Das CityWave Canopy: Tragwerksplanung eines integrierten Gesamtsystems

Das Canopy bildet eines der prägendsten Elemente von CityWave in Mailand. Das von BIG – Bjarke Ingels Group entworfene Projekt vollendet das Stadtquartier CityLife. Die rund 140 m lange, zwischen den beiden Hauptgebäuden RD und RE angeordnete Holzdachkonstruktion überspannt als doppelt gekrümmtes Hängetragwerk eine Fläche von etwa 4.500 m² und schafft einen überdachten öffentlichen Raum.

HB Holzner & Bertagnolli Engineering, verantwortlich für die Tragwerks- und Geotechnikplanung des Gesamtprojekts, entwickelte das statische Konzept des Canopy sowie dessen vollständige Integration in die Tragstruktur der beiden Hochbauten.

Aus tragwerkstechnischer Sicht handelt es sich nicht um eine eigenständige Überdachung, sondern um ein hochgradig gekoppeltes Gesamtsystem. Die aus dem Hängetragwerk resultierenden Einwirkungen werden über die Dachtragwerke von RD und RE in die Stahlbetonkerne und anschließend in die Gründung eingeleitet. Die Planung erforderte daher die Entwicklung eines integralen Tragwerksmodells, das Geometrie, Steifigkeiten, Tragwiderstände und Verformungen unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen sämtlichen relevanten Bauteilen erfasst.

Tragwerkskonzept und Lastabtragung

Das statische Grundprinzip des Canopy basiert auf einem zwischen den beiden Gebäuden gespannten Seilsystem ohne Zwischenstützen.

Die von der Dachfläche aufgenommenen Einwirkungen werden über das primäre Seilsystem auf die Gebäude RD und RE übertragen. Im Bereich der Dachanschlüsse entstehen horizontale Kräfte in einer Größenordnung von etwa 12.000 bis 15.000 kN, die von den Dachtragwerken aufgenommen und über die Stahlbetonkerne in die Gründung weitergeleitet werden.

Aufgrund dieser starken gegenseitigen Beeinflussung kann das Tragverhalten nicht durch eine isolierte Betrachtung einzelner Bauteile beschrieben werden. Die tatsächliche Systemantwort ergibt sich aus dem Zusammenwirken von Seiltragwerk, Holztragplatte, Dachtragwerken, Stahlbetonkernen und Fundamenten. Maßgebend sind dabei sowohl die Steifigkeitsverhältnisse der einzelnen Komponenten als auch deren Verformungskompatibilität.

Seiltragwerk aus Spannstahllitzen und Brettsperrholz

Das Canopy kombiniert die Effizienz eines Seiltragwerks mit den mechanischen Eigenschaften eines großformatigen Brettsperrholztragwerks.

Das primäre Tragsystem besteht aus 19 Seilen aus Spannstahllitzen, die auf drei Ebenen angeordnet sind. Das System basiert auf Technologien, die sich im Brückenbau und bei Schrägseilkonstruktionen bewährt haben und für die besonderen geometrischen und konstruktiven Randbedingungen von CityWave weiterentwickelt wurden.

Im Hauptspannweitenbereich zwischen den Gebäuden verlaufen die Seile geradlinig, wodurch zusätzliche Querbeanspruchungen innerhalb des Tragwerks minimiert werden. Erst im Bereich der Anschlusspunkte erfolgt die Umlenkung der Litzen zu den Verankerungszonen in den Gebäuden.

Das mit dem Seilsystem zusammenwirkende Holztragwerk besteht aus einer fünflagigen Brettsperrholzplatte aus X-Lam mit einer Gesamtdicke von rund 40 cm und einem Holzvolumen von knapp 1.800 m³.

Die Holzplatte übernimmt dabei mehrere wesentliche Funktionen: Sie verteilt die Lasten auf die primären Tragseile, erhöht die Biegesteifigkeit sowie die Steifigkeit in der Dachebene und ermöglicht die geometrische Ausbildung der doppelt gekrümmten Dachfläche gemäß dem architektonischen Entwurf.

Das Tragverhalten des Canopy ergibt sich somit aus dem Zusammenwirken der beiden Teilsysteme. Die Seile gewährleisten die Effizienz des Hängesystems, während die X-Lam-Konstruktion zur Steifigkeit, zur Verteilung der Einwirkungen und zur geometrischen Ausbildung der Dachfläche beiträgt.

Anschluss an die Gebäude und Kraftübertragung

Eine der anspruchsvollsten Aufgaben innerhalb der Tragwerksplanung bestand in der Einleitung der hohen Seilkräfte in die Tragstruktur der beiden Gebäude.

Die Anschlusspunkte des Canopy sind mit großformatigen Dachtragwerken aus Ortbeton verbunden, die speziell für die Aufnahme der konzentrierten Horizontalkräfte sowie der vertikalen Lastanteile des Hängesystems entwickelt wurden.

Die Dachplatten von RD und RE weisen komplexe Geometrien und erhebliche Bauteildicken auf. Zur Begrenzung von Spannungen und Verformungen wurden integrierte Nachspannsysteme vorgesehen.

Die Lasten werden anschließend in die Stahlbetonkerne eingeleitet. Diese übernehmen neben den klassischen Beanspruchungen aus Eigengewicht, Wind und Erdbeben zusätzlich die permanent wirkenden Lastanteile aus dem Canopy.

In den maßgebenden Kernen wurde ergänzend eine vertikale Nachspannung vorgesehen. Die dadurch eingebrachte Vorspannung reduziert Zugspannungen, begrenzt die Rissbildung und verbessert das Langzeitverhalten unter Dauerlast.

Bauzustände und Montagekonzept

Bei Tragwerken dieser Größenordnung stellt die Abfolge der Bauzustände einen integralen Bestandteil der Tragwerksplanung dar.

Die geometrische Ausgangslage wird zunächst durch temporäre Hilfskonstruktionen und ein präzises vermessungstechnisches Überwachungssystem definiert. Anschließend erfolgt die schrittweise Montage der Brettsperrholzelemente sowie der verschiedenen Seilebenen.
Besondere Bedeutung kommt dem Spannen der Litzen zu. Die Spannvorgänge verändern sowohl den Spannungszustand als auch die Verformungsfigur des Gesamtsystems. Das Spannen der Seile ist daher nicht als abschließende Montagehandlung zu verstehen, sondern als eigenständiger statisch relevanter Bauzustand, dessen Ablauf exakt definiert werden muss.

Jeder Bauzustand beeinflusst die Tragwerksantwort und muss kontrolliert in Richtung jener geometrischen und statischen Endkonfiguration führen, die durch die numerischen Modelle vorgegeben wird. Die Verformungskontrolle während der Montage besitzt deshalb dieselbe Bedeutung wie die Nachweise im Endzustand.

Darüber hinaus wurden Robustheitsanalysen für außergewöhnliche Einwirkungen durchgeführt, um das Verhalten des Systems unter dem hypothetischen Ausfall einzelner Komponenten zu untersuchen.

Gesamtmodellierung und BIM-Koordination

Der hohe Interaktionsgrad zwischen Dachtragwerk und Gebäudestruktur erforderte den Einsatz fortschrittlicher numerischer Berechnungsmethoden sowie einer vollständig integrierten BIM-Planung.

Das globale Finite-Elemente-Modell bildet gleichzeitig ab:

• das Tragverhalten der Seile aus Spannstahllitzen,
• die Brettsperrholzkonstruktion,
• die nachgespannten Dachtragwerke,
• die Stahlbetonkerne,
• die Gründungselemente,
• die verschiedenen Montage- und Nutzungszustände.

Die BIM-Methodik ermöglichte die Koordination komplexer dreidimensionaler Geometrien, die Integration der Nachspannsysteme, die Planung der Anschlussdetails sowie die laufende Kollisionskontrolle.

Dadurch konnte die Übereinstimmung zwischen architektonischer Formgebung und tragwerkstechnischen Anforderungen über sämtliche Planungsphasen hinweg sichergestellt werden.

Windbeanspruchung und aeroelastisches Verhalten

Aufgrund der großen Spannweite, der geringen Masse und der vergleichsweise geringen Steifigkeit stellte die Windbeanspruchung einen wesentlichen Bemessungsaspekt dar.

Für die Untersuchung des aeroelastischen Verhaltens wurden umfangreiche Windkanalversuche durchgeführt. Ziel war die Ermittlung der Druckverteilungen auf der Dachfläche sowie die Analyse möglicher dynamischer Anregungsmechanismen.

Die Versuche fanden in Kanada sowie am Politecnico di Milano statt und wurden mit Modellen im Maßstab 1:70 durchgeführt.

Die experimentellen Ergebnisse bildeten die Grundlage für die Entwicklung eines spezifischen Schwingungsminderungssystems.
Entlang des Dachrandes sind vertikale Lamellen, sogenannte Fins, angeordnet. Während ein Teil dieser Elemente der Regenwasserableitung dient, sind in anderen Fins an deren Fuß und im Inneren speziell entwickelte ECD-Dämpfer, Eddy Current Damper, integriert.

Die Fins übernehmen keine tragende Funktion. Das Lastabtragungssystem bleibt vollständig durch das Hängetragwerk definiert. Die ECD-Dämpfer dienen ausschließlich der Reduzierung windinduzierter Schwingungen und der Begrenzung dynamischer Antwortgrößen.

Experimentelle Untersuchungen und Tragwerksmonitoring

Zur Validierung der numerischen Modelle wurden an der Universität Trient umfangreiche Untersuchungen an Komponenten des Brettsperrholztragwerks durchgeführt.

Die Versuchsprogramme umfassten Untersuchungen der Verbindungen, Messungen der Steifigkeit, Untersuchungen der Tragfähigkeit und die dynamische Charakterisierung der Holzkonstruktion.

Die Ergebnisse wurden mit den Prognosen der numerischen Modelle abgeglichen und dienten der Kalibrierung der Berechnungsansätze.
Die Überwachung wird auch während der Nutzungsphase fortgeführt. Hierzu ist ein permanentes Tragwerksmonitoring vorgesehen.

Beschleunigungssensoren, Neigungsmesser, Wegaufnehmer und weitere Messsysteme werden im Zeitverlauf die statische und dynamische Tragwerksantwort erfassen. Dadurch kann das tatsächliche Verhalten des Tragwerks mit den während der Planung prognostizierten Werten verglichen und langfristig bewertet werden.

Das CityWave Canopy stellt ein außergewöhnliches Beispiel für ein integrales Tragwerk dar, bei dem Überdachung, Hochbau und Gründung als untrennbares Gesamtsystem wirken.

Seile aus Spannstahllitzen, Brettsperrholz, nachgespannte Stahlbetontragwerke und vertikale Kerne bilden gemeinsam ein hochkomplexes Tragwerk. Dessen Leistungsfähigkeit wird nicht allein durch die Dimensionierung der einzelnen Bauteile bestimmt, sondern ebenso durch die Kontrolle der Verformungen, der Bauzustände, der Spannvorgänge und der dynamischen Einwirkungen.

Der Beitrag von HB umfasste sämtliche Ebenen der Tragwerksentwicklung: von der Konzeption des Tragprinzips über die globale numerische Modellierung, die Lastabtragung und die Montageabläufe bis hin zu den experimentellen Untersuchungen und dem Monitoring des Tragwerks.