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S P A N N B E T O NT E C H N I KDipl.-Ing. (FH) Siegfried DornacherDipl.-Ing. (FH) Ernst SchäfferSpanntechnikbeimWiederaufbauderFrauenkircheDresden

P A U L S P A N N T E C H N I KKurzer ÜberblickSeit 1997 engagiert sich PAUL beim Wiederaufbau der Frauenkirche DresdenUnsere Leistungen:• Erarbeitung der technischen Lösung und der Verfahrenstechnik für das Spannen der Spannankerder Hauptkuppel• Modellbau Spannstoß• Konstruktion und Fertigung der gesamten spanntechnischen Sonderausrüstungen• Werkstofferprobung der Spannausrüstungen• Lieferung der Ausrüstungen• Erarbeitung der Spannanweisung• Spannen der Anker 1 und 2 der Hauptkuppel• Unterstützung des Wiederaufbaus mit einer Spende mit symbolischem Erwerb eines Bausteinsam Turm GRückblickAm Aschermittwoch, dem 15. Februar 1945, brichtsie in sich zusammen, die das Stadtbild von Dresdenso sehr prägende Frauenkirche mit ihrer Kuppel.Zurück bleiben ein 22000 m³ großer Schuttbergund zwei hochragende Ruinenstümpfe. Direktvom Bombenhagel des Luftangriffs am 13. Februar1945 wurde die Kirche nicht zerstört, dochvom benachbarten Cosel-Palais schlugen Flammenüber. Infolge des Brandes kam es zum Versageneines Pfeilers und zum Einsturz.In einer Bauzeit von nur siebzehn Jahren wurde,1726 beginnend, der sakrale Zentralbau mit einerquadratischen Grundrißfläche von 41 x 41 m undeiner Gesamthöhe von über 90 m von dem RatszimmermeisterGeorge Bähr errichtet. Das markanteäußere Erscheinungsbild wird besondersvon der mächtigen Kuppel sowie den vier Ecktürmenbestimmt. Die Kuppel beginnt in einer Höhevon knapp 40 m und reicht bis zum Laternenhalsin etwa 62 m (Abb. 1).Anfangs plante der Baumeister, die Kuppel in Holzund mit einer Kupferbedeckung auszuführen. DasMauerwerk läßt er beim Baubeginn aber bereits sostark ausbilden, dass er 3 Jahre später (1729) einenVorschlag für eine Kuppel ganz aus Sandstein vorlegenkann. Er konstruiert eine zweischalige Konstruktionmit einem dazwischen aufsteigendenWendelgang über den Besucher vom Kuppelanlaufbis zur Laterne gelangen können. Die Außenschaleist zwischen ca. 2,30 m und 1,30 m dick, dieInnenschale nur etwa 25 cm.Abb. 1: Die Frauenkirche zu Dresden nach einemFoto von vor 1945- 2 -

D E R B A U M E I S T E RStatik und KonstruktionObwohl Bähr über keine detailgenauen statischen Kenntnisse zu seiner Kuppel verfügt, bildet erdie 9000 Tonnen schwere, im Durchmesser unten ca. 26 m, oben ca. 10 m große Kuppel im Prinziprichtig aus 1) . Die äußere Kuppelschale verstärken 24 stehende Rippen zu je 60 cm Dicke und vierEisenanker mit Querschnitten von 4 x 4 cm² bis 5 x 9 cm² umschnüren sie. Weitere Eisenankerverbinden Pfeiler, Rahmen und Außenmauerwerk. Die große Last der Steinkuppel soll nicht nurüber die Pfeiler abfließen, sondern auch über die mit den Pfeilern verbundenen Flügelmauernder Treppentürme (Spierahmen) und der Eingangsrisalite. Den technischen Möglichkeiten seinerZeit unterworfen, läßt Bähr die gürtelähnlichen Eisenanker aus vielen je 3 bis 6 m langen Einzelstückenfertigen. Als Stahl verwendet er einen St 33 und zur Verbindung der Einzelstücke werdenin die angeschmiedeten Augen an den Enden der Teile Splinte eingeschlagen (Abb. 2).Abb. 2: Eiserne Ringanker nach BährDoch schon 1738, noch während der Bauzeit und vor George Bährs Tod, treten erste Bauschädenauf. Später folgen weitere Schäden und bleiben ständiger Begleiter der Kirche.Heute, beim archäologischen Wiederaufbau, wirddie Lastverteilung bzw. der Lastabtrag aus der Kuppelzu etwa gleichen Teilen in die Pfeiler, die WandundTurmvorlagen (Spierahmen), gezielt gesteuert.Unter Beachtung denkmalpflegerischer Gesichtspunkteund der Verpflichtung gegenüber Bähr,beim Wiederaufbau eine Konstruktion nur ausStein und Eisen auszuführen, wurde wie in 1) näherbeschrieben, in Höhe des Hauptgesimses ein nachspannbarerpolygonaler Ankerring aus Flachstählenmit nach außen gerichteten Rückverankerungeneingebaut.Die Kuppel selbst wird nicht mehr mit 4 schlaffenAnkern, sondern mit 6 stählernen Spannankernumschlossen, die sich wie in Abb. 3 gezeigt inder Höhe verteilen. Bei der Wahl des neuen Spannankermaterialsgalt es weitgehend der Philosophie„Stein und Eisen“ zu folgen, so dass ein Vorschlagder Verfasser, hier moderne Spannglieder,wie etwa doppelt extrudierte Litzenbänder einzusetzen,ablehnend entschieden wurde.Abb. 3: Lage der Spannanker in der Hauptkuppel- 3D Modell1) F. WENZEL, W. JÄGER: "Der archäologische Wiederaufbau der Frauenkirche zuDresden...", Beton und Stahlbetonbau 91 (1996), H. 11, S. 257-276- 3 -

I M D E T A I LDie stählernen Spannanker der neuenHauptkuppelFür die Spannanker wurde von den Tragwerksplanern der Ingenieurgemeinschaft Prof. Jäger / Prof.Wenzel, ein schweißbarer, hochfester Baustahl mit der Bezeichnung S 690 QL 1 gewählt, der in Bändernmit 100 bzw. 150 mm Höhe und 30 mm Dicke um die Kuppel gelegt wird. Geliefert und eingebautwerden die Spannanker von der Fa. Züblin Stahlbau Hosena. Die Anlieferung einer Ankerlageerfolgt in acht Teilstücken von bis zu je 10 m Länge (Anker 1 und 2) und ihr Einbau in nutförmigeAusnehmungen der Kuppelaußenschale. Jeweils zwei der vorgebogenen Teilstücke werden nachihrer Montage sofort mittels einer Laschenverbindung und Paßschrauben verbunden (Abb. 4).Somit entstehen vier Viertelsegmente. An den, zunächstnoch nicht verschlossenen Viertelspunkten, den Spannstellen,werden die Spannanker nach einer Übermauerungshöhevon 1,50 m und einem Fugenmörtelalter von mind. 28Tagen gespannt. Nach dem Ankereinbau und vor dem Spannenwerden bis auf vier offene Spann-Nischen die Ankersoweit eingemauert, dass nur ein tunnelförmiger Kanal fürdie freie Bewegung des Ankers für das Spannen verbleibt.Abb. 4: Verschraubte Laschenverbindung amSpannanker 1Ankerquerschnitte und Spannkräfte:• Anker 1 und 2: Anker-Querschnitt 100 x 30 mm, Nennspannkraft 1200 kN• Anker 3, 4 und 5: Anker-Querschnitt 150 x 30 mm, Nennspannkraft 1800 kN• Anker 6:Anker-Querschnitt 100 x 30 mm, Nennspannkraft 1200 kNDer Lastverteilung vom Spannanker auf das Kuppel-Mauerwerk und zur genauen Lagepositionierungdient ein Stahlband, das genau vermessen unter dem Anker und vor dessen Montage eingebautwird. Zur Reduzierung der beim Spannen auftretenden Reibung wurde zwischen diesem Unterlagsbandund dem Spannanker eine PTFE-Folie angeordnet.Spanntechnische AusrüstungDie Aufgabe für die bereitzustellende spanntechnische Ausrüstung bestand darin, die an den vierSpannstellen eines Ankers sich gegenüberstehenden Ankerenden zu fassen, zu spannen (zu ziehen),sie für die Zeit des Bohrens und Verschraubens der Stöße schlupffrei zu halten und schließlichwieder freizugeben. Es wurde eine Lösung gefunden, die sich zwischenzeitlich beim Spannen derAnker 1 und 2 gut bewährt hat (Abb. 5 und 6). Auf die Spannankerenden am Spannstoß wurden,bereits vor der Anlieferung zur Baustelle, oben und unten Längsrippen aufgeschweißt. Gegen dieseLängsrippen stützen sich beidseitig des Stoßes Spannplatten (Querrippen) ab. Da die Spannplattenerst kurz vor dem Spannen aufmontiert und danach wieder entfernt werden, mußten sie geteiltund miteinander verschraubbar ausgeführt werden. An die rechte Spannplatte (Abb. 5) werden dieSpannstühle mit ihren Krümmern und den Spannpressenauflagen angeschraubt. Zwei Hilfs-Spanngliederan jeder Spannstelle, je eines oberhalb und unterhalb des Ankers, dienen zum Spannen.Jedes Spannglied besteht aus vier Litzen Ø 18 mm à 200 mm² Nennquerschnitt in der Festigkeit 1870N/mm² (Anker 1, 2 und 6) bzw. aus je vier verdichteten Litzen à 224 mm² Nennquerschnitt in derFestigkeit 1740 N/mm² (Anker 3, 4 und 5), einer Sonderfertigung von der Fa. Westfälische Drahtindustriein Hamm (WDI).SpannankerSpannplatte(Querrippe)Litzen der HilfsspanngliederSpannplatteLängsrippe (Querrippe) Distanzbleche SpannstuhlSpannankerVSt 1 Laschen VSt 2Keilsicherung Distanzkeile EntspannschieberAbb. 5: Spannstoß und Spannausrüstung- 4 -Spannpresse1000 kN,100 mm HubSpannpressenauflageSchraubstückVSt 3Keilsicherung

I M D E T A I LZur Verankerung dieser Litzen entwickelte PAUL spezielle Verankerungskeile, um die hohen Kräftebeim Spannen und die noch höheren Kräfte beim Umsetzen mit Sicherheit aufnehmen zukönnen. Die Länge der temporären Spannglieder, gemessen von der Verankerungsstelle VSt 1 bisVSt 3 hinter der Spannpresse war mit ca. 3,30 m sehr kurz. Das erforderte einen präzisen Längenausgleichzwischen den einzelnen Litzen vor dem Spannen, der über spezielle Schraubstücke amSpannpressenkopf erreicht wurde. Die Verankerungskeile in den Gehäusen der Verankerungenbei VSt 1 und VSt 3, die sich unter Last bei der Litzeneinstellung festzogen, wurden mit Keilsicherungenblockiert, so daß sie sich nicht wieder lösen konnten. Ungleiche Litzenlängen hätten eineSchrägstellung des Spannankerstoßes und der Spannausrüstung beim Spannen bis hin zu möglichenZerstörungen bewirkt. Um bei der Längeneinstellung der Litzen unter Last ein Spannendes Ankers zu vermeiden, wurden zwischen den Spannankerstößen Distanzkeile eingelegt.Die Abstützungen an den Spannstühlen bei VSt 2 hatten die Aufgabe die dortigen Spannverankerungenaufzunehmen und zugleich das Einstecken der Entspannschieber und Distanzbleche zuermöglichen. Mit den Entspannschiebern war eine Möglichkeit geschaffen worden, im Bedarfsfallnach dem Spannen nochmals komplett zu entspannen. Die Distanzbleche dienten dem Schlupfausgleich.Der Schlupf entsteht durch das Absetzen der Spannkraft bei beendetem Spannenauf die Verankerungen bei VSt 2, weil die Verankerungskeile beim Einbeißen einen gewissenWeg zurücklegen. Aufgrund des Keilschlupfes (ca. 4 mm) waren die Spannanker geringfügig entspannt,was durch nochmaliges Anspannen der Anker und Einstecken von Distanzblechen zwischenSpannplatte und Verankerungen VSt 2 ausgeglichen werden konnte.Um aus dem Radius des Spannankers herauszukommen hatten die Spannstühle Krümmer dievom Bauwerk wegführten. Nur so konnte der Platz gewonnen werden der für die Anordnung derbeiden Spannpressen je Spannstelle nötig war.Abb. 6: Spannstoß und Spannausrüstung, Zustand vor dem SpannenAbstützungen der Spannpressenauflagen und die zur Bedienung der Spannpressen notwendigenHydraulikpumpen mit ihren Manometern vervollständigten die Spannausrüstung. Vielfachhandelt es sich bei den Ausrüstungen um Sonderkonstruktionen, die speziell für das Spannender Spannanker der Frauenkirchenkuppel entwickelt wurden. Die Firma PAUL stellte sich dieserAufgabe mit Begeisterung und großem Einsatz.SpannenSeitens der Firma PAUL bestand der Wunsch (und eigentlich auch die Notwendigkeit), die Spannausrüstungim Vorfeld unter weitgehend bauwerksähnlichen Bedingungen zu erproben unddas Spannen zu trainieren. Da der Bauherr dafür keine Mittel bereitstellen konnte, wurden imRahmen der betrieblichen Möglichkeiten von und bei PAUL eigens finanzierte Versuche durchgeführt.Damit konnte ein reibungsloser und sicherer Arbeitsablauf schon beim Spannen des erstenAnkers sichergestellt werden. Zudem wurden die Kraftverluste infolge Reibung aus dem SpannsystemSpannglied - Spannstuhl - Spannmaschine experimentell ermittelt (Abb. 7).- 5 -

I M D E T A I LSpannenVom Planungsbüro wurden im Spannprogramm Spannkraft undDehnweg vorgegeben. Aufgrund zu erwartender Reibungsverlustebeim Spannen wurde als Soll-Spannkraft für Anker eins 1280kN und ein Dehnweg von 38 mm je Spannstelle vorgegeben. PAULerarbeitete eine detaillierte Spannanweisung. Zur Sicherstellung,dass die vorgegebene Spannkraft auch tatsächlich in richtigerGröße in das Bauwerk eingetragen wird und die Soll-Dehnwegeerreicht werden, war der erste Spannanker an insgesamt 16 aufden Umfang verteilten Stellen mit Dehnmessstreifen bestücktworden. Damit war eine zusätzliche und genaue Kontrolle zurKraftmessung über die Spannmaschinen und Dehnwegmessungenmit Schieblehren gegeben (Abb. 8).Abb. 7: Spannversuch bei PAULZur gleichzeitigen und gleichmäßigen Eintragungder Vorspannung an den vier Spannstelleneines Ankers wurden alle Spannstellen einheitlichgemäß Abb. 6 ausgerüstet und mit eingewiesenemPersonal besetzt. Ein Blickkontakt zwischendem Spannpersonal war ausgeschlossen.Die Verständigung untereinander erfolgte überSprechfunk. Ein leitender Ingenieur sprach dieAnweisungen für die Maschinenbedienung bzw.die einzeln vorzunehmenden Arbeitsschritte,die jeweils quittiert wurden. Gespannt wurde inAbb. 8: Dehnwegmessungmehreren kleinen Kraftstufen. Nach jeder Stufewurden die erreichten Werte für die Spannkraft und den Spannweg an den vier Spannstellen aufgezeichnetund miteinander verglichen. Nach der letzten Spannstufe wurde die Spannkraft vonden Spannpressen auf die Spannverankerungen bei VSt 2 abgegeben. Der dabei auftretende Schlupfwurde durch nochmaliges Anspannen und Einstecken von Distanzblechen vor die Spannverankerungenkompensiert (Abb. 9).Bis etwa zur ersten Hälfte der Spannkraft wurden an den vierSpannstellen unterschiedlich große Spannwege gemessen. Inder zweiten Spannkrafthälfte stellte sich eine gute Proportionalitätzwischen Spannkraft und Spannweg ein. Insgesamtwurden Spannkraft und Dehnweg in guter Genauigkeit eingetragen.Die Kontrollmessungen mittels der Dehnmessstreifenbestätigten die Messergebnisse der Spannausrüstung.Abb. 9: SchlupfkompensationAbb. 10: Spannteam bei Anker 1- 6 -

I M D E T A I LBohren und Verschrauben der SpannstößeAn den Spannstellen waren Laschenstöße vorbereitet worden. Am linken Spannankerendewaren die Laschen schon vor dem Spannen aufgeschraubt, am rechten war nur die vordereLasche vorgebohrt. Nach dem Spannen mussten demzufolge noch das Ankerblech und diehintere Lasche durchbohrt werden, um den Stoß verschrauben zu können. Um ein exaktesBohren zu garantieren, wurde eine Bohrmaschinenhalterung an die Spannausrüstung desStoßes geschraubt (Abb. 11).Abb. 11: Bohrausrüstungam SpannstoßNach der Fertigstellung und Verschraubung aller Bohrungen konnte letztendlich die Spannkraftauf die Laschenverbindung abgesetzt werden. Dafür mussten die Hilfsspannglieder abermalsangespannt werden, um die Distanzbleche und Entspannschieber ziehen zu können.Schließlich folgte der Rückbau der Spannausrüstungen (Abb. 12).Abb. 12: Spannankerstoßnach dem Spannen unddem Rückbau der SpannausrüstungNach dem Spannen wurden die Spannnischen weitgehend ausgemauert und verschlossen,bevor sie und die Spannankerkanäle mit einem speziellen Zementmörtel verpresst wurden.- 7 -

G R O ß Z Ü G I G E S P E N D EDer StifterbriefPAUL unterstützt das Projekt mit einer großzügigen Spende und erhältdafür einen Stifterbrief von der Gemeinnützigen Stiftung der FrauenkircheDresden.Dieser Stifterbrief ist symbolischer Ausdruck der Verbundenheit mit demWiederaufbau der Frauenkirche Dresden. PAUL erhält somit mit diesemStifterbrief "Ein ganz persönliches Stück Weltgeschichte."PAUL-Info B 147.11/1 Irrtum und Änderungen vorbehalten. 0203Max-Paul-Straße 188525 Dürmentingen / GermanyPhone: +49 (0) 7371 / 500-0 Fax: +49 (0) 7371 / 500-111Mail: spannbeton@paul-d.comWeb: www.paul-d.com- 8 -