PHÄNOMENTA Science Center Lüdenscheid - Erweiterungsbau

Beschreibung von Werner Bauingenieure Partnerschaftsgesellschaft

1.1. Stahlturm

Der Stahlturm ist als räumliches Stabwerk konzipiert, das sich aus Stabdreiecken in die Höhe fügt. Hierbei kamen luftdicht verschweißte Rundrohr-Hohlprofile zum Einsatz. Die Einleitung der Lasten aus der Membrane (Vorspannung und Wind) in das primäre Stahltragwerk erfolgte dabei im Wesentlichen nur punktuell in den Systemknoten. Dem Fachwerkprinzip folgend konnten so Biegebeanspruchungen der Stäbe weitgehend vermieden werden.

Der Durchmesser der Rundrohre beträgt durchgängig 559 mm, die Wandungsstärke wird je nach statischer Beanspruchung bei gleichbleibender, glatter Außenansicht gestaffelt. Hierbei steigt die Wandungsstärke von oben nach unten von 12,5 mm bis 20 mm. Die Knotenbereiche werden aufgrund der höheren lokalen Spannungen grundsätzlich in 20 mm bzw. in den unteren beiden Ebenen 30 mm Wandungsstärke ausgeführt. Damit ergibt sich auch hinsichtlich der Schwingungsanfälligkeit des Turms eine sehr günstige Massenverteilung über die Höhe.

Aufgrund des Charakters als schlankes Turmbauwerk musste dem Stabilitätsversagen unter Windbeanspruchung besonderes Augenmerk geschenkt werden. Die Untersuchung der Knickeigenformen hat ergeben, dass stabweises Ausknicken maßgeblich wird. Zudem wurde der Gesamtturm unter der Annahme einer anfänglichen globalen Schiefstellung von 22 cm gemäß Eurocode 3 nach Theorie II. Ordnung berechnet. (s. Abbildung Knickfiguren)

An den Stahlturm bestand die architektonische Anforderung einer kontinuierlich glatten Ansicht der Rohrwandungen auch im Bereich der komplexen Knotenpunkte und der Montagestöße. Dies erforderte in diesen Bereichen besondere konstruktive Lösungen:

In den Eckpunkten des Fachwerks laufen jeweils bis zu 6 Rohre mit unterschiedlichen Winkeln ineinander. Im Zuge der Entwicklung dieser Knoten wurden die Hohlprofile als Zylinderflächen mit 3D-CAD virtuell bis zu den Systempunkten ineinander geführt. Die Durchdringungslinien definieren somit die Linien für die CNC-Zuschnitte der Rohre und deren Verschweißung zu Knoten. Somit wurden in einem ersten Entwicklungsschritt im Inneren hohle Knoten generiert. Da deren Bemessung nicht durch die Standardfälle für Hohlprofilanschlüsse nach EC3 abgedeckt ist, wurde die Tragfähigkeit (mit Beulgefahr, Kerbspannungen etc.) durch umfassende Finite-Elemente-Analyse überprüft. Wo erforderlich wurden dann im nächsten Schnitt iterativ innenliegende Versteifungsbleche in die Berechnung eingeführt, bis die statischen Nachweise problemlos möglich wurden. Die Knoten wurden dann auf dieser Basis mit hochgradig innovativer Fertigungstechnik hergestellt.

Grundsätzlich ergab sich aus dem Bauablauf heraus die Anforderung, Schraubverbindungen vorzusehen, um handhabbare Einzelsegmente des Turms einheben und fügen zu können. Auf tragende Baustellenschweißnähte sollte verzichtet werden, da diese in großer Höhe ohne Gerüst nur schwer qualifiziert auszuführen und zu überwachen gewesen wären.

Diese Schraubverbindungen wurden etwas außerhalb der anspruchsvollen Geometrien der Systemknotenpunkte angeordnet, um die Stöße standardisiert im Regelquerschnitt der Stäbe ausführen zu können. Hierzu wurde der Stabdurchmesser lokal verjüngt und die Wandungsstärke dort statisch äquivalent stark vergrößert. Damit wurde der Raum für eine Verschraubbarkeit von bündigen Kopfplatten geschaffen. Diese Montagestöße werden im Nachhinein durch Verschraubung von statisch nicht wirksamen Halbzylinderblechen an dafür vorgesehenen Nippelblechen verdeckt. Damit bleibt die Schraubverbindung über die Lebensdauer leicht revidierbar und das Konzept der luftdichten Verschweißung der statisch wirksamen Hohlrundprofile als Garant für wartungsarme Dauerhaftigkeit wird ermöglicht. Die Schraubverbindungen wurden für die Kragmomente aus Bauzuständen mit Einzelstabmontage ausgelegt, so dass die Aufstellzeit der Konstruktion stark verkürzt werden konnte. (s. Abbildung Schraubverbindungen)

1.2. Massivbau / 3D-Statik

Der monolithische Betonbau des Science Centers hat neben der raumbildenden Funktion auch eine statische Bedeutung als sockelartiges Fundament des Turms. Insofern bildet der Neubau ein hybrides Gesamttragwerk mit den wesentlichen Elementen Membrane, Stahlturm und Massivbau. Um die statische Interaktion dieser Tragwerksteile – auch mit dem anstehenden Baugrund - korrekt zu erfassen, erschien es lohnend, ein 3D-Gesamttragwerksmodell zu erstellen. Hierzu konnte das räumliche Architekturmodell der Objektplanung dem BIM-Gedanken folgend in ein statisches Gesamtmodell übersetzt werden.

Im Folgenden wird aufgezeigt, dass auf diese Art einige wesentliche Fragestellungen im Rahmen der Tragwerksplanung besonders realitätsnah und wirtschaftlich beantwortet werden konnten.

Um die Funktion der Durchleitung der Turmkräfte in den Baugrund für die Besucher im Gebäudeinneren direkt erfahrbar zu machen, setzt sich das Stabwerk des Turms im Betonbau durch schräg gestellte Großstützen 80/80 cm fort. (s. Abbildung Gebäudeschnitt) In diesen Bauteilen ergaben sich aufgrund der F90-Anforderung durch entsprechende statische Heißbemessung für die vollen Turmauflagerlasten sehr hohe erforderliche Bewehrungsgehalte. Mittels des 3D-Statikmodells konnte nun die Mitwirkung benachbarter Betonwände beim Abtrag der Turmlasten klar nachgewiesen werden und so eine wirtschaftliche Wahl der Stützenbewehrung getroffen werden.

Auch die als Faltwerk ausgebildeten Dachdecken mit ihrer komplexen Geometrie wurden räumlich mit finiten Schalenelementen am Gesamtmodell berechnet. Im Vergleich zu ebenen Vergleichsrechnungen als frei spannende Platten konnten große Effizienzgewinne in der Bewehrungsbemessung erzielt werden.

Durch die Berechnung als räumliches Gesamtmodell wurden für die Decken grundsätzlich alle Einspann- und Lagerungsverhältnisse gleichsam automatisch erfasst. Somit konnten präzise Aussagen hinsichtlich der Biegesteifigkeiten der Decken gemacht werden und dem baudynamischen Gutachter übermittelt werden. Dieser konnte somit unter anderem die ausreichende Fußpunktsteifigkeit des Sekundärturms bestätigen. Dieser steht auf Stahl-Einbauteile geschweißt auf der freitragenden EG-Decke und trägt mit strengen Anforderungen an die Schwingungs- und Verformungsbegrenzung das Focaultsche Pendel.

Autor: Gerd Schmid, formTL ingenieure für tragwerk und leichtbau GmbH, Radolfzell

2.1. Entwurf

Das Science Center Phänomenta in Lüdenscheid wurd räumlich und inhaltlich erweitert. Das neue Highlight ist ein Turm mit innenliegender Membranhelix, in der ein Foucaultsches Pendel schwingt.

Die Membranhelix besteht nur aus drei Bausteinen: 990 m² hinterleuchtete Membrane, 3 formgebende Seile und 9 Spannbeschläge. Die Membrane folgt der sich drehenden und nach oben verjüngenden Turmstruktur und definiert einen Kaltraum mit etwa 5.200 m³, der im Bereich der Hautspitzen und im First offen ist. Für erhöhten Lüftungsbedarf sind im Fuß der Membrane Lamellenfenster eingebaut.

2.2. Licht

Nachts leuchtet die Membranhelix und betont den Ort. Das Membranmaterial und die Beleuchtungsmethode wurden im Erco-Lichtlabor mit Hilfe eines raumhohen Musters ausgewählt. PVC-beschichtetes Polyestergewebe setzte sich gegen PTFE-Glasgewebe und laminiertes PTFE-Glasgittergewebe durch, ebenso wie Licht von Innen gegenüber Licht von außen. Licht von außen führte aufgrund der Direktreflexion lediglich zu Glanzpunkten. Licht von Innen war deutlich wirkungsvoller: Weil die Membrane das Licht mehrfach reflektiert, reicht bereits die geringe Transluzenz von 6% des gewählten PVC-beschichteten Polyestergewebes und wenige Lux Beleuchtung aus, damit sich die Membranhelix in den Abendstunden in eine Leuchtskulptur verwandelt. Besondere Lebendigkeit erfährt das Ensemble durch das spiralförmige Nahtbild, das sich im Durchlicht lesbar aber unaufdringlich abzeichnet.

2.3. Nachhaltigkeit

Die Membranhelix ist für eine lange Nutzung ausgelegt. Alle Metallwerkstoffe sind hochwertig korrosionsgeschützt. Die Stahlteile sind feuerverzinkt und C4lang Duplex farbbeschichtet, die Seildrähte haben eine aluminisierte Feuerverzinkung, die Aluteile eine farblose Eloxierung. Die Membrane hat ein Fluorlackfinish für eine reduzierte Schmutzanhaftung.

2.4. Aus der Fischreuse wird eine Membranhelix

Als formTL 2012 durch die Empfehlung des Ingenieurbüros Werner in das Planungsteam kam, gab es bereits eine Machbarkeitsstudie von scheider+schumacher in Form einer Fischreuse mit einer sich nach oben verjüngenden und über mehrere Stahlringe aufgespannten Membrane. Da sich eine Fischreuse mit der Anmutung eines Schuchov-Turms in der polygonalen Struktur des Turms falsch anfühlte, untersuchte das Planerteam KKW / Werner eine Alternative mit einer schraubenförmigen Membrane, die der Logik des Turms folgte.

Die Philosophie von formTL basiert darauf, dem Kraftverlauf zu folgen, Biegung zu vermeiden sowie einfach und materialsparend zu bauen. Dementsprechend verfolgten wir den schraubenförmigen Ansatz, da er aus unserer Sicht „richtiger“ wirkte und ein größeres Potential zum Vereinfachen bot. Wir ersetzten die vielen HP-Membranen durch einen einteiligen Membranstrumpf, und das innere, biegesteife Skelett gegen 3 Seile und 9 Abspannpunkte. Das reicht aus, damit sich eine Membranhelix ausbildet, die der Logik des schraubenförmigen Stahlturms folgt. Die formgebenden Seile spannen den Membranstrumpf schraubenförmig gegen den Turm vor und halten Ihn auf definiertem Abstand zu den Turmrohren und dem eingestellten Dreibein.

2.5. Kollisionstest

Eine der wichtigsten Untersuchungen bestand darin, die Größtform und die Kleinstform der Membranhelix zu ermitteln. Beide Geometrien entstehen als virtuelle Form durch die Überlagerung aller durch äußere Kräfte verformten Membranformen. Mit der Größtform wird die Kollisionsfreiheit zu den Turmrohren geprüft, mit der Kleinstform die Kollisionsfreiheit zum eingestellten Pendeldreibein und der vorstehenden Wartungsleiter.

2.6. Nahtlayout

Um die Schraubenlinie zu betonen folgen die Membrannähte den Seilen. Da sich die Membranhelix nach oben hin verjüngt, wurde ein konisches Bahnenlayout gewählt, das die Höhe der Helix betont. Der „Membranstrumpf“ ist aus einem Stück vorgefertigt, was eine spezielle Montagemethode erforderte.

2.7. Montage

Die Membranhelix wurde im Werk des Konfekionärs in einen großen Membransack hineingefaltet, per Pneukran vom Lastwagen bis zur oberen Anschlussebene des Turms angehoben, zwischen die Turmbeine mit Kettenzügen gezogen und oben mit Klemmleisten befestigt. Anschließend wurde der Membransack abgelassen und die Membrane entfaltet. Nach dem Einbau der Seile, der 9 Spannpunkte und dem Anschluss an die unteren Bogenrohre wurden die Spannpunkte nach außen gezogen und die Membrane vorgespannt. Die gesamte Montage war auf wenige Tage terminiert, wurde aber bedingt durch Schlechtwetter und zum Ausgleich von Toleranzen mehrere Wochen unterbrochen.

2.8. Zuschnitt

Da Membrane und Seile elastisch sind und sich erst unter Dehnung eine stabilisierende Vorspannung in die Membranhelix einprägt, wird die Membranhelix wenige Promille kleiner gefertigt und dann auf Sollform gespannt.

2.9. Statik

Planmäßig ist die Membrane in Kette und Schuss mit je 2 kN/m vorgespannt. Wenn der Wind mit 37 m/sek. die Membranhelix einen halben Meter nach Innen bzw. nach Außen auslenkt steigen die Membranspannungen auf bis zu 10 kN/m in Kettrichtung und 12 kN/m in Schussrichtung, die Kräfte an den Spannpunkten von 75 kN auf 150 kN und die Seilkräfte von 100 kN auf 200 kN. Diese erhöhten Vorspannungen wirken rückstellend und stabilisierend. Lässt der Wind nach nimmt die Membranhelix wieder die energieärmere Vorspanngeometrie ein.

Text von ​Winkels Behrens Pospich Ingenieure für Haustechnik GmbH

Bei der Technischen Gebäudeausrüstung stand eine einfache nachvollziehbare Technik im Vordergrund, die der Idee der Phänomenta folgend, möglichst sichtbar bleiben sollte. Daher sind sichtbare Elemente insbesondere bei der Elektroinstallation im Altbau und der gesamten Lüftungsinstallation ein prägnanter Teil der technischen Ausstattung. Hierzu gehören auch die sich vom massiven Baukörper abgrenzenden Lüftungstürme. Im Verborgenen bleiben die für den Besucher weniger interessanten aber technisch und für den Bauablauf relevanten Details, wie die planerisch herausfordernde Medienverbindung zwischen Alt- und Neubau und die einbetonierte Entrauchung.

Eine weitere Herausforderung war die Vorhaltung einer flexiblen Steuerungstechnik, insbesondere für die Beleuchtung, um auch zukünftigen Anforderungen eines anspruchsvollen Technikums gerecht werden zu können.

Die sicherlich interessanteste Aufgabe bei der Beleuchtungstechnik war die Illumination des Turms von innen, die in enger Abstimmung und Zusammenarbeit mit ansässigen Beleuchtungsherstellern durchgeführt wurde.

Weitere technische Ausstattung: LED Leuchten, Steuerung der Beleuchtungsanlage durch Bus- Lichtmanagementsystem, Brennwertkesselanlage mit 240 kW, Fußbodenheizung in Kombination mit Heizkörpern, RLT-Anlage 8.000 m³/h

Text / Ausstellungsplanung: beier+wellach projekte

Blickt man über die Stadt Lüdenscheid, ist der neue futuristische Turm der Phänomenta weithin zu sehen. Steht man auf der Dachterrasse der Phänomenta, blickt man auf die Stadt zurück. Diese Wechselwirkung von sehen und gesehen werden, haben sich beier+wellach projekte als konzeptionellen Ansatz zu eigen gemacht, als sie beauftragt wurden, die neue Ausstellung der Phänomenta Lüdenscheid zu gestalten.

Die Geschäftsführer von beier+wellach projekte, Ruudi Beier und Peter Wellach, sehen in dieser Aufgabe nicht nur die Entwicklung und Umsetzung von neuen oder grunderneuerten Versuchen und Experimenten, mit einer zeitgemäßen Didaktik: „Wir haben darin von Anfang an auch die Notwendigkeit gesehen, dieses neue Flaggschiff der deutschen Science Center für die Lüdenscheider Betreiber zukunftsfähig zu machen. Dies kann nur gelingen, wenn zu der Attraktivität des spielerischen Erforschens, Lernens, Begreifens und Staunens auch die Akzeptanz und das Interesse des Umfeldes mit eingebunden wird“, so Ruudi Beier.

Akzeptanz aber heißt Teilhabe, und so will die neue Phänomenta nicht nur eine weithin sichtbare Landmarke setzen. Sie will auch das Umfeld im Auge behalten und auf Strömungen, Stimmungen und Impulse aus dem Umfeld reagieren. Die neue Phänomenta will daher nicht nur gesehen werden, sondern auch selbst beobachten, was um sie herum passiert.

Das Herz der Neukonzeption bildet ein 30m langes Foucault Pendel. Es schwingt in der Turmkonstruktion und gibt den Takt für ein überdimensionales Kaleidoskop. Unterhalb des Turms schließt sich das PHÄNORAMA an. Betritt der Besucher den zentralen Raum, befindet er sich in einer 360°-Projektion der Stadt Lüdenscheid mit ihrem Umland, den Hügeln des Sauerlandes und dem Horizont dahinter. Von einer Couch im Zentrum betrachtet der Besucher das durch die Schwingungsdauer eines Foucault Pendels gesteuerte 360°-Videopanorama. Legt er den Kopf nach hinten, sieht er durch das zentrale Fenster in der Decke das schwingende Pendel mit dem Kaleidoskop von unten. So kann er die durch das Pendel verkörperte Zeit erfahren und wird zudem neugierig auf den darüber liegenden Raum. In regelmäßigen Abständen erneuert sich das 360°-Panorama und zeigt den Stadtraum Lüdenscheid in Echtzeit. Durch eine Audioinstallation werden Töne und Geräusche aus der Stadt in den Raum übertragen und beleben das Panoramabild Lüdenscheids akustisch.

Ein vor dem Panorama angebrachter Stadtfries ermöglicht es den Besuchern, Gebäude, Topografien und markante Orte zu finden und sich so das Panorama topografisch zu erschließen. Über Touchpanels können die Besucher Filme, Slideshows und Informationen abrufen, die als Picture-in-Picture über die 360°-Projektion der Stadtansicht gelegt werden. In Filmen und Einspielen werden Menschen und Projekte, Talente von morgen, Innovationen und Unternehmungen, Orte und deren Geschichte(n) interaktiv abrufbar. Mit moderner Medientechnik entsteht so ein lebendiges Abbild der Aktivitäten rund um den Turm.

Indem die Geschichten und Hintergründe dem 360° Panorama einen Charakter geben, können sich besonders junge Menschen mit ihrem Umfeld identifizieren, das ihnen berufliche und private Zukunftsperspektiven eröffnet.

Auch mit der Neueinführung einer Sonderausstellungsfläche verfolgen beier+wellach projekte diesen konzeptionellen Ansatz. Ein riesiges Panoramafenster gibt den Blick frei auf Lüdenscheid und von außen kann man in den Ausstellungsraum blicken. Hier sollen die im Phänorama vorgestellten Firmen und Akteure aus der Region eingeladen werden, gemeinsam mit der Phänomenta Themen für Ausstellungen zu erarbeiten, um einen aktuellen und lebendigen Blick auf die Region und deren technisches Know-how zu ermöglichen.

Ganz im Sinne des didaktischen Ansatzes des Hauses „open ended exploration“ werden hier Architektur (Turm), Inhalte des Science Centers (Foucault Pendel, Kaleidoskop) und der Ort Lüdenscheid inhaltlich und gestalterisch in Beziehung gesetzt. Der Phänorama-Raum soll zeigen, dass Wissenschaft und Technik kein Elfenbeinturm sind, sondern sich in der Stadt ganz konkret widerspiegeln oder eine berufliche Perspektive bieten.

Die dadurch entstandene Identifikation in alle Richtungen (Gebäude, Science Center und Stadt) stärkt nicht nur die Phänomenta in der Region, sondern schärft sowohl bei den Bewohnern als auch bei den Besuchern das Bewusstsein für Lüdenscheid und Südwestfalen als innovativer Wirtschafts- und Wissensstandort mit großem Potenzial an technischem Know-how.