Dach Airport Sheremetyevo, Moskau, Россия

Der Entwurf des Architekten Pshenichnikov bestand aus einem für Visualisierungszwecke erstellten 3D Modell mit einem weitspannenden Bogen vom Terminal zum Parkhaus und einer davon abgehängten Brücke. B+G entwickelten aus den Visualisierungen des Architekten und den Grundrissen von Enmar die Geometrie und das Tragwerk der neuen Dächer.

Eine besondere Herausforderung für die Tragwerksplanung ergab sich aus dem Umstand, dass ein Großteil des Massivbaus bereits fertiggestellt war, als mit der Planung der Dächer erst begonnen wurde. So musste die Planung unter großem Zeitdruck und simultaner Berücksichtigung der gleichzeitig neu entstehenden Bausubstanz erstellt werden.

Für die Dimensionierung des Stahlbaues waren großflächige Schneelastanhäufungen maßgebend. So ist die Grund-Schneelast in Moskau nur 1,26 kN/m² (ohne Sicherheitsfaktor), aber der Faktor für die Schneeanhäufung lag bei bis zu 4. Das bedeutet für die anzusetzende Schneelast:
Schneelast • Sicherheitsfaktor • Anhäufung • Gebäudewichtigkeitsfaktor = 1,26 • 1,43 • 4 • 1,2 = 8,6 kN/m².

Angesichts der besonderen Bedeutung des Gebäudes wurden von der örtlichen Genehmigungsbehörde die Prüfung der Statik und Ausführungsplanung sowie die Überwachung des Bauprozesses durch ein Prüfinstitut gefordert. Dies führte zu einem intensiven Austausch zwischen B+G und dem Prüfinstitut TsNIISK. Die Konstruktion des Stahlbaus wurde in Deutschland gefertigt, so konnten die europäischen Materialwerte für Stahl und Schrauben angesetzt werden. Insbesondere für die geschraubten Verbindungen bedeutete dies eine wesentliche Verbesserung.

Die Tragfähigkeit russischer Schrauben mit der Güte 8.8 lässt sich nur mit der Tragfähigkeit deutscher Schrauben der Güte 5.6 vergleichen, dies hätte eine Schraubkonstruktion für den Main Arch nahezu unmöglich gemacht. Zur Freigabe dieses Materials wurden Proben der deutschen Produkte vom russischen Institut geprüft. Schließlich konnten für die in Deutschland hergestellten Schweißnähte 90 % der Tragfähigkeit deutscher Nähte angesetzt werden.

Da die Konstruktion in Deutschland gefertigt und mit dem LKW nach Russland transportiert wurde, musste die Konstruktion in Teilen mit einer Länge von 13 m, einer Höhe von 3 m und einer Breite von 2,5 m geplant und vorgefertigt werden. Um möglichst unabhängig von lokalen Bedingungen und örtlichen Schweißzulassungen zu sein, wurden die Verbindungen, die vor Ort hergestellt werden sollten, in der Regel als Schraubkonstruktion vorgefertigt.

Bauteile

Die Vordächer la, lb und 7a bis 7d (vgl. Bild 2) wurden als einfache Träger mit einer Auskragung von 6 m ausgeführt (siehe Bilder 3 und 4).

Brücke

Die Brücke sollte ursprünglich vom Main Arch mit tragenden Seilen abgehängt werden, erhielt aber aufgrund der unterschiedlichen Verformungen der einzelnen Bauteile unter Last ein eigenes Bogentragwerk. Die vertikalen Seile wurden dennoch ausgeführt. Um eigenständig über 56 m spannen zu können, ohne dabei die Transparenz des Glasgangs zu stören, wurden zwei Bögen in die Ebene der Verbindungseile als Haupttragelement gelegt. Aufgrund der Neigung der Verbindungsseile zum Main Arch mussten auch die Bögen nach außen gekippt werden (Bilder 5 und 6).

Die Ausführung als A-förmige Abhängung wurde gewählt, um ein nach außen Fallen der Bögen ohne Last und das Kippen der Bögen nach innen unter großer Verkehrslast zu verhindern. Weiterhin sollten die Hänger in der Seitenansicht (s. Bild 6) geneigt werden. Zur Aufnahme der daraus entstehenden asymmetrischen Kräfte, wurde die Bogenform iterativ von der ursprünglichen Parabelform so angepasst, dass diese nahezu keine Biegemomente unter Eigengewicht erhält. Momente aus asymmetrischen Verkehrslasten bzw. Schneelasten auf der Brücke werden durch den in den Seitenwangen bis zur Geländerhöhe verlaufenden Fachwerkträger aufgenommen. Die bis zu 6 m hohen Stahlrahmen auf der Brücke dienen als Basis für die Verglasung (Bilder 7 und 8).

Main Arch

Der Main Arch ist eine unterspannte Bogenkonstruktion vom kuppelförmigen Dome in der Mitte des Terminals über den Haupteingang bis zum Parkhaus. Zwischen Dome und Haupteingang bildet er ein stützenfreies Foyer mit einer Spannweite von 56 m x 43 m. Die Distanz zum Parkhaus beträgt 88 m (Bild 9).
Zu Beginn der Planung war die Entwicklung eines Tragwerkkonzeptes gefragt, welches die Spannweiten überbrückt und gleichzeitig den Entwurf des Architekten umsetzt. Die Lösung bestand in der Verbindung der mög-lichen Auflagerpunkte in Nord-Süd-Richtung mit gekippten ebenen Bögen. So kann die taillierte Form in der Draufsicht mit einem im Raum schräg liegenden, einfach gekrümmten Tragwerkselement hergestellt werden. Die zwischen die Bögen gehängten Fischbauch-Träger verhindern das Kippen der Bögen (Bilder 10 bis 12).
Die Basis für die Flächenform besteht aus einer Translationsfläche, diese doppelt gekrümmte Fläche kann mit ebenen und rechteckigen Glaselementen eingedeckt werden. Die Glasscheibengröße wurde auf die in Russland maximal zulässigen Maße von 2,5 m2 für Überkopfverglasung festgelegt. Aus designtechnischen Gründen wurde zu einer Rautengeometrie gewechselt, die in der Umsetzung durch zwei aneinander liegende Dreiecken abgebildet wird. Um trotz der gekrümmten Form möglichst viele gleich anmutende Scheiben zu erhalten, wurde der Abstand der Querträger auf 2,5 m festgelegt und die Scheibenbreite auf 2 m. So entstanden bei einer Anzahl von 815 Scheiben nur 20 verschiedene Typen ungeachtet der Sonderscheiben am Rand.

Um asymmetrische Lasten aufnehmen zu können, wurden die Fischbauchträger so an die Seitenfach-werkträger angeschlossen, dass keine Gelenkkette entstehen kann (Bild 13). Angesichts der gekippten schrägen Anordnung der Bögen, die durch die vorgegebenen Auflagerpunkte entsteht, mussten alle Anschlüsse von Stahlbau Lamparter als Doppelschrägschnitte ausgeführt werden. Die fehlenden Diagonalen in den Fischbauchträgern werden durch die gekrümmte Form und die Biegesteifigkeit des Obergurtes aufgenommen (Bild 14).

Die Hauptbeanspruchungen laufen entlang der Viergurtbinder. Knicke in den Trägern an Stellen, an denen die daraus entstehenden Umlenkkräfte nicht aufgenommen werden können, waren zu vermeiden. Somit musste der Stoß der Viergurtbinder am Anschlusspunkt der Querträger liegen, ohne dass die Anschlusslaschen das erlaubte Transportmaß übersteigen. Die Lösung bestand darin, den Querträger zwischen den Kopfplatten der Viergurtbinder in Form eines Bleches durchlaufen zu lassen (Bild 15).

Aufgrund der hohen exzentrischen Schneelasten musste der Bogen eine große Biegesteifigkeit besitzen. Diese Steifigkeit führt zu großen ungewollten Zugkräften im Untergurt des Viergurtbinders, deshalb wurden die Seile mit so großer Kraft vorgespannt, dass diese Zugkräfte im Normalfall überdrückt werden. So entstehen nur unter sehr großer Schneelast und den asymmetrischen Lasten Zugkräfte im Untergurt. Für den Montageprozess bedeutete dies, dass der Bogen in spannungsloser Lage montiert und dann gegen die Steifigkeit des Viergurtbinders gespannt wurde. Spannungen im Obergurt, die durch den Spannprozess entstanden, wurden erst durch den späteren Ausbau der Verglasung und Verkleidung und der damit verbundenen Verformung des Bogens abgebaut (Bild 16).

Main Arch

Die dem Bogen die Form gebenden Viergurtfachwerke waren eine der größeren Herausforderungen für Werkplanung und Herstellung. Nach vorangegangener Variantenstudie wurde eine Verbindungstechnik gewählt, bei der zwei Kopfplatten mit einem dazwischen liegendem Fachwerkknotenblech mittels hochfesten, vorgespannten Schrauben der Güte 8.8 verschraubt werden. 88 Bohrungen über ein 3-faches Kopfplattenpaket konnten mittels Schablonentechnik deckungsgleich hergestellt werden.

Die Winkeländerungen des polygonalen Bogenfachwerkes konnten durch CNC gesteuerte Doppelschräg-schnitte präzise hergestellt werden. Die Brennrobotoren, die ursprünglich für Rohr-in-Rohr-Stöße konzipiert wurden, konnten auch für die Schnitte an Doppel-T-Profilen eingesetzt werden (Bild 18). Durch die präzisen Profilanarbeitungen und die Schablonentechniken konnten die Viergurtbinder innerhalb des sehr engen selbst gesteckten Toleranzfeldes hergestellt werden. Zur Überprüfung der Bogenform wurden mehrere Viergurtbinder probeweise montiert, um die Geometrie nicht nur am Einzelbauteil zu testen (Bild 19).

Die Bauteilgenauigkeit wurde von einem Vermessungsbüro überprüft, das mit elektronischer Tachymeter-vermessung arbeitet. Die Geometriedaten wurden im Vorfeld direkt aus dem CAD-Modell vermittelt und mit den geplanten Maßen an jedem Bauteil verglichen. Diese Maßnahme hat später die Diskussionen zur Passgenauigkeit während der Montage erleichtert. Nach der Montage konnte dann eine erstaunlich präzise Fertigung am montierten Bauwerk abgelesen werden. Der fast 90 m weit spannenden Fachwerkbogen, der aus zehn Viergurtbindern und elf dazwischen geschraubten Fachwerkscheiben besteht, wich nur um zwei Daumenbreit vom Sollmaß ab.

Glasunterkonstruktion

Auch für den Zuschnitt der Glasunterkonstruktion im Dachfeld wurden CNC-Brennrobotoren eingesetzt. Die Doppelschrägschnitte für die mit verschrauben IPE-Profile wurden mit so hoher Genauigkeit hergestellt, dass nahezu keine Spalte in den Kopfplattenstößen nachgearbeitet werden mussten.
3D-CAD-Planung, elektronische Tachymetervermessung und 3D Robotorbrennschnitttechnik erlauben heute eine erstaunlich hohe Genauigkeit in der Stahlbauferti­gung. So lassen sich auch geometrisch anspruchsvolle Konstruktionen mit Schraubstößen vorfertigen. Planmä­ßigen sollten Baustellen-schweißstöße vermieden werden. Lediglich die Größe der Auflagerpyramiden machten vor Ort zu schweißende Baustellenstöße nötig, da die Kosten für den Sondertransport in diesem Fall höher als die Schweißkosten lagen.

Nach einem guten Beginn mit effektiven Planungsab­läufen und einer zügigen Produktion kam das Projekt am Ende des ersten Jahres in schwieriges Fahrwasser, als ein Stopp seitens des Bauherrn erfolgte, der zur Einstellung der Fabrikation des Main Archs führte. Auch war immer noch kein Auftrag für die Verkleidung erteilt. Dies führte zu einer Unterbrechung von drei Monaten, an deren Ende eine neue Führungsmannschaft auf der Seite der Auftrag­geber stand, mit denen schließlich der Vertrag für die Ver­kleidung abgeschlossen werden konnte. Die Fertigung des Main Archs wurde wieder aufgenommen und die Planung der Verkleidung durchgeführt.

Im Zuge der beauftragten Leistung war durch die Arnold AG ein Logistikkonzept zu erarbeiten. Die Transporte wurden nach Ausschreibung durch Enmar direkt beauftragt. Hierbei wurde vereinbart die Beladung der Materialien durch die jeweiligen Partner in Deutschland direkt erfolgen zu lassen. Da zu diesem Zeitpunkt noch keine abschließende statische Berechnung vorlag und auch das Konzept im Bereich des Main Arch und der Brücke noch nicht endgültig verabschiedet worden war, konnten nur für etwa 40 % der zu transportierenden Teile eine ausreichend genaue Beschreibung mit deren Abmessungen erstellt werden.

Dies betraf in erster Linie die Teile, welche unkritisch hinsichtlich Länge, Breite und Gewicht waren. Aus den vorgelegten Angeboten ergaben sich hierfür nur Beschränkungen in der Bauteil-Länge. Alle anderen Bauteile konnten aufgrund der Abmessungen ohne weitere Einschränkungen transportiert werden.
Die Brücke wurde anhand der nun vorliegenden Transportmöglichkeiten und der damit einhergehenden, notwendigen Kostenoptimierung in entsprechenden Teilen geplant. Für das noch verbleibende Bauteil Main Arch wurden maximale Abmessungen geplant, die für erträgliche Transportkosten sorgten.

Montageplanung

Die Montagekonzepte, auf deren Basis die für Russland notwenigen Method Statements erstellt wurden, stammen vom Team um die Fa. Arnold AG. Unterstützend für die russische Montagefirma wurde ein Supervision-Team von Stahlbau Lamparter nach Moskau geschickt. In Zusammenarbeit mit der Bauleitung von Enmar, der russischen Montagefirma Stalkon und dem Supervision-Team wurden die Montagearbeiten des Main Arch durchgeführt. Zur Erleichterung der Arbeiten wurde ein Werkzeugcontainer zusammengestellt und nach Moskau transportiert.

Verkleidung

Nach erfolgtem Spannen des Main Archs konnte mit der formgebenden Verkleidung des Dachtragwerkes begonnen werden. Die Verkleidung der verschiedenen Stahlbau Hauptbauteile unterteilt sich hierbei in drei grundlegende Bestandteile:

1. obere Verkleidung:
in Form von Kalzip, welches der organischen Form des Daches auf den Seitengebäuden und dem Main Arch folgt durch die Verwendung von X-Tail Formen konnte die ungewöhnliche Struktur des vom Architekten vorgegebenen Oberflächen-verlaufes nachvollzogen werden.

2. untere Verkleidung: in Form von Dreiecken unter dem Main Arch. Hierbei wurde, um ein harmonisches Gesamtsystem zu erstellen, die Dreiecksform der Verglasung in der Verkleidung übernommen. Die Dreiecke wurden mittels einer speziellen Aufhängung an das Stahlbaugerüst angehängt. Ziel hierbei war es, die Montage zu vereinheitlichen und mit einem Baukastenprinzip auszukommen. Dies ermöglichte dem Auftraggeber die Montage in Eigenregie. Auf diese Weise wurden alle Unikat-Dreiecke mit einer Anzahl von 7.100 Teilen in annähernd zwei Monaten montiert. Diese kurze Montagezeit ist auch auf den Aufwand zurück zu führen, der in die Verpackung der Elemente sowie der logistischen Aufbereitung an Beschriftung und Nummerierungssystematik investiert wurde.

3. Arnosol: ein Verschattungssystem, welches über die Glasfassade ragt und an den Stahlbauteilen angehängt wird (Bild 28).
Dieses System wurde durch die Arnold AG entwickelt und schon erfolgreich am Flughafen Düsseldorf in anderer Form angewandt.

Die Erfahrungen aus diesem Projekt machen deutlich, dass solch komplexe Bauaufgaben sowie die interdisziplinäre Zusammenarbeit einer großen Anzahl von Projektpartnern eine enge Abstimmung und strikte Einhaltung der vereinbarten Prozesse, insbesondere im digitalen Datenaustausch notwendig machen, um im Projektablauf gewohnt schnell und flexibel auf Änderungen der Planungsinhalte und deren Austausch reagieren zu können. Angesichts dieser komplexen Aufgabe und den oben geschilderten besonderen Herausforderung des Projekts lässt sich abschließend feststellen, dass dank der hervorragenden Zusammenarbeit aller Projektpartner und Ausführungsfirmen die architektonische Idee funktional, wirtschaftlich und zeitlich angemessen in beeindruckender Weise umgesetzt werden konnte (Bild 29).

Autoren dieses Beitrages:

Dr-Ing. Oliver Drawer
Arnold AG, Industriestraße 6-10
61381 Friedrichsdorf

Dr.-Ing. Mark Fahlbusch
B+G Ingenieure Bollinger und Grohmann GmbH
Westhafenplatz 1
60327 Frankfurt am Main

Dipl.-Ing. Matthias Thiel
Heinrich Lamparter Stahlbau GmbH & Co.KG
Leipziger Straße 12-18
34260 Kassel / Kaufungen

Quelle: Stahlbau 79 (2010), Heft 12 11