Nationalstadion Warschau

Das neue polnische Nationalstadion gründet auf den aufgeschütteten Trümmern der im zweiten Weltkrieg zerstörten Stadt Warschau. Gemeinsam mit Planern und ausführenden Firmen aus Polen, Deutschland, Italien und der Schweiz wurde mit dieser Arena ein technischer und funktionaler Meilenstein gesetzt und ingenieurtechnisches Neuland betreten. Mit Begeisterung und Respekt haben wir unseren Beitrag zur Realisierung eines neuen Wahrzeichens für Warschau auf diesem historisch bedeutsamen Boden geleistet:

Die Formfindung des Seiltragwerkes erfolgte mit einer FEM-basierten Software unseres Kollegen Prof- Dr. Kemmler. Dieses Hilfsmittel erlaubt die Definition eines beliebigen Gleichungssystems basierend auf Strukturelementen wie Stäben oder Seilen oder auch Geometrieelementen mit beliebigen Freiheitsgraden. So lassen sich Kräfte, Elementlängen oder auch geometrische Zusammenhänge als Randbedingungen eines eindeutig lösbaren Gleichungssystemes definieren. Durch den engen Planungsterminplan mussten wesentliche Randbedingungen wie die Koordinaten der Stützenfundamente bereits zu einem frühen Zeitpunkt festgelegt werden. Durch diese sehr effiziente Formfindungsmethode war es möglich gleichzeitig die vielen geometrischen Randbedingungen und die Erfordernisse der fortschreitenden Planung zu berücksichtigen.

Das Statische System kombiniert verschiedene Prinzipien des Speichenrades zu einem komplexen Gesamttragwerk. Im Schnitt ist das Innendach über dem Spielfeld als einfaches Speichenrad mit einer Felge und einer zentralen Nabe erkennbar. Im Tragwerk des äußeren Teils wurde ein Speichenrad mit zwei Druckringen und zwei Zugringen mit überkreuzenden Seilscharen realisiert. Der obere Druckring wurde dabei durch eine Tragseilabspannung substituiert, welche sich über geneigte Streben auf den unteren Druckring abstützt. Zwischen die zwei Zugringe sind Luftstützen eingespannt, von welchen ein Glasdach 10 m weit zum Spielfeld hin auskragt und damit den Innenrand des festen Daches bildet. Die Dachtiefe des unbeweglichen Daches alleine beträgt damit rekordverdächtige 91m, die gesamte überdachte Fläche beträgt 68.000m².

Im gesamten Tragwerk gibt es keine Verstellmöglichkeiten um etwaige Abweichungen der Geometrie der Seile oder des Stahlbaus zu korrigieren. Der Vorspannungszustand beruht allein auf der präzise gefertigten Werkstattgeometrie aller Bauteile und deren Toleranzen. Die Seillängenermittlung erfolgt gewöhnlich unter Berücksichtigung der Effekte aus Kegelschlupf und Seilkriechen. Wegen begrenzter Kapazitäten der Reckanlage musste für Seile mit großem Durchmesser zusätzlich anteilig das Reckverhalten bei der Erstbelastung berücksichtigt werden, welches in Versuchen ermittelt wurde. Oft beschränkt sich die Ermittlung der Werkstattform für den Stahlbau auf eine Überlänge der Druckringelemente und der Stützen und eine Vorverkürzung der Zugelemente. Hier jedoch konnte die Werkstattform nicht zwängungsfrei abgeleitet werden. Im Rahmen der Montageplanung Stahlbau mussten die Elemente für das Fügen der Baustellenstöße lokal momentenfrei eingestellt werden. Die Auflager wurden entsprechend der deutlich variierenden Steifigkeit der jeweiligen unterschiedlichen Gründung und der planmäßigen horizontalen Auflagerkraft horizontal versetzt eingemessen, um die Verformungen bei Erstbelastung zu kompensieren.

Im Rahmen der Fertigungsüberwachung wurde ein Vermessungskonzept erstellt um den insgesamt 900m langen Druckring aus Rohren D1800 t80 S460 schließlich mit einer maximalen radialen Abweichung von 15mm zu fertigen. Auch geringe Abweichungen der Achse wurden bei der Fräsung der nachfolgenden Elemente im Werk bereits wieder korrigiert.

Herzstück des Innendaches ist die zentrale Nadel, die über dem Anstoßpunkt aufgehängt ist und das gesamte Innendach trägt. Von der Planung bis zur Fertigstellung musste das Eigengewicht der gesamten Nadel (mit Membrangarage und Videotafeln 190 t) sorgfältig verfolgt werden um die zulässigen Kräfte in den Tragseilen des Innendaches nicht zu überschreiten. Am oberen Ende des statisch wirksamen Teils der Nadel befindet sich ein Zentralknoten wo auf kleinstem Raum die 60 Seile des Innendaches zusammen laufen. Statisch nicht erforderliche Teile der horizontalen Bleche des Knotens wurden aus Gewichtsgründen entfernt. Dadurch entstand eine auch optisch ansprechende Rosette, die für den Besucher bei geöffneter Membrangarage sichtbar sein wird.

Das Gussteil des unteren Zentralknotens ist mit 18 t das schwerste von insgesamt 121 Verbindungsstücken im Seiltragwerk. Neben Planung und Berechnung wurden als Grundlage für den Formendbau in der Gießerei 3D-Volumenmodelle mit den räumlich gekrümmten Seilnuten modelliert.

Ein bewegliches Innendach mit 9800 m² PCV Membrane kann mit elektrischen Winden an 60 radialen Seilen aus der Membrangarage an der Nadel über das Spielfeld gezogen werden. Die Fassade besteht aus rot und silber eloxierten Aluminium Streckmetallpaneelen, welche auf Stahlrahmen montiert sind. Für die Befestigung der Streckmetallpaneele wurde ein schnell montierbares Klemmdetail aus Aluminiumextrusionen entwickelt. Das Schwingungsverhalten der Streckmetallpaneele wurde in einem Windkanalversuch untersucht.

Der bislang schwierigste Hebevorgang der kompletten Seilkonstruktion wurde bei Temperaturen bis 20°C im Winter 2010/2011 bewerkstelligt und stellte höchste Anforderungen an Planer und Ausführende. 390 Vollverschlossene Seile mit maximal 150mm Durchmesser,122 Stahlgussteile mit Einzelgewichten bis zu 18t und einem Gesamtgewicht von 380t und die zentrale Luftstütze mit einem Gewicht von 100t wurden von 60 Hydraulischen Pressen vom Boden in Ihre endgültige Position gehoben; insgesamt eine Masse von 2200 t mit Zugkräften von bis zu 3600 kN an den Pressen beim Heben und bis zu 6700 kN beim Spannen des Seiltragwerkes. Zudem musste das Abheben vom Boden ausschließlich vertikal und ohne horizontales Gleiten der Bauteile erfolgen. Ein Vorgang, der nur durch bisher nicht gekannte präzise Simulationsrechnungen, sorgfältige konstruktive Vorbereitung, ständige Kraft- und Geometriekontrolle und ein erfahrenes, sorgfältiges und professionelles Baustellenteam zu bewältigen war.

Um die Standsicherheit während der Membranmontage zu gewährleisten wurde eine Montageberechnung für verschiedene Baufortschritte durchgeführt.

Wieder hat sich bestätigt, dass die Kontinuität in der Planungsverantwortung, die neben der vollständigen Ausführungsplanung auch die Montageberechnungen, die Prüfung der Werkstattpläne sowie die ingenieurtechnische Kontrolle der Fertigung und Montage umfasst, einen wichtigen Schlüssel zum Erfolg solcher Projekte darstellt.

Erläuterungsbericht von Knut Göppert / Lorenz Haspel (sbp) zur Einreichung beim Ingenieurbau-Preis 2013