Estádio Jornalista Mário Filho - Maracanã - Rio de Janeiro, Brasilien

Auszeichnung
Ingenieurpreis des Deutschen Stahlbaues 2015
Kategorie Hochbau

Knut Göppert (schlaich bergermann und partner, Stuttgart)
Überdachung Estádio Jornalista Mário Filho, Maracanã

Zur Erhaltung von Erscheinungsbild und damit Mythos des historischen Maracanã -Stadions wurden die modernen Stadiondachtypen intelligent weiterentwickelt und damit eine behutsame Modernisierung ermöglicht. Kombiniert wurden die beiden Grundtypen räumlicher Stadiondachtragwerke mit zwei außenliegenden Druckringen einerseits und mit zwei innenliegenden Zugringen andererseits zu einer Mischform mit jeweils schlanker Innen- und Außenansicht. Damit wurde die bestehende Außenansicht bewahrt und die Sicht nach innen auf den heiligen Rasen verbessert. Ein mutiger und trotzdem diskreter Eingriff.
Die für diesen Ort und diese Bauaufgabe gefundene Lösung ist eine Kombination aus Respekt vor dem Bestehenden, Materialeffizienz und Innovation. Deutsche Ingenieurskunst und Mannschaftsleistung sind so an einem mythischen Ort im Erfolg vereint.

Erläuterungsbericht von Knut Göppert | schlaich bergermann und partner zur Einreichung beim Ingenieurpreis des Deutschen Stahlbaues:

Aufgabenstellung
Mit der Entscheidung die FIFA Fußball-Weltmeisterschaft 2014 in Brasilien auszutragen war der Grundstein für die Sanierung oder gar den Neubau diverser Austragungsorte gegeben. Nach anfänglichem Gerangel der Städte war klar, dass Sao Paulo die Eröffnung und Rio de Janeiro das Endspiel ausrichten dürfen.

Das Estádio Jornalista Mário Filho, liebevoll Maracanã genannt, schrieb bereits über viele Jahrzehnte Geschichte und hat Momente grenzenloser Freude und unfassbarer Enttäuschung erlebt.
Über 200.000 Zuschauer sahen das WM-Endspiel zwischen Brasilien und Uruguay 1950, das so unglücklich 1:2 endete und auch heute noch wie ein Fluch über Brasilien schwebt, 195.000 waren es beim Lokalderby zwischen Fluminense und Flamengo 196. Pelé, Ghiggia, Sinatra, Johannes Paul II waren dort. All das sind Fakten, Zahlen und Namen, die den Mythos Maracanã begründen.

Grafik:  Marcus Bredt

Es gibt wohl nur wenige Gebäude auf der Welt, die in der vergleichsweisen kurzen Zeit ihres Bestehens eine derartige Bedeutung und Bekanntheit erlangten. Weltweit verbinden Fußballfans mit diesem Namen große Momente des Sports. "Templo sagrado no país do futebol" - der heilige Tempel im Land des Fußballs, so nennen die Brasilianer "ihr" Maracanã. Hunderttausende strömen jedes Jahr dorthin nur um den heiligen Rasen aus näherer Entfernung zu bewundern. 
Umso wichtiger war für uns die Nachricht nach jahrelanger Akquise, dass wir dem Tempel des Sports ein neues Dach aufsetzen dürfen, mit eben dem Stoff aus dem Ingenieurträume sind. 

Rationaler betrachtet ging es zentral um „Bauen im Bestand“ – und dem kommt heutzutage zu Recht eine immer wichtigere Bedeutung zu. Sich in der Vorbereitung der Planung, der Planungsaufgabe selbst und der Ausführungsbegleitung damit auseinanderzusetzen, bedarf großes technisches Verständnis, Einfühlungsvermögen, Durchhalte- und Durchsetzungskraft. Es fordert die Fähigkeit mit Rückschlägen umzugehen und die sich immer während weiterentwickelnde Planungsgrundlage als Motivation zur Innovation und ständigem Hinterfragen des eigenen Handelns zu sehen und nicht als Last und gar Bremse eines vermeintlich von Beginn an durchstrukturierten Prozesses.
Die Planungsaufgabe war von offizieller Seite an sich schnell definiert - das Maracanã sowie die nähere Umgebung sollten durch eine Reihe von Maßnahmen modernisiert und auf die aktuellen Anforderungen der Öffentlichen Hand und der FIFA angepasst werden. 
Bei genauerer Betrachtung musste neben den Budgetgrenzen und Zeitrestriktionen mit einem sichtbar in die Jahre gekommenen Baukörper und damit vor allem grundlegenden Bedenken zur Standsicherheit umgegangen werden. Vor allem aber musste eine Lösung erarbeitet werden, welche die Seele und den Mythos des Ortes als Ikone des Sports und als Wahrzeichen Rio de Janeiros bewahren würde.

In der Anfangsphase des Projekts wurde eine Vielzahl unterschiedlichster Varianten unter Erhalt des Betondachs untersucht und bis weit in die Genehmigungsplanung verfolgt. Erst spät in der Planungsphase ergaben die von der Regierung und des Generalunternehmers durchgeführten detaillierten Untersuchungen und wirtschaftlichen Betrachtungen, dass die erforderliche Sanierung des aus dem Jahre 1950 stammenden Betonkragdachs deutlich aufwendiger werden würde als Abriss und Neubau einer vollständigen Überdachung auf dem in jedem Fall zu erhaltenden denkmalgeschützten Unterbau und Fassade.
Durch die Entscheidung der Verantwortlichen zum Abbruch des bestehenden Betonkragdachs, änderten und erweiterten sich natürlich die Entwurfsrandbedingungen grundlegend, und ein Neuanfang in der Planung war unumgänglich.

Lösungsweg

Der noch zu Beginn gewählte Ansatz ging von Erhalt und Integration des bestehenden Betonkragdaches aus. Die dazu entwickelte Lösung basierte ebenfalls auf dem überaus vielfältigen und intelligenten Prinzip des Speichenrades, mit der Schwierigkeit, dass die Punkte zum Absetzen der Last am Außenring des Stadions sind, und die neu zu überdachende Fläche sich am Innenrand des Betonkragdachs anschließt.

Plan: schlaich bergermann und partner

Zwei äußere Druckringe wurden dafür auf den bestehenden 60 Dachträgern in der Hauptstützenachse aufgelagert. Ein System an radialen, sich an der Innenkante des Bestandsdachs überkreuzende Seilbinder, verbinden die Druckringe mit zwei Inneren Zugringen und sorgen damit für die erforderliche Stabilisierung des Systems. Nur der innere Dachteil sollte mit Membran überspannt werden und, um eine gefällige Form des neuen Dachteils in Verlängerung des Bestandes zu erzeugen, wurden anstelle der typischen vertikalen Hängerseile Druckstäbe eingebaut, die durch die entstehenden leicht gekrümmten radialen Fischbauchträger gleichzeitig die erforderliche Membrankrümmung erzeugen. Der neue Dachinnenrand wurde durch großzügige Kragträger schlank ausgebildet. 

Mit der Entscheidung das bestehende Betondach zu entfernen, war die bis dahin bereits durchdetaillierte Lösung obsolet. Innerhalb kürzester Zeit galt es nun eine neue Lösung zu entwickeln.

Durch den Wegfall des Kragdaches konnte mit nur einem äußeren Druckring gearbeitet werden. Die erforderliche statische Bauhöhe der radialen Achsen wurde durch den Einbau von Luftstützen im vorderen Drittel erzeugt, wodurch die radialen Seile aufgespannt wurden. An den Enden der Luftstütze und an der Innenkante wurden die charakteristischen drei Zugringe eingeführt. 

Die Dachhaut wurde durch eine PTFE beschichtetet Glasfasermembran gebildet, die zwischen den radialen Hauptachsen spannt. Zur Stabilisierung dieser Fläche sind in zusätzlichen Zwischenachsen radiale Kehlseile eingebaut, die auf Höhe der Luftstützen einen zum unteren Zugring verspannten Tiefpunkt und damit Entwässerungspunkt erzeugen. Die Membranfelder bekamen dadurch eine charakteristische, räumlich gekrümmte und elegante Drachenform und zeigen sich im Gesamten als eine Art gefaltete Dachfläche, die mit ihrer radialen Ausprägung die Formsprache des ursprünglichen Daches mit seinen dominanten radialen Betonträgern wieder aufnimmt.

Der Entwurf mit extrem schlanker Außen- und Innenkante und der gewünschte behutsame Umgang mit dem Bestand beruhigte auch die durchaus besorgte Denkmalschutzbehörde IPHAN. Dort wurde schnell erkannt, dass dadurch die Ikone Rio de Janeiros nicht grundlegend verändert wird., sondern das Fortführen und Betonen der auffälligen radialen Struktur im Alten wie im Neuen und das Zusammenspiel der filigranen transluzenten Seildachleichtigkeit das Wahrzeichen Rio de Janeiros vielmehr in ein neues Zeitalter führen würde.

Die Funktionsweise eines Ringseildaches an sich basiert auf der äußerst wirksamen Interaktion von radialen und ringförmigen Zug- und Druckelementen. Die radialen Seilbinder bestehen immer aus zwei entgegengesetzt verlaufenden und meist auch gegensinnig gekrümmten Seilebenen. Eine Seilebene dient dem Lastabtrag bei abwärts gerichteten äußeren Lasten (z. B. Hagel), die andere übernimmt entsprechend die abhebenden Lasten (z. B. Windsog). Je nach Lastrichtung wird also die eine Seilebene aktiviert, während die andere entlastet wird.
Durch die Wahl der geeigneten Vorspannung der Seilbinder verhindert man, dass Seile zu sehr entlastet werden bzw. keines der Seile ausfällt und sorgt dafür, dass sich beide Seilebenen gleichzeitig als Zug-Druck-System am Lastabtrag beteiligen.
Eingebracht wird die Vorspannung indem die Zugglieder verkürzt und die Druckglieder verlängert konfektioniert werden. Zusammengefügt ergibt sich ein unter Spannung stehendes System, bei dem sich die innen liegenden Seile gegen den äußeren Druckring abstützen, letztlich ein in sich geschlossenes und im Gleichgewicht befindliches Tragwerk.

Foto: schlaich bergermann und partner

Aus Gleichgewichtsgründen gilt, dass die Umlenkraft im Druckring gleich der Resultierenden der drei Zugringumlenkkräfte sein muss. Dies ist beim Estádio Maracanã durch die affine Formgebung von Zug- und Druckringen gegeben. Weiterhin muss die Höhenlage der einzelnen Ringelemente zueinander so sein, dass die Umlenkkräfte von Druck- und Zugringresultierenden ein inneres Moment aufbauen können, welches dem Moment aus äußeren Kräften entgegen wirkt.

Daneben beeinflussen weitere Randbedingungen, wie etwa das Entwässerungskonzept und die Erfordernis nach uneingeschränkten Sichtverhältnisse im Stadion die endgültige Festlegung der Dachgeometrie. So entstand eine Struktur mit Außenabmessungen von ca. 300m x 260m, mit einer Dachtiefe von knapp 70m bei einer maximalen Bauhöhe von 13,5m. Die überdachte Fläche beträgt 45.700m².

Die verwendeten Seile sind überwiegend vollverschlossene Spiralseile mit Durchmessern zwischen 35 und 110mm, der Druckring ein geschweißter Kastenquerschnitt mit den Abmessungen 2100 x 850 x 44,5 mm. Das Gesamtgewicht der Dachkonstruktion beträgt nur 3.980 to.

Die Ringseildachkonstruktion ist "schwimmend" auf den alten Betonstützen des Stadions aufgelagert. Sphärische Gleitlager erlauben unter Temperaturbeanspruchungen zwängungsfreie Verformungen des Daches und der Substruktur. Lediglich in 4 Achsen ist das Dach in tangentialer Richtung (genauer: senkrecht zur Richtung auf den Mittelpunkt des Stadions = Temperatur-Ruhepunkt) gehalten, um die Lage insgesamt zu sichern und um dort die horizontal auf das Dach wirkenden Windlasten abzutragen. Außer den letztgenannten Kräften gibt das Dach also nur vertikale Lasten an die Unterkonstruktion ab, insbesondere keinerlei Biegemomente. 

Dieser Umstand, den im Übrigen alle Ringseildächer bieten, erlaubte die Nutzung der Stützen der alten Stadionkonstruktion ohne Verstärkungsmaßnahmen, obwohl sich die überdachte Fläche fast verdoppelt. Dies manifestiert den erforderlichen behutsamen Umgang mit der Bestandsstruktur. 

Komplettiert wurde die Dachkonstruktion durch einen Laufsteg, der in die Kontur der Luftstützen integriert ist und in welchem die gesamte technische Ausrüstung, wie Beleuchtung, Beschallung, Flutlicht, Entwässerung, etc. angebracht ist. Es gelingt dadurch in einer extrem leichten und transparenten Struktur alle Erfordernisse und Installationen an eine moderne Multifunktionsarena unterzubringen.

Diese Ringseildächer bieten enorme Vorteile hinsichtlich des Gewichts und der Einwirkungen auf die Unterkonstruktion. Dadurch sind an einigen Stellen hohe Ansprüche an die Fertigung und an die Qualität der einzelnen Komponenten zu realisieren.

Die Verbindungsknoten zwischen Ringseilen und Radialseilen wurden aufgrund ihrer komplexen Geometrie aus Stahlguss G18 hergestellt. Die Stückzahlen für das Estádio Maracanã waren gering, was bei vergleichsweise hohen Kosten und in begrenztem zeitlichem Rahmen einen Optimierungsprozess mittels Probeabgüssen erschwerte. Dementsprechend war eine gute Koordination zwischen allen Gewerken zu einem möglichst frühen Zeitpunkt für ein gutes Gelingen unabdingbar.

Die Güte des Materials wurde maßgeblich durch ein komplexes Zusammenspiel von den geometrischen Verhältnissen, der Gesamtmasse und der Massenverteilung bestimmt. Diese Einflüsse beeinflussten das Erstarrungs- und Nachbehandlungsverhalten entscheidend, somit musste der gesamte Fertigungsprozess exakt und spezifisch auf das jeweilige Gussteil abgestimmt werden. 

Ein weiterer wesentlicher Aspekt war die Fertigungspräzision des Druckringes und der Seilelemente. Da das eingehängte Seilnetz keine Verstellmöglichkeiten hatte, bestanden erhöhte Anforderungen an die Genauigkeit des äußeren Druckrings, sowohl was seine Länge als auch die Grundrissform angeht. 

Da sich durch zu große Abweichungen in der Blechbearbeitung (Zuschnitt, Schweißen, etc.) die geforderte Präzision bzgl. dem Vorspannzustand und der Sollgeometrie nicht erreichen ließen, mussten Zusatzmaßnahmen ergriffen werden, um unvermeidliche Ungenauigkeiten zu kompensieren. Dazu wurden die beidseitigen Kopfplatten der fertiggestellten Einzelsegmente planmäßig maschinell abgefräst. So war es möglich sowohl die Segmentlänge, wie auch die Endwinkel sehr genau zu fertigen. Des Weiteren wurde mit den so behandelten Segmenten eine von Planungsseite koordinierte Probemontage durchgeführt. Dazu wurden im Werk fünf aufeinanderfolgende Segmente zusammengebaut und der so entstandene Druckringabschnitt vermessen. Wurden dabei die Längen- und Winkeltoleranzen eingehalten, gingen die ersten drei Segmente in den Transport, die verbleibenden 2 Segmente bildeten den Anfang des nächsten Probezusammenbaus, usw. Wurden bei der Vermessung unzulässige Geometrieabweichungen festgestellt, so wurde das verursachende Segment nochmals nachbearbeitet und der Probezusammenbau samt Vermessung wiederholt. Auf diese Weise wurde nach und nach die Geometrie des gesamten Druckrings kontinuierlich überprüft, so dass die Teile auf der Baustelle lediglich zusammengebaut werden mussten. 
Die Möglichkeit der Korrektur von Fehlern noch im Werk und die Vermeidung von Überraschungen auf der Baustelle machen dies zu einem vielfach bewährten Verfahren zur Herstellung derartiger Bauteile.
Die Sicherstellung der geforderten Qualität erfordert also ein hohes Maß an vorbereitender Planung und Koordination, an die Überwachung des Fertigungsprozesses und die nachfolgende Qualitätskontrolle. Dies zeigt allerdings, dass die Planungsaufgabe und damit die Verantwortung der Planer über die bei Standardprojekten weit hinaus geht.

Auch wenn die drei Hauptgewerke Stahlbau, Seilbau und Membranbau völlig unterschiedlicher Art waren, bestand doch eine strikte Abhängigkeit während den Montagephasen: Das jeweils nächste Gewerk konnte mit der Installation erst beginnen, wenn das vorangegangene abgeschlossen war. Die vergleichsweise langen Vorlaufzeiten bei der Herstellung von Seilen und Gussteilen und die oben beschriebenen erhöhten Anforderung während der Fertigungsprozesse erforderten eine präzise Ablaufplanung und entsprechende enge Koordination zwischen den beteiligten Planern, Fertigungsbetrieben und Montagefirmen. Zusätzliche Unwägbarkeiten wie lange Transportwege oder Einfuhrformalitäten mussten zudem berücksichtigt werden. 

Mit vereinten Kräften ist es gelungen, das Stadion termingerecht fertigzustellen, so dass die Eröffnung planmäßig am 28.4.2013 stattfinden konnte.

Als eine sichtbare Maßnahme zur Nachhaltigkeit und als Wahrzeichen erneuerbarer Energie zur Stromerzeugung aus Sonnenenergie, wurde auf dem Dach des Stadions eine Photovoltaikanlage integriert. Man beschränkte sich hierbei auf die Oberfläche des umlaufenden Druckringes. Um dennoch eine größtmögliche Wirkungsfläche zu erzielen, wählte man eine Unterkonstruktion aus Stahl und Aluminium, die nach außen und nach innen auskragt und damit einen etwa 4m breiten PV-Ring ermöglicht. 

Ein wesentliches architektonisches Gestaltungselement bei Ringseildächern ist immer die Beleuchtung. Die großen Membranflächen eignen sich ideal als Schirm für Lichteffekte, vor allem weil letztere sowohl nach innen wie auch nach außen in Erscheinung treten. Neben den Strahlern für die direkte Tribünenbeleuchtung wurden daher auf der Oberseite des Catwalks LED-Strahler angeordnet, mittels derer man nahezu beliebige Farbspiele auf die Unterseite der Membrane projizieren kann. Gleichzeitig wurde auf die gleiche Weise eine indirekte Tribünenbeleuchtung erzeugt. Durch eine beharrliche Intervention und nicht unerheblicher Eigeninitiative bei der Lichtplanung, ist es letztlich gelungen, trotz "minimalinvasiver" Anordnung der Beleuchtungselemente die volle Bandbreite einer modernen Stadion-Illumination bereitzustellen und so strahlt das neue Dach über dem Stadion in der täglichen Sonne in wunderbarem weiß und nachts in den bunten Farben Rio de Janeiros.

Zusammenfassung

Bei der Realisierung solcher Projekte sind unterschiedlichste Aspekte von Bedeutung. Natürlich geht es zunächst darum, eine den Anforderungen und damit dem Ort, der Geschichte, dem Budget und den generellen Erwartungen angemessene Lösung zu finden, diese zu entwickeln und letztlich zu realisieren. 

Findet dies als Bauen im Bestand statt, steigt die Zahl der begrenzenden Faktoren nochmals um ein Vielfaches an. Dem Planer kommen damit weiterführende und übergeordnete Funktionen zu, er wird mehr und mehr zum Baumeister der vergangenen Zeit. Es muss von Anfang bis Ende gelingen, den Bauherr, die Geldgeber, die Baufirma, die Subunternehmen und die vielen Planungspartner und Subplaner an einen gemeinsamen Tisch zu bringen und ein koordiniertes und faires Arbeiten zu realisieren. Eben um die unzähligen und kritischen Schnittstellen eng zu koordinieren und eben die Probleme, die in vielen Großprojekten zu beobachten sind, zu vermeiden. 

Eine detaillierte und gewissenhafte Planung und interne technische Projektsteuerung mit internem unabhängigem Prüflauf, besonders für Länder in denen kein offizielles Prüfwesen wie in Deutschland existiert, bilden die Grundlage. In der Folge unterstützen eine tadellose und eng gefasste Ausschreibung mit detaillierter Beschreibung der erwarteten Leistung und Qualität an die Bauteile und Materialien, dass zumindest die Ausgangselemente entsprechend der Planung auf der Baustelle ankommen. Eine entsprechende Fertigungs- und Baubegleitung mit Qualitätsüberwachung sind damit eng verknüpft. Den Abschluss bildet eine gut durchdachte Montageplanung und Betreuung, sodass sich die zu Beginn des Projekts getroffenen Annahmen und Grundlagen im gebauten Projekt auch wiederfinden. Dies alles muss aus einer Hand geleistet werden, um Informationsverlust, ungewollte Vereinfachung oder gar Ignoranz zu vermeiden, nur dann können wir ein erfolgreiches und sicheres Projekt abschließen. Und dass es hierfür vor allem in Schwellenländern, aber auch bei uns, nur ein bedingtes oder gar kein Verständnis, geschweige denn Budget zu erwarten gibt, darf einfach nicht sein.

Ein weiterer nicht zu unterschätzender Aspekt ist der geübte Umgang mit den Boulevard-Medien, die normalerweise kein gehobenes Interesse am Tun und Handeln von Ingenieuren und Architekten haben. Auch wenn dies auf Gegenseitigkeit beruht, ändert sich dies umgehend bei derartig exponierten Events und bei entsprechenden Randbedingungen, und somit kann der kleinste Fehler in der Kommunikation hier fatale Folgen haben, für das Projekt und vor allem für die Grundlage, Entscheidungen weiterhin auf rationaler technischer und nicht emotionaler oder gar politischer Ebene treffen zu können. 

Diesen Spagat zwischen rein technischem und öffentlichem Arbeiten gelingt nur dem, der sich auch mit den regionalen Bräuchen und Gegebenheiten beschäftigt und der es schafft, den Wissenstransfer in intelligenter, aber behutsamer und damit nachhaltiger Weise zu realisieren. 

Auf diese Weise gelingt es auch den ressourcenschonenden Umgang mit Materialien, insbesondere in solchen Ländern, zu etablieren. Der Leichtbau ist hierfür ein machtvolles Instrument und wird daher auch in Zukunft eine maßgebliche Rolle spielen. Dieser Überzeugung werden wir daher auch weiterhin treu bleiben.