Neue Loisachbrücke in Eschenlohe verbindet Holz und Stahl in ...

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BMW Welt München, die Kundenlounge, das
zentrale Element im statischen Gesamtsystem
Von der Planung bis zur Realisierung
Über die 4.000-Tonnen-Wolke, der außergewöhnlichen Dachkon
struktion der BMW Welt, dem neuen Hightech- und Auslieferungs
center für die Nobelkarossen von BMW, wurde schon
des Öfteren berichtet.
So wurde in der Juli-Ausgabe 2005 der Zeitschrift Stahlbau ausführlich
über die schwebende Stahlkonstruktion des Regeldaches
und über den Doppelkegel referiert.
Der nun folgende Artikel soll auf das Kernstück der wenigen aussteifenden
Elemente, die zentrale Kundenlounge, eingehen.
Wir erinnern, die rund 25.000 m 2 große, nahezu freitragende
Dachkonstruktion der BMW Welt wird über 3 Kerne (Bild 1) ausgesteift:
den Doppelkegel, als integraler Bestandteil der Stahlkonstruktion,
den Gastrokern, einer vorgespannten Stahlbetonkonstruktion
und der Kundenlounge, einer räumlich tragenden
Stahlskelett-Verbundkonstruktion.
Lounge
Gastrokomplex
Doppelkegel
Bild 1: Gesamtübersicht BMW Welt
1. Räumliche Stahlskelett-Verbundkonstruktion
Die Lounge ist nicht nur ein zentraler Kern, sondern ein für sich
allein überaus anspruchsvolles Bauteil. Die rund 80 x 35 m
messende Stahlbeton-Verbundkonstruktion ist architektonisch
geschickt in die Wolke integriert. Sie schwebt ebenfalls von den
Fingeraufl agern an den Aufzügen P5/P6 und P7 bis zu den beiden
Einzelstützen auf der Nordseite. Der zentrale Treppenhausschacht
dient als torsionssteifes Horizontalaufl ager. (Bild 2)
Ein freitragender Trägerrost aus Stahlfachwerkträgern mit säbelförmig
gekrümmten Untergurten bildet die sogenannte Fischbauchebene
E2. Die freigeformte Untersicht ist gleichzeitig der
untere Abschluss der Wolke.
Der Trägerrost hängt sich in die dachhohen Seitenfachwerke. Die
Seitenfachwerke sind durch die Betondeckenscheiben E2, E3 und
E4 (Dachebene) ausgesteift. Das Nordfachwerk ist im Grundriss
gekrümmt und vertikal unterbrochen.
In der Deckenebene E3 verspringt das Fachwerk horizontal um
ca. 3 m und kragt mit der Ebene 4 über die unteren Ebenen aus.
Der so gebildete, auf der Nordseite gekrümmte und abgestufte
„Schuhkarton“ stützt sich auf die beiden schrägen Fingeraufl ager
auf der Südseite und die beiden geneigten Einzelstützen auf der
Nordseite. Der Scheibenanschluss der Stahlbetondecken scheiben
an den zentralen Treppenhauskern gibt die erforderliche horizontale
Aussteifung.
Bild 2: Lounge Tragwerk Modell
Von Dipl.-Ing. Rüdiger Schidzig, SZG-Engineering; Dipl.-Ing. Stefan Wagner (Projektleitung BMW Welt, Maurer Söhne GmbH & Co. KG)
Dipl.-Ing.(FH) Jochen Peters; Dipl.-Ing.(FH) Harald Päßler (Peters Schüßler Sperr Ingenieurbüro für Bauwesen GmbH)
Bild 2a, 2b: Fingerauflager P5/P7
2. Herstellverfahren
Die technische Herausforderung liegt in der Herstellung. Kein
Einzelbauteil ist für sich alleine standsicher. Die geneigten Einzelstützen
und die schrägen seitlichen Fingeraufl ager (Bild 2a,
2b) an den Aufzügen können die Lasten während der Montage
nicht aufnehmen. Durch die Schrägstellung von ca. 30° resultieren
aus den Vertikallasten rund 8 MN horizontale Abtriebskräfte.
Die Wirkungslinie der Abtriebskräfte hat einen Hebelarm zum
aussteifenden Treppenhauskern von 40 m und erzeugt damit
Torsionsmomente von rund 320 MNm. Der Kraftschluss erfolgt
durch die schubsteif ausgebildeten Scheiben der Betondecken.
Auch die umlaufenden vertikalen Fachwerke sind erst mit wirksamer
Scheibensteifi gkeit der Dachdecke (E4) tragfähig. Das
gekrümmte und abgestufte Seitenfachwerk auf der Nordseite
kann seine Tragfähigkeit erst im Verbund mit den Deckenscheiben
entwickeln. Die insgesamt auftretenden Scheibenbeanspruchungen
lassen die Deckenlasten aus Eigengewicht, Ausbau und
Nutzlast in den Hintergrund treten.
Neben lotrechten Verformungen sind Horizontal- und Rotationsbewegungen
in gleicher Größenordnung zu beherrschen.
Das Montagekonzept und die unterschiedlichen Bauzustände
wurden wegen der komplexen Struktur bemessungsrelevant für
die komplette Konstruktion.
Nochmals erschwert wurde die Herstellung durch die baubetriebliche
Vorgabe, in den Untergeschossen ungehindert den Ausbau
beginnen zu wollen. Ein Durchstützen der Lounge bis zur tragfähigen
Herstellung schied dadurch aus.
Dennoch wurde die Montage auf Rüsttürmen vorgesehen. Die
Rüsttürme standen ohne Durchsteifungen auf der Kellerdecke,
Decke über U0, und durften nur so viel Lasten abtragen, wie von
der Kellerdecke aufgenommen werden konnten. (Bild 3)
Bild 3: Rüstturmkonzept – Ablastung auf Decke über U0 ohne Durchsteifung, Rüstturmauslegung
Das Rüstschema hat bis zu seiner endgültig ausgeführten Aufstellung
eine Vielzahl von Varianten durchlaufen. In iterativen
Schritten wurden Rüstturmstellungen so lange verschoben und
die Lastermittlungen jeweils aus dem Tragwerk heraus in enger
Abstimmung mit dem Massivbauplaner abgeglichen, bis die
Deckenbelastungen in einem verträglichen Maß waren.
Auf den Rüsttürmen wurde der Trägerrost der Fischbauchebene
montiert. Die Fischbauchträger durften dabei am Treppenhauskern
nur gelenkig aufgelegt werden um keine Einspannung zu
erzeugen.
Im zweiten Schritt wurden die Seitenfachwerke bis zur Ebene E3
und das Stahlskelett der Verbundträger dieser Decke E3 aufgestellt
und durch Stahlverbände horizontal ausgesteift.
Erst dann durfte die Betondecke auf der Fischbauchebene betoniert
werden. Die Betondecke selber ist als Holoribblechverbunddecke
ausgeführt. Der hohe Bewehrungsgrad dient hauptsächlich
der Scheibenbeanspruchung.
Die Rüsttürme sind durch diese Lasten nahezu ausgelastet.
Um ein Durchstanzen durch die Kellerdecke zu vermeiden, übernimmt
nun die Decke auf der Fischbauchebene bereits die horizontale
Aussteifung und Abtragung der Windlasten.
Hierdurch war es möglich, das Stahlskelett bis einschließlich
Dachdecke zu komplettieren. Die Betondecken E3 und E4 konnten
jedoch in diesem Bauzustand noch nicht komplett hergestellt
werden. Hier wurden nur die Stahlverbundträger und Horizontalverbände
montiert. Das Betongewicht hätte die Durchstanzlast
der Rüsttürme auf der Decke über U0 überschritten.
3. Umlasten I – planmäßiger Systemwechsel (vertikal)
Ein Systemwechsel auf die endgültigen Aufl ager sollte Abhilfe
schaffen. Die endgültigen Aufl ager waren jedoch erst bei vollständig
wirksamem Gesamtsystem tragfähig. Insbesondere die
schrägen Aufl agerfi nger mussten daher unterstützt werden um
nicht abzuknicken. Hier kamen massive Stahlstützen zum Einsatz,
die über ein vorher im Premiereteller einbetoniertes Zugband
zusammen ein stabiles Dreieck bildeten und auf Wandscheiben
in den Untergeschossen abgestützt wurden.
Ebenso wurde die Scheibentragwirkung der Deckenscheiben E3
und E4 durch Stahlverbände ersetzt.
Um die Verformungen aus dem Absenkprozess des halb fertigen
Systems von den Rüsttürmen klein zu halten, wurden die Verbände
in Ebene E4 (Dachebene) planmäßig vorgespannt und an
den Treppenhauskern mit Vorspannung angeschlossen und auch
die Gelenkaufl agerung der Fischbauchträger am Treppenkern in
eine Einspannung überführt.
Nun konnten der Ablastvorgang von den Rüsttürmen und der
erste Systemwechsel beginnen. (Bild 4)
Bild 4: Rüstturmkonzept – Umlasten, schrittweises Entfernen von Rüstturmgruppen
Die Rüsttürme waren bereits mit Pressenstühlen vorgerüstet. Die
Ablastreihenfolge wurde so gewählt, dass keine Lastumlagerungen
auf die verbleibenden Rüsttürme zu Überlastungen führten.
Zuerst wurde daher der über die Aufl ager P5/P6 und Stütze
LoS1 westlich auskragende Teil entlastet. Hierbei waren die Pressen
von drei Rüsttürmen gleichzeitig zu steuern.
Als Zweites wurden die Rüsttürme beidseitig der Achse D-D am
starr unterstützten Fingeraufl ager P7 und der Stütze LoS2 entlastet.
Danach analog der östlich auskragende Teil. Durch die nun
frei auskragenden Ost- und Westfl ügel waren die inneren Rüsttürme
bereits teilentlastet. Es wurden zuerst die Türme auf der
Nordseite spannungsfrei gestellt und zum Schluss die Südseite
freigesetzt.
Bis zu 4 Pressen wurden dabei gleichzeitig und synchron bedient.
Für jede Presse wurden die Kraft- und Wegmessungen mit vorher
berechneten Daten abgeglichen. (Bild 5, 5a)
Nach erfolgreichem Systemwechsel wurden die Rüsttürme ausgebaut
und das Betonieren der Decke E3 vorbereitet. Ordentliches
Heizen, angewärmte Zuschlagsstoffe und die richtige Zementwahl
machten das Betonieren auch bei niedrigen Temperaturen
bis unter minus 10°C möglich. Das Einbringen des Betons wurde
zeitlich genau so eingetaktet, dass der beginnende Hydratationsprozess
genügend Eigenwärme entwickelte um den frischen
Beton auch während der tiefen Nachttemperaturen ausreichend
warm zu halten. Die Betontemperaturen wurden über Messsonden
sowohl an der Ober- wie auch an der Unterseite ständig kontrolliert
und aufgezeichnet. (Bild 6)
Die Decke über E4 (Dachdecke) wurde als unterstützungsfreie
Filigrandecke ausgeführt.
Durch die vielen vorgespanntenVerbandsauskreuzungen
wäre
jede Zwischenunterstützung
sehr aufwändig
geworden.
Bild 6: Winterbau - Maßnahmen zum Betonieren