Bewehrungsplanung in 2D und 3D

Die Skyline von Frankfurt am Main ist europaweit einzigartig. Allein neun der etwa 30 Gebäude von über 100 m Höhe zählen zu den zehn höchsten der Bundesrepublik. Im Frühjahr 2019 soll dieses Ensemble um einen weiteren Wolkenkratzer reicher werden. Dann wird der „Omniturm“ mit ca. 190 m das fünfthöchste Gebäude Frankfurts und gleichzeitig das erste Hochhaus in Deutschland mit echter Mischnutzung sein, das neben Büro- und Wohnraum auch öffentliche Flächen bereithält. Bauherr Tishman Speyer hat bereits mit „Messe­Turm“, „OpernTurm“ und „TaunusTurm“ drei Ikonen des Frankfurter Stadtbildes in die Wiege gehoben.

Im Architektenwettbewerb um den „Omniturm“ konnte sich der Entwurf von BIG (Bjarke Ingels Group) in Zusammenarbeit mit Bollinger + Grohmann Inge­nieure durchsetzen: Ein zunächst klassisch linear anmutender Hochhausbau, der mit raffiniert ver­schobenen Ebenen über ein auf­sehen­erre­gendes Alleinstellungsmerkmal verfügt. Parallel zum Wett­bewerb fertigten Bollinger + Grohmann Ingenieure eine Machbarkeitsstudie an. Im Anschluss an das gewonnene Auslobungsverfahren zeichneten die Ingenieure zu weiten Teilen für die Tragwerks- und Fassadenplanung (LP 1 bis 3 sowie LP 6), eine vorge­zogene Last­ermitt­lung mit prüffähiger Ausstei­fungsberechnung sowie für die Genehmigungs- und Ausführungsplanung für die Bohrpfähle (Gründung) und Teildeckel (Baugrube) verantwortlich.

Anspruchsvolles Stützsystem

Das ambitionierte Bauvorhaben brachte eine Reihe von Herausforderungen für Bollinger + Grohmann Ingenieure mit sich. So verzichtet der „Omniturm“ auf die üblichen Eckstützen und bietet seinen Nut­zern uneingeschränkte Ausblicke aus den beliebten Eckräumen. Dementsprechend galt es, zusammen mit BIG und B & V Braun Canton Architekten ein Stützensystem zu entwickeln, das ohne diese Tragwerksteile auskommt. Ebenso musste dem Alleinstellungsmerkmal des Turms Rechnung ge­tragen werden: Die als öffentlicher Raum konzipier­ten Sockel- sowie die Wohngeschosse in der Gebäudemitte sind entlang der Vertikalachse verschoben. Das bedeutete, dass die Geometrie der Stützen­stränge auf diesen Etagen optimiert werden musste, um Schrägstellungen bzw. Umlen­kungen der Stützen zu minimieren.

Anspruchsvoll war auch die Gründung des Turms, welche eine kombinierte Pfahl-Platten-Gründung (KPP) inklusive Abstimmung der Federsteifigkeiten mit dem Bodengutachter erforderte. Des Weiteren bedurfte es einer Baugrube in Teildeckelbauwei­se. Diese sollte in zwei Teildeckeln (Decke über 2. und 4. UG) und – da es sich um einen separaten Auftrag handelte – mit vom Rohbau unabhängigen Primärstützen ausgeführt werden. Aufgrund der Schlankheit der Teildeckel waren diese stabilitäts­gefährdet, so dass Schalenbeulen zu entstehen drohten. So mussten in Zusammenarbeit mit dem Auftraggeber, der ARGE Tiefbau Tessuto, quasi „schwebende“ Teildeckel mit Aufhängung an der Bohrpfahlwand und nachjustierbarer Aufhängung an den Primärstützen entwickelt werden. Die hochbewehrten Teildeckel erforderten zudem an verschiedenen Stellen extreme Be­weh­rungs­kon­zen­tra­tio­nen, so etwa in den Durchstanzbereichen, Anschlusspunkten der späteren Hochhausstützen und Lasteinleitungspunkten am Deckelrand, mit entsprechend komplexer Planung.

Exakte Planung mit hochfestem Bewehrungsstahl

Die Entwicklung des speziellen Stützensystems ohne Eckstützen, inklusive einer optimierten Geometrie in Hinblick auf Stützenstellung und -verzug in Schnitt und Grundriss, erfolgte zunächst mithilfe parametrischer Modelle in der Software „Rhino“. Nachdem die Grundgeometrie definiert war, konnten die Daten zur weiteren Bearbeitung und schließlich zur Erstellung der Planunterlagen der Entwurfsplanung problemlos in „Allplan Engineering“ übertragen werden.

Da für die Stützen zur Redu­zierung der Bewehrungsfläche eine Bewehrung 3 aus hochfestem Bewehrungsstahl „SAS 670“ vom Stahlwerk Annahütte (SAH) vorgesehen war, kam hier den Ingenieuren der in „Allplan Engineering“ inte­grierte Katalog „SAH SAS 670/800“ für Schraubmuf­fensysteme zugute.

Der Bewehrungsstahl „SAS 670“ vom Stahlwerk Annahütte (SAH) kann bis zu 34 % mehr Last übertragen als herkömmlicher Betonstahl „B500B“. Dadurch lässt sich die erforderliche Bewehrungsfläche erheblich reduzieren, was Kostenvorteile bei Material und Verlegearbeit einbringt. Der Gewinde­stahl besitzt ein endlos schraubbares Grobgewinde, wodurch die Stäbe an jeder Stelle gekürzt oder verlängert sowie Übergreifungsstöße durch Muffenstöße vermieden werden können. Das warmgewalzte Grobgewinde ist überdies gegen mechanische Beschädigung unempfindlich. Die Hochleistungsbewehrung kam bereits beim One World Trade Center, der 432 Park Avenue oder dem Museum of Modern Art (MoMA) in New York zum Einsatz. Beim „Omniturm“ sowie bei den vorgenannten Projekten ermöglicht die Bewehrung aus „SAS 670“ eine sehr viel schlankere Bauweise in den aufgehenden Betonstützen, was letztendlich zu mehr nutzbarer Fläche führt. In Städten mit hohen Mietpreisen ein wichtiger wirtschaftlicher Faktor.

Hochkomplexe Bewehrungsführung in 3D

Die Geometrie bzw. der Schalplan der „schweben­den“ Teildeckel wurde aufgrund des vom Rohbau losgelösten Auftrags- und Bearbeitungsumfangs mit „Allplan Engineering“ klassisch in 2D geplant. Auch die Berechnung der Grundbewehrung erfolgte in 2D. Insbesondere bei der Planung der Stellen mit extremer Be­wehrungskonzentration machte sich die Software bezahlt. So wurden alle hoch­belasteten Knotenpunkte mit 3D-Modellen geplant. Dabei konnte die hochkomplexe Bewehrungs­führung präzise und übersichtlich entwickelt und anhand von Mockups mit der Baustelle abgestimmt werden. Gleichermaßen profitierten die Ingenieure von „Allplan Engineering“ bei der Erstellung der Pläne für die teilweise doppelreihig mit D40 bewehrten Gründungspfähle der KPP, welche auch die Ent­wicklung der Bewehrungsstöße (Schraubmuffen) umfasste.