Orang-Utan-Haus, Tierpark Hagenbeck,...

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Orang-Utan-Haus, Tierpark Hagenbeck, Hamburg Dr.-Ing. Markus Wetzel Dipl.-Ing. Ansgar Scharlau Ingenieurbüro Wetzel & von Seht, Friesenweg 5E, 22763 Hamburg, www.wetzelvonseht.de Der Tierpark Hagenbeck in Hamburg ist im Jahr 2004 mit dem Orang-Utan-Haus um eine weitere Attraktion reicher geworden. Kennzeichnend für die Konstruktion ist die zu öffnende Kuppel mit einem Durchmesser von 32 m, die aus Hohlprofilen besteht. Etwa 1 / 3 der Kuppel ist auf einem Schienensystem verfahrbar. Die Anlage lässt sich somit als Innen- und Außengehege nutzen. Die Gebäudehülle wird aus ETFE-Folienkissen gebildet. 1 ALLGEMEINES Das Orang-Utan-Haus besteht aus einem eingeschossigen Stahlbetonsockel und einer aufgesetzten Kuppel, die als reine Stahlkonstruktion mit einem Durchmesser von etwa 32 m ausgebildet ist. Die Kuppel kann nach Nordwesten in einem Winkel von 123° geöffnet werden. Dazu wird der verfahrbare Teil dieses Kuppelbereiches über den feststehenden Teil in nord-östlicher Richtung geschoben. Bild 1. Querschnitt (Quelle: PSP)

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  • Orang-Utan-Haus, Tierpark Hagenbeck, Hamburg

    Dr.-Ing. Markus Wetzel

    Dipl.-Ing. Ansgar Scharlau

    Ingenieurbüro Wetzel & von Seht, Friesenweg 5E, 22763 Hamburg, www.wetzelvonseht.de

    Der Tierpark Hagenbeck in Hamburg ist im Jahr 2004 mit dem Orang-Utan-Haus um eine weitere

    Attraktion reicher geworden. Kennzeichnend für die Konstruktion ist die zu öffnende Kuppel mit

    einem Durchmesser von 32 m, die aus Hohlprofilen besteht. Etwa 1/3 der Kuppel ist auf einem

    Schienensystem verfahrbar. Die Anlage lässt sich somit als Innen- und Außengehege nutzen. Die

    Gebäudehülle wird aus ETFE-Folienkissen gebildet.

    1 ALLGEMEINES

    Das Orang-Utan-Haus besteht aus einem eingeschossigen Stahlbetonsockel und einer aufgesetzten

    Kuppel, die als reine Stahlkonstruktion mit einem Durchmesser von etwa 32 m ausgebildet ist. Die

    Kuppel kann nach Nordwesten in einem Winkel von 123° geöffnet werden. Dazu wird der

    verfahrbare Teil dieses Kuppelbereiches über den feststehenden Teil in nord-östlicher Richtung

    geschoben.

    Bild 1. Querschnitt (Quelle: PSP)

  • Der Innenbereich des ringförmigen Sockelbauwerks wird als Pflanzbereich, als Gehege für die

    Orang-Utans und Zwergotter sowie als Info- und Zuschauerbereich genutzt. Der Gehegebereich ist

    vom Zuschauerraum durch einen Wassergraben abgegrenzt. In dem Sockelbauwerk ist außerdem

    die Technikzentrale untergebracht. In ausgelagerten Nebenräumen befinden sich Bereiche für die

    Tierpflege, ein Imbiss und WC-Anlagen.

    Zur Simulation eines tropischen Klimas innerhalb der Kuppel mit dazugehöriger Vegetation sind

    für die Außenhaut luftgefüllte Kissen aus ETFE-Folien gewählt worden. Dieses Material zeichnet

    sich gegenüber Glas durch einen hohen Energiedurchlass im ultravioletten Strahlungsbereich aus.

    Das Absorptionsspektrum ist besonders günstig für die Bepflanzung mit Palmen und dergleichen.

    2 BERECHNUNG DER KUPPEL

    2.1 Statisches System

    Die kreisförmige Kuppel mit einem Durchmesser von etwa 32 m ist in 35 gleichbreite Segmente

    mit einem Winkel von je ~ 10,3° aufgeteilt. Der verfahrbare Kuppelteil besteht aus 14 Segmenten.

    Die beiden Randsegmente des verfahrbaren Kuppelteils liegen im geschlossenen Zustand über den

    Randsegmenten des feststehenden Kuppelteils. Der feststehende Kuppelteil hat einen 0,80 m

    kleineren Radius und nimmt 23 Segmente ein.

    Aus dieser Einteilung ergibt sich ein Abstand der Hauptträger an den Fußpunkten von ca. 3,00 m.

    Die Hauptträger sind in den Viertelspunkten mit Querträgern verbunden. Auf den Hauptträgern

    werden pneumatische Luftkissen aus ETFE-Folien montiert.

    Bild 2. Blick von unten in die geschlossene Kuppel (Quelle: Wetzel & von Seht)

    feststehender Kuppelteil mit innenseitigen Dreigurtträgern - „Dreibein“

    verfahrbarer Kuppelteil mit Dreigurtträgern an den Rändern

  • Zur Stabilisierung des Systems sind räumliche Fachwerkträger und Seilauskreuzungen auf der

    Innenseite der Kuppel vorhanden. Die räumlichen Fachwerke sind an den Rändern der beiden

    Kuppelteile zur Aufnahme der dortigen Biegestörungen angeordnet. Diese Dreigurtträger haben an

    den Fußpunkten eine statische Höhe von 1,50 m. Dieses Maß nimmt zum Hochpunkt der Kuppel

    hin auf 0,75 m ab. Im feststehenden Kuppelteil bildet außerdem ein weiterer Dreigurtbogen mit den

    beiden Randbögen eine Art „Dreibein“.

    Das Tragwerk der Kuppel ist als Stahlbau aus Hohlprofilen selbsttragend. Die Folienkissen sind

    nicht Teil des Tragwerks, sie dienen als Raumabschluss.

    Die Kuppel ist als räumliches statisches System mit dem Programmpaket SOFiSTiK generiert und

    bemessen. Die kreisförmig gebogenen Hauptträger (Hohlprofile ∅ 159 mm; Wanddicke t = 6,3 –

    10,0 mm) sind in den Fußpunkten gelenkig gelagert und schließen gelenkig an den oberen

    Drehpunkt an. Die Achse im oberen Drehpunkt hat ein Drehgelenk am Übergang zum verfahrbaren

    Kuppelteil. Die in den Viertelspunkten horizontal angeordneten Querträger (Hohlprofile ∅ 133

    mm; Wanddicke t = 4,0 mm) sind Fachwerkstäbe. Die kreisförmig gebogenen Randträger am Fuß

    der Kuppel koppeln als Biegestäbe die Hauptträger. Die Gurte der räumlichen Fachwerkträger

    laufen biegesteif durch und schließen ebenfalls gelenkig an den oberen Drehpunkt an. Die

    kuppelinnenseitigen Auskreuzungen (Rundstähle ∅ 20 mm) sind als Seile abgebildet.

    Bild 3. Blick auf die geöffnete Kuppel (Quelle: Wetzel & von Seht)

    Querträger im Viertelspunkt

    Dreigurtträger am Kuppelrand

    Hauptträger

    innenseitige Seilauskreuzungen

  • Die im statischen System enthaltenen Flächenelemente dienen ausschließlich zum Aufbringen der

    Windbelastung. Sie haben keine eigene Steifigkeit und beteiligen sich so nicht am Lastabtrag.

    2.2 Modellierung des Systems - Variantenuntersuchung

    Die Kuppel ist als räumliches Gesamtmodell in parametrisierter Form mit CADINP im TEDDY

    programmiert. Der Zeitaufwand für einer derartige Programmierung ist anfangs naturgemäß größer

    als bei einer üblichen Netzgenerierung mit Hilfe von grafischen Eingabeprogrammen.

    Demgegenüber steht jedoch eine äußerst wirtschaftliche Möglichkeit der Variantenuntersuchung.

    In die Programmierung sind folgende Parameter und Systemvarianten über LET# - Variable

    steuerbar:

    - Radien der beiden Kuppelteile

    - Anzahl der Segmente in den Kuppelteilen

    - Öffnungswinkel bzw. Kreisabschnitt des verfahrbaren Kuppelteils

    - Statische Höhe der Dreigurtträger an Fuß- und Kopfpunkt

    - Anordnung von Querträgern im Drittelspunkt oder Viertelspunkt der Hauptträger

    - Radius der Ringe im Hochpunkt der Kuppel

    - Achsabstand der innenliegenden Seilauskreuzungen von den Hauptträgern

    - Anordnung und Anzahl der Seilauskreuzungen

    Im Zuge der Entwicklung und Optimierung des Tragwerks konnte so sehr zügig eine Vielzahl

    unterschiedlicher Varianten berechnet werden. In den folgenden Darstellungen lassen sich

    beispielhaft die Auswirkungen der Veränderung einzelner Parameter auf das FE-Modell erkennen.

    Bild 4. Variation der Größe des verfahrbaren Kuppelteils (Quelle: Wetzel & von Seht)

  • Bild 5. Variation des Öffnungswinkels der Kuppel (Quelle: Wetzel & von Seht)

    Bild 6. Variation der innenseitigen Seilauskreuzungen (Quelle: Wetzel & von Seht)

    Bild 7. Variation der statischen Höhe der Dreigurtträger (Quelle: Wetzel & von Seht)

  • Auf diesem Wege und in enger Abstimmung mit der Architektur wurde das unter Abschnitt 2.1

    beschriebene statische System mit einer Überarbeitung der Geometrie der Dreigurtträger gewählt.

    Für die abschließende statische Berechnung und Bemessung des Modells wurde zudem das

    Elementnetz verfeinert.

    Bild 8. Überarbeitung Dreigurtbinder und Netzverfeinerung (Quelle: Wetzel & von Seht)

    2.3 Lastansätze

    Die Belastung der Kuppel infolge Eigengewicht und Schnee ist nach DIN 1055 angesetzt. Für eine

    zu öffnende Kuppel liegen in den einschlägigen Normen und der Fachliteratur aber nur wenig

    Angaben bezüglich der zu erwartenden Windbelastung vor.

    Im Rahmen der vorgezogenen Lastermittlung und Vorbemessung des Systems wurden

    Winddruckbeiwerte nach Cook [1] angesetzt. Diese Windlasten sind als freie Flächenlasten in

    Abhängigkeit von der Anströmrichtung und vom Winkel gegen die Horizontale programmiert. Über

    die Flächenelemente ohne eigene Steifigkeit werden die Windlasten auf das Stabwerk aufgesetzt.

    So konnten in der Vorbemessung und Modelloptimierung die vielen Systemvarianten ohne weitere

    Überarbeitung und Anpassung der Lasteingabe im Modul ASE berechnet werden.

    Zwecks Bestätigung der Winddruckbeiwerte wurde das I.F.I. (Institut für Industrieaerodynamik

    GmbH, Aachen) beauftragt, ein Gutachten zur Bestimmung der Windlastannahmen zu erarbeiten.

    Es wurden Messungen im Grenzschichtwindkanal an einer geschlossenen und einer geöffneten

    Kuppel im Modellmaßstab 1:50 durchgeführt. Die so ermittelten Windlasten sind für die vier

    Hauptwindrichtungen in der statischen Berechnung berücksichtigt worden.

    Zur Gewährleistung einer Umgebungstemperatur für die Affen von mindestens 18 °C ist die Kuppel

    ausschließlich in den Sommermonaten und in der Übergangszeit geöffnet. Der vollständige

    Schließvorgang benötigt bei einer Fahrgeschwindigkeit von 6,0 m/min ca. sieben Minuten. Da ein zu

    spätes Schließen bzw. ein Offenlassen infolge eines Stromausfalls nicht ausgeschlossen werden

  • kann, wurde die geöffnete Kuppel auch für einen sogenannten sommerlichen Gewittersturm

    bemessen.

    Bild 9. Orang-Utan-Haus geöffnet (Quelle: PSP)

    Aufgrund der Bauweise mit ETFE-Folienkissen wurden zusätzliche Lastfälle untersucht. Der

    Innendruck der Kissen und die äußeren Belastungen (Wind, Schnee) erzeugen an den Rändern der

    ETFE-Folienkissen Zugkräfte. Diese Zugkräfte stehen miteinander im Gleichgewicht, solange an

    einem Hauptträger zwei Kissen anschließen. An Randträgern treten diese Kissenzugkräfte jedoch

    ohne haltende Gegenkraft auf und belasten diese mit Zugkräften und Krempelmomenten. Das

    gleiche gilt für den Fall, das ein Kissen den Druck verliert und somit die Zugkraft des benachbarten

    Kissens nicht mehr ausgleichen kann. Diese Mechanismen wurden in den Lastfällen „Kissenzug“

    und „Kissenausfall“ berücksichtigt.

    2.4 Berechnung

    Es wurden an drei verschiedenen statischen Gesamtsystemen (Kuppel geschlossen, geöffnet und

    etwa zur Hälfte geöffnet) die Überlagerungen der 8 Grundlastfälle (Eigengewicht, Wind in die 4

    Hauptrichtungen in Abhängigkeit vom Öffnungszustand der Kuppel, Schnee, Kissenzug und

    Kissenausfall) einmal auf Gebrauchslastniveau und einmal mit Teilsicherheiten behaftet

    geometrisch nichtlinear nach Theorie II. Ordnung berechnet. Für die Lastweiterleitung wurden 45

    Überlagerungen ausgewertet. Für die Bemessung der Querschnitte (elastisch-elastisch) wurden 90

    Überlagerungen berechnet.

  • Die Nachweise der Gestaltfestigkeit der Hohlprofilknoten in den räumlichen Fachwerken wurde im

    Nachlauf geführt. Die ermittelten rechnerischen Verformungen halten die erhöhten Anforderungen

    von l/500 ein.

    Bild 10. Blick in die geschlossene Kuppel (Quelle: Wetzel & von Seht)

    3 AUSFÜHRUNG

    3.1 Fahrsystem und Drehpunkt

    Der obere Drehpunkt mit einem Durchmesser von 3,50 m, einer Gesamthöhe von 3,50 m und einem

    Gesamtgewicht von ca. 6,0 t wurde vollständig vorgefertigt auf die Baustelle gebracht. Diese

    Einheit besteht aus dem unteren Kranz mit der Drehachse, einer bei Bedarf austauschbaren

    Lagerkassette und dem oberen Drehkranz. Die Knotenpunkte zum Anschluss der Hauptträger und

    der räumlichen Fachwerkträger sind zur Ermöglichung einer zügigen Montage mit

    Schraubverbindungen ausgeführt.

    Die Fußpunkte des verfahrbaren Kuppelteils sind mit Radblocksätzen einschließlich

    Horizontalführungsrollen ausgerüstet. Die Radblöcke fahren auf einer kreisförmig gebogenen

    ~ 80,0 m langen Vigniolschiene S 54. Von den 15 Fußpunkten sind 6 Stck. mit Motoren

    ausgestattet.

  • Bild 11. Drehpunkt der Kuppel (Quelle: Wetzel & von Seht)

    Für den Lastfall „Wind in die geöffnete Kuppel hinein“ können abhebende Kräfte auftreten. Zur

    Aufnahme dieser Kräfte sind alle Fußpunkte mit Klauen zur Abhebesicherung ausgestattet.

    Bild 12. Fußpunkt im verfahrbaren Kuppelteil (Quelle: Wetzel & von Seht)

  • 3.2 Montage

    Zur Montage der Kuppel wurde zuerst der Drehpunkt auf einer abgespannten Arbeitsbühne

    ausgerichtet. Dann wurden die drei räumlichen Fachwerkbinder des feststehenden Kuppelteils zu

    einem Dreibein montiert. Anschließend wurden die Hauptträger, Querträger und die innenliegenden

    Auskreuzungen ergänzt. Nach Fertigstellung des feststehenden Kuppelteils wurde der verfahrbare

    Teil in gleicher Weise montiert.

    Bild 13. Montage feststehender Kuppelteil (Quelle: Wetzel & von Seht)

    3.3 ETFE-Folienkissen

    Die ETFE-Folienkissen (Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer) werden vollständig werksmäßig

    vorgefertigt. Die Folien haben keine Gewebeeinlage. Die Zuschnitte erfolgen in der Regel aus ~

    1,50 m breiten Folienrollen. Die Folienstücke und die Keder an den Rändern werden mit einem

    Schweißverfahren miteinander verbunden.

    Auf der Baustelle werden die Kissen in die vorbereitete Unterkonstruktion eingehängt. Dazu

    werden die Randkeder in die längslaufende Nut in den Alu-Profilen eingeklemmt. Durch

    Verschrauben des oberen Element der Kederschiene ist die Verbindung zugfest gesichert.

  • Bild 14. Befestigung der ETFE-Folienkissen und Anschluss der Querträger und innenliegenden

    Zugglieder (Quelle: PSP)

    Die Kissen werden mit einem konstanten Innendruck betrieben. Jedes Segment hat eine eigene

    Luftzuführung mit Rückschlagventilsicherung und ein Auslassventil. Bei kontinuierlicher

    Luftförderung ist so eine dauernde Spülung der Kisseninnenluft gewährleistet.

    Bei den eingesetzten dreilagigen ETFE-Folienkissen sind die äußeren Folien 200 µm und die

    Mittellage 100 µm dick. Für die Folie liegt eine allgemeines bauaufsichtliches Prüfzeugnis vor,

    welches das Produkt als schwerentflammbaren Baustoff (Baustoffklasse DIN 4102-B1) nach DIN

    4102 Teil 1, Ausgabe Mai 1998 ausweist.

    Die statische Berechnung der ETFE-Folienkissen selbst ist ebenfalls mit Bemessungswindlasten aus

    dem Windlastgutachten erstellt worden.

    Für den Einsatz der ETFE-Folienkissen als Außenhülle wurde von der obersten

    Bauaufsichtsbehörde eine Zustimmung im Einzelfall erteilt.

    4 ZUSAMMENFASSUNG

    Durch die Berechnung dieser Struktur als räumliches Gesamtsystem war es möglich für die Orang-

    Utans und die Besucher des Tierparks Hagenbeck mit diesem filigranen und transparenten

    Ingenieurbauwerk einen neuen Höhepunkt zu realisieren.

  • AM BAU BETEILIGTE:

    Bauherr: Tierpark Hagenbeck, Gemeinnützige Gesellschaft mbH, Hamburg-

    Stellingen

    Architekt: PSP – Pysall, Stahrenberg und Partner, Hamburg

    Tragwerksplanung: Wetzel & von Seht, Hamburg und Berlin,

    projektbezogener Kooperationspartner: Dr.-Ing. G. Grotkop, Bremen

    Windlastannahmen: I.F.I. - Institut für Industrieaerodynamik GmbH, Aachen

    Prüfingenieur: Dr.-Ing. M. Weber, Hamburg

    Stahlbau, Kuppel: RASTA GmbH, Rendsburg

    Drehpunkt, Fahrsystem: LMT / Landwehr, Achim

    ETFE-Folienkissen: Skyspan, Rimsting

    Literatur

    [1] Cook, N.J.: the designer’s guide to wind loading of building structures – part 2 – static

    structures. Building Research Establishment Report, Butterworths, London, 1990