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ILEK Exkursion Chicago 2016
Hochhäuser werden unweigerlich die Zukunft des innerstädtischen Bauens darstellen. Auf Grund des Anstiegs der Weltbevölkerung und des zunehmenden Wachstums der Millionenstädte wird dichtes Bauen notwendig und immer gefragter. Im Wintersemester 2016/17 werden 10 Studierende der Architektur am Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) der Universität Stuttgart einen Hochhaus Entwurf bearbeiten, um sich dieser Thematik anzunehmen. Da Chicago die Geburtsstätte der Gebäudetypologie Hochhaus darstellt, bietet es sich an, das Planungsgrundstück dort anzusetzen und die Recherchephase mit einer Exkursion zu verbinden. Das besondere dabei wird sein, dass auch Studierende des Bauingenieurwesens dabei sein werden, denn Interdisziplinarität ist besonders bei solch großen Bauprojekten essentiell. Zusammen mit der 17-köpfigen Studierendengruppe werden zwei Mitarbeiter des ILEK eine 9-tägige Exkursion im Oktober 2016 unternehmen. Dabei werden wir uns nicht nur der Geschichte des Hochhausbaus widmen, sondern auch neueste Entwicklungen erfahren, sowie die Beziehung zu der Architekturfakultät der Northwestern University weiter vertiefen. Gemeinsame Vorlesungen, Besprechungen sowie ein zusammen organisiertes Symposium werden dabei eine große Rolle spielen. Des weiteren sind Baustellenbesichtigungen und Besichtigungen einiger Architektur- und Ingenieurbüros geplant, wie z.B. zu Helmut Jahn, SOM oder Gill+Smith. Über den Verlauf der Exkursion werden wir auf diesem Blog live berichten und bedanken uns bereits vorab für die freundliche Unterstützung unserer Sponsoren, allen voran: Bauforumstahl.

Deutscher Stahlbau. Gut beraten.Deutscher Stahlbau. Gut beraten.

Atriumsdach HDI-Hauptverwaltung Hannover

Erläuterungsbericht von Werner Sobek, zur Einreichung beim Ingenieurpreis des Deutschen Stahlbaues 2013:

Aufgabenstellung
Der Neubau der Konzernzentrale der HDI-Gerling Sachversicherungsgruppe in Hannover soll maximalen Nutzerkomfort bei minimalem Energie- und Ressourcenverbrauch bieten.

Der Entwurf des Büros Ingenhoven Architekten schafft in einem 178 x 178 m großen und bis zu sechs Geschosse umfassenden Gebäude eine moderne und kommunikative Arbeitswelt für 1.800 Mitarbeiter. Die Grundrisse sind um ein zentrales 43 × 43 m großes Atrium angeordnet, das somit als Mittelpunkt des Hauses die einzelnen Bürofinger miteinander verbindet. Mit einer Innenhöhe von ca. 26 m kann der Bereich des Atriums auch für größere Veranstaltungen genutzt werden. Ziel ist es, ein offenes und möglichst transparentes und dadurch kommunikatives Zentrum zu schaffen, welches als Bindeglied zwischen den einzelnen Gebäudebereichen die Dynamik innerhalb des Unternehmens befördern soll.

Der obere Abschluss des Atriums soll daher durch eine über den freien Atriumgrundriss hinausreichende Stahlglasdachkonstruktion mit einer Gesamtabmessung von ca. 51 x 51 m gebildet werden. 
Architektonisch gewünscht ist ein horizontal umlaufender möglichst schlanker und ebener Rand des Daches, welcher möglichst frei über der eigentlichen Gebäudestruktur „schweben“ soll. Um dieses Ziel zu erreichen soll eine transparente und entmaterialisierte Atriumfassade im oberen Stockwerk ausgebildet werden.
Um den Gesamteindruck des Daches nicht zu beeinträchtigen soll die Ableitung des Regenwassers ohne sichtbare Regenfallrohre erfolgen. Neben der Entwässerungsthematik muss auch die Entrauchung des Atriums über entsprechende Entrauchungsöffnungen im oberen Bereich des Atriums sichergestellt werden. 

Aufgrund der zentralen Lage innerhalb des großflächigen Baufeldes müssen auch Überlegungen hinsichtlich des Termin- und Bauablaufes im Entwurfsprozess berücksichtigt werden, um eine rechtzeitige Dichtschließung des über alle Geschosse reichenden Atriums zu ermöglichen. Der Einbau eines Raumgerüstes zur Montage des Daches sollte aufgrund der starken Beeinträchtigung der Bauabläufe des Innenausbaus möglichst vermieden werden.

Atriumsdach HDI Hannover
Zeichnungen

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© Werner Sobek


Lösungsweg

Das Tragsystem des Daches ist als zweiachsig abtragender Trägerrost mit einem Rastermaß von 1,58 m ausgebildet. Die Auflagerung der Dachkonstruktion erfolgt auf vier in den Viertelspunkten angeordneten Stahlstützen mit einem Durchmesser von lediglich 610 mm. Das Achsmaß zwischen den Stützen beträgt 25,28 m bei einer allseitigen Auskragung von 12,88 m. Die Höhe der einzelnen Hohlquerschnitte ist affin zur Biegemomentenlinie über den Grundriss gestaffelt und variiert von 190 bis 1260 mm und ermöglicht auf diese Weise eine spannungsgerechte Dimensionierung der Einzelquerschnitte. Die Breite der Hohlquerschnitte ist auf das aus den Verglasungsleisten resultierende Mindestmaß von 70 mm reduziert um eine möglichst große Transparenz zu erreichen. Das Stahlgewicht der Dachkonstruktion beträgt 310 to, hieraus resultiert ein mittleres Flächengewicht von 119 kg/m². 

Die Entwässerung des Daches erfolgt über die tiefer liegenden Einlauftöpfe im Bereich der vier Stützenköpfe. Das in Richtung der Stützen verlaufende Gefälle der Oberseite des Daches beträgt ca. 3%. Aus der Lage der Tiefpunkte resultiert in Verbindung mit dem ebenen Dachrand eine verwundene Oberseite der Dachfläche. Mit der gewählten Formgebung gelingt es, die Verwindung der Dachverglasung unter einem erträglichen Maß von 8 mm je Isolierglaseinheit zu halten. 

Die Entwässerung wird in jedem Stützenstrang über ein redundantes System mit zwei unabhängigen Hochdruckentwässerungssystemen und zwei Notüberläufen im oberen Laubfanggitter sichergestellt. Zur Aufnahme der beiden Einlauftöpfe wurde der Stützenkopf innerhalb der Trägerhöhe nach oben leicht aufgeweitet. Zur Durchleitung der aus dem Biegemoment resultierenden Normalkraft in den Obergurten der angeschlossenen Kastenträger wurde am oberen Ende eine ringförmige Verstärkung angeordnet. 

Durch die an den Momentenverlauf angepassten Trägerquerschnitte konnte eine an den Kragarmenden und im Feldbereich äußerst filigrane Konstruktion ausgebildet werden. Im Bereich der umlaufenden, um zwei Felder vom Dachrand zurückversetzten Atriumsfassade hätte sich bei einem frei auskragenden Dach durch die mit der starken Verjüngung einhergehende geringen Steifigkeit der Dachkonstruktion, Verformungen aus Schnee- und Windlasten von -300mm bis + 200 mm ergeben. Eine Aufnahme dieser Differenzverformungen hätte im oberen Fassadenanschluss nicht in optisch befriedigender Weise gelöst werden können. Zugleich bestand der Anspruch, die Elemente in der Fassade möglichst transparent und schlank auszuführen. Eine Anordnung von Druckpfosten im Fassadenbereich schied daher als alternativer Lösungsansatz zur Verminderung der Dachverformungen aus. Stattdessen wurde eine Lösung entwickelt, bei der die Fassadenpfosten aus Flachstählen ausgeführt werden konnten. Hierfür wurden diese Fassadenschwerter gezielt vorgespannt, um die Verformungen de facto komplett zu verhindern und gleichzeitig Druckbeanspruchungen in diesen Elementen auszuschließen. 

Hierzu wurde das Dach zunächst überhöht hergestellt und anschließend entlang der Fassadenlinie in die endgültige Lage heruntergespannt. Die Zugpfosten erhalten dadurch Vorspannkräfte, so dass auch unter mit Sicherheitsfaktoren beaufschlagten Wind- und Schneelasten keine Druckkräfte auftreten, ein Knickproblem damit a priori ausgeschlossen ist. 

Die Vorspannwege und damit die erforderlichen Überhöhungen sind beträchtlich. Sie betragen an der Fassadenlinie ca. 250 mm bis 550 mm, an der Ecke des Daches beträgt die Verformung beim Vorspannvorgang sogar knapp 900 mm.
Um die für die notwendigen Vorspannkräfte erforderlichen Spannwege möglichst realistisch zu ermitteln wurden die unterschiedlichen Steifigkeiten der darunterliegenden Bauteile bei der Modellierung des Rechenmodells berücksichtigt. Im Regelbereich schließen die Fassadenschwerter an die Stahlbetondecke in zwei Bereichen jedoch auch an weitspannenden, schlanken Stahlbrücken an. Eine Betrachtung konnte daher nur am Gesamtsystem erfolgen. Aus diesen variierenden Randbedingungen ergaben sich unterschiedliche, leicht unsymmetrische Überhöhungsfiguren in den vier Vierteln des Daches. 
Die großen Wege beim Vorspannen haben zugleich große Rotationen im Bereich der Stützenköpfe zur Folge. Entlang der beiden Symmetrieachsen zwischen den Stützen wurde das Dach zudem mit einer sehr geringen Bauhöhe von 200 mm geplant, um den skulpturalen Aspekt der geschwungenen Dachform zu verstärken. Die Steifigkeit der Stützen ist infolge dessen von großer Bedeutung für das Tragverhalten. Die Stützen sind daher biegesteif mit dem Dach verbunden. Diese Verbindung wurde bereits vor dem Vorspannvorgang hergestellt. Beim Vorspannen wurden dadurch Biegemomente in die Stützen eingebracht, welche diese aufgrund ihrer großen Schlankheit deutlich wahrnehmbar krümmen.
Um nach dem Vorspannvorgang die Stützen in ihrer Sollgeometrie zu erhalten, wurden auch die Stützen bei der Fertigung mit einem Stich von bis zu 170 mm vorgekrümmt. 

Montagevorgang

Das Dach wurde vor Ort aus vormontierten, verschweißten Segmenten am Boden zu vier Vierteln zusammengebaut. Diese im Grundriss quadratischen Großsegmente mit ca. 25,5 m Kantenlänge und einem Einzelgewicht von 77,5 to wurden dann mit einem Schwerlastkran auf die bereits erstellten Stützen aufgesetzt, ausgerichtet und mit dem Stützenkopf verschweißt.
Entlang der Symmetrielinien wurden die vier Viertel dann vor Ort ebenfalls von Hubsteigern aus verschweißt. Durch die geringe Bauhöhe in diesem Bereich ergab sich an dieser Stelle der geringste Schweißaufwand vor Ort. Auf eine kosten- und zeitintensive Einrüstung der Atriumfläche konnte auf diese Weise verzichtet werden.


Zusammenfassung
Mit dem Entwurf des Atriumdaches der HDI-Hauptverwaltung Hannover konnte die architektonische Idee eines offenes und möglichst transparenten und dadurch kommunikativen Atriums bestmöglich umgesetzt werden. Die positive Atmosphäre innerhalb des von den Nutzern gut angenommenen Atriums ist nicht zuletzt der Wirkung der dynamisch geschwungenen Dachkonstruktion geschuldet.

Durch die Anordnung der Stützen in den Viertelspunkten der Dachfläche konnte die Spannweite der Dachkonstruktion deutlich reduziert und die Konstruktionshöhe zum Dachrand hin minimiert werden. Die Anpassung der Trägerhöhen an die Momentenverläufe im Trägerrost führte zu einer hinsichtlich der Spannungsausnutzung optimierten, dynamischen Tragstruktur. Die mit der geringeren Steifigkeit einhergehenden vergleichsweise großen Verformungen im Anschlussbereich der Fassade führten zur Idee die entsprechend überhöhte Dachkonstruktion über die Fassadenstiele vorzuspannen und somit die Schnittgrößen und Verformungen aus den veränderlichen Lastfällen vorwegzunehmen. Das Spannungsniveau innerhalb der Konstruktion wurde hierdurch lediglich leicht verschoben, führte jedoch an den maßgebenden Stellen nicht zu höheren Trägerquerschnitten.

Sämtliche bei der Montage planmäßig eingebrachten Vorverformungen konnten im Zuge des Runterspannens der Fassadenschwerter ausgeglichen werden, sodass die planmäßige Dach- und Stützengeometrie erreicht werden konnte. 

Der gezielte Einsatz der Vorspannung über die Fassadenebene ermöglicht neben einer schlanken weit auskragenden Dachkonstruktionen auch eine äußerst schlanke Ausbildung der Fassadenschwerter und einen deutlich vereinfachten Anschluss der Fassade an das Dach. 

Mit großem Engagement aller am Projekt Beteiligten gelang es mit Hilfe eines gezielten Einsatzes des Werkstoff Stahls, moderner Rechen-, Produktions- und Montagemethoden sowie handwerklichem Können das gewünschte Erscheinungsbild perfekt in die Realität umzusetzen.

Aktuelle Projekte | Projektarchiv


Projekttitel

Atriumsdach HDI-Hauptverwaltung Hannover

Fertigstellung

2011

Ort

Hannover

Ingenieur

Prof. Werner Sobek
Werner Sobek Stuttgart
Albstraße 14
70597 Stuttgart
Tel.: 0711-767500
marcel.borrmann@wernersobek.com

Weitere Projektbeteiligte

Werner Sobek Frankfurt, 
Darmstädter Landstrasse 125, 
60598 Frankfurt 
Tel.: 069-4269590; 
Patrick Prasser, patrick.prasser@wernersobek.com
Frank Tarazi
Heidrun Hogger

Architekt

ingenhoven architects
Plange Mühle 1
40221 Düsseldorf
Tel.: 0211 301 01 01

Weitere Fachingenieure

Fassadenplanung:
DS-Plan Ingenieurgesellschaft mbH
Obere Waldplätze 11
70569 Stuttgart
Tel.: 0711 687070-0

Haustechnikplanung:
ZWP Ingenieur-AG
An der Münze 12-18
50668 Köln 
Tel.: 0221 / 973182 - 0

Stahlbaufirma

Max Bögl Bauunternehmung GmbH & Co. KG
Postfach 11 20
92301 Neumarkt
Tel.: 09181 909-0

Bauherr

HDI-Gerling AG 
vertreten durch:
Talanx Immobilien Management GmbH 
Charles-de-Gaulle-Platz 1
50679 Köln 
Tel.: 0221 790 799 - 0

Foto Seitenkopf (Ausschnitt)
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