Christa Brüster
Presse Deutscher Stahlbautag
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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.

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