Infrastrukturbauten  – Eine Klammer für den Sport

Das französische Clamart bei Paris erhielt auf dem Campus Trivaux-Garenne 2015 einen Sportpark der besonderen Art. In Erscheinung tritt vor allem ein langgestrecktes Dach mit sanft ausgerundeten Hebungen und Senkungen. Das primäre architektonische Ziel des Bauwerks war, zwei in hohem Mass gegensätzliche Stadtviertel zu verbinden: ein Wohngebiet mit Einfamilienhäusern und einen Bezirk aus bis zu zwölfgeschossigen Hochhäusern mit Sozialwohnungen.Auf dem Campus-Areal gab es bereits zwei Vor- und zwei Grundschulen. Die neue Sportanlage sollte die bestehenden Gebäude ergänzen, aber gleichzeitig eine eigene Formensprache erhalten und das gesamte Viertel optisch aufwerten. Sie ist Teil eines grossangelegten städtischen Entwicklungsprojekts, das dem Campus aus den 1960er-Jahren wieder zu einer hohen Aufenthaltsqualität verhelfen soll.

Dachform als Abbild der Landschaft

Die kurvenreich gestaltete Dachkonstruktion der Anlage entspringt einer ambitionierten architektonischen Vision, die unter anderem die hügelige Landschaft der Umgebung aufgreift. Entwurf und Konzept für das Gebäude lieferten – in Übereinstimmung mit den Wünschen der Behörden vor Ort – Gaëtan Morales und sein Team vom Architekturbüro Gaëtan Le Penhuel aus Paris.

Auf einer Grundfläche von 5200 m² beherbergt die Anlage mit 130 Metern Länge und 40 Metern Breite eine Sporthalle, einen Trainingsraum für Kampfkünste, einen Leichtathletikbereich und einen Tennisplatz. Ein Gitterwerk aus Holz, das die Dachschwünge formt und an den Enden des Gebäudes zu Wänden heruntergezogen wurde, überspannt das Ganze wie eine Klammer.

Dem Gebäude liegt ein Konstruktionsraster von 3 Metern in Längs- und Querrichtung zugrunde. Auf diesem Raster haben die Architekten zunächst das Raumprogramm untergebracht. Da die Anordnung der einzelnen Sportbereiche wesentlichen Einfluss auf die Dachform haben würde – Täler und Erhebungen des Daches sollten sinnvoll mit den Raumfunktionen in Übereinstimmung gebracht werden –, verwendeten sie viel Mühe auf eine entsprechende Einteilung. So musste etwa die Tennishalle eine gewisse Höhe erhalten, damit dort auch hohe Bälle gespielt werden können, ohne dass diese die Dachkonstruktion berühren.

Die Längsfassaden wurden mit einer Art Stahlgitter, das heisst Stahlstützen mit diagonal darüber angeordneten stabilisierenden Stahlprofilen, tragend ausgeführt. Die Stützen dienen den Längsträgern als Auflager bzw. den äussersten Querträgern, die die Traufe der Holzdachkonstruktion bilden, zur Aufhängung. Das Tragwerk der Längsfassade, die den Schulgebäuden auf dem Campus zugewandt ist, misst an der höchsten Stelle etwa 11,50 Meter bzw. knapp 12 Meter mit Dachaufbau, der mit einer Aluminiumeindeckung abschliesst. Als Fassadenmaterial wählten die Architekten milchglasartige Polycarbonat-Platten.

Die Fassadengestaltung der Gebäudelängsseiten stellt einen Bezug zu den Nachbargebäuden her und integriert den Neubau damit gut ins Gesamtensemble des Campus. Die zu Wänden heruntergezogenen Dachflächen im Norden und Süden dagegen schliessen den Sportkomplex nicht nur formschön ab, sondern dienen auch als Lärmschutz für die seitlich anschliessenden Wohngebiete.

Optimierte Dachlandschaft

Der Design-Prozess für das Gebäude erfolgte auf Basis einer 3D-Software. Damit entwickelten die Architekten die ersten Entwürfe und Volumenmodelle am Computer. Zusammen mit dem Ingenieurbüro Van Santen & Associés (VS-A) aus dem französischen Lille, das mit der Konstruktion des Tragwerks und der Gebäudehülle beauftragt war, verfeinerten sie diese Modelle: Bei der Formfindung legten sie ein engmaschiges Netz als virtuelles Tuch so über den Grundriss mit den einzelnen Raumvolumen der Sportbereiche, dass es die Struktur darunter abbildete. Dieses neue Gesamtvolumen variierten sie am Bildschirm so lange, bis Form und Funktion optimal zusammenpassten.

Wegen der vielen verschiedenen Krümmungsradien, der aussergewöhnlichen Gebäudeabmessungen und der grossen ovalen Öffnung im Dach mit Achsmassen von 18 Metern und 36 Metern über dem Leichtathletikbereich modellierten und berechneten die VS-A-Ingenieure zahlreiche Varianten der Tragstruktur und analysierten bzw. prüften so ihre Effizienz.

Auch die Dachentwässerung beeinflusste die Modellierung der Konstruktion. Regenwasser darf sich auf dieser komplexen Oberfläche nirgendwo anstauen und zu unkontrollierten Zusatzlasten führen. Dieser Aspekt wurde genauestens untersucht. Aus all diesen Randbedingungen resultierte die endgültige Form des lang gestreckten Daches.

Da der Prozess der Modellierung auch die Vordimensionierung der Querschnitte mit sich bringt und diese für einen filigranen Gesamteindruck möglichst schlank ausfallen sollten, was mit Brettschichtholz nicht zu erreichen war, schlugen die Ingenieure vor, Kerto-Furnierschichtholz (FSH) für die Träger zu verwenden. Damit liess sich die ausgefallene Architektur der geschwungenen Dachklammer mit grossen Spannweiten und zum Teil sehr engen Krümmungsradien so realisieren, wie es der Entwurf der Architekten vorsah.

Schlanke Kurven

Die hölzerne Megastruktur des Dachtragwerks hat zwei Tragrichtungen: Sie besteht aus 41 Bogenhauptträgern in Gebäudequerrichtung sowie aus 562 kurzen, dazwischen eingefügten, ebenfalls bogenartigen Nebenträgern in Gebäudelängsrichtung. Beide reihen sich jeweils im Abstand von 3 Metern aneinander und bilden zusammen einen räumlichen Trägerrost im Raster von 3 mal 3 Metern.

Jeder Träger ist ein Unikat. Auf die Grundfläche projiziert sind die Hauptträger zwar jeweils 39 Meter (Gesamtgebäudebreite: 40 Meter) bzw. die Nebenträger 3 Meter lang. Durch die unterschiedlichen Krümmungen und Neigungen hat aber jeder eine andere Abwicklungslänge und individuelle Form. Bei den Nebenträgern variieren die Längen zwischen 2,8 und 4,3 Metern.

Die Bogenhauptträger schliessen biegesteif an den Stahlstützen der Längsfassaden bzw. an den unterschiedlich hohen Stahlbetonstützen an, die aus den Wänden ragen, welche die Hallen von den Umkleide- und Sanitärbereichen trennen bzw. die Tennishalle vom Leichtathletikbereich. Das heisst, in etwa zwei Dritteln der Länge des Sportkomplexes (Dojo- und Sporthalle) überspannen die Bogen-Hauptträger zwei Stützweiten: Eine grosse von etwa 31 Metern und eine kurze von etwa 8 Metern. Hier setzen sich die Bogenbinder aus je drei Teilen zusammen: einem 16,5 Meter, einem 18 Meter und einem 4,50 Meter langen Teil (projiziert auf die Grundfläche). Sie sind über eingeschlitzte Stahlbleche, Stabdübel und Bolzen biegesteif verbunden und die Stösse im 31-Meter-Feld knapp neben der Hallenachse angeordnet, das heisst 16,5 Meter von der Längsfassade entfernt. Durch die biegesteifen Stützenanschlüsse ergeben sich eingespannte, dreistielige Rahmenkonstruktionen. Die kurzen Nebenträger schliessen alle 3 Meter über Stahlbleche seitlich an die Hauptträger an.

Die 18 Meter breite Tennishalle dagegen überspannen (auf die Grundfläche projiziert) 21 Meter lange Bogenhauptträger. Sie setzen sich aus je zwei Trägerteilen zusammen, das heisst aus zwei 10,5 Meter langen (projiziert) Bogenteilen. Deren biegesteife Stösse sind ein halbes Rasterfeld neben der Hallenachse angeordnet. Da sie ebenfalls biegesteif an die Fassaden- und Stahlbetonstützen angeschlossen sind, ergeben sich wieder eingespannte Rahmen, diesmal mit einseitiger Auskragung über ein Rasterfeld in den Leichtathletikbereich hinein.

Der ovale Gurt der Dachaussparung über dem Leichtathletikplatz mit Achsmassen von 36 Metern und 18 Metern schliesst an diese Enden der Bogenhauptträger an. Auf der gegenüberliegenden Seite dient die Stahlkonstruktion der Längsfassade der Gurtaufhängung. Die zusammengesetzten einhüftigen Rahmen des Dach-Wand-Übergangs halten zusammen mit den Bogenhauptträgern die engen Radienbereiche des Gurts auf der einen Seite, «abgeschnittene» Haupt- und Nebenträger die auf der anderen Seite.

Die Ingenieure von VS-A hatten den Architekten schon sehr bald nach Beginn der Modellierungsarbeiten geraten, die Dachkonstruktion in Holz zu bauen. Allerdings nicht mit Brettschichtholz, wie das bei solchen Tragwerken meist der Fall ist, sondern mit Furnierschichtholz (FSH). Der Grund: Im Zug der Modellierung und damit der Vordimensionierung der Hauptträger stellte sich heraus, dass Vollholzquerschnitte viel zu gross ausfallen würden. Hohlkastenträger aus FSH dagegen, also Träger, die wie eine Röhre aus FSH- bzw. Kerto-Q-Platten zusammengesetzt sind, können wesentlich schlanker dimensioniert werden; sowohl wegen der Gewichtseinsparung durch den Hohlraum als auch und vor allem wegen der Materialeigenschaften. Denn Kerto-Q besteht aus 3 Millimeter dicken, längs und quer verklebten Schälfurnierschichten. Durch die flächige Lagenverklebung ist es besonders formstabil, verfügt über eine hohe Biege-, Zug- und Druckfestigkeit und kann daher zweiachsige Beanspruchungen, wie sie bei Bogenbindern auftreten, problemlos aufnehmen.

Gleichzeitig lassen sich Bogenbinder aus FSH mit kleinere Krümmungsradien ausführen als mit Brettschichtholz, und derer gab es viele, wie beispielsweise die Doppelkurven in bestimmten Abschnitten des Daches oder die Übergänge des Daches in die Wandkonstruktionen an den Schmalseiten des Gebäudes. Kerto-Q stellte daher für die komplexe Geometrie des Daches, die die Träger beziehungsweise das Material der Träger zweiachsig beansprucht, einen idealen Werkstoff dar. Mit ihm liess sich nicht nur die architektonische Vision realisieren, das Dach der Sportanlage mit schlanken Trägern auszuführen, sondern auch die Anforderung, sie wirtschaftlich herzustellen.

Trägerquerschnitte im Detail

Die Tragwerksplaner des auf Holzbau spezialisierten Ingenieurbüros Charpente Concept aus St. Pierre-en-Faucigny (F) haben aus der Vordimensionierung von VS-A sowie den übrigen Rahmendaten die endgültigen Querschnittabmessungen der Hohlkastenträger berechnet und konzipiert. Im Ergebnis sind vier 16,5 Zentimeter breite Trägertypen entstanden: davon drei Hohlkästen mit 120 Zentimetern, 90 Zentimetern, 60 Zentimetern Höhe und ein Vollquerschnitt mit 90 Zentimetern Höhe. Sie sind innerhalb des Trägerrosts je nach Lastsituation angeordnet.

Die höchsten Hohlkästen setzen sich aus 2 × 69 Millimeter dicken und 120 Zentimeter hohen Platten sowie zwei 27 Millimeter dicken, 20 Zentimeter hohen Gurtstreifen zusammen und kommen ausschliesslich als Hauptträger vor. Für die erforderliche Steifigkeit wurden deren Hohlräume in regelmässigen Abständen mit Kerto-S-Platten gefüllt und diese mit den beiden 69 Millimeter dicken Stegplatten starr verklebt und verschraubt.

Die beiden anderen Hohlkästen bestehen entsprechend aus 2 × 57 Millimeter dicken und 90 Zentimeter hohen Platten mit zwei 51 Millimeter dicken, 15 Zentimeter hohen Gurtstreifen bzw. 2 × 45 Millimeter dicken und 60 Zentimeter hohen Platten mit zwei 75 Millimeter dicken, 10 Zentimeter hohen Gurtstreifen. Sie dienen als Nebenträger. Die Vollquerschnitte bilden drei verklebte 39 Millimeter dicke, 90 Zentimeter hohe Kerto-Q-Platten. Sie kommen beim umlaufenden Gurt der ovalen Dachöffnung, die Achsmasse von 18 × 36 Meter aufweist, zum Einsatz.

Darüber hinaus haben die Ingenieure zur Aussteifung stählerne Windverbände innerhalb der 3 × 3- Meter-Gitterfelder vorgesehen und diese mit unterschiedlichen Querschnitten ausgeführt. Damit wollte man möglichst viel Material sparen, das heisst den Verbrauch optimieren, vor allem aber erreichen, dass das Ganze wie ein filigranes Netz funktioniert und der Lastabtrag auf die Stützen optimal gestaltet werden konnte. Die sich ergebende Tragwirkung entspricht der eines Gitternetzes mit sehr hoher Biegesteifigkeit.

Zusammenwirken aller Querschnitte und Tragrichtungen

Schliesslich galt es noch herauszufinden, wie sich die gebogenen und röhrenartigen Holzträger innerhalb des Tragwerks statisch verhalten, auch unter Berücksichtigung der Haupt- und Nebentragrichtung. Dabei spielte es eine Rolle, dass die Trägerteile für die Bogenträger aus Kerto-Q-Platten herausgeschnitten wurden und es durch den gebogenen Zuschnitt zu angeschnittenen Holzfasern kommt. Weicht nun der Winkel der angeschnittenen Fasern vom Ausrichtungswinkel der Fasern in den Kerto-Platten ab, ändern sich auch die mechanischen Eigenschaften. Die einzelnen Trägerlängen wurden daher in Abhängigkeit von der Krümmung der Elemente, der Faserneigung und der Randbedingungen aus der Tragwerksplanung festgelegt.

Lediglich der Gurt für die Dachöffnung stellte eine Sonderlösung dar. Er musste extra berechnet und die tragenden Partien speziell ausgelegt werden.

Weniger Verbindungsmittel

Im Zug der Bauteildimensionierungen entwickelten die Tragwerksplaner auch leistungsstarke, für Kerto-FSH geeignete Knoten- und Anschlusspunkte und dimensionierten die dazugehörigen Stahlteile und Befestigungselemente.

Dabei galt es, die Verbindungen möglichst unsichtbar auszuführen und diese in der Konstruktion zu «verstecken». Die Art der Träger liess sich hierfür bestens nutzen, da die Bleche zwischen die Platten und Gurte beziehungsweise die Platten und Füllplatten an den Trägerenden eingeschoben werden konnten.

Die Holzbauingenieure haben jeden Rahmen dreidimensional modelliert, um die Anschlüsse sowohl hinsichtlich der erforderlichen Tragreserven als auch hinsichtlich ihrer Gestaltung zu überprüfen. Denn entsprechend dem Generierungsprozess der Tragwerksgeometrie sind alle Knotenpunkte im Grundriss rechtwinklig. In der Ansicht weisen jedoch alle Verbindungen unterschiedliche Neigungen auf.

Die Anschlussbleche wurden so gestaltet, dass die Träger auf der Baustelle schnell und passgenau gefügt sowie über Bolzen präzise und kraftschlüssig montiert werden konnten. Das gewährleistet eine optimale Kraftübertragung; die Bolzen sind immerhin für 10 Prozent der gesamten Tragfähigkeit zuständig.

Aufgrund der hohen Festigkeiten von Kerto-Q war es ausserdem möglich, die Anzahl der benötigten Verbindungsmittel sowie die Grösse der Stahlteile im Vergleich zu solchen für Brettschichtholz zu reduzieren. Das sparte Material und Montagezeit.

Fassadenelemente aus Stahlrahmen mit Polycarbonat-Paneelen

Das Konstruktionsraster der tragenden Fassadenstruktur aus weiss lackierten, galvanisierten Stahlrohrstützen und aussteifenden Stahlrohrdiagonalen ist im Verhältnis zum 3-Meter-Konstruktionsraster des Daches nochmals unterteilt: die Stützen stehen im Abstand von 2 Metern und 1 Meter zueinander. So können einerseits die Bogenhauptträger jeweils an einer Stahlstütze anschliessen, andererseits aber auch die Sekundärträger, die hier als Traufträger fungieren, in einem Drittelspunkt angehängt werden.

Damit die Längenänderung der Stahlstützen infolge Temperaturschwankungen ohne Auswirkung auf die Dachkonstruktionen bleibt, haben die Ingenieure spezielle Stahlverbinder entwickelt, die diese Bewegungen aufnehmen.

Die Bereiche zwischen den Stützen füllen 2 Meter bzw. 1 Meter breite Rahmen aus galvanisierten Stahlprofilen mit Polycarbonat-Paneelen. Die vorgefertigten Fassadenelemente wurden mit dem Kran nach und nach eingehoben, senkrecht zwischen den Stahlstützen eingefädelt, abgelassen und an sie angeschlossen. In einigen Stahlstützen sind Regenfallrohre zur Dachentwässerung integriert.

Warmdach mit geschwungenen Aluminiumelementen

Auf das Holztragwerk folgt ein Warmdachaufbau, der oberseitig mit einem gefalzten Aluminiumblech abschliesst. Die Krümmungsverläufe der Dachfläche sind in Querrichtung wesentlich sanfter als in Längsrichtung. Um dennoch fliessende Übergänge auszubilden, wählten die Architekten vorgeformte Aluminiumwannen, die über eine Sekundärtragstruktur auf dem Holztragwerk befestigt sind. Das heisst: Gewölbte Stahlschienen ermöglichen die Montage der Aluminiumwannen auf der Holzkonstruktion des Daches so, dass jedes Element formschlüssig mit ihm verbunden ist.

Dabei wurden die verschiedenen Aluminiumwannen so geformt, unterteilt und mit entsprechender Fugenausbildung so miteinander verbunden, dass sie perfekt mit dem übereinstimmten, was die Architekten in ihrer Ausschreibung gefordert hatten. Um in Bezug auf die Längsfassade senk-recht verlaufende Linien zu erhalten, variiert die Breite der Aluwannen, die in Gebäudequerrichtung verlegt wurden.

Jede Aluwelle bzw. ihre Ausformung als Aluwanne konnte mithilfe der 3D-Modellierungs-Software «Rhinozeros» exakt konstruiert werden. Die Werkpläne hatten zwar die Rahmenbedingungen des Herstellers dieser komplexen Dach(ein)deckung zu berücksichtigen. Dieser ermöglichte jedoch trotz allem eine grosse Freiheit an gewölbten, konvexen, konkaven, elliptischen und hyperboloiden Formen.

So liess sich die Ausführung des architektonischen Konzepts einer «fliessenden Dachlandschaft aus einem Guss» optimal umsetzen.

Daten für den Abbund dank 3D-Modellierung

Dank des 3D-Modellierungsprozesses konnten die Informationen über die einzelnen Bauteile und -elemente auch in ein 3D-CAD-Programm übernommen und in eine detaillierte Struktur übersetzt werden. Es dauerte rund 3000 Stunden, bis die Konzeptarbeiten sowie die Herstellung von 4000 Bauzeichnungen abgeschlossen waren. Diese Daten wiederum liessen sich exportieren und für den Herstellungsprozess verwenden. Sie ermöglichten nicht nur einen exakten Zuschnitt, sondern auch eine optimale Ausnutzung der FSH-Platten und damit einen minimalen Verschnitt.

Die Kerto-Q-Platten, -Füllplatten und -Gurte für die Hunderte von Hohlkastenunikaten wurden vom französischen Holzbauunternehmen Poulingue aus Beuzeville per CNC gefertigt, ebenso die Kerto-S-Füllplatten zur regelmässigen Aussteifung der Hauptträger. Die Platten wurden ausserdem mit allen Ausfräsungen und Bohrungen versehen.

Auch hier stellten die gebogenen Einzelteile für die Dachöffnung einen Sonderfall dar. Die Herstellung der 3 mal 39 Millimeter dicken Kerto-Platten für die Dachöffnung erfolgte in vier Abschnitten. Dabei mussten die Bohrungen für die Anschlüsse so präzise gesetzt werden, dass alles kraft- und formschlüssig zusammengebaut werden konnte. In den engen Rundungen wurde alles massgefertigt; es gab keine einzige Standardlösung, auf die die Planer hätten zurückgreifen können.