Überdachung der Ausfahrt vor dem KundenCenter der Autostadt in Wolfsburg

Preisträger
Ingenieurpreis des Deutschen Stahlbaues 2015
Kategorie Hochbau

Mike Schlaich (schlaich bergermann und partner, Berlin)
Überdachung Ausfahrt KundenCenter Autostadt Wolfsburg

Laudatio

Eine neue, innovative Idee große Flächen zu überdachen, bei der Form und Tragwerk eine Einheit in einer Gleichgewichtsskulptur finden: Alle Elemente des Tragwerkes sind sichtbar, nichts wird versteckt. Die Details sind funktional ausgearbeitet. Nutzungsabsicht und Entwurfsgedanke wurden konsequent umgesetzt und führten zu einem äußerst minimalistischen und materialsparendem Ingenieurbauwerk, bei dem sich Membran und Seile mit dem Stahlbau ideal ergänzen.
Die Fertigung des Druckrings ist aufgrund der sich kontinuierlich ändernden Geometrie, welche affin zum Belastungsverlauf ist, und wegen der optischen Anforderungen der sichtbaren Konstruktion sehr anspruchsvoll.
Die Überdachung hebt sich in Ästhetik und technischer Realisierung wohltuend von Konventionellem ab und zeigt, dass Stahlbau immer wieder neue Formen und Ideen Realität werden lässt.

Erläuterungsbericht von Mike Schlaich | schlaich bergermann und partner zur Einreichung beim Ingenieurpreis des Deutschen Stahlbaues:

Aufgabenstellung

Die im Juni 2000 eröffnete Autostadt in Wolfsburg ist eine Kommunikationsplattform des Volkswagen Konzerns und begrüßte seit Eröffnung über 29 Millionen Gäste. Der Themen- und Erlebnispark beherbergt u.a. das größte Auslieferungszentrum für Neuwagen weltweit. Um Selbstabholern die Möglichkeit zu geben, alle Systeme ihres neuen Fahrzeugs in Ruhe kennenzulernen, sollte eine geschützte Park- und Trainingsfläche entstehen und dafür ein Teil des hügeligen Areals mit einer anspruchsvollen Dachkonstruktion überdeckt werden. Wer gerade seinen Neuwagen in Empfang genommen hat, bekommt seit Herbst 2013 auf der "Ausfahrt" vor dem KundenCenter (eine 315 m lange „Ehrenrunde“ umschließt 45 großzügig bemessene Plätze) die Gelegenheit, ohne Stau und Stress die Systeme, für die er sich entschieden hat, genau in Augenschein zu nehmen.

© Tobias Hein      Überdachung und Servicepavillon

Der Bereich sollte vor Regen und direkter Sonneneinstrahlung geschützt werden, gleichzeitig aber sollte genug Tageslicht vorhanden sein, um auf energetisch überflüssiges und Kosten verursachendes Kunstlicht verzichten zu können.

Bereits in der frühen Entwurfsphase arbeitete das Architekturbüro GRAFT aus Berlin mit dem Ingenieurbüro schlaich bergermann und partner zusammen. Aus verschiedenen Lösungsansätzen schälte sich die gestalterische Idee eines Blattes in der Landschaft heraus, dessen liegende organische Form sich schützend über die Landschaft legt und dadurch alle oben genannten Bedingungen schafft.

Hier bot sich die Geometrie einer Sattelfläche an, die trotz ihrer Komplexität schlicht und elegant wirkt. Der Entwurf versucht, dieser Idee durch eine leichte, geschwungene Form mit nur zwei Berührungspunkten zum Grund gerecht zu werden und die Anmutung größtmöglicher Leichtigkeit zu schaffen. Ein räumlich geformter Stahlrandträger umfasst eine gekrümmte Fläche, gebildet aus einem Seilnetz und einer darüber liegenden Membran, und lagert an den beiden tiefsten Punkten seiner ondulierenden Form.

Bei solchen Tragwerken ist der räumlich gekrümmte Druckring, der die Geometrie des Seilnetzes bestimmt, normalerweise über viele Stützen liniengelagert und damit für den Lastfall „Dacheigengewicht und Seilvorspannung“ biegemomentenfrei einstellbar. Die Überdachung in Wolfsburg aber sollte von ihren Fußpunkten auskragen. Es musste also eine praktisch biegemomentenfreie Geometrie gefunden werden sowie die nötigen und sinnvollen Seilanordnungen und -vorspannungen. 

Diese komplexe Konstruktion schlicht zu gestalten, war zentraler Leitgedanke beim interaktiven Entwerfen und Konstruieren der Büros GRAFT und schlaich bergermann und partner. Als entwurfsbestimmende Merkmale können die variable Querschnittsform des doppeltgekrümmten Randträgers, die Lagerung auf nur zwei Punkten und das sichtbare Seilnetz hervorgehoben werden.

Lösungsweg

Die einzigartige Dachkonstruktion überspannt den nördlichen Teil der "Ausfahrt" sowie einen neuen ServicePavillon, der in die Landschaft integriert ist. Ein doppelt gekrümmtes Flächentragwerk überdacht eine Fläche von etwa 1600m² mit ovalem Grundriss und einem Längen/Breiten-Verhältnis von etwa 55m/38m. Das Tragsystem besteht im Wesentlichen aus einem dynamisch geformten Stahlrandträger, einem Seilnetz, einer darüber liegenden Membran und der Gründung.

Die Hochpunkte der Fläche liegen auf verschiedenen Höhen bei etwa 6m und 9m über den beiden Tiefpunkten. Seilnetz und Membran werden jeweils gegen den Randträger gespannt und dann miteinander verknüpft.

Der Randträger hat eine Gesamtlänge von etwa 150m und ist zur Längsachse symmetrisch. Dafür wurde ein geschweißter fünfeckiger Hohlkasten aus Stahl S355 mit Blechstärken von t= 16 bis 30mm entwickelt. Dieser elegante und trotz seiner 150t leicht wirkende Träger, dessen Querschnitte sich kontinuierlich ändern, wurde aus doppelsinnig gekrümmten Mantelblechen gefertigt. Die innenliegende Aussteifungskonstruktion konnte zur Ausrichtung dieser Bleche in der Herstellung genutzt werden.

Auch die beiden Berührungspunkte des Randträges mit den Fundamenten wurden so schlicht wie möglich detailliert, um das Aufliegen der Sattelfläche in der hügeligen Landschaft leicht wirken zu lassen. Dafür wurde eine sowohl statisch als auch formal schlüssige Querschnittsform mit innenliegenden Spannankern (d= 36mm) entwickelt. 

Das Seilnetz besteht aus zwei senkrecht zueinander stehenden Seilscharen mit offenen Spiralseilen, welche die Ebene im 1,5m-Raster strukturieren. Obwohl Doppelseile für das Netzknotendetail konstruktiv sinnvoll wären, wurden einfache Seile gewählt, um zum einen die Montage zu vereinfachen und zum andern die Untersicht so homogen wie möglich zu halten. Der Durchmesser der insgesamt 1045m Tragseile beträgt 24mm, während die 1055m Spannseile mit 20mm Durchmesser nicht ganz so stark ausfallen. Alternativ zum sichtbaren Seilnetz wurde auch eine Variante mit einer zweiten Membranebene unterhalb des Seilnetzes ausgearbeitet, die dann aber aus formalen und wirtschaftlichen Gründen nicht zur Ausführung kam.

Beide Seilzüge werden an Anfang und Ende über Gewinde-Gabelfittinge mit dem Randträger verbolzt. Über das Gewinde wird der Gabelkopf in der Längsachse verstellbar (ca. 1,5cm) und kann so die Herstellungstoleranzen des Stahlbaus kompensieren. Die geometrisch bedingte Unregelmäßigkeit der Berührungspunkte von orthogonalen Seilscharen mit einem ovalen Randträger bedingt individuelle Detaillösungen. Um die Anzahl solch unruhiger Sonderlösungen am Rand zu reduzieren und damit die von unten sichtbare Anschlusssituation der Seilenden und Membranränder möglichst einfach wirken zu lassen, wurden die Randbedingungen der Anschlussdetails durch leichtes Verschieben der Seilachsen innerhalb der Netzebene optimiert. Beide Seilscharen sind in den Kreuzungspunkten über vorgespannte Klemmen gleitfest verbunden. Besonderes Merkmal dieses Details ist die kraftschlüssige Klemmverbindung zur Membran und die vorgespannten Edelstahlschrauben mit Innensechskant. 

Die Membranebene wird punktförmig in den Knotenpunkten des Seilnetzes gehalten. Dafür wird die vierteilige Seilklemme um einen Teller zur Befestigung der Membran ergänzt. Der besondere Anspruch dieses Details liegt vor allem in der Erfüllung aller physikalischen Anforderungen, ohne auffällig technisch zu wirken oder die optisch vertretbaren Dimensionen zu überschreiten. Die PTFE-beschichtete Glasfaser-Membran (Typ III) wird einlagig angeordnet und im Bereich der Klemmdetails durch zusätzliche Membranlagen verstärkt. Das konzeptionelle Augenmerk lag hier auf einem ruhigen Zusammenspiel der Hauptmembrannähte mit dem darunter liegenden Seilnetz. 
Membran und Seilnetz ergänzen sich auf effiziente Weise, die sich in der schlichten Art ihrer Verbindung äußert. Zwar ist die materialgerechte Lagerung einer Membran eher linienförmig, jedoch hätte dies im vorliegenden Fall zu sichtbaren Membrantaschen oder anderen Verbindungselementen gegen Windsog nach oben geführt, die die Untersicht optisch belastet hätten. Der Verzicht auf eine zweite Membran unterhalb der Seilnetzebene führt zu einem einfachen Knoten, der die Membran nur in den ohnehin vorhandenen Kreuzklemmen des Seilnetzes punktförmig hält. Um die ständige Berührung der Membran mit dem Seilnetz und damit Scheuern und die damit verbundene Verschmutzung und Schädigung der Membran zu vermeiden, wurde ein Abstand von gut 3cm zwischen den Spannseilen und der Membran gelassen.

Eine technische Besonderheit des Randträgers liegt in der Beschaffenheit seiner Mantelbleche. Im Gegensatz zu einem polygonalen Randträger mit geraden Blechen entsteht durch ihre doppelte Krümmung eine nicht zu vernachlässigende geometrische Imperfektion. Der Zuwachs der daraus resultierenden Spannungen nach Theorie 2. Ordnung wurde in lokalen Modellen untersucht, da eine globale Erfassung sämtlicher Bleche im FEM-Modell zu langen Rechenzeiten geführt hätte.

Am funktionalen und physikalischen Zusammenspiel der Membran und Seilnetzebene zeigt sich, wie wichtig die Konzeptphase für den Gesamtentwurf ist. Wie einleitend bereits angedeutet, bietet die Globalgeometrie der Sattelfläche bereits von sich aus ein ideales Gefälle für die Wasserableitung über die Ränder zu den Tiefpunkten. Daher bietet sich für die Eindeckung die schlichte Membran ohne zusätzliche formgebende Sekundärstruktur (zwischen Seilnetz und Membran) an. Eine Membran ganz ohne Seilnetz wäre für die Spannweiten von 38mx55m bei einer Höhe von 6m bis 9m nicht möglich, weil die Verformungen der Membran unter Schnee und Wind viel zu groß würden. 

Membran und Seilnetz sind in Aufbau und Tragverhalten ähnlich, da beide Ebenen aus Zuggliedern in zwei orthogonal zueinander ausgerichteten Scharen gewebt bzw. geknüpft sind (vergleiche Trag-/Spannseile mit Kett-/Schussrichtung). Dieser Umstand bringt mehrere Vorteile mit sich: Membran und Seilnetz können bei entsprechendem Zuschnitt exakt parallel, aber berührungslos übereinander gegen den Rand gespannt werden. Dies erleichtert die Montage und reduziert vertikale geometrische Abweichungen, die bei der kraftschlüssigen Verknüpfung der Membran mit dem Seilnetz zu Zwängungen führen würden. Hieraus folgt, dass sich Membranzuschnitt und Nahtlayout für die räumliche Form automatisch am Verlauf des Seilnetzes orientieren müssen. Neben dem ruhigen Erscheinungsbild der Nähte bedingt dies eine Reduktion des Membranverschnitts, da der Zuschnitt quasi parallel zur gewebten Ausrichtung der Membranbahnen verläuft. Die Nähte verlaufen hier parallel zu den Tragseilen und teilen jedes 2. Feld in der Mitte. Der Nahtabstand von 3m entspricht etwa der Bahnbreite der Membranherstellung.

Aufgabe bei der Knotenentwicklung war es, mit möglichst geringem Aufwand alle Anforderungen an Kraftübertragung, Dichtigkeit, Toleranzausgleich, und Montierbarkeit zu erfüllen. Hierfür wurden verschiedene Lösungen ausgearbeitet und bis in die Werkstattplanung in Zusammenarbeit mit den ausführenden Firmen optimiert. Der gesamte Netzknoten einschließlich Membranklemmung ist fünfteilig und für alle Knoten gleich ausgeführt. Durch die räumliche Geometrie der Seilnetzebene weichen die Kreuzungswinkel der Seile leicht von 90° ab. Man entschied sich jedoch letztlich, diese Abweichungen in der Ausführung zu ignorieren und gewisse Zwängungen in Kauf zu nehmen, da dies die serielle Herstellung erheblich vereinfacht. Die erforderliche Reibung zur Übertragung der Differenzkräfte aus äußeren Lasten (ca. 3kN) muss durch Vorspannung der vier Klemmschrauben sichergestellt werden. Dabei ist zu beachten, dass sich diverse anfängliche Setzungen der Verbindung aus der Schraubenvorspannung und die Verkleinerung des Seilquerschnitts bei Anstieg der Seilkraft abträglich auf die Schraubenvorspannung auswirken. Die erforderliche Schraubenvorspannung für ein einmaliges Anziehen vor Seilnetzmontage wurde im Rahmen einer Verfahrensprüfung ermittelt und am Knoten getestet. 

Die Membranklemmung besteht aus einem Klemmteller, der die Membran von oben (außen) mit einer durchgehenden Schraube und unter Einschluss eines Edelstahlringes gegen den Seilnetzknoten spannt. Hier musste neben der Kraftübertragung in vertikaler und horizontaler Richtung vor allem die Dichtigkeit und die exakte Positionierung der Verstärkungselemente sichergestellt werden. Zu diesem Zweck wurde nach der Montage und Vorspannung der Seilnetz- und Membranebene eine Art Membransandwich auf Höhe der Seilnetzknoten aufgeschweißt, welches den erwähnten Edelstahlring bereits einschließt. Dieser Stahlring wird im Endzustand von der durchstoßenden Klemmschraube zentriert und gleichzeitig durch eine runde Ausfräsung im Membranklemmteller eingefasst, so dass bei ausreichender Vorspannung der Klemmschraube von oben auch die Dichtigkeit der Verbindung herstellt wird. Das Detail wurde im Rahmen einer Zustimmung im Einzelfall (ZiE) mit zahlreichen Versuchen durch die DEKRA (DEKRA Industrial International GmbH) getestet. 

An sämtlichen Details lässt sich der Kraftfluss des Tragwerks ablesen. Sämtliche äußeren Einwirkungen werden von der Membran über das Seilnetz in den Randträger eingeleitet, welcher die Lasten an den Tiefpunkten der Sattelfläche in die Fundamente und von dort über Pfähle weiter in den Baugrund leitet. Horizontale Lagerreaktionen werden zudem von einem unterirdischen Stahlbetonband kurzgeschlossen. Die gewählte Form ist ein gelungener Kompromiss zwischen statischem Optimum und formalen und technischen Randbedingungen. Zu berücksichtigen waren unter anderem die Vorgabe einer einachsig symmetrischen Globalgeometrie, einer runden ('blattähnlichen') Spline-Form im Bereich der Lager und hohe Windlasten als Resultat ausführlicher Versuche im Windkanal. 

Da die anzusetzenden Winddruckbeiwerte unter anderem von der umströmten Geometrie abhängen, ist der Rat von Windspezialisten für eine wirtschaftliche Bemessung von leichten Konstruktionen dieser Art unumgänglich. Um also auf der einen Seite keine konservativen Ansätze treffen zu müssen und andererseits genügend Sicherheit gegenüber unvorhersehbaren lokalen aber auch globalen Effekten zu erreichen, wurde die Konstruktion im Windkanal getestet. Bei leichten Dächern dieser Art können sich durch die Interaktion von Windgeschwindigkeit, umströmter Geometrie, Steifigkeit und Masse dynamische Effekte ergeben, die die Ebene zur Schwingung anregt und dadurch zusätzlich belastet. Hierfür wurden die Eigenfrequenzen und die zughörigen Eigenformen, so wie Winddruckspektren aus den Winddruckzeitreihenmessungen der Versuchsergebnisse erstellt. Durch Kopplung der strukturdynamischen, meteorologischen und aerodynamischen Parameter wurden dann die Resonanzfaktoren für jede Windrichtung und Modalform berechnet. Diese Erhöhungsfaktoren der statischen Ersatzlast lagen im vorliegenden Fall glücklicherweise nur bei etwa 5%. Es sei jedoch angemerkt, dass Erhöhungsfaktoren von 30% und mehr für ähnliche Konstruktion nicht ungewöhnlich sind. 

Das Tragwerk ist so geformt, dass anfallendes Regenwasser zu den beiden Tiefpunkten geführt wird und dort durch den Randträger hindurch in das Entwässerungssystem der Gesamtanlage eingeleitet wird.

Da der Randträger nicht verkleidet wird, wurden hohe Anforderungen an die Ebenheit der Bleche und Kanten gestellt (Nachbearbeitung der Schweißnähte, Oberflächengüte etc.) und auch erfüllt. Der Farbton des Stahlträgers war darüber hinaus maßgebend für die Auswahl der Membran: bei Einbau noch hellbraun, hellt sie sich unter Einfluss von Sonnenlicht innerhalb weniger Monate zu einem Cremeweiß auf.

Zusammenfassung

Leichtbaukonstruktionen wie diese Überdachung zielen immer auf minimierten Ressourcen- und Materialverbrauch ab. Die Wahl eines sinnvollen Tragwerkes und die durchdachte Entwicklung der Details war selbstverständlicher Teil des Entwurfs- und Umsetzungsprozesses. 

Die Verwendung von Stahl beim Planen und Bauen leistet einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz: einfache Wiederverwertbarkeit, ressourcenschonendes Recycling und geringer Materialverbrauch durch hohe Tragfähigkeit bei schlanken Konstruktionen. Zudem ist eine einfache Trennung der Materialien (hier Stahl und Membran) beim Rückbau möglich. Auch die Membran trägt auf Grund ihres sehr geringen Eigengewichtes und dessen Einwirkung auf die Tragstruktur zur Nachhaltigkeit des Bauwerkes bei.

Die Wahl der Sattelform ermöglichte die Realisierung eines sehr leichten Flächentragwerks aus vorgespannten Zugelementen ohne zusätzliche Aufbauten zur Führung des Regenwassers und ohne zusätzlichen statisch erforderlichen Ballast gegen Windsog. Die Globalform ist formal schlüssig, setzt die gewünschte Design-Geste um und erfüllt alle Forderungen an natürliche Belichtung und an Entwässerung zu den Tiefpunkten hin. Die dynamische Randträgerform, im Lagerbereich sinnvoll für die Lasteinleitung hoher Einspannkräfte, erzeugt trotz der großen Kräfte im Bauwerk eine leichte, schwebende Anmutung. Das Konzept des gemeinsamen Lastabtrages von Membran und Seilnetz führt zu einer schlichten Detaillierung und Erscheinung des Daches. Die Membran legt sich bei der höheren Druckbeanspruchung von oben auf das Seilnetz, während die Sogbeanspruchung auch punktförmig abgetragen werden kann. Die Klemmdetails im Seilnetz erfüllen vielfältige statische und physikalische Anforderungen, konnten jedoch elegant entwickelt werden. Aufgrund der Affinität in der Struktur des Seilnetzes und der Membran (Kett- und Schussrichtung) bedingt das optisch schlichteste Nahtlayout - Nähte parallel zu den Tragseilen - den geringsten Membranverschnitt.

Alle Elemente des Tragwerkes sind sichtbar, nichts wird versteckt. Nutzungsabsicht und Entwurfsgedanke wurden konsequent in der Planung und Ausführung umgesetzt und führten zu einem äußerst minimalistischen und materialsparendem Ingenieurbauwerk.

Das neue Dach in der Autostadt in Wolfsburg stellt durch seine Wölbung gleichsam eine Willkommensgeste dar und fügt sich harmonisch in die hügelige Umgebung ein. Die Idee eines "Blattes in der Landschaft" konnte durch die leichte, geschwungene Form des Stahlträgers mit dem luftigen Flächentragwerk aus Seilen und Membran und mit nur zwei Auflagerpunkten sehr gut umgesetzt werden. Es ist ein membranbespanntes Seilnetzdach entstanden, das mit geringem Materialaufwand und in nachhaltiger Ausbildung eine Fläche von rund 1600m² überspannt, und dank der guten und effizienten Zusammenarbeit zwischen Bauherr, Architekten und Ingenieuren Planung und Bau in nur 15 Monaten erlaubte.

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