Megastructure-Membrandach

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Das w eltgrößte M em brandach u ̈berspannt die Eingangsachse der W eltausstellung in Shanghai, kon-

struiert von Knippers Helbig Advanced Engineering , Stuttgart / New

York. M it der Realisierung dieses M em brandachs steht die traditionelle Stuttgarter Ingenieurbaukunst

international an der Spitze einzigartiger technischer Innovationen. Die Kom bination der M em brankon-

struktion von insgesam t 65.000 m 2 Fläche und einer Spannw eite von 100 m m it sechs 45 m hohen

Stahl-Glas-Trichtern aus zw eifach gekru ̈m m tem Freiform stabtragw erk bildet das W ahrzeichen der Expo

Shanghai 2010 und ist gleichzeitig Ergebnis einer erfolgreichen Deutsch-Chi-

nesischen Zusam m enarbeit.

Membrandach Expo 2010 Shanghai von Knippers Helbig Advanced Eng... http://www.studio5555.de/membrandach-expo-2010-shanghai-von-knip...

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Nach der O lym piade in Peking ist die EXPO 2010 in Shanghai das internationale Großereignis in China.

Die Ausrichter erw arten vom Zeitpunkt der Eröffnung im M ai u ̈ber 70 M illionen Besucher. Unter dem

M otto „Better City – Better Life“ soll das Leben in den Städten des 21. Jahrhunderts im M ittelpunkt der

Ausstellung stehen. Neben dem China Pavillon ist der Expo Boulevard das bedeutendste und größte

Bauw erk auf dem Gelände. Er bildet den zentralen Eingang und bietet auf 350.000 m 2 Nutzfläche zahl-

reiche Service Einrichtungen fu ̈r die Ausstellung. Von der knapp 1 km langen und 100 m breiten Achse,

die sich u ̈ber das gesam t Gelände bis zum Huangpu River erstreckt, w erden die Besucher zu den ver-

schiedenen Länder- und Them enpavillons w eiter geleitet. Das Bauw erk ist eines von fu ̈nf Gebäuden, die nach der W eltausstellung erhalten bleiben und langfristig die M itte eines neuen Stadtteils von

Shanghai bilden w erden. Der siegreiche W ettbew erbsentw urf u ̈ber den zentralen Boulevards stam m t

vom Architektur- und Stadtplanungsbu ̈ro SBA, Stuttgart / Shanghai.

Die EXPO Achse w ird m it einem 65.000 m 2 großen M em brandach u ̈berspannt, das bislang größte w elt-w eit. M it einer freien Spannw eite von fast 100 m w erden dabei die Grenzen des technisch M achbaren

ausgelotet. Das Dach w ird von 19 Innen- und 31 Außenm asten sow ie sechs trichterförm igen Stabnetz-

schalen aus Stahl und Glas m it einer Höhe von 45 m und einer freien Auskragung von 80 m gehalten.

Diese sogenannten Sun Valleys lenken das Tageslicht in die Untergeschosse.


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Entw urf und Planung der Konstruktion stam m en von Knippers Helbig Advanced Engineering Stuttgart /

New York. Das Dachtragw erk knu ̈pft in Konstruktion und Form an die w eltw eit beachtete Tradition des

Stuttgarter Leichtbaus an. Es bildet dam it die Fortsetzung einer Reihe herausragender architektoni-

scher Ingenieurbauleistungen w ie beispielsw eise die Zeltdachkonstruktion des Deutschen Pavillons

von Frei O tto auf der W eltausstellung 1967 in M ontreal und auch R. Buckm inster Fullers geodätische

Stabnetz-Kuppel fu ̈r den am erikanischen Pavillon.

Das Expogelände liegt am Huangpu River w estlich des Stadtzentrum s Pudong. Der Eingangsbereich

und der Hauptteil der Expo m it den Them en- und Länderpavillons unter dem M otto „Better City, Better

Life“ liegen auf der Su ̈dseite des Flusses. Im Jahr 2007 erreichte das Architekturbu ̈ro SBA, Stuttgart / Shanghai, m it seinem Konzept einer offenen, in das Gelände eingebetteten Haupterschließungsachse

die Endrunde im Internationalen W ettbew erb zum Eingangsgebäude fu ̈r die Expo 2010 in Shanghai.


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Life“ liegen auf der Sudseite des Flusses. Im Jahr 2007 erreichte das Architekturburo SBA, Stuttgart /

Shanghai, m it seinem Konzept einer offenen, in das Gelände eingebetteten Haupterschließungsachse

die Endrunde im Internationalen W ettbew erb zum Eingangsgebäude fu ̈r die Expo 2010 in Shanghai. Das Konzept sah vor, alle erforderlichen Funktionen, w ie Ticketverkauf, Sicherheitsschleuse, Restau-

rants, Shops und Verteiler kom pakt als 1.000 m lange und 100 m breite Achse zu zw ei dritteln im Bo-

den zu versenken. Licht und Luft gelangen u ̈ber großzu ̈gige seitliche Böschungen in die Ebenen. Dies schafft eine großzu ̈gige Terrasse auf dem Gebäudevolum en, die urspru ̈nglich m it einem w eitgespann-

ten Dach in Form einer verglasten Gitterschale m it Dreiecksm aschen u ̈berspannt w erden sollte. Knip-pers Helbig Advanced Engineering unterstu ̈tzte SBA seit August 2006 m it der Entw icklung der Tragkon-

struktion. Neun M egastu ̈tzen in Form von Glas-Stahlgitternetzen sollten die Hauptlasten aufnehm en,

Reihen schlanker Rohre den Rand unterstu ̈tzen. In einer ersten Entw icklungsphase w urde in Studien das Glasdach-Tragw erk optim iert. Im M ittelpunkt standen die Reduzierung und die Anpassung der M e-

gastu ̈tzen auf m odifizierte Raum konzepte. Veränderte Rahm enbedingungen fu ̈hrten circa drei M onate

nach dem Start der Planungsphase zu dem W unsch des Bauherrn, statt eines Glasdaches ein M em -

brandach planen zu lassen. M an entschied sich fu ̈r eine Lösung, die die konzeptentscheidenden Sun Valleys beibehielt und ein großzu ̈giges, ergänzendes M em brandach vorsieht. Dam it stellt sich die Expo

Achse in die Tradition des w eltw eit anerkannten Stuttgarter Leichtbaus, die ihre Anfänge im Deutschen

Pavillon von Frei O tto auf der Expo 1967 in M ontreal begru ̈ndet.


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In drei w esentlichen Entw icklungsschritten erhielt das M em brandach seine heutige Form : Die Unter-

gliederung in Großdreiecke trägt in ihrem Zuschnitt nicht nur den statischen Erfordernissen Rechnung

sondern es w aren auch zahlreiche Festlegungen zu Straßen, Bru ̈cken, Stegen und Bahnstationen, die in Ihrer Lage bereits fixiert w aren, zu beru ̈cksichtigen. Diese Rahm enplanung w irkte sich auch lim itie-

rend auf die Höhe der Außenstu ̈tzen und die steilen Abspannw inkel aus. Die M ittelm asten m it ihren

Sogsicherungseilen und Hängern m inim ieren die Verform ung der M em brane unter W indlasten und

nehm en einen Großteil der Vertikallasten, auch abhebende Lasten, auf. Des W eiteren dienen die inne-

ren Ringe und M em branaufdopplungen der Lastverteilung und Aussteifung der M em bran an den Last-

konzentrationen in den inneren Tiefpunkten.

Das M em brandach hat eine Fläche von 65.000 m 2, w obei knapp 5.000 m 2 zw eilagig ausgefu ̈hrt sind. Es kam eine PTFE-Glas-M em bran vom stärksten Typ V zum Einsatz, die eine Zugfestigkeit von 8.000 N /

5cm aufw eist, das entspricht 16 t bezogen auf einen 1 m breiten Streifen. Das m inim ale Vorspannni-

veau w urde auf 2,5 kN / m festgelegt. Das statische Konzept ist im W esentlichen durch die Kom binati-


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5cm aufw eist, das entspricht 16 t bezogen auf einen 1 m breiten Streifen. Das m inim ale Vorspannni-

veau w urde auf 2,5 kN / m festgelegt. Das statische Konzept ist im W esentlichen durch die Kom binati-

on der äußeren hohen M asten und der inneren Tiefpunkte geprägt, zw ischen denen sich die M em bran

spannt. Diese w erden ergänzt durch Sogsicherungsseile in der M em branebene zw ischen Hoch- und

Tiefpunkten und daran befestigten Hängern, die ein Durchschlagen der M em bran nach unten aus-

schließen. Die M astköpfe der M ittelm asten sind m it Sicherungseilen m it den Außenm asten gekoppelt.

Die Innenm asten m it einem Durchm esser von 600 m m sam m eln einen Großteil der Vertikallasten. Sie

tragen Stahlringe, an dem die Hauptm em brane ebenso w ie die Sogsicherungsseile angeschlagen sind.

Dieser w ird durch eine äußere Verspannung des M ittelm astes getragen. Am M astkopf treffen sich je-

w eils 3 x 4 Hängerseile und die drei Kopfseile. Die Außenm asten w erden durch je zw ei Ru ̈ckveranke-rungen m it Durchm essern bis zu 160 m m , Abm essungen, w ie sie aus dem Bru ̈ckenbau bekannt sind, nach außen abgespannt und tragen die Hauptlasten aus der M em brane. Schw erkraftfundam ente, auf

Pfählen gegru ̈ndet, m it einer W u ̈rfelkantenlänge von bis zu 8 m liefern die erforderliche M asse fu ̈r die Verankerung der Zugkräfte aus den Abspannseilen von teilw eise w eit u ̈ber 1.000 t. Die ca. 2 m x 2 m

großen Fußplatten der Ru ̈ckverankerungslaschen sind auf Gew indestäbe Durchm esser 80 m m aufge-

zogen und können in den ersten M onaten der Relaxation der M em brane folgend nachgestellt w erden.

Erst unm ittelbar vor der Eröffnung der Expo w ird der Raum unter den Platten m it Beton vergossen.


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Am M astkopf sind bis zu neun Hauptseile angebracht. An jedem Sun Valley ist die M em bran an zw ei

bis drei Punkten angeschlagen, um sie eng um die Trichter herum fu ̈hren zu können. Eine besondere Herausforderung stellte die zuverlässige Übergabe der Auflagerlasten an den Ru ̈ckverankerungen und M astfu ̈ßen dar, da jede Geom etrieveränderung auch eine Veränderung der Kräfteverteilung in der

M em bran im pliziert. Die Tatsache, dass die Planung des M assivbaus und insbesondere der darunter

liegenden Infrastruktur bereits Fakten geschaffen hatte, verm ittelte Streckenw eise den Eindruck des

Bauens im Bestand – bei einem Dach dieser Kom plexität keine leichte Aufgabe.

Die statische Berechnung stellte zw ei Them en in den M ittelpunkt, die Seile und die M em brane. Fu ̈r bei-de Bauteile ist ein Ausfall, d. h. ein Erschlaffen auch unter ungu ̈nstigen W indlasten auszuschließen.

Hierzu m usste die Vorspannung der Seile und M em branen in einem kom plizierten Iterationsprozess

optim iert w erden, bei dem auch w iederholt die Geom etrie der Abspannungen und Lagerpunkte m odi-

fiziert w urde. Ein ganz besonderes Augenm erk galt dem inneren Tiefpunkt. Hier konzentrieren sich die

größten Lasten und Lastspitzen, w as eine zw eilagige Ausfu ̈hrung erforderlich m achte. In Analysen w ur-

den gezielt Überspannungen identifiziert. Die zw eilagige M em bran w urde auf W unsch der Architekten

als Rosette angelegt, die in den m eisten Tiefpunkten u ̈ber acht Blätter verfu ̈gt. Zahlreiche Geom etrie-

optim ierungen stellen sicher, dass Radialkräfte die Grenzw erte nicht u ̈bersteigen und in Ringrichtung stets ein m inim ales Spannungsniveau gew ährleistet ist, um Faltenw urf auszuschließen.


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Die M asten sind kugelgelagert und bestehen am M astfuß und -kopf aus Gussstahl GS20. Die M astköp-

fe sind alle unterschiedlich und w urden intensiv dreidim ensional und im M odell untersucht. Die La-

schen sind zur Verm eidung von Gabelkopfkollision zum Teil bis zu 2 m lang. Um die Fu ̈gung der M as-

ten zu vereinfachen, sind M astkopfschaft und Anschlusslaschen aus einem Guss. Besonderes Augen-

m erk w urde auf die Abbildung der durch die großen Laschenlängen in Kom bination m it W indlasten

auftretenden Exzentrizitäten gelegt. Diese verursachen erhebliche lokale M om ente infolge Seil- und

dam it Achsauslenkung, die fu ̈r jeden M astkopf erm ittelt w urden. Die Detailausbildung der M em bran-

anschlu ̈sse an die Sun Valleys ist geom etrisch kom plex. Doppelgelenkanschlu ̈sse verhindern die Einlei-tung unplanm äßiger M om ente aus Seilw inkelveränderungen unter W indlast.

Grundsätzlich entw ässert die Dachkonstruktion nach innen zu den Innenm asten. In der Detaillierung

w urde hierbeibesondersaufeine m öglichstschlanke und reduzierte Ästhetik W ertgelegt,um einervi-


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Grundsätzlich entw ässert die Dachkonstruktion nach innen zu den Innenm asten. In der Detaillierung

w urde hierbei besonders auf eine m öglichst schlanke und reduzierte Ästhetik W ert gelegt, um einer vi-

suellen Kum ulation von Bauteilen an diesem kom plexesten Detailpunkt entgegenzuw irken. Die Inte-

gration der Entw ässerung in den M ast erw ies sich als Voraussetzung fu ̈r die saubere Ausbildung der unteren Anschläge der M astversteifungsseile. Die Hauptm em brane ist am inneren Ring befestigt. Eine

w eitere M em brane Type II, dam it deutlich w eniger steif, stellt die Verknu ̈pfung zw ischen dem inneren

Ring und dem untersten Entw ässerungspunkt, dem Einlauftrichter, her. Auf diese W eise ist die Haupt-

m em brane m ehr als vier M eter von den Besuchern entfernt und ru ̈ckstauendes W asser oder Schnee-

anhäufungen können keinen Schaden an der Hauptm em brane verursachen. Vom Entw ässerungstrich-

ter m it Notu ̈berlauf fu ̈hren vier Rohre m it einem Durchm esser von 200 m m zum M astfußpunkt, treten

dort heraus und w erden an der Fußplatte vorbei in den M assivbau w eitergefu ̈hrt. Der M astfuß ist ku-

gelgelagert und hat eine Abhebesicherung erhalten.

Die sechs Sun Valleys haben jew eils eine Fläche von ca. 5.000 m 2. Am Fuß w eisen sie einen Durchm es-

ser von ca. 16 m auf, am oberen Rand von 80 m . Die Flächen w urden unter statischen und gestalteri-

schen Gesichtspunkten in zahlreichen Iterationsschritten optim iert. Die Generierung des Dreiecksm a-

schennetzes interpretiert die Prinzipien der dichten Packung und M ultifunktionalität, die Buckm inster

Fuller beim US-Pavillion fu ̈r die Expo 1967 m it der geodätischen Kuppel zur Anw endung brachte. Inso-

fern folgen die Sun Valleys dem gleichen Ansatz natu ̈rlicher Konstruktionen w ie die M em brane – dem

des m inim alisierten M aterialeinsatzes. Das Dreiecksnetz ist das Ergebnis zw eier Hauptu ̈berlegungen: Die Zahl der Dreiecke m uss von unten nach oben aus geom etrischen Gru ̈nden deutlich zunehm en und

die Hauptlinienfu ̈hrung sollte der Hauptkraftrichtung folgen, um ein m öglichst effi zientes Tragw erk zu

erzielen. So sind am Fuß die Linien vertikal ausgerichtet und am oberen Rand ringförm ig. Um dies zu

erreichen sind auf halber Höhe 5er- und 7er- Sonderknoten eingefu ̈gt, die eine Rotation des Netzes um

30 Grad bew irken. Lage und Anzahl sind so gew ählt, dass die M aschengröße m öglichst hom ogen bei

ca. 2.20 m liegt.


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Fu ̈r die Sun Valleys sind neben Eigengew icht, Schnee, W ind und Erdbeben auch Lasten aus der M em -

brane von entscheidender Bedeutung. Die Berechnung der Abhängigkeiten zw ischen der Stahlkon-

struktion der Sun Valleys und der M em brane erfolgte in zw ei Schritten. Zunächst w urde m it Referenz-

lasten die Federsteifigkeit der lokalen Lasteinleitungspunkte an die M em branberechnung u ̈bergeben. Die resultierenden M em branlasten w urden dann in der Berechnung der Sun Valleys abschließend be-

ru ̈cksichtigt. Dabei zeigte sich erw artungsgem äß, dass die Sun Valleys die fast tangential eingeleiteten

Abspannlasten aus der M em brane sehr gut aufnehm en können und sich die recht hohen lokalen Las-

ten aus der M em brane nur in lokalen Biegem om enten und dam it Verform ungen w iderspiegeln. Es w a-

ren daher auch nur lokale Aufw eitungen der Stabw erkskonstruktion erforderlich, fu ̈r die Stäbe im Um -

kreis von ca. 4 Feldern um die Lasteinleitung herum kontinuierlich aufgevoutet w urden. Der Regelquer-

schnitt von 180 x 65 m m w ächst hier lokal auf bis zu 500 x 140 m m an.


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Entsprechend ihrer Belastung w urden die Stäbe in Gruppen sortiert und ihre Q uerschnitte der Belas-

tung angepasst. So w urden ca. 48 Q uerschnitte entw ickelt und optim iert eingesetzt. Es handelt sich um

zusam m engesetzte Profile aus längs geschw eißten Flachstählen. Durch eine Abstufung der Blechstär-

ken w urde eine präzise Anpassung an die Belastungssituation erm öglicht und die Q uerschnittshöhen

konnten gering gehalten w erden. Die O ptim ierung ging dabei Hand in Hand m it der Abstim m ung der

Stabanordnung. Vertikale Hauptlinien am Schaft und ringförm ig liegende Hauptlinien am oberen Rand

bilden exakt die jew eilige Hauptrichtung der zulässigen Norm alkräfte ab. Dadurch w urden in geeigne-

ten Bereichen auch Vollprofile hocheffi zient eingesetzt. Die Festlegung der Verform ungen w urde in Zu-

sam m enarbeit m it chinesischen Experten und Verfassern der chinesischen Norm regelung entw ickelt.

Dabei spielte die Verform ungsbegrenzung fu ̈r Glas eine entscheidende Rolle.

Es erforderte bereits von Beginn an in allen Planungsphasen der Expo Achse eine enge Deutsch-Chine-

sische Kooperation. Der urspru ̈ngliche W ettbew erbsentw urf w urde in m ehreren Stufen w eiterentw i-

ckelt, bis das endgu ̈ltige Konzept gefunden w ar. W ährend dieser Zeit w aren zahlreiche Besprechungen

in Shanghai erforderlich, bei denen nicht nur die Entw icklung des Entw urfes m it dem Bauherren disku-

tiert, sondern auch dessen chinesische Berater von der M achbarkeit der Konstruktion u ̈berzeugt w er-den m ussten. W egen der in Shanghai u ̈blichen som m erlichen Taifune standen stets die Beanspruchun-

gen und Verform ungen unter W ind im M ittelpunkt der Diskussion. Von besonderer Bedeutung w aren

daher die um fangreichen W indkanalversuche zur Erm ittlung der W indlasten und Ström ungsw erte, die

an der Tongji Universität durchgefu ̈hrt w urden. Daru ̈ber hinaus w urde in China ein u ̈ber 20 m langes

d d h g g b , d i f d d g di h


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daher die um fangreichen W indkanalversuche zur Erm ittlung der W indlasten und Ström ungsw erte, die

an der Tongji Universität durchgefu ̈hrt w urden. Daru ̈ber hinaus w urde in China ein u ̈ber 20 m langes

M odell des Dachtragw erkes gebaut, an dem m it Kraftm essdosen und W egm essern die Beanspruchun-

gen und Verform ungen der Dachkonstruktion unter verschiedensten Belastungen untersucht w urden.

Dabei w urde auch das Verhalten des System s bei Ausfall einzelner Abspannseile betrachtet. Auch die

Tragfähigkeit hochbeanspruchter Detailpunkte, w ie Randklem m ungen und M em branverstärkungen

w urde an m ehreren großen Funktionsm odellen gepru ̈ft. Diese begleitenden experim entellen Untersu-

chungen sind fu ̈r europäische Ingenieure, die sich in der Regel w eitgehend auf Com puterberechnun-

gen verlassen, u ̈berraschend und bereichernd.


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Nachdem die Gesam tgeom etrie und die w esentlichen konstruktiven Details des Dachtragw erkes ent-

w ickelt w aren, sow ie seine M achbarkeit durch statische Berechnungen und begleitenden Versuche

nachgew iesen w urden, ging die Planung und Ausfu ̈hrung des Daches in chinesische Hände u ̈ber. Da-bei w urde die Konstruktion w ie von Knippers Helbig entw ickelt um gesetzt. Die Planung und Realisie-

rung des Daches steht beispielhaft fu ̈r eine gelungene Deutsch-Chinesische Kooperation.

Bauherr: Shanghai W orld EXPO Land Holding Co. Ltd., Shanghai

Gesam tkonzeption: SBA Gm bH Shanghai / Stuttgart, Li Hong und Bianca Nitsch

M em brandach und Sun Valleys: Knippers Helbig Advanced Engineering, Stuttgart / New York

Geschäftsfu ̈hrende Gesellschafter: Prof. Dr. Jan Knippers, Dipl.-Ing. Thorsten HelbigM itarbeiter: Florian Scheible, Florian Kam p, Dirk Richter, Rom an Schieber, Johannes Beran

Kooperation: ECADI, Shanghai, China

Energiekonzept: Scholze Consulting, Leinfelden-Echterdingen, Germ any

Bruttogeschossfläche: 280.000 m 2

Fläche M em brandach: 65.000 m 2

Spannw eite: 100 m

Fläche Freiform stabtragw erk: 30.000 m 2

Größe Boulevard: 100 x 1.000 m

Realisierungszeitraum : 2006 – 2010


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