Instandsetzung: Sonnensegel in Dortmund

1969 für die Bundesgartenschau „Euroflor“ errichtet, gehört das Sonnensegel im Dortmunder Westfalenpark zu den frühen Projekten des Architekturbüros Behnisch und Partner. Die aus einem gemeinsamen Entwurf mit Herbert Kupfer und Julius Natterer von der TU München entstandene offene Holzhängeschale hat die Form eines hyperbolischen Paraboloids. Ursprünglich als temporäre Struktur konzipiert, blieb der schnittige Pavillon wegen seiner Beliebtheit Jahrzehnt um Jahrzehnt und vielfach ausgebessert stehen, bis die Stadt ihn im Jahr 2013 aufgrund akuter Einsturzgefahr durch morsches Holz und Pilzbefall sperren ließ. Obwohl erste Gutachten die Rettung des Bauwerks in Frage stellten, fand die Machbarkeitsstudie der Wüstenrot-Stiftung in Zusammenarbeit mit dem Ingenieursbüro Knippershelbig eine Lösung für die denkmalgerechte Sanierung des Sonnensegels. Ausgeführt wurde sie unter Koordination von HWR Architekten. 

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Testbau für Olympia
Der Errichtung des schnittigen Pavillons geht eine längere Geschichte voraus. Behnisch hatte den Wettbewerb für die Olympiaanlage in München 1972 gewonnen. Die Realisierbarkeit des leichten, geschwungenen Dachs aus Stahlseilen und Glas wurde jedoch in der Fachwelt kontrovers diskutiert und von verschiedenen Seiten unterschiedliche Konstruktionswerkstoffe vorgeschlagen. Auf der Suche nach dem richtigen Baumaterial für die frei geformten Überdachungen des Olympiageländes diente das Dortmunder Sonnensegel als Testobjekt für die Eignung von Holzflächentragwerken. Finanziert wurde es durch die Arbeitsgemeinschaft Holzbau als Demonstrationsobjekt für fortschrittliche Holzbauweise.

Form- und flächenaktive Strukturen sind besonders materialeffizient und werden schon seit mehr als 5.000 Jahren eingesetzt. Mit dem Beginn des 20. Jahrhunderts wurden neben gleichsinnig gekrümmten Formen auch gegensinnig gekrümmte Sattelflächen erbaut. Stahlbeton als neuer Baustoff ermöglichte weite Überspannungen mit geringer Schalendicke. In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts lag es der Holzwirtschaft daran, die Leistungsfähigkeit des Naturwerkstoffs zu beweisen und so wurde auch in Deutschland ab den 1960er-Jahren intensiv zum Holzschalenbau geforscht.

Segel aus drei Bretterlagen
Die Tragstruktur des Dortmunder Sonnensegels besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten: Hängerippen mit Dachschalung, Randglieder sowie Stützen und Abspannungen. Die Hängerippen und die Schalung spannen eine Fläche auf, welche die auftretenden Lasten über die zwei Hauptrichtungen – die direkte Verbindung zwischen den beiden Hoch- und Tiefpunkten – abträgt. Deren Geometrie stellt sich als Kettenlinie ein, welche in den Randgliedern verankert werden. Die Randglieder sind an den Tiefpunkten in den Fundamenten verankert und werden an den Hochpunkten von den Stützen und Abspannseilen getragen.

Um das Ausbeulen der dünnen Schale zu verhindern, wurde die Konstruktion soweit vorgespannt, dass unter allen maßgebenden Lastfällen keine oder nur sehr geringe Druckkräfte auftreten. Zwischen den geschwungenen Holzrändern, die wie ein biegesteifes hölzernes Seil funktionieren spannen Holzrippen aus Brettschichtholz im regelmäßigen Abstand von 1.5 Metern. Für die Dachschalen haben Behnisch und Partner drei jeweils um 45 Grad versetzte Bretterlagen aus Nadelholz miteinander vernagelt. Die zwei Hauptstützen des Daches sind nach innen geneigt und gegenläufig angevoutet mit kreuzförmigen Querschnitten. Sie werden durch zwei Zugglieder rückverspannt.

Neues Baumaterial für historische Formgebung

Nach vier Jahrzehnten und damit einer weit höheren Lebensdauer als ursprünglich gedacht, waren insbesondere die Stützen aufgrund der ständigen Bewitterung geschädigt. Eine Stahlverstärkung musste eingesetzt werden, um die statische Funktion der Holzstütze zu ergänzen, bevor 2013 die endgültige Sperrung folgte.Vor dem sanierenden Eingriff glich das Sonnensegel aufgrund der wiederholenden Teilausbesserungen einem Flickenteppich. Mehrere Gutachten der letzten Jahre haben holzzerstörende Pilze, Korrosionsschäden an den Spannseilen und starke Fäulnisschäden festgestellt. Trotzdem wurde die Sanierung der Gesamtkonstruktion als realistisch eingestuft.

Das Sanierungskonzept von Knippershelbig strebte einen respektvollen Umgang mit der Struktur an, wobei das Tragwerk als Bestandssubstanz möglichst unverändert blieb. Geschädigte Elemente wurden wann immer möglich erhalten und ertüchtigt. Die Gesamterneuerung der Stützen war jedoch unumgänglich. Aufgrund der dauerhaften Bewitterung mussten die Tragwerksplaner einen Holzwerkstoff finden, der eine hohe Resistenz gegen Feuchteschäden aufweist. Mit dem neuartigen, chemisch behandelten Nadelholz namens Accoya haben sie eine Möglichkeit gefunden, die Entwurfsidee der 1960er-Jahre ins Jetzt überführen zu können. Durch den Prozess der Acetylierung wird dem Kiefernholz das natureigene Lignin entzogen und durch Essigsäureanhydrid ersetzt. Diese Maßnahme verhindert den Transport von Feuchtigkeit ins Holzinnere und unterbindet dadurch schädigenden Pilzbefall. Auch die Seilstränge mussten aufgrund von Korrosion vollständig ausgetauscht werden.

Endlos von Tiefpunkt zu Tiefpunkt
Die Dachschalung ist ein wichtiger Teil der primären Tragkonstruktion des Sonnensegels. Dabei übernimmt die unterste Lage die Übertragung von Membranzugkräften. Die kreuzweise verlaufende zweite und dritte Schalungslage wird nicht für das primäre Tragsystem herangezogen, verleiht jedoch den Hängeträgern die erforderliche Tragfähigkeit, da diese im Verbund als Plattenbalken bemessen wurden. Die Schalungsbretter verlaufen deshalb als Endloslamelle von Tiefpunkt zu Tiefpunkt. Im historischen Bauwerk wurden sie vor Ort mittels Keilverzinkungen verbunden. Eine solche Arbeit vor Ort ist sehr aufwändig und wird heutzutage nur noch von wenigen Firmen ausgeführt.

Nach mehreren Abklärungen und Tests für den Einsatz von neuartigen, verstärkend wirkenden Baumaterialien wie Kohlefaserlamellen entschieden sich die Ingenieure von knippershelbig für einen rein mechanischen Lamellenstoß mit Stahlplatten und Gewindeschrauben. Da das Sonnensegel über keinen ausreichenden konstruktiven Holzschutz im Bereich der Randträger verfügte, mussten die pilzbefallenen Bereiche in den Rand- und Hängeträgern durch lokalen Austausch des geschädigten Holzes saniert werden. Der Anschluss an die historische Holzkubatur geschah mittels sogenannter Schäftung, wobei ein Steigungsverhältnis von 10 Prozent am Anschnitt nötig ist. Danach wird der auszutauschende Bereich lageweise mit neuen Holzlamellen aufgefüllt und schraubpressverleimt.

Historisches Gerüst als Vorbild
Ein wichtiges Element, um die Instandsetzung umsetzen zu können, war das Gerüst. In Zusammenarbeit mit dem Büro Tomshöfer entwickelte Knippershelbig ein Unterrüstungskonzept. In Anlehnung an die historischen Montageunterstützungen musste man lediglich die Randträger in Abständen von vier bis fünf Metern mit Schwerlaststützen abstützen. Für die Sanierungsarbeiten an der Unterseite ließ das Ingenieursbüro zusätzlich ein Arbeitsraumgerüst installieren. Nachdem die statische Sicherung der Randglieder erfolgt war, konnte die Vorspannung in den Abspannseilen kontinuierlich zurückgefahren werden, um anschließend die Seile und die nachträglich hinzugefügten Zugstangen auszubauen. Der historische Aufbauprozess wurde dabei umgekehrt.

Nun konnte auch der vollständige Rückbau der Dachabdichtungsbahnen erfolgen. An den beiden Tiefpunkten fanden die Tragwerksplaner jedoch größere Schäden als erwartet. Aufgrund der nur für eine temporäre Standzeit bestimmten Entwässerungsführung konnte das Oberflächenwasser nicht ausreichend abfließen und drang in die tragende Konstruktion ein. In der zum Teil dauerhaft durchnässten Holzkonstruktion bildete sich starker Pilz- und Schädlingsbefall. Der tragende Randträgerquerschnitt und die sich darüber befindende Schalung waren zum Teil vollständig verrottet. Neben teilweisen Abschnitten der Randträger musste die zweite und dritte Lage der Schalung vollständig ersetzt werden. Die unterste Schalung wechselten die Ingenieure nur in den Bereichen nahe den Tiefpunkten aus.

Besonders beeindruckend ist nicht nur das komplexe Sanierungskonzept von Knippershelbig, sondern auch die 500-seitige hand- und schreibmaschinengeschriebene Originalstatik des Ingenieurbüros Scholz. Die historischen Ergebnisse zeigten nur geringe Abweichungen von denen der Festigkeits- und Verformungsuntersuchung nach der modernen Finite-Element-Methode (FEM) und demonstrieren eindrücklich den damaligen hohen Wissensstand im Bereich der Schalentheorie. -sh

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