Mehr Freiheiten bei komplexen Ingenieuraufgaben

Zu den jüngsten Referenzprojekten des Büros zählt der Neubau des Forschungszentrums für Photovoltaik am Berliner Adlershof, entworfen und geplant vom Architekturbüro HENN, München|Berlin. Auf einer Bruttogrundfläche von 13.000 Quadratmetern entstand im Auftrag des Bauherren WISTA Management, Berlin, ein multifunktionales Gebäude für Unternehmen der Photovoltaik-Branche sowie Firmen im Umfeld der erneuerbaren Energien. Das Gebäude wurde als Fünfeck konzipiert und besteht aus Erdgeschoss und drei Obergeschossen. Hinzu kommt ein Kellerbereich für Technikräume.

Das neue Forschungszentrum setzt sich aus einer rund 2.000 Quadratmeter großen Halle für Pilotprojekte und weitere Anwendungen, einer Werkstatt auf einer Fläche von rund 500 Quadratmetern, einer Kantine mit 75 Sitzplätzen sowie einem Foyer im Erdgeschoss mit einer freitragenden Korkenzieherwendeltreppe über drei Geschosse zur Erschließung der oberen Stockwerke zusammen. Als besonders energieeffizient realisiertes und genutztes Gebäude erhielt das Forschungszentrum das Zertifikat SILBER der Deutschen Gesellschaft für nachhaltiges Bauen (DGNB). Ein ebenerdiges Lager für Gase versorgt die Mieter über eine unterirdische Trasse mit Stickstoff und anderen Gasen, welche in den Laboren der Photovoltaikforschung benötigt werden. Mitarbeiter können darüber hinaus ihre Elektrofahrzeuge oder E-Bikes an einer speziellen Ladestation wiederaufladen.

Das Gelände an der Johann-Hittorf-Straße wurde im Zuge der Schaffung von Gewerbeflächen neu erschlossen. Die Gründung der nicht unterkellerten Bereiche ist als Flachgründung mit Einzel- und Streifenfundamenten ausgeführt. Für den unterkellerten Bereich wurde eine elastisch gebettete Bodenplatte verwendet. Geschossdecken sind im Wesentlichen als Flachdecken ausgebildet. Gelagert werden diese auf Stützen und Randunterzüge. Im Hallenbereich sind die Decken liniengelagert auf Stahlbetonbalken. TT-Platten überspannen die einzelnen Module in den Innenhöfen. Außenwände sowie tragende Innenwände wurden in Stahlbeton errichtet. Nicht tragende Innenwände im Untergeschoss sind teilweise in Mauerwerk gebaut. Alle tragenden Stützen sind als Stahlbetonstützen ausgebildet. Der teilweise unterkellerte Bereich wurde als Weiße Wanne ausgeführt. Die Treppenläufe im Gebäude sind als Fertigteile mit einer Anschlussbewehrung für die Ortbetonpodeste realisiert, so dass die Stahlbeton-Treppenläufe und –podeste in den Fluchttreppenhäusern monolithisch miteinander verbunden sind. Das Treppenhaus 5 besteht aus einer Stahlkonstruktion. Die allgemeine Erschließung erfolgte über die massive freitragende Wendeltreppe im Foyer. Die Aussteifung des gesamten Gebäudes haben die Ingenieure über die Stahlbetonwandscheiben und Stahlbeton-deckenscheiben realisiert.

Die freitragende Wendeltreppe stellt im gesamten Gebäude die anspruchsvollste Konstruktion dar. Das räumliche gekrümmte Schalentragwerk aus Stahlbeton, bestehend aus Treppenläufen, Podesten und Brüstungen trägt die Lasten vor allem über die freitragenden Innen- und Außenbrüstungen und die Treppenplatte in die Gründung ab. Anteilig werden auch Lasten über die Verbindung mit den Geschossdecken in die lastabtragenden Bauteile in den Gebäudeachsen 8 und 9 geleitet.

Die Podeste sind mit den Deckenplatten monolithisch verbunden. Im Erdgeschoss und im 1. Obergeschoss wurde die Decke bis zur angrenzenden Wand modelliert. Die Einspannung der Decke in das benachbarte Deckenfeld und die Wand ist elastisch erfasst. Im 2. Obergeschoss liegt ein abweichendes Tragsystem vor, wobei die Auflagerung des Podests über eine elastische Lagerung erfolgt.

Eine detaillierte Untersuchung für die Statik der Wendeltreppe nahmen die Experten des Büros ahw mit der FEM-Software TRIMAS von RIB vor. Warum sich die Software von RIB besonders gut für komplexe räumliche Strukturen wie diese eignet, weiß Projektleiter Dr. Mark Beckmann: „Die Geometrien können direkt aus dem FEM-System von RIB generiert werden. Es ist nicht erforderlich, die einzelnen Punkte aus dem CAD-Modell aus der Architektur zu übernehmen.“ Auf diese Weise verringert sich für die Tragwerksplaner bei ahw nicht nur der Bearbeitungsaufwand, sondern sie sind in der Lage, wesentlich genauer zu arbeiten.

Beckmann weiter: „Arbeiten wir mit Punkten aus CAD-spezifischen dwg- oder dxf-Dateien, können unerwartete Knicke in den Flächen entstehen. Mit unserer Arbeitsweise in TRIMAS erhalten wir stattdessen eine glatte Geometrie; so wie das Bauwerk später auch in die Praxis übertragen wird. Bei derartigen Schalenberechnungen kommt es exakt auf solche Kleinigkeiten an“, so der Experte. Bei den doppelt gekrümmten Treppenläufen sind insbesondere geeignete finite Elementansätze von Relevanz. Durch die quadratischen Ansatzfunktionen kann die Abbildung der Geometrie und des mechanischen Tragverhaltes über die Verwendung der Schalennormalen auch für diese helixförmige Struktur korrekt erfasst werden.

Für das Forschungszentrum für Photovoltaik berechnen die Ingenieure von ahw zum ersten Mal eine freitragende Wendeltreppe mit TRIMAS. Die Ingenieure von ahw lieben die Herausforderungen neuer tragwerksplanerischer Aufgaben. Hier arbeiteten sie mit so genannten „isoparametrisch vernetzbaren Flächen“ für die Generierung eines doppelt gekrümmten FE-Netzes, welche für die Innen- und Außenbrüstung der Treppe und die Treppenläufe verwendet werden. TRIMAS bietet hier die Möglichkeit einer sehr individuellen grafischen Eingabe. Die mit Hilfe der Software von RIB erstellten isoparametrischen Netze werden nicht – wie bei anderen Programmen - willkürlich in die Treppenbereiche hineingelegt.

Nach Angaben des Ingenieurbüros eignen sich TRIMAS sowie weitere RIB-Programme für die statische Berechnung und Bemessung allesamt sehr gut, insbesondere wenn die Geometrie komplexer wird, da sie dem Tragwerksplaner viele Freiheiten, speziell bei anspruchsvollen Modellen, bieten. Bei nicht alltäglichen Aufgaben im konstruktiven Ingenieurbau ist das stets ein großer Vorteil, wie Mark Beckmann und seine Kollegen bestätigen. Der krönende Abschluss der Ingenieurarbeit ist dann die konstruktive Durchbildung der Wendeltreppe im Bewehrungsplan. Dort gilt es, die ermittelte Bewehrung so einzulegen, dass die anspruchsvolle Geometrie mit allen Anschlüssen auch über die einzelnen Betonierabschnitte hinweg vor Ort einwandfrei und effizient verlegt werden kann.