close

Anmelden

Neues Passwort anfordern?

Anmeldung mit OpenID

8. Stadien und grosse Dächer: Welches sind die - poyry.ch.mosaic.fi

EinbettenHerunterladen
Veranstaltung 874431
8.
Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau, Burgdorf
Bau und Wissen, Wildegg
Kapitel 8 / Seite 1
Stadien und grosse Dächer:
Welches sind die Schwingungsprobleme
und wie werden sie bewältigt?
Dr. Martin Wieland, Pöyry Energy AG, Zürich
8.1
Teil 1: Ueberwachung des dynamischen Verhaltens des Daches
des neuen Kultur- und Kongresszentrums in Luzern unter
Windeinwirkung
8.1.1
Einleitung
Das Kultur- und Kongresszentrum Luzern (KKL) liegt direkt am Vierwaldstättersee. Das vom französischen Stararchitekten Jean Nouvel entworfene Gebäude weist eine Grundfläche von 112.7 m
x 107.2 m auf. Darin untergebracht sind der Konzertsaal, kleinere Säle, das Museum, ein Restaurant und diverse Dienstleistungsräume.
Ein aussergewöhnliches Element ist das den ganzen Gebäudekomplex überdeckende und weit
auskragende Dach. Der maximale stützenlose, freie Überhang der nordöstlichen Dachecke beträgt 44.8 m.
Im Bereich der Auskragung besteht das Dach aus einem Trägerrost mit Vollwandträgern aus Stahl
(Abb. 8.1 und 8.10). Die obere Dachhaut ist ein grossflächiges Kupferblech, das auf Sperrholzplatten befestigt ist. Die Wind- und Schneekräfte waren für die Bemessung der Tragkonstruktion
des Daches massgebend. Dabei spielten die zulässigen Durchbiegungen und die Schwingungsanfälligkeit des Daches eine zentrale Rolle.
Abb. 8.1:
Tragkonstruktion des Daches (Trägerrost aus Stahlvollwandträgern)
Veranstaltung 874431
8.1.2
Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau, Burgdorf
Bau und Wissen, Wildegg
Kapitel 8 / Seite 2
Windkanalversuche
Aufgrund der grossen Dachauskragung und den damit verbundenen Unsicherheiten über das
Tragverhalten des Daches unter Winter-, Gewitter- und Föhnstürmen, wurden im Boundary Layer
Wind Tunnel Laboratory der Universität von West Ontario in Kanada die folgenden Windkanalversuche an einem Modell 1:200 des KKL durchgeführt:
(i)
Strömungsvisualisierung: Die Strömungsverhältnisse wurden durch eine bewegliche
Rauchquelle sichtbar gemacht. Die Tests dienten der raschen, qualitativen Abklärung
des Einflusses verschiedener Parameter (Windrichtung, Bauzustände, Anwesenheit von
Schiffen, Nachbargebäude, perforierte Dachöffnungen) auf das Windverhalten des Gebäudes und der näheren Umgebung.
(ii)
Winddruckmessungen: An 256 Messpunkten am Dach und der Fassade wurden die
Winddrücke für Windrichtungen von 0° bis 360° mit Richtungsinkrementen von 10° gemessen. Daraus wurden lokale und globale Windkräfte ermittelt, die für die Bemessung
der Dachhaut bzw. die Bemessung der Stahlkonstruktion des Daches verwendet wurden.
(iii) Benützerkomfort: Zur Beurteilung der „Windigkeit“ im Fussgängerbereich unter dem
Dach und auf den offenen Zuschauerterrassen wurdenWindgeschwindigkeitsmessungen
durchgeführt.
8.1.3
Beanspruchung der Dachkonstruktion infolge Wind
Aufgrund der im Modell gemessenen Windkräfte wurden die Beanspruchung und die Deformationen der Dachkonstruktion ermittelt. Die windbedingten Durchbiegungen in der kritischen Dachecke betrugen infolge des Normwindes (Norm SIA 160, 1989), abhängig von der Windrichtung,
maximal 19 cm nach oben und 16 cm nach unten. Da die tiefste Eigenfrequenz des Daches bei
ca. 1.3 Hz liegt und die dominanten Böenfrequenzen unter ca. 0.1 Hz liegen, ist das Verhalten des
Daches unter Wind primär quasistatischer Natur.
Da bei der Auslegung der Tragkonstruktion wegen den Durchbiegungen und Schwingungen die
Steifigkeit massgebend war und der Stahl nur teilweise ausgenützt war, konnten bei den Anschlüssen (Abb. 8.2) und Knoten (geschweisste Knoten wurden in der Werkstatt gefertigt und geschraubte Kopfplattenstösse wurden auf der Baustelle verwendet) höhere Spannungen akzeptiert
werden als im Grundmaterial der Träger.
Abb. 8.2:
Kopfplattenanschluss eines Hauptträgers (links) und Details von Knotenpunkten (rechts)
Veranstaltung 874431
Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau, Burgdorf
Bau und Wissen, Wildegg
Kapitel 8 / Seite 3
Aufgrund (i) der geringen Ermüdungsfestigkeit von geschraubten Zugverbindungen und geschweissten Knoten von 36 N/mm2, (ii) der im Vergleich zum Grundmaterial erhöhten Spannungen in diesen Elementen und (iii) der oszillierende Natur der Windkräfte, musste die Ermüdungssicherheit dieser Verbindungen und Knoten geprüft werden,. Unter den im Windkanal ermittelten,
fiktiven Windkräften (diese enthalten Beiträge aus allen möglichen Windrichtungen) und unter
Verwendung der Häufigkeitsverteilung der Anzahl Windzyklen gemäss Eurocode 1, hätten die am
höchsten beanspruchten Knoten und Verbindungen nur eine beschränkte Ermüdungslebensdauer. Um hier genauere Auskunft zu erhalten, wurde entschieden, ein Überwachungssystem der
Dachkonstruktion zu installieren mit dem Aussagen über die Ermüdungssicherheit der Dachkonstruktion gemacht werden können. Normalerweise wird bei Hochbauten Ermüdung infolge Wind
nicht berücksichtigt.
Abb. 8.3:
Layout des Dachüberwachungssystems (ACC: Beschleunigungssensor; DMS: Dehnmessstreifen)
8.1.4
Instrumentierung der Tragkonstruktion des Daches
Das Messsystem für die Dachkonstruktion des KKL wurde im Sommer 1998 installiert und läuft
seitdem permanent. Das Messsystem besteht aus folgenden Sensoren (Abb. 8.3):
(i)
9 Dehnmessstreifen (DMS) mit denen die Spannungen in den Flanschen in den Hauptträgern der Dachkonstruktion erfasst werden;
(ii)
2 Beschleunigungssensoren (Vertikalkomponente), die an der nordöstlichen Dachecke
und in der Mitte des nördlichen Dachrandes in der Entwässerungsrinne befestigt sind;
(iii)
einem Thermometer, das die Aussentemperatur misst;
(iv)
einem auf einem 3 m hohen Mast auf dem Dach montierten Anemometer mit dem die
Windgeschwindigkeit sowie die Windrichtung gemessen werden.
In Echtzeit werden die dynamischen Durchbiegungen des Daches an den Standorten der Beschleunigungssensoren berechnet, wobei nur Frequenzen von > 1 Hz berücksichtigt werden. Im
weiteren werden kontinuierlich kumulative Spannungshistogramme mit dem RainflowZählverfahren berechnet.
Veranstaltung 874431
8.1.5
Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau, Burgdorf
Bau und Wissen, Wildegg
Kapitel 8 / Seite 4
Ereignisaufzeichnungen
Wenn die Windgeschwindigkeit den Wert von 80 km/h übersteigt, wird ein Ereignis mit einer Dauer von 300 s registriert (Abb. 8.4).
Abb. 8.4:
Ereignisaufzeichnung: Zeitverlauf der Spannungen, Beschleunigungen, Windrichtung
und Geschwindigkeit sowie dynamische Durchbiegungen des Dachrandes während
des Sturms Lothar vom 26.12.1999
Zudem wird ein Ereignis registriert, wenn die Beschleunigungen und die Spannungen vorgegebene Grenzwerte überschreiten. Dabei werden sämtliche oben angegebenen Messparameter er-
Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau, Burgdorf
Bau und Wissen, Wildegg
Veranstaltung 874431
Kapitel 8 / Seite 5
fasst. Am 26. Dezember 1999 wurde während des Sturms Lothar eine maximale Windgeschwindigkeit von 112.8 km/h registriert.
Bei den Ereignisaufzeichnungen wird jeweils das Spektrum der Beschleunigungszeitverläufe ermittelt. Bei einer Datenlänge von 300 s und einer Messfrequenz von 50 Hz lassen sich die Eigenfrequenzen des Daches mit grosser Genauigkeit ermitteln. Die tiefste Eigenfrequenz des Daches
liegt bei 1.27 Hz (Abb. 8.5). Dieser Wert stimmt relativ gut mit dem theoretisch ermittelten Wert
von 1.3 Hz überein. Änderungen in den Eigenfrequenzen des Daches können aus den Ereignisaufzeichnungen ermittelt werden. Ein allfälliger Abfall der massgebenden Eigenfrequenzen des
Daches wäre ein Indikator für ein strukturelles Problem des Daches. Bisher wurden keine derartigen Änderungen festgestellt.
350
ACC1
300
PSD [cm/s^2/Hz]
250
200
150
100
50
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
9
10
Frequency [Hz]
PSD [cm/s^2/Hz]
6000
ACC2
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Frequency [Hz]
Abb. 8.5:
Spektren der Beschleunigungsaufzeichnungen: Dachvibrationen während
einer starken Böe am Dachrand und in der nordöstlichen Dachecke
Die wichtigsten Eigenschwingungsformen, die durch Wind angeregt werden können sind in Abb.
8.6 dargestellt.
Abb. 8.6:
Eigenschwingungsformen des Daches und zugehörige Eigenfrequenzen (Eigenfrequenzen
der Eigenformen 1, 2 and 5 sind 1.37 Hz, 2.10 Hz und 2.43 Hz)
Veranstaltung 874431
8.1.6
Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau, Burgdorf
Bau und Wissen, Wildegg
Kapitel 8 / Seite 6
Daueraufzeichnungen
Tagesaufzeichnungen: Bis zum 31.Oktober 1999 wurden Tagesaufzeichnungen erstellt, deren
Aufbereitung und Auswertung relativ aufwendig war (Abb. 8.7). Bis zu diesem Zeitpunkt hatte man
auch bereits umfangreiche Erfahrung mit dem Messsystem sammeln können, insbesondere zeigte
sich, die windinduzierten Spannungen in den DMS Messpunkten relativ klein waren, deshalb wurde entschieden, dass die Daueraufzeichnungen auf Monatsbasis zu erstellen.
Abb. 8.7:
Tagesaufzeichnung: Zeitverlauf der maximalen und minimalen Spannungen, (1-SekundenSpitzenwert) Anmerkung: Differenz zwischen Maximum und Minimum der Spannungen gibt
die maximale windinduzierte Spannungsamplitude (dargestellte Zeitskala: 24 h)
Monatsaufzeichnungen: Alle 2 Stunden werden aus einem Datenfile die Maximal-, Minimal- und
Mittelwerte ermittelt, die dann für jeden Monat separat dargestellt werden. Seit November 1999
stehen die Monatsaufzeichnungen zur Verfügung (Abb. 8.8).
Abb. 8.8:
Monatsaufzeichnung: Spannungszeitverlauf mit ausgeprägten täglichen Temperaturschwankungen
(Temperaturspannungen sind grösser als diejenigen aus Wind, oben) und Maximalwerte der Windgeschwindigkeit im Dezember 1999 (Sturm Lothar)
Veranstaltung 874431
Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau, Burgdorf
Bau und Wissen, Wildegg
Kapitel 8 / Seite 7
Bei den Monatsaufzeichnungen werden jeweils die kumulativen Spannungshistogramme bestimmt, wobei sämtliche Spannungszyklen seit dem 3. 9.1998 gezählt wurden. Während eines
Sturms nimmt die Anzahl der grossen Spannungsamplituden zu. Da die täglichen Temperaturschwankungen ebenfalls grössere Spannungsamplituden verursachen, werden die Spannungshistogramme im Bereich der grossen Spannungsamplituden durch die täglichen Temperaturschwankungen dominiert.
Das Messsystem wird dauernd stark beansprucht, da die Dehnungen und Beschleunigungen 50
Mal pro Sekunde abgelesen werden. Die vom Messsystem generierten Datensätze (Ereignis- und
Daueraufzeichnungen) sind auf folgender Internetadresse abrufbar:
http://www.geosig.com/KKL_Measurement/KKL_Haupt_Event.htm
8.1.7
Alarmierung
Wenn die Windgeschwindigkeit den Wert von 100 km/h übersteigt, die vertikale Maximalbeschleunigung 0.1g erreicht und die Spannungsänderungen den Wert von 100 N/mm2 übersteigen,
wird ein Alarm ausgelöst. Je nach Alarm sind verschiedene Massnahmen einzuleiten.
8.1.8
Sturm Lothar vom 25. – 27. Dezember 1999
Insgesamt wurden vom 25.-27. Dezember 1999 12 Ereignisse mit einer Windgeschwindigkeit von
> 80 km/h registriert, je ein Ereignis am 25. und 27.12. und 10 Ereignisse am 26.12. Die maximale
Windgeschwindigkeit lag bei 112.8 km/h (Abb. 8.4). In der Umgebung von Luzern wurden maximale Windgeschwindigkeiten von ca. 140 km/h gemessen. Da die Windmessungen stark standortabhängig sind und die Messstation auf dem Dach des KKL für bestimmte Windrichtungen im
Einflussbereich der Bahnhofsbauten ist, sind derartige Unterschiede leicht möglich.
Die maximalen Spannungsamplituden, welche für die Ermüdung massgebend sind, lagen bei 5
bis 9 MPa. Diese Werte betragen ca. 10% bis 20% der maximalen Spannungsamplituden, die
aufgrund der Windkanalversuche erwartet werden.
Die Gründe für die geringen Spannungsamplituden liegen einerseits in der maximalen Windgeschwindigkeit von 112.8 km/h, die ca. ¾ der Bemessungswindgeschwindigkeit von 144 km/h betrug und andererseits in der Windrichtung des am ungünstigsten wirkenden Windes sowie in der
Bestimmung der maximalen Windbelastung aus den Windkanalversuchen. Obwohl es sich bei Lothar vom statistischen Standpunkt aus um ein Jahrhundertereignis handelte, lagen die Beanspruchungen in der Dachkonstruktion unter derjenigen des 30-jährigen Bemessungswindes. Es ist
auch schwierig eine befriedigende Korrelation zwischen Windgeschwindigkeit, Spannungsamplituden und dynamischen Durchbiegungen der kritischen Dachecke herzustellen. Die Gründe liegen
auch hier im grossen Einfluss der Windrichtung, der Turbulenz und der daraus resultierenden ungleichförmigen Windbelastung des auskragenden Teils des Daches.
Während des Sturms bewegten sich die maximalen Vertikalbeschleunigungen des Dachrandes
zwischen 0.03 und 0.07 g.
Die maximalen Amplituden der Schwingung des Dachrandes lagen zwischen 10 und 30 mm (Frequenz der Schwingung: ca. 1.3 Hz). Diese relativ schnellen Bewegungen sind vom Boden aus –
d.h. aus einer Distanz von über 20 m - kaum sichtbar. Die (quasistatischen) Durchbiegungen des
Dachrandes infolge langperiodischer Böen, sind vom Boden ebenfalls kaum sichtbar. Diese
Durchbiegungen können mit dem vorhandenen Messsystem (Beschleunigungssensoren) nicht
zuverlässig erfasst werden.
Veranstaltung 874431
Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau, Burgdorf
Bau und Wissen, Wildegg
Kapitel 8 / Seite 8
Aufgrund der relativ niedrigen Spannungen in den Hautträgern ist davon auszugehen, dass die
maximalen quasistatischen Durchbiegungen ebenfalls nur ca. 20 bis 30% derjenigen der Windkanalversuche betragen. Durchbiegungen in dieser Grössenordnung stellen für das Dach kein Problem dar.
8.1.9
Ermüdungsbeurteilung und Grenzen des Messsystems
Das installierte Messsystem eignet sich nicht zur Messung der quasistatischen Durchbiegungen
des Dachrandes.
Die Berechnung der Spannungen in den einzelnen DMS Messpunkten erfolgt direkt über die gemessenen Dehnungen. Diese Spannungen sind für Windeinwirkungen korrekt. Die Berechnung
der Spannungen aus den temperaturbedingten Dehnungen erfolgt unter der Annahme, dass diese
Dehnungen voll behindert sind. Das trifft beim Trägerrost des KKL Daches nicht zu und führt zu
einer Überschätzung der Temperaturspannungen in den Messpunkten.
Zyklen
Bei der Ermittlung der Spannungshistogramme mit dem Rainflow-Zählverfahren (Abb. 8.9) werden
die täglichen temperaturbedingten Spannungszyklen mitgezählt sowie allfällige Zyklen, die durch
elektromagnetische Störungen verursacht werden. Die Histogramme, die als Basis für die Ermüdungsanalyse dienen, weisen deshalb auch eine Anzahl Zyklen mit grösseren Spannungsamplituden auf. Die auf diesen Histogrammen basierende Ermüdungsanalyse ist deshalb auf der sicheren Seite.
600
500
400
300
200
100
0
Zyklen
600
500
DMS1
0
100
200
DMS2
300
400
500
300
400
500
300
400
500
300
400
500
Tage
400
300
200
Zyklen
100
0
700
600
500
400
300
200
100
0
Zyklen
1200
1000
0
0
100
DMS3
200
100
DMS4
200
100
200
Tage
Tage
800
600
400
200
0
0
Tage
Abb. 8.9:
Spannungshistogramme in den ersten 4 DMS Messpunkten (links); windinduzierte Lastzyklen
als Funktion der Zeit (rechts)
Veranstaltung 874431
Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau, Burgdorf
Bau und Wissen, Wildegg
Kapitel 8 / Seite 9
Abb. 8.10:
Das Kultur- und Kongresszentrum am See in Luzern mit dem imposanten Jahrhundertdach
8.1.10
Folgerungen
Das Dach hat die Jahrhundertschneefälle anfangs Februar 1999 und auch den Jahrhundertsturm
Lothar vom 25. – 27. Dezember 1999 ausgezeichnet überstanden. Aufgrund der vorliegenden
Messungen besteht keine Ermüdungsgefährdung der Dachkonstruktion, da die windinduzierten
maximalen Spannungen beträchtlich unter denjenigen liegen, die aufgrund der Windkanalversuche für den dreissigjährigen Bemessungswind prognostiziert wurden.
8.2
Teil 2: Fussballstadien: Windtechnische Untersuchungen
zur Beurteilung der Windlasten, des Benützerkomforts
und des Mikroklimas
8.2.1
Das St. Jakob-Park Stadion, Basel
Das St. Jakob-Park Stadion ist schon heute ein architektonischer Meilenstein Basels. Der Entwurf
des Stadions stammt von den weltweit bekannten Basler Architekten Herzog & de Meuron.
Abb. 8.11:
St. Jakob-Park kurz vor Fertigstellung, im Vordergrund der Bahndamm im Hintergrund die 9-geschossige
Seniorensiedlung (Bild links); Ansichten des Stadions mit teilweise geöffneten Fensterelementen
(Bild rechts)
Veranstaltung 874431
Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau, Burgdorf
Bau und Wissen, Wildegg
Kapitel 8 / Seite 10
Der St. Jakob-Park besteht aus einem multifunktionalen Fußballstadion sowie einem 9geschossigen Hochbau als Seniorenresidenz. Die zwei Untergeschosse der Seniorenresidenz
enthalten ein Einkaufszentrum und einen Parkhausbereich unter dem Spielfeld.
Die aufwendigen Tragwerkskonstruktionen für das Stadiondach und die Fassaden sind in Stahl
ausgeführt. Der Hochbau sowie die Untergeschosse sind in Ortbeton erstellt, die Tribünen bestehen aus vorgefertigten Einzelteilen.
Das Projekt wurde vom Generalunternehmer Marazzi AG, Bern, Schweiz realisiert.
Eine Uebersicht über das Stadion ist in Abb. 8.11 gegeben. Die folgende Diskussion bezieht sich
auf die Dachkonstruktion.
8.2.2
Stadiondach
Das Dach des St. Jakob-Parks besteht aus 74 Stahlfachwerkträgern mit einer Länge von 26.5 m
und einem Achsabstand von 7.76 m und 8.00 m. Die Fachwerkträger sind über Pfetten, Stirnfachwerkträger, Windverbände und Zuggliedern zur Erhöhung der Kippstabilität miteinander verbunden. Zwei Abstützungen tragen jeden Träger. Die innere Stütze ist auf dem oberen Tribünenträger abgestellt. Dabei wird das runde Stützenprofil (Vollstahl) mit einem Durchmesser von 180
mm je nach Standpunkt des Betrachters kaum wahrgenommen (Abb. 8.12). Die äussere Abstützung als Bestandteil des oberen Tribünenträgers besteht aus vorfabrizierten Spannbetonelementen. Aussteifende Verbände übernehmen die Horizontalkräfte in der Dachebene, welche aus den
Wind- und Erdbebeneinwirkungen resultieren.
Abb. 8.12:
Abstützung der Dachträger durch Rundstützen (Bild links) und Montage
des Daches und der Tribünenelemente (Bild rechts)
Für die Dimensionierung des Daches sind das Eigengewicht, Wind, Schnee und Nutzlasten sowie
Erdbeben berücksichtigt worden. Weiter befinden sich im Stadion am Dachrand zwei Videotafeln,
die zusammen mit ihrer Unterkonstruktion ein Gewicht von 110 kN aufweisen.
Nach Abschluss der Montagearbeiten ist die tragende Dachstruktur heute für den Stadionbesucher nicht mehr erkennbar. Dies liegt an den beiden Membranen auf der Ober- und Unterseite des
Daches. Als untere Dachhaut hat man wegen der Akustik ein gelochtes Blech gewählt, welches
zur Vermeidung der Wasserkondensation auf der Dachunterseite mit Mineralwolle isoliert ist. Bei
einer Gesamtfläche von ca. 13'000 m2 betrug der durchschnittliche Stahlbedarf 78 kg je m2 Dachfläche, davon 41 kg/m2 für die Tragkonstruktion.
Veranstaltung 874431
Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau, Burgdorf
Bau und Wissen, Wildegg
Kapitel 8 / Seite 11
Im Zusammenhang mit der Kapazitätserweiterung des Stadions um 8000 Sitzplätze wird das
Dach auf der Seite des Bahndammes, wo die Tribünenerweiterung vorgenommen wird entfernt
und durch eine neue Konstruktion ersetzt.
8.2.3
Das Wankdorf Stadion, Bern
Nach der klaren Zustimmung des Berner Stimmvolks 1997 zum Neubau des Wankdorf-Stadions
wurde ein zweistufiger Architekturwettbewerb durchgeführt, den das Architekten-Team Luscher,
Schwaar und Rebmann 1999 für sich entscheiden konnte. Die Sprengung im Juli 2001 war das
Ende des 1954 erbauten legendären Nationalstadions.
Das Stadion liegt ca. 2.5 km vom Stadtzentrum von Bern entfernt. Neben dem Fussballstadion
befinden sich auch ein Einkaufszentrum mit Anlieferung, Lagerräumen und Einstellhalle unterhalb
des Stadions. Im südlichen separaten Solitärgebäude sind Schulen und Büroräumlichkeiten untergebracht. Verschiedene Mantelnutzungen wie Restaurants, Sportbetriebe, Dienstleistungen
und weitere Verkaufsräume sind direkt unter den Tribünenreihen angeordnet. Die Tribünen werden durch ein beinahe, schwebendes Dach überspannt.
Abb. 8.13:
Das Wankdorf Stadion kurz vor Fertigstellung, (Bild links); Dach mit transparenter Dacheindeckung
entlang dem Innenrand (Bild rechts)
Die Stadiontribünen des neuen Wankdorf-Stadions bieten den Fußballfans der Berner Young
Boys auf zwei Rängen insgesamt rund 32'000 Sitzplätze an. Auf der Umgangsebene zwischen
diesen Rängen befinden sich das Stadionkatering und ein Teil der für einen Stadionbetrieb notwendigen Infrastruktur. Vier 24 m breite Treppen ermöglichen den Zugang zum Stadion.
Das Tragwerk wird in massiver Stahl- und Spannbetonbauweise hergestellt. Für das Stadiondach
und die Fassade werden Stahlkonstruktionen verwendet. Die Fundation des Bauwerks wird mit
Bohrpfählen ausgeführt und steht im Grundwasser.
Das Erscheinungsbild des Stadions wird im Innern geprägt durch die weit ausladende Tribünenüberdachung.
Das Projekt wurde vom Generalunternehmer Marazzi AG, Bern, Schweiz realisiert.
Eine Uebersicht über das Stadion ist in Abb. 8.13 gegeben. Die folgende Diskussion bezieht sich
auf die Dachkonstruktion. Weiterführende Details über das Stadion findet der Leser in Ref. 3.
Veranstaltung 874431
8.2.4
Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau, Burgdorf
Bau und Wissen, Wildegg
Kapitel 8 / Seite 12
Stadiondach
Das Stadiondach dient in erster Linie dem Zuschauerkomfort. Sämtliche Sitz- und Stehplatztribünen sind überdacht. Daneben bietet das Dach die Möglichkeit für verschiedene Zusatznutzungen.
So wird auf einer Fläche von 5’300 m2 das grösste schweizerische Photovoltaikanlage errichtet.
Interessierte Besucher werden die Anlage von einer Plattform über dem Dach besichtigen können.
Ausserdem dient das Stadiondach zur Aufnahme einer Vielzahl von Betriebseinrichtungen wie
Anzeigetafeln mit LED-Technik, Beleuchtung und Flutlichter, Lautsprecher und Mikrofone sowie
Videokameras. Im Innern des Dachs befinden sich weitere technische Installationen wie Kabelkanäle und Dachwasserleitungen sowie ein Servicesteg.
Das Dach soll wie ein Flugzeugflügel über dem Stadion schweben. Daraus entstand die Konzeption der Dachhaut wie auch das Tragkonzept mit der 29 m grossen stützenfreien Auskragung. Die
Unterseite wird mit Metallkassetten. Der Dachrand auf der Innenseite wird auf einer Breite von
rund 8 m mit Mehrstegplatten aus Polycarbonat transparent gehalten, um harten Schattenwurf auf
dem Spielfeld zu vermeiden.
Abb. 8.14:
Tragsystem der Dachkonstruktion
Die Tragkonstruktion des Daches (Abb. 8.14) besteht aus 40 Stahlfachwerk-Hauptträgern im Abstand von 16.0 bzw. 17.2 m. Diese 40 m langen, 29 m auskragenden Fachwerke mit 4.80 m
Scheitelhöhe sind innen auf Stahlrohrstützen mit Durchmesser 813 mm abgestellt und aussen mit
Stahlrohren Durchmesser 457 mm zugverankert. Das Dach ist unten und oben mit Stahlblech verkleidet, der innere Dachrand auf einer Breite von 8 m mit transparenten Kunststoffplatten belegt,
um den Licht-Schatten-Effekt auf dem Spielfeld zu brechen. Die Horizontalstabilisierung des Daches gegen Wind- und Erdbebenkräfte erfolgt über die inneren Stahlstützen, die durch die vorfabrizierten Beton-Tribünenträger horizontal gehalten sind.
Zur Aussteifung der Dachkonstruktion werden sowohl in der oberen wie auch in der unteren
Dachebene Verbände angeordnet. Die Horizontalstabilisierung des Daches gegen Wind- und
Erdbebenkräfte erfolgt über die inneren Stahlstützen, die in 11 m Höhe – bei einer Gesamtlänge
von 15 m – durch die vorfabrizierten Beton-Tribünenträger horizontal gehalten sind. Dabei ist zu
beachten, dass die Steifigkeit der Tribünenträger in Querrichtung zehnmal grösser ist als in
Längsrichtung.
Trotz der weit gespannten Tragkonstruktion beträgt der Stahlverbrauch nur etwa 75 kg/m2 (ohne
Stützen). Bei einer Dachfläche von rund 27'000 m2 ergibt dies dennoch ein Gesamtgewicht der
Tragstruktur von 2’000 t sowie zusätzlich 500 t für die Stahlstützen.
Veranstaltung 874431
Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau, Burgdorf
Bau und Wissen, Wildegg
Kapitel 8 / Seite 13
8.2.5
Winduntersuchungen beim St. Jakob-Park und Wankdorf Stadion
8.2.6
Ueberblick
Zum Neubau des St. Jakob-Park und Wankdorf Stadions wurden umfangreiche windtechnische
Untersuchungen durchgeführt. Die Untersuchungen geben die für verschiedene Fachplaner benötigten Informationen.
Die Winduntersuchungen für das St. Jakob-Park Stadion wurden von Rowan Williams Davies &
Irwin Inc. (RWDI) in Guelph, Kanada sowie dem Boundary Layer Wind Tunnel Laboratory der University of Western Ontario in London, Kanada durchgeführt. Für das Wankdorf Stadion wurden die
Winduntersuchungen von der Ingenieurgesellschaft Niemann & Partner in Bochum in Zusammenarbeit mit Prof. Sedlacek & Partner in Aachen durchgeführt, dabei wurden die Grenzschichtwindkanäle der Ruhr-Universität Bochum und der RWTH-Aachen verwendet. Die experimentellen und
numerischen Untersuchungen umfassten folgende Punkte
•
Qualitative windtechnische Beurteilung der Stadien und insbesondere der Fassaden durch
Strömungsvisualisierung
•
Ermittlung der Windlasten auf Dach und Fassade anhand von Windkanaluntersuchungen
und Referenzmessungen in ähnlichen Stadien
•
Ermittlung der mikroklimatischen Gegebenheiten auf dem Spielfeld und im Stadioninnenraum
•
Ermittlung und Bewertung des Zuschauerkomforts im und am Stadion
Die für die diversen Windstudien angewandten Methoden entsprechen dem heutigen Stand der
Technik für ein modernes Fussball- und Sportstadion mit natürlichem Rasen.
Wichtig ist in diesem Zusammenhang, dass für die Ermittlung der Windlasten die stärksten Windereignisse massgebend sind und bei den mikroklimatischen und BenützerkomfortUntersuchungen die jahreszeitlich bedingten normalen meteorologischen Verhältnisse am Standort des Stadions.
Die mikroklimatischen Untersuchungen und teilweise auch die Benützerkomfort-Untersuchungen
sind neuartig und wurden in dieser Form erstmals beim St. Jakob-Park Stadion verwendet. Dabei
ging es in erster Linie darum umfassende Unterlagen zur Wahl und den Unterhalt des Spielfeldrasens zur Verfügung zu stellen.
Neben experimentellen Untersuchungen in Grenzschichtwindkanälen wurden verschiedene numerische Analysen durchgeführt.
Veranstaltung 874431
Abb. 8.15:
Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau, Burgdorf
Bau und Wissen, Wildegg
Kapitel 8 / Seite 14
Windkanalmodell 1:400 des St. Jakob Stadions auf Drehtisch zur Simulation verschiedener
Windrichtungen im Grenzschichtwindkanal (RWDI, Kanada) (Bild links und Windkanalmodell 1:300
des Wankdorf-Stadions (Niemann und Hölscher, Bochum) (Bild rechts)
Der Windkanal ermöglicht eine naturgetreue Simulation der atmosphärischen Windverhältnisse
unter Starkwindbedingungen. Hierzu wurde anhand von Messwerten der Wetterstation BaselBinningen (St. Jakob-Park) und Bern-Liebefeld (Wankdorf) das Windklima am Bauwerksstandort
beurteilt. Ein Referenzwinddruck (10 Minuten Mittelwert) von 0.44 kN/m2 wurde verwendet. Dies
entspricht einem Starkwind mit einer mittleren Wiederkehrperiode von 50 Jahren.
Für beide Stadien wurden zudem Strömungsvisualisierungsversuche durchgeführt. Der Zweck
dieser Versuch bestand darin qualitativ den Einfluss der Fassade auf die Durchströmung des Stadioninnenraums zu beurteilen und um aerodynamische Schwachpunkte des Stadions zu identifizieren.
8.2.7
Winduntersuchungen St. Jakob-Park Stadion
RWDI wurde beauftragt einerseits den Einfluss der Windigkeit auf dem Spielfeld in Abhängigkeit
unterschiedlicher Fassadenöffnungen zu definieren und andererseits die mikroklimatischen Bedingungen auf dem Rasen zu untersuchen. Für die Winduntersuchungen im Windkanal ist der St.
Jakob-Park mit seiner Umgebung im Radius von 460 m im Massstab 1:400 modelliert worden
(Abb. 8.15). Für die Ermittlung der mikroklimatischen Bedingungen wurden die meteorologischen
Daten von der nahe dem St. Jakob-Park gelegenen Station Basel-Binningen aus den Jahren 1992
bis 1998 verwendet. Basierend auf diesen Daten wurden dann im Windkanal die Windigkeit auf
dem Spielfeld und auch auf den Tribünen bestimmt. Dabei sind die Temperatur, die relative Luftfeuchtigkeit, die Windgeschwindigkeit (30 cm über dem Rasen) und die Sonneneinstrahlung auf
dem Spielfeld ermittelt worden. Dabei wurde die Beschattung des Rasens durch das Stadiondach
und 9-geschossige Gebäude sowie die Bewölkung berücksichtigt. Die mikroklimatischen Verhältnisse sind in Konturplots zusammengestellt, die Monats- und Jahresmittelwerte enthalten.
Veranstaltung 874431
Abb. 8.16:
Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau, Burgdorf
Bau und Wissen, Wildegg
Kapitel 8 / Seite 15
Mikroklimatische Verhältnisse des Spielfeldes. Dargestellt ist die jährliche Sonneneinstrahlung
und durchschnittliche Windgeschwindigkeit. St. Jakob-Park (links) Wankdorf (rechts). Im freien Feld
(St. Jakob-Park) beträgt die mittlere Windgeschwindigkeit 0.9 m/s und die Sonneneinstrahlung 3830
MJ/m2. Im Wankdorf Stadion betragen die entsprechenden Werte 0.6 m/s und 4228 MJ/m2.
Klar erkennbar ist die sehr unterschiedliche Verteilung der Sonneneinstrahlung, die auf die
Orientierung der Stadien zurückzuführen ist.
Die Untersuchungen im Windkanal zeigten, dass die Luftzirkulation auf dem Spielfeld durch einzelne Fassadenöffnungen nicht wesentlich verbessert wird. Die Besonnung des Spielfeldes (Abb.
8.16) hängt sehr stark von der Orientierung des Stadions, Tageszeit und Jahreszeit (Monat) ab.
So ist die Dauer der Besonnung in der Nordwestecke etwa zweimal so gross wie in der Südostecke des Stadions. Der Zuschauerkomfort auf den Tribünen wurde anhand der Parameter Windgeschwindigkeit, Umgebungstemperatur und Besonnung bewertet. Dabei wurden empirische
Komfortkriterien für sitzen, stehen und gehen verwendet, die auch die Bekleidung in verschiedenen Jahreszeiten berücksichtigt. Der Benützerkomfort ist im gesamten Tribünenbereich für ‚sitzen’
gegeben.
Trotz den umfangreichen mikroklimatischen Daten, die zur optimalen Auswahl und den Unterhalt
des Rasens zur Verfügung gestellt wurden, konnte nicht vermieden werden, dass der Rasen bereits nach relativ kurzer Zeit beschädigt wurde. Die Probleme liegen unter anderem in der Ueberbenutzung des Spielfeldes, den zu kurzen Regenerationsphasen und insbesondere in der Tatsache, dass die Sonneneinstrahlung nur rund die Hälfte derjenigen des unbebauten Feldes beträgt.
Es gibt deshalb Bestrebungen, den natürlichen Rasen durch einen künstlichen rasen zu ersetzen,
falls das die FIFA Richtlinien für internationale Veranstaltungen zulassen. Das war bisher nicht der
Fall.
8.2.8
Winduntersuchungen Wankdorf Stadion
Die Auswertung der Winddaten zeigt, dass auf dem Niveau des Daches des Wankdorf-Stadions
beim 50-jährlichen Starkwind eine mittlere Windgeschwindigkeit von 26.5 m/s und ein Böenspitzenwert von 45.7 m/s zu erwarten ist.
Veranstaltung 874431
Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau, Burgdorf
Bau und Wissen, Wildegg
Kapitel 8 / Seite 16
Für die Windkanaluntersuchungen wurde von dem Stadion und allen massgebenden Umgebungsbauten ein im Maßstab von 1:300 verkleinertes Modell gefertigt (Abb. 8.15). Verschiedene
Parameterstudien zum Einfluss der Fassadengestaltung, der Solarpanels und der Anzeigetafeln
wurden qualitativ in Strömungsvisualierungsversuchen durchgeführt.
Die zur Bemessung des Tragwerks benötigten Windlasten wurden als statische Ersatzlasten angegeben. Die Ersatzlasten wurden getrennt für das Haupttragwerk (globale Windlast), für untergeordnete Tragglieder wie Quer- und Sekundärträger sowie Pfetten und die Dachhaut mit ihren
Befestigungsmitteln (lokale Windlasten) aus den Windkanalversuchen ermittelt. Im Einzelnen wurden zur Dachkonstruktion vertikale und horizontale Lasten angegeben. Zudem wurden die Windlasten zu den Fassaden und zum Dach des Sockelgebäudes aufgeführt.
Die Windlastuntersuchungen haben zu einer Reduktion der Windbelastung des Dachtragwerks
beigetragen. Bei Einhaltung des normgemäss geforderten Sicherheitsniveaus konnte hierauf aufbauend ein wirtschaftlich optimierter, standsicherer Tragwerksentwurf gewährleistet werden.
Die klimatischen und mikroklimatischen Verhältnisse im Stadioninnenraum und der näheren Umgebung sind gleichermassen auch für das Komfortempfinden der Zuschauer von Bedeutung. Die
Verhältnisse wurden im Windkanal und anhand von Modellrechnungen geprüft.
Die Tribünen sind vollständig überdacht, wodurch die Frage des Luftaustausches über der Rasenfläche bedeutsam wird. Zu dieser Frage wurden Windkanalversuche, mit dem Ziel die Belüftung
der Rasenfläche in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit außerhalb des Stadions zu ermitteln,
durchgeführt. Gleichzeitig beeinflussen auch die thermischen Gegebenheiten das Mikroklima auf
der Spielfläche, das anhand theoretischer Betrachtung spezifiziert wird.
Die mikroklimatischen Gegebenheiten unmittelbar oberhalb der Rasenfläche wurden bestimmt
(Abb. 8.16). Für die klimatischen Bedingungen werden als charakteristische Parameter im Wesentlichen die bodennahen Windgeschwindigkeiten sowie die solaren Einstrahlungsdaten herangezogen. Die mikroklimatischen Bedingungen konnten soweit konkretisiert werden, dass seitens
der Rasenplaner ein abgestimmter Rasenaufbau erfolgen kann.
Aufgrund der Ergebnisse der Komfortuntersuchung sind keine baulichen Verbesserungen des
Stadions erforderlich.
8.2.9
Schwingungsanregung durch Wind
Die Grundfrequenzen der stark auskragenden Dachkonstruktionen liegen in der Grössenordnung
von 1 - 2 Hz (je nach Eigenschwingungsformen) und die vorherrschende Frequenz der Böen, die
die grössten Windkräfte verursachen, beträgt ca. 0.1 - 0.05 Hz. Bei diesem Verhältnis von Eigenfrequenz und Erregerfrequenz ergibt sich bei einem äquivalenten Einmassenschwinger (unter
Vernachlässigung allfälliger aeroelastischer Effekte) der dynamische Amplifikationsfaktor der statischen Durchbiegung zu 1.01. Die Dachkonstruktion erfährt deshalb trotz sehr geringer Dämpfung
während einem Sturm nur sehr geringe Schwingungen. Diese Vermutung wurde durch umfangreiche Messungen in der Dachkonstruktion des Kongresszentrums in Luzern, das in einer Dachecke
eine maximale Auskragung von rund 45 m aufweist, bestätigt. Das Dach hat eine Grundfrequenz
von 1.3 Hz und wird seit 1998 kontinuierlich mit mehreren Sensoren überwacht (Ref. 4) dabei
wurden auch Extremereignisse wie der Dezembersturm Lothar von 1999 erfasst.
Um allfällige Schwingungseffekte in der Dachkonstruktion zu berücksichtigen, wurden alle Windlasten um einen dynamischen Faktor von 1.2 erhöht.
Veranstaltung 874431
Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau, Burgdorf
Bau und Wissen, Wildegg
8.3
Teil 3: Zuschauererregte Schwingungen in Tribünen
8.3.1
Ueberblick
Kapitel 8 / Seite 17
Tragwerke, die durch Menschen zu Schwingungen angeregt werden können, sind gegen Schwingungen auszulegen. Bei der Auslegung der Tribünen stellt sich die Frage, welche dynamischen
Aktivitäten des Publikums (Sportveranstaltung oder Open Air Konzert) zu erwarten sind. Neben
der Tragsicherheit der Konstruktion sind der Komfort und die Sicherheit der Zuschauer massgebende Auslegungskriterien. Komfort und Sicherheit werden dabei anhand der Beschleunigungsamplituden beurteilt. Da die Zuschauer nicht erwarten, dass eine massive Tribünenkonstruktion
merkliche Schwingungen ausführt, sind die Beschleunigungsamplituden zu
begrenzen, um Unsicherheit unter den Zuschauern zu vermeiden.
Bei starken Schwingungen ist eine Überwachung in Verbindung mit einer Alarmierung keine geeignete Lösung. Auch eine Sperrung gewisser Tribünenpartien, die starken Schwingungen ausgesetzt sein können, ist für den Betreiber des Stadions keine akzeptable Lösung. Als konstruktive
Massnahme werden Schwingungstilger empfohlen, wenn teure Anpassungen in der Tribünentragkonstruktion nicht in Frage kommen.
Durch große Menschenmassen induzierte Einwirkungen sind auf folgende Aspekte zu
untersuchen:
•
Tragsicherheit: Welche Aktivitäten des Publikums können zu dynamischen Einwirkungen
führen, die durch die statischen Lastansätze nicht abgedeckt sind, und/oder Ermüdungsprobleme in Tragelementen oder Verbindungen verursachen.
•
Gebrauchstauglichkeit: Können Schwingungen den Zuschauerkomfort oder sogar die Zuschauersicherheit beeinträchtigen.
Generell wird empfohlen das Schwingungsniveau tief zu halten indem eine steife Tribünenkonstruktion gewählt wird. Das ist immer die mit Abstand beste und günstigste Lösung.
8.3.2
Beurteilung der Sicherheit der Tribünen im St. Jakob Stadion
unter zuschauerbedingten Vibrationen
In gewissen Teilen der Tribüne des St. Jakob Stadions sind bei Veranstaltungen teilweise starke
Vibrationen gespürt worden. Dynamische Untersuchungen und Messungen haben zu folgenden
Schlüssen geführt:
1. Die stärksten Erschütterungen werden im auskragenden Bereich der Tribüne verspürt,
diese Auskragung ist sehr kurz und betrifft nur 2 oder 3 Sitzreihen, in den oberen Sitzreihen sind die Erschütterungen weit geringer.
2. Bei den Tribünen handelt es sich um wenig erschütterungsempfindliche Elemente, die Erschütterungen schadlos widerstehen können, die beträchtlich über den bisher gemessenen Maximalwerten liegen.
3. Die Dauer der maximalen Erschütterungen ist sehr kurz und beträgt jeweils nur ein paar
Sekunden. Es gibt nur sehr wenige Spiele pro Saison, wo sehr hohe Erschütterungswerte
gemessen wurden, bei anderen Spielen und Veranstaltungen sind weit geringere Maximalwerte registriert worden. Die bisher registrierten Maximalwerte lagen unter den zulässigen Erschütterungswerten für Bauwerke, die in den Erschütterungsnormen angegeben
sind.
Veranstaltung 874431
Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau, Burgdorf
Bau und Wissen, Wildegg
Kapitel 8 / Seite 18
4. Die Erschütterungen werden in erster Linie durch Zuschauer im auskragenden Bereich der
Tribünenträger verursacht. Die Anzahl Zuschauer in diesem Bereich ist beschränkt und die
dynamischen Anregungskräfte können deshalb nicht beliebig anwachsen; dazu kommt,
dass durch Anregung im oberen Tribünenbereich die Trägerschwingungen nicht effizient
angeregt werden können.
5. Die Tribünen sind auf Zuschauerlasten gemäss Fifa-Richtlinien bemessen worden.
6. Die zuschauerbedingten dynamischen Beanspruchungen in den Tribünenträgern sind relativ gering, bisher sind keine diesbezüglichen Risse in den Trägern beobachtet worden,
Risse würden entstehen, falls die vorgespannten Träger überbeansprucht würden.
7. Das Stadion kann unter den zuschauerbedingten Erschütterungen nicht einstürzen!
Es trifft zu, dass die maximal gemessenen Erschütterungen unerwünschte (psychologische und
physiologische) Auswirkungen vor allem auf Zuschauer in den ersten 2 bis 3 auskragenden Zuschauerreihen haben können.
8.3.3
Auslegung der Tribünen im Wankdorf Stadion für zuschauerbedingte
Vibrationen
Am Anfang des Planungsprozesses stand die Frage im Vordergrund, welche Funktionen und Aufgaben die Tragkonstruktionen der Stadiontribünen erfüllen müssen? Dabei sind die Anforderungen wie folgt definiert worden.
•
Aufnahme der quasistatischen Ersatzlast infolge vertikaler Zuschauereinwirkungen von 5
kN/m2 (Fifa-Richtlinien).
•
Die minimale Eigenfrequenz der Bauteile mit Zuschauereinwirkungen beträgt 7 Hz.
•
Aufnahme und Weiterleitung von horizontalen Einwirkungen in der Grösse von 300 kN
längs und 150 kN quer zur Haupttragrichtung der oberen Tribünenträger, die inf. Wind
resp. Erdbeben vom Stadiondach über die Dachstützen in die Tribünenträger eingeleitet
werden.
Die Tribünenelemente der unteren Tribüne bestehen in den geraden Bereichen aus im Spannbett
vorgespannte, dreistegige Faltwerke, welche über zwei Felder mit einer maximalen Spannweite
von 8.58 m verlegt worden sind. In den „Stadionkurven“ sind polygonale Elemente montiert worden, bei denen aufgrund der speziellen Geometrie lediglich „schlaffe“ Bewehrung eingelegt worden ist (Fig. 16). Sämtliche Elemente sind in den Felddrittelpunkten untereinander verschraubt
worden. Damit konnte die Gesamtsteifigkeit der Tribüne erhöht und so die horizontale Fuge der
Elemente vor differentiellen Deformationen infolge Zuschauereinwirkungen geschützt werden. Die
Eigenfrequenz für die Grundschwingung beträgt 11.6 Hz, für die 1. Oberschwindung 18.2 Hz.
8.3.4
Diskussion von Schwingungen im Dach des St. Jakob Stadion
Schwingungen der Dachkonstruktion können aus folgenden Einwirkungen entstehen:
1. Wind (Windturbulenzen und Wirbelablösung)
2. Erdbeben
3. Unterhaltsarbeiten oder andere Aktivitäten auf dem Dach
4. Am Dach befestigte rotierende oder pulsierende Maschinen oder Einrichtungen
Veranstaltung 874431
Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau, Burgdorf
Bau und Wissen, Wildegg
Kapitel 8 / Seite 19
5. Uebertragung von Vibrationen von der Zuschauertribüne auf das Dach
6. Verkehrsbedingte Dachschwingungen (Eisenbahnverkehr, etc.)
Starke Erdbeben treten sehr selten auf. Diese können jedoch stärkere Dachschwingungen verursachen, da die Strukturdämpfung des Daches sehr gering ist. Eine Erdbebenberechnung, welche
die dynamischen Eigenschaften des Daches berücksichtigt ist deshalb erforderlich. Dabei sind alle
drei Komponenten der Erdbebenanregung zu berücksichtigen.
Wind könnte rein theoretisch unangenehme Dachschwingungen verursachen. Dies ist jedoch aus
folgenden Gründen kaum der Fall: Erstens ist der Wind auf dem Niveau des Daches hochgradig
turbulent; dies verhindert die periodische Wirbelablösung am Dachrand und damit verbundene
periodische Anregungen. Zweitens liegen die vorherrschenden Frequenzen der dynamischen
Windlasten bei weniger als 0.2 Hz währenddem die Eigenfrequenzen der Dachkonstruktion je
nach Massenbelegung des inneren Dachrandes ca. 2 bis 4 Hz betragen. Bei diesem Verhältnis
von Anregungsfrequenz (max. 0.2 Hz) zu Eigenfrequenz des Daches (2 bis 4 Hz) treten nur sehr
geringe Dachschwingungen auf. Diese Tatsache konnte beispielsweise beim Dach des Kulturund Kongresszentrums in Luzern, das ähnliche Eigenfrequenzen aufweist (ca. 1.3 Hz), mittels
Vibrationsmessungen bestätigt werden.
8.4
Folgerungen
Dynamische Effekte bei Stadien hängen einerseits vom Standort (Erdbeben, Wind), von der Konstruktion und den dynamischen Eigenschaften des Stadions und andererseits von der Nutzung ab
(zuschauerbedingte Vibrationen etc.) ab.
Wind und Erdbeben sind massgebend für die Auslegung der Tragelemente (Tragsicherheit) währenddem zuschauerbedingte Vibrationen der Tribünen normalerweise ein Gebrauchstauglichkeitsproblem darstellen.
Es darf jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass empfindliche Elemente einer Tragkonstruktion
durch Wind und auch zuschauererregte Vibrationen Ermüdungsschäden aufweisen können. Derartige Schäden können einen Einfluss auf die Tragsicherheit der Konstruktion haben.
Eine periodische Ueberwachung der Tragelemente im Hinblick auf Vibrationen und Ermüdung ist
deshalb erforderlich.
Windeinwirkungen verursachen keine dynamischen Probleme, wenn die Eigenfrequenzen der
Dachkonstruktion weit höher als die dominanten Böenfrequenzen von ca. 0.2 Hz liegen.
Theoretische Untersuchungen beim Dach des Kongresszentrums Luzern haben gezeigt, dass die
dynamische Beanspruchung (verursacht durch Trägheitseffekte des Daches) weniger als 20% der
quasistatischen Windbeanspruchung ausmacht.
Veranstaltung 874431
Berner Fachhochschule Architektur, Holz und Bau, Burgdorf
Bau und Wissen, Wildegg
Kapitel 8 / Seite 20
Literatur
[1] Beyeler M., Blanke J., Nydegger D., Raaflaub S., Wagner K., Wieland M., Wälti A. (2004):
Stade de Suisse - das neue Wankdorf Stadion Bern, Stahlbau Spezial: Arenen im 21. Jahrhundert, Verlag Ernst & Sohn Berlin
[2] Blanke J., Wiedmer W., Wieland M., Wüthrich W., Puskas T. (2004): Das neue St. Jakob Park
Stadion in Basel, Stahlbau Spezial: Arenen im 21. Jahrhundert, Verlag Ernst & Sohn Berlin,
[3] Wiedmer W., Blanke J., Wieland M., Wüthrich W., Puskas T. (2002): St. Jakob-Park, Basel –
mehr als nur ein Fussballstadion, Betonbau in der Schweiz, First fib Congress, Osaka, Japan,
13.-19. Oktober, 2002
[4] Wieland M, Malla S., Wüthrich W. (2001), Ueberwachung des dynamischen Verhaltens des
Daches des neuen Kultur- und Kongresszentrums in Luzern unter Windeinwirkung, D-A-CH
Tagung 2001, Innsbruck, Sept. 2001
[5] Wieland M., Isyumov N., Edey R.T. (1999), Wind action on the new Congress Centre, Lucerne, Switzerland, Proc. 10th Int. Conf. On Wind Engineering, Copenhagen, Wind Engineering into the 21st Century, Editors A. Larsen, G.L. Larose, F.M. Livesey, A.A. Balkema, Rotterdam
[6] Wieland M., Wuethrich W., Malla S. (2000a), Lucerne Culture and Congress Centre. Structural Engineering International, IABSE, Switzerland, Vol. 10, No. 1, pp. 8-11, February
[7] Wieland M., Wuethrich W., Malla S. (2000b), The Congress Centre of Lucerne: Structural Engineering Challenges. Proceedings of IABSE Congress on Structural Engineering for Meeting
Urban Transportation Challenges, Lucerne, Switzerland, September 18-21
[8] Wieland M., Wüthrich W. (1995), Kultur- und Kongresszentrum am See in Luzern, Sicherheit
der Dachkonstruktion, Schweizer Ingenieur und Architekt, SI+A, Nr. 50, 9. Dezember, pp.
946-953
[9] Wieland M. (2005), Die Schweizer Stadien der EM 2008: Windtechnische Untersuchungen
zur Beurteilung der Windlasten, des Benützerkomforts und des Mikroklimas, Konferenz Wettkampf der Arenen, die neue Generation von Sportstätten und Arenen, Dusseldorf, März 1718, 2005; Bautechnik, Verlag Ernst & Sohn, März 2005
Document
Kategorie
Kunst und Fotos
Seitenansichten
9
Dateigröße
1 106 KB
Tags
1/--Seiten
melden