Neuplanung des Velodroms in Abuja, Nigeria

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1 Bei diesem Beitrag handelt es sich um einen wissenschaftlich begutachteten und freigegebenen Fachaufsatz ( reviewed paper ). Hauptaufsatz Neuplanung des Velodroms in Abuja, Nigeria B. Stimpfle Zusammenfassung Das ursprüngliche, 2003 fertiggestellte Membrandach wurde kurz nach der Errichtung während eines Unwetter zerstört. Die Membrane wurde vollständig zerstört, die Masten blieben jedoch unbeschädigt stehen. Es wurde entschieden das Dach durch ein redundanteres System zu ersetzen, welches ein ähnliches Erscheinungsbild haben sollte. Das Hauptziel der Neugestaltung war es, Veränderungen an den Hauptmasten zu vermeiden und möglichst die Hauptabspannseile wieder zu verwenden. Der Entwurf begann mit der Untersuchung von verschiedenen Groß- Seilnetztypen, um ein System mit vergleichbarem Lastverhalten zu erhalten. Dies führte zu einem Großseilnetz mit fünf- und sechseckigem Raster, welches eine ähnliche Form wie das ursprüngliche Membrandach hat und daher auch eine vergleichbare geometrische Steifigkeit aufweist. Redesign of the Velodrome in Abuja Bild 1. Quadratische Maschen Fig. 1. Quad-rangular net Bild 2. Polygonale Maschen Fig. 2. Polygonal net 433 Baubeschreibung Sportstätten Membranbau Abstract The original roof, finalized in 2003 did fail shortly after the installation process during a thunderstorm. The complete membrane was destroyed but the main masts were still in place and not damaged. It was then decided to replace this roof by a more redundant system, but with same appearance.main goal for the redesign was to avoid any modification on the main masts, and ideally no replacement of the main suspension cables. The design was started with the evaluation of different types of large scale cable nets, to achieve a system with a comparable load bearing behaviour. It ended up with a pentagon and hexagon pattern, forming a similar shape like the previous membrane roof, and so with a comparable geometric stiffness. Bild 3. Radiale Verspannung Fig. 3. Radial bracing 1 Geschichte des Projektes Bild 4. Radiale Verspannung und umlaufender Ring Fig. 4. Radial and circumferential bracing Anlässlich der All African Games 2003 in Nigeria wurde in der Hauptstadt Abuja ein großer Sportkomplex errichtet, inklusive eines Radrennstadions mit einer 250 m Radrennbahn. Die Überdachung des Stadions bildete eine PTFE-Glas Membrane, die von acht Haupt- und 16 Randmasten gehalten wurde. Am letzten Tag der All African Games wurde die Membrane während eines Gewitters vollständig zerstört. Die Hauptmasten überstanden den Sturm unbeschädigt und blieben stehen. Für den Wiederaufbau wurde entschieden, ein Dach zu planen mit demselben Erscheinungsbild, allerdings mit einem redundanten Membransystem, um bei Schäden an einem Teilbereich einen erneuten Totalverlust des Daches zu vermeiden. Dipl.-Ing. Bernd Stimpfle 2 Neuplanung Beratender Ingenieur formtl ingenieure für tragwerk und leichtbau gmbh Kapellenweg 2b Radolfzell Ziel bei der Neuplanung war es jedwede Modifikation der Hauptmasten zu vermeiden. Die Neuplanung wurde mit der Untersuchung von verschiedenen großmaschigen Seilnetzen begonnen, um ein System mit einem ähnlichen Tragverhalten wie die ursprüngliche reine Membraneindeckung zu Band 82, Oktober 2007 Bauingenieur

2 434 erhalten und somit erträgliche Lasten für die Masten, Seile und Fundamente zu erzeugen. In einem ersten Modell wurde ein diagonal ausgerichtetes Seilnetz mit quadratischen Maschen untersucht. Mit der vorhandenen Anzahl von Hauptmasten und Hauptabspannungen war dieses System sehr weich und führte zu unverträglichen Verformungen. Darüber hinaus kam es durch Lastumlagerungen zu deutlichen Überlasten in einzelnen Hauptmasten und Anspannseilen. Daher wurde dieses System nicht weiter verfolgt. Mit diesen Erkenntnissen wurde versucht eine Seilnetzform zu erzeugen, die näher an der ursprünglichen Membranform war. Hierzu wurden die tiefen Zonen mit Kehlseilen geformt und diese mit Seilen unter den Membranfeldern zu den Hochpunkten der bisherigen Membrane verbunden. Mit dieser Veränderung und dem so entstandenen polygonalen Seilnetz war es möglich eine geometrische Steifigkeit zu erzeugen, die dem ursprünglichen Membrandach sehr nahe kommt. Um die Lasten möglichst gleichmäßig auf alle Masten und Abspannseile zu verteilen, wurden verschiedene Möglichkeiten der Maststabilisierung untersucht. Nach dem Gewitterschaden wurden zur Sicherung der unvollständigen Konstruktion bereits radiale Verspannungen eingebaut. Daher wurde die Untersuchung mit diesem System begonnen, auch um die radiale Verspannung im System belassen zu können. Zur Minimierung der asymmetrischen Lasten auf die Abspannseile wurde zusätzlich ein umlaufendes Ringseil eingebaut, das die Lasten gleichmäßiger auf alle Abspannseile verteilt. Bild 5. Draufsicht Fig. 5. Plan view 3 Tragsystem und Berechnung Die Untersuchungen führten schließlich zu einem Seilnetz bestehend aus fünf- und sechseckigen Maschen mit einer ähnliche Form wie das vorhergehende Membrandach und somit auch mit einer vergleichbaren geometrischen Steifigkeit. Jedes Fünfeck oder Sechseck ist unterhalb der Membran gestützt durch lose unter der Membrane verlaufende Bild 6. Ansichten Fig. 6. Elevations Bild 7. Statisches System Fig. 7. Analysis model Bild 8. Windkanal (Foto: Ingenieurgesellschaft Niemann & Partner) Fig. 8. Wind tunnel Bauingenieur Band 82, Oktober 2007

3 Gratseile. Diese Gratseile sind zur Mitte - also zu den Hochpunkten - gespannt. Über der Membrane liegt eine obere Seillage, mit der die Membrane zu den Masten gespannt ist. Bereits mit der Errichtung dieses reinen Seiltragwerks wurde ein stabiles Tragsystem ausgebildet. Durch die Membrane innerhalb dieses Netzes wird die endgültige Vorspannung im System aufgebracht. Die aufgebrachten Windlasten basieren auf einen Windkanalversuch. Untersucht wurden für Wind längs, Wind quer und Wind diagonal die folgenden Fälle: die globale, abwärts gerichtete Vertikalkraft, die globale, aufwärts gerichtete Vertikalkraft, die globale Horizontalkraft, die Verformung der Membran an der Ostseite Der Staudruck wurde anhand örtlicher Windangaben ermittelt. Die Bezugsgeschwindigkeit wurde mit 49,5 m/s in einer Höhe von 10 m festgelegt. Somit ergab sich für den höchsten Punkt der Membrane ein Staudruck von q= 2,05 kn/m². Die statische Berechnung wurde mit der nicht-linearen Membran-Software TL- Load an einem Gesamtmodell durchgeführt. Dieses Modell umfasst alle Seile, die Membrane und die Stützen. Der Wartungssteg hängt unterhalb der Membrane. Er wurde als separates System mit einem normalen Stabwerkprogramm berechnet. Die Auflagerlasten des Wartungsstegs wurden als Knotenlasten in das Komplettmodel eingebracht. Für die Berechnung des Wartungssteges wurden die Membranverformungen als Lagerverschiebungen eingeprägt. Da sich hierdurch große Verformungen der einzelnen Stegteile ergaben, mussten die Kopplungen untereinander verschieblich ausgebildet werden, um große Zwangskräfte zu vermeiden. Die Berechnung erfolgte für alle Windlastfälle und zusätzlich als mögliches Schadensszenario für Windbeanspruchung bei fehlenden Feldern. Des Weiteren wurde noch eine Belastung aus Wasser auf der Membrane untersucht. Die maximale Membranspannung (Bemessungsgrößen) liegt bei 70 kn/m in Kettrichtung und 37 kn/m in Schussrichtung. In den Bereichen mit maximaler Spannung wurde die Membrane zur Verstärkung verdoppelt. Bild 9. Membranseile Fig. 9. Membrane cables Detaillierung 4.1 Anpassung des Primärstahls Der untere Teil sämtlicher umlaufenden Randstützen wurde wiederverwendet. Die Stützenköpfe wurden an die neuen Seildurchmesser und Seilrichtungen angepasst. An den Hauptmasten haben teilweise neue Seilköpfe mit anderen Abmessungen angeschlossen. Um Schweißarbeiten am Mastkopf zu vermeiden wurden spezielle Adapterteile hergestellt, die den Übergang auf die neuen Seilköpfe ermöglichten. Das Ringseil am Mastkopf wurde mit einer aufgeklemmten Schelle angeschlossen. 4.2 Seilknoten Die Seilknoten werden durch einen zentralen Mittelpunkt gebildet, welcher für die Tiefpunkte aus einem Stahlzylinder und für die Hochpunkte aus einem Rohr besteht. Alle Seile sind über Gabelköpfe an diesen Knoten angeschlossen. Die Membrane wird über die Hochpunkte gespannt. Jede Abspannung verfügt über eine extra lange Gewindestange zum Vorspannen mit hydraulischen Pressen. Die Tiefpunkte sind mit Membrane abgedeckt. Die Hochpunkte hingegen haben konische Aluminiumhauben zur Abdeckung, die zugleich noch eine natürliche Entlüftung des Innenraumes ermöglichen. Bild 10. Einhüllende maximale Membranspannung in Kett- undschussrichtung Fig. 10. Envelope membrane stress in warp and in weft Band 82, Oktober 2007 Bauingenieur

4 436 Bild 12. Adapter Detail und Schelle für das Ringseil Fig. 12. Adapter detail Bild 11. Neues Detail der Randstütze Fig. 11. New detail at the border column Bild 13. Seilknoten Tiefpunkt Fig. 13. Cable node lower point 4.3 Membrandetails Die Membranfelder sind jeweils mit einer durchgehenden Klemmleiste und U-Bügeln an die Kehl- und Randseile angeschlossen. Das Randdetail ist ein geklemmter Kederrand mit Lochung. An allen Eckdetails ist die Membrane mit kreisförmig gebogenen Klemmleisten gefasst. Zur Aufnahme von Tangentialkräften sind die U-Bügel teilweise mit Seilklemmen und Kippsicherungen gegen Verrutschen gesichert. 4.4 Membranzuschnitte Das Dach wurde in 36 Einzelfelder unterteilt. Die konischen Felder wurden parallel zu den Kanten zugeschnitten. Das Nahtlayout wurde so gewählt, dass alle Nähte aufeinander treffen. Die unterschiedlichen Winkel und Feldgrößen erforderten für jeden Sektor eine unterschiedliche Materialbreite. Um den Verschnitt zu minimieren wurden Materialbreiten zwischen 1,75 m und 2,95 m vorgegeben, mit denen die einzelnen ursprünglich 4,7 m breiten Rollen zu teilen waren. Obwohl im Dach zwei Symmetrieachsen sind, war es notwendig für alle Felder die Kompensation individuell festzulegen, um den unterschiedlichen Chargen Rechnung zu tragen. Die Kompensation der einzelnen Membranzuschnitte variierte zwischen 3% und 6% in Schussrichtung. In Kettrichtung musste nicht kompensiert werden. Die Zuschnittssoftware hat automatisch DXF Dateien erzeugt, mit allen Zugaben oder Abzugsmaßen sowie allen Detailangaben. Diese Dateien konnten vom Zuschnittplotter direkt ohne Nacharbeiten gelesen werden. Bauingenieur Band 82, Oktober 2007

5 437 Bild 16. Zuschnittslayout Fig. 16. Pattern layout Bild 14. Seilknoten Hochpunkt Fig. 14. Cable node high point Bild 17. Übersicht Membranfeld 1 Fig. 17. View membrane bay 1 Bild 15. Klemmdetail Fig. 15. Clamping detail Band 82, Oktober 2007 Bauingenieur

6 438 Bild 18. Zuschnittplotter Canobbio Fig. 18. Cutting plotter Canobbio Bild 19. Seilnetz (Foto: Pfeifer Seil- und Hebetechnik) Fig. 19. Cable net 5 Montage Für die Montage wurde eine Montagegeometrie definiert, bis zu welcher das Seilnetz gespannt werden musste um eine stabile Konstruktion ohne eingebaute Membrane zu erhalten. Für diesen Zustand sind die Membranseile am Hochpunkt etwas höher gespannt als im Endzustand. Anschließend wurde Feld für Feld montiert. Innerhalb jedes Feldes wurden die radialen Membranseile aus der Montagegeometrie abgelassen und hingen lose nach unten. Unter den Kehlseilen wurden Hängegerüste auf Bodenniveau montiert. Das Membranfeld wurde dann ausgebreitet und an das Hängegerüst angehängt. Gemeinsam mit dem Hängegerüst wurde die Membrane dann angehoben. Umlaufend wurden alle Ränder mit Klemmleisten und U-Platten an die Kehlseile angeschlossen. An den Eckpunkten wurden gebogene Klemmleisten eingebaut. Sobald das Membranfeld vollständig befestigt war, wurde es am zentralen Knoten gespannt. Das Spannen erfolgte bis zu einem leichten Vorspannzustand. Nachdem alle Felder montiert waren, erfolgte das endgültige Vorspannen. Das Vorspannen erfolgte mit Hydraulikpressen oberhalb des Hochpunktes. Danach wurden alle Kehlseile mit einem Dichtlappen abgedeckt, die Regenrinne wurde auf der Baustelle auf die bereits gedehnte Membrane angeschweißt. Somit musste die Rinne beim Montageprozess nicht zusätzlich gedehnt werden. Der Wartungssteg ist an die Seilnetzkonstruktion angehängt. Auf Grund der starken Verformung des Daches mussten die einzelnen Segmente verschieblich gekoppelt werden. Die Verbindungsstücke wurden mit beweglichen Kanten ausgestattet, die sich bei starken Verformungen nach innen klappen, um auch Scherverformungen zu erlauben. Die Auflagerung erfolgt mit drehbar gelagerten Langlochkonsolen. Bild 20. Vorbereitung der Felder (Foto: Bilfinger Berger) Fig. 20. Preparation of panel Bild 21. Heben eines Feldes (Foto: Bilfinger Berger) Fig. 21. Lifting of panel Bauingenieur Band 82, Oktober 2007

7 439 Bild 22. Montage der ersten beiden Felder (Foto: Bilfinger Berger) Fig. 22. First two panels up Bild 25. Außenansicht Fig. 25. View from the outside Bild 26. Innenansicht Fig. 26. View from inside Bild 23. Spannen (Foto: Pfeifer Seil- und Hebetechnik) Fig. 23. Tensioning Bild 24. Wartungssteg Fig. 24. Cat walk Bild 27. Randstütze Fig. 27. Border column Band 82, Oktober 2007 Bauingenieur

8 440 6 Zusammenfassung Durch das konsequente Nachvollziehen des Tragverhaltens der ursprünglichen Membrane in der neuen Seilnetzgeometrie ist es gelungen, den Änderungsaufwand an den unbeschädigten Elementen gering zu halten und das Dach in seinem ursprünglichen Erscheinungsbild wiederherzustellen. Die Gliederung der Dachhaut in einzelne Felder mit abgestimmtem Nahtbild führt zu einer ruhigen Innen- und Außenansicht. Das Ziel, das Velodrom als redundantes Tragwerk zu erstellen wurde erreicht. In seiner Erscheinung wirkt es leichter und ruhiger als das ursprüngliche Membrandach. Projektdaten Maximale Länge: Maximale Breite: 126 m 106 m Maximale Höhe der Membrane: 37 m Maximale Höhe der Masten: 55 m Überdachte Fläche: m² Oberfläche: m² Projektbeteiligte Bauherr: The Federal Government of the Federal Republic of Nigeria (Task Force on National Stadium Complex, Abuja) Generalunternehmer: JULIUS BERGER NIGERIA PLC (Bilfinger Berger Nigeria GmbH) Tragwerksplaner Neuplanung: form TL ingenieure für tragwerk und leichtbau gmbh, Radolfzell Stahl- und Seilkonstruktion: Pfeifer Seil und Hebetechnik GmbH, Memmingen Membrankonfektionär: Canobbio S.p.A., Castelnuovo Scrivia Membranmontage: Montageservice SL GmbH, Halbergmoos Windgutachten: Niemann & Partner Prüfingenieur: Prof. Schmidt & Partner Persönliches Dieter Füg 70. Geburtstag Prof. Dr.-Ing. habil. Dieter Füg wurde am in Blankenstein (Thüringen) geboren. Nach einer Ausbildung zum Zimmerer absolvierte D. Füg ein Studium an der Ingenieurschule für Bauwesen Glauchau und schloss dieses im Jahre 1957 ab. Es folgte eine Tätigkeit als Statiker und Konstrukteur im VEB Stahlbau Hosena (heute Züblin Stahlbau GmbH). Hier plante er Stahltragwerke für den Industriebau schloss er ein siebenjähriges Fernstudium an der TU Dresden in der Fachrichtung Konstruktiver Ingenieurbau ab. Im Anschluss daran qualifizierte er sich zum Schweißfachingenieur. Danach wechselte er ein weiteres Mal für drei Jahre in die Baupraxis promovierte er am Lehrstuhl Stahlbau der Moskauer Hochschule für Bauwesen mit einer Arbeit über vorgespannte Metallkonstruktionen. Die Ausbildung von jungen Leuten war ihm stets ein wichtiges Anliegen und entsprach seinen Interessen und Neigungen. Als inzwischen berufener Hochschuldozent an der Ingenieurhochschule Cottbus lehrte und forschte Füg auf dem Gebiet des Stahlleichtbaus und der vorgespannten Stahlkonstruktionen wurde er an der Hochschule für Architektur und Bauwesen Weimar zum Dr. sc. techn. promoviert, ein Jahr später folgte seine Berufung zum ordentlichen Professor für Metallbau in Cottbus. Das wissenschaftliche Betätigungsfeld wurde ergänzt durch Stahlverbundbau und Schweißtechnik. In dieser Zeit war ihm auch die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses wichtig; davon zeugen seine als Doktorvater betreuten Dissertationen. Nach der politischen Wende nutzte Füg die neuen Möglichkeiten und Chancen, knüpfte Kontakte zu Universitäten in den alten Bundesländern und stellte erfolgreich Forschungsanträge bei der DFG (Stahlverbundfachwerke) und AIF (Schweißen unter Last). Nicht alle Wünsche gingen in Erfüllung. Die Neustrukturierung der Hochschullandschaft in den neuen Bundesländern nach der Wende dauerte ihm wohl zu lange und er verließ 1992 die Brandenburgische Technische Universität Cottbus auf eigenen Wunsch. Inzwischen 55 Jahre alt, galt jetzt seine ganze Kraft dem Aufbau eines eigenen Ingenieurbüros erwarb er die Zulassung als Prüfingenieur für Baustatik zunächst nur für die Fachrichtung Metallbau, später kamen Massiv- und Holzbau dazu. Im Rahmen der Tragwerksplanung und Prüfung bearbeitete Füg zunächst Projekte des allgemeinen Hoch- und Industriebaus. Später kam die Prüfung der Genehmigungsund Ausführungsplanung anspruchvoller Brückenbauprojekte hinzu. Das Eisenbahnbundesamt und die Ingenieurkammer Nordrhein-Westfalen bestellten ihn im Jahre 1998 als Sachverständigen für die Prüfung der Standsicherheit. Professor Füg will jetzt seinen Ruhestand genießen, hat aber auch fachlich noch einiges vor. Im Namen aller Fachkollegen wünsche ich ihm dazu gute Gesundheit und Schaffenskraft. Hans-Ullrich Hoch Bauingenieur Band 82, Oktober 2007