Veröffentlichte Texte

Die vorliegende Zuschrift ist ein Diskussionsbeitrag hinsichtlich der Überfestigkeitsbeiwerte von Baustählen. Neben der statistischen Streuung der Streckgrenze ist hier u.a. bei Erdbebenbemessungen die Abhängigkeit der Materialeigenschaften von der Beanspruchungsgeschwindigkeit und von einer wiederholten Beanspruchung bis in den inelastischen Bereich zu beachten.

Die Norderelbbrücke aus dem Baujahr 1963 überführt als östliche Hamburger Elbquerung die Bundesautobahn 1 über die namensgebende Norderelbe und liegt direkt zwischen den beiden Autobahndreiecken Hamburg-Süd und Hamburg-Südost. Nachdem in den 2010er Jahren erste Schäden in Form von Ermüdungsrissen aufgetreten sind, wurden Nachrechnungen und Bauwerksprüfungen durchgeführt. In diesem Zuge wurde festgestellt, dass eine der Realität möglichst genau entsprechende rechnerische Tragwerksmodellierung von hoher Wichtigkeit ist, um die aufgetretenen Schäden bewerten und kritische Punkte im Tragwerk sicher bestimmen zu können. Hierfür bietet ein Vergleich zwischen Messung und Rechnung der Tragwerksverformungen unter definierten Lasten eine gute Möglichkeit für eine Verifikation und Kalibrierung von Rechenmodellen. Im vorliegenden Fall konnten die Überfahrten von außergewöhnlichen Schwertransporten mit definierten Lasten genutzt werden. Für die messtechnische Erfassung der Tragwerksverformungen kam ein innovatives kinematisches Laserscanning zum Einsatz. Das prinzipielle Vorgehen zur Messdatenerfassung und die Ergebnisse des Vergleichs werden im vorliegenden Artikel beschrieben.

Der Neubau der Zayed Universität ist ein gelungenes Beispiel für die internationale Zusammenarbeit von Planern und Ausführenden aus mehreren Kontinenten und für das Potential eines Generalübernehmermodells. Neben extremen terminlichen Randbedingungen waren insbesondere zahlreiche ingenieurtechnische Herausforderungen, schwierige Schnittstellen bei Planung und Ausführung, international unterschiedliche Planungsphilosophien und eine parallel zur Planung laufende Großbaustelle mit bis zu 8000 Arbeitern zu meistern.

Durch den gleichzeitigen Einsatz von modernen Planungs- und Fertigungsmethoden und innovativen Materialien wurde mit der Freiform-Raumskulptur Virtual Tectonics 1 eine komplexe Geometrie höchster Präzision gefertigt. Als Symbol für die Einsatzmöglichkeiten von Faserverbundwerkstoffen (speziell von CFK und GFK) im Bauwesen stellen die während des Projektes gesammelten Erfahrungen eine wertvolle Grundlage für die Weiterentwicklung integraler Tragwerke aus Faserverbundstoffen im Bauwesen dar. Dabei wurden die hohen Anforderungen an Standsicherheit, Gebrauchstauglichkeit und Nachhaltigkeit erfüllt.

Als Fortsetzung des in Heft 3/2014 erschienenen Berichtes über die neue Messehalle 3A in Nürnberg wird auf die Besonderheiten der Ausführungsplanung und Ausführung in den Bereichen Grundbau, Massivbau und Stahlbau eingegangen. Eine eigenständige Ingenieuraufgabe stellte der termingerechte Umgang mit den schwierigen Baugrundverhältnissen sowie den anspruchsvollen und hochbewehrten Betongeometrien des fugenlosen Riegelbauwerkes mit höchsten Sichtbetonanforderungen dar. Auch für den filigranen Stahlbau war eine umfassende ingenieurtechnische Bearbeitung erforderlich. Weitere Schwerpunkte des Berichtes bilden daher die Ermittlung der dreidimensional überhöhten spannungslosen Werkstattform sowie die ungewöhnlichen und komplexen Bauzustände und Baubehelfe.

Das Nürnberger Messegelände wird nach Süden erweitert. Insbesondere Besucher und Aussteller der weltbekannten Spielwarenmesse werden ab 2014 in den Genuss der von Zaha Hadid Architects entworfenen neuen Halle 3A kommen. Der Wunsch einer bezahlbaren und im vorgesehenen engen Zeitfenster realisierbaren Ausnahmearchitektur erforderte angesichts der bautechnischen Komplexität bereits während der Architekturstudie im Jahr 2010 eine interdisziplinäre und am räumlichen Gesamtsystem durchgeführte Bearbeitung. Für die Tragwerksplanung galt es, zahlreiche Herausforderungen zu meistern, primär bei Entwicklung und Nachweis der prägenden Stahlbau-Dachkonstruktion mit Spannweiten von über 75 m. Dabei waren die Bauzustände bereits zu berücksichtigen. Ähnlich anspruchsvoll gestaltete sich wegen hoher Sichtbetonanforderungen bei zugleich komplexen Geometrien der Massivbau des ca. 105 m langen und fugenlosen Hallenriegels sowie der Verbindung zur bestehenden Halle 4A. Grundbautechnisch ergaben sich durch die gemischte Gründung aus Großbohrpfählen im Hallenbereich und Flachgründung des Hallenriegels, die schadensfreie Herstellung der Baugrube direkt neben einem großen Abwassersammler sowie dessen anschließende Überbauung zahlreiche Besonderheiten.

Durch den gleichzeitigen Einsatz von modernen Planungs- und Fertigungsmethoden und innovativen Materialien wurde mit der Freiform-Raumskulptur Virtual Tectonics 1 eine komplexe Geometrie höchster Präzision gefertigt. Dabei wurden die hohen Anforderungen an Standsicherheit, Gebrauchstauglichkeit und Nachhaltigkeit erfüllt. Als Symbol für die Einsatzmöglichkeiten von Faserverbundwerkstoffen (speziell von CFK und GFK) im Bauwesen stellen die während des Projektes gesammelten Erfahrungen eine wertvolle Grundlage für die Weiterentwicklung integraler Tragwerke aus Faserverbundstoff en im Bauwesen dar.

Die HafenCity Universität (HCU) wurde zum 1. Januar 2006 als neue Universität für Baukunst und Metropolenentwicklung durch Zusammenlegung der vier Fachbereiche Architektur, Bauingenieurwesen, Geomatik und Stadtplanung gegründet. Unmittelbar an der Elbe gelegen bietet der Neubau im neuen Stadtteil HafenCity auf ca. 30 000 Quadratmeter Bruttogeschossfläche unter einem Dach Platz für ca. 1.400 Studierende und ca. 180 Mitarbeiter sowie diverse zentrale Einrichtungen.
Im Entwurf der Architekten code unique spiegeln sich der besondere Charakter und die Kernkompetenzen der HCU wider. Der skulpturale, fugenlose Baukörper in Stahlbetonskelettbauweise gliedert sich in zwei oberirdische, durch ein zentrales Foyer verbundene Gebäuderiegel von jeweils über 100 m Länge sowie den gemeinsamen eingeschossigen Warftsockel als Hochwasserschutz. Das zentrale Foyer wird umschlossen von den filigranen Stahlkonstruktionen des Atriumdaches sowie der West- und Ostfassade.
Insbesondere die großen Spannweiten und gestaltprägenden Auskragungen, die nahezu vollständige Sichtbarkeit der fugenlosen Betonkonstruktion, die Schiefwinkligkeit der Gebäuderiegel in sich und zueinander sowie auch die Verschiedenheit der übereinander gestapelten Nutzungen erforderten innovative Lösungen bei der Tragwerksplanung.
Zusätzliche Anforderungen ergaben sich aus den allseits restriktiven Besonderheiten des Standortes, dem knappen Budget sowie der aufwändigen Abstimmung des Bausolls mit allen Beteiligten unter Berücksichtigung einer besonderen Nachhaltigkeit und der aus terminlichen Gründen weitgehend parallel tätigen Gewerke.


In Teil 2 des Berichts wird auf die Planung und Ausführung des aufgehenden Gebäudes eingegangen. Dabei stehen die konstruktiven Besonderheiten für die weitgespannten Hohlkörperdecken und die großen Auskragungen, die Komplexität des vertikalen Lastabtrages aufgrund der Vielzahl von wandartigen Trägern, die filigrane Stahlkonstruktion der Atrien und die besonderen technischen Ausrüstungen für Laborbetrieb im Vordergrund. Abschließend wird über die sich daraus ergebenen Besonderheiten in Bauablauf und Bauzustand berichtet.

Direkt an der Hamburger Außenalster wurde für die Errichtung hochwertiger Büro- und Gewerbeflächen mit vier Untergeschossen eine ca. 13 m tiefe Trogbaugrube in Schlitzwandbauweise und mit natürlicher Dichtsohle erforderlich. Aufgrund von sensibler Nachbarbebauung waren nur geringe Baugrundverformungen verträglich. Dies konnte mittels einer innen liegenden Aussteifung als vorgespanntes Stahlfachwerk in der oberen Steifungslage und einem Stahlbetonteildeckel in der unteren Steifungslage sichergestellt werden. Im Rahmen eines umfangreichen Messprogramms wurden die im Entwurf berechneten Baugrundverformungen bestätigt.

Der Neubau der Zayed Universität ist ein gelungenes Beispiel für die internationale Zusammenarbeit von Planern und Ausführenden aus mehreren Kontinenten und für das Potential eines Generalübernehmermodells. Neben extremen terminlichen Randbedingungen waren insbesondere zahlreiche ingenieurtechnische Herausforderungen, schwierige Schnittstellen bei Planung und Ausführung, international unterschiedliche Planungsphilosophien und eine parallel zur Planung laufende Großbaustelle mit bis zu 8000 Arbeitern zu meistern.

Der Neubau der Zayed Universität ist ein gelungenes Beispiel für die internationale Zusammenarbeit von Planern und Ausführenden aus mehreren Kontinenten und für das Potential eines Generalübernehmermodells. Neben extremen terminlichen Randbedingungen waren insbesondere zahlreiche ingenieurtechnische Herausforderungen, schwierige Schnittstellen bei Planung und Ausführung, international unterschiedliche Planungsphilosophien und eine parallel zur Planung laufende Großbaustelle mit bis zu 8000 Arbeitern zu meistern.

Die Bebauung der Ericusspitze mit der neuen Zentrale des Spiegel-Verlages und mit dem Ericus-Contor ist ein gelungenes Beispiel für die frühe Bildung eines schlagkräftigen Teams aus Investoren und Planern und zugleich für das städtebaulich-architektonisch moderne wie nachhaltige Bauen. Neben zahlreichen Besonderheiten des Baugrundstücks waren dabei immerhin ein Investorenwettbewerb, ein internationaler Architektenwettbewerb, ein Bebauungsplanverfahren, eine aufwendige Planungs- und Vergabephase mit unzähligen Beteiligten, eine in die laufende Planung zu integrierende Nachhaltigkeitszertifizierung, ein Architektenwechsel, ungewöhnliche Aufgabenteilungen in der Planung sowie eine Großbaustelle mit zahlreichen ingenieurtechnischen Herausforderungen und terminlich bedingten Schnittstellen zu meistern.

Die dreiseitig vom Wasser umschlossene Ericusspitze ist nach wechselvoller Geschichte heute das nordöstliche Tor zum neuen Stadtteil HafenCity. Der dort neu angesiedelte Hauptsitz des Nachrichtenmagazins „Der Spiegel“ ist mit 15 Obergeschossen zudem einer der bedeutenden Hochpunkte der HafenCity. Zusammen mit dem benachbarten Ericus-Contor, dessen 11 Obergeschosse ebenfalls überwiegend als Büro genutzt werden, konnte ein architektonisch hochwertiges Ensemble mit Vorbildcharakter auch für das nachhaltige Bauen geformt werden. Beide Gebäude stehen auf einem gemeinsamen zweigeschossigen Warftsockel in fugenloser WU-Bauweise, der wesentlich zur Integration in das historische Umfeld beiträgt. Für die bereits sehr frühzeitig einbezogene Tragwerksplanung waren seit der Investorenauswahl und des internationalen Architektenwettbewerbes besondere technische und terminliche Herausforderungen zu meistern. Insbesondere tiefe Vor- und Rücksprünge in der Kubatur des Spiegel-Verlages und weitgespannte Brückengeschosse im Ericus-Contor erforderten ungewöhnliche Lösungen. Dies galt auch für die Pfahlgründung, bei der zahlreiche Zeitzeugen im Untergrund und neu eingebrachte Verpressanker aus einer parallel durchgeführten Sanierung und Ertüchtigung der das Grundstück einfassenden alten Kaimauern sowie eine außergewöhnliche terminliche Situation zu berücksichtigen waren. Die große Baugrube direkt am tideoffenen Elbwasser konnte durch enge tragwerksplanerische Vorgaben z. B. zur Höhenentwicklung des Rohbaus und unter Ausnutzung der örtlichen Gegebenheiten ohne umlaufenden Spundwandkasten und ohne aufwendige Wasserhaltung kostengünstig realisiert werden.

Im Rahmen zahlreicher Infrastrukturmaßnahmen sind derzeit im Schildvortrieb aufzufahrende Tunnel in seichter Lage geplant. Regelmäßig steht dabei die Ausdehnung der Setzungsmulde und die daraus resultierenden Setzungen und Schiefstellungen von Bauwerken im Fokus. In diesem Zusammenhang durchgeführte Verformungsberechnungen beruhen auf empirischen Näherungsverfahren oder der Finite-Elemente-Methode. Die Zuverlässigkeit einer FE-Berechnung hängt wesentlich von Qualität und Kalibrierung des verwendeten Stoffmodells ab. (Im Ingenieurbüro Dr. Binnewies) In diesem Zusammenhang wurde ein Stoffmodell mit ganzheitlichem Ansatz für alle Böden entwickelt, dessen Parameter sehr einfach aus standardisierten Laborversuchen bestimmbar sind. Die besondere Eignung des Stoffmodells ist durch zahlreiche schadensfreie Baumaßnahmen im Spezialtiefbau belegt, bei denen die im Entwurf durchgeführten Berechnungen durch baubegleitende Messungen bestätigt wurden. Am Beispiel von Baumaßnahmen in Hamburg werden die vorgenannten Zusammenhänge erläutert. Dort ist die Geologie durch pleistozäne und holozäne Sande sowie Glimmerschluff, Glimmerton und Geschiebemergel unterschiedlicher Konsolidation infolge eiszeitlicher Vorbelastung geprägt.

Mit dem vorgestellten Materialmodell bestehen hinreichende Möglichkeiten, das Materialverhalten unlegierter Baustähle bei baupraktisch relevanten Beanspruchungen einschließlich der Geschwindigkeitssensitivität des mechanischen Verhaltens abzubilden. Das Materialmodell kann über entsprechende Schnittstellen in ein beliebiges Standard-FE-Programm implementiert werden und steht somit für die Anwendung zur Verfügung. Für die nahe Zukunft bietet sich auf der Materialseite eine Erweiterung des Kenntnisstands zum Einfluss der Beanspruchungsgeschwindigkeit auf die zunehmend verwendeten thermomechanisch gewalzten Stähle an. Diese könnten wie die in Japan neuerdings verwendeten LYP-Stähle mit extrem niedriger Fließgrenze gegenüber der untersuchten Stahlsorte S 355 J2 G3 (N) eine höhere Geschwindigkeitssensitivität aufweisen. Weiterhin sollte der Einfluss der Geschwindigkeitssensitivität des Materialverhaltens auf das Tragverhalten von Bauteilen weiterverfolgt werden, beispielsweise auf die Traglast von mittelschlanken und gedrungenen Stützen. Hierauf kann ggf. in einem späteren Aufsatz noch genauer eingegangen werden.

Die unerwartet schweren Schäden der Erdbeben von Northridge 1994 und Kobe 1995 an entsprechend bemessenen Stahlkonstruktionen haben in Erinnerung gerufen, dass mit einem signifikanten Einfluss der Beanspruchungsgeschwindigkeit auf das mechanische Materialverhalten von unlegiertem Baustahl gerechnet werden muss. Mangels entsprechender Grundlagen für erdbebentypische Beanspruchungen wurde im Rahmen eines DFG-Forschungsvorhabens die Geschwindigkeitssensitivität des mechanischen Verhaltens von handelsüblichem Baustahl S 355 umfangreich experimentell untersucht. Wesentliche Ergebnisse werden nachfolgend vorgestellt. Chargenunabhängig besteht bei unlegierten Baustählen sowohl bei einmaliger als auch bei wiederholter Beanspruchung bis in den inelastischen Bereich in diesem eine signifikante Abhängigkeit des Spannungs-Verzerrungs-Verhaltens von der Beanspruchungsgeschwindigkeit. Zugleich kann das Auftreten von Relaxations- und Kriechphänomenen bei Raumtemperatur auf den Einfluss der Beanspruchungsgeschwindigkeit zurückgeführt werden. Für den Einsatz im Rahmen von FEM-Berechnungen wird auf der Grundlage einer langjährig durch die DFG geförderten Forschungstätigkeit (SFB 319) ein Modell zur konsistenten Beschreibung des komplexen Materialverhaltens unlegierter Baustähle vorgestellt. Vergleichsrechnungen einiger experimenteller Untersuchungen mit dem exemplarisch in ANSYS® implementierten Materialmodell veranschaulichen die Beschreibungsmöglichkeiten der vorgeschlagenen Modellformulierung.

Die Vorhersage und Verlängerung der Lebensdauer ermüdungsbeanspruchter Bauwerke ist notwendig, um Kosten zu minimieren. Es wird ein experimentelles Verfahren zur Bestimmung der Lebensdauer ermüdungsbeanspruchter Bauwerke vorgestellt. Die üblichen Lebensdauervorhersagemethoden benutzen eine Nachweiskette, bestehend aus drei Modellen, einem Einwirkungsmodell, einem Systemmodell und einem Schädigungsmodell. Durch die Unsicherheit der Modelle, insbesondere des Schädigungsmodells, ist die Zuverlässigkeit der Prognosen gering. Es wird eine Methode vorgestellt, die auf Monitoring der kritischen Details und Lebensdauerversuchen basiert. Diese Methode bietet ein größeres Maß an Zuverlässigkeit als die herkömmlichen. Für die Abschätzung der Restnutzungsdauer bestehender Bauwerke wird eine Erweiterung vorgestellt, mit der die Beanspruchungs-Zeitverläufe wirklichkeitsnah generiert werden können.