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2. Preis – Luft + Schiff + Hafen - Drehbarer Hangar für Transportluftschiffe

Philipp Schaefer | RWTH Aachen

Philip Schaefer

2. Preis

Philipp Schaefer, Aachen
Masterarbeit

Laudatio:
Der Entwurf greift das wieder aktuelle Thema eines Transportluftschiffes auf, und setzt sich dabei intensiv mit den funktionalen Herausforderungen an die zum Bau erforderliche Luftschiffwerft auseinander. Der Entwurf weist eine hohe gestalterische Eigenständigkeit auf ohne dabei historische Bezüge zu verleugnen. Die gewählte Bogenform, ergänzt um abgeflachte Hallenenden minimiert das Volumen. Das vorgelegte Tragwerkskonzept zeigt, dass eine intensive Auseinandersetzung mit dem Material Stahl stattgefunden hat. Durch die gewählte Bogen- bzw. Schalenstruktur ergibt sich ein wirtschaftliches Tragwerk, steife Randträger wurden angeordnet, um die „Biegestörungen“ infolge der fehlenden Unterstützung der freien Schalenränder zu kompensieren. Der Lösungsansatz einer rotierenden Luftschiffhalle, um so auch bei starken Windbelastungen ein sicheres Öffnen der Tore zu erlauben, ist innovativ.

Die Jury

Erläuterung von Philipp Schaefer:

Hintergrund
Im März 2014 wurde in England ein Hybridluftschiff vorgestellt, das ursprünglich als militärische Drohne entwickelt wurde. Nachdem das Projekt wegen Budgetkürzungen gestrichen wurde, kaufte die an der Entwicklung beteiligte Firma die Rechte und den Prototyp zurück und beabsichtigt die Umnutzung als Transportluftschiff.

Abb. Philipp Schaefer

Der entstandene Entwurf behandelt die Problematik der Unterbringung eines solch großen Objektes bei gleichzeitigem Augenmerk auf das Aushallen des Luftschiffs, dessen empfindliche Hülle während dieses Vorgangs - und vor allem bei Seitenwind - besondere Aufmerksamkeit erfordert. Aus diesem Grund nimmt der Entwurf die (fast) schon in Vergessenheit geratenen drehbaren Luftschiffhallen aus der Zeit des ersten Weltkriegs wieder auf.

Entwurf
Die prägende Form des Entwurfes ist der Kreis - nicht nur durch das Schienensystem, auf dem er aufliegt, sondern auch im Quer- und Längsschnitt. Die Grundgeometrie des Hangars basiert auf zwei ineinander liegenden Tori mit gleichem Ursprung. Dadurch, dass der Rotationskörper des äußeren Torus einen größeren Radius aufweist als der des Inneren, ist es möglich, einen Teil der Konstruktion, der gleichzeitig Tor, Dach und Windschutzschild ist, um die Hälfte des Sehnenwinkels, der den Entwurf beschreibt, zu verschieben. Dabei wird der freie Platz vor der Halle genutzt, der zum Herausfahren des Luftschiffs benötigt wird und gleichzeitig die Problematik umgangen, wie mit der Torkonstruktion im geöffneten Zustand des Hangars umzugehen ist.

Während sich der Hangar zum Aushallen des Luftschiffs um 180° in den Wind dreht, verschiebt sich die Dach- bzw. Torkonstruktion um 100%, was zur Folge hat, dass das Erscheinungsbild des Entwurfs weitgehend gleich bleibt, die offene Torseite des Hangars allerdings nun im Windschatten liegt, während die Anlieferungsseite für den Zeitraum des Aushallens unter der Konstruktion verschwindet und Turbulenzen somit unterbunden werden.

Hat das Luftschiff den Gefahrenradius verlassen, drehen Hangar und Dach sich zurück - die Torseite des Hangars ist wieder geschlossen und die Anlieferung liegt nun wieder im Windschatten.

Standort
Als exemplarischen Standort für den Hangar dient Honolulu auf Oahu/Hawaii, einerseits, weil dort bereits ein etabliertes Drehkreuz mit großem Flughafen und Hafen in starker räumlicher Nähe zu einander existieren, andererseits, weil Oahus Lage im Pazifik der ungefähren Reichweite des Luftschiffs aus mehreren Festlandgebieten entspricht und damit geographisch günstig zwischen Nord-, Südamerika, Japan und Australien liegt.

Zudem wäre es so möglich, per Luftschiff abgelegene Atolle und Inseln zu versorgen, die sonst nur mit kleinen Schiffen und bei Flut zu erreichen sind.

Abb.: Philipp Schaefer

Konstruktion
Konstruktiv baut der Entwurf auf sechs Auflagern bzw. Laufwerken auf, die an die Funktionsweise von drehbaren Radioteleskopen angelehnt sind. Auf das darauf aufliegende Rost von 140x70m baut eine Konstruktion aus je zwei Stabbogenträgern pro Längsseite auf, zwischen denen die bewegliche Tor- bzw. Dachkonstruktion aufgehängt ist und sich mit Hilfe eines Zahnradantriebs bewegen lassen soll. Laufwerke und Rost liegen in einem kreisförmigen Trog, damit die Oberkante des Rosts gleich dem Geländeniveau ist.

Die darüber liegende eigentliche Tragkonstruktion, sowohl für die innere als auch die äußerere Hülle des Hangars, besteht aus einer biaxial gekrümmten, voll ausgesteiften Stabnetzschale aus lasergeschweißten Hohlprofilen mit einer transluzenten PTFE-Haut. Diese Konstruktion soll einerseits die Steifigkeit des Hangars bei Seitenwind während des Drehvorgangs und der Bewegung selbst sicherstellen, andererseits lehnt sie sich vom Prinzip an die Konstruktion der großen Starrluftschiffe in den 1930er Jahren an, die ebenfalls möglichst autostabil bei gleichzeitiger  Gewichtseffizienz sein mussten. Zudem bietet sie die Möglichkeit eines hohen Vorfertigungsgrades, sich wiederholender Bauteilgeometrien und damit auch gleicher Detailpunkte.

Abb.: philipp Schaefer

Im Inneren des Hangars wurde auf einen vollflächigen Bodenbelag verzichtet, da dessen konstruktiver Aufwand dem Nutzen im Wartungsbetrieb gegenüber nicht gerechtfertigt wäre. Stattdessen ist die begehbare Fläche auf zwei Wartungsstege begrenzt, die den Innenraum gleichzeitig in drei weitere Bereiche teilen. Diese Flächen sind ausgesteift, ansonsten offen und nur mit einem Fangnetz als Absturzsicherung, wie auch am Rand des Trogs, ausgestattet. Um auch in diesen Bereichen Wartungsarbeiten durchführen zu können, gibt auf Schienen verfahrbare Plattformen mit Hebebühnen, die ein punktuelles Arbeiten an der Außenhaut des Luftschiffes ermöglichen.

Die gleiche Technik verwenden der verfahrbare Ankermast und eine Frachtplattform. Letztere lässt sich an der Anlieferungsseite des Hangars durch ein Rolltor aus dem Gebäude fahren. Hier kommt allerdings zusätzlich das Prinzip eines Zweiwegefahrzeugs zum Einsatz - innerhalb des Hangars sollen Ankermast und Ladeplattform auf Schienen fahren, außerhalb auf gewöhnlichen Reifenfahrwerken.

Die Kontrollbrücke des Hangars steht auskragend auf Pendelstäben und wird von Zugstäben gehalten, sie umfasst drei Regelgeschosse mit zwei Erschließungskernen und ist konstruktiv an den Schiffsbau angelehnt. Eine doppelwandige Stahlhaut, die mit Spanten und Stringern verschweißt ist, bildet die tragende Schale.

Die Anlieferungsseite des Hangars ist mit einer Seilnetzfassade, die der halbkreisförmigen Fläche tragkonstruktiv entgegen kommt, geschlossen.

Geometrie
Auf die mathematisch korrekte Ausarbeitung der Idee wurde nicht nur besonderen Wert gelegt, sie war unabdinglich für die zeichnerische und konstruktive Umsetzung. Bei beabsichtigen Grundrissmaßen von 140x70m ist es erforderlich, die Sehnenkonstruktion, die den Hangar beschreibt, „von innen“ zu erstellen, was zeichnerisch nicht zu lösen ist.

Ausgehend von einer inneren Sehnenlänge von 140m und - wenn man von einem Torus mit einem Kreis als Rotationskörper ausgeht - einem Radius dieses Rotationskörpers von 35m (70m/2), war der gemeinsame Kreismittelpunkt zweier Kreise gesucht, von denen der Radius des äußeren Kreises um 36m (35m + 1m Trägerkonstruktion) größer ist als der des inneren Kreises - unter der Berücksichtigung, dass der Sehnenwinkel des äußeren Kreises das Doppelte des inneren Sehnenwinkels beträgt.

Die Lösung dieses Problems ist ein Gleichungssystem fünften Grades beruhend auf drei Grundgleichungen, das nach Anwendung des Einsetzungsverfahrens und letztendlichem Gleichsetzens mit Null mehrere näherungsweise Ergebnisse liefert, von denen a = 10.2997 das in diesem Fall Zutreffende ist.

Aus diesen Ausgangswerten lassen sich alle weiteren Abmessungen und Winkel errechnen.

  • Gleichung (A) bezieht sich auf die Verhältnismäßigkeit der Strecken 70m zu x als Gegenkatheten eines rechtwinkligen Dreiecks mit der Hypotenusen r bzw. r+36 bei gleichem Winkel alpha / 2.
  • Gleichung (B) bezieht sich nach dem Höhensatz auf das rechtwinklige blaue Dreieck mir 2*r als Hypotenuse.
  • Gleichung (C) nimmt Bezug auf den Kathetensatz im rechtwinkligen, magentafarbenen Dreieck mit der Hypotenuse 2*r+36.

 

Master Arbeit
Philipp Schaefer

RWTH Aachen
betreut durch
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. M. Arch Peter Russel
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Mirko Baum