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

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2 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
4. Umlasten II – planmäßiger Systemwechsel (horizontal) Ein weiterer Systemwechsel stand noch an. Die schrägen Fingerunterstützungen an den Aufzügen P5/P6 und P7, die zum er sten Umlastprozess blockiert wurden, mussten noch frei gesetzt werden. Erst durch diesen Systemwechsel hat die Lounge ihr endgültiges Tragsystem aktiviert und konnte sich über dem Premiere teller auch horizontal frei ausdrehen. Zuerst wurde die Schrägabstützung unter dem Finger P5/P6 entlastet, danach die kritische Abstützung am Finger P7. (Bild 7, 7a) Bild 7: Fingerunterstützungen Bild 7a: Fingerunterstützungen Bild 5: Pressenstühle Umlasten Bild 5a: Dimensionen des Stahlbaues in der Fischbauchebene Auch hier wurden an bereits vorgerüsteten Stellen Hydraulikpressen eingesetzt und die Lastwechsel in vorher berechneten Schritten unter Beobachtung der Verformungs- und Kraftwerte durchgeführt. Nach erfolgreichem Abschluss dieses letzten Systemwechsels war das Loungetragsystem komplett umgelastet und das Regeldach konnte an den Kern der Lounge angeschlossen werden und der Ausbau beginnen. Das Haupttragsystem der BMW Welt war nun komplett. 5. Detailbemessung Für eine planerische Umsetzung der vorausgegangenen Tragwerksberechnungen sind sorgfältige Detailbemessungen erforderlich. Die oft als gering geschätzte Knotenstatik hat bei der Komplexität dieser Knoten durchaus einen beachtlichen Stel- lenwert. Aus der räumlichen Tragwerkstruktur (Bild 8) mussten an derartigen Knoten mehrere Stäbe mit allen Varianten von Schnittgrößen und einer Vielzahl an Lastfällen rechnerisch zusammengeführt werden (Bild 9), um daraus dann eine konstruktive Lösung zu erhalten. (Bild 10) Unter Berücksichtigung von Montage- und Werkstattabläufen sind dabei beachtliche Einbauteile entstanden, die nicht weniger beachtliche Schnittgrößen vom Stahlbau in den Stahlbetonbau umsetzen müssen. Stützenlasten bis 20 MN mit Lastmomenten von ca. 2000 kNm müssen sorgfältig eingeleitet werden. (Bild 11) Ein weiteres, für Gebäude ungewöhnliches, Detail sei noch erwähnt. Für die westseitige Kopplung der Gebäudeteile Dach- Bild 9: räumliche Knotenbemessung Bild 10: konstruktive Lösung mit Rüstkonsolen Bild 11: Einbauteil Megastütze S2, Höhe 12140 mm tragwerk an Lounge ist aus Verformungsgründen ein allseits freies aber zug-druckfestes Gelenk erforderlich. Aus der statischen Anforderung, die Gebäude beweglich zu koppeln, um Verformungsdifferenzen horizontal bis +/– 80 mm und vertikal bis +/– 50 mm aufzunehmen, sind Kardangelenke für eine Bemessungslast bis 800 kN entstanden. (Bild 12, 13) 6. Schlussbemerkung Durch die feinmaschige Koordination in der Planung und der Ausführung zwischen den Tragwerksplanern und dem Prüfi ngenieur war es gelungen, die Lounge durch mehrere Montage- und Bauzustände sicher zu führen und in das Gesamtsystem zu integrieren. Bild 12: Kardangelenk Bild 13: Kardangelenk eingebaut nach Umlastvorgängen An der Stahlbauplanung und Stahlbauausführung Beteiligte: Maurer Söhne GmbH & Co. KG (Stahlbau), Mitarbeiter: Wolfgang Amberg, Thomas Hahn, Klaus Hilpert, Klaus Holler, Thomas Möckl, Uwe Möller, Michael Munschke, Alexander Neumann, Rüdiger Schidzig, Vitus Strähuber, Christoph Wagner, Stefan Wagner, Jochen Wehrle, Peter Wochnik, Rolf Wolter Detail-Tragwerksplanung / Montageplanung Peters Schüßler Sperr Ingenieurbüro für Bauwesen GmbH, Nürnberg, Mitarbeiter: Jochen Peters, Harald Päßler, Norbert Sperr, Manfred Schüßler, Erika Ungar, Dagmar Müller, Frank Pfeiffer, Jürgen Strauß, Dieter Seitz SSF Schmitt Stumpf Frühauf und Partner Ingenieurgesellschaft im Bauwesen mbH, München Prüfi ngenieur Prof. Dr.-Ing. Konrad Zilch, München SZG-Engineering Nürnberg, Projektmanagement Stahlbau 3
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