Marek T.
Möglich-Macher
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ILEK Chicago Exkursion - Tag 9
Der letzte offizielle Tag der Exkursion diente hauptsächlich dazu, die bis dahin noch nicht erkundeten Gebäude zu besichtigen. Da am Nachmittag ein Besuch des Büros von Helmut Jahn auf der Agenda stand, hörten wir vor den jeweiligen Bauten die Referate zu dem James R. Thompson Center, dem Citigroup Center und dem Xerox Center. Das Thomposon Center gilt als eines der umstrittensten Bauten in Chicago's Bevölkerung und hat auch unter den Studierenden gemischte Gefühle hervorgerufen. Die Form und die Farbe sind schon sehr ungewöhnlich auch wenn das enorm großräumige und sehr hohe Atrium einen besonderen Eindruck hinterlässt. Neben diesen Bauten der Postmoderne wurden unter anderem noch das Sullivan Center, die Marina City, das IBM Building und das Carbide and Carbon mit seiner vergoldeten Spitze Zwischenziele unserer morgendlichen Runde. Leider spielte ausgerechnet am letzten Tag das Wetter nicht mehr so gut mit, sodass wir ziemlich durchnässt waren, als wir uns um zum Bürotermin bei Helmut Jahn einfanden. Da die gesamte Exkursion aber von durchwegs gutem Wetter profitieren konnte, ließ sich dieser eine Regentag verkraften. Bei Helmut Jahn erhielten wir einen Überblick über sämtliche Bauten und Bauvorhaben des 50 Mann großen Büros. Die Anzahl der Mitarbeiter erscheint relativ wenig, wenn man bedenkt welche großen Projekte dort realisiert werden. Als besonderen Abschluss führte uns der Jahn-Mitarbeiter auf die ausgebaute Spitze des 35 East Wacker Drive Gebäudes, welche bereits Al Capone als Partyraum diente und uns nun zum Abschluss einer gelungenen Exkursion ein weiteres Mal eine 360° Aussicht auf Chicago bot. Der Rest des Abends klang bei einem gemeinsamen Barbesuch aus und wurde ansonsten noch mit Packen für den Abflug am nächsten Tag verbracht. Wir möchten uns bei allen Unterstützern unserer Exkursion, darunter natürlich auch dem Bauforum Stahl herzlich bedanken, erst durch Ihre finanzielle Hilfe wurde es möglich den Studierenden ein umfassendes und spannendes Programm zu bieten.

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

Hörsaalgebäude der FH Osnabrück

Erläuterungsbericht von Dr. Hans-Jürgen Krause | KEMPEN KRAUSE INGENIEURE GMBH zur Einreichung beim Ingenieurpreis des Deutschen Stahlbaues 2015:

Für die Hochschule Osnabrück wurde der Neubau eines Hörsaalgebäudes realisiert. Das Herzstück dieses Bauwerks ist die großzügige, über mehrere Ebenen verlaufende Studierendenlandschaft mit der neue Wege im Bereich der Lehre und des Lernens beschritten und konsequent baulich umgesetzt werden. Die weit auskragende Lernlandschaft wirkt freundlich, leicht und einladend. Sie bietet gleichzeitig Raum für konzentriertes Lernen, engagierte Gruppenarbeit und vernetzte Kommunikation, ebenso wie für den informellen Austausch der Studenten, Installationen, Präsentationen und Veranstaltungen aller Art. Vom ersten Tag an wurde sie sehr rege und vielfältig genutzt. 
Die äußere Geometrie des Bauwerks entspricht einem Quader, aus dem unterseitig ein schräger Keil herausgetrennt wurde. Obwohl formal einfach, verleiht diese Geometrie dem Bauwerk eine besondere Spannung.

© Jens Kirchner


Aus dieser Geometrie und den Anforderungen der besonderen Nutzung der Studierendenlandschaft ergaben sich konstruktiv folgende Anforderungen: 
• Abfangung der Auskragung von rund 25 bis 42m Länge
• Schlanke Decken bei Spannweiten zwischen 9,00 und 15,00m 
• Eine wirtschaftliche und schnelle Bauweise, bei einem insgesamt engen Kostenrahmen
• Eine einfache Montage
Der relativ enge Kostenrahmen sah zwingend vor, die rückwärtig gelegenen Bereiche mit Seminarräumen und Hörsälen klar zu gliedern und als konventionellen Massivbau unter Verwendung von Stahlbeton- und Spannbetonfertigteilen auszuführen. 
Für die Auskragung wurden diverse Varianten und Bauweisen untersucht. Massive Konstruktionen sowohl in Ortbeton, wie auch als Fertigteil wurden ebenso geprüft, wie Stahl- und Stahlverbundkonstruktionen. Letztere hatten große Vorteile hinsichtlich der Montage, sowie der deutlich geringeren Massen. Da die geforderte Schlankheit der Decken, bei gleichzeitig einfacher Montage nur mit vorgespannten Massivdecken erreichbar war, wurden die Gurte des auskragenden Haupttragwerks als Verbundträger konzipiert.

Lösungsweg
Für die Auskragung wurden verschiedene Varianten und Bauweisen untersucht. Um die Vorgaben zu erreichen wurden die Gurte des auskragenden Haupttragwerks als Verbundträger konzipiert.

Die Tragwirkung lässt sich vereinfacht wie folgt beschreiben:
Die Stahlkonstruktion wirkt als Kragträger. Die Zugkräfte des Fachwerkgurtes werden über die Dachdecke in die massiven aussteifenden Bauteile eingeleitet. Da die Decken sehr schlank ausgeführt werden müssen, kam eine in Gebäudequerrichtung vorgespannte TT-Platte mit Ortbetonergänzung zum Einsatz. Diese bot deutliche Vorteile hinsichtlich Gewicht, Deckenschlankheit und schneller Montage. Die Berücksichtigung des unterschiedlichen Verformungsverhaltens in Quer- und Längsrichtung stellte dagegen in der Planung eine Herausforderung dar. Die in der Decke zu verankernden horizontalen Kräfte betragen in der Summe rund 23 MN. Da der Spiegel der TT-Platten aus Gewichtsgründen sehr dünn sein muss, werden die konzentriert auftretenden Horizontallasten aus dem Fachwerkobergurt durch bereichsweise ergänzte Balken oberhalb der Dachdecke aufgenommen und in die massiven aussteifenden Wände zurückgehangen. Im Sinne einer robusten Konstruktion mit klarem Lastabtrag wurde hier ein schlaff, aber hoch bewehrter Stahlbetonbalken gewählt, da eine zusätzliche Vorspannung in Gebäudelängsrichtung zu weiteren Bauzuständen und erheblichen Zwangsschnittgrößen geführt hätte. 
Da die großzügig ausgelegte Studierendenlandschaft auf der weiter unterschnittenen Fassadenseite über 42,00m auskragt, wäre das auskragende Fachwerk in der Fassadeneben alleine zu weich. Senkrecht zur Fachwerkebene wurde deshalb in Querrichtung des Bauwerks eine Hochhängung des Fachwerks über ein von der Decke 1.OG bis über die Dachdecke verlaufende Einzelspannglied M140, S690, realisiert. 
Dadurch erhöhen sich die Lasten auf den beiden eingerückten Stützen der inneren Fachwerkträger auf 15,9, bzw. 18,4 MN. 
Die Gründung der Stützen wird mit Magerbeton bis auf den in geringer Tiefe anstehenden unverwitterten Fels geführt.
Die Ausführung der Decken als vorgespannte Bauteile bedingt auch die Berücksichtigung der Kriechverformung der Decke. Um Auswirkungen auf das Haupttragwerk, wie etwa kriechbedingte Zwängungen auf die Druckglieder der Hochhängung zu vermeiden, mussten die Decken im Bereich der Auskragung horizontal verschieblich auf der Stahlkonstruktion aufgelagert werden.
Eine besondere Herausforderung lag in der korrekten Modellierung der Struktur mit ihrem ausgeprägt anisotropem und in Querrichtung nichtlinearem Verhalten. Die einachsige Vorspannung der TT-Platten in Verbindung mit den stetigen Querschnittssprüngen in Plattenquerrichtung erforderten eine sorgfältige Bewertung der Konstruktion mit Ober- und Untergrenzen der angesetzten Steifigkeiten.

Hörsaalgebäude der FH Osnabrück

Pläne und Baustellenbilder

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© KEMPEN KRAUSE INGENIEURE GMBH


Für die Berechnung der Verformungen wurde, ebenso wie für den Nachweis der Tragfähigkeit, ein anisotrop modelliertes Schalenelement für die Decke verwendet. Die Steifigkeit der Decke in Querrichtung wird durch die Querschnittssprünge der TT-Decke ebenso beeinflusst, wie durch die Fugen zwischen den Fertigteilen. Beide wurden als Sollrissfuge mit kontrollierter Rissbreite betrachtet. Eine Vorspannung in der Dachdecke in Längsrichtung wurde angedacht, aber wieder verworfen. Die Decken sind mit einer Stärke des Deckenspiegels von nur 14 cm sehr schlank. Um die Steifigkeit der Betonbauteile korrekt zu erfassen, wurde die Steifigkeit unter Berücksichtigung des tension stiffening angepasst und iterativ auf die gerissenen Deckenbereiche angewendet. 
Die gute Übereinstimmung zwischen Modell und tatsächlichem Tragverhalten wurde beim Vorspannen, bzw. Absenken des Kragarms bestätigt. Die berechneten Verformungen der Kragarmspitze stellten sich mit geringen Abweichung von 6 -12 mm ein. 
Des Weiteren verlangte die korrekte Modellierung des Verbundtragverhaltens der Konstruktion ungewöhnliche Lösungen. Da die Einleitung der Lasten an den Knotenpunkten des Fachwerkes sprungweise erfolgt, die Einleitung aus dem Stahlbau in die Platte dagegen kontinuierlich, wurde die Wirkung der Kopfbolzendübel durch eine idealelastische-idealplastische Feder gem. DIN18800-5 idealisiert. 
Der Kraftfluss zwischen Stahlfachwerk und Beton ließ sich so plausibel und gut nachvollziehbar abbilden. 
Ebenso wenig zu vernachlässigen war die Berücksichtigung der Bauzustände. 
Der Stahlbau wurde parallel zum Massivbau und auf Montagestützen errichtet. Nach Fertigstellung der Decken und der Anbindung an den dahinter liegenden massiven Bauwerksteil wurden die Montagestützen über hydraulische Hubzylinder schrittweise kontrolliert abgesenkt und zugleich die Vorspannung der Hochhängung in Gebäudequerrichtung aufgebracht. Das statische System der Haupttragelemente änderte sich damit während der Montage. Die eingeprägten Schnittgrößen und Verformungen mussten für den Endzustand berücksichtigt werden. 
Die Umlagerung der Kräfte aus den Montagestützen auf die Fachwerkkonstruktion, bzw. die aussteifenden Decken und Wände erfolgte planmäßig und ohne unvorhergesehene Rissbildung. 
Die kontrollierte Aufbringung der Vorspannung wurde protokolliert, die Kraft in den Zuggliedern wurde durch eine parallele Frequenzmessung und über Dehnmessstreifen überwacht.



Zusammenfassung
Besonderheiten: Bauwerksgeometrie entspricht einem Quader mit einem unterseitig herausgetrennten schrägen Keil, dadurch Auskragungen von 25 m - 42 m Länge und schlanke Decken mit Spannweiten bis zu 15 m

Vorgaben: wirtschaftliche, schnelle Bauweise bei insgesamt engem Kostenrahmen, möglichst einfache Montage
Realisierung: Haupttragwerk des auskragenden Gebäudeteils aus Stahlverbundfachwerkträgern, wobei die Zugkräfte des Fachwerkgurtes über die Dachdecke in die massiven aussteifenden Bauteile eingeleitet werden. Zusätzlich senkrecht zur Fachwerkebene in Querrichtung des Bauwerks Aussteifung durch eine Hochhängung des Fachwerks über ein von der Decke 1.OG bis über die Dachdecke verlaufendes Einzelspannglied. Realisierung des Stahlbaus auf Montagestützen parallel zum Massivbau. Nach Fertigstellung der Decken und der Anbindung an den dahinter liegenden massiven Bauwerksteil Ablassung der Montagestützen abgelassen und Aufbringung der Vorspannung in Querrichtung des Systems.
Planungszeit: Beratung des Architekten zum Wettbewerb ab September 2010
Planungsbeginn: ab Januar 2011 (Beauftragung)
Bauzeit: April 2012 bis August 2012 (Rohbau)
Eröffnung: Juli 2014
Eingesetzter Stahl: 270 to S355

Die Geometrie des Hörsaalgebäudes ist durch die nicht orthogonal angeordnete Schräge kompliziert zu erfassen. Die Bearbeitung erforderte eine konsequente räumliche Bearbeitung in Statik und Konstruktion von Beginn an. Die für ein Bauwerk dieser Größe außergewöhnlich großen Kräfte, die sowohl horizontal, als auch vertikal durch die Bauteile aufgenommen werden müssen stehen dabei in deutlichem Kontrast zu den sehr schlanken Decken, sowie dem insgesamt engen Kosten- und Terminrahmen. Konstruktiv ließ sich dies durch eine gelungene Kombination aus Stahlbetonfertigteilen im massiven hinteren Gebäudeteil und einer Stahl-Stahlverbundlösung im auskragenden vorderen Bereich lösen.

Das Hörsaalgebäude faszinierte Planer und Bauherr von Beginn an. Durch die starke wechselseitige Beziehung zwischen Tragwerk und Baukörper entwickelte sich eine intensive und fruchtbare Zusammenarbeit insbesondere zwischen Architektur und Tragwerksplanung. Auf dieser Grundlage entstand mit dem Hörsaalgebäude ein außergewöhnliches Gebäude, das den Beweis antritt, dass ambitionierte Bauten und das oft begrenzte Budget öffentlicher Auftraggeber nicht zwangsläufig einen Widerspruch darstellen.

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Fertigstellung
2014

Ingenieure
Dr. Hans-Jürgen Krause
KEMPEN KRAUSE INGENIEURE GMBH
Ritterstraße 20
52072 Aachen

Tel.: 0241 / 88990544
E-Mail: winfried.linssen@kempenkrause.de

Architekten
Benthem Crouwel / Aachen