Ein Kompetenzzentrum für die Industrie 4.0

Der erste Bau des neuen Campus in Arlesheim

Auf dem ehemaligen Fabrikareal der Stamm BAu AG, dem Schorenareal in Arlesheim, entwickelt und realisiert die uptown Basel AG in unmittelbarer Nähe zum Wirtschaftszentrum Basel einen modernen Campus. Das Ziel ist, auf dem neuen Campus einen führenden Standort der Schweiz für die Industrie 4.0 zu etablieren. Der erste Bau von mehreren Gebäuden steht aktuell kurz vor Fertigstellung der Rohbauarbeiten. Das zukunftsfähige Gebäude soll für Mieter mit automatisierten Arbeits- und Produktionsprozessen zur Verfügung stehen und dafür möglichst flexibel und modular ausbaubar sein. Das Erdgeschoss ist weitgehend stützenfrei - die darüberliegenden drei Geschosse werden mithilfe von Fachwerkträgern abgefangen. Die büer alle Seiten überstehenden Teile der zwei oberen Geschosse werden über aussen liegende Fachwerke getragen. Ohne den Einsatz von STahl als massgeblichen Gestaltungsfaktor des Tragwerks wäre dies alles nicht in der vorliegenden Form möglich.

1   Idee des Campus und des ersten Gebäudes

Durch die uptown Basel AG wird gegenwärtig auf dem ehemaligen Fabrikareal der Stamm Bau AG, dem Schorenareal in Arlesheim, ein neuer, zukunftsweisender Campus speziell für die Industrie 4.0 entwickelt und realisiert (Bild 1). Das erste Gebäude steht kurz vor der Fertigstellung und soll ein Kompetenzzentrum für die Industrie 4.0 werden (Bild 2). Der Fokus bei der Planung des neuen Gebäudes liegt vor diesem Hintergrund darauf, dass das Gebäude äusserst flexibel nutzbar sein soll. Die Produktionsflächen sollen weitgehend stützenfrei sein, um dort für die jeweiligen Mieter mit automatisierten Arbeits- und Produktionsprozessen passgenaue Ausbauten vornehmen zu können. 

Der Einsatz von nachhaltigen Baustoffen ist dabei ebenfalls ein wichtiger Aspekt mit hohem Stellenwert - durch den punktuellen Einsatz von Recyclingbeton in Stahlbetonbauteilen und den gezielten Einsatz des Baustoffs Stahl wird der Nachhaltigkeit Rechnung getragen. Passend zur Industrie 4.0 soll auch der Planungsprozess digitalisiert sein - dies wird speziell in der statischen Berechnung und der Erstellung sämtlicher erforderlichen Pläne und Planungsdokumente umgesetzt.

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Campus für die Industrie 4.0

Bild 1

Kompetenzzentrum für die Industrie 4.0

Bild 2

2   Statisches Konzept und Bauweisen des Gebäudes

Das Gebäude hat eine Länge von ca. 100 m, eine Breite von ca. 60 m und eine Höhe von ca. 24 m. Es besteht aus einem Untergeschoss mit Tiefgarage, einem überhohen stützenfreien Erdgeschoss sowie drei Obergeschossen (Bild 3). die beiden obersten Geschosse sind auf allen vier Gebäudeseiten überhängend. Das Erdgeschoss ist für industrielle Produktionsflächen vorgesehen, darüber befindet sich ein Technikgeschoss. In den beiden oberen Geschossen werden Büroflächen angeordnet. 

Um die Stützenfreiheit im überhohen Erdgeschoss gewährlsiten zu können, wird das gesamte darüberliegende Geschoss als Abfangebene mit geschosshohen Fachwerkträgern ausgebildet. Die Fachwerkträger verlaufen in Gebäudelängsrichtung (in Bild 3 orange markiert) und bringen die Lasten aus der mittels vorgespannten Pi-Platten mit Ortbetonergänzung ausgebildeten Geschossdecke (in Bild 3 gelb markiert) sowie der darüberliegenden Geschosse direkt oder über zusätzliche in Gebäudequerrichtung verlaufende Fachwerkkonstruktionen auf die Stahlbetonkerne sowie eine Reihe von Fertigteilstützen im Erdgeschoss. Dadurch wird der stützenfreie Raum im Erdgeschoss ermöglicht. Um den Anforderungen an den konstruktiven Brandschutz gerecht zu werden, wird die Stahlkonstruktion der Abfangebene entweder in Trockenbauweise geschützt oder mit einem Brandschutzspritzputz versehen. Im als Abfangebene agierende Geschoss wird die Gebäudetechnik angeordnet. Zwischen den Stützen und Diagonalen der Fachwerke kölnnen Haustechnikleitungen verlaufen. Die Abfangkonstruktion ist dafür ausgelegt, die Lasten aus einem weiteren, darunterliegenden und von der Stahlkonstruktion abgehängten Zwischengeschoss aufzunehmen - diesesn kann im Rahmen eines späteren Gebäudeausbaus realisiert werden und wird zum jetzigen Zeitpunkt im Teilen bereits gebaut.

Ibn den beiden oberen Bürogeschossen kommt ein Stützenraster von bis zu 7,50 m mit hStahlbetondecken zum Einsatz, die teilweise als Hohlköprerdecken zur Gewichtsreduktion ausgeführt werden. In den Bürogeschossen gibt es keine weiteren Abfangkonstruktionen. Die überhängenden Bereiche der Gschossdecken werden auf in der Fassadenebene verlaufenden Fachwerkkonstruktionen aufgelegt (in Bild 3 grün markiert). Die Fusspunkte der Schrägstützen und deren jeweiligen Lastweiterleitung befinden sich entweder direkt an den STahlbetonkernen der kurzen Gebäudeseiten oder an den GEbäudelängsseiten auf den Fachwerken des Abfanggeschosses in umittelbarer Nähe deren Auflager. Sätmliche Stahlkonstruktionen dienen generell lediglich der Abstragung der vertikalen Gebäudelasten. Die Stahlfachwerke werden in den Abschn. 4, 5 nochmals detailliert beschrieben und deren Besonderheiten aufgezeigt. Insgesamt wird für alle Stahlkonstruktionen eine Menge von ca. 1200 t Baustahl verwendet. 

Die Gebäudeaussteifung für seismische Lasten wird über die Decken als horizontale Schweiben sowie die über alle Geschosse verlaufenden insgesamt sechs stahlbetonkerne sichergestellt. Die Gründung erfolgt als Flachgründung mit elastisch gebetteter Stahlbetonbodenplatte mit einzelnen Pfählen im Bereich konzentrierter Stützlasten.

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Querschnitt Kompetenzzentrum 4.0

Bild 3

3   Digitale Planung im Sinne der Indsutrie 4.0

Bei der Planung soll eine hohe Durchgängigkeit bei den eingesetzten digitalen Hilfsmitteln gewährleistet werden. In diesem Sinne kommt ein Gesamtmodell in der Sotware Revit zum Einsatz (Bild 4).

Das Modell ist die Grundlage für die Projektierung und Ausschreibung sowie für die gesamte Schal- und Bewehrungsplanung und die Stahlbauübersichtsplände des Projekts. Alle Pläne werden aus dem Gebäudemodell generiert. Dank spezifischer Bauteilinformationen im Sinne einer BIM-Planung werden auch Mengen- und Kosteninformationen sowie Bauteillisten aus dem Modell herua abgeleitet. Darüber hinaus ist das Revit-Modell die Grundlage für die EDV-gestützte statische Berechnung des Stahl- und Stahlbetontragwerks. Aus dem Modell lassen sich u.a. statische Modell in den Softwarepakten SOFiSTiK und RStab generieren. Die Bemessung der statischen Elemente wie u.a. Stahlbetondecken, Wände sowie innere und äussere Stahlfachwerke erfolgt primär anhand von Teilmodellen, sogenannten Subsystemen. Zur Berechnung des Gebäudeverhaltens unter seismischer Beanspruchung sowie zur Plausibilisierung des Lastflusses in den zahlreichen Abfangbereichen und der Interaktion zwischen dem Stahlbetontragwerk und den Fassadenfachwerken wird aus dem Revit-Modell ein Gesamtmodell in SOFiSTiK erzeugt und dort berechnte (Bild 5).

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Gesamtmodell in der Software Revit

Bild 4

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Gesamtmodell in der Software SOFiSTiK

Bild 5

4   Überstehende Geschosse durch aussen liegende Fassadenfachwerke

Zur Abtragung der vertikalen Lasten aus den an den vier Gebäudeseiten überhängenden Deckenbereichen werden die über die Höhe der beiden oberen Geschosse verlaufenden Fachwerkkonstruktionen in Fassadenebene herangezogen (in Bild 6 im Revit-Modell herausgestellt, in Bild 7 als statisches Teilmodell in RStab dargestellt). Die Deckenlasten werden dabei über die Fassadenfachwerke zu den an den Längs- und Querseiten angeordneten Schrägstützen geleitet. Diese lagern an den Querseiten direkt auf Wänden der Stahlbetonkerne und an den Längsseiten auf den inneren Fachwerken des Technikgeschosses. Dort erfoglt dann der weitere Abtrag der Lasten aus den Fassadenfachwerken. Die Deckenlasten werden in den drei betroffenen Geschossebenen über in die Stahlbetondecken eingelegten Stahlkonsolen in das aussen liegende Fachwerk eingeleitet. Im mittleren der drei Geschosse werden die Deckenlasten über die Konsolen in die Fachwerkdiagonalen gebracht, dudurch werden die Diagonalen nicht nur durch die aus der Fachwerkwirkung entstehenden Noralkräfte beansprucht, sondern auch durch Biegung. Damit handelt es sich bei den Fassadenfachwerken streng genommen um kein reines Fachwerksystem mehr, die Fachwerkwirkung dominiert aber im Vergleich zum Biegetragverhalten deutlich. 

Die Besonderheit der Fassadenfachwerkkonstruktion liegt u.a. darin, dass diese sich ausserhalb der gedämmten Gebäudehülle befindet und dadurch klimatisch bedingten Tempereaturschwankungen ausgesetzt ist. Die Stahlkonstruktion ist dazu ausgelegt, Tempereaturschwankungen von theoretisch bis zu +/- 30°C aufnehmen zu können. Dadurch ergeben sich in den Ober- und Untergurten Normalkräfte von bis zu ca. 4 MN mit wechselndem Vorzeichen. Die Auflagerkonsolen an den Deckenrändern sind daher nicht nur für die Einleitung der Vertikallasten aus den Stahlbetondecken ausgelegt, sondern auch für die Einleitung der horizontalen Zwangskräfte aus dem Temperaturdifferenzen in die Stahlbetondecken - in den Konsolen als hoizontale Querkräfte. In den unter 45° angeordneten Konsolen der Gebäudeecken ergeben sich zusätzlich zu den Querkräften hohe Normalkräfte aus Temperaturdiffernzen. Das Zurückhängen der Nomalkräfte in die Geschossdecken erfolgt durch an die Konsolen angeschlossesnen Bewehrung. 

Ober- und Untergurte der Fassadenfachwerke bestehen allgemein aus warmgewalzten Quadratrohrprofieln 400 x 400 x 20. In den Knotenbereichen werden grössere Wandstärken benötigt (bis zu 30 mm), um die Knotenbeanspruchung aufnehmen zu können. Standardhohlprofile sind mit diesen Blechdicken nicht mehr standardmässig erhältlich. Aus diesem Grund und auch um die komplexe Knotengeometrie herstellen zu können, wird hier auf aus Einzelblechen geschweisste Hohlprofile zurückgegriffen. Die Stösse zu den anschliessenden gewalzten Hohlprofieln werden teilweise geschweisst oder generell verschraubt ausgeführt. Die Schrauben sind teils aussen liegend und teils im Hohlkasten versteckt. Der Zusammenbau erfolgt am Einbauort, nach dem Verschrauben im Hohlkasten wird dieser mit geschweissten Deckeln dicht verschlossen. Die Diagonalen werden als H-Profile ausgebildet. Deren Anschlüsse an die Ober- und Untergurte erfolgen durch im Knotenbereich angeschweisste Stummel, die eigentliche Diagonale wird dann mit einem geschraubten Stirnplattenstoss angeschlossen.

Zur Beurteilung des Tragverhaltens des oberen Knotens zwischen Schrägstützen, Obergurt und anschliessenden Diagonalen des Fachwerks wird aufgrund der speziellen Geometrie ein Finite-Element-Modell mit Schalenelementen in der Software SOFiSTiK heranzgezogen (Bild 8). An diesen Knoten wird die Berechnung an einem durch Handberechnungen ergänzten reinen Stabmodell als nicht ausreichend aussagekräftig beurteilt, daher kommt das Finite-Element-Modell zum Einsatz. 

Die Berechnung des Finite-Element-Modells erfolgt geometrisch und materiell nichtlinear unter Ansatz der plastischen Umlagerungsmöglichkeiten im Material. Die Auswertung wird daher dehnungsbasiert vorgenommen und die Koknstruktion derart augelegt, dass die durch die Umlagerung entstehenden Dehnungen weit unter den Grenzwerten liegen. Durch die Einleitung der Vertikallasten aus dem Fachwerkobergurt über das Knotenstück in die Schrägstütze entstehen am Stützenkopf horizontale Umlenkkräfte. diese werden über die Deckenkonsle und die an deren Ende angeschlossene Bewehrung in die Stahlbetondecke zurückgehängt. 

Einen Eindruck von der Ausführung und Montage des Stahltragwerks der Fassadenfachwerke vermittelt Bild 9. Die Einzelteile des Stahlbaus werden direkt am Einbauort montiert und zusammengeschraubt.

© Bild 6

Fassadenebene im Revit-Modell

Bild 6

© Bild 7

Statisches Teilmodell in RStab

Bild 7

© Bild 8

Finite-Element-Modell mit Schalenelementen in der Software SOFiSTiK

Bild 8

© Bild 9

Ausführung und Montage des Stahltragwerks der Fassadenfachwerke

Bild 9

5   Stützenfreiheit durch weit spannende Fachwerkträger

Das Geschoss über dem überhohen Erdgeschoss dient als Abfangebene zur Sicherstellung der Stüteznfreiheit im Erdgeschoss. In diesem sind geschosshohe Fachwerke in Gebäudelängsrichtung und Sprengwerke in Querrichtung angeordnet (im Revit-Modell in Bild 10 herausgestellt, in Bild 11 im Bauzustand gezeigt).

Die Ober- und Untergurte der Fachwerkkonstruktionen sind jeweils in der Stahlbetondecke über und unter dem Abfanggeschoss in Unterzügen einbetoniert. Die Zugkräfte in den Untergurten werden hierbei lediglich durch die Stahlprofile aufgenommen. Die Obergurte werden als liegende Verbundstützen ausgeführt, der sie umgebende Ortbetonunterzug wird für den Abtrag der Druckkräfte mit angesetzt. Zur Einleitung von Druckkräften aus den Druckbereichen der Stahlgurte in die Stahlbetonunterzüge werden dort Kopfbolzendübel an den Krafteinleitungspunkten (Knoten der Fachwerkobergurte mit Normalkraftsprüngen) angeordnet. Dadurch wir deine lokale Aktivierung des Verbunds zwischen Stahlträger und Stahlbetonquerschnitt erreicht, um die Stahlquerschnitte optimieren zu können und Teile der Druckkräfte über das Stahlbetontragwerk abzutragen. Die statische Berechnung der inneren Fachwerke erfolgt in der Software SOFiSTiK unter Ansatz des Verbunds zwischen Stahlbauteilen und Stahlbetondecke (Bild 12). Im statischen Modell werden zudem sämtliche gespriessten und ungespriessten Zustände mit und ohne Verbund mit dem Stahlbetontragwerk während der Bauzeit abgebildet und berücksichtigt. 

Di inneren Fachwerke tragen die Lasten aus den Stützen der darüberliegenden Bürogeschosse. Diese stehen auf den fachwerkknoten der Obergurte. Die SChrägstützen des Fassadenfachwerks befinden scih jeweils in Auflagernähe der inneren Fachwerke, dadurch werden die Lasten aus diesen nicht über die Fachwerke abgefangen, sondern direkt in das Stahlbetontragwerk oder in die quer verlaufenden Sprengwerke eingeleitet. Um im als Abfangebene agierenden Technikgeschoss Erschliessungswege als Durchgänge durch die inneren Fachwerke realisieren zu können, wird jeweils das mittlere Feld der Fachwerkträger als Vierendeel-Rahmen ohne Diagonale ausgebildet. Somit erhält das Stabwerk an dieser Stelle neben den für ein Fachwerk typischen Normalkräften auch Biegebeanspruchungen, die über die Rahmen aufgenommen werden müssen. Die inneren Fachwerke sind aus H-Profilen hergestellt und werden in einer in unmittelbarer Nähe zusammengeschweisst und anschliessend an einem Stück an ihren Einbauort gehoben und dort eingebaut. 

Die Auflagerung der inneren Fachwerke erfolgt entweder direkt an Stahlbetonkernen auf Stahleinlegeteilen oder indirekt über quer dazu verlaufende Sprengwerke. Auch die Sprengwerke lagern auf Stahleinlegeiteilen auf. Die Stahleinlegeteile sind jeweils stockwerkshoch und werden als komplett bewehrtes Bauteil eingebaut. Um die hohen Auflagerkräfte von bis zu ca. 9 MN zentrisch in das Stahlbetontragwerk einzuleiten, sind auf den STahleinlegeteilen Zentrierlseiten angeschweisst.

Die Sprengwerke bilden die Verbindung zwischen Stahlbetonkernen oder liegen auf Fertigteilstützen im Erdgeschoss auf und leiten die Lasten aus den FAchwerken dorthin. Teilweise sind die Sprengwerke in Stahlbetonwände integriert, wobei die dort in den Wänden liegenden Schrägstützen ebenfalls als Verbundstützen ausgebildet sind. 

© Bild 10

Achwerke in Gebäudelängsrichtung und Sprengwerke in Querrichtung

Bild 10

© Bild 11

Bauzustand

Bild 11

© Bild 12

statische Berechnung der inneren Fachwerke in der Software SOFiSTiK

Bild 12

6   Aktueller Stand der Ausführung und Ausblick

Aktuell ist der Rohbau des Gebäudes nahezu fertiggestellt. Alle Stahlbetondecken bis zur Dachdecke sind ausgeführt, die Stahlbaumontage der inneren und äusseren Fachwerke ist abgeschlossen (Bild 13). Die temporäre Spriessung sind alle entfernt, somit ist das Tragwerks vollständig aktiviert. Zurzeit laufen die Montagearbeiten für die Fassade, parallel dazu wird bereits eine von den inneren Fachwerken abgehägte Zwischenebene in Stahlbauweise mit Verbundblechdecke montiert. 

Die bezugsfertige Übergabe des Gebäudes ist zum Ende des Jahres 2021 geplant. Das zweite Gebäude soll Ende 2022 fertiggestellt sein, die ersten Arbeiten zu diesem Gebäude starten aktuell.

© Bild 13

Stahlbaumontage der inneren und äusseren Fachwerke

Bild 13

Ihr Ansprechpartner

Volker Dürr
Projektleiter Tragwerksplanung
+41 61 317 60 13 | dm9sa2VyLmR1ZXJyQGdydW5lci5jaA==

Gruner AG
St. Jakobs-Strasse 199
CH-4020 Basel

 

© 2020 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaft GmbH & Co. KG, Berlin. Stahlbau 89 (2020), Heft 7, S. 628-635