Fertigung Und Montage Des Messeturms in Rostock by Klimke, Stephan, Essrich

8/8/2019 Fertigung Und Montage Des Messeturms in Rostock by Klimke, Stephan, Essrich

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Ernst & Sohn Verlag fr Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin Stahlbau 73 (2004), Heft 2

Dieser Beitrag beschreibt die Realisierung eines Tensegrity-Turms, der

auf einem dreieckigen Grundri aufgebaut und bei dem jedes Segment

um 30 verdreht ist (Twistelement). Die Realisierung erfordert die Ein-

haltung ungewhnlich kleiner Fertigungstoleranzen, insbesondere bei

den Seilen, und ein konsistentes Konzept fr den Toleranzausgleich.

Ein Hauptproblem der Realisierung ist das Vorspannen der Seile, das

durch gleichzeitiges Verschieben der drei Fupunkte jedes Elements

mit Hilfe von 100-t-Pressen gelst wurde. Der Turm wurde aus den Twist-

elementen zunchst in zwei Teilen zusammengebaut und dann das obere

Teil mit einem 170-t-Mobilkran auf das untere Teil gehoben.

The making of a tensegrity tower. This contribution describes the

making of a tensegrity tower, which is based on a triangular pattern that

is rotated by 30 at each segment (twist element). The realization is based

on the highest possible production accuracy, especially for the cables,

and a consistent concept for tolerance compensation. A major subject is

the pre-stressing of the cables that turned out to be possible by mov-

ing the three base points of each segment inwards simultaneously by

means of a horizontal frame with three jacks, each with a capacity of

100 tons. The tower was pre-assembled from the twist elements in

two parts. The upper part was finally lifted on top of the lower part by

means of a 170 t mobile crane.

1 Einleitung

Der Bau seilverspannter Konstruktionen hat mit dem Tense-grity-Prinzip eine modulare Variante erhalten: Elementeaus Druckstben und Seilen werden durch Vorspannungstabil (tensional integrity) und addierbar. Dies weist aufdie gedankliche Herkunft aus dem Prinzip der Raumfach-werke hin, bei denen auch Elemente zu Tragwerken ad-diert (komponiert) werden (Bild 1).

Fr den Messeturm wurde als Element eine Anord-nung von drei Druckstben und neun Seilen gewhlt (s.[1]). Das Problem aller Tensegrity-Strukturen im Hinblickauf die Herstellung sind die groen Formnderungen beimVorspannen der Elemente. Diese mssen bei der Planung

der Fertigung und Montage genau verfolgt werden, um dieDehnungen und Setzungen bei der Auslegung der Bau-teile zu bercksichtigen und das Erreichen der Soll-Formzu ermglichen.

Am Beginn der Ausfhrungs-Planung stand die zen-trale Frage der Vorspannmethode unter Beachtung der Tat-sache, da ein einfaches Addieren vollstndiger Elementedurch die Verwendung nur jeweils eines Horizontalseils anden Koppelstellen nicht mglich war (dazu htten diesedoppelt ausgefhrt werden mssen).

Die Lsung dieser Frage offenbarte eine dem Tense-grity-Prinzip inhrente Bedingung, die schon von den Raum-stabwerken bekannt ist: Hier wie dort ist die hchste Fer-

tigungsgenauigkeit erforderlich, wenn man die angestrebteForm erhalten will, hier allerdings mit dem besonders sen-sitiven Element Seil und der alles entscheidenden Vor-spannung!

2 Werkstattplanung

Grundlage fr die Werkstattplanung war der Entwurf desBros Schlaich, Bergermann und Partner. Fr diesen Ent-wurf gab es eine Berechnung und Bemessung fr den End-zustand. Der Weg zu diesem Endzustand stellte sich als

nichttriviale Problemstellung heraus, in deren Mittelpunktdie Fragen des Vorspannens und der Toleranzkompensationstanden.

Erschwerend kam ein erhebliches Zeitproblem durchdie festgelegte Fertigstellung zur Erffnung der IGA EndeApril 2003 hinzu, so da von der Auftragserteilung EndeDezember 2002 an insgesamt nur genau vier Monate Zeitfr die Klrungen, die Werkstattplanung, Materialbeschaf-fung, Fertigung und Montage blieben.

Besonders kritisch war die Situation bei den dickenSeilen. So muten die erforderlichen Diagonalseile mit

65 mm gegen solche mit 75 mm ausgetauscht wer-den, die einer bereits laufenden Auftragsbestellung ent-nommen werden konnten, was natrlich eine Neuberech-nung des Turms erforderlich machte.

Fertigung und Montage des Messe-turms in Rostock

Herbert KlimkeSren StephanReiner Essrich

Bild 1. Gegenberstellung Raumfachwerk Tensegrity(aus [2])Fig. 1. The modular space frame concept versus the modulartensegrity concept


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H. Klimke/S. Stephan/R. Essrich Fertigung und Montage des Messeturms in Rostock

Stahlbau 73 (2004), Heft 2

2.1 Das Vorspannkonzept

Die erste Einsicht war die wichtigste: da die Twistele-mente des Turms stabil sind und addierbar. Dies ermg-lichte das Vorspannen und die Montage der Einzelele-mente (Bild 2). Bei der Klrung der grundlegenden Zusam-menhnge hat auch Rosemarie Wagner von der FH Mn-chen mitgewirkt.

Die zweite Einsicht betraf die Methode des Vorspan-

nens: Grundstzlich kamen dazu die Diagonal- oder dieHorizontalseile in Frage. Die Lsung dieser Frage wurdedurch die Entscheidung beeinflut, die Elemente erst ander Baustelle zusammenzubauen. Damit schien das Vor-spannen der kurzen Horizontalseile einfacher zu sein alsdas Vorspannen der langen Diagonalseile, zumal zur Sta-bilisierung der einzelnen Twistelemente die horizontalenSeile in einer, sinnvoller Weise der unteren, Ebene durcheinen Rahmen ersetzt werden muten.

Es lag nun nahe, diesen temporren Rahmen als Spann-rahmen fr das Vorspannen auszubilden. Vorab mute je-doch die Gre der Spannwege an den drei Fupunktenermittelt werden. Eine Berechnung ergab, da lediglichca. 6 cm Verschiebung nach auen erforderlich waren,um eine spannungslose Montage der Seile zu ermglichen.Durch drei 100-t-Pressen wurden dann die Spannrahmenzusammengezogen und damit die Seile vorgespannt (Bil-der 3 und 4).

Die Vorspannung in den Diagonalseilen ergibt sich,wie die Druckkraft in den Diagonalstben, aus dem Kno-

tengleichgewicht. Sie betrgt 1200 kN fr die Seile und1500 kN fr die Druckstbe.

Die im Vorspann-Zustand auftretenden Lngennde-rungen der Seile und der Stbe muten zur Erhaltung derSoll-Geometrie kompensiert werden.

2.2 Das ToleranzkonzeptDie grte Herausforderung war die Einhaltung der ge-ringen Toleranzen. Maximal zulssige Lngenfehler von2 mm im Endzustand schienen zunchst unmglich. Bei derSeilherstellung mute man mit Differenzen bis zu 5 mmrechnen und auch beim Stahlbau waren angesichts dervielen Schrgschnitte und des zu erwartenden Schwei-nahtschrumpfs, bei Blechdicken bis 60 mm, hhere Tole-ranzen zu erwarten. Temperaturen whrend der Fertigung,Mefehler, Kriechen der Seile, Seilkopfsetzungen undSchweinahtschrumpf muten zur Sicherung geringerToleranzen bercksichtigt werden.

Seitens des Architekten waren Spannschlsser oder

Gewindehlsen zum Ausgleich der Seillngentoleranz un-erwnscht. Daher gab es eigentlich nur eine Mglichkeitdes Toleranzausgleichs: die Seile unter Bercksichtung allerobigen Einflsse und viel Erfahrung mglichst genau zu

Bild 2. Beschrnkte Auswirkung auf ein Element bei Vorspan-nen eines SeilsFig. 2. Limited influence to one segment by pre-stressing onecable

Bild 3. Spannrahmen mit Montagelehre am BodenFig. 3. Pre-stress frame and erection jig on ground

Bild 4. Montagerahmen beim Einheben eines ElementsFig. 4. Pre-stress frame during lifting of a segment


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fertigen und dann die Ist-Lnge unter Soll-Vorspannungzu messen. Die auf diese Weise ermittelten Abweichungender Seillngen von den Soll-Werten muten dann in denDruckstben auf geeignete Weise ausgeglichen werden.

Das grundstzliche Problem hierbei ist der Umstand,da die Seillngen und die Abstnde zwischen den Bolzen-lchern zweier Druckstbe Montagemae sind, die letz-lich erst in der Endgeometrie eines Twistelements bestimmtsind. Die Messung von Ist-Lngen ist also erst beim Zu-

sammenbau von Seilen und Druckstben mglich.Aufgrund dieses Umstands ergab sich zwangslufig dieNotwendigkeit, die Twistelemente in Soll-Geometrie zu po-sitionieren, um anschlieend Lngenmessungen und denToleranzausgleich durchfhren zu knnen. Die Positionie-rung der Druckstbe wurde mittels einer Fertigungslehrerealisiert (Bild 5). Aufgrund der Dreidimensionalitt der Kon-struktion ergab dies eine 16 m lange und bis zu 6 m hoheRahmenkonstruktion, die mit mm-Genauigkeit gefertigt wer-den mute. In dieser Konstruktion wurde jedes Elementspannungslos positioniert, vermessen und verschweit.

Der Ausgleich der Lngenfehler erfolgte ber massiveExzenterhlsen, die in den Laschen an den Druckstaben-

den im Vormontagezustand verdreht werden konnten. DieExzentrizitt der Hlsen betrug 6 mm, so da insgesamtbis zu 12 mm Lngentoleranz ausgeglichen werden konnte(Bild 6). Nach Einstellung des notwendigen Ist-Werts des76



Lochabstands wurden die Exzenterhlsen geheftet undanschlieend verschweit. Zustzliche Lngentoleranzendurch Schweinahtschrumpfung konnten mit dieser Kon-struktion vermieden werden. Die in beliebiger Exzenter-stellung verursachte Imperfektion der Geometrie war auf-grund ihrer geringen Gre vernachlssigbar.

2.3 Werkstattplne

Alle Bauteile wurden von IF (siehe unten) dreidimensio-nal im CAD-System konstruiert und daraus ein Gesamt-modell des Turms erstellt. Dadurch erreichte man einehchstmgliche Pagenauigkeit und eine fehlerfreie Vor-bereitung fr die Fertigung. Jedes Teil mute mit allen er-forderlichen Schnittkanten und Winkeln einzeln dargestelltwerden.

Trotz der Elementbauweise waren ca. 50 detaillierteWerkstattplne (Format A 1) erforderlich, um alle Bau-teile darzustellen, da die Wanddicken der Rohre und dieSeildurchmesser mit der Turmhhe verringert wurden. Ein-zelne Details der Ausfhrungsplanung muten umgearbei-tet werden. Eine zunchst vorgesehene Baustellenschwei-ung des 300 60 mm starken Zugbands in der unterstenEbene des Turms mute durch eine Bolzenverbindung er-setzt werden, da der Schweinahtschrumpf bei 60 mmdicken Nhten nicht mit Sicherheit im vorgegebenen To-leranzrahmen vorherbestimmt werden konnte.

3 Fertigung

Wie bereits erwhnt, erfolgte die Fertigung der Elementein einer Fertigungslehre. Nahezu 10 t Stahl waren notwen-dig, um die Schwei- und Melehre fr die Module zubauen. Die Lehre diente dazu, die Geometrie eines kom-

pletten Elements millimetergenau sicherzustellen. In die-ser Lehre wurden die Drucksttzen in ihrer dreidimen-sionalen Lage vorgeschweit, zum Ausschweien wiederherausgenommen, um spter fr das Messen der Exzen-tereinstellungen wieder eingebaut zu werden (Bild 7).

Bei der Festlegung der Exzenterpositionen muten fol-gende Einflsse (Toleranzen) bercksichtigt werden: die tatschliche Lnge der Druckstbe nach dem Aus-schweien die gemessene Lnge der gefertigten Seile nach dem Vor-recken.

Bild 5. Entwurf der FertigungslehreFig. 5. Design of the production jig

Bild 6. Einmessen eines Exzenter-AnschlussesFig. 6. Positioning of a excenter connection

Bild 7. Fertigungslehre in der MERO-Werkstatt in BoxbergFig. 7. Production jig in the MERO workshop in Boxberg


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Es war von Anfang an klar, da trotz aller Anstrengungdie geforderten Toleranzen bei der Seilherstellung nicht er-reicht wrden. So konnte es nur darum gehen, die Lngen-fehler zu minimieren. Die bis zu 75 mm dicken, voll ver-schlossenen Seile wurden zunchst 5 mit ca. 40 % ihrerBruchkraft vorgereckt, um die konstruktionsbedingte Ln-gennderung der Seile zu kompensieren. Danach wurdendie Seile unter der Soll-Vorspannung markiert und abge-lngt. Dabei muten spteres Kriechen und zu erwartendeSetzungen des Seilkopf-Vergumaterials mit bercksich-tigt werden.

In einem Dauerstandsversuch mit einem Seil 75 mm[2] wurde nach 100 Stunden eine bleibende Dehnung von

0,1 mm/m gemessen, die auch als Endwert angesehen wer-den kann, da 80 % dieses Werts bereits nach 50 h erreichtwaren. Bei einer Diagonalseil-Lnge von 9,6 m entsprichtdas einer bleibenden (Kriech-)Verlngerung von 1 mm.

Aufgrund der geometrischen Verdrehung der oberenund unteren Anschlulaschen muten die bis zu 280 kgschweren Seilkpfe um ca. 30 verdreht vergossen werden,um bei der Montage das Auftreten von Torsionsmomen-

ten zu vermeiden. Nach erfolgtem Vergu der Enden wur-den alle Seile nochmals in der Reckanlage dreimal mit der1,5fachen Vorspannkraft gezogen, um vor allem die Vergu-Setzung vorwegzunehmen.

Fr die letztlich durchgefhrte Lngenmessung derSeile unter ihrer Soll-Vorspannung wurden zwei Mabn-der geeicht. Jedes Seil wurde dreimal gemessen und entspre-chend protokolliert (Bild 8). Das zweite Maband wurdedann fr die Stahlfertigung verwendet, um auch hier Feh-ler bei der Messung zu minimieren.

4 Montage

Nach negativer Prfung der Transportierbarkeit der voll-stndigen Twistelemente, die eine Vormontage im Werk er-laubt htte, mute man sich fr die Montage auf der Bau-stelle entscheiden.

4.1 Montagekonzept

Die Elementbauweise des Turms fhrte zwangslufig zuder berlegung, die einzelnen Elemente (h = 8,30 m) amBoden vorzumontieren, um sie dann wie Baukltze auf-einander zu setzen. Das war dadurch mglich, weil jedes

Bild 8. Auslegen der SeileFig. 8. Laying out the cables

Bild 9. Montage-AblaufplanFig. 9. Erection-procedure


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Element, bestehend aus den drei schrgen Drucksttzen,den drei Diagonalseilen und den beiden horizontalen Seil-dreiecken, ein stabiles System darstellte.

Der Montageplatz am Aufstellort war eingeschrnkt.In unmittelbarer Nhe fhrte zudem eine Seilbahn vor-bei. Man hat sich deshalb dafr entschieden, die einzelnenElemente neben dem eigentlichen Aufstellort auf einemeigenen Montagerahmen vorzumontieren und dort vor-

zuspannen, um sie dann auf das vorbereitete Fundament,resp. auf die bereits montierten Elemente, zu heben undzu verbinden.

Nach der Errichtung der unteren Turmhlfte wurdeder obere Teil zunchst auf einem Hilfsfundament nebendem Turm montiert, um mit mglichst kleinen Krnen aus-zukommen. Zuletzt wurde dann mittels eines 170-t-Kransdie obere Hlfte auf die untere Hlfte gehoben und mit-einander verschraubt (Bild 9).

4.2 Montageberechnung

Die Elementbauweise erforderte eine genaue Berechnungder Montagezustnde, da jedes vorgespannte Element eineneigenen Spannungszustand aufwies. Fr jedes Element wur-den drei geometrische Zustnde untersucht: Zustand A: fr den spannungslosen Zusammenbau Zustand B: bei 100 % Vorspannung (Bild 10a) Zustand C: bei der die Verbindung mit dem unteren Ele-ment mglich war (Bild 10b).Die Gre der berspannung im Zustand C ergab sich ausdem Dehnungszustand der oberen Horizontalseile, die frdie volle Vorspannung verkrzt gefertigt wurden, aber vorder Kopplung mit dem aufgesetzten Element nur die halbeVorspannung des Endzustands (also nur die halbe Deh-

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nung) erhielten. Die zugehrige Lnge betrug 4326 mm, dieLnge im Endzustand 4332 mm. Es wurde nun eine ber-spannung gewhlt, die den Abstand der Knoten im unte-ren Dreieck auf 4316 mm stellte, so da beim Einbau dieLnge von 4326 mm zur Passung der Bohrungen durch ein-faches Ablassen der Pressen erreicht werden konnte.

Die Ergebnisse im Zustand B wurden spter mit demZustand whrend der Montage verglichen und somit eine

Kontrolle der Vorspannung ermglicht. Im Zustand C ent-standen die hchsten Krfte im Spannrahmen, die fr des-sen Bemessung magebend waren.

Die Montageberechnung diente auch zur Ermittlungder Toleranz-Empfindlichkeit der Konstruktion. Es wurdenLngenfehler in verschiedene Bauteile ,eingebaut und dieAuswirkungen berprft: 1 mm Lngenfehler der Diagonal-seile bedeuten 10 % nderung der fr die Konstruktion solebenswichtigen Vorspannung, wobei Abweichungen nachoben und unten gleichermaen unerwnscht waren.

4.3 Montagedurchfhrung

Die Art der Konstruktion und deren geforderte Przisionwaren fr den, jedenfalls fr ein Bauvorhaben dieser Gre,enormen Aufwand an Herstell- und Montagehilfen ver-antwortlich. Die erforderliche Ankerlehre fr das Setzender 12 Zuganker im Fundament war dabei noch die ein-fachste Aufgabe.

Die Vormontage der Twistelemente bentigte einenMontagerahmen, der es erlaubte, die bis zu 4 t schwerenEinzelteile sicher abzustellen, bis die fr die Standsicher-heit erforderliche Vorspannung aufgebracht werden konnte.Drei 8 m hohe A-Bcke dienten als Auflager fr die schrgim Raum liegenden Drucksttzen (Bild 11).

Bild 10. Normalkraftverlauf eines Elements bei a) 100 % Vorspannung undb) im berspannten MontagezustandFig. 10. Axial forces of one segment for a) 100 % pre-stress and b) in the over-stressedstate of erection

a) b)

Bild 11. Hilfsabsttzung der Druckstbebeim ZusammenbauFig. 11. Temporary support of the com-pression members during pre-assembly


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Eines der fr die Montage wichtigsten Werkzeuge stellteder 3fach bentigte Spannrahmen dar. Drei 100-t-Pressenwaren erforderlich, um die Zugkrfte in die Elemente ein-zuleiten. Dazu mute das Element seine Geometrie ver-

ndern knnen, um die kraftlose Vormontage der Seilezu ermglichen. Drei sternfrmig angeordnete Gewinde-stangen M 56 10.9 wurden zur bertragung der maxima-len Vorspannkrfte bentigt.

Die Montage vollzog sich gem der Montageplanung(Bild 12). Bisher unerwhnt blieb eine 15 m hohe Edel-stahl-Nadel, die in das oberste Seildreieck gestellt wurdeund den Turmabschlu bildet (Bild 13).

Abschlieend wurde der Turm vermessen, um Gerad-heit (Begrenzung der Abweichung auf 1/1000 = 50 mm)und die Geometrie des Turms (Knotenkoordinaten) zu ber-prfen.

5 Schlubetrachtung

Das ausgefhrte Kunst-Tragwerk bot die Mglichkeit, dieUmsetzbarkeit des Tensegrity-Konzepts zu berprfen.Wie schon in [1] ausgefhrt, ist der zu treibende Aufwandso gro, da eine breite Anwendung fr Nutzbauten ausheutiger Sicht fraglich bleibt, auch wenn die Tensegrity-Anhnger dies anders beurteilen werden.

Es erstaunt bei dem erforderlichen und geleisteten Auf-wand nicht, da die Montage reibungslos durchgefhrt

werden und der Turm noch wenige Tage vor Erffnung derIGA an den Bauherrn bergeben werden konnte (Bild 14).

Am Bau Beteiligte:

Bauherr: IGA Rostock GmbHGeneralplanung und Architektur: von Gerkan, Marg

und Partner, HamburgEntwurf und Tragwerksplanung: Schlaich Bergermann

und Partner, StuttgartPrfingenieur: Windels, Timm &

Morgen, HamburgBauausfhrung: MERO GmbH & Co.

KG, WrzburgLiteratur

[1] Schlaich, M.: Der Messeturm in Rostock ein Tensegrity-Rekord. Stahlbau 72 (2003), H. 10, S. 697701.

[2] Abnahmezeugnis 3.1.A fr Spiralseil 75 mm VVS-4, BaremoGmbH, Romanshorn/CH, Juni 2003.

Autoren dieses Beitrages:Dr.-Ing. Herbert Klimke und Dipl.-Ing. Sren Stephan, MERO GmbH &

Co. KG, Max-Mengeringhausen-Strae 5, 97084 Wrzburg; Dipl.-Ing.

Reiner Essrich, IF Ingenieurgemeinschaft Flchentragwerke, Reichenau

Bild 12. Einheben eines vormontierten ElementsFig. 12. Lifting of a pre-assembled segment

Bild 13. Einheben der oberen auf die untere TurmhlfteFig. 13. Lifting the upper part of the tower to the lower part

Bild 14. Endzustand des Turms

Fig. 14. Final state of the tower

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