Neues Gymnasium Bochum

Aufgabenstellung

Die Stadt Bochum plante die Zusammenlegung zweier Gymnasien in einem Baukörper am bisherigen Standort mit nachfolgendem Abbruch der bestehenden Gebäude. Der Neubau sollte eine offene und freie Atmosphäre vermitteln und sich im vorhandenen Planungsgebiet landschaftlich harmonisch in das Naturdenkmal des Geologischen Gartens einfügen. Gleichzeitig wurde Wert auf den Erhalt der stadtteilbezogenen Ost-West-Verbindung für Fußgänger und Radfahrer gelegt.

Beschreibung der Konstruktion

Das dreigeschossige Gymnasium mit Grundrissabmessungen von ca. 125 x 70 m und einer Höhe von ca. 12 m wurde in Stahlbetan-Skelettbauweise ausgeführt. Die Grundrissgeometrie ergibt sich aus zwei aneinander stoßenden Ringen mit umlaufend veränderlichen Radien.

Das gesamte Gebäude ist als fugenloses monolithisches Bauwerk in Ortbeton ausgeführt. Die Stahlbetonflachdecken mit einer Dicke von 30 cm werden entlang der Fassade und der Flurtrennwände durch Rundstützen bzw. in die Wände integrierte Rechteckstützen getragen. Die Stützenabstände betragen im Regelfall ca. 7-8 m. Zusätzlich dazu liegen die Decken auf den aussteifenden Treppenhaus-, Aufzugs- und Brandwänden auf.

Das Atrium im Westring wird über eine transparente Dachkuppel von oben belichtet. Als dreilagiges, pneumatisch gestütztes Folienkissendach ausgebildet, stellt sich das Dachtragwerk als leichte und filigrane Stahlkonstruktion dar. Bogenförmige Stahlhohlprofile mit einem Durchmesser von nur 152 mm und Wanddicken von 8 bis 12,5 mm überspannen das ca. 1.000 m² große Dach.

Als zentrales Element wurde für die Erschliessung der oberen Ebenen aus der Atriumhalle eine skulptural ausgeformte Treppe, ebenfalls in Stahlbetonbauweise gewählt.

Wahl der Baustoffe

Die Stahlbetonskelett-Konstruktion des Bauwerks wurde als Ortbetonkonstruktion aus C30/37 und in höher druckbeanspruchten Bereichen aus C45/55 in Verbindung mit Betonstahl BSt 500A hergestellt.

Die filigrane Stahlkonstruktion für das ETFE-Kissendach wurde in Baustahl S355 gefertigt.

Die Kissenkonstruktion besteht aus drei Lagen Ethylen-Tetrafluorethylen-Folien mit Dicken von 250 µm für die äußeren Folien und 80 µm für die innere Folienlage. Elastizitätsmodul E_f,23°= 700 N/mm², Reißfestigkeit σ_f,23°= 40 N/mm² , Querdehnungszahl µ_f,23° = 0,40 - 0,45, Klemmprofile in Aluminium.

Besondere Ingenieurleistung

Die statische Bearbeitung war geprägt von folgenden Schwerpunktthemen: Organische Geometrie, stützenfreie Aula bzw. Eingangshalle im Erdgeschoss, skulpturale Treppe, mit ETFE-Kissen eingedeckte Dachkonstruktion.

ln der Stahlbetonkonstruktion sind gekrümmte Wände und Wandträger, gerundete Deckenränder, tragende und nichttragende Brüstungen sowie gerundete Treppen und Podeste die dominierenden Bauteile. Aus der organischen Geometrie ergaben sich durchgängig Einflüsse und Abhängigkeiten auf Schalung, Bewehrung, Einbauteile, Stahlkonstruktionen und Ausbau, die konsequent und akribisch durchgeplant werden mussten, um stets alle Randbedingungen zu gewahren.

Der Entwurf des Architekten sah im EG eine vollkommen stützenfreie Aula vor. Zudem sollte die Möglichkeit bestehen, einen fließenden Übergang zur Halle herstellen zu können. Es ergab sich daraus die Notwendigkeit, eine Spannweite von 26 m zu überbrücken. Um dies zu ermöglichen, wurden die Wände in den beiden darüber liegenden Ebenen E1 und E2 als wandartige Träger ausgebildet, so dass zusammen mit den Decken ein sehr leistungsfähiges Tragsystem entstand. Die Decken übernehmen die Funktion der aussteifenden Scheiben gegen den anfallenden Horizontalschub aus der gekrümmten Wandform.

Die konstruktive Durchbildung des Wandträgers wurde durch die unregelmäßig angeordneten Türöffnungen in beiden Ebenen zu einer Herausforderung. Für den 45 cm dicken Träger wurde als statisches System eine Fachwerkträgerkonstruktion über zwei Ebenen gewählt, bei der die Fachwerkstreben jeweils um die Türen herumgeführt wurden. Die Deckenscheiben bilden die Zug- und Druckgurte. Der Wandträger lastet auf den Treppenkern 1 und einer verdreht zur Achse des Trägers liegenden Stütze b/d= 70/45 cm neben der Bühne der Aula ab.

Die Bewehrung der Fachwerkstreben wurde entsprechend ihrer Neigung diagonal in Wandebene verlaufend, geplant. Die konzentrierten Bewehrungsstränge mussten mit unterschiedlichen Krümmungen über zwei Ebenen geführt und in oberster und unterster Decke über Einbauteile verankert werden. Orthogonal dazu wurden die Anschluss- und Stützbewehrung der Decke, sowie der Anschluss an die in den Decken ausgelagerten Zugbänder durchgefädelt Die Planung der Bewehrung erfolgte in mehreren Lagen dreidimensional. Durch gestaffelt eingebaute Bewehrungsschraubanschlüsse wurde die Durchgängigkeit der Bewehrungsstränge über zwei Ebenen ermöglicht, um auch die Betonierbarkeit zu gewahren. Sämtliche Arbeitsfugen zwischen Wänden und Decken wurden verzahnt ausgeführt.

Annähernd alle weiteren um die Halle angegliederten, gekrümmten Wände in Ebene 1 und Ebene 2 wurden aufgrund der gewünschten Stützenfreiheit im EG ebenfalls als wandartige Träger unter ähnlichen Randbedingungen ausgebildet. Die Spannweiten betragen hier bis zu 9 m.

Eine direkte Verbindung der ringsum verlaufenden Galerien in Ebene E1 und E2 mit der Halle im EG, wird durch eine skulptural ausgeformte, zentral gelegene Treppe ermöglicht. Die stützenfreie, massive Treppenkonstruktion aus gewendelten Läufen, Podesten und massiven Seitenwangen wurde in Ortbetonbauweise erstellt. Sie steht auf der Bodenplatte im EG und hängt sich ohne zusätzliche Unterstützungsmaßnahmen direkt in die Galerie-Decken über EG und E1.

Die Halle im Westring wird über eine transparente Dachkuppel von oben belichtet. Die leichte und filigrane Stahlkonstruktion aus bogenförmigen Stahlhohlprofilen wird mit einem dreilagigen, pneumatisch gestützen Folienkissendach gedeckt. Durch die orthogonale Anordnung der Stahlbögen entsteht eine räumliche, sehr leistungsfähige Kuppelkonstruktion, bei der der Bogenabstand mit 5,3 m so gewählt ist, dass optimale quadratische ETFE-Kissenfelder entstehen. Da die Tragkonstruktion kaum durch Eigengewichtslasten sondern hauptsächlich durch Schnee- und Windlasten beansprucht wird, konnte trotz der großen Spannweite von bis zu 40 m ein sehr flacher Kuppelstich von 3 m ausgebildet werden. Insgesamt beträgt das Gewicht der gesamten Dachkonstruktion etwa 20 kg/m² Dachfläche. Die leichte und lediglich durch Druckkräfte beanspruchte Stahlkuppel funktioniert nur im Zusammenspiel mit der ringförmig das Dach umschließenden Massivkonstruktion, da dort der Bogenschub der Kuppel über Ringzugkräfte kurzgeschlossen wird. Stahleinbauteile ermöglichen die punktuelle Einleitung der Kräfte in die Massivkonstruktion. Die dreilagigen ETFE-Kissen werden permanent mit vorgetrockneter Luft befüllt, so dass gegenüber der Außenluft immer ein kleiner Überdruck vorhanden ist. Der für den Normalfall auf 300 Pa festgelegte Innendruck wird bei Schneelasten durch Sensoren automatisch erhöht. Abhängig von Kissengröße, Folienstärke und Belastung ergibt sich für die Folienlagen oben und unten jeweils ein Stich von 50 cm. Die Luftversorgung der ETFE-Kissen erfolgt in der Dachfläche sehr elegant und unsichtbar für den Betrachter über die Hohlprofile der Stahlkonstruktion, so dass dort keine zusätzlichen Installationen erforderlich waren. Der Sonnenschutz wird durch eine Bedruckung der oberen Lage sichergestellt.

Durch akribische Planungsarbeit aller Beteiligten konnte der Kostenrahmen trotz der zahlreichen Besonderheiten komplett eingehalten werden und in der 18-monatigen Bauzeit gab es kaum Verzögerungen.

Erläuterungsbericht von Weischede Herrmann und Partner zur Einreichung beim Ulrich Finsterwalder Ingenieurbaupreis 2015