Glasbau 2015 - Weller, Bernhard / Tasche, Silke (Hrsg.) by Ernst & Sohn

Die längste Seilnetzfassade der Welt in Dongguan Sven Plieninger, Jörg Mühlberger, Wei Chen 1 schlaich bergermann und partner, Beratende Ingenieure im Bauwesen, Schwabstraße 43, 70197 Stuttgart, Deutschland, stuttgart@sbp.de In Dongguan steht seit 2014 eine der modernsten Basketballhallen Chinas. Basketball hat dort einen hohen Stellenwert, daher fasst die Halle 15 000 Zuschauer. Ihre Ausstattung und Abmessungen sind mit einer modernen NBA-Halle in den USA vergleichbar. Gefordert war eine möglichst positive und einmalige architektonische Erscheinung. Die Aufgabe wurde mit dem Bild eines Basketballkorbs gelöst, bestehend aus einer ringförmigen Dachstruktur, die eine Kombination aus Hängetragwerk und Stahlfachwerk darstellt. Hinzu kommt das charakteristische Netz, das die Hallenfassade bildet und interessante Einblicke schafft. Diese 500 Meter lange doppelt gekrümmte Seilnetzfassade stellt die derzeit wohl längste Fassade ihrer Art in der Welt dar. The longest cable net wall in Dongguan. Since 2014, Dongguan is home to one of the most modern basketball arenas in China. Since basketball is of great significance in China, the arena can host up to 15,000 spectators. Its facilities and dimensions are comparable to a modern NBA arena in the USA. One of the requirements was a positive and unique architectural appearance. It was met by using the image of a basketball hoop consisting of a circular roof structure, which is formed by combining a suspended structure and steel trusses. Additionally, it features a distinctive cable net which forms the arena façade and allows for interesting views. This 500 meters long double curved cable net façade represents the possibly worldwide longest façade of its kind. Schlagwörter: Seilnetzfassade, Stadion, Dreiecksscheiben Keywords: cable suspended façade, stadium, triangular glass panels

Bild 1-1 Tagesansicht der Dongguan Basketballhalle © Christian Gahl

Die längste Seilnetzfassade der Welt in Dongguan

Einleitung

Durch ihre internationale Ausrichtung und die erfolgreiche Mannschaft „Dongguan Leopards“ genießt die westliche Sportart Basketball in der südchinesischen Stadt einen hohen Stellenwert. Die neue Halle, die sowohl als Heimatstadion als auch für große Veranstaltungen der Region genutzt wird, hat die amerikanische NBA-Halle zum Vorbild. Dazu gehören neben der Hallengröße eine mehrgeschossige Tribünenanlage inklusive VIP-Boxen sowie ein Videowürfel mit Werbeanlage. Um den umbauten Raum zu minimieren, bietet sich ein Dachtragwerk mit offener Nabe an, in dem der Videowürfel geparkt werden kann. Das Bild des Basketballkorbs wurde für die Ausformung des Gebäudes gewählt: Eine Seilnetzfassade umspannt die 16 bis 26 Meter hohe Halle und bildet eine doppelgekrümmte „Schale“ mit einer Länge von rund 500 Metern. 2

Die Tragstruktur der Halle

Die Gesamtabmessung der Halle beträgt ca. 160 m im Durchmesser. Den zentralen Baukörper bildet die in Ortbeton ausgeführte Stadionschüssel. Sie sitzt auf dem ebenen Baugelände und hat einen Durchmesser von ca. 126 m. Das 6 bis 7 geschossige, also etwa 22 m hohe Gebäude, enthält auf der Erdgeschossebene die Spielfläche mit allen Servicefunktionen und Technikflächen. Das Bauwerk präsentiert sich leicht erhöht auf einer kegelförmigen Anschüttung (+9 m), die gleichzeitig die Untergeschosse überdeckt.

Bild 2-1 Modell des Tragwerkes

2 Die Tragstruktur der Halle

Bild 2-2 Schnitte durch Hochpunkt und Tiefpunkt des Druckrings. © Architekten von Gerkan, Marg und Partner

Das stählerne Tragwerk wird am äußeren Rand von 28 V-Stützen (D = 608 mm), die der ondulierenden Dachform (16 bis 26 m) angepasst sind, getragen. Auf ihnen ruht der umlaufende Druckring, der alle Horizontallasten aus der Hängewirkung des Innendaches aufnimmt. Von ihm aus verlaufen radiale „Speichen“ bis zur mittleren Nabe. Auf der Oberkante der Tribüne werden zusätzlich 28 kurze Pendelstützen angeordnet. Von hier aus verlaufen nach unten geneigte Zugelemente (Rechteckhohlquerschnitte h/b 300/500 mm) zur Nabe. Die Speichen werden hierauf über vertikale Pfosten und zusätzliche Diagonalen aufgesetzt.

Bild 2-3 Offene Nabe mit verfahrbarem Videowürfel. © Christian Gahl

Die längste Seilnetzfassade der Welt in Dongguan

Die doppeltgekrümmte Seilnetzfassade

Die umlaufende Fassade wird zwischen der 9 m Ebene und dem Dachtragwerk aufgespannt. Anfangs war eine gewöhnliche Pfosten-Riegelfassade geplant, diese konnte jedoch nicht die gewünschte optische Leichtigkeit erreichen. Der architektonisch erwünschte Korb-Gedanke konnte nur mit einer filigranen Seilnetzkonstruktion umgesetzt werden. Mit einer Seilnetzfassade lässt sich eine maximale Transparenz erreichen. Die meisten der von schlaich bergermann und partner entwickelten und auch in China gebauten Seilnetzfassaden werden aus einer horizontalen und einer vertikalen Seilschar gebildet. Sie werden größtenteils eben ausgeführt und mit ebenen Verbundsicherheitsgläsern ausgestattet. Die oft starken Verformungen werden durch eine Verwindung der rechteckigen Gläser aufgenommen. Soll die entstehende Fläche des Netzes jedoch räumlich gekrümmt sein, erfordert dies mehr Steifigkeit bzw. geringere Verformungen. Da anfangs noch der Wunsch einer Isolierverglasung bestand, die kaum Verwindungen der Scheiben ohne Verlust der Dichtigkeit zulässt, haben wir uns dem „Netzgedanken“ folgend für zwei gegeneinander verschwenkte, vertikale Seilscharen und eine in der Umfangsrichtung verlaufende Seilschar entschieden, die damit Dreiecksscheiben ergeben. Dank dieses Prinzips kann durch Vorspannung der im Umfang geführten Seile das gesamte Tragwerk vorgespannt werden. Die dadurch entstehenden antiklastischen Krümmungen der Seilscharen führen zu einer „Schalentragwirkung“ mit einer verhältnismäßig hohen Steifigkeit.

Bild 3-1 Innenansicht des Seilnetzes mit V-Stützen. © Christian Gahl

3 Die doppeltgekrümmte Seilnetzfassade

Bild 3-2 Mehrteiliger Glasklemmhalter mit zentraler Verbindungsschraube

Alle Seile wurden bei der Planung als parallele Seilpaare ausgeführt, so dass der Seilknoten mit einer Zentralschraube zum einfachen Verbinden der einzelnen Elemente ausgeführt werden konnte (siehe Abbildung 3-2). Die vertikalen Doppelseile bestehen aus offenen Spiralseilen (OSS) d = 14,1 mm, die Ringseile aus je zwei OSS d = 20,1 mm. Als Seilanschlusspunkt am Dachtragwerk wurde ein zweiter zurückgerückter Ringträger eingeführt, der der Ondulation des äußeren Druckringes folgt. Der vertikale Abstand wird gleichmäßig unterteilt, so dass 12 Glasscheiben entstehen. Aufgrund der Ondulation des Ringträgers ergeben sich unterschiedliche Scheibenabmessungen von 1,2 m bis 1,4 m Breite und entsprechend der vertikalen Ondulation eine Höhe von 1,7 m bis zu 2,4 m. Auf der 9 m Ebene ist das Seilnetz durch im Beton eingelassene Rohrhülsen geführt und mit Radialgelenklagern gegen Einbauteile abgesetzt worden (siehe Abbildung 3-3). Gründe für diesen geometrisch komplexen Anschluss waren zum einen die Notwendigkeit, ausreichend Spannweg zum Toleranzausgleich zur Verfügung zu stellen, des Wei-

Die längste Seilnetzfassade der Welt in Dongguan

teren sollte so wenig wie möglich der Anschlussmimik gezeigt werden. Letzter Grund war die architektonische Anforderung, mit der Verglasung so bodennah wie möglich zu beginnen (hier 20 cm über FFB). Aufgrund des vertikalen Versatzes der unteren Lagerung kommt es auf Höhe des untersten Knotens bereits zu Horizontalverformungen. Diese wurden bei der Ausführung der Bauwerksabdichtung berücksichtigt. Eine weitere technische Herausforderung stellen die Eingangstüren dar. Für die vorgesehenen Rahmenkonstruktionen wurden verschiedene Varianten berechnet. Der konstruktiv einfachste Ansatz eines starren eingespannten Rahmens hatte große Nachteile, da die Homogenität der Fassadenverformungen zu abrupt unterbrochen wurde und die Seildifferenzkräfte an den nahe gelegenen Knoten zu groß wurden. Aus diesem Grund wurden gelenkige Rahmen entworfen. Diese kippen zwar aufgrund ihres Eigengewichtes nach außen, die hierbei auftretenden Verformungen sind jedoch wesentlich homogener. Auch für die Rahmen wurde derselbe Toleranzausgleich der Seilanschlüsse mit samt Radialgelenklager vorgesehen.

Bild 3-3 Detail Anschluss Fußpunkt mit Durchführung durch 9 m Level

Als Grundlage der Formfindung diente das spannungslose Netz eines Kegelstumpfes, wobei durch gleichmäßigen „Unterdruck“ die benötigte Ringvorspannung und die antiklastische Form gefunden wurden. Aus funktionalen architektonischen Gründen war die Krümmung des Netzes nach innen limitiert: a) aus reinen Gestaltungsgründen b) da der verbleibende Luftraum zwischen Fassade und den Treppen zur umlaufenden Empore knapp war und damit auch c) die Verformungen möglichst gering sein mussten. Dem entgegen stand der Wunsch d) die

3 Die doppeltgekrümmte Seilnetzfassade

Seilkräfte und auch die Seilquerschnitte zu beschränken, da diese direkte Einwirkungen auf den umlaufenden Druckring mit den angeschlossenen V-Stützen haben. Ergebnis dieser Randbedingungen war eine Vorspannkraft von 195 kN für die Ringseilpaare, die als einziges Mittel zum Vorspannen des Netzes genutzt wurden. Hieraus ergaben sich Seilkräfte von ca. 85 kN in den vertikalen Seilpaaren. Das Vorspannkonzept sah ein stufenweises Vorspannen mit 50, 75 und 100 Prozent der Vorspannkraft vor, um ein Seilkriechen nach der Montage möglichst einzudämmen (vorgereckte Seile sind in China selten verfügbar) und um den nachträglichen Einfluss auf die Geometrie der Fassade zu minimieren. Um Aufbautoleranzen mit abzudecken, wurden alle Nachweise sowohl mit 90 als auch 110 Prozent des Vorspannniveaus geführt. Die Berechnungen wurden zunächst an zwei getrennten Systemen für das Dachtragwerk und die Seilnetzfassade ausgeführt. Die Lasten der Fassade auf den Ringträger des Daches wurden aus dem unabhängigen Fassadennetzmodell ermittelt und im Modell des Daches als eigene Lastfälle aufgebracht. Gegen Ende der Planungsphase wurden beide Modelle in ein gemeinsames zusammengeführt, um die Auswirkungen der Nachgiebigkeit des Dachtragsystems auf die Fassade zu untersuchen. Da beim Teilmodell der Fassade bereits mit unterschiedlichen Auflagersteifigkeiten für die zu erwartenden Durchbiegungen des Ringträgers gerechnet wurde, konnten die Ergebnisse mit sehr geringen Abweichungen am Gesamtmodell verifiziert werden. Die am zusammengeführten Modell nachvollziehbare Verformung des Ringträgers hat nach dem Vorspannen nur geringe Auswirkungen auf das Seilnetz. Diese musste aber bei der Seillängenberechnung und der Installation mit berücksichtigt werden, um die korrekte Vorspannung in den Seilen zu erreichen. Auf Winddrucklasten reagiert das System mit einer Zunahme der vertikalen Seillasten und einem Abbau der Vorspannung der Ringseile. Für lokale Einflüsse der Winddrucklasten bleibt aufgrund der diagonalen Anordnung der Vertikalseile ein Ringseilkraftabbau örtlich begrenzt, da sich jeder Knotenpunkt quasi nur normal zur Scheibenebene verformen kann. Für Soglasten kehrt sich das System um. Da sich Dongguan in einer Region erhöhter Erdbebenlasten (Kategorie 7 mit 0,1 g Bodenbeschleunigung) befindet, wurde am komplexeren Gesamtmodell mit Hilfe des Antwortspektrumverfahrens der obligatorische Erdbebennachweis für das häufig auftretende (für Verformungen relevant), das mittlere (kein Fließen der Profile erlaubt) und das seltene Erdbeben (Fließgelenke unter Ausbildung eines alternativen Lastpfades erlaubt) geführt.

Die längste Seilnetzfassade der Welt in Dongguan

Die Glasscheiben wurden in der Berechnung ohne eigene Steifigkeit mitgeführt und lediglich zur Lastaufbringung genutzt. Ihr Eigengewicht beträgt 50 kg/m2 (2 x 10 mm ESG). Die Lasten wurden gemäß Chinesischer Norm angesetzt, für den Ansatz der Windlasten auf Dach und Fassade wurde ein Windkanaltest durchgeführt. Hieraus ergeben sich Windsoglasten auf dem Dach von bis zu 1,5 kN/m2 und ein maximaler Winddruck auf der Fassade von 1,1 kN/m2.

Bild 3-4 Verformung der Fassade unter Windlasten (überhöht) [mm]

Je nach Windrichtung kommt es zu unterschiedlich starken Verformungen der Seilnetzfassade, die auch abhängig von der jeweiligen Fassadenhöhe sind. In Kombination mit den Temperaturerhöhungen wird ein Maximalwert von ca. 185 mm erreicht. Bei einer Höhe von ca. 26 m entspricht dies einem Wert von l/140. Die Seilkräfte wachsen im ULS auf bis zu 170 kN für die vertikalen Seilpaare sowie 370 kN für die Ringseilpaare an. Somit ergibt sich eine Auslastung von 78 Prozent für die d = 14,1 mm OSS sowie 83 Prozent für die d = 20,1 mm OSS, und noch genügend Sicherheit für auftretende Installationsungenauigkeiten dieser komplexen Fassadenstruktur. Die maximalen Differenzkräfte an den Seilknoten betragen nur ca. 35 kN. Diese können auf verschiedene Anteile zurückgeführt werden: a) Umwandlung der Ringseilkraft in vertikale Seilkräfte b) Höhenmäßige Ondulation der Ringseile c) Glaseigenwicht d) Verformungen im Bereich der Türöffnungen, welche nicht affin zu den restlichen Verformungen sind. Die Differenzkräfte werden über die Vorspannung der Seilteller vom Seil abgenommen und über die Zentralschraube kurzgeschlossen.

4 Glaspaneele

Glaspaneele

Für die Bemessung der Glaspaneele wurden vier maßgebliche Glasscheiben berechnet. Da die sehr langen Scheiben sehr spitzwinkelig in den Knoten einlaufen, kommt der Modellierung und dem Ansatz der Steifigkeiten im Knoten besondere Bedeutung zu. Je nach Ansatz der Steifigkeit der EPDM Einlagen im Knoten kam es zu extremen Spannungskonzentrationen in Auflagernähe und so wurde relativ schnell beschlossen, ein Zwischenauflager an der langen Kante der Scheibe auszubilden. Da dieser Halter sich nur mittig auf das Seilpaar aufstützt (Abbildung 4-1), also einen weichen Stützpunkt bildet, wurde eine Sensitivitätsanalyse mit verschiedenen Vorspannniveaus durchgeführt.

Bild 4-1 Dreiecksscheiben mit Zwischenhalter. © Christian Gahl

Im Zuge der vom chinesischen Partnerbüro durchgeführten bauphysikalischen Nachweise wurde der Scheibenaufbau geringfügig abgewandelt. Zum Einsatz kam eine 12 mm ESG Scheibe, eine in das PVB einlaminierte XIR-Sonnenschutzfolie und eine weitere 8 mm dicke mit Low-E Beschichtung ausgeführte ESG Scheibe. Des Weiteren wurde der Seilknoten dahingehend abgewandelt, dass es sich beim Ringseil nur noch um ein einzelnes Seil handelt, was gewisse Vorteile beim Vorspannen mit sich brachte.

Die längste Seilnetzfassade der Welt in Dongguan

Resümee

Die fast 500 m lange doppelt gekrümmte Seilnetzfassade, die die Halle umschließt, sorgt für eine maximale Transparenz und schöne Ein- und Ausblicke. Durch eine sorgfältige Konzeption und Betreuung der Firmenplanungen konnte eine für China technisch sehr innovative Kombination aus Tragstruktur und Form geschaffen werden. Die doppelte, antiklastische Krümmung der Fassadenfläche entfaltet bei moderater Vorspannung hervorragende Trageigenschaften, die für diesen Typ sehr geringe Verformungen aufweist. Eine Weiterentwicklung in Richtung der ursprünglich angedachten isolierverglasten Fassade auf einem Seilnetz erscheint sinnvoll.

Bild 5-1 Nachtansicht der fertiggestellten Basketballhalle. © Christian Gahl

Projektdaten und Projektbeteiligte

Projektdaten: – – – – – –

Planungszeitraum (sbp): 10/2007 - 08/2008 Bauzeit 2009 - 2014 Stahltonnage: 2300 t Gesamte Seillänge ca. 44000 m Gesamtanzahl Glasscheiben: 7822 Kapazität 14730 Sitze

Projektbeteiligte: – schlaich bergermann und partner – Wei Chen, Birgit Dephoff, Jörg Mühlberger, Sven Plieninger, Bernd Ruhnke, Peter Schulze, Hongyang Zheng, pg Kuhn – Bauherr: Dongguan Civil Construction Administration Office – Architekt: gmp Architekten von Gerkan, Marg und Partner, – Chinesisches Partnerbüro: CABR, China Academy of Building Research (Beijing)

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