ist eine Anschlagkette zu verwenden. Die Schwerkraft wirkte der Montage der Bauteile des ROM an vielen Stellen entgegen. Für die komplexen, abgewinkelten Bauteile mussten die Hebepunkte und Kettenlängen sorgfältig ermittelt werden, um die Schwerpunkte der unregelmäßig geformten vormontierten Elemente zu berücksichtigen. Hierbei kam es auf absolute Präzision an, so dass das Bauteil in den Anschluss hineingeschoben werden konnte. In einigen Fällen mussten die vormontierten Teile dazu im engen Montagebereich gekippt oder gedreht werden, bevor sie in ihre endgültige Position gehoben wurden. Links: An diesem Fachwerkträgerelement ist das Krangeschirr am Schwerpunkt der Oberseite des Bauteils angeschlagen. Die seitlich angebrachten Seile bieten den Monteuren die Möglichkeit, beim Anheben des Teiles in seine Endlage Hilfe­stellung zu leisten. Rechts: Die Monteure greifen das nach oben beförderte Bauteil des Diagonalgitters, indem sie das Stahlelement mit Hilfe der Seile in die gewünschte Lage bringen. Sobald die Schraubenlöcher in Deckung kommen, führt einer der Monteure einen Maulschlüssel (erkennbar an seinem langgezogenen, zugespitzten Ende) in die Löcher ein. Der Schlüssel verbleibt dort, während die Schrauben in die anderen Löcher gedreht und handfest angezogen werden, und sichert so die Verbindung zu Beginn der Arbeiten.

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Links: Monteure halten beide Enden eines großen Stahlträgers mit abgewinkelten Enden, um ihn in die gewünschte Lage zu bringen. Die Träger werden noch vor dem Anheben über die gesamte Länge abgestützt und mit Seilen versehen, um einen Befestigungspunkt für die Fallschutzausrüstung der Monteure zu schaffen. Rechts: Der für die Montage verantwortliche Stahlbaumonteur korrigiert eine Verbindung. In diesem Abschnitt wird das „letzte Teil“ in das Diagonalgitter eingefügt. Das Bauteil wird von unten herangeführt und gleitet nach oben in den Anschluss. Die untere Verbindungslasche wird herausgeschwenkt, so dass sich das Element einfügen kann. Die Lasche wird dann in die ursprüngliche Lage zurückgeschwenkt, und die Verschraubungen werden ausgeführt.

Bei diesem Projekt wurden alle Stahlbauteile unter dem Gesichtspunkt der Wirtschaftlichkeit der Konst­ ruktion dimensioniert. Auf den ersten Blick wirkt sie möglicherweise schwer und überdimensioniert, jedoch führen die auf alle nicht vertikalen Glieder einwirkenden hohen außermittigen Lasten zu enormen Durchbiegungen des nicht ausgesteiften Systems. Die abgewinkelten Bauteile mussten deshalb viel größer bemessen werden als herkömmliche aufgehende Stützen. Die Konstruktion musste dabei bis zur Betonierung der Decken nahezu selbsttragend sein, wodurch auch der Einsatz einer großen Zahl von provisorischen Stützen oder Aussteifungssystemen vermieden wurde. Während der Montage wurde die Konstruktion durch diagonal angeordnete Spannseile ausgesteift, die bis zum Abschluss der Herstellung der hohen Betondecken in ihrer Lage belassen wurden. Die Scheibenwirkung der Decke war dann maßgeblich für die endgültige Fixierung der Stahlkonstruktion. Zur effizienten Nutzung des Krans werden bei der Montage des Bauteils nur die für die Stabilisierung des Elements erforderlichen Schrauben befestigt. Die Führungsmonteure übernehmen die Errichtung der Konstruktionsteile. Ein weiteres Team von Monteuren fügt dann die verbleibenden Schrauben hinzu und zieht sie gemäß Vorgaben fest an. Diese Arbeiter nutzen für den Zugang zur Bauteilverbindung einen kleinen Bauaufzug. Das leuchtende Orange auf dem Stahl ermöglicht dem Vermesser eine Prüfung der Lage der Elemente.

AUSWIRKUNGEN VON WITTERUNG UND KLIMA AUF DIE MONTAGE Klima und Temperatur beeinflussen die Montage von Stahlkonst­ ruktionen. Extrem niedrige oder hohe Temperaturen sind zwar nicht so problematisch wie bei Bauwerken aus Beton, jedoch zeigt Stahl eine beträchtliche Ausdehnung oder Schrumpfung. Einer der Vorzüge von Konstruktionsstahl im Vergleich zu Stahlbeton besteht dennoch in der Möglichkeit der ganzjährigen Montage, was bei Wetterlagen mit starken Schneefällen und sehr kalten Temperaturen vorteilhaft ist. Einer der kritischen Aspekte der temperaturbedingten Veränderung des Stahls besteht in den Schwankungen, zu denen es während der Montage des Verkleidungssystems kommen kann. Die Stahlkonst­ ruktion nimmt letztendlich eine konstante Raumtemperatur an, sobald die gedämmte Gebäudehülle auf der Außenseite des Stahls angebracht wird. Beim Einbau der Verkleidung können die Temperaturen von Minusgraden bis in extrem hohe Bereiche schwanken. Daher ist eine Ausdehnung oder Schrumpfung beim Entwurf der Verkleidung zu berücksichtigen, bis die Konstruktion in ihren endgültigen Abmessungen montiert ist.

Auch in den Wintermonaten schreiten die Bauarbeiten am ROM voran. Während dieser Zeit müssen die Bauteile bei der Montage vom Schnee befreit werden. Kreuzstreben steifen die Konstruktion während der Arbeiten provisorisch aus. – FERTIGUNG UND MONTAGE

Links: Die Montage der Außenverkleidung dauerte über ein Jahr. Die Montage der Stahlkonstruktion wurde in den heißen Sommermonaten abgeschlossen, so dass die mit der Anbringung der Verkleidung beauftragten Monteure erhebliche Größenänderungen beim starken Temperaturrückgang während des Winterbaus einkalkulieren mussten. Rechts: Befestigung der Unterkonstruktion für die eigens gefertigte Verkleidung aus Titan. Rund 10.000 kleine Stützen wurden an die Stahlkonstruktion angeschweißt und dienen als Auflager für die Verkleidung. Aufgrund der bei diesem Projekt weitgehend verdeckten Stahlbauteile wurde ein Brandschutzmittel aufgesprüht.

SCHAFFUNG DAUERHAFTER STABILITÄT Stahlskelettbauten bieten mehrere Möglichkeiten der Herstellung von Stabilität in Querrichtung. Häufig erfüllen Treppen und Aufzugsschächte oder Deckensysteme aus Beton diesen Zweck. Die provisorischen Aussteifungen der Stahlkonstruktion sind so lange in ihrer Position zu belassen, bis das Tragsystem zur Herstellung der dauerhaften Standsicherheit funktionsfähig ist. In vielen Fällen wird aus diesem Grund ein Betondeckensystem in das aus Stahl errichtete Gebäude integriert. Bei Gebäuden aus Stahl dienen in der Regel Stahltrapezbleche als verlorene Schalung für die Betondecken. Hier sind zwar noch provisorische Abstützungen erforderlich, bis der Beton seine 7-Tage- bzw. 28-Tage-Festigkeit erreicht hat, jedoch ist der Schalungsaufwand deutlich geringer als bei einer Deckenuntersicht aus Sichtbeton. Links: Diese vom Stahlbauunternehmen angefertigte isometrische Darstellung zeigt die Stahlbauteile des ersten ROM-„Kristalls“, der den Betonkern für das Haupttreppenhaus umgibt. Durch diese Anordnung war die Stabilität bereits zu Beginn der Bautätigkeit gegeben. Solche isometrischen Zeichnungen werden auch erstellt, um den an der Planung Beteiligten die Lage der Stahlbauteile im Projekt zu veranschaulichen.

Rechts: Die frühe Bauphase begann mit der Montage der Stahlbauteile des ersten ROM-„Kristalls“ um den Erschließungs­ kern aus Beton, der Treppenhaus und Aufzug aufnimmt. Zu diesem Zeitpunkt war ein großer Teil der Baustelle als Montagebereich verfügbar.

Die Stahlprofilbleche werden sukzessive montiert, wenn bestimmte Baustellenbereiche nicht mehr zugänglich sein müssen. Bei herkömmlichen Bauabläufen würden diese Arbeiten in der Regel geschossweise ausgeführt. Der Einbau gestaltete sich hier jedoch unregelmäßiger, da einige Bauteile durch die gesamte Konstruktion „gefädelt“ werden mussten und dafür nur wenig Platz zur Verfügung stand. Links: Durch den Einbau der Stahlprofilbleche veränderten sich die Bedingungen auf der Baustelle: Der Zugang zum Abschluss der Arbeiten an der Stahlkonstruktion wurde verbessert. Rechts: Die provisorische Abstützung musste so lange in ihrer Position belassen werden, bis der Beton nach 28 Tagen seine Endfestigkeit erreicht hatte.

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KOORDINATION MIT ANDEREN GEWERKEN Der Entwurf und die Detailplanung der für das Gebäude verwendeten Stahlkonstruktion ist auch mit den gebäudetechnischen und elektrischen Anlagen zu koordinieren. In herkömmlichen Gebäuden sind diese Anlagen häufig durch abgehängte Decken verborgen. Dabei wird üblicherweise zwischen der Unterseite der Stahlkonstruktion und der Oberseite der abgehängten Decke ein Zwischenraum zur Leitungsführung geschaffen, durch den Leitungskanäle und die Verkabelung für die Beleuchtung geführt werden können. Bei Gebäuden mit ungewöhnlicher Aufteilung, abgewinkelten Ebenen oder großen Atrien bzw. Lufträumen im Grundriss gestaltet sich die Integration der Kanäle für die Haustechnik schwieriger. Systeme des Building Information Modeling (BIM) tragen dazu bei, dass die an der Planung Beteiligten einfacher zu konfliktfreien Lösungen finden. Selbst CAD-Zeichnungen sind ein wirksames Hilfsmittel zur Vermeidung von Konflikten zwischen den Gewerken. Links: Im ROM-Projekt waren zum Teil sehr groß bemessene Leitungskanäle erforderlich. Selbst mit einer abgestimmten Reihe von CAD-Zeichnungen war die Planung sehr anspruchsvoll. Mitte: Die Steigleitungen für die Be- und Entlüftungsanlage mussten in der Stahlkonstruktion eingearbeitet werden. Rechts: Selbst der Einbau ausgedehnter Trockenbauwände über der LeichtbauStahlausfachung stellte eine Herausforderung dar.

Obwohl bei diesem Projekt nahezu ausschließlich nicht sichtbarer Stahl verbaut wurde, entsteht eine intuitive Raumwahrnehmung davon, dass dies kein Betonbau ist. Die Umsetzung der Winkligkeit der Ebenen und die Anmutung der Fensteröffnungen deuten auf die wesentlichen Eigenschaften des StahlDiagonalrasters hin, was auf die Beweggründe für die Wahl von Konstruktionsstahl für dieses ungewöhnliche Gebäude zurückzuführen ist. Es gibt durchaus Gebäudetypen, die mit gleich gutem Ergebnis entweder aus Stahlbeton oder als Stahlskelettbau realisiert werden können. Die Baustoffe für solche Projekte können gemäß örtlicher Präferenz oder nach den Faktoren Verfügbarkeit, Wirtschaftlichkeit oder Nachhaltigkeit ausgewählt werden.

Links: Erste Begehung des fertiggestellten Gebäudes vor der Aufstellung der Exponate. Die Winkligkeit des StahlDiagonalgitters wurde durch die Fensteranordnung hervorgehoben. Durch die Schlitze sind Fragmente des Stahlskeletts sichtbar, so dass der Eindruck eines Stahlbaus trotz des nicht sichtbaren Materials erhalten bleibt. Rechts: Außenansicht des fertig gestellten Museums. Die Tragkonstruktion lässt sich beim Blick durch die Fenster erahnen.

– FERTIGUNG UND MONTAGE

PROZESSPROFIL: L E S L IE DA N FACULT Y OF PH A R M AC Y / FOSTER + PA RTNER S Entwurfsarchitekten: Foster + Partners Architekten vor Ort: Cannon Design (ehem. Moffat and Kinoshita) Tragwerksplaner: Yolles Halcrow, Toronto Generalübernehmer: PCL Constructors Canada Stahlbau und -montage: Walters Inc. Isometrische Gesamtdarstellung der Konstruktion der Leslie Dan Faculty of Pharmacy an der University of Toronto, Ontario; Zeichnung erstellt durch das Stahlbau- und -montageunternehmen Walters Inc., ansässig in Hamilton, Ontario. Die abgebildete Zeichnung dient als Referenz für das Gesamtprojekt. Sie stellt jedes einzelne Stahlbauteil im Gebäude dar (ohne die Betonkonstruktion abzubilden!). Der Hauptteil des Gebäudes besteht aus Stahlbeton, während diese Zeichnung die Bestandteile aus Konstruktionsstahl hervorhebt.

Das hier beschriebene Gebäude besteht überwiegend aus Stahlbeton. Der Hauptturm mit seinen Seminarräumen und Labors wurde monolithisch aus Ortbeton hergestellt. Ein großzügiges fünfgeschossiges Atrium ist an der Vorderseite des Gebäudes angeordnet, mit mehreren darüber angeordneten Geschossen mit Seminarräumen. Auch zwei große „Pods“, die von der Decke des Atriums abgehängt sind, nehmen Seminarräume auf. Die Herstellung der Atriumdecke aus Beton hätte einen erheblichen Schalungsaufwand bedeutet, was sowohl zu Bauverzögerungen als auch zur Beschränkung des Zugangs zu einem Großteil der Baustelle geführt hätte. Stattdessen wurde als Material für die Decke des Atriums Stahl gewählt - wegen der kürzeren Bauzeit, des nicht mehr erforderlichen Baugerüstes und der Tatsache, dass die Stahlkonstruktion nach Fertigstellung als begehbare Ebene für den Bau der weiteren Geschosse aus Beton nutzbar war. Es wurde ein 50 t schwerer Stahlfachwerkträger geplant, der einen der abgehängten Pods abstützen und darüber hinaus als Zwischenabstützung zur Verkürzung der Spannweiten der Stahlträger dienen sollte.

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Das Stahlbauunternehmen entwickelte eine innovative Lösung für die Detaillierung der abgehängten Pods. Sie bestehen aus einer Reihe vorgefertigter Tafeln aus gebogenen und verschweißten Stahlhohlprofilen. Die für die Abhängung erforderliche Logistik stellte den maßgeblichen Faktor für die Mehrzahl der Entscheidungen im Zusammenhang mit dem Entwurf der Stahlkonstruktion dar. Die abgebildete Zeichnung stammt aus der Spezialsoftware zur 3D-Modellierung, die für den Entwurf und die Detailplanung der Stahlbauteile eingesetzt wurde. In dieser Ansicht sind die Hauptstahlbauteile der Pods hervorgehoben. Klar erkennbar sind die dünnen Seile der Hängekonstruktion. Die einzelne Stahlstütze auf der rechten Seite dient als Endauflager für den 50 t schweren Stahlfachwerkträger, der mit Beton ummantelt wurde, um dem Erscheinungsbild der Stützen zu entsprechen. Die Betonstützen erscheinen in dieser Zeichnung nicht. Grün hervorgehoben sind ausschließlich die Stahlbauteile.

VORFERTIGUNG IN DER WERKSTATT Aufgrund ihrer Größe konnten die Pods nicht im Ganzen vorgefertigt und transportiert werden. Im Interesse einer einfachen Montage auf der Baustelle sollten sie aus einer Reihe vorgefertigter Tafeln bestehen. Das Stahlbauunternehmen entschied für runde Stahlhohlprofile, die zu Tafelsegmenten gefügt wurden. An den Anschlusspunkten der Tafeln wurden in die Röhren Stahlbleche eingefügt, die eine Überlappung herstellen und eine einfache Schraubverbindung ermöglichen. Da die Pods verkleidet werden sollten, spielten ästhetische Überlegungen keine Rolle für die Stahldetaillierung. Die Pods mussten so leicht wie möglich sein, um die auf die Hängekonstruktion einwirkenden Lasten zu reduzieren, - aber dennoch robust. Bei Betrachtung des Gewichts sind Hohlprofile aus konstruktiver Sicht besser als W-Profile. Angesichts der hier zu realisierenden Geometrie waren auch die Anschlüsse mit runden Bauteilen einfacher herzustellen. Die vertikalen Rippen des Moduls wurden auf einer Stahlbiege-

Die Stahlkugel, die das Endstück der

maschine gebogen (siehe Kapitel 8 „Gebogene Stahlbauteile“),

Hängestange bildet, musste zur Herstel-

die quer verlaufenden Bauteile bestehen aus geraden Profilen.

lung eines vollflächigen Kontakts mit

Die annähernde Kugelform entsteht, wenn die Stützglieder für die

höchster Präzision bearbeitet werden.

Verkleidung montiert werden. Dies führt zu Kosteneinsparungen

Sie ist an einer massiven Stahlstange

und einer Reduzierung der Komplexität. Zu beachten sind die

befestigt.

gebogenen Endausschnitte der Röhren, die eine Verschweißung mit den vertikalen Rippen ermöglichen, und die Einschnitte, die die Verbindungsbleche aufnehmen. Die Bauteile wurden in der Werkstatt miteinander verschweißt,

Die Abschlüsse der Hängestangen lassen

weil so eine bessere Prozessüberwachung gegeben war. Die Tafeln

Bauteile mit drehbaren Hülsen vermuten,

wurden in optimaler Größe für den Transport und Umschlag

tatsächlich sind sie aber fest verschweißt.

vorgefertigt. In die Hohlprofilröhre wurde ein Blech eingelassen,

Die Grundidee der Verwendung von Kugel

das eine Schraubverbindung ermöglicht. Die Schweißverbindun-

und Hülse bestand in der Aufnahme

gen wurden zwischen den Röhren zusätzlich durch gerade Bleche

wechselnder geometrischer Formen der

verstärkt. An die Röhren wurden kleine Klemmen angeschweißt,

Hängestangen und der Herstellung eines

die als Befestigungspunkte für die anzubringenden Trockenbau-

einheitlichen Erscheinungsbildes der

wände dienen.

Stangen.

Für die Kugel der schlanken Aufhängung wurde eine spezielle Hülse vorgesehen. Diese und die Hängestange sind die einzigen Stahlbauteile, die als sichtbare architektonische Gestaltungselemente konzipiert wurden. Die präzise Bearbeitung der Kugel und der Hülse war von sehr großer Bedeutung, da die durchlaufende Schweißnaht zur Abtragung der Last des Pods auf die Hängekonst­r uktion absolute Passgenauigkeit erforderte.

– FERTIGUNG UND MONTAGE

Feuerhemmend verkleideter Baustahl muss nicht notwendig mit einer Grundierung behandelt werden. In diesem Fall gab es Argumente für und gegen das Grundieren. Grundierter Stahl bietet während der Bauphase ein gefälligeres Erscheinungsbild, und die Grundierung verhindert das Rosten des Stahls bei Regen und Witterungseinflüssen. Während der Bauphase auftretender leichter Oberflächenrost schädigt den Stahl jedoch nicht, und die Entscheidung gegen eine Grundierung kann zu Kosteneinsparungen führen. An Stellen, wo der Stahl verschweißt werden soll, kann er nicht grundiert werden. Vor dem Schweißen ist eine vorhandene Grundierung zu entfernen. Da vorwiegend Schraubverbindungen eingesetzt wurden und die Baustelle für einen beträchtlichen Zeitraum der Witterung ausgesetzt war, entschied man sich, eine Grundierung aufzubringen. Der Anstrich erfolgte in der Werkstatt vor dem Transport der Bauteile. Das Basiselement eines Pods zeigt deutlich die Geometrie der Hauptverbindung zur Auflösung von acht runden Hohlprofilen. In Längsrichtung wurden Bleche vorgesehen, die zusätzliche Stabilität bieten und die Vormontage der drei röhrenförmigen Bauteile ermöglichen.

MONTAGE DER PODS Die Baustelle bot zwar einen großzügig bemessenen Montagebereich, es kam jedoch zu logistischen Problemen, weil die beiden Pods ebenerdig vorgefertigt werden mussten, genau unter ihrer späteren Einbauposition im Gebäude. Sie wurden vor der Herstellung der Decke montiert, von der sie abgehängt werden sollten, da der Kran die Tafeln von oben anheben musste. Die Modultafeln wurden auf die Baustelle transportiert und mit der Biegung nach oben abgeladen, um die Berührungsfläche mit dem Boden zu miniDie vom Stahlbauunternehmen angefertigte isometrische Zeichnung des kleineren Pods zeigt die Tafelanschlüsse

mieren und das Profil nicht zu beschädigen. Die Bauteile mussten angehoben und gedreht werden, um sie in die korrekte Hebeposition für den Kran zu bringen. Komplexe Bauteile müssen nach ihrem Transport

und die Anordnung der Übergangsbleche

auf die Baustelle in der Regel mit dem Kran umgelagert werden, um die Kranhaken an den vorgesehenen

als Verbindungen zum Gebäude.

Stellen befestigen zu können. Ein Stahlbauer weist den Kranführer ein, um die Lage des Bauteils zu verändern. Die Kranhaken werden aus der gegenwärtigen Position entfernt und zwecks korrekter Ausrichtung am breiten Ende befestigt.

Monteur und Kranführer arbeiten bei der Absenkung des Bauteils auf den Pod zusammen. Sie benutzen hierfür Handzeichen und bei eingeschränkter Sicht ein Funkgerät. Der Stahlbauer steuert die Bewegung der Tafel über Seile, so dass die Schraubenlöcher vollständig in Deckung kommen und die ersten Schrauben befestigt werden können. Nachfolgend ist das Bauteil stabil genug, um es vom Krangeschirr zu lösen.

Nachdem das Bauteil in die gewünschte Lage gebracht wurde, bringen die Monteure die restlichen Schrauben an und bereiten den Pod für die Montage der nächsten Tafel vor. Ziel ist, den Kran mit gleichbleibender Auslastung arbeiten zu lassen, da sein Betrieb sehr kostenintensiv ist und deshalb keine Leerlaufzeiten auftreten sollten.

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MONTAGE EINES TRÄGERS Die Betonkonstruktion war bereits bis zum sechsten Geschoss fertiggestellt, bevor die Stahlbauteile auf der Baustelle angeliefert wurden. Die über sechs Geschosse reichenden, die oberen Geschosse tragenden Sichtbetonstützen im Atrium waren bereits eingebaut. Während des gesamten Hebevorgangs der Stahlbauteile war daher äußerste Vorsicht geboten, um die Stützen nicht zu beschädigen. Die oberen Enden der Stützen wurden mit kleinen Stahlstümpfen versehen, welche als Befestigungspunkte für die Stahlkonstruktion des sechsten Geschosses dienten.

Die Stahlträger werden vor dem Hebevorgang auf ebener Erde vor-

Die Stahlbauer sind bereit für die Abnahme des Trägers. Dieser

Die Monteure führen die Flansche des Stahlträgers gemeinsam

bereitet. Das zur Verankerung der von den Monteuren angelegten

Träger schließt an den Stahlstumpf an und ragt vorübergehend

in den Anschluss. Wenn die Ausrichtung stimmt, werden ein bis

Fallschutzausrüstung dienende Seilsystem ist an den entsprechen-

heraus, da er dann mit dem großen, 50 t schweren Fachwerkträger

zwei Schlag-Ringschlüssel eingeführt, um den Träger während

den Punkten befestigt. Die Kranketten sind an vorher festgelegten

verschraubt wird. Die am Träger angebrachte Winkelstütze ist

des Verschraubens in seiner Lage zu fixieren.

Hebepunkten angeschlagen, so dass der Stahlträger in waagerech-

provisorisch. Die rechteckigen Stegöffnungen im Träger wurden

ter Stellung ankommt.

zuvor ausgeschnitten, um Durchführungen für Be- und Entlüftung zu ermöglichen.

MONTAGE DER STÜTZEN Die Last des 50 t schweren, das Atrium überspannenden Stahlfachwerkträgers musste von einer Stahlstütze aufgenommen werden, da die über fünf Geschosse verlaufenden, nicht ausgesteiften Stahlbetonstützen nicht über die erforderliche Tragfähigkeit verfügten. Zugleich sollten aber alle Stützen im Atrium ein identisches Erscheinungsbild zeigen. Da der Fachwerkträger in der Decke verborgen liegt, bestand auch kein Grund für die architektonische Darstellung der zusätzlichen Last, die von der Stahlstütze abzutragen ist. Die Fertigung des Stützenkerns aus Stahl ermöglichte die Verbindung mit einer Betonumhüllung und damit eine einheitliche Optik aller Stützen. Die Stahlstütze ist eine Einzelanfertigung aus schweren Stahlplatten, die zu einer quadratischen Form verschweißt wurden. Zu ihrer genauen vertikalen Ausrichtung waren provisorische Aussteifungen erforderlich.

Die Stütze besteht aus geschweißten Platten. Provisorische

Der 50 t schwere Stahlfachwerkträger liegt auf der Stütze auf und

Zur Abstützung der gegenüberliegenden Seite des Fachwerkträ-

Aussteifungen hielten die Stütze während der Montage genau im

bietet einen seitlichen Anschluss für den Kragträger.

gers, die an die Betonkonstruktion anschließt, ist ebenfalls ein

Lot. Die Stütze wurde nicht grundiert, da sie von Beton umhüllt

Stützenstumpf erforderlich. Die umlaufende Bewehrung weist

sein wird und die Grundierung den Verbund zwischen den beiden

darauf hin, dass die Stütze von Beton umhüllt wird.

Baustoffen beeinträchtigen würde.

– FERTIGUNG UND MONTAGE

ANHEBEN DES 50-t-TRÄGERS Der die Obergeschosse abstützende Fachwerkträger wurde auf der Baustelle praktisch in einem Stück angeliefert. Er ist nicht symmetrisch, was das Anbringen der Hebeketten schwieriger gestaltete. Bei einem symmetrischen Fachwerkträger sind die Hebepunkte einfach zu ermitteln. Eine Außermittigkeit des Profils eines Bauteils erfordert stets zusätzliche Berechnungen und große Erfahrung bei der Bestimmung der Hebepunkte. Außerdem musste der Träger über mehrere Bäume gehoben werden, die sich in ungünstiger Position auf der Baustelle befanden, um dann in das Auflager des Gebäudes hineinzugleiten, genau auf der Stahlstütze zum Liegen zu kommen und so ausgerichtet zu werden, dass seine seitlich angebrachten Winkelverbinder mit dem Träger in Deckung kommen. Als größtes anzuhebendes Bauteil des Projekts bestimmte der Fachwerkträger die erforderliche Traglast des Krans.

Der Fachwerkträger ist aus W-Profilen gefertigt. Auf der Ober-

Stahlbaumonteure arbeiten gleichzeitig an allen drei Anschluss-

Ein Monteur unterstützt die Ausfluchtung des rückwärtigen Endes

fläche montierte Knotenbleche verstärken die Knotenpunkte

punkten, um den Fachwerkträger in seine endgültige Lage

des Fachwerkträgers.

des Trägers. Der Fachwerkträger wird aufgerichtet und vor dem

zu bringen. Bei diesem Hebevorgang dauerte es einige Stunden,

Hebevorgang auf waagerechte Lage geprüft.

bis alle Beteiligten mit der Lage des Fachwerkträgers zufrieden waren.

Nachdem der Fachwerkträger in seiner Einbaulage stabilisiert ist, geht die Montage der übrigen Stahlträger, die das 5. Obergeschoss bilden, rasch voran. Auf der Deckenkonstruktion werden Stahltrapezbleche befestigt. Zur Unterfütterung der Trapezblechkante werden kleine Stahlwinkel an den Fachwerkträger geschweißt.

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ANHEBEN DER PODS Die Abhängung der Pods war die größte Herausforderung an den Innovationsgeist des Stahlbau- und Montageunternehmens. Es handelt sich um eine kleine, an vier Hängestangen befestigte und über Stahlbleche an das 3. und 4. Obergeschoss angeschlossene Gondel und eine größere, an sechs Hängestangen befestigte Einheit, die durch Überbrückungen mit dem 1. und 2. OG verbunden war. Die Pods wurden mit Kettenzügen angehoben, die auf dem 5. OG sicher befestigt waren. Dort waren für die Ketten verstärkte Öffnungen geschaffen worden. Die Montage der Hängestangen gestaltete sich schwierig, da  ihre Geometrie im Atriumbereich dreidimensional aufgelöst werden sollte, ohne dass es dafür greifbare Referenzpunkte gab. Das digitale Modell wurde zur Ermittlung des korrekten Winkels für die Verschweißung der in der Hülse befindlichen Kugel mit den Deckenelementen genutzt. Die Kugeln am unteren Ende der Stangen mussten mit den Hülsen an den Pods präzise in Übereinstimmung gebracht werden, um eine korrekte Verschweißung zu ermöglichen. Hierbei durfte keine Gewalt angewendet werden, da ein Verbiegen der Stangen einen offensichtlichen Baumangel dargestellt hätte. An jedem hydraulischen Kettenzug musste der Hebevorgang von einem Monteur manuell gesteuert werden. Der Hebevorgang musste an diesen Punkten synchron erfolgen, um den Pod nicht aus dem Gleichgewicht zu bringen. Als Alternative zum Anheben hätte sich die Montage am Ort des Einbaus angeboten - mit dem Nachteil, dass hierfür ein großes Gerüst hätte gestellt werden müssen. Der ursprüngliche Grund für die Verwendung einer Stahlkonstruktion bestand ja gerade darin, dass man kein Gerüst und keine Schalung benötigte, die den Atriumbereich verstellt hätte.

Die aus Stahl bestehenden Hängestangen sind im korrekten

Alle hydraulischen Ketten heben den Pod gleichmäßig an,

Kugel und Hülse wurden poliert, Anhaftungen von Rost und

Winkel montiert. Jede Stange ist eine Einzelanfertigung.

um ihn nicht aus dem Gleichgewicht zu bringen. Die kleinere

Zunder vollständig entfernt. In der korrekten Lage kann mit dem

Ihre Anschlusspunkte in der Konstruktion mussten sowohl

Einheit wurde darüber hinaus über Kranbahnschienen in

Schweißen begonnen werden. Die Hülse ist durch ein aufge-

im Beton als auch im Stahl verstärkt werden.

horizontaler Richtung in ihre endgültige Position gebracht.

klebtes Band geschützt, um die bearbeitete Oberfläche von Rost

Äußerste Vorsicht war geboten, um die benachbarten Beton­

freizuhalten.

stützen nicht zu beschädigen.

Die zur Befestigung und Stabilisierung der Pods dienenden,

Die Außenwände der Pods wurden aus gebogenen Gipskarton­

aus Stahlblechen bestehenden Brücken sind verkleidet. Die als

platten hergestellt.

Untersicht montierten Tafeln ermöglichen den regelmäßig erforderlichen Zugang zu den in der Brückenkonstruktion zu den Pods geführten Leitungskanälen.

Die Detailplanung, Fertigung und Montage bringt nicht in jedem Fall solche Herausforderungen mit sich wie in den beiden hier beschriebenen Projekten. Was die Kosten angeht, die bei einfachen Stahlskelettbauten häufig je Tonne Stahl ermittelt werden, war bei diesen Spezialbauten dieser Ansatz nicht tragfähig. Der Kostenanstieg hängt allein vom Schwierigkeitsgrad und von der Anzahl zusätzlicher Stunden ab, die für die Detaillierung, Fertigung und Montage der Stahlbauteile erforderlich sind.

– FERTIGUNG UND MONTAGE

Das Gebäude nach seiner Fertigstellung. Die Pods sind von außen nahezu nicht wahrnehmbar. Zu ihrer Hervorhebung dient ein ausgeklügeltes System der Nachtbeleuchtung.

Die Brücken schaffen Zugänge zu den im Inneren auf der oberen und mittleren Ebene angeordneten Seminarräumen. Die Leichtigkeit der Hängestangen kommt im fertiggestellten Projekt deutlich zum Ausdruck. Blick nach unten auf den größeren der beiden Pods mit Ansicht der Lounge; auch hier ist die Leichtigkeit der Hängekonstruktion ablesbar.

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K APITEL 5 ---

FREILIEGENDE KONSTRUKTIONEN: GESCHICHTE UND ENTWICK LUNG --DIE ENT WICK LUNG VON STA HL HOHL PROFIL EN DIE WEITER ENT WICK LUNG VON BAUSTA HL FÜR FR EIL IEG ENDE KONSTRUKTIONEN DURCH DIE HIG H-TECH- BEW EG UNG T Y P O L O G I E D E R F R ÜH E N HIG H-TECH- A RCHITEK T UR TYP „ERWEITERTER GRUNDRISS“ Sainsbury Centre for Visual Arts | Norman Foster Centre Georges Pompidou | Renzo Piano und Richard Rogers TYP „RASTER/FELD“ Renault Centre | Norman Foster Menil Collection | Renzo Piano TYP „MAST MIT ABSPANNUNG“ Eissporthalle in Oxford | Nicholas Grimshaw Mikrochipfabrik Inmos | Richard Rogers

VON HIG H -T ECH ZU BAUSTA HL FÜR FR EILIEGENDE KONSTRUKTIONEN

Das Centre Georges Pompidou in Paris, 1972 bis 1977 errichtet und gemeinsam entworfen von Renzo Piano und Richard Rogers, ist ein markantes

BAUPH YSIK A L ISCHE PROBL EME

Beispiel der expressiven Verwendung von sichtbaren Stahlbausystemen in der frühen High-Tech-Phase.

DIE ENT WICK LUNG VON STA HL HOHL PROFIL EN Die Detaillierung von Stahlbauteilen und der Entwurf von Verbindungen stehen in engem Zusammenhang mit den zu verbindenden Profilarten. In den frühen Stahlherstellungsverfahren des 19. Jahrhunderts konnten lediglich Bleche, Winkel und später Doppel-T-Träger gefertigt werden. Die Erfindung von Prozessen des Warmwalzens größerer Breitflansch- oder Doppel-T-Profile führte zu den typisierten Verbindungen der Bauten der frühen Moderne, wie sie beispielsweise Mies van der Rohe entwarf. Kreisrunde Rohre waren zwar seit Beginn des 20. Jahrhunderts als technische Lösung verfügbar, sie bestanden jedoch aus reinem Gussmaterial und waren vorrangig für den Einsatz in sanitären Anlagen und Leitungssystemen bestimmt. Sie waren weder schweißbar noch einfach in konstruktiven Anwendungen verarbeitbar. Erst in den 1970er Jahren wurden Stahlhohlprofile für konstruktive Anwendungen entwickelt und zuerst in England eingesetzt. An der Universität Sheffield wurden im Jahr 1970 experimentelle und theoretische Studien zu Schweißverbindungen mit quadratischen und runden Bauteilen durchgeführt. Im Jahr 1971 veröffentlichte die Firma Stelco in Kanada das erste Handbuch zur Herstellung von Verbindungen für Hohlprofile. Nachfolgend reichten mehrere Stahlhersteller Patentanträge ein, so die in Pittsburgh ansässige Firma U. S. Steel im Jahr 1972 - das Unternehmen wollte die Anwendung auf Polygonprofile ausweiten. Links: Ansicht einer Verbindung zwischen einem Fachwerkträger und einer Diagonalstrebe am Eiffelturm in Paris. Durch Winkel, Bleche und Nieten entstehen aus zahlreichen kleineren, leichteren und einfacher zu montierenden Teilen größere Tragglieder. Rechts: Die von Mies van der Rohe 1968 realisierte Neue Nationalgalerie in Berlin besteht aus einer freiliegenden, weitgehend symmetrischen Stahlkonstruktion. (Die im Vordergrund sichtbare Skulptur stammt von Alexander Calder,

Mit der Entwicklung von Hohlprofilen kam es zu einem Stilbruch in der architektonischen Gestaltung von

1965.) Dieses Gebäude wird als Mies’

sichtbarem Stahl. Die Palette an verfügbaren Abmessungen wuchs allmählich und wirkte sich schließ-

letztes realisiertes Projekt und als eine

lich auf den Entwurf exponierter Stahlkonstruktionen aus. Sehr große Durchmesser und elliptische

der reinsten Verkörperungen seiner

Querschnitte sind erst seit etwa 2005 verfügbar. Dem Angebot neuer Profiltypen folgten unmittelbar technische Fortschritte bei CAD- und Statikprogrammen, was zu einer explosionsartigen Vermehrung

Ideen betrachtet. Der schwarze Anstrich, die Verwendung von Breitflansch- bzw. modifizierten Breitflanschprofilen sowie

der Anwendungsmöglichkeiten der Materialien bei Gebäuden mit immer komplexeren geometrischen

der Verzicht auf Fachwerkträger und

Formen führte.

Hängekonstruktionen zur Realisierung der großen Spannweiten und Auskragungen galten als Stand der Technik für sichtbare

DIE W EI T ER EN T W ICK LUNG VON BAUSTA HL FÜR FR EILIEGENDE KONSTRUKTIONEN DURCH DIE HIG H-TECH- BEW EG UNG

Stahlkonstruktionen. Auf beiden Seiten des quadratischen Pavillons finden sich nur je zwei Kreuzstützen, es entstehen erhebliche Vorsprünge in Richtung der Gebäudeecken. Solch weite Auskragungen sind ebenfalls ein Merkmal moderner Stahlarchitektur und veranschaulichen die

Das Grundverständnis des High-Tech-Ansatzes liegt in seinen Ursprüngen als „zusammengesetzte“ und weitgehend vorgefertigte Architektur. Es ging darum, eine „rationalisierte industrielle Technologie auf den Hochbau zu übertragen“ (Peter Buchanan). Die 1970er Jahre standen für einen deutlichen Paradigmenwechsel der Anwendung und Zurschaustellung von Stahl in der Architektur. Die High-TechBewegung in England war ihrer experimentellen Phase mit Arbeiten beispielsweise von Archigram entwachsen und wandte sich einer transformierten Neuauflage des konstruktiven Rationalismus zu. Darüber hinaus wurde die Bewegung beeinflusst von den Arbeiten von Buckminster Fuller (geodätische Kuppeln und vorgefertigte Wohngebäude) und von Ezra Ehrenkrantz und seinem System vorgefertigter Schulgebäudetypen (SCSD, School Construction Systems Development) in Kalifornien. Der High-TechAnsatz ähnelt dem konstruktiven Rationalismus dahingehend, dass er das Tragwerk freilegt und die Verbindungsdetails als dekorative Elemente ausbildet. Er weicht von ihm ab, indem er die Tragglieder eindeutiger nach ihrer Zug- oder Druckfestigkeit ausdifferenziert sowie gebäudetechnische Anlagen und Leitungen sichtbar anordnet.

– FREILIEGENDE KONSTRUKTIONEN: GESCHICHTE UND ENTWICKLUNG

hohe Zugfestigkeit des Stahls.

Bei der Mehrzahl der High-Tech-Gebäude wurden zunehmend zugbeanspruchte Konstruktionen in Verbindung mit großflächigen Verglasungen eingesetzt, wobei der Erfindungs- und Variantenreichtum weit über die üblichen vorgehängten Glasfassaden hinausging. Bei vielen dieser Projekte spielte der Gedanke des „Mehr-mit-mehr-Erreichen“ eine große Rolle: Man entwickelte ausgefeilte Konstruktionen zur Lösung von Bauaufgaben, die sicher auch mit einfacheren Mitteln umzusetzen gewesen wären. Die realisierten Gebäude bilden anschauliche Beispiele der Erkundung des architektonischen Potenzials von Stahlbauteilen und ihren Verbindungen als expressiven Elementen und verdienen daher eine Darstellung als Vorläufer moderner Entwürfe von Konstruktionen aus sichtbarem Stahl.

T Y P O L O G I E D E R F R ÜH E N HIG H-TECH- A RCHITEK T UR Die sich in der frühen High-Tech-Architektur manifestierende Industrialisierung war durch den Stand der Technik und des Entwurfs beschränkt - man bewegte sich im Zeitalter des Rechenschiebers. Die Dreidimensionalität dieser Konstruktionen verschob die ingenieurtechnischen Grenzen. Die Regelmäßigkeit der Bausysteme und die Einfachheit der Wiederholung kompensierten die anspruchsvolle Gestaltung der Hauptbauteile. Die Typologie der frühen vorgefertigten High-Tech-Architektur kann differenziert werden nach: Gebäuden mit einem Portalrahmen-Tragwerk

Gebäude mit einem System aus Rastern/Feldern,

und daraus resultierendem erweitertem

die in beliebiger Richtung gleichmäßig erweitert

Lineare Gebäude, die mit Mastkonstruktionen und Abspannsystemen die Abhängung vieler konstrukti-

Grundriss

werden können

ver Bauteile (auch Dachebenen) ermöglichen

Dar über hinaus kön nen Gebäude u nterschieden werden, die → na hezu ausschließlich aus vorgefertigten Sonderbauteilen bestehen → sich vor wiegend au f Sta ndardbauteile stützen → Sonder- u nd Sta ndardbauteile zu etwa gleichen Teilen ver wenden Schließlich sind Gebäude der fr ü hen High-Tech-Ära nach der Farbauswa hl zu kategorisieren: → Ver wendu n g kräftiger Farben zu r Her vorhebu n g des freiliegenden Sta hls → Ver wendu n g von Weiß oder eher gedä mpften Farbtönen, u m den ta ktilen Aspekt der sichtbaren Konstr u ktion eher zu kaschieren In frühen Gebäuden der High-Tech-Architektur wurde klar unterschieden zwischen vorzugsweise in der Werkstatt durchgeführten Fertigungsprozessen - einschließlich Schweißen - und den Montagearbeiten, die am effizientesten auf der Baustelle ausgeführt werden konnten. Hierzu gehörte auch die Verschraubung. Sowohl Gelenk- als auch Rahmenverbindungen wurden wegen ihres Vorteils der kurzen Montagezeiten verwendet. Die frühen High-Tech-Gebäude zeigten zwar geradezu eine Überfülle von Stahlbaudetails, hielten jedoch eher formelhaft an den Grundtypen des erweiterten Grundrisses, des Rasters oder der Abspannsysteme fest. Dieser Aspekt erweist sich als sinnvoll bei der Ableitung moderner Entwürfe und der systematischen Detaillierung von Konstruktionen aus sichtbarem Stahl. In der High-Tech-Architektur kam es erstmalig zu einer engen Zusammenarbeit zwischen Architekten, Ingenieuren und den Fertigungs- und Montageunternehmen - eine Tradition, die sich bei modernen Bauten mit sichtbaren Stahlkonstruktionen fortsetzt.

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TYP „ERWEITERTER GRUNDRISS“ Die Grundidee der erweiterten Form bestand in der Schaffung einer begrenzten Palette von Bauteilen, die eine artikulierte Konstruktion bildeten, aus der ein Gebäude in unterschiedlicher Länge entwickelt werden konnte. Im Idealfall konnte ein Erweiterungsbau durch einfache Längenvergrößerung des Gebäudes hinzugefügt werden. Der durch den Gliederungsrhythmus der Konstruktion geschaffene modulare Aufbau konnte auch zur weiteren Festlegung von Grenzen und Modulgrößen für Verkleidungssysteme herangezogen werden. Bei vielen frühen High-Tech-Gebäuden wurde darüber hinaus mit neuartigen Metall- und Glasfassaden experimentiert, die den Vorteil der Massenfertigung boten und deren kurze Montagezeit der Idee des „Zusammenbaus“ der konstruktiven Bauteile entsprach. Sainsbury Centre for Visual Arts, Norwich | Norman Foster Dieser Typ wird durch das Beispiel des von Norman Foster im Jahr 1977 entworfenen Sainsbury Centre verkörpert. Für das Gebäude wurde ein Dreiecksbinder konzipiert, dessen Breite und Mittenabstand mit einem eigens entworfenen modularen Leichtbau-Fassadensystem übereinstimmen, das die Austauschbarkeit massiver, verglaster oder luftdurchlässiger Elemente ermöglichte - sowohl entlang der gesamten Gebäudelänge als auch über das Dach. In diesem Fall verlaufen die Leitungskanäle innerhalb des Stahlfachwerkträgers, so dass die Innenfläche aus einem System aus Lamellen gebildet werden konnte, die die Menge des den Innenraum ausleuchtenden Tageslichts regulieren. Für die Konstruktion wurden vorwiegend runde Stahlhohlprofile verwendet, die neue Verfahrensweisen beim Entwurf der Verbindungen innerhalb des räumlichen Trägers sowie zwischen den Elementen erforderten, da es für deren Verwendung in der Architektur zuvor kaum Beispiele gab.

In dieser Ansicht der Stirnseite des Sainsbury Centre for Visual Arts in Norwich sind der Typ und die modulare Vorhangfassade deutlich erkennbar. Die Stirnwand besteht aus einer konstruktiven Verglasung ohne Pfosten. Obwohl die erweiterte Grundrissform auch eine einfache Erweiterung des Gebäudes zulassen sollte, befindet sich der im Jahr 2000 errichtete Erweiterungsbau unter dem Rasen – daher die Poller, die Bewegungen über diesen Bereich verhindern sollen.

– FREILIEGENDE KONSTRUKTIONEN: GESCHICHTE UND ENTWICKLUNG

Das Hauptverbindungselement zeigt die hohe Qualität der Schweißnähte. Der Entwurf ist innovativ, da eine Auflagefläche gebildet wird, so dass der weit gespannte Träger auf dem Verbindungselement aufliegen kann, was die Verschraubung erleichtert. Die für die äußeren Abschlüsse des Dreiecksbinders verwendeten Bauteile weisen größere, die innen liegenden Bauteile kleinere Durchmesser auf. Hierdurch werden Probleme vermieden, die ansonsten auftreten würden, wenn mehrere Elemente an ein und denselben Knotenpunkt des Fachwerkträgers angeschlossen werden. Die Fachwerkträger wurden vorgefertigt, was zu einer wirksameren Qualitätskontrolle und höheren Genauigkeit der Schweißnähte führte.

Der Abstand der vertikalen Elemente benachbarter Fachwerk­ träger wurde durchgehend einheitlich gestaltet, um ein modulares Tragwerk zu realisieren. Eine Ausfachung aus kleineren, runden Hohlprofilen verbindet die Fachwerkträger miteinander und verläuft ebenfalls entlang der Wand, um die Stabilität innerhalb des Fachwerkträgers zu erhöhen. An den Hauptträger wurden Laschen angeschweißt, die die Verschraubung der Kreuzstreben auf der Baustelle ermöglichten. Im Träger selbst wurden auch rechteckige Hohlprofile verwendet. Letztlich besteht der Vorteil dieses Konstruktionstyps in der Schaffung eines großen stützenfreien Raums. Das 3 m hohe Fachwerkträgersystem kann den Raum frei überspannen, ohne dass Stützen in Feldmitte erforderlich sind. Leitungen werden unauffällig durch die Fachwerkträger geführt.

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Centre Georges Pompidou, Paris | Renzo Piano und Richard Rogers Durch den internationalen Architekturwettbewerb, der 1972 für das Centre Georges Pompidou stattfand, rückte die High-Tech-Bewegung in das Zentrum der Architektur. Zuvor waren High-Tech-Gebäude in ihrem Maßstab und ihrer Komplexität kleiner und eher selten - und eine britische Spezialität. Das Centre Pompidou folgt der Typologie des erweiterten Grundrisses und verfügt über einen stützenfreien Innenraum. Die konstruktiven Abstützungen und Leitungen wurden an die äußeren Seitenwände verlagert. Unter dem Fachwerkträgersystem für die Decken entstanden stützenfreie Räume für Ausstellungen, über und in ihm Raum zur Aufnahme von Leitungen. Der stützenfreie Raum ermöglichte ein Höchstmaß an Flexibilität bei der Planung von Wechselausstellungen. Während die frühe High-Tech-Architektur ihre Ausdrucksmittel noch aus der sichtbaren Anordnung stark gegliederter Stahltragwerke und der Freilegung von Leitungen im Gebäudeinneren ableitete, entschieden sich die Architekten des Centre Pompidou dafür, die Hauptleitungen und -kanäle an der Außenseite des Gebäudes anzuordnen, so dass der Innenbereich größere Freiheiten bot. Die Stahlkonst­ ruktion war das einzige auf Dauerhaftigkeit ausgelegte Bauteil im gesamten Gebäude. Die Decken und Erschließungssysteme konnten bei Bedarf verlagert werden, so dass sich das Gebäude im Laufe der Zeit verändern konnte. Dieses Konzept widersprach nahezu allen bis dahin realisierten Entwurfshaltungen, bei denen Langlebigkeit und Dauerhaftigkeit wie selbstverständlich vorausgesetzt wurden - insbesondere bei den bis zu diesem Zeitpunkt errichteten Museen. Während im Sainsbury Centre überwiegend Standard-Stahlprofile verbaut wurden, die zu repetitiven Fachwerkträgern zusammengefügt wurden, sahen die Architekten des Centre Pompidou eine ganze Reihe eigens gefertigter Sonderbauteile vor. Bei beiden Gebäuden ist der Eingang an der Seite angeordnet, so dass sich nur minimale Eingriffe in die Gliederung und Präsenz des konstruktiven Rasters ergeben.

Die Typologie des erweiterten Grundrisses wird durch das Centre Georges Pompidou in Paris veranschaulicht, das von Renzo Piano und Richard Rogers entworfen wurde. Die mehrgeschossige Variante des stützenfrei gespannten Fachwerkträgers ist in dieser Ansicht der Stirnwand des Gebäudes klar ablesbar.

– FREILIEGENDE KONSTRUKTIONEN: GESCHICHTE UND ENTWICKLUNG

Die zum Platz gewandte Fassade vermittelt den Eindruck einer transparenten Leichtbaukonstruktion und tritt in Kontrast zu den traditionellen Steinfassaden der Umgebung.

Der erweiterte Grundriss der Tragkonstruktion verfügt über die

Die Ausleger, an denen der Laufsteg und die gebäudetechnischen

Für die Hängekonstruktion, von der die Transportröhren abge-

gesamte Länge des Gebäudes über keine inhärente Stabilität.

Anlagen von der Hauptkonstruktion abgehängt sind, werden als

hängt sind, wird eine ganze Reihe von Verbindungselementen

In jedem Feld wurden daher Kreuzstreben aus Stahl eingefügt.

Gerberetten bezeichnet. Jedes dieser in Deutschland gefertigten

aus kreisrunden Blechprofilen genutzt, um die Berührungspunkte

Man kann eine schichtweise Anordnung der Verbindungsdetails

Sondergussteile wiegt 11 t. Bei diesem Projekt rückten die größer

mehrerer Elemente mit unterschiedlichen Eintrittswinkeln kon-

erahnen, die ansatzweise kohärent erscheinen. Die Detailausbil-

dimensionierten Elemente die Frage der Proportion in den Mittel-

struktiv zu lösen. Diese Art von gelenkiger Schraubverbindung

dung des Knotenpunktes muss die Anschlusspunkte zahlreicher

punkt des Entwurfs; des Weiteren ergaben sich Probleme in der

erleichtert ebenfalls die Montage.

Bauteile berücksichtigen. Das ringförmige Verbindungselement

Logistik bei der Vorfertigung und Montage.

ist mit einem runden Abdeckblech versehen, das den Zugang zum Innenbereich zur Vervollständigung der Schraubverbindungen verbirgt.

Im Innenbereich des Gebäudes bleibt der Fachwerkträger sichtbar; hier findet sich ein großer freier Raum für das Ausstellungsprogramm.

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TYP „RASTER/FELD“ Die Grundidee des Rastertyps bestand in der Entwicklung einer Reihe vorgefertigter Teile zur Herstellung einer streng regelmäßigen Anordnung, die eine Erweiterung des Gebäudes in beliebiger Richtung erlaubt. Hier liegt der Unterschied zum Typ des erweiterten Grundrisses, der lediglich die Möglichkeit einer linearen Fortführung eröffnet. Obwohl die Planung und Herstellung der neuen Sonderbauteile zu erheblichen Mehrkosten führte, konnten andererseits durch die Massenfertigung und Erstellung eines relativ gleichmäßigen Rasters gewisse Einsparungen erzielt werden. Trotz des gleichförmigen und potenziell ungerichteten Charakters des Rasters verliefen die die Bedachung abstützenden Riegel in eine Richtung, die zur Herstellung der Stabilität in Querrichtung genutzt werden konnte: Bei von der quadratischen Form abweichenden Feldern erstrecken sich die Träger über die jeweils kürzere Spannweite. Renault Centre, Swindon | Norman Foster Der Typ des erweiterbaren Rasters wird durch das Renault Centre in Swindon veranschaulicht, das von 1980 bis 1982 von Norman Foster entworfen wurde. Zur Realisierung des Projekts trug Ove Arup bei, dessen Ingenieurbüro nachfolgend international eine führende Rolle bei der Entwicklung zahlreicher hochkarätiger, technisch anspruchsvoller Bauvorhaben einnahm. Das Renault-Gebäude beruht auf einem regelmäßigen Raster und einem regelrechten Bauteilsatz, wobei die Felder identisch ausgebildet sind. Als Bauteile wurden runde Hohlprofile für die Stützen und modifizierte Breitflanschprofile für die horizontal verlaufenden Träger gewählt. Aus der Schwerpunktachse der Träger wurde Material entfernt; die kreisrunden Öffnungen ergänzen die Textur der freiliegenden Tragkonstruktion. Das Motiv des Kreises setzt sich in der Form der Blechlaschen fort, die an eine umlaufende Manschette an der Stütze angeschweißt sind, an welcher die Träger befestigt wurden. Diese Art der Entwicklung einer durchgängig auf alle Anschlüsse anwendbaren Formensprache, ohne dass diese dabei identisch sein müssen, stellt ein Konzept dar, aus dem sich auch aktuelle Entwürfe mit sichtbarem Stahl herleiten.

– FREILIEGENDE KONSTRUKTIONEN: GESCHICHTE UND ENTWICKLUNG

Die modulare Struktur des Gebäudes beruht auf der Wiederho-

Diese Detailausbildung am oberen Stützenende diente als Vorbild für zahlreiche weitere

lung dieser typischen Stütze in einem sich erweiternden Raster.

Mastkonstruktionen. Die runde Hohlprofilstütze wurde mit einem „Kapitell“ versehen.

Trotz der starken Ausdifferenzierung jedes Details ergeben

Zur Lastverteilung wurden dreieckige Stahlblechprofile strahlenförmig am Stützen­

sich in der industriellen Fertigung aufgrund der Wiederholung

ende angeschweißt. Darüber hinaus entsteht dadurch eine obere Abdeckung, die den

Einspareffekte.

Anschluss der einmündenden Zugglieder vereinfacht.

Manschette und Verstärkungen um die Ausschnitte zur Erleichterung des Anschlusses der Zugstäbe. Das zusätzlich angebrachte Material verhindert Durchstanzen. Der Anschluss ist ein erstes Beispiel für die klare Aufteilung zwischen Verschweißung in der Werkstatt und Verschraubung auf der Baustelle.

Diese Ansicht der oberen Manschette zeigt, auf welche Weise die für den Anschluss angewandte Formensprache unauffällig modifiziert und so der reduzierten Komplexität des Anschlusspunktes angeglichen wird. Die in Steckbolzenverbindungen mögliche Drehbewegung betont die Funktion der Anschlüsse als Gelenke und ermöglicht geringfügige Anpassungen während der Montage.

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Menil Collection, Houston, Texas | Renzo Piano Der im 1982–86 entstandenen Gebäude der Menil Collection erkennbare Typ des erweiterbaren Rasters

Außenansicht der Menil Collection

weicht von dem ungerichteten System in Fosters Renault Centre ab und bedient sich stattdessen gerich-

in Houston, Texas, mit der äußeren,

teter Riegel zur Steuerung des Tageslichteinfalls. Das Gebäude hat zwar einen rechteckigen Grundriss, die Gestaltung des Grundrisses und der Bauteile ermöglicht jedoch theoretisch eine Erweiterung der

das Gebäude umgebenden Stahl- und Gitterkonstruktion. Bei der Planung des Ausstellungsraumes wurde großer Wert

Felder in beliebiger Richtung. Pianos Interpretation der Hightech-Architektur unterscheidet sich von den

darauf gelegt, den Einfall des in Houston

Konzepten vieler seiner Zeitgenossen, da er andere Materialien einsetzte und für die Detailausbildung

sehr gleißenden Sonnenlichts auf ein

eine „weichere“ Formensprache wählte.

vertretbares Maß zu beschränken.

Links: Diese Ansicht der Konstruktion zeigt die Verbindung zwischen den Breitflanschstützen und dem gegliederten Fachwerkträgersystem. Das Detail des „Kapitells“ der Stütze entsteht durch die Befestigung zusätzlicher Breitflanschprofile an der Hauptstütze. Diese Hohlkästen ermöglichen die Schraubverbindung zwischen dem Gussträger und dem vertikalen Lastpfad. Rechts: Verbindungspunkt zwischen dem Fachwerkträger und der gegossenen Dreiecksrahmenkonstruktion, von der die Sonnenblenden aus armiertem Beton abgehängt sind. Es sind ebenfalls die vertikalen Stützen der nahezu flach verlaufenden, eigens für dieses Projekt hergestellten Glasdachkonstruktion erkennbar. Trotz der Tatsache, dass jedes dieser Elemente ein aufwändig konstruiertes Sonderbauteil ist, konnten durch Massenfertigung und einfache Montage (Verschraubung statt Verschweißung auf der Baustelle) gewisse Einspareffekte erzielt werden.

– FREILIEGENDE KONSTRUKTIONEN: GESCHICHTE UND ENTWICKLUNG

Die Flexibilität des Raster/Feld-Systems zeigt sich in den zurückspringenden Außenwänden, die das Vordach unverändert lassen. Im Eingangsbereich des Gebäudes entsteht daraus eine Hofsituation. Der Rücksprung schafft einen relativ informellen Seiteneingang in das Museum.

Diese Innenansicht verdeutlicht, wie sich die repetitive Dachkonstruktion über dem Hof im Außenbereich fortsetzt, so dass Flexibilität bei den Ausstellungsräumen selbst hinsichtlich der Anordnung der Gebäudehülle herrschte.

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TYP „MAST MIT ABSPANNUNG“ Das Zurschaustellen der Zugeigenschaften des Stahls stellt den wohl spektakulärsten Aspekt der Bauten der frühen High-Tech-Phase dar. Aus rein konstruktiver Sicht ist nichts davon wirklich notwendig. Anstelle von Mastkonstruktionen mit Spannseilen oder -stangen zur Abstützung von Dächern und Vordächern wäre dasselbe Ergebnis auf weit wirtschaftlichere Weise mit einigen einfachen Stützen zu erreichen gewesen. Das hier dargestellte Entwurfselement bot jedoch enormes Potenzial für die Entwicklung von Verbindungs- und Montageelementen, welche die hohe Zugfestigkeit dieses Materials veranschaulichen – eine Eigenschaft, über die kein anderer häufig verwendeter Baustoff verfügt (siehe dazu Kapitel 11 „Zugbeanspruchte Konstruktionen und Raumfachwerke“). Diese frühen Experimente mit der Gestaltung von Verbindungen haben bis heute wesentlichen Einfluss auf die Detailausbildung sichtbarer Stahlkonstruktionen. Dieser Entwurfsaspekt wurde inzwischen vielfach in gewöhnlichen Gebäuden umgesetzt, insbesondere bei Vordachkonstruktionen und mit Seilen abgespannten Kragträgern. Eissporthalle in Oxford | Nicholas Grimshaw Der Typ „Mast mit Abspannung“ wird verkörpert von der Eissporthalle in Oxford, die 1984 von Nicholas Grimshaw entworfen wurde. Die Portalrahmenelemente aus Stützen und Trägern werden in Feldmitte durch paarweise angeordnete rechteckige Hohlprofile getragen, die wiederum an vier Zugpunkten mit Verbindungen zu zwei Masten gestützt werden. An beiden Stirnseiten des Gebäudes ist je ein Mast angeordnet. Die Masten werden auf beiden Seiten durch Abspannseile stabilisiert und sind an beiden Enden durch gedrungene Betonpfeiler beschwert. Die für die Konstruktion aus Mast und Abspannung dargestellte Reihe von Details verdeutlicht, dass bei der Planung der Anschlüsse die wechselseitige Abhängigkeit aller Bauteile voneinander zu berücksichtigen ist. Der Mastdurchmesser musste so dimensioniert werden, dass er an der Spitze die Befestigungen der Zugglieder aufnehmen konnte. Der Durchmesser der Stütze passt auch zwischen die beiden Hohlprofilträger, die das Dach abstützen. Wenn der Mast nicht als Zugstab ausgebildet (in der Regel würde er als Druckstab konzipiert) und mit einem größeren Durchmesser geplant worden wäre, hätten sich daraus Änderungen der Abmessungen und Verbindungsarten an allen anderen Anschlüssen der Konstruktion ergeben. Die Stahlkonstruktion der Eissporthalle wurde als rein industrielle Entwurfsaufgabe betrachtet, die ebenfalls ingenieurtechnische Anforderungen an die Lastverläufe erfüllen musste.

– FREILIEGENDE KONSTRUKTIONEN: GESCHICHTE UND ENTWICKLUNG

Ansicht der Eissporthalle in Oxford von der Straßenseite. Die verglaste Stirnwand ermöglicht den Einfall von Tageslicht in den Innenraum.

Die Materialität der Konstruktion ist zwar auf Dauerhaftigkeit ausgelegt, dies gilt jedoch nicht für die gewählten Oberflächenbehandlungen. Die Eissporthalle in Oxford zeigt inzwischen deutliche Schäden, die eine grundlegende Sanierung erfordern. Ein glücklicher Umstand ist, dass im Jahr 2010 ein Mietvertrag mit einem Facility-Management-Dienstleister geschlossen wurde, der die Sanierung der Eissporthalle zugesagt hat.

Das Detail des Durchlaufes der diagonalen Zugglieder zwischen den paarweise angeordneten Hohlprofilträgern war Bezugspunkt für mehrere wichtige Abmessungen im Entwurf. Der Hohlraum an den kastenförmigen Auflagern, die die Enden der Spannstangen aufnehmen, musste groß genug für das Anziehen der Schraube sein. Der Abstand zwischen den beiden Hohlprofilträgern ergab sich wiederum aus ihrem möglichen Verlauf beidseits der senkrechten Stütze.

Ansicht der Unterseite der parallel verlaufenden Hohlprofilträger, die sich über die gesamte Gebäudelänge erstrecken. Der Abstand zwischen den Trägern wird durch eine identisch dimensionierte Hohlprofilüberbrückung geschaffen, die eine unauffällige Aufnahme der Befestigungen der Abspannungen ermöglicht.

Der zylindrische Betonpfeiler dient als Fundament und Verankerungspunkt für die großen Zugstangen bei der gleichmäßigen Abtragung der Dachlast. Die Hohlräume der angeschweißten Kästen bieten Zugänge zur Befestigung der Zugstangen.

Detailansicht der Anschlüsse der Abspannungen an der Mastspitze. Die an der runden Hohlprofilstütze angeschweißten abgewinkelten Kastenprofile sind verteilt angeordnet, um mehrere Anschlüsse an ein und denselben Lastangriffspunkt zu ermöglichen und darüber hinaus einen Zugang in das Innere der Kastenprofile zur Befestigung der Zugstangen zu schaffen. – 75

Mikrochipfabrik Inmos, Wales | Richard Rogers Im Gebäude der 1982 von Richard Rogers entworfenen Mikrochipfabrik Inmos wurde mittig ein „Rückgrat“ aus Masten angeordnet, von denen die Dachkonstruktion abgehängt ist. Dieser Entwurf schafft an beiden Seiten des zentralen Erschließungskorridors stützenfreie Räume. Die außenliegenden Stahlbauteile vermitteln den Eindruck von Stützen, sind jedoch Abspannungen zur Verhinderung des Auftriebs des Daches aufgrund einwirkender Windlasten. Ähnlich wie die Typologie des erweiterten Grundrisses ermöglicht diese Konstruktion lediglich eine lineare Erweiterung des Gebäudes. Die Dimensionierung und Ausführung des zentralen Erschließungsbereiches schafft eine Eingangssituation, die sich von dem eher informellen Charakter der Seiteneingänge der zuvor beschriebenen frühen High-Tech-Projekte unterscheidet.

Gesamtansicht der zentralen Mastkonstruktion der von Richard Rogers entworfenen Mikrochipfabrik Inmos in Wales. Die langgestreckten Dreiecksbinder werden von Zugseilen gehalten, die an den mittig angeordneten Masten verankert sind. Zur Verhinderung des Windauftriebs sind sie an der Gebäudeaußenhaut nach unten abgespannt.

– FREILIEGENDE KONSTRUKTIONEN: GESCHICHTE UND ENTWICKLUNG

Die Pfosten der zentralen Mastkonstruktion sind als Dreiecksbinder ausgebildet. Auf der Dachebene gehen sie in ebene Fachwerkträger über, um den parallelen Anschluss der Breitflanschträger, des langgestreckten Dreiecksbinders und des ebenen Binders zu lösen, die die beiden senkrechten Druckglieder der Masten verbinden. Zur Verkürzung der Montagezeit des Gebäudes wurden gelenkige Anschlüsse verwendet.

Detailansicht eines der mittigen Anschlüsse unter weitgehender Verwendung von Standardverfahren mit überlappenden Stahlblechen. Die zur Fertigung der Fachwerkträger erforderlichen umfangreichen Schweißarbeiten konnten aufgrund der gewählten Montagetechnik nahezu vollständig in der Werkstatt ausgeführt werden.

– 77

Die Verwendung von Baustahl für freiliegende Konstruktionen entstand Ende der 1980er Jahre als spezifische Typologie in Nordamerika. Das von Murphy/Jahn Architects konzipierte International Terminal des Flughafens O’Hare in Chicago, Illinois wurde aufgrund der mit seiner Errichtung verbundenen Popularisierung sichtbarer Stahlkonstruktionen als Wendepunkt in der Architekturgeschichte aufgefasst. Das Gebäude nimmt die Entwurfshaltung und Detaillierung früher High-Tech-Projekte weitgehend auf, jedoch mit kaum wahrnehmbaren Veränderungen, durch die sich das Gebäude von den formelleren, strenger gegliederten Bautypen löst.

VON HIG H -T ECH ZU BAUSTA HL FÜR FR EILIEGENDE KONSTRUKTIONEN Frühe Gebäude der High-Tech-Architektur unterschieden sich deutlich vom architektonischen Mainstream jener Jahre, der meist auf Stahlbeton und den Einbau nicht sichtbarer Stahlbauteile setzte. High-Tech trug zur größeren Verbreitung des Einsatzes von sichtbarem Stahl bei, da Architekten und Ingenieure mit seinem Erscheinungsbild vertrauter wurden und bei Entwurf, Detailplanung und Anwendung eine größere Sicherheit entwickelten. Es entstand eine Formensprache für Verbindungen und Anschlüsse, auf die noch immer Bezug genommen und die an Bauvorhaben der heutigen Zeit angepasst wird. Einer der Hauptaspekte der High-Tech-Architektur der 1970er und 1980er Jahre, der sich auch in der heutigen Bauweise mit sichtbarem Stahl wiederfindet, ist der differenzierte Einsatz von Bauteiltypen, der sich nach den jeweils aufzunehmenden Lasten richtet. Druckglieder sind hierbei gedrungen und massiv, Zugglieder schlank ausgebildet. Sowohl der konstruktive Rationalismus als auch die High-Tech-Architektur verdeutlichten, dass der Stahlbau elementar geprägt ist und dass seine architektonische Umsetzung nicht nur in hohem Maße von der Auswahl geeigneter Bauteilformen (zum Beispiel Profile oder Röhren), sondern auch von der Art der Befestigung und Verbindung abhängt. Der Entwurf mit freiliegendem Stahl erfordert ebenso wie die genannten früheren Ansätze eine Detaillierung, die sich bei der Konzipierung von Anschlüssen zwischen Bauteilen der industriellen Formgestaltung annähert. Dabei sind die konstruktiven Anforderungen der Aufnahme von Schubkräften und Momenten zu berücksichtigen. Des Weiteren sind hier engere Maßtoleranzen einzuhalten und übergreifende entwurfstechnische und ästhetische Überlegungen anzustellen, zum Beispiel zu Fragen der Proportion, der Form, der Symmetrie und der Wirtschaftlichkeit. Die Wirtschaftlichkeit ist ein wichtiges Entwurfskriterium. Viele frühe High-Tech-Projekte wurden für außergewöhnliche Auftraggeber realisiert, die innovative Lösungen präsentieren wollten, selbst wenn dies mit hohen Kosten verbunden war. Die für Bauvorhaben zur Verfügung stehenden Budgets sind nicht in jedem Fall so großzügig bemessen. Wenn für die Realisierung von Bauteilverbindungen ein übermäßig hoher Aufwand für die Detaillierung der Vorfertigung und die Korrektur und Endbehandlung von Schweißungen und rohen Stahloberflächen betrieben werden muss, ergeben sich für den Planer möglicherweise so hohe Kosten, dass das Projekt nicht mehr auszuführen ist. Das für die Vorbereitung und Endbehandlung der Anschlüsse gewählte Verfahren kann ebenfalls die Kosten in die Höhe treiben. Das folgende Kapitel enthält eine weiterführende Betrachtung der technischen Anforderungen, die für die erfolgreiche Realisierung von Bauvorhaben mit sichtbaren Stahlkonstruktionen tatsächlich bestehen.

– FREILIEGENDE KONSTRUKTIONEN: GESCHICHTE UND ENTWICKLUNG

BAUPH YSIK A L ISCHE PROBL EME Die Erfindung von Baustoffen und deren experimentelle Anwendung ist mit Vorteilen, aber auch mit Risiken verbunden. So haben Leichtbaukonstruktionen und -materialien im Vergleich zu früheren, massiveren Bauweisen zu einer höheren Anfälligkeit für Witterungseinflüsse und Korrosion geführt. Viele Gebäude der frühen High-Tech-Phase wurden in gemäßigten Klimazonen errichtet. Bei zahlreichen Projekten wurde die Stahlkonstruktion entweder vorwiegend im Außenbereich des Gebäudes angeordnet, oder es ergaben sich an vielen Stellen Durchbrüche im Gebäude. Hierdurch entstehen bauphysikalische Probleme wie beispielsweise Wärmebrücken. Die Anpassung dieser Bauweise an extreme Klimaverhältnisse mit großen täglichen und jahreszeitlichen Temperaturschwankungen führt in manchen Fällen zu unüberwindbaren Problemen durch Wärmedehnung und Wärmebrücken. Wenn der Stahl die gesamte Gebäudehülle ohne Unterbrechung durchdringt, kann dies nicht nur zu erheblichen Wärmeverlusten am Durchdringungspunkt, sondern auch zur Bildung von Kondenswasser und nachfolgend zu Korrosion führen. Daher kommt es darauf an, die lokalen klimatischen Verhältnisse zu berücksichtigen und die Detailplanung der Schnittstellen zwischen Tragwerk und Verkleidungen danach auszurichten. Die ausgeklügelte Vordachkonstruktion aus Stahl, die den Ladebereich für Passagiere am von Fentress Bradburn

Die Wahl des Systems für die Endbehandlung und den Farbanstrich gestaltet sich ebenfalls zunehmend

Architects geplanten Denver Internatio-

problematisch. Die frühen Arbeiten von Mies van der Rohe, bei denen vorwiegend Schwarz als Deckfarbe

nal Airport überspannt, wirft aufgrund

eingesetzt wurde, haben möglicherweise die Wärmedehnung begünstigt, nicht jedoch Witterungs-

der Farbgebung der Oberfläche und der

einflüsse oder Abnutzung. Auf weißen Farbanstrichen sind Schmutzanhaftungen deutlicher sichtbar.

Witterungseinwirkungen auf den Stahl fortlaufend Probleme hinsichtlich ihrer Instandhaltung auf. Es kommt zu andau-

Darüber hinaus ist wegen abblätternder Farbe in kürzeren Abständen die Ausbesserung schadhafter Stellen erforderlich. Trotz dieser Probleme bleibt Weiß die am häufigsten für Endbehandlung und

ernden Schmutzansammlungen, auch

Anstrich gewählte Farbe. Eine ausführlichere Darstellung von Systemen zur Endbehandlung findet sich

durch die hier vorhandenen Tauben.

in Kapitel 7 „Beschichtungen, Oberflächenbehandlung und Brandschutz“.

– 79

K APITEL 6 ---

F reiliegen d e konstruktionen : E ntwurf un d Detailplanung --N ormaler Bausta h l versus Bausta h l f ü r freiliegen d e K onstruktionen WA S W I R D U N T E R B AU STA H L F Ü R F R E I L I E G E N D E KONST RUK T IONEN V ER STA NDEN? H AUP TFA K TOR EN FÜR DIE G E STA LT UNG K L A S SEN VON BAUSTA HL FÜR FR EIL IEG ENDE KONSTRUKTIONEN A NFOR DERUNG EN A N DIE AUSBIL DUNG VON A NSCHLÜSSEN WA H L D E S V E R B I N D U N G ST Y P S SCHRAUBVERBINDUNGEN SCHWEISSVERBINDUNGEN GUSSVERBINDUNGEN

WA H L D E R B AU T E I LT Y PE N Hohlprofile Standard-Bauprofile

BEST PR ACTICE BEIM BAU VON SICHTBA R EN STA HL KONST RUK T IONEN

Baustahl für freiliegende Konst­ ruktionen, wie er beispielsweise für die von Foster + Partners entworfene

SORGFÄLTIGER UMGANG MIT BAUTEILEN

Kuppel des Reichs­t agsgebäudes in Berlin eingesetzt wurde, stellt an die

TRANSPORT

Vorfertigung, Montage und Endbehandlung wesentlich höhere Ansprüche

FESTLEGUNG VON HEBESEQUENZEN BESCHRÄNKUNGEN AUF DER BAUSTELLE MONTAGE

als normaler Baustahl. An diesen Anforderungen muss sich der Entwurf vom Projektbeginn an orientieren; sie sind zentraler Gegenstand der Kommunikation zwischen Architekt, Ingenieur und Stahlbauer.

Anmerkung: Normen für die Verwendung von Architecturally Exposed Structural Steel (AESS) wurden maßgeblich von den Mitgliedern der zuständigen nationalen und regionalen Fachausschüsse des Canadian Institute of Steel Construction entwickelt.

N ormaler Bausta h l U N D Bausta h l f ü r freiliegen d e K onstruktionen Stahlskelettbauten können aus sichtbaren oder verborgenen Stahlkonstruktionen errichtet werden. Die Wahl, den Stahl sichtbar zu machen oder zu verbergen, beruht auf Entscheidungen in Bezug auf die gewünschten architektonischen Ausdrucksmittel, die Art und Ausprägung der gewünschten Endbehandlung, die Nutzungsart des Gebäudes sowie die Brandschutzanforderungen. Der Grad des erforderlichen Brandschutzes richtet sich nach der Gebäudegröße und -nutzung, da diese Faktoren den Grad der Brandgefährdung bestimmen. Bei vorhandenen hohen Brandgefährdungen wird der Stahl in der Regel von Beton oder Trockenbauwänden umhüllt oder durch Beschichtungen geschützt, die jegliche Ansicht des Stahls verhindern. Bei niedriger Gefährdung können die Stahlkonstruktionen zu einem relativ großen Teil freiliegend belassen werden, wobei der Brandschutz durch dämmschichtbildende Anstriche und Brandbekämpfungsanlagen gewährleistet wird. Vor der Wahl einer freiliegenden Stahlkonstruktion sind die vor Ort geltenden Bau- und Brandschutzvorschriften zu konsultieren, um gegebenenfalls bestehende Beschränkungen und Vorgaben zu ermitteln.

Die verborgene Standard-Stahlkonstruktion des Bay Adelaide Tower in Toronto, Ontario, wurde zur Gewährleistung des Brandschutzes mit einer Spritzbeschichtung versehen und mit Gipskarton verkleidet. Daher richtet sich die Detailausbildung der Konstruktion lediglich nach den erforderlichen Lastverläufen.

Trotz der aus Brandschutzgründen angebrachten Gipskartonverkleidung stellt der Stahl-

Die dreieckigen Hohlprofilträger steifen die verglaste Wand des Beijing International

fachwerkträger im Baltimore Convention Center in Baltimore, Maryland, aufgrund seiner

Airport aus. Sie müssen nicht nur die einwirkenden Lasten abtragen, sondern auch eine

Konzeption und Proportion ein ausdrucksstarkes Element des Raumentwurfs dar. Er liegt

hohe Qualität im Entwurf, in der Fertigung, Montage und Endbehandlung aufweisen,

zwar nicht frei, erforderte jedoch ein hohes Maß an Abstimmung zwischen Architekt,

da diese exponierten Stahlbauteile aus nächster Nähe betrachtet werden können und das

Ingenieur und Stahlbauer.

architektonische Ausdrucksmittel des Raums darstellen.

– FREILIEGENDE KONSTRUKTIONEN: ENTWURF UND DETAILPLANUNG

WA S W I R D U N T E R B AU STA H L F Ü R F R E I L IEG ENDE KONST RUK T IONEN V ER STA NDEN? Baustahl für freiliegende Konstruktionen („Architecturally Exposed Structural Steel“, AESS) muss einerseits die primären konstruktiven Anforderungen des Gebäudes, der Vordächer und weiterer Anbauten erfüllen und andererseits dafür geeignet sein, einen wichtigen Bestandteil der architektonischen Formensprache des Gebäudes zu bilden. Die Anforderungen an die Planung, Detailausbildung, Vorfertigung, Montage und Endbehandlung solcher Elemente gehen in der Regel über die Vorgaben für normalen Baustahl hinaus. Diese Situation führt in allen genannten Phasen zu vergleichsweise höheren Kosten. Freiliegende Konstruktionen sind das architektonische Markenzeichen des Gebäudes und erfordern daher eine intensive Mitwirkung. Leider sind die für den Entwurf Verantwortlichen nicht in jedem Fall vertraut mit der Auswahl geeigneter Befestigungsverfahren oder den Kostenauswirkungen ihrer Entscheidungen. Der Boom bei sichtbaren Stahlkonstruktionen hat gegenüber Projekten mit verborgener Stahlkonstruktion zu einem Paradigmenwechsel in der Abfolge der Kommunikation geführt. Dieser Paradigmenwechsel beruht auf der einfachen Tatsache, dass für eine „schöne Verbindung“ oder eine „glatte Oberfläche“ sehr unterschiedliche Kriterien gelten - je nachdem, ob man mit einem Architekten, Ingenieur oder Stahlbauer spricht. Eine solche Situation kann zu widersprüchlichen Erwartungen hinsichtlich dessen führen, was innerhalb bestimmter Budgetgrenzen realisiert werden kann.

H AUP TFA K TOR EN FÜR DIE G E STA LT UNG Für Baustahl, der bei sichtbaren Stahlkonstruktionen eingesetzt werden soll, gelten deutlich andere Entwurfskriterien als für Stahlskelettbauten, die aus Standardkonstruktionen bestehen. Die Verwendung von freiliegendem Stahl verfolgte lange Zeit das Ziel, ein extrem hochwertiges Bauwerk aus in der Regel spezialgefertigten Bauteilen mit durchgehend hoher Qualität der Detaillierung und Endbehandlung zu schaffen. Es muss darauf hingewiesen werden, dass bei manchen Projekten die Kosten dadurch möglicherweise in solche Höhen steigen, dass sie nicht mehr realisierbar sind, da die Erwartungen an die Oberflächenbehandlung das Projektbudget sprengen. Entwurf und Detaillierung von sichtbaren Stahlkonstruktionen nach den jeweiligen Projektvorgaben erfordern einen differenzierten Ansatz, der folgende Bedingungen berücksichtigen muss: → Dista nz u nd Sichtbarkeit: Wen n der Sta hl nicht aus näch ster Nä he betrachtet oder ber ü h rt werden ka n n, kön nen die A n forder u n gen a n die Endbeha ndlu n g weniger a n spr uch svoll sei n.

→ Sch raub- vs. Schweißverbi ndu n gen: Unterschiedliche Verbi ndu n gsarten fü h ren zu ei ner jeweils eigenen Ästheti k, so dass die Oberflächenbeha ndlu n g a n den jeweiligen Stellen entsprechend a nzupassen ist.

→ Tolera nzen bei der Vorfertig u n g u nd Montage: Je nach Größenord nu n g u nd Komplexität des Projekts si nd u nterschiedliche Tolera nzen erforderlich. In der Regel si nd die Tolera nzen bei sichtbarem Sta hl en ger als bei nor malem Bausta hl.

→ Zugang zu einzelnen Bauteilen, Anschlüssen usw. für die Ausfü h ru ng der erforderlichen Endbehand­ lu n g: Der Schwer pu n kt au f der Ausfü h r u n gsq ualität ka n n dazu fü h ren, dass das Bauteil bzw. der A n schluss oder sei ne Lage verä ndert werden, u m Zuga n g fü r verschiedene A rten von Werkzeugen zu schaffen. Au fwä ndige A n schlüsse oder Details müssen realisierbar sei n u nd gewartet u nd i n sta nd gehalten werden kön nen.

→ Grad des architektonischen Ausd r ucks: Die Komplexität von Kon str u ktion u nd A n schlüssen beei nflusst die Detailausbildu n g u nd die Kosten.

→ Abmessu n gen u nd For m kon str u k tiver Bauteile: W-Profile (Universalträ ger) u nd Hoh lprofile erforder n u nterschiedliche A n schlüsse, i h re A nwendu n g fü h rt zu ei ner jeweils eigen stä ndigen Detaillier u n g u nd Endbeha ndlu n g.

→ Außen- oder In nen rau m: Hier spielen Fa ktoren wie Witter u n gsei n flüsse, Zuga n g fü r Rei nig u n g u nd In sta nd haltu n g, erforderliche Bra ndschutzmaßna h men u nd mögliche Schädig u n gen ei ne Rolle.

→ Farba n strich, Korrosion sbestä ndig keit, Bra ndschutz: Je nach relativer Dicke des zu r Endbeha nd­ lu n g ver wendeten Materials u nterscheidet sich der Au fwa nd, der bei der Vorbereit u n g der Oberflächen, Ka nten u nd Schweißu n gen des Sta hls betrieben werden muss.

– 83

Die Haupteinflussfaktoren können auf die bündige Formel „Form, Fit and Finish“ gebracht werden

Zwei unterschiedliche „Bäume“ – die

(Walter Koppelaar, Walters Inc. Steel Fabricators), also Form, Passung und Endbehandlung. Ein gro-

deutlich miteinander kontrastierenden

ßer Schwerpunkt des Entwurfs liegt auf der Form des Stahls. Die Gesamtform kann sehr stark von der regelmäßigen Konstruktion abweichen und Biegungen, ungewöhnliche Winkel oder dreidimensionale

Anforderungen an sichtbaren Stahl werden sichtbar an den Baumstrukturen des von Cesar Pelli Architects entworfenen

Bauteile umfassen. In manchen Fällen werden Schraub- oder Schweißverbindungen nicht primär wegen

Reagan International Airport in Washing-

ihrer konstruktiven Wirkung oder einfachen Montage gewählt, sondern wegen ihres Erscheinungsbildes

ton, D.C., mit fein verästelten Strukturen

innerhalb der Gesamtintention und der Form des Entwurfs.

(links) und dem Science Building der

Aufwändige Stahlkonstruktionen sind naturgemäß schwieriger in Passung zu bringen. Die Anschlüsse

University of Guelph, Ontario von Young + Wright Architects (rechts), das die Spuren der Verbindungen verwischt und Hoch-

verfügen über deutlich weniger Spielraum, Abweichungen können sich summieren und zu einer feh-

glanzlack verwendet, der jede Unebenheit

lerhaften Gesamtausrichtung führen. Sicherung der Genauigkeit, Einfachheit der Fertigung und Reali-

deutlich offenlegen würde.

sierbarkeit erfordern größere Sorgfalt bei der Detailausbildung und engere Toleranzen für das gesamte Projekt. Diese setzen sich fort, wenn die freiliegende Stahlkonstruktion mit anderen Gewerken abgestimmt werden muss, insbesondere mit Bereichen mit großflächiger Verglasung und Vorhangfassaden. Durch die Verwendung von punktgehaltenen Edelstahl-Anschlüssen für rahmenlose Verglasungen entsteht zusätzlicher Druck auf die zulässigen Toleranzen. Wenn sichtbarer Stahl mit Massiv- oder Brettschichtholz kombiniert wird, sind bei der Passung auch die unterschiedlichen Bewegungen und Montagebesonderheiten dieser Materialien zu beachten. Zwar ist die Endbehandlung häufig die letzte Bauphase, die Auswahl des Anstrichs bzw. der Beschichtung muss jedoch am Anfang jedes Entwurfsprozesses mit sichtbarem Stahl stehen. Die Oberflächenbehandlungen von freiliegendem Stahl unterscheiden sich je nach Entwurfsidee, Witterungseinflüssen, Anwendung im Innen- oder Außenbereich und Brandschutz. Ein aufgebrachter Hochglanzlack lässt jede Abweichung deutlich hervortreten und erfordert eine noch sorgfältigere Fertigung. Eine dickere Brandschutzbeschichtung verdeckt viele Unebenheiten der Oberfläche. Bei der Verzinkung von Stahl treten Probleme hinsichtlich der Einheitlichkeit der Oberfläche auf, weshalb bei der Wahl dieses Verfahrens die Anschluss- und Verbindungsdetails eher matt erscheinen sollten. Zeit und Geld wird verschwendet, wenn der Grad der Vorfertigung deutlich über die Anforderungen der Endbehandlung hinausgeht.

Bei diesem Anschluss im von Cesar Pelli Architects entworfenen BloombergFirmensitz in New York wurde eine verstärkte dämmschichtbildende Brandschutzbeschichtung aufgebracht. Die Beschichtung überdeckt teilweise die Ausführung und Struktur der Schweißnähte des Trägers, so dass auf das Glattschleifen verzichtet werden konnte. Wenn für den Träger eine Hochglanzbeschichtung vorgegeben worden wäre, hätten die Schweißverbindungen vermutlich anders behandelt werden müssen.

– FREILIEGENDE KONSTRUKTIONEN: ENTWURF UND DETAILPLANUNG

Drei grundlegende Faktoren sind bei der Detailausbildung der Konstruktion zu beachten: Betrachtungsabstand: Als kritisches Maß für die Wahrnehmung der Oberflächenbeschaffenheit aus der Nähe wird ein Abstand von 6 m angenommen - diese Entfernung ist zum Beispiel üblich bei hohen Decken. Die Möglichkeit, die Konstruktion aus nächster Nähe zu betrachten oder gar zu berühren, kann die erforderliche Ausführungsqualität beeinflussen. Wenig sinnvoll ist zum Beispiel das Glätten von Schweißungen an einer Konstruktion, die sich außerhalb der Sichtweite befindet. Beim Entwurf von Atrien ist dieses Maß auch in horizontaler Richtung und nach unten anzuwenden. Bei von oben sichtbaren Stahlbauteilen sind die Details sorgfältig zu planen, um Staub- und Schmutzablagerungen zu vermeiden. Ebenso ist ein Zugang für regelmäßige Reinigung und Instandhaltung vorzusehen. Der Betrachtungsabstand kann sich ebenso auf die Oberflächenbehandlung der Stahlbauteile auswirken. Kleinere Fehler auf der Stahloberfläche sind aus größerer Entfernung nicht mehr erkennbar. Art oder Funktion des Gebäudes: Je nach Gebäudetyp unterliegen sichtbare Stahlkonstruktionen unterschiedlichen Anforderungen an Ästhetik und Oberflächenbeschaffenheit. Bei einer Eissporthalle sind beispielsweise andere Vorgaben zu machen als bei einem Flughafengebäude. Die beabsichtigte Gebäudenutzung und die gesamte Bandbreite an Räumen innerhalb des Bauvorhabens sind dahingehend zu prüfen, ob der Einsatz verschiedener Klassen sichtbaren Stahls (siehe unten) zweckmäßig ist. Für freiliegende Dachträger kann Stahl mit geringeren Anforderungen ausgeschrieben werden als für Stützen und Sockeldetails. Mögliche Kostensteigerung: Aus der Fertigung und Montage von sichtbaren Stahlkonstruktionen ergeben sich gewisse Kostensteigerungen im Vergleich zu normalem Baustahl. Die Vorfertigung erfordert einen zusätzlichen Zeitaufwand. Auch erhöhen sich die Montagekosten aufgrund der Komplexität der Stahlkonstruktion und abhängig vom Grad der möglichen Vorfertigung komplexer Anschlüsse in der Werkstatt, von Fragen des Transports, Zugangs und Montagebereichs sowie von engeren Toleranzen zur Einpassung der Stahlbauteile.

K L A S SEN VON BAUSTA HL FÜR FR EILIEGENDE KONSTRUKTIONEN Anmerkung: Die im Folgenden angeführten Klassen von Architecturally Exposed Structural Steel (AESS) wurden in Kanada entwickelt (weitere Informationen und normative Vorgaben finden sich im Internet unter www.cisc.ca/aess). Das Konzept der Differenzierung ist jedoch ortsunabhängig anwendbar, da die unterschiedlichen Endbehandlungen und Detailausbildungen abhängig vom Betrachtungsabstand, der Funktion des Gebäudes und den Kosten sind. Hinweise zu dem zugrunde liegenden SSPC-Bewertungssystems sind in Kapitel 7 „Beschichtungen, Oberflächenbehandlung und Brandschutz“ enthalten. KLASSE AESS 1 – GRUNDELEMENTE Die Klasse AESS 1 – Grundelemente geht um eine Stufe über normalen Baustahl hinaus und umfasst Grund­e lemente, die eine höhere Ausführungsqualität erfordern. Entsprechende Konstruktionen finden sich beispielsweise bei Dachträgern von Arenen, Lagerhallen, Supermärkten und Vordächern. Aufgrund des relativ großen Betrachtungsabstandes und der geringeren architektonischen Bedeutung der Gebäude sollte der Kostenaufschlag auf 20 bis 60 % begrenzt bleiben. Links: In der Ricoh Center Arena in Toronto, Ontario, wurden zur Abstützung der Dachkonstruktion Fachwerkträger eingesetzt. Aufgrund der Nutzungsart ist bei der Fertigung ein geringerer Grad an Präzision erforderlich. Rechts: Die Oberlichtkonstruktion des Les Ailes Shopping Center in Montreal, Quebec, ist weit vom Betrachter entfernt. Die Trägerverbindungen wurden weniger fein herausgearbeitet, das Erscheinungsbild des Fachwerkträgers vermitteln jedoch einen ansprechenden Eindruck.

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Für diese Anwendungen werden relativ einfache Profiltypen wie W-Profile und Hohlprofile sowie häufig Stahlgitterpfetten und freiliegende Trapezbleche eingesetzt. Der Unterschied zu normalem Baustahl liegt einzig in der Sichtbarkeit der Bauteile. Daher gilt es, Standardbauteile einheitlich auszurichten, identische Abstände einzuhalten und die Oberflächen so vorzubereiten, dass sie gleichmäßig mit einer Beschichtung oder einem Anstrich behandelt werden können. Auch ist eine größere Einheitlichkeit bei der Planung von Anschlüssen, Schraub- und Schweißverbindungen erforderlich. Die A n forder u n gen fü r diese A nwendu n gen kön nen wie folgt besch rieben werden: → Oberflächenvorbereitung von Stahlbauteilen nach bestim mten Mindestan forderungen (Norm SSPC-SP, siehe S. 106; DIN EN ISO 8501-1): Vor dem Abstrahlen sind Öl- und Fettan haftungen durch Anwendung eines Lösungsmittels zu entfernen. Alle scharfen Kanten sind glattzuschleifen. Raue Oberflächen sind zu entgraten und glattzuschleifen. Scharfe Kanten, die beim Bren nsch neiden, Schleifen und insbesondere Tren nen mit der Blechschere entstehen, sind zu glätten. → Alle Schweißnä hte sollten du rch lau fend ausgebildet wer den, wobei das Kriteriu m des Erschei nu n gsbildes i m Vor derg r u nd stehen sollte. Unterbrochene Nä hte kön nen du rch zusätz­ l iche Schweißu n g, Dichtmasse oder Spachtel ein ein heitliches Aussehen erhalten. Für Anwendungen in Korrosionsu mgebu ngen sind alle Anschlüsse dichtzuschweißen. Die Nähte von Hohlprofilen sind in ih rem Fertig u n gszusta nd zulässig. → Bei Schraubverbindungen wird von der Verwendung üblicher Konstruktionsschrauben ausgegangen (einschließlich vorspannbarer Schraubenverbindungen). Bei der Verschraubung sollten sich alle Köpfe auf ein und derselben Seite der Verbindung befinden, müssen jedoch nicht exakt ausgerichtet werden. Die Art der Ausführung der Verbindungen sollte übereinstimmen. → Schweißspritzer, Spä ne u nd Oberflächenu neben heiten sind zu entfernen, da sie die Oberfläche schädigen u nd möglicher weise du rch den Enda nstrich hindu rch sichtbar bleiben. Stu mpfnä hte u nd Lochschweißu n gen dü rfen bis zu 2 m m her vorstehen. → Bei den genannten Anwendungen können je nach Gebäudenutzung besondere Brandschutzmaßnahmen erforderlich sein. Unter gewissen Voraussetzungen kann der Stahl völlig ungeschützt belassen oder eine Sprin kleranlage installiert werden; in diesem Fall ist nur ein Farbanstrich notwendig. Dämmschichtbildende Brandschutzbeschichtungen können in der Regel bei Feuerwiderstandsklassen ab F 60 eingesetzt werden. Die Detaillierung sollte durch die relative Dicke der aufgebrachten Schutzbeschichtung nicht wesentlich leiden, da sich ein großer Teil dieser Elemente weit über Augenhöhe und außer Reichweite befindet. Unter der Annahme, dass bei vielen Projekten mit sichtbarem Stahl mehrere Klassen von Baustahl verwendet werden, wird man diese Anforderungen in der Regel für Deckenbauteile vorgeben, wenn der Betrachtungsabstand bei mindestens 6 m liegt. Für näher am Betrachter gelegene Bauteile, zum Beispiel Stützen, wird dann nach Anforderungen einer anderen Klasse ausgeschrieben. KLASSE AESS 2 – SCHAUELEMENTE Die Klasse AESS 2 – Schauelemente betrifft Konstruktionen mit einem geplanten Betrachtungsabstand von mehr als 6 m. Gefordert sind Fertigungsvorgänge hoher Qualität, wobei für Schweißnähte, Anschlüsse und Fertigungsdetails sowie Spalttoleranzen höhere Anforderungen gelten. Diese Klasse lässt sich beispielsweise für Einkaufszentren und andere Aufgaben mit einem vertretbaren niedrigen bis mittleren Kostenaufschlag von 40 bis 100 % im Vergleich zu normalem Baustahl anwenden. Die verzinkte Stahlkonstruktion, die das Vordach des von Frank Gehry entworfenen Stata Center am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, Massachusetts, abstützt, konnte aufgrund des Betrachtungsabstandes und der gewählten Verzinkung mit Anforderungen der Klasse AESS 2 geplant werden.

– FREILIEGENDE KONSTRUKTIONEN: ENTWURF UND DETAILPLANUNG

Entsprechende Bauteile finden sich in der Regel in Gebäuden, in denen die zur Schau gestellte Konst­ ruktion einen essenziellen Bestandteil der Entwurfsidee bildet. Dazu können Dächer oder Deckenkonstruktionen in großer Höhe gehören, während für niedriger gelegene Bauteile eine höhere Anforderungsklasse vorzugeben wäre. Die Klassen sollten auf den Zeichnungen eindeutig gekennzeichnet werden, so dass die einzelnen Bauteile differenziert behandelt und die jeweiligen Kostenaufschläge ermittelt werden können. Die A n forder u n gen fü r diese A nwendu n gen u m fassen alle oben gena n nten Merk male u nd folgende zusätzliche:

→ Je nach Projektu m fa n g ka n n die Fertig u n g von Muster n u nd Modellen erforderlich sei n. → Im Vergleich zu nor malem Bau sta h l halbieren sich die i n der Vorfertig u n g ei n zu haltenden Sta ndardtolera nzen.

→ Fertig u n gsmarkier u n gen (wä h rend des Fertig u n gs- u nd Montagevorga n gs au f die Bauteile gesch riebene Nu m merier u n gen) sollten i n Ei nbaulage nicht sichtbar sei n.

→ Schweißnä hte si nd gleich mäßig u nd glatt auszu fü h ren. In dieser Klasse werden häufiger W- und Hohlprofile ausgeschrieben als Bauteile mit eher industrieller Anmutung (zum Beispiel Stahlgitterpfetten). Hier kann eine Kombination aus Schraub- und Schweißverbindungen vorgegeben werden. Ein Verdecken der Verbindungen größerer Bauteile ist in der Regel nicht gefordert.

An den vorgefertigten Profilen dieses Fachwerkträgers am Sony Center in Berlin, entworfen von Helmut Jahn, wurden die Schweißverbindungen nicht so glatt geschliffen, wie es bei geringerem Betrachtungsabstand erforderlich gewesen wäre.

Bei dem von Omicron Engineering geplanten Projekt des National Works Yard in Vancouver, British Columbia, wurde durch den Einsatz sichtbarer Stahlkonstruktionen der Aufwand bei der Endbehandlung reduziert, was zur Erteilung des Prädikats LEED TM Gold beitrug. Es wurden vorwiegend W-Profile verwendet, die Detailausbildung folgt weitgehend üblichen Verfahren. In der Ausbildung der Sonderbauteile zur Aufnahme der Dachkonstruktion und der Parallam®-Holzbalken sind die Details vor dem Betrachter verborgen. Für die Anschlüsse der Hauptbauteile wurden vorwiegend Schraubverbindungen gewählt, die Elemente wurden jedoch vor dem Transport in der Werkstatt verschweißt. Der Stahl ist zwar vom Obergeschoss aus größerer Nähe sichtbar, man entschied sich jedoch dafür, die Tektonik der W-Profile und Schraubverbindungen durchgängig zu erhalten, da das Gebäude als Büro des Bauhofes dient. Zur Abstützung der PV-Oberlichter und der Holzkonstruktion wurden einige Sonderbauteile verwendet.

In der Klasse AESS 2 liegt die Spanne des Kostenaufschlags zwischen 40 und 100 %. Die Kosten können niedriger ausfallen, wenn weitgehend Standardprofile mit Schraub- oder einfachen Schweißverbindungen eingesetzt werden. Sie können höher liegen, wenn Hohlprofile verwendet werden, komplexe Bauteilgeometrien vorliegen und überwiegend Schweißverbindungen hergestellt werden. Da solche Bauteile häufig als Tragkonstruktionen für Dächer, Oberlichter oder Decken eingesetzt werden, ist die Art der zu treffenden Brandschutzmaßnahmen bereits zu Beginn des Projekts festzulegen. Bei Anwendung von Brandschutzbeschichtungen können eventuelle Unregelmäßigkeiten der Oberfläche verdeckt werden.

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KLASSE AESS 3 – SCHAUELEMENTE Die Klasse AESS 3 – Schauelemente umfasst Konstruktionen mit einem geplanten Betrachtungsabstand von bis zu 6 m mit Bauteilen, bei denen der Gestalter die Metallbearbeitung für den Betrachter bewusst sichtbar machen will. Schweißnähte sind in der Regel glatt, aber sichtbar auszuführen. Geringfügige Schleifmarken sind zulässig. Es sind engere Toleranzen als bei normalen Anwendungen einzuhalten. Da der Betrachtungsabstand in der Regel unter 6 m liegt, kann die Konstruktion in vielen Fällen von den Nutzern oder Besuchern des Gebäudes berührt werden. Aus diesem Grund ist eine glattere, gleichmäßigere und dauerhaftere Oberfläche zweckmäßig. Solcherart Konstruktionen finden sich auf Flughäfen, in Einkaufszentren, Krankenhäusern und Eingangshallen. Aufgrund der Komplexität und des Aufwands für die vorgesehene Endbehandlung kann von einem mäßigen Kostenaufschlag zwischen 60 und 150 % im Vergleich zu normalem Baustahl ausgegangen werden. Diese Klasse u m fasst alle bisher gena n nten Merk male sowie folgende zusätzliche A n forder u n gen:

→ Aus der Sta hlherstellu n g sta m mende Marken u nd Riefen si nd zu entfer nen, sie dü rfen au f dem Endprodu kt nicht sichtbar sei n. Die Marken werden i n der Regel abgeschliffen.

→ St u mpfn ä hte u nd Loch schweißu n gen si nd glattzu sch lei fen u nd zu füllen, u m ei ne glatte Oberfläche herzustellen. Die Ver wendu n g von F ugendichtmasse oder Spachtel ist zulässig.

→ Die bei der Herstellu n g von Hohlprofilen üblicher weise entstehende Schweißna ht ist so a nzuord nen, dass sie möglich st nicht sichtbar ist. Schweißnä hte si nd möglich st du rch gehend zu verbergen.

→ Stoßflächen von Quersch nitten si nd i n Flucht zu bri n gen. Au fei na nderstoßende Quersch nitte si nd entsprechend a nzugleichen. Verspr ü n ge werden als u na n seh nlich betrachtet.

→ Die Spalttoleranzen der Anschlüsse sind zu minimieren. Zwischen aneinanderstoßenden Bauteilen ist ei n Freirau m von 3 m m erforderlich.

→ Es kön nen du r ch gä n gi g Schwei ßverbi n du n gen vor gesehen wer den, jedoch k a n n au s ä stheti schen Gr ü n den a n besti m mten Stellen auch gezielt au f Sch raubverbi n du n gen z u r ück ge­ g ri ffen wer den.

Das Projektteam muss sich auf die erwartete und geforderte Oberflächenbeschaffenheit verständigen. Unbearbeitete Schweißnähte wären für den Nutzer im Raum sichtbar. Einfache Schraubverbindungen sind gegebenenfalls in einer höheren handwerklichen Qualität zu planen. Anschlüsse können ebenfalls aus nächster Nähe betrachtet werden. Daher sind hier Planung, Toleranzen und einheitliches Aussehen wichtiger. Die für diese Bauteile erforderliche höhere Ausführungsqualität kann sich in erheblich höheren Gesamtprojektkosten niederschlagen. Wenn die geforderten Eigenschaften und Merkmale der Stahls nicht sorgfältig abgewogen werden, kann die Planung der sichtbaren Bauteile schnell zur Unwirtschaftlichkeit des Bauvorhabens führen.

Links: In der Flughafenarchitektur werden weitestgehend (bis auf wenige Ausnahmeprojekte) Bauteile der Klasse AESS 3 eingesetzt. Für den von Paul Andreu konzipierten Pudong International Airport in Shanghai wurden Stahlbauteile verwendet, die sowohl nahe am Betrachter als auch weiter entfernt angeordnet sind und deren Ausführungsqualität sowohl durch den Farbkontrast des Stahls zur darüber gelegenen Deckenebene als auch durch die Beleuchtung hervorgehoben wird. Rechts: In den flachen Bauteilen, die die gegabelte Stützkonstruktion bilden, mussten je nach Betrachtungsabstand nicht alle Schweißnähte vollkommen glatt geschliffen werden. In diesem Fall ist die Ausführungsqualität dennoch sehr gut. Die in der Werkstatt ausgeführten Schweißungen ergaben sich aus der Sonderanfertigung der Bauteile aus Stahlblech.

– FREILIEGENDE KONSTRUKTIONEN: ENTWURF UND DETAILPLANUNG

Der zu berücksichtigende Kostenaufschlag hängt wesentlich von der Art der gewählten Bauteile und den Verbindungstypen ab. Ein weiterer Faktor ist die Entwurfsintention, die Materialität des Stahls selbst entweder zu verbergen oder sichtbar zu machen. Oberflächen sollen noch glatter erscheinen und eventuell vorhandene Marken oder Riefen aus der Stahlherstellung nicht durch den Anstrich durchscheinen. Sollten Schweißungen nicht in der Werkstatt unter kontrollierten Bedingungen ausgeführt werden können, wo auch Einspann- und Haltevorrichtungen zur präzisen Ausrichtung von Bauteilen verfügbar sind, so führt die dann in großem Umfang erforderliche Verschweißung komplexer Elemente auf der Baustelle zu Kostensteigerungen. In einigen Fällen entsprechen auf der Baustelle aufgebrachte Schweißungen nicht der üblichen Qualität von Werkstattschweißungen. Es wird davon ausgegangen, dass die Schweißnähte eine höhere Qualität aufweisen als in den niedrigeren Klassen und weitestgehend einheitlich erscheinen. Zwar sind möglicherweise in gewissem Umfang Ausbesserungsschweißungen erforderlich, um ein gleichmäßiges Bild herzustellen. Es ist jedoch kein vollständiges Schleifen aller Schweißnähte vorgesehen, sondern gleichmäßige Schweißnähte hoher Qualität bleiben sichtbar. Bei der Planung von Schraubverbindungen ist ein höherer Grad an Sorgfalt erforderlich, was mit hoher Wahrscheinlichkeit zu einer Verlängerung der Fertigungsdauer und möglicherweise zu einem höheren Materialverbrauch führt. Durch einfache Verfahren wie die Anordnung aller Schraubenköpfe auf der gleichen Anschlussseite kann ohne große Mehrkosten eine deutliche Verbesserung der Ästhetik erzielt werden. Wenn Schraubverbindungen für die Vereinfachung der Montage erforderlich sind, ihr Erscheinungsbild jedoch dem ästhetischen Anspruch zuwiderlaufen würde, können verdeckte Anschlüsse geschaffen werden, so dass das Aussehen einer nahtlosen oder geschweißten Verbindung entspricht, jedoch ohne die ansonsten damit verbundenen Kosten. Bei diesen Verbindungstypen verbleiben die Befestigungsbleche in der Bauteilachse, so dass Deckbleche über den verschraubten Bauteilen angeordnet werden können. Bei der Anwendung im Außenbereich sind verdeckte Anschlüsse vor Witterungseinflüssen zu schützen, um eine nicht sichtbare Rostentwicklung zu verhindern. Links: Diese Nahaufnahme der Schraubverbindungen im Raymond Moriyama entworfene Canadian War Museum in Ottawa, Ontario, zeigt die kombinierte Verwendung von Schweißungen und freiliegenden Schrauben, die zur Herstellung der Ästhetik der Konstruktion bewusst gewählt wurden. Rechts: Für das vom War Museum wurden Hohlprofile mit spezialgefertigten Anschlüssen verwendet, um in der Regeneration Hall ein raues Erscheinungsbild zu schaffen, das an eine geschundene Landschaft erinnert. Dabei mussten nicht alle in Nahdistanz montierten sichtbaren Stahlkonstruktionen vollständig aus

Stahlbauteilen dieser Klasse liegt die Idee zugrunde, dass das Erscheinungsbild des Endprodukts

Sonderbauteilen hergestellt werden. Eine

verändert und vereinheitlicht werden kann, ohne dass hierfür notwendigerweise kostenintensivere

Kombination aus Standardprofilen und

Fertigungsverfahren angewandt werden müssen.

eigens gefertigten Anschlüssen erfüllt die beabsichtigte Funktion.

KLASSE AESS 4 – EXPONIERTE ELEMENTE Die Klasse AESS 4 – Exponierte Elemente ist anzuwenden, wenn der Architekt die Form als vorherrschendes Merkmal eines Bauteils darstellen will. Alle Schweißnähte werden geglättet, gefüllte Kanten werden maßgenau rechtwinklig geschliffen. Alle Oberflächen werden abgesandet und Unebenheiten aufgefüllt. Die Toleranzen der in dieser Klasse gruppierten vorgefertigten Formen sind enger und liegen in der Regel bei der Hälfte der für normalen Baustahl üblichen Werte. Alle Oberflächen erscheinen äußerst glatt und eben. Der Kostenaufschlag ist bei diesen Bauteilen hoch anzusetzen, er kann 100 bis 250 % gegenüber normalem Baustahl ausmachen. Zurückzuführen ist dies auf die Art der Detailausbildung, die Komplexität des Bauwerks und die gewählten Oberflächenbehandlungen.

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Dies ist der höchste Qualitätsstandard für sichtbaren Baustahl für unterschiedlichste Anwendungen. Die verwendete Palette an Bauteilen ist sehr vielfältig. Stützen oder Träger sind häufig Sonderanfertigungen. Dies kann auf die sehr großen Abmessungen und die erforderliche Tragkraft dieser Bauteile zurückzuführen sein, jedoch ebenso auf den Entwurfsansatz. In vielen Fällen wird Stahlblech verwendet, das auf besondere Formen zugeschnitten wurde. Solche Geometrien führen zu einer Steigerung der Fertigungskosten des Projekts, wenn für sie nicht auf eine Kombination aus einfachen kreisrunden Öffnungen und geraden Zuschnitten zurückgegriffen wird.

Brookfield Place in Toronto, Ontario, wurde von Santiago Calatrava entworfen. Auf Ebene der Fußgängerpassage sind die Stahloberflächen extrem glatt, ohne jegliche Zeichen der Fertigung. Über dieser voll verschweißten Konstruktion befinden sich sogenannte „Kanus“ aus Stahl, für die wegen des relativ großen Betrachtungsabstandes Schraubverbindungen gewählt wurden (entsprechend Klasse AESS 3).

Aus Nahdistanz zeigen diese hoch im Atrium gelegenen Verbindungen den Übergang zwischen Schweißung und Verschraubung. Die sichtbare Stahlkonstruktion des Newseum in Washington, D.C., von Polshek Partnership besteht vorwiegend aus eigens gefertigten Stahlblechen zur Herstellung der vertikalen Träger. Die scharfen Kanten und die klare Linienführung sind typisch für hochwertige sichtbare Stahlkonstruktionen. Klar definierte Kanten erfordern größere Sorgfalt bei der Anwendung von Beschichtungen, damit eine gute mehrschichtige Deckung erzielt wird. Für den hier abgebildeten Träger besteht keine Gefahr des Abplatzens von Farbe aufgrund von Fußgängerverkehr.

Links: Die Verbindung zu den Gurtbögen, die die Abflughalle des von SOM Architects geplanten Pearson International Airport in Toronto, Ontario, überspannen, wird durch ein Sonderbauteil hergestellt, das als „Gabelbein“ bezeichnet wird. Diese Elemente wurden in einem Stück von der Werkstatt auf die Baustelle transportiert. Die Montage wurde erleichtert durch gelenkige Anschlüsse zu den Stahlbetonauflagern an der Unterseite und zu den Gurtbögen an der Oberkante. Rechts: Gabelung am Anschluss zum Gurtbogen der Dachkonst­ ruktion mit mehrschichtiger Anordnung von Stahlblechen, die zur Bauteilverstärkung genau aufeinander abgestimmt wurden. Das Element verteilt die Last des Hauptbogens, so dass die Schubkräfte des Bogens an jedem Betonauflager teilweise ausgeglichen werden. Dadurch entsteht ein Endanschluss mit höherer Tragfähigkeit.

– FREILIEGENDE KONSTRUKTIONEN: ENTWURF UND DETAILPLANUNG

Bei zahlreichen Projekten dieser Klasse wurden die Stahlkanten so bearbeitet, dass sie sehr klar und scharf erscheinen. Die gerade Linienführung der Bauteile ist ein entscheidender Aspekt ihrer Fertigung. Diese Klasse u m fasst alle zuvor dargestellten sowie folgende zusätzliche A n forder u n gen:

→ Die bei Hohlprofilen üblicher weise vorhandene Schweißnaht sollte nicht sichtbar sein. Hierfür ka n n das Abschleifen der Na ht erforderlich sei n.

→ Schweißnä hte si nd zu kontu rieren u nd bü ndig a nzuarbeiten. Gleiches gilt fü r die Ü berga n gs­ schweißu n gen zwischen Bauteilen.

→ Sta h lober flächen si n d abz u sa n den u n d Uneben heiten au fz u f ü llen. Hier du rch sollen Feh lstellen au f der Sta h lober fläche beseitig t oder über deck t wer den. Dieser A rbeitsga n g ka n n mit hohen Zu satzkosten verbu nden sei n. Er ver deutlicht, dass sichtba re Sta h lbauteile n icht du rch gehend au f gleiche Weise bea rbeitet wer den sollten. Sich abzeich nende Schweißn ä hte si nd zu mi n i mieren. Die du rch den Schweißvor ga n g entsta ndene u nebene Rücken fläche des geschweißten Bauteils ka n n du rch ma nuelles Absch lei fen der Rück seite der Schweißn a ht weitgehend entfer nt wer den. Der Grad des D u rch schei nen s h ä n g t von der Di men sion ier u n g der Schweißn ä hte u nd dem ver wendeten Material ab.

In manchen Fällen weisen Bauteile der Klasse AESS 4 eine äußerst glatte Oberfläche ohne scharfe Kanten auf, wie der Fachwerkträger am Beijing International Airport.

Die Dachkonstruktion des Beijing International Airport besteht aus einem Raumfachwerk über einer gerade abgehängten Decke, so dass Tageslicht einfallen kann, gleichzeitig jedoch kein direkter Blick auf die Detailausbildung des Stahls möglich ist. Daher konnten die Stahlbauteile in diesem Bauabschnitt nach weniger anspruchsvollen Qualitätsvorgaben gefertigt werden. Der Farbanstrich sorgt für einen konsistenten optischen Eindruck.

Diese Variante von sichtbarem Stahl wird häufig bereits in der Werkstatt mit einem Anstrich versehen. Während des Transports und der Montage sind die Bauteile unbedingt zu schützen, um Beschädigungen der Oberfläche zu verhindern. SONDERBAUTEILE In manchen Fällen erfordert der Einsatz von Baustahl für freiliegende Konstruktionen maßgeschneiderte Entwürfe und Vorgaben. Aufgrund des steigenden Anteils an wiederverwertetem Stahl, insbesondere bei nachhaltigkeitsorientierten Projekten, kommen ganz neue Kriterien ins Spiel. In den Anforderungen werden bestehende Anstriche und Beschichtungen, das Auftreten von Korrosion und Abweichungen der Bauteile voneinander berücksichtigt. Des Weiteren kommt es darauf an, ob im Projekt die Wiederverwertung des Stahls in den Vordergrund gestellt oder das Altmaterial mit neuem Stahl kombiniert werden soll. Da historische Stahlbauteile in manchen Fällen mit Nieten befestigt sind, ist möglicherweise ein anderer Ansatz zur Herstellung eines einheitlichen Erscheinungsbildes erforderlich, wenn neue Verbindungen mit bereits bestehenden Anschlüssen kombiniert werden müssen (siehe Kapitel 14 „Stahl und Nachhaltigkeit“). Sonderbauteile sollen in manchen Fällen die typischen Eigenschaften des Stahls als Highlight des Bauwerks präsentieren, in anderen die Materialeigenschaften zugunsten der plastischen Wirkung zurücktreten lassen. Hier muss unter Umständen ein auch im Vergleich zur Klasse AESS 4 noch höherer Aufwand betrieben werden. – 91

Links: „Ram’s Horn“ („Widderhorn“), entworfen vom Künstler John McEwen und hergestellt vom Stahlbauer Walters Inc., ist ein Element zur Windabschwächung, das im Stadtzentrum von Calgary, Alberta, zwischen zwei Hochhäusern installiert wurde. Ein Widderhorn wurde vom Stahlbauer in seiner Anmutung und Textur nachempfunden. Die Bleche und die sichtbaren Verschweißungen mit dem mittig durchlaufenden Hohlprofil wurden miteinander kombiniert, um die Textur zu verstärken. Rechts: Im Detail des „Widderhorns“ zeigt sich die hohe Wertschätzung des Künstlers für die Metallbearbeitung. In dieser Einzelanfertigung ist Stahl wirklich Stahl, Schweißnähte sind Schweißnähte – und die Haptik des ablesbaren Fertigungsprozesses trägt zu einer Aufwertung des Elements bei.

EDELSTAHL FÜR KONSTRUKTIVE ANWENDUNGEN Für Edelstahl gelten andere Spezifikationen, und seine Anwendung ist mit besonderen Problemen verbunden, um eine hohe Einbauqualität zu gewährleisten. Während ein Farbanstrich bei Beschädigungen während der Montage ausgebessert werden kann, gestaltet sich die Beseitigung von Schäden oder Kratzern an der Oberfläche von Edelstahl schwieriger. Spezielle Ausrüstungen sind einzusetzen und auf keinen Fall Werkzeuge, die für die Fertigung, den Zuschnitt oder die Oberflächenbehandlung von herkömmlichem Kohlenstoffstahl verwendet werden, da sich Teilchen davon im Edelstahl einlagern und zu Rost führen können. Mischbauweisen

Die großen Dreiecksträger, die zum Diago-

Bei nahezu allen Projekten ist von der Anwendung von sichtbarem

nalgitter des Bow Encana Tower in Calgary,

Baustahl mehrerer AESS-Klassen auszugehen. Häufig werden für Elemente der Dach-/Deckenkonstruktion niedrigere und für näher

Alberta gehören (Entwurf Foster und Zeidler), weisen an der Vorderseite sehr scharfe Kanten auf, deren Präzision der

am Betrachter angeordnete Stützen und Profile höhere Klassen aus-

Klasse AESS 4 entspricht. Da die Rück-

geschrieben. In der Regel kann aber von nicht mehr als zwei Klassen

seite des Bauteils eingebettet ist, wurde sie

ausgegangen werden. Möglich ist auch die Vermischung der Klassen

nicht nach Anforderungen für freiliegende

an ein und demselben Bauteil, zum Beispiel bei Profilen, die  auf einer Seite sichtbar sind und berührt werden können und deren andere Seite umhüllt oder aus anderen Gründen nicht sichtbar ist. Hier kann auf der sichtbaren Seite des Stahls eine qualitativ hochwertige Oberflächenbehandlung und auf der verborgenen Seite ein Qualitätsstandard ähnlich normalem Baustahl vorgegeben werden. Dieses Vorgehen führt zu enormen finanziellen Vorteilen bei der Endbehandlung sehr großer Bauteile.

– FREILIEGENDE KONSTRUKTIONEN: ENTWURF UND DETAILPLANUNG

Konstruktionen ausgeschrieben.

ANFOR DERUNGEN AN DIE AUSBIL DUNG VON A NSCHLÜS SEN Durch ihre Sichtbarkeit liegt eine höhere Aufmerksamkeit auf der Ausbildung der Verbindungen. Zwar werden auch hier für die Detaillierung der Anschlüsse in der Regel typisierte Verfahren verwendet, diese werden jedoch meist an die konkreten Gegebenheiten angepasst. Verbindungstypen können anhand der Profilformen der Konstruktionen gegliedert werden (W-, C- und L-Profile oder aber Hohlprofile). Diese Typen können weiter unterteilt werden, je nachdem ob vorwiegend Schraub- oder Schweißverbindungen eingesetzt werden. Stahlbleche können in beide Verbindungsarten integriert werden. Häufig werden Sonderbauteile wie Stangen oder Abspannungen verwendet. Es gilt die Grundregel, dass so viele Verbindungen wie möglich in der Werkstatt vorgefertigt werden sollten, insbesondere Schweißungen. In der Werkstatt ist eine intensivere Qualitätskontrolle möglich. Für die Serienfertigung von Bauteilen können dort Einspann- und Haltevorrichtungen verwendet werden, so dass das Aussehen und die Oberflächenbeschaffenheit vereinheitlicht werden. Mit Kranunterstützung ist das Drehen und Fixieren der Bauteile für Schweißarbeiten einfacher. Das Aufbringen von Grundierungen und Deckanstrichen gestaltet sich in der Werkstatt effizienter, verlangt aber auch anschließend eine sorgfältige Handhabung. Häufig bestimmt die maximale Größe des Bauteils, das noch auf die Baustelle transportiert werden kann, den Umfang der in der Werkstatt hergestellten Verbindungen und die Zahl und Art der Anschlüsse, die nachfolgend auf der Baustelle realisiert werden müssen. Zwar können Bauteile in Übergrößen mit Polizeibegleitung auf die Baustelle transportiert werden, dies führt jedoch zu einer Steigerung der Projektkosten. Ebenso können eingeschränkte Platzverhältnisse und ein klein bemessener Montagebereich auf der Baustelle dazu führen, dass die ebenerdige Vormontage von Elementen auf der Baustelle nicht möglich ist. Bauprojekte in Städten erfordern zumeist eine Just-in-Time-Anlieferung der Stahlbauteile Links: Die Ausbildung der Anschlüsse dieser Fahrbahnüberdachung am Baltimore Washington International Airport, Maryland, kombiniert in der Werkstatt hergestellte Schweißverbindungen mit unauffälligen Schraubverbindungen, was die Montage vereinfachte und zu einem einheitlichen Erscheinungsbild beitrug. Rechts: Die Schraubverbindungen fügen sich in die freiliegende Konstruktion ein, sobald der Farbanstrich aufgebracht ist. Angesichts des Standorts und der Nutzung hätten eine Verschweißung auf der Baustelle und die Angleichung des Aussehens an die werkstattgefertigten Anschlüsse der anderen runden Hohlprofile unnötige Kosten verursacht.

und eine sorgfältige Montageplanung, so dass der hierfür verfügbare Teil der Baustelle optimal genutzt und gegebenenfalls ein Bereich freigehalten wird, der bis zum endgültigen Abschluss der Stahlbau- und Montagearbeiten benötigt wird. Transportbedingte Größenbeschränkungen können innovative Lösungen erfordern, wenn eine vollständige Verschweißung gewünscht, jedoch nicht ausführbar ist. Wenn die Konstruktion in mehrere Abschnitte unterteilt werden muss, dies aber dem ästhetischen Anspruch zuwiderläuft, besteht die Möglichkeit der Herstellung „versteckter“ Verbindungen, die diese Gegebenheiten verdecken. VERBINDUNGSMUSTER Beim Entwurf von Verbindungen ist das Thema der Musteranfertigung von großer Bedeutung. Idealerweise möchten sich die Planer vor der Zusage der Fertigung in größeren Stückzahlen einen optischen und haptischen Eindruck der spezialgefertigten Verbindung verschaffen, was nicht in jedem Fall möglich ist. Die Herstellung von realen Mustern kann nicht nur bei der Fertigung zu Verzögerungen führen, sondern auch wegen der für Freigaben erforderlichen Anwesenheit aller Beteiligten. Bei der Betrachtung eines Musters ist darüber hinaus der hierbei eingenommene Abstand zu berücksichtigen. In der Regel betrachten die Anwesenden das Muster aus Nahdistanz, während der Anschluss auf der Baustelle möglicherweise gar nicht im sichtbaren Bereich eingebaut wird.

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Die Betrachtung von Mustern muss sich an den Anforderungen der Klassen orientieren. Möglicherweise kann der überwiegende Teil der Fragen des Aussehens der Verbindungen und die Entwurfsfreigabe auf Grundlage von 3D-Zeichnungen erledigt werden: solchen, die aus der Detailplanungssoftware des Stahlbauers hervorgegangen sind und weiteren, die mit Hilfe der 3D-Modellierungssoftware erstellte wurden. Bei Verwendung von 3D- oder anderen digitalen Modellen als Basis für die Detailabstimmung kommt es darauf an, die Feinheiten der Schweiß- und Schraubverbindungen sowie der Oberflächenbehandlung zu erörtern, da diese möglicherweise nicht vollständig im digitalen Modell abgebildet sind. Gegebenenfalls mag ein Referenzprojekt des Stahlbauunternehmens als Ausgangspunkt der Diskussion zur Verfügung stehen. Links: Die vom Stahlbauunternehmen für die Detaillierung von Anschlüssen genutzte Software dient als einfaches, schnelles und kostengünstiges Hilfsmittel zur Abwägung der ästhetischen Gesichtspunkte der Planung von Verbindungen. Rechts: Die realisierte Verbindung sieht sehr ähnlich aus, und da sie etwa 27 m vom Betrachter entfernt liegt, ist das Ergebnis mehr als zufriedenstellend.

Eine 3D-Darstellung in hoher Auflösung kann ebenfalls als Abstimmungsgrundlage für die Ausführungsqualität von Verbindungen und Oberflächen dienen. Dieses Vorgehen spart Zeit und Kosten und kommt ohne Anfertigung eines gebauten Musters aus, sofern frühere Arbeiten des Stahlbau- und Montageunternehmens als Referenzen herangezogen werden können.

Eine Reihe von kleineren gebauten Mustern zur Abstimmung der Anschlussdetails und der Oberflächenqualität kann mit digitalen Darstellungen zur Gewährleistung einer effektiven Kommunikation verbunden werden. ZUSCHNITT DES STAHLS Das für den Zuschnitt von Stahl gewählte Verfahren beeinflusst den Grad der Detaillierung und den Umfang erforderlicher Korrekturen. Heute werden für den Zuschnitt meist CNC-gesteuerte Maschinen eingesetzt, der manuelle Zuschnitt ist jedoch weiterhin möglich. Beim Zuschneiden per Hand sind je nach Fertigkeit des Bedieners und Anforderungen umfangreichere Nacharbeiten erforderlich. Folgende Verfa h ren stehen zu r Verfüg u n g:

→ Plasmasch neiden: Bei diesem Verfa h ren kön nen i n der Regel Sta hldicken von 6 bis 30 m m bearbeitet werden.

→ Bren n sch neiden: A m häu figsten a n gewa ndtes Verfa h ren, hier bestehen kei ne Besch rä n k u n gen der Dicke des Materials.

→ Wasserstra hlsch neiden: Dieses Verfa h ren wird seltener a n gewa ndt, Dickenbesch rä n k u n gen fü r Sta hl si nd nicht beka n nt.

→ Laserstra hlsch neiden: Dieses Verfa h ren wird fü r Materialdicken von 1,5 m m bis zu r tech nisch bedi n gten Grenze von etwa 20 m m genutzt.

– FREILIEGENDE KONSTRUKTIONEN: ENTWURF UND DETAILPLANUNG

Bei außergewöhnlich dickem Stahl (ab 150 mm aufwärts) wird in der Regel das Verfahren des Brennschneidens angewandt. Nach dem Plasma- und Brennschneiden sind mehr oder weniger umfangreiche Schleifarbeiten erforderlich, um alle Schnittmarken von den Blechkanten zu entfernen. Beim Laser- und Wasserstrahlschneiden muss dagegen nur in minimalem Umfang an den Kanten nachgeschliffen werden. Vertikale Schnitte können nahezu beliebig mit CNC-gesteuerten Maschinen ausgeführt werden, jedoch bestehen beim Plasma- und Brennschneiden Beschränkungen hinsichtlich des Breite-DickeVerhältnisses. Beispielsweise ist das Brennschneiden nicht für den Zuschnitt einer Öffnung geeignet, die einen kleineren Durchmesser als die Dicke hat. Dies würde zu übermäßigem Schmelzen und schlechter Schnittqualität führen. CNC-gesteuerte Maschinen können beliebige Profile ohne Mehrkosten schneiden. Das manuelle Schneiden ermöglicht praktisch nur Öffnungen, die sich aus einer Kombination von mit einem automatischen Brenner hergestellten geraden Schnitten und eingebrachten runden Bohrungen ergeben.

WA H L D E S V E R B I N D U N G ST Y P S Die Wahl des Verbindungstyps hängt von den Lastanforderungen an die Konstruktion, von den verwendeten Arten von Profilen und Stahlbauteilen sowie von der gewünschten Ästhetik ab. Zu Beginn des Projekts ist möglicherweise noch nicht klar, welcher Verbindungstyp sich am besten dafür eignet. Für den Stahlbau sind zahlreiche Verbindungstypen verfügbar. Innerhalb eines Bauvorhabens kann die Anwendung verschiedener Typen sowohl notwendig als auch wünschenswert sein. Im Interesse der Klarheit des Gesamtentwurfs können für bestimmte Verbindungen ähnliche Merkmale definiert werden, so dass Gruppen typischer Einbausituationen entstehen. Wie bei jedem Projekt bilden übergreifende konstruktive Überlegungen - aufzunehmende Lasten, stützenfrei zu überspannende Bereiche, Stützenraster - den Ausgangspunkt des Entwurfs. Die Festlegung der einer Klasse entsprechenden Anforderungen richtet sich dann nach pragmatischeren Fragestellungen: Art des Projekts, Nutzung des Gebäudes, Witterungseinflüsse, mögliche Schmutzablagerungen, Wahl geeigneter Brandschutzmaßnahmen. Aus wirtschaftlicher Sicht ist es wenig sinnvoll, aufwändig gestaltete Details vorzusehen, wenn die Verbindungen außerhalb der Sichtweite liegen oder zum Teil durch dickere Brandschutzbeschichtungen überdeckt sind. Bei erheblichem Schmutzanfall in der Umgebung oder schwieriger Reinigung und Instandhaltung der Konstruktion sollten keine Kanten oder Vorsprünge ausgebildet werden, an denen sich Schmutz sammeln kann. Gleiches gilt für Oberflächen, auf denen unzureichende Instandhaltung und Pflege sofort sichtbar wird. Für den Transport und den Zugang zur Baustelle ist die Konstruktion in kleinere, transportable Elemente aufzuteilen, die auch unter eingeschränkten Platzverhältnissen auf der Baustelle montiert werden können. Auf der Baustelle werden überwiegend Schraubverbindungen hergestellt, was aber die Fertigung von geschweißten Anschlüssen nicht ausschließt. Schweißarbeiten führen bei ihrer Ausführung auf der Baustelle zu höheren Kosten, da während des Schweißvorgangs provisorische Stützen oder Aussteifungen montiert werden müssen. Diese sind nachfolgend zu entfernen, dann können die Oberflächen endbehandelt werden. SCHRAUBVERBINDUNGEN Schraubverbindungen werden üblicherweise gewählt, wenn die sichtbare Stahlkonstruktion einen robusteren Eindruck vermitteln soll oder Montageprobleme und -beschränkungen überwunden werden müssen. Sie werden häufig für W-, C- und L-Profile vorgesehen. Das stärker industriell geprägte Bild dieser Profilarten legt aus ästhetischen Gründen Schraubverbindungen nahe. Die Ausbildung dieser Schraubverbindungen in sichtbaren Stahlkonstruktionen kommt denjenigen für normalen Baustahl häufig sehr nahe. Bei der Planung von Schraubverbindungen sind der Typ der zu verwendenden Schraube sowie die für die Anordnung der Schraubenköpfe vorgesehene Seite festzulegen. Da sich die Festigkeit des Anziehens der Schrauben nach den konstruktiven Anforderungen an die Schraubverbindung richtet, kann nicht davon ausgegangen werden, dass alle Schraubenköpfe auf eine identische Position gedreht werden. Wenn Schraubverbindungen mit Hohlprofilen verwendet werden, wird in der Regel ein Blech an das Profil angeschweißt, um die Verschraubung zu erleichtern.

– 95

Links: Im Canadian War Museum in Ottawa, Ontario, wurden für die quadratischen Hohlprofile zwei Arten von Schraubverbindungen genutzt: zum einen überlappende Bleche (am Schnittpunkt des Kreuzes), die in einen Einschnitt im Hohlprofil eingelassen sind; zum anderen ein einfacher Anschluss mit Verschweißung der Bleche an den Enden der Hohlprofile und nachfolgender Verschraubung. Diese Verbindungen waren von der Ästhetik des Raums und der Evokation einer vom Krieg geschundenen Landschaft inspiriert. Rechts: Am Reagan International Airport in Washington, D.C., entworfen von Cesar Pelli, wurden Breitflanschprofile mit Schraubverbindungen befestigt. Es wurde darauf geachtet, enge Toleranzen einzuhalten, das Schraubenraster optimal zu planen und die Schraubenköpfe in einer gleichgerichteten Reihung anzuordnen. Am Durchbruch des Geländers durch den Trägersteg wurde der Schraubenabstand entsprechend angepasst.

In der Seattle Public Library, Washington, entworfen von Rem Koolhaas, finden sich Fassadenfelder aus einem Stahl-Diagonalraster, dessen Breitflanschprofile miteinander verschweißt wurden. Die Tafeln wurden auf Transportgröße zugeschnitten und auf der Baustelle recht unauffällig verschraubt. Durch diese Lösung wurden die Probleme bei der Montage umgangen, die sich aus der Wahl von Schweißverbindungen ergeben hätten.

Links: Im von Frank Gehry entworfenen Lou Ruvo Center for Brain Health in Las Vegas, Nevada, wurden für eine Reihe vorgefertigter gebogener Tafeln Schraubverbindungen vorgesehen, die an das Außenskelett aus Stahl angeschlossen wurden, das eine Schutz- und Beschattungsfunktion für den Hof übernimmt. Die Verbindungen wurden so konzipiert, dass sie während der Montage geringfügige Anpassungen ermöglichten. Rechts: Die Innenansicht des Verbindungsdetails für die Stahltafeln verdeutlicht, dass diese trotz ihrer komplexen Geometrie in der Werkstatt vorgefertigt wurden, um die Arbeiten auf der Baustelle zu vereinfachen.

In einigen Fällen bieten Schraubverbindungen die Möglichkeit der Anpassung auf der Baustelle. Nicht immer ist allerdings Schlupf erwünscht. Bei komplexen Geometrien müssen die Stahlprofile auf genaue Passung geplant werden - daher die halbe Standardtoleranz als Mindestanforderung -, da sich auch geringfügige Abweichungen rasch summieren und die passgerechte Montage hochkomplexer Bauteile verhindern können. SchweiSSverbindungen Schweißverbindungen finden sich an einem großen Teil der sichtbaren Stahlkonstruktionen, da sie ein klares und unauffälliges Erscheinungsbild ergeben. Häufig werden Schweißungen bei Stahlhohlprofilen ausgeführt, weniger häufig bei W-, C- oder L-Profilen. Dieser durchgängig verschweißte Kastenträger am Hauptsitz der Firma Waiward Steel in Edmonton, Alberta, veranschaulicht die weiche, fließende Ästhetik, die durch die Kombination von Schweißverbindungen und Rundquerschnitten erzielt werden kann.

– FREILIEGENDE KONSTRUKTIONEN: ENTWURF UND DETAILPLANUNG

Für den Stahlbauer werfen Schweißverbindungen aufgrund der Geometrie der Verbindung und der Auswahl des Bauteils andere Probleme auf. Die Arbeiten sollten so weit wie möglich in der Werkstatt durchgeführt werden, um komplexe Geometrien kostengünstiger herzustellen und eine höhere Qualität und genauere Bauteilausrichtung zu gewährleisten. Dort stehen Haltevorrichtungen, Hebezeuge und Einspannungen für die Bearbeitung der Bauteile zur Verfügung. Bei der Detailplanung von Konstruktionen, die ausschließlich mit Schweißverbindungen hergestellt werden sollen, sind bestehende Transportbeschränkungen in die Überlegungen einzubeziehen. Wenn aufwändig geplante Bauteile wegen Transport- und Hebebeschränkungen in kleinere Einheiten aufgeteilt werden müssen, sind die Details der wichtigsten auf der Baustelle herzustellenden Verbindungen mit dem Stahlbauer abzustimmen, sofern durchgängig ein „geschweißtes“ Erscheinungsbild erzielt werden soll. Auf der Baustelle können Anschlüsse hergestellt werden, die den optischen Eindruck von Schweißungen vermitteln, jedoch unauffällig verschraubt sind. Die endgültige Verbindung ist hier hinter Deckblechen verborgen. Im Atrium des Toronto Eaton Center, Ontario, besteht die Stahlkonstruktion überwiegend aus runden Bauteilen. Um an den wichtigsten Punkten nahtlose Übergänge zu schaffen, sind die Schraubverbindungen von unauffällig gestalteten Blechen verdeckt, die an die Stirnflächen der Bauteile angeglichen wurden.

Bei der Entscheidung über den Grad der Endbehandlung einer Schweißverbindung sind unbedingt der Betrachtungsabstand, die Anforderungsklasse und die damit verbundenen Merkmale zu beachten. Einer der Hauptgründe für Kostenüberschreitungen bei sichtbaren Stahlkonstruktionen bestand bisher darin, dass Schweißverbindungen über das erforderliche Maß hinaus bearbeitet wurden. Schweißungen werden oft unnötigerweise geschliffen, gefüllt oder geglättet. Schweißnähte erfüllen eine konstruktive Funktion; übermäßiges Schleifen kann ihre Tragfähigkeit beeinträchtigen. Außer aus konstruktiven Gründen oder bei Dichtungsschweißungen zur Verhinderung des Eindringens von Feuchtigkeit sind durchlaufende Nähte in vielen Fällen nicht erforderlich. Gussverbindungen Gussverbindungen werden zunehmend verwendet, um komplexe Details zu realisieren und dabei ein geformtes, nahtloses Erscheinungsbild zu schaffen. Sie stellen auch eine wirksame Lösung für erdbebensichere Gebäude dar. Durch die Massenfertigung kann eine hohe Wirtschaftlichkeit erreicht werden. Bei Einzelanfertigungen oder Kleinserien von Gussteilen können sich hohe Kosten ergeben, sie sind jedoch für Projekte mit besonderem ästhetischem Anspruch oder komplexen Verbindungslösungen gut geeignet. Durch den Einsatz von Gussteilen können Projekte mit sichtbaren Stahlkonstrukti-

Gussbauteile sind an ihrer charakteristischen Oberfläche erkennbar, die sich aus dem Fertigungsprozess

onen selbst die Ansprüche der höchsten

und aus dem Material der Gussform ergibt. Beim Sandgussverfahren weist die Oberfläche des fertigen

Anforderungsklasse AESS 4 übertreffen.

Stahlbauteils eine raue, sandähnliche Textur auf. Zur Herstellung eines nahtlosen Übergangs zwi-

Die für den TGV-Bahnhof am Flughafen Charles-de-Gaulle in Paris, entworfen von

schen dem Gussteil und dem benachbarten Hohlprofil ist eine besondere Endbehandlung erforderlich.

Paul Andreu und Peter Rice, verwende-

Bei höheren AESS-Klassen kann sich daraus ein erheblicher Aufwand für Schleif- und Füllarbeiten zur

ten Sondergussteile erforderten einen

Glättung der raueren Oberfläche des Gussteils oder zur Entfernung von Gussmarken ergeben.

nahtlosen Anschluss der Rundstützen an die Grundplatte.

Gussverbindungen werden ausführlicher in Kapitel 10 „Gussteile“ behandelt. – 97

WA H L D E R B AU T E I LT Y PE N Hohlprofile Stahlrohre - also Hohlprofile oder mechanische Rohre - werden bei der Realisierung von Projekten mit sichtbaren Stahlkonstruktionen häufig eingesetzt. Hohlprofile können quadratische, rechteckige, runde oder elliptische Querschnitte aufweisen. Mechanische Rohre werden in kreisrunder Form hergestellt. Die Auswahl des Bauteilquerschnitts hat bestimmenden Einfluss auf die Gestaltung und das Erscheinungsbild der Verbindungen. Die geometrische Form der Verbindung - eben, einfach abgewinkelt oder als Schnittpunkt mehrerer Bauteile - wirkt sich auf die Kosten und Komplexität der Lösungen mit verschiedenen Hohlprofilquerschnitten aus. In manchen Fällen kann der Anschluss durch Schneiden und Schweißen realisiert werden. Gegebenenfalls sind zur Vereinfachung des Schnittpunktes Bleche vorzusehen. Hohlprofile werden aus Flachstahl gefertigt und weisen eine Schweißnaht auf, die auch auf der Außenseite des Profils sichtbar ist. Bei der Detailplanung ist dies zu berücksichtigen, indem die Schweißnaht entweder nicht sichtbar angeordnet oder, bei geringem Betrachtungsabstand, glattgeschliffen wird. Je nach Zulieferer und Abmessungen des verwendeten Hohlprofils kann sich die Lage der Schweißnaht unterscheiden. Hohlprofile werden in der Regel in einem Schweißvorgang hergestellt, während Rohre meist in einem Strangpressprozess gefertigt werden. Hohlprofile weisen zu Beginn immer eine runde Form auf und werden dann umgeformt. Bei Hohlprofilen findet sich die bereits erwähnte Schweißnaht, mechanische Rohre sind dagegen nahtlos. Aus der gewählten Anforderungsklasse ergibt sich die Berücksichtigung der Lage der Hohlprofilschweißnaht beim Entwurf. Schweißnähte sind je nach gewähltem Beschichtungsverfahren selbst nach dem Abschleifen oft noch sichtbar, da stets senkrecht zur Oberfläche abgeschliffen wird. Da die Schweißnaht selbst nach erfolgter Endbeschichtung möglicherweise nicht vollständig verdeckt werden kann, sollte sie vorzugsweise einheitlich ausgerichtet oder außerhalb des sichtbaren Bereiches angeordnet werden. Kreisrunde Rohre werden in manchen Fällen für komplexe Fachwerkträger eingesetzt, da sie keine Schweißnaht aufweisen; jedoch sind Rundrohre aufgrund ihrer abweichenden konstruktiven Eigenschaften für erdbebensichere Bauten nicht zulässig. Mit modernen Fertigungsausrüstungen lassen sich die Anschlüsse runder Hohlprofile sehr effizient gestalten. Zur wirtschaftlicheren Herstellung dieser komplexen Verbindungen in großen Stückzahlen werden eigens angefertigte Vorrichtungen eingesetzt.

Die Oberfläche geschweißter Hohlprofile ähnelt der eines Walzprofils, während die Oberfläche von Rohren leicht strukturiert sein kann (ähnlich einer Orangenschale). Dieser Unterschied in der Textur kann wichtig sein, wenn Hohlprofile in einer sichtbaren Stahlkonstruktion mit anderen Profilarten kombiniert werden und eine weitgehend einheitliche Oberfläche angestrebt wird. Die Oberflächenstruktur von Rohren legt eher eine Kombination mit Gussteilen nahe, die ebenfalls eine strukturierte Oberfläche aufweisen. Diese Merkmale und Unterschiede sind ausführlich mit dem Ingenieur und dem Stahlbauer zu erörtern. Rohre können nicht einfach als Ersatzlösung für Hohlprofile dienen. Links: Hohlprofile können auf verschiedene Weise verbunden werden. In diesem Fall werden Laschen in das eingeschnittene Ende des runden Bauteils so eingefügt, dass hier eine Gelenkverbindung geschaffen wird. Die Einbauteile werden in großen Stückzahlen gefertigt, um eine identische Größe und ein gleichmäßiges Erscheinungsbild der Schweißnähte zu gewährleisten. Die Laschen werden manuell in die aufgeschnittenen Hohlprofile eingebaut. Rechts: Das fertige Bauteil am Pearson International Airport in Toronto, Ontario.

– FREILIEGENDE KONSTRUKTIONEN: ENTWURF UND DETAILPLANUNG

Die Verfügbarkeit verschiedener Profilgrößen kann je nach Durchmesserbereich sehr unterschiedlich sein. Bei großen Mengen von 50 bis 70 t Stahl können die Hohlprofile direkt beim Hersteller bestellt werden. Bei Hohlprofilen mit Durchmessern über 400 mm sind in der Regel Sonderaufträge für die Fertigung erforderlich. Meist werden große Hohlprofile spezialgefertigt, und die Mindestbestellmenge liegt bei 100 t. Groß bemessene Hohlprofile werden in manchen Fällen mit Spiralschweißnähten angeboten - dies ist mit dem Stahlbauer zu besprechen. Spiralnähte können in der Ausschreibung ausdrücklich ausgeschlossen werden, wenn sie nicht zulässig oder geeignet sind. Sichtbare Spiralschweißungen an den runden Bauteilen der Fußgängerbrücke über den Humber River in Toronto, Ontario, entworfen von Montgomery Sisam Architects.

Konische Röhren sind kein fertiges Standardprodukt. Sie sind aus trapezförmigen Blechen zu fertigen, die zur Herstellung der konisch geformten Stange gerollt werden; die Naht ist zu verschweißen. Standard-Bauprofile Standard-Bauprofile (W, C und L) werden für verschiedenste sichtbare Stahlkonstruktionen eingesetzt. Die Detailausbildung dieser Profile kann eine anspruchsvolle Aufgabe darstellen, wenn glatte Übergänge oder komplexe, ausgeklügelte Anschlüsse zu realisieren sind. Eines der Hauptprobleme bei der Verwendung von Standardprofilen besteht in der geeigneten Ausrichtung der Bauteile für die Entwässerung (im Außenbereich) und zur Verhinderung von Schmutzansammlungen in den Hohlräumen.

BEST PR ACTICE BEIM BAU VON FR EIL IEG ENDEN STA HL KONST RUK T IONEN Sorgfältiger Umgang mit Bauteilen Für sichtbare Stahlkonstruktionen vorgesehene Bauteile erfordern beim Transport größere Sorgfalt, damit Beschädigungen vermieden werden. Bei asymmetrischen oder unregelmäßig geformten Elementen besteht bei unsachgemäßer Handhabung die Gefahr des Verdrehens oder Verbiegens. Häufig werden Bauteile schon vor Anlieferung auf die Baustelle mit einem Farbanstrich, einer Verzinkung oder Brandschutzbeschichtung versehen. In diesem Fall sind gepolsterte Anschlagseile zu verwenden. Stahlbauteile werden häufig mit provisorischen Abstützungen, Verstärkungen oder Überbrückungen angeliefert, um Verformungen während des Transports und der Montage zu verhindern. Diese Teile werden nach dem Anheben des Elements in seine Einbaulage abgenommen, die Schweißmarken werden in der Regel vor der Endbehandlung durch Abschleifen entfernt. TRANSPORT Da Oberflächenqualität und Einbaupräzision bei sichtbaren Stahlkonstruktionen entscheidend sind, sind die Vorfertigung und der Farbanstrich so weit wie möglich in der Werkstatt des Stahlbauunternehmens auszuführen. Dies kann dazu führen, dass sich die Bauteilabmessungen vergrößern und sich der Transport der Elemente schwieriger gestaltet. Hier kommt es darauf an, dass der Stahlbauer die lichten Durchfahrtshöhen auf der Strecke von der Werkstatt zur Baustelle berücksichtigt. Ebenso sind bei schmalen Straßen die Wenderadien zu beachten. Der Verzicht auf eine Transportbegleitung durch die Polizei oder auf eine Straßensperrung ist die bessere, weil kostengünstigere Lösung. Um Schäden vorzubeugen, müssen die Elemente gegebenenfalls einzeln transportiert werden, statt die Nutzlast des Fahrzeugs voll auszunutzen. Schlankere Bauteile sind bei Bedarf mit provisorischen Stahlaussteifungen zu versehen, um eine Verdrehung während der Fahrt oder beim Abladen und Anheben auf der Baustelle zu verhindern.

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Die 27 m langen Stützen für den von Will Alsop entworfenen Erweiterungsbau des Ontario College of Art and Design (OCAD) in Toronto mussten über 100 km auf Autobahnen und engen Stadtstraßen angeliefert werden. Die am vorderen und hinteren Ende der Stützen montierten Achsen ermöglichten das Fahren durch enge Kurven.

Festlegung von Hebesequenzen Für die korrekte Montagereihenfolge und zur Minimierung des Risikos von Bauteilbeschädigungen während der Lagerung auf der Baustelle ist eine Just-in-time-Anlieferung erforderlich. Das Montageunternehmen legt Abfolgen von Hebevorgängen fest, um die Zahl der auf der Baustelle befindlichen Elemente während des gesamten Bauablaufs auf ein Mindestmaß zu reduzieren. Die für Bauteile aus sichtbarem Konstruktionsstahl notwendige Reihenfolge führt zu weiteren Einschränkungen hinsichtlich der Detailausbildung und gestaltet die Montage komplizierter. Die 27 m langen Stahlstützen, auf denen die Obergeschosse des OCAD aufliegen, wurden in der Werkstatt mit einer farbigen dämmschichtbildenden Brandschutzbeschichtung vorbehandelt. In diesem Fall musste auch darauf geachtet werden, während des Transports und der Montage den Farbanstrich nicht zu beschädigen. Hierfür wurden eigens provisorische Abstützungen (blau) errichtet, welche die Bauteile fixierten, bis die eigentliche seitliche Aussteifung angebracht werden konnte. Während des gesamten Bauablaufs musste der Anstrich wegen unvermeidlicher Kratzer und Kerben mehrfach ausgebessert werden. Bei Verwendung von normalem Baustahl wäre es nicht zu solchem Mehraufwand gekommen.

BESCHRÄNKUNGEN AUF DER BAUSTELLE Baustellen mit eingeschränkten Platzverhältnissen finden sich häufig in dicht bebauten Stadtgebieten. Für die Vor- und Endmontage müssen gegebenenfalls Fahrspuren der Straße vor der Baustelle gesperrt werden, insbesondere wenn das zu errichtende Gebäude bis an die Grundstücksgrenze reicht. Die Vormontage im dafür vorgesehenen Bereich auf der Baustelle ist bei Bauteilen mit Übergröße oder komplexen Geometrien üblich. Die Größe dieses Bereiches beeinflusst Entwurfs- und Planungsentscheidungen und damit die für den Zusammenbau sehr großer Bauteile verwendeten Verbindungstypen. Im Montagebereich auf der Baustelle ist das Schweißen ohne geeignete Halte- und Spannvorrichtungen schwierig. Wenn für die Stahlkonstruktion ein durchgängig „geschweißtes“ Erscheinungsbild gewünscht ist, können im Entwurf verdeckte Schraubverbindungen zur Vereinfachung der Montage vorgesehen werden. – FREILIEGENDE KONSTRUKTIONEN: ENTWURF UND DETAILPLANUNG

Für den Montagebereich vor der Baustelle des von Frank Gehry entworfenen Erweiterungsbaus der Art Gallery of Ontario in Toronto musste eine Fahrspur für mehr als ein Jahr gesperrt werden. Dieser Bereich war so beengt, dass der Kranführer keine Sicht auf die angehobenen Bauteile hatte. Auch hatte er darauf zu achten, dass die Glasfassade und die Brettschichtholz­ träger unversehrt blieben. Dazu kam noch die winklige Form der Bauteile und ihrer Abstützungen.

Montage Bei der Montage freiliegender Stahlkonstruktionen auftretende Probleme unterscheiden sich je nach Komplexität des Projekts. Sofern die Stahlbauteile mit hinreichender Maßhaltigkeit gefertigt wurden (mindestens halbe Standardtoleranz), sollten Probleme hinsichtlich der Passung weitgehend (wenn auch nicht vollständig) auszuschließen sein. Bei unregelmäßig geformten oder asymmetrischen Bauteilen sind die Hebepunkte noch sorgfältiger zu ermitteln. Elemente aus normalem Baustahl mit vertikalen Stützen und horizontal verlaufenden, relativ gleichmäßigen Trägern sind dagegen leichter handhabbar. Die Hebepunkte sind einfach zu bestimmen und gewährleisten eine rasche und unproblematische Montage auf der Baustelle. Bei diagonalen oder asymmetrischen Bauteilen wirken sich die Gesetze der Schwerkraft unvorteilhaft aus. Verzögerungen des Montageablaufs können auftreten, wenn alle Bauteile Einzelanfertigungen sind, da jedes Element neue Herausforderungen mit sich bringen kann. Für bestimmte Bauteile sollten mehrere Montageversuche einkalkuliert werden. Ein erfahrenes Montageteam ist dabei von unschätzbarem Vorteil. Bei mit einem Anstrich versehenem Stahl ist während der Montage besonders darauf zu achten, dass dieser nicht beschädigt wird. Bei Bedarf werden hierfür gepolsterte Anschlagseile in Verbindung mit Hebeketten eingesetzt. Das gleiche Vorgehen kann für grundierten Stahl gewählt werden, wenn anschließend ein Hochglanzlack aufgebracht werden soll, so dass auch hier Beschädigungen der Stahloberfläche verhindert werden. Beschädigungen der Grundierung können auch auf dem Deckanstrich noch erkennbar sein. Die Rückseite der spezialgefertigten provisorischen Stahlfixierung für die Stützen ist zur Vermeidung von Beschädigungen der Brandschutzbeschichtung und des Deckanstrichs gepolstert. Die Anstriche wurden bereits in der Werkstatt aufgetragen, um eine qualitativ hochwertige Beschichtung in gleichmäßiger Dicke zu gewährleisten.

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K APITEL 7 ---

BESCHICHTUNG , OBER FL ÄCHENBEH A NDLUNG UND BR ANDSCHUTZ --KOR ROSIONSSCHUTZ BR ANDSCHUTZ VOR BER EI T UNG DE S STA HL S FÜR DIE BESCHICHTUNG WA H L D E S B E S C H I C H T U N G S UND ANSTRICHSYSTEMS GRUNDIERUNGEN

ANSTRICHSYSTEME FÜR SICHTBARE STA HL KONST RUK T IONEN DEFIZITE VON FARBANSTRICHEN AUFBRINGEN VON ANSTRICHEN: IN DER WERKSTATT ODER AUF DER BAUSTELLE?

KOR ROSIONSSCHUTZSYSTEME VERZINKUNG METALLBESCHICHTUNG WETTERFESTER STAHL EDELSTAHL

BR ANDSCHUTZSYSTEME BRANDBEKÄMPFUNGSANLAGEN BRANDSCHUTZ-SPRITZPUTZE

Ein großer Teil des von Herzog & de Meuron entworfenen Nationalstadions in Beijing wurde nach dem Schweißen mit einem Metallüberzug versehen (Spritzverzinkung). Für diese Behandlung nicht geeignete Fugen und Oberflächen mit komplexen Geometrien erhielten auf der Baustelle eine Mehrfachbeschichtung. Hierfür wurde

BETON

die Oberfläche zunächst aufgeraut

DÄMMSCHICHTBILDENDE ANSTRICHE

ponenten-Filmverzingung „Zinga“,

und dann mit zwei Lagen Ein-Komeiner Lage Epoxidharz-Eisenglimmerfarbe und schließlich einer grauen Metalleffekt-Fluorocarbon-Decklage spritzbeschichtet.

KOR ROSIONSSCHUTZ Für Bauwerke aus Stahl stehen zahlreiche Beschichtungs- und Schutzsysteme zur Verfügung. Stahl ist zu beschichten, wenn er während seiner Nutzungsdauer Feuchtigkeit unter Anwesenheit von Sauerstoff ausgesetzt ist, eine Feuerwiderstandsklasse aufweisen muss oder freiliegende Stahlkonstruktionen (entsprechend den in Kapitel 6 „Freiliegende Konstruktionen“ beschriebenen Anforderungen) geplant werden. Für normalen Baustahl ist bei Einwirkung von kor-

Bei dieser Außentreppe eines öffentlichen

rosiven Umgebungen entweder eine korrosionsbe-

Wegesystems hat das für die Enteisung

ständige Stahlsorte zu verwenden, oder der Stahl ist durch eine Beschichtung gegen Oxidation bzw.

der Betonstufen eingesetzte Salz zu einer Schädigung des Stahls geführt; auf dem Stahl und dem darunterliegenden Gehweg

Rosten zu schützen. Bei dieser chemischen Reak-

finden sich Rostspuren. Die Mengen ein-

tion wird das Metall abgetragen, was zu einer funk-

gesetzter Taumittel müssen eingeschränkt

tionellen Beeinträchtigung und möglicherweise

werden. Ein einfacher Farbanstrich erwies

zum Versagen des Bauteils führt. Auch können auf

sich als nicht dauerhaft genug.

benachbarten Materialien Rostflecken auftreten. Korrosionsschutz ist in der Regel angezeigt, wenn Stahl im Außenbereich eingesetzt wird, aber auch in aggressiven Umgebungen im Innenbereich, zum Beispiel in der Nähe von Schwimmbecken mit chloriertem Wasser oder für industrielle Anwendungen, bei denen Chemikalien oder toxische Dämpfe den Stahl angreifen können.

Im Außenbereich ist insbesondere auf den Korrosionsschutz zu achten. Ein Farbanstrich ist nicht geeignet, eventuelle Entwurfsmängel zu beheben. Selbst der Einsatz hochwertigster Epoxidharz- oder Vinyllacke kann Detailplanungen, die Angriffspunkte für Korrosion schaffen, nicht kompensieren. Bei Konstruktionen im Außenbereich ist durch die grundlegende Bauteilauswahl und die Ausbildung der Anschlüsse die Möglichkeit von Wasseransammlungen auszuschließen. Träger und Profile sind so auszurichten, dass sich kein Wasser sammeln und über einen längeren Zeitraum stehen kann. Freiliegende Stahlbauteile, auf denen sich Wasser sammeln kann sind mit einer Neigung zu planen, so dass das Wasser ablaufen kann. Wenn das Profil nicht entsprechend ausgerichtet oder geneigt werden kann, sind zusätzlich Ablauföffnungen vorzusehen.

Bei Verwendung von Hohlprofilen oder Verbundbauteilen, die im Außenbereich zu Hohlräumen führen, sind auch die Innenflächen vor Korrosion zu schützen. Häufig werden Dichtschweißungen ausgeschrieben, um das Eindringen von Feuchtigkeit oder sauerstoffreicher Luft in den Hohlraum zu verhindern. Bei freiliegenden Stahlkonstruktionen, die mit einem Farbanstrich zu versehen sind, können zur Verhinderung unansehnlicher Rostfahnen ebenfalls Dichtschweißungen vorgesehen werden. Auch für zu verzinkende Bauteile sind solche Schweißungen sinnvoll, um während des Verzinkungsvorgangs ein Eindringen von Beizmitteln bzw. flüssigem Zink in bestimmte Bereiche zu verhindern. Dichtschweißnähte können zur Verlagerung der Lastverläufe führen und sind unter bestimmten konstruktiven Bedingungen nicht zulässig. Abgeschlossene Hohlräume sind in keinem Fall zu verzinken, da es hier zu einer Explosion kommen kann. Besser wäre in diesem Fall eine Hinterlüftung und die Erweiterung der Verzinkung auf die Innenflächen der Hohlprofile. Diese Lösung führt zu höheren Kosten, bietet jedoch unter Umständen eine dauerhaftere Außenbeschichtung.

Für Anwendungen im Außenbereich ist gegebenenfalls eine Kombination von Dichtschweißung und Hinterlüftung erforderlich. Die gebogene Strebe des Geländers der Salt Lake City Library wurde mit Dichtschweißnähten versehen; am Fuß der senkrechten Stützen findet sich jedoch eine Ablauföffnung, die zum Austritt der Gase beim Verzinken ohnehin eingeplant werden muss.

– BESCHICHTUNG, OBERFLÄCHENBEHANDLUNG UND BRANDSCHUTZ

Die für die von Rem Koolhaas entworfene Seattle Public Library, Washington, eingesetzten W-Profile verfügen über Ablauföffnungen, die über die gesamte Konstruktion gleichmäßig verteilt an den Anschlüssen angeordnet wurden.

Noch vor der Eröffnung kam es im Mandarin Hotel in Beijing im Februar 2009 zu einem verheerenden Großbrand. Da sich im Gebäude keine Personen aufhielten, war das Brandbekämpfungssystem nicht aktiviert worden. Es kam zu erheblichen Schäden. Wichtig war, dass die Tragkonstruktion nicht einstürzte. Die vielen anderen im Gebäude eingesetzten brennbaren Materialien trugen zur Schwere des Brandes bei.

BR ANDSCHUTZ Stahl zeigt unter Hitzeeinwirkung plötzliches Versagen und ist daher vor Brandeinwirkung zu schützen. Beim Brandschutz kommt es vor allem auf die sichere Evakuierung der Nutzer des Gebäudes an. Darüber hinaus soll nach einem Brand die Standsicherheit weiterhin gewährleistet sein. In vielen Fällen müssen freiliegende Stahlkonst­ ruktionen gleichzeitig Leistungen mehrerer Anforderungsklassen erfüllen. Dies erfordert häufig sehr unterschiedliche Verfahren der Vorbereitung. Normaler Baustahl, bei dem keine Gefahr der Korrosion durch Feuchteeinwirkung besteht, mithin keine Feuerwiderstandsklasse aufweisen muss und verkleidet ist, benötigt keine Oberflächenbehandlung. Durch Differenzierung sind Kosteneinsparungen und eine Verbesserung der Umweltbilanz möglich.

VOR BER EI T UNG DE S STA HL S FÜR DIE BESCHICHTUNG Eine Beschichtung versagt hauptsächlich dann, wenn der Untergrund nur ungenügend vorbereitet wurde. Aus dem Werk angelieferter Stahl weist natürlicherweise Fett-, Zunder- und Rostablagerungen auf. Jede Stahloberfläche, die geschweißt, grundiert, gestrichen oder mit einer Brandschutzbeschichtung versehen werden soll, muss vorher gereinigt werden. F ü r die Vorbereitu n g der Oberfläche stehen folgende Verfa h ren zu r Verfüg u n g:

→ Entfetten: Die Entfettu n g wird a m häu figsten du rch gefü h rt. Sie dient zu r Entfernu n g von Ölen, Fetten oder a nderen Ver u n rei nig u n gen. Dabei wird ei n Löse-/Entfettu n gsmittel au fgetragen u nd die Oberfläche nach folgend mit ei nem sauberen Tuch trocken gewischt.

→ Beha ndlu n g mit Schaber u nd Dra htbü rste: Hierdu rch werden lose a n haftender Rost, Zu nder u nd Altanstriche manuell oder maschinell entfernt. Elektrische Drahtbürsten u nd Schleifmaschinen si nd effektiver als Ha ndwerkzeuge.

→ Abschleifen: Alter native zu r Beha ndlu n g mit Schaber u nd Dra htbü rste, die gewä hlt wird, wen n lediglich klei ne Bereiche zu beha ndeln si nd.

→ Nassstra h len: Ei n Hochd r uck wasserstra h l wi r d zu r Entfer nu n g von Rost, lose a n ha ftenden Anstrichen, chemischen Veru n reinigu ngen oder Fetten eingesetzt. Für das Hochdruck-Nassstrahlen kön nen auch Heißwasser oder spezielle Rei nig u n gsmittel ver wendet werden.

→ Beizen: Rost u nd Zu nder kön nen du rch A nwendu n g von Säu re oder a nderen Abbeizmitteln entfer nt werden. Dieses Verfa h ren ist fü r die Werkstatt, nicht aber fü r die Baustelle a nzu raten.

→ Sa nd stra h len: Das w i rk sa m ste Ver fa h ren der Sta h l rei n ig u n g, em pfoh len zu r E ntfer nu n g von Zu nder, starkem Rost u nd Altbeschichtu n gen. Vor dem Sa ndstra hlen ist der Sta hl u nbedi n gt zu entfetten.

→ Ku gelstra h len: Statt Sa nd wer den Sta h l k u gel n i n ei nem Dr ucklu ftgerät oder Sch leuder rad ver wendet, zu r Rei nig u n g i n außergewöh nlichen Fällen. Auch hier ist die Oberfläche vor der Beha ndlu n g zu entfetten.

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Im Stahlbau sind für die Oberflächenvorbereitung unterschiedliche Grade vorgegeben. Anforderungsprofile werden als Normen zur Vorbereitung der Oberfläche aufgestellt, in Nordamerika beispielsweise als „Surface Preparation (SP) Standards“ der Society for Protective Coatings. Für normalen Baustahl wird lediglich eine einfache Reinigung mit Elektrowerkzeugen durchgeführt, die für freiliegende Stahlkonstruktionen nicht geeignet ist. Auf sichtbare Konstruktionen, die der Norm SP-6 entsprechen sollen, ist ein professionelles Strahlverfahren anzuwenden, mit dem alle sichtbaren Ablagerungen von Öl, Fett, Staub, Zunder, Rost, Farbe, Oxiden, Korrosionsprodukten und sonstigen Fremdstoffen entfernt werden, mit Ausnahme von Flecken und Verfärbungen, die naturgemäß Teil des Baustoffs sind. Bei sichtbaren Stahlkonstruktionen sollte die Art der Oberflächenvorbereitung der gewählten Anforderungsklasse entsprechen (siehe Kapitel 6 „Freiliegende Konstruktionen“). Bei nicht sichtbarem Stahl ist für die Vorbereitung der Oberfläche für Schraub-, Schweiß- und Montagevorgänge ein wesentlich geringerer Aufwand zu betreiben. Bei freiliegenden Stahlkonstruktionen wird bei unzureichender Reinigung der Oberfläche vor dem Aufbringen des Beschichtungssystems dieses entweder seine Funktion nicht erfüllen, oder die Unregelmäßigkeiten der Oberfläche sind durch die Beschichtung hindurch sichtbar.

WA H L D E S B E S C H I C H T U N G S UND ANSTRICHSYSTEMS Das Anstrich- bzw. Beschichtungssystem sollte bereits zu Projektbeginn ausgewählt werden, da sich sowohl der Farbton als auch die Oberflächenbeschaffenheit auf die folgenden Entscheidungen und damit auf die Kosten auswirken. Auf einem Hochglanzanstrich wird sich jede noch so kleine Unregelmäßigkeit der Stahloberfläche deutlich zeigen. Dagegen überdecken matte Anstriche solche Fehlstellen zu einem größeren Teil. Auf hellen Farben zeigen sich rasch Korrosionsspuren und Schmutzablagerungen. Auf Anstrichen geringer Dicke sind Unregelmäßigkeiten der Oberfläche stets sichtbar. Dickere Beschichtungen, wie zum Beispiel dämmschichtbildende Brandschutzanstriche, können solche Mängel, aber dabei auch fein ausgebildete Details überdecken oder verbergen. GRUNDIERUNGEN

Auf diese „Baumkonstruktion“ aus

Die Wahl der Grundierung richtet sich nach dem vorgesehenen Deckanstrich. Daher erfordern eventuelle

sichtbarem Stahl im Science Building der

Änderungen in der Wahl der Deckschicht ebenfalls Korrekturmaßnahmen an der Grundierung. Die Grun-

University of Guelph in Ontario wurde

dierung ist sehr sorgfältig aufzutragen, da Tropfnasen bei Farbanstrichen und Brandschutzbeschichtungen auch nach dem Aufbringen der Deckschicht sichtbar bleiben. Je nach Wahl des Beschichtungssystems kann ggf. auf eine Grundierung verzichtet werden, z.B. wenn der Stahl von Trockenbauwänden oder abgehängten Decken umgeben ist. Dannr muss jedoch die Luftfeuchtigkeit unter einer bestimmten Höchstgrenze liegen.

ANSTRICHSYSTEME FÜR FREILIGENDE STA HL KONST RUK T IONEN Bei sichtbaren Stahlkonstruktionen erfolgt der Anstrich in der Regel zur Herstellung eines ansprechenden Erscheinungsbildes. Ein Anstrichsystem mit nur einer Schicht, ohne Deckanstrich, ist ausreichend für herkömmliche Stahlkonstruktionen in Lagerhallen, da im Gebäudeinneren kontrollierte Bedingungen herrschen und nach Schließung der Gebäudehülle keine Korrosion auftritt. Bei sichtbarem Stahl, der zur Verschönerung mit einem Deckanstrich versehen wird, ist dagegen eine Grundierung aufzubringen, um ein ausreichendes Haftvermögen zu gewährleisten. Zur Schaffung des hierfür nötigen Untergrunds ist eine schnell trocknende Grundierung ausreichend. In der Ausschreibung ist ein erhöhtes Maß an Sauberkeit vorzugeben. Freiliegende Konstruktionen erfordern eine optimierte Oberflächenvorbereitung. Beispielsweise entspricht den Anforderungen der Kategorie SP-6 des o. g. Bewertungssystems ein professionelles Strahlverfahren, damit der Stahl (bei Betrachtung ohne Vergrößerung) frei von sämtlichen Anhaftungen von Öl, Fett, Staub, Schmutz, Zunder, Rost, Beschichtungen, Oxiden, Korrosionsprodukten sowie sonstigen Fremdstoffen ist.

– BESCHICHTUNG, OBERFLÄCHENBEHANDLUNG UND BRANDSCHUTZ

ein Hochglanzanstrich aufgetragen, mit Auswirkungen von der erforderlichen Glättung der Gussoberflächen bis zum sorgfältigen Abschleifen und Auffüllen der Schweißnähte.

Bei im Außenbereich verbautem, der Witterung ausgesetztem sichtbarem Stahl ist eine noch gründlichere Reinigung und Endbehandlung erforderlich. Unter diesen Bedingungen sollte die Anwendung Die schmutzige Umgebung eines Bahnhofs führt zur Ablagerung großer Mengen schwarzer Teilchen auf den Oberseiten der weiß gestrichenen Stahlkonstruktion aus

mehrschichtiger Anstriche höherer Qualität erwogen werden. Am geeignetsten sind hierfür in der Regel Epoxidharz-Anstrichsysteme. Urethanfarben sollten gewählt werden, wenn es auf die Verhinderung von Verschleiß und Abnutzung ankommt. Die Wahl des Anstrichsystems ist bereits in einer frühen Phase der

Hohlprofilen (im Bild der TGV-Bahnhof

Entscheidungsfindung mit dem Stahlbauer zu erörtern, da sich daraus Auswirkungen auf die Detailpla-

am Flughafen Charles-de-Gaulle in Paris).

nung der Stahlfertigung ergeben. DEFIZITE VON FARBANSTRICHEN Bei der Ausschreibung von Anstrichen für den Außenbereich sollten nicht nur Kosten, sondern auch die damit verbundenen langfristigen Auswirkungen auf die Instandhaltung betrachtet werden: Auf weißen oder hellen Farben zeigen sich bereits nach sehr kurzer Zeit Verunreinigungen. Schmutzansammlungen bilden nach Einwirkung von Feuchtigkeit Tropfen und Flecken an der Untersicht. Selbst bei Anwendungen im Innenbereich können sich Schmutzablagerungen bilden. Dunklere Farbtöne verdecken diese Ansammlungen über einen längeren Zeitraum. Hiervon betroffene Flächen sind in regelmäßigen Abständen zu reinigen und mit einem Neuanstrich zu versehen, daher ist für die Ausführung dieser Arbeiten ein entsprechender Zugang zu schaffen. Tropfspuren entstehen, wenn sich durch Regen oder schmelzenden Schnee Verschmutzungen auf der Stahloberfläche nach unten ausbreiten. Dazu kommt eventuell noch der helle Farbton des Anstrichs. Dieses große Stahlhohlprofil auf dem Flughafen in Beijing zeigt bereits nach wenigen Jahren Witterungseinfluss schadhafte Stellen.

Die große freiliegende Stahlkonstruktion

Farbanstriche zeigen im Außenbereich schneller Schäden. Selbst wenn die Farbe sachgemäß aufgetra-

des Centre Georges Pompidou in Paris

gen wurde, kommt es im Laufe der Zeit zu Rissen und Abplatzungen. Weiße Anstriche sind hier prob-

wurde mit einem Farbanstrich versehen (das Foto wurde im Jahr 2010 nach etwa

lematisch, da sich Schäden und Abnutzungen auf ihnen besonders schnell zeigen. Kräftige Farben wie

30 Jahren Nutzungsdauer aufgenommen).

zum Beispiel Rot können aufgrund der Einwirkung der UV-Strahlung der Sonne verblassen. Bei von Zeit

Diese Oberflächen erfordern eine nahezu

zu Zeit notwendigen Ausbesserungen stellt sich auch die Frage des genauen Abgleichs der Farbtöne,

kontinuierliche Instandhaltung - selbst

der sich wegen des möglichen Verblassens des Anstrichs oder mangelnder Verfügbarkeit des Farbtons

dann zeigen sich Risse und Abplatzungen

schwierig gestalten kann. Dieses Problem zeigt sich beispielsweise bei der Reparatur von Stoßschäden

sowie eine ganze Reihe übereinanderliegender Farbschichten. Zwar finden

oder bei der Graffiti-Beseitigung.

sich nach erstem Augenschein an der Konstruktion keine Korrosionsschäden,

AUFBRINGEN VON ANSTRICHEN: IN DER WERKSTATT ODER AUF DER BAUSTELLE?

die ihre Tragfähigkeit beeinträchtigen

Sichtbare Stahlkonstruktionen können im Fertigungsbetrieb oder auf der Baustelle mit einem Anstrich

könnten, jedoch wäre eine dauerhaftere

versehen werden. Viele Stahlbauunternehmen bieten den Anstrich in der Werkstatt an, der eine

Endbehandlung möglicherweise die bessere Lösung gewesen.

gleichmäßigere, qualitativ hochwertigere Endbehandlung gewährleistet, die frei von Tropfnasen ist. Der Zugang zur eingebauten Konstruktion für den Anstrich kann aus logistischer Sicht ein Problem darstellen. Gleiches gilt für Ausbesserungen oder Neuanstriche. In der Werkstatt aufgebrachte Anstriche müssen zwar mit hoher Wahrscheinlichkeit nach der Montage ausgebessert werden, jedoch ist dies in der Regel weniger problematisch als der vollständige Anstrich der Konstruktion auf der Baustelle. Im Fertigungsbetrieb vorbeschichtete Konstruktionen erfordern besondere Sorgfalt und Schutzmaßnahmen bei Transport, Umschlag und Montage. Hier besteht ein erhöhtes Erfordernis der Just-in-timeAnlieferung auf der Baustelle, um dort entstehende Beschädigungen zu minimieren. Montagebereiche auf der Baustelle müssen gut eingerichtet werden, um Schäden am Farbanstrich vorzubeugen. Durch die sorgfältige Vorbereitung des Stahls, einschließlich der Entfernung scharfer Kanten, kann die Farbe gleichmäßiger aufgetragen und eine bessere Deckung an den Ecken erzielt werden. Das Aufsprühen auf scharfkantige Ecken gestaltet sich schwierig. Hier kann es frühzeitig zu Verschleiß kommen, wenn die Kanten nicht abgeschliffen oder abgerundet wurden. Bei Anwendungen im Außenbereich kann dies zu Korrosion führen.

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KOR ROSIONSSCHUTZSYSTEME VERZINKUNG Bei sichtbaren Stahlkonstruktionen finden sich vermehrt verzinkte Oberflächen. Verzinkung wurde von der Stahlindustrie ursprünglich nicht als Endbehandlung betrachtet, sondern als vorbeugende Maßnahme gegen Korrosion. Die gesprenkelte graue Oberfläche unterscheidet sich zwangsläufig von Charge zu Charge, abhängig auch von Anwendungstechnik, Gestaltung, den Abmessungen und der Form des Profils. Vor der Verzinkung ist die Eisen- oder Stahloberfläche von Fett, Schmutz und Zunder zu befreien. Beim Eintauchen in das Zinkbad (ca. 450 °C) bilden sich in einer metallurgischen Reaktion zwischen dem Eisen und dem Zink mehrere Schichten von Zink-Eisen-Legierungen. Nach vollständigem Ablauf der Reaktion findet sich zwischen dem Stahl und dem Zink keine Grenze mehr, sondern ein schrittweiser Übergang zwischen den einzelnen Legierungsschichten. Die daraus entstehende verzinkte Beschichtung ist sehr dauerhaft, da sie nicht auf einfache Weise abgetragen werden kann. Ihre Dicke richtet sich nach jener des Stahls. Dies ist zu berücksichtigen, wenn weniger dicke Bauteile in Bereichen mit hoher Beanspruchung geplant werden. Durch Aufrauen des Stahls kann die Dicke der Verzinkung erhöht werden, so dass sich eine größere Oberfläche für den Ablauf der metallurgischen Reaktion ergibt. Die Verzi n k u n g schützt Sta hl au fgr u nd von d rei Merk malen:

→ Zi n k ver wittert nu r seh r la n gsa m, so dass ei ne la n ge Nutzu n gsdauer zuverlässig gewä h rleistet ist. → Die Verzi n k u n g korrodiert meist zuerst, so dass sie i n den begrenzten Bereichen des Sta hls, die du rch Boh ren, Zusch nitt oder versehentliche Beschädig u n g offen liegen, als Opferschicht fu n gierten.

→ Si nd die beschädigten Stellen größer, verhi ndert die Opfer metallschicht die seitliche Ausdeh nu n g des Rostes, der benachbarte verzi n kte Bereiche u nter wa nder n ka n n.

Die Beständigkeit der Verzinkung gegenüber atmosphärischer Korrosion hängt von einer Schutzschicht ab, die sich auf der Zinkoberfläche bildet. Wenn das Stahlbauteil aus dem Zinkbad gehoben wird, zeigt der Zink eine saubere, hell glänzende Oberfläche. Im Laufe der Zeit verändert sich dieses Erscheinungsbild und wird zu einer stumpfgrauen Patina, da die Oberfläche mit dem in der Atmosphäre enthaltenen Sauerstoff, Wasser und Kohlendioxid reagiert. Diese Patina bildet eine harte, stabile Schutzschicht, die fest an das Zink gebunden ist. In der Atmosphäre enthaltene Schadstoffe wirken auf diese Schutzschicht. Hierbei hat die Anwesenheit von Schwefeldioxid erheblichen Einfluss auf die atmosphärische Korrosion von Zink. Bauteile mit komplexer Geometrie und die Mehrzahl der Hohlprofile können in einem Arbeitsgang innen und außen verzinkt werden. Bei sichtbaren Stahlkonstruktionen im Außenbereich ist unbedingt darauf zu achten, dass alle Oberflächen beschichtet werden. Für Bauteile aus Hohlprofilen ergibt sich daraus die Notwendigkeit einer zusätzlichen Beschichtung der Profilinnenflächen, so dass sich die zu beschichtende Fläche und damit die Kosten erhöhen. Ei ne g ute Pla nu n g von Bauteilen fü r die Verzi n k u n g bei n haltet folgende Pu n kte:

→ Schaffu n g ei nes Zu- u nd Ablau fs fü r die Zi n ksch melze → Abfü h r u n g von Gasen aus abgeschlossenen In nenbereichen (Entlü ftu n g) Da die Stahlbauteile bei ca. 450 °C in die Zinkschmelze getaucht werden, kann es bei geringeren Stahldicken zu Verformungen im Inneren des Materials kommen. Sofern die Verwendung einer Verzinkung bereits frühzeitig während der Planungsphase geklärt ist, kann die Entscheidung getroffen werden, zur Verhinderung dieser Verformung die Materialdicke zu erhöhen. Vorkehrungen zur Erleichterung der Zu- und Ableitung der Zinkschmelze erhöhen die Qualität der Beschichtung und führen zu Kostenreduzierungen. Bei bestimmten Bauteilen können für andere Zwecke eingebrachte Bohrungen für die Entlüftung und den Ablauf genutzt werden. In anderen Fällen sind gegebenenfalls gesonderte Bohrungen für diesen Zweck vorzusehen. Um einen vollständigen Schutz zu gewährleisten, muss die Zinkschmelze frei fließen können, so dass sie sämtliche Oberflächen des Bauteils bedecken kann. Bei Hohlprofilen oder abgeschlossenen Innenbereichen des Bauteils verhindert die Verzinkung der Innenflächen die Gefahr verdeckter Korrosion während der Nutzungsdauer. Unter Entwurfsgesichtspunkten sind die im Fertigungsbetrieb des Verzinkers bestehenden Beschränkungen hinsichtlich der Abmessungen zu beachten. Dies betrifft zum Beispiel die Größe des Zinkbades: Häufig werden Bauteile von 20 m oder mehr Länge in die Zinkschmelze getaucht. Die bestehenden Abmessungsbeschränkungen wirken sich auf die Bauteilgröße aus und erfordern möglicherweise zusätzliche Verbindungen. Eine doppelte Tauchbeschichtung (beide Enden nacheinander) ist dabei keine wirksame Lösung.

– BESCHICHTUNG, OBERFLÄCHENBEHANDLUNG UND BRANDSCHUTZ

Links: Für den von Dan S. Hanganu geplanten Hauptsitz des Cirque de Soleil in Montreal, Quebec, wurden einfache Standard-Stahlprofile mit einer Verzinkung versehen und als Sonnenschutzelemente eingesetzt. Rechts: Die Dicke des Metalls beschränkt die Tiefe, bis zu der sich die Verzinkungsschicht mit dem Stahl verbindet. Je dünner der Stahl, desto dünner und empfindlicher die Beschichtung. Das hier abgebildete Gitter mit rautenförmigen Öffnungen wurde verzinkt, zeigt jedoch Abnutzungserscheinungen aufgrund der Einwirkung von Schnee und Enteisungsmitteln. Die daneben gelegenen Stahlbauteile und Befestigungselemente wurden nicht verzinkt, sondern mit einer dicken Zinkfarbe gestrichen, deren Deckwirkung jedoch unzureichend ist.

Links: Die Stahlbauteile der Sicherheitsbarrieren des vom Dereck Revington Studio entworfenen Prince Edward Viaduct in Toronto, Ontario, wurden verzinkt. Die Sicherheitsbarrieren befinden sich dauerhaft in einer rauen Umgebung. Ihr Standort weit über dem daruntergelegenen Don Valley erschwert die Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten. Rechts: Detail der Barriere mit Darstellung der unterschiedlichen Profile, die zur Gewährleistung ihrer Dauerhaftigkeit verzinkt werden können.

Links: Im von Manasc Isaac Architects entworfenen, mit dem Prädikat LEED TM Gold ausgezeichneten Water Centre in Calgary, Alberta wurden an zahlreichen Stellen verzinkte Stahlbauteile eingesetzt, um die erforderlichen Instandhaltungsarbeiten zu minimieren. Rechts: Am verzinkten Fachwerkträger wird das Zusammenspiel der Farbe des Materials mit der freiliegenden Untersicht der Dachkonstruktion aus verzinktem Trapezblech deutlich.

METALLBESCHICHTUNG Die Metallbeschichtung tritt an die Stelle des Farbanstrichs von Baustahl. Ein solcher Überzug schützt das Stahlbauteil über einen wesentlich längeren Zeitraum. Stahlbauteile jeglicher Form und Größe können sowohl in der Werkstatt als auch auf der Baustelle metallisiert werden. Dieses vielseitig anwendbare und sehr effektive Verfahren bietet wirksamen Schutz auch für Stahlbauteile, die dauerhaft der Witterung ausgesetzt sind. Die Kosten liegen höher als bei der Verzinkung. Bei der Metallbeschichtung wird Aluminium- oder Zinkdraht kontinuierlich in einer Lichtbogen- oder Flammspritzvorrichtung geschmolzen. Gereinigte Druckluft löst Tröpfchen geschmolzenen Metalls vom Draht. Diese Teilchen lagern sich auf der gereinigten Oberfläche ab und bilden die Schutzschicht. Je nach Anwendung, Dicke und Dichtheit kann eine einzige Spritzmetallbeschichtung Stahlbauteile für 30 Jahre oder sogar einen längeren Zeitraum schützen. Die Metallbeschichtung wird als kalter Prozess verstanden, da das Aluminium bzw. Zink im Spritzverfahren aufgebracht wird, statt das Stahlbauteil in ein Zinkschmelzbad einzutauchen (wie bei der Verzinkung). Der Stahl bleibt hierbei relativ kühl bei Temperaturen von ca. 120 bis 150 °C. Aus diesem Grund besteht nahezu kein Risiko der Verformung oder der Beschädigung von Schweißnähten. Des Weiteren bestehen hier im Unterschied zum Zinkbad keine Beschränkungen hinsichtlich der Abmessungen des Bauteils.

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In der Spritzmetallbeschichtung finden sich keine flüchtigen organischen Verbindungen, und es bestehen keine Beschränkungen hinsichtlich einer bestimmten Härtungsdauer oder erforderlicher Temperaturen. Das Verfahren kann daher ganzjährig angewandt werden. Zu m Ei n satz kom men d rei u nterschiedliche Beschichtu n gen mittels d rei A rten von Drä hten:

→ Spritzalu mi niu m wird vor wiegend i m i ndustriellen Bereich ei n gesetzt, i n sbesondere wen n hohe Konzentrationen von Schwefeldioxid oder son stigen Schadstoffen vorliegen.

→ Zi n k bildet ei ne wirksa mere Opfer metallschicht als Alu mi niu m. Du rch sei ne höhere galva nische Kapazität bietet Zi n k i m Vergleich zu Alu mi niu m ei nen effektiveren Schutz von Fehlstellen i n der Beschichtu n g. Rei nes Zi n k ka n n etwas ei n facher au fgebracht werden als rei nes Alu mi niu m mit der Fla m m- oder Lichtbogen-Spritzvorrichtu n g.

→ Zink mit 15 % Aluminiumdraht verbindet in der Spritzmetallbeschichtung die Vorteile von reinem Zink mit der Wirkung von reinem Aluminium. Dieser Draht wird sehr häufig als Ersatz für reines Zink eingesetzt, da er im Vergleich zu reinem Zink etwas beständiger gegenüber Chloriden und Schwefeldioxid ist, dabei jedoch die höhere elektrochemische Aktivität reinen Zinks bietet.

WETTERFESTER STAHL Wetterfester Stahl verfügt über die einzigartige Eigenschaft, dass er unter geeigneten Bedingungen oxidiert und eine dichte Patina bildet, die eine Abdichtung gegenüber der Atmosphäre schafft und weitere Korrosion verzögert. Andere Kohlenstoffstähle bilden dagegen eine grobe, poröse und schuppige Oxidschicht, durch welche die Umgebungsluft weiterhin in den Stahl eindringen kann. Unter sehr unterschiedlichen klimatischen Verhältnissen verbraucht die oxidierte Schicht auf dem wetterfesten Stahl während ihrer Bildung nur eine relativ geringe Menge Stahl. Da zu ihrer Bildung Wechsel von Feuchtigkeit und Trockenheit erforderlich sind, ist diese Oberfläche nicht für den Innenbereich geeignet, da sie dort nur sehr langsam altert. Bei Bedarf können die Bauteile im Außenbereich vorgealtert und nachfolgend im Innenbereich eingebaut werden. An wetterfestem Stahl ablaufendes Wasser führt zur Bildung von über lange Zeit sichtbaren Fahnen oder

Am von DeBartolo Architects entworfenen

sonstigen roten Oxidschichten auf daruntergelegenen Materialien. Besonders zu beachten ist der Ablauf

Pavilion of Light in Phoenix, Arizona,

von Regen- oder Kondenswasser, wenn Fleckenbildung auf benachbarten Bauteilen, wie zum Beispiel Gehwegen oder anderen Oberflächen, verhindert werden soll.

wurden Stahlbleche als Begrenzung der Beetflächen eingesetzt. Hierbei wurde die Dicke des Stahlbleches so gewählt, dass die Elemente auch den Boden abstützen.

Nach etwa zwei Jahren hat sich eine Oxidschicht mit einer wesentlich dunkleren, rotbraunen Färbung

Deutlich sichtbar ist die unterschiedliche

entwickelt. Da Stahl „lebt“, kann nicht von einer einheitlichen Färbung ausgegangen werden, so dass die

Oberflächenbehandlung der verschie-

Inkonsistenz bereits Teil der Entwurfsidee sein sollte. In feuchten Klimazonen ist die rote Farbpalette in der Regel intensiver als bei trockenem Klima. Im endgültigen Zustand zeigt sich eine kräftige dunkle, erdige Tönung. Die Stahlbauteile erfordern dann nur ein geringes Maß an Instandhaltung und bieten ein hohes Maß an Dauerhaftigkeit und Attraktivität, sofern ihre Details sorgfältig geplant worden sind.

Links: Für den australischen Pavillon auf der Shanghai Expo 2010, entworfen von Wood Marsh, wurde eine Verkleidung aus wetterfestem Stahl verwendet. Das Erscheinungsbild der Oberfläche variiert, wo sich der Einfluss der Witterung durch den Überstand verändert. Rechts: Zur Verdeckung von Rostflecken aufgrund ablaufenden Wassers wurden am Sockel umlaufend große, rostfarbene Steine platziert.

– BESCHICHTUNG, OBERFLÄCHENBEHANDLUNG UND BRANDSCHUTZ

denen Stahltafeln. Eine Kiesschicht am Fuß der Stahlbleche nimmt ablaufendes Wasser auf und verdeckt die Bildung von Rostflecken.

Bei wetterfestem Stahl sind in vielen Bereichen W- oder Hohlprofile nur eingeschränkt verfügbar. Nur wenige Anbieter halten eine breite Palette an wetterfestem Stahl vor, da dieser in der Regel in Formen und Abmessungen produziert wird, die eher für den Brückenbau geeignet sind. Der Einsatz für einen begrenzten Anwendungsbereich führt normalerweise nur zu einer geringen Bestellmenge, was Probleme aufwerfen kann. Wetterfester Stahl wird ebenfalls in Form von Tafeln für die Bedachung und Fassadenverkleidung angeboten. Dieses Material erfordert nur geringfügige Instandhaltungsmaßnahmen, ein Farbanstrich oder eine Neubeschichtung ist nicht notwendig. Wetterfester Stahl ist freizuhalten von Verschmutzungen, zum Beispiel durch Laub oder Kiefernnadeln, da diese den erforderlichen Wechsel von Feuchtigkeit und Trockenheit verzögern und die Korrosion beschleunigen. Beschleunigte Korrosion kann auch mit einem höheren Materialabtrag verbunden sein, was bei sehr dünnen Blechen zur Lochbildung führen kann. Wetterfester Stahl ist nicht für energieeffizient geplante Dächer geeignet, da die dünne Stahlschicht ein niedriges solares Reflexionsvermögen aufweist. Eine solche Konstruktion führt daher zu einem sich stark aufheizenden Dach und trägt zur Bildung von Wärmeinseln bei. Für den luxemburgischen Pavillon auf

Seit kurzem ist eine neuartige Beschichtung verfügbar, die sowohl in der Werkstatt als auch auf der

der Shanghai Expo 2010, entworfen von

Baustelle aufgebracht werden kann und dem Aussehen von wetterfestem Stahl entspricht, jedoch

François Valentini, wurden Verkleidungen aus wetterfestem Stahl eingesetzt. Der

eine weniger dauerhafte oxidierte Schicht aufbaut. Sie wird auf herkömmlichen Baustahl aufgebracht.

Wassergraben unterstützt die Aufnahme

Ihre Anwendung kann dann sinnvoll sein, wenn bestimmte Größen, Formen und Dicken von wet-

des von der Konstruktion ablaufenden

terfestem Stahl nicht verfügbar sind, sowie des Weiteren für Innenbereiche, in denen die Verwen-

Wassers, das die Farbe der Bauteile ange-

dung von wetterfestem Stahl Probleme bereiten könnte. Bei ihrer Anwendung ist die Beschichtung

nommen hat. Auch für die Oberflächen

ebenfalls auf Schweißnähte aufzutragen, die erst auf der Baustelle hergestellt werden. So kann ein

der Laufstege wurde wetterfester Stahl verwendet.

einheitliches Erscheinungsbild gewährleistet werden. Hierbei zeigen sich nahezu keine Rostfahnen. Da die Beschichtung dem Aussehen von Rost ähnelt, ist ein eventuelles Bauteilversagen nur schwierig zu beurteilen.

Links: In der Springs Preserve in Las Vegas, Nevada, wurde eine Beschichtung mit dem Aussehen von wetterfestem Stahl verwendet. Dies ermöglichte den Einsatz einer breiten Palette an Stahlprofilen aus herkömmlichem Baustahl. Auf den darunter gelegenen Betonbauteilen und Gehwegen zeigen sich minimale Rostspuren. Rechts: Eine Beschichtung, die das Aussehen von wetterfestem Stahl nachbildet, kann auch auf der Baustelle auf Schweißverbindungen aufgebracht werden, um ein einheitliches Erscheinungsbild zu gewährleisten. Sie muss regelmäßig erneuert werden.

EDELSTAHL Edelstahl ist deutlich teurer als normaler Kohlenstoffstahl, bietet jedoch unter allen Stahlsorten die höchste Korrosionsbeständigkeit und damit den Vorteil, dass der Korrosionsschutz im Bauteil gewissermaßen bereits eingebaut ist. Die attraktive Oberfläche benötigt einen wesentlich geringeren Grad an Instandhaltung im Vergleich zu normalem Stahl. Über die reinen Materialkosten hinaus sind für Edelstahl erhebliche Kostenaufschläge zu berücksichtigen. Aus statischer Sicht sind andersartige Berechnungen erforderlich, da sich das Verhalten von Edelstahl deutlich von herkömmlichem Kohlenstoffstahl unterscheidet. Für das Schneiden und die Endbehandlung des Stahls sind stets gesonderte Werkzeuge zu verwenden, weil sich sonst Partikel von Kohlenstoffstahl im Edelstahl einlagern und zur Bildung von Rostflecken führen.

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Links: Die Außenkuppeln auf dem Robson Square in Vancouver, British Columbia, wurden kürzlich durch verglaste Edelstahlkonstruktionen ersetzt. Die Mehraufwendungen waren angesichts des feuchten Außenklimas mehr als gerechtfertigt. Oben: Das ansprechende Aussehen der Edelstahloberfläche erfordert besondere Sorgfalt bei der Detaillierung und Ausführung von Schweißungen.

BR ANDSCHUTZSYSTEME Stahl ist nicht brennbar, zeigt jedoch bei Wärmeeinwirkung im Brandfall plötzliches Versagen. Je nach Land unterscheiden sich die diesbezüglichen Vorschriften, jedoch wird in der Regel von erforderlichen Brandschutzmaßnahmen ausgegangen, wenn das Bauteil einem Brand für mehr als 45 Minuten widerstehen soll. Die Mehrzahl der Brandschutzvorschriften legt den Schwerpunkt zunächst auf die Gewährleistung der Standsicherheit über einen Zeitraum, der für die Evakuierung der Nutzer ausreichend ist, und dann auf die Erhaltung der Funktionsfähigkeit der Konstruktion nach dem Löschen des Brandes. Je größer und komplexer das Gebäude, desto schwieriger gestaltet sich dieses Szenario. Daher sind die Einsatzmöglichkeiten von gewöhnlichem, mit einem Farbanstrich versehenen Baustahl für freiliegende Konstruktionen relativ begrenzt. Zur Erzielung eines angemessenen Brandschutzes kann der Stahl mit einem Material beschichtet werden, das die durch die Wärmeeinwirkung entstehenden Schäden für eine bestimmte Zeit verzögert, oder ergänzend bzw. eine Brandbekämpfungsanlage eingesetzt werden. Auch eine Kombination beider Systeme ist möglich. BRANDBEKÄMPFUNGSANLAGEN Bei der Stahlskelettbauweise müssen die erforderlichen Leitungsführungen bzw. die Brandbekämpfungsanlage in die Stahlkonst­ ruktion integriert werden können. In Gebäuden mit freiliegenden Stahlkonstruktionen werden Rohrleitungen häufig mit einem Farbanstrich versehen, um ihr Aussehen an die Konstruktion anzugleichen. Die Gesamthöhe der Stahlkonstruktion, die freiliegenden Bauteile und eine möglicherweise geplante abgehängte Decke beeinflussen den Schwierigkeitsgrad der Integration von Leitungen für die Brandbekämpfung.

Die Rohrleitungen für diese Brandbekämpfungsanlage im Palais des Congrès in Montreal, Quebec, wurden mit einem Farbanstrich versehen, um sie an die freiliegenden Stahlkonstruktionen anzupassen. In diese konnten die Rohrleitungen auf einfache Weise integriert werden.

– BESCHICHTUNG, OBERFLÄCHENBEHANDLUNG UND BRANDSCHUTZ

BRANDSCHUTZ-SPRITZPUTZE Für Brandschutzzwecke aufgebrachte Spritzputze werden häufig bei verdeckten Stahlkonstruktionen eingesetzt. Dieses Verfahren hat die Anwendung von Spritzasbest für Brandschutzzwecke abgelöst. Gipsputze, Zementputze und faserbewehrte Putze werden im Spritzverfahren aufgebracht, bis eine angemessene Dicke erreicht ist, um den Anstieg der Temperatur des Stahls bis zu seinem Versagenspunkt bei ca. 540 °C zu verzögern. Spritzputze werden zwar in der Regel nicht für freiliegende Konstruktionen eingesetzt, können aber verwendet werden, wenn sich die Stahlkonstruktion in einem angemessenen Betrachtungsabstand bzw. außerhalb der Reichweite befindet. Vor Anwendung des Produkts wird die Stahloberfläche normalerweise grundiert. Bei Einsatz von Brandschutz-Spritzputzen für sichtbare Konstruktionen kommt es in diesen Bereichen häufig nach sehr kurzer Zeit zu Schmutzansammlungen. Darüber hinaus wird die Spritzputzbeschichtung möglicherweise durch die Nutzer des Gebäudes beschädigt. In diesem Fall können sowohl der Brandschutz als auch das Erscheinungsbild beeinträchtigt werden. Beton Beton wird bereits seit langer Zeit sowohl als Brandschutzmaßnahme als auch als Verbundmaterial für die konstruktive Verstärkung des Gebäudes eingesetzt. Er kann entweder zur Umhüllung von Stahl (und damit zur Herstellung einer bestimmten Betondeckung zwischen der Brandquelle und dem Stahl) oder zur Ausfüllung von Hohlprofilen verwendet werden, so dass sich der Feuerwiderstand dieser Bauteile erhöht. Hierbei bietet die Ausfüllung einen geringeren Brandwiderstand als die Umhüllung. Durch die Verfüllung mit Beton wird das Einknicken des Hohlprofils nach innen unter Lasteinwirkung verhindert, wenn die Tragfähigkeit des Bauteils durch die Wärmeeinwirkung des Brandes beeinträchtigt ist. Die Umhüllung verzögert den Anstieg der Temperatur des Stahls. Oben: Für Brandschutzzwecke aufge-

DÄMMSCHICHTBILDENDE ANSTRICHE

brachte Spritzputze werden häufig bei

Dämmschichtbildende Anstriche bieten nicht nur eine bestimmte Feuerwiderstandsdauer, sondern auch

verdeckten Konstruktionen eingesetzt, wie im Bürobereich des Bow Encana Tower in

einen Farbanstrich für freiliegende Stahlkonstruktionen. Sie enthalten ein System von Harzen, denen

Calgary, Alberta. Bei dieser Anwendung

verschiedene Schaumbildner als Pigmente zugesetzt sind, die unter Wärmeeinwirkung miteinander

können die Stahlbleche der Decke im

reagieren und eine Schaumdämmschicht bilden. Die sich bildende Schicht verfügt über eine niedrige

selben Arbeitsgang geschützt werden. Es

Wärmeleitfähigkeit sowie über eine im Vergleich zur ursprünglichen Beschichtung um ein Vielfaches

wird eine abgehängte Decke eingebaut,

größere Dicke. Die Dämmschicht verlangsamt die Erwärmungsgeschwindigkeit des Stahls, erhöht so

die Stützen werden mit Gipskarton verkleidet.

seine Tragfähigkeit und ermöglicht die sichere Evakuierung der Gebäudenutzer. Dämmschichtbildende Anstriche können die Feuerwiderstandsdauer von freiliegendem Stahl auf bis zu zwei Stunden verlän-

Mitte: Brandschutzbeschichtung aus

gern. Dies hängt von der Art und Dicke der Beschichtung, aber auch von der Art des Brandes ab, von

Spritzputz in einem Parkhaus im Vancou-

der bei der vorgesehenen Gebäudenutzung auszugehen ist. Eine Erhöhung der Feuerwiderstandsdauer

ver Convention Center in British Columbia

wird in der Regel durch Aufbringen mehrerer Schichten des Produkts erzielt.

von LMN Architects. Unten: Die sehr großen Hohlprofilstützen

Die erforderliche Dicke der Beschichtung hängt wiederum von der Dicke des Stahlbauteils ab. Auf dünne

am von SOM Architects entworfenen

oder leichte Bauteile ist eine größere Zahl von Schichten aufzutragen als auf schwerere Elemente. Daher

Pearson International Airport in Toronto,

ist in manchen Fällen die Erhöhung der Stahldicke die kostengünstigere Lösung. Baustahl ist an sich das

Ontario, wurden mit Beton gefüllt, so dass

nachhaltigere Material, so dass eine geringere Zahl von Beschichtungen vorzuziehen ist.

die erforderliche Feuerwiderstandsdauer erreicht werden konnte.

Bevor die Brandschutzbeschichtung aufgebracht wird, ist eine zugelassene Grundierung aufzutragen. Wird eine ungeeignete Grundierung verwendet, so kann sie die erfolgreiche Anwendung des Brandschutzbeschichtungssystems beeinträchtigen.

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Oben: Die sichtbare Anordnung der Konstruktion im Atrium des Bloomberg Building in New York City, entworfen von Cesar Pelli, wird ermöglicht durch die auf den Stahl aufgebrachte dämmschichtbildende Brandschutzbeschichtung. Links: Die freiliegende Stahlkonstruktion des Palais des Congrès in Montreal, Quebec, wurde mit einem dämmschichtbildenden Anstrich in hellgrauer Tönung versehen, dessen leicht aufgeraute Oberfläche die robusteren Schraubverbindungen und die für die Fachwerkträger gewählten Standard-W-Profile passend ergänzt. Entwurf von Les architectes Tétreault, Parent, Languedoc et associés, Saia et Babese, AEdifica, Hal Ingberg. Rechts: Die den Windverband der Fassade bildenden Stützen sind mit Langlöchern versehen, deren Kanten durch ein auf den Innendurchmesser der Ausschnitte aufgeschweißtes Blech verstärkt wurden. Die Konstruktion ist als neutraler Hintergrund konzipiert, der je nach Lichteinfall durch die rote, blaue, gelbe und grüne Verglasung der Vorhangfassade lebhafte Schattierungen zeigt. Die Boden- und Wandflächen sind entweder in einem grauen Farbton gehalten oder reflektieren das Licht, was zur Verstärkung dieser Wirkung beiträgt. Bei rechtwinkligem Auftreffen der Sonnenstrahlen auf die Fassade zeichnen sich die Schatten der Stahlrahmenkonstruktion auf dem Boden als dunkle Linien ab.

In der Vergangenheit wurden Brandschutzbeschichtungen auf der Baustelle während der Errichtung des Gebäudes aufgebracht. Heute erfolgt dieser Arbeitsschritt häufiger im Fertigungsbetrieb, da dort eine für lösungsmittelbasierte Systeme erforderliche kontrollierte Entlüftung sowie eine effektivere Steuerung der Temperatur und relativen Luftfeuchtigkeit zur besseren Trocknung möglich sind (beschichtete Stahlprofile können nicht transportiert werden, solange sie nicht ausreichend ausgehärtet sind). Eventuelle Transport- oder Montageschäden sind sachkundig zu reparieren, damit die Unversehrtheit des Brandschutzsystems gewährleistet bleibt. Brandschutzbeschichtungen sind entweder acryl- oder epoxidharzbasiert. Acrylbeschichtungen sind auf Wasser- oder Lösungsmittelbasis verfügbar und werden auf der Baustelle aufgebracht. Wasserbasierte Beschichtungen sind umweltfreundlicher, benötigen jedoch bei hoher Luftfeuchtigkeit und niedrigen Temperaturen länger für die Trocknung. Sie werden daher meist im Innenbereich eingesetzt. Wasserbasierte Beschichtungen werden in der Regel verwendet, wenn die relative Luftfeuchte zwischen 40 und 60 % liegt. Sollte bei dem Bauvorhaben von einem hohen Anteil flüchtiger organischer Verbindungen auszugehen sein, so kann ein wasserbasiertes Produkt eingesetzt werden, wenn die Luftfeuchtigkeit auf niedrigem Niveau gehalten wird. Wichtig ist hierbei, dass zwischen den Arbeitsgängen die einzelnen Schichten durchtrocknen können. Lösungsmittelbasierte Beschichtungen sind robuster. Beschichtungen auf Epoxidharzbasis werden in der Regel in der Werkstatt aufgebracht und sind für den Innen- und Außenbereich geeignet. Sie bieten eine größere Dauerhaftigkeit als Acrylbeschichtungen und können ebenfalls für den Korrosionsschutz eingesetzt werden. Sollte sich der Zugang für die Endbehandlung problematisch gestalten, so können im Fertigungsbetrieb aufgetragene Epoxidharzbeschichtungen zu Kosteneinsparungen führen. Lösungsmittelbasierte Brandschutzbeschichtungen können bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von bis zu 85 % verwendet werden. Sie trocknen schneller, können jedoch auch zuvor aufgebrachte Schichten auflösen, wenn der zwischen den Arbeitsgängen eingeplante Zeitraum für die Trocknung nicht ausreicht. Das Brandschutzbeschichtungssystem kann auch eine so genannte Deckschicht beinhalten. Diese bildet eine harte Schutzschicht auf dem Produkt, auf dem sich ansonsten schnell Fingerspuren abzeichnen.

– BESCHICHTUNG, OBERFLÄCHENBEHANDLUNG UND BRANDSCHUTZ

Die 27 m langen Stützen des von Will Alsop entworfenen Erweiterungsbaus des Ontario College of Art and Design in Toronto wurden im Fertigungsbetrieb grundiert und mit einer dämmschichtbildenden Brandschutzbeschichtung versehen. Dies erforderte während des Transports und der Montage große Sorgfalt bei der Handhabung der Bauteile. Während der Bauphase waren einige Ausbesserungen erforderlich, die auf einfache Weise von einer Hebebühne aus durchgeführt wurden. Dennoch ergaben sich logistische Vorteile im Vergleich zur Beschichtung auf der Baustelle. Aufgrund des in diesem Bereich herrschenden hohen Besucherverkehrs ist die Beschichtung vandalismusgefährdet und erfordert daher kontinuierliche Instandhaltungsmaßnahmen.

Weiße oder helle Farben vergilben im Laufe der Zeit. Dies ist zu beachten, wenn es auf die Anpassung der Tönungen bei der gleichzeitigen Anwendung von Brandschutzbeschichtungen und Farbanstrichen in ein und demselben Gebäude ankommt. Bei der Kombination von Stahlbauteilen mit Brandschutzbeschichtungen und herkömmlichen Anstrichen ist darauf zu achten, dass eine vollständige Farbübereinstimmung nicht möglich ist. Die Beschaffenheit des dämmschichtbildenden Anstrichs verändert den Farbton der Beschichtung. Brandschutzbeschichtungen gibt es in verschiedenen Dicken. Hierbei wird von einer dünnen Beschichtung ausgegangen, wenn sie zwischen 0,5 und 6 mm stark ist. Dicke Beschichtungen können bis zu 13 mm erreichen. Da eine gewisse Nassschichtdicke erzielt werden muss (je nach Produktzusammensetzung einige 100 Mikrometer), sind Brandschutzbeschichtungen häufig dick, um das Auftreten von Setzungen und Tropfnasen vor der vollständigen Trocknung zu vermeiden. Zur Herstellung einer Gesamttrockenschichtdicke, die für den erforderlichen Brandschutz ausreichend ist, sind bei Bedarf mehrere Schichten aufzubringen. Diese Beschichtungen gleichen in ihrem Aussehen zwar Farbanstrichen, weisen jedoch keine ebenso glatte Struktur auf. Dünne Brandschutzbeschichtungssysteme ergeben eine Oberfläche, die einer Orangenschale ähnelt. Dickere Beschichtungen können gewisse Detailausbildungen von freiliegenden Stahlkonstruktionen verdecken. Aus diesem Grund ist die Planung von Bauteilverbindungen mit hohem Detaillierungsgrad unangemessen, wenn eine dicke Brandschutzbeschichtung aufgebracht werden soll. Bei unsachgemäßer Anwendung kann eine dicke Brandschutzbeschichtung zu einem sehr unebenen, texturierten Aussehen führen. Bei Einsatz einer dicken Beschichtung ist eine feinere Oberflächenbehandlung häufig nicht mehr erforderlich, da die Brandschutzbeschichtung eine Dicke aufweist, die für die Verdeckung von bei Anwendung eines normalen Farbanstrichs inakzeptablen Oberflächenunregelmäßigkeiten ausreichend ist. Sollte jedoch eine Hochglanzbeschichtung gewünscht sein, so ist bei diesem System eine zusätzliche Oberflächenbehandlung erforderlich. Das Aufbringen dicker Beschichtungen ist in Bereichen mit hohem Besucherverkehr bzw. Vandalismusgefährdung sorgfältig abzuwägen. Bei Beschädigung ist die Brandschutzbeschichtung sachgerecht auszubessern, so dass die erforderliche Feuerwiderstandsdauer weiterhin gewährleistet ist. Bei Reparaturen kann die sachgemäße Farbabstimmung ebenfalls Probleme aufwerfen.

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K APITEL 8 ---

gebogene S tahlbauteile --H erstellung gebogen E R V erläufe BESCHR ÄNKUNGEN FÜR DIE FERTIGUNG G EBOG ENER STA HL BAU T EIL E DER BIEGEVORGANG ANWENDUNGEN FÜR GEBOGENE STA HL BAU T EIL E FACET T IERUNG A L S A LT ER NAT I V E ZUM BIEGEN HER STEL LUNG VON K RÜMMUNGEN AUS STA HL BL ECHEN

Die kreisrund gebogenen Stahlhohlprofile der Fußgängerbrücke des von HKS Architects entworfenen Wells Fargo Building in Salt Lake City, Utah, kon­ trastieren mit der von ihnen gehaltenen Glaskonstruktion und dem dahinter gelegenen Hochhaus. Für das Biegen von Stahlbauteilen dieser Abmessungen sind hochspezialisierte Fertigungsprozesse erforderlich.

HER STEL LUNG G EBOG ENER V ER L ÄUFE Gebogene konstruktive Bauteile und Elemente aus gebogenem Stahl werden überwiegend in drei Verfahren hergestellt: → Biegen des Sta hls → Facettier u n g des Gebäudes, so dass trotz Ver wendu n g gerader Bauteile ei n gebogener Verlau f entsteht

→ Zusch nitt gebogener For men aus Sta hlblech Die Wahl des jeweiligen Verfahrens richtet sich nach der gewünschten Ästhetik, dem verfügbaren Budget und in manchen Fällen nach den Abmessungen des zu errichtenden Gebäudes. Die Fertigung und Montage gebogener Konstruktionen verursacht höhere Kosten und erfordert vom Stahlbauer ein hohes Maß an Fachwissen und Erfahrung.

BESCHR ÄNKUNGEN FÜR DIE FERTIGUNG G EBOG ENER STA HL BAU T EIL E Das Biegen und die Herstellung gebogener Stahlbauteile ist ein hochspezialisierter Prozess, der üblicherweise in einem Biegebetrieb durchgeführt wird. Die Mehrzahl der Stahlbauunternehmen bietet das Biegen der Stahlbauteile nicht an. Sollten gebogene oder gekrümmte Stahlbauteile für das Projekt erforderlich sein, so  werden diese Arbeiten an ein darauf spezialisiertes Subunternehmen untervergeben. Die maximale Größe des zu verarbeitenden

Gebogene Winkel, Kante obenliegend Gebogene Winkel, Schenkel außenliegend

Stahlbauteils (Querschnitt, Form, Gewicht und Länge) richtet sich nach der Anlagenkapazität im Biegebetrieb. Zu beachten ist, dass die im Biegebetrieb per LKW angelieferten geraden Stahlbauteile nachfolgend möglicherweise nicht mehr auf einen LKW gleicher

Gebogene Winkel, Schenkel innenliegend

Größe passen. Dies hängt vom Grad der Krümmung ab. Sollte das bearbeitete Stahlprofil die bestehenden Transportbeschränkungen überschreiten, so sind im Bauteil bei Bedarf Stöße vorzusehen, die

Gebogene Hohlrinne, Flansche innenliegend

sich auf die weitere Entwurfsplanung auswirken. Abgesehen von der Verarbeitungskapazität des Biegebetriebs sind weitere Faktoren zu berücksichtigen, wenn eine Entscheidung zu

Gebogene Hohlrinne, Flansche aussenliegend

Gunsten gebogener Stahlbauteile getroffen wird. Unter praktischen Gesichtspunkten ergibt sich eine gewisse Grenze hinsichtlich der

Gebogene Trägerprofile,

Enge des Radius. Bei zu kleinem Radius kommt es zur Verformung

Weg des größeren

des Profils. Bei Hohlprofilen kann sich der Querschnitt verdrehen.

Widerstands

Bei Breitflansch- oder U-Profilen kann es zum Knicken der Flansche oder des Steges kommen. Bei in einer Achse längerem oder asymmetrischem Querschnitt kann vom Weg des kleineren oder größeren Widerstands für das Biegen der Bauteile gesprochen werden. Die  Wahl des Verfahrens des „kleineren Widerstands“ trägt zur Herstellung einer Biegung ohne unerwünschte Verformung bei.

Gebogene Trägerprofile, Weg des kleineren Widerstands

Gebogene Hohlrinne, Weg des größeren Widerstands

Gebogene Hohlrinne, Weg des kleineren Widerstands

Verfahren des Biegens verschiedener Stahlprofile nach ihrem Schwierigkeitsgrad.

– GEBOGENE STAHLBAUTEILE

DER BIEGEVORGA NG Während des Biegevorgangs werden die Stahlprofile nacheinander durch drei Walzen vor- und zurückbewegt. Dieser Arbeitsschritt wird mehrfach wiederholt. Bei jedem Durchgang wird der ausgeübte Druck erhöht, und es ergibt sich ein engerer Radius des Bauteils.

Die geraden Endstücke einiger gebogener

Ein Breitflanschprofil wird auf dem Weg

Hohlprofile mit quadratischem Quer-

des geringeren Widerstands gebogen. Die

schnitt. Diese werden vom Stahlbauer

Walzenteile wurden ausgetauscht, so dass

abgetrennt und wiederverwertet.

das Profil in die Führung passt.

Dieses Hohlprofil mit quadratischem Querschnitt wird im Biegebetrieb von Kubes Steel in Stoney Creek, Ontario, durch die Biegewalzen geführt. Ihr Aufbau wird an die jeweilige Bauteilgröße und Stahlsorte angepasst, indem die am Fußende befindlichen Führungswalzen ausgetauscht werden. Diese gebogenen ungleichschenkligen Winkel bestehen nicht aus Kohlenstoffstahl. In Biegebetrieben werden sämtliche Arten von Metall verarbeitet, so auch Edelstahl und Aluminium. Werkzeuge und Ausrüstungen sind stets gründlich zu reinigen, so dass KohJe kleiner der Durchmesser, desto weniger

lenstoffstahl nicht in Kontakt mit Edelstahl kommt.

Druck ist für das Biegen des Stahlbauteils erforderlich. Darüber hinaus ist das verbleibende gerade Ende wesentlich kürzer.

Für das Biegen von Stahlblech wird ein anderer Prozess eingesetzt. Hierbei verwendet der Fertigungsbetrieb eine Abkantpresse zur Umformung des Stahls. Dabei wird das Blech durch eine Reihe von Linien markiert, welche die Andruckpunkte der Presse definieren. Mit diesem Verfahren können sowohl regelmäßig als auch unregelmäßig geformte Krümmungen hergestellt werden.

Dieses Stahlblech wurde zur Vorbereitung der Einführung in die

Die Abmessungen der Abkantpresse sind maßgebend für die

Durch das Abkantpressen entstehen große Stahlzylinder, deren

Abkantpresse markiert.

maximale Größe der Teile. Hallenkräne dienen zur Positionierung

Abmessungen über die auf dem Markt erhältlichen Hohlprofile

und Fixierung der Teile während des Umformvorgangs.

hinausgehen. Im Inneren des Zylinders sind die Andrucklinien der Presse sichtbar, auf der Außenseite hingegen nicht. Die entstehende Biegung ist erstaunlich glatt.

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ANWENDUNGEN FÜR GEBOGENE STA HL BAU T EIL E Gebogene Stahlbauteile können sowohl für sichtbare als auch für verborgene Konstruktionen eingesetzt werden. Die Wahl gebogener Stahlbauteile führt sowohl finanziell als auch zeitlich zu zusätzlichem Projektaufwand. Sofern das Gebäude als Ganzes eine gebogene Form aufweist, kann der Einsatz dieser Bauteile zweckmäßig sein. Links: Im Atrium des Eingangsbereiches des Salt Palace Convention Center in Salt Lake City, Utah, das von Thompson, Ventulett, Stainback & Associates in Zusammenarbeit mit Gillies Stransky Brems Smith Architects entworfen wurde, bilden gebogene Hohlprofile mit rechteckigem Querschnitt eine geflechtartige Raumstruktur. Rechts: Der Radius der in den Bögen verwendeten gebogenen Stahlprofile ist relativ klein. Bei der Biegung war die Lage der Hohlprofil-Schweißnaht zu berücksichtigen, um sie im nicht sichtbaren Bereich anzuordnen.

In dem von Zeidler Roberts Partnership im Joint Venture mit Dunlop Farrow Inc. konzipierten Direct Energy Centre in Toronto, Ontario, wurden gebogene Profile verwendet. Für die Bedachung wurden sowohl Breitflansch- als auch paarweise gegenläufig angeordnete Hohlprofile eingesetzt, die auf dem Weg des größeren Widerstands gebogen wurden. Angesichts der Ästhetik und Form des Daches war das Biegen des Stahls erforderlich, da in der Konst­r uktion keine für eine Facettierung des Daches geeigneten Zwischen- oder Nebenträger vorhanden waren.

Links: Die gebogenen Bauteile im Experience Music Project von Frank Gehry in Seattle, Washington, sind Einzelanfertigungen und führten daher zu verschiedenen Problemen in der Fertigung. Die gebogenen Verläufe waren in kleinere Segmente zu gliedern und diese entsprechend zu verbinden, da auf der Biegevorrichtung in der Regel keine komplexen Krümmungen realisiert werden können. Rechts: Der die Form des wellenförmigen Daches bestimmende Baustahl entsteht durch das Fügen von Segmenten aus gebogenen Breitflanschträgerprofilen. Da kein durchgängiges Erscheinungsbild vorgegeben war, wurden die gebogenen Segmente auf einfache Weise miteinander verbunden, indem an die Profilenden angeschweißte Bleche verschraubt wurden. Jedes Stahlprofil weist seine jeweils eigene Krümmung auf. Die Teile wurden überall dort zusammengefügt, wo sich Diskontinuitäten zeigten.

Zur Fertigung der Module der Leslie Dan Faculty of Pharmacy (siehe Kapitel 4 „Fertigung, Montage und ihre Bedeutung für den Entwurf“) waren zumindest in vertikaler Richtung gebogene Hohlprofile mit rundem Querschnitt erforderlich, um die Form des Moduls zu definieren. Bei zahlreichen Projekten kann eine wirtschaftlich günstige Kombination aus gebogenen und geraden Bauteilen eingesetzt werden. Dies traf auch hier zu. Der Einsatz gebogener Bauteile führt zu einer Steigerung der Projektkosten. Da der Entwurf der Module den Einsatz von Verbindungsblechen zuließ, konnte das Problem des bündigen Anschlusses der gebogenen Segmente vermieden werden.

Durch Verbindungsbleche am Gebäude der Leslie Dan Faculty of Pharmacy in Toronto, Ontario, konnten sowohl eine ausreichende Steifigkeit der Verbindung als auch eine für die Stahlbaumonteure – GEBOGENE STAHLBAUTEILE

einfachere Montage gewährleistet werden.

Die Verbindung von gebogenen Segmenten kann zu Problemen führen, wenn verdeckte Anschlüsse vorgesehen sind, jedoch für den Einsatz von Blechen kein ausreichender Platz vorhanden ist. Hier ist eine präzise Ausrichtung der aneinander anschließenden Krümmungen der beiden Segmente erforderlich. Für die Verbindung wird zusätzliches Material eingesetzt, um die Steifigkeit zu erhöhen und Material für die Schweißungen zur Verfügung zu stellen. Dieses Vorgehen wird in manchen Fällen für runde Hohlprofile gewählt. Das Verfahren ähnelt der Verbindung zweier gerader Hohlprofile durch Anschweißen eines kleineren Querschnitts innerhalb des größeren Querschnitts, so dass eine Überlappung entsteht und eine Begrenzung für die Rückseite der Schweißnaht geschaffen wird. Runde Profile neigen beim Biegen jedoch zur Verformung. Daher ist die Herstellung eines bündigen Anschlusses keine einfache Aufgabe. Darüber hinaus können sich mögliche Unregelmäßigkeiten in der Schweißnaht ergeben, da ihre Umschließung nicht so stabil ist wie bei einer geradlinigen Verbindung zweier Hohlprofile. Für die unregelmäßig gewendelten Treppen des von Frank Gehry entworfenen Erweiterungsbaus der Art Gallery of Ontario in Toronto wurden für die Grundkonstruktion runde Stahlhohlprofile gewählt. Hier kam es trotz der vorgesehenen Verkleidung der Treppen darauf an, die Form so einfach und effektiv wie möglich zu gestalten. Der Einsatz von Verbindungsblechen hätte das Bauteilvolumen nur unnötig vergrößert. Aus diesem Grund wurden durchgeschweißte „Rohr-in-Rohr“-Verbindungen verwendet. Links: Für die im Atrium der Art Gallery of Ontario in Toronto, entworfen von Frank Gehry, aufgehende Treppe wurden als Grundkonstruktion gebogene Hohlprofile mit rundem Querschnitt verwendet. Die gewendelten Treppen im Gebäude der Kunstgalerie wurden von der in Toronto ansässigen Firma Mariani Metal gefertigt. Rechts: Das an die gebogenen Hohlprofile angeschlossene Stahlblech zur Abstützung der Treppenstufen weist ebenfalls eine gebogene Form auf. Stahlblech wird in der Regel durch Abkanten gebogen. Bei diesem Verfahren können komplexe gebogene Profile hergestellt werden.

Links: Die Geometrie des für die Verbindung der Hohlprofile gewählten „Rohr-in-Rohr“-Anschlusses wirft wegen der Krümmung des Hohlprofils und des Schnittwinkels Probleme auf. Diese ergeben sich, wenn gebogene Bauteile aneinander gestoßen werden sollen, da entstehende Verformungen nicht vollständig ausgeglichen werden können. Die Hinterfütterung der Schweißnaht durch die innen gelegene Muffe gestaltet sich schwierig, da sich in den Profilen während des Biegevorgangs zwangsläufig kleinere Verformungen ergeben. Rechts: Der Blick nach oben in der Mittelachse der zentral angeordneten Treppe offenbart die Komplexität der gebogenen Formen und die dauerhaft angebrachten Aussteifungen. Die Schweißmarken zeigen die Anschlüsse der vorgefertigten Segmente.

Links: Durch die Auskragung der Treppe von der rückseitigen Fassade gestaltete sich der für die Ausführung der Schweißungen erforderliche Zugang zum Außenbereich schwierig. Hierfür musste ein Baugerüst gestellt werden. Rechts: Bei der Dimensionierung der Schweißverbindungen zur Segmentierung der gewendelten Treppe wurden die Anforderungen des Transports, der Montage und des Aufbringens der Schweißnähte auf der Baustelle berücksichtigt.

Die an der Rückseite des Gebäudes der Kunstgalerie montierte Wendeltreppe springt aus der Hauptkonstruktion hervor. Die Treppe wurde mit Titan verkleidet. Für ihre konstruktive Durchbildung wurde ein ähnliches Verfahren gewählt.

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FACET T IERUNG A L S ALTER NATIVE ZUM BIEGEN Zur Herstellung gebogener Bauteile müssen die Elemente je nach Projektanforderungen und gewünschtem Erscheinungsbild nicht in jedem Fall gebogen oder abgekantet werden. Bei ausreichend großem Radius können kostengünstigere gerade Stahlprofile eingesetzt und die Konstruktion facettiert werden.

Oben: Bei genauerer Betrachtung des die Verglasung der Doppelfassade abstützenden Abspannsystems wird offenbar, dass die Krümmung aus geraden Profilen besteht, die durch sauber ausgeführte Schweißungen miteinander verbunden wurden. Links: Die gebogene Konstruktion des von Foster + Partners und Zeidler Partnership entworfenen Bow Encana Tower in Calgary, Alberta, nutzt die Größe des Gebäudes zur Erzielung eines gebogenen Erscheinungsbildes. Dabei ist keines der Bauteile tatsächlich gebogen. Dieser optische Effekt wurde erreicht, indem das Gebäude mittels gerader Profile in Segmente aufgeteilt und ein dreiecksförmiges Diagonalgitter geschaffen wurde.

Oben: Das von Peter Eisenman konzipierte Stadion der University of Phoenix, Arizona, verfügt über einen gebogenen Grundriss und eine Außenfassade, die mehrere Krümmungen zeigt. Links: Für das Stadion in Phoenix wurden ausschließlich gerade Segmente aus Hohlprofilen eingesetzt. Die geraden Querschnitte, welche sich der gebogenen Form der Innenseite des Bauwerks annähern, sind wesentlich länger als die Profile, die im Außenbereich für die Abstützung der Fassadenverkleidung verwendet wurden. Die von innen nach außen verlaufende Krümmung wird durch eine fachwerkträgerartige Konstruktion vermittelt. Die abgewinkelte Anordnung bietet eine gute Ergänzung der im Innenbereich freiliegenden Stahlkonstruktion. Die horizontale Bandstruktur der Verkleidung machte den Einsatz von geraden Profilen möglich.

– GEBOGENE STAHLBAUTEILE

HER STEL LUNG VON K RÜMMUNGEN AUS STA HL BL ECHEN Anstelle des Biegens können gebogene Bauteile auch aus speziell zugeschnittenen Profilen hergestellt werden. Bei Einsatz des Plasmaschneidverfahrens können durch innovative CNC-Prozesse sehr gleichmäßige, flach gebogene Profile aus Stahlblech hergestellt werden. Beschränkungen für die Anwendung dieses Verfahrens ergeben sich aus den Kapazitäten im Fertigungsbetrieb und den für den Zuschnitt der Bleche verfügbaren Schneidanlagen. Hierbei können größere Profile aus kleineren Teilen zusammengefügt werden, die miteinander verschweißt werden und die Tragfähigkeit der Konstruktion gewährleisten. Oben: Für die glatte Form der Außenfassade des National Grand Theater of China in Beijing, entworfen von Paul Andreu, war bei der Detailplanung der Krümmung der Außenverkleidung, der Verglasung und der Konstruktion im Innenbereich ein innovatives Vorgehen erforderlich. Zwar ermöglichte die Größe des Gebäudes eine Facettierung der Außenverkleidung, jedoch bot sich diese Alternative nicht für die Herstellung der Form im Gebäude­ inneren an. Links: Die gebogenen Profile für die Fachwerkträger wurden aus besonders dicken Blechen zugeschnitten. Die kleineren Trägersegmente (gebogene Flansche und gerade Stege) wurden sauber miteinander verschweißt, so dass sich das nahtlose Erscheinungsbild eines großen Durch­ laufträgers ergab, der aus einem einzigen, sehr großen Stahlblech gefertigt wurde. Die innen- und außenliegenden Elemente des Trägers sind dagegen tatsächlich gebogen. Rechts: Die Konstruktion ist im Grundriss segmentiert. Die gebogenen, aus Stahlblech hergestellten vertikalen Fachwerkträger sind über gerade Hohlprofile im Grundriss miteinander verbunden. Die schon so nahezu unsichtbaren Schweißnähte hätten noch gründlich abgeschliffen und aufgefüllt werden können.

Für den Anschluss zur Verbindung der horizontalen Hohlprofile mit den Kugelgelenken des Trägers wurde eine kaschierte Verbindung gewählt. Die sich ständig verändernde Geometrie der Verbindung zwischen den runden, horizontal verlaufenden Bauteilen und den Fachwerkträgern wird durch ein halbkreisförmiges, massives Stahlkugelgelenk aufgenommen. An das Kugelgelenk ist ein massiver Stahlstutzen angeschweißt. Der Stutzen bildet eine Schraubverbindung mit dem horizontalen Rundprofil. Nach der Verschraubung wurden Hohlräume und Bohrungen aufgefüllt und mit einem Anstrich versehen, so dass das Erscheinungsbild einer Schweißverbindung entstand.

Beim Entwerfen mit gebogenen Stahlbauteilen kommt es also auf innovative Ansätze an. Für die Lösung eines bestimmten Problems bieten sich zahlreiche Möglichkeiten, die in vielen Fällen kostengünstig, jedoch verschiedentlich auch kostenintensiver sind. Für die Auswahl der optimalen Lösung ist eine ausführliche Besprechung unter Beteiligung aller Mitglieder des Entwurfsteams von entscheidender Bedeutung. – 123

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K omple x e S tahlkonstruktionen : D iagonal E FACH W ER KG I T T ER ( D iagrids ) --HOCHH ÄUSER GEBÄUDE MIT DIAGONAL AUSGESTEIFTER RÖHRE FACHWERKBAND-SYSTEM GEBÄUDE MIT TRAGWERKEN AUS RÖHRENBÜNDELN VERBUNDBAUWEISE WINDLASTPRÜFUNGEN

DI AG ONA L E FACH W ER KG I T T ER (DI AG R IDS) VORTEILE DES DIAGONALGITTERS GEGENÜBER DEM BIEGESTEIFEN RAHMEN HOCHHÄUSER MIT DIAGONALGITTERN

PROZESSPROFIL: BOW ENCANA TOWER / FOSTER + PA RTNER S UND ZEIDL ER PA RTNER SHIP GEKRÜMMTE DIAGONALGITTERKONSTRUKTIONEN FÜR NIEDRIGE UND MITTELHOHE GEBÄUDE DIAGONALGITTERKONSTRUKTIONEN FÜR KRISTALLINE BAUFORMEN HYBRIDE BAUFORMEN

Das von Foster + Partners und Zeidler Partnership entworfene und von ARUP technisch geplante Bow Encana Tower Building in Calgary, Alberta. An dem mit einer Doppelfassade versehenen Gebäude wurde als Tragkonstruktion ein freiliegendes Diagonalgittersystem montiert.

HOCHH ÄUSER Der Council for Tall Buildings and Urban Habitat (CTBUH; Rat für Hochhausbau und urbanen Lebens­ raum) legt als definierendes Merkmal eines Hochhauses aus Stahl fest, dass seine vertikalen und horizontalen Hauptbauteile und Geschossdecken aus diesem Material bestehen müssen. Bei einem Verbundsystem wird davon ausgegangen, dass in den Haupttraggliedern Stahl und Beton zusammen­ wirken. Bei einem Gebäude in Mischbauweise werden verschiedene konstruktive Baustoffe oder Systeme über- bzw. untereinander eingesetzt. Der Anteil des Einsatzes von Stahl für das Haupttragsystem in Hochhäusern hat sich im Laufe der Jahre deutlich verringert. Von der Realisierung der ersten Hochhäuser bis etwa zum Jahr 1980 bestand das für Gebäude vorwiegend eingesetzte Tragwerk aus biegesteifen Rahmenröhren aus Stahlhohlprofilen. Später wurden für Hochhäuser in manchen Fällen Rohrbündelkonstruktionen („bundled tubes“) oder aber eine diagonal ausgesteifte Röhre („diagonalized tubes“) eingesetzt. Bei letzteren wird die Stahl­ rahmenkonstruktion durch zusätzliche Diagonalen verstärkt, um eine höhere Querkrafttragfähigkeit zu erzielen. Nach 1980 wurden zahlreiche Gebäude unter Verwendung von „Röhre-in-Röhre“-Systemen („tube-in-tube“) oder „Kern-Ausleger“-Systemen („core-outrigger“) errichtet. Diese Konstruktionen wurden in der Regel aus Ortbeton hergestellt, oder es wurde ein Verbundsystem aus Beton und Stahl gewählt. Dieser Fortschritt ergab sich aus deutlichen Verbesserungen der Pumpfähigkeit von Beton auf große Höhen. Bei der Errichtung von Hochhäusern sind eine Reihe von Faktoren zu berücksichtigen, welche die Aus­ wahl der Bauform beeinflussen, da bestimmte Verfahren je nach Auswahl des Baustoffs besser geeig­ net sind. Tragwerke aus biegesteifen Rahmenröhren, Rohrbündelkonstruktionen und einer diagonal ausgesteiften Röhre lassen sich aus Stahl einfacher herstellen als aus Beton. Darüber hinaus sprechen viele Argumente dafür, durch den Einsatz eines Diagonalrahmensystems eine höhere konstruktive Leis­ tungsfähigkeit hinsichtlich des Verhältnisses zwischen Tragfähigkeit und Gewicht zu erzielen. Solche Konstruktionen werden in der Regel ausschließlich aus Stahl gefertigt. Bei der Wahl des Tragsystems zeigen sich ebenfalls geographische Präferenzen. In New York und im Nordosten Amerikas findet sich eine große Zahl von Hochhäusern, wobei die Mehrzahl weiterhin aus Stahl errichtet wird – ungeachtet weltweiter Trends in Richtung Beton sowie Verbund- und Hybridkonst­ ruktionen. Dies reicht selbst bis zur Auswahl des Materials für die Gründung. In dieser Region wird die Auswahl des Materials von seiner Verfügbarkeit und auch vom Einfluss der Gewerkschaften bestimmt. Im Nahen Osten und in China werden für den Bau von Hochhäusern vorwiegend Stahlbetonkonstrukti­ onen oder Verbundsysteme eingesetzt. Dort hat sowohl die Verfügbarkeit des Baustoffes als auch von qualifizierten Mitarbeitern Einfluss auf die Materialauswahl. Hochhäuser erfordern aufgrund ihrer erhöhten Anfälligkeit für Wind- und Erdbebenlasten besondere Bauverfahren. Eine der wichtigsten Fragestellungen ist hierbei die Entwicklung von Stahlkonstruktio­ nen, welche die Tragfähigkeit des Bauwerks gegenüber Windlasten erhöhen. Solche Systeme können so extrapoliert werden, dass eine breite Palette an regelmäßigen und unregelmäßigen Geometrien konstruiert werden kann, darunter auch Systeme mit deutlich außermittigen Lasteinwirkungen. Das nachfolgend ausführlicher dargestellte Diagonalgitter resultierte aus dem Versuch, das Hochhaus auf innovative Weise gegenüber einwirkenden Seitenkräften (vorwiegend Windlasten) zu stabilisieren. Die grundlegenden Bausysteme für Hochhäuser waren von entscheidender Bedeutung für die Entwick­ lung dieser „Diagrids“. Portalrahmenkonstruktionen erwiesen sich bei Hochhäusern als unzureichend für die Aufnahme von Querkräften. Statt tragfähigere, windbeständige Rahmenverbindungen zu planen, griff man auf zusätzliche Diagonalstreben zurück, die eine bessere Biegesteifigkeit der Konstruktion boten. Über diagonal angeordnete Tragglieder konnten ebenfalls Lasten umgeleitet und andere Last­ verläufe für den Fall des Versagens der Konstruktion geschaffen werden. Das moderne Gebäude mit Diagonalgittern entstand, als herkömmliche Stahlskelettbauten mit ergänzender diagonaler Aussteifung zunehmend durch Bauten ersetzt wurden, in denen ausschließlich ein regelmäßiges Raster aus Diagonal­ streben eingesetzt wurde. Vielfach finden sich in diesen Gebäuden keine vertikalen Stützen. In anderen Fällen dienen die vertikalen Elemente ergänzend zur lastabtragenden Funktion der diagonalen Bauteile.

– DIAGONALE FACHWERKGITTER (DIAGRIDS)

Das tragende Stahlskelett wurde weiterentwickelt, indem Diagonalstreben integriert wurden, um die Standsicherheit zu erhöhen. Hieraus ergab sich schließlich eine Dominanz der diagonalen Tragglieder. Durch die Konstruktionsform des Röhrenbündels ergab sich ein zusätzliches Maß an Stabilität, da die Basis der Konstruktion wesentlich umfangreicher ausgebildet werden konnte als die nach oben hin stetig abnehmende Anzahl der Röhren. Der Fachwerkgurt bietet sowohl Standsicherheit als auch Raum für die Technikgeschosse. Der ausgesteifte biegesteife Rahmen (auch als Fachwerkrahmen bezeichnet) konzentriert die Aussteifung zur Aufnahme von Windlasten auf ein Röhrenbündel

vertikales Band, das sich über mehrere

Fachwerkgurt

Ausgesteifter biege-

Diagonal ausgesteifte

steifer Rahmen

Röhre

Geschossebenen des Turms erstreckt. Die Konstruktion mit einer ausgesteiften Röhre schafft auf beiden Seiten eine Erweiterung der diagonalen Tragglieder über die gesamte Fassade, wobei die Diagonalstreben als Ergänzung des

GEBÄUDE MIT DIAGONAL AUSGESTEIFTER RÖHRE Der Bau von Hochhäusern brachte besondere konstruktive Probleme mit sich, die mit ihrer Höhe sowie der erforderlichen Aufnahme von Windlasten verbunden waren. Ein Hochhaus verhält sich im

durch die Stützen gebildeten vertikalen

Wesentlichen wie ein sehr langer Kragarm. Zur Verhinderung einer Durchbiegung der Konstruktion

Lastpfades dienen. Das Diagonalgitter

wurden in früheren Bauwerken hochbelastbare biegesteife Verbindungen innerhalb einer einfacheren

macht vertikale Stützen überflüssig und

Rahmenkonstruktion geplant. Diese biegesteifen Hauptanschlüsse waren in der Rahmenkonstruktion

nutzt die Diagonalstreben zur Abstützung der Decken, wobei das System gleichzeitig Querkräfte aufnehmen kann.

verdeckt angeordnet und hatten daher keine Auswirkungen auf das Erscheinungsbild der Fassade. Zur Aussteifung der Anschlüsse wurden zusätzliche Stahlbauteile an den gelenkig ausgebildeten Ver­ bindungen vorgesehen. Zu den Fortschritten im Entwurf von Hochhäusern gehörten auch neue Tragsysteme, welche die Aufnahme von Windlasten veranschaulichten, indem die Diagonalstreben sichtbar vor die Fassade traten. Diese Aussteifungen dienten der Verstärkung einer Rahmenkonstruktion, die weitgehend dem üblichen Portalrahmen entsprach, welcher früher im 20. Jahrhundert entwickelt worden war.

Links: Bei dem von Atkins Architects entworfenen Millennium Tower in Dubai wurde für die Fassade eine modernere Variante des außenliegenden Systems aus diagonalen Streben gewählt. Zur Erhöhung der Steifigkeit wurde für die äußere Verlängerung der Grundplatte ein vertikaler K-Träger vorgesehen. Dieser Entwurf ist ein Beispiel des ausgesteiften biegesteifen Rahmens bzw. Fachwerkrahmens. Rechts: Das 100-geschossige John Hancock Building in Chicago, Illinois wurde von Skidmore, Owings & Merrill entworfen. Hier überlagern die diagonalen Verstrebungen das orthogonale Raster der Rahmenkonstruktion, das durch die Fensterbänder, Stützenverkleidungen und Außenwandplatten gebildet wurde. Auch verjüngt sich der Turm nach oben, um weniger Angriffsflächen für Windlasten zu bieten. Dieses System wird als ausgesteifte Röhre oder diagonal ausgesteifte Röhre bezeichnet.

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Diagonalgitter

Für den von Atkins Architects konzipierten Büroturm Indigo Icon in Dubai wurde eine Abwandlung der kreuzweisen Aussteifung realisiert. Der biegesteife Rahmen befindet sich vor der Außenverkleidung des Turms, um seine konstruktive Durchbildung zur Schau zu stellen. Diese Anordnung führt zu Problemen in Bezug auf Klima- und Temperaturschwankungen, da sich bei dem im Außenbereich befindlichen Stahl eine Wärmedehnung zeigt, die von jener der Innenkonstruktion abweicht. Diese Lösung kann außerdem nur unter klimatischen Bedingungen gewählt werden, unter denen die Bildung von Wärmebrücken nahezu ausgeschlossen ist.

Das Konzept der außenliegenden Aussteifung ist ein weit verbreitetes konstruktives und architektoni­ sches Ausdrucksmittel. Hier liegt der Unterschied zu einem echten Diagrid, da in diesem Fall die Aus­ steifung lediglich eine Ergänzung der weitgehend konventionellen Rahmenkonstruktion darstellt und dem Gebäude eine erhöhte Biegesteifigkeit verleiht, jedoch nicht als Haupttragsystem dient. Links: In dem von KPMB Architects entworfenen Quantum Nano Centre der University of Waterloo, Ontario, wurden sowohl im Innen- als auch im Außenbereich des Laborgebäudes unterschiedliche diagonale Aussteifungen eingesetzt. Die zusätzliche Tragfähigkeit dieser fünfgeschossigen Konstruktion musste aufgrund der Labors und der darin durchgeführten Prozesse geschaffen werden. Rechts: Die freiliegenden Stahlaussteifungen des Quantum Nano Centre sind außen an der Vorhangfassade angeordnet. Sie erforderten im Vergleich zu den mit einem Anstrich versehenen Stahlkonstruktionen im Innenbereich eine andere Endbehandlung.

Links: Bei diesem Wohnturm in Dubai wird eine Aussteifung aus Fachwerkbändern eingesetzt. Die Fachwerkkonstruktion reicht über zwei Geschosse, während herkömmliche vertikale Stützen die Lasten der dazwischenliegenden vier Geschosse aufnehmen. In diesem Fall sind die Diagonalstreben der Fachwerkträger in die Außenverkleidung integriert. Die Räume werden als Wohnflächen genutzt. Hier sind die Fachwerkträger unauffälliger ausgebildet, da der Entwurf eine stützenfreie Überspannung vom Kern bis zur Außenwand ermöglicht. Rechts: Das Technikgeschoss des von Cesar Pelli entworfenen Bloomberg Tower in New York. Dieses Geschoss wird zur Aussteifung durch Fachwerkträger gebildet, wobei die tragenden Stahlbauteile mit einem Spritzputz als Brandschutz versehen wurden.

FACHWERKBAND-SYSTEM Diese Bauform stellt eine Abwandlung anderer Röhrensysteme dar. Die Aussteifung einer Rahmen­ konstruktion kann auch dadurch erzielt werden, dass einige Geschosse als groß dimensionierte Fach­ werkkonstruktionen ausgebildet werden. An der Außenfassade ist diese Bauform in der Regel als Fachwerkband sichtbar. Die betreffenden Geschosse werden häufig als Technikgeschosse geplant, da die dort verfügbaren Räume nicht für eine Büronutzung geeignet sind, weil innerhalb der verfügbaren Nutzfläche zahlreiche diagonale Füllstäbe der Fachwerkträger vorhanden sein können. Die Häufigkeit der Wiederholung solcher Geschosse und die Trägerhöhe hängen von dem Verhältnis zwischen Höhe und Breite des Gebäudes ab, wobei ebenfalls die örtlichen Wind- und Erdbebenlasten zu beachten sind. Darüber hinaus ergeben sich zusätzliche Anforderungen aus der Anordnung der Gebäudetechnik.

– DIAGONALE FACHWERKGITTER (DIAGRIDS)

GEBÄUDE MIT TRAGWERKEN AUS RÖHRENBÜNDELN Ein anderes Verfahren zur Aussteifung von Hochhäusern wurde mit der Methode der Röhrenbündel ent­ wickelt. Bei diesem Vorgehen ist der Grundriss des Turms in ein großformatiges Raster gegliedert. Dabei zeigt der Baukörper im oberen Bereich einen Rücksprung, um die Windangriffsfläche zu reduzieren und gleichzeitig eine größere und damit stabilere Verbindung an der Basis zu schaffen. Dieser Konstruktionstyp ermöglichte die Errichtung einiger der höchsten Solitärbauten der Welt. Turmbauten sind im Wesentlichen auskragende Konstruktionen, die an ihrer Basis in großem Umfang biegesteife Verbindungen erfordern. Heute erweitern Varianten der ursprünglichen Konstruktion – wie im Willis (früher Sears) Tower – dieses Konzept, so dass auch Gebäude mit erweiterter Basis und Rücksprüngen der weiter oben gelegenen Geschosse hierunter gefasst werden. Der Burj Khalifa in Dubai verfügt über einen Y-förmigen Grundriss, der an der Basis des Turms eine erhebliche Verstärkung bietet, jedoch mit zunehmender Höhe deutlich zurückspringt, so dass sich die Nutzfläche der oberen Geschosse verringert. Links: Der Willis (früher Sears) Tower in Chicago, Illinois, entworfen von SOM, bietet das Erscheinungsbild einer orthogonalen Rahmenkonstruktion, zeigt jedoch Rücksprünge, um die sich aus den angreifenden Windlasten ergebenden Schwankungen am oberen Ende des Gebäudes aufzunehmen und eine erhöhte Standsicherheit am Fuß des Turms zu bieten. Diese Bauform wird als Röhrenbündeltragwerk bezeichnet. Dieses Gebäude ist gegenwärtig, nach der Zerstörung des World Trade Center in New York im Jahr 2001, das höchste aus Stahl konstruierte Gebäude der Welt. Rechts: Der Burj Khalifa in Dubai wurde von SOM (Entwurfsarchitekt Adrian Smith) konzipiert. Im Jahr 2010 war dieser Turm das höchste Gebäude der Welt. Für dieses Bauwerk wurde eine Mischbauweise gewählt, wobei die unteren 80 % des Gebäudes aus einem speziellen Stahlbeton hergestellt wurden und der obere Teil aus einer Stahlrahmenkonstruktion besteht. Für diesen Turm wurden die Windlastprüfungen und der Entwurf der Stahlkonstruktion der Obergeschosse vom in Guelph, Ontario, ansässigen Büro RWDI durchgeführt.

VERBUNDBAUWEISE Heute wird bei zahlreichen Hochhausprojekten die Verbundbau­ weise eingesetzt, mit der die erforderliche Höhe erreicht und dabei besondere Formen realisiert werden können. Die Verbindung von Bausystemen aus Stahl und Beton ermöglicht größere Entwurfs­ freiheit. Für die Mehrzahl der Hochhäuser wurde bisher als übli­ che Lösung ein zentraler Erschließungskern aus Beton vorgesehen. Bei der Verbundbauweise können Decken, Stützen und Ausstei­ fungselemente entweder aus Stahl oder aus Beton oder einer Kom­ bination dieser beiden Baustoffe zur Erzielung einer hohen Tragfä­ higkeit geplant werden.

Der Burj Al-Arab in Dubai wurde von Atkins Architects in Verbundbauweise geplant. Teile des Gebäudes bestehen aus einer Kombination aus Stahl- und Betonkonstruktionen. In diesem Fall gewährleistet das Verbundsystem die Abstützung der ungewöhn­ lichen Form des Gebäudes.

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Links: Über die Verwendung von Beton im Innenbereich hinaus ist die Gesamtkonst­ ruktion des Burj Al-Arab durch Stahlfachwerkträger ausgesteift, die von außen sichtbar sind. Ein solcher differenzierter Einsatz der konstruktiven Materialien findet sich nicht an jedem in Verbundbauweise errichteten Hochhaus. Rechts: Im Inneren des Burj Al-Arab zeigt sich die Balance zwischen der Leichtigkeit der Stahlkonstruktionen und der Schwere des Betons sehr deutlich. Wenn man vom Atrium direkt nach oben schaut, ist die zugbeanspruchte Stahlrahmenkonstruk-

WINDLASTPRÜFUNGEN

tion sichtbar, die an der Eingangsseite

Einer der wichtigsten Punkte bei der Planung der Konstruktion und Form eines Turmbauwerks besteht

des Gebäudes das große „Segel“ bildet.

in seiner Fähigkeit zur Aufnahme von Windlasten. Zwar können Programme zur numerischen Strö­

Einen Kontrast dazu bilden die Balkone

mungssimulation (Computational Fluid Dynamics - CFD) für Prognosemodelle genutzt werden, welche die Ermittlung der zweckmäßigsten Form unterstützen, jedoch erfolgt die Windlastprüfung von sehr

und massiven Fassadenverkleidungen auf der Hotelseite des Bauwerks.

hohen Bauten oder Gebäuden mit ungewöhnlicher Form zumeist in einem realen Grenzschichtwindka­ nal. Hierbei werden die CAD-Zeichnungen in einen 3D-Drucker gegeben, und es wird ein sehr genaues Modell aus Harz gefertigt. Dieses Modell wird mit zahlreichen kleinen Gummiröhren versehen, die mit Sensoren an der Oberfläche verbunden sind, welche die Winddrücke erfassen können. Im Windkanal­ modell sind maßstabsgerechte Modelle der umgebenden Gebäude enthalten. Wenn jedoch zu einem späteren Zeitpunkt weitere Gebäude in unmittelbarer Nachbarschaft errichtet werden, so kann dies zu einer Veränderung der Ergebnisse führen. Auf Grundlage der Prüfergebnisse schlagen die Windkanalingeni­ eure Änderungen der Gebäudeform vor. Bei dieser Untersuchung wird ebenfalls die Planung von Dämpfungskonstruktionen betrach­

Das Windkanalmodell für den Burj Khalifa. Die Prüfungen wurden im Ingenieurbüro RWDI in Guelph, Ontario, durchgeführt.

tet, deren Einbau erforderlich sein kann, um mögliche Schwankun­ gen an der Turmspitze auszugleichen. Die Systeme zur passiven Schwingungsdämpfung (Tuned Mass Damping - TMD) sind in den Grundriss und Schnitt des Gebäudes einzuarbeiten. Beim Entwurf sehr hoher Gebäude wird in der Regel größeres Gewicht auf die Aerodynamik gelegt. Prüfungen sind für neue Gebäude mit ungewöhnlichen oder verdrehten Formen unabding­ bar, da keine ingenieurtechnischen Faustregeln existieren, die auf diese Bauwerke anwendbar sind. Bei der Anordnung von Gebäuden im Windkanal kommt es darauf an, dass das Grundstück, auf dem sich das Gebäude befindet, ebenso wie das unmittelbare urbane Umfeld (Grenzschicht) in der Modellierung berücksichtigt wird, so dass eine präzise Simulation der sich ergebenden Winddrücke durchgeführt werden kann.

Links: Die 3D-Modelle von 53 Stubbs Road in Hongkong, eines Entwurfs von Frank Gehry, in denen die Bündelung der Röhrchen anschaulich wird, die in das Modell hinein verlaufen und mit Sensoren an der Oberfläche des Modells verbunden sind. Rechts: Für eine präzise Simulation der sich ergebenden Winddrücke müssen bei der Anordnung im Windkanal das Grundstück, auf dem sich das Gebäude befindet, ebenso wie das unmittelbare urbane Umfeld (Grenzschicht) in der Modellierung berücksichtigt werden.

– DIAGONALE FACHWERKGITTER (DIAGRIDS)

DI AG ONA L E FACH W ER KG I T T ER (DI AG R IDS) Zwar hat sich der Anteil der Hochhäuser, die ausschließlich aus Stahl errichtet wurden, während der vergangenen 20 Jahre verringert, jedoch stieg die Zahl der Konstruktionen mit Varianten der diagonal ausgesteiften Röhre. Das „Diagrid“-System wird als Mittel eingesetzt, um von einer ausschließlich durch Geradlinigkeit bestimmten Bauästhetik abzuweichen und dabei gleichzeitig ein sehr stabiles Tragsystem zu schaffen. Grundsätzlich wird hier der Lastverlauf in einem bestimmten Neigungswinkel angeordnet, so dass sowohl vertikale Stützen weggelassen als auch Lösungen für die erforderliche Aussteifung gefunden werden können. Während in frühen Anwendungen mit sichtbaren diagonalen Aussteifungen die geradlinige Grundform meist nicht verändert wurde, versuchen aktuelle Anwendungen des Dia­ gonalgitters, die Potenziale von triangulierten „netzartigen Gittern aus Stahlbauteilen“ auszunutzen. Die Verwendung des Begriffs des Gitters oder Rasters erinnert an die Terminologie der 3D-Modellierung, in der gekrümmte oder unregelmäßige topographische Formen in ein Gitter umgewandelt werden, so dass daraus von der Modellierungssoftware verarbeitbare Dreiecksformen entstehen. In Diagonal­ gittern kann das diagonale Tragsystem so konzipiert werden, dass alle vertikalen Stützen sowohl an der außenliegenden Konstruktion des Gebäudes als auch im Bereich zwischen der äußeren Tragkonstruk­ tion und dem normalerweise aus Beton bestehenden Kern weggelassen werden können. Vielfach kann hierbei die Deckenkonstruktion so ausgebildet werden, dass sie den gesamten Bereich vom äußeren Diagonalgitter bis zum Kern stützenfrei überspannt. Diese Gebäude bieten aufgrund ihrer im Inneren reduzierten Tragkonstruktion hervorragende Bedingungen für den Einfall von Tageslicht. Die Weiterabwicklungen des Konstruktionssystems mit diagonal ausgesteifter Röhre, die heute als Dia­ grids bezeichnet werden, wurden im modernen Stahlbau erstmalig etwa im Jahr 2003 geplant. Die drei Projekte aus der Anfangsphase – die Gebäude der Greater London Authority (GLA) und der Swiss Re sowie der Hearst Tower – wurden von Foster + Partners gleichzeitig geplant, wobei bei allen Bauvor­ haben auf das ingenieurtechnische Know-how von ARUP zurückgegriffen wurde. Interessanterweise finden sich in allen drei Gebäuden einzigartige Varianten des Systems, die aus ihrer dreidimensionalen Geometrie resultieren. Der Hearst Tower stellt hierbei vermutlich den am weitesten standardisierten Entwurf dar, was sich in der prinzipiell rechteckigen Form der Turmkonstruktion zeigt. Sowohl im Hearst Tower als auch im Gebäude der Swiss Re wurde auf vertikale Stützen verzichtet. Die Lastverläufe wur­ den über das diagonale Stützenraster geführt, wobei die Geschossdeckenkonstruktionen auf einfache Weise mit dem Aufzugskern verbunden wurden. Das Gebäude der GLA mit seiner zurückweichenden eiförmigen Gestalt bietet weitere Herausforderungen für das Diagonalgitter, da es zusätzliche außermit­ tige Lasten aufnehmen muss (siehe S. 139). Eine gewendelte Rampe, die an der Innenkante der Fassade nach oben verläuft, veranschaulicht die Tragfähigkeit des diagonalen Fachwerkgitters; so konnte auf ein regelmäßiges, an den Kern angeschlossenes Geschossdecken-Tragsystem verzichtet werden. Diese Abweichungen von den symmetrischeren Formen des Hearst Tower und des Gebäudes der Swiss Re Das von Foster und ARUP im Jahr 2006

lassen die Zukunftspotenziale des Diagrids erkennen.

entworfene Hearst Building in New York

Heute werden Diagonalgitterkonstruktionen auch für eine Reihe von innovativen Stahlbauprojekten

war die erste in den USA errichtete Diag-

mit mittleren Gebäudehöhen eingesetzt.

ridkonstruktion.

VORTEILE DES DIAGONALGITTERS GEGENÜBER DEM BIEGESTEIFEN RAHMEN Bei Hochhäusern bietet die Planung eines diagonalen Fachwerk­ gitters gegenüber den üblichen biegesteifen Rahmenkonstruk­ tionen oder Röhrenbündeltragwerken eine Reihe konstruktiver Vorteile. Während bei dem System mit diagonal ausgesteifeter Röhre eine Reihe von Diagonalstreben über einer außenliegenden Stahlrahmenkonstruktion angeordnet wurden, bedient sich das heute für Hochhäuser übliche Diagonalgitter lediglich einer äuße­ ren Tragkonstruktion, die vollständig aus Diagonalstreben besteht. Diese Konstruktion nimmt in Querrichtung angreifende Windlasten wirksamer auf, so dass eine hinreichende Steifigkeit vorhanden ist, die durch die axiale Wirkung der Diagonalstrebe ergänzt wird. Bei effizienter Planung wird für diese Systeme weniger Stahl benötigt als bei Hochhäusern, die aus herkömmlichen Rahmenkonstruktionen errichtet wurden.

– 131

Ein aus einem Diagonalgitter bestehendes Turmbauwerk ist als vertikaler Kragarm ausgebildet. Die Dimensionierung des diagonalen Tragwerkgitters ergibt sich aus der Aufteilung der Höhe des Turms in eine Reihe von Modulen. Idealerweise erstreckt sich die Höhe des Grundmoduls des rautenförmigen Rasters über mehrere Geschosse. So können die Träger, welche die Geschosskanten definieren, an die diagonalen Tragglieder angeschlossen werden, wobei die Verbindung mit dem Kern, die Abstützung der Deckenrandträger sowie die Aussteifung der nicht abgestützten Länge des diagonalen Traggliedes gewährleistet ist. Dieser Aspekt des Diagonalgitters findet sich häufig in der Außenverkleidung des Gebäudes. Der modulare Aufbau der Vorhangfassade bricht in der Regel die Dimensionen der Rauten oder Dreiecksformen so weit herunter, dass sie an die Geschosshöhen angepasst sind und die Vorgaben für fest verglaste und zu öffnende Fenster erfüllt werden. Wie bei allen Abweichungen von herkömmlichen Konstruktionstechniken kommt es auch hier darauf an, dass die Konstruktion so einfach wie möglich zu montieren ist. Planung und Fertigung der Anschlüsse gestalten sich komplexer als bei orthogonalen Konstruktionen, was zusätzliche Kosten verursacht. Entscheidend ist die Präzision der Geometrie der Knotenpunkte. Daher sollte so weit wie möglich eine Vorfertigung in der Werkstatt erfolgen, um Probleme bei der Montage auf der Baustelle weitestgehend zu vermeiden. Hinsichtlich der Steifigkeit der Ausbildung der Knotenpunkte als solche gibt es zwei verschiedene Denk­ ansätze. Aus technischer Sicht muss der Mittelpunkt des Knotens bei der Planung einer rein dreiecks­ förmigen „fachwerkartigen“ Konstruktion nicht biegesteif ausgebildet werden; er kann als gelenkige Verbindung geplant werden. Dieses Prinzip funktioniert gut bei symmetrischen Konstruktionen mit ausgeglichenen Lasten. Bei außermittig belasteten Konstruktionen ist hingegen eine gewisse Steifig­ keit des Knotenpunktes erforderlich, so dass die selbsttragenden Eigenschaften der Konstruktion in der Bauphase unterstützt werden. Bei zahlreichen bisher fertiggestellten Bauvorhaben mit diagonalen Tragwerkgittern wurden die Knotenpunkte als biegesteife Verbindungen in der Werkstatt vorgefertigt. So konnten einmündende gerade Tragglieder auf der Baustelle leichter verschraubt oder verschweißt werden. Da die Fertigung dieser Konstruktion höhere Kosten verursacht, ergeben sich Kosteneinspa­ rungen nur bei einem hohen Wiederholungsgrad in der Planung und Fertigung der Knotenpunkte. Die Triangulation der Diagonalgitter-Röhre selbst reicht für die Herstellung der vollständigen Biege­ steifigkeit der Konstruktion nicht aus. Daher werden in der Regel Ringbalken in den Randbereichen der Geschossdecken mit dem Diagonalgitter verbunden, so dass die Tragwirkung in eine geschlossene Röhre überführt wird. Da mit jeder langen Diagonalstrebe des Gitters üblicherweise mehrere Geschossdecken verbunden sind, ergeben sich diese Anschlussstellen sowohl am Knotenpunkt als auch an mehreren Stellen entlang der Diagonale. Der für die Diagonalstreben gewählte Winkel ermöglicht eine natürliche Lastübertragung in der Konstruktion bis in die Gründung des Gebäudes. Bei allen bisher errichteten Gebäuden mit Diagonalgittern war Stahl das Material der Wahl. Gebäude aus diagonalen Fachwerkgitter n sowie Entw u rf u nd Detaillier u n g der Sta hl kon str u ktionen kön nen i n folgende Kategorien gegliedert werden:

→ Tu r mbauten u nd Hoch häuser → gek r ü m mte For men → k ristalli ne Geometrien → Gebäude i n Hybridbauweise mit kombi nierten Geometrien Hochhäuser MIT DIAGONALGITTERN In diesem Fall wird auf die übliche Portalrahmenkonstruktion verzichtet; sie wird ersetzt durch eine röhrenförmige Anordnung von diagonalen Traggliedern aus Stahl, die alle Lasten über die Außen­ fläche der Turmkonstruktion abträgt. Der Ersatz der vertikalen Stützen durch die diagonalen Trag­ glieder erfordert eine Erhöhung der Dichte der Diagonalstreben im Vergleich zu früheren Gebäuden mit lediglich ergänzenden Aussteifungen. Wenn das Diagonalgitter außen an der Gebäudehülle oder Vorhangfassade angeordnet ist, ist das Verkleidungssystem an die Geschossdeckenkonstruktionen angeschlossen. Bei Ausbildung des Gitters im Innenbereich sind die vorgehängten Bauteile mit diesem verbunden. Hierdurch wird möglicherweise die Durchbildung des Verkleidungssystems beeinflusst. Mit Geschossdeckenkonstruktion verbundene Vorhangfassaden sind in der Regel rechtwinklig, während an das Diagonalgitter angeschlossene Vorhangfassaden einen Dreiecksverband bilden.

– DIAGONALE FACHWERKGITTER (DIAGRIDS)

Links: Das Bush Lane House in London, von ARUP 1976 geplant, ist eines der ersten Beispiele, bei dem ein sichtbares Diagonalgitter im Außenbereich angeordnet wurde, um auf Innenstützen verzichten zu können und einen frei überspannten Bürobereich zu schaffen. Für das Gebäude wurde Edelstahl eingesetzt, wobei die Knotenpunkte aus Gussteilen bestehen. Rechts: Die gegossenen Knotenpunkte aus Edelstahl sind auf jeder Geschossebene konstruktiv angeschlossen. Die dahinter gelegene Vorhangfassade zeigt eine regelmäßige rechteckige Struktur, die einen Kontrast zu den quadratischen Rauten der außenliegenden Konstruktion aus Hohlprofilen bietet. Durch diese Struktur wird veranschaulicht, dass die Wand konstruktiv mit den Geschossdecken verbunden ist.

Links: Beim von Foster + Partners und ARUP geplanten Gebäude der Swiss Re in London dient das Diagrid zur Ausbildung einer Turmkonstruktion mit ovaler Form. Diese Geometrie ermöglichte die Installation eines speziellen Be- und Entlüftungssystems, das hinter den dunkleren Verglasungselementen der Fassade angeordnet ist. Rechts: Am Sockel des Gebäudes ist das Gitter nach außen geführt, um ein Arkadenelement zu schaffen.

Eine der schwierigeren Aufgaben bei unregelmäßig geformten Gebäuden aus Diagonalgittern besteht in der Planung eines Systems zur Gebäudereinigung. Beim Gebäude der Swiss Re wurde am oberen Abschluss des Gebäudes ein auskragender Mechanismus angebracht, der die für die Reinigungsgeräte erforderlichen Seilzüge von der Fassadenoberfläche fernhält.

Die Seile sind punktförmig mit dem Raster verbunden; die Anschlusspunkte sind gepolstert, um eine Beschädigung der Fassade beim Schwenken der Geräte zu verhindern. Die dunklere Färbung der Verglasung markiert die Lage der Doppelfassadenelemente der Außenhaut, die der Be- und Entlüftung dienen.

– 133

In manchen Fällen kann ein außenliegendes diagonales Tragwerkgitter – ähnlich einer konventionellen diagonal ausgesteiften Röhrenkonstruktion, jedoch mit größerer Wirkung – als Ergänzung des durch Innenstützen geschaffenen Tragsystems dienen, wenn die Geschossdeckenplatte groß bemessen ist oder außermittige Lasten abzutragen sind. Dies trifft auf den von Rem Koolhaas und ARUP konzipier­ ten CCTV Tower in Beijing zu, wo das außenliegende Gitter als zusätzliche Abstützung der im Inneren angeordneten Rahmenkonstruktion dient. Bei dieser ungewöhnlichen Kombination von schrägen, miteinander verbundenen Türmen sorgen vertikale Stützen für die Lastabtragung von den Geschoss­ decken – sowohl im Gebäudeinneren als auch auf der Außenseite –, wobei sich viele dieser Stützen über

Am CCTV-Gebäude in Beijing, das von Rem Koolhaas gemeinsam mit ARUP im Jahr 2009 entworfen wurde, wird die

die volle Gebäudehöhe erstrecken. Ein stark ausgesteiftes Übergangsgeschoss auf halber Gebäudehöhe

Diagonalkonstruktion in der Ausbildung

wurde als Technikgeschoss konzipiert und dient der Abtragung der Lasten der Stützen, die nicht in einem

der Vorhangfassade veranschaulicht.

einzigen vertikalen Lastverlauf angeordnet werden konnten. Die Innenstützen sind mit Beton umhüllt, der eine Feuerwiderstandsdauer von drei Stunden und zusätzliche Tragfähigkeit bietet. Das außenlie­ gende diagonale Gitter fungiert als Röhre, welche die Geschossdecken, Stützen und Außenkonstruktion

Jedoch zeigt sich bei diesem Gebäude ein vorwiegend rechteckiges Verglasungsmuster. Die durch die diagonale Gliederung der Fassade verkörperte unterschiedliche

miteinander verbindet. Die „Stützen“ des freiliegenden Gitters verfügen über dieselbe sichtbare Breite,

Verdichtung entspricht unmittelbar den

wobei sich ihre Höhe nach den abzutragenden Lasten richtet. Alle Diagonalen sind als Blechträger in den

wechselnden Ausprägungen der Konst-

Abmessungen 1 m x 60 cm ausgebildet, wobei sich lediglich die Stahldicken je nach aufzunehmenden Lasten unterscheiden. Bei einem in Stahlskelettbauweise errichteten Turm kann zur Herstellung einer biegesteifen Verbindung am Anschlusspunkt zwischen Stütze und Träger eine Dreiecksplatte angeord­ net werden. Im CCTV-Gebäude wurden vier dieser Bauteile verwendet. Diese sind an den Hauptverbindungspunkten der Außenstützen, Aussteifungen und Träger angebracht, so dass ein „Flügelblech“ als Variante eines herkömmlichen Aussteifungsbleches zur Her­ stellung einer biegesteifen Verbindung entsteht. Die Errichtung dieses Gebäudes wäre ohne das Diagonalgitter und die dadurch hergestellte zusätzliche Tragfähigkeit nicht möglich gewesen. Das Gitter ermöglichte die Montage der auskragenden Bauteile, ohne dass hierfür ein provisorischer Turm zur Abstützung während der Bauphase errichtet werden musste. Das CCTV-Gebäude war das erste mit einem diagonalen Fachwerkgitter errichtete Turmbauwerk, das wesentlich von einer einfach abzustützenden Form abwich. Dia­ gonalgitter wurden zwar schon vorher für unregelmäßige Geomet­ rien und extreme Auskragungen in Gebäuden mit weniger als zwölf Geschossen eingesetzt, jedoch ist dieses gebaute Beispiel das erste seiner Art. Kurz vor der Eröffnung des Turms wurde das benachbarte Mandarin-Hotel von einem Feuer heimgesucht und brannte völlig aus. Da die beiden Türme unterirdisch über die Gründungen mitei­ nander verbunden waren, wurden zur Sicherheit Untersuchungen durchgeführt, um die konstruktiven Wechselwirkungen zwischen beiden Turmbauwerken vollständig zu ermitteln. Zum Zeitpunkt der Drucklegung des vorliegenden Werkes bestand die innovativste Variante des Diagonalgitters in der Planung von „verdrehten Formen“. Das Gitter der Diagonalkonstruktion aus Stahl kann in nahezu jede beliebige Form gebracht werden, die mittels 3D-Modellierungssoftware geplant werden kann. Die rautenförmi­ gen Gitter können für die Herstellung einer Vorhangfassade auf ein­ fache Weise weiter in dreiecksförmige Muster unterteilt werden. Die Verdrehung der Gebäudeform wird üblicherweise mit einem massi­ ven aufgehenden Betonkern verbunden, der im gesamten Gebäude einen Zugang zum senkrecht verlaufenden Aufzug schafft, wobei die Versprünge vom Kern abgehängt sind. Auf jeder Geschossebene sind umlaufend Ringbalken angeordnet, die an das Diagonalgitter anschließen. Diese bilden den Verbindungspunkt für die Deckenträ­ ger, die sich normalerweise stützenfrei von der Gitterkonstruktion der Außenwand bis zum Kern erstrecken. Die Kombination von ver­ drehten und aufgehenden Bauteilen erfordert besondere technische Lösungen, um die Standsicherheit und Tragfähigkeit des Gebäudes zu gewährleisten. Darüber hinaus kommt es in diesem Fall auch zu einer erheblichen Erhöhung der Kosten der Fertigung und Montage, da sich der Wiederholungsgrad bei der Planung der Knotenpunkte verringert.

– DIAGONALE FACHWERKGITTER (DIAGRIDS)

ruktion im Innenbereich. Die vertikale Linienführung in der Vorhangfassade folgt der natürlichen vertikalen Ausrichtung der Stützen und Geschossdecken im Innenbereich.

Entworfen von RMJM Architects im Jahr 2011, ist das Capital Gate in Dubai um 18° nach hinten geneigt; diese Neigung ist weit größer als beim Schiefen Turm von Pisa. Ein nahezu elliptischer Betonkern erstreckt sich vertikal durch den gesamten mittleren Bereich des Bauwerks. Die durch die Vorhangfassade geschaffene weiße Rautenform markiert die Lage des dahinter angeordneten diagonalen Tragwerkgitters aus Stahl. Jede Raute steht für zwei Geschosse. Um die rückwärtige Neigung an der Turmspitze zu kompensieren, wurde auf der Gegenseite auf Erdgeschossebene eine massive Konst­ ruktion vorgesehen, welche diese Masse ausgleicht. In den unteren Abschnitten des Gebäudes befindet sich das Diagonal­ gitter sehr nahe am Betonkern auf der nach hinten geneigten Seite; in Richtung der Turmspitze verläuft es dagegen nahe der Vorderseite des Gebäudes.

Die Vorhangfassade wurde mit zu öffnenden Dreiecksfenstern

Die vordere (Süd)fassade des Turms wird verschattet durch ein

Als Entsprechung der einzigartigen gekrümmten Formen wurde

geplant. Das eigentliche Diagonalgitter dieses Gebäudes bildet

aus Stahlprofilen und einem Metallgewebe bestehendes „Segel“,

eine spezielle kreisförmige Verbindung entwickelt, um die

eine annähernd quadratische Form.

das von einem Punkt nahe der Turmspitze abwärts in Richtung

Varianten der Anschlüsse des Sonnenschutzelementes an die

Sockel zu fließen scheint, sich dort nach außen richtet und auf der

Haupttragkonstruktion zu vereinfachen.

Erdgeschossebene des Turms ein ausladendes Vordach aufspannt. Die gekrümmten Stahlträger, die dem Sonnenschutzelement seine Form verleihen, sind über runde Hohlprofile an die Knotenpunkte des diagonalen Gitters angeschlossen.

– 135

PROZESSPROFIL: BOW E N C A N A T O W E R / F O S T E R  + PA RTNER S UND ZEIDL ER PA RTNER SHIP Entwurfsarchitekten: Foster + Partners Ausführende Architekten: Zeidler Partnership Architects Tragwerksplaner: Halcrow Yolles Gebäudetechnik: Cosentini Associates Bauausführendes Unternehmen: Ledcor Construction Limited Stahlbau: Joint Venture Supreme/Walters Der 59-geschossige Bow Encana Tower ist ein Gemeinschaftspro­ jekt von Foster + Partners und Zeidler Partnership aus Toronto. Das seitliche Tragsystem besteht aus einer umlaufenden Gitter­ röhre und ist aufgrund der harten Winter in dieser Region innerhalb der Verglasungsebene angeordnet. Das Diagonalgitter besteht aus Streben, die sich entlang der gekrümmten Nord- und Südfassaden über sechs Geschosse erstrecken. Die Südseite der Fassade ist nach innen gebogen, so dass ein Großteil der nachhaltigen Entwurfsbe­ standteile realisiert werden konnte, wie beispielsweise ein doppelt verglastes Atrium und ein Dachgarten. Das nach Süden gerichtete Gitter besteht aus einer freiliegenden Stahlkonstruktion; das nach Norden zeigende Gitter wurde dagegen aus normalem Baustahl gefertigt, der hinter Brandschutzverkleidungen verborgen ist. Im Bow-Encana-Gebäude wurden Bausysteme zur Aufnahme ver­ tikaler und horizontaler Lasten miteinander verbunden. Die ver­ tikale Konstruktion besteht aus Stahlstützen, Stahlträgern und Trapezblechen mit Aufbeton bzw. Verbundplatten für die Decken. Die vom außen an der Nord- und Südfassade angeordneten diago­ nalen Tragwerkgitter gebildete Konstruktion zur Aufnahme von Querkräften eröffnete die Möglichkeit, auf im Innenbereich ange­ ordnete Windscheiben aus Beton zu verzichten, was zu einer effizi­ enteren Raumplanung und architektonischen Durchbildung beitrug. Das Diagonalgitter bedient sich der gekrümmten Form zur Erhöhung seiner Gesamtsteifigkeit. Die sich über sechs Geschosse erstre­ ckenden diagonalen Tragglieder sind über spezielle Knotenpunkte miteinander verbunden. Dabei zeigen sich zwischen den Knoten an der sichtbaren und nicht sichtbaren Seite deutliche Unterschiede in ihrer Ausbildung und ihrem Erscheinungsbild. An den oberen Enden der Diagonalen angeordnete Verbindungs- oder Ringbalken führen zu einer zusätzlichen Erhöhung der Steifigkeit und bieten die Anschlusspunkte für die Deckenträger. Es wird davon ausgegangen, dass bei diesem Bausystem im Vergleich zu einer herkömmlichen biegesteifen Rahmenkonstruktion ca. 20 % an Stahl eingespart wer­ den können. Für das Diagonalgitter wurde eine Reihe von Varianten erwogen, jedoch letztlich die Entscheidung getroffen, die Bauteile als Son­ deranfertigungen aus zusammengesetzten Dreiecksblechen her­ zustellen. Die beteiligten Ingenieure gewannen den Eindruck, dass sich die Fertigung und Montage der diagonalen Gitterkonstruktion weniger komplex gestaltete als im Falle eines vollständig biegestei­

Isometrische Darstellung der Gesamtkonstruktion des Bow Encana Tower in Calgary,

fen Rahmens. Diese Wirkung wurde erzielt durch sorgfältig ausge­

Alberta, erstellt vom Stahlbau- und Montageunternehmen Walters Inc. aus Hamilton,

wählte Knotenpunkte, welche die Wiederholung von Bauteilen und Anschlüssen ermöglichten. Aufgrund der Entscheidung, das Diago­ nalgitter sichtbar an der Südfassade anzuordnen, waren für den Fer­ tigungs- und Montageprozess weit engere Toleranzen erforderlich.

– DIAGONALE FACHWERKGITTER (DIAGRIDS)

Ontario. Diese Zeichnung dient als Referenz für das Gesamtprojekt. Sie zeigt jedes einzelne im Gebäude verwendete Stahlbauteil.

Links: Dieses digitale Modell zeigt die für die Erdgeschossebene gewählte Tragkonstruktion des Turmbauwerks. Das Untergeschoss wurde vollständig aus Stahl errichtet. Die gelben Linien markieren die Ausdehnung der Grundplatte des Turms. Rechts: Der Ausschnitt zeigt die gekrümmten Enden des Turms, an denen die vordere und hintere Diagonalgitter­ konst ­r uktion aufeinandertreffen. Die farbliche Kennzeichnung markiert die Bauteiltypen und wird für die Bauablaufplanung herangezogen.

Links: Das Grundelement des diagonalen Tragwerkgitters ist an die Pfahlkopfplatte anzuschließen. An die aus Dreiecksblechen gefertigten Profile werden die sechs Geschosse hohen diagonalen Tragglieder angeschlossen. Oben rechts: Einsatz provisorischer Abstützungen (grün) während der Montage der Knotenpunkte. Unten rechts: Die Hauptbauteile sind blau markiert, die provisorischen Abstützungen rot, und die zur Vervollständigung der Standsicherheit an das Gitter anzuschließenden Geschossdeckenelemente in Grün. Während der Bauausführung wurden die provisorischen Abstützungen mehrfach wiederverwendet.

Dieses Bild zeigt den Anschluss an die Ringbalken auf der

Die genaue Übereinstimmung zwischen dem digitalen 3D-Modell

Im Erdgeschoss umschließt das Diagrid als freitragende Konst-

Atriumseite. Trotz der gekrümmten Fläche des Gebäudes wurden

und dem realen Gebäude ist für die Gewährleistung der Qualität

ruktion ein großes Atrium. Das Diagonalgitter ist von der inneren

diese Elemente aus geraden Segmenten gefertigt.

bei solch komplexen Projekten unabdingbar. Um Kosten einzuspa-

Vorhangfassade getrennt, so dass eine Doppelfassade ausgebildet

ren, wurden die Rückseiten der dreieckigen Bauteile, die hinter

werden konnte, die zur Gebäudetemperierung beiträgt. Die auf

der Vorhangfassade verborgen sind, weniger fein bearbeitet.

dieser Ebene befindlichen horizontalen Stahlringe bieten die Standsicherheit, die bei herkömmlicher Bauweise durch die Schnittpunkte mit den Deckenträgern geschaffen worden wäre.

– 137

Eines der Knotenpunktelemente bei der Fertigung. Die Oberseite

Dieses Bild veranschaulicht die Dicke des Bleches und die

Der halbfertige Anschluss an die Pfahlkopfplatte. Die Schweiß-

wurde als sichtbare Stahlkonstruktion geplant, während die

Verwendung des innenliegenden Bleches zur Aussteifung sowohl

nähte sind vollständig ausgeführt und werden gerade überarbeitet,

Rückseite in der Einbauposition verdeckt sein soll. Provisorische

in situ als auch beim Transport. Die Laschen dienen zur Herstel-

um alle sichtbaren Zeichen der Verbindung zu entfernen.

Aussteifungen verhindern eine Verformung des Knotenelements

lung provisorischer Schraubverbindungen auf der Baustelle und

während des Transports. Wichtig ist die Ausführung dieser

werden später entfernt.

Arbeiten im Fertigungsbetrieb, da für das Anheben und Drehen des Bauteils ein Kran erforderlich ist.

Stahlbaumonteure bei der Arbeit an einem der Knotenpunkte auf

Die vorgehängte Wand der Nordfassade stellt das Diagonalgitter

der Nordseite. Da diese Verbindung mit Gipskarton verkleidet

aus Stahl zur Schau, während das Hauptraster der Verglasung

wird, unterscheiden sich Bauteile und Verfahren wesentlich von

geradlinig ist.

den Anforderungen an die freiliegenden Stahlbauteile des Diagonalgitters auf der Südseite.

Oben: Die Deckenträger fügen sich in den Knotenpunkt an der Nord­f assade ein und bieten zusätzliche Stabilität. Mitte: Die Stahltrapezbleche mit Aufbeton tragen wesentlich zur Stabilisierung bei. Die Verbindungen der vertikalen Stützen befinden sich ca. 1 m über dem Bodenniveau. Unten: Hier sind die provisorischen Verbindungslaschen noch am diagonalen Fachwerkgitter angebracht, da die Schweißarbeiten noch nicht ausgeführt wurden.

– DIAGONALE FACHWERKGITTER (DIAGRIDS)

Der Pavillon der Vereinigten Staaten für die Expo 67 in Montreal war eine der ersten großmaßstäblichen Anwendungen der von Buckminster Fuller entwickelten geodätischen Kuppel. Trotz ihrer Leichtgewichtigkeit erwies sich die Form als relativ statisch und fand deshalb keine weitere Verbreitung als Tragsystem für Gebäude.

GEKRÜMMTE DIAGONALGITTERKONSTRUKTIONEN FÜR NIEDRIGE UND MITTELHOHE GEBÄUDE Über den Einsatz bei Turmbauwerken hinaus eignen sich Diagonalgitter auch sehr gut als Tragsysteme für eine ganze Reihe nicht geradliniger Formen. Wenn sie zur Abstützung von kugelförmigen oder gekrümmten Konstruktionen angepasst werden, treten Diagrids zunehmend an die Stelle geodätischer Bausysteme, bei denen eine Anpassung an die Kugelform nur eingeschränkt möglich war. Das gekrümmte Diagonalgitter wurde erstmalig in großem Stil bei dem von Foster/ARUP entworfenen Gebäude der Greater London Authority im Jahr 2003 eingesetzt. Durch diese Konstruktion sollte eine abgestufte Fassade geschaffen werden, die auch als Sonnenschutz dient. An der Innenseite der Außen­ wand verläuft senkrecht eine gewendelte Rampe, die sich auf einfache Weise mit der Geometrie der Gitterkonstruktion verbindet. Im Gegensatz zu vielen in Turmbauwerken eingesetzten Diagonalgittern wurde bei diesem Gebäude eine freiliegende Stahlkonstruktion geplant. Links: Beim Diagrid des Gebäudes der Greater London Authority (GLA), das von Foster/ARUP 2003 geplant wurde, ist die Stahlkonstruktion aus Hohlprofilen an der Gliederung der Vorhangfassade ablesbar. Die weitere Unterteilung der Verglasung führt zu einer Größe der Glaselemente, die dem Maßstab des Gebäudes entspricht. Das dreiecksförmige Gitter bringt die Größe der Konstruktion auf ein menschlicheres Maß, weil die Verglasungselemente größtenteils einen kleineren Maßstab als die Gliederung der Stahlkonstruktion aufweisen. Rechts: Das eiförmige Gebäude ist rückwärts geneigt, so dass sich in den Geschossen eine Reihe von Abstufungen ergibt, die zu einer besseren Verschattung beitragen.

Links: Die enge Verbindung zwischen der durch die gekrümmte Vorhangwand gebildeten Außenhaut und den runden Hohlprofilen des Diagonalgitters führt zu engen Bautoleranzen. Rechts: Die freiliegende Anordnung des Gitters aus Stahl erforderte während der Fertigung der vollständig verschweißten Konstruktion auf der Baustelle ein hohes Maß an Sorgfalt.

– 139

Bei kreisförmigen Konstruktionen kann das Diagonalgitter ebenfalls zur Ausbildung weniger gekrümmter Formen genutzt werden. Der Hauptsitz der Firma Aldar in Abu Dhabi ist das erste Gebäude, bei dem der Konstruktionstyp des diagonalen Tragwerkrasters zur Herstellung einer kreisrunden Scheibenform eingesetzt wurde. Hierbei sind zwei groß dimensionierte, rund gebogene Hohlprofile am Rand des Kreises angeordnet und bestimmen so seine Form. Die kreisrunde Außenfassade des 23-geschossigen Gebäudes, das nach dem Standard LEEDTM Silver errichtet wurde, hat einen Durchmesser von 120 m. Dabei ist der Abstand zwischen den beiden im mittleren Bereich angeordneten rechtecki­ gen Betonkernen und der Fassade relativ gering, so dass Innenräume mit einzigartigen Formen geschaffen werden. Ringbalken aus Stahl verlaufen horizontal zwischen den Bauteilen des Diagonalgitters und verleihen der Konstruktion Stabilität.

Die auf der Außenfassade sichtbaren weißen Linien markieren die

In der Seitenansicht zeigt sich die relativ schlanke Ausbildung

Der Hauptsitz der Firma Aldar in Abu Dhabi wurde von MZ

Lage der dahinter gelegenen Hauptbauteile des Diagonalgitters.

des Gebäudes. Die Symmetrie der Form trägt zur gleichmäßigen

Architects und ARUP im Jahr 2010 konzipiert. Trotz der konvexen

Die Hauptknotenpunkte des Gitters befinden sich an den Schnitt-

Lastabtragung ebenso bei wie zu einer wirtschaftlicheren

Form der Fassade des Gebäudes bestehen die Bauteile des diago-

punkten der weißen Linien der Verkleidung. Dabei erstreckt sich

Planung, Fertigung und Montage der Konstruktion.

nalen Fachwerkgitters aus geraden Segmenten. Die vorgehängte

die Vertikale jeder Raute über acht Geschosse.

Glasfassade ist weiter unterteilt in ein dreieckiges Raster, das Bezug auf die Geschossebenen nimmt. Dieses kleinere Dreiecksgitter trägt zur Feinabstimmung der endgültigen gekrümmten Form bei.

DIAGONALGITTERKONSTRUKTIONEN FÜR KRISTALLINE BAUFORMEN Bei kristallinen Baukörpern unterscheiden sich Diagrids wesentlich von jenen, die in Turmbauwerken oder anderen regelmäßigeren Formen eingesetzt werden. Kristalline Formen des Diagonalgitters wurden bisher meist zur Herstellung großer, zusammenhän­ gender Baukörper genutzt, wobei die Anschlusspunkte der einzelnen Bauvolumina häufig sehr komplex ausgebildet waren. Aus diesem Grund ist ein Großteil des architektoni­ schen Ausdrucks und formalen Einflusses der winkligen Stahlstützen im Gebäudeinneren ablesbar. Außermittige Lasten und weite Auskragungen erfordern darüber hinaus eine höhere Tragfähigkeit der Anschlüsse an den Knotenpunkten. Damit diese Konstruktionen während der Bauphase getragen werden können, müssen provisorische Turmbauwerke oder Abspannungen errichtet werden, bevor die für die Herstellung der erforderlichen Scheibenwirkung notwendigen Betondecken gegossen werden. Durch die Diagridkonstruktion des von

Bei der Erkundung des Potenzials des Diagrids bediente sich das Studio Libeskind dieses Konstruktions­ prinzips zur Herstellung extremer Geometrien, darunter ausgeprägt kristalline Formen und groß dimensio­ nierte, freitragende Auskragungen. Durch den Rückgriff auf das diagonale Gitter konnten die im Kern eher

Daniel Libeskind und ARUP im Jahr 2005 konzipierten Denver Art Museum ergaben sich große Vorsprünge des Tragsystems. Aufgrund der Außermittigkeit der Dia-

konventionell angelegten eckigen Strukturen des Entwurfs für das Jüdische Museum in Berlin wesentlich

gonalen mussten während der Bauphase

ausgeweitet werden.

in erheblichem Umfang provisorische Abstützungen errichtet werden, um die

Welchen Einfluss hat das Diagonalgitter (als diagonal ausgesteifte Röhrenkonstruktion und in der Form des heutigen Diagrid) auf die architektonische Gestaltung? In Bürogebäuden der Frühphase, wie zum Beispiel im John Hancock Tower in Chicago, wurden sehr groß bemessene diagonale Bauteile eingesetzt, welche die Verglasung der Vorhangfassade unterbrechen und so an wenigen, aber wichtigen Schnittpunkten den Einfall von Tageslicht in der Außenwand verhindern. Da das Prinzip des Diagonalgitters in der Regel die Möglichkeit eröffnet, auf vertikale und diagonale Innenstützen zu verzichten, ergibt sich hier kein negativer Einfluss auf das Raumprogramm. Bei der Anpassung von Diagrids an eher kristalline Formen verliert das Raster seinen Charakter eines außenliegenden röhrenartigen Elementes und durchdringt stattdessen den Baukörper des Gebäudes. Dies nimmt Einfluss auf die Diagonalgitter und Wandebenen im Gebäudeinneren. Ein intensiver Dialog ist erforderlich, damit Funktion, Ausstattung und (im Falle von Museen) Ausstellungs­ gegenstände gut mit der schiefwinkligen Architektur korrespondieren.

– DIAGONALE FACHWERKGITTER (DIAGRIDS)

Bauteile so lange zu stabilisieren, bis die Geschossdecken und sonstigen seitlichen Aussteifungen eingebaut waren.

Für die Seattle Central Library wurde ein sehr komplexes Tragsystem geplant, das einen ausdifferenzier­ ten Betonkern mit einer aus Diagonalgitter und entsprechender Verglasung bestehenden Gebäudehülle verbindet. Die Gitterkonstruktion aus Stahl ermöglicht weite Auskragungen mit minimalem konstrukti­ vem Aufwand, so dass an der Gebäudeaußenhaut der Anteil der Verglasung maximiert werden konnte. Die Nutzung des Diagonalgitters für dieses Projekt unterscheidet sich von vielen anderen Bauwerken dahingehend, dass die Abmessungen des Rasters genau mit denen der von ihm getragenen Vorhang­ fassade übereinstimmen. Darüber hinaus wird das Gitter von großen Stahlbauteilen gestützt, die in eher unregelmäßigen Abständen an den erforderlichen Stellen in die Konstruktion eingefügt wurden. Links: Bei der Seattle Central Library, von Rem Koolhaas/OMA im Jahr 2004 entworfen, besteht das Diagrid, welches die Außenverglasung trägt, aus Tafeln mit Breitflanschprofilen, die in der Werkstatt in großen „Scheiben“ vorgefertigt und auf der Baustelle miteinander verschraubt wurden. Rechts: Die Tafeln erstrecken sich zwischen größeren Stahlträgern, welche die großen Spannweiten der durch die äußere Form gebildeten Ebenen teilweise verkürzen.

Links: In scheinbar zufälliger Anordnung bieten diagonale Stahlstützen zusätzliche Stabilität für das sich als Abstützung der Verglasung aufspannende Diagonalgitter. Rechts: An den Berührungspunkten der winkligen Stahlstützen mit dem Diagonalgitter ist letzteres aufgedoppelt, um eine bessere Lastverteilung in die Gitterkonst­ ruktion zu gewährleisten.

Hybride Bauformen Die Vorteile von Diagrid-Bausystemen wurden in einer breiten Palette von Projekten genutzt, bei denen vielfältige Varianten der bei Gebäuden aus regelmäßigeren Diagonalgittern eingesetzten Verfahren erprobt wurden. Mehrere Schichten von häufig dreidimensional angeordneten Diagonalen dienen zur Herstellung komplexer Formen mit unregelmäßigen, oft gekrümmten Geometrien. Da die Konstruktion häufig sichtbar angeordnet wird, ist in diesem Fall ein höheres Maß an Präzision und Ausführungsqualität bei der Fertigung und Endbehandlung erforderlich. Auf ein solches System wurde beispielsweise für den Entwurf des Nationalstadions in Beijing zurückgegriffen, das von Herzog & de Meuron und ARUP mit Ai Weiwei geplant wurde. Die Entwurfsidee der Nachbildung der Struktur und Form eines „Vogelnestes“ erforderte mehrere Schichten scheinbar zufällig angeordneter diagonaler Tragglieder aus Stahl.

– 141

Oben: Die Konstruktion des von Herzog & de Meuron, Ai Weiwei und ARUP 2008 entworfenen Nationalstadions in Beijing mag chaotisch erscheinen, jedoch erforderte die Planung und Montage ein hohes Maß an Modularität und spezielle Abläufe. Rechts: Die spezialgefertigten Kastenprofile wurden in maximaler Größe vorgefertigt, um den Aufwand für die Schweißungen zu minimieren. Zur Fixierung der Profile während der Schweißarbeiten wurden ähnlich wie beim Bow Encana Tower provisorische Befestigungen eingesetzt. Die Anschlusspunkte wurden danach abgeschliffen, um Abdrücke vor dem Aufbringen des Endanstrichs so weit wie möglich zu entfernen. Alle Schweißnähte wurden so aufgebracht, dass ein bündiger Abschluss und ein nahtloses Erscheinungsbild hergestellt wurde.

– DIAGONALE FACHWERKGITTER (DIAGRIDS)

Links: Blick auf einen der Hauptfachwerkträger. Diese wurden zuerst montiert, bevor die weiteren Schichten der diagonalen Tragglieder hinzugefügt wurden, um die Tragfähigkeit weiter zu erhöhen. Rechts: Spuren der Schweißnaht der provisorischen Befestigungen und des Anschlusses zwischen den Segmenten.

Die Entwicklung von Gebäuden mit Aussteifungen durch diagonale Röhren zum heutigen Diagrid ermög­ licht eine immer größere Vielfalt an Anwendungen unterschiedlicher Größenordnungen und Geome­ trien. Bei ersteren beruht die konstruktive Durchbildung der Stahlbauteile auf denselben Grundlagen für Verbindungen wie bei Rahmenkonstruktionen. Ein Bauwerk wie das „Vogelnest“ mag zwar auf den ersten Blick recht unregelmäßig erscheinen, wird jedoch getragen von geometrisch relativ regelmäßig ausgebildeten Konstruktionen, die in ihrer Kombination zu der hier ablesbaren hohen Komplexität führen. Dagegen bedienen sich Gebäude wie das von Antoine Predock konzipierte Canadian Museum for Human Rights des Diagrids zur Schaffung einer geometrischen Form, die tatsächlich unregelmäßig und unkonventionell ist.

Das von Antoine Predock entworfene Canadian Museum for

Die Rahmenkonstruktion der Fassade ist als eigenständige

Aufgrund des hohen Anteils außermittiger Lasten sind einige

Human Rights in Winnipeg, Manitoba nutzt eine Diagridkonst-

Komponente konzipiert und wird an den oberen und unteren

der lastabtragenden Knotenpunkte sehr komplex ausgebildet und

ruktion für eine Reihe unregelmäßiger, von einer pyramidenarti-

Enden spezialgefertigter Fachwerkträger von den zuvor erwähnten

bestehen aus unterschiedlichen Stahlprofilen. Da der abgebildete

gen Turmkonstruktion gekrönten Baukörper. Das Diagonalgitter

Hohlprofilen gestützt. Die Klemmen, an welche die Träger für die

Knotenpunkt verdeckt angeordnet wird, folgt die Auswahl der

ist teilweise umgeben von groß bemessenen, gebogenen Hohlpro-

Verglasung angeschlossen werden, sind sichtbar. Jedes dieser

Tragglieder hier einzig den konstruktiven Anforderungen.

filen, die ausgedehnte Verglasungselemente tragen, welche die

Bauteile ist in einem unterschiedlichen Winkel angeordnet,

Schwingen eines Vogels nachbilden sollen. (Das Bild zeigt den

um den Verlauf der Glasfassade aufzunehmen. Der Einsatz eines

Baufortschritt im Mai 2011.)

BIM-Systems ist für die ordnungsgemäße Koordination und Ausrichtung entscheidend. Lediglich die als freiliegende Bauteile geplanten Abschnitte der Stahlkonstruktion wurden grundiert.

Diese Bausysteme nutzen die Zugfestigkeit des Stahls in vollem Umfang, insbesondere in Bezug auf seine Fähigkeit zur Aufnahme von Querkräften. Da viele dieser Gebäude in erdbebengefährdeten Gebieten stehen, wurde das Kriterium der Erdbebensicherheit bereits bei der Planung der Diagonal­ gitter berücksichtigt.

– 143

K A PITEL 10 ---

gussteile --G E S C H I C H T E U N D G E G E N WA R T GRUNDT YPEN VON GUSSVER BINDER N ZUGBEANSPRUCHTE VERBINDUNGSELEMENTE BASISVERBINDUNGEN VERZWEIGTE VERBINDUNGEN PROZESSPROFIL: SCIENCE BUIL DING DER UNIVERSIT Y OF GUELPH / YOUNG + W R IG HT A RCHITECTS

Am Flughafen Pudong in Shanghai, von Paul Andreu entworfen, wurden für das wellenförmige Dach über dem Terminal Stahlprofile in verschiedenen Formen eingesetzt. Die Übergänge zwischen den unterschiedlichen Geometrien der Dachträger und der abgewinkelten Auflager der baumartigen Stützen wurden mittels spezialgefertigter Gussteile realisiert.

G eschichte und G egenwart Wenn im Eisen- und Stahlbau von „Guss“ die Rede ist, stellen sich Assoziationen zu fein herausgear­ beiteten Details und Verzierungen ein. Das Gussverfahren scheint gleichbedeutend mit der Idee des Ornaments zu sein. In der Frühphase wurden Bauteile aus Gusseisen und -stahl zur Steigerung des Anteils dekorativer Elemente an Bauwerken eingesetzt, zunächst zur Angleichung an traditionellere architekto­ nische Formen und dann zur Herstellung eigenständiger organischer Formgebungen. Ursprünglich war Links: Für die Bibliothèque Ste. Geneviève in Paris wurde Gusseisen Schmiedeeisen vorgezogen, um den Grad der Detailausbildung zu erhöhen und durch industrielle Fertigung und Wiederholung in gewissem Umfang Kosten einzusparen. Rechts: Die von Hector Guimard entworfenen bauzeitlichen Eingänge zur Pariser Metro wurden zu Verkörperungen des Art-Nouveau-Stils. Gussstahl war unabdingbar für die Herstellung dieser organischen Formen, denen auf diese Weise Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse verliehen wurde.

Gusseisen sehr spröde und nicht für Schweißarbeiten geeignet. Moderne Gussteile aus Stahl verfügen dagegen über ganz andere Eigenschaften. Zahlreiche groß bemessene Verbindungselemente werden häufig unter besonderer Berücksichtigung der Schweißungen geplant. Während Gussteile in der Vergangenheit gerade als dekorative Elemente in Gebäuden gewählt wurden, beruht ihre gegenwärtig wachsende Verbreitung auf dem genauen Gegenteil. Heute werden gegossene Bauteile als Mittel zur Vereinfachung des Erscheinungsbildes und der Geometrie von Verbindungen verwendet, die mehrere tragende Bauteile zusammenführen sollen. Gussteile dienen der gefälligeren Gestaltung der Anschlüsse, der Vereinfachung möglicher Geometrien von Schweißungen sowie der Planung von Lastverläufen durch die Verbindungen. Moderne Gussteile aus Stahl weisen eine höhere Festigkeit, Schweißfähigkeit und Duktilität auf. Sie wer­ den in Verbindung mit Glaskonstruktionen und Abspannungen sowie für komplexe Anschlüsse aus Hohl­ profilen in Gebäuden oder Brücken eingesetzt. Bei der Planung von komplexen gekrümmten Geometrien lassen sich mit ihnen die Probleme vermeiden, die bei verschiedensten Kombinationen von Hohlprofilen und Blechen entstehen. Sie erfordern jedoch eine noch sorgfältigere technische Planung und Prüfung. Kosteneinsparungen ergeben sich hier aus der Massenfertigung. Einzelanfertigungen oder Kleinserien von Gussteilen können sehr hohe Kosten verursachen. Damit Gussteile kostengünstig sind, müssen bestimmte Bedingungen erfüllt sein. Der Aufwand in der Gießerei fällt ohnehin an, so dass hier vorwiegend der Transport maßgeblich ist. Durch einen hohen Wiederholungsgrad können sich die Kosten der Gussform amortisieren. Bei der Zusammenführung vieler Bauteile an einem einzigen Punkt oder sehr hohen Lasteinwirkungen auf die Verbindung ist der Einsatz von Gussteilen zweckmäßig. Als Faustregel kann gelten, dass Gussteile aus Stahl dann Kostenvorteile mit sich bringen, wenn die Verbindung mindestens viermal so teuer ist wie das Material, aus dem sie besteht. Für den Gießvorgang wird entweder eine verlorene oder wiederverwendbare Form verwendet. Bei klei­ neren, sich wiederholenden Bauteilen, wie beispielsweise Verbindungselementen in Verglasungen und Abspannungen, werden mehrfach verwendbare Formen eingesetzt. Diese Elemente werden in der Regel im Druckgussverfahren gefertigt. Bei größer bemessenen, sich nicht wiederholenden Bauteilen wird die Form üblicherweise nur einmal verwendet und vor der Entnahme des Gussteils zerstört. Die Gussteile entstehen durch Gießen einer Metallschmelze in einen Hohlraum, der aus natürlichem oder syntheti­ schem Sand geformt wird. Hierbei wird die Bindekraft des Sands durch Ton, chemische Bindemittel oder polymerisierte Öle gewährleistet. Der Sand kann anschließend zur Herstellung einer weiteren Form wiederverwendet werden. Im Sandgussverfahren hergestellter Stahl weist in der Regel eine raue Oberfläche auf, die noch nicht dem Erscheinungsbild normalen Baustahls entspricht. Wenn ein nahtloser Übergang zwischen dem Gussteil und dem daran anschließenden Hohlprofil hergestellt werden soll, ist eine spezielle Oberflächenbehandlung erforderlich. Bei höheren Anforderungen für freiliegende Stahlkonstruktionen kann hierfür ein erheblicher Aufwand durch Abschleifen und Ausfüllen entstehen, um die rauere Oberfläche zu glätten oder Gussmarken zu entfernen.

– GUSSTEILE

Gussteile können als Voll- oder Hohlguss gefertigt werden. Vollgussteile finden sich üblicherweise in klei­ neren Verbindungen, wie beispielsweise den Gabelköpfen, die bei Konstruktionen mit Zugstäben als End­ stücke verwendet werden. Hohlgussteile werden für größer dimensionierte Elemente eingesetzt, da sich die gleichmäßige Kühlung bei massiven Gussteilen schwierig gestaltet. Eine ungleichmäßige Kühlung kann zu Eigenspannungen des Bauteils führen. Als Mindestanforderung ist bei jedem großen Gussteil eine zerstö­ rungsfreie Prüfung durchzuführen, die auch eine vollständige Ultraschallprüfung umfassen sollte. Bei der Auswahl des Gießereibetriebs ist darauf zu achten, dass dort die erforderlichen Bauteilprüfungen durchgeführt werden. Bei großen Sonderanfertigungen sind spezielle Prüfungen erforderlich, so dass der Nachweis ihrer sorgfältigen Planung und Festigkeit gegenüber Spannungen erbracht wird. Gussteile aus Stahl zeigen isotrope Eigenschaften, so dass sie für die zuverlässige Lastabtragung durch die Bauteilverbindungen gut geeignet sind. Sie können Querkraft-, Momenten- und Torsionsbeanspruchungen aufnehmen. Diese Trag­ fähigkeit wird erzielt, indem die Geometrie des Bauteils durch veränderliche Wandungsdicken bestimmt wird, die unabhängig von der endgültigen äußeren Form sind. Im Gegensatz zur Fertigung aus Hohlprofilen oder Blechen müssen die Innenmaße des Hohlraums eines Gussteils nicht seiner äußeren Form entsprechen.

G rundtypen von G ussverbind E R N Während früher ganze Bauteile gegossen wurden, darunter Stützen, Träger und Binder, wird Gussstahl heute in der Regel nur noch für Verbindungs- bzw. Knotenpunkte eingesetzt. An einen solchen Knoten wird dann ein herkömmliches Stahlbauteil angeschlossen. Diese Lösung ist kostengünstiger als der Guss eines ganzen Bauteils oder die Herstellung einer komplexen Verbindung aus überarbeiteten oder zusammengefügten Standardprofilen. Wie an den übergroßen, 11 t schweren Gussträgern („Gerberetten“) des Centre Pompidou ablesbar ist, ergibt sich die Größenbeschränkung aus den Gegebenheiten in der Gießerei und der Möglich­ keit des Transports und der Montage. Gussteile können einerseits recht klein gehalten und bis zu einem gewissen Maß standardisiert werden, wie beispielsweise bei zugbeanspruchten Verbindungselementen, für umfangreichere Anwendungen jedoch auch recht groß bemessen sein und unregelmäßige Formen auf­ weisen. Vollgussteile werden mit hoher Wirksamkeit in erdbebensicheren Bauten eingesetzt. Cast ConneX® High-Strength Connectors™ (hochfeste Gussverbinder) sind standardisierte, hochfeste Anschlusselemente, die in Verbindung mit runden Hohlprofilen verwendet werden. Diese Bauteile finden sich beispielsweise bei der erdbebensicheren oder explosionsgeschützten Bauweise, bei denen das Ver­ bindungselement aus Baustahl unter Zug- bzw. Druckbeanspruchung ebenso belastbar sein muss wie das angeschlossene Hohlprofil. Diese Anschlüsse werden sehr häufig für freiliegende Stahlkonstruktionen eingesetzt, wo Verbindungen mit ähnlich hoher Festigkeit durch Stahlbleche, Winkel oder Hohlprofile verstärkt werden müssten und unansehnlich wären. Die Verbindungselemente werden in der Werkstatt mit den daran anschließenden Hohlprofilen verschweißt. Das aus Verbindungselement und Hohlprofil beste­ hende Bauteil wird nachfolgend auf der Baustelle verschraubt (mittels einer zweischnittigen Verbindung mit einem Knotenblech). Die gegenwärtig verfügbaren Abmessungen sind geeignet für runde Hohlprofile mit Außendurchmessern von ca. 100 bis 220 mm. Links: Ein von der Cast ConneX® Corporation of Canada hergestellter gegossener High-Strength Connector™ (hochfester Verbinder). Das Vollgussteil wird mit dem einmündenden Hohlprofil verschweißt. Zur Herstellung einer biegesteifen Verbindung werden mehrere Bohrungen in die Gabelenden eingebracht. Rechts: Mit Cast ConneX® High-Strength Connectors™ versehene, für die Verschraubung auf der Baustelle vorbereitete erdbebensichere Aussteifungen.

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Links: Eine mit Cast ConneX® High-Strength Connectors™ versehene erdbebensichere Strebe, die in einer mit Stahl ausgesteiften Rahmenkonstruktion in einem Bürogebäude eingebaut wurde. Rechts: Ein von Cast ConneX® im Hohlgussverfahren hergestellter großer, gelenkiger Universalanschluss, der an ein Stahlhohlprofil oder Rohr angeschweißt wird. Die gelenkige Verbindung wird durch Einbringen einer einzigen Bohrung hergestellt, die eine Drehbewegung in der Verbindung ermöglicht. Bauteile für gelenkige Verbindungen müssen nicht dieselben Lasten abtragen wie ein hochfestes Verbindungselement.

Ein von Cast ConneX® hergestellter Universal Pin Connector™. Das Vollgussendstück wird je nach Größe und Detailausbildung der Verbindung mit einer Röhre oder Stange verschweißt. Eine einzelne Bohrung sorgt für Beweglichkeit bei der Ausrichtung der Geometrie des Anschlusses.

Links: Zwei mit Cast ConneX® Universal Pin Connectors™ versehene Hohlprofilstützen mit einem Durchmesser von 324 mm. Zur Erzielung eines nahtlosen Übergangs zwischen dem Hohlprofil und den gegossenen Verbindungselementen aus Stahl wurden die Bauteile endbehandelt. Rechts: Ein am Fuß einer geneigten Außenstütze, welche ein auskragendes Vordach stützt, montierter Cast ConneX® Universal Pin Connector™. In der Detailansicht wirkt das Bauteil wie aus einem Guss.

ZUGBEANSPRUCHTE VERBINDUNGSELEMENTE In zugbeanspruchten Konstruktionen bzw. Abspannungen werden häufig sehr schlanke Bauteile verwen­ det, weil keine Drucklasten aufgenommen werden müssen und das Profil daher nicht durch Querschnitts­ vergrößerung ausgesteift werden muss. Aus diesem Grund ist der für die Verbindung (Verschweißung) der Stange oder des Seils am Endpunkt verfügbare Bereich sehr eingeschränkt. Je nach Bauteilgröße und Lastanforderungen werden eine Reihe grundlegender Typen von Verbindungselementen verwen­ det, die durch Verschraubung oder Schweißung angeschlossen werden. Während die Zugglieder nach der Montage in der Regel festgezogen werden müssen, so dass sie straff gespannt und funktionsfähig sind, sind die Bauteile selbst „lose“ zu montieren. Sollte eine Verschraubung an den Bauteilenden keine ausreichende Grundlage zur Spannung des Systems bieten, so werden innenliegende Elemente, beispielsweise Spannschlösser, in Profilmitte eingebaut. Diese können ebenfalls erforderlich sein, wenn der Endanschluss mit der Stange bzw. dem Profil verschweißt wird. – GUSSTEILE

Links: Der gegossene, gabelförmige Endanschluss ist an einem Punkt drehbar verbunden und verfügt in der Regel über ein Gewinde zur Verbindung der Stange mit der Gabel. In diesem Fall wird für die Befestigung statt einer einzelnen Schraube ein Splint eingesetzt. Rechts: Der einem herkömmlichen Spannschloss entsprechende Verbinder aus Gussstahl wird zur Spannung einer Zugstange verwendet. Die Stangen werden verschraubt und durch Drehen des Verbinders festgezogen.

Verbindungen aus Gussstahl werden in der Regel für zugbeanspruchte Konstruktionen eingesetzt, da sie die einfache Herstellung des Übergangs zwischen Zugseilen oder -stangen und der Schraubverbindung zu den druckbeanspruchten Bauteilen ermöglichen. Einige dieser Verbindungsarten wurden aus der Konstruktion von Hänge- und Seilbrücken hergeleitet. Zum anderen ergab sich diese Entwicklung aus der kostengünstigen Vereinfachung der ausgefeilteren Sonderdetails der frühen High-Tech-Architektur (siehe Kapitel 5: „Freiliegende Konstruktionen“). In der von Foster + Partners entworfenen kreisrunden Kuppel des Reichstagsgebäudes in Berlin dient eine gewendelte Rampe aus Stahlblechen als Haupterschließung. Zwar bestehen die Stahlbauteile vorwiegend aus spezialgefertigten gebogenen und verschweißten Stahlblechen, jedoch spielen auch Verbindungen aus Gussteilen für die Gewährleistung der Zugfestigkeit der Kuppel eine wichtige Rolle.

Links: Die obere Aussichtsplattform ist an die aus Dreiecksblechen bestehenden, verschweißten Stahlrippen über gegabelte Zugglieder angeschlossen. Für diese Verbindungselemente wurden standardisierte Endanschlüsse aus Gussstahl verwendet. Rechts: Die geschwungene Stahlrampe ist über ähnliche gegabelte Zugverbinder an die dreieckigen Rippen angeschlossen. Das Verbindungselement ermöglicht die Zusammenführung von zwei Stangen in einem Anschluss.

– 149

B asisverbindungen Die Formensprache von nicht zugbeanspruchten Verbindungselementen unterscheidet sich von der zugbeanspruchter Anschlüsse. Wenn die Basisverbindung keine Momentenkräfte aufnehmen muss, so kann sie eine gewisse Drehbewegung ermöglichen. Links: Der Entwurf der für die Olympischen Winterspiele 2010 errichteten Eisschnelllaufhalle in Richmond, British Columbia, sah eine interessante Kombination von Holz- und Stahlbauteilen vor. Rechts: Für die Befestigung der Brettschichtholzstreben an den Gründungspfeilern aus Sichtbeton wurden spezialgefertigte Endanschlüsse aus Stahl verwendet. Sie wurden zur Witterungsbeständigkeit verzinkt. Aus demselben Grund wurden Schrauben aus Edelstahl verwendet, die der Detailausbildung darüber hinaus eine Struktur verleihen.

Links: Im von Nicholas Grimshaw konzipierten, für die Industrieund Handelskammer errichteten Ludwig-Erhard-Haus in Berlin wurden zur Vervollständigung der Details des Gebäudes an einigen Stellen ungewöhnliche Gussverbindungen ausgebildet. Rechts: Die „Füße“ der großen, gekrümmten Stahlprofile des Ludwig-Erhard-Hauses bestehen aus gegossenem Edelstahl.

Links: Aufgrund der gekrümmten Bauteilverläufe im Pudong International Airport in Shanghai waren zur Herstellung der Stahlbauteile unterschiedliche Verfahren erforderlich. Rechts: Der Anschluss der Enden der Baumstützen an den gekrümmten Träger erfolgte über eine in den Träger integrierte Gussverbindung. So konnte die Verdrehung der Ausrichtung des Trägers zu der des Baummastes aufgenommen werden.

Links: Die gekrümmten Träger im Flughafengebäude von Pudong werden teilweise durch Leichtbau-Fachwerkträger stabilisiert. Zur Spannung der Bauteile wurden an den Stangen Bügel und Spannschlösser montiert. Rechts: In diesen T-förmigen Anschluss an den zugbeanspruchten Leichtbauträger wurde eine spannschlossartige Verbindung eingearbeitet.

– GUSSTEILE

V erzweigte V erbindungen Gussverbindungen vereinfachen die Geometrie des Anschlusses und ermöglichen eine reibungslosere Übertragung von Lasten über die Verbindung. Selbst Sondergussteile können massengefertigt werden. Vergleichsstudien dienen der Entwicklung von Alternativen für ein Projekt. Dabei erfordert jedes Bauvorhaben ein differenziertes Vorgehen, das sich aus folgenden Punkten herleitet: → Za hl der a n kom menden Bauteile → Zuga n g zu r Verbi ndu n g fü r Montagezwecke → gew ü n schte Ästheti k → sichtbare oder nicht sichtbare A nord nu n g des Ü berga n gs zwischen den Bauteilen → Sichtbar machu n g oder Kaschier u n g der u nterschiedlichen Oberflächenstr u ktu ren des Gussteils u nd des Sta hlprofils

→ A n forder u n gen a n die Lastabtrag u n g mit entweder gelen kigem oder biegesteifem A n schluss → verfügbares Budget

Links: Diese spezialgefertigte Stahlverbindung im Quantum Nano Centre der University of Waterloo, Ontario, besteht aus einer Vielzahl verschweißter Teile. An der Fassade sind Hunderte identischer Verbindungselemente sichtbar. Rechts: Alternative Verbindung (Foto: Cast ConneX®), die zu keiner Änderung der Ausführung der rechteckigen Hohlprofile geführt, jedoch die Montage und Fertigung des Knotenpunktes deutlich vereinfacht hätte.

Die Verwendung von Gussteilen kann sich vorteilhaft auf Größe und Komplexität der Verbindung und der ankommenden Bauteile sowie auf die Lastverläufe auswirken. Die Massenfertigung bleibt ein ent­ scheidendes Kriterium für mögliche Kosteneinsparungen. Links: Für diese großen Verzweigungselemente im von Richard Rogers entworfenen Gebäude des Terminals 5 des Flughafens Heathrow in London wurden groß bemessene Endanschlüsse aus Gussstahl in Verbindung mit freiliegenden Stahlbauteilen eingesetzt. Dabei nehmen die Anschlüsse die Lasten zweier großer Dachbalken auf, stellen gleichzeitig eine Verbindung zur vorderen Wand des Terminals her und übertragen die Lasten über geneigte Stützen auf den mehrere Geschosse tiefer gelegenen Boden. Rechts: Der Verzicht auf eine feste, zentral angeordnete Gussverbindung mag auch in Problemen des Zugangs für die Montage und Verschweißung begründet sein. Außerdem waren in den Lastverläufen zum Teil gelenkige Verbindungen vorzusehen.

Links: Die spezialgefertigten Anschlüsse zur Befestigung der Hohlprofile am Gelenk verfügen über ungewöhnliche versenkte Schrauben. Aufgrund dieses Details konnte auf eine Verschweißung auf der Baustelle verzichtet werden. Die Durchmesser der Versenkungen sind so bemessen, dass sie das Anziehen der Schrauben ermöglichen. Rechts: Zu den weiteren Gussteilen gehören ein gegossener Stützenfuß zur Aufnahme der ankommenden abgewinkelten Stütze und ein bügelförmiges Bauteil zur Abstützung eines Teils der Außenwandaussteifung. Aufgrund der Größe des Gebäudes konnten wiederum Einsparungen durch Serienfertigung erzielt werden.

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Während zahlreiche Gussteile am Flughafen Heathrow als gelenkige Anschlüsse ausgebildet wur­

Links oben: Gussverbindungen im

den, dienen die Gussteile des Berliner Hauptbahnhofs zur Übertragung von Lasten über biegesteife

Berliner Hauptbahnhof zur Lastabtragung

Verbindungen. Die gewünschte Ästhetik erforderte eine harmonierende Reihe von Verbindungen, die in starkem Kontrast zur Leichtigkeit der übrigen Glas- und Stahlkonstruktionen des Bahnhofs­ gebäudes stehen.

von vier Punkten über röhrenförmige Diagonalen in eine darunter befindliche Anordnung von vier ausgesteiften Stützen. Die wechselnde Materialbeschaffenheit beim Übergang vom Gussteil zum Hohlprofil wird durch eine dünne Fuge und einen Ebenenwechsel sichtbar gemacht. Links unten: Die oberen, geneigten Bauteile werden durch eine Gussverbindung gelöst, welche die einwirkenden Lasten auf vier zusammengefügte Hohlstützen überträgt. Die zusammengeführte Verbindung dient gleichzeitig als Aussteifung der Stützen an ihren oberen Enden. Die Fuge zwischen den Teilen wurde sichtbar belassen. Rechts: Das Stützenbündel ist über seine Länge recht zurückhaltend mit Hilfe verschweißter Anschlussbleche ausgesteift.

Durch verzweigte Verbindungen lassen sich auch Gussteile mit sehr ungewöhnlichen Geometrien auf elegante Weise auflösen. Links: Im neungeschossigen Atrium der Caisse de dépôt et placement du Québec in Montreal (Entwurf: Architektenkonsortium Gauthier Daoust Lestage / Faucher Aubertin Brodeur Gauthier / Lemay Associés) wurden spezialgefertigte Gussteile verwendet, um die Schnittpunkte der Komponenten der vertikalen Fachwerkträger konstruktiv zu lösen. Rechts: Der Anschluss des Fußes der Dreifachstütze ermöglicht die einfache Auflösung der Stützen und ihrer Lastverläufe an einem einzigen Punkt. Die Merkmale des Anschlusspunktes zwischen dem Gussteil und den Hohlprofilen wurden durch sorgfältige Verschweißung, Abschleifung, Auffüllung und Oberflächenbehandlung verdeckt.

Links: Die tragenden Bauteile wurden aus geraden, runden Hohlprofilen gefertigt. Durch die verjüngten Endstücke ergibt sich ein leichteres Erscheinungsbild. Diese Bauteile wurden in einem komplexen Knotenpunkt aufgelöst. Der Anschluss zwischen dem Knoten und der großen vertikalen Stütze wird durch eine Änderung des Bauteildurchmessers hervorgehoben. Rechts: Trotz des Variantenreichtums sowie der im Projekt getroffenen Lastannahmen erzielte man eine einheitliche architektonische Formensprache.

– GUSSTEILE

P rozessprofil : S C I E N C E B U I L D I N G DER UNIVERSIT Y OF GUELPH / YOUNG + W R IG HT A RCHITECTS Architekten: Robbie / Young + Wright Tragwerksplaner: Carruthers & Wallace Ltd. Stahlbau und -montage: Walters Inc. Gussverbindungen ermöglichen nahtlose Übergänge bzw. die Illusion des völligen Fehlens von Anschlüs­ sen und, in diesem Fall, eine Oberflächenbeschaffenheit, die höheren Ansprüchen entsprach, als mit Schweißverbindungen selbst bei einer Endbehandlung höchster Qualität möglich gewesen wäre. Diese Verbindungsart ermöglicht darüber hinaus eine sehr gleichmäßige Abtragung von Lasten, darun­ ter Momentenkräften, über den Anschluss. Die Planung, Fertigung und Prüfung des Gussteils erfordert ein hohes Maß an Genauigkeit, um Fehlstellen im Bauteil zu vermeiden, die sich aus Unregelmäßigkeiten während des Gieß- oder Abkühlvorgangs ergeben könnten. Da ein nahtloses Erscheinungsbild gewünscht war, Gussstahl jedoch aufgrund des Sandgussverfahrens eine strukturierte Oberfläche aufweist, waren zusätzliche Schleif- und Auffüllarbeiten am Gussteil selbst erforderlich. Anstelle von Hohlprofilen wurden hier mechanische Rohre verwendet, da sie ebenfalls eine deutlichere Strukturierung aufweisen, nahtlos sind und ihre physikalischen Eigenschaften im Hinblick auf die Festigkeit und die Verschweißung besser mit den Beschränkungen und Anforderungen der Fer­ tigung auf der Baustelle zu vereinbaren waren. Zu beachten ist, dass der Einsatz mechanischer Rohre in diesem Fall möglich war, da kein erdbebensicheres Gebäude errichtet werden musste.

Links: Für das Tragsystem des Atriums des Science Building der University of Guelph, Ontario wurde die sehr ungewöhnliche Vorgabe definiert, einen nahtlose Stahlkonstruktion herzustellen, deren Form einem Baum ähnelt. Rechts: Bei dieser freiliegenden Konst­ ruktion kam noch der Wunsch nach einem Hochglanzlack hinzu, der jegliche Unzulänglichkeiten offenbaren würde.

Links: Die Form des Atriums und der Baumkonstruktion wurde an digitalen 3D-Modellen untersucht. Rechts: Die im 3D-Modell betrachteten Details der Anschlüsse einzelner Bauteile boten die Grundlage für die Planung eleganterer Gussverbindungen.

Die anfängliche Wandungsdicke des jeweiligen Knotenpunktes wurde auf Grundlage der FiniteElemente-Berechnung der Lasteinwirkungen gewählt. Typisches Merkmal beim Entwurf von Gussteilen ist, dass das Teil an seinem unteren Ende dicker war als am oberen (es ergab sich ein Unterschied von ca. Faktor 2). Mit der Herstellung der Knotenpunkte aus Gussstahl wurde der deutsche Gießereibetrieb Friedrich Wilhelms-Hütte GmbH in Mülheim an der Ruhr beauftragt, da dort hohe Fertigungsstandards gewährleistet waren und eine breite Palette an Material- und Tragfähigkeitsprüfungen angeboten wurde, darunter zerstörungsfreie Prüfverfahren (Sichtprüfung, Ultraschall, Farbeindring- und Magnetpulver­ prüfung) und Versuche zur Zug-, Biege- und Kerbschlagfestigkeit (Charpy-Prüfung) des Gussmaterials. Der für die Gussteile verwendete Stahl musste modifiziert werden. Bei anderen Anwendungen von Gussteilen mit Schraub- oder Gewindeverbindungen kann eine andere Stahlsorte verwendet werden.

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Der Kohlenstoffgehalt des Stahls beeinflusst seine Schweißfähigkeit. Je höher dieser Anteil, desto schwieriger gestaltet sich die Verschweißung der Verbindung und desto eher sind besondere Ver­ fahren wie Vorwärmen, Regelung der Zwischenlagentemperatur und Nachwärmen erforderlich. Das benachbarte Material ist zu erwärmen, um eine rasche Abkühlung während des Schweißvorgangs oder im nachfolgenden Zeitraum zu verhindern. Dabei ist die lokale Erwärmung unter den kontrollier­ ten Bedingungen in der Werkstatt einfacher zu realisieren als auf der Baustelle. Der für das Gussteil vorgegebene Stahl musste den Vorschriften von ASTM International A27 Grade 70/40 entsprechen, wobei seine chemische Zusammensetzung modifiziert wurde, so dass das Gussteil an die röhrenför­ mige Verzweigung bei minimalem Vorwärmen angeschweißt werden konnte und nach dem Schweißen keine Wärmenachbehandlung zur Entspannung erforderlich war. Zwar wurde das Gussteil bereits in der Werkstatt mit einem Ende des Zweiges/Astes verschweißt und die Schweißnaht endbehandelt, jedoch musste die Schweißnaht am anderen Ende auf der Baustelle aufgebracht werden. Aufgrund der Baustellenbedingungen war eine Wärmevor- und -nachbehandlung schwierig. In Gießereien gibt es unterschiedliche Fertigungsprozesse. Für tragende Stahlbauteile werden überwie­ gend das Druck- und Sandgussverfahren eingesetzt. Im Druckgussprozess wird eine Stahlschmelze unter hohem Druck in eine Stahlform gefüllt. Dieses Verfahren ist geeignet für die Fertigung präziser Elemente mit hohem Wiederholungsgrad. Das Sandgussverfahren wird für eine Vielzahl von größeren Elementen eingesetzt, deren Wiederholungsgrad niedriger sein kann. Hierbei kann für jedes Verbindungselement ein jeweils eigener Sandguss hergestellt werden. Für die im Projekt verwendeten Anschlüsse wurde das Sandgussverfahren eingesetzt. Dabei wird zur Herstellung des Sandgusses ein reales 3D-Modell verwendet, das auf den für die Simulation und Planung erstellten digitalen 3D-Modellen beruht. Links: Teile des Verbindungselements und Lastaufnehmende Fläche

ihre technischen Bezeichnungen, deren Kenntnis die Grundlage für die Kommunikation zwischen Stahlbauer, Tragwerksplaner und Gießerei bildet.

Ast (Länge 300 mm)

Rechts: Die Gussteile werden im 3D-Modell untersucht, so dass jedes Teil Verzweigungspunkt (Schweißlinse)

den ästhetischen Vorgaben an die Verbindung entspricht.

Flanschverbindung Stamm (Länge 300 mm)

Stammfuß (fest)

Belastungssimulationen dienen der Prognose möglicher Versagensarten und der Definition der Stellen, an denen im Gussteil die Stahldicke verstärkt werden muss.

– GUSSTEILE

Das digitale Modell dient als Grundlage für den CAD/CAMProzess, in dem die Form gefertigt wird.

Diese Standbilder aus einem Simulationsvideo verdeutlichen, wie die Stahlschmelze in den Hohlraum der Sandgussform gefüllt wird. Die Kurve zeigt die Temperatur des Metalls. Die Wanddicke der Form hat unmittelbare Auswirkungen auf das Abkühlverhalten des Knotens. Die Abkühlung muss langsam und gleichmäßig voranschreiten, ohne dass sich „Nester“ mit extrem hohen oder niedrigen Temperaturen bilden, die Spannungen im Metall verursachen würden. Die ersten beiden Bilder zeigen das Gießen der heißen Stahlschmelze in die Form, das dritte den Abkühlvorgang.

Jeder Knoten wird in einer detaillierten Werkstattzeichnung dargestellt, um seine Abmessungen exakt vorzugeben und die Abstimmung mit der Fertigung der Verzweigungen aus Stahl­ rohren zu ermöglichen.

– 155

Links: Bei erstmaligem Abheben des Knotenelements aus der Gussform ist seine Oberfläche noch rau. Zur Entgratung und Entfernung von Stahlüberständen sind Korrekturmaßnahmen erforderlich. Rechts: Der Rohling wird vor seiner Grundierung abgeschliffen und poliert. Bei der Grundierung werden die Kanten der Schweißnähte ausgespart.

Zur Begrenzung der Schweißarbeiten wurde jedes Knotenelement in der Werkstatt mit der jeweiligen Ausgangsverzweigung verbunden. Dadurch ergaben sich für die Erwärmung und Endbehandlung kon­ trolliertere Bedingungen. Vor dem Auftragen der Endanstriche waren mehrere Schweißvorgänge mit zusätzlichem Abschleifen und Auffüllen erforderlich. Links: Stahllaschen am oberen Ende der Öffnung dienen der Ausrichtung und Fixierung des anzuschließenden Hohlprofils. Zur Unterfütterung der Schweißnaht dient ein weiteres, innerhalb der Öffnung fixiertes Röhrenstück. Rechts: Der Hauptknotenpunkt mit einer angeschlossenen Verzweigung. Hier sind groß bemessene Fugennähte erforderlich. Auch die Laschen und die innenliegende Röhre sind erkennbar.

Eine provisorische Abstützung ist häufig bei biegesteifen Verbindungen erforderlich, da diese vor dem Abschluss des Schweißvorgangs nahezu keine selbsttragenden Eigenschaften aufweisen. Hier musste eine relativ aufwändige Abstützung zwei Funktionen erfüllen: Abstützung der einzelnen Verzweigungen und Herstellung einer Arbeitsplattform an jedem Knotenelement zur Erleichterung der Montage und für den Zugang zum Schweißen. Links: Der die Baumkonstruktion umgebende Stahlstützrahmen. Es erfolgt gerade ein Hebevorgang mit gepolsterten Anschlagseilen. Rechts: Der Ast der Baumkonstruktion mit dem in der Werkstatt angebrachten Knotenelement wird auf dieser provisorischen gepolsterten Konsole gelagert, während der darunter gelegene Anschluss geschweißt wird.

– GUSSTEILE

Ansicht der aufgehenden Baumkonstruktion als Abstützung des Atriumdaches. Die schräg verlaufenden Äste tragen die Dachlasten über die biegesteifen, gegossenen Knotenelemente nach unten ab.

Zur Lastabtragung dient ein gelenkiger Anschluss am oberen Ende der Verzweigung. Darüber hinaus wird eine ästhetisch ansprechende Schraubverbindung hergestellt.

Der Einbau des letzten Astes der Baumkonstruktion erfordert die Einhaltung enger Toleranzen während des gesamten Fertigungs- und Montageprozesses. Es darf nur minimaler Druck ausgeübt werEin Stahlbaumonteur führt das Rohr an das Knotenelement

den. Um das Bauteil in seine Einbaulage

aus Gussstahl heran. Da der Anschlussbereich nicht grundiert

zu bringen, nutzen die Monteure Ketten-

wurde, wird vor dem Schweißen und der Endbehandlung der Rost

züge, die zur Vermeidung von Beschädi-

entfernt. Danach wird das Knotenelement vor dem Endanstrich

gungen der Röhre gepolstert sind.

grundiert.

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K A PI T E L 11 ---

Z ugbeanspruchte K onstruktionen und R aumfachwerke --Z ugbeanspruchte K onstruktionen ZUGVERBINDER KREUZVERSTREBUNGEN DIFFERENZIERUNG DER EINWIRKENDEN LASTEN IN FACHWERKEN EINFACHE VORDACHKONSTRUKTIONEN KONSTRUKTIONEN MIT SEILVERSPANNUNGEN TENSEGRITY-KONSTRUKTIONEN

R AUMFACH W ER K E NICHTEBENE RAUMFACHWERKE UNREGELMÄSSIGE MODULE

Zugbeanspruchte Konstruktionen aus textilem Gewebe können oft nur mit Hilfe ausgeklügelter Stahlkonst­ ruktionen und -verbindungen gelöst werden. Die aus Glas, Textil und Stahl bestehende Dachkonstruktion des von Helmut Jahn entworfenen Sony Center am Potsdamer Platz in Berlin bildet ein halb umschlossenes öffentliches Forum.

Z ugbeanspruchte K onstruktionen Die hier zugrunde liegende Technologie und Detailausbildung leitet sich von der Takelage großer Segel­ schiffe und ebenso von einfacheren Anwendungen in der Abspannung indigener Zelte her. Bei den von dem Architekten Frei Otto verfolgten experimentellen Bauprojekten der Nachkriegszeit wurde das Potenzial dieser Systeme für architektonische Anwendungen erstmals weitgehend erkundet. Der von Otto entworfene deutsche Pavillon für die Expo 67 entspricht in seinem architektonischen Einfluss dem von Buckminster Fuller konzipierten US-Pavillon für dieselbe Veranstaltung. Das für die Olympischen Sommerspiele in München 1972 von Günter Behnisch und Frei Otto entworfene Olympiastadion stellte zum damaligen Zeitpunkt die umfassendste Anwendung dieser Technologie dar. Im von Günter Behnisch und Frei Otto entworfenen Olympiastadion in München wurden zur Abstützung des aus einem Seilnetz und Acrylglasplatten bestehenden, weitgespannten Zeltdaches groß dimensionierte Masten verwendet.

Gebaute Beispiele, deren Entwurfsidee im Kern auf dem ausgeklügelten Einsatz von Zuggliedern beruht, gibt es erst seit der in den 1970er Jahren aufkommenden High-Tech-Bewegung. Die mit dieser Stilrich­ tung verbundenen freiliegenden Stahlkonstruktionen waren sehr leicht ausgebildet und bestanden zu einem Großteil aus montierten Gelenk- oder Bolzenverbindungen. Dadurch verringerte sich der Anteil von Schweißarbeiten auf der Baustelle zugunsten schneller zu errichtender Konstruktionen mit Schraub­ verbindungen. Der Einsatz von Beton auf der Baustelle wurde minimiert und anstelle von Wandscheiben aus Beton wurden Kreuzstreben eingesetzt. Folgende d rei Hauptfor men zugbea n spr uchter Kon str u ktionen entsta nden i m Zuge der High-Tech-Beweg u n g (siehe Kapitel 5 „Freiliegende Kon str u ktionen“): → Leichtbau-Kreuzverstrebu n gen (Centre Pompidou) zu r Stabilisier u n g → Vorrichtu n g zu r Abstützu n g/Abspa n nu n g größerer ausk ragender Profile (Eissporthalle Ox ford). Diese Kon str u ktion stellt ei ne Abwa ndlu n g ei ner seilverspa n nten Br ücke dar. Dabei ka n n entweder ei n Mast ver wendet werden, oder die Dr uck k räfte werden du rch ei ne benachbarte Kon str u ktion au fgenom men. → Ei n satz von Sta n gen oder Seilen a n stelle von Sta hlprofilen i n nach Lastei nwirk u n gen differenzierten Tragsystemen.

Bei der Abhängung der verglasten Erschließungsröhren von der Frontfassade des Centre Pompidou in Paris ist

Während die Kreuzverstrebung als Mittel zur Stabilisierung der neuartigen, gelenkig angeschlossenen

eine klare Differenzierung der Zug- und

Leichtbau-Rahmenkonstruktionen diente, stellten die zur Schau gestellten Systeme aus Masten und

Druck­g lieder an den unterschiedlichen

Abspannungen ein alternatives Verfahren der Abstützung von auf Biegung beanspruchten Bauteilen dar, wie Träger, Binder und Kragbalken. In der von Nicholas Grimshaw konzipierten Eissporthalle von Oxford dient die Mastkonstruktion als mittige Abstützung der Träger zur stützenfreien Überspannung der Eisfläche. Im Centre Pompidou unterstützen die auf Zug beanspruchten Tragglieder die Abhängung der verglasten Erschließungsröhren von der Rahmenkonstruktion auf der Vorderseite des Gebäudes. In nach der jeweiligen Lasteinwirkung differenzierten Tragsystemen muss die Lage der Zugglieder so bestimmt werden, dass die Leichtigkeit der Stangen oder Seile vorteilhaft genutzt wird. Für Druckglieder werden dagegen schwerere Profile verwendet, die einen optischen Kontrast bilden. Diese Tragsysteme sind am einfachsten in Verbindung mit Fachwerkträgern einsetzbar, deren Komponenten in der Regel lediglich axiale Lasten aufnehmen sollen. Meist ist der Untergurt eines Einfeldträgers auf Zug bean­ sprucht, so dass das hierfür ausgewählte Tragglied keine Druckkräfte aufnehmen muss und schlanke Bauteile, zum Beispiel Stangen, anstelle der üblichen Hohl- oder W-Profile verwendet werden können. – ZUGBEANSPRUCHTE KONSTRUKTIONEN UND RAUMFACHWERKE

Durchmessern ablesbar.

Für diese frühen zugbeanspruchten Konstruktionen wurde ein ganzes Vokabular an spezialgefertigten Verbindungselementen zur Sicherung von Abspannungen entwickelt. Stangen finden sich häufiger in architektonischen Anwendungen, Seile häufiger an Brücken. Bei in jüngerer Zeit errichteten Gebäuden begann man mit der feineren Ausdifferenzierung der Anwendung von Zuggliedern, wodurch die unter­ schiedlichen Lasten hervorgehoben wurden. ZUGVERBINDER Verbindungen für die Befestigung von Zuggliedern an sichtbaren Stahlkonstruktionen können entwe­ der eigens geplant und gefertigt werden, oder es können Standardlösungen gewählt werden. Bei der Planung von Zugverbindern sind vier Hauptgesichtspunkte zu beachten: → Die Verbi ndu n gselemente bilden i n der Regel gelen kige A n schlüsse u nd kön nen da her kei ne Momente übertragen.

→ Die Sta n gen oder Seile weisen üblicher weise klei ne Du rch messer au f u nd si nd sicher zu befestigen, u m ei n Ausreißen au fgr u nd der Zugbelastu n g zu verhi nder n.

→ Die A rt des gewä h lten Verbi ndu n gselements u nterscheidet sich je nach Ver wendu n g: Sta n gen kön nen bea rbeitet u nd mit ei nem Gewi nde versehen wer den, was bei Seilen nicht möglich ist.

→ Die Systeme werden nor maler weise schlaff errichtet u nd müssen festgezogen werden kön nen, u m sie zu sicher n, zu spa n nen u nd lotrecht auszu richten.

Heute werden viele Zugverbinder kostengünstig aus Gussstahl massengefertigt, da die Nachfrage relativ hoch ist. Hier und in Kapitel 10 „Gussteile“ wird eine breite Palette verfügbarer Anschlüsse und Verbindungselemente vorgestellt. KREUZVERSTREBUNGEN Bei modernen Bauverfahren werden Zugglieder am häufigsten als Leichtbau-Kreuzverstrebung eingesetzt. Die Stahlrahmenkonstruktion übernimmt insbesondere in zusammengesetzten oder in Stahlskelettbauweise errichteten Gebäuden lediglich die Abtragung von horizontalen und vertikalen Lasten durch die Verbindungen. Diese werden als Gelenke oder Scharniere bezeichnet – nicht weil sie wie Scharniere an einer Türzarge erscheinen, sondern weil sie nicht über die Steifigkeit verfügen, die zur Aufnahme von Biegebeanspruchungen erforderlich wäre. Wenn ein Gebäude aus einem recht­ winkligen Rahmen besteht und keine Dreiecksformen aufweist (die in sich biegesteif sind), dann ist zur Stabilisierung des Gebäudes eine Aussteifung hinzuzufügen. Bei einfacheren Anwendungen von nicht sichtbarem Baustahl übernehmen dies häufig Wandscheiben aus Beton. Auch können große Stahltafeln verwendet werden. Jedoch mussten andere Mittel gefunden werden, als in der HighTech-Architektur der Einsatz von Beton minimiert werden sollte, um die Flexibilität von Gebäuden langfristig zu erhöhen.

Die vollständig verglaste Fassade des von Koch und Partner geplanten Flughafens

Die paarweise angeordneten Kreuzstreben sind regelmäßig in die Vorder- und Rückseiten

in München wurde mit Hilfe von leichten Kreuzverstrebungen biegesteif ausgebildet.

der Anschlüsse eingearbeitet. Die ankommenden Stangen verfügen über Gewinde zur Verbindung mit den Gussteilen, welche wiederum von einem runden Stahlelement aufgenommen werden, dessen Durchmesser der geometrischen Auflösung angemessen ist. Schlank ausgebildete Spannschlösser an den Stangen ermöglichen die Spannung der Streben.

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Das Prinzip dieser Art der Verstrebung beruht auf der Triangulation des Tragsystems. Dabei übernimmt stets nur eine Hälfte der Strebe die beabsichtigte Funktion. Bei Bewegungen des Gebäudes wegen einwirkender Windlasten dienen die Zugglieder der Triangulation der Rahmenkonstruktion. Bei der Verlagerung der Lasteinwirkung mit entsprechendem Richtungswechsel wird die andere Strebe belas­ tet, während die ursprünglich belastete Stange entlastet wird. Für den Anschluss der Endpunkte der Streben an die Rahmenkonstruktion sind ebenso wie für ihren Kreuzungspunkt in der Mitte geeignete Details herauszuarbeiten. Zugverbinder sind schlaff zu montieren und nachfolgend in ihrer Einbaulage zu spannen.

Dieser einfache ringförmige Anschluss am Kant-Dreieck in

Damit die Durchmesser der Aussteifungen schlank gehalten wer-

Berlin, entworfen von Josef Paul Kleihues, aus verzinktem Stahl

den konnten, wurden zwei Arten von Stangen verwendet, die über

befindet sich am Mittelpunkt einer Kreuzstrebe. Die Gewinde der

spezielle Befestigungspunkte miteinander verbunden wurden,

Stangen und der Schrauben ermöglichen eine feste Verspannung

welche durch die Führung der Stangen durch Röhren und eine

der Stangen.

Verschraubung auf der Außenseite hergestellt wurden.

Für die außen angeordneten Verstrebungen wurde eine leichte Stangenkonstruktion zur Aussteifung des Gittertragwerks aus runden Hohlprofilen verwendet.

Diese leichten Aussteifungen dienen der Stabilisierung der

Groß dimensionierte Aussteifungen aus Breitflanschprofilen

Trennwände der beiden Bürobereiche im Ausstellungsfoyer von

dienen der Verstärkung der Außenwand des von KPMB Architects

Tate Snyder Kimsey Architects in Las Vegas. Die physische

entworfenen Quantum Nano Centre der University of Waterloo,

Trennung wird durch die verglaste Verbindung hervorgehoben,

Ontario. Dieses Geschoss wird nicht verglast, und das Raum-

wobei die leichten Kreuzstreben aus verzinktem Stahl ein

programm mit den Labors erfordert zusätzliche konstruktive

architektonisch interessantes Detail hinzufügen.

Schutzmaßnahmen.

Aussteifungen sind nicht immer leicht ausgebildet. In einigen Fällen werden recht schwere Bauteile eingesetzt, insbesondere bei nicht sichtbaren Stahlkonstruktionen. Eines der möglichen Probleme bei Aussteifungen, die über die gesamte Rahmenkonstruktion verlaufen, besteht in der Behinderung der Raumerschließung und der freien Sicht auf den Außenbereich. Größer dimensionierte Streben aus schwereren Stahlprofilen sollten daher selektiv an wichtigen Stellen des Gebäudes eingesetzt werden, so dass eventuelle Beeinträchtigungen der Raumplanung auf ein Mindestmaß reduziert werden.

– ZUGBEANSPRUCHTE KONSTRUKTIONEN UND RAUMFACHWERKE

Kreuzverstrebungen werden auch bei erdbebensicheren Bauwerken eingesetzt und entweder in der Entwurfsplanung oder im Zuge der Modernisierung hinzugefügt.

Das Bennett Building in Salt Lake City, Utah verwendet Kreuzverstrebungen als festen Bestandteil der Rahmenkonstruktion zur Erdbebensicherheit. Die Streben aus runden Hohlprofilen wurden auf der Erdgeschossebene als dekoratives Element sichtbar belassen und in den Obergeschossen hinter der Verglasung angeordnet. Für die erdbebensichere Ertüchtigung zeichnen GSBS Architects verantwortlich.

Kreuzförmig angeordnete Zugglieder zur Verstärkung der Konstruktion können im gesamten Gebäude zur Aufnahme von horizontalen und vertikalen Schubkräften integriert werden.

Das von Peter Busby and Associates konzipierte Bürogebäude der APEGBC (Association of Professional Engineers and Geoscientists of British Columbia) in Vancouver wirkt mit seiner Glaskonst­r uktion trotz der erforderlichen erdbebensicheren Bemessung sehr leicht. Spezielle Stahlstreben dienen zur Abstützung der außenliegenden Sonnenblenden.

Oben: Zur zusätzlichen Stabilisierung dienen Zugstangen in Verbindung mit einigen an der Decke angeordneten dekorativen „Segeln“. Kurze Druckglieder dienen zur Verlagerung des zentralen Anschlusspunktes der Stangen von der Unterseite der Trapezbleche nach unten, so dass eine fachwerkträgerartige Wirkung entsteht. Rechts: Für den zentralen Verbindungspunkt wurden klein dimensionierte, runde Hohlprofile eingesetzt. Eine am Endpunkt angeordnete Schraubverbindung dient sowohl der Befestigung der Stangen als auch der Einstellung ihrer Spannung.

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DIFFERENZIERUNG DER EINWIRKENDEN LASTEN IN FACHWERKEN Die Schlankheit der Zugglieder kann für die Herstellung eines Kontrastes zu der erforderlichen gedrun­ genen Form der Druckglieder genutzt werden. Dies gilt keineswegs nur für ausgeklügelte Vordachkonst­ ruktionen, sondern auch für die Auswahl von Bauteilen. Beim Entwurf von Fachwerkträgern können beispielsweise für die Zugglieder sehr schlanke Bauteile geplant werden.

Links: Bei diesem extrem leichten Sprengwerk im von Charles Correa entworfenen Picower Building des MIT in Boston, Massachusetts, erfolgt eine klare Differenzierung der einwirkenden Druck- und Zugbeanspruchungen des Trägers, indem für die Druckglieder schwerere Stahlbauteile mit rundem Querschnitt eingesetzt werden. Rechts: Die Zugglieder sind an die Basis der Hängesäule angeschlossen und paarweise angeordnet. Da ein Knicken ausgeschlossen ist, werden die Lasten im Verhältnis der Querschnittsfläche des Bauteils aufgenommen. Anstelle eines massigeren Elements können mehrere schlanke Bauteile vorgesehen werden.

Links: Für das modifizierte Sprengwerk des von SOM Architects entworfenen Pearson International Airport in Toronto wurde als Obergurt ein gebogenes Breitflanschprofil verwendet, für den Untergurt paarweise angeordnete Stangen. Rechts: Die Gestaltung der Bauteilanschlüsse kann eine Differenzierung nach den einwirkenden Lasten anstreben. In dieser Halle des Pearson Airport wird die einwirkende Last über die an das untere Ende der Hängesäule angeschlossene Rolle auf die Zugstangen übertragen. Am Träger sind Stegblechaussteifungen montiert, die das Bauteil an wichtigen Lastangriffspunkten verstärken.

Links: In der Fachwerkkonstruktion im von Paul Andreu konzipierten Terminal 1 des Flughafens Pudong in Shanghai bilden Zugstangen den Untergurt der das Terminal stützenfrei überspannenden Träger. Rechts: Die Verbindung zwischen dem unteren Zuggurt und den einzelnen Druckgliedern des Fachwerkträgers ist in diesem Fall recht innovativ gelöst, indem eine Stahl„kugel“ zur Ausfluchtung der Bauteile dient.

– ZUGBEANSPRUCHTE KONSTRUKTIONEN UND RAUMFACHWERKE

Bei diesem neuartigen Sprengwerk des von Helmut Jahn entworfenen Kempinski-Hotels

Die Dachkonstruktion für das Atrium zeigt eine klare Differenzierung der Druck- und

am Flughafen München wurde als Druckglied ein gebogener Obergurt aus Baustahl ein-

Zugglieder. Für die Befestigung der Stangen am Obergurt wurden Zugverbinder eingesetzt.

gesetzt. Für die mittig angeordnete Hängesäule wurde ein rundes Hohlprofil verwendet.

Sprengwerke müssen nicht immer in herkömmlicher Ausrichtung geplant werden. Die Trägerkonst­ ruktion kann umgekehrt oder auf der Rückseite der Gebäudehülle angeordnet werden, so dass nicht mehr nur vertikale Lasten abgetragen werden, sondern die Form des Bauteils durch Überspannen stabilisiert wird.

Oben: Die zugbeanspruchte Fachwerkkonstruktion unterstützt die gebogenen Träger bei der Lastabtragung. Sie ist innen und außen am Dach der Bahnhofshalle montiert; das Foto zeigt die Außenseite im unteren Teil des Daches. Dabei kontrastieren leichte Kreuzstreben aus Stahl und äußere Zuggurte mit den schwereren Profilen, die für die Druckglieder und Gurte der Hauptkonstruktion verwendet wurden. Links: Die Formensprache der Stahlbauteile des Hauptbahnhofs in Berlin, entworfen von Gerkan, Marg und Partner, setzt die Leichtigkeit der zugbeanspruchten Träger in Kontrast zu den schweren Stahlbauteilen der orthogonalen Bügelbauten.

Die Vordachkonstruktion unter der Grande Arche von La Défense in Paris wurde gemeinsam von Johan Otto von Spreckelsen, Paul Andreu und Erick Reitzel entworfen. Die regelmäßig angeordneten Textilelemente werden durch eine Reihe von Seilen in ihrer Lage aufgespannt, die das Vordach mit dem Gebäude und der Plattform verspannen. Eine Konstruktion aus Streben und Seilen bildet eine Reihe sehr leichter Träger, die entlang des Vordaches angeordnet sind und seine Geometrie verändern. Diese Träger bestehen aus einer Reihe von Zuggliedern sowie Füllstäben aus Hohlprofilen mit rundem Querschnitt, die Druckbeanspruchungen aufnehmen können und das Textildach aufspannen.

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Die zentrale, röhrenförmige Hängesäule zur Aufnahme von

Die Geometrie der Basis der zentralen Säule muss so gestaltet

Drucklasten im von Helmut Jahn entworfenen Sony Center in

sein, dass sie die Anschlüsse mehrerer einmündender Seilbefes-

Berlin dient der Trennung der zugbeanspruchten Konstruktion,

tigungen aufnehmen kann. Die an die zentrale Säule angeschlos-

die das geneigte „Kuppel“dach bildet, von den Abspannseilen,

senen Bleche mussten so dünn sein, dass sie einen Zugang für

die mit dem den äußeren Verlauf des Bauwerks definierenden

die Verschweißung ermöglichten. An den Anschlussstellen der

dreidimensionalen Ringbalken verbunden sind.

Stangen ist der Stahl verdickt, so dass zusätzliches Material zur Verhinderung des Ausreißens vorhanden ist. Die das Glasdach des TGV-Bahnhofs am Flughafen Charles de Gaulle in Paris (gemeinsamer Entwurf des Architekten Paul Andreu und des Ingenieurs Peter Rice von RFR) abstützenden Bogensehnenträger zeigen eine eindeutige Umkehrung der Anordnung des Zug- und Druckgurtes des Trägers. Bei dieser Konstruktion wird der doppelte Untergurt aus runden Hohlprofilen auf Druck beansprucht, der Obergurt dagegen auf Zug. Der Träger ist am oberen Zuggurt aufgelagert, so dass er wie abgehängt erscheint.

Für den Entwurf von Trägern gibt es zahlreiche Varianten, die sich der Fähigkeit von Stahl zur Aufnahme von Zugkräften bedienen. Nicht alle lassen sich einfach klassifizieren. Wichtig ist ein gutes Verständnis für die auf den Träger einwirkenden Druck- und Zugkräfte und deren Verifizierung durch einen stati­ schen Nachweis. Dabei dürfen Druckbeanspruchungen ausschließlich auf schlanke Bauteile einwirken.

Die diagonal angeordneten Träger an der Außenfassade des von

Am Burj Al Arab wurden die Anschlussbleche für die Zugglieder

Atkins Architects entworfenen Burj Al Arab in Dubai sind zur

auf ein Mindestmaß beschränkt, so dass sie aus größerer Entfer-

Aussteifung mit auf Zug beanspruchten Kreuzstreben versehen.

nung nahezu unsichtbar sind. Die Abmessungen der Verbindungslaschen müssen jedoch weiterhin so dimensioniert sein, dass sie Schubkräfte zur Verhinderung des Ausreißens aufnehmen können und zwischen den Bohrungen am zentralen Verbindungselement ausreichend Stahl bieten.

– ZUGBEANSPRUCHTE KONSTRUKTIONEN UND RAUMFACHWERKE

EINFACHE VORDACHKONSTRUKTIONEN Im 19. Jahrhundert wurden zugbeanspruchte Konstruktionen zur Abstützung von Vordächern eingesetzt. Nach der Erfindung des Bessemer-Verfahrens ergab sich durch die neuen Eigenschaften des Stahls eine erhebliche Erhöhung der Zugfestigkeit. Eines der wichtigsten, bis heute bestehenden konstruktiven Probleme beim Entwurf dieses Tragsystems ist die Gewährleistung einer ausreichenden Verbindung mit der Hauptkonstruktion des Gebäudes, so dass ein Herausziehen der Befestigungsmittel verhindert wird. In kalten Klimazonen kann dies zu Problemen führen, da hierdurch in der Regel Wärmebrücken entstehen. Die Wärmeleitfähigkeit kann auf ein Mindestmaß beschränkt werden, indem paarweise angeordnete Stahlbleche vorgesehen werden, die mit durch die Dämmschicht verlaufenden Schrauben verbunden sind. Dabei beeinflusst die Geometrie des Zugverbinders die Größenordnung der Last, die abzutragen ist. Je kleiner der Stützwinkel, desto höher die auf das Seil oder die Stange einwirkende Last. Diese Wirkung entsteht aus der Aufteilung des Eigengewichts in seine X- und Y-Komponente. Bei einfachen Vordachkonstruktionen ist in der Regel keine zusätzliche Seilverspannung zur Verhinderung von Seit­ wärtsbewegungen erforderlich, da das abgestützte Vordach selbst biegesteif ist und nur geringe Wind­ lasten aufnimmt.

Oben: Über dem Eingang des Bürogebäudes in Las Vegas, Nevada, von Tate Snyder Kimsey Architects verbindet eine Hängekonstruktion das Dach mit der Tragkonstruktion des Gebäudes. Das Vordach ist über und unter den auskragenden Trägern abgespannt; hierdurch wurden die Stahlträger auf innovative Weise ausgesteift. Zur Anpassung der Länge/ Spannung sind die Stangen in ihrer Mitte mit Spannschlössern versehen. Rechts: Für das schwere Stahlvordach der von Patkau Architects entworfenen Clay and Glass Gallery in Waterloo, Ontario, wurden Stahlstangen verwendet, die durch die Ziegelverblendung hindurch an die Haupttragkonstruktion angeschlossen sind. Die horizontalen Träger sind an ihren rückwärtigen Enden durch Stahlstreben abgestützt, um die statisch wirksame Länge der Auskragung zu verringern.

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KONSTRUKTIONEN MIT SEILVERSPANNUNGEN Seilbrücken dienten als Vorbild für die Übertragung dieses Tragsystems auf Anwendungen im Hochbau. Die Grundelemente umfassen den vertikalen Mast (Druckglied), die Abspannungen (Seile oder Stangen) sowie die Verankerungen für die Anschlüsse am oberen und unteren Ende. Bei Brückenbauwerken besteht in der Regel ein Gleichgewicht der an der oberen Verbindung angreifenden Lasten, so dass auf jeder Seite des Mastes eine gerade Zahl von Abspannungen mit identischer Beanspruchung vorhanden ist. Die Verbindung am oberen Ende muss eine ausreichende Festigkeit aufweisen, um ein Herausziehen der Abspannung aus dem Mast zu verhindern. Ebenso muss die Verbindung am Fuß der Abspannung Ausziehkräfte aufnehmen können.

Links: Für die Poplar Station des Dockland Light Railway (DLR) in London wurde zur Aufhängung eine Konstruktion mit Seilverspannung gewählt. An beiden Enden ist der Übergang an eine Verbindungstreppe angeschlossen, die Seile sind an einem Tragsystem darunter befestigt. Die Konstruktion muss eine ausreichende Steifigkeit aufweisen, so dass sie sich zwischen den Trag„schlingen“ aufspannen kann. Rechts: Die Ausbildung des oberen Endes des druckbeanspruch­ ten Mastes, der aus runden Hohlprofilen gefertigt wurde, verdeut­ licht das durch die Anschlüsse geschaffene Lastengleichgewicht. Die fächerartigen Aufnehmer bieten neben den Seilanschlüssen ausreichend Material zur Abtragung der Lasten und zur Erfüllung der physikalischen Erfordernisse der Verbindung.

Konstruktionen mit Seilverspannungen müssen nicht symmetrisch ausgebildet sein. Das entstehende Ungleichgewicht kann durch die Neigung des oder der Masten in Verbindung mit dem Lastenausgleich auf beiden Seiten des Mastes kompensiert werden. In manchen Fällen kann die Masse des Mastes selbst zum Ausgleich einer außermittig einwirkenden Last dienen. Solche Tragsysteme ermöglichen die Abtragung relativ ungleich verteilter Lasten, wenn das Material in der erforderlichen Dicke oder dem gewünschten Gewicht keine selbsttragenden Eigenschaften über einen gewissen Abstand hinweg aufweist. Links: Das verglaste Vordach des von Cesar Pelli geplanten Aria Hotel im Stadtzentrum von Las Vegas verfügt über einen nach hinten geneigten Mast, von dem sich die groß bemessene, gewölbte Glaskonstruktion aufspannt. Hierbei werden die horizon­ talen, vorspringenden Tragglieder zusätzlich durch große Hohl­ profile mit Verspannung am Mast sowie durch kleinere Zuganker aus Edelstahl getragen. Die auskragenden Bauteile sind darüber hinaus mit der Dachkonstruktion verbunden. Rechts: Die aufgehenden Masten und vorspringenden Träger­ elemente bestehen aus einer Reihe von sorgfältig gefertigten Blechen, die miteinander verschweißt wurden, um einen Verbund­ querschnitt herzustellen. Darüber hinaus wurden als Abstand­ halter Stahlprofile eingefügt. Windverbände verbinden die Haupt­

Fachwerkträger können auch für die Aufnahme von Drucklasten bemessen werden.

stützen miteinander und erhöhen die Tragkraft der kleineren

Dieses Vorgehen wird häufig gewählt, wenn ein Turm- oder Mastelement eine seilver-

runden Hohlprofile, von denen das Glasvordach abgehängt ist.

spannte Dachkonstruktion abstützen muss. Der Vorteil der Stabilisierung des Mastes mittels Seilen besteht in der Möglichkeit der Ausbildung des Grundanschlusses des Mastes als gelenkige Verbindung. Dadurch kann die Gesamtkonstruktion leichter gestaltet und der Bauablauf vereinfacht werden.

– ZUGBEANSPRUCHTE KONSTRUKTIONEN UND RAUMFACHWERKE

Bei der Vordachkonstruktion im Ein­ gangsbereich über der Zufahrtsstraße zum Internationalen Flughafen in Beijing dient eine Fachwerkstütze als druckbeanspruch­ ter Mast.

Die aus Glas und textilem Gewebe bestehende Vordachkonstruktion des Flughafens München stützt sich auf dreiecksförmige druckbeanspruchte Masten, die aus runden Hohlprofilen bestehen und der Abhängung der Dachkonstruktion dienen.

Die drei Hohlprofile des Fachwerkmastes wurden an seinem Fuß in eine einzige Die Masten sind mit den benachbarten Gebäuden über paarweise angeordnete Zugstan­ gen verbunden, die der Konstruktion Stabilität verleihen.

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gelenkige Verbindung überführt. Die Schweißungen wurden sehr sorgfältig ausgeführt, die Vorsprünge der Nähte wurden nicht abgeschliffen oder verdeckt.

TENSEGRITY-KONSTRUKTIONEN Eine der innovativsten Anwendungen von zugbeanspruchten Stahltragwerken besteht in der Planung von Tensegrity-artigen Konstruktionen, die ein Gleichgewicht zwischen Zug- und Druckgliedern anstreben, so dass Druckglieder ausschließlich durch Zugglieder miteinander verbunden werden. Für die Phoenix Public Library wurde eine Konstruktion realisiert, die das Dach auf der obersten Geschoss­e bene abstützt. Hierbei wurde ein netzartiges System installiert, das einer Tensegrity-Konstruktion ähnelt und in Verbindung mit runden Hohlprofilstreben die Abtragung der Lasten vom Dach auf die darunter angeordneten Betonstützen gewährleistet. Diese zugbeanspruchte Konstruktion ermöglicht eine optische und weitestgehend auch konstruktive Trennung des Daches von den aus Beton bestehenden Hauptstützen.

Die von Lord Snowdon im Jahr 1964 konzipierte Voliere des Zoos von London wurde als modifizierte Tensegrity-Konstruktion realisiert. Die druckbeanspruchten dreieckigen Rahmen stellen einen Abstand zwischen einer Reihe von Seilen her, von denen das Drahtgeflecht abgespannt ist.

Links: An der Fassade der von Will Bruder geplanten Phoenix Public Library in Arizona befindet sich eine zugbeanspruchte Sonnenschutzkonstruktion aus textilem Gewebe. Deren Leichti­­g­ keit kontrastiert mit der relativen Massivität der Seitenwände und ermöglicht die Steuerung des Tageslichteinfalls und der solaren Gewinne in dem sehr heißen, trockenen Klima. Rechts: Eine zugbeanspruchte Konstruktion dient zur Trennung der oberen Enden der verjüngten Betonstützen von der Untersicht der Stahlrahmenkonstruktion des Daches. Für die Zugglieder wurden Seile, für die vertikalen Druckglieder runde Hohlprofile verwendet.

Links: Zur Durchbildung der Zugglieder dient eine relativ einfache Ausführung der Verbindungen. Die Seile sind über klein bemessene Klemmen mit den oberen Enden der aus Hohlprofilen bestehenden vertikalen Druckglieder verbunden. Rechts: Am Fuß der Strebe wurde ein ähnliches Verfahren für den Anschluss gewählt, wobei das Seil durch Klemmen fixiert wird, so dass Schlupf unter Volllast vermieden wird.

– ZUGBEANSPRUCHTE KONSTRUKTIONEN UND RAUMFACHWERKE

Diese Netzskulptur von der Künstlerin Janet Echelman mit dem Titel „Her Secret is Patience“ schwebt über einem Park im Stadtzentrum von Phoenix, Arizona. Die Konstruktion besteht aus einem Mast und Abspannungen und bedient sich eines modifizier­ ten Tensegrity-Prinzips.

Anschluss eines großen Mastes an seinem Fuß. Die Gelenkverbin­ dung wurde aus schweren Stahlblechen hergestellt. Kleine Drei­ ecksbleche sind an die Verbindung angeschweißt, um zusätzliche Biegesteifigkeit zu gewährleisten. Die drei durch die Verbindung geführten Schrauben wurden mittels Schweißung fixiert, so dass Manipulationen verhindert werden.

Die Seilabspannung wird mit dem abgebildeten Anschlussstück

Eine der großen Herausforderungen besteht bei einer solchen

aus Gussstahl realisiert, das an ein Blech anschließt, welches

Konstruktion in der Entwicklung eines Verständnisses des

eine kleinere Variante des größeren Mastfußes darstellt.

korrekten Montageablaufs, da der Hauptmast bzw. die Druck­ glieder an ihrem Fuß gelenkig gelagert und geneigt sind.

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R AUMFACH W ER K E Als Urheber der Raumfachwerke wird Buckminster Fuller betrachtet. Diese Konstruktionen wurden erstmalig in den 1950er Jahren auf experimenteller Grundlage für Bauwerke eingesetzt. In den 1960er und 1970er Jahren wurden sie für Gebäudetypologien wie Kongresszentren, Messehallen, Flughäfen und andere eingeschossige Bauten genutzt, die eine weite stützenfreie Überspannung erforderten. Danach wandte man sich zunehmend spezialgefertigten, sichtbaren Stahlkonstruktionen zu. Bei einigen jüngst realisierten Projekten wurden erneut Raumfachwerke geplant, wobei man sich ihren modularen Aufbau, die rasche Montage und die Möglichkeit der maßgeschneiderten Anpassung zunutze machte. Raumfachwerke sind in der Regel patentgeschützte Konstruktionen, die aus einer Reihe gerader Stahlbauteile bestehen, die auf einfache Weise über spezialgefertigte Kugelgelenke miteinander verbunden sind. Aus Stabilitätsgründen beruht die Konstruktion auf einem Dreiecksraster. Ähnlich wie bei Fachwerkkonstruktionen sind Lasten über die Knotenpunkte abzutragen, um eine ausschließlich axiale Beanspruchung zu gewährleisten. Ein Raumfachwerk kann etwa das 6- bis 36-fache der Länge des Moduls überspannen sowie bis zu einem Viertel seiner Spannweite auskragen.

Das Tragsystem für das ausgedehnte Glasdach des Gerichtsgebäudes in Vancouver,

Die Entscheidung, die Verbindungen ausschließlich zu schweißen, veränderte das Erschei­

British Columbia, entworfen von Arthur Erickson, ruht auf einem spezialgefertigten

nungsbild, die Montagedauer und die Gesamtkosten des Gerichtsgebäudes. Angesichts des

Raumfachwerkträger aus Stahl, der aus runden Hohlprofilen besteht. Alle Verbindungen

Gebäudetyps und des hochkarätigen Projekts erscheint dies aber gerechtfertigt.

sind geschweißt. Die Lasten werden über umgekehrt pyramidenförmige Abstützungen auf die Rahmenkonstruktion aus Beton übertragen, so dass sich die Spannweite zwischen den Stützen wesentlich verringert. Diese Form der pyramidenförmigen Abstützung wird häufig als Mittel zur Verkürzung der Spannweiten genutzt.

Für den Baltimore Washington International Airport in Maryland wurde zur Abstützung

An den Knotenpunkten kann eine große Zahl von ankommenden Bauteilen zusammenge­

der Wände und des Daches ein Raumfachwerk eingesetzt.

führt werden.

– ZUGBEANSPRUCHTE KONSTRUKTIONEN UND RAUMFACHWERKE

NICHTEBENE RAUMFACHWERKE Raumfachwerke oder räumliche Gittertragwerke müssen nicht in einer Ebene angeordnet sein. Möglich ist der Entwurf ausgedehnter dreidimensionaler Konstruktionen zur Herstellung einer Vielzahl von Formen – von Stützen- bis zu Dachkonstruktionen. Gebogene bzw. gekrümmte Formen deuten auf ungleichmäßigere Bauteillängen hin, so dass die Ausführung komplexer ausfällt als bei einem rechtwinkligen Tragsystem. Am Gebäude der von Foster + Partners entworfenen Philologischen Bibliothek der Freien Universität Berlin dient ein gewölb­ tes Raumfachwerk zur Herstellung einer zweischichtigen Gebäudehülle, die das Innenraumklima beeinflusst. Einer der Vorteile des Raumfachwerks bestand in der Möglichkeit der kostengünstigen Her­ stellung der ovalen Form. Darüber hinaus ist diese Konstruktion sehr leicht, so dass sich das Eigengewicht des Bauwerks redu­ ziert. Für die angestrebten transluzenten Eigenschaften war die minimale Dichte der leichten Hohlprofile von Vorteil.

Blick durch die Innenverglasung auf das Raumfachwerk. An diesem Verbindungs­ punkt ist die Eckausbildung eines der zu öffnenden Fensterflügel der Gebäudeau­ ßenhaut ablesbar, die der natürlichen Hinterlüftung der Doppelfassade dient.

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Di Stahlkonstruktion ist nur teilweise freiliegend, da innen und außen an der zweischichtigen Gebäudehülle transparente Tafeln montiert wurden.

– ZUGBEANSPRUCHTE KONSTRUKTIONEN UND RAUMFACHWERKE

Links: Für den Themenpark Ferrari World in Abu Dhabi, entworfen von Benoy Architects, konnte aufgrund der Größe der 205.000 m² messenden Dachkonstruktion nur auf ein Raumfach­ werk zurückgegriffen werden. Rechts: Die Dachkonstruktion wird zum Teil durch gekrümmte rechteckige Gittermasten gestützt, die aus demselben System patentgeschützter Teile gefertigt wurden.

Links: Groß dimensionierte, verjüngte Hohlprofilstützen nehmen die Last des Raumfachwerks der Dachkonstruktion auf. Der Fuß­ punkt der Stützen weist eine Verbindungslösung auf, die vier Bauteile gleichzeitig aufnimmt. Zur Herstellung gelenkiger Anschlüsse sind an den Fußbereich der abgewinkelten Stützen Laschen angeschweißt. Rechts: Im dreidimensionalen Gittertragwerk gewährleisten her­ kömmliche Kugelgelenke den Anschluss der runden Hohlprofile. Die Lasten werden auf große, geneigte Hohlprofil-Rundstützen abgetragen. Die Lastübertragung findet stets an einem Knoten­ punkt statt; so wirken auf die Rahmenkonstruktion ausschließlich axiale Lasten ein. Die Bedachung aus Stahltrapezblechen ruht auf Trägern, die wiederum die Last an den Knotenpunkten auf die Rahmenkonstruktion übertragen.

Links: Ein ausgedehntes, doppelt gebogenes Raumfachwerk bildet die Dachkonstruktion des Terminalgebäudes am Beijing Inter­ national Airport, entworfen von Foster + Partners und ARUP. Das modulare System beruht auf einer Einheitsgröße von 4,5 m, wobei 76.924 einzelne Bauteile über 18.262 Anschlüsse miteinander verbunden wurden. Angesichts der engen Zeitplanung mit Blick auf die Eröffnung zu den Olympischen Spielen von 2008 bot sich diese Konstruktion im Gegensatz zu einem herkömmlichen geschweißten oder verschraubten Trägersystem an, da sie ein Höchstmaß an Vor­ fertigung und eine kürzere Montagezeit ermöglichte. Die Stahlhohl­ stützen verjüngen sich in Richtung des Daches. Sie verfügen über eine jeweils separate Schwingungsdämpfung zur Erdbebensicherheit. Die maximale Breite des Terminals beträgt 800 m. Rechts: Die für das Projekt gewählte architektonische Formensprache verbindet an der äußeren Glasfassade im Passagier-Entladebereich auf geschickte Weise drei Stahlkonstruktionen. Die Stahlhohlstützen mit einem Durchmesser von 2 m tragen die Raumfachwerkkonst­r uktion des Daches. Die sauber verschweißten und behandelten sichtbaren Träger nehmen die auf die Vorhangfassade einwirkenden Windlasten auf. Durch die Detailausbildung entsteht auf Ebene der Decke ein nahezu nahtloser Übergang zwischen Innen- und Außenbereich. Unten: Die Lade-/Entladezone für Reisende wird überspannt von einer weit auskragenden, sich über die gesamte Länge des Terminals erstreckenden Vordachkonstruktion. Das Raumfachwerk nimmt diese Auskragung auf einfache Weise auf, da die Lasteinwirkungen innerhalb der Konstruktion verteilt werden. Dadurch entsteht ein sehr biegesteifes System, dessen Durchbiegung geringer ist als bei einem üblichen Fachwerkträger, der sich in lediglich eine Richtung aufspannt.

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Für das Eden Project wurde eine Verbindung aus geodätischer Kuppel und Raumfachwerk geschaffen. Drei Kuppeln verschiedener Größe bilden miteinander verbunden eine Reihe von klimatisierten Gewächshäusern. Die Grundkonstruktion besteht aus sechseckigen Einheiten anstelle der kleineren gleichschenkligen Dreiecke, wie sie typischerweise von Buckminster Fuller geplant wurden. Die Masten und Knotenpunktelemente wurden in der Werkstatt vorgefertigt und als Flachstahlteile zur Endmontage auf die Baustelle transportiert. Für die Errichtung der Kuppeln mit einem Durchmesser von 125 m und einer Höhe von 60 m war ein großes Baugerüst zu stellen. Aufgrund ihrer Dauerhaftigkeit und hohen Durchlässigkeit für das Sonnen­licht wurde eine ETFE-Außenhaut gewählt.

Die Stahlkonstruktion des von Nicholas Grimshaw geplanten Eden

Der Außenbereich zeigt die Kissenform der ETFE-Außenhaut,

An den Anschlusspunkten der Kuppeln waren größere Fachwerk­

Project in St. Austell, England, ähnelt dem für die Realisierung

die an den Rändern jedes Segments zusammengedrückt und in

bögen erforderlich, um die Bauwerksgeometrie aufzulösen und die

von Raumfachwerken verwendeten Bausystem. Die relative Größe

dessen Mitte nach außen gewölbt ist.

Konstruktionen zu stabilisieren.

der Stahlröhren und Stangen ist im Vergleich zu den kleineren Bauteilen sichtbar, die auf der Innenseite die dreidimensionale Aussteifung herstellen. Die Leitungskanäle für u. a. die Belüftung zur Aufrechterhaltung des Drucks in der Bauwerkshülle sind eng am sechseckigen Stahlraster entlanggeführt.

UNREGELMÄSSIGE MODULE Das für die Olympischen Spiele von 2008 in Beijing errichtete Nationale Wassersportzentrum war das erste Gebäude in China, bei dem eine ETFE-Membran verwendet wurde. Die Entwurfsidee beruht auf der geometrischen Form von Seifenblasen. Diese Transformation der Verbindung eines Raumfachwerks mit einer geodätischen Konstruktion in ein Bauwerk mit großen Abweichungen der relativen Größen der einzelnen Einheiten führte zu einer erheblichen Erhöhung der Komplexität von Entwurf, Fertigung und Montage des Bauwerks. Das polyedrische Raumfachwerk besteht aus 22.000 einzelnen Elementen und 12.000 Verbindungen. Seine Form bietet ein hohes Maß an Erdbebensicherheit. Anders als bei früheren Anwendungen ist der „Wasserwürfel“ ein orthogonales Gebäude mit einer unregelmäßig erscheinenden, dreidimensionalen polygonalen Stahlkonstruktion einheitlicher Dicke. Die Rahmenkonstruktion ist innen und außen mit blasenförmigen ETFE-Membranen verkleidet. Das 197 x 197 x 35 m große Gebäude wurde digital aus dem theoretischen 3D-Modell eines massiven Blocks aus Weaire-PhelanSchaum „herausgemeißelt“. Die Geometrie des Schaums entsprach einer perfekten Anordnung von Seifenblasen und diente als Modell für die Unterteilung des dreidimensionalen Raums der Rahmenkonstruktion in eine kontinuierliche, blasenartige Struktur, die in ein Stahlrahmentragwerk überführt werden konnte. Aufgrund dieser Art der Formgebung sind Dach- und Wandkonstruktionen durchlaufend, was auch zu der Entscheidung führte, die Stahlbauteile auf der Baustelle zu verschweißen. Auf der Innen- und Außenseite der Wand befinden sich rechtwinklige Stahlhohlprofile, um die für die Befestigung der ETFE-Membran erforderliche Geometrie herzustellen. Zwischen diesen Flächen sind runde Hohlprofile angeordnet, die die Verwendung von Kugelgelenken als Verbindungselemente erleichtern.

– ZUGBEANSPRUCHTE KONSTRUKTIONEN UND RAUMFACHWERKE

Das Nationale Wassersportzentrum („Water Cube“) in Beijing wurde gemeinsam von CSCEC, CCDI, PTW und ARUP für die Olympischen Spiele 2008 entworfen. Die Form des polyedrischen Raumfachwerks ist in eine sehr präzise rechtwinklige Gebäudeform eingepasst. Diese Zusammenführung der Geome­ trien schafft in Verbindung mit der ETFE-Verkleidung eine hochinnovative Gebäudehülle. Zur Steuerung der Sonnen­ einstrahlung ist die ETFE-Membran mit einer variierenden Aluminiumbedruckung versehen, die je nach Lage der Sonne den Einfall von 5 bis 95 % des sichtbaren Lichts verhindert.

Links oben: Die Ansicht vom Innenraum in die umhüllte Konstruktion zeigt die Dichte der Stahlrahmenkonstruktion und darüber hinaus einige Befestigungselemente und gebäudetechni­ sche Anlagen. Rechts oben: Die Bauteile des polyedrischen Raumfachwerks weisen je nach erforderlicher Spannweite und Lasteinwirkungen unterschiedliche Abmessungen auf. Die Konstruktion wird von einem Korridor durchschnitten, der eine organische Verbindung zwischen den einzelnen Räumen schafft. Unten: Im Gegensatz zu anderen aus Raumfachwerken bestehen­ den Gebäuden, in denen vorwiegend Gewinde- und Schraub­ verbindungen zum Einsatz kommen, wurden im Wasserwürfel zahlreiche Anschlüsse auf der Baustelle verschweißt. Die Ansicht des Innenraums verdeutlicht die Kombination rechtwinkliger und runder Hohlprofile mit Kugelgelenken.

– 177

K A PITEL 12 ---

S tahl - u n d G lask o n strukti o n e n --F r ü he B aute n aus S tahl u n d G las T ech n ische A spekte d er K o mbi n ati o n v o n S tahl u n d G las U N T E R K ON S T R U K T I ON E N F Ü R Verglasu n ge n W ahl d es geeig n ete n S y stems E i n fache T rags y steme f ü r V o rha n gfassa d e n EINFACHE T R AG SYST EME M I T W I NDV E R B Ä ND E N S eil v erspa n n te G ebäu d eh ü lle n mit T R A G E ND E R VO L L V E R G L A S U N G SEILNETZFASSADEN PUNKTHALTERUNGEN AUS EDELSTAHL SEILBINDERKONSTRUKTIONEN KOMPLEXE SEILKONSTRUKTIONEN ZU ÖFFNENDE STAHL- UND GLASKONSTRUKTIONEN

GEBOGENE FOR MEN Die zugbeanspruchte Glaskonst­

G IT TER SCH A L ENBAU W EISE

ruktion der Louvre-Pyramide in Paris (Entwurf I. M. Pei und Peter Rice) steht exemplarisch für den extremen Kontrast zwischen den Beschränkungen tragenden Mauerwerks und den vielfältigen Möglichkeiten, die sich durch die Verwendung von Konstruktionen aus Glas und Stahl eröffnen.

F r ü he B aute n aus S tahl u n d G las Eisen und Glas erlangten ihre Bedeutung im Ergebnis der Entwicklung der Architektur im frühen 19. Jahrhundert. Dabei kam es bei diesen Baustoffen nahezu zeitgleich zu technologischen Fortschritten, so dass sie ihre jeweiligen Vorteile ausspielen konnten und Alternativen zu herkömmlichen Tragsystemen entwickelt wurden. Die Loslösung von dem bis dahin üblichen tragenden Mauerwerk führte zur Überwindung von zuvor bestehenden Beschränkungen hinsichtlich der Fenstergröße und zu einem bedeutenden Paradigmenwechsel. In diesen frühen Gebäuden, bei denen Wärmeisolierung noch keine Rolle spielte, war das Glas üblicherweise von Stahlrahmen umgeben und fand sich an Wandverglasungen, neuartigen Arkaden und Oberlichtern. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts setzten sich Stahlrahmenkonstruktionen als Grundlage der Errichtung von mehrgeschossigen Bauten und Hochhäusern durch. Die Eigenschaft des Stahls, auch bei auskragenden Elementen Lasten abzutragen, ermöglichte die Trennung der Durchbildung und Funktion der Außenwand von der Tragkonstruktion.

Im Reliance Building werden Kragele­

Das von Charles B. Atwood und John

mente aus Stahl verwendet, welche die

Wellborn Root entworfene Reliance

Außenwand bzw. Außenhaut von der

Building in Chicago, Illinois, wurde von

Tragkonstruktion sowohl funktionell als

1890 bis 1895 errichtet und wird als

auch optisch trennen. Dabei wurde die

erstes Hochhaus in Stahlskelettbauweise

Stahlkonstruktion typischerweise aus

betrachtet. Die innenliegende Konstruk­

kleineren Elementen zusammengefügt.

tion ist hinter Brandschutzmaterialien verborgen. Die Außenhaut aus Glas und Terrakotta wirkt leicht, wobei sich der Anteil der verglasten Oberflächen im Vergleich zu früheren Tragkonstruktionen erheblich erhöhte.

Während des gesamten 20. Jahrhunderts ergab sich durch die Entwicklung beim Bau von Vorhangfassaden und die allgemeine Verfügbarkeit von Anlagen zur mechanischen Be- und Entlüftung eine breite Palette von Gebäudehüllen für Hochhäuser. Frühe Glasfassaden wiesen in der Regel die Merkmale vorgehängter Wände auf, wobei die Glasbauteile von einem Aluminiumrahmen getragen wurden, der mit der Tragkonstruktion des Gebäudes verbunden war. Nachfolgend suchte man nach kreativeren Lösungen für Glaskonstruktionen, was zur Entwicklung von Vorhangfassaden ohne Pfosten-Riegel-Struktur führte. Hierbei nutzte man weiterhin ein hinter dem Glas angeordnetes Vorhangfassadensystem aus Aluminium, ersetzte jedoch das System der Pfostenabdeckungen durch verborgene Befestigungselemente. Diese Konstruktionen werden im vorliegenden Kapitel nicht im Detail behandelt. Wichtig ist jedoch die Würdigung der Entwurfsfreiheit, die durch Stahlrahmenkonstruktionen ermöglicht wurde, was zur zunehmenden Verwendung von Glas für Fassadenkonstruktionen führte. Zwar kam es anfänglich durch die Stahlskelettbauweise zu einer deutlich expressiveren Gestaltung von Glasfassaden, jedoch nutzten der Internationale Stil und die Moderne die Vorteile der Verbindung dieser beiden Baustoffe nur in sehr geringem Umfang. Diese Situation war zum einen zurückzuführen auf Brandschutzvorschriften, nach denen sämtliche Stahlbauteile in Innenräumen von anderen Materialien umgeben sein mussten, um die erforderliche Feuerwiderstandsdauer zu erreichen, zum anderen aber auch auf die zurückhaltende Ästhetik des „Weniger ist mehr“.

– STAHL- UND GLASKONSTRUKTIONEN

Während der High-Tech-Periode und der nachfolgenden Postmoderne in den 1970er und frühen 1980er Jahren (siehe Kapitel 5 „Freiliegende Konstruktionen“) wurden in zunehmendem Maße expressive Kombinationen von Stahl und Glas geplant. Sichtbare Stahlkonstruktionen, die eine architektonische Funktion übernahmen, und eine Loslösung von standardisierten Vorhangfassaden aus Aluminium sowie die zunehmende Verwendung von ausgedehnten Glaswänden und Oberlichtern boten ein großes Experimentierfeld für die Verbindung dieser beiden Materialien.

Trotz der zunehmenden formalen Freiheit seit den 1980er Jahren sind bereits zu Beginn der Entwurfsplanung zwei immer wiederkehrende technische Probleme in der Detailausbildung von Stahl- und Glaskonstruktionen zu berücksichtigen: Zunächst sind die Brandschutzfragen im Zusammenhang mit freiliegendem Stahl als Rahmenkonstruktion für die Verglasung zu beachten. Kann Stahl überhaupt sichtbar angeordnet werden, und wenn ja, welche Schutzmaßnahmen sind in diesem Fall zulässig? Wenn das Element Bestandteil der Gebäudehülle ist, stellt sich die zweite Frage, wie die Fassade oder das Oberlicht gestaltet werden müssen, um das Klima zu berücksichtigen. In gemäßigten Klimazonen besteht hierbei eine wesentlich größere Entwurfsfreiheit, wobei in manchen Fällen nicht einmal auf die Vermeidung von Wärmebrücken geachtet werden muss. Bei extrem heißen oder kalten Temperaturen ist das Thema der Wärmebrücken und des Grades der Wärmedämmung der Außenhaut dagegen von großer Wichtigkeit. Hier ist gegebenenfalls die Verwendung einer Isolierverglasung und anderer Tragkonstruktionen erforderlich. Zur Abhängung dieses flachen Oberlichts in der Dubai Mall dient eine außen angeordnete Konstruktion aus Fachwerk­ trägern. Die Temperaturunterschiede zwi­ schen dem klimatisierten Innenraum und dem Außenbereich sind zu berücksichti­

T ech n ische A spekte d er K o mbi n ati o n v o n S tahl u n d G las

gen. Da wärmere Luft nach oben steigt, ist der Temperaturunterschied an der Decke nicht so ausgeprägt.

Gehärtetes oder vorgespanntes Glas wird am häufigsten für groß bemessene, die Architektur des Bauwerks kennzeichnende Bauteile verwendet. Durch Härtung mittels Wärmebehandlung können Glasscheiben hergestellt werden, welche die vier- bis fünffache Festigkeit von vergütetem oder Floatglas aufweisen. Eine weitere Sicherung gegen Zersplittern kann durch die Herstellung von Verbundglaskonstruktionen mit dünnen Zwischenschichten aus Kunststoff erzielt werden. Diese Art von Glas wurde erfolgreich für Fußböden oder Trittstufen eingesetzt. Die Härtung erhöht nicht nur die Festigkeit des Glases, sondern verändert auch sein Verhalten, wenn es zu Bruch geht. Gehärtetes Glas „zerkrümelt“ eher, als dass es zersplittert. Sollten im Glas Öffnungen zur Aufnahme von Beschlägen vorzusehen sein, so sind diese vor der Härtung des Glases zu bohren. Zur Wärmeisolierung über die Außenwand werden meist dichte, mehrschichtige Glasbauteile mit Dämmwirkung und Doppel- oder Dreifachverglasung eingesetzt. Diese können aus gehärtetem Glas oder Verbundglas bestehen und mit einer Argonfüllung, Wärmeschutz- oder anderen Beschichtung versehen sein. Die einzelnen Glasschichten werden mittels eines Abstandhalters zusammengefügt, der nicht wärmeleitfähig sein sollte. Bis vor kurzem wurden Isolierglasscheiben nicht zur Aufnahme von Beschlägen durchbohrt, sondern stets an Rahmen befestigt. In jüngster Zeit eingeführte Systeme wie die Produktlinie Pilkington PlanarTM verfügen über Beschläge, mit denen Verbundglaskonstruktionen abgestützt werden können. Dabei sind die Glasscheiben vor der Härtung und Montage in Verglasungseinheiten mit den entsprechenden Bohrungen zu versehen.

Die im Apple Store in Shanghai verwen­

Für Flughäfen, Bahnhöfe, Botschaften und bestimmte Bürogebäude sind heute oft explosionssichere

deten Elemente aus Verbundglas sind

Verglasungen vorgeschrieben. Diese erfordern häufig den Einsatz von Verbundglas und von Rahmen-

mit Verbindungselementen aus Edelstahl zusammengefügt. Hier ist keine zusätzli­

konstruktionen, die sich bei einer entsprechenden Einwirkung nachgiebig verhalten, ohne ihre konst-

che Abstützung erforderlich. Alle Öffnun­

ruktive Stabilität zu verlieren. Die festgelegten Kriterien konnten hierbei von Seilbinderkonstruktionen

gen und Aussparungen wurden vor der

erfüllt werden.

Härtung und Herstellung der Verbund­ struktur des Glases eingebracht.

– 181

In den Fertigungsprozessen für Stahl und Glas finden unterschiedliche Toleranzen Anwendung. Bei Konstruktionen, in denen beide Materialien verwendet werden, sind daher unbedingt entsprechende Spielräume einzuplanen. Glas erfordert ein höheres Maß an Genauigkeit mit Toleranzen von +/- 2mm, bei Stahl liegen die Toleranzen im Bereich von +/- 5mm. Bei der Verschweißung von Stahl ist darauf zu achten, dass sich der Stahl im Zuge seiner Erwärmung verformen kann. Bei kurzen Bauteilen ist dies eher unproblematisch, bei sehr langen Elementen mit außermittigen Schweißnähten können jedoch Probleme entstehen, da es zur Durchbiegung kommen kann. Eine Anpassung der Abmessungen in der Verbindung zwischen den Glastafeln und den Stahlbauteilen ist unverzichtbar, insbesondere in Profilmitte, wo sich die größte Durchbiegung einstellen kann. Das Stahltragsystem für die Glaskonstruktion kann auf der darunterliegenden Deckenplatte aufliegen,

Die vertikalen Windverbände aus Stahl

von der darüberliegenden Deckenplatte abgehängt werden oder die gesamte Breite der Glasfassade

am Gebäude der Leslie Dan School of

überspannen und die Lasten auf benachbarte Stützen oder Ständerfachwerke übertragen. Bei einigen kürzlich realisierten horizontalen Tragkonstruktionen wurden Abspannseile verwendet. Bei sehr kal-

Pharmacy in Toronto, Ontario, entworfen von Foster + Partners, erstrecken sich über fünf Geschosse. Die Vorhangfassade

ten Außentemperaturen wird das Stahltragsystem üblicherweise auf der Innenseite der Glasfassade

ist über Gleitverbindungen angeschlossen,

angeordnet, um das Ausmaß von Temperaturschwankungen und thermischer Verformung zu begren-

um ihre vertikale Ausrichtung zu ermög­

zen sowie den mit einem Farbanstrich versehenen Stahl vor Witterungseinflüssen zu schützen. Unter

lichen. Die geschweißten Kastenprofile

gemäßigten Klimaverhältnissen sowie bei hohen Umgebungstemperaturen kann die Stahlkonstruktion unter Umständen außen am Gebäude angeordnet werden. Bei der Detailplanung solcher Konstruktionen besteht weiterhin das Problem der thermischen Verformung. Des Weiteren kann es aufgrund von

aus Stahl sind symmetrisch, was zur Ver­ meidung von Biegeverformungen aufgrund der beim Schweißen entstehenden Wärme beiträgt.

Klima- und Umwelteinflüssen zu einer Verschlechterung des Zustandes der Konstruktion kommen. Beim Entwurf von Glaskonstruktionen in Verbindung mit Stahltrag-

Die verglaste Fassade der Salt Lake City

systemen sind erhebliche Bewegungen einzukalkulieren. Glasfas-

Public Library in Utah, entworfen von

saden werden häufig von der Einwirkung hoher solarer Gewinne beeinflusst, so dass sich der Grad der thermischen Verformung der

Moshe Safdie, wird von einer Seilabspan­ nung getragen. Die aufgehenden Bauteile aus Stahlhohlprofilen, die den Druckgurt

Stahl- und Glasbauteile voneinander unterscheidet. Die Einwirkung

des Trägers bilden, sind gelenkig an die

von Windlasten führt zu ungleichmäßigen Durchbiegungen, wenn

Decken-/Dachuntersicht angeschlossen.

man die Situation in Feldmitte mit den unteren, oberen und seitli-

Horizontal verlaufende Seile bieten eine

chen Auflagerpunkten vergleicht. Diese Durchbiegungen werden von den Gesamtspannweiten und der Dimensionierung der Auflagerpunkte beeinflusst.

seitliche Verbindung und Aussteifung. Die Windverbandkonstruktion nimmt lediglich direkt auf das Glas einwirkende Lasten auf.

Stahl- und Glaskonstruktionen unterliegen während der Bauphase und danach unterschiedlichen Lasteinwirkungen. Auch sind Lasten einzukalkulieren, die sich aus jahreszeitlich bedingten Veränderungen ergeben (Wind, Regen, Schnee und Temperaturschwankungen). In den Konstruktionen sind in der Regel vertikale Gleitfugen vorzusehen, um die aus der Durchbiegung entstehende vertikale Bewegung aufzunehmen und die Bewegung in seitlicher Richtung zu begrenzen. Die Glasfassade ist gegebenenfalls so auszulegen, dass sie auch auf der Außenseite angebrachte Sonnenschutzvorrichtungen abstützen kann. Dabei sind die Lasten größerer, außen angeordneter Sonnenschutzvorrichtungen durch die Glaskonstruktion hindurch auf das Stahltragsystem abzutragen. Kleinere, in kürzeren Abständen angeordnete Sonnenblenden können dagegen auf einfache Weise als Verlängerung der üblichen Verbindungsprofile ausgebildet werden und benötigen in diesem Fall möglicherweise keine zusätzliche Verstärkung durch die Stahltragkonstruktion. Links: Im Tragsystem der Hauptfassade des von Richard Rogers entworfenen Terminals 5 am Flughafen Heathrow in London dienen horizontal verlaufende Hohlprofile mit elliptischem Querschnitt zur Minimierung der optischen Wirkung der groß bemessenen, vor der Glasfassade angeordneten Profile. Die außenliegenden Sonnenschutzvorrichtungen sind über die horizontalen Verbindungsprofile der Fassade angeschlossen. Rechts: Die Sonnenblenden sind von der Dachkonstruktion abgehängt.

– STAHL- UND GLASKONSTRUKTIONEN

U N T E R K ON S T R U K T I ON E N F Ü R Verglasu n ge n Bei herkömmlicher Verwendung von Glas in Gebäuden wurde dieses üblicherweise durch „Rahmen“ fixiert und war so nahezu ausschließlich hohen Windlasten, minimalen Wasseransammlungen aufgrund von Regen sowie geringen Schneelasten ausgesetzt. Die Aufnahme dieser Lasten wurde teilweise durch eine Erhöhung der Dicke des Glases realisiert. Vorhangfassaden und Oberlichtkonstruktionen können sich ebenfalls an Bewegungen anpassen, zu denen es aufgrund von Temperaturschwankungen, Windoder Erdbebeneinwirkungen kommt. Der gegenwärtige Einsatz von Glas in Gebäuden unterscheidet sich vielfach erheblich von den Konstruktionen vergangener Perioden und erfordert daher eine deutlich abweichende Detailplanung. Edelstahl-Tragsysteme zur Abstützung von Verglasungen können in Verbindung mit freiliegenden Schauelementen aus herkömmlichem Karbonstahl verwendet werden. Edelstahl dient häufig der Verbindung und Abstützung ausgedehnter Glaswandkonstruktionen, wobei oft spezialgefertigte Konstruktionen zum Einsatz kommen, die zur Befestigung der Kreuzverbindungen an der Stahlkonstruktion dienen. Bei diesen Systemen sind noch engere Toleranzen einzuhalten, um die erforderliche Passung zwischen den tragenden Bauteilen, Glaskonstruktionen und AESS-Elementen zu gewährleisten. Bei m Ei n satz von Sta hl kon str u ktionen als Tragsysteme fü r großflächige Verglasu n gen kön nen d rei Gr u ndpri nzipien u nterschieden werden:

Oben: Die bedruckte Glasdachkonstruk­

Die Sta hlra h men kon str u ktion dient gleichzei­

tion dieses kleinen, außen angeordneten

tig als Hauptkon str u k tion des Gebäudes u nd

Oberlichts des Gebäudes der University

als Stützkon str u ktion zu r Fixier u n g der Ver­

of Houston, Texas, wird direkt von der darunterliegenden Stahlrahmenkonstruk­

glasu n g. Bei dieser A rt von Ra h men kon str u k­

tion getragen.

tion wird häu fig auch ei n System aus schla n ken Alu mi niu m-Verbi ndu n gsprofilen ver wendet. Da­

Mitte: Aus runden Hohlprofilen

bei verläu ft die Kon str u ktion en g entla n g der

geschweißte Dreiecksträger erstrecken

Ebene der Sta hlaußen fläche.

sich über die gesamte Höhe der Abferti­ gungshalle des Internationalen Flughafens in Beijing, der von Foster + Partners und ARUP geplant wurde. Die vorgehängte Fassade spannt sich zwischen den Auf­

Größere Sta hlbauteile werden direkt vor oder

lagerpunkten auf. Durch die dreieckige

hinter der Verglasung angeordnet, um eine Wind­

Form des Trägers ist die Spannweite der

aussteifu n g zu gewä h rleisten. Sie kön nen ver­

Vorhangfassade in horizontaler Richtung

ti kal oder horizontal a n den Fen ster pfosten

begrenzt. Zur besseren Aufnahme von

i n stalliert wer den u nd tragen üblicher weise

Bewegungen ist die Vorhangfassade mit

nicht die von oben ei nwirkende Deckenlast ab.

dem Träger verbunden. Unten: Sichtbare Stahlkonstruktion im vollständig verglasten Atrium des von Richard Rogers entworfenen Tower Bridge House in London. Die pfostenlose tragende Verglasung ist an die Stahlkonst­

Die Sta hl kon str u ktion ist i n gewissem Absta nd

ruktion über Edelstahlverbindungen

hi nter dem Glas a n geord net u nd sorgt fü r die

angeschlossen, die das Glas durchdrin­

Au fna h me von Horizontal k rä ften, so dass sie

gen. Die Glastafeln sind über Silikonfugen

ei ne eigen stä ndige Kon str u k tion bildet. Zu r

luftdicht miteinander verbunden.

Verbi ndu n g der Verglasu n g mit der Sta hl kon st­ r u k tion dient ei n dazw ischen a n geor d netes Tragsystem (welches häufig aus Seilen besteht).

Üblicherweise bestehen derartige Stahlkonstruktionen aus biegesteifen, freiliegenden Stahlbauteilen. In jüngster Zeit wurden vermehrt Seilbinder- und Seilnetzkonstruktionen zur Abstützung eingesetzt, die ein höheres Maß an Transparenz sowie Explosionsschutz ermöglichen.

– 183

Jede gewählte Konstruktion erfordert ein jeweils unterschiedliches Verfahren der Befestigung der Verglasung an der Stahltragkonstruktion. Dies hängt in hohem Maße davon ab, ob bei der jeweiligen Anwendung Isolierglas oder eine tragende Vollverglasung eingesetzt wird. Eine tragende Vollverglasung bzw. die Verwendung von Glas einheitlicher Dicke eröffnet weitere Möglichkeiten, da die Fixierung mit Befestigungsmitteln erfolgen kann, die das Glas durchdringen, oder mittels anderer umlaufender Konstruktionen realisiert werden kann. Isolierglas ist am einfachsten in seinem Randbereich zu fixieren, während Verfahren mit eingebrachten Bohrungen kostenintensiver sind. Wenn die Glastafeln von einem Rahmen umgeben sind, beispielsweise in einer Vorhangfassade, dann sollte die Stahltragkonstruktion lediglich an den Schnittpunkten (d. h. den Ecken) mit dem Rahmen verbunden sein, so dass eventuelle Bewegungsunterschiede vom Rahmen aufgenommen werden und nicht in Feldmitte auf das Glas einwirken können. Sollte dies nicht möglich sein, so können Verbindungen zu den vertikalen Bauteilen hergestellt werden, da diese für die Aufnahme von Bewegungen ausgelegt sind. In keinem Fall sollten Anschlüsse über horizontale Verbindungsprofile erfolgen, weil dies zu einer unmittelbaren Lastabtragung auf das Glas mit nachfolgendem Bruch führen würde. Karbonstahl und Aluminium dürfen nicht miteinander in Berührung kommen, da dies zu einer elektroly-

Die Raumfachwerk-Wandkonstruktion

tischen Reaktion führen würde. Diese Materialien sind voneinander zu trennen, indem entweder Befes-

des Baltimore Washington International

tigungsmittel aus Edelstahl verwendet werden oder der Kohlenstoffstahl mit Teflon beschichtet wird. Darüber hinaus werden auch Unterlegscheiben aus PTFE eingesetzt.

Airport, Maryland, ist an die Rahmen­ ecken der Glasfassade angeschlossen, so dass Bewegungen auf die Rahmen­ konstruktion und nicht auf das Glas

Die Entwicklung von Silikonen für konstruktive Anwendungen führte dazu, da Glasdächer und -fassaden nicht mehr notwendigerweise unterschiedlich geplant werden mussten. Die glatte Außenfläche ermöglicht einen ungehinderten Wasserablauf. Glas-und-Stahl-Konstruktionen können dahingehend unterschieden werden, ob sie rechteckige oder gebogene Formen aufweisen. Das Vorgehen bei der Planung richtet sich nach der Gesamtgeometrie des Bauwerks. Die Fertigung gekrümmter Glasbauteile ist kostenintensiv und erfolgt daher nur selten, insbesondere, wenn energieeffizientere Doppel- bzw. Dreifachverglasungen vorgegeben werden. In diesen Fällen wird die gekrümmte Form realisiert, indem die Stahltragkonstruktion in Dreiecksformen überführt oder segmentiert wird. Dabei unterscheiden sich die Abmessungen der Glaselemente je nach Größenordnung der gewölbten Oberflächen.

W ahl d es geeig n ete n S y stems Für die Unterstützung von Verglasungen durch Stahlkonstruktionen sind unterschiedliche Verfahrensweisen etabliert. Die Wahl des Systems wird dabei über bestehende Budgeteinschränkungen hinaus von weiteren Faktoren beeinflusst. Als Ausgangspunkt der Betrachtungen kann hierbei die folgende Checkliste dienen: Muss Wär meleitu n g du rch die Kon str u ktion verhi ndert werden? Ja – Ver wendu n g von Isolierglas mit ther misch getren nten Ra h men oder Verbi ndu n gselementen Nei n – Ver wendu n g ei ner geklebten Vollverglasu n g oder Hohlprofilen mit hi ndu rch gefü h rten Befestig u n gsmitteln ist möglich

Si nd fü r die Kon str u ktion Bra ndschutzmaßna h men erforderlich? Nei n – Ver wendu n g von freiliegenden Verbi ndu n gselementen aus Sta hl ist möglich In gewissem Um fa n g – Ei n satz von Bra ndbekä mpfu n gssystemen na he der Kon str u ktion oder von Bra ndschutzbeschichtu n gen ist möglich Ja – Bei bestehender hoher Bra ndgefä h rdu n g ka n n die Pla nu n g freiliegender Sta hl kon str u ktionen sich als u n geeig net er weisen

– STAHL- UND GLASKONSTRUKTIONEN

übertragen werden.

Welche kli matischen Bedi n g u n gen herrschen a m Ei nbauort? Gemäßigt:

→ Wär medu rch ga n gswidersta nd ist kei n entscheidender Fa ktor → Stützkon str u ktion ka n n au f der Außen- oder In nen seite der Verglasu n g a n geord net werden Extrem kalte Temperaturen:

→ Isolier verglasu n g → Ber ücksichtig u n g des u nterschiedlichen Ausdeh nu n gsverhalten s von Glas u nd Sta hl → Sta hl kon str u ktion au f der In nen seite der Verglasu n g Extrem heiße Temperaturen:

→ Isolier verglasu n g (bei seh r feuchten Kli maverhältnissen ka n n es au fgr u nd der Kli matisier u n g der In nen räu me zu r Konden satbildu n g au f der Außen seite des Gebäudes kom men)

→ Ber ücksichtig u n g des u nterschiedlichen Ausdeh nu n gsverhalten s i n gewissem Um fa n g, je nach Höhe u nd Ex position sbedi n g u n gen Sonnenschutz:

→ Klei n bemessene, i n en gen Abstä nden a n geord nete Son nen schutzvorrichtu n gen kön nen bei der Vorha n gfassade ber ücksichtigt werden

→ Große bzw. hohe Son nen schutzvorrichtu n gen si nd zu r Abstützu n g i n der Hauptkon str u ktion zu vera n ker n → Sollte ei n hohes Maß a n Son nen schutz erforderlich sei n, so ist die Pla nu n g von hochtra n sparenten Kon str u ktionen nicht a n gezeigt

Wie groß si nd die ver wendeten Glastafeln?

→ In welchem Absta nd si nd die Hauptstützelemente a n geord net (Stützen oder Befestig u n gen au f Deckenebene)? → In welchem Raster kön nen die Aussteifu n gen der Verglasu n g a n geord net werden? → Au f welche Weise si nd die Glastafeln mitei na nder verbu nden? Ra h men? Sili kon? Verbi ndu n gselement aus Edelsta hl?

Welche Querlasten wie beispielsweise Ei nwirk u n gen du rch Sch nee, Wi nd oder Ex plosionen si nd von der Kon str u ktion au fzu neh men? Hier stellt sich die Sy nergiefrage nach der Glasdicke (Festig keit) u nd dem Stützen raster. Je größer die Ver­ glasu n gselemente u nd der Absta nd der vorzusehenden Stützen, desto größer die pla nerische Herausforder u n g.

Wie hoch soll der Grad der Tra n sparenz sei n?

→ Hohe Tra n sparenz – bedi n gt den Ei n satz von Verglasu n gen oh ne Verbi ndu n gsprofile u nd von Leichtbau-Seil kon str u ktionen

→ Mittlere Tra n sparenz – Pla nu n g ei nes en geren Rasters tragender Bauteile zu r Wi ndaussteifu n g der Verglasu n g

→ Nor male Tra n sparenz – Die Ver wendu n g ei ner Wa nd ra h men kon str u ktion aus Alu mi niu m i n Verbi ndu n g mit Sta hlaussteifu n gen ist möglich

Welche Ästheti k der Verglasu n g ist gew ü n scht?

→ Wie wirkt die Detailausbildu n g u nd Wa hl der Sta hltrag kon str u ktion mit dem Ra h men der benachbarten Kon str u ktion zusa m men bzw. wie ergä nzen sich die beiden Komponenten?

→ Stellt die Kon str u ktion ei n entscheidendes architektonisches Gestaltu n gsmerk mal dar? → Wie hoch ist das verfügbare Budget? Welche A rt Sta hltrag kon str u ktion soll ver wendet werden?

→ Bü ndig mit der Verglasu n g → Tragsystem hi nter der Verglasu n g mit direktem A n schluss a n die Glaskon str u ktion → Tragsystem mit spezialgefertigten Edelsta hlverbi nder n zu m A n schluss a n die Verglasu n g → Passen herköm mliche Kon str u ktionen aus Bausta hl oder Hohlprofilen zu r gew ü n schten Ästheti k? Si nd ei n- oder d reidi men sionale Fachwerke zulässig?

→ Verlau fen die Stützelemente verti kal oder horizontal? → Si nd Abspa n n systeme, Seil- oder Seilnetzkon str u ktionen erforderlich? Abspa n n systeme si nd zu r Ver vollstä ndig u n g i h res Lastverlau fes mit der Hauptkon str u ktion zu verbi nden.

→ Werden i n nerhalb der Kon str u ktion tragende Glasschwerter ver wendet? Au f welche Weise wird die u nterschiedliche Ausdeh nu n g u nd Beweg u n g au fgr u nd von Lastei nwirk u n gen, ther mischer Ausdeh nu n g u nd Sch r u mpfu n g ber ücksichtigt?

Werden i n der Kon str u ktion Kreuzverbi nder u nd Klem men ver wendet? Ja – Absti m mu n g mit der Ver wendu n g von Isolierglas erforderlich, Du rchd ri n g u n gen si nd vor der Härtu n g des Glases ei nzubri n gen

– 185

E i n fache T rags y steme f ü r V o rha n gfassa d e n Stahlkonstruktionen erfordern häufig keine zusätzliche Windaussteifung. Aus dem Abstand bzw. der Form der konstruktiven Bauteile ergibt sich bereits eine ausreichende Abstützung. Hierbei kommt es auf die physische Verbindung der Verglasung und Rahmenkonstruktion mit dem Tragsystem an. Idealerweise sollten Lasten an den Knotenpunkten der Verglasung abgetragen werden, so dass es zu keiner Durchbiegung horizontaler Bauteile der Rahmenkonstruktion kommt. In der Regel werden Aluminium-Vorhangfassadensysteme verwendet. Hierbei ist die Stahlrahmenkonstruktion mit Laschen aus Stahlblech versehen, die mit ihren Gegenstücken in der vorgehängten Wandkonstruktion ausgerichtet werden müssen. Dabei sind sowohl vertikale als auch horizontale Anpassungen der Anschlüsse erforderlich, um Maßabweichungen auszugleichen. Bewegungen aufgrund von Lasteinwirkungen werden

Eine einfache Verbindung am von Charles

normalerweise durch die Vorhangfassadenkonstruktion aufgenommen.

Brickbauer geplanten Gebäude des Brown Center, Maryland, steht exemplarisch für die übliche Verbindung zwischen freiliegenden Stützkonstruktionen und der

EINFACHE T R AG SYST EME M I T W I NDV E R B Ä ND E N

vorgehängten Wand.

Großflächige Vorhangfassaden werden am häufigsten mit Hilfe eines vertikalen Tragsystems ausgesteift. Dieses ermöglicht den Einsatz von thermisch getrennten Rahmen und Isolierglaselementen mit energieeffizienteren Fenstern. Da die Verglasung durch Rahmen fixiert ist, sind keine Verbindungselemente erforderlich, die das Glas durchdringen. Im Entwurf der Konstruktion ist das unterschiedliche

Die vertikale Windaussteifung des Reagan

thermische Ausdehnungsverhalten der Vorhangfassade und der Tragkonstruktion zu berücksichtigen.

Airport ist an ihrer Basis einfach gelenkig

Die Windverbände aus Stahl dehnen sich je nach Himmelsrichtung und Sonneneinstrahlung unterschiedlich aus. Diese Aussteifungen dienen in der Regel nicht zur Aufnahme der Dach- und Deckenlasten.

angeschlossen. Im oberen Bereich der Verglasung halbierte man den Abstand der horizontalen Fensterpfosten, um eine

Sie werden üblicherweise in vertikaler Richtung eingebaut und können auf der Decke aufliegen, von der

Übereinstimmung mit den horizontalen

darüberliegenden Konstruktion abgehängt oder am oberen und unteren Ende gelenkig angeschlossen

Sonnenschutzelementen zu erzielen.

sein. Für die Herstellung dieser Aussteifungen werden normalerweise freiliegende Konstruktionen mit

Die innenliegenden Stahlstützen tragen

Fachwerkträgern oder massive Bauteile eingesetzt.

zur Abschattung bei. Der enge Abstand der horizontalen Fensterpfosten im oberen Teil korrespondiert mit den außenliegen­ den Jalousien, wobei im Vergleich zur Verglasung der Fußgängerebene der halbe Abstand gewählt wurde. Die Gewölbe­ decke der Abflughalle wird von den gebogenen Windstreben aufgegriffen.

Die Windaussteifung am Reagan International Airport in Washington, D.C., entworfen von Cesar Pelli, bildet eine fach­ werkartige Abstützung aus paarweise angeordneten Hohlprofilen mit rundem Querschnitt, die durch Stahlbleche miteinander ver­ bunden wurden. Die Verbindungslaschen sind an den horizontalen Fensterpfosten ausgerichtet. Die vertikalen Stützelemente sind an jedem Fensterpfosten angeordnet. Der Farbwechsel von Gelb, das für die Tragkonstruktion des Gebäudes verwendet wurde, zu Weiß für die Stützkonstruktion der Verglasung hebt die verschiedenen Funktionen der Tragsysteme hervor und verleiht der Konstruktion eine leichtere Anmutung.

– STAHL- UND GLASKONSTRUKTIONEN

Bei groß bemessenen Vorhangfassaden ist gegebenenfalls auch der Einsatz ausgeklügelterer horizontaler Stützkonstruktionen zur Aufnahme von Windlasten erforderlich. Diese finden sich häufig in großflächigen Verglasungen von Flughafengebäuden. Links: An der verglasten Stirnwand des von SOM entworfenen Pearson International Airport in Toronto, Ontario, dient ein modifiziertes Ständerfachwerk zur Aussteifung der vorgehängten Glasfassade. Rechts: Vertikal verlaufende Fachwerkträger sind über armartige Verlängerungen an horizontale Stahlprofile angeschlossen. Dabei ist die Glasfassade an jedem Knotenpunkt an diesen horizontalen Streben befestigt. Durch die „Arme“ verringert sich der optische Einfluss der Fachwerkträger, so dass die Windaus­ steifung in derselben Sichtachse wie die Aluminium-Rahmenkon­ struktion verbleibt.

S E I L V E R S P A NN T E G E B Ä U D E H Ü L L E N M I T T R A G E ND E R VO L L V E R G L A S U N G Große Glastafeln ohne Rahmenkonstruktion wurden erstmalig im Bürogebäude von Willis Faber and Dumas verwendet, das von Foster + Partners von 1971 bis 1975 errichtet wurde. In die Vollglastafeln wurden Bohrungen eingebracht, um sie an die dahinterliegende Konstruktion anzuschließen. Hierbei dienen Verstärkungsbleche zur Abtragung der Lasten von der Verglasung. Die Fugen zwischen den Glastafeln wurden mit Silikon luftdicht geschlossen. Peter Rice transformierte seine Technologie für eine vollkommen transparente Außenhaut der Gewächshäuser („Serres“) in der Cité des Sciences et de l’Industrie im Parc de la Villette in Paris. Die Grundlage aller nachfolgend entwickelten Konstruktionen bilden das Verbindungselement aus Edelstahl und eine dazwischen­ liegende Seilbinderkonstruktion. Das Federauflager an den Gewächshäu­

Rice kam zu dem Schluss, dass zum Anschluss der Glasfassade an das Stahltragwerk eine dazwischen-

sern der Cité des Sciences et de l’Industrie

liegende Konstruktion erforderlich war, um die auf die Verglasung einwirkenden Lasten zu verteilen

in Paris, realisiert unter der Leitung von Peter Rice von 1981 bis 1986, zur Aufnahme von Bewegungen, die sich aus der Durchbiegung ergeben.

und aufzunehmen. Dabei erfüllen Leichtbaukonstruktionen aus vorgespannten Edelstahlseilen eine vermittelnde Funktion zwischen dem Glas und dem Baustahl. Die Seilbinder verlaufen horizontal zwischen den vertikalen Stahlstützkonstruktionen. Dabei wurden Edelstahl-Verbindungselemente aus dem Bootsbau entweder unverändert übernommen oder modifiziert. Edelstahlverbinder werden üblicherweise eingesetzt, da sie auf einfache Weise an Öffnungen in den Glastafeln befestigt werden können und die Form ihres Schaftes sowie das Verfahren des Anschlusses an die Hauptkonstruktion leicht anpassbar sind. Viele dieser Verbindungselemente bestehen aus Edelstahl, der in die hier verwendeten abgewinkelten Formen gegossen wurde.

Darstellung der Stahl- und Seilbinderkonst­r uktion für die „Serres“ mit hierarchischer Abfolge der Stahlbau­ teile zur Abtragung der Lasten von der Verglasung auf das Haupttragwerk.

– 187

SEILNETZFASSADEN Im Gegensatz zu der deutlichen hierarchischen Gliederung erscheinen Seilnetzkonstruktionen aus konstruktiver Sicht sehr einfach. Die erste erwähnenswerte wurde 1993 von Murphy/Jahn Architects für die Vorder- und Rückwand des Foyers im Kempinski-Hotel am Flughafen München geplant. Die einfachen zweizügigen Seilnetzkonstruktionen beschränken sich auf lediglich eine Ebene, da die Lasten von den vertikal und horizontal verlaufenden Seilen direkt in das Haupttragwerk des Gebäudes eingeleitet werden müssen. Dabei werden keine zusätzlichen, senkrecht zur Ebene angeordneten Bauteile eingesetzt, welche zur Krümmung bzw. Aufspannung der geometrischen Form dienen. Die Grundkonstruktion des Gebäudes ist so auszulegen, dass sie die Zugkräfte der Seilnetzfassade aufnehmen kann. Die Umfassungskonstruktion und die Verbindungen zu den Seilen sind vorzugsweise biegesteif auszubilden, um die Elastizität der Seilnetzkonstruktion als solcher zu kompensieren. Die Anforderungen an die Verglasung unterscheiden sich je nach Ort und Nutzung, klimatischen Verhältnissen und jeweiligen Bauvorschriften. In der Regel wird für diese Fassaden thermisch gehärtetes, vorgespanntes Glas eingesetzt, so dass sich ihre Bruchfestigkeit erhöht. Jedoch hat sich Verbundglas aufgrund seiner Dauerhaftigkeit zunehmend durchgesetzt. Vorgespanntes Glas wird ebenfalls in Kombination mit Verbundglas verwendet, um eine höhere Bruchfestigkeit zu erzielen. Die für den Anschluss der Seile an die Glasbauteile verwendeten Befestigungsmittel sind so ausgeführt, dass Durchbohrungen des Glases möglichst vermieden werden (die bei Kreuzverbindern erforderlich sind). Stattdessen wird an den Ecken eine Einspannung mittels Blechen realisiert. So kann das Verbindungselement kleiner und unauffälliger gestaltet werden. In das Glas für Verbindungen eingebrachte Bohrungen sind in ausreichendem Abstand von der Ecke vorzusehen, was zu einer Vergrößerung des Verbindungselements führt. Dieses Vorgehen würde den bei dieser Bauweise erwünschten hohen Grad an Transparenz beeinträchtigen. Zur Befestigung der Seile an der Konstruktion sind an den Endpunkten spezielle Kupplungen erforderlich. Diese werden entweder auf das Seil gestanzt oder vergossen. Bei ersterem Vorgang wird das Bauteil unter mechanischem Druck auf das Seilende gepresst. Bei der gegossenen Verbindung werden die fächerförmig aufgespreizten Litzen des Seils mit Harz oder Zink in einer Seilhülse vergossen, so dass ein konisches Endstück entsteht. Die Pressverbindung wird hierbei häufiger verwendet, da sie im Sinne der Leichtbauweise sehr schlank ausgebildet ist. Die Seile werden entweder verzinkt oder bestehen aus Edelstahl. Da Seilnetzkonstruktionen überwiegend auf der Innenseite der Verglasung angeordnet sind, ist die Frage des Korrosionsschutzes in der Regel nur in der Bauphase von Bedeutung. Seile mit unbehandelten Oberflächen werden nicht verwendet. Seilnetzkonstruktionen sind so zu bemessen, dass sie große Durchbiegungen aufgrund von Windlasten aufnehmen können. Der maximale Bemessungswert der Durchbiegung liegt bei ca. einem Fünfzigstel der Länge. Die Unterschiede der Verformung zwischen benachbarten Glastafeln in Feldmitte sind geringer als die Verformungsunterschiede zwischen dem Glas und der im Randbereich anschließenden, benachbarten Konstruktion. Durchbiegungen und Drehbewegungen im Mittelpunkt der Konstruktion werden von einem Neopren-Auflagerkissen aufgenommen, das zwischen der Verglasung und dem Futterblech angeordnet ist.

Im von Murphy/Jahn Architects geplanten Kempinski Hotel

Bei der Seilnetzkonstruktion sind die einwirkenden Zugkräfte

Airport München bildet eine Seilnetzkonstruktion dei Tragstruk­

der kreuzweise angeordneten Konstruktion in ihrem Randbe­

tur der vorderen und rückwärtigen Fassade, so dass ein extrem

reich abzutragen, so dass die Anwendung auf eindimensionale

hoher Grad an Transparenz entsteht.

Konstruktionen beschränkt ist. Zwischen der Raute und der auf Zug beanspruchten Dachträgerkonstruktion ist ein Doppelblech angeordnet, das die aufgepressten Seilkupplungen aufnimmt. Dieses Blech bildet ebenfalls den luftdichten Abschluss zwischen Innen- und Außenbereich.

– STAHL- UND GLASKONSTRUKTIONEN

Links: Die Seile verlaufen direkt hinter den Silikonfugen der Verglasung. Die schlanken, aufgepressten Endverbinder aus Edel­ stahl sind am Fuß der Wand nahezu unsichtbar. Zum Anschluss an die Seilkonstruktion werden schmetterlingsförmige Klemmver­ binder verwendet. Rechts: Ein Blick auf die Rückseite des Klemmbleches zeigt den Verlauf der vertikalen und horizontalen Seile und ihre Fixierung. Im Bild sichtbar ist ebenfalls das Neoprenpolster, das die durch einwirkende Windlasten entstehende Drehbewegung der Vergla­ sung aufnimmt.

PUNKTHALTERUNGEN AUS EDELSTAHL Für den Anschluss der Glastafeln an die Tragkonstruktion stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Am häufigsten verwendet werden hierbei Punkthalterungen, bei denen von einer mittigen Nabe ein bis vier Arme abgehen. Durch die Glastafeln verlaufende Schrauben werden an den Armen befestigt, und die Klemmen werden an der Stützkonstruktion fixiert. Die Bohrungen werden so in das Glas eingebracht, dass sie an der Außenseite versenkt sind. Zur reibungslosen Lastübertragung zwischen dem Edelstahlverbinder und dem Glas wird eine Aluminiumscheibe mit einer PTFE- oder thermoplastischen Trennschicht verwendet. Eine direkte Abtragung der Last vom Stahl auf das Glas würde zum Bruch führen. Bei den meisten Konstruktionen wird eine Gelenkschraube eingesetzt, die am Übergangspunkt zum Glas ein Kugelgelenk aufweist. Diese Ausführung ermöglicht in gewissem Umfang eine Drehbewegung, die aus der Lasteinwirkung auf das Glas entsteht, ohne dass es hierbei zum Bruch kommt. Diese Gelenkschraube wurde für die Gewächshäuser der Cité des Sciences entwickelt.

Die für die Cité des Sciences entwickelte Punkthalterung bildete

Die Edelstahlverbinder im von Richard Rogers entworfenen Tower

Die rückwärtige Ansicht dieser Verbindung zwischen der Aus­

die Grundlage für den Entwurf der heute eingesetzten Befesti­

Bridge House in London verbinden zwei Glastafeln mit der dahin­

steifung aus rechteckigen Hohlprofilen und einer außenliegenden

gungselemente. Die Kugelform ermöglicht eine Drehbewegung in

ter angeordneten Tragkonstruktion aus Stahlhohlprofilen. Die

Vordachkonstruktion verdeutlicht die Fähigkeit der Verbinder zur

einem Winkel von bis zu 10°.

Glaselemente sind über eine Silikonfuge aneinander angeschlos­

Anpassung an Maßabweichungen zwischen Glas und Stahl.

sen. So wird eine völlig transparente Gebäudeecke geschaffen.

Alternativ werden gelegentlich auch Montagewinkel aus Edelstahl, einzelne Klemmbacken, Sicherungsstifte oder Spannvorrichtungen verwendet. Dabei werden die Glastafeln üblicherweise an den vier Ecken gesichert, bei größeren Abmessungen auch mit einem zusätzlichen Schraubenpaar mittig auf jeder Seite. In Europa verlieren Systeme mit Schraubverbindungen gegenwärtig an Bedeutung. Im Entwurf werden eher Bausysteme mit Klemmen bevorzugt, wobei die Glastafeln seitlich gestützt werden.

Für die Außenverglasung dieses mit einer Doppelfassade ver­ sehenen Bürogebäudes in Berlin, entworfen von Petzinka Pink Architekten, wurde ein System aus Klemmen verwendet, die mit Punkthaltern verbunden sind. Diese sind wiederum an einen Beschlag aus Baustahl angeschlossen. In diesem Fall ergänzt die Wahl von Klemmverbindungen das für die Fassade gewählte Be- und Entlüftungskonzept.

– 189

SEILBINDERKONSTRUKTIONEN Seilbinderkonstruktionen bestehen aus Bindern, die durch senkrecht zur Ebene der Glasfassade verlaufende Seile gebildet werden, um Windlasten aufzunehmen. Die Druckglieder der Binder bestehen üblicherweise aus Edelstahlpfosten, da diese über eine für die Aufnahme der Lasten ausreichende Tragfähigkeit verfügen, dabei jedoch das schlanke Erscheinungsbild der Seile bewahren. Die Seile lassen sich auf einfache Weise mit den Punkthaltern verbinden, die für den Anschluss der Glasbauteile verwendet werden. Da die auf die Binder einwirkenden Zugkräfte in der Regel nicht so hoch sind wie in eindimensionalen Seilnetzen, kann die Seilbinderkonstruktion so angepasst werden, dass sie für unterschiedliche Geometrien einsetzbar ist. Die Lasten der Binder werden üblicherweise durch sichtbare Stahlbauteile aufgenommen, die Bestandteil der konstruktiven Hierarchie sind. Am Rose Center in New York befindet sich die größte vorgehängte Glasfassade in den USA, die über eine vorgespannte Seilbinderkonstruktion mit der Hauptkonstruktion verbunden ist, was die Vorspannung der Verglasung gewährleistet. Die vorgespannten Seile sind durch massive Edelstahlstreben vonei­n ander getrennt. Dieses duale System ist in seiner Wirkung einer Queraussteifung sehr ähnlich: Wenn sich durch eine Bewegung der Konstruktion das eine Seil entspannt, wird die Last auf einfache Weise auf das andere übertragen. Der 29 m messende Würfel des Frederick Phineas & Sandra Priest Rose Center for Earth and Space in New York (Entwurf Ennead Architects; ehemals Polshek Partnership) besteht aus 736 Glastafeln mit den Abmessungen 152,4 x 320 cm, die mittels 1.400 Punkthaltern fixiert sind.

Links: Vorgespannte Seilbinder verlaufen horizontal zwischen den vertikalen Stahl­ trägern aus Hohlprofilen, die das Dach abstützen. Ein dreieckiger Fachwerkträger gewährleistet die Auflösung der Geometrie der Gebäudeecken. Rechts: Verbindung der Glaskonstruktion mit dem Haupttragwerk. Punkthalter aus Edelstahl fixieren die mit Silikonfugen verbundenen Glastafeln an der dahinter angeordneten Hauptkonstruktion. Zugverbinder aus Edelstahl sorgen für eine zusätzliche Aussteifung zwischen den

Leichte Seilabspannungen wurden ebenfalls für nicht rechtwinklige Bauformen eingesetzt, wobei

Punkthaltern. Diese sind vertikal über Edelstahlseile miteinander verbunden.

allerdings andere Probleme im Zusammenhang mit der Rückverbindung der zugbeanspruchten Konst-

Die größte Herausforderung im Entwurf

ruktion mit dem Haupttragwerk auftreten. Im Falle des Gebäudes von Channel 4 News in London kommt

bestand hier in der Schaffung einer

eine Seilnetzkonstruktion mit kreuzweiser Anordnung zum Einsatz, welche die gebogene Geometrie

einheitlichen Formensprache für die

des Gebäudes nachvollzieht. Hierbei sind die Zugbelastungen ausschließlich im Randbereich zu konzentrieren, statt sie über eine Reihe von vertikalen Stützelementen abzuleiten. Dies bedeutet, dass die Zugglieder anstelle einer linearen Anordnung der Verbindungen der Seile mit der Grundkonstruktion ein dreidimensionales Netz bilden, das die räumliche Form der Wand nachbildet. Dadurch ergeben sich in diesem Gebäude für die Stahlstützen immer dann unterschiedliche Positionen, wenn einzelne Träger von der Dachebene in einem gebogenen Verlauf vorspringen und Teile der Seilkonstruktion abstützen, während andere kreuzweise durch das Atrium verlaufen und das gekrümmte Element mit den Grundplatten der Balkone verbinden. Eine groß bemessene Federkonstruktion am oberen Ende der vorgehängten Glasfassade ist von Stahlbauteilen abgehängt, die vom obersten Geschoss des Gebäudes auskragen. Bei gekrümmten Glaskonstruktionen ist ebenfalls ein weicheres Silikon zu verwenden, um Windlasten mit noch höherer Elastizität aufnehmen zu können.

– STAHL- UND GLASKONSTRUKTIONEN

Ausführung der Verbindungen, die sowohl für die Stahlkonstruktion als auch für die Verglasung geeignet sein musste.

Das von Richard Rogers und Peter Rice entworfene Gebäude von Channel 4 News in London. Die spinnennetzartige Struktur der Seilnetzkonstruktion ist durch die Fassade hindurch erkennbar. Zur Abhän­ gung der Glasfassade vom oberen (roten) Träger dienen Federverbinder, ähnlich wie im von Peter Rice konzipierten Projekt der „Serres“.

Zahlreiche Seilbinder- oder Seilnetzkonstruktionen weisen eine kreuzweise Anordnung ähnlich einer Queraussteifung auf, die der gezielten Abtragung der wechselnden Lasteinwirkungen dient. Wenn ein Seil durchhängt, ist das jeweils andere gespannt. In der Seilkonstruktion des Newseum in Washington werden zu diesem Zweck paarweise angeordnete, horizontal verlaufende gerade Seile verwendet, die an massive, sich über die gesamte Fassadenhöhe erstreckende Träger angeschlossen sind.

Oben: Am von Ennead Architects (ehemals Polshek Partnership) geplanten Newseum in Washington, D.C., finden sich unterschiedliche Verfahren zur Verglasung der Fassade. Die von einer Seilkonstruktion getragene Glasfassade im mittleren Bereich des Gebäudes holt Tageslicht in das zentrale Atrium. Unten: Für die Seilkonstruktion des Newseum werden sowohl Punkthalter als auch vertikal verlaufende Edelstahlbleche verwendet, um die parallel verlaufenden Seile miteinander zu verbinden. Rechts: Schlanke Spannschlösser ermög­ lichen eine unauffällige Steuerung der Spannung in der Konstruktion.

– 191

Beim TGV-Bahnterminal am Flughafen Charles-de-Gaulle sollten die Seitenwände des Bahnhofs so transparent wie möglich gestaltet werden. Dabei wurden Punkthalter in Verbindung mit einer aufgehenden Stahlkonstruktion eingesetzt, die zur Abstützung der Wände von der Gründung vorspringt. Ein Spalt zwischen der auskragenden Glaswand und dem Glasdach sorgt für eine natürliche Be- und Entlüftung. Zur Verhinderung von Verdrehungen sind die Masten durch eine Konstruktion aus vorgespannten Seilen ausgesteift, die nahe an der Glasfassade verlaufen. Links: Das TGV-Bahnterminal am Flughafen Charles-de-Gaulle in Paris wurde von Paul Andreu und J. M. Duthilleul gemeinsam mit dem Ingenieurbauunternehmen RFR unter Leitung von Peter Rice konzipiert. Der croissantförmige Bogen, der das sonnen­ schutzbedruckte Dach abstützt, ist gegen die Masten versetzt angeordnet, so dass deutlich wird, dass die Masten nicht das Dach abstützen. Die Masten werden der Dachneigung folgend sukzessive kleiner, was zu einer Änderung ihrer Geometrie führt. Da die Hauptträger aus Hohlprofilen „in Reihe“ angeordnet sind und deshalb entlang der Wand keine Querkräfte aufnehmen können, sind sie in den Zwischenräumen zwischen den Bauteilen mit Seilen ausgesteift. Rechts: Der Punkthalter, mit dem die Verglasung an die Tragarme

Komplexe Seilkonstruktionen

der Masten angeschlossen ist, stellt eine Variante des für die

Die abweichende Detailausbildung der Seilkonstruktionen für die große und kleine

„Serres“ in Paris-la Villette verwendeten Typs dar.

Glaspyramide des Louvre in Paris verdeutlicht, dass je nach Größenordnung und Anwendung unterschiedliche Lösungen in Frage kommen. Die große Pyramide, die den neuen Museumseingang einfasst, wirkt aufgrund der Dichte der Konstruktion geringfügig intransparenter. Aus klimatischen Gründen sind die Fugen mit Silikon versiegelt. Dabei muss die Hauptkonstruktion der Pyramide massiv genug sein, um sowohl den Raum zu überspannen als auch die Last der Glaskonstruktion und die klimatisch bedingten veränderlichen Lasten aufzunehmen. Die äußere, direkt neben der Verglasung angeordnete Schicht besteht aus runden Edelstahlröhren, die mit einem gegossenen Knotenelement verbunden sind. Das Gitter aus rautenförmig angeordneten Röhren ist in einem Abstand von ca. 50 mm von der Rahmenkonstruktion für die Verglasung angeordnet. Eine runde, röhrenförmige Strebe verbindet das Gitter mit der Zugstangenkon­ struktion, die den inneren Rand der Gesamtkonst­r uktion bildet.

Links: Der Innenraum der großen Pyramide des Louvre in Paris ist stützenfrei. Eine spezialgefertigte Konstruktion aus Seilen und Streben bildet die physische Form der Pyramide, die ausschließ­ lich entlang der Außenhaut abgestützt wird. Rechts: Die dreieckige Geometrie der großen Pyramide des von I. M. Pei mit Unterstützung durch Peter Rice und RFR entworfe­ nen, 1989 vollendeten Louvre in Paris wurde in rautenförmige Glastafeln aufgelöst.

– STAHL- UND GLASKONSTRUKTIONEN

Als Hauptmerkmal des Innenraums wurden kleinere, umgekehrte Pyramiden konzipiert. Sie bilden einen „Kronleuchter“, der Tageslicht in das Untergeschoss leitet. Die gläserne Spitze der Pyramide, die von einer eigenständigen Seilbinderkonstruktion getragen wird, ist relativ flach ausgebildet, um der Witterung, Einwirkungen von Niederschlägen und gelegentlichem Fußgängerverkehr zu widerstehen. Die darunter gelegene Konstruktion besteht nahezu ausschließlich aus Seilen, wobei die Masse des Glases selbst zur Spannung der Konstruktion dient, da keine größeren tragenden Bauteile vorhanden sind, gegen welche die Konstruktion vorgespannt werden könnte.

Die von einer Betonrahmenkonstruktion abgehängten kleineren,

Die Seilkonstruktion aus Edelstahl ist in spezialgefertigten

Die kleinen Louvre-Pyramiden schaffen einen umschlosse­

umgekehrten Pyramiden werden von einer Hauptkonstruktion aus

Gussteilen aufgelöst, die als Knotenpunkte dienen. Trotz des auf

nen Raum, so dass kein beidseitiger Zugang für die Montage

Edelstahl getragen, wobei die Verglasung an einer Hängekonst­

einer eindeutigen Hierarchie von Konstruktionen und Bauteilen

der Glaskonstruktion möglich war. Daher wurden spezielle

ruktion befestigt ist. Die Fugen zwischen den Glastafeln wurden

basierenden Entwurfs hinterlässt die fertiggestellte Konstruktion

Punkthalter eingesetzt, die das Glas von beiden Seiten fixieren.

offen gelassen.

einen eher leichten Eindruck, was auf die Bauteilabmessungen

Zwischen Edelstahl und Glas dienen Polster zur Verhinderung von

und die Materialität des Edelstahls zurückzuführen ist.

Rissbildungen, es bestand aber kein Erfordernis der Aufnahme von Drehbewegungen.

Paul Andreu konzipierte eine Variante einer Seilbinderkonstruktion zur Abstützung des von Wasser bedeckten Atrium-Oberlichts unter dem großen Teich vor dem Großen Nationaltheater in Beijing. Links: Großes Nationaltheater in Beijing. Blick in Richtung der Decke des Atriums. Die Hauptspannrichtung der Seilbin­ der verläuft senkrecht zur Breite des Raums. Die Stützen sind zwischen diesen Spannweiten angeordnet; eine Reihe quer verlaufender Seile dient zur Verbindung und Schaffung horizontaler Stabilität. Rechts: Die Streben und Zugglieder sind in die Rahmenkonstruktion integriert, die zur Abstützung der Verglasung dient. An den Knotenpunkten finden sich sehr vage Marken der Verschweißung mit den geraden, V-förmigen Rahmenelementen der Verglasung. Dünne Drahtseile dienen der diagonalen Aussteifung. Sie verlaufen kreuzweise über die gesamte Glasebene, um die Konstruktion rissbeständig auszubilden. Bei dieser Konstruktion werden vorwiegend Stangen anstelle von Seilen verwendet, um das ansprechende Erscheinungsbild zu erhalten.

Nicht in jedem Fall lassen sich komplexe Seilkonstruktionen in eine Typologie einordnen, aus der sich Details ableiten lassen. Varianten und Kombinationen eher standardisierter Detailausbildungen finden sich in zahlreichen Konstruktionen, insbesondere zugbeanspruchten Stahlkonstruktionen, bei denen statt textilem Gewebe eine Verglasung als Gebäudeaußenhaut dient. Dies trifft auch auf den Hauptbahnhof in Berlin zu. Details mit einem hohen Grad an konstruktiver Durchbildung finden sich hier sowohl im Haupttragwerk als auch in der Unterkonstruktion der Verglasung. In den Stahlbögen kommt eine ergänzende Zugbinderkonstruktion zum Einsatz, die ihren optischen Eindruck verstärkt, sie aber auch leichter erscheinen lässt. Dieses Vokabular wird überführt in die Verstärkung der Verglasung. Die gekrümmte, tonnengewölbeartige Dachkonstruktion ist in vorwiegend quadratische Glastafeln gegliedert. Da die quadratische Form nicht in sich stabil ist und eine Dreiecksform nicht gewünscht war, erzielte man durch die Hinzufügung von zwei Paaren von Leichtbau-Kreuzstreben aus Stahl an jeder Glastafel zusätzliche Stabilität.

– 193

Der Hauptbahnhof in Berlin, entworfen von von Gerkan, Marg

Die die Verglasung tragende orthogonale Stahlrahmenkonst­

und Partner, vollendet im Jahr 2006. Die gewölbten Bogenträger

ruktion ist durch sehr dünne, paarweise angeordnete Zugseile

wurden an ihrer Unterseite mit einer Seilbinderkonstruktion

verstärkt, die über das gesamte Dach als feines Gitter von

versehen. Der gebogene Träger bildet den oberen Druckgurt der

Kreuzverstrebungen angeordnet sind. Die Glasfassade liegt sehr

Konstruktion, während die Binderkonstruktion den Untergurt und

eng am Stahlgitter an. An den Schnittpunkten der Seile dienen

die Füllstäbe zur Verfügung stellt. Hier eine Dehnfuge zwischen

spezialgefertigte Verbinder zum Anschluss an den Tragbalken.

zwei dieser Bogenträger.

Der Leichtbauträger besteht aus Seilabschnitten, die mittels

Eine klare Hierarchie von Abhängigkeiten und Lastverläufen:

spezialgefertigter Verbinder fixiert sind, die wiederum die Last

Die Blechträger, die als Unterkonstruktion der Verglasung dienen,

auf die vertikalen Streben abtragen. Die für die Seile verwendeten

münden in die gebogenen Breitflanschträger, die den Schnittpunkt

Verbinder müssen ein Festziehen ermöglichen.

der Tonnengewölbe bilden. Das größte sichtbare Bauteil ist der Obergurt des gebogenen Hauptträgers aus Stahl, der den Bahnhof stützenfrei überspannt.

Zur Verstärkung der Fassade mit tragender Vollverglasung an den Eingängen wurde eine modifizierte Aussteifung aus Seilbindern verwendet. Verbundglaselemente dienen als Druckstreben für die Konstruktion.

– STAHL- UND GLASKONSTRUKTIONEN

Bei den von Renzo Piano entworfenen Arkaden am Potsdamer Platz in Berlin lassen sich Dach und Wände bei gutem Wetter nahezu vollständig öffnen.

Zu öffnende Stahl- und Glaskonstruktionen Je größer der Anteil der zu öffnenden Paneele, desto biegesteifer muss die stabilisierende Stahlkonstruktion ausgebildet sein. Dies führt dann zu Herausforderungen, wenn die Konstruktion leicht und transparent erscheinen soll. Beim von Renzo Piano konzipierten Gebäude der Arkaden am Potsdamer Platz in Berlin bestand die zusätzliche Herausforderung, eine äußerst leichte Tragkonstruktion aus Stahl mit einem Glasdach und verglasten, vollständig zu öffnenden Stirnwänden zu kombinieren. Die Dachkonstruktion besteht aus Leichtbau-Stahlfachwerkträgern, die den Raum stützenfrei überspannen. Die Träger sind aus einer Kombination von Blechen und Stangen gefertigt, wobei vorwiegend Schraubverbindungen eingesetzt wurden. Über die gesamte Dachlänge dienen Stangen zur seitlichen Aussteifung zwischen den Trägern. In jedem zweiten Feld dienen dünne Seile als Kreuzstreben. Dieses Konzept ist an ein relativ gemäßigtes Klima mit gelegentlich auftretenden Schneelasten angepasst. Blick nach oben auf die verglaste Wand des Eingangs zum Gebäude der Arkaden am Potsdamer Platz. Die Mechanismen für die zu öffnenden Fassadentafeln sind durch die Leichtbau-Stahlkonstruktion zu stabilisieren, die sich über die Fassaden­ höhe erstreckt.

Oben: Der Untergurt des Dachträgers besteht aus parallel ange­ ordneten Blechen, so dass die vertikalen Füllstäbe miteinander verbunden sind. Die diagonalen Füllstäbe sind über Gussverbin­ dungen gelenkig angeschlossen. Sichtbar sind auch die gekrümm­ ten Führungen für das zu öffnende Dach. Unten: Spannseile aus Stahl gewährleisten die Verbindung der Leichtbauträger, welche die Außenwand abstützen. Für die auf­ gehenden Elemente des Trägers wurden paarweise angeordnete, dünne Stahlbleche verwendet. Die Verglasung ist im Mittelpunkt des Trägers angeordnet, der die Außenhülle durchdringt.

– 195

GEBOGENE FOR MEN Das Biegen von Stahl zur Herstellung von gekrümmten Formen ist ein hochspezialisierter Prozess, der unter Umständen nicht für alle Typen oder Anwendungen von tragenden Bauteilen möglich ist (siehe Kapitel 8 „Gebogene Stahlbauteile“). Für Gebäude mit gebogenen Formen wird in der Regel Flachglas geometrisch so angeordnet, dass der Eindruck einer Krümmung entsteht. Hierbei wird die Stahlrahmenkonstruktion in manchen Fällen gebogen, in anderen segmentiert (ebenso wie das Glas). Dieser Eingang zur Londoner U-Bahn ist ein seltenes Beispiel des Einsatzes gekrümmter Bauglastafeln in Verbindung mit einer gebogenen Drahtkonstruktion. Die gewünschte Ästhetik und die Größe des Baus ließen nichts anderes zu.

Die Annäherung an eine gebogene Form mittels geradliniger

Die Stahlrahmenkonstruktion besteht aus verschweißten geraden

Geometrien kann Teil des Entwurfsansatzes sein, hier beim

Bauteilen. Die Abschnitte sind klein genug, um aus gewissem

Institut de la Mode et du Design in Paris, entworfen von Jakob

Abstand relativ gleichmäßig zu erscheinen. Dies erlaubt die ein­

+ MacFarlane.

fache Befestigung von Flachglastafeln an einer Reihe horizontal verlaufender Stahlbleche, die an die horizontalen Stahlhohlprofile angeschweißt sind.

Selbst das von Paul Andreu entworfenen Große Nationaltheater

Die spezialgefertigte Verbindung der Klemme der Vorhangfassade

in Beijing besteht in Wirklichkeit aus geraden Verkleidungsele­

mit der Bohrung in dem Stahlblech der Rahmenkonstruktion

menten. Aus normalem Abstand erscheint das Gebäude auch dank

wurde so bemessen, dass gewisse Abweichungen erlaubt sind.

seiner Größe, als sei es aus gebogenen Bauteilen errichtet worden.

Zur Verhinderung von Fluchtungsfehlern während der Montage kommt es auf präzise Fertigungsverfahren mit Zuschnitt des Stahls auf CNC-Maschinen an.

– STAHL- UND GLASKONSTRUKTIONEN

Die gewölbte Kuppel des von Foster + Partners von 1992 bis

Die zwischen den Stahlrippen und den Flachglastafeln ange­

1999 umgebauten Reichstagsgebäudes in Berlin verbindet eine

ordnete Stahlrahmenkonstruktion vermittelt zwischen beider

gewölbte Stützkonstruktion im Inneren der Kuppel mit einer facet­

Geomet­r ie. Vorspringende Elemente im Rahmen nehmen

tierten Außenverglasung. Dies hat zum Teil funktionelle Gründe,

die Unterkante der Glastafeln auf. Mehrere Stahlkonstruktionen

da die schindelartige Anordnung der Glastafeln die Frischluftzu­

überführen die reinen Kurvenformen der gewendelten Rampe

fuhr ermöglicht.

über die Bögen der Rippen auf die einfachen facettierten Seg­ mente der Glaskuppel. Die Abstände zwischen den Rippen sind so gewählt, dass die Glastafeln zwischen ihnen spannen können. Die Schweißungen auf den Rippen wurden sauber ausgeführt und als quasi natürliche Spur der Fertigung belassen.

G IT TER SCH A L ENBAU W EISE Gebogene Konstruktionen erforderten prinzipiell eine optische und funktionale Trennung der Tragkonst­ ruktion von der Verglasung. Herkömmliche Vorhangfassaden aus Aluminium und Glas verfügen nicht über die Tragfähigkeit, um ebenfalls als Tragsystem des Gebäudes zu fungieren. Während Vorhangfassaden von einer Stahlträger- oder -binderkonstruktion gestützt werden, muss für die vollständige Integration der Stahlkonstruktion und der Verglasung die Stützkonstruktion aus hohen Fachwerkträgern wegfallen. Fortschritte bei Tragwerksberechnung und Stahlzuschnitt ermöglichen die Planung komplexer Formen von Stahlbauteilen – Gittern –, die sowohl als raumüberspannende Tragglieder wirken als auch die Glaskonstruktion direkt abstützen können. Beim Glasdach des großen Innenhofes des British Museum in London dient eine Stahlgitterkonstruktion zur Überdachung des Hofes. Sie vermittelt zugleich zwischen der Form des runden Pavillons in der Hofmitte und der rechteckigen Umfassung des bestehenden Hofes. Um die Abmessungen der Stahlprofile begrenzen und eine ausreichende Neigung für den Regenwasserablauf schaffen zu können, besteht die Gitterschalenkonstruktion aus sich überlagernden, radial gebogenen Elementen. Der Gitterrahmen stützt die 3.312 doppelt verglasten Dachtafeln. Die Isolierglas-Dachtafeln sind von flachen Aluminiumrahmen eingefasst, die direkt auf den Gitterträgern aufsitzen. Die tragenden Bauteile wurden in Österreich von der Firma Waagner Biro aus Stahl Grade D gefertigt, der eine erhöhte Duktilität sowie Fähigkeit zur Aufnahme von Schneelasten aufweist. Die Stahlkastenprofile messen 80 mm in der Diagonalen; ihre Höhe reicht von 80 mm in der Mitte bis zu 180 mm im Randbereich. In der Sicht von unten ist diese Höhenveränderung nicht wahrnehmbar. Bei allen Verbindungen erfolgt eine volle Verschweißung mit sternförmigen Knotenelementen aus Stahlblechen. Trotz der individuellen Geometrie der meisten Dachelemente konnten durch Roboterschweißen gewisse Einsparungen erzielt werden. Die Stahlgitterkonstruktion des Oberlichts des großen Innenhofes im von Foster + Partners von 1994 bis 2000 errichteten British Museum in London schafft einen sehr leichten räumlichen Ein­ druck, da die Sekundärkonstruktion weggelassen werden konnte.

Nahaufnahme der Schweißverbindung am Schnittpunkt von sechs Stahlkastenträ­ gern. Die Enden wurden verjüngt, so dass sie in das sternförmige Knotenelement passen und eine größere Auflagefläche für die Schweißungen bieten.

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Gitterschalenkonstruktion des Glasdaches über dem Hof des von Frank Gehry konzi­ pierten Gebäudes der DZ Bank in Berlin. Die Umfassung des rechteckigen Hofes dient zur Definition und Aussteifung der Unterkanten der Gewölbeform.

Die Krümmung des Gewölbes ist über ihre Länge unterschiedlich ausgeprägt. An ihrem engsten Ende und in Feldmitte dient eine Konstruktion aus Zugstreben zur teilweisen Abspannung. Das zentrale Verbindungsblech nimmt die Form des Gewölbes wieder auf.

In Gewölbemitte wurde eine zusätzliche Verstärkung eingebracht, wobei der Querschnitt unauffällig im Gitter verborgen ist. Dieses Bauteil stellt den Anschluss zur Konstruktion des benach­ barten Gebäudes her.

– STAHL- UND GLASKONSTRUKTIONEN

Die von RFR in Paris geplante Dachkonst­

Die Gitterbauweise wird gern bei Projekten angewandt, bei denen gewölbte Glasdächer mit unregel-

ruktion der Hafenanlagen von Shiliupu am

mäßigen Formen realisiert werden sollen. Diese Oberflächen werden in gerade Rahmenkonstruktionen

Huangpu-Fluss in Shanghai modifiziert die Gitterkonstruktion als eine unre­ gelmäßig gekrümmte Fläche, die keine

zur Befestigung der Glastafeln überführt. Bei der Anwendung im Außenbereich ohne Klimatisierung ist keine Isolierverglasung erforderlich. Zum Vorbild wurde die Gitterdachkonstruktion der Messe Mailand,

Abstützung im Randbereich erfordert. Es

die von Massimiliano Fuksas von 2002 bis 2005 ausgeführt wurde. Hier entstand in Gitterschalenbau-

ist außergewöhnlich, dass hier ausschließ­

weise auf innovative Weise eine wellenförmige Dachebene, die zahlreiche wirbelähnliche Elemente

lich rechteckige Formen zum Einsatz

enthält. In zwei 2010 realisierten Projekten in Shanghai finden sich kleinformatige Anwendungen dieser

kommen – selbst für den „Wirbel“.

geometrischen Form.

Die Lasten des Gitterdaches werden an den Stützen durch verjüngte Bauteile abgetragen, so dass am Punkt der Lastübertragung mehr Stahl für die Auf­ nahme von Schubkräften zur Verfügung steht. Die rechteckigen Stahlgitterele­ mente sind mit einem runden Knotenele­ ment verschweißt, das mit dem oberen Ende der Hohlprofilstütze verbunden ist. Die Anordnung der Beleuchtung verbirgt auf einfache Weise die Verbindung.

Das gewölbte Dach löst das rechteckige/ rautenförmige Gitter auf, das die Verglasung in bündig verschweißten kreuzförmigen Verbindungselementen aus Stahl verankert. Im Sinn eines nahtlosen Erscheinungsbildes wurden die Schweiß­ nähte glattgeschliffen. Das Gitterdach erstreckt sich über die gesamte Länge des Hafenbereiches, wobei die Wellenform von unregelmäßig angeordneten Stützen getragen wird. Die Kurvenform des Daches trägt zur erforderlichen Stabilität der Gesamtkonst­ ruktion bei.

– 199

Das Dach des Pavillons der Expo-Axis auf der Expo 2010 in Shanghai, entworfen von SRA Architects, schafft ein dynamisches Zusammenspiel von textilen Membranen und Gitterkonstruktionen. Es besteht aus sechs wirbelförmigen verglasten Gittern. Eine Dreiecksgeometrie vereinfacht die Herstellung der gleichmäßigen Krüm­ mungen.

Die Tragfähigkeit des verglasten Stahlgitters ist nicht nur ausreichend für eine selbsttragende Konstruktion, sondern bietet auch Einspannpunkte für die ausgedehnten, daneben angeord­ neten textilen Vordachkonstruktionen des Expo-Axis-Pavillons. Die Zugverbinder für das Textildach wurden mit der Stirnfläche des Stahlgitters verschweißt.

Die „Wirbel“ des Expo-Axis-Pavillons sind an der Gelän­ deoberkante gesichert und erstrecken sich freistehend auf ihre gesamte Höhe über der Plattformebene. Die Biegesteifigkeit der Stahlkonst­r uktion ergibt sich vollständig aus ihrer Geometrie. Die Knotenpunkte sind durch Verschweißung der geraden Seg­ mente mit den Enden der sternförmigen Verbindungselemente aufgelöst. An der Oberfläche der rechteckigen Stahlgitterele­ mente sind Leitungen entlanggeführt, um die Beleuchtung mit Strom zu versorgen.

– STAHL- UND GLASKONSTRUKTIONEN

Die gekrümmte, triangulierte Ebene des Gitters führt zu einer leichteren Konstruktion und ermöglicht eine Verringerung der Höhe der tragenden Bauteile. Die verglasten Elemente müssen nicht direkt am Stahlgitterrahmen befestigt werden. Eine alternative Anwendung dieses Konstruktionsprinzips findet sich im Entwurf des Sonnenschutzdaches für das Yas Hotel an der Formel-1-Rennstrecke in Abu Dhabi. Die räumliche Trennung der Glastafeln von der Gitterkonstruktion bietet Raum für das Entweichen von Warmluft und verbessert das Mikroklima auf der Terrasse.

Die bedruckten Glastafeln dieses Sonnenschutzdaches am von Asymptote Architects

Die Untersicht des Vordaches am Yas Hotel zeigt die Verbindung

entworfenen Yas Hotel in Abu Dhabi sind mit rautenförmigen Stahlrahmen verbunden,

der Glasbauteile mit dem rautenförmigen Gitter aus geschweißten,

die wiederum an ein rautenförmiges Gitter angeschlossen sind, das auf großen Bogen­

rechteckigen Trägern. Die Durchlaufträger wurden gebogen und

trägern aufliegt, deren Last auf Diagonalstützen abgetragen wird.

bilden in dieser Form die Schale. Dabei fungierten Gehry Techno­ logies als Berater für das Building Information Modeling (BIM) der Gitterschalenkonstruktion und Front Inc. als Fassadenfachplaner.

Spezialgefertigte Verbindungen übertragen die Lasten vom gebogenen Randträger aus

Die Lasten der geneigten Stützen werden von speziell gegossenen Stützenfüßen aufge­

Stahl, der ebenfalls an das Gebäude angeschlossen ist, nach unten über die geneigten

nommen. Dabei wurde der Versuch unternommen, eine nahtlose Verbindung zwischen der

Rundstützen. Die kugelförmigen Abdeckungen an jedem Knotenpunkt verdecken die

röhrenförmigen Stütze und dem Fuß herzustellen.

eigentlichen Anschlüsse, so dass bei ihrer Detailausbildung ästhetische Fragen nur eine untergeordnete Rolle spielten.

Die in diesem Kapitel beschriebenen Konstruktionen und Architekturbeispiele bieten nur einen kurzen Abriss der Möglichkeiten, die sich aus der Kombination von Stahl und Glas ergeben. Zahlreiche Anwendungen sind in ihrer Form einmalig und lassen sich nicht einfach in eine feste Kategorie einordnen. Jede entwickelte Variante muss sich dabei stets nach den dargestellten Ausgangskriterien richten und die technischen Unterschiede im Hinblick auf Baustoff, Funktion und Klima berücksichtigen.

– 201

K A PI T E L 13 ---

k o mple x e R ahme n k o n strukti o n e n : S tahl u n d H o l z --EIGENSCHAFTEN Detail P L A N U N G F E R T I G U N G U ND M ON T A G E O B E R F L Ä C H E N B E H A ND L U N G V ER DECK T E STA HL BAU T EIL E P R OZ E S S P R O F I L : E R W E I T E R U N G S B A U D E R A R T G A L L E R Y O F ON T A R I O ( A G O ) / FR ANK GEHRY P R OZ E S S P R O F I L : E I S S C H N E L L L A U F H A L L E R I C H M OND / C A NNON D E S I G N

Die aus Glas und Holz bestehende Fassade des Erweiterungsbaus der Art Gallery of Ontario in Toronto, entworfen von Frank Gehry, wird von einer Stahlrahmenkonstruk­ tion getragen, die das skulpturale Element an das Gebäude anbindet. Die Planung und Montage eines solch komplexen Bauteils erfordert einen ganzheitlichen Ansatz zur Berücksichtigung der konstrukti­ ven Vorteile und Grenzen beider Baustoffe.

Zum Anschluss von schweren Holzrahmenkonstruktionen werden

Für die von Peter Busby and Associates

seit langer Zeit Elemente aus Baustahl verwendet. Aus rein konst-

konzipierte Brentwood Skytrain Station

ruktiver Sicht verhält sich eine solche Holzkonstruktion hinsichtlich der Lastabtragungsmechanismen und -verläufe ähnlich wie eine

auf eine Kombination von Stahl und Holz zurückgegriffen, um die Vorgaben an die

Stahlrahmenkonstruktion. Beide Bausysteme bestehen aus einer

Baustoffe zu erfüllen. Die Verbundrip­

Reihe separater Elemente (Träger, Balken, Stützen), die gelenkig

pen wurden vom Stahlbauunternehmen

angeschlossen sind. Bei Mischbauweisen kann die zusätzliche Trag-

George Third and Son gefertigt und

fähigkeit des Stahls genutzt werden, um die Konstruktion kostengünstiger zu planen oder sie ästhetisch so zu gestalten, wie dies bei ausschließlicher Verwendung von Holz nicht möglich wäre.

EIGENSCHAFTEN Zum Zeitpunkt der Erfindung von Bausystemen aus Eisen und Stahl griff man bei ihrer konstruktiven Durchbildung in hohem Maß auf das Vorbild der bis dahin üblichen Holzkonstruktionen zurück, da für beide Baustoffe Rahmenkonstruktionen geplant wurden und die Zugbeanspruchung im Vordergrund stand, im Unterschied zur Druckbeanspruchung bei Bauten aus Stein. Dennoch unterscheiden sich die konstruktiven Eigenschaften und Merkmale von Stahl und Holz deutlich voneinander; daher kann die gemeinsame Verwendung beider Materialien in einem Bauwerk auch Probleme aufwerfen. → Die Zugfestig keit von herköm mlichem Kohlen stoffsta hl liegt bei 400 MPa, also zeh n mal höher als bei Holz. Da her werden bei i n Mischbauweise errichteten Gebäuden die Holzbauteile i n der Regel zu r Gewä h rleistu n g der Dr uck festig keit ei n gesetzt.

→ Sta hl ist ei n i ndustriell gefertigtes Produ kt mit i n hohem Maße vorhersagbaren Festig keits­ werten u nd Qualitätsmerk malen, wä h rend Holz als natü rlicher Baustoff auch i h m eigene u nd i n ma nchen Fällen verborgene Fehler u nd Mä n gel au fweisen ka n n, die sich au f sei ne Detaillier u n g u nd Tragfä hig keit auswirken.

→ Sta hl deh nt sich u nter Wä r meei nwirk u n g aus u nd sch r u mpft bei Kälte, wä h rend Holz na hezu u nbemerkt arbeitet. In schweren Holzkon str u ktionen si nd die Sta hlbauteile selbst relativ klei n, so dass die u nterschiedlichen Eigen schaften der beiden Baustoffe na hezu irreleva nt si nd. Bei komplexeren Kon str u ktionen ka n n das u nterschiedliche Verfor mu n gsverhalten u nter Wär meei nwirk u n g jedoch zu erheblichen Problemen fü h ren.

→ Beide Materialien si nd vor Feuchtig keit zu schützen, da Holz von Schwa m m befallen werden ka n n u nd Sta hl korrodiert. Jedoch ist Feuchtig keit a n sich fü r Sta hl u nproblematisch, wen n sie nicht von Konden swasserbildu n g begleitet ist. Im Gegen satz dazu ist Holz ei n heterogener, h ygroskopischer u nd a nisotroper Werkstoff, der Wasser molek üle aus der Lu ft a nzieht. Da Holz da nach strebt, ei n Feuchtegleich gewicht mit der Um gebu n g zu erreichen, ka n n es q uellen oder schwi nden. Dies fü h rt zu r über mäßigen Festig u n g oder Lösu n g von Verbi ndu n gen.

→ Holz ist ei n zelluläres Material. Die Lä n ge der Zellen richtet sich nach der Lä n gsach se des Bau mes. Mit Verri n ger u n g des Feuchtegehaltes des Holzes u nd dem Entweichen von freiem Was­ ser aus der Zellmitte zeigt das Zellgewebe ei n u nterschiedliches Schwi ndverhalten. In der Lä n gsach se ist dieses nu r geri n gfügig ausgeprägt (i n der Regel 1 %), radial ka n n dieser Wert jedoch 2 % u nd ta n gential sogar 3 % erreichen. Trockeneres Holz schwi ndet noch deutlicher. Bei der Kombi nation von Sta hl u nd Holz kom mt es da her darau f a n, dass das Holz ei n Gleich ge­ wicht mit sei ner kli matisierten Um gebu n g erreicht hat, bevor die Verbi ndu n gen hergestellt werden. Von großer Bedeutu n g ist auch ei ne kon sta nte Temperatu r, so dass Verfor mu n gen des Sta hls verhi ndert werden.

→ Sta hl ist pra ktisch u nbegrenzt wieder ver wertbar, u nd wen n ei ne Demontage der i n Mischbau­ weise errichteten Kon str u ktion ei n gepla nt wird, ka n n auch das Holz wieder ver wendet werden.

– STAHL UND HOLZ

in Vancouver, British Columbia, wurde

montiert; die Stahlbauer mussten ihre Fertigungsprozesse und Umschlags­ techniken so anpassen, dass das Holz nicht beschädigt wurde.

DETA IL PL A NUNG Hier sind die unterschiedlichen Verformungen von Stahl und Holz aufgrund der Einwirkung von Temperatur und Feuchtigkeit zu berücksichtigen. Dafür stehen heute Berechnungsprogramme zur Verfügung, mit denen Stahlbauunternehmen, die Projekte mit einer gemischten Stahl-Holz-Bauweise durchführen, vertraut sein sollten. Passung zwischen dem Stahl- und

Bei der Ausführungsplanung muss die Verbindung in manchen Fällen so ausgebildet werden, dass sie

Holzbauteil am Gebäude der Brentwood

selbst die Verformung aufnehmen kann. Gelegentlich dienen Langlöcher im Stahlbauteil der Aufnahme

Skytrain Station, bei der die Berührungs­ fläche zwischen den beiden Baustoffen innerhalb des Holzbauteils verborgen ist.

der Bewegung des Holzes. Diese Lösung widerspricht jedoch der Mehrzahl der freiliegenden Stahlkonstruktionen, da bei diesen die halbe Normtoleranz anzuwenden ist und die Dimensionierung der Bohrungen ein hohes Maß an Präzision erfordert. Auch beim Quellen und Schwinden des Holzes muss die Verbindung ordnungsgemäß ausgerichtet bleiben. Da sich die Stahlverbindungen selbst nicht bewegen, ist darauf zu achten, dass die Verbindungselemente sich nicht über die volle Höhe der Holzbauteile erstrecken, da sich das Holz im Laufe der Zeit verformt und eine Verbindung mit übermäßigem Zwang zum Splittern des Holzes am Anschlusspunkt führen kann. Von entscheidender Bedeutung ist die Berücksichtigung des jeweils optimalen Funktionsbereiches. So wäre Stahl bei der Ausbildung eines einfachen Fachwerkträgers, bei dem die einzelnen Füllstäbe sowie Ober- und Untergurt entweder auf Druck oder axial auf Zug belastet werden, die bessere Wahl für die Zugglieder, während Holz für die Druckglieder geeigneter wäre. Auf diese Weise können die Zugglieder sehr dünn geplant und bei der Fertigung in ihrer Schlankheit an Stangen angeglichen werden. Das Holz kann dagegen im Querschnitt massiver ausgebildet werden, so dass die Aufnahme der Druckbeanspruchungen verdeutlicht wird. Links: In der Konstruktion des vom Architektenkonsortium Gauthier Gallienne Moisan entworfenen Gene H. Kruger Pavilion an der Laval University in Quebec dienen leichtgewichtige Stahl­ stangen als Untergurte der Holzfachwerkträger. Die Druckglieder bestehen aus Holz. Rechts: Die Stahlanschlussbleche wurden in Schlitze im Holz eingeführt und verschraubt. Die Zugglieder sind an einen recht­ eckigen Stahlring angeschlossen, der einfach mit der Unterseite der Hängesäule verschraubt ist. So konnte der Anschluss der sechs Stangen elegant in einem einzigen Punkt gelöst werden. Die Holzbauteile können sich unabhängig vom Stahl ausdehnen. Die in Mischbauweise errichteten Fachwerkträger, die den von KPMB Architects geplanten Bereich der Weinherstellung der Jackson Triggs Weinkellerei in Niagara-on-the-Lake, Ontario, stützenfrei überspannen, zeigen eine ausgewogene Kombination von Stahl und Holz. Die schlanker ausgebildeten Stahlbauteile nehmen im Fachwerkträger die Zugkräfte auf. Sie bilden einen Kontrast zur relativen Rauheit und Massivität der Kanthölzer.

Da Holz über seine Nutzungsdauer Feuchtigkeit aufnimmt und abgibt, darf ungeschützter Stahl nicht unmittelbar mit dem Holz in Berührung kommen - dies würde zur Korrosion führen. Der Stahl kann durch Verzinkung oder Aufbringen eines feuchtigkeitsbeständigen Anstrichsystems geschützt werden. Auch sollte darauf geachtet werden, von vornherein trockenes Holz zu verwenden, um das abweichende Verformungsverhalten zu begrenzen. Im Hinblick auf eine ausgeglichene Ästhetik bei einer Mischbauweise mit sichtbarer Stahlkonstruktion sollte die Tektonik beider Materialien zum gesamten Erscheinungsbild beitragen.

– 205

F E R T I G U N G U ND M ON T A G E Aus Sicht der Fertigung kann ein Projekt in Mischbauweise in der Werkstatt des Stahlbauunternehmens ausgeführt werden. Vor der Gefahr der Beschädigung während des Transports bzw. durch Schweißarbeiten oder Erwärmung des Stahls kann das Holz durch eine Abschirmung während des Schweißens geschützt werden. Bis zu seiner Anlieferung auf der Baustelle ist die Schutzabdeckung auf dem Holz zu belassen und dann lediglich in Bereichen mit erforderlicher Bearbeitung zu entfernen. Im Gegensatz zur üblichen Praxis bei der Bearbeitung großer Stahlbauteile sollten Holzelemente nicht betreten werden. Eventuell auftretende Probleme lassen sich durch die Einhausung mit Holz und textilem Material sowie durch die Verwendung von Nylonschlingen (im Gegensatz zu den üblicherweise für Stahl verwendeten Ketten und Anschlaghaken) für den Transport der Holzbalken minimieren. Die Vorbereitung und Montage einer Konstruktion in Mischbauweise weist Ähnlichkeiten mit der Herstellung sichtbarer Stahlkonstruktionen auf, wobei die Holzbauteile noch vorsichtiger zu handhaben sind. Je nach Größe und Komplexität der Elemente können die Verbindungen zwischen den Materialien entweder in der Werkstatt hergestellt (mit nachfolgendem Transport) oder im Vormontagebereich auf der Baustelle realisiert werden. Hier kommt es noch mehr auf eine genaue Passung an, da Holzbauteile nicht unter Anwendung von Gewalt eingepasst werden können – dies würde nur zu Rissbildung führen. Zum Anheben der Bauteile sind gepolsterte Anschlagmittel zu verwenden, um Beschädigungen des Holzes zu verhindern. Durch entsprechende Umhüllungen ist das Holz bis weit nach Beendigung der Montage vor Witterungseinflüssen zu schützen. Nur die kontinuierliche Verantwortung in einer Hand kann eine genaue Passung zwischen den Materialien sichern und eine entsprechende Abstimmung gewährleisten. Der Stahlbauer kann mit der Erstellung der Werkstattzeichnungen, der Anlieferung und der Montage betraut werden. Im von Omicron Engineering and Architecture geplanten National Works

O B E R F L Ä C H E N B E H A ND L U N G

Yard in Vancouver, British Columbia, werden Holz und Stahl miteinander kombiniert, indem die beiden Konst­

Im Innenbereich stellt der Brandschutz die wichtigste Frage dar. Massive Holzbalken, Brettschichthölzer

ruktionen voneinander getrennt werden.

oder Holzwerkstoffe werden üblicherweise in Umgebungen eingesetzt, die eine Feuerwiderstandsdauer

Für Balken und Pfetten kommen Holz­

von über 30 oder über 60 Minuten (F 30 oder F 60) erfordern. In Deutschland ist Stahl lange Zeit eben-

werkstoffe zum Einsatz, während Stahl

falls hauptsächlich für Bauaufgaben eingesetzt worden, die Feuerwiderstandsklassen F 30 oder F 60 erforderlich machen. Diese wurden beispielsweise durch das Beschichten mit einem Dämmschutzbildner

für die Hauptkonst­r uktion und bestimmte spezialgefertigte Verbindungen verwendet wird. Darüber hinaus dient Stahl zur

erreicht. Aufgrund der Anpassung der Prüfverfahren an interntionale Standards kann im Stahlbau seit

Abdeckung der Enden der Holzbalken,

etwa zehn Jahren auf diese Weise auch die Feuerwiderstandsklasse F 90 erreicht werden.

um sie vor Feuchtigkeit zu schützen.

Bei Konstruktionen in Mischbauweise werden in Innenbereichen verbaute Stahlelemente in der Regel vorbehandelt, um sie vor dem Eindringen von Feuchtigkeit aus dem in der Verbindung eingepassten Holz zu schützen. Die Beschichtung des Stahls gestaltet sich einfacher, bevor er mit dem Holz verbunden ist. So können Sprühspuren oder Farbtropfen auf dem Holz vermieden werden. Zahlreiche Arten von Holzwerkstoffen, die in Projekten mit Mischbauweise eingesetzt werden, sind bereits bei ihrer Anlieferung in der Werkstatt vorbehandelt. Holzbauteile werden üblicherweise nicht am Einbauort gebeizt oder versiegelt, da dort der Zugang zum Material für das Aufbringen von Beschichtungen häufig eingeschränkt ist. Während der Fertigung in der Werkstatt ist die Oberfläche zu schützen und das Holz gegen Wärmeeinwirkungen abzuschirmen, die durch Schweißarbeiten entstehen.

– STAHL UND HOLZ

Bei Anwendung im Außenbereich sind witterungs- und UV-beständige Anstriche bzw. Beschichtungen aufzubringen. Bei Holz verhindern diese Beschichtungen ein je nach Sonneneinstrahlung unterschiedliches Bild der Farbverblassung. Aufgrund seiner Dauerhaftigkeit wird für Stahl oft das Verzinkungsverfahren eingesetzt. Farbanstriche müssen in hohem Maße witterungsbeständig sein und in ausreichender Dicke aufgetragen werden, so dass während der Montage keine Beschädigungen auftreten. Im Gegensatz zu wasserundurchlässigen Stahlbeschichtungen müssen Holzanstriche stets die Diffusionsoffenheit des Materials gewährleisten. Wenn auf das Holz Beschichtungen aufgebracht werden, die nicht diffusionsoffen sind, kann dies zum Einschluss von Feuchtigkeit unter der Beschichtung und nachfolgend zur Rissbildung und zum Abblättern führen.

V ER DECK T E STA HL BAU T EIL E Bei Konstruktionen in Mischbauweise eingesetzte Stahlbauteile sind nicht in jedem Fall sichtbar. Der entstehende Eindruck, dass die Holzkonstruktion die tragende Funktion vollständig übernimmt, kann aus der Sicht des Entwurfs erwünscht sein. Der von Frank Gehry geplante Serpentine Pavilion des Jahres 2008 in London besteht aus einer innovativen Kombination aus Stahl und sichtbaren Holzbalken. Da der Pavillon als temporäres Bauwerk konzipiert war, kam es nicht auf die Gewährleistung der Dauerhaftigkeit an. Die Holzkonstruktion scheint einen Großteil der Lasten aufzunehmen, jedoch wird bei näherer Betrachtung deutlich, dass diese Funktion von verdeckten Stahl­ elementen übernommen wird.

Oben: In die groß bemessenen Holzstützen und -balken des Pavillons sind mittig Stahlbauteile eingelassen, die sowohl das Holz abstützen als auch die Verbindung der Bauteile ermöglichen.

Größere und komplexere Projekte, bei denen Stahl und Holz entweder parallel oder in MischbauRechts: Der Blick von oben auf das verglaste Vordach verdeutlicht, auf welche Weise das Holz als Verkleidung über der

weise eingesetzt werden, erfordern zusätzliche technische Planung und besondere Fertigungs- und Montageverfahren. Dies ist dann der Fall, wenn Größe und Gewicht der Bauteile sich den Grenzen

mit einem weißen Anstrich versehenen

der Möglichkeiten der traditionellen Zimmermannsgewerke nähern oder diese überschreiten und

Stahlkonstruktion dient.

Hebe- und Montagevorgänge vorzugsweise von Stahlbaumonteuren auszuführen sind.

– 207

P R OZ E S S P R O F I L : E R W E I T E R U N G S B A U D E R A R T G A L L E R Y O F ON T A R I O ( A G O ) / F R A N K G E H R Y Architekt: Frank Gehry Tragwerksplaner: Yolles Halcrow Generalübernehmer: EllisDon Stahlbau und -montage: Benson Steel (Tragkonstruktion), Mariani Metal (Treppen) Brettschichthölzer: Structurlam

Die Modernisierung und Erweiterung der Art Gallery of Ontario könnte als ein für Frank Gehry sehr unty-

Das Schauelement an der Frontfassade der

pisches Gebäude betrachtet werden. Die endgültige Version des Entwurfs des die neue Nordfassade

AGO in Toronto, Ontario vermittelt den

dominierenden verglasten Arkadenganges ist eines der ersten Großprojekte von Gehry, bei dem keine hochgradig gebogene Stahlrahmenkonstruktion als Tragsystem zum Einsatz kommt. Das Bauvorha-

Eindruck, als sei das Gebäude vorwiegend aus Brettschichthölzern errichtet. Die vom Stahlbau- und -montageunternehmen

ben „Transformation AGO“ besteht zum Großteil aus der Modernisierung eines Bestandsgebäudes mit

Benson Steel erstellte axonometrische

einer Vergrößerung der Nutzfläche um ca. 20 %. Durch das Grundstück selbst ergaben sich erhebliche

Darstellung der Konstruktion zeigt jedoch

Einschränkungen im Hinblick auf den Entwurf des Erweiterungsbaus sowie eingeengte Platzverhält-

ein anderes Bild. Zeichnungen dieser

nisse im Montagebereich für alle Bauphasen. Zur Schaffung dieses Montagebereiches wurde eine Spur der Hauptstraße auf der Nordseite des Gebäudes während der Bautätigkeit für den Verkehr gesperrt.

Art berücksichtigen jedes einzelne im Projekt verbaute Stahlbauteil. Die an der Nordfassade prominent hervortretenden

Aufgrund dieser beengten Platzverhältnisse hatte der Kranführer eine – wenn überhaupt – nur sehr ein-

Rippen aus Brettschichthölzern entlang

geschränkte Sicht auf die Montage, so dass er sich bei der Errichtung der verglasten Arkade vollständig

der gesamtne Schauseite sind in dieser

auf die Handzeichen und Funkanweisungen des Montageteams verlassen musste.

Zeichnung nicht dargestellt.

– STAHL UND HOLZ

Die neue Hauptfassade besteht aus einer gewölbten, verglasten Galerie, die mit einer Reihe von abgeschrägt verlaufenden, gekrümmten Rippen aus Brettschicht­ holz verbunden ist. Zwar vermitteln die Holzbauteile den Eindruck einer Haupt­ tragkonstruktion, jedoch sind hinter dem Fassadenelement in erheblichem Umfang Stahlbauteile angeordnet, die zur Fortfüh­ rung der komplexen Geometrie dienen.

Oben: Ein Blick hinter die aus gewölbten

Die voll verglaste Nordfassade besteht aus einer Reihe von „Rippen“ aus Brettschichtholz, die auf unauf-

Glasbauteilen bestehende sogenante

fällige Weise von Stahlbauteilen getragen werden und mit diesen verbunden sind. Die Stahlkragarme

„Träne“ am östlichen Ende des Gebäudes zeigt eine ausgeklügelte Rahmenkonst­

dahinter verhalten sich wie unsichtbare Schnüre im Puppentheater. Sie wirken verborgen im Hintergrund

ruktion aus Stahl, welche die Holzkonst­

und vermitteln den Eindruck, als ob die Brettschichthölzer selbstständig tragende Bauteile wären.

ruktion trägt.

Die große Herausforderung bei der Errichtung dieser Galerie aus Brettschichthölzern bestand darin, dass jede „Rippe“ eine Einzelanfertigung war. Mit fortschreitender Reihung vergrößert sich auch der

Unten: Das dunkler erscheinende Stahlprofil wurde verzinkt; das hellere, komplexer ausgebildete Profil erhielt

Winkel, in dem das jeweilige Element angeordnet ist, so dass sich deutlich außermittige Lasteinwirkungen ergaben und sich die Stahlverbindungen am oberen und unteren Ende von Bauteil zu Bauteil

einen dicken Anstrich mit Zinkfarbe.

unterschieden. Die erste errichtete „Rippe“ definierte den Bezugswert der vertikalen Ausrichtung.

Aufgrund der Anordnung dieser Bauteile

Ihre Montage nahm wegen der erforderlichen Präzision eine relativ lange Zeit in Anspruch, da sich die

ist der Unterschied für den Betrachter

Lage aller weiteren Bauteile an diesem Bezugselement orientierte.

nahezu nicht wahrnehmbar. Schwierig­ keiten bei der Verzinkung der komplexer ausgebildeten Elemente führten zur Wahl

In hohem Maße innovative Vorgehensweisen waren erforderlich, um eine neue Art der Zusammenarbeit

eines anderen witterungsbeständigen

zwischen den Zimmerleuten und Stahlbauern auf der Baustelle zu schaffen. Dabei ergänzten sich die

Anstrichs. Die Zinkschmelze hätte den

Erfahrungen der Stahlbaumonteure beim Heben und Absetzen großer Bauteile gut mit den Fertigkeiten

Stahl aufgeheizt und zu einer irreversiblen

der Zimmerleute im Umgang mit dem empfindlichen Material Holz. Im Gegensatz zu Stahl kann Holz

Verdrehung des Bauteils geführt.

nicht unter Anwendung von Gewalt in seine Einbaulage gebracht werden, ohne dass es möglicherweise zu einer Beschädigung der behandelten Oberfläche oder zur Rissbildung im Bauteil kommt. Die gekrümmten Verläufe wurden unter Nutzung der Software Catia von den Handskizzen Gehrys in digitale Zeichnungen überführt, die nachfolgend an den Holzhersteller und an die Baustelle übermittelt wurden. Für die ordnungsgemäße Ausrichtung der Elemente auf der Baustelle musste in der Verbindung von Wölbung, Drehung und Neigung für jedes Element eine exakte Passung hergestellt werden – ansonsten wäre die Ausrichtung der jeweils folgenden Bauteile nicht möglich gewesen. Stahlbaumonteure und Zimmerleute sind zwar in der Lage, bei der Platzierung der Bauteile geringfügige Anpassungen vorzunehmen, diese sind jedoch aus praktischen Gründen begrenzt.

– 209

Die Übertragung von Montageverfahren für Stahl auf Brettschichtholz ist mit zahlreichen Herausforderungen verbunden. Während des Montagevorgangs sind Stahl und Holz auf unterschiedliche Weise zu handhaben. Die bei der Montage von Baustahl möglichen Verfahren mit Krafteinwirkung (Einsatz von Ketten oder Seilen) wären für Holz nicht geeignet und könnten zu optischen oder konstruktiven Schäden an den großen Brettschichtholzelementen führen. Geeignete Verfahren des „Nachhelfens“ ähneln eher den Techniken, die bei der Montage von sichtbaren Stahlkonstruktionen angewandt werden. Gurte bzw. Riemen sind hierbei sorgfältig zu polstern, um Beschädigungen der Oberfläche zu verhindern. Dies gilt insbesondere für die scharfen Ecken der Bauteile. Für die manuelle Ausrichtung der Bauteile setzten die Monteure dieselben Gurte und Riemen aus textilen Materialien ein, die für das Anheben verwendet wurden. Bei der Anlieferung der Brettschichthölzer bestand jede LKW-Ladung in der Regel aus fünf gebogenen „Rippen“ und dem großen horizontalen Kehlbalken, über den die „Rippen“ miteinander verbunden waren. Die „Rippen“ waren im eng bemessenen Vormontagebereich zu drehen, um die Befestigung der Verbindungselemente aus Stahl zu ermöglichen. Diese wurden überwiegend verzinkt, um auch langfristig Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten. In Kunstmuseen wird üblicherweise eine relative Luftfeuchtigkeit von 50 % eingestellt, was in Verbindung mit großflächigen Verglasungen zu einer höheren Luftfeuchtigkeit führt. Die Verzinkung ist kostengünstiger als der Einsatz von Edelstahl und dauerhafter als ein Farbanstrich. Die Realisierung eines Projekts mit anspruchsvoller Geometrie bedeutet auch, dass während der

Oben: Der zentrale Arm ist an der

Ausrichtung der Bauteile die natürliche Schwerkraft nicht unterstützend wirkt. Während eines Bau-

gesamten Fassade das einzige senkrecht

stellengesprächs erklärte Mike Jackson von der Firma Toronto Ironworkers Local 721, dass er jedes einzelne Bauteil begutachten und die Hebepunkte ausschließlich aufgrund seiner Erfahrung wählen

verlaufende Bauteil. Auf dem Bild ist die noch auf dem Holz befindliche grüne Schutzhülle sichtbar. Darüber hinaus wur-

musste. Er legte dazu zwei Punkte an den gewölbten Armen fest, die zunächst zum Anheben vom LKW

den an gefährdeten Ecken weiße Verstär-

und zur Drehung dienten, so dass die Elemente für den endgültigen Hebevorgang mit der Krümmung

kungselemente angebracht, um Schäden

nach unten positioniert waren. Für diesen Vorgang wurde ein einzelner Gurt auf etwa einem Viertel der

während der Montage zu verhindern.

Länge (vom oberen Ende gesehen) angebracht. Ähnlich wie beim Anheben von Stahlbauteilen wurde am unteren Ende ein Seil angeschlagen. Für die freiliegenden Verbindungselemente aus Stahl wurden die

Unten: Die Brettschichtholz-Träger werden vom LKW gehoben und gedreht, um die

für herkömmlichen Baustahl üblichen Toleranzen halbiert. Jedes Grundelement musste dabei zwischen

Montage der Verbindungslaschen an den

der jeweils unterschiedlichen Geometrie und Orientierung des Armes und dem Stahlträger vermitteln.

Enden zu ermöglichen.

Der Basisanschluß wird am Ende der „Rippe“ eingefügt. Das Holz

Nachdem die Verbindungselemente an der „Rippe“ ange-

Die verzinkte Fußstütze der Rippe ist über eine Schraubverbin-

war bereits zuvor in der Werkstatt bearbeitet worden, um eine

bracht wurden, wird sie in ihre Einbaulage gehoben. Die grüne

dung am Träger befestigt.

genaue Passung mit dem Verbinder herzustellen. Die Verbinder

Schutzhülle wird auf dem Holz belassen, um Beschädigungen

zwischen Grundelement und Arm werden durch das Holz und die

während der Montage zu minimieren. An den Stellen, an denen

Bohrungen im innenliegenden Stahlblech geführt.

die Umhüllung entfernt wurde, befinden sich Stahlverbinder. Die Grundverbindung wurde in ihrer Position gesichert, bevor das obere Ende befestigt wurde.

Durch das Verbindungselement aus Stahl ergab sich für den mehr als 3 t schweren, langgestreckten Kehlbalken ein erhebliches Ungleichgewicht, so dass die beiden Punkte für die Befestigung der Gurte entsprechend angepasst wurden. Der horizontale Brettschichtholzträger schließt sowohl an die fünf Stützarme als auch an das Ende des benachbarten Trägers an. Diese Anordnung erforderte eine präzise Passung der Verbindungslaschen aus Stahl.

– STAHL UND HOLZ

Die Brettschichtholzkonstruktion bedient sich zur Gewährleistung ihrer allgemeinen Tragfähigkeit einiger großer sichtbarer Stahlbauteile, die jedoch im mittleren Abschnitt der Galerie weniger auffallen. An den beiden Enden der Galerie wird die Holzkonstruktion von komplex ausgebildeten Stahlrippen und -streben getragen. Gleiches gilt für die verdrehten, von Brettschichtholz-Rahmen umschlossenen Ebenen, die am westlichen und östlichen Ende den äußeren Abschluss der Galerie bilden. Aufgrund der unsymmetrischen Geometrie der verglasten Abschnitte reicht die Tragfähigkeit des Holzes für eine selbsttragende Konstruktion nicht aus. An der Vorder- und der Rückseite dient die Stahlkonstruktion zur Begrenzung von Durchbiegungen.

Der Kehlbalken wird mit Hilfe eines Seils in seine Einbaulage gebracht. Über die Ausrichtung der Endverbindung hinaus sorgen die an den vier anderen Anschlusspunkten positionierten Monteure dafür, dass auch diese korrekt ausgerichtet sind. Die verzinkten Stahlschwerter dienen der Befestigung einmündender Holzbauteile auf der Rückseite der Galerie.

Die Stahlkonstruktion stützt die Holzbauteile. Die Stahlrippen

Schraubverbindungen, die Schweißarbeiten auf der Baustelle

sind über Stahlstreben an die Hauptkonstruktion des Gebäudes

vermieden, dienten der Erleichterung der Montage und der Her-

angeschlossen.

stellung von Langlöchern für die Ausrichtung.

Links: Die Stahlverbindungen für die kleineren, als Unterkonstruktion für die Verglasung dienenden Holzbauteile zeigen einen deutlichen Abstand zwischen den benachbarten Elementen. Dieser dient der besseren Passung und ebenso der Herstellung der beabsichtigten Krümmung unter Einsatz von geraden Bauteilen. Die zur Kostenersparnis identischen Verbindungen waren so auszubilden, dass sie kleinere Drehbewegungen zur Anpassung an die Wölbung erlaubten. Rechts: Segmentierung der Glasfassade und der Tragkonstruktion aus Holz. Hinten sind die Stahlstreben sichtbar, welche die Konstruktion am westlichen Ende des Raums abstützen. Die Verbindung am Fuß der Rippen aus Brettschichtholz ist unter dem Fußboden verborgen.

Zwar stehen die tragenden und verbindenden Stahlbauteile und die entsprechenden Detailausbildungen bei der endgültigen Gestaltung des Innenraumes nicht im Vordergrund, jedoch ist ihre Präsenz nach wie vor ablesbar. Im Wechselspiel zwischen Stahl und Holz sind die beiden Konstruktionen in hohem Maße unabhängig voneinander. Sie können mit räumlicher Trennung oder alternativ durch Bewegungen aufnehmende Fugen angelegt werden. Dagegen kann es bei größeren Konstruktionen erforderlich sein, dass Stahl und Holz in vollem Umfang gemeinsam die Lasten abtragen müssen.

– 211

PROZESSPROFIL: EIS SCHNEL L L AUFH A L L E R ICHMOND / CANNON DESIGN Architekten: Cannon Design Tragwerksplaner: Fast + Epp Bauausführendes Unternehmen: Dominion Fairmile Construction Stahlbau und -montage: George Third and Son Der Entwurf der Eisschnelllaufhalle in Richmond für die in Vancouver ausgetragenen Olympischen Winterspiele von 2010 war eine komplexe Bauaufgabe. Holz stellt im kanadischen British Columbia die wichtigste natürliche Ressource dar, so dass seine Verwendung hier erwartet wurde. Aufgrund der Größe und der erforderlichen stützenfreien Überspannung des Ovals war eine Ausführung ausschließlich in Holz jedoch nicht möglich. Die sich daraus ergebende Planung der Haupttragglieder der Halle führte zu einer einzigartigen Mischbauweise. Das Stahlbauunternehmen George Third and Son war bereits zuvor mit der Fertigung und Montage anderer Mischkonstruktionen für mehrere Stationen des Skytrain in diesem Gebiet beauftragt worden. Für die Eissporthalle entstanden die weltweit längsten stützenfreien Bögen aus Holz und Stahl. Die Konstruktion der Eisschnelllaufhalle in Richmond, England zeigt deutlich die Kombination von Stahl und Holz.

Der Innenbereich stellt den Baustoff Holz zur Schau. Ein Großteil der Tragwirkung geht auf die Stahlbauteile zurück, die unauffällig in die Konstruktion integriert wurden, um ihre Biegesteifigkeit zu gewährleisten.

Dieses Foto aus der Bauphase zeigt die Funktion des Stahls für die Abstützung der Dachkonstruktion. Die Dachtafeln wurden aus klein dimensioniertem Nutzholz hergestellt, das aus Wäldern geborgen wurde, die vom Borkenkäfer heimgesucht worden waren.

Die Fertigung und Montage der 100 m langen Bögen war nicht in einem Stück möglich. Jedes Bauteil wurde aus vier Elementen von 26 m Länge mit einem Gewicht von jeweils 17 t zusammengefügt, die so verbunden werden mussten, dass ihr Verhalten dem eines einzigen Bauteils glich.

– STAHL UND HOLZ

Links: Das Innere des gewölbten Fachwerkträgers wird von einem aus Hohlprofilen verschweißten Dreiecksträger gebildet. Rechts: Stahlbauteile am oberen und unteren Ende des Brettschichtholzes dienen zur Definition der Kanten. Bei der Dimensionierung der seitlichen Brettschichthölzer mussten Querschnitte geschaffen werden, die zur Lastabtragung beitragen, ohne dabei zu schwer auszufallen.

Links: Die Werkstattaufnahme zeigt die enorme Größenordnung des Bogens. Für die Ausführung der Arbeiten sowie das Anheben und die Drehung der Bauteile musste in der Werkstatt ausreichend Platz geschaffen werden. Zur Begrenzung von eventuellen Schäden wurde die Schutzhülle auf dem Holz belassen. Rechts: Die Bögen mussten auch die Haustechnik aufnehmen. Hier war eine zusätzliche Abstimmung mit den Gewerken und Fachplanern erforderlich.

Bei dem behandelten Endstück des Bogens mit dem abschließenden Verbindungselement aus Stahl ist die Außenfläche des Holzes zum Schutz umhüllt.

– 213

Nach der Herstellung der Auflager aus Beton wird die Stahlrahmenkonstruktion der Abschlusswand zur Abstützung des ersten Bogens errichtet.

Links: Zwei Segmente werden auf der Baustelle mit Schraubverbindungen zwischen dem oberen und unteren Element verbunden. Über dem Stoß an der Unterkante wurde ein spezialgefertigtes Deckblech montiert. Die beiden mittleren Abschnitte wurden vor dem Anheben auf der Baustelle miteinander verbunden. Rechts: Vorbereitung der Bogensegmente für die Montage auf der Baustelle.

Da die Oberseite des Bogens während der Montage freilag, war besondere Sorgfalt erforderlich, um die im Innenbereich gelegenen Konstruktionen vor Schäden durch Einwirkung von Regen zu schützen.

Links: Die seitlichen Abschnitte des Bogens wurden zuerst montiert; nachfolgend wurde das mittlere Segment eingefügt. Zur Aussteifung wurde eine Turmkonstruktion errichtet, welche das freie Ende der seitlichen Abschnitte so lange abstützte, bis die Segmente miteinander verschraubt waren. Zur Verhinderung von auf den Stoß einwirkenden Spannungen während der Montage und zur Ausbalancierung des 51,8 m langen Bauteils wurde ein spezielles Anschlagmittel gefertigt. Rechts: Der für die Verbindung der Unterkanten der Bogensegmente verwendete Stoß. Dieser wurde durch ein Deckblech verborgen, verfüllt und abgeschliffen.

– STAHL UND HOLZ

Während der Bauphase wurde die zusätzliche Funktion der Strebepfeiler aus Beton bei der Aufnahme der von den Dachbögen abgetragenen Schubkräfte deutlich.

Das Holzdach schwingt sich von den Bögen empor, gestützt von Stahlfachwerkträgern. Die Breitflanschprofile, welche die Oberkanten der dreieckigen Bogensegmente bilden, sind mit gekrümmten Profilen verbunden, die wiederum an den Bogen angeschlossen sind.

Links: Für die Massenfertigung der Dachtafeln wurden in der Stahlbauwerkstatt gebogene Einspannvorrichtungen eingesetzt. Rechts: Nach der Fertigstellung zeigt der Bogen die Integration der HLK-Versorgung sowie die Stützkonstruktion für die Holz­ decke. Der Stoß zwischen den Bögen wird durch die Unterbrechung des Verlaufs der Maserung des Brettschichtholzes sichtbar. Der Stoß an der Stahlkante wurde nach hohen Anforderungen für freiliegende Stahlkonstruktionen behandelt. Die vorgefertigten Tafeln aus kleinen Holzstücken werden ebenfalls durch Stahl abgestützt.

Stahl und Holz können sich sehr gut ergänzen – vom Einsatz von Stahl für Verbindungselemente bis hin zur Planung von komplexeren Konstruktionen in Mischbauweise. Entscheidend sind das Verständnis der konstruktiven und physikalischen Eigenschaften der beiden Baustoffe und die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Fertigungsbetrieb und einem versierten Montageteam.

– 215

K A P I T E L 14 ---

S tahl und N achhaltigkeit --S tahl als nachhaltiger B austoff DAS ZERTIFIZIERUNGSSYSTEM LEADERSHIP IN ENERGY AND E N V I R O N M E N T A L D E S I G N ( L E E D TM) R EC YCL ING ODER W IEDERV ERW ENDUNG RECYCLINGANTEIL WIEDERVERWENDUNG VON BAUTEILEN ANGEPASSTE NACHNUTZUNG

NACHH A LTIGK EIT SICHTBA R ER STA HL KONST RUK T IONEN EMISSIONSAR ME ENT WURFSSTR ATEGIEN REDUZIERUNG DES MATERIALEINSATZES REDUZIERUNG VON ANSTRICHEN UND BESCHICHTUNGEN REDUZIERUNG VON ARBEITSKOSTEN REDUZIERUNG DES TRANSPORTAUFWANDS

Die Verzinkung der Bauteile des Water Centre in Calgary, Alberta, von Manasc Issac Architects verleiht den im Außenbereich verbauten sichtbaren Stahlele-

DAUERHAFTIGKEIT

menten ein Erscheinungsbild, das dem nachhaltigkeitsorientierten Entwurf des Gebäudes entspricht. Stahl drängt sich sicher nicht als Baustoff auf, wenn man an Nachhaltigkeit denkt. Dennoch enthält das hier eingesetzte Material einen hohen Anteil an Stahlschrott statt Roheisen. Die verzinkten Oberflächen tragen zur Abfallvermeidung bei, da der ansonsten erforderliche regelmäßige Neuanstrich entfällt. Aufgrund der sichtbaren Stahlkonst­r uktion mussten keine anderen Verkleidungsmaterialien eingesetzt werden, was zur Einsparung von grauer Energie führte.

Die Stahlbauweise hat Auswirkungen auf eine nachhaltige, emissionsarme Planung. Gegenwärtig ergibt sich aus jeglicher Materialauswahl, und selbst aus der grundlegenden Entscheidung zu bauen, eine Beeinträchtigung der Umwelt. Durch optimale Nutzung der Vorteile der Stahlbauweise kann dieser negative Einfluss auf die Umwelt gemindert werden. Zunächst betrifft dies die Auswirkungen aus der Rohstoffgewinnung und Herstellung des Materials selbst, die unter dem Begriff der grauen Energie gefasst werden. Zum zweiten sind es Gesichtspunkte des Recycling, der Wiederverwertung des Materials und der Nachnutzung des Gebäudes in angepasster Form. Schließlich geht es auch um die dem Stahl eigenen einzigartigen Vorteile, die nicht durch die Wahl eines anderen Baustoffs reproduziert oder substituiert werden können.

STA HL A L S NACHH A LT IG ER BAUSTOFF Ein erheblicher Anteil des heute abgesetzten Stahls stammt aus wiederverwertetem Schrott aus Haushaltsabfällen. Die Herstellung von Stahl mit Recyclinganteilen erfordert im Gegensatz zum Einsatz von 100 % Roherz weniger Energie, da das Erz erst einer energieintensiven Aufbereitung unterzogen werden muss. Zwar wird Eisenerz noch immer weltweit gewonnen, jedoch ist der Baustoff Stahl nach seiner Herstellung und Verwendung in Bauwerken praktisch unbegrenzt wiederverwertbar, ohne dass es zu einem „Downcycling“, also zu einer Verschlechterung seiner Eigenschaften ähnlich wie bei Recyclingkunststoffen kommt, die dann zu Abfall werden. Beim Stahl dagegen ist die vorhergehende Anwendung ohne Bedeutung für die Herstellung von Baustahl mit Recyclinganteilen. Dabei kann der Stahl zum Beispiel aus Dosen, Fahrzeugen oder Waschmaschinen stammen, da die chemische Zusammensetzung des Stahls im Stahlwerk modifiziert werden kann, um ein besonderes Verhalten bzw. bestimmte Eigenschaften zu erzielen. Bei der Fertigung neuer Stahlprofile können erhebliche Schrottmengen verwendet werden, ohne dass der Produktionsprozess wesentlich modifiziert werden müsste. Da sich die Abläufe bei der Herstellung von Stahl seit etwa 1950 nur unwesentlich geändert haben (also die chemische Zusammensetzung des Stahls weitgehend unverändert geblieben ist), wird der seither produzierte Stahl noch immer effektiv wiederverwertet. Seit der Erfindung des Gusseisens konzentrierte man sich auf die Modifizierung des Kohlenstoffgehalts. Vor 1950 produzierter Stahl kann einen höheren Kohlenstoffgehalt aufweisen, was Schweißarbeiten erschwert. Beim Einsatz dieses Stahls als Schrott wird die endgültige Zusammensetzung des Stahls im Werk verändert, um den Kohlenstoffanteil zu verringern. Es ist deshalb wichtig, Alter und Kohlenstoffgehalt zu ermitteln, da sich daraus Auswirkungen auf die Schweißfähigkeit ergeben. In einigen Fällen sind gegebenenfalls Schraubverbindungen vorzusehen. Die Menge der zur Herstellung erforderlichen Energie richtet sich nach dem Produktionsprozess und der Höhe des Anteils an recyceltem Material. Zwei Typen von Anlagen werden eingesetzt, die beide mit Vor- und Nachteilen hinsichtlich ihrer Umweltauswirkungen verbunden sind: In einem integrierten Stahlwerk wird der Stahl in einem Sauerstoffblaskonverter hergestellt. Bei diesem Verfahren werden 25 bis 35 % Stahlschrott eingesetzt, wobei Sauerstoff durch die Schmelze geleitet wird, um dem Stahl Kohlenstoff zu entziehen. Endprodukt dieses Prozesses ist kohlenstoffarmer Stahl. Das Gefäß, in dem der Prozess abläuft, kann lediglich 25 bis 35 % Schrott aufnehmen; der verbleibende Anteil wird als Roheisenschmelze zugeführt. Integrierte Stahlwerke befinden sich aus logistischen Gründen üblicherweise in Hafennähe und daher häufig in größerer Entfernung von der Baustelle, was zu einer Erhöhung der Transportkosten führt.

– STAHL UND NACHHALTIGKEIT

Im Mini-Stahlwerk wird das Elektrolichtbogenofen-Verfahren eingesetzt. Der Lichtbogenofen wird dabei mit 90 bis 100 % Schrott beschickt. Mini-Stahlwerke können an Standorten errichtet werden, die weniger von wichtigen Schifffahrtsrouten abhängig sind. Daraus ergibt sich eine größere Nähe zur jeweiligen Baustelle und damit eine Senkung der Transportkosten. Im Fertigungsprozess entstehen als Nebenprodukte unter anderem Schlacke und Flugasche. Diese werden als Zementersatz bei der Herstellung von emissionsärmerem Beton verwendet. Zur Minimierung ihrer Umweltauswirkungen sollten Mini-Stahlwerke über eine zuverlässige Energieversorgung aus umweltfreundlichen Quellen verfügen. Bei der Auswahl von Stahl als Recyclingmaterial zur Erfüllung der Anforderungen von Nachhaltigkeitsklassifizierungen wie LEEDTM oder dem deutschen DGNB-Zertifikat ist zu beachten, dass sich der Schrottanteil sowohl aus Industrie- als auch aus Haushaltsabfällen zusammensetzt. Die genauen Anteile sollten durch Kontaktaufnahme mit dem Stahlwerk bzw. dem Lieferanten ermittelt werden. Obgleich die Energiekosten beim Lichtbogenofenverfahren niedriger sind, werden beide genannten Der Union Bank Tower in Winnipeg,

Prozesse für die weltweite Umsetzung der Nachhaltigkeitskriterien benötigt. In Nordamerika wird

Manitoba, ältestes Hochhaus in Kanada

Baustahl (insbesondere W-Profile) mit Ausnahme einiger Bleche und Coils im Lichtbogenofenverfah-

mit einer Stahlrahmenkonstruktion aus dem Jahr 1906, wird gegenwärtig für

ren hergestellt. Vielfach kommt es jedoch aufgrund der Verschiebung oder Steigerung der Nachfrage

eine angepasste Nachnutzung durch das

nach Stahl und Schrott – insbesondere in Asien – zu Engpässen beim Recyclingmaterial, so dass die

Red River College mit Seminarräumen

ausschließliche Anwendung dieses nachhaltigeren Verfahrens nicht möglich ist.

und Studentenunterkünften modernisiert. Hierbei werden die Tragfähigkeit der Rahmenkonstruktion und verschiedene Strategien für den Brandschutz untersucht. Das Arbeiten mit der bestehenden Konstruktion und dem nur teilweise vorhandenen Brandschutz (Keramikkacheln) gehört dabei zu den besonderen

DAS ZERTIFIZIERUNGSSYSTEM LEADERSHIP IN ENERGY AND E N V I R O N M E N T A L D E S I G N ( L E E D TM)

Herausforderungen.

Das nordamerikanische Zertifizierungssystem für nachhaltig geplante Gebäude, Leadership in Energy Die durch Anordnung eines Stahlgitters zwischen zwei U-Profilen hergestellte Stütze ist ein typisches Beispiel für konst­

and Environmental Design (LEEDTM), wurde zur Klärung der Frage entwickelt, welche Kategorien ein nachhaltiger Entwurf umfassen muss. Es wird gegenwärtig in vielen Teilen der Welt für die Bewertung

ruktive Lösungen der damaligen Zeit,

und Vermarktung von an Nachhaltigkeitskriterien orientierten Gebäuden verbreitet. In der Entwurfs-

bei denen Nietverbindungen eingesetzt

richtlinie sollen auch übertriebene oder falsche Darstellungen hinsichtlich der Nachhaltigkeit verhindert

wurden. Da die abgebildete Stütze von

und ein einheitlicher Standard zur Messung von Parametern geschaffen werden. Das System LEEDTM

Trockenbauwänden umhüllt wird, muss

wird kontinuierlich weiterentwickelt; neue Varianten werden hinzugefügt, die sich stärker an Größe und

kein Aufwand für die Oberflächenbehandlung betrieben werden.

Nutzungsart des Gebäudes orientieren. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf das System LEEDTM 2009 für Neubauten. Das Zertifizierungssystem LEEDTM ist in Kategorien, Gutschriften und Punkte gegliedert. Hauptkategorien sind Nachhaltigkeit des Standorts, Wassereffizienz, Energie und Atmosphäre, Materialien und Ressourcen sowie Innenraumklima. Eine sechste Kategorie ist innovativen Entwurfsansätzen vorbehalten, eine siebte dient für Gutschriften aufgrund des Vorrangs regionaler Beschaffung. Diese übergreifende Definition des nachhaltigen Entwurfs geht über frühere Konzepte der energieeffizienten Planung hinaus und umfasst die Betrachtung des Gesamtgebäudes, aller Systembestandteile sowie sämtlicher Fragestellungen im Zusammenhang mit der Standorterschließung. Die Mehrzahl der Kategorien enthält eines oder mehrere Grundkriterien, die erfüllt sein müssen, damit die in der Kategorie letztendlich erzielten Punkte angerechnet werden. Der Einsatz von Stahl ist hauptsächlich Gegenstand der Kategorie Materialien und Ressourcen. Vorteile in Form von Gutschriften ergeben sich, wenn die Stahlkonstruktion ohne größere Veränderungen wiederverwendet werden kann. Die Dauerhaftigkeit des Baustoffs entspricht den Anforderungen dieser Kategorie in hohem Maße. Ebenso kann ein hoher Recyclinganteil im Stahl mit Gutschriften belohnt werden. Vom Stahlwerk können Zertifikate beschafft werden, die die erforderlichen prozentualen Anteile belegen. Gutschriften können auch erfolgen, wenn Stahlbauteile aus dem Abriss anderer Gebäude wiederverwendet und Nachweise in Form der Lieferscheine vorgelegt werden. Je nach Zahl der vergebenen Punkte werden Gebäude in die Klassen Platinum, Gold, Silver und Certified eingestuft. Dabei werden für Neubauten, gewerbliche Innenräume und verschiedene Anwendungen bei Wohnbauten unterschiedliche Kriterien angelegt. Aktuelle Informationen zu den einzelnen Bewertungssystemen finden sich auf der Website des U. S. Green Building Council (www.usgbc.org).

– 219

R EC YCL ING UND WIEDERVERWENDUNG In einer Stahlbauwerkstatt entstehen nahezu keine Abfälle. Verschnitt oder beschädigte Teile sowie Schliff und Nebenprodukte des Fertigungsprozesses werden zum Recycling in das Stahlwerk zurückgegeben. Die magnetischen Eigenschaften des Stahls vereinfachen die Sammlung von Stahlteilen selbst während des Abrisses. Heute wird selbst Stahlbewehrung routinemäßig dem Recycling zugeführt. Der gesamte Stahlschrott aus dem FertiIm Allgemei nen ka n n die Wieder ver wendu n g von Sta hl wie folgt gewä h rleistet werden:

gungsprozess wird gesammelt und dem Recycling zugeführt.

→ Stahlsch rott kan n gesam melt u nd zur Herstellu ng neuer Stahlbauteile wiederaufbereitet werden. → Wä h rend des Gebäudeabrisses kön nen Bauteile fü r die Ver wendu n g i n ei nem a nderen Gebäude geborgen werden.

→ Neue Gebäude i n Sta hlbauweise kön nen bereits i n i h rem Entw u rf so gepla nt werden, dass i h re Demontage möglich ist.

→ Ga nze Gebäude kön nen bei lediglich mi ni malen Ä nder u n gen a n der Trag kon str u ktion ei nem neuen Zweck zugefü h rt werden.

RECYCLINGANTEIL Einer der Umweltvorteile von Stahl besteht in seinem hohen Recyclinganteil – dies wird in den meisten Systemen zur Nachhaltigkeitsklassifizierung berücksichtigt. Dennoch entstehen bei der Wiederverwertung im Sauerstoffkonverter oder Lichtbogenofen noch immer relativ hohe CO2-Emissionen und ein zusätzlicher Energieaufwand. Daher ist die Wiederverwendung des Materials in seinem ausgebauten Zustand als wichtigstes Mittel zur Emissionsminderung vorzuziehen. WIEDERVERWENDUNG VON BAUTEILEN Die Wiederverwendung von Bauteilen ist eine in hohem Maße nachhaltige Methode der Integration von Stahl in Gebäuden. Die chemischen und konstruktiven Eigenschaften von Baustahl sind seit dem frühen 20. Jahrhundert nahezu unverändert (die exakten Zeiträume unterscheiden sich je nach Land und Verfahrenstechnik der dortigen Stahlwerke). Wenn dem Tragwerksplaner das Baujahr und die Profilabmessungen bekannt sind, können Stahlbauteile mit einem leichten Sicherheitsaufschlag auf einfache Weise in das neue Bauwerk eingegliedert werden. Dennoch ist selbst bei der Wiederverwendung zusätzliche Energie erforderlich. Probleme bei der Wiederverwendung ergeben sich eher im Hinblick auf die Lokalisierung und Beschaffung von geborgenen Bauteilen. Gegenwärtig gibt es keine zuverlässigen Quellen, über die gebrauchte Materialien erworben werden können. Häufig können für ein bestimmtes Projekt Stahlbauteile nur deshalb beschafft werden, weil eines der Teammitglieder gleichzeitig an einem anderen Abriss- oder Modernisierungsprojekt beteiligt ist. Bei der nicht sichtbaren Montage von wiederverwendeten Bauteilen ist die Entfernung aufgebrachter Anstriche oft nicht erforderlich. Bei Verwendung des Elements als Teil einer sichtbaren Stahlkonst­ ruktion muss der Farbanstrich dagegen entfernt werden. In vielen aktuellen Bauvorhaben wird jedoch sogar Wert darauf gelegt, den ursprünglichen Anstrich zu erhalten, um so die nachhaltige Wieder­ verwendung des Materials zu dokumentieren.

Für Tohu, das von einem Konsortium aus Schème Consultants Inc., Jodoin Lamarre Pratte et associés architectes und dem Architekten Jacques Plante geplante, fest installierte Zirkuszelt in Montreal, Quebec, wurden große Träger verwendet, die bei Abrissarbeiten an den Hafenanlagen von Montreal geborgen wurden. Da das Projekt auf die Zertifizierungsstufe LEED TM Gold ausgerichtet war, wurde der bestehende Anstrich bewusst nicht entfernt, um die Wiederverwendung des Stahls zu verdeutlichen.

– STAHL UND NACHHALTIGKEIT

Bei der Wiederverwendung kann das von dem amerikanischen Umweltschützer und Architekten William McDonough und dem deutschen Chemiker Michael Braungart erarbeitete Cradle-to-Cradle-Konzept umgesetzt werden, indem bereits beim Entwurf die Demontierbarkeit berücksichtigt wird. Dieser Ansatz sieht einen geschlossenen Stoffkreislauf für den Stahl vor. Grundsätzlich beruht dieser Ansatz auf der einfachen Wiederverwendung ohne Einsatz zusätzlicher Energie für eine Wiederaufbereitung. Um die Rückbaubarkeit zu gewährleisten, sind Bauteilgrößen, Längen und Verbindungstechniken so zu wählen, dass sie ohne übermäßige Kraft und ohne Verformung leicht lösbar sind. Dieses Prinzip ist am besten mit Hilfe eines modularen Aufbaus umsetzbar. Zwar erscheint es nur logisch, bei dieser Bauweise ausschließlich Schraubverbindungen vorzusehen, wie zum Beispiel beim im Jahr 1851 errichteten Crystal Palace von Joseph Paxton, jedoch bestehen unterschiedliche Auffassungen zur Leichtigkeit der Demontage von Schraubverbindungen. Probleme beim Rückbau verschraubter Stahlkonstruktionen können sich aus der nicht mehr vorhandenen Wirkung der Schrauben aufgrund von Farbschichten oder Korrosion ergeben. Da unabhängig vom Verbindungstyp ein Kran zur Abstützung des Bauteils während seiner Demontage erforderlich ist, können sowohl Schraub- als auch Schweißverbindungen rasch durch Trennen gelöst werden, wodurch geringfügig kürzere, jedoch in ihrer Tragfähigkeit nicht beeinträchtigte Bauteillängen entstehen, die einfach wiederzuverwenden sind. Der Verschnitt kann nachfolgend dem Recycling zugeführt werden. Hierbei entstehen allerdings erhebliche Personalkosten, weil für den Demontagevorgang entsprechend ausgebildete Stahlbauer benötigt werden. Im Sinne der Wirtschaftlichkeit kommt es hierbei aus diesem Grund auch auf einen schnellen Rückbau an. Dieses Prinzip der Demontierbarkeit wird bereits bei vielen temporären Bauten, zum Beispiel für Messen, angewandt. Seine Übertragung auf die herkömmliche Stahlbauweise sollte sich daher relativ einfach gestalten. Angepasste Nachnutzung Bei der angepassten Nachnutzung bildet das gesamte Gebäude die Grundlage für die Umsetzung eines neuen Raumprogramms und Nutzungszwecks ohne wesentliche Veränderung des Bauwerks bzw. durch einfache Verstärkung der bestehenden Konstruktion. In diesem Fall ist das Alter der ursprünglichen Konstruktion von entscheidender Bedeutung für eine gegebenenfalls zu verändernde oder hinzuzufügende Stahlkonstruktion. Sollte eine Verschweißung des Stahls nicht möglich sein und das Bauteil noch über die ursprünglichen Nietverbindungen verfügen, so können Verbindungen mit vorgespannten Schraubverbindungen neue und wiederverwendete Stahlkonstruktionen miteinander kombinieren: Der runde Kopf ähnelt einem Nietkopf und ermöglicht gestalterisch einen nahtloseren Übergang.

Für die Park- und Ladezonen des Lebensmittelmarktes blieben die Ziegelwand und ein Teil der Stahlrahmenkonstruktion der Angus-Werkstätten erhalten und tragen zum architektonischen Gesamteindruck bei.

In der von Ædifica Architecture + Engineering + Design ent-

In einem anderen Bereich entstand ein Lebensmittelmarkt.

worfenen Angus Technopole in Montreal, Quebec, entstand ein

Hier wurde die bestehende Beschichtung der Stahlkonstruktion

Bürokomplex in historischen Lokomotivwerkstätten. Auf der unte-

entfernt und nachfolgend ein neuer Anstrich aufgetragen, in deut-

ren Ebene wurde der ursprüngliche Anstrich belassen, um einen

lichem Kontrast zur angepassten Nachnutzung im Bürobereich.

attraktiven Kontrast zu den ergänzten Materialien und dem neuen Raumprogramm zu schaffen.

– 221

Die im Außenbereich der Institut de la Mode et du Design in Paris hinzugefügten, von Jakob + MacFarlane konzipierten sichtbaren Stahlkonstruktionen schaffen einen dynamischen Kontrast zur Massivität des umgenutzten Gebäudes aus Beton.

Eventuell notwendige Verstärkungen für bestehende Stahlbauteile sind unauffällig zu integrieren, wenn Form, Oberflächenbehandlung und Verbindungstyp entsprechend gewählt werden. Die Stahlbauweise kann auch dazu dienen, die Nutzungsdauer bestehender Betonbauten zu verlängern. So wurde zum Beispiel Betonkonstruktionen an den Hafenanlagen von Paris, die deutliche Zeichen der Alterung zeigten, ein vitaleres Erscheinungsbild verliehen, indem Laufstege mit freiliegenden Stahlkonstruktionen hinzugefügt und Außenbereiche neu gestaltet wurden.

Angepasste Nachnutzung des ehemaligen Bahnhofs Orsay als

Oben: Verschraubte Winkel und Bleche dienen im Musée d’Orsay

Die Hauptzugangstreppe zum Musée d’Orsay durchschneidet eben-

Musée d’Orsay in Paris, entworfen von Gae Aulenti: Das in der

der Verstärkung dieser Eckverbindung.

falls die ursprünglichen gusseisernen Träger und Ziegelgewölbe­

Mitte des ehemaligen Bahnsteigbereiches einfallende Tageslicht

decken, so dass auch an dieser Stelle die ursprüngliche Konstruk-

sorgt für eine gute Ausleuchtung der ausgestellten Plastiken.

Unten: Die neue Besuchererschließung der Galerie durch­

tion auf attraktive Weise präsentiert wird, statt sie zu verdecken.

Wo die Stahlkonstruktion verstärkt werden musste, erlaubten

schneidet die Trägerkonstruktion des früheren Bahnhofsgebäudes,

So wird das Gebäude selbst zu einem Ausstellungsobjekt.

Schraubverbindungen einen nahezu nahtlosen Übergang von den

so dass die bauzeitliche Konstruktion für den Betrachter zur

bestehenden Nietverbindungen zu modernen Bauweisen.

Schau gestellt wird.

– STAHL UND NACHHALTIGKEIT

NACHH A LTIGK EIT FR EIL IEGENDER STA HL KONST RUK T IONEN Sichtbare Stahlkonstruktionen sind prädestiniert zur Verringerung der eingesetzten Materialmengen. Ihre Verwendung führt zu wesentlichen Einsparungen an zusätzlichen Innenausbaumaterialien, so dass der Anteil der grauen Energie im Projekt sinkt. Hinzu kommt der Verzicht auf abgehängte Decken sowie Gipskartonplatten oder sonstige kostenintensive Innenausbaumaterialien. Die Ästhetik freiliegender Stahlkonstruktionen kann auch mit dem Einsatz minimalistischer, jedoch sehr dauerhafter Fußbodenbeläge einhergehen. Konsequenterweise ist dann auch für die Detailausbildung eine materialsparende Bauweise zu praktizieren, und es sind Profilquerschnitte zu wählen, die beim Materialgewicht insgesamt zu einer Ersparnis führen. Wichtig bei freiliegenden Stahlkonstruktionen ist unter Gesichtspunkten der Nachhaltigkeit die sorgfältige Auswahl der Oberflächenbehandlungen und Brandschutzstrategien. Wie in Kapitel 7 „Beschichtung, Oberflächenbehandlung und Brandschutz“ dargestellt, ist der Gehalt des Anstrichsystems an flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) zu überwachen und vorzugsweise eine Farbe mit niedrigem VOC-Anteil zu verwenden, um Ausgasungen zu reduzieren. Sichtbare Stahlkonstruktionen erfordern insbesondere in Bereichen mit hohem Verkehrsaufkommen eine dauerhafte Oberflächenbehandlung. Zur Vermeidung häufiger Neuanstriche ist hier ebenfalls eine Abwägung zwischen der Dauerhaftigkeit der Farbe bzw. Beschichtung und dem Problem der Ausgasungen notwendig. Bestimmte wasserbasierte Anstriche bieten hier möglicherweise keinen optimalen Schutz. Sollte die Verwendung von Anstrichen mit hohem VOC-Anteil erforderlich sein, so ist vor Beginn der Gebäudenutzung eine ausreichende Wartezeitraum einzuplanen. Auch bei Brandschutzbeschichtungen unterscheidet sich der VOC-Gehalt erheblich, je nachdem, ob es sich um wasser- oder epoxidharzbasierte Systeme handelt. Hier kann wiederum eine Abwägung zwischen der Umweltschädlichkeit mancher Brandschutzbeschichtungen im Hinblick auf die möglichen Einsparungen an Beschichtungsmaterial und anderen Brandschutzmaßnahmen erforderlich sein. Auch sind nicht alle Brandschutzbeschichtungen für das einfache Recycling oder die Wiederverwendung des Stahls geeignet. Da sich die chemische Zusammensetzung und die Leistungsfähigkeit von marktüblichen Beschichtungen schnell ändert, sollte zur Beschaffung der jeweils aktuellen Spezifikationen der Hersteller konsultiert werden.

EMISSIONSAR ME ENT WURFSSTR ATEGIEN Die von Gebäuden ausgehenden CO2-Emissionen entstehen wesentlich aus der grauen Energie und dem Energieverbrauch während des Betriebs. Die graue Energie ist Ergebnis der Prozesse der Herstellung, des Transports und der Montage/Errichtung. In einer weiter gefassten Definition werden auch Emissionen aus der Nutzung des Gebäudes sowie die Transportkosten der Nutzer berücksichtigt, die sich aus dem Pendeln zum Arbeitsplatz bzw. durch Geschäftsreisen ergeben. Die für den Unterhalt und Betrieb des Gebäudes erforderliche Energie macht ca. 80 % der CO2-Emissionen des Gebäudes aus. Zum Zeitpunkt der Drucklegung des vorliegenden Buches liegt deshalb in diesem Bereich der Hauptangriffspunkt zur Reduzierung der Umweltauswirkungen. Das Prinzip des Nullenergie-Designs konzentriert sich auf eine erhebliche Senkung des für den Gebäudebetrieb notwendigen Energieaufwands und eine vollständige Erzeugung der vom Gebäude verbrauchten Energie aus nichtfossilen, erneuerbaren Quellen am Standort selbst. Der Grundsatz der CO2-neutralen Planung legt das Hauptaugenmerk auf die Vermeidung des Einsatzes fossiler Brennstoffe oder mit Emissionen verbundener Energiequellen während der Betriebszeit des Gebäudes. Zulässig sind hier auch die kommunale Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen und die Kompensation von Emissionen zum Ausgleich der Bilanz.

– 223

Der Entw urf eines Nullemissionshauses bzw. eines Gebäudes nach Niedrigenergiestandard erfordert die folgenden vier gr u ndlegenden Sch ritte:

#1 - Verringerung des Verbrauchs/Bedarfs: passive Nutzung der Son nenenergie, Tageslicht, Son nen­ schutz, Gebäudeausrichtu n g, natü rliche Be- u nd Entlü ftu n g, Sta ndortpla nu n g u nd Materialität

#2 - Effiziente und effektive Nutzung von Energie: energieeffiziente/effektive Beleuchtung, hoch­ effiziente/effektive Haustech nik, Elektroinstallationen und sanitäre Anlagen sowie Steuerungen

#3 - Energieerzeu g u n g vor Ort au s er neuerba ren Quellen zu r Bereitstellu n g der benötigten Energie. Die Umsetzu n g der zuvor gena n nten Sch ritte fü h rt zu näch st zu wesentlich klei ner dimen sionierten A nlagen zu r er neuerbaren Energieerzeug u n g, so dass das Ziel der CO 2-Neutralität erreichbar ist. Auch i n nerhalb der Gemei nde gemei n sa m genutzte Ressou rcen si nd zulässig.

#4 - A n rech nu n g er worbener Emission szertifi kate als letztes Mittel nach Betrachtu n g aller a nderen Optionen a m Sta ndort.

Gegenwärtig wird die aus der Materialauswahl resultierende graue Energie in den für die Ermittlung der CO2-Emissionen üblichen Verfahren nicht berücksichtigt, da hierfür deutlich komplexere, schwer beurteilbare Berechnungen erforderlich sind, die sich je nach Standort und Hersteller unterscheiden. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Materialauswahl keinen wesentlichen Faktor darstellt und deshalb bei der Entscheidungsfindung nicht zu berücksichtigen wäre. Die graue Energie erscheint jedoch in ihrer Bedeutung eher sekundär, solange nicht wesentliche Einsparungen des Energieverbrauchs im Gebäudebetrieb möglich sind. Sobald die für den Betrieb erforderliche Energie erfolgreich reduziert wurde und der Menge der aus erneuerbaren Quellen erzeugten Energie entspricht, wird die Komponente der grauen Energie nahezu 100 % des dann verbleibenden Problems ausmachen. Die Einflüsse der Materialauswahl lassen sich am zuverlässigsten in einer Ökobilanz ermitteln. In Studien wurde ermittelt, dass bei einer Ökobilanz über 50 Jahre die Materialauswahl für die Tragkonstruktion eines Gebäudes ca. 1 % des gesamten Energieverbrauchs ausmacht. Daher stellen bei der Planung eines Tragsystems aus Stahl seine Dauerhaftigkeit, Flexibilität und unbegrenzte Wiederverwertbarkeit positive Attribute dar.

Graue Energie, MJ/kg

Graue Energie verschiedener Baustoffe. 200

Die Werte für Recyclingstahl unterschei-

191.0

den sich je nach Verhältnis zwischen neu

180

produziertem Stahl und Schrott.

160

Quelle: University of Wellington,

140

Neuseeland, Centre for Building Performance Research (2004)

120 100

88.5

80

72.4

60 40

32.0

25.0

30.3 15.9

20

7.8

0 Aluminum (Hüttenalumninium)

Anstrich auf Wasserbasis

Teppichboden

Stahl Stahl (allgemein, (Schrottaus Rohanteil) eisen)

Glasfaserdämmstoff

Floatglas

Zement

2.5

10.4 1.3

0.3

Holz Holz (Weichholz, (luftgeofengetrocknet) trocknet)

Sperrholz

Beton (Transportbeton, 30MPa)

In der Branche durchgeführte Berechnungen der grauen Energie gehen zumeist von der Herstellung von Stahl aus Roheisen aus. Jedoch ist der Anteil dieses Stahls an der Gesamtproduktion sehr niedrig, da Stahl überwiegend Schrottanteile enthält. Einer der wichtigsten Wege zur Minderung der aus der grauen Energie resultierenden CO2-Emissionen besteht in der Verringerung des Materialeinsatzes und damit verbunden des für die Errichtung des Gebäudes erforderlichen Energieaufwands. Bei der Abwägung zwischen einer Stahlrahmenkonstruktion und der Stahlbeton- oder Massivholzbauweise sind weitere Fragestellungen zu berücksichtigen, darunter Faktoren wie das Verhalten in Verbindung mit passiven Heizungs- und Kühlsystemen, die Dauerhaftigkeit, mögliche Brandschutzmaßnahmen, der Recyclinganteil sowie die lokale Verfügbarkeit.

– STAHL UND NACHHALTIGKEIT

Gesamt-Energieverbrauch eines Einzelhandelsgebäudes, bestehend aus einer typischen Konstruktion aus warmgewalzten Stahlprofilen (geschätzte Nutzfläche unter 600 m²), nach 50 Jahren. Auf die Träger und Stützen entfallen unter 1 %

Fenster und Türen 1,52%

des Energieverbrauchs. Diese Zahl kann je nach Nutzung variieren, doch wurde in

Gründungen 0,80%

Gesamt-Betriebsenergie 93,07%

der Studie nachgewiesen, dass die Wahl des Materials für die Tragkonstruktion

Träger und Strützen 0,62%

Graue Energie gesamt 6,93%

weniger bedeutend als andere Faktoren ist (Energieverbrauch im Betrieb sowie Dauerhaftigkeit von Gebäudehüllen, Fenstern

Gebäudehülle (Wände und Dach) 3,99%

und Türen). Für die Berechnungen wurde die Software Athena Life Cycle verwendet. Quelle: Kevin van Ooteghem, Life Cycle Assessment of a Single Storey Retail Building in Canada.

Reduzierung des Materialeinsatzes Selbst zwischen unterschiedlichen Stahlkonstruktionen besteht die Möglichkeit der Reduzierung des Materialeinsatzes. Querschnitte, welche die vorteilhafte Anordnung des Materials in einem gewissen Abstand von der Schwerpunktachse ermöglichen (zum Beispiel bei W-Profilen und Hohlprofilen sowie Stahlgitterpfetten), führen zu einem sparsamen Materialeinsatz, der bei tragenden Bauteilen oder Systemen, die des Einsatzes von Vollquerschnitten bedürfen, nicht möglich wäre. Diese Leichtgewichtigkeit der Konstruktion bewirkt sowohl eine Reduzierung des allgemeinen Materialeinsatzes als auch eine Senkung der Kosten für den Transport und die Errichtung der Gründung. Bei Hohlprofilen kommt dazu noch eine Verringerung des für die Beschichtung erforderlichen Materialaufwands, wenn man die Oberfläche eines W-Profils mit einem Hohlprofil gleicher Tragfähigkeit vergleicht (unter der Annahme, dass das Hohlprofil innen nicht beschichtet werden muss). Dies gilt für die Mehrzahl der Farbanstriche. Bei verzinktem Stahl ist jedoch die gesamte Oberfläche zu beschichten – auch das Innere von Hohlprofilen –, um einen wirksamen Korrosionsschutz zu gewährleisten, was zu einer Erhöhung des Materialaufwands führt. Der Verzinkungsvorgang ist darüber hinaus energieintensiver, woraus sich eine Steigerung der umweltbezogenen Kosten ergibt. Das von SRG Partnership geplante

REDUZIERUNG VON ANSTRICHEN UND BESCHICHTUNGEN

Gebäude der Lillis Business School an

Da freiliegender Stahl selbst architektonisches Gestaltungselement

der University of Oregon in Eugene, ist nach LEED TM Silver zertifiziert.

ist und keine weitere Oberflächenbehandlung erfordert, führt die

Hier dient eine sichtbare Stahlkonstruk-

Reduzierung des Einsatzes anderer Materialien zur Einsparung von

tion zur Reduzierung des Materialauf-

Ressourcen und Arbeitskosten. Brandschutzbeschichtungssysteme

wands für den Innenausbau. Der weiße

ermöglichen die Zurschaustellung sichtbaren Stahls in unterschied-

Anstrich des Stahls erhöht den Reflexions­

lichsten Gebäudetypen und -nutzungen. Bei der Beurteilung des

grad im Innenraum und trägt so zum Tageslichteinfall bei.

Einflusses der Stahlkonstruktion auf das Innenraumklima ist sorgfältig auf die Wahl von Anstrichen zu achten, die keine bzw. nur einen minimalen Anteil an flüchtigen organischen Verbindungen enthalten. Dies gilt insbesondere für die Auswahl von Brandschutzbeschichtungen, da wasserbasierte Beschichtungen gegenwärtig nur für den Schutz von Innenräumen eingesetzt werden und tendenziell langsamer trocknen als die einen höheren VOC-Gehalt aufweisenden Epoxidharzsysteme. REDUZIERUNG VON ARBEITSKOSTEN Durch die Industrialisierung der Fertigung in der Werkstatt sowie der Montage kann der Arbeitsaufwand auf der Baustelle reduziert werden, was sich in einer Senkung der Personalkosten und der transportbedingten CO2-Emissionen niederschlägt. Eine ganzheitliche Betrachtung der Stahlfertigung führt zu dem Schluss, dass es künftig einfacher sein wird, die Fertigungsbetriebe aus erneuerbaren Energiequellen zu versorgen, als diese erneuerbare Energie auf der Baustelle bereitzustellen. Selbst bei einer Projektplanung mit einem erheblichen Anteil erneuerbarer Energien – wie zum Beispiel Photovoltaik und Windkraft – stehen diese Energiequellen in der Regel erst kurz vor Fertigstellung des Bauvorhabens zur Verfügung.

– 225

Bei der nach dem Standard LEEDTM Gold zertifizierten Weinkellerei Stratus in Niagara-on-the-Lake dient ein modulares Bausystem aus Stahlelementen als Basis für den Gebäudeteil der Kelterei. Die Reduzierung des Anteils an Sonderanfertigungen führt zu einer Senkung des Energiebedarfs. Alle tragenden Stahlbauteile und Außenverkleidungen des Gebäudes einschließlich des Daches sind verzinkt, was zu einer Verlängerung ihrer Lebensdauer beiträgt und einen Verzicht auf künftige Neuanstriche bzw. -beschichtungen ermöglicht. Die Wahl einer Portalrahmenkonstruktion aus Stahl mit großer Spannweite, wobei ein Zwischengeschoss vom Rahmen abgehängt ist, resultiert in einer offenen Nutzfläche und ermöglicht einfache Anpassungen bei künftigen Umstellungen der Verfahrenstechnik. Die aus Stahl bestehende Hauptkonstruktion des Gebäudes wurde so bemessen, dass sie sowohl die gegenwärtigen Lasten als auch die für zukünftige Erweiterungen erforderliche Verbindungen übertragenen Einwirkungen aufnehmen kann. Der vorgefertigte Stahlbau enthält 49 % Schrott aus Haushaltsabfällen und 29 % Schrott aus Industriebetrieben. Diese Anteile trugen zur Vergabe von LEEDTM-Punkten in der Kategorie Materialien und Ressourcen bei. Links: Für die von Les Andrew Architect Inc. geplante, nach dem Standard LEED TM Gold zertifizierte Stratus Winery in Niagara-on-the-Lake in Ontario wurde ein modulares Bausystem aus Stahl verwendet. Rechts: In der Außenansicht ist der Einsatz einer vorgefertigten Konstruktion nicht erkennbar – ein Effekt, der bei vielen architektonischen Anwendungen erzielt werden soll.

REDUZIERUNG DES TRANSPORTAUFWANDS

Sichtbare Stahlkonstruktionen müssen

Die Wahl eines Stahlwerks und eines Fertigungsbetriebs nahe der

nicht nur aus spezialgefertigten Bauteilen

Baustelle führt zu einer Reduzierung der grauen Energie des Materials. Zur Erteilung einer Nachhaltigkeitseinstufung, z. B. LEEDTM ,

und besonderen Systemen bestehen. Das vom Büro Musson Cattell Mackey Partnership konzipierte Gebäude

für den Einsatz regionaler Materialien dürfen die Beschaffungsquelle

der Semiahmoo Bibliothek und Sitz

des Stahls und der Standort des Fertigungsbetriebs eine bestimmte

der Polizei­b ehörde in Surrey, British

Entfernung von der Baustelle nicht überschreiten. Die Distanzen unterscheiden sich je nach Bewertungssystem und Land, wobei in dichter besiedelten Ländern höhere Anforderungen bestehen als

Columbia, erhielt das Zertifikat LEED TM Silver, wobei zahlreiche Standardbauteile verwendet wurden.

in Staaten mit geringerer Bevölkerungsdichte und ausgedehnteren Landflächen. Gegenwärtig fließt die Entfernung zwischen der Beschaffungsquelle und dem Fertigungsbetrieb nicht in die Berechnung ein, wird jedoch voraussichtlich bei der nächsten Anpassung der Anforderungen geprüft.

Links: Im Bibliotheksgebäude schafft ein relativ einfaches System aus Stahlgitterpfetten, Trapezblechen und tragenden Teilen aus W-/Hohlprofilen ein leichtes Erscheinungsbild. Rechts: Die Glasfassade lässt den weißen Farbanstrich der sichtbaren Stahlkonstruktion hervortreten, der den Tageslichteinfall steigert.

– STAHL UND NACHHALTIGKEIT

DAUERHAFTIGKEIT Baustahl ist bei ordnungsgemäßer Planung, Ausführung und Beschichtung ein dauerhaftes Material, das für sichtbare Konstruktionen sowohl im Innen- als auch im Außenbereich geeignet ist. Ein langlebiges Produkt kann die Ökobilanz des Materials vorteilhaft beeinflussen. Die Dauerhaftigkeit der gewählten Beschichtung ist hierbei entscheidend, insbesondere bei Anwendungen im Außenbereich mit extremen Witterungseinflüssen. In den meisten Klimazonen ist darüber hinaus die Korrosionsbeständigkeit ein wichtiger Faktor. Einfache Farbanstriche müssen häufig neu aufgebracht werden, um sowohl das Erscheinungsbild als auch den Korrosionsschutz der Stahlbauteile zu gewährleisten. Zwar stellt ein Farbanstrich zu Beginn des Projekts sicher die kostengünstigere Wahl dar, jedoch können sich die monetären und umweltbezogenen Kosten während der Nutzungsdauer des Gebäudes erhöhen. Zur Gewährleistung eines dauerhafteren Schutzes stellt die Wahl von verzinktem, witterungsbeständigem oder rostfreiem Stahl die bessere Wahl dar, selbst wenn die anfänglichen Kosten in diesen Fällen höher sind. Von diesen drei Alternativen hat die Verzinkung weite Verbreitung gefunden. Sie stellt jedoch, wie bereits erwähnt, ein System zum Schutz des Stahls dar, keine Endbehandlung der Oberfläche. Feuerverzinkte Elemente unterscheiden sich je nach Bauteildicke und Charge in ihrem Erscheinungsbild. Wetterfester Stahl verfügt ebenfalls über eine dauerhafte Oberfläche; die Palette an verfügbaren Profilgrößen und -arten ist jedoch begrenzt. Dieses Material wird vorwiegend für den Brückenbau hergestellt, was sich auf die gefertigten Profilarten auswirkt. Edelstahl ist aus architektonischer Sicht eine hervorragende Wahl, die ein einheitliches Erscheinungsbild gewährleistet, das sich nicht nur auf die Oberfläche des Materials beschränkt. Die Beschaffungskosten von Edelstahl liegen jedoch deutlich höher als bei beschichtetem Baustahl, und seine konstruktiven Eigenschaften erfordern besondere technische Verfahren. Zwar ist die graue Energie von Edelstahl hoch, sie kann jedoch durch Herstellung im Schmelzbad statt im Elektroofen reduziert werden. Die höheren Anteile an Nickel und anderen Legierungen tragen als weitere Faktoren zur Erhöhung der CO2-Bilanz des Materials bei. Andererseits sollte bei der Ökobilanz von Edelstahl die wesentlich höhere Oberflächenqualität berücksichtigt werden, die während der Nutzungsdauer des Gebäudes die Notwendigkeit einer Neubeschichtung praktisch ausschließt.

Das von Manasc Isaac Architects entworfene Water Centre in

Die sichtbare Stahlkonstruktion im Innenbereich des Water

Bei dem von der Rice University eingereichten Beitrag zum Solar

Calgary, Alberta, erhielt die Zertifizierung LEED TM Gold.

Centre führte zu Einsparungen an grauer Energie, da keine

Decathlon 2009 kamen für die Außenverkleidung sehr dauerhafte

Bei zahlreichen für das Projekt getroffenen Entwurfsentscheidun-

zusätzlichen Verkleidungen, wie Trockenbauwände, eingebaut

Materialien zum Einsatz. Die verzinkte Oberfläche soll für

gen stand die Dauerhaftigkeit im Vordergrund. Die freiliegende

werden mussten. Die an der Hauptfassade des Gebäudes ange-

diesen prototypischen Fall der kostengünstigen Lückenbebauung

verzinkte Stahlkonstruktion und die Verkleidung mit verzinkten

ordneten Windverbände bestehen aus runden Stahlhohlprofilen.

geringen Instandhaltungsaufwand und eine lange Lebensdauer

Profilen trugen zur Erfüllung der Nachhaltigkeitsanforderungen

Durch die Wahl unterschiedlicher, sich unauffällig ergänzender

ermöglichen. Das Gitter an der begrünten Wand besteht ebenfalls

für dieses Gebäude bei.

Grautöne wurden die Anforderungen an die Oberflächenqualität

aus verzinkten Stahlbauteilen.

der verschiedenen Materialien erfüllt (darunter der AluminiumVorhangfassade).

Bei ordnungsgemäßer Entwurfsplanung, Detaillierung und Ausführung ist Baustahl eine dauerhafte, nachhaltige Wahl, die für unterschiedlichste Gebäudetypen geeignet ist.

– 227

K A PI T E L 15 ---

S tahl in tempor ä ren AUS ST EL LUNG SBAU T EN ---

Der von SRA Architects entworfene Eingangspavillon der Shanghai Expo 2010 nutzt das innovative Potenzial des Baustoffs Stahl für eine inspirierende Kombination aus einer Stahlgitterkonstruktion und einem aufgespannten Zeltdach. Das Projekt wurde von Knippers Helbig Advanced Engineering aus Stuttgart realisiert.

Der Canada Place Pavilion für die Expo 1986 in Vancouver, British Columbia, von Zeidler Partnership entworfen, gehört zu den wenigen dauerhaft konzipierten Pavillons. Entsprechend dem Hauptthema Transport und Verkehr und dem Standort am Hafen bediente sich das textile

Die Vorteile von Baustahl machte man sich für temporäre Bauten

Dach der Ikonographie großer Schiffe.

erstmalig im 19. Jahrhundert zunutze, als Pavillons für die Welt-

Der Pavillon ist heute Bestandteil des

ausstellungen konzipiert wurden. Diese Ausstellungen dienen der

Vancouver Convention Center.

repräsentativen Darstellung von Innovationen im architektonischen Entwurf, in der Konstruktion, dem Materialeinsatz und bei der Form. Dies zeigt sich beispielsweise im Entwurf des Crystal Palace für die Weltausstellung 1851, in den Entwürfen des Eiffelturms und der Galerie des Machines für die Weltausstellung 1889 sowie im

Detailausbildung der Segel des Textilda-

Pavillon der Vereinigten Staaten von Amerika 1967, wo das von

ches in Anlehnung an die aufgespannten

Buckminster Fuller entwickelte Konzept der geodätischen Kuppel

Großsegel von Schiffen.

genutzt wurde. Rasche Errichtung, Demontierbarkeit und Wiederverwendbarkeit bzw. Recyclingfähigkeit, die heute zu allgemeinen Leistungsanforderungen gehören, bilden nach wie vor die Grundlage für den Entwurf von Ausstellungsbauten. Die Planung moderner Pavillons entspricht in hohem Maße der Detailausbildung früher Bauten, da sich die typischen programmatischen Anforderungen nicht wesentlich verändert haben. Fragen der Dauerhaftigkeit wirken sich auf die Ausführung und Oberflächenbehandlung sowie auf die Kosten temporärer und dauerhafter Varianten aus. Zu einem gesellschaftlichen Ereignis ist der jährlich neu errichtete Serpentine Pavilion im Londoner Hyde Park geworden, mit Beteiligung bekannter Architekten wie Zaha Hadid, Rem Koolhaas, Daniel Libeskind, Tadao Ando, Frank Gehry (siehe Kapitel 13 „Komplexe Rahmenkonstruktionen: Stahl und Holz“) oder Peter Zumthor. Bei der Mehrzahl dieser temporären Bauten beruht der Entwurf auf Stahlkonstruktionen und entsprechenden Montageverfahren, um den für die Errichtung und den Rückbau vorgegebenen engen Zeitplan einzuhalten. Links: Der Serpentine Pavilion in London für 2006 wurde von Rem Koolhaas (OMA) und Cecil Balmond (ARUP) entworfen. Dasselbe Team konzipierte auch den Hauptsitz des Fernsehsenders CCTV in Beijing. Der Ballon wurde von Seilwinden gehalten und je nach Witterungsbedingungen angehoben oder gesenkt. Rechts: Die verzinkte Stahlrahmenkonstruktion der Basis erlaubte wie bei vielen Pavillons den Verzicht auf Fundamente, so dass Beeinträchtigungen des Standorts sowie zusätzliche Kosten vermieden werden konnten. Leichtbaumaterialien ergänzen den temporären Charakter des Bauwerks als Ausstellungsobjekt.

Links: Dieser für das London Festival of Architecture 2008 errichtete Pavillon, von Tonkin Liu und Adams Kara Taylor entworfen, musste während des Festivals mehrere Male an einen neuen Standort umgesetzt werden. Die massiven Fußteile, an denen die Hohlprofile befestigt sind, schaffen die nötige Stand­sicherheit und Schwere. Rechts: Die erforderliche Mobilität wurde durch „Blütenblätter“ erreicht, die sich drehen und zusammenziehen konnten. Das niedrige Gewicht der Hohlprofile ermöglichte einfaches Biegen und enge Radien an den Blattspitzen. Eventuelle Verformungen aufgrund der engen Biegeradien wären von dem textilen Material verdeckt worden.

– STAHL IN TEMPORÄREN AUSSTELLUNGSBAUTEN

Tragsysteme aus Stahl bieten oft einen Grad der Dauerhaftigkeit, der über die Nutzungsdauer hi­n ausgeht, und erfüllen doch genau die Anforderungen, die sich aus dem temporären Charakter des Bauwerks ergeben. Auch wenn Weltausstellungen aufgrund ihres Ressourcenverbrauchs kaum als nachhaltig bezeichnet werden können, ergeben sich aus dem Einsatz von Stahl und seiner Recyclingund Wiederverwendungsfähigkeit geringere Umweltauswirkungen als bei vielen anderen Alternativen. Pavillons haben in vielen Fällen Maßstäbe gesetzt und Vorbilder für den Entwurf dauerhafter Bauwerke abgegeben. Auf der Shanghai Expo 2010 entstanden zahlreiche unterschiedlich genutzte und ausgestattete Pavillons auf Grundlage von Stahlkonstruktionen. Häufig wurde eine Rahmenkonstruktion aus Hohlprofilen mit verschraubten Verbindungslaschen gewählt, die kurze Montagezeiten ermöglichte. Fantasievolle Verkleidungen verbargen Verbindungen mit vergleichsweise geringem Präzisionsgrad, die eine Maximierung der Vorfertigung in der Werkstatt erlaubten und die Aufteilung der Konstruktion in gut transportable modulare Elemente erleichterten. Die Pavillons auf der Shanghai Expo konnten verschiedenen Typen zugeordnet werden, wobei sich der Komplexitätsgrad der jeweiligen Konstruktion nach dem verfügbaren Budget des Auftraggebers richtete. Als Hauptbaustoff für die Tragsysteme diente Stahl. Dabei unterschieden sich die angewandten Verbindungstechniken und Oberflächenbehandlungen des Stahls je nach Anordnung der Konstruktion, die verdeckt oder sichtbar sein konnte. Selbst freiliegende Stahlbauteile zeigten eher eine niedrigere, dem temporären Charakter angepasste Ausführungsqualität. Die typische Grundform bestand aus einer standardisierten, vorgefertigten Rahmenkonstruktion, zu der die Länder je nach Motto und Budget unterschiedliche Grade und Arten der Oberflächenbehandlung wählen konnten. Im Inneren entstand ein einziger, groß bemessener rechteckiger Raum. Die Errichtung eines Eckturms war ebenso möglich wie eine individuelle Gestaltung des Erscheinungsbildes.

Der Standardtyp des Pavillons auf der Shanghai Expo 2010 - hier die Pavillons von Kroatien, der Slowakei und Litauen bestand aus einem Turmelement, das eine individuelle Anpassung der standardisierten Stahlrahmenkonstruktion ermöglichte. Für diese „Wegweiser“ wurden häufig komplexere Zugglieder aus Stahl verwendet, um den architektonischen Aspekt in den Vordergrund zu rücken.

Links: Die Fassade des Pavillons von Kasachstan auf der Shanghai Expo zeigt eine unregelmäßige Anordnung von Stahlseilen, die mittels kleiner Hohlprofilstreben von der Fassade abgesetzt waren. Rechts: Die verschraubte Stahlrahmenkonstruktion des ungarischen Pavillons auf der Shanghai Expo, entworfen von Támas Lévai, stützte zahlreiche leichte Holzbauteile ab und bildete mit ihnen ein dichtes Raster.

– 231

Großzügigere Budgets führten zu Abweichungen von der orthogonalen Grundform, jedoch mit ähnlichen Hohlprofil-Rahmenkonstruktionen und Verbindungen. Links oben: Für den von JKMM Architects geplanten finnischen Pavillon auf der Shanghai Expo kamen Stahlträger aus Hohlprofilen zum Einsatz, um seine Ringform herzustellen. Links unten: Zur Verstärkung der Verbindung zwischen dem Blech und dem Hohlprofil dienen Blechrippen zwischen den Schraubverbindungen. Rechts: Die zylindrische Form des finnischen Pavillons umfasste eine gewendelte Rampe, über welche die Besucher zwischen den Innen- und Außenwänden durch das Bauwerk geführt wurden. Inneres und äußeres Rahmenfachwerk waren über runde Hohlprofile mit verschraubten Laschen miteinander verbunden.

Der von Benedetta Tagliabue konzipierte spanische Pavillon auf der Shanghai Expo weist eine freie Form auf. Wie beim finnischen Pavillon wurden auch hier Fachwerkträger aus runden Hohlprofilen und Schraubverbindungen verwendet. Die Verkleidung mit spezialgefertigten Paneelen aus geflochtenem Material ließ die Rahmenkonstruktion aus Hohlprofilen teilweise durchscheinen.

Links: Die Montage der hochkomplexen Rohrrahmenkonstruktion wurde durch die Gliederung in kleinere Abschnitte erleichtert, die einfach miteinander verschraubt werden konnten. Wie bei der Mehrzahl der Pavillons wurde auch hier das Potenzial der Vorfertigung in der Werkstatt in vollem Umfang ausgenutzt. Die unregelmäßige Form verlieh dieser äußerst leichten Konstruktion ihre Biegesteifigkeit. Rechts: Verbindung bestehend aus einem runden Blech, das mit dem Ende des Hohlprofils der Rahmenkonstruktion verschweißt war. Die leichten Paneele trugen nicht zur Stabilität der Konst­ ruktion bei, und ihre Verwitterung führte in Verbindung mit der Umweltverschmutzung zu ausgedehnten Fleckenbildungen.

Sauber herausgearbeitete Stahlrahmenkonstruktionen fanden sich in anspruchsvollen Pavillons, bei denen die Stahlbauteile sichtbar angeordnet waren oder zur Abstützung ausgedehnter Verglasungen dienten. Die Nähe zum Betrachter bzw. eine mögliche Berührung der Elemente hatten auch Einfluss auf die Detailausbildung. Hier kamen der Grad der Oberflächenbehandlung, die Ausführungsqualität und Gestaltung dem Standard dauerhaft errichteter freiliegender Stahlkonstruktionen etwas näher, und einige der Innovationen sind einfacher auf dauerhafte Bauwerke übertragbar.

– STAHL IN TEMPORÄREN AUSSTELLUNGSBAUTEN

Links: Für den von Schmidhuber + Kaindl entworfenen deutschen Pavillon auf der Shanghai Expo wurde eine stärker gegliederte Stahlrahmenkonstruktion gewählt, die nicht nur im Innenbereich des Pavillons, sondern aufgrund der Transparenz der Gebäudehülle nachts auch von außen sichtbar war. In diesem Fall war die Ausführungsqualität aufgrund der sichtbaren Anordnung der Stahlkonstruktion im Gebäudeinneren höher. Rechts: Beim Pavillon von Nepal auf der Shanghai Expo diente eine freiliegende Stahlrahmenkonstruktion als zentrales Element des Schauobjekts. Die Gitterkonstruktion aus Hohlprofilen war überwiegend verschweißt. Der oben angeordnete Korb wurde über schlank ausgebildete Schraubverbindungen an die Rippen des mittleren Abschnitts angeschlossen. Die rautenförmige Gitterkonstruktion im unteren Gebäudeteil bestand aus einer Reihe horizontaler Ringe, die zum Transport in Segmente aufgeteilt und nachfolgend zur Verdeckung der Verbindungen auf der Baustelle verschweißt wurden.

Links: Der von Haim Dotan konzipierte israelische Pavillon auf der Shanghai Expo erhielt seine ellipsoide Form durch eine modifizierte Gitterkonstruktion. Aufgrund der unregelmäßigen Geometrien musste die Mehrzahl der Verbindungen aufwändig angepasst werden. Rechts: Der Blick in Richtung der Spitze der verglasten Kuppel des israelischen Pavillons offenbart die große Vielfalt der gewählten Verbindungsgeometrien.

Durch die im Durchmesser der Hohlprofile eingelassenen Schrauben und Laschen weisen die im israelischen Pavillon eingesetzten Verbindungen eine saubere Linienführung auf. Für das Einsetzen und Festziehen der Schrauben waren ausreichende Abstände einzuplanen. Im temporären Bauwerk erfüllen diese Anschlüsse wirkungsvoll ihre Funktion der Ergänzung der klaren Linienführung der Glasfassade, bei kurzer Montagezeit und niedrigen Kosten.

Bei einigen Pavillons ergaben sich bei der Verwendung von Stahl und anderen Materialien sehr ungewöhnliche Situationen. Bei manchen wurde der Erschließungsweg, der täglich von Tausenden Besuchern zu durchlaufen war, zur Grundlage technisch ausgeklügelter Entwürfe. Bei anderen wurde Stahl als sichtbares Verkleidungsmaterial eingesetzt, und es mussten entsprechende Schnellmontagesysteme konzipiert werden.

– 233

Im von BIG entworfenen dänischen Pavillon auf der Shanghai Expo führte eine komplexe gewendelte Rampe die zu Fuß oder mit dem Fahrrad ankommenden Besucher im Gebäude auf- und abwärts. Die Außenverkleidung und Böden bestanden aus mit einem Farbanstrich versehenen Stahlblechen. Für diese Nachempfindung der Innenerschließung des Guggenheim-Museums in New York ermöglichte der Einsatz von Stahl eine kürzere Montagedauer und eine Senkung der Kosten.

Links: Der von Mass Studies geplante südkoreanische Pavillon auf der Shanghai Expo bestand aus einem Leichtbausystem aus Stahlstangen, über welches die dünnen, mit einem Farbanstrich versehenen Stahlverkleidungsbleche an das Gebäude angeschlossen waren. Der Fassadenentwurf stammt von Axis Façades, die Tragwerksplanung von ARUP. Rechts: Blick auf die Rückseite der Fassade des südkoreanischen Pavillons. Die Tafeln wurden auf einfache Weise mit schlanken, horizontal verlaufenden Stahlstangen verklammert, so dass eine schnelle Montage und Demontage möglich war. Dieses Foto wurde ca. zwei Wochen vor Ende der Ausstellung aufgenommen und zeigt bereits einige Umwelteinwirkungen, da angesichts der temporären Ausstellung ein weniger dauerhaftes Beschichtungssystem gewählt worden war.

Der von Mailitis A.I.I.M. geplante lettische Pavillon auf der Shanghai Expo verbindet die Biegesteifigkeit eines Stahlfachwerkrahmens mit der Einfachheit einer halbtransparenten Kachelverkleidung.

– STAHL IN TEMPORÄREN AUSSTELLUNGSBAUTEN

Für Ausstellungsbauten nutzt man heute vielfach Konstruktionen aus textilen Materialien zur Überspannung großer Räume. Diese bieten Stützenfreiheit und Schutz vor Sonneneinstrahlung und Regen und ermöglichen gleichzeitig die Luftzirkulation sowie den Einfall von Tageslicht. Die Schutzdächer können ebenfalls als Kulisse für die Beleuchtung bei Nacht dienen. Neuartige Membranverkleidungen werden auch wegen ihrer kurzen Montagezeit und ihres äußerst geringen Eigengewichts verwendet. Im von SRA Architects konzipierten Eingangspavillon der Shanghai Expo schufen über Zugglieder aus Stahl gespannte Textilkonstruktionen ein leichtes Schutzdach. Über eine Reihe von verglasten trichterförmigen Stahlgitterkonstruktionen wird das Tageslicht auf die untere Ebene des Boulevards geleitet.

Die ungewöhnliche Form des von Nihon Sekkei entworfenen japa-

Die Turmbauten aus Stahlhohlprofilen im japanischen Pavillon

nischen Pavillons auf der Shanghai Expo kombinierte eine frei-

wurden mit einer höherwertigen Oberflächenbehandlung versehen

liegende Stahlkonstruktion mit doppellagigen ETFE-Kissen als

als die in vielen anderen Pavillons verwendeten demontierbaren

Außenverkleidung. An einigen Stellen wurden in die Verkleidung

Rahmenkonstruktionen. Die vorgefertigten Profile wurden aus

Photovoltaikmodule integriert. Die im Innenbereich verbaute

Qualitätsgründen miteinander verschweißt. Die Verbindungsla-

Stahlrahmenkonstruktion aus Hohlprofilen wurde auf elegante

schen waren nur teilweise verdeckt und ermöglichten sowohl eine

Weise zur Schau gestellt.

kürzere Montagedauer als auch ein klareres Erscheinungsbild.

Links: Der von C. Y. Lee & Partners Architects/Planners geplante Pavillon von Taiwan auf der Shanghai Expo verbindet eine freiliegende Stahlrahmenkonstruktion mit ausgedehnter Verglasung und Multimedia-Wänden. Rechts: Nach dem Ende der Shanghai Expo 2010 wurden zahlreiche temporär errichtete Stahlrahmenkonstruktionen wieder demontiert (im Bild der ehemalige Pavillon von Taiwan). Die Stahlbauteile werden statt ihrer Wiederverwendung überwiegend dem Recycling zugeführt. Dennoch wird der Stahl damit in den Stoffkreislauf zurückgeführt und erneut für bauliche Zwecke genutzt.

Temporäre Pavillons werden auch weiterhin die technischen Fähigkeiten und die Vorstellungskraft der entwerfenden Architekten herausfordern, da als zusätzliche Anforderungen eine rasche Montage und Demontage sowie in vielen Fällen ein begrenztes Budget hinzukommen, gleichzeitig jedoch ein hochkarätiges „Schaufenster nationaler Kompetenz“ geschaffen werden soll. Unter diesem Gesichtspunkt konzentrieren sich in ihnen alle Vorteile und Merkmale des modernen Stahlbaus.

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– 237

ABBILDUNGSNACHWEIS Sofern nicht anders verzeichnet, stammen alle Fotografien in diesem Buch von der Autorin Terri Meyer Boake. Les Andrew Architect Inc. Tragwerk der Weinkellerei Stratus, 226 Benson Steel Axonometrie der Art Gallery of Ontario, 208 Brian Boake Innenaufnahme der U-Bahnstation von Dubai, 35 Innenaufnahmen des Watercube, 177 Sierra Boake Foto von Terri Boake, 244 Cast ConneX®Corporation of Canada Erdbebensichere Aussteifungen, 147, 148 Universal Pin Connectors, 148; Alternative Verbindung für Quantum Nano Centre, 151 Jean Gu Abriss des Shanghai Expo Pavillons von Taiwan, 235 Vincent Hui (unter Mitwirkung von Sam Ghantous) Detail des Fair Store, 28 Kapitel 3, alle technischen Illustrationen Kapitel 5, alle technischen Illustrationen des Sainsbury Centre, des Renault Centre und der Mikrochipfabrik Inmos 3D-Darstellung des Rose Center, 94 Verfahren des Biegens, 118 Detail des Grand National Theater of China, 123 Typen von Hochhäusern, 127 Detail des Reliance Building, 180 Details des Reagan International Airport, 186 Schema und Detail der „Serres”, 187 Verbindung für die „Serres”, 189 Details des Newseum, 191 Taehyung Richard Kim Foto von Vincent Hui, 244 Mike Kowalek Baltimore Convention Center, 40, 82 Walters Inc. Bow Encana Tower: BIM-Modell, 25; technische Zeichnungen, 136, 137 Erweiterung des Ontario College of Art: Isometrie und Collage, 41; Detail, 91; Fotos von Transport und Montage, 100, 101 Erweiterung des Royal Ontario Museum: Kapitel 4, alle technischen Zeichnungen; Foto der “Eule” in der Werkstatt, 48 Leslie Dan Faculty of Pharmacy: Kapitel 4, alle technischen Zeichnungen Science Building der University of Guelph: 3D-Modelle, 153; alle Abbildungen, 154, 155; Fotos des Rohlings, 156 Ziggy Welsch (George Third & Son) Foto der Brentwood Skytrain Station, 205 Eisschnelllaufhalle Richmond, alle Fotos aus der Bauphase, 212-215

REGISTER TECHNISCHER BEGRIFFE

Biegen, Weg des größeren Widerstands

Fachwerkband-Systeme 128

118-119

Fachwerkträger 38-40

Glaskonstruktionen, über Seile abgespannt/getragen)

Anschlüsse 38-40, 85, 93, 205

Geodätische Kuppeln 64, 139, 176

118-119

Axialkräfte 38-39, 160-161, 205

Geometrie (siehe auch Außermittige

(siehe Verbindungen, Typen) BIM (Building Information Modeling) 25, 54, 143, 201

Angepasste Nachnutzung 218-222 Anheben von Stahlbauteilen (siehe Montage)

Typen)

Biegen, Weg des kleineren Widerstands Biegesteife Verbindungen

Abgespannte Konstruktionen (siehe

Gelenkverbindung (siehe Verbindungen,

Brandschutz (siehe auch Beschichtungen)

Bogensehnenträger 166 dreieckige Fachwerkträger 40, 66-67, 76-77, 183, 213 Howe-Dreiecksbinder 38 Howescher Träger (N-Binder) 38-39

Geometrie) Geometrie (siehe auch Gebogene Geometrie) Geometrie, unregelmäßige 45, 119, 126, 131, 141, 142-143, 176-177, 199, 232

betongefüllte Stützen 113

kastenförmige Fachwerkträger 38-39

Gerade Stöße 30-31, 34, 86, 88

Betonumhüllung 58, 134

modifizierter Warren-Träger

Gewerke, Koordination 54, 204-206, 213

Anisotrop 204

Brandbekämpfungsanlagen

(Strebenfachwerkträger) 38-39

Gitterschalenbauweise 197-201

Anlieferung (siehe auch Transport) 24, 57,

82, 112, 176

Pratt-Träger (Ständerfachwerkträger)

Glaskonstruktionen, über Seile abge-

Brandschutz-Spritzputze 82, 113, 136

38-39

spannt/getragen 181-182, 183, 185,

dämmschichtbildende Brandschutzbe-

räumliche Fachwerkträger 39-40, 166

192-194

AESS (siehe Freiliegende Stahlkonst-

schichtungen 41, 82-83, 84, 85, 100-101,

Scherenbinder 38-39

Federverbinder 187, 190, 191

ruktionen)

106, 113-115

Sprengwerk 38, 164-165

gebogene Glaskonstruktionen 191

Ausgasungen 110, 114, 223, 225

nachhaltig 223, 225

Vierendeel-Träger 39

Punkthalter 187, 189, 192

Ausgefluchtete Verbindungen (siehe

Systeme 82-83, 85, 86-87, 95, 104-105,

Fallschutzausrüstung 58-59

Seilbinderkonstruktionen 190-191

112-115, 180-181, 182, 184, 206, 219

Farbanstrich (siehe auch Beschichtungen)

Seilnetzfassaden 188-189

93, 100, 107 Architecturally Exposed Structural Steel,

Verbindungen, Typen) Außermittige Geometrie (siehe auch Lasteinwirkung) 24, 52-53, 99, 140-141,

Brandschutzvorschriften 20, 82

83-85, 86, 89, 104-105, 106-107

Bruchfestigkeit von Stahl 20

Farbgebung 79, 107, 115, 153

142-143, 209-210

nachhaltig 220-221, 223

Ausschreibung 44, 52, 85, 91, 92, 99, 106, 219, 223 Aussteifung (siehe auch Provisorische Aus­s teifungen) 23, 40, 52, 127-128, 134, 152, 198 erdbebensicher 37, 147-148, 163

seilverspannte Gebäudehüllen mit tragender Vollverglasung 187 Glaskonstruktionen, Verglasung (siehe

Cast ConneX® 147, 148

Oberflächenvorbereitung 22, 105

auch Vorhangfassaden) 16, 84, 180-185

Cellformträger 36-37, 194

Schäden 86, 89, 107, 227

gebogene Konstruktionen 196-201

CO2-Emissionen der Herstellung 223

Werkstatt oder Baustelle 93, 99,

Gitterkonstruktionen 197-201

CO2-neutraler Entwurf 223-227

107, 205

Glaskonstruktionen mit Windverbänden

Witterungseinfluss 79, 206-207,

186-187

223, 226

Sonnenschutzvorrichtungen

Dämmschichtbildende Brandschutz­

Kreuzstreben 127-128, 161-162, 166, 193

beschichtungen

Federverbinder 187, 190, 191

(Abschattung) 72-73, 186

Windverband 182, 183, 186, 187, 191, 192

(siehe Beschichtungen)

Fertigung 14-15, 44

Stahl- und Glaskonstruktionen mit

Decken

Einsparungen bei der Fertigung 24, 28,

zu öffnenden Elementen 195

Bauablaufplanung 24-25, 206

Betondecken 35-37, 52-53, 140

78, 136

technische Aspekte 181

Bauphysikalische Probleme

Deckensysteme 35-37, 52, 126

Fertigungsbetrieb/Werkstatt 20-21,

Tragende Verglasung (siehe auch

Fleckenbildung 104, 110-111, 232

Rahmenkonstruktionen 36-37, 46,

48-49, 107, 213

Glaskonstruktionen) 16, 67-68, 84, 183,

Korrosion 20, 79, 83, 104, 107, 108-112,

58-59, 131, 137

Fertigungsmarken 92, 156, 197, 206

184-185, 190, 191, 194, 196

210, 221, 225, 227

Stahlgitterpfetten 35-36, 86, 226

Methoden 20-21, 45-49, 55-57, 65, 67,

Tragsysteme für Glaskonstruktionen 66,

Schmutzansammlung 79, 95, 99,

Trapezbleche 33, 35-37, 38-39, 41, 53,

71, 132, 154-155

178, 180-181

106-107, 113

59, 86, 109, 138, 163, 226

Stahlhohlprofile 22-23

Verbund-Sicherheitsglas 181, 188, 194

Wärmebrücken 79, 128, 167, 181, 184-185

Demontage 204, 220-221, 223, 230, 233, 235

Baustahl, herkömmlicher 20, 24, 49, 82-83, 85, 92, 95, 105, 106, 111, 136, 147 Baustahl, freiliegender (siehe Freiliegende Stahlkonstruktionen) Baustelle, Koordination 24, 28, 44, 49-52,

Detaillierung 8, 9, 14, 16, 23-25, 32, 44, 47-49, 56-57, 64-65, 78, 104, 106 bei Diagrids 131-143 bei freiliegenden Stahlkonstruktionen 82-83, 85, 86-87, 93-99

Fertigungsbetriebe, Kommunikation 44, 45, 80, 83, 93-94, 104, 205, 212 Flachstahl 20-21, 22-23, 56-58, 60-61, 88,

vergütet 181, 188 Graue Energie (siehe auch Nachhaltigkeit von Stahl) 216, 218, 223, 224, 226, 227

90, 92-93, 94-95, 110, 119, 121, 123, 136-

Grundierung (siehe Beschichtungen)

138, 149, 191

Grundplatten 33

Form, Wichtigkeit der 14-17, 78, 84-85, 89, 120, 122-123, 130, 140, 176, 232

Gusseisen 15, 20, 146, 218 Gussstahl 22, 146, 147, 154-155

57-59, 67, 93, 97, 100-101, 114, 156-157,

bei temporären Bauten 230-235

208-210

bei zugbeanspruchten Konstruktionen

15, 24, 29, 120, 128, 136, 138, 143, 146,

biegesteif 147, 148

160-161

147, 149, 151, 153, 160, 172, 174, 175, 181,

Einsparungen 146, 151

mit Glas 181, 184-185

183, 186, 205, 211, 215, 220, 222, 223,

Entwurf 153-154

mit Holz 204-215

225, 232, 235

erdbebensichere Anwendungen 148

Diagonalaussteifung 37, 126-127

Betrachtungsabstand 85, 87, 90, 93,

Formen 146, 154-155

Diagonal ausgesteifte Röhrenkonstruktion

95, 97

gabelförmig 149-151, 161

Geschichte 64-65, 78

Geschichte 146

Klassifizierung 85-92, 95, 97, 105, 146

Hohlguss 154-155

Baustelle, Montagebereich 28, 50-51, 57, 85, 93, 100-101, 107, 206, 208, 210 Bauteilauswahl 39, 84-85, 98-99, 104, 138, 164-165, 185 Beschichtungen 84-85, 104-106 acryl- oder wasserbasiert 114 Anstrichsysteme 22, 79, 83, 84, 86, 89,

126-128 Diagonalgitter, Diagrids 96, 131-132

Freiliegende Stahlkonstruktionen 80-101,

Abkühlungsvorgang 155

91, 104-107, 109, 112, 153, 182, 205, 207,

Diagrid-Hochhäuser 126-127, 132-138

Mischbauweisen 92

Prüfung 153

209, 220-221, 203, 225-226, 227, 234

gebogene Diagrids 136-137, 139-140

nachhaltig 223, 225

Spannschloss 149, 150

dämmschichtbildende Brandschutzbe-

hybride Diagrids 141-143

Oberflächenbehandlung 105, 106, 107,

schichtungen 41, 82, 84, 86, 87, 95, 99,

kristalline Formen 45-54, 140-141

108, 113-115

100, 101, 106, 113-115, 223, 225

Digitale Modelle (siehe Modelle)

Dauerhaftigkeit 207, 223, 227, 234

Dreidimensionales Gittertragwerk

epoxidharzbasierte Beschichtungen 102,

(siehe Raumfachwerke)

104, 107, 114, 223, 225

Sonderbauteile 91-92

Gussverbinder 147-152 verzweigte Verbindungen 151-152,

Gebogene Geometrie 17, 23-24, 40, 56-61,

153-157

Edelstahl (siehe auch Punkthalterungen)

116-119, 120-123, 145, 149, 150, 230,

vorbereitung) 57, 58, 93, 101, 106-107,

Edelstahl (siehe auch Glaskonstruktionen,

232-233

über Seile abgespannt/getragen)

Metallbeschichtung 102, 109-11 Verzinkung 23, 29, 84, 86, 99, 104, 108-

Edelstahl (tragende Konstruktionen) 20, 92, 111-112, 119, 133, 150, 227

Basisverbindungen 150, 151, 152, 201

Gabelverbinder 149-151, 161

Grundierung (siehe auch Oberflächen113, 15

Zugverbinder 148-149 Gussverbindungen 147

Herstellung

Diagrid 133, 135-137, 139-140, 141-143

integriertes Stahlwerk 20, 218

Glas 184-185, 190-191

Lichtbogenofen 20, 219

Raumfachwerk 173-175

Marken und Riefen aus der Herstellung

109, 111, 150, 162, 188, 205, 207, 209, 210,

Elliptische Röhren (siehe Stahlhohlprofile)

Stahl und Holz 208-211, 212-215

88, 97, 146

211, 216, 225, 226, 227, 230

Emissionsarmes Entwerfen 218-227

zugbeanspruchte Konstruktionen

Mini-Stahlwerk 20, 219

VOC 110, 114, 223, 225

Endbehandlung (siehe Beschichtungen)

164-166, 168-169

Sauerstoffblasverfahren 20, 218

Werkstatt 91, 93, 99

Entwässerung (abgeschlossene Profilhohl-

Beton

räume) 108

als Brandschutz 82, 113, 134

Entwässerung (Verhinderung von

Gebogene Konstruktionen 40, 90, 120, 176, 193-194, 197, 212-215 Gebogene Stahlbauteile

Stahlhohlprofile 22-23, 64, 99 warmgewalzter Stahl 20-21, 218, 224 High-Tech-Architektur

betongefüllte Stützen 113

Wasseransammlungen) 99, 104, 108, 110,

Beschränkungen 118

Geschichte 16, 64-65, 78, 83, 160-161

Decken 35-37, 52-53, 55, 58-59,

184, 197

Facettierung 122

Typ erweiterter Grundriss 66-69 Typ Mast und Abspannung 74-77

126-127, 136-138, 140

Entwurfsprozess 44, 45-49

gebogene Fachwerkträger 40, 90-91,

Stahlbeton 13, 20, 220

Erdbebensicherheit 22, 28, 37, 97, 98, 126,

123, 164-166, 176, 212-215, 232, 234

Bewehrungsstäbe 36

128, 147-148, 163

Biegen von Stahl 116-121, 230 Abkantpressen 119

– 238

ETFE-Membranen 176-177, 235

gebogene Hohlprofile 56-57, 60-61, 88-91, 112, 117-121

Typ Raster/Feld 70-73 Historische Stahlbauteile 14-15, 16, 91, 146-147, 221-222

Löcher

Hochfester Stahl 20, 28, 30

bevorzugte Abmessungen 29-31, 205,

Hochhäuser (siehe auch Diagonalgitter,

Passung, Wichtigkeit der 28-29, 49, 50, 84-85, 87, 96, 183, 206, 210-211

Diagrids) 127

210-211

Pfetten 38-39

diagonal ausgesteifte Röhre

Bohrungen 94-95

Pfosten (siehe Vorhangfassaden)

127-128

Langlöcher 29, 49, 205, 211

Pfostenlose Verglasung (siehe Glaskonstruktionen)

Diagrid 131-143

Tensegrity-Konstruktionen 170-171 Seilkupplungen, gestanzt 188 Sichtbare Stahlkonstruktionen (siehe Freiliegende Stahlkonstruktionen) Spannschlösser 148-150, 161, 167, 191 Stabilität in Querrichtung 28, 37, 39, 40, 46, 53, 70, 193

Fachwerkband 128

Maßeinheiten 10, 20-21

Physische Modelle (siehe Modelle)

Gebäudetypen 127

Massenfertigung (siehe Wirtschaftlichkeit)

Plasmaschneiden (siehe Zuschnitt von Stahl)

Stahlgitterpfetten 35-36, 86, 226

Geschichte 126, 180, 219

Masten 70-71, 74-75, 76-77, 159, 160, 166,

Portalrahmen 37, 74, 126, 132, 226

Stahlhohlprofile 23

168-171

Verbundbauweise 129-130

Materialfestigkeiten 20, 204

Windbemessung 130

Proben zur Sichtprüfung (siehe Verbindungsmuster)

Anwendungen für quadratische Querschnitte 89, 96, 177

Hohlprofile (siehe Stahlhohlprofile)

Mechanische Rohre 22, 98, 153

Profile (siehe Standardbauprofile)

Anwendungen für rechteckige

Holz und Stahl 20, 204

Membrankonstruktionen 176-177, 235

Prototypen (siehe Muster)

Querschnitte 19, 74-75, 120, 122, 177

Detailplanung und Verbindungen

Metallbeschichtung (siehe Beschichtungen)

Provisorische Aussteifungen 52-53, 58, 95,

Anwendungen für runde Querschnitte

205, 210-211, 213-215

Modelle

Koordination und Handhabung 202,

BIM/digitale Modelle 25, 45-49, 51,

204, 206, 210

54, 55-57, 60, 94, 130, 134, 136-137,

Probleme bei der Fertigung 206

153-155, 176

Probleme bei der Montage 101,

physische Modelle 45-49, 155

208-211

Windkanal 130

134, 137, 140, 156-157, 214 Provisorische Verbindungen 138, 29, 32, 34, 58, 95, 99, 138, 142, 156-157 Punkthalterungen 187, 189, 192

211, 231

behandlung 206

Montage 24, 28-35, 40-41, 42-61, 65,

Schutzmaßnahmen während der Bauphase 210-211, 213-214

83-85, 93, 95-96, 99-101, 206

Toleranzen 205, 210

freiliegende Stahlkonstruktionen 83-85,

verdeckte Stahlverbindungen 207

87, 89-91, 92, 99-101 Hebesequenzen 25, 51, 100

Verformung 84, 205

Montagebereich (siehe Baustelle) Montage von Fachwerkträgern 51

Industrialisierung 14-16, 28, 64-65, 146, 225 Isotrop 147

Probleme, Wärmebrücken)

Verbindungen, Typen) 28-37, 58-59, 82-83, 86, 126-127, 131, 137, 161-162, 180 Rahmenverbindungen (siehe Verbindungen, Typen) Raumfachwerke 38-39, 172-177 eben 172, 184 nichteben 173-177

Stahl) Stahl- und Glaskonstruktionen (siehe Glaskonstruktionen) Standardbauprofile 21, 23, 87, 89, 99 Breitflanschprofile 19, 21, 30-37, 39, 64, 70-71, 72, 96, 118-119, 120, 141 Cellformträger 35-37

keit von Stahl)

Doppel-T-Träger 28, 36-37, 64

Montage von Trägern 52, 58

Reinigung (siehe Oberflächenvorbereitung)

Stangen 56-57, 63, 70-71, 74-75, 76-77,

Schutzmaßnahmen während der Mon-

Röhrenbündelkonstruktionen 126-127,

148-149, 160-163, 166-167, 194-195, 205

129, 131 Rohre (siehe Mechanische Rohre)

206, 208-211, 214-215

Rückbau (siehe Demontage) Scheibenwirkung 52, 140, 160

Nachhaltigkeit von Stahl 223 angepasste Nachnutzung 219-222

U-Profile 24, 104, 118, 120, 219 Winkel 21, 24, 28, 33, 36, 38, 59, 64, 118-119 Stangen (siehe Standardbauprofile)

Muster zur Sichtprüfung 93-94, 87, 90

Knotenpunkte 38-39, 47-50, 132-133,

Schleifen 31, 84, 86, 88, 89, 91, 95, 97, 98, 146, 153, 156

Steckbolzenverbindungen (siehe Verbindungen, Typen) Stehbolzen 36

Dauerhaftigkeit 68, 219, 224, 227,

Schmiedeeisen 20, 28, 146, 222

Stoßbleche 28-31, 33-34, 214

chemische Reaktionen mit anderen

230-231

Schrauben und Verschraubung 20, 28

Stützen

Materialien 184

emissionsarm 223-227

Demontage 221, 231-233

Fußdetail 33

Schweißbarkeit 154

graue Energie 216, 218, 223, 224,

festes Anziehen 28-29

Stützenstöße 13, 34

Kohlenstoff



Widerstandsschweißen 22, 23 Stahlschrott (siehe Nachhaltigkeit von

Recycling von Altstahl (siehe Nachhaltig-

Sonderfälle 60-61, 121, 136-138, 156-157,

192-193, 197-201

Schweißnaht 21-23, 88, 91, 98, 153

55-60

Klima und Stahl 17, 52, 128, 136, 150, 170,

134-138, 140-143, 147, 154-157, 172-175,

Geschichte 22, 64

Raumfachwerkträger 38, 172

tage 91, 107, 206, 210-211, 213-214

Knotenbleche 59, 147

177, 196, 232-235

Größtmaße 22 Rahmenkonstruktionen (siehe auch

Kettenzüge, Anheben mit 56-57, 60 173, 176, 181, 182, 184-185, 195, 201

139, 143, 152-153, 156-157, 166, 172, 175,

Montage von Stahlbauteilen 50-54, Montage von Stützen 33, 59, 100-101

Kältebrücken (siehe Bauphysikalische

79, 91, 93, 96-97, 98-99, 112, 117, 120-121,

elliptische Röhren 22, 64, 98, 182 Qualitätssicherung 67, 87, 93

Modularität 14, 24, 28, 65-77, 172-175,

Probleme bei der Oberflächen­

19, 27, 40, 56-57, 60, 61, 66-71, 76-77,

226, 227

Kohlenstoffgehalt des Stahls 20, 111,

Schraubverbindungen 28-30, 31-35, 40, 47,

-verbindungen 29, 32-35 Surface Preparation (SP) Standards (nord-

historische Stahlbauteile 91, 221, 222

48-52, 56-58, 65, 67, 69, 71, 72, 75, 83-

Auswirkungen auf die Wiederverwend-

LEEDTM 87, 109, 219, 220, 225, 226, 227

84, 86-90, 93, 95-96, 97

amerikanische Normen zur Oberflächen-

ung 218, 221

Recycling 20, 24, 119, 204, 218-219, 220

Sechskantschrauben 28-29, 30

vorbereitung) 106

Reduzierung des Materialeinsatzes

Umbau 222

Edelstahl 111

223-225

verdeckt 93, 97, 100, 123, 214

Tensegrity-Konstruktionen 170-171

Metallbeschichtung (siehe auch Be-

Schrottanteil 20, 24, 216,

versenkt 151

Textilkonstruktionen 40, 158, 165, 169, 170,

schichtungen, Metallbeschichtung) 109

218-219, 224

vorspannbare Schraubenverbindungen

-systeme 108-111

wiederverwendeter Stahl 208-219,

28-29, 30, 86, 221

Verzinkung (siehe auch Beschichtungen)

220-221

108-109

Wiederverwendung von Bauteilen 91,

wetterfester Stahl 20, 110-111, 227

219, 220-221, 223, 230-231

197, 204

Korrosionsschutz 104, 106

Witterungseinfluss 107

Nieten 28, 64, 91, 219, 221, 222

Schrottanteil (siehe Nachhaltigkeit von Stahl) Schubkräfte 28-31, 32, 33, 34, 35, 37, 71, 127, 136, 147, 161 Schweißen

Korrosive Umgebungen 86, 104 Kosten (siehe Wirtschaftlichkeit)

Oberflächenschutz (siehe Korrosions-

Kragträger, abgespannt 16, 41, 192

schutz)

Krane 24, 28, 30, 32, 34, 49, 50-51, 57-59,

Oberflächenvorbereitung und -behandlung

Dichtschweißung 86, 97, 104 durchlaufende Schweißung 21, 22, 86 Fugennaht 31, 34, 156

200, 228, 230, 235 Toleranzen freiliegende Stahlkonstruktionen 49, 78, 83-85, 86-87, 88-89, 96, 101, 136-139, 157 Glas und Stahl 182-183, 196 Holz und Stahl 205, 210 normaler Baustahl 29 Spalttoleranzen 88 Tragende Verglasung (siehe Glaskonstruktionen) Träger 28-33, 35-37, 38, 39, 51, 52, 55, 70,

(siehe auch Beschichtungen) 83-86, 88,

Kehlnaht 31

105-109

Lochschweißung 86, 88

74, 87, 96, 104, 120, 132, 134, 136-138

Abschleifen 91, 105

Schweißspritzer 86

Cellformträger 35-37

Abstrahlen 105, 86

Schweißverbindungen 26, 31, 39, 41, 56,

gebogene 118-119, 150, 194

außermittig 23, 24, 28, 33, 52, 59, 99,

Behandlung mit Schaber und Draht-

64, 83-84, 87, 88-89, 93, 95, 96-97, 111,

126, 131-134, 140, 143, 168, 209

bürste 105

120-121, 123, 172, 197, 221, 235

axial 38-39, 160, 172, 175, 205

Beizen 104-105

Spiralschweißung 22, 99

Druck 38-39, 78, 148-149, 160, 164, 168,

Entfetten 105

Stumpfnaht 86, 88

204-205

Kugelstrahlen 105

Wind 32, 126-127, 129, 130, 131, 167, 175,

Nassstrahlen 105

160-161, 164-165

Sandstrahlen 105

Dachkonstruktionen mit Abspannungen

Auswirkungen auf den Entwurf

74-75, 76-77, 170

49-50, 91, 93, 95, 99, 107, 114-115,

Endverbinder 188-189

223, 226

Ökobilanz 224

Gussverbindungen 148-149

Beschränkungen 21, 50, 56, 85, 97,

Ornament 146

Mast mit Abspannung 74-75, 76-77,

93, 208-211 Kreuzverstrebungen (siehe Aussteifung) Lasteinwirkung

182-183, 187, 188, 190, 211 Zug 38-39, 64-65, 70-71, 74-75, 76-77,

Oberlichter 26, 39, 85, 86-87, 180-181, 183,

130, 158, 160-171, 188-194, 204-205

192, 193, 197

LEEDTM (Leadership in Energy and Environmental Design) 87, 109, 219, 220, 225, 226, 227

Parallele Seilkonstruktionen (siehe Glas-

Leitungsdurchführungen in Trägern 30-31,

konstruktionen, über Seile abgespannt)

32, 37

– 239

Seilkonstruktionen, -abspannungen 15,

Hebevorgang 51-52, 58-59 Tragsysteme für Dächer 33, 38-39, 85-86, 170, 175 Tragsysteme, nach Lasteinwirkung differenzierte 160-161 Transport

118, 112

160, 169

Trapezbleche (siehe Decken)

Material 20, 74

Trennen mit der Blechschere

seilverspannte Konstruktionen 167-171

(siehe Zuschnitt von Stahl)

Kapazität 24, 28, 99, 213

Überlappungsverbindungen

Standort 28, 219

(siehe Verbindungen, Typen)

Verschweißung in der Werkstatt 24, 31,

Umschlagstechniken 51, 52, 56, 93, 100, 101,

REGISTER DER BAUAUFGABEN

33, 48-49, 56-57, 65, 84-85, 87, 89, 91,

107, 204, 206, 210 Unterlegscheiben 29, 184, 189

93, 100, 14

Angepasste Nachnutzung, 219-222

Vorfertigung in der Werkstatt 20-21,

Atrien, 17, 27, 55, 58, 60-61, 84-85, 90, 97,

48-49, 107, 213

Verbindungen

Werkstattzeichnungen 9, 46-53, 206, 213

Guss- (siehe auch Gussverbindungen) 97

114, 120, 130, 136-137, 152-153, 156-157, 165, 182-183, 190-193, 195, 197, 198

Schraub- (siehe auch Schrauben und

Werkzeuge

Auskragende Bauteile, 16, 134, 168

Verschraubung) 95-96



Kettenzug 157, 210

Aussichtstürme, 13, 37, 64

Schweiß- (siehe auch Schweißen) 96



Schlag-Ringschlüssel 30, 39

Ausstellungsgebäude, 175, 110-111, 228-235

Verbindungen (siehe auch Provisorische Verbindungen) Verbindungen, Typen 84-85, 95-97

Wetterfester Stahl (siehe Korrosionsschutz)

Bauen im Bestand, 219, 222

Wiederverwendung (siehe Nachhaltigkeit

Bildungsbauten, 15, 30, 39, 41, 55-61, 84,

von Stahl)

ausgefluchtete Verbindungen 30-31, 34

Windkanal 130

Balken-Stützen-Verbindungen 32-33

Windlasten (siehe Lasteinwirkung)

biegesteife Verbindungen 28, 37, 39, 40,

Windlastprüfungen 130

46, 127-129, 134, 151, 168

Wirtschaftlichkeit

96, 100-101, 104, 106, 128, 141, 146, 153-157, 162, 164, 173, 174, 196, 205, 222, 225, 226 Brücken und Fußgängerbrücken, 39, 99, 104, 109, Büro- und Verwaltungsgebäude, 17, 25, 30,

Deckbleche 40, 89, 232-233

Detaillierung 15, 44, 47, 71, 72, 78, 97,

Gelenkverbindungen 28, 33, 34, 38-39,

146, 151

34, 36, 82, 84, 87, 92, 96, 109, 113, 114,

127, 132, 150-151, 160-161, 204

Kostenaufschläge für freiliegende

122, 125, 127, 128, 129, 131, 133, 134, 135,

Seilkupplungen 149-151, 161, 188-189

Konstruktionen 83-91, 97, 98, 113, 120,

136-138, 139, 140, 162, 163, 167, 180, 183,

Steckbolzenverbindungen 30, 34, 35, 37,

132, 146, 172, 221

38, 69, 71, 90, 98, 148-149, 150, 157, 160,

Kosten des Stahls 21, 23, 24, 60, 78, 225,

Doppelfassaden, 122, 133, 136-137, 189

168-169, 171, 175, 204

227

Fabriken, 76-77

Stützenverbindungen 33-34

Massenfertigung 44, 93, 151

Fahrbahnüberdachung, 93

Träger-Stützen-Verbindungen 32-33

Personalkosten 24, 85, 126, 151, 220-221,

Flughäfen, 9, 35, 78, 79, 82, 84, 88, 90, 91,

verdeckte Verbindungen 93, 97, 100, 123,

225

207, 214

Profile 23-24

Verbindungslaschen 28-31, 34, 37, 56-58,

Witterungseinfluss (siehe Korrosionsschutz)

93, 96, 98, 107, 113, 145, 150, 151, 161, 164, 169, 175, 182, 183, 186, 187 Gerichtsgebäude, 32, 172 Gesundheitsbauten, 41, 96

69, 70-71, 89, 90, 93, 98-99, 120, 222, 232 Zeichnungen

Zugstoß 30

189, 191, 198, 217, 227

Gewächshäuser, 176

Anforderungen 85, 87

Historische Gebäude, 15, 64, 146

aufsitzende Verbindung 33

Architekten- 9, 45

Hochhäuser, 127-143, 180, 219

ausgeklinkte Verbindung 31, 32

digital (siehe auch Modelle) 9, 25, 46-54,

Hotels, 105, 129, 130, 166, 168, 201

gerade Stöße 30-31, 86, 88

56-57, 94, 137, 154-155

Kongresszentren, 40, 41, 82, 112, 113, 114,

Rahmenverbindungen 31-35, 37, 65,

isometrisch 9, 45, 53, 55, 57, 136, 208

126-127

Normalprojektion 9, 46-53

Verbindungen, Verfahren

Überlappungsverbindungen 30-31, 56, 89 verdeckte Verbindungen 93, 97, 100, 123,

Werkstatt- 9, 46-53, 206, 213 Zugbeanspruchte Konstruktionen (siehe

120, 230 Kunst im öffentlichen Raum, 91-92, 170-171, 198 Kuppeln, 81, 112, 139, 149, 176, 197

207, 214

auch Glaskonstruktionen, über Seile

Landschaftsbezogene Bauten, 110, 111, 176

verschraubt 26, 28-29, 31-35, 48-52,

abgespannt/getragen) 24, 64-65, 70-71,

LEEDTM -zertifizierte Gebäude, 87, 109, 219,

56-58, 67, 83-84, 86-90, 93, 95-96, 222,

74-75, 78, 130, 148-149, 150, 158-171, 230

232-233

Zugverbinder 148-149

verschweißt 26, 31, 39, 41, 56, 64, 83-84,

Zuschnitt von Stahl

220, 225, 226, 227 Museen und Kunstgalerien, 29, 39, 44-54, 63, 64, 65, 66-67, 68-69, 72-75, 89, 90,

87, 88-89, 93, 95-97, 111, 120-121, 123, 172,

Brennschneiden 94

96, 107, 120, 121, 140, 143, 160, 167, 187,

197, 221, 235

Laserstrahlschneiden 94

189, 190, 191, 192-193, 197, 203, 208-211,

Verbindungen, Vorteile der Standardisierung 15, 44, 70-71, 72-73, 78, 97, 146 Verbindungsmuster zur Sichtprüfung 24,

Plasmaschneiden 94 Probleme 86, 94-95, 123, 197 Trennen mit der Blechschere 94 Wasserstrahlschneiden 94

93-94, 87, 90 Verbundkonstruktionen Beton und Stahl 55, 129-130 Glas und Stahl 178-201 Holz und Stahl 202-215 Verbund-Sicherheitsglas (siehe Glaskonst-

222, 230 Oberlichtkonstruktionen, 27, 39, 85, 86-87, 180-181, 183, 192, 193, 197 Öffentliche Bauten, 39, 197 Opernhaus, 123 Shopping und Entertainment, 17, 27, 35, 87, 90, 97, 159, 166, 195, 221 Sonnenschutzvorrichtungen, 32, 109, 135, 163, 170, 182, 185, 186, 224 Sportstätten, 74-75, 85, 103, 104, 122,

ruktionen) Verzinkung (siehe auch Beschichtungen) Feuerverzinkung 108-109, 209, 227 Größenbeschränkungen im Fertigungs-

142-143, 150, 160, 177, 212-215 Stahl- und Glasbauten, 17, 165, 179, 183, 187, 188, 189, 190, 191, 192, 193 Stützenfreie Räume, 39, 40, 58-59, 64-65,

betrieb 108

66-69, 76-77, 164-165, 166,

Verfahren 108 Vordachkonstruktionen 167-169

212-215

allgemein 73, 79, 86, 135, 148, 150, 167

Temporäre Bauten, 228-235

Auskragung 40, 41, 93, 167, 175

Treppen, 104, 121

Gitter 199-201

Überdachung für große Außenflächen, 79, 96, 112, 165, 166, 175, 199

Textil 165, 199 Vorfertigung 24, 28, 121, 132, 141, 142-143 Vorgefertigte Konstruktionen 56-57, 64-65, 66-73, 76-77, 96, 172-175, 231-233 Vorhangfassaden 29, 30, 31, 114, 128,

Verkehrsbauten, 33, 97, 107, 146, 165, 166, 192, 194, 222 Vordächer, 40, 41, 73, 79, 86, 135, 148, 150, 165, 167-169, 175, 199-201

132-133, 134-135

Weinkellereien, 205, 226

Befestigung und Abstützung 182, 184-187

Wohnbauten, 16, 219

Doppelfassaden 136-137

Zoogebäude, 170

Geschichte 180-181 Wabenträger 36-37, 70-71 Wärmebrücken (siehe Bauphysikalische Probleme) Warmgewalzter Stahl 21, 225 Werkstatt Farbanstrich in der Werkstatt 93, 99, 107, 205

– 240

Friedrichstadtpassagen Quartier 206,

BAUTENREGISTER

Berlin, 27 Fußgängerbrücke über den Humber River, Toronto, Ontario, 99

53 Stubbs Road, Hong Kong, 130

Gerichtsgebäude, Vancouver, British

Aldar Firmensitz, Abu Dhabi, 140

Columbia, 172

Angus Technopole, Montreal, Quebec, 221

Grand National Theater of China, Beijing,

APEGBC Bürogebäude, Vancouver, British

123, 193, 196

Columbia, 163

Quantum Nano Centre, Waterloo, Ontario, 128, 151, 162 Ram’s Horn, Calgary, Alberta, 92 Rathaus, Edmonton, Alberta, 39 Reagan International Airport, Washington, District of Columbia, 84, 96, 186 Reichstagsgebäude, Kuppel, Berlin, 81, 149, 197

Apple Store, Shanghai, 181

Grande Arche von La Défense, Paris, 165

Reliance Building, Chicago, Illinois, 180,

Aria Hotel, Las Vegas, Nevada, 168

Greater London Authority (GLA),

Renault Centre, Swindon, 65, 70-71

London, 139

Art Gallery of Ontario, Toronto, Ontario,

Hearst Building, New York City,

32, 101, 121, 203, 208-211

New York, 131

Baltimore Convention Center, Baltimore,

„Her Secret is Patience”, Phoenix,

Maryland, 40, 82

Arizona, 171

Baltimore Washington International Air-

Indigo Icon Büroturm, Dubai, 128

port, Baltimore, Maryland, 93, 172, 184

Institut de la Mode et du Design, Paris,

Bank of America, Boston, Maryland, 40

196, 222

Bay Adelaide Center, Toronto, Ontario,

John Hancock Building, Chicago,

36, 82

Illinois, 127

Beijing International Airport, Terminal 3,

Kant-Dreieck, Berlin, 162

Beijing, 82, 91, 107, 169, 175, 183

Kempinski Hotel Airport München,

Bennett Building, Salt Lake City, Utah, 163

165, 188, 189

Berlin Hauptbahnhof, 152, 165, 194

Las Vegas Courthouse, Las Vegas,

Bibliothèque Ste. Geneviève, Paris, 15, 146

Nevada, 32

Bloomberg Firmensitz, New York City,

Laval University, Gene H. Kruger Pavilion,

New York, 84, 114, 128

Quebec City, Quebec, 205

Bow Encana Tower, Calgary, Alberta, 25,

Les Ailes Shopping Center, Montreal,

29, 30, 34, 92, 113, 122, 125, 136-138

Quebec, 85

Brentwood Skytrain Station, Vancouver, British Columbia, 204, 205 British Museum, Innenhofüberdachung,

City, New York, 190 Royal Ontario Museum, Toronto, Ontario, 16, 44-54, Umschlagzeichnung Sainsbury Centre for Visual Arts, Norwich, 65, 66-67 Salt Lake City Public Library, Salt Lake City, Utah, 104, 182 Salt Palace Convention Center, Salt Lake City, Utah, 120 Seattle Public Library, Seattle, Washington, 30, 96, 104, 141 Seattle Space Needle, Seattle, Washington, 37 Semiahmoo Bibliothek, Surrey, British Columbia, 226 Serpentine Pavilion 2008, London, 207

Las Vegas, Nevada, 96

Brown Center, Baltimore, Maryland, 186

Rose Center for Earth and Space, New York

Ontario, 30, 32, 43, 55-61, 120, 182

Lou Ruvo Center for Brain Health,

Toronto, Ontario, 17, 35, 90

Columbia, 112

Serpentine Pavilion 2006, London, 230

London, 230

Brookfield Place (ehemals BCE Place),

Robson Square, Außenkuppeln, British

Leslie Dan Faculty of Pharmacy, Toronto, London Festival of Architecture Pavilion,

London, 197

Ricoh Center, Toronto, Ontario, 85

Shanghai Expo 2010, Shanghai Australischer Pavillon, 110 Dänischer Pavillon, 234 Deutscher Pavillon, 233

Burj Al-Arab, Dubai, 129, 130, 166

Louvre-Pyramiden, Paris, 179, 192, 193

Expo-Axis-Pavillon, 200, 229

Burj Khalifa, Dubai, 129, 130

Ludwig-Erhard-Haus, Berlin, 150

Expo-Themenpavillon, 35

Bürogebäude, Berlin, 189

Mandarin Hotel, Beijing, 105

Finnischer Pavillon, 232

Bush Lane House, London, 133

Menil Collection, Houston, Texas, 72-75

Israelischer Pavillon, 233

Caisse de dépôt et placement du Québec,

Mikrochipfabrik Inmos, Newport, Wales,

Japanischer Pavillon, 235

65, 76-77

Montreal, Quebec, 152 Calgary Water Centre, Calgary, Alberta, 109, 217, 227 Canadian Museum for Human Rights,

Kroatischer Pavillon, 231

Musée d’Orsay, Paris, 222

Lettischer Pavillon, 234

National Works Yard, Vancouver,

Litauischer Pavillon, 231

British Columbia, 87, 206

Winnipeg, Manitoba, 29, 143

Nationales Wassersportzentrum (Water

Canadian War Museum, Ottawa, Ontario,

Cube), Beijing, 177

39, 88, 96

Nationalstadion Beijing (Bird´s Nest),

Capital Gate, Dubai, 135

Beijing, 103, 142-143

CCTV-Gebäude, Beijing, 134

Neue Nationalgalerie, Berlin, 64

Centre Georges Pompidou, Paris,

Neues Kranzler Eck, Berlin, 17

62, 68-69, 107, 160

Newseum, Washington, District of

Channel 4 News, London, 191

Columbia, 90, 191

Cirque de Soleil, Hauptsitz, Montreal,

O’Hare International Airport, Chicago,

Quebec, 109

Illinois, 78

Cité des Sciences et de l’Industrie,

Olympiastadion, München, 160

Gewächshäuser, Paris, 187, 189

Ontario College of Art and Design, Toronto,

Clay and Glass Gallery, Waterloo, Ontario,

Ontario, 41, 94, 100, 101, 115

167

Kasachischer Pavillon, 231

Millennium Tower, Dubai, 127

Luxemburgischer Pavillon, 111 Nepalesischer Pavillon, 233 Slowakischer Pavillon, 231 Spanischer Pavillon, 232 Südkoreanischer Pavillon, 234 Taiwanesischer Pavillon, 235 Ungarischer Pavillon, 231 Shanghai Pudong International Airport, Shanghai, 88, 145, 150, 164  Shiliupu Hafenanlagen am Huangpu-Fluss, Shanghai, 199 Solar Decathlon 2009, Beitrag der Rice University, Washington, District of Columbia, 227

Denver Art Museum, Denver, Colorado, 140

Oriental Pearl Tower, Shanghai, 13

Sony Center, Berlin, 87, 159, 166

Denver International Airport, Denver,

Palais des Congrès, Montreal, Quebec,

Springs Preserve, Las Vegas, Nevada, 111

112, 114

Colorado, 79 Direct Energy Center, Toronto, Ontario, 120

Pariser Metro, Eingänge, Paris, 146

Dubai, U-Bahn-Station, Dubai, 35, 40

Pavilion of Light, Phoenix, Arizona, 110

DZ Bank, Berlin, 198

Pearson International Airport, Terminal 1, Toronto, Ontario, 90, 98, 113, 164, 187

Eden Project, St. Austell, 176

Philologische Bibliothek der Freien Univer-

Eiffelturm, Paris, 64

sität Berlin, 173, 174

Eisschnelllaufhalle, Richmond, British

Phoenix Convention Center, Phoenix,

Columbia, 150, 212-215

Arizona, 41

Eissporthalle, Oxford, 74-75

Phoenix Public Library, Phoenix,

Experience Music Project, Seattle,

Arizona, 170

Washington, 120

Picower Building, Massachusetts Institute

Expo 67, Pavillon der Vereinigten Staaten, Montreal, Quebec, 139 Expo 86, Canada Place Pavilion, Vancouver,

Potsdamer Platz Arkaden, Berlin, 195 Prince Edward Viaduct Safety Barriers, Toronto, Ontario, 109 Pritzker Pavilion, Chicago, Illinois, 17

– 241

Gaulle, Paris, 97, 107, 166, 192 Tohu, Montreal, Quebec, 220 Toronto Eaton Center, Toronto, Ontario, 97 Tower Bridge House, London, 183, 189 TSK-Bürogebäude, Las Vegas, Nevada, 162, 167 Union Bank Tower, Winnipeg, Manitoba, 219 University of Guelph Science Building, Gu-

Flughafen Heathrow, Terminal 5, London, Flughafen München, 161, 169

TGV-Bahnhof am Flughafen Charles-de-

University Hospital, Edmonton, Alberta, 41

Ferrari World, Abu Dhabi, 175 9, 35, 151, 182

86 Swiss Re, London, 133

setts, 164 London, 168

Fair Store, Chicago, Illinois, 28

Technology, Cambridge, Massachusetts,

of Technology, Cambridge, MassachuPoplar Station, Dockland Light Railway,

British Columbia, 230

Stata Center, Massachusetts Institute of

elph, Ontario, 30, 84, 106, 153-157 University of New Mexico, School of Architecture, Albuquerque, New Mexico, 39 University of Oregon, Lillis Business School, Eugene, Oregon, 225

University of Phoenix, Stadion, Phoenix, Arizona, 122 University of Toronto, Studentenwohnheim, Toronto, Ontario, 16 Vancouver Convention Center, Vancouver, Britsh Columbia, 113 Waiward Steel Hauptsitz, Edmonton, Alberta, 96 Weinkellerei Jackson Triggs, Niagara-onthe-Lake, Ontario, 205 Weinkellerei Stratus, Niagara-on-the-Lake, Ontario, 226 Wells Fargo Building, Salt Lake City, Utah, 117 Willis (ehemals Sears) Tower, Chicago, Illinois, 129 Yas Hotel, Abu Dhabi, 201 Zoo von London, Voliere, London, 170

REGISTER DER ARCHITEKTEN UND STAHLBAUFIRMEN

De Bartolo Architects

Adams Kara Taylor

Dub Architects

Pavilion of Light, 110 Doton, Haim Israelischer Pavillon, Shanghai Expo, 233

London Festival of Architecture Pavilion, 230

Rathaus von Edmonton, 39 Echelman, Janet

Ædifica Architecture + Engineering + Design Angus Technopole, 221 A-Form Architecture

“Her Secret is Patience”, 171 Eiffel, Gustave Eiffelturm, 64

Bank of America Pavilion, 40 Ai Weiwei

Eisenman, Peter Stadion der University of Phoenix, 122

Nationalstadion Beijing (Bird´s Nest), 103, 142-143

Ennead Architects (ehemals Polshek Partnership)

Alsop, Will Ontario College of Art and Design, 41, 94, 100, 101, 115

193, 196

KPMB Architects

Louvre-Pyramiden, 179, 192, 193

Quantum Nano Centre, 28, 151, 162

Cité des Sciences et de l’Industrie,

Labrouste, Henri Bibliothèque Ste. Geneviève, 15, 146 Le Baron Jenney, William The Fair Store, 28 Les architectes Gauthier Gallienne Moisan Laval University, Gene H. Kruger Pavilion, 205 Les architectes Tétreault, Parent, Languedoc

Fentress Bradburn Architects Foster + Partners

Ungarischer Pavillon, Shanghai Expo, 231 Libeskind, Daniel Royal Ontario Museum, 16, 44-54, UmDenver Art Museum, 140

TGV-Bahnhof am Flughafen Charles-de-

Bow Encana Tower, 25, 29, 30, 34, 92, 113,

Gaulle, 97, 107, 166, 192

122, 125, 136-138 British Museum, Innenhofüberdachung, 197 Greater London Authority (GLA), 139 Hearst Building, 131

Lestage / Faucher Aubertin Brodeur

Leslie Dan Faculty of Pharmacy, 30, 32, 43,

Gauthier / Lemay Associés

55-61, 120, 182

Caisse de dépôt et placement du Québec,

Philologische Bibliothek der Freien

152

Universität Berlin, 173, 174 Reichstagsgebäude, Kuppel, 81, 149, 197

Aldar Firmensitz, 140

Renault Centre, 65, 70-71

Beijing International Airport, Terminal 3,

Sainsbury Centre for Visual Arts, 65, 66-67

82, 91, 107, 169, 175, 183

Swiss Re, 133

142-143

Front Inc. Yas Hotel, 201

Bush Lane House, 133 CCTV-Gebäude, 134 Nationales Wassersportzentrum (Water Cube), 177

Fuller, Buckminster Pavillon der Vereinigten Staaten, Expo 67, 139 Gehry, Frank

Asymptote Architects

53 Stubbs Road, Hong Kong, 130

LMN Architects Vancouver Convention Center, 113 Lord Snowdon Zoo von London, Voliere, 170 Mailitis A.I.I.M. Lettischer Pavillon, Shanghai Expo, 234 Manasc Isaac Architects Calgary Water Centre, 109, 217, 227 Mariani Metal Art Gallery of Ontario, Treppen, 121 Marsh, Wood Australischer Pavillon, Shanghai Expo, 110 Mass Studies

Ram’s Horn, Calgary, 92 Mies van der Rohe, Ludwig Neue Nationalgalerie,64 Montgomery Sisam Architects Fußgängerbrücke über den Humber River, 99 Moriyama, Raymond

Burj Al-Arab, 129, 130, 166

Experience Music Project, 120

Indigo Icon Büroturm, 128

Lou Ruvo Center for Brain Health, 96

Millennium Tower, 127

Pritzker Pavilion, 17

University of Toronto, Studenten-

Serpentine Pavilion 2008, 207

wohnheim, 16

Reliance Building, 180

Stata Center, MIT, 86 George Third & Son Steel Fabricators

Musée d‘Orsay, 222

Brentwood Skytrain Station, 204, 205

Behnisch, Günter

Eisschnelllaufhalle, Richmond, 150, 212-215

Olympiastadion München, 160 Benoy Architects

Robson Square, Außenkuppeln, 112 Grimshaw, Nicholas

Ferrari World, 175

Eden Project, 176

Benson Steel

Ludwig-Erhard-Haus, 150

Art Gallery of Ontario, 32, 101, 121, 203, 208-211

Eissporthalle in Oxford, 74-75 Guimard, Hector

BIG Architects

Pariser Metro, Eingänge, 146

Dänischer Pavillon, Shanghai Expo, 234 Bregman and Hamann Architects Royal Ontario Museum, 45 Brickbauer, Charles

GSBS Architects Bennett Building, 163 Hanganu, Dan S. Cirque de Soleil, Hauptsitz, 109

Brown Center, 186

Herzog and De Meuron

Bruder, Will

Nationalstadion Beijing (Bird´s Nest), 103,

Phoenix Public Library, 170 Busby, Peter and Associates APEGBC Bürogebäude, 163 Brentwood Skytrain Station, 204, 205 C.Y. Lee and Partners

142-143 HKS Architects Wells Fargo Building, 117

Jahn, Helmut Kempinski Hotel Airport München, 165,

Canadian War Museum, 39, 88, 96 Morphosis Architects

Musson Cattell Mackey Partnership Semiahmoo Bibliothek, 226 MZ Architects Aldar Firmensitz, 140 Nihon Sekkei Japanischer Pavillon, Shanghai Expo, 235 Omicron Architecture and Engineering National Works Yard, 87, 206 Otto, Frei Olympiastadion München, 160 Patkau Architects Clay and Glass Gallery, 167 Pei, Cobb, Freed and Partners Friedrichstadtpassagen Quartier 206, 27 Pei, I.M. Louvre-Pyramiden, 179, 192, 193 Pelli, Cesar

Bürogebäude in Berlin, 189

107, 160

Sony Center, 87, 159, 166

Menil Collection, 72-75

Eisschnelllaufhalle, Richmond, 150, 212-215 Correa, Charles

JKMM Architects Finnischer Pavillon, Shanghai Expo, 232

Leslie Dan Faculty of Pharmacy, 55 Picower Building, Massachusetts Institute of Technology, 164

Kleihues, Josef Paul Kant-Dreieck, 162 Koch and Partner

CSCEC, CCDI, PTW

Flughafen München, 161, 169

Nationales Wassersportzentrum (Water Cube), 177

Koolhaas, Rem / OMA CCTV-Gebäude, 134

– 242

Burj Khalifa, 130 Safdie, Moshe Salt Lake City Public Library, 104, 182 Schème Consultants Inc. Tohu, 220 Schmidhuber + Kaindl Deutscher Pavillon, Shanghai Expo, 233 SOM Architects Burj Khalifa, 129, 130 John Hancock Building, 127

Willis (früher Sears) Tower, 129 SRA Architects Expo-Axis-Pavillon, Shanghai Expo, 200, 229 SRC Partnership University of Oregon, Lillis Business School, 225 Supreme Steel B ow Encana Tower, 136 Tagliabue, Benedetta Spanischer Pavillon, Shanghai Expo, 232 Tate Snyder Kimsey Architects TSK-Bürogebäude, 162, 167 Thompson, Ventulett, Stainback and Associates Salt Palace Convention Center, 120 Valentiny, François Luxemburgischer Pavillon, Shanghai Expo, 111 von Gerkan, Marg und Partner Hauptbahnhof Berlin, 152, 165, 194 Walters Inc. Steel Fabricators Bay Adelaide Center, 36, 82 Canadian Museum for Human Rights, 29, 143 Canadian War Museum, 39, 88, 96 Leslie Dan Faculty of Pharmacy, 30, 32, 43, 55-61, 120, 182 Ontario College of Art and Design, 41, 94,

Royal Ontario Museum, 16, 44 - 54, Um-

Petzinka Pink Architects

O‘Hare International Airport, 78

Institut de la Mode et du Design, 196, 222

53 Stubbs Road, Hong Kong, 130

Ram’s Horn, 92

Centre Georges Pompidou, 62, 68-69,

Jakob + McFarlane

Reliance Building, 180 RWDI Wind Engineers

Reagan International Airport, 84, 96, 186

Neues Kranzler Eck, 17

Las Vegas Courthouse, 32

Tower Bridge House, 183, 189 Root, John Wellborn

100, 101, 115

235

Cannon Design

Mikrochipfabrik Inmos, 65, 76-77

Bloomberg Firmensitz, 84, 114, 128

188, 189

Brookfield Place, 17, 35, 90

151, 182

Aria Hotel, 168

Taiwanesischer Pavillon, Shanghai Expo, Calatrava, Santiago

Flughafen Heathrow, Terminal 5, 9, 35,

90, 98, 113, 164, 187

McEwen, John

208-211 DZ Bank, 198

Channel 4 News, 191

Pearson International Airport, Terminal 1,

Art Gallery of Ontario, 32, 101, 121, 203,

Aulenti, Gae

101, 115 Rogers, Richard

234

Yas Hotel, 201

Atwood, Charles B.

Ontario College of Art and Design, 41, 100,

Südkoreanischer Pavillon, Shanghai Expo,

Royal Ontario Museum, 45 Atkins Architects

Capital Gate, 135 Robbie/Young + Wright Architects

107, 160

Lévai, Támas

82, 91, 107, 169, 175, 183

Nationalstadion Beijing (Bird´s Nest), 103,

Gaulle, 97, 107, 166, 192 RMJM Architects

Centre Georges Pompidou, 62, 68-69,

88, 145, 150, 164

ARUP

TGV-Bahnhof am Flughafen Charles-de-

Palais des Congrès, 112, 114

schlagzeichnung

Architects Consortium Gauthier Daoust

Gewächshäuser 187, 189

Ingberg

Beijing International Airport, Terminal 3,

Weinkellerei Stratus 226

Channel 4 News, 191

Weinkellerei Jackson Triggs, 205

Shanghai Pudong International Airport,

Andrew, Les

199 Rice, Peter

Newseum, 90, 191

Denver International Airport, 79

Grande Arche von La Défense, 165

Serpentine Pavilion 2006, 230

Shiliupu Hafenanlagen am Huangpu-Fluss,

et associés, Saia et Barbese, Ædifica, Hal

Gerichtsgebäude in Vancouver, 172

Grand National Theater of China, 123,

Seattle Public Library, 30, 96, 104, 141

Rose Center for Earth and Space, 190 Erickson, Arthur

Andreu, Paul

Mandarin Hotel, 105

Piano, Renzo

Potsdamer Platz Arkaden, 195 Predock, Antoine Canadian Museum for Human Rights, 29,

schlagzeichnung University of Guelph Science Building, 30, 84, 106, 153-157 WZMH Architects Bay Adelaide Center, 36, 82 Young + Wright Architects University of Guelph Science Building, 30, 84, 106, 153-157 Zeidler Partnership Architects

143

Bow Encana Tower, 25, 29, 30, 34, 92, 113,

University of New Mexico, School of Archi-

122, 125, 136-138

tecture, 39

Canada Place Pavilion Expo 86, 230

Revington, Dereck Prince Edward Viaduct Safety Barriers, 109 RFR Louvre-Pyramiden, 179, 192, 193

Direct Energy Center, 120 Toronto Eaton Center, 97

Houston

ORTSREGISTER

Menil Collection, 72-75 Las Vegas

Abu Dhabi

Aria Hotel, 168

Richmond Eisschnelllaufhalle, 150, 212-215 Salt Lake City Bennett Building, 163

Waterloo Clay and Glass Gallery, 167 Quantum Nano Centre, 128, 151, 162 Winnipeg

Aldar Firmensitz, 140

Las Vegas Courthouse, 32

Ferrari World, 175

Lou Ruvo Center for Brain Health, 96

Public Library, 104, 182

29, 143

Yas Hotel, 201

Springs Preserve, 111

Salt Palace Convention Center, 120

Union Bank Tower, 219

TSK-Bürogebäude, 162, 167

Wells Fargo Building, 117

Albuquerque University of New Mexico, School of

London

Architecture, 39 Baltimore

Salt Lake City

Seattle

British Museum, Innenhofüberdachung,

Experience Music Project, 120

197

Seattle Public Library, 30, 96, 104, 141

Baltimore Convention Center, 40, 82

Bush Lane House, 133

Baltimore Washington International

Channel 4 News, 191

Airport, 93, 172, 184

Flughafen Heathrow, Terminal 5, 9, 35,

Apple Store, 181

Brown Center, 186

151, 182

Oriental Pearl Tower, 13

Greater London Authority (GLA), 139

Shanghai Pudong International Airport,

Beijing International Airport, Terminal 3,

London Festival of Architecture Pavilion,

88, 145, 150, 164

82, 91, 107, 169, 175, 183

230

Shiliupu Hafenanlagen am

CCTV-Gebäude, 134

Poplar Station, Dockland Light Railway,

Grand National Theater of China, 123,

168

193, 196

Serpentine Pavilion 2006 (Koolhaas),

Australischer Pavillon, 110

Mandarin Hotel, 105

230

Dänischer Pavillon, 234

Nationales Wassersportzentrum

Serpentine Pavilion 2008 (Gehry), 207

Deutscher Pavillon, 233

(Water Cube), 177

Swiss Re, 133

Expo-Axis-Pavillon, 200, 229

Nationalstadion Beijing (Bird´s Nest),

Tower Bridge House, 183, 189

Expo-Themenpavillon, 35

103, 142-143

Zoo von London, Voliere, 170

Finnischer Pavillon, 232

Beijing

Berlin

Montreal

Seattle Space Needle, 37 Shanghai

Huangpu-Fluss, 199 Shanghai Expo 2010

Israelischer Pavillon, 233

Bürogebäude, 189

Angus Technopole, 221

Japanischer Pavillon, 235

DZ Bank, 198

Caisse de dépôt et placement du

Kasachischer Pavillon, 231

Friedrichstadtpassagen Quartier 206, 27

Québec, 152

Kroatischer Pavillon, 231

Hauptbahnhof, 152, 165, 194

Cirque de Soleil, Hauptsitz, 109

Lettischer Pavillon, 234

Kant-Dreieck, 162

Expo 67, Pavillon der Vereinigten

Litauischer Pavillon, 231

Ludwig-Erhard-Haus, 150

Staaten, 139

Luxemburgischer Pavillon, 111

Neues Kranzler Eck, 17

Les Ailes Shopping Center, 85

Nepalesischer Pavillon, 233

Neue Nationalgalerie, 64

Palais des Congrès, 112, 114

Slowakischer Pavillon, 231

Philologische Bibliothek der Freien

Tohu, 220

Spanischer Pavillon, 232

Universität Berlin, 173, 174

München

Potsdamer Platz Arkaden, 195

Flughafen München, 161, 169

Reichstagsgebäude, Kuppel, 81,

Kempinski Hotel Airport München, 165,

149, 197

188, 189

Sony Center, 87, 159, 166

Olympiastadion München, 160

Boston

New York

Bank of America Pavilion, 40

Bloomberg Firmensitz, 84, 114, 128

Calgary

Hearst Building, 131

Bow Encana Tower, 25, 29, 30, 34, 92,

Rose Center for Earth and Space,

113, 122, 125, 136-138

190

Calgary Water Centre, 109, 217, 227

Newport

Ram’s Horn, 92

Mikrochipfabrik Inmos, 65, 76-77

Cambridge

Niagara-on-the-Lake

Südkoreanischer Pavillon, 234 Taiwanesischer Pavillon, 235 Ungarischer Pavillon, 231 St. Austell Eden Project, 176 Surrey Semiahmoo Library, 226 Swindon Renault Centre, 65, 70-71 Toronto Art Gallery of Ontario, 32, 101, 121, 203, 208-211 Bay Adelaide Center, 36, 82

Picower Building, Massachusetts

Weinkellerei Jackson Triggs, 205

Brookfield Place (ehemals BCE Place),

Institute of Technology, 164

Weinkellerei Stratus, 226

17, 35, 90

Stata Center, Massachusetts Institute

Norwich

of Technology, 86 Chicago Fair Store, 28

Fußgängerbrücke über den Humber

66-67

River, 99

Ottawa

John Hancock Building, 127

Canadian War Museum, 39, 88, 96

O’Hare International Airport, 78

Oxford

Pritzker Pavilion, 17

Eissporthalle, 74-75

Reliance Building, 180

Paris

Willis (früher Sears) Tower, 129

Direct Energy Center, 120

Sainsbury Centre for Visual Arts, 65,

Leslie Dan Faculty of Pharmacy, 30, 32, 43, 55-61, 120, 182 Ontario College of Art and Design, 41, 94, 100, 101, 115 Pearson International Airport, Terminal

Bibliothèque Ste. Geneviève, 15, 146

1, 90, 98, 113, 164, 187

Centre Georges Pompidou, 62, 68-69,

Prince Edward Viaduct Safety Barriers,

Denver Art Museum, 140

107, 160

109

Denver International Airport, 79

Cité des Sciences et de l’Industrie,

Ricoh Center, 85

Gewächshäuser, 187, 189

Royal Ontario Museum, 16, 44-54,

Burj Al-Arab, 129, 130, 166

Eiffelturm, 64

Umschlagzeichnung

Burj Khalifa, 129, 130

Grande Arche von La Défense, 165

Toronto Eaton Center, 97

Capital Gate, 135

Institut de la Mode et du Design, 196,

University of Toronto, Studenten-

U-Bahn-Station, 35, 40

222

Indigo Icon Büroturm, 128

Louvre-Pyramiden, 179, 192, 193

Millennium Tower, 127

Metro, Eingänge, 146

Denver

Dubai

Edmonton Rathaus, 39 Universitätskrankenhaus, 41 Waiward Steel Hauptsitz, 96

APEGBC Bürogebäude, 163

Musée d‘Orsay, 222

Brentwood Skytrain Station,

TGV-Bahnhof am Flughafen Charles-de-

204, 205

Gaulle, 97, 107, 166, 192

Canada Place Pavilion Expo 86, 230

Phoenix

Eugene

wohnheim, 16 Vancouver

Gerichtsgebäude, 172

„Her Secret is Patience”, 171

National Works Yard, 87, 206

University of Oregon, Lillis Business

Pavilion of Light, 110

Robson Square, Außenkuppeln, 112

School, 225

Phoenix Convention Center, 41

Guelph

Phoenix Public Library, 170

University of Guelph Science Building,

Stadion der University of Phoenix, 122

30, 84, 106, 153-157

Quebec

Hong Kong 53 Stubbs Road, 130

– 243

Vancouver Convention Center, 113 Washington, D.C. Newseum, 90, 191 Reagan International Airport, 84, 96, 186

Laval University, Gene H. Kruger

Rice University, Beitrag Solar Decathlon

Pavilion, 205

2009, 227

Canadian Museum for Human Rights,

ÜBER DIE AUTORIN

ÜBER DEN TECHNISCHEN ILLUSTRATOR

TERRI MEYER BOAKE BES, B. ARCH, M. ARCH, LEED AP

VINCENT HUI erwarb Master-Abschlüsse in Archi-

Terri Meyer Boake ist stellvertretende Leiterin und Professorin an der

tektur (University of Waterloo) und Betriebswirt-

Fakultät für Architektur der University of Waterloo in Cambridge im

schaft (Schulich School of Business, York University,

kanadischen Bundesstaat Ontario. Sie ist ehemalige Präsidentin der

Toronto). Er verfügt über eine universitäre Lehrbefä-

Society of Building Science Educators, eines internationalen Zusam-

higung und ist LEED Accredited Professional.

menschlusses von Lehrenden im Bereich des nachhaltigen Planens und Bauens. Sie ist designierte Präsidentin der Building Technology

Er ist Partner des Planungs- und Entwurfsbüros Atelier

Educators’ Society, einer Vereinigung zur Erneuerung der Bau- und

Anaesthetic und Dozent am Institut für Architektur-

Konstruktionslehre. Seit Beginn der 1980er Jahre ist sie als Dozentin

wissenschaften der Ryerson University in Toronto, wo

für Hochbau und Baukonstruktion tätig und initiierte Mitte der 1990er

seine Schwerpunkte in den Bereichen Entwurfslehre,

Jahre die stärker umweltbezogene Ausrichtung des Studienangebots

Baukonstruktion und digitale Medien liegen. In der

an der genannten Fakultät.

Forschung behandelt er computergestütztes Entwerfen, Building Information Modeling, parametrisches

Sie entwickelte interaktive multimediale Fallstudien zur Förderung der

Entwerfen, komplexe Simulationen und Rapid Proto-

Lehre des Stahlbaus innerhalb des Studiengangs Architektur in Zusam-

typing. Als Leiter des Architectural Design Laboratory

menarbeit mit dem Canadian Institute of Steel Construction (CISC) und

der Ryerson University (RAD | Lab) befasst er sich mit

der kanadischen Steel Structures Education Foundation. Als aktives

der Planung, Ausführung und Präsentation internati-

Mitglied der CISC-Arbeitsgruppe für freiliegende Stahlkonstruktionen

onaler innovativer Entwurfsarbeiten.

veröffentlichte sie 2011 einen Leitfaden für deren Ausschreibung (CISC Guide for Specifying Architecturally Exposed Structural Steel).

Aus der Mitarbeit an Projekten weltweit tätiger Planungsbüros in Asien, Europa, dem Nahen Osten und

Terri Meyer Boake erwarb einen ersten Abschluss in Architektur an

Nordamerika gewinnt seine Lehrtätigkeit einen engen

der University of Waterloo, woran sich ein weiterführendes Studium

Praxisbezug. Aktuelle Forschungsvorhaben stehen im

der Architektur an der University of Toronto anschloss. Sie ist LEED

Zusammenhang mit seinem Interesse an Architektur-

Accredited Professional für nachhaltiges Bauen und engagiert sich

vermittlung und Medien, der Integration von Konzep-

in der Forschung über Methoden des klimaneutralen Entwerfens für

ten des Ubiquitous Computing sowie komplexen Simu-

architektonische Lösungen und Passivhauskonzepte, die über die

lationen und Spieltechnologien in die Entwurfslehre.

genutzten Energiequellen und Systeme hinausgehen. In einem aktuellen

Er entwickelt gegenwärtig interaktive multimediale

Forschungsprojekt erarbeitet sie Materialien zur Unterstützung bei

Tools für die kanadische Steel Structures Education

der Planung klimaneutraler Gebäude in Lehre und Praxis. Auf Konfe-

Foundation sowie eine Augmented-Reality-Daten-

renzen in den USA, Kanada und China trug sie als Referentin zu Stra-

bank für Architekturprojekte in Toronto.

tegien des emissionsarmen Bauens vor. Sie betreut die Inhalte einer Internet­p räsenz des Carbon Neutral Design Project, einer vom Ame-

Als farbenblindem Designer ist Vincent Hui die Nut-

rican Institute of Architects geförderten Initiative zur Unterstützung

zung technischer Hilfsmittel zur umfassenden Förde-

seiner Mitglieder bei der Planung nachhaltigerer Bauten (www.aia.org/

rung der Kreativität und Verbesserung der Kommuni-

carbonneutraldesignproject).

kation im Entwurfsprozess besonders wichtig.

Als passionierte Fotografin dokumentiert sie auf zahlreichen Reisen Gebäude von herausragender Bedeutung. Da in Architekturpublikationen meist nur wenige Informationen zur Bauausführung enthalten sind, liegt ihre Intention vor allem darin, Gebäude aus der Sicht der Baupraxis darzustellen.

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