1 Coberta Understanding Steel Design GER.

8 V O R W O R T

K A P I T E L 1

12 T R A N S F O R M A T I O N E N I M S T A H L B A U

14 D I E E N T W I C K L U N G S L O G I K V O N S T A H L U N D M O D E R N E R A R C H I T E K T U R

14 ZUGBEANSPRUCHUNG

15 INDUSTRIALISIERUNG

UND MASSENFERTIGUNG

15 NORMALER BAUSTAHL ODER FREILIE-

GENDE STAHLKONSTRUKTION

15 V O M V E R F A H R E N Z U R T E C H N O L O G I E

K A P I T E L 2

18 D A S M A T E R I A L S TA H L

20 K O N S T R U K T I V E E I G E N S C H A F T E N

21 W A R M G E W A L Z T E S T A H L P R O F I L E

22 S T A H L H O H L P R O F I L E

24 E I N S P A R P O T E N Z I A L E B E I P L A N U N G U N D A U S -S C H R E I B U N G V O N S T A H L

25 E N T W U R F S - U N D M O D E L L I E R U N G S S O F T W A R E

K A P I T E L 3

26 V E R B I N D U N G E N V O N S T A H L B A U T E I L E N U N D V E R F A H R E N D E S S T A H L S K E L E T T B A U S

28 D A S P R I N Z I P D E S S K E L E T T B A U S

28 G R U N D L A G E N D E R V E R -B I N D U N G V O N B A U T E I L E N

31 R A H M E N V E R B I N D U N G E N

31 TRÄGER-BALKEN-VERBINDUNGEN

32 BALKEN- ODER TRÄGER-STÜTZEN-

VERBINDUNGEN

33 STÜTZENVERBINDUNGEN

34 STECKBOLZENVERBINDUNGEN

35 D E C K E N S Y S T E M E

37 A U S G E S T E I F T E S Y S T E M E

38 F A C H W E R K T R Ä G E R S Y S T E M E

38 EBENE FACHWERKTRÄGER

39 RAUMFACHWERKTRÄGER

K A P I T E L 4

42 F E R T I G U N G , M O N T A G E U N D I H R E B E D E U T U N G F Ü R D E N E N T W U R F

44 V O M E N T W U R F Z U D E N V O R G E F E R T I G T E N B A U T E I L E N

45 P R O Z E S S P R O F I L : E R W E I T E R U N G D E S R O Y A L O N T A R I O M U S E U M ( R O M )

46 PHYSISCHE UND DIGITALE MODELLE

49 PROPORTIONEN

49 TRANSPORT UND BAUSTELLENABLÄUFE

51 ENDMONTAGE DER STAHLBAUTEILE

52 AUSWIRKUNGEN VON WITTERUNG UND

KLIMA AUF DIE MONTAGE

53 SCHAFFUNG DAUERHAFTER STABILITÄT

54 KOORDINATION MIT ANDEREN GEWERKEN

55 P R O Z E S S P R O F I L : L E S L I E D A N F A C U L T Y O F P H A R M A C Y

56 VORFERTIGUNG IN DER WERKSTATT

57 MONTAGE DER PODS

58 MONTAGE EINES TRÄGERS

58 MONTAGE DER STÜTZEN

59 ANHEBEN DES 50-t-TRÄGERS

60 ANHEBEN DER PODS

K A P I T E L 5

62 F R E I L I E G E N D E K O N S T R U K T I O N E N : G E S C H I C H T E U N D E N T W I C K L U N G

64 D I E E N T W I C K L U N G V O N S T A H L H O H L P R O F I L E N

64 D I E W E I T E R E N T W I C K -L U N G V O N B A U S T A H L F Ü R F R E I L I E G E N D E K O N S T R U K -T I O N E N D U R C H D I E H I G H -T E C H - B E W E G U N G

65 T Y P O L O G I E D E R F R Ü H E N H I G H - T E C H - A R C H I T E K T U R

66 TYP „ERWEITERTER GRUNDRISS“

70 TYP „RASTER / FELD”

74 TYP „MAST MIT ABSPANNUNG”

78 V O N H I G H - T E C H Z U B A U -S T A H L F Ü R F R E I L I E G E N D E K O N S T R U K T I O N E N

79 B A U P H Y S I K A L I S C H E P R O B L E M E

I N H A L T

K A P I T E L 6

80 F R E I L I E G E N D E K O N S T R U K T I O N E N : E N T W U R F U N D D E T A I L P L A N U N G

82 N O R M A L E R B A U S T A H L U N D B A U S T A H L F Ü R F R E I L I E -G E N D E K O N S T R U K T I O N E N

83 W A S W I R D U N T E R B A U S T A H L F Ü R F R E I L I E G E N D E K O N -S T R U K T I O N E N V E R S T A N D E N ?

83 H A U P T F A K T O R E N F Ü R D I E G E S T A L T U N G

85 K L A S S E N V O N B A U S T A H L F Ü R F R E I L I E G E N D E K O N S T R U K T I O N E N

85 KLASSE AESS 1 – GRUNDELEMENTE

86 KLASSE AESS 2 – SCHAUELEMENTE

88 KLASSE AESS 3 – SCHAUELEMENTE

89 KLASSE AESS 4 – EXPONIERTE ELEMENTE

91 SONDERBAUTEILE

92 EDELSTAHL FÜR KONSTRUKTIVE

ANWENDUNGEN

92 MISCHBAUWEISEN

93 A N F O R D E R U N G E N A N D I E A U S B I L D U N G V O N A N S C H L Ü S S E N

93 VERBINDUNGSMUSTER

94 ZUSCHNITT DES STAHLS

95 W A H L D E S V E R B I N D U N G S T Y P S

95 SCHRAUBVERBINDUNGEN

96 SCHWEISSVERBINDUNGEN

97 GUSSVERBINDUNGEN

98 W A H L D E R B A U T E I L T Y P E N

98 HOHLPROFILE

99 STANDARD-BAUPROFILE

99 B E S T P R A C T I C E B E I M B A U V O N F R E I L I E G E N D E N S T A H L K O N S T R U K T I O N E N

99 SORGFÄLTIGER UMGANG MIT

BAUTEILEN

99 TRANSPORT

100 FESTLEGUNG VON HEBESEQUENZEN

100 BESCHRÄNKUNGEN AUF DER BAUSTELLE

101 MONTAGE

K A P I T E L 7

102 B E S C H I C H T U N G , O B E R F L Ä C H E N -B E H A N D L U N G U N D B R A N D S C H U T Z

104 K O R R O S I O N S S C H U T Z

105 B R A N D S C H U T Z

105 V O R B E R E I T U N G D E S S T A H L S F Ü R D I E B E S C H I C H T U N G

106 W A H L D E S B E S C H I C H T U N G S - U N D A N S T R I C H S Y S T E M S

106 GRUNDIERUNGEN

106 A N S T R I C H S Y S T E M E F Ü R F R E I L I E G E N D E S T A H L -K O N S T R U K T I O N E N

107 DEFIZITE VON FARBANSTRICHEN

107 AUFBRINGEN VON ANSTRICHEN: IN DER

WERKSTATT ODER AUF DER BAUSTELLE?

108 K O R R O S I O N S S C H U T Z -S Y S T E M E

108 VERZINKUNG

109 METALLBESCHICHTUNG

110 WETTERFESTER STAHL

111 EDELSTAHL

112 B R A N D S C H U T Z S Y S T E M E

112 BRANDBEKÄMPFUNGSANLAGEN

113 BRANDSCHUTZ-SPRITZPUTZE

113 BETON

113 DÄMMSCHICHTBILDENDE ANSTRICHE

K A P I T E L 8

116 G E B O G E N E S T A H L B A U T E I L E

118 H E R S T E L L U N G G E B O G E N E R V E R L Ä U F E

118 B E S C H R Ä N K U N G E N F Ü R D I E F E R T I G U N G G E B O G E N E R S T A H L B A U T E I L E

119 D E R B I E G E V O R G A N G

120 A N W E N D U N G E N F Ü R G E B O -G E N E S T A H L B A U T E I L E

122 F A C E T T I E R U N G A L S A L T E R -N A T I V E Z U M B I E G E N

123 H E R S T E L L U N G V O N K R Ü M -M U N G E N A U S S T A H L B L E C H E N

K A P I T E L 9

124 K O M P L E X E S T A H L -K O N S T R U K T I O N E N : D I A G O N A L E F A C H W E R K G I T T E R ( D I A G R I D S )

126 H O C H H Ä U S E R

127 GEBÄUDE MIT DIAGONAL

AUSGESTEIFTER RÖHRE

128 FACHWERKBAND-SYSTEM

129 GEBÄUDE MIT TRAGWERKEN

AUS RÖHRENBÜNDELN

129 VERBUNDBAUWEISE

130 WINDLASTPRÜFUNGEN

131 D I A G O N A L E F A C H W E R K -G I T T E R ( D I A G R I D S )

131 VORTEILE DES DIAGONALGITTERS GE-

GENÜBER DEM BIEGESTEIFEN RAHMEN

132 HOCHHÄUSER MIT DIAGONALGITTERN

136 P R O Z E S S P R O F I L : B O W E N C A N A T O W E R

139 GEKRÜMMTE DIAGONALGITTERKONSTRUK-

TIONEN FÜR NIEDRIGE UND MITTELHOHE

GEBÄUDE

140 DIAGONALGITTERKONSTRUKTIONEN FÜR

KRISTALLINE BAUFORMEN

141 HYBRIDE BAUFORMEN

K A P I T E L 1 0

144 G U S S T E I L E

146 G E S C H I C H T E U N D G E G E N W A R T

147 G R U N D T Y P E N V O N G U S S V E R B I N D E R N

148 Z U G B E A N S P R U C H T E V E R B I N D U N G S E L E M E N T E

150 B A S I S V E R B I N D U N G E N

151 V E R Z W E I G T E V E R B I N D U N G E N

153 P R O Z E S S P R O F I L : S C I E N C E B U I L D I N G D E R U N I V E R S I T Y O F G U E L P H

K A P I T E L 1 1

158 Z U G B E A N S P R U C H T E K O N S T R U K T I O N E N U N D R A U M F A C H -W E R K E

160 Z U G B E A N S P R U C H T E K O N -S T R U K T I O N E N

161 ZUGVERBINDER

161 KREUZVERSTREBUNGEN

164 DIFFERENZIERUNG DER EINWIRKENDEN

LASTEN IN FACHWERKEN

167 EINFACHE VORDACHKONSTRUKTIONEN

168 KONSTRUKTIONEN MIT

SEILVERSPANNUNGEN

170 TENSEGRITY-KONSTRUKTIONEN

172 R A U M F A C H W E R K E

173 NICHTEBENE RAUMFACHWERKE

176 UNREGELMÄSSIGE MODULE

K A P I T E L 1 2

178 S T A H L - U N D G L A S K O N S T R U K - T I O N E N

180 F R Ü H E B A U T E N A U S S T A H L U N D G L A S

181 T E C H N I S C H E A S P E K T E D E R K O M B I N A T I O N V O N S T A H L U N D G L A S

183 U N T E R K O N S T R U K T I O N E N F Ü R V E R G L A S U N G E N

184 W A H L D E S G E E I G N E T E N S Y S T E M S

186 E I N F A C H E T R A G S Y S T E M E F Ü R V O R H A N G F A S S A D E N

186 E I N F A C H E T R A G S Y S T E M E M I T W I N D V E R B Ä N D E N

187 S E I L V E R S P A N N T E G E B Ä U D E -H Ü L L E N M I T T R A G E N D E R V O L L V E R G L A S U N G

188 SEILNETZFASSADEN

189 PUNKTHALTERUNGEN AUS EDELSTAHL

190 SEILBINDERKONSTRUKTIONEN

192 KOMPLEXE SEILKONSTRUKTIONEN

195 ZU ÖFFNENDE STAHL- UND

GLASKONSTRUKTIONEN

196 G E B O G E N E F O R M E N

197 G I T T E R S C H A L E N B A U W E I S E

K A P I T E L 1 3

202 K O M P L E X E R A H M E N -K O N S T R U K T I O N E N : S T A H L U N D H O L Z

204 E I G E N S C H A F T E N

205 D E T A I L P L A N U N G

206 F E R T I G U N G U N D M O N T A G E

206 O B E R F L Ä C H E N B E H A N D L U N G

207 V E R D E C K T E S T A H L B A U T E I L E

208 P R O Z E S S P R O F I L : E R W E I T E -R U N G S B A U D E R A R T G A L L E R Y O F O N T A R I O ( A G O )

212 P R O Z E S S P R O F I L : E I S S C H N E L L L A U F H A L L E R I C H M O N D

K A P I T E L 14

216 S T A H L U N D N A C H H A L T I G K E I T

218 S T A H L A L S N A C H H A L T I G E R B A U S T O F F

219 D A S Z E R T I F I Z I E R U N G S S Y S -T E M L E A D E R S H I P I N E N E R G Y A N D E N V I R O N M E N T A L D E -S I G N ( L E E D T M )

220 R E C Y C L I N G U N D W I E D E R V E R W E N D U N G

220 RECYCLINGANTEIL

220 WIEDERVERWENDUNG VON BAUTEILEN

221 ANGEPASSTE NACHNUTZUNG

223 N A C H H A L T I G K E I T F R E I L I E G E N D E R S T A H L -K O N S T R U K T I O N E N

223 E M I S S I O N S A R M E E N T W U R F S S T R A T E G I E N

225 REDUZIERUNG DES MATERIALEINSATZES

225 REDUZIERUNG VON ANSTRICHEN

UND BESCHICHTUNGEN

225 REDUZIERUNG VON ARBEITSKOSTEN

226 REDUZIERUNG DES

TRANSPORTAUFWANDES

227 DAUERHAFTIGKEIT

K A P I T E L 1 5

228 S T A H L I N T E M P O R Ä R E N A U S S T E L L U N G S -B A U T E N

A N H A N G

236 LITERATURHINWEISE

237 ABBILDUNGSNACHWEIS

238 REGISTER TECHNISCHER BEGRIFFE

240 REGISTER DER BAUAUFGABEN

241 BAUTENREGISTER

242 REGISTER DER ARCHITEKTEN UND

STAHLBAUFIRMEN

243 ORTSREGISTER

244 ÜBER DIE AUTORIN UND DEN

TECHNISCHEN ILLUSTRATOR

245 SPONSOREN

–

8

V o r w o r t

Der Hochbau wird zu einem immer komplexeren Fachgebiet und Arbeitsfeld. Architekten und Ingenieure

können beim Entwurf der Tragkonstruktion von Gebäuden aus zahlreichen Baustoffen und Bausystemen

wählen. Die Grundidee dieses Buches beruht auf der festen Überzeugung von den Vorzügen, die im

Verständnis des inhärenten Zusammenhangs zwischen den Materialeigenschaften und dem architekto-

nischen Entwurf liegen. Qualitativ hochwertige Entwürfe orientieren sich am Potenzial der verwendeten

Baustoffe und machen es sich als Grundlage der Planung zu eigen. Dabei muss die Auswahl des Materials

für die Haupttragkonstruktion am Beginn der Konzeptplanung stehen, die in den Entwurf zu überführen

und mit Hilfe der einzelnen Entwurfsziele weiter auszuarbeiten ist.

Obwohl Stahl aufgrund seiner Eigenschaften ein hochtechnisches Material ist – von der Planung bis zur

Ausführung –, bieten seine Merkmale ein enormes Potenzial für eine dynamische Architektur. Die Ver-

fasserin dieses Buches hält es für wichtiger, dass Architekten ein gutes Verständnis der Art und Ausfüh-

rung von Stahlkonstruktionen entwickeln, als dass sie Berechnungen durchführen. Gewinn verspricht

hierbei die vertiefte Betrachtung von realisierten Beispielen. Darüber hinaus müssen sich Architekten

der wichtigen Rolle bewusst sein, die das Stahlbau- und -montageunternehmen bei der Unterstützung

des Entwurfs komplexerer Konstruktionen und Details einnimmt.

Seit 1983 bin ich als Dozentin für Hochbau an der Architekturfakultät der University of Waterloo in

Ontario, Kanada, tätig. Mein Lehransatz beruht wesentlich auf der Untersuchung realisierter Projekte,

mit dem Ziel des Verständnisses der ihnen innewohnenden Intentionen, Erfolge und Fehlschläge sowie

der Ableitung entsprechender Schlussfolgerungen. Bei der Dokumentation beispielhafter Stahlbaupro-

jekte – so weit möglich auch ihrer Bauphasen – habe ich mit dem Canadian Institute of Steel Construction

und der Steel Structures Education Foundation of Canada zusammengearbeitet.

Nach Ablauf der Bauphase sind bestimmte Aspekte des Bauprozesses nicht mehr erkennbar, was die

Darlegung der Konstruktion eines Gebäudes erschwert. Ein Großteil der Publikationen im Architektur-

bereich bezieht sich auf Gebäude während ihrer Nutzung und enthält nur in seltenen Fällen umfas-

sende Informationen über den Bauprozess. Auch Architekturfotografie zeigt meist die fertiggestellten

Gebäude. Die Dokumentation von Bauprozessen kann mehrere Jahre in Anspruch nehmen. In den

meisten Fällen stammen Fotos aus der Bauphase von den vor Ort beteiligten Mitarbeitern und sind nicht

für eine Veröffentlichung bestimmt. Solche Dokumentationen zu erstellen ist zu meinem persönlichen

Anliegen, zu meiner Leidenschaft geworden, um selbst ein Verständnis des Bauprozesses zu entwickeln

und es mit jenen zu teilen, die ihn studieren wollen.

Während der vergangenen zehn Jahre dokumentierte ich Projekte bekannter Architekten wie Foster

+ Partners, Frank Gehry, Studio Libeskind, Antoine Predock oder Will Alsop über den größten Teil der

Bauphase, von der Grundsteinlegung bis zur Eröffnung des Gebäudes. Diese in meinem Land realisierten

Projekte legen in einigen Kapiteln den Schwerpunkt der Beispiele auf Kanada. Sie dienen als Bezugs-

punkt für die umfassenderen Beschreibungen der Fertigungs- und Montageabläufe.

Mein Dank gilt den Stahlbauunternehmen Walters Inc., Benson Steel und Mariani Metal für die Möglich-

keit des Besuches ihrer Fertigungsbetriebe sowie den bauausführenden Unternehmen PCL Constructors,

EllisDon Corporation, Vanbots und Ledcor für den mir gewährten Zugang zu den Baustellen. Darüber

hinaus danke ich Kubes Steel für die Möglichkeit der Besichtigung des Biegebetriebs.

Die groß bemessenen, spezialgefertigten

Verbindungen am von Richard Rogers

geplanten Terminal 5 des Flughafens

Heathrow in London sind Ergebnis einer

intensiven Zusammenarbeit zwischen

Architekt, Tragwerksplaner, Stahlbau-

unternehmen und bauausführender Firma.

–

9

Für die Stahlhohlprofilkonstruktion

des von Pei Cobb Freed and Partners

entworfenen Quartier 206 in den

Friedrichstadtpassagen in Berlin

wurden vorwiegend Schweißverbin-

dungen eingesetzt, um ein gefälliges

Erscheinungsbild der Anschluss-

punkte der groß bemessenen runden

Bauteile zu erzielen. Für die kleineren,

das Oberlicht abstützenden Elemente

wurde eine Kombination aus Schweiß-

und Schraubverbindungen verwendet,

da diese Bauteile weniger in Erschei-

nung treten. Die Rahmenkonstruktion

hebt sich vom dunklen Nachthimmel

ab, so dass die Anordnung der Bauteile

nachts deutlicher hervortritt als am Tag.

K A P I T E L 3

- - -

V E R B I N D U N G E N V O N S T A H L B A U T E I L E N U N D V E R F A H R E N D E S S T A H L S K E L E T T B A U S- - -

D A S P R I N Z I P D E S S K E L E T T B A U S

G R U N D L A G E N D E R V E R B I N D U N G V O N B A U T E I L E N

R A H M E N V E R B I N D U N G E N

TRÄGER-BALKEN-VERBINDUNGEN

BALKEN- ODER TRÄGER-STÜTZEN-VERBINDUNGEN

STÜTZENVERBINDUNGEN

STECKBOLZENVERBINDUNGEN

D E C K E N S Y S T E M E

A U S G E S T E I F T E S Y S T E M E

F A C H W E R K T R Ä G E R S Y S T E M E

EBENE FACHWERKTRÄGER

RAUMFACHWERKTRÄGER

–

VERBINDUNGEN UND STAHLSKELETTBAU

D A S P R I N Z I P D E S S K E L E T T B A U S

Der Stahlbau entwickelte sich als Elementbausystem aus Verfahren in der Frühphase der Industriali-

sierung, die zur Errichtung von Gebäuden aus guss- oder schmiedeeisernen Tragwerken entwickelt

worden waren. Die einzelnen Tragglieder werden entweder miteinander verschraubt oder verschweißt.

Gebäude werden in der Regel aus einer Reihe vorgefertigter Elemente errichtet, die jeweils in der

Werkstatt vormontiert werden. Endmontage und Errichtung finden auf der Baustelle statt. Ein größt-

möglicher Anteil der Vorfertigung in der Werkstatt wird angestrebt, da sich Zuschnitt, Formgebung,

Verschweißung und Endbehandlung der Bauteile unter den dort herrschenden kontrollierten Bedin-

gungen reibungsloser gestalten.

Die Beförderung von der Werkstatt zur Baustelle setzt Grenzen hinsichtlich der maximalen Abmessun-

gen von Bauteilen, die noch transportiert werden können. Dem Zusammenbau mehrerer kleinerer zu

einem größeren Element auf der Baustelle sind durch die zulässige Traglast des Kranes und die Größe

des Montagebereiches Grenzen gesetzt.

Die Stahlskelettbauweise vereinfacht Fertigung, Errichtung und statische Berechnung. Dabei

beruht die Grundkonstruktion auf einer geradlinigen Anordnung gerader Tragglieder, die an

den Knotenpunkten miteinander verbunden sind. Eine regelmäßige Geometrie und im Raster

angeordnete Stützen tragen zur Minimierung von außermittigen Lasteinwirkungen auf die

Konstruktion bei. Dabei ist die orthogonale Anordnung zwar unter dem Gesichtspunkt der

Raumplanung vorteilhaft, jedoch in sich instabil. Die Stabilität in Querrichtung wird durch

Verstärkungen und Aussteifungen gewährleistet; hierfür werden entweder Volltafeln, bie-

gesteife Verbindungen oder Dreiecksverbände eingesetzt.

Auch ergibt sich aus der Skelettbauweise eine Vereinfachung der statischen Berechnung,

da Stahlbausysteme meist in zweidimensionale Segmente und statisch bestimmte Konstruk-

tionen gegliedert werden können – im Gegensatz zu Betonbausystemen mit ihren durchlau-

fenden Traggliedern und monolithischen Bauweisen.

G R U N D L A G E N D E R V E R B I N D U N G V O N B A U T E I L E N

Bei allen Stahlskelettkonstruktionen werden unabhängig von ihrem Komplexitätsgrad standardisierte

Verfahren zur Verbindung von Bauteilen und Erfüllung der Anforderungen an die Lastabtragung einge-

setzt. Die Anschlüsse erfüllen dabei meist die Funktion eines „Gelenks“ und übertragen vertikale und

horizontale Schubkräfte. Sie sind nicht darauf ausgelegt, Kraftmomente, Biege- oder Torsionskräfte

aufzunehmen. Zur Herstellung der Anschlüsse sind daher einfache Schraub- oder Schweißverbindungen

möglich. Bei auftretenden hohen Momenten oder Biegekräften können die Anschlüsse verstärkt und bie-

gesteif ausgebildet werden, indem der Anschluss mit zusätzlichen angeschraubten oder geschweißten

Blechen oder Winkeln versehen wird. Querlasten können durch Hinzufügung von Aussteifungssystemen

aufgenommen werden, die als dreieckige Anordnungen in das Stahlskelett integriert werden – Drei-

ecksformen sind in sich biegesteif. Die zusätzliche Erfüllung des Kriteriums der Erdbebensicherheit

beruht auf denselben Vorgehensweisen wie für die Verbindungen und Anschlüsse des Stahlskeletts.

Anschlüsse zwischen Stahlbauteilen sind entweder verschraubt oder verschweißt. Schrauben können

nach ihrer Festigkeit und Art des Kopfes unterschieden werden. Wenn der Stahl nicht sichtbar ist,

stellt die Auswahl des Schraubentyps eine rein statische Überlegung dar, wobei eine für die Aufnahme

der Schubkräfte ausreichende Zahl von Schrauben sowie eine für das Schraubenraster hinreichende

Blechgröße vorzusehen sind. Der Entwurf der Stahlskelettsysteme und Verbindungen hat unmittelbare

Auswirkungen auf die Baupraxis: Stahlkonstruktionen lassen sich mit Schraubverbindungen rascher

montieren, was jedoch die Anwendung von Schweißverfahren nicht ausschließt, falls diese aus ästhe-

tischen oder konstruktiven Gründen bevorzugt werden.

Als Schraubentypen werden in der Regel entweder Sechskantschrauben oder vorspannbare Schrauben

eingesetzt. Beide bestehen aus hochfestem Stahl und erfüllen denselben Zweck. Sechskantschrauben

müssen für das Anziehen von beiden Seiten zugänglich sein, es wird jedoch kein spezielles Werkzeug

benötigt. Vorspannbare Schrauben erfordern zum Festziehen und Abtrennen des Endes Sonderwerk-

zeug, müssen jedoch nur von einer Seite aus zugänglich sein.

Der von William Le Baron Jenney im Jahr

1890 entworfene Fair Store in Chicago,

Illinois, war eines der ersten mehrge-

schossigen Bauwerke, bei denen sich eine

standardisierte Skelettbauweise herauszu-

bilden begann. Zur damaligen Zeit wurden

als Arten von Traggliedern lediglich

Doppel-T-Träger, Winkel und Bleche

eingesetzt. Diese wurden zumeist durch

Warmnieten miteinander verbunden.

Die heute angewandten Skelettbauweisen

sind von diesen Bauten der Frühphase

abgeleitet.

–

29

In den meisten Fällen können Schrauben fest angezogen werden, also mit der maximalen Kraft, die der

Monteur anwenden kann. Sie müssen nicht vorgespannt werden. Nur unter besonderen Bedingungen ist

eine solche Vorspannung erforderlich: bei nicht zulässigem Schlupf, für erdbebensichere Verbindungen,

bei Stoß- oder Dauerschwingungsbeanspruchung, bei ausschließlicher Zugbelastung oder wenn über-

proportional große Bohrungen vorgesehen werden. In allen anderen Fällen ist das feste Anziehen der

Schrauben für übliche Endanschlüsse von Trägern völlig ausreichend. Die Entscheidung für oder gegen

eine Vorspannung der Schrauben hängt vor allem von der jeweiligen Anwendung ab; die Größenordnung

der abzutragenden Last ist sekundär.

Wenn die Schrauben vorgespannt werden müssen, so sollte dies vorzugsweise durch zusätzliches Anzie-

hen der Mutter geschehen. Nachdem die Schrauben fest angezogen wurden, erfolgt eine zusätzliche

Drehung der Mutter, um die Schraube auf das gewünschte Maß vorzuspannen. Hierbei markiert der

Arbeiter vor der zusätzlichen Drehung meist den Schraubendurchmesser mit Kreide. Bei der Abnahme

ist dann erkennbar, ob die Teildrehung korrekt ausgeführt wurde. Häufig ist für die gewünschte Vor-

spannung der Schraube nur eine zusätzliche Drehung um ein Drittel erforderlich.

Vorspannbare Schraubenverbindungen bieten eine weitere Möglichkeit, die gewünschte Spannung der

Schraube zu erzielen, jedoch wird das herkömmliche Verfahren des zusätzlichen Anziehens der Mutter

vielfach als zuverlässiger angesehen. Um die Spannung der Schraube zu bestimmen, muss diese vom

Wert des Drehmoments abgeleitet werden. Nach der Umrechnung ist der Wert häufig nicht repräsentativ

für die tatsächliche Spannung der Schraube, was vor allem auf verzinkte Schrauben zutrifft.

Bei Stahl, der als sichtbares architektonisches Gestaltungselement eingesetzt wird (siehe Kapitel 5 „Frei-

liegende Konstruktionen“), sind die Auswahl der Schraubenköpfe und des Verschraubungsrasters sowie

die für die Anordnung der Schraubenköpfe bevorzugte Seite von großer Bedeutung für das architekto-

nische Erscheinungsbild. Ein wesentlicher Teil der für die Montage erforderlichen Bautoleranzen ergibt

sich aus der Genauigkeit der Flucht und Bohrung der Schraubenlöcher. Häufig wird fälschlicherweise

davon ausgegangen, dass Bohrungen zur Aufnahme von Schrauben grundsätzlich größer ausgelegt

werden, um die genaue Ausrichtung der Bauteile während der Montage zu erleichtern. Das Gegenteil

ist richtig: Ungenauigkeiten summieren sich zu größeren Abweichungen und gestalten die Montage

komplizierter. In einer Stahlskelettkonstruktion bestehen für Schraubenlöcher enge Toleranzen, die bei

Entwürfen mit sichtbarem Stahl als Gestaltungselement noch geringer ausfallen, da es hier auf äußerst

genaue Passung ankommt. Langlöcher werden nur dann vorgesehen, wenn sekundäre Systeme wie zum

Beispiel vorgehängte Fassaden an der Stahlskelettkonstruktion befestigt werden, um Abweichungen

in der Ausrichtung der verwendeten Bausysteme auszugleichen.

Links: Der Kopf bei vorspannbaren Schrauben unterscheidet sich

deutlich von der üblichen Sechskantschraube. Unterlegscheibe

und Mutter zum Festziehen befinden sich auf der Rückseite,

so dass auf deren Zugänglichkeit zu achten ist. Sie werden ein-

gesetzt, wenn Schlupf vermieden werden soll. Beim Bow Encana

Tower wurden sie für die provisorischen Stützen-Stützen-Verbin-

dungen vor der endgültigen Verschweißung verwendet.

Rechts: Der hier abgebildete Träger ist transportfertig. Seine

Laschen sind mit hochfesten Sechskantschrauben befestigt. Bei sol-

chen Schrauben für konstruktive Anwendungen wird die Mutter

üblicherweise auf der Seite des einfachsten Zugangs angeordnet.

Die hier abgebildete Schraubverbindung

im von Antoine Predock entworfenen

Canadian Museum for Human Rights in

Winnipeg, Manitoba, verdeutlicht das

Verfahren des zusätzlichen Anziehens

der Mutter.

Sechskant- oder Spannschrauben

Links: Montage einer Sechskantschraube. Auf beiden Seiten

der Verbindung zwischen dem Stahl und dem Schraubenkopf

bzw. der Mutter wird je eine übliche Unterlegscheibe verwendet,

die bei der Lastabtragung eine unterstützende Funktion über-

nimmt. Dieser Schraubentyp wird in der Regel fest angezogen und

muss normalerweise nicht vorgespannt werden.

Rechts: Montage einer vorspannbaren Schraubenverbindung.

Der spezielle Federring wird nur auf der Rückseite der Verbin-

dung verwendet. Einige patentgeschützte Typen verfügen über

kleine Einschlüsse, die mit einer leuchtend eingefärbten Substanz

gefüllt sind. Diese wird herausgedrückt, wenn die gewünschte

Vorspannung erreicht ist.

–

VERBINDUNGEN UND STAHLSKELETTBAU

Die zusammenzufügenden Stahlbauteile können entweder mit einer Überlappung des die Hauptlast

abtragenden Teils des Traggliedes oder nacheinander „in Reihe“ angeordnet werden.

Überlappungsverbindungen: Eine Überlappungsverbindung dient in

der Regel als Zugstoß und ist für Verbindungen geeignet, die nicht

symmetrisch ausgebildet sein müssen. In den Abbildungen auf der

linken Seite ändert sich die Ausrichtung des Bleches beiderseits der

Verbindung. Bei Einwirkung von Lasten auf die Verbindung kann

es zum Versagen kommen, indem die Öffnung bis zum Durchknöpf-

versagen auseinandergezogen (Mitte) oder die Schraube vollständig

abgeschert wird (unten). Je höher die auf die Verbindung einwirkende

Last, desto größer die Abmessung bzw. Zahl der erforderlichen

Schrauben. Für die Aufnahme der Zugbeanspruchungen kommt es

ebenfalls auf die Blechdicke an. Zur Lastverteilung ist zwischen den

Schraubenlöchern und der Blechkante ein ausreichender Abstand

vorzusehen. In den Abbildungen auf der rechten Seite ist der Stahl

auf beiden Seiten der Verbindung ungleich angeordnet. Der rot

gekennzeichnete Bereich stellt das Blech dar, das bei Versagen der

Verbindung herausgezogen wird (Mitte). In diesem Fall kommt es zu

einem Abscheren der Schraube auf zwei Ebenen (unten).

Links: Im Bow Encana Tower sind alle Aussteifungsanschlüsse als

einfache Überlappungsverbindung ausgebildet. Das Schrauben-

raster in der Verbindung hält die Bauteile exakt in der erforderli-

chen geometrischen Anordnung und bietet einen für die Lastab-

tragung ausreichenden Schraubenquerschnitt.

Rechts: Wenn eine noch höhere Tragfähigkeit erforderlich ist,

kann die Anzahl der Überlappungsbleche erhöht werden. Bei der

Verbindung am Guelph Science Building sind zwei Schraubentypen

sichtbar. Die Befestigung des x-förmigen Bleches an der Unterseite

des Flansches erfolgt über Spannschrauben, während durch

den Anschluss selbst eine hochfeste Stahl-Sechskantschraube

geführt wird. Die in dieser Gelenkverbindung einzeln angeordnete

Schraube soll eine Drehbewegung ermöglichen, um die Ausrich-

tung bei der Montage zu vereinfachen.

Gerade Stöße: Diese Verbindungsart wird gewählt, wenn die

Hauptachse des Stahlbleches und die einwirkenden Kräfte „par-

allel“ verlaufen. Die Verbindung wird ergänzt durch zusätzliche

Bleche, die entweder auf einer oder auf beiden Seiten des Stoßes

angebracht werden. Die Zahl der in der Verbindung verwendeten

Schrauben richtet sich nach der Fläche, die für die Aufnahme der

Schubkräfte erforderlich ist. In den Abbildungen auf der linken

Seite befindet sich lediglich auf einer Seite der Verbindung ein

Stoßblech. Diese Anordnung resultiert bei der Lastabtragung

durch die Schrauben in einer einzigen Schubebene (unten).

Die Abbildungen auf der rechten Seite zeigen eine Verbindung,

durch welche die Schubfläche in den Schrauben verdoppelt wird,

indem auf beiden Seiten des Haupttraggliedes ein Blech montiert

wird (unten). Wenn der Stoß auf Zug beansprucht wird, muss sich

darüber hinaus genügend Stahl zwischen dem Schraubenloch

und dem Ende des Bleches befinden, um ein Durchknöpfen zu

verhindern (Mitte).

Links: Für die Stirnflächen der Breitflanschträger der von Rem

Koolhaas entworfenen Seattle Public Library, Washington, D.C.

wurden gerade Stöße vorgesehen, da die Ausfachungsstäbe genau

in der Flucht verlaufen müssen. Die Bleche sind auf beiden Seiten

des Stoßes angeordnet. Über und unter den Anflanschungen sind

zusätzliche Blechverstärkungen angeschweißt, um Wechselwir-

kungen zwischen dem Tragwerk und der vorgehängten Wandver-

kleidung auszuschließen.

Rechts: Zur Verlaschung dient ein gerader Stoß. In den Anschluss

wird ein Schlag-Ringschlüssel eingeschoben, um die genaue

Ausfluchtung während der Montage zu gewährleisten. Die teil-

weise Verschraubung ermöglicht den Abbau des Kranes.

–

31

Überlappungsverbindungen: Eine Überlappungsverbindung dient in

der Regel als Zugstoß und ist für Verbindungen geeignet, die nicht

symmetrisch ausgebildet sein müssen. In den Abbildungen auf der

linken Seite ändert sich die Ausrichtung des Bleches beiderseits der

Verbindung. Bei Einwirkung von Lasten auf die Verbindung kann

es zum Versagen kommen, indem die Öffnung bis zum Durchknöpf-

versagen auseinandergezogen (Mitte) oder die Schraube vollständig

abgeschert wird (unten). Je höher die auf die Verbindung einwirkende

Last, desto größer die Abmessung bzw. Zahl der erforderlichen

Schrauben. Für die Aufnahme der Zugbeanspruchungen kommt es

ebenfalls auf die Blechdicke an. Zur Lastverteilung ist zwischen den

Schraubenlöchern und der Blechkante ein ausreichender Abstand

vorzusehen. In den Abbildungen auf der rechten Seite ist der Stahl

auf beiden Seiten der Verbindung ungleich angeordnet. Der rot

gekennzeichnete Bereich stellt das Blech dar, das bei Versagen der

Verbindung herausgezogen wird (Mitte). In diesem Fall kommt es zu

einem Abscheren der Schraube auf zwei Ebenen (unten).

Links: Im Bow Encana Tower sind alle Aussteifungsanschlüsse als

einfache Überlappungsverbindung ausgebildet. Das Schrauben-

raster in der Verbindung hält die Bauteile exakt in der erforderli-

chen geometrischen Anordnung und bietet einen für die Lastab-

tragung ausreichenden Schraubenquerschnitt.

Rechts: Wenn eine noch höhere Tragfähigkeit erforderlich ist,

kann die Anzahl der Überlappungsbleche erhöht werden. Bei der

Verbindung am Guelph Science Building sind zwei Schraubentypen

sichtbar. Die Befestigung des x-förmigen Bleches an der Unterseite

des Flansches erfolgt über Spannschrauben, während durch

den Anschluss selbst eine hochfeste Stahl-Sechskantschraube

geführt wird. Die in dieser Gelenkverbindung einzeln angeordnete

Schraube soll eine Drehbewegung ermöglichen, um die Ausrich-

tung bei der Montage zu vereinfachen.

Schweißverbindungen werden in der Regel für die Vorfertigung großer Hauptbauteile in der Werkstatt

verwendet, wie beispielsweise großer Blechträger oder Verbundprofile. Schweißungen in hoher Qualität

erfolgen am besten unter kontrollierten Bedingungen. Geschweißte Anschlüsse sind ebenfalls vorzuziehen,

wenn komplexe Fachwerkträger aus Hohlprofilen hergestellt werden sollen, da sich die üblichen Anschluss-

verfahren mit Einsatz von Blechen und Winkeln besser für die Verbindung von Bauteilen mit Stegen und

Flanschen eignen. Bei Schweißverbindungen ergeben sich andere Fragestellungen, wenn man verdeckt

angeordnete mit freiliegenden Konstruktionen vergleicht. In Kapitel 6 „Freiliegende Konstruktionen“

werden Fragen der Ästhetik und Kosten im Zusammenhang mit Schweißverbindungen erörtert.

Schweißverbindungen: Bleche können mit Hilfe zweier Grundtypen von Schweißun-

gen auf Stoß miteinander verbunden werden. Fugennähte (links) kommen zum Ein-

satz, wenn die beiden Bleche in derselben Flucht verlaufen müssen. Dickere Bleche

werden mit einer Doppel-V-Naht verschweißt (oben links), dünnere mit einer V-Naht

(unten links). Wenn die Bleche nicht exakt ausgefluchtet werden müssen, können

Überlappungsschweißungen hergestellt werden (rechts). Bei lediglich geringen

Lasteinwirkungen auf die Überlappung ist die Ausbildung einer Einfachkehlnaht

oder Stirnnaht möglich (oben rechts). Bei höheren Lasten ist eine Doppelkehl-

naht vorzusehen (unten rechts). Für Bleche, die in einer Flucht verlaufen müssen,

kann mit Hilfe von Fugennähten ein sauberes Erscheinungsbild der Verbindung

hergestellt werden, wenn auf Laschen verzichtet werden soll. Je nach Vorgaben für

die Oberflächenqualität können die Schweißnähte wie ausgeführt belassen oder

glattgeschliffen werden. Das Schleifen sollte dabei besonders anspruchsvollen

Anwendungen vorbehalten bleiben, da es kostenintensiv und zeitaufwändig ist.

Darüber hinaus kommt es beim Schleifen aufgrund der Abtragung von Schweiß-

material zu einer Minderung der Tragfähigkeit der Schweißung.

R A H M E N V E R B I N D U N G E N

Stahlkonstruktionen werden mit Hilfe weniger typisierter Verbindungen montiert. Bei der Entwicklung

der typisierten Rahmenverbindungen wurde vom Einsatz von Flanschprofilen ausgegangen. Diese

ermöglichen auf beiden Seiten des Bauteils einen Zugang zur Verschraubung. Bei Verwendung von

Hohlprofilen sind die Verbindungen entsprechend anzupassen, da hier die einfache Variante mit durch-

gehenden Schrauben nicht möglich ist.

TRÄGER-BALKEN-VERBINDUNGEN

Für den Anschluss eines Trägers an einen Balken können drei grundlegende Verfahren angewandt wer-

den. Die Auswahl hängt von den Lastanforderungen an das Deckensystem, Beschränkungen der lichten

Geschosshöhe und Bereitstellung von Raum zur Aufnahme von Leitungskanälen ab. Leitungen können

an der Unterseite des Bauteils entlanggeführt werden, jedoch besteht auch die Möglichkeit, den Träger

oder Balken zu durchbohren, um Durchführungen zu schaffen.

Links: „Ausgeklinkte“ Verbindung.

Bei dieser Anschlussart wird der Obergurt

des Trägers ausgeschnitten, so dass die

Oberkanten bündig abschließen. So wird

eine ebene Fläche für den Einbau des

Deckensystems geschaffen. Der Steg ist in

der Regel am Steg des Balkens befestigt,

wobei zwei Winkel verwendet werden, die

mit beiden Bauteilen verschraubt werden.

Mitte: Auflager des Trägers auf dem

Balken. Die Flansche sind auf einfache

Weise miteinander verschraubt. Dieses

Verfahren wird angewandt, wenn es nicht

auf die Geschosshöhe ankommt oder wenn

über dem Balken Durchführungen für

Leitungen hergestellt werden sollen.

Rechts: Einfache Rahmenverbindung des

Trägers mit dem Steg des Balkens ohne

Ausklinkung. Diese Variante ist geeignet,

wenn kein Deckenbauteil abzustützen ist.

–

VERBINDUNGEN UND STAHLSKELETTBAU

Rahmenverbindungen mit üblichen Breitflanschprofilen werden meist bei nicht sichtbaren Bauteilen aus

Konstruktionsstahl eingesetzt. Der Einsatz des Stahls als exponiertes architektonisches Gestaltungselement

erfordert zusätzliche Detailplanung im Hinblick auf Ausrichtung und Genauigkeit. Aus ästhetischen Gründen

kann es notwendig sein, sowohl Ober- als auch Untergurt in einer Flucht anzuordnen oder die Palette an ver-

wendeten Stahlprofilen zu standardisieren, um ein einheitlicheres Erscheinungsbild zu schaffen - selbst wenn

die Profile dadurch schwerer oder größer ausfallen als für die einwirkenden Lasten erforderlich.

BALKEN- ODER TRÄGER-STÜTZEN-VERBINDUNGEN

Balken und Träger übertragen die von der Decke einwirkenden Lasten auf die Stützen. Der Anschluss erfolgt

dabei entweder an den Stützenflansch oder den Steg; dies hängt von der Ausrichtung der Stütze ab, die sich

wiederum aus der konstruktiven Durchbildung ergibt. Stützen sind in der Regel so ausgerichtet, dass die

vorherrschende Windlast rechtwinklig zum Stützenflansch angreift. Der Anschluss an den Flansch ermög-

licht den Stahlbaumonteuren einen einfacheren Zugang für das Anziehen der Schrauben.

Träger und Balken werden von einem Kran in ihre Einbaulage gehoben. Die entsprechenden Bohrungen

in den Winkeln werden mit Hilfe eines Schlag-Ringschlüssels in Deckung gebracht, und die Schrauben

werden eingeführt. In manchen Fällen werden an der Stütze provisorische Winkelauflager befestigt, um

eine Abstützung für die Positionierung des Trägers zu schaffen, so dass der Kran die Last früher freige-

ben und der Montageablauf beschleunigt werden kann. Diese hilfsweise angebrachten Teile können nach

Fertigstellung der Verbindung entweder entfernt oder belassen werden, um den Anschluss auszusteifen.

Links: Eine ausgeklinkte Verbindung bietet trotz der Größen-

unterschiede der Träger eine ebene Fläche für den Einbau des

Fußbodens. Die in den Anschlüssen sichtbare abweichende

Schraubenzahl weist eindeutig auf die unterschiedlichen abzutra-

genden Schubkräfte hin.

Rechts: Die Stahlskelettbauweise beinhaltet eine eindeutige

Hierarchie der Abtragung von Lasten im Bauwerk, hier für den

von Frank Gehry entworfenen Erweiterungsbau der Art Gallery of

Ontario in Toronto, Ontario. Der sehr hohe Träger dient als Trans-

ferträger der Lastverteilung und schafft einen weiten stützenfreien

Raum. In den Träger wurden Ausschnitte eingebracht, welche die

Durchführung von Leitungen ermöglichen. Zur Verstärkung des

Trägerstegs wurden an den Ausschnitten zusätzliche Stahlteile

aufgeschweißt. Decken-Hauptträger aus Stahl sind über Aus-

klinkungen in den Transferträger eingebunden. Kleinere Träger

übertragen die Deckenlasten auf die Hauptträger. Rahmenver-

bindungen ermöglichen trotz ihrer Komplexität eine einfache

statische Berechnung.

Links: Für das von Cannon Design entworfene große Son-

nenschutzdach des Las Vegas Courthouse, NV, wurden hohe

Breitflanschträger verwendet, die das Raster gliedern. Kleiner

bemessene Stahlprofile dienen als Ausfachungen und für den

Sonnenschutz. Aufgrund des sichtbaren Stahls lag die Priorität

auf einem einheitlichen Erscheinungsbild.

Rechts: Die hohen Träger mussten mit ausgeklinkten Anschlüssen

an Ober- und Untergurt versehen werden, um ein einheitliches,

ungerichtetes Raster zu schaffen.

–

33

STÜTZENVERBINDUNGEN

Stahlstützen werden in der Regel mit einer Grundplatte verschweißt, welche die Stütze mit dem

Gründungspfeiler oder dem Tragwerk verbindet. Diese Platte ist üblicherweise größer als die

Stütze, mit Bohrungen versehen und auf Verankerungsbolzen abgesenkt, die in die Gründung

eingebracht wurden.

Links: Aufsitzende Verbindung. Winkel werden mit der Stütze

verschraubt, um während der Montage eine Aufnahme für den

Träger zu schaffen. Die Winkel können in ihrer Lage belassen

werden, so dass sie bei Bedarf eine zusätzliche Abstützung bieten,

oder aber entfernt werden.

Mitte: Bei dieser Standard-Rahmenverbindung werden die

Winkel bereits in der Werkstatt mit dem Trägersteg verschraubt;

die Verschraubung mit dem Stützenflansch erfolgt dann auf der

Baustelle. Die Verbindung dient als Gelenk, da sie lediglich für

die Aufnahme von Schubkräften ausgelegt ist.

Rechts: Diese Verbindung wurde verstärkt, um Momentenkräfte

aufnehmen zu können. Hierfür wurden vor der Montage Bleche

an die Stütze angeschweißt und auch mit den Trägerflanschen

verschweißt, um eine biegesteife Verbindung zu schaffen.

Beim Bau des Daches dieses Umsteige-

bahnhofs in Vancouver, British Columbia,

wurden eine Reihe von Standard-

Anschlussverfahren zur Lastübertragung

auf die Stütze angewandt. Die Spannrich-

tung verläuft stets rechtwinklig zum Stüt-

zelement. In diesem Fall ist der Balken

seitlich mit der H-Stütze verbunden, wobei

Winkel mit dem Steg verschraubt sind.

Die Übertragung von Lasten erfolgt von

der profilierten Dacheindeckung über die

Träger und zurück auf die Stütze.

Links: Bei dieser einfachen Stützenfuß-

Verbindung dienen vier Gewindebolzen

zur Verankerung der Platte. Die Platte

ist gegenüber dem Betonfundament leicht

erhöht, so dass Justiermuttern unter

der Platte angebracht werden können.

Der Hohlraum unter der Platte ist mit

Einpressmörtel gefüllt, um die Lastabtra-

gung zu unterstützen und die Muttern in

ihrer Lage zu fixieren. Das Stützglied ist

gelenkig mit dem Fuß verbunden.

Mitte: An den Fuß der kreisrunden

Hohlprofilstütze ist eine Rundplatte

angeschweißt.

Rechts: Für größere Stützen, die höhere

Lasten abzutragen haben und möglicher-

weise auftretende Querkräfte aufnehmen

müssen, ist eine aufwändigere Fußkons t-

ruktion erforderlich. Im hier abgebildeten

Fall verlaufen die Gewindebolzen durch

eine Doppelplatte, an die zur Verstärkung

umlaufend Stahlrippen angeschweißt

sind. Die geometrische Anordnung wurde

sorgfältig geplant, um den Zugang zum

Anziehen der Schrauben zu ermöglichen.

Unter der Grundplatte befinden sich

Justiermuttern - daher der vor der End-

montage noch vorhandene Spalt.

Im Zuge der Übertragung der vertikalen Last von oben nach unten durch das Bauwerk erhöhen sich

die auf die Stützen in den unteren Geschossen einwirkenden Lasten. Stützen für die oberen Geschosse

eines Gebäudes müssen daher geringere Tragfähigkeitsanforderungen erfüllen als Stützen, die für

weiter unten liegende Geschosse vorgesehen sind. In mehrgeschossigen Bauten sind die Stützen auf

Stoß zu montieren, da die möglichen Größtlängen wegen des erforderlichen Transports Beschränkun-

gen unterworfen sind. Die Last muss vollständig von einer auf die andere Stütze übertragen werden.

Bei einfachen Anschlüssen ohne außermittige Lasten und mit identischen Stützenabmessungen am

Stoß werden die aufeinandertreffenden Flächen geglättet, um den Lastverlauf nicht zu unterbrechen.

Zur Aufrechterhaltung einer wirksamen Verbindung können an die Flansche und den Steg Verbindungs-

laschen geschraubt werden. Wenn die untere Stütze nur unwesentlich größer ist und sich die Flansche

weitgehend in der Flucht befinden, werden auf jeder Seite der Flansche der oberen Stütze Füllbleche

angebracht. Wenn die obere Stütze wesentlich kleinere Abmessungen aufweist und die Flansche nicht

in der Flucht liegen, werden an beiden Stützen Fußbleche montiert, um den Lastverlauf zu vervollstän-

digen und die Entstehung von Druckpunkten in der Verbindung zu verhindern. Die Stützenstöße können

verschweißt oder verschraubt werden.

Beim Anschluss des Trägers an den Stützensteg ist darauf zu achten, dass die Stahlbaumonteure über

ausreichend Platz für den Zugang verfügen.

K A P I T E L 9

- - -

K O M P L E X ES T A H L K O N S T R U K T I O N E N : D I A G O N A L E F A C H W E R K G I T T E R ( D I A G R I D S )- - -

H O C H H Ä U S E R

GEBÄUDE MIT DIAGONAL AUSGESTEIFTER RÖHRE

FACHWERKBAND-SYSTEM

GEBÄUDE MIT TRAGWERKEN AUS RÖHRENBÜNDELN

VERBUNDBAUWEISE

WINDLASTPRÜFUNGEN

D I A G O N A L E F A C H W E R K G I T T E R ( D I A G R I D S )

VORTEILE DES DIAGONALGITTERS GEGENÜBER DEM BIEGESTEIFEN RAHMEN

HOCHHÄUSER MIT DIAGONALGITTERN

P R O Z E S S P R O F I L : B O W E N C A N A T O W E R / F O S T E R + P A R T N E R S U N D Z E I D L E R P A R T N E R S H I P

GEKRÜMMTE DIAGONALGITTERKONSTRUKTIONEN FÜR NIEDRIGE UND MITTELHOHE GEBÄUDE

DIAGONALGITTERKONSTRUKTIONEN FÜR KRISTALLINE BAUFORMEN

HYBRIDE BAUFORMENDas von Foster + Partners und Zeidler

Partnership entworfene und von ARUP

technisch geplante Bow Encana Tower

Building in Calgary, Alberta. An dem

mit einer Doppelfassade versehenen

Gebäude wurde als Tragkonstruktion

ein freiliegendes Diagonalgittersystem

montiert.

–

DIAGONALE FACHWERKGITTER (DIAGRIDS)

H O C H H Ä U S E R

Der Council for Tall Buildings and Urban Habitat (CTBUH; Rat für Hochhausbau und urbanen Lebens-

raum) legt als definierendes Merkmal eines Hochhauses aus Stahl fest, dass seine vertikalen und

horizontalen Hauptbauteile und Geschossdecken aus diesem Material bestehen müssen. Bei einem

Verbundsystem wird davon ausgegangen, dass in den Haupttraggliedern Stahl und Beton zusammen-

wirken. Bei einem Gebäude in Mischbauweise werden verschiedene konstruktive Baustoffe oder Systeme

über- bzw. untereinander eingesetzt.

Der Anteil des Einsatzes von Stahl für das Haupttragsystem in Hochhäusern hat sich im Laufe der Jahre

deutlich verringert. Von der Realisierung der ersten Hochhäuser bis etwa zum Jahr 1980 bestand das

für Gebäude vorwiegend eingesetzte Tragwerk aus biegesteifen Rahmenröhren aus Stahlhohlprofilen.

Später wurden für Hochhäuser in manchen Fällen Rohrbündelkonstruktionen („bundled tubes“) oder

aber eine diagonal ausgesteifte Röhre („diagonalized tubes“) eingesetzt. Bei letzteren wird die Stahl-

rahmenkonstruktion durch zusätzliche Diagonalen verstärkt, um eine höhere Querkrafttragfähigkeit zu

erzielen. Nach 1980 wurden zahlreiche Gebäude unter Verwendung von „Röhre-in-Röhre“-Systemen

(„tube-in-tube“) oder „Kern-Ausleger“-Systemen („core-outrigger“) errichtet. Diese Konstruktionen

wurden in der Regel aus Ortbeton hergestellt, oder es wurde ein Verbundsystem aus Beton und Stahl

gewählt. Dieser Fortschritt ergab sich aus deutlichen Verbesserungen der Pumpfähigkeit von Beton

auf große Höhen.

Bei der Errichtung von Hochhäusern sind eine Reihe von Faktoren zu berücksichtigen, welche die Aus-

wahl der Bauform beeinflussen, da bestimmte Verfahren je nach Auswahl des Baustoffs besser geeig-

net sind. Tragwerke aus biegesteifen Rahmenröhren, Rohrbündelkonstruktionen und einer diagonal

ausgesteiften Röhre lassen sich aus Stahl einfacher herstellen als aus Beton. Darüber hinaus sprechen

viele Argumente dafür, durch den Einsatz eines Diagonalrahmensystems eine höhere konstruktive Leis-

tungsfähigkeit hinsichtlich des Verhältnisses zwischen Tragfähigkeit und Gewicht zu erzielen. Solche

Konstruktionen werden in der Regel ausschließlich aus Stahl gefertigt.

Bei der Wahl des Tragsystems zeigen sich ebenfalls geographische Präferenzen. In New York und im

Nordosten Amerikas findet sich eine große Zahl von Hochhäusern, wobei die Mehrzahl weiterhin aus

Stahl errichtet wird – ungeachtet weltweiter Trends in Richtung Beton sowie Verbund- und Hybridkonst-

ruktionen. Dies reicht selbst bis zur Auswahl des Materials für die Gründung. In dieser Region wird die

Auswahl des Materials von seiner Verfügbarkeit und auch vom Einfluss der Gewerkschaften bestimmt.

Im Nahen Osten und in China werden für den Bau von Hochhäusern vorwiegend Stahlbetonkonstrukti-

onen oder Verbundsysteme eingesetzt. Dort hat sowohl die Verfügbarkeit des Baustoffes als auch von

qualifizierten Mitarbeitern Einfluss auf die Materialauswahl.

Hochhäuser erfordern aufgrund ihrer erhöhten Anfälligkeit für Wind- und Erdbebenlasten besondere

Bauverfahren. Eine der wichtigsten Fragestellungen ist hierbei die Entwicklung von Stahlkonstruktio-

nen, welche die Tragfähigkeit des Bauwerks gegenüber Windlasten erhöhen. Solche Systeme können

so extrapoliert werden, dass eine breite Palette an regelmäßigen und unregelmäßigen Geometrien

konstruiert werden kann, darunter auch Systeme mit deutlich außermittigen Lasteinwirkungen.

Das nachfolgend ausführlicher dargestellte Diagonalgitter resultierte aus dem Versuch, das Hochhaus

auf innovative Weise gegenüber einwirkenden Seitenkräften (vorwiegend Windlasten) zu stabilisieren.

Die grundlegenden Bausysteme für Hochhäuser waren von entscheidender Bedeutung für die Entwick-

lung dieser „Diagrids“. Portalrahmenkonstruktionen erwiesen sich bei Hochhäusern als unzureichend

für die Aufnahme von Querkräften. Statt tragfähigere, windbeständige Rahmenverbindungen zu planen,

griff man auf zusätzliche Diagonalstreben zurück, die eine bessere Biegesteifigkeit der Konstruktion

boten. Über diagonal angeordnete Tragglieder konnten ebenfalls Lasten umgeleitet und andere Last-

verläufe für den Fall des Versagens der Konstruktion geschaffen werden. Das moderne Gebäude mit

Diagonalgittern entstand, als herkömmliche Stahlskelettbauten mit ergänzender diagonaler Aussteifung

zunehmend durch Bauten ersetzt wurden, in denen ausschließlich ein regelmäßiges Raster aus Diagonal-

streben eingesetzt wurde. Vielfach finden sich in diesen Gebäuden keine vertikalen Stützen. In anderen

Fällen dienen die vertikalen Elemente ergänzend zur lastabtragenden Funktion der diagonalen Bauteile.

–

127

GEBÄUDE MIT DIAGONAL AUSGESTEIFTER RÖHRE

Der Bau von Hochhäusern brachte besondere konstruktive Probleme mit sich, die mit ihrer Höhe

sowie der erforderlichen Aufnahme von Windlasten verbunden waren. Ein Hochhaus verhält sich im

Wesentlichen wie ein sehr langer Kragarm. Zur Verhinderung einer Durchbiegung der Konstruktion

wurden in früheren Bauwerken hochbelastbare biegesteife Verbindungen innerhalb einer einfacheren

Rahmenkonstruktion geplant. Diese biegesteifen Hauptanschlüsse waren in der Rahmenkonstruktion

verdeckt angeordnet und hatten daher keine Auswirkungen auf das Erscheinungsbild der Fassade.

Zur Aussteifung der Anschlüsse wurden zusätzliche Stahlbauteile an den gelenkig ausgebildeten Ver-

bindungen vorgesehen.

Zu den Fortschritten im Entwurf von Hochhäusern gehörten auch neue Tragsysteme, welche die

Aufnahme von Windlasten veranschaulichten, indem die Diagonalstreben sichtbar vor die Fassade

traten. Diese Aussteifungen dienten der Verstärkung einer Rahmenkonstruktion, die weitgehend dem

üblichen Portalrahmen entsprach, welcher früher im 20. Jahrhundert entwickelt worden war.

Das tragende Stahlskelett wurde wei-

terentwickelt, indem Diagonalstreben

integriert wurden, um die Standsicherheit

zu erhöhen. Hieraus ergab sich schließlich

eine Dominanz der diagonalen Tragglie-

der. Durch die Konstruktionsform des

Röhrenbündels ergab sich ein zusätzliches

Maß an Stabilität, da die Basis der

Konstruktion wesentlich umfangreicher

ausgebildet werden konnte als die nach

oben hin stetig abnehmende Anzahl der

Röhren. Der Fachwerkgurt bietet sowohl

Standsicherheit als auch Raum für die

Technikgeschosse. Der ausgesteifte biege-

steife Rahmen (auch als Fachwerkrahmen

bezeichnet) konzentriert die Aussteifung

zur Aufnahme von Windlasten auf ein

vertikales Band, das sich über mehrere

Geschossebenen des Turms erstreckt.

Die Konstruktion mit einer ausgesteiften

Röhre schafft auf beiden Seiten eine

Erweiterung der diagonalen Tragglieder

über die gesamte Fassade, wobei die

Diagonalstreben als Ergänzung des

durch die Stützen gebildeten vertikalen

Lastpfades dienen. Das Diagonalgitter

macht vertikale Stützen überflüssig und

nutzt die Diagonalstreben zur Abstützung

der Decken, wobei das System gleichzeitig

Querkräfte aufnehmen kann.

Links: Bei dem von Atkins Architects

entworfenen Millennium Tower in Dubai

wurde für die Fassade eine modernere

Variante des außenliegenden Systems aus

diagonalen Streben gewählt. Zur Erhöhung

der Steifigkeit wurde für die äußere Ver-

längerung der Grundplatte ein vertikaler

K-Träger vorgesehen. Dieser Entwurf ist

ein Beispiel des ausgesteiften biegesteifen

Rahmens bzw. Fachwerkrahmens.

Rechts: Das 100-geschossige John

Hancock Building in Chicago, Illinois

wurde von Skidmore, Owings & Merrill

entworfen. Hier überlagern die diagonalen

Verstrebungen das orthogonale Raster

der Rahmenkonstruktion, das durch die

Fensterbänder, Stützenverkleidungen

und Außenwandplatten gebildet wurde.

Auch verjüngt sich der Turm nach oben,

um weniger Angriffsflächen für Windlas-

ten zu bieten. Dieses System wird als aus-

gesteifte Röhre oder diagonal ausgesteifte

Röhre bezeichnet.

Röhrenbündel Fachwerkgurt Ausgesteifter biege-

steifer Rahmen

Diagonal ausgesteifte

Röhre

Diagonalgitter

–

DIAGONALE FACHWERKGITTER (DIAGRIDS)

Das Konzept der außenliegenden Aussteifung ist ein weit verbreitetes konstruktives und architektoni-

sches Ausdrucksmittel. Hier liegt der Unterschied zu einem echten Diagrid, da in diesem Fall die Aus-

steifung lediglich eine Ergänzung der weitgehend konventionellen Rahmenkonstruktion darstellt und

dem Gebäude eine erhöhte Biegesteifigkeit verleiht, jedoch nicht als Haupttragsystem dient.

FACHWERKBAND-SYSTEM

Diese Bauform stellt eine Abwandlung anderer Röhrensysteme dar. Die Aussteifung einer Rahmen-

konstruktion kann auch dadurch erzielt werden, dass einige Geschosse als groß dimensionierte Fach-

werkkonstruktionen ausgebildet werden. An der Außenfassade ist diese Bauform in der Regel als

Fachwerkband sichtbar. Die betreffenden Geschosse werden häufig als Technikgeschosse geplant, da

die dort verfügbaren Räume nicht für eine Büronutzung geeignet sind, weil innerhalb der verfügbaren

Nutzfläche zahlreiche diagonale Füllstäbe der Fachwerkträger vorhanden sein können. Die Häufigkeit

der Wiederholung solcher Geschosse und die Trägerhöhe hängen von dem Verhältnis zwischen Höhe

und Breite des Gebäudes ab, wobei ebenfalls die örtlichen Wind- und Erdbebenlasten zu beachten

sind. Darüber hinaus ergeben sich zusätzliche Anforderungen aus der Anordnung der Gebäudetechnik.

Für den von Atkins Architects konzipierten

Büroturm Indigo Icon in Dubai wurde eine

Abwandlung der kreuzweisen Aussteifung

realisiert. Der biegesteife Rahmen befindet

sich vor der Außenverkleidung des Turms,

um seine konstruktive Durchbildung zur

Schau zu stellen. Diese Anordnung führt

zu Problemen in Bezug auf Klima- und

Temperaturschwankungen, da sich bei dem

im Außenbereich befindlichen Stahl eine

Wärmedehnung zeigt, die von jener der

Innenkonstruktion abweicht. Diese Lösung

kann außerdem nur unter klimatischen

Bedingungen gewählt werden, unter denen

die Bildung von Wärmebrücken nahezu

ausgeschlossen ist.

Links: In dem von KPMB Architects entworfenen Quantum Nano

Centre der University of Waterloo, Ontario, wurden sowohl im

Innen- als auch im Außenbereich des Laborgebäudes unter-

schiedliche diagonale Aussteifungen eingesetzt. Die zusätzliche

Tragfähigkeit dieser fünfgeschossigen Konstruktion musste

aufgrund der Labors und der darin durchgeführten Prozesse

geschaffen werden.

Rechts: Die freiliegenden Stahlaussteifungen des Quantum Nano

Centre sind außen an der Vorhangfassade angeordnet. Sie erfor-

derten im Vergleich zu den mit einem Anstrich versehenen Stahl-

konstruktionen im Innenbereich eine andere Endbehandlung.

Links: Bei diesem Wohnturm in Dubai wird eine Aussteifung aus

Fachwerkbändern eingesetzt. Die Fachwerkkonstruktion reicht

über zwei Geschosse, während herkömmliche vertikale Stützen

die Lasten der dazwischenliegenden vier Geschosse aufnehmen.

In diesem Fall sind die Diagonalstreben der Fachwerkträger in die

Außenverkleidung integriert. Die Räume werden als Wohnflächen

genutzt. Hier sind die Fachwerkträger unauffälliger ausgebildet,

da der Entwurf eine stützenfreie Überspannung vom Kern bis zur

Außenwand ermöglicht.

Rechts: Das Technikgeschoss des von Cesar Pelli entworfenen

Bloomberg Tower in New York. Dieses Geschoss wird zur Ausstei-

fung durch Fachwerkträger gebildet, wobei die tragenden Stahl-

bauteile mit einem Spritzputz als Brandschutz versehen wurden.

–

129

GEBÄUDE MIT TRAGWERKEN AUS RÖHRENBÜNDELN

Ein anderes Verfahren zur Aussteifung von Hochhäusern wurde mit der Methode der Röhrenbündel ent-

wickelt. Bei diesem Vorgehen ist der Grundriss des Turms in ein großformatiges Raster gegliedert. Dabei

zeigt der Baukörper im oberen Bereich einen Rücksprung, um die Windangriffsfläche zu reduzieren und

gleichzeitig eine größere und damit stabilere Verbindung an der Basis zu schaffen. Dieser Konstruktionstyp

ermöglichte die Errichtung einiger der höchsten Solitärbauten der Welt.

Turmbauten sind im Wesentlichen auskragende Konstruktionen, die an ihrer Basis in großem Umfang

biegesteife Verbindungen erfordern. Heute erweitern Varianten der ursprünglichen Konstruktion – wie im

Willis (früher Sears) Tower – dieses Konzept, so dass auch Gebäude mit erweiterter Basis und Rücksprüngen

der weiter oben gelegenen Geschosse hierunter gefasst werden. Der Burj Khalifa in Dubai verfügt über

einen Y-förmigen Grundriss, der an der Basis des Turms eine erhebliche Verstärkung bietet, jedoch mit

zunehmender Höhe deutlich zurückspringt, so dass sich die Nutzfläche der oberen Geschosse verringert.

VERBUNDBAUWEISE

Heute wird bei zahlreichen Hochhausprojekten die Verbundbau-

weise eingesetzt, mit der die erforderliche Höhe erreicht und dabei

besondere Formen realisiert werden können. Die Verbindung von

Bausystemen aus Stahl und Beton ermöglicht größere Entwurfs-

freiheit. Für die Mehrzahl der Hochhäuser wurde bisher als übli-

che Lösung ein zentraler Erschließungskern aus Beton vorgesehen.

Bei der Verbundbauweise können Decken, Stützen und Ausstei-

fungselemente entweder aus Stahl oder aus Beton oder einer Kom-

bination dieser beiden Baustoffe zur Erzielung einer hohen Tragfä-

higkeit geplant werden.

Links: Der Willis (früher Sears) Tower in Chicago, Illinois, ent-

worfen von SOM, bietet das Erscheinungsbild einer orthogonalen

Rahmenkonstruktion, zeigt jedoch Rücksprünge, um die sich

aus den angreifenden Windlasten ergebenden Schwankungen

am oberen Ende des Gebäudes aufzunehmen und eine erhöhte

Standsicherheit am Fuß des Turms zu bieten. Diese Bauform

wird als Röhrenbündeltragwerk bezeichnet. Dieses Gebäude ist

gegenwärtig, nach der Zerstörung des World Trade Center in New

York im Jahr 2001, das höchste aus Stahl konstruierte Gebäude

der Welt.

Rechts: Der Burj Khalifa in Dubai wurde von SOM (Entwurfsar-

chitekt Adrian Smith) konzipiert. Im Jahr 2010 war dieser Turm

das höchste Gebäude der Welt. Für dieses Bauwerk wurde eine

Mischbauweise gewählt, wobei die unteren 80 % des Gebäudes

aus einem speziellen Stahlbeton hergestellt wurden und der obere

Teil aus einer Stahlrahmenkonstruktion besteht. Für diesen Turm

wurden die Windlastprüfungen und der Entwurf der Stahlkons-

truktion der Obergeschosse vom in Guelph, Ontario, ansässigen

Büro RWDI durchgeführt.

Der Burj Al-Arab in Dubai wurde von Atkins Architects in

Verbundbauweise geplant. Teile des Gebäudes bestehen aus einer

Kombination aus Stahl- und Betonkonstruktionen. In diesem Fall

gewährleistet das Verbundsystem die Abstützung der ungewöhn-

lichen Form des Gebäudes.

–

DIAGONALE FACHWERKGITTER (DIAGRIDS)

WINDLASTPRÜFUNGEN

Einer der wichtigsten Punkte bei der Planung der Konstruktion und Form eines Turmbauwerks besteht

in seiner Fähigkeit zur Aufnahme von Windlasten. Zwar können Programme zur numerischen Strö-

mungssimulation (Computational Fluid Dynamics - CFD) für Prognosemodelle genutzt werden, welche

die Ermittlung der zweckmäßigsten Form unterstützen, jedoch erfolgt die Windlastprüfung von sehr

hohen Bauten oder Gebäuden mit ungewöhnlicher Form zumeist in einem realen Grenzschichtwindka-

nal. Hierbei werden die CAD-Zeichnungen in einen 3D-Drucker gegeben, und es wird ein sehr genaues

Modell aus Harz gefertigt. Dieses Modell wird mit zahlreichen kleinen Gummiröhren versehen, die mit

Sensoren an der Oberfläche verbunden sind, welche die Winddrücke erfassen können. Im Windkanal-

modell sind maßstabsgerechte Modelle der umgebenden Gebäude enthalten. Wenn jedoch zu einem

späteren Zeitpunkt weitere Gebäude in unmittelbarer Nachbarschaft errichtet werden, so kann dies zu

einer Veränderung der Ergebnisse führen.

Auf Grundlage der Prüfergebnisse schlagen die Windkanalingeni-

eure Änderungen der Gebäudeform vor. Bei dieser Untersuchung

wird ebenfalls die Planung von Dämpfungskonstruktionen betrach-

tet, deren Einbau erforderlich sein kann, um mögliche Schwankun-

gen an der Turmspitze auszugleichen. Die Systeme zur passiven

Schwingungsdämpfung (Tuned Mass Damping - TMD) sind in den

Grundriss und Schnitt des Gebäudes einzuarbeiten.

Beim Entwurf sehr hoher Gebäude wird in der Regel größeres

Gewicht auf die Aerodynamik gelegt. Prüfungen sind für neue

Gebäude mit ungewöhnlichen oder verdrehten Formen unabding-

bar, da keine ingenieurtechnischen Faustregeln existieren, die auf

diese Bauwerke anwendbar sind. Bei der Anordnung von Gebäuden

im Windkanal kommt es darauf an, dass das Grundstück, auf dem

sich das Gebäude befindet, ebenso wie das unmittelbare urbane

Umfeld (Grenzschicht) in der Modellierung berücksichtigt wird,

so dass eine präzise Simulation der sich ergebenden Winddrücke

durchgeführt werden kann.

Links: Über die Verwendung von Beton im

Innenbereich hinaus ist die Gesamtkonst-

ruktion des Burj Al-Arab durch Stahl-

fachwerkträger ausgesteift, die von außen

sichtbar sind. Ein solcher differenzierter

Einsatz der konstruktiven Materialien

findet sich nicht an jedem in Verbundbau-

weise errichteten Hochhaus.

Rechts: Im Inneren des Burj Al-Arab zeigt

sich die Balance zwischen der Leichtigkeit

der Stahlkonstruktionen und der Schwere

des Betons sehr deutlich. Wenn man vom

Atrium direkt nach oben schaut, ist die

zugbeanspruchte Stahlrahmenkonstruk-

tion sichtbar, die an der Eingangsseite

des Gebäudes das große „Segel“ bildet.

Einen Kontrast dazu bilden die Balkone

und massiven Fassadenverkleidungen auf

der Hotelseite des Bauwerks.

Links: Die 3D-Modelle von 53 Stubbs

Road in Hongkong, eines Entwurfs von

Frank Gehry, in denen die Bündelung der

Röhrchen anschaulich wird, die in das

Modell hinein verlaufen und mit Sensoren

an der Oberfläche des Modells verbunden

sind.

Rechts: Für eine präzise Simulation der

sich ergebenden Winddrücke müssen bei

der Anordnung im Windkanal das Grund-

stück, auf dem sich das Gebäude befindet,

ebenso wie das unmittelbare urbane

Umfeld (Grenzschicht) in der Modellie-

rung berücksichtigt werden.

Das Windkanalmodell für den Burj

Khalifa. Die Prüfungen wurden im

Ingenieurbüro RWDI in Guelph, Ontario,

durchgeführt.

–

131

D I A G O N A L E F A C H W E R K G I T T E R ( D I A G R I D S )

Zwar hat sich der Anteil der Hochhäuser, die ausschließlich aus Stahl errichtet wurden, während der

vergangenen 20 Jahre verringert, jedoch stieg die Zahl der Konstruktionen mit Varianten der diagonal

ausgesteiften Röhre. Das „Diagrid“-System wird als Mittel eingesetzt, um von einer ausschließlich durch

Geradlinigkeit bestimmten Bauästhetik abzuweichen und dabei gleichzeitig ein sehr stabiles Tragsystem

zu schaffen. Grundsätzlich wird hier der Lastverlauf in einem bestimmten Neigungswinkel angeordnet,

so dass sowohl vertikale Stützen weggelassen als auch Lösungen für die erforderliche Aussteifung

gefunden werden können. Während in frühen Anwendungen mit sichtbaren diagonalen Aussteifungen

die geradlinige Grundform meist nicht verändert wurde, versuchen aktuelle Anwendungen des Dia-

gonalgitters, die Potenziale von triangulierten „netzartigen Gittern aus Stahlbauteilen“ auszunutzen.

Die Verwendung des Begriffs des Gitters oder Rasters erinnert an die Terminologie der 3D-Modellierung,

in der gekrümmte oder unregelmäßige topographische Formen in ein Gitter umgewandelt werden,

so dass daraus von der Modellierungssoftware verarbeitbare Dreiecksformen entstehen. In Diagonal-

gittern kann das diagonale Tragsystem so konzipiert werden, dass alle vertikalen Stützen sowohl an der

außenliegenden Konstruktion des Gebäudes als auch im Bereich zwischen der äußeren Tragkonstruk-

tion und dem normalerweise aus Beton bestehenden Kern weggelassen werden können. Vielfach kann

hierbei die Deckenkonstruktion so ausgebildet werden, dass sie den gesamten Bereich vom äußeren

Diagonalgitter bis zum Kern stützenfrei überspannt. Diese Gebäude bieten aufgrund ihrer im Inneren

reduzierten Tragkonstruktion hervorragende Bedingungen für den Einfall von Tageslicht.

Die Weiterabwicklungen des Konstruktionssystems mit diagonal ausgesteifter Röhre, die heute als Dia-

grids bezeichnet werden, wurden im modernen Stahlbau erstmalig etwa im Jahr 2003 geplant. Die drei

Projekte aus der Anfangsphase – die Gebäude der Greater London Authority (GLA) und der Swiss Re

sowie der Hearst Tower – wurden von Foster + Partners gleichzeitig geplant, wobei bei allen Bauvor-

haben auf das ingenieurtechnische Know-how von ARUP zurückgegriffen wurde. Interessanterweise

finden sich in allen drei Gebäuden einzigartige Varianten des Systems, die aus ihrer dreidimensionalen

Geometrie resultieren. Der Hearst Tower stellt hierbei vermutlich den am weitesten standardisierten

Entwurf dar, was sich in der prinzipiell rechteckigen Form der Turmkonstruktion zeigt. Sowohl im Hearst

Tower als auch im Gebäude der Swiss Re wurde auf vertikale Stützen verzichtet. Die Lastverläufe wur-

den über das diagonale Stützenraster geführt, wobei die Geschossdeckenkonstruktionen auf einfache

Weise mit dem Aufzugskern verbunden wurden. Das Gebäude der GLA mit seiner zurückweichenden

eiförmigen Gestalt bietet weitere Herausforderungen für das Diagonalgitter, da es zusätzliche außermit-

tige Lasten aufnehmen muss (siehe S. 139). Eine gewendelte Rampe, die an der Innenkante der Fassade

nach oben verläuft, veranschaulicht die Tragfähigkeit des diagonalen Fachwerkgitters; so konnte auf

ein regelmäßiges, an den Kern angeschlossenes Geschossdecken-Tragsystem verzichtet werden. Diese

Abweichungen von den symmetrischeren Formen des Hearst Tower und des Gebäudes der Swiss Re

lassen die Zukunftspotenziale des Diagrids erkennen.

Heute werden Diagonalgitterkonstruktionen auch für eine Reihe von innovativen Stahlbauprojekten

mit mittleren Gebäudehöhen eingesetzt.

VORTEILE DES DIAGONALGITTERS GEGENÜBER

DEM BIEGESTEIFEN RAHMEN

Bei Hochhäusern bietet die Planung eines diagonalen Fachwerk-

gitters gegenüber den üblichen biegesteifen Rahmenkonstruk-

tionen oder Röhrenbündeltragwerken eine Reihe konstruktiver

Vorteile. Während bei dem System mit diagonal ausgesteifeter

Röhre eine Reihe von Diagonalstreben über einer außenliegenden

Stahlrahmenkonstruktion angeordnet wurden, bedient sich das

heute für Hochhäuser übliche Diagonalgitter lediglich einer äuße-

ren Tragkonstruktion, die vollständig aus Diagonalstreben besteht.

Diese Konstruktion nimmt in Querrichtung angreifende Windlasten

wirksamer auf, so dass eine hinreichende Steifigkeit vorhanden ist,

die durch die axiale Wirkung der Diagonalstrebe ergänzt wird. Bei

effizienter Planung wird für diese Systeme weniger Stahl benötigt

als bei Hochhäusern, die aus herkömmlichen Rahmenkonstruktionen

errichtet wurden.

Das von Foster und ARUP im Jahr 2006

entworfene Hearst Building in New York

war die erste in den USA errichtete Diag-

ridkonstruktion.

–

DIAGONALE FACHWERKGITTER (DIAGRIDS)

Ein aus einem Diagonalgitter bestehendes Turmbauwerk ist als vertikaler Kragarm ausgebildet.

Die Dimensionierung des diagonalen Tragwerkgitters ergibt sich aus der Aufteilung der Höhe des Turms

in eine Reihe von Modulen. Idealerweise erstreckt sich die Höhe des Grundmoduls des rautenförmigen

Rasters über mehrere Geschosse. So können die Träger, welche die Geschosskanten definieren, an die

diagonalen Tragglieder angeschlossen werden, wobei die Verbindung mit dem Kern, die Abstützung

der Deckenrandträger sowie die Aussteifung der nicht abgestützten Länge des diagonalen Traggliedes

gewährleistet ist. Dieser Aspekt des Diagonalgitters findet sich häufig in der Außenverkleidung des

Gebäudes. Der modulare Aufbau der Vorhangfassade bricht in der Regel die Dimensionen der Rauten

oder Dreiecksformen so weit herunter, dass sie an die Geschosshöhen angepasst sind und die Vorgaben

für fest verglaste und zu öffnende Fenster erfüllt werden.

Wie bei allen Abweichungen von herkömmlichen Konstruktionstechniken kommt es auch hier darauf an,

dass die Konstruktion so einfach wie möglich zu montieren ist. Planung und Fertigung der Anschlüsse

gestalten sich komplexer als bei orthogonalen Konstruktionen, was zusätzliche Kosten verursacht.

Entscheidend ist die Präzision der Geometrie der Knotenpunkte. Daher sollte so weit wie möglich eine

Vorfertigung in der Werkstatt erfolgen, um Probleme bei der Montage auf der Baustelle weitestgehend

zu vermeiden.

Hinsichtlich der Steifigkeit der Ausbildung der Knotenpunkte als solche gibt es zwei verschiedene Denk-

ansätze. Aus technischer Sicht muss der Mittelpunkt des Knotens bei der Planung einer rein dreiecks-

förmigen „fachwerkartigen“ Konstruktion nicht biegesteif ausgebildet werden; er kann als gelenkige

Verbindung geplant werden. Dieses Prinzip funktioniert gut bei symmetrischen Konstruktionen mit

ausgeglichenen Lasten. Bei außermittig belasteten Konstruktionen ist hingegen eine gewisse Steifig-

keit des Knotenpunktes erforderlich, so dass die selbsttragenden Eigenschaften der Konstruktion in

der Bauphase unterstützt werden. Bei zahlreichen bisher fertiggestellten Bauvorhaben mit diagonalen

Tragwerkgittern wurden die Knotenpunkte als biegesteife Verbindungen in der Werkstatt vorgefertigt.

So konnten einmündende gerade Tragglieder auf der Baustelle leichter verschraubt oder verschweißt

werden. Da die Fertigung dieser Konstruktion höhere Kosten verursacht, ergeben sich Kosteneinspa-

rungen nur bei einem hohen Wiederholungsgrad in der Planung und Fertigung der Knotenpunkte.

Die Triangulation der Diagonalgitter-Röhre selbst reicht für die Herstellung der vollständigen Biege-

steifigkeit der Konstruktion nicht aus. Daher werden in der Regel Ringbalken in den Randbereichen der

Geschossdecken mit dem Diagonalgitter verbunden, so dass die Tragwirkung in eine geschlossene Röhre

überführt wird. Da mit jeder langen Diagonalstrebe des Gitters üblicherweise mehrere Geschossdecken

verbunden sind, ergeben sich diese Anschlussstellen sowohl am Knotenpunkt als auch an mehreren

Stellen entlang der Diagonale. Der für die Diagonalstreben gewählte Winkel ermöglicht eine natürliche

Lastübertragung in der Konstruktion bis in die Gründung des Gebäudes. Bei allen bisher errichteten

Gebäuden mit Diagonalgittern war Stahl das Material der Wahl.

Gebäude aus diagonalen Fachwerkgittern sowie Entwurf und Detaillierung der

Stahlkonstruktionen können in folgende Kategorien gegliedert werden:

→ Turmbauten und Hochhäuser

→ gekrümmte Formen

→ kristalline Geometrien

→ Gebäude in Hybridbauweise mit kombinierten Geometrien

HOCHHÄUSER MIT DIAGONALGITTERN

In diesem Fall wird auf die übliche Portalrahmenkonstruktion verzichtet; sie wird ersetzt durch eine

röhrenförmige Anordnung von diagonalen Traggliedern aus Stahl, die alle Lasten über die Außen-

fläche der Turmkonstruktion abträgt. Der Ersatz der vertikalen Stützen durch die diagonalen Trag-

glieder erfordert eine Erhöhung der Dichte der Diagonalstreben im Vergleich zu früheren Gebäuden

mit lediglich ergänzenden Aussteifungen. Wenn das Diagonalgitter außen an der Gebäudehülle oder

Vorhangfassade angeordnet ist, ist das Verkleidungssystem an die Geschossdeckenkonstruktionen

angeschlossen. Bei Ausbildung des Gitters im Innenbereich sind die vorgehängten Bauteile mit diesem

verbunden. Hierdurch wird möglicherweise die Durchbildung des Verkleidungssystems beeinflusst.

Mit Geschossdeckenkonstruktion verbundene Vorhangfassaden sind in der Regel rechtwinklig, während

an das Diagonalgitter angeschlossene Vorhangfassaden einen Dreiecksverband bilden.

–

133

Links: Beim von Foster + Partners und

ARUP geplanten Gebäude der Swiss Re in

London dient das Diagrid zur Ausbil-

dung einer Turmkonstruktion mit ovaler

Form. Diese Geometrie ermöglichte die

Installation eines speziellen Be- und

Entlüftungssystems, das hinter den dunk-

leren Verglasungselementen der Fassade

angeordnet ist.

Rechts: Am Sockel des Gebäudes ist das

Gitter nach außen geführt, um ein Arka-

denelement zu schaffen.

Links: Das Bush Lane House in London,

von ARUP 1976 geplant, ist eines der

ersten Beispiele, bei dem ein sichtbares

Diagonalgitter im Außenbereich angeord-

net wurde, um auf Innenstützen verzichten

zu können und einen frei überspannten

Bürobereich zu schaffen. Für das Gebäude

wurde Edelstahl eingesetzt, wobei die

Knotenpunkte aus Gussteilen bestehen.

Rechts: Die gegossenen Knotenpunkte aus

Edelstahl sind auf jeder Geschossebene

konstruktiv angeschlossen. Die dahinter

gelegene Vorhangfassade zeigt eine regel-

mäßige rechteckige Struktur, die einen

Kontrast zu den quadratischen Rauten

der außenliegenden Konstruktion aus

Hohlprofilen bietet. Durch diese Struktur

wird veranschaulicht, dass die Wand

konstruktiv mit den Geschossdecken

verbunden ist.

Die Seile sind punktförmig mit dem Raster

verbunden; die Anschlusspunkte sind

gepolstert, um eine Beschädigung der

Fassade beim Schwenken der Geräte zu

verhindern. Die dunklere Färbung der

Verglasung markiert die Lage der Doppel-

fassadenelemente der Außenhaut, die der

Be- und Entlüftung dienen.

Eine der schwierigeren Aufgaben bei

unregelmäßig geformten Gebäuden aus

Diagonalgittern besteht in der Planung

eines Systems zur Gebäudereinigung.

Beim Gebäude der Swiss Re wurde am

oberen Abschluss des Gebäudes ein aus-

kragender Mechanismus angebracht, der

die für die Reinigungsgeräte erforderli-

chen Seilzüge von der Fassadenoberfläche

fernhält.

–

ZUGBEANSPRUCHTE KONSTRUKTIONEN UND RAUMFACHWERKE

UNREGELMÄSSIGE MODULE

Das für die Olympischen Spiele von 2008 in Beijing errichtete Nationale Wassersportzentrum war das erste

Gebäude in China, bei dem eine ETFE-Membran verwendet wurde. Die Entwurfsidee beruht auf der geo-

metrischen Form von Seifenblasen. Diese Transformation der Verbindung eines Raumfachwerks mit einer

geodätischen Konstruktion in ein Bauwerk mit großen Abweichungen der relativen Größen der einzelnen

Einheiten führte zu einer erheblichen Erhöhung der Komplexität von Entwurf, Fertigung und Montage des

Bauwerks. Das polyedrische Raumfachwerk besteht aus 22.000 einzelnen Elementen und 12.000 Verbin-

dungen. Seine Form bietet ein hohes Maß an Erdbebensicherheit.

Anders als bei früheren Anwendungen ist der „Wasserwürfel“ ein orthogonales Gebäude mit einer unre-

gelmäßig erscheinenden, dreidimensionalen polygonalen Stahlkonstruktion einheitlicher Dicke. Die Rah-

menkonstruktion ist innen und außen mit blasenförmigen ETFE-Membranen verkleidet. Das 197 x 197 x 35 m

große Gebäude wurde digital aus dem theoretischen 3D-Modell eines massiven Blocks aus Weaire-Phelan-

Schaum „herausgemeißelt“. Die Geometrie des Schaums entsprach einer perfekten Anordnung von Seifen-

blasen und diente als Modell für die Unterteilung des dreidimensionalen Raums der Rahmenkonstruktion

in eine kontinuierliche, blasenartige Struktur, die in ein Stahlrahmentragwerk überführt werden konnte.

Aufgrund dieser Art der Formgebung sind Dach- und Wandkonstruktionen durchlaufend, was auch zu der

Entscheidung führte, die Stahlbauteile auf der Baustelle zu verschweißen.

Auf der Innen- und Außenseite der Wand befinden sich rechtwinklige Stahlhohlprofile, um die für die

Befestigung der ETFE-Membran erforderliche Geometrie herzustellen. Zwischen diesen Flächen sind runde

Hohlprofile angeordnet, die die Verwendung von Kugelgelenken als Verbindungselemente erleichtern.

Für das Eden Project wurde eine Verbindung aus geodätischer Kuppel und Raumfachwerk geschaffen.

Drei Kuppeln verschiedener Größe bilden miteinander verbunden eine Reihe von klimatisierten Gewächs-

häusern. Die Grundkonstruktion besteht aus sechseckigen Einheiten anstelle der kleineren gleichschenkli-

gen Dreiecke, wie sie typischerweise von Buckminster Fuller geplant wurden. Die Masten und Knotenpunk-

telemente wurden in der Werkstatt vorgefertigt und als Flachstahlteile zur Endmontage auf die Baustelle

transportiert. Für die Errichtung der Kuppeln mit einem Durchmesser von 125 m und einer Höhe von 60 m

war ein großes Baugerüst zu stellen. Aufgrund ihrer Dauerhaftigkeit und hohen Durchlässigkeit für das

Sonnen licht wurde eine ETFE-Außenhaut gewählt.

Die Stahlkonstruktion des von Nicholas Grimshaw geplanten Eden

Project in St. Austell, England, ähnelt dem für die Realisierung

von Raumfachwerken verwendeten Bausystem. Die relative Größe

der Stahlröhren und Stangen ist im Vergleich zu den kleineren

Bauteilen sichtbar, die auf der Innenseite die dreidimensionale

Aussteifung herstellen. Die Leitungskanäle für u. a. die Belüftung

zur Aufrechterhaltung des Drucks in der Bauwerkshülle sind eng

am sechseckigen Stahlraster entlanggeführt.

An den Anschlusspunkten der Kuppeln waren größere Fachwerk-

bögen erforderlich, um die Bauwerksgeometrie aufzulösen und die

Konstruktionen zu stabilisieren.

Der Außenbereich zeigt die Kissenform der ETFE-Außenhaut,

die an den Rändern jedes Segments zusammengedrückt und in

dessen Mitte nach außen gewölbt ist.

–

177

Das Nationale Wassersportzentrum

(„Water Cube“) in Beijing wurde

gemeinsam von CSCEC, CCDI, PTW und

ARUP für die Olympischen Spiele 2008

entworfen. Die Form des polyedrischen

Raumfachwerks ist in eine sehr präzise

rechtwinklige Gebäudeform eingepasst.

Diese Zusammenführung der Geome-

trien schafft in Verbindung mit der

ETFE-Verkleidung eine hochinnovative

Gebäudehülle. Zur Steuerung der Sonnen-

einstrahlung ist die ETFE-Membran mit

einer variierenden Aluminiumbedruckung

versehen, die je nach Lage der Sonne den

Einfall von 5 bis 95 % des sichtbaren

Lichts verhindert.

Links oben: Die Ansicht vom Innenraum in die umhüllte

Konstruktion zeigt die Dichte der Stahlrahmenkonstruktion und

darüber hinaus einige Befestigungselemente und gebäudetechni-

sche Anlagen.

Rechts oben: Die Bauteile des polyedrischen Raumfachwerks

weisen je nach erforderlicher Spannweite und Lasteinwirkungen

unterschiedliche Abmessungen auf. Die Konstruktion wird von

einem Korridor durchschnitten, der eine organische Verbindung

zwischen den einzelnen Räumen schafft.

Unten: Im Gegensatz zu anderen aus Raumfachwerken bestehen-

den Gebäuden, in denen vorwiegend Gewinde- und Schraub-

verbindungen zum Einsatz kommen, wurden im Wasserwürfel

zahlreiche Anschlüsse auf der Baustelle verschweißt. Die Ansicht

des Innenraums verdeutlicht die Kombination rechtwinkliger und

runder Hohlprofile mit Kugelgelenken.

K A P I T E L 1 3

- - -

K O M P L E X E R A H M E N K O N S T R U K T I O N E N : S T A H L U N D H O L Z- - -

E I G E N S C H A F T E N

D E T A I L P L A N U N G

F E R T I G U N G U N D M O N T A G E

O B E R F L Ä C H E N B E H A N D L U N G

V E R D E C K T E S T A H L B A U T E I L E

P R O Z E S S P R O F I L : E R W E I T E R U N G S B A U D E R A R T G A L L E R Y O F O N T A R I O ( A G O ) / F R A N K G E H R Y

P R O Z E S S P R O F I L : E I S S C H N E L L L A U F H A L L E R I C H M O N D / C A N N O N D E S I G N

Die aus Glas und Holz bestehende

Fassade des Erweiterungsbaus der

Art Gallery of Ontario in Toronto,

entworfen von Frank Gehry, wird

von einer Stahlrahmenkonstruk-

tion getragen, die das skulpturale

Element an das Gebäude anbindet.

Die Planung und Montage eines

solch komplexen Bauteils erfordert

einen ganzheitlichen Ansatz zur

Berücksichtigung der konstrukti-

ven Vorteile und Grenzen beider

Baustoffe.

–

STAHL UND HOLZ

Zum Anschluss von schweren Holzrahmenkonstruktionen werden

seit langer Zeit Elemente aus Baustahl verwendet. Aus rein konst-

ruktiver Sicht verhält sich eine solche Holzkonstruktion hinsichtlich

der Lastabtragungsmechanismen und -verläufe ähnlich wie eine

Stahlrahmenkonstruktion. Beide Bausysteme bestehen aus einer

Reihe separater Elemente (Träger, Balken, Stützen), die gelenkig

angeschlossen sind. Bei Mischbauweisen kann die zusätzliche Trag-

fähigkeit des Stahls genutzt werden, um die Konstruktion kosten-

günstiger zu planen oder sie ästhetisch so zu gestalten, wie dies bei

ausschließlicher Verwendung von Holz nicht möglich wäre.

E I G E N S C H A F T E N

Zum Zeitpunkt der Erfindung von Bausystemen aus Eisen und Stahl griff man bei ihrer konstruktiven

Durchbildung in hohem Maß auf das Vorbild der bis dahin üblichen Holzkonstruktionen zurück, da für

beide Baustoffe Rahmenkonstruktionen geplant wurden und die Zugbeanspruchung im Vordergrund

stand, im Unterschied zur Druckbeanspruchung bei Bauten aus Stein. Dennoch unterscheiden sich die

konstruktiven Eigenschaften und Merkmale von Stahl und Holz deutlich voneinander; daher kann die

gemeinsame Verwendung beider Materialien in einem Bauwerk auch Probleme aufwerfen.

→ Die Zugfestigkeit von herkömmlichem Kohlenstoffstahl liegt bei 400 MPa, also zehnmal höher

als bei Holz. Daher werden bei in Mischbauweise errichteten Gebäuden die Holzbauteile in der

Regel zur Gewährleistung der Druckfestigkeit eingesetzt.

→ Stahl ist ein industriell gefertigtes Produkt mit in hohem Maße vorhersagbaren Festigkeits-

werten und Qualitätsmerkmalen, während Holz als natürlicher Baustoff auch ihm eigene und in

manchen Fällen verborgene Fehler und Mängel aufweisen kann, die sich auf seine Detaillierung

und Tragfähigkeit auswirken.

→ Stahl dehnt sich unter Wärmeeinwirkung aus und schrumpft bei Kälte, während Holz nahezu

unbemerkt arbeitet. In schweren Holzkonstruktionen sind die Stahlbauteile selbst relativ

klein, so dass die unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Baustoffe nahezu irrelevant

sind. Bei komplexeren Konstruktionen kann das unterschiedliche Verformungsverhalten unter

Wärmeeinwirkung jedoch zu erheblichen Problemen führen.

→ Beide Materialien sind vor Feuchtigkeit zu schützen, da Holz von Schwamm befallen werden kann

und Stahl korrodiert. Jedoch ist Feuchtigkeit an sich für Stahl unproblematisch, wenn sie

nicht von Kondenswasserbildung begleitet ist. Im Gegensatz dazu ist Holz ein heterogener,

hygroskopischer und anisotroper Werkstoff, der Wassermoleküle aus der Luft anzieht. Da Holz

danach strebt, ein Feuchtegleichgewicht mit der Umgebung zu erreichen, kann es quellen oder

schwinden. Dies führt zur übermäßigen Festigung oder Lösung von Verbindungen.

→ Holz ist ein zelluläres Material. Die Länge der Zellen richtet sich nach der Längsachse des

Baumes. Mit Verringerung des Feuchtegehaltes des Holzes und dem Entweichen von freiem Was-

ser aus der Zellmitte zeigt das Zellgewebe ein unterschiedliches Schwindverhalten. In der

Längsachse ist dieses nur geringfügig ausgeprägt (in der Regel 1 %), radial kann dieser Wert

jedoch 2 % und tangential sogar 3 % erreichen. Trockeneres Holz schwindet noch deutlicher.

Bei der Kombination von Stahl und Holz kommt es daher darauf an, dass das Holz ein Gleichge-

wicht mit seiner klimatisierten Umgebung erreicht hat, bevor die Verbindungen hergestellt

werden. Von großer Bedeutung ist auch eine konstante Temperatur, so dass Verformungen des

Stahls verhindert werden.

→ Stahl ist praktisch unbegrenzt wiederverwertbar, und wenn eine Demontage der in Mischbau-

weise errichteten Konstruktion eingeplant wird, kann auch das Holz wiederverwendet werden.

Für die von Peter Busby and Associates

konzipierte Brentwood Skytrain Station

in Vancouver, British Columbia, wurde

auf eine Kombination von Stahl und Holz

zurückgegriffen, um die Vorgaben an die

Baustoffe zu erfüllen. Die Verbundrip-

pen wurden vom Stahlbauunternehmen

George Third and Son gefertigt und

montiert; die Stahlbauer mussten ihre

Fertigungsprozesse und Umschlags-

techniken so anpassen, dass das Holz

nicht beschädigt wurde.

–

205

D E T A I L P L A N U N G

Hier sind die unterschiedlichen Verformungen von Stahl und Holz aufgrund der Ein-

wirkung von Temperatur und Feuchtigkeit zu berücksichtigen. Dafür stehen heute

Berechnungsprogramme zur Verfügung, mit denen Stahlbauunternehmen, die Pro-

jekte mit einer gemischten Stahl-Holz-Bauweise durchführen, vertraut sein sollten.

Bei der Ausführungsplanung muss die Verbindung in manchen Fällen so ausgebildet werden, dass sie

selbst die Verformung aufnehmen kann. Gelegentlich dienen Langlöcher im Stahlbauteil der Aufnahme

der Bewegung des Holzes. Diese Lösung widerspricht jedoch der Mehrzahl der freiliegenden Stahl-

konstruktionen, da bei diesen die halbe Normtoleranz anzuwenden ist und die Dimensionierung der

Bohrungen ein hohes Maß an Präzision erfordert. Auch beim Quellen und Schwinden des Holzes muss

die Verbindung ordnungsgemäß ausgerichtet bleiben. Da sich die Stahlverbindungen selbst nicht bewe-

gen, ist darauf zu achten, dass die Verbindungselemente sich nicht über die volle Höhe der Holzbauteile

erstrecken, da sich das Holz im Laufe der Zeit verformt und eine Verbindung mit übermäßigem Zwang

zum Splittern des Holzes am Anschlusspunkt führen kann.

Von entscheidender Bedeutung ist die Berücksichtigung des jeweils optimalen Funktionsbereiches.

So wäre Stahl bei der Ausbildung eines einfachen Fachwerkträgers, bei dem die einzelnen Füllstäbe

sowie Ober- und Untergurt entweder auf Druck oder axial auf Zug belastet werden, die bessere Wahl

für die Zugglieder, während Holz für die Druckglieder geeigneter wäre. Auf diese Weise können die

Zugglieder sehr dünn geplant und bei der Fertigung in ihrer Schlankheit an Stangen angeglichen wer-

den. Das Holz kann dagegen im Querschnitt massiver ausgebildet werden, so dass die Aufnahme der

Druckbeanspruchungen verdeutlicht wird.

Passung zwischen dem Stahl- und

Holzbauteil am Gebäude der Brentwood

Skytrain Station, bei der die Berührungs-

fläche zwischen den beiden Baustoffen

innerhalb des Holzbauteils verborgen ist.

Links: In der Konstruktion des vom Architektenkonsortium

Gauthier Gallienne Moisan entworfenen Gene H. Kruger Pavilion

an der Laval University in Quebec dienen leichtgewichtige Stahl-

stangen als Untergurte der Holzfachwerkträger. Die Druckglieder

bestehen aus Holz.

Rechts: Die Stahlanschlussbleche wurden in Schlitze im Holz

eingeführt und verschraubt. Die Zugglieder sind an einen recht-

eckigen Stahlring angeschlossen, der einfach mit der Unterseite

der Hängesäule verschraubt ist. So konnte der Anschluss der

sechs Stangen elegant in einem einzigen Punkt gelöst werden.

Die Holzbauteile können sich unabhängig vom Stahl ausdehnen.

Da Holz über seine Nutzungsdauer Feuchtigkeit aufnimmt und abgibt, darf ungeschützter Stahl nicht

unmittelbar mit dem Holz in Berührung kommen - dies würde zur Korrosion führen. Der Stahl kann

durch Verzinkung oder Aufbringen eines feuchtigkeitsbeständigen Anstrichsystems geschützt werden.

Auch sollte darauf geachtet werden, von vornherein trockenes Holz zu verwenden, um das abweichende

Verformungsverhalten zu begrenzen.

Im Hinblick auf eine ausgeglichene Ästhetik bei einer Mischbauweise mit sichtbarer Stahlkonstruktion

sollte die Tektonik beider Materialien zum gesamten Erscheinungsbild beitragen.

Die in Mischbauweise errichteten Fachwerkträger, die den von

KPMB Architects geplanten Bereich der Weinherstellung der

Jackson Triggs Weinkellerei in Niagara-on-the-Lake, Ontario,

stützenfrei überspannen, zeigen eine ausgewogene Kombination

von Stahl und Holz. Die schlanker ausgebildeten Stahlbauteile

nehmen im Fachwerkträger die Zugkräfte auf. Sie bilden einen

Kontrast zur relativen Rauheit und Massivität der Kanthölzer.

–

STAHL UND HOLZ

F E R T I G U N G U N D M O N T A G E

Aus Sicht der Fertigung kann ein Projekt in Mischbauweise in der Werkstatt des Stahlbauunternehmens

ausgeführt werden. Vor der Gefahr der Beschädigung während des Transports bzw. durch Schweißar-

beiten oder Erwärmung des Stahls kann das Holz durch eine Abschirmung während des Schweißens

geschützt werden. Bis zu seiner Anlieferung auf der Baustelle ist die Schutzabdeckung auf dem Holz zu

belassen und dann lediglich in Bereichen mit erforderlicher Bearbeitung zu entfernen. Im Gegensatz zur

üblichen Praxis bei der Bearbeitung großer Stahlbauteile sollten Holzelemente nicht betreten werden.

Eventuell auftretende Probleme lassen sich durch die Einhausung mit Holz und textilem Material sowie

durch die Verwendung von Nylonschlingen (im Gegensatz zu den üblicherweise für Stahl verwendeten

Ketten und Anschlaghaken) für den Transport der Holzbalken minimieren.

Die Vorbereitung und Montage einer Konstruktion in Mischbauweise weist

Ähnlichkeiten mit der Herstellung sichtbarer Stahlkonstruktionen auf,

wobei die Holzbauteile noch vorsichtiger zu handhaben sind. Je nach

Größe und Komplexität der Elemente können die Verbindungen zwischen

den Materialien entweder in der Werkstatt hergestellt (mit nachfolgendem

Transport) oder im Vormontagebereich auf der Baustelle realisiert wer-

den. Hier kommt es noch mehr auf eine genaue Passung an, da Holzbau-

teile nicht unter Anwendung von Gewalt eingepasst werden können – dies

würde nur zu Rissbildung führen. Zum Anheben der Bauteile sind gepols-

terte Anschlagmittel zu verwenden, um Beschädigungen des Holzes zu

verhindern. Durch entsprechende Umhüllungen ist das Holz bis weit nach

Beendigung der Montage vor Witterungseinflüssen zu schützen.

Nur die kontinuierliche Verantwortung in einer Hand kann eine genaue

Passung zwischen den Materialien sichern und eine entsprechende

Abstimmung gewährleisten. Der Stahlbauer kann mit der Erstellung der

Werkstattzeichnungen, der Anlieferung und der Montage betraut werden.

O B E R F L Ä C H E N B E H A N D L U N G

Im Innenbereich stellt der Brandschutz die wichtigste Frage dar. Massive Holzbalken, Brettschichthölzer

oder Holzwerkstoffe werden üblicherweise in Umgebungen eingesetzt, die eine Feuerwiderstandsdauer

von über 30 oder über 60 Minuten (F 30 oder F 60) erfordern. In Deutschland ist Stahl lange Zeit eben-

falls hauptsächlich für Bauaufgaben eingesetzt worden, die Feuerwiderstandsklassen F 30 oder F 60

erforderlich machen. Diese wurden beispielsweise durch das Beschichten mit einem Dämmschutzbildner

erreicht. Aufgrund der Anpassung der Prüfverfahren an interntionale Standards kann im Stahlbau seit

etwa zehn Jahren auf diese Weise auch die Feuerwiderstandsklasse F 90 erreicht werden.

Bei Konstruktionen in Mischbauweise werden in Innenbereichen verbaute Stahlelemente in der Regel

vorbehandelt, um sie vor dem Eindringen von Feuchtigkeit aus dem in der Verbindung eingepassten

Holz zu schützen. Die Beschichtung des Stahls gestaltet sich einfacher, bevor er mit dem Holz verbunden

ist. So können Sprühspuren oder Farbtropfen auf dem Holz vermieden werden.

Zahlreiche Arten von Holzwerkstoffen, die in Projekten mit Mischbauweise eingesetzt werden, sind

bereits bei ihrer Anlieferung in der Werkstatt vorbehandelt. Holzbauteile werden üblicherweise nicht am

Einbauort gebeizt oder versiegelt, da dort der Zugang zum Material für das Aufbringen von Beschich-

tungen häufig eingeschränkt ist. Während der Fertigung in der Werkstatt ist die Oberfläche zu schützen

und das Holz gegen Wärmeeinwirkungen abzuschirmen, die durch Schweißarbeiten entstehen.

Im von Omicron Engineering and

Architecture geplanten National Works

Yard in Vancouver, British Columbia,

werden Holz und Stahl miteinander

kombiniert, indem die beiden Konst-

ruktionen voneinander getrennt werden.

Für Balken und Pfetten kommen Holz-

werkstoffe zum Einsatz, während Stahl

für die Hauptkonst ruktion und bestimmte

spezialgefertigte Verbindungen verwendet

wird. Darüber hinaus dient Stahl zur

Abdeckung der Enden der Holzbalken,

um sie vor Feuchtigkeit zu schützen.

–

207

Bei Anwendung im Außenbereich sind witterungs- und UV-beständige Anstriche bzw. Beschichtungen

aufzubringen. Bei Holz verhindern diese Beschichtungen ein je nach Sonneneinstrahlung unterschiedli-

ches Bild der Farbverblassung. Aufgrund seiner Dauerhaftigkeit wird für Stahl oft das Verzinkungsver-

fahren eingesetzt. Farbanstriche müssen in hohem Maße witterungsbeständig sein und in ausreichender

Dicke aufgetragen werden, so dass während der Montage keine Beschädigungen auftreten. Im Gegen-

satz zu wasserundurchlässigen Stahlbeschichtungen müssen Holzanstriche stets die Diffusionsoffenheit

des Materials gewährleisten. Wenn auf das Holz Beschichtungen aufgebracht werden, die nicht diffusi-

onsoffen sind, kann dies zum Einschluss von Feuchtigkeit unter der Beschichtung und nachfolgend zur

Rissbildung und zum Abblättern führen.

V E R D E C K T E S T A H L B A U T E I L E

Bei Konstruktionen in Mischbauweise eingesetzte Stahlbauteile sind nicht in jedem Fall sichtbar.

Der entstehende Eindruck, dass die Holzkonstruktion die tragende Funktion vollständig übernimmt,

kann aus der Sicht des Entwurfs erwünscht sein.

Größere und komplexere Projekte, bei denen Stahl und Holz entweder parallel oder in Mischbau-

weise eingesetzt werden, erfordern zusätzliche technische Planung und besondere Fertigungs- und

Montageverfahren. Dies ist dann der Fall, wenn Größe und Gewicht der Bauteile sich den Grenzen

der Möglichkeiten der traditionellen Zimmermannsgewerke nähern oder diese überschreiten und

Hebe- und Montagevorgänge vorzugsweise von Stahlbaumonteuren auszuführen sind.

Der von Frank Gehry geplante Serpentine

Pavilion des Jahres 2008 in London

besteht aus einer innovativen Kombination

aus Stahl und sichtbaren Holzbalken.

Da der Pavillon als temporäres Bauwerk

konzipiert war, kam es nicht auf die

Gewährleistung der Dauerhaftigkeit

an. Die Holzkonstruktion scheint einen

Großteil der Lasten aufzunehmen, jedoch

wird bei näherer Betrachtung deutlich,

dass diese Funktion von verdeckten Stahl-

elementen übernommen wird.

Oben: In die groß bemessenen Holzstützen

und -balken des Pavillons sind mittig

Stahlbauteile eingelassen, die sowohl das

Holz abstützen als auch die Verbindung

der Bauteile ermöglichen.

Rechts: Der Blick von oben auf das

verglaste Vordach verdeutlicht, auf welche

Weise das Holz als Verkleidung über der

mit einem weißen Anstrich versehenen

Stahlkonstruktion dient.

Die Verzinkung der Bauteile des

Water Centre in Calgary, Alberta,

von Manasc Issac Architects

verleiht den im Außenbereich

verbauten sichtbaren Stahlele-

menten ein Erscheinungsbild, das

dem nachhaltigkeitsorientierten

Entwurf des Gebäudes entspricht.

Stahl drängt sich sicher nicht als

Baustoff auf, wenn man an Nach-

haltigkeit denkt. Dennoch enthält

das hier eingesetzte Material einen

hohen Anteil an Stahlschrott statt

Roheisen. Die verzinkten Oberflä-

chen tragen zur Abfallvermeidung

bei, da der ansonsten erforder-

liche regelmäßige Neuanstrich

entfällt. Aufgrund der sichtbaren

Stahlkonstruktion mussten keine

anderen Verkleidungsmaterialien

eingesetzt werden, was zur Einspa-

rung von grauer Energie führte.

K A P I T E L 1 4

- - -

S T A H L U N DN A C H H A L T I G K E I T- - -

S T A H L A L S N A C H H A L T I G E R B A U S T O F F

D A S Z E R T I F I Z I E R U N G S S Y S T E M L E A D E R S H I P I N E N E R G Y A N D E N V I R O N M E N T A L D E S I G N ( L E E D T M )

R E C Y C L I N G O D E R W I E D E R V E R W E N D U N G

RECYCLINGANTEIL

WIEDERVERWENDUNG VON BAUTEILEN

ANGEPASSTE NACHNUTZUNG

N A C H H A L T I G K E I T S I C H T B A R E R S T A H L K O N S T R U K T I O N E N

E M I S S I O N S A R M E E N T W U R F S S T R A T E G I E N

REDUZIERUNG DES MATERIALEINSATZES

REDUZIERUNG VON ANSTRICHEN UND BESCHICHTUNGEN

REDUZIERUNG VON ARBEITSKOSTEN

REDUZIERUNG DES TRANSPORTAUFWANDS

DAUERHAFTIGKEIT

–

STAHL UND NACHHALTIGKEIT

Die Stahlbauweise hat Auswirkungen auf eine nachhaltige, emissionsarme Planung. Gegenwärtig

ergibt sich aus jeglicher Materialauswahl, und selbst aus der grundlegenden Entscheidung zu bauen,

eine Beeinträchtigung der Umwelt. Durch optimale Nutzung der Vorteile der Stahlbauweise kann dieser

negative Einfluss auf die Umwelt gemindert werden.

Zunächst betrifft dies die Auswirkungen aus der Rohstoffgewinnung und Herstellung des Materials

selbst, die unter dem Begriff der grauen Energie gefasst werden. Zum zweiten sind es Gesichtspunkte

des Recycling, der Wiederverwertung des Materials und der Nachnutzung des Gebäudes in angepasster

Form. Schließlich geht es auch um die dem Stahl eigenen einzigartigen Vorteile, die nicht durch die Wahl

eines anderen Baustoffs reproduziert oder substituiert werden können.

S T A H L A L S N A C H H A L T I G E R B A U S T O F F

Ein erheblicher Anteil des heute abgesetzten Stahls stammt aus wiederverwertetem Schrott aus Haus-

haltsabfällen. Die Herstellung von Stahl mit Recyclinganteilen erfordert im Gegensatz zum Einsatz

von 100 % Roherz weniger Energie, da das Erz erst einer energieintensiven Aufbereitung unterzo-

gen werden muss. Zwar wird Eisenerz noch immer weltweit gewonnen, jedoch ist der Baustoff Stahl

nach seiner Herstellung und Verwendung in Bauwerken praktisch unbegrenzt wiederverwertbar,

ohne dass es zu einem „Downcycling“, also zu einer Verschlechterung seiner Eigenschaften ähnlich

wie bei Recyclingkunststoffen kommt, die dann zu Abfall werden. Beim Stahl dagegen ist die vor-

hergehende Anwendung ohne Bedeutung für die Herstellung von Baustahl mit Recyclinganteilen.

Dabei kann der Stahl zum Beispiel aus Dosen, Fahrzeugen oder Waschmaschinen stammen, da die

chemische Zusammensetzung des Stahls im Stahlwerk modifiziert werden kann, um ein besonderes

Verhalten bzw. bestimmte Eigenschaften zu erzielen.

Bei der Fertigung neuer Stahlprofile können erhebliche Schrottmengen verwendet werden, ohne dass

der Produktionsprozess wesentlich modifiziert werden müsste. Da sich die Abläufe bei der Herstellung

von Stahl seit etwa 1950 nur unwesentlich geändert haben (also die chemische Zusammensetzung des

Stahls weitgehend unverändert geblieben ist), wird der seither produzierte Stahl noch immer effektiv

wiederverwertet. Seit der Erfindung des Gusseisens konzentrierte man sich auf die Modifizierung des

Kohlenstoffgehalts. Vor 1950 produzierter Stahl kann einen höheren Kohlenstoffgehalt aufweisen, was

Schweißarbeiten erschwert. Beim Einsatz dieses Stahls als Schrott wird die endgültige Zusammenset-

zung des Stahls im Werk verändert, um den Kohlenstoffanteil zu verringern. Es ist deshalb wichtig, Alter

und Kohlenstoffgehalt zu ermitteln, da sich daraus Auswirkungen auf die Schweißfähigkeit ergeben.

In einigen Fällen sind gegebenenfalls Schraubverbindungen vorzusehen.

Die Menge der zur Herstellung erforderlichen Energie richtet sich nach dem Produktionsprozess und

der Höhe des Anteils an recyceltem Material. Zwei Typen von Anlagen werden eingesetzt, die beide mit

Vor- und Nachteilen hinsichtlich ihrer Umweltauswirkungen verbunden sind:

In einem integrierten Stahlwerk wird der Stahl in einem Sauerstoffblaskonverter hergestellt. Bei diesem

Verfahren werden 25 bis 35 % Stahlschrott eingesetzt, wobei Sauerstoff durch die Schmelze geleitet

wird, um dem Stahl Kohlenstoff zu entziehen. Endprodukt dieses Prozesses ist kohlenstoffarmer Stahl.

Das Gefäß, in dem der Prozess abläuft, kann lediglich 25 bis 35 % Schrott aufnehmen; der verbleibende

Anteil wird als Roheisenschmelze zugeführt. Integrierte Stahlwerke befinden sich aus logistischen

Gründen üblicherweise in Hafennähe und daher häufig in größerer Entfernung von der Baustelle, was

zu einer Erhöhung der Transportkosten führt.

–

219

Im Mini-Stahlwerk wird das Elektrolichtbogenofen-Verfahren eingesetzt. Der Lichtbogenofen wird

dabei mit 90 bis 100 % Schrott beschickt. Mini-Stahlwerke können an Standorten errichtet werden,

die weniger von wichtigen Schifffahrtsrouten abhängig sind. Daraus ergibt sich eine größere Nähe zur

jeweiligen Baustelle und damit eine Senkung der Transportkosten. Im Fertigungsprozess entstehen als

Nebenprodukte unter anderem Schlacke und Flugasche. Diese werden als Zementersatz bei der Her-

stellung von emissionsärmerem Beton verwendet. Zur Minimierung ihrer Umweltauswirkungen sollten

Mini-Stahlwerke über eine zuverlässige Energieversorgung aus umweltfreundlichen Quellen verfügen.

Bei der Auswahl von Stahl als Recyclingmaterial zur Erfüllung der Anforderungen von Nachhaltig-

keitsklassifizierungen wie LEEDTM oder dem deutschen DGNB-Zertifikat ist zu beachten, dass sich der

Schrottanteil sowohl aus Industrie- als auch aus Haushaltsabfällen zusammensetzt. Die genauen Anteile

sollten durch Kontaktaufnahme mit dem Stahlwerk bzw. dem Lieferanten ermittelt werden.

Obgleich die Energiekosten beim Lichtbogenofenverfahren niedriger sind, werden beide genannten

Prozesse für die weltweite Umsetzung der Nachhaltigkeitskriterien benötigt. In Nordamerika wird

Baustahl (insbesondere W-Profile) mit Ausnahme einiger Bleche und Coils im Lichtbogenofenverfah-

ren hergestellt. Vielfach kommt es jedoch aufgrund der Verschiebung oder Steigerung der Nachfrage

nach Stahl und Schrott – insbesondere in Asien – zu Engpässen beim Recyclingmaterial, so dass die

ausschließliche Anwendung dieses nachhaltigeren Verfahrens nicht möglich ist.

D A S Z E R T I F I Z I E R U N G S S Y S T E M L E A D E R S H I P I N E N E R G Y A N D E N V I R O N M E N T A L D E S I G N ( L E E D T M )

Das nordamerikanische Zertifizierungssystem für nachhaltig geplante Gebäude, Leadership in Energy

and Environmental Design (LEEDTM), wurde zur Klärung der Frage entwickelt, welche Kategorien ein

nachhaltiger Entwurf umfassen muss. Es wird gegenwärtig in vielen Teilen der Welt für die Bewertung

und Vermarktung von an Nachhaltigkeitskriterien orientierten Gebäuden verbreitet. In der Entwurfs-

richtlinie sollen auch übertriebene oder falsche Darstellungen hinsichtlich der Nachhaltigkeit verhindert

und ein einheitlicher Standard zur Messung von Parametern geschaffen werden. Das System LEEDTM

wird kontinuierlich weiterentwickelt; neue Varianten werden hinzugefügt, die sich stärker an Größe und

Nutzungsart des Gebäudes orientieren. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf das System

LEEDTM 2009 für Neubauten.

Das Zertifizierungssystem LEEDTM ist in Kategorien, Gutschriften und Punkte gegliedert. Hauptkatego-

rien sind Nachhaltigkeit des Standorts, Wassereffizienz, Energie und Atmosphäre, Materialien und Res-

sourcen sowie Innenraumklima. Eine sechste Kategorie ist innovativen Entwurfsansätzen vorbehalten,

eine siebte dient für Gutschriften aufgrund des Vorrangs regionaler Beschaffung. Diese übergreifende

Definition des nachhaltigen Entwurfs geht über frühere Konzepte der energieeffizienten Planung hinaus

und umfasst die Betrachtung des Gesamtgebäudes, aller Systembestandteile sowie sämtlicher Frage-

stellungen im Zusammenhang mit der Standorterschließung. Die Mehrzahl der Kategorien enthält eines

oder mehrere Grundkriterien, die erfüllt sein müssen, damit die in der Kategorie letztendlich erzielten

Punkte angerechnet werden.

Der Einsatz von Stahl ist hauptsächlich Gegenstand der Kategorie Materialien und Ressourcen. Vorteile

in Form von Gutschriften ergeben sich, wenn die Stahlkonstruktion ohne größere Veränderungen wie-

derverwendet werden kann. Die Dauerhaftigkeit des Baustoffs entspricht den Anforderungen dieser

Kategorie in hohem Maße. Ebenso kann ein hoher Recyclinganteil im Stahl mit Gutschriften belohnt wer-

den. Vom Stahlwerk können Zertifikate beschafft werden, die die erforderlichen prozentualen Anteile

belegen. Gutschriften können auch erfolgen, wenn Stahlbauteile aus dem Abriss anderer Gebäude

wiederverwendet und Nachweise in Form der Lieferscheine vorgelegt werden.

Je nach Zahl der vergebenen Punkte werden Gebäude in die Klassen Platinum, Gold, Silver und Certified

eingestuft. Dabei werden für Neubauten, gewerbliche Innenräume und verschiedene Anwendungen bei

Wohnbauten unterschiedliche Kriterien angelegt. Aktuelle Informationen zu den einzelnen Bewertungs-

systemen finden sich auf der Website des U. S. Green Building Council (www.usgbc.org).

Der Union Bank Tower in Winnipeg,

Manitoba, ältestes Hochhaus in Kanada

mit einer Stahlrahmenkonstruktion aus

dem Jahr 1906, wird gegenwärtig für

eine angepasste Nachnutzung durch das

Red River College mit Seminarräumen

und Studentenunterkünften modernisiert.

Hierbei werden die Tragfähigkeit der

Rahmenkonstruktion und verschiedene

Strategien für den Brandschutz unter-

sucht. Das Arbeiten mit der bestehenden

Konstruktion und dem nur teilweise

vorhandenen Brandschutz (Keramikka-

cheln) gehört dabei zu den besonderen

Herausforderungen.

Die durch Anordnung eines Stahlgitters

zwischen zwei U-Profilen hergestellte

Stütze ist ein typisches Beispiel für konst-

ruktive Lösungen der damaligen Zeit,

bei denen Nietverbindungen eingesetzt

wurden. Da die abgebildete Stütze von

Trockenbauwänden umhüllt wird, muss

kein Aufwand für die Oberflächenbehand-

lung betrieben werden.

–

STAHL UND NACHHALTIGKEIT

R E C Y C L I N G U N D W I E D E R V E R W E N D U N G

In einer Stahlbauwerkstatt entstehen nahezu keine Abfälle. Verschnitt oder beschä-

digte Teile sowie Schliff und Nebenprodukte des Fertigungsprozesses werden zum

Recycling in das Stahlwerk zurückgegeben. Die magnetischen Eigenschaften des

Stahls vereinfachen die Sammlung von Stahlteilen selbst während des Abrisses. Heute

wird selbst Stahlbewehrung routinemäßig dem Recycling zugeführt.

Im Allgemeinen kann die Wiederverwendung von Stahl wie folgt gewährleistet werden:

→ Stahlschrott kann gesammelt und zur Herstellung neuer Stahlbauteile wiederaufbereitet werden.

→ Während des Gebäudeabrisses können Bauteile für die Verwendung in einem anderen Gebäude

geborgen werden.

→ Neue Gebäude in Stahlbauweise können bereits in ihrem Entwurf so geplant werden, dass ihre

Demontage möglich ist.

→ Ganze Gebäude können bei lediglich minimalen Änderungen an der Tragkonstruktion einem neuen

Zweck zugeführt werden.

RECYCLINGANTEIL

Einer der Umweltvorteile von Stahl besteht in seinem hohen Recyclinganteil – dies wird in den meisten

Systemen zur Nachhaltigkeitsklassifizierung berücksichtigt. Dennoch entstehen bei der Wiederverwer-

tung im Sauerstoffkonverter oder Lichtbogenofen noch immer relativ hohe CO2-Emissionen und ein

zusätzlicher Energieaufwand. Daher ist die Wiederverwendung des Materials in seinem ausgebauten

Zustand als wichtigstes Mittel zur Emissionsminderung vorzuziehen.

WIEDERVERWENDUNG VON BAUTEILEN

Die Wiederverwendung von Bauteilen ist eine in hohem Maße nachhaltige Methode der Integration

von Stahl in Gebäuden. Die chemischen und konstruktiven Eigenschaften von Baustahl sind seit dem

frühen 20. Jahrhundert nahezu unverändert (die exakten Zeiträume unterscheiden sich je nach Land

und Verfahrenstechnik der dortigen Stahlwerke). Wenn dem Tragwerksplaner das Baujahr und die

Profilabmessungen bekannt sind, können Stahlbauteile mit einem leichten Sicherheitsaufschlag auf

einfache Weise in das neue Bauwerk eingegliedert werden. Dennoch ist selbst bei der Wiederverwen-

dung zusätzliche Energie erforderlich.

Probleme bei der Wiederverwendung ergeben sich eher im Hinblick auf die Lokalisierung und Beschaf-

fung von geborgenen Bauteilen. Gegenwärtig gibt es keine zuverlässigen Quellen, über die gebrauchte

Materialien erworben werden können. Häufig können für ein bestimmtes Projekt Stahlbauteile nur

deshalb beschafft werden, weil eines der Teammitglieder gleichzeitig an einem anderen Abriss- oder

Modernisierungsprojekt beteiligt ist.

Bei der nicht sichtbaren Montage von wiederverwendeten Bauteilen ist die Entfernung aufgebrachter

Anstriche oft nicht erforderlich. Bei Verwendung des Elements als Teil einer sichtbaren Stahlkonst-

ruktion muss der Farbanstrich dagegen entfernt werden. In vielen aktuellen Bauvorhaben wird jedoch

sogar Wert darauf gelegt, den ursprünglichen Anstrich zu erhalten, um so die nachhaltige Wieder-

verwendung des Materials zu dokumentieren.

Der gesamte Stahlschrott aus dem Ferti-

gungsprozess wird gesammelt und dem

Recycling zugeführt.

Für Tohu, das von einem Konsortium aus

Schème Consultants Inc., Jodoin Lamarre

Pratte et associés architectes und dem

Architekten Jacques Plante geplante,

fest installierte Zirkuszelt in Montreal,

Quebec, wurden große Träger verwendet,

die bei Abrissarbeiten an den Hafenan-

lagen von Montreal geborgen wurden.

Da das Projekt auf die Zertifizierungsstufe

LEEDTM Gold ausgerichtet war, wurde

der bestehende Anstrich bewusst nicht

entfernt, um die Wiederverwendung des

Stahls zu verdeutlichen.

–

221

Bei der Wiederverwendung kann das von dem amerikanischen Umweltschützer und Architekten William

McDonough und dem deutschen Chemiker Michael Braungart erarbeitete Cradle-to-Cradle-Konzept

umgesetzt werden, indem bereits beim Entwurf die Demontierbarkeit berücksichtigt wird. Dieser Ansatz

sieht einen geschlossenen Stoffkreislauf für den Stahl vor. Grundsätzlich beruht dieser Ansatz auf der

einfachen Wiederverwendung ohne Einsatz zusätzlicher Energie für eine Wiederaufbereitung. Um die

Rückbaubarkeit zu gewährleisten, sind Bauteilgrößen, Längen und Verbindungstechniken so zu wählen,

dass sie ohne übermäßige Kraft und ohne Verformung leicht lösbar sind. Dieses Prinzip ist am besten

mit Hilfe eines modularen Aufbaus umsetzbar.

Zwar erscheint es nur logisch, bei dieser Bauweise ausschließlich Schraubverbindungen vorzusehen,

wie zum Beispiel beim im Jahr 1851 errichteten Crystal Palace von Joseph Paxton, jedoch beste-

hen unterschiedliche Auffassungen zur Leichtigkeit der Demontage von Schraubverbindungen.

Probleme beim Rückbau verschraubter Stahlkonstruktionen können sich aus der nicht mehr vorhan-

denen Wirkung der Schrauben aufgrund von Farbschichten oder Korrosion ergeben. Da unabhängig

vom Verbindungstyp ein Kran zur Abstützung des Bauteils während seiner Demontage erforderlich ist,

können sowohl Schraub- als auch Schweißverbindungen rasch durch Trennen gelöst werden, wodurch

geringfügig kürzere, jedoch in ihrer Tragfähigkeit nicht beeinträchtigte Bauteillängen entstehen,

die einfach wiederzuverwenden sind. Der Verschnitt kann nachfolgend dem Recycling zugeführt werden.

Hierbei entstehen allerdings erhebliche Personalkosten, weil für den Demontagevorgang entsprechend

ausgebildete Stahlbauer benötigt werden. Im Sinne der Wirtschaftlichkeit kommt es hierbei aus diesem

Grund auch auf einen schnellen Rückbau an. Dieses Prinzip der Demontierbarkeit wird bereits bei vielen

temporären Bauten, zum Beispiel für Messen, angewandt. Seine Übertragung auf die herkömmliche

Stahlbauweise sollte sich daher relativ einfach gestalten.

ANGEPASSTE NACHNUTZUNG

Bei der angepassten Nachnutzung bildet das gesamte Gebäude die Grundlage für die Umsetzung eines

neuen Raumprogramms und Nutzungszwecks ohne wesentliche Veränderung des Bauwerks bzw. durch

einfache Verstärkung der bestehenden Konstruktion. In diesem Fall ist das Alter der ursprünglichen

Konstruktion von entscheidender Bedeutung für eine gegebenenfalls zu verändernde oder hinzuzu-

fügende Stahlkonstruktion. Sollte eine Verschweißung des Stahls nicht möglich sein und das Bauteil

noch über die ursprünglichen Nietverbindungen verfügen, so können Verbindungen mit vorgespannten

Schraubverbindungen neue und wiederverwendete Stahlkonstruktionen miteinander kombinieren:

Der runde Kopf ähnelt einem Nietkopf und ermöglicht gestalterisch einen nahtloseren Übergang.

In der von Ædifica Architecture + Engineering + Design ent-

worfenen Angus Technopole in Montreal, Quebec, entstand ein

Bürokomplex in historischen Lokomotivwerkstätten. Auf der unte-

ren Ebene wurde der ursprüngliche Anstrich belassen, um einen

attraktiven Kontrast zu den ergänzten Materialien und dem neuen

Raumprogramm zu schaffen.

In einem anderen Bereich entstand ein Lebensmittelmarkt.

Hier wurde die bestehende Beschichtung der Stahlkonstruktion

entfernt und nachfolgend ein neuer Anstrich aufgetragen, in deut-

lichem Kontrast zur angepassten Nachnutzung im Bürobereich.

Für die Park- und Ladezonen des Lebens-

mittelmarktes blieben die Ziegelwand

und ein Teil der Stahlrahmenkonstruktion

der Angus-Werkstätten erhalten und

tragen zum architektonischen Gesamtein-

druck bei.

–

STAHL UND NACHHALTIGKEIT

Die Hauptzugangstreppe zum Musée d’Orsay durchschneidet eben-

falls die ursprünglichen gusseisernen Träger und Ziegelgewölbe-

decken, so dass auch an dieser Stelle die ursprüngliche Konstruk-

tion auf attraktive Weise präsentiert wird, statt sie zu verdecken.

So wird das Gebäude selbst zu einem Ausstellungsobjekt.

Die im Außenbereich der Institut de la

Mode et du Design in Paris hinzugefügten,

von Jakob + MacFarlane konzipierten

sichtbaren Stahlkonstruktionen schaffen

einen dynamischen Kontrast zur Massivi-

tät des umgenutzten Gebäudes aus Beton.

Eventuell notwendige Verstärkungen für bestehende Stahlbauteile sind unauffällig zu integrieren, wenn

Form, Oberflächenbehandlung und Verbindungstyp entsprechend gewählt werden. Die Stahlbauweise

kann auch dazu dienen, die Nutzungsdauer bestehender Betonbauten zu verlängern. So wurde zum

Beispiel Betonkonstruktionen an den Hafenanlagen von Paris, die deutliche Zeichen der Alterung zeig-

ten, ein vitaleres Erscheinungsbild verliehen, indem Laufstege mit freiliegenden Stahlkonstruktionen

hinzugefügt und Außenbereiche neu gestaltet wurden.

Angepasste Nachnutzung des ehemaligen Bahnhofs Orsay als

Musée d’Orsay in Paris, entworfen von Gae Aulenti: Das in der

Mitte des ehemaligen Bahnsteigbereiches einfallende Tageslicht

sorgt für eine gute Ausleuchtung der ausgestellten Plastiken.

Wo die Stahlkonstruktion verstärkt werden musste, erlaubten

Schraubverbindungen einen nahezu nahtlosen Übergang von den

bestehenden Nietverbindungen zu modernen Bauweisen.

Oben: Verschraubte Winkel und Bleche dienen im Musée d’Orsay

der Verstärkung dieser Eckverbindung.

Unten: Die neue Besuchererschließung der Galerie durch-

schneidet die Trägerkonstruktion des früheren Bahnhofsgebäudes,

so dass die bauzeitliche Konstruktion für den Betrachter zur

Schau gestellt wird.

–

223

N A C H H A L T I G K E I T F R E I L I E G E N D E R S T A H L K O N S T R U K T I O N E N

Sichtbare Stahlkonstruktionen sind prädestiniert zur Verringerung der eingesetzten Materialmengen.

Ihre Verwendung führt zu wesentlichen Einsparungen an zusätzlichen Innenausbaumaterialien, so dass

der Anteil der grauen Energie im Projekt sinkt. Hinzu kommt der Verzicht auf abgehängte Decken sowie

Gipskartonplatten oder sonstige kostenintensive Innenausbaumaterialien. Die Ästhetik freiliegender

Stahlkonstruktionen kann auch mit dem Einsatz minimalistischer, jedoch sehr dauerhafter Fußboden-

beläge einhergehen. Konsequenterweise ist dann auch für die Detailausbildung eine materialsparende

Bauweise zu praktizieren, und es sind Profilquerschnitte zu wählen, die beim Materialgewicht insgesamt

zu einer Ersparnis führen.

Wichtig bei freiliegenden Stahlkonstruktionen ist unter Gesichtspunkten der Nachhaltigkeit die sorg-

fältige Auswahl der Oberflächenbehandlungen und Brandschutzstrategien. Wie in Kapitel 7 „Beschich-

tung, Oberflächenbehandlung und Brandschutz“ dargestellt, ist der Gehalt des Anstrichsystems an

flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) zu überwachen und vorzugsweise eine Farbe mit niedrigem

VOC-Anteil zu verwenden, um Ausgasungen zu reduzieren. Sichtbare Stahlkonstruktionen erfordern

insbesondere in Bereichen mit hohem Verkehrsaufkommen eine dauerhafte Oberflächenbehandlung.

Zur Vermeidung häufiger Neuanstriche ist hier ebenfalls eine Abwägung zwischen der Dauerhaftigkeit

der Farbe bzw. Beschichtung und dem Problem der Ausgasungen notwendig. Bestimmte wasserbasierte

Anstriche bieten hier möglicherweise keinen optimalen Schutz. Sollte die Verwendung von Anstrichen

mit hohem VOC-Anteil erforderlich sein, so ist vor Beginn der Gebäudenutzung eine ausreichende

Wartezeitraum einzuplanen.

Auch bei Brandschutzbeschichtungen unterscheidet sich der VOC-Gehalt erheblich, je nachdem, ob

es sich um wasser- oder epoxidharzbasierte Systeme handelt. Hier kann wiederum eine Abwägung

zwischen der Umweltschädlichkeit mancher Brandschutzbeschichtungen im Hinblick auf die mögli-

chen Einsparungen an Beschichtungsmaterial und anderen Brandschutzmaßnahmen erforderlich sein.

Auch sind nicht alle Brandschutzbeschichtungen für das einfache Recycling oder die Wiederverwendung

des Stahls geeignet. Da sich die chemische Zusammensetzung und die Leistungsfähigkeit von marktüb-

lichen Beschichtungen schnell ändert, sollte zur Beschaffung der jeweils aktuellen Spezifikationen der

Hersteller konsultiert werden.

E M I S S I O N S A R M E E N T W U R F S S T R A T E G I E N

Die von Gebäuden ausgehenden CO2-Emissionen entstehen wesentlich aus der grauen Energie und dem

Energieverbrauch während des Betriebs. Die graue Energie ist Ergebnis der Prozesse der Herstellung,

des Transports und der Montage/Errichtung. In einer weiter gefassten Definition werden auch Emissi-

onen aus der Nutzung des Gebäudes sowie die Transportkosten der Nutzer berücksichtigt, die sich aus

dem Pendeln zum Arbeitsplatz bzw. durch Geschäftsreisen ergeben. Die für den Unterhalt und Betrieb

des Gebäudes erforderliche Energie macht ca. 80 % der CO2-Emissionen des Gebäudes aus. Zum Zeit-

punkt der Drucklegung des vorliegenden Buches liegt deshalb in diesem Bereich der Hauptangriffspunkt

zur Reduzierung der Umweltauswirkungen.

Das Prinzip des Nullenergie-Designs konzentriert sich auf eine erhebliche Senkung des für den Gebäude-

betrieb notwendigen Energieaufwands und eine vollständige Erzeugung der vom Gebäude verbrauchten

Energie aus nichtfossilen, erneuerbaren Quellen am Standort selbst. Der Grundsatz der CO2-neutralen

Planung legt das Hauptaugenmerk auf die Vermeidung des Einsatzes fossiler Brennstoffe oder mit

Emissionen verbundener Energiequellen während der Betriebszeit des Gebäudes. Zulässig sind hier

auch die kommunale Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen und die Kompensation von Emissi-

onen zum Ausgleich der Bilanz.

191.0

88.5

72.4

32.025.0

30.3

15.97.8

2.5 0.310.4

1.30

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

–

STAHL UND NACHHALTIGKEIT

Der Entwurf eines Nullemissionshauses bzw. eines Gebäudes nach Niedrigenergiestandard erfordert

die folgenden vier grundlegenden Schritte:

#1 - Verringerung des Verbrauchs/Bedarfs: passive Nutzung der Sonnenenergie, Tageslicht, Sonnen-

schutz, Gebäudeausrichtung, natürliche Be- und Entlüftung, Standortplanung und Materialität

#2 - Effiziente und effektive Nutzung von Energie: energieeffiziente/effektive Beleuchtung, hoch-

effiziente/effektive Haustechnik, Elektroinstallationen und sanitäre Anlagen sowie Steuerungen

#3 - Energieerzeugung vor Ort aus erneuerbaren Quellen zur Bereitstellung der benötigten

Energie. Die Umsetzung der zuvor genannten Schritte führt zunächst zu wesentlich kleiner di-

mensionierten Anlagen zur erneuerbaren Energieerzeugung, so dass das Ziel der CO2-Neutralität

erreichbar ist. Auch innerhalb der Gemeinde gemeinsam genutzte Ressourcen sind zulässig.

#4 - Anrechnung erworbener Emissionszertifikate als letztes Mittel nach Betrachtung aller

anderen Optionen am Standort.

Gegenwärtig wird die aus der Materialauswahl resultierende graue Energie in den für die Ermittlung

der CO2-Emissionen üblichen Verfahren nicht berücksichtigt, da hierfür deutlich komplexere, schwer

beurteilbare Berechnungen erforderlich sind, die sich je nach Standort und Hersteller unterscheiden.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Materialauswahl keinen wesentlichen Faktor darstellt und deshalb

bei der Entscheidungsfindung nicht zu berücksichtigen wäre. Die graue Energie erscheint jedoch in ihrer

Bedeutung eher sekundär, solange nicht wesentliche Einsparungen des Energieverbrauchs im Gebäu-

debetrieb möglich sind. Sobald die für den Betrieb erforderliche Energie erfolgreich reduziert wurde

und der Menge der aus erneuerbaren Quellen erzeugten Energie entspricht, wird die Komponente der

grauen Energie nahezu 100 % des dann verbleibenden Problems ausmachen.

Die Einflüsse der Materialauswahl lassen sich am zuverlässigsten in einer Ökobilanz ermitteln. In Studien

wurde ermittelt, dass bei einer Ökobilanz über 50 Jahre die Materialauswahl für die Tragkonstruktion

eines Gebäudes ca. 1 % des gesamten Energieverbrauchs ausmacht. Daher stellen bei der Planung

eines Tragsystems aus Stahl seine Dauerhaftigkeit, Flexibilität und unbegrenzte Wiederverwertbarkeit

positive Attribute dar.

Graue Energie verschiedener Baustoffe.

Die Werte für Recyclingstahl unterschei-

den sich je nach Verhältnis zwischen neu

produziertem Stahl und Schrott.

Quelle: University of Wellington,

Neuseeland, Centre for Building

Performance Research (2004)

In der Branche durchgeführte Berechnungen der grauen Energie gehen zumeist von der Herstellung von

Stahl aus Roheisen aus. Jedoch ist der Anteil dieses Stahls an der Gesamtproduktion sehr niedrig, da

Stahl überwiegend Schrottanteile enthält. Einer der wichtigsten Wege zur Minderung der aus der grauen

Energie resultierenden CO2-Emissionen besteht in der Verringerung des Materialeinsatzes und damit

verbunden des für die Errichtung des Gebäudes erforderlichen Energieaufwands. Bei der Abwägung

zwischen einer Stahlrahmenkonstruktion und der Stahlbeton- oder Massivholzbauweise sind weitere

Fragestellungen zu berücksichtigen, darunter Faktoren wie das Verhalten in Verbindung mit passiven

Heizungs- und Kühlsystemen, die Dauerhaftigkeit, mögliche Brandschutzmaßnahmen, der Recycling-

anteil sowie die lokale Verfügbarkeit.

Aluminum(Hütten-

alumninium)

Gra

ue

En

erg

ie, M

J/k

g

Anstrich auf

Wasser-basis

Teppich-boden

Stahl(allgemein,

aus Roh-eisen)

Stahl(Schrott-

anteil)

Glasfaser-dämmstoff

Float-glas

Zement Holz (Weichholz,

ofenge-trocknet)

Holz(luftge-

trocknet)

Sperrholz Beton(Transport-

beton, 30MPa)

–

225

REDUZIERUNG DES MATERIALEINSATZES

Selbst zwischen unterschiedlichen Stahlkonstruktionen besteht die Möglichkeit der Reduzierung des

Materialeinsatzes. Querschnitte, welche die vorteilhafte Anordnung des Materials in einem gewissen

Abstand von der Schwerpunktachse ermöglichen (zum Beispiel bei W-Profilen und Hohlprofilen sowie

Stahlgitterpfetten), führen zu einem sparsamen Materialeinsatz, der bei tragenden Bauteilen oder

Systemen, die des Einsatzes von Vollquerschnitten bedürfen, nicht möglich wäre. Diese Leichtgewich-

tigkeit der Konstruktion bewirkt sowohl eine Reduzierung des allgemeinen Materialeinsatzes als auch

eine Senkung der Kosten für den Transport und die Errichtung der Gründung. Bei Hohlprofilen kommt

dazu noch eine Verringerung des für die Beschichtung erforderlichen Materialaufwands, wenn man die

Oberfläche eines W-Profils mit einem Hohlprofil gleicher Tragfähigkeit vergleicht (unter der Annahme,

dass das Hohlprofil innen nicht beschichtet werden muss). Dies gilt für die Mehrzahl der Farbanstriche.

Bei verzinktem Stahl ist jedoch die gesamte Oberfläche zu beschichten – auch das Innere von Hohlpro-

filen –, um einen wirksamen Korrosionsschutz zu gewährleisten, was zu einer Erhöhung des Materialauf-

wands führt. Der Verzinkungsvorgang ist darüber hinaus energieintensiver, woraus sich eine Steigerung

der umweltbezogenen Kosten ergibt.

REDUZIERUNG VON ANSTRICHEN UND BESCHICHTUNGEN

Da freiliegender Stahl selbst architektonisches Gestaltungselement

ist und keine weitere Oberflächenbehandlung erfordert, führt die

Reduzierung des Einsatzes anderer Materialien zur Einsparung von

Ressourcen und Arbeitskosten. Brandschutzbeschichtungssysteme

ermöglichen die Zurschaustellung sichtbaren Stahls in unterschied-

lichsten Gebäudetypen und -nutzungen. Bei der Beurteilung des

Einflusses der Stahlkonstruktion auf das Innenraumklima ist sorgfäl-

tig auf die Wahl von Anstrichen zu achten, die keine bzw. nur einen

minimalen Anteil an flüchtigen organischen Verbindungen enthal-

ten. Dies gilt insbesondere für die Auswahl von Brandschutzbe-

schichtungen, da wasserbasierte Beschichtungen gegenwärtig nur

für den Schutz von Innenräumen eingesetzt werden und tendenziell

langsamer trocknen als die einen höheren VOC-Gehalt aufweisenden

Epoxidharzsysteme.

REDUZIERUNG VON ARBEITSKOSTEN

Durch die Industrialisierung der Fertigung in der Werkstatt sowie der Montage kann der Arbeitsaufwand

auf der Baustelle reduziert werden, was sich in einer Senkung der Personalkosten und der transportbe-

dingten CO2-Emissionen niederschlägt. Eine ganzheitliche Betrachtung der Stahlfertigung führt zu dem

Schluss, dass es künftig einfacher sein wird, die Fertigungsbetriebe aus erneuerbaren Energiequellen zu

versorgen, als diese erneuerbare Energie auf der Baustelle bereitzustellen. Selbst bei einer Projektpla-

nung mit einem erheblichen Anteil erneuerbarer Energien – wie zum Beispiel Photovoltaik und Windkraft

– stehen diese Energiequellen in der Regel erst kurz vor Fertigstellung des Bauvorhabens zur Verfügung.

Gesamt-Energieverbrauch eines Einzel-

handelsgebäudes, bestehend aus einer

typischen Konstruktion aus warmgewalz-

ten Stahlprofilen (geschätzte Nutzfläche

unter 600 m²), nach 50 Jahren. Auf die

Träger und Stützen entfallen unter 1 %

des Energieverbrauchs. Diese Zahl kann

je nach Nutzung variieren, doch wurde in

der Studie nachgewiesen, dass die Wahl

des Materials für die Tragkonstruktion

weniger bedeutend als andere Faktoren ist

(Energieverbrauch im Betrieb sowie Dau-

erhaftigkeit von Gebäudehüllen, Fenstern

und Türen). Für die Berechnungen wurde

die Software Athena Life Cycle verwendet.

Quelle: Kevin van Ooteghem, Life Cycle

Assessment of a Single Storey Retail

Building in Canada.

Das von SRG Partnership geplante

Gebäude der Lillis Business School an

der University of Oregon in Eugene,

ist nach LEEDTM Silver zertifiziert.

Hier dient eine sichtbare Stahlkonstruk-

tion zur Reduzierung des Materialauf-

wands für den Innenausbau. Der weiße

Anstrich des Stahls erhöht den Reflexions-

grad im Innenraum und trägt so zum

Tageslichteinfall bei.

Gesamt-Betriebsenergie93,07%

Fenster und Türen1,52%

Gründungen0,80%

Graue Energie gesamt6,93%

Gebäudehülle (Wände und Dach)3,99%

Träger undStrützen

0,62%

1 Coberta Understanding Steel Design GER.