LichtSeilNetz-Konstruktion, Kölner Weihnachtsmarkt 2010

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1 LichtSeilNetz-Konstruktion, Kölner Weihnachtsmarkt 2010 Entwurf, Tragwerk, Details und Ausführung Einleitung Diese recht interessante Bauaufgabe entstand aus einem Wettbewerb, den die Stadt Köln für die Neugestaltung des Kölner Weihnachtsmarktes auf dem Roncalliplatz am Dom im Jahr 2009 auslobte. Die KW - Kölner Weihnachtsgesellschaft mbh als Bauherr und Investor unter der Geschäftsführung von Herrn Roland Temme und Frau Monika Flocke ( konnte mit ihrem Wettbewerbsbeitrag auf der Grundlage des Entwurfes der Architekten Oxen und Partner aus Hürth ( die Jury überzeugen. Die Objektplanung sah darin die Anordnung der Marktstände sowie eine zentrale Licht-Installation über sternförmiger Grundfläche vor. Von einer Bühne mit integriertem Weihnachtsbaum soll eine Seilkonstruktion dafür sorgen, dass an dieser rd LED- Leuchtmittel in regelmäßigen Abständen befestigt werden können, wodurch ein festlicher Sternenhimmel illuminiert werden kann. Zusätzlich soll der Baum durch etwa 600 LED geschmückt sein. Dieser Beitrag soll die gelungene Zusammenarbeit aller Planungsund Baubeteiligten hervorheben und verdeutlichen, welche Gedanken dazu beigetragen haben. Für Interessierte, Kolleginnen und Kollegen sowie für Studierende ergeben sich daraus Einblicke in die Herangehensweisen, Leistungen und Beiträge verschiedener Unternehmen mit einem überaus engagierten und fachlich interessierten Bauherren. Wörzberger Ingenieure GmbH, Prof. Dr.-Ing. Ralf Wörzberger, Rösrath

2 Konstuktionsübersicht Rand-, Grat- und Kehlseile aus Edelstahl (Spiralseile D= 12 mm) bilden die Kanten des Weihnachtssterns. Dazwischen spannen dünne Litzenseile (D= 3mm) ebenfalls aus Edelstahl im parallelen Abstand von 750 mm. An diese werden die Lichtketten aus LED-Balls mit 750mm Abstand untereinander angehängt. Diese stromsparende Technik wurde durch das darauf spezialisierte Unternehmen Blachere Illumination GmbH aus Wels, Österreich, entwickelt sowie EDV-technisch für verschiedene Lichtthemen programmiert ( Wörzberger Ingenieure GmbH, Prof. Dr.-Ing. Ralf Wörzberger, Rösrath

3 Wörzberger Ingenieure GmbH, Prof. Dr.-Ing. Ralf Wörzberger, Rösrath Konstuktionsübersicht Die offene Seilkonstruktion wird umringt von ebenfalls neu gestalteten Marktständen durch die Kölner Architekten Marciniak und Partner ( Leichte montierbare Rahmen aus 1,5mm dicken CORTEN-Stahl-Blechen mit Ausfachungen aus Naturholz (Birke) bilden die insgesamt 139 Pavillons. Dächer aus roten Folien über Aluminium-Rahmen vervollständigen diese Leichtbauart. Ausführungsplanung und Fertigung erfolgten durch die Fa. Walter Dörich Metallbau GmbH ( mit Fa. Musculus ( aus Bergisch Gladbach. In den CAD-Abbildungen sind lediglich die Cortenstahl-Rahmen angedeutet. Zwischen diesen müssen die Widerlager für die Aufnahme der Seilzugkräfte derart unauffällig angeordnet sein, dass der Betrieb nicht behindert wird und zudem in kurzer Zeit alles auf- und wieder abgebaut werden kann. Weil die Domplatte in Ihrem baulichen Bestand dabei weitestgehend nicht angetastet werden darf, müssen sämtliche vertikalen und horizontale Auflagerkräfte über den Plattenbelag mit Estrich sicher übertragen und ins statische Gleichgewicht gebracht werden.

4 Konstuktionsübersicht Am Beispiel der CAD-Abbildungen soll das Prinzip der verdeckten Widerlager demonstriert werden. Die Horizontalkräfte aus den Abspannungen müssen über Reibung in den Untergrund (Belag der Domplatte, Estrich, ) bis in die Stahlbetondecke des Parkhauses eingeleitet werden. Dazu werden Bodenplatten aus Stahl (d= 60mm) und Stahl-Wandscheiben (d= 50mm) verwendet, die die nötige Auflast für die Reib-Kraft-Übertragung über spezielle Anti-Rutsch-Matten zwischen den Stahlböden und dem DOM-Platten-Belag sicherstellen. Insgesamt handelt es sich dabei um 107 Tonnen Stahl für die acht Widerlager. Wörzberger Ingenieure GmbH, Prof. Dr.-Ing. Ralf Wörzberger, Rösrath

5 Konstuktionsübersicht Für die zentrale Stützkonstruktion oberhalb der Bühne wurde ein Montagekonzept entwickelt. Danach soll das Einsetzen einer ca. 22m hohen Tanne unmittelbar vor der Seilnetzmontage erfolgen. Gleichzeitig soll der obere Abspannring zwar den Baum umschließen, jedoch diesen damit nicht stützen; das soll ausschließlich über die Bühne mit entsprechendem Köcher erfolgen, damit Windschwingungen aus dem Baum die Seilkonstruktion nicht zusätzlich beanspruchen. Die weitere Ausführungsplanung mit dem Bau der Bühne sowie die Seilnetz- und Lichtkettenmontage wurde von der darauf spezialisierten Firma Stageco Business Partners GmbH, Niederlassung Berlin, in beeindruckend professioneller Weise ausgeführt ( Wörzberger Ingenieure GmbH, Prof. Dr.-Ing. Ralf Wörzberger, Rösrath

6 Grundlagen für die Statischen Untersuchungen am Seilnetz Die exponierte Lage der Seilnetz-Konstruktion in DOM-Nähe führte zu notwendigen Windkanaluntersuchungen am Aachener I.F.I. Institut für Industrieaerodynamik GmbH ( Ferner muss in der vorweihnachtlichen Zeit mit zusätzlichen Lasteinwirkungen aus Eis-Behang gerechnet werden. Diese Lastfallkombination: Eis- Ummantelung um das Seil incl. der Elt-Kabel sowie Wind, Eigenlasten, Temperatur und Vorspannung bewirken die maximalen Schnittgrößen. Zutreffende Grundlagen für Windlastannahmen auf die Seile incl. Eisummantelung wurden somit auf experimentellem Wege mit ergänzenden analytischen Betrachtungen ermittelt. Im Rahmen der statischen Analyse musste sehr feinfühlig mit dem Lastfall Vorspannung der Seile umgegangen werden. Sehr schnell entwickeln sich daraus recht große horizontale Auflagerreaktionen, die zu entsprechend hohen Reibungskräften mit notwendig hohen Auflasten durch die Widerlager auf Anti-Rutsch-Matten führen. Dabei zu beachten, dass die Lastaufnahmefähigkeit der DOM-Platte über der Tiefgarage ebenfalls begrenzt ist. Aus diesem Grund wurde in Absprache mit dem Prüfingenieur Dipl.- Ing. Alexander Pirlet ( aus Köln festgelegt, dass zusätzliche Stahl-Knaggen unterhalb der Hauptwiderlager (Nord-Süd und Ost-West) angeordnet werden, die punktuell in den Estrich eingreifen und gegen Gleiten unter extremalen Witterungseinflüssen zusätzliche Sicherung bieten sollen. Zudem wurde vereinbart, dass dann gegebenenfalls die Seildurchhänge durch das Nachlassen der Vorspannung vergrößert werden wodurch sich die Seil- und Auflagerkräfte verringern. Gegen Eisbildung unterhalb der Stahlwiderlager, wurden vor deren Montage Salz gestreut sowie die bergseitigen Fugen unter den Bodenblechen mit Dichtprofilen wasserdicht abgeschlossen. Wörzberger Ingenieure GmbH, Prof. Dr.-Ing. Ralf Wörzberger, Rösrath

7 Statische Analyse Die Besonderheit großer Verschiebungen erforderte hier den Einsatz eines speziellen Programmsystems. Gegenüber Stabtragwerken, bei denen Lastfallkombinationen durch Superposition aus den Einzellastfällen gewonnen werden können, ist das bei den Seilen i.d.r. nicht möglich. Grund dafür sind die Abhängigkeiten zwischen großen Verschiebungen und den zugeordneten Seilkräften (Theorie III. Ordnung). Somit müssen jeweils maßgebende Lastgruppen gebildet berechnet und deren Ergebnisse sehr detailliert einzeln ausgewertet werden. Hilfreich ist dennoch gelegentlich ein Arbeitsmodell, an dem Phänomene der EDV-Statik mit der statischen Anschauung immer wieder plausibel abgeglichen werden können. Wörzberger Ingenieure GmbH, Prof. Dr.-Ing. Ralf Wörzberger, Rösrath

8 Zur Berechnung nach der Theorie III. Ordnung ( Seiltheorie) Die vollständige Seilstruktur einschließlich der Abspannseile und der Stützen im Bereich der Widerlager wird als Gesamtsystem mit Hilfe dem Rechenprogramm Ingenieur-Software Dlubal GmbH, RStab7 Version , ( abgebildet: Die Berechnung erfolgt für die Seilstruktur nach der Theorie III. Ordnung mit großen Verformungen. Unter Berücksichtigung rechnerischer Instabilitäten wird die Belastung jeweils in mehreren Laststufen (gewählt 5 Stufen) aufgebracht werden. Je Laststufe wird so lange iteriert, bis das Gleichgewicht gefunden ist. Dann wird in der nächsten Laststufe auf das bereits verformte System der nächste Lastanteil aufgebracht und wieder bis zum Gleichgewicht iteriert. Die Auflager der Abspannseile im Widerlagerbereich sind in Richtung der Wandtafeln ausgerichtet. Die aus den einzelnen Lastfällen gebildeten Lastgruppen können der EDV-Berechnung entnommen werden. Dabei erhalten die einzelnen Lastfälle entsprechend dem betrachteten Grenzzustand (Gebrauchslasten, Tragsicherheit, Lagesicherheit) unterschiedliche Teilsicherheitsbeiwerte. Unter Berücksichtigung der reduzierten Eislast und dem Ansatz eines 1-Jahreswindes wird bei der Überlagerung "Eislast" + "Wind" auf den Ansatz des Kombinationsbeiwert gemäß DIN verzichtet. Wie bereits in den Lastannahmen angeführt, wird die Eislast (LF4) immer in Verbindung mit der Temperatureinwirkung T = -20 C (LF5) berücksichtigt. Wörzberger Ingenieure GmbH, Prof. Dr.-Ing. Ralf Wörzberger, Rösrath

9 Ausführungsplanung als Grundlage für die Werkstattplanung Die Stützkonstruktionen befinden sich auf räumlich schiefen Ebenen der Domplatte. Für die Fertigung der Widerlager müssen diese Angaben der Werkstattplanung zugrunde gelegt werden. Zuverlässige Angaben lieferte dazu das Vermessungsbüro SEAD aus Köln ( das damit für die äußerst genaue Platzierung der Widerlager verantwortlich zeichnete. Zur Sicherstellung der Kraftübertragung aus Horizontalkräften über Reibung auf den Plattenbelag der DOM-Platte wurden die minimalen Gleit-Reibungsbeiwerte für verschiedene Anti-Rutsch-Matten vor Ort experimentell untersucht. Es ergaben sich für den als geeignet ausgewählten Mattentyp Werte von 0,56 (Gleitreibungsbeiwert) im ungünstig nassen Zustand. Wörzberger Ingenieure GmbH, Prof. Dr.-Ing. Ralf Wörzberger, Rösrath

10 Erläuterungen zum Zuschnitt der Stahl-Platten Für die Werkstattplanung wurden dreidimensionale Perspektiven sowie zweidimensionale CAD-Ausführungsplanungen zur Verfügung gestellt. Damit konnten die Grundlagen aus der Statischen Berechnung sowie die tragkonstruktiven Vorgaben unter besonderer Berücksichtigung der Geometrie aus der unterschiedlich geneigten DOM-Platte in leicht nachvollziehbarer Form an das ausführende Unternehmen zur Beachtung und zur weiteren Bearbeitung übergeben werden. Darüber hinaus wurde die entsprechende Datei mit sämtlichen räumlichen Darstellungen zur weiteren Verwendung zur Verfügung gestellt. Alle Aufgaben wurden von der Stahlbaufirma Müller + Sohn Stahlbau GmbH & Co. KG aus Kall (Raum Euskirchen) in Kombination mit der Werkstattplanung (Fa. Steel In Motion GmbH) perfekt gelöst ( und ). Wörzberger Ingenieure GmbH, Prof. Dr.-Ing. Ralf Wörzberger, Rösrath

11 Seilnetz-Vorfertigung Geringer Biegewiderstand am Litzenseil, D= 12 mm Als überaus hilfreich erwies sich der Besuch bei der auf Seile spezialisierten Firma Görlitzer Hanf- und Drahtseilerei ( in Görlitz. Gemeinsam mit der für die Montage der Edelstahlseile vorgesehenen Firma Stageco aus Berlin ( konnten mehrere vorgeplante Details auf einen möglichst kurzfristigen Montageablauf angepasst werden. Großer Biegewiderstand am Spiralseil, D= 12 mm Zur Kontrolle der Seilkräfte wurde ein spezielles Messgerät verwendet. Dabei wird das gespannte Seil über eine Kurbel ausgelenkt. Aus dem Umlenk-Widerstand wird dann die zugehörige Seilkraft ermittelt. Litzenseil Spiralseil Wörzberger Ingenieure GmbH, Prof. Dr.-Ing. Ralf Wörzberger, Rösrath

12 Probe und Aufbau Da nur wenige Tage für den erstmaligen Aufbau auf dem Roncalliplatz zur Verfügung standen, wurde zuvor ein Probeaufbau auf dem Gelände der Stahlbaufirma in Kall (Euskirchen) mit einem Viertel des Seilnetzsterns veranlasst. Dabei konnten wertvolle Erfahrungen für die problemlose Endmontage gewonnen werden. Eine besondere logistische Herausforderung stellte die Anlieferung und Montage unter den recht beengten Platz-Verhältnissen auf der DOM-Platte dar. Aber auch diese Aufgabe wurde von dem Team der KW-Kölner Weihnachtsgesellschaft mbh hervorragend und stets besonnen gemeistert. Jährlich, zwischen Ende November und Weihnachten, kann sich nun die Stadt Köln mit vielen Besuchern fortan daran erfreuen. Rösrath, Ralf Wörzberger Wörzberger Ingenieure GmbH, Prof. Dr.-Ing. Ralf Wörzberger, Rösrath

13 Kölner Weihnachtsmarkt 2010

14 Einleitung Bildung und Innovation sind die Schlüsselthemen der Zukunft darüber sind sich Politik, Medien und Öffentlichkeit einig. Für Studierende, Hochschulverantwortliche, Politiker und Unternehmer stellt sich die Frage, wie Deutschland zu einer Bildungsrepublik werden kann und wie dieses Ziel zu finanzieren ist. Hierbei ist nicht nur Vater Staat in der Pflicht. Auch Fundraising, Networking und Alumni-Arbeit gewinnen bei der Finanzierung hochklassiger Bildung wachsende Bedeutung. Denn sie tragen neben den unmittelbaren finanziellen Vorteilen dazu bei, den Kontakt zwischen Hochschulen und Wirtschaft zu verbessern. Auf dieses Thema nimmt der geplante Forschungsbeitrag Bezug. Unter dem Titel: Modulare Wissensvermittlung via Internet (kurz: MWVI) soll aus dem Bereich Architektur / Bauwesen erforscht werden, auf welche Weise zukünftig komplexes Wissen aus der beruflichen Praxis in lehrgerechte Beiträge modular umgeformt werden kann. Dem Forschungs- und Entwicklungsantrag MWVI 2011 liegt eine recht intensive Vorplanung zugrunde, für das ein neues Wissensvermittlungssystem via Internet in groben Zügen bereits vorentwickelt und getestet wurde ( ; ; ). Im wesentlichen geht es darum, neue Mittel und Wege zu erschließen, um Beteiligungen (Input), Nutzer-Zugänge (Output) und Dialogplattformen für gemeinsame Forschungen, fachliche Ausbildung und der Allgemeinbildung global anwendbar zu gestalten. Gleichzeitig soll es zwischen Lehre, Forschung und beruflicher Praxis im Sinne eines Win-Win-Prinzips zwischen Studierenden, Lehrenden und Unternehmungen - wechselseitig vorteilhaft nutzbar sein und demzufolge fortlaufend im allseitigen Interesse stetig weiter entwickelt und ausgebaut werden.

15 TU-Dortmund als Kooperationspartner: Damit möglichst viele davon erfahren, könnten Studierende an der TU Dortmund aus dem Fachgebiet Fernseh- und Videojournalismus populärwissenschaftlich via Kabel TV darüber berichten. Unter der Leitung des dort berufenen Professor Dr. Steinbrecher könnten daraus hochwertige Wissenschaftsbeiträge entstehen. "Modulare Wissensvermittlung via Internet (MWVI 2011)" lautet der Antragstitel für ein neues Forschungsvorhaben, das vom Antragsteller Prof. Dr.-Ing. Ralf Wörzberger in den vergangenen Jahren bereits weit dafür vorbereitet wurde (Vorplanungen im Internet unter ). Der Grundgedanke: Kleine oder mittlere Unternehmen (KMU), die auf dem Gebiet des Bauwesens tätig sind (Planer und ausführende Unternehmungen), präsentieren ihre besten Leistungen (Bauten, Produkte, Verfahren, Methoden etc.) über das neu zu entwickelnde Datenbanksystem MWVI. FH-Düsseldorf erstellt MWVI-Datenbank: Wissenschaftliche Vertiefungen für interessierte Nutzer können über lehrgerechte Beiträge stattfinden. Die Entwicklung dieser modularen Projektbeiträge und deren Implementierung in ein Datenbanksystem ist ein wesentlicher Gegenstand des Forschungsvorhabens. Danach sollen detaillierte wissenschaftliche Informationen sowie Kontakte via Internet zu finden sein. Nutzeffekte: Auf diese Weise entsteht ein sinnvoller Win-Win- Effekt: Nutzer (Studierende, Planer u.v.a.m.) lernen als Entscheider von morgen - die besonderen Qualitäten anderer kennen. Umgekehrt: die KMU s (Architekten, Ingenieure, Firmen usw.) können auf diese Weise ihre besonderen Leistungen hervorheben.

16 Lehrbeiträge aus der Praxis sind wesentliches Element in der Wissensvermittlung für angehende Architekten und Ingenieure. Multimedial aufbereitet, können so Methoden und Prozesse sehr anschaulich und interessant vermittelt werden. Die FH-Düsseldorf fördert als University of Applied Sciences diese praxisbezogene Lehre. In der weiteren Folge sollen herausragende Leistungen von Architekten, Ingenieuren, Firmen, Forschern u.v.a.m. multimedial - informativ aufbereitet und via Kabel TV sowie im Datenbanksystem MWVI veröffentlicht werden.

17 Wettbewerb 1. Platz Idee PCM People Cargo Mover als zweispurige Einschienenbahn www. energie. wdr. de Wettbewerb Wettbewerb 1. Platz 1. Platz Haltestation: Neue Mitte Oberhausen, Architekt: Prof. C. Parade, Düsseldorf; Anerkennung Stahlbaupreis 1998 Das Thema: "Mobilität und Verkehr" behandelt eine Studie mit dem Titel: Hochbahn über dem Mittelstreifen von Autobahnen. Darin werden Lösungen für den kombinierten Öffentlichen Personen - Nah - und Fern - Verkehr sowie für den Gütertransport im CARGO-Betrieb als People Cargo Mover (PCM) vorgeschlagen ( www. mwvi. de / pcm ) und ( www. mwvi. de / research ). Weitgespannte Stab - Flechtwerk - Schalen für AGRAR-DOMES "Drachenbrücke und "Horizont-Observatorium" an und auf der Halde Hoheward bei Recklinghausen; Entwurf und Tragwerk : Wörzberger WBW 1. Pl. Gesamtschule Wuppertal (Arch. Parade) WBW 1. Pl. Glasdach Messe Hannover (Arch. SEP) Rinnenhohlspiegel als statisch frei - tragende Energie-Dächer Ralf Wörzberger, geb in Thüringen. Studium Bauingenieurwesen in Münster und Hannover. Promotion, Universität Hannover, zum Dr.-Ing Drachenkopf als Stahlblech-Origami ; Länge ca. 6m; Höhe ca.18m "Horizont-Observatorium" Stahlrohr-Plastik für astronomische Beobachtungen Spannweiten 91m bzw. 95m; Rohr D=1,42m Wörzberger Ingenieure Gesellschaft mbh Entwurf und Tragwerksplanung im Bauwesen Beratungen: Polónyi, Möller, Niles, Wörzberger Im Pannenlöhe 2 B; D Rösrath Fon / Fax / -43 Umbau+Sanierung WDR-Köln (Arch. HPP) Tribünendach Lausitzring (Entw. Wörzberger) Wettbewerb 1. Platz ICC-Dresden, Arch. Storch&Ehlers u.partner (SEP) Hannover; ARGE Tragwerk, Lph Projektleiter sowie 1990 Gesellschafter und Geschäftsführer im Kölner Ingenieurbüro IPP Prof. Dr.-Ing. Polónyi und Partner GmbH. Seit 1994 selbständig im Rösrather Ingenieurbüro für Tragwerksplanung. Ab 1995 Professor für Tragkonstruktionen und Ingenieurhochbau an der Fachhochschule in Münster Ruf an die Techn. Universität Wien, Fakultät Bauingenieurwesen und gleichzeitig an die FH-Düsseldorf, FB. Architektur Rufannahme als Professor für Bau- und Tragkonstruktionen an der Düsseldorfer Hochschule; seit 2005: "Peter Behrens School of Architecture