12 Meter Spannweite – ohne metallische Verbindungsmittel

Der Vorteil eines Schalentragwerks liegt in seiner hohen Materialeffizienz. Die Bauteile sind kaum auf Biegung beansprucht, Druckkräfte dominieren die Form. Während in biegebeanspruchten Bauteilen nur die Randbereiche hohe Spannungen aufweisen, ist es bei druckbeanspruchten Bauteilen möglich, sie in ihrer kompletten Fläche auszulasten.

Die Kuppel konnte durch diese Beanspruchungsart aus nur zehn Zentimeter starken Brettsperrholzplatten errichtet werden. Die Form der fünf- bis siebeneckigen Bauteile wurde mithilfe eines Algorithmus eingeteilt. Über 200 dieser jeweils nur etwa 60 Zentimeter großen Flächen, von denen jede in ihrer Geometrie einzigartig ist, werden dazu computergestützt hergestellt. Alle Bauteile konnten durch ihre kleine Geometrie aus Abschnitten hergestellt werden, die als Abfall bei der Herstellung von Wandbauteilen mehrgeschossiger Gebäude anfallen.

Verbunden werden die Platten im Anschluss durch eingeklebte Buchendübel und X-Fix-Verbinder, das sind schwalbenschwanzförmige Holz-Holz-Verbinder in Keilform aus Sperrholz. Die X-Fix-Verbinder übernehmen in diesem Zusammenspiel die Verbindung von Zug- und Scheibenschubkräften, also derjenigen Kräfte, die aus einer Verschiebung der Flächen innerhalb ihrer Ebene gegeneinander resultieren. Sie sorgen außerdem für eine spaltfreie Verbindung der Platten während der Montage. Die eingeklebten Buchendübel fixieren die Platten und übertragen die senkrecht zu den Platten wirkende Querkraft.

Zu unserem Auftrag gehörte die statische Berechnung der gesamten Holzkonstruktion mittels Finite-Elemente-Methode. Dazu wurden alle Bauteile, sowohl die Brettsperrholz-Flächen als auch die Verbindungsmittel der Anschlüsse, im Programm RFEM von Dlubal Software modelliert. Ein FEM-Programm zerteilt diese Bauteile anschließend intern in sehr kleine Elemente, deren Länge der Nutzer als Richtgröße vorgibt. Aus den Ergebnissen der Berechnung können die einwirkenden Spannungen direkt ausgelesen werden, die anschließend als Grundlage der Bemessung dienen.

Durch die algorithmische Berechnung der Geometrie der Flächen konnte ein dreidimensionales Modell bestehend aus allen Randpunkten aller Flächen über eine Programmschnittstelle direkt in das RFEM ausgegeben werden. So war eine schnelle, fehlerfreie und millimeterexakte Abbildung dieses komplexen Tragwerks möglich.

Das gesamte Projekt wurde in kürzester Zeit realisiert, von Beginn der Ausführungsplanung bis hin zur tatsächlichen Ausführung vergingen nur acht Wochen, die Herstellung bzw. der Abbund und die Montage wurden sogar an nur acht Werktagen realisiert. Belastungstests durch sechs Hub OSB-Platten mit einer Höhe von je 1,40 Metern – entsprechend einem Gewicht von etwa 17 Tonnen! - konnten nach Fertigstellung der Konstruktion die rechnerisch nachgewiesene hohe Tragfähigkeit der Kuppel in der Praxis verifizieren

Wir danken der TU Kaiserslautern für die spannende Zusammenarbeit – und die Dokumentation der Projektarbeit!