Presseberichte

Gitterschalenkonstruktion des Freilichtmuseum Weald and Downland in Sussex, England

Bisher gibt es nur wenige Beispiele für selbsttragend zweilagige Gitterschalen. Die erste wurde 1975 von Frei Otto und Carlfried Mutschler in Zusammenarbeit mit Ted Happold für die Bundesgartenschau in Mannheim entworfen. Zwei weitere wurden in Japan errichtet. Der Grund für die seltene Ausführung liegt vermutlich in der Schwierigkeit, aus dem flachliegenden Gitter in einem exakt gesteuerten Formungsprozess die selbsttragende Schale zu errichten. Bei der Gitteschale in Weald and Downland konnten einige neue Techniken in der Konstruktion erprobt werden, die diese Schwierigkeiten überwinden.

Das Freilichtmuseum Weald und Download, in Sussex, England, ist ein internationales Zentrum für historisches Bauen aus der Zeit zwischen dem 15. und 19 Jahrhundert. Für die anfallenden Restauraturarbeiten, die Demonstration traditioneller Holzbauweisen und Handwerkstechniken sowie die Unterbringung des umfangreichen Archivs wurde ein modernes Gebäude errichtet, dessen Dachkonstruktion aus einer Gitterschale besteht. Die ganzheitlich umweltbewusste Entwurfsphilosophie zeigt sich in der Verwendung örtlicher Materialien und der minimalen Dimensionierung der aus frisch geschlagenen Eichenhölzern aufgebauten Gitterschale.

Das Gebäude erstreckt sich über eine Länge von 50 m, die Breite variiert zwischen 12 m und 15 m, die Höhe zwischen 7,35 m und 9,5 m. Der dreifach ausgebuchtete Grundriss wird an den beiden Kopfseiten durch parabelförmig ausgebilderte Bögen abgeschlossen. Diese sind mit großen Toren versehen, die den Zugang zum Gebäude sowie eine Andienung der Werkstätten ermöglichen. Das Gebäude ist zweigeschossig aufgebaut, erscheint dem Besucher von außen jedoch eingeschossig, da das Archiv komplett in den hügeligen Kreidebogen eingegraben wurde. Dadurch kann die thermische Masse des Bodens für eine gleichbleibende Temperierung der Archivräume genutzt werden. Die dem Archiv quer aufgelegten, kräftig dimensionierten Leimholzbinder bilden die Unterkonstruktion für den Werkstattboden. Sie kragen seitlich aus und tragen an ihren Enden die filigran wirkende, dreidimensional gekrümmte Gitterschale.

Aufbau und Konstruktion der Gitterschale

Mit einem Flächengewicht von nur 5 kg/m² erreicht die 50 m lange, knapp 1200 m² große Gitterschale ein Gesamtgewicht von 4 Tonnen. Einschließlich der Dachhaut wird letztendlich ein Gesamtgewicht von 20 Tonnen erreicht. Die Schale wird durch zwei leichte Einschnürungen dreigeteilt, im Verlauf des Firstes ergeben sich drei kleinere Erhebungen. Statisch gesehen entspricht dies der Ausformung von drei kleinen Kuppelschalen - der effizientesten dreidimensionalen Form -, die wiederum zu einer Gesamtschale gekoppelt werden. Die sich hierdurch ergebende Reihung von konkaven und konvexen Kurven unterstützt die Gebäudeaussteifung und nimmt die asymmetrischen Lasten auf.

Dem oben aufgeständerten, wellenförmig verlaufenden Flachdach schließt sich ein durchlaufendes Oberlichtband an. Dieses wird im unteren, in die Senkrechte übergehenden Bereich abgelöst von einer vertikal verlegten Stulpschalung aus Zedernholz. Die wellenförmige, organische Form der Gitterschale des Museums passt sich materiell ihrer Umgebung an und nimmt die Topographie der Landschaft auf.

Die Gitterschale des Downland Museums besteht im Gegensatz zu früheren Konstruktionen aus zwei zweilagig aufgebauten Gitterrosten. Die statisch erforderlichen Querschnitte konnten so auf vier Schichten verteilt werden. Die verwendeten Latten aus frisch geschlagenem Eichenholz sind 3,5 x 5 cm dünn und können auf Grund des verringerten Querschnittes und des hohen Saftgehaltes des Frischholzes sehr engen Radien folgen. Um trotz dieser schlanken Bemesssung die erforderlichen Spannweiten erreichen zu können, werden die Knoten nach der Formgebung der Schale schubfest verspannt, um die horizontal auftretenden Schubspannungen aufzunehmen. Die flachliegenden Latten addieren sich so zu einem statischen Querschnitt von 14 x 5 cm. Mit dieser erhöhten Steifigkeit wird die erforderliche Tragfähigkleit der Konstruktion erreicht, bei gleichzeitig höchster Flexibilität in der gewünschten Formgebung.

Die Eichen wurden in Frankreich, in der Normandie, geschlagen, zu Latten aufgeschnitten und sägerau in Längen von 6 m nach England geliefert. Vor der weiteren Verarbeitung wurden die Latten über ihre beiden Querschnitte probeweise auf einen Radius von 9 m beziehungsweise 6 m gebogen, um etwaige Schadstellen, wie Fehlwuchs, Äste, etc. aufzufinden. Die Fehlstellen wurden herausgeschnitten und die verbleibenden fehlerfreien Latten über Keilzinken mit Polyurethanleim zusammengefügt. Anschließend wurden sie auf Dicke gehobelt und in Fixlängen von 12 m auf die Baustelle geliefert. Dort wurden sie erneut auf eine Länge von 36 m zusammengefügt und zur Gitterstruktur ausgelegt.

Der Knoten

Flach ausgelegt bedeckt das Gitternetz eine Fläche von 25 x 47 m. Der Lattenabstand beträgt 1 m und ist dort, wo eine höhere Festigkeit und Steifigkeit gefordert wird, auf einen Abstand von 50 cm reduziert. Während des Formungsprozesses streckt sich das Gitter in seiner Länger um 3 m. Aus demn quadratischen Feldern werden hierbei Romben unterschiedlicher Größe mit unterschiedlichen Winkeln. Die Lage der Knoten auf den Latten bleibt während dieser Formgebung unverändert. Bei einer zweilagigen Gitterstruktur können die Latten deshalb in den Knoten gebohrt und mit einem durchgehenden Schraubbolzen drehbar fixiert werden. Die Ausführung von vier Lattungsbenen mit einem Querschnitt von 40 cm Höhe erfordert jedoch einen Schlupf der jeweils äußersten und innersten Latte, da bei Wölbung der Konstruktion die äußerste Schalenebene gestreckt, die innere gestaucht wird.

Der vom Büro Happold entwickelte und patentierte Knoten besteht aus drei übereinander angeordneten Stahlplatten, die an den vier Eckpunkten mit Schraubbolzen untereinander verspannt werden. Die in der Mitte ligende Stahlplatte liegt in der schubneutralen Mittelzone der Schalenkonstruktion und trennt das äußere vom inneren Gitternetz. Sie ist mit einem zentral liegenden Drehbolzen versehen. Durch Bohrungen in den beiden anliegenden Latten werden die beiden Gitterschalen über diesen Bolzen gelenkig miteinander verbunden und gleichzeitig die Knoten an ihrer vorgegebenen Stelle fixiert.

Formgebung

Um die dreifach gewölbte Schale zu formen, wurde im Gegensatz zur bisher üblichen Methode, das Gitternetz am Boden vorzumontieren und anschließend aufzurichten, das Gitternetz in Firsthöhe auf einem Lehrgerüst aufgebaut und anschließend abgesenkt. Die bautechnische Umsetzung der geplanten Absenkung wurde sehr früh in das Planungskonzept miteinbezogen. Die Tragwerksplaner von Happold arbeiteten bereits in den ersten Entwurfsphasen eng mit Ingenieuren von Peri Gerüstbau zusammen, um die Konstruktion auf den Bauablauf abzustimmen. In der ersten Bauphase wurde ein 50 m langes, 24 m breites und 5,5 m hohes Raumgerüst, als ebenes Netzwerk errichtet. Oben komplett als Arbeitsplattform abgedeckt, diente es als Lehrgerüst für in Arbeitshöhe aufgeständerte GT24-Schalungsträger, auf denen die Gitterstruktur mit ihren mehr als 1000 gelenkigen Kostenpunktes aufgelegt wurde. Anschließend wurden einzelne Felder aufgedeckt und durch diese Öffnungen höhenverstellbare Multiprop-Aluminiumstützen geführt. Diese waren unterhalb der Arbeitsbühne auf Konsolen der Vertikalstiele des Raumgerüstes gelagert und übernahmen sukzessive die Ablastung der eben ligenden Gitterschale. Entsprechend der geplaten dreidimensionalen Formgebung folgte jetzt der Rückbau des Gerüstes und gleichzeitig das Abspindeln der Stützen. Lediglich in den Scheitelpunkten der Konstruktion wurde das Gitter leicht angehoben. Die geschlossenen Belagsflächen des Gerüstes ermöglichen den Handwerkern einen sicheren Zugang zum Erreichen und Justieren der Knotenbleche sowie zum Bedienen der Spindeln - trotz laufender Anpassungen des Gerüstes an die sich verändernde Form der Gitterschale.

Aussteifung der Schale

Die statische Wirkung der Schale wird vervollständigt durch die anschließende diagonale Verstrebung mit Latten, die gleichzeitig die Unterkonstruktion für das Fensterband und die Schalung bilden. Sie sind ebenfalls 3,5 x 5 cm stark, unten horizontal angeordnet, im Bereich der Fensterbänder vertikal verlaufend. Aus den frei drehbaren Rhomben entstehen biegesteif verstrebte Dreiecke. Im Randbereich der auskragenden Bodenplatte und der an den Hallenenden liegenden Parabolbögen wird die Gitterstruktur zwischen zwei 25 mm starke, gebogene Sperrholzplanken eingespannt.

Computergestützter Formfindungsprozess

Die Formfindung für Gitterschalen ist nicht geradlinig und erfordert einen interaktiven Prozess von Berechnungsschritten. Die letztendliche Form hängt wesentlich vom gewählten Querschnitt der Latten und ihrem Abstand zueinander ab. Bei der Definition des Netzes für die Computersimulation wurden die in der Vorplanung ermittelten Knotenabstände übernommen. Hierdurch konnte der spätere Verlauf der Latten und Knoten exakt simuliert werden. Nach Abschluss der Formfindung wurden die Raumkoordinaten der Computersimulation direkt übernommen, und es war möglich, von der flach ausgelegten Gitterschale über die Zwischenstadien des Formgebungsprozesses die Absenkung über diese Daten exakt zu steuern.

Die Form der Gitterschale wurde über eine dynamische Relaxation bestimmt. Die Methode der dynamischen Relaxation ist ein interaktiver Prozess, bei dem eine erste gewählte Form des Modells ausgelenkt und anschließend deren kinetische Energie analysiert wird. Solche Formfindungsprozesse untersuchen im Allgemeinen nur die Auslenkungen einer reinen Kettenlinie, um die endgültige Form zu generieren. Die Gitterschale des Weald and Downland Museums weist jedoch keine reine Form einer Kettenlinie auf - mit einem hängenden physischen Kettenmodell könnte man die Sättel nicht erzeugen. Daher war es notwendig, die Software des Programms dahingehend zu modifizieren, dass auch die Biegesteifigkeit der Holzlatten berücksichtigt werden konnte und ein wirklichkeitsgetreues Modell erzeugt werden konnte. Mit dem Ergebnis der Modulationen lassen sich die endgültigen Krümmungen jedes Elements des Tragwerks bestimmen.

Berechnung des Tragwerks

Die Modellgeometrie der endgültigen Form wurde mit einem elastischen Berechnungsprogramm analysiert (STAAD.Pro). Im ersten Schritt wurde der Sicherheitsfaktor gegen Knicken untersucht. Zwei Berechnungswege wurden miteinander verglichen. Mit der Methode der dynamischen Relaxation wurden nach Theorie zweiter Ordnung die Knicklasten bestimmt. Mit dem STAAD-Modell wurde ebenso eine Berechnung nach der Theorie zweiter Ordnung durchgeführt und die Verformungsfigur mit den nicht linearen Berechnungen unter den selben Lasten verglichen. Der Vergleich der Ergebnisse bestätigte, dass die Berechnungen mit STAAD eine gute Voraussage des tatsächlichen Verhaltens ermöglichten. Der Nachweis nach DIN 1052 (Holzbau), Abschnitt 9.6, wurde angewandt, um nachzuweisen, dass mit einem ausreichenden Sicherheitsfaktor gegen Knicken das Verhalten unter den Gebrauchslasten elastisch ist.

Mit dem STAAD Berechnungsmodell wurden alle Schnittgrößen für die Tragwerkselemente und die Verbindungen bestimmt. Die Spannungsnachweise wurden nach dem Eurocode EC5 (ENV 1995-1-1) geführt. Die Holzgüte entsprach den Anforderungen nach englischer Norm D30.

Peter Gahr
Baumeister (Zeitschrift für Architektur)