Konstruktionen von Schalentragwerken

Betonschalen sind flächige, gekrümmte Dachtragwerke, die Lasten in mehrere Richtungen übertragen. Sie ermöglichen große, stützenlose Räume und sind dabei sehr materialeffizient. Während die Spannweite bis zu 150 Meter betragen kann, weist die Schale meist eine geringe Dicke von nur einigen Zentimetern auf. Die Schalenbauweise ermöglicht eine Vielzahl geometrisch freier Formen von der Kuppel bis zu hyperbolischen Paraboloiden.

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Unterscheidung nach Geometrie und Tragverhalten

Die Schalengeometrie beeinflusst unmittelbar das Tragverhalten und die Lagerungsoptionen. Unterschieden werden insbesondere balken- und bogenartige Tragwerke und Membranschalen:

• Balken- und bogenartige Flächen: Tonnen, Kreuzgewölbe, Klostergewölbe, Tonnengewölbe, liegende Kegel, elliptische Flächen, parabolische Zylinder, Ausschnitte aus Rotations-Hyperboloiden, Torus-Ausschnitte aus einer elliptischen Fläche 
• Zug- oder druckbeanspruchte Membranschale: Kegel, Kugel, gegensinnig gekrümmte Flächen, Kugel- und Ellipsoid-Kalotten, Konoide, hautartige Schalen, freie Formen

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Balken- und bogenartige Tragwerke

Bei balken- und bogenartigen Tragwerken werden rinnenartige, langgestreckte Schalen aneinandergereiht und in Querrichtung gelagert. Bei den Auflagern sind aussteifende Querscheiben, Unterzüge oder Überzüge erforderlich, um große konzentrische Kräfte einleiten zu können. Diese wiederum lagern auf Stützen oder Wänden an der Giebelseite. Hier müssen die Endschalen ebenfalls ausgesteift werden, damit die Giebelstützen die Windlast in die Schalen ableiten können. Balkenartige Flächentragwerke lassen sich in Ortbeton fertigen, aber auch im Werk. Für eine möglichst große Stützweite werden sie in der Regel in Spannbeton erstellt.

Ein bekanntes Beispiel ist die DDR-Typenschwimmhalle Bitterfeld (Typ B), 1951 vom Hallenser Architekten Herbert Müller entwickelt. Hierbei handelt es sich um einen Skelettbau mit einer Dachkonstruktion aus vorgefertigten HP-Schalen. Aneinandergereiht ergaben die gegenläufig gekrümmten Schalen eine markante Wellenform an der Dachkante. Raumseitig sorgen stabilisierende Rippen und eine dezente Kassettierung für noch mehr Material- und Gewichtsersparnis. Bei der Volksschwimmhalle Lankow sind die Deckenelemente bis zu 24 m lang und 2 m breit – bei einer Schalendicke von nur 4,50 cm.

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Rotationsschalen

Rotationsschalen aus Beton sind häufig kugel- oder kappenförmig (Kalottenschale) oder sie setzen sich zum Beispiel aus mehreren Hyparschalen zusammen. Bei flachen Schalen verteilen sich die Lasten (Eigenlast und Schnee) vorwiegend rotationssymmetrisch. Anders ist das bei hohen Schalen, da hier Windkräfte angreifen. Die rotationssymmetrischen Lasten werden überwiegend durch Membrankräfte (Druck und Zug) und möglichst wenig über Querkräfte (Biegung) abgetragen. Häufig dient ein Ringbalken als Auflager, der die Lasten gleichmäßig auf darunterliegende Stützen oder Wände verteilt. Rotationsschalen lassen sich auf unterschiedliche Weise herstellen: mit einer pneumatischen Schalung, einer Bretterschalung auf einem Gerüst und unter Anwendung von Spritzbeton oder mithilfe einer verlorenen Schalung. 

Ein Beispiel ist der 1957 fertiggestellte Palazzetto dello Sport in Rom, entworfen von Pier Luigi Nervi. Er unterteilte das kappenartige Schalendach in 1.620 Rauten. Die aus Ferrozement (Feinkornbeton mit Drahtbewehrung) vorgefertigten Elemente wurden auf einem Gerüst verlegt, mit Zwischenräumen, in die die Anschlussbewehrung ragte. Diese Fugen wurden ausgegossen, sodass ein Netz von Rippen entstand. Anschließend wurde eine einheitliche Deckschicht aufbetoniert. Diese bildet zusammen mit den Rippen die eigentliche Tragkonstruktion. Der Horizontalschub der Kuppel wird über die Y-förmigen Stützen am Rand abgeleitet und von dort weiter in die Ringfundamente. 

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Hyperbolische Paraboloidschalen

Ein hyperbolisches Paraboloid ist eine zweifach gekrümmte Fläche: In einer Richtung ist sie nach oben gewölbt (konvex), in die andere nach unten (konkav). Oft wird kurz von Hyperschalen oder HP-Schalen gesprochen. Die Lastabtragung erfolgt in der Regel über zwei Druckbögen und Zugbänder: Erstere verlaufen entlang der konvexen Krümmung und wirken wie hängende bzw. stehende Bögen; sie leiten die Lasten als Druckkräfte zu den Auflagern. Zugbänder verlaufen entlang der konkaven Krümmung und nehmen Zugkräfte auf. Auf historischen Aufnahmen ist zu sehen, wie Ortbeton-Hyperschalen mit aufwändigen Gerüsten und Bretterschalungen, auf die dann Spritzbeton aufgetragen wird, erstellt werden. Der Architekt Herbert Müller entwickelte außerdem seriell fertigbare, balkenartige Hyparschalen für die weitspannenden Dächer von Typenschwimmbädern – kurz HP-Schalen genannt.

Die Hyparschale in Templin, entworfen von Ulrich Müther und 1972 fertiggestellt, ist eine freitragende Spannbetonkonstruktion, die ausschließlich durch die geraden Druckbalken an den Dachrändern gehalten wird. Ein unterirdisch verlegtes, etwa ein Meter breites Zugband verbindet die beiden Fußpunkte und sichert so die Konstruktion. Ähnlich ist es bei der 1973 eröffneten Alsterschwimmhalle in Hamburg, geplant von den Architekten Horst Niessen und Rolf Störmer und dem Ingenieurbüro Leonhardt, Andrä und Partner: Die spiegelgleichen, doppelt gekrümmten Betonschalen sind so aneinander gelehnt, dass sie mit nur drei Fußpunkten auskommen. Die beiden äußeren Stützenfüße verlaufen oberirdisch etwa im Winkel von 45 Grad, unterirdisch sind sie nahezu senkrecht. Ein stabilisierendes Zugband verbindet sie mit acht armdicken Stahlseilen. Auch Ulrich Müther hat seine Dachtragwerke teils aus mehreren Schalen zusammengesetzt, zum Beispiel bei der Hyparschale in Magdeburg oder dem Teepott-Restaurant in Warnemünde.

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Die Kongresshalle in Berlin (heute Haus der Kulturen der Welt), 1957 nach Entwürfen von Hugh Stubbins errichtet, verfügt über ein zur Bauzeit kontrovers diskutiertes, zweiteiliges Hängedach: Das Innendach überspannt das Auditorium und hängt mit Stahlseilen an einem räumlich gekrümmten Ringbalken, der durch Stützen und Wandscheiben getragen wird und auf zwei gegenüberliegenden Widerlagern fußt. Links und rechts davon befinden sich die beiden Randbögen des Außendachs, die mit Spanngliedern (Stahldrähten) am Ringbalken verankert sind. Die Spannglieder liegen zentrisch in der Dachdecke des Außendachs. Aufgrund von Korrosion der Spannglieder und konstruktiven Mängeln stürzte das Dach 1980 plötzlich ein und wurde bis 1987 mit einigen Modifikationen wiederhergestellt.

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