One Ocean Themenpavillon (Expo 2012)

Wandelbare Strukturen in der Architektur werden üblicherweise durch eine Kombination von steifen Tragelementen oder weichen Textilien in Kombination mit speziellen beweglichen Elementen wie Gelenken, Rollen usw. realisiert. Die Verwendung von glasfaserverstärkten Kunststoffen erlaubt dagegen große reversible elastische Verformungen und ermöglicht somit eine komplett neue Interpretation wandelbarer Strukturen. In der Natur haben Pflanzen eine Vielzahl beweglicher Funktionen basierend auf elastischen Verformungen ohne Gelenke entwickelt um z.B. das Öffnen und Schließen von Blüten, Orientierung von Blättern usw. zu ermöglichen. Grundlage der Entwicklung der kinetischen Fassade für den Themenpavillon war die Analyse dieser natürlichen Bewegungsprinzipien.

Die Fassade besteht aus 108 Lamellen, sie ist insgesamt 140m lang und zwischen drei und 13m hoch. Grundidee des konstruktiven Konzepts ist es, eine Lamelle aus glasfaserverstärktem Kunststoff mit definierter Steifigkeit einzusetzen. Die 13m hohen Lamellen haben eine Laminatstärke von lediglich 9mm, sie sind an den vertikalen Kanten jeweils durch eine 200mm bzw. 30mm tiefe Steife verstärkt. Das Tragverhalten und Verformungsverhalten wurde im Windkanal für verschiedene Öffnungswinkel untersucht und die anzusetzenden Windlasten konnten somit exakt ermittelt werden. Unter maximalen Windgeschwindigkeiten, wie sie an der Küste von Südkorea nicht unüblich sind, wird die Fassade automatisch geschlossen. Das technische Konzept der Fassade ist durch die zwei Kernaspekte gekennzeichnet: elastische Verformung und adaptive Vorspannung.

a) Großflächige, elastische Verformung von GFK-Lamellen mit minimierter Kinematik
An jeder Lamelle wird mittels Stellantrieben eine Druckbeanspruchung aufgebracht, die eine elastische Biegeverformung der Lamellen verursacht - die Fassade öffnet sich. Der Mechanismus ist jeweils am oberen und unteren Ende jeder Lamelle angeordnet und besteht aus einer Kugelgewindespindel, die von einem Synchronservomotor angetrieben wird. Die Spindel ist an beiden Enden gelenkig gelagert, wobei der Kopfpunkt der Lamelle von einem ebenfalls gelenkig gelagerten Koppelstab geführt wird.

Die Fassade ist somit an erforderliche Lichtbedingungen und bauphysikalische Gegebenheiten anpassbar. Ferner ermöglicht die Kinematik die Inszenierung von speziellen, vorprogrammierten Choreographien und ist damit ein beweglicher Blickfang für die Besucher der Expo. Um die Choreografie in Bewegungsabläufe der Lamellen umzusetzen werden alle 216 Motoren von der Steuerungsanlage koordiniert angesteuert. Die Motoren einer Lamelle werden dabei synchronisiert, wobei Sensoren die Funktionstüchtigkeit der Lamelle laufend prüfen und entsprechende Daten an die Rechenanlage zurückmelden. Um die Lamellen als Medienfassade zu nutzen ist sie in einem 10cm Raster mit LEDs versehen. Zusätzliche LED-Lichtbänder an den Innenkanten betonen die Verformungsvorgänge.

b) adaptive Vorspannung der Fassade gegen Windlasten
Um die biegeweichen Lamellen bei hohen Windlasten zu stabilisieren, werden diese gegeneinander vorgespannt. Dabei wird der weiche Rand mittels der Aktuatoren gestreckt und durch die Krümmung der Fassade auf den steifen Rand der Nachbarlamelle gepresst. Die dabei aufgebrachte Vorspannung wird sukzessive der zunehmenden Windlast angepasst und von 10kN Vorspannung im geschlossenen Zustand im Normalbetrieb auf bis zu 50kN bei maximaler Windlast gesteigert.

Die adaptive Anpassung erfolgt aus zwei Gründen: Das nur kurzzeitige starke Vorspannen der Lamellen reduziert die Belastung des Materials und damit die Ermüdungsbeanspruchung, dies wirkt sich positiv auf die Lebensdauer der Lamellen aus. Des Weiteren wird die Gesamtzeit der maximalen Leistungsaufnahme der Antriebe auf ein Minimum reduziert weshalb sich die Anlagen zur Energiebereitstellung auf eine Gesamtleistung von 80kW reduzieren ließen. So können im Normalbetrieb alle und während des Vorspannprozesses bis zu 13 Lamellen gleichzeitig bewegt werden. Der Einsatz von faserverstärkten Verbundwerkstoffen im Bauwesen ist in den letzten Jahren aufgrund überzeugender Vorteile bei speziellen Anforderungen erheblich gewachsen. Für den Entwurf und die Tragwerksplanung sind national und international jedoch häufig nur unvollständige oder unwirtschaftliche Bemessungskonzepte verfügbar. Daher wird hier ein kombiniertes Konzept angewendet; alle relevanten Lasten und Lastfallkombinationen werden nach lokalen koreanischen Normen bzw. Eurocode 0 (EN 1990) angesetzt. Unter Beachtung der nach DIN 18820 ermittelten richtungsabhängigen Materialeigenschaften werden Abminderungsbeiwerte zur Berücksichtigung von Temperatur- und Medieneinflüssen und der Lasteinwirkungsdauer gemäß BÜV-Empfehlung“Tragende Kunststoffbauteile im Bauwesen [TKB]“ angesetzt. Des Weiteren werden die Anzahl der Öffnungsvorgänge und das Ermüdungsverhalten sowie ein dynamischer Erhöhungsfaktor entsprechend berücksichtigt.

Um die Zuverlässigkeit der Ergebnisse zu überprüfen und der Situation Rechnung zu tragen, dass es im asiatischen Raum kein ´Vieraugenprinzip´ bei der Prüfung der statischen Berechnung gibt, wurden unabhängige Berechnungen mit den Softwareprogrammen SOFISTIK 23 by Sofistik AG, Germany and MSC Nastran by MSC Software, USA durchgeführt, die Ergebnisse wurden anschließend vergleichend gegenübergestellt. Während der Vorentwurfsphase wurden verschiedene technische Lösungsansätze unter Berücksichtigung ästhetischer Aspekte und architektonischer Einflüsse auf die kinetische Medienfassade untersucht. Das Ergebnis dieses Prozesses ist eine Lösung, welche die Wettbewerbsidee - die Schaffung einer fugenlosen Oberfläche, die in weichen Bewegungen ihre Form ändert - mit einer konzeptionell einfachen Bewegungslogik, welche auf einer elastischen, graduell adaptierbaren Verformung beruht, umsetzt.

Das bio-inspirierte Konzept erfüllt dabei den Wunsch der Bauherren den Themenpavillon "One Ocean" zum Herzstück der Expo 2012 zu machen und eine Architektur zu präsentieren, die von der Natur lernt.

Die Fassade zeigt damit erstmalig eine komplett neue Interpretation wandelbarer Fassaden und adaptiver Tragwerke in großem Maßstab.

Das Funktionsprinzip ist eingetragenes Gebrauchsmuster in Deutschland, Österreich und Korea.

Erläuterungsbericht von Knippers Helbig zur Einreichung beim Ingenieurbau-Preis 2013