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Ingenieur-Holzbau

Schräger Halbzylinder als Glashaus... ohne sichtbare Verbindungsmittel

Zerbrechliche Glashaut

In Zusammenhang mit Sanierungs-arbeiten der Außenhülle des Um-kleidebereiches und diverser Technikdes Hallenfreizeitbades in Bornheim(Bestand aus den 70er Jahren, Archi-tekt van Dorp + Schmitt) sollte ineinem Erweiterungsbaukörper einattraktiver Kleinkindbadebereich er-richtet werden.

Das Schwimmbad in Bornheim wurdetechnisch und architektonisch überar-beitet. Ein gestalterisches und tat-sächlich auch lichtgebendes Highlightstellt der dem Gebäude jetzt angefüg-te, schräg angelehnte, vollverglasteHalbzylinder mit 16,5 m Durchmesserdar.

Architekturkonzept

Die markante Ur-Gebäudeform blieberhalten und wurde von der neuen,völlig eigenständigen geneigtenZylinderform überlagert (Bild 2). Die„Verschneidung“ von alt und neu er-möglichte mehr und tiefer eindringen-des Tageslicht für die vorhandene Halle(Bild 3), so dass beide Formensprachenund die Funktionen sich gegenseitig er-gänzen: Geborgenheit und großzügigerAusblick; Baukörperkubus und fastmasselose Membran zwischen innenund außen. Holzbauteile, Begrünungund Farbe als sinnliche zeitgemäße Er-gänzung zum vorhandenen Bad, daseher den Charakter einer Sportstättehat, damit insgesamt eine besondere,vielfältige „Wohlfühlatmosphäre” ent-steht.

Die Planer strebten ein möglichst unge-störtes, glattes, filigranes Tragwerk fürdie Verglasung an (Bild 1). Die beson-deren Umgebungsbedingungen bau-

Bild 2: Der Anbauin den Übersichts-zeichnungen

Bild 1: Holz bes-ser als Leicht-metallbau? Hierweist Holz seineEignung ein-drucksvoll nach.

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3physikalischer und chemischer Art in einemSchwimmbad wurden von Anbeginn bedacht. Diegute Eignung von Holz wegen seiner Resistenz ge-genüber chlorhaltiger Atmosphäre und seiner gerin-gen Wärmeleitfähigkeit, der guten Optik und der aus-reichenden Tragfähigkeit für ein filigranes Tragwerkführten zu der Wahl von Holz als Grundwerkstoff.

Es waren allerdings folgende Probleme zu lösen:• möglichst gering sichtbare Holzverbindungen,• Schutz der Metallteile vor Rost und Spannungs-

korrosion,• Verhinderung von Wärmebrücken, die zu Konden-

sat, insbesondere innerhalb des Holzes führen, wiesie durch nach außen reichende Metallteile verur-sacht werden.

Die Teilung der Zylinderschale sah streng regelmäßigeRechtecke vor (Bilder 1 und 3), die möglichst nichtdurch Diagonalen gestört werden sollten. Von daherkamen als sinnvolle Holztragwerke nur die Variantenin Frage:• BS-Holz-Bögen mit polygonal zugeschnittener Ober-

seite für die Glasauflage und dazwischen gefügteSparren-„Stücke“ oder

• durchgehende Sparren (maximale Länge rd. 16,50m) und dazwischen gefügte Bogenpolygon-„Stücke”.

Bei der Sparren-Variante konnte nur ein Mittragen der„zerstückelten“ Bögen zu filigranen Sparren führen.

Gewählt wurde die letztgenannte Variante (Bild 5).Die Berechnung als räumliches Stabwerk, bei dem dieSparren durchlaufen und die Bogen-„Stücke“ mitdrehelastischen Anschlüssen eingefügt sind, ergibteine erhebliche mittragende Wirkung der „Vielfeder-gelenk“-Bögen bei zugleich ausreichend geringerVerformung (Verglasung!) der Gesamtstruktur.Aus der steilen Neigung des Halbzylinders (55°)(Bild 3) ergeben sich:• keine zu berücksichtigenden Schneelasten,

Bild 3: Ansicht der Zylinderkonstruktion, Durchmesserrund 16 m, größte Mantellänge rund 16,5 m

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• bei Windanströmung quer zum Halb-zylinder die ungünstigsten Beanspru-chungen und vor allem Verformungs-größen wegen der nicht symmetri-schen Lastverteilung.

Die recht geringe Eigenlast, 0,40 kN/m², liegt unter der maßgebendenWindlast. Die verschiedenen Wirkungs-richtungen dieser Lasten ergeben inKombination mit den radialen Orientie-rungen der Hauptquerschnittsachsender „Sparren“ („Mantelrippen“) jeweilsDoppelbiegung.

Bild 5: Anschlüsse Bogenrippen an Mantelrippen, lks. ohne „Stahlsattel“, rts. mit „Stahlsattel“

Bild 4: Fußpunkte mitden Übergängen Holz-Be-ton, im Holz sitzen jeweilseingeleimte Gewinde-stangen, die über Vor-spannung die Beton-„stummel“ an das Holzbiegesteif anschließen.

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Die FußpunkteDas Einbinden der Holzrippen in dieBetonbodenplatte wurde hier äußerstelegant gelöst. Die hölzernen Stäbeenden einige Dezimeter über der ferti-gen Oberseite des Bodens und sind soaus dem unmittelbar Feuchte gefähr-deten Bereich herausgehoben. DenÜbergang zum Bodenplattenbeton bil-den Betonfertigteile mit gleichemQuerschnitt wie die Hölzer, die mittelsVorspannung an die rechtwinklig ge-schnittenen Holzenden angeschlossen

sind. In den Hölzern sitzen eingeleimteGewindestangen. Die Beton-„Verlänge-rungen“ der Hölzer erhielten längs lau-fende Rohrhülsen. Mit Muttern wurdendie Betonteile dann an die Hölzer an-geschlossen und mit einem vorgege-benen Drehmoment über eine stähler-ne Unterlegplatte angeschlossen (Bild4). Als Montaghilfe ist an diese eine„schräge Lasche“ angeschweißt, die dieMontageverankerung mit eingebohrtenBetondübeln zuließ. Nach dem Auf-stellen der Holzkonstruktion wurde derBodenplattenanschluss fertig einge-schalt und die noch fehlende Beweh-

Bild 6: „Innen“-Verankerung mit einge-legtem Schraubenbolzen und karda-nisch angetriebenem Schraubwerkzeug

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Verbindung Mantelrippen-BogenrippenDie Bogenrippen sind wegen der Grundform auf Grundla-ge eines gleichmäßig geteilten Kreises regelmäßig genaugleich. Es war durch die Mantelrippen (durchlaufend)eine Verbindung zu schaffen, die Querkräfte (gering),Zugkräfte (gering), Druckkräfte (größer) und Momente(gering, jedoch bedeutend) zu übertragen hat. Zugleichmussten wegen der Verglasung die Rippen als Glasauf-lagen oberflächengleich aneinander binden. Die Verbin-dungen sollten zudem möglichst gering sichtbar sein undmöglichst geringen Zugang der aggressiven Atmosphäreaufweisen. Die projektierte Lösung zeigt Bild 5.

Die in die Bogenrippen bereits bei deren Produktion einge-bauten induo-Anker sind entsprechend der Erfindung vonDr.-Ing. Heyden längs ganz durchbohrt (Bild 6). Ausfrä-sungen erlauben nach dem Zusammenkleben der Holzteileum den induo-Anker das „Hineingreifen“ eines handelsübli-chen Schraubendrehergestänges mit Kardanantrieb. Die An-schlussbolzen werden vor der Verklebung zusammen mitdem induo-Anker eingelegt.

Die stählernen Verbindungsteile in den Mantelrippen beste-hen aus einem Rundstahl ∅ 35 mm, die Länge entsprichtder Breite der Mantelrippen, in den von beiden Seitenschräge Gewinde M 20 eingebohrt und geschnitten sind.Mittig radial ist ein Loch zwecks Fixierung mit einem Stab-dübel gebohrt (Bild 5, links unten).

Die „Mantelrippen“ haben einen Querschnitt von 10 × 22cm², die „Bogenrippen“ von 10 × 10 cm². Selbst bei leichterVorspannung ergibt sich, dass unter Berücksichtigung dermöglichen Schwind- und Quellverformungen der Mantel-rippen von Bogenrippe zu Bogenrippe die Stirnflächen die-ser Hölzer nur geringe Biegemomente übertragen können(Stichwort: „klaffende Fuge“). An wenigen, höher bean-spruchten Stellen „überbrückt“ daher ein stählerner „Sattel”

Bild 7: Zentralknoten der Rosette von unten und von obenbetrachtet

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die weichen (quer zur Faserrichtung)Mantelrippen (Bild 5, rechts unten).Die seitlichen Sattelteile sind innerhalbder Mantelrippen durch zwei Stab-dübel gegeneinander abgestützt, sodass Druckkräfte auf direktem Wegevon Bogenrippe zu Bogenrippe über-tragen werden.

Die RosetteWie ein großes Wagenrad schließt einerechtwinklig zu der Zylinderachse lie-gende Rosette das Glashaus oben ab(Bilder 1 und 7).

Ihr Zentrum lagert auf einem BS-Holz-Kragarm, der aus einer inneren Fach-werkträgerkonstruktion schräg nachoben herausragt, quasi als Nabe einenBetonknoten trägt. Als Zwillingsträgerumfasst der Kragarm den nach untenherausstehenden Zapfen des Zentral-knotens aus Beton. Die Radialrippen,die dort angreifen, laufen bis zumZylindermantel durch (rund 8 m Stütz-weite). Je nach Lage werden sie durchDoppelbiegung unterschiedlicher Kon-stellationen und Größen sowie Normal-kräften sehr verschiedener Größen be-ansprucht. Um auch hier mit filigranenHölzern auskommen zu können, wurdeder Anschluss im Zentrum biegesteifkonstruiert. Bild 8 zeigt von innennach außen: Bügelbewehrung, Ein-schraubmuffen M 20, Bolzen M 20,Hölzer, induo-Anker. Jeder zweite Bü-gel steht senkrecht, jeder zweite waa-gerecht. Es ist eine erhebliche Enge in

dem Knoten. Abweichend von derZeichnung wurden einige, stark aufZug beanspruchte Ankerhülsen durchdazwischen geschweißte Stähle ge-koppelt. Die Radialrippen sind so rund-um über „General“-Stöße miteinanderverbunden, die induo-Anker und dieBolzen haben auch das Versatzmomentaus Querkraft zu übernehmen. Bei deninduo-Ankern wird diesbezüglichQuerzug im Holz maßgeblich.

Die Füllstäbe der RosetteDie 16 im Zentrum angreifenden Stäbeerhielten beim inneren RadiusdrittelWechselhölzer, Anschluss wie beimZylinder. Je Feld wurden dort zweiweitere „Teilspeichen“ eingefügt, umdie Glasstützweiten erträglich zu hal-ten. Sie schließen mit durch die Wech-sel reichenden Schraubenbolzen in

induo-Ankern an. Die weiteren Kreis-rippen im zweiten Radiusdrittel sindwieder wie beim Zylinder eingefügt.

Anschluss AußenkreisringHier treffen jeweils oberflächenbündigvier Rippen, alle tragend, zusammen.Auch hier findet sich eine Verbindungmit Raffinement: In die Radialrippensind an den Enden jeweils zweiGewindestangen eingeleimt (geklebt),die an der Hirnholzseite Schraub-muffen erhielten. Die Mantelrippensind auf der Seite der Radialrippenausgeklinkt, so dass diese hier überDruckkontakt Holz-Holz auflagern kön-nen (Bild 9). Die Lagesicherung undzugfeste Verbindung stellen vonaußen, eingelassen in die Schraub-muffen eingedrehte Bolzen her. DasSackloch wurde verstöpselt.

Die Kreis- und zugleich Bogenrippenerhalten je nach Lage unterschiedlicheNormalkräfte und geringe Biegemo-mente (Doppelbiegung). Sie sind wiedie übrigen Bogenrippen angeschlos-sen.

AussteifungDie Konstruktion ist zwar ohne Diago-nalen in den Mantelgefachen standsi-cher, jedoch sehr weich (verformungs-freudig). Aus diesem Grunde wurde dieohnehin aus bauphysikalischen Grün-den vorgeschlagene Dreifach-Isolier-verglasung zur Erhöhung der Steifig-keit herangezogen. Durch definierteVerklotzungen der Gläser tragen dieseim Zustand der Gebrauchstauglichkeit

Bild 8: DetailZentralknoten

Bild 9: Zusammen-schluss Rosetteund Zylindermantelmit Ausklinkungund eingeleimtenGewindestangen

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versteifend zur Tragfunktion bei. DieGläser, rund 40 mm hoch, bestehenvon innen nach außen aus Verbund-sicherheitsglas (VSG), teilvorgespann-tem Sicherheitsglas (TSG) und außenEinscheibensicherheitsglas (ESG).

Die Verklotzungen sind aus zwei-schichtigem Kunststoff: glasseitig einedünne, weich elastische Lage zur Ver-meidung von Spannungsspitzen undeiner dicken zäh elastischen Schichtzur Kraftübertragung.

In die Verformungs- und Schnitt-größenberechnungen wurden dieGläser als Druckdiagonalen mit einemVergleichsmodul resultierend aus Glas-und Verklotzungselastizitäten einge-führt.

MontageDie Montage war denkbar einfach:Zunächst wurden unter die Rosette

Gerüste gestellt. Die Rosette wurdeaufgerichtet, abgestützt auf Rohr-stützen. Die Zylinderteile wurden amBoden zunächst zu „Leitern“ gefügt.Diese wurden eingehoben, dann diezwischen den „Leitern“ fehlendenBogenrippen eingebaut. Nach demgenauen Ausrichten durch Unterlegenan den Fußpunkten wurden die Bolzenam First eingedreht. Nach dem voll-ständigen Richten wurden die innenliegenden Bolzen mit definiertemDrehmoment gespannt und anschlie-ßend die Ausfräsungen für dasSchraubwerkzeug ausgeleimt.

Die Montage des Holzwerks (Bild 10),ohne Stellung der Gerüste brauchteknapp eine Woche.

Schutzmaßnahmen

Das Holz ist durch die Beton-Anflan-schungen von dem unmittelbar durch

Bild 10: Montagemit wenigenZwischen-abstütungen

Standort: BornheimArchitektur: Heuer • Faust,Dipl.-Ing. Architekten, 52070 AachenTagwerksplanung: Führer – Kosch –Jürges, 52072 AachenAusführende Holzbaufirma:Ochs GmbH, 55481 Kirchberg

Fotos und Zeichnungen: Heuer • Faust,induo-Systemholztechnik, Ochs GmbH

Spritzwasser gefährdeten Bereich ge-trennt. Nur sehr wenige, verzinkteStahlteile sind dem Schwimmbadklimaunmittelbar ausgesetzt. Fast alle stäh-lernen Teile sind vollständig „ein-gehaust“ in Holz, allerdings mit eini-gen mechanischen Kontaktfugen. Wär-me- bzw. Kältebrücken sind weitestge-hend vermieden. Die Glashalteprofilesind thermisch getrennt.

Ergebnis

Das Ziel einer Großstruktur, selbst tra-gend, gefügt so wie Fenster aussehen,filigran, ungestört, ist erreicht. DieKombination von Holz, spezialisierterHolzverbindungstechnik und Glas alsmittragender Hülle, hat es zu günsti-gen Kosten möglich gemacht. DerLeichtmetallbau hätte das wohl kaumfiligraner glatter, thermisch unproble-matischer und kostengünstiger leistenkönnen. Die Optik ist zudem vielleichtsympathischer als Metall.

Heuer/Faustl Führer/KF

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