Geschichte der Olympiabauten
Das Dach der Münchner Olympiabauten ist seit 36 Jahren ein eindrucksvolles Zeugnis der Anfänge moderner Leichtbauarchitektur. Mit der Gesamtplanung war die Planungsgruppe Olympia mit den Architekten Behnisch + Partner und Frei Otto sowie den Ingenieuren Leonhardt + Andrä betraut. Unter der Leitung von Jörg Schlaich entwickelten sich aus den Olympiabauten eine große Bandbreite an Seilkonstruktionen in der Architektur und weitreichende Forschungsvorhaben im Bereich des Seilbaus. Das Dach setzt sich aus mehreren Teilen zusammen: den Dächern des Stadions, der Sporthalle und der Schwimmhalle. Architektonisch wirkt das Olympiadach aus der Fußgängerperspektive jedoch als eine zusammenhängende Dachlandschaft, da die Hauptnutzungen über Verbindungsdächer aneinander gekoppelt sind (Abb. A). Bei der Errichtung wurde für die damals neu entwickelte Acrylglasdeckung eine Haltbarkeit von ca. zwölf Jahren veranschlagt. Der Austausch der kompletten Dachfläche von 80 000 m2 war jedoch erst 1997 erforderlich und dauerte zwei Jahre. Die Dächer der Sport- und Schwimmhalle fungieren im Gegensatz zum Stadion zusätzlich als thermischer Raumabschluss und sind den besonderen Anforderungen entsprechend um gedämmte abgehängte Membrandecken ergänzt.
Geschichte der Schwimmhalle
Nach Fertigstellung der Schwimmhalle im Jahre 1972 bot sich dem Besucher eine lichtdurchflutete Halle mit einer transluzenten Decke. Die Unterdecke aus PVC-beschichtetem Polyestergewebe war von dem außenliegenden Seilnetz abgehängt. Auf der Membran waren – von unten nach oben betrachtet – eine Dampfsperre, eine transparente Wärmedämmung aus ca. 14 cm gekreuzten Lagen plissierter PVC-Folie sowie eine Abdichtung aus PVC-beschichtetem Polyestergewebe angebracht, um die bauphysikalischen Anforderungen des Innenraums zu erfüllen. Durch solare Aufheizung entwickelten sich zwischen der abgehängten Membrandecke und der äußeren Schicht aus Acrylglasplatten jedoch unvorhergesehene Temperaturen von bis zu 100 °C, denen der gewählte Dämmstoff nicht standhielt: Schon zur Eröffnung zeigten sich erste dunkle Stellen, die auf verschmortes Dämmmaterial hinwiesen. Da sich die Zerstörung des Dämmstoffs schnell fortsetzte, wurde 1974 eine Sanierung des Dachaufbaus entschieden und umgesetzt. Auf Kosten der ursprünglich angestrebten Transluzenz des Dachs wurde auf den vorhandenen mehrschichtigen Membranaufbau eine zusätzliche Wärmedämmung in Form von ca. 8 cm dicken Mineralwolleplatten sowie eine weitere Abdeckplane aus PVC-beschichtetem Polyestergewebe aufgelegt. Nachdem durch Alterung und äußere Einflüsse – insbesondere Feuchtigkeit und chloridhaltige Atmosphäre – die Tragfähigkeit der Membran erschöpft war, wurden im Jahr 2003 das Ingenieurbüro Schlaich Bergermann und Partner aus Stuttgart sowie die Architekten Auer + Weber, München, mit der Planung für die Erneuerung der abgehängten Decke und der Beleuchterstege beauftragt.
Ursprüngliche Konstruktion der Decke
Die ca. 8250 m2 große Membranfläche der abgehängten Decke wurde ursprünglich aus 17 einzelnen Elementen von ca. 80 m2 bis 950 m2 zusammengesetzt, die mit Schnurstößen untereinander verbunden waren. Die Abhängung vom Seilnetz erfolgte über 218 »Kleeblätter« aus je vier hochfesten Federstahl-Rundstäben mit 1,20 m Gesamtdurchmesser (Abb. B, C). Einer der zwei Hochpunkte wird von einem innenliegendem Mast gestützt, der andere von einem außenliegenden Pylon abgehängt. An den Hochpunkten wurde die Membran über Schnurstöße an Ringträger aus Stahlrohren mit 5 m bzw. 4 m Durchmesser angeschlossen. Der Anschluss der zwei trichterförmigen Tiefpunkte an die Fassadenkonstruktion erfolgte ebenfalls über Schnurstöße. Für den umlaufenden Randanschluss wurde die Membran im Abstand von ca. 1,50 m über Abspannseile im Seilnetz rückverankert. Für die Beleuchtung der Halle waren in ca. 16 m Höhe über den Schwimmbecken sieben in Querrichtung angeordnete ca. 24 m lange Beleuchterstege sowie ein verbindender Längssteg mit ca. 90 m Länge durch mehr als 100 Abhängungen direkt vom Seilnetz abgehängt. Dabei stellten die zahlreichen Durchdringungen besondere bauphysikalische Schwachstellen dar. Der Anschluss an die umlaufende selbsttragende Glasfassade musste die großen vertikalen Verformungen des Seilnetzes respektive der Unterdecke von bis zu 1,50 m aufnehmen. An die Membran wurde daher eine Acrylglas-»Schürze« angehängt, die innenseitig der Fassade vertikal verschieblich geführt wurde (Abb. C).
Die neue abgehängte Decke
Die neue abgehängte Decke sollte in ihrer Wirkung der ursprünglichen Konstruktion nachempfunden werden. Das Ziel, die ursprüngliche Transluzenz bestmöglich wiederherzustellen, wurde ergänzt um die Reduzierung der erforderlichen Abhängungen. Damit sollte zum einen den verbesserten Eigenschaften neuer Membranmaterialien Rechnung getragen werden, zum anderen sollten die bauphysikalischen Probleme der Durchdringungen und die Wärmeverluste minimiert werden. Die Anforderungen an die Ausleuchtung bei Alltagsbetrieb sind geringer als für die TV-Übertragungen bei den Olympischen Spielen. Die Konstruktion der Beleuchterstege sollte daher an die niedrigeren Lasten angepasst werden, um die Anzahl der notwendigen Durchdringungen zu reduzieren.
Entwurf
Der Entwurf für die neue abgehängte Decke thematisiert im Zuschnitt die unterschiedliche Krümmung der einzelnen Bereiche: um die Extreme der Hoch- und Tiefpunkte verläuft der Zuschnitt radial, in den eher flachen Zwischenbereichen sind die Bahnen parallel in Querrichtung der Schwimmhalle angeordnet (Abb. D). Die größten Anstrengungen galten jedoch der Bewältigung der konstruktiven und bauphysikalischen Anforderungen des Dachaufbaus. Dabei waren insbesondere die Anforderungen an den Dämmstoff vielfältig: Dampfdichtigkeit, Temperaturbeständigkeit, Transluzenz, Flexibilität und Begehbarkeit waren gefordert. Bei der Recherche wurde jedoch bedauerlicherweise festgestellt, dass der Markt für diese kombinierten Anforderungen offensichtlich noch keine verlässliche Lösung bereitstellt. Der ausgeführte Dachaufbau – von unten nach oben betrachtet – gestaltet sich wie folgt: tragende Membran aus PVC-beschichtetem Polyestergewebe, 7 cm Dämmstoff aus Polyestervlies, Abdichtung aus transparenter ETFE-Folie. An Stelle einer unteren auf der tragenden Membran angeordneten Dampfsperre kam auf Vorschlag der ausführenden Firma ein adaptives Lüftungssystem für die Dämmung zum Einsatz. Die messbare Transluzenz des gesamten Dachaufbaus von ca. 1,5 % stellt unter den genannten Randbedingungen die bestmögliche Lösung dar (Abb. E).
Der neue Beleuchtersteg wurde bezüglich seiner geometrischen Abmessungen und seiner Kapazität an die aktuellen Anforderungen angepasst. Um die Aufstiege zu den Ventilatoren in den Hochpunkten weiterhin nutzen zu können, verläuft er in gleicher Höhe und Lage wie der Längssteg der alten Konstruktion: vom Aufstieg am Mast ca. 90 m parallel zu den Schwimmbecken (Abb. E, Q). Zum versetzten Aufstieg, der zum zweiten Hochpunkt führt, wird ein Quersteg angeordnet (Abb. H, S). Der pneumatische Fassadenabschluss wurde, analog der benachbarten bereits sanierten Sporthalle, aus einem luftgefüllten transparenten ETFE-Schlauch mit veränderlicher Höhe hergestellt. Die Bauhöhe ergab sich dabei aus dem lokalen Abstand der Membranebene zur Fassade sowie den lokalen Verformungen des Seilnetzes (Abb. N).
Anforderungen an den Dachaufbau
Wie oben beschrieben waren die Anforderungen an den Dachaufbau vielfältig und sowohl architektonisch, bauphysikalisch als auch funktional definiert: So sollte der gesamte Dachaufbau möglichst transparent ausgeführt werden. Die Halle sollte sich, der ursprünglichen architektonischen Intention folgend, dem Besucher lichtdurchflutet und transparent öffnen. Aus bauphysikalischer Sicht galt es zunächst, den Innenraum der Schwimmhalle ausreichend zu dämmen. Zur Vermeidung von Tauwasseranfall musste die untere Lage dampfdicht, die obere Abdichtung dagegen möglichst diffusionsoffen ausgeführt werden. Neben der erforderlichen UV-Beständigkeit galt es zusätzlich noch, sowohl die im Dachzwischenraum auftretenden Temperaturen von bis zu 100 °C schadlos zu überstehen als auch als Gesamtpaket die Brandklasse B1 – nicht brennend abtropfend – einzuhalten. Funktionale Anforderungen ergaben sich aus Geometrie, Montage und Wartung der Dachkonstruktion: Der Dämmstoff musste sich flexibel der zweiachsigen Krümmung des Dachs anpassen lassen. Die Materialien der einzelnen Schichten mussten innerhalb des zum Teil sehr niedrigen Dachzwischenraums eine einfache und schnelle Montage ermöglichen, was insbesondere die Anforderungen an die Schweißbarkeit der aufgelegten Folien definierte. Zuletzt musste das Gesamtpaket ohne bleibende Beschädigungen während der Montage und zu Wartungszwecken im Rahmen der Standzeit des Dachs begehbar sein.
Tragmembran: Glasfaser oder Polyester?
Für die tragende Membran des Aufbaus der abgehängten Decke wurden PTFE-beschichtetes Glasfasergewebe sowie PVC-beschichtetes Polyestergewebe in Betracht gezogen. PTFE / Glas stellte die visuell und haptisch höherwertige Variante dar. Ebenso ist das Anschmutzverhalten gegenüber der PVC / PES-Lösung positiv zu bewerten. Gegen den Einsatz von PTFE / Glas sprach jedoch die höhere Anfälligkeit gegenüber mechanischen Beschädigungen insbesondere während der Montage, sowie das materialgebundene Nachbleichen der Membrane unter UV-Einstrahlung. Durch die unterschiedliche Orientierung der Dachfläche und der damit verbundenen variablen Strahlungsintensität wäre die abgehängte Decke ungleichmäßig und visuell unbefriedigend ausgebleicht. Da die Möglichkeit einer künstlichen Bleichung vor dem Einbau mit Festigkeitsverlusten des Gewebes bis zu 30 % einhergeht, wurde die Variante PTFE /Glas verworfen. Die ausgeführte Lösung aus PVC / PES trägt, da sie nicht ausbleicht, den Anforderungen eines einheitlichen Erscheinungsbilds Rechnung. Zusätzlich wurde die Montage in den Wintermonaten Januar und Februar durch die verhältnismäßige Gutmütigkeit des Materials gegenüber Montagebeanspruchungen wie Knicken oder Falten nicht zusätzlich erschwert.
Lüftungssystem statt Dampfsperre
Aus den genannten Anforderungen an Transparenz und Schweißbarkeit sollte auf die tragende Membran eine Dampfbremse aus Polyethylen (PE-Folie) vollflächig aufgelegt werden. Eine alternative Ausführung der Dampfsperre aus ETFE- oder PTFE-Folie kam insbesondere aus Kostengründen nicht in Frage. Außerdem ist PTFE-Folie nur sehr aufwändig verschweißbar. Die zeitweilig favorisierte Variante, die Aufgabe der Dampfsperre durch entsprechende Beschichtung der tragenden Membran zuzuweisen, scheiterte an der fehlenden Verfügbarkeit geeigneter Produkte. Die ausgeführte Lösung verzichtet auf Vorschlag der ausführenden Firma gänzlich auf eine untere Dampfsperre. Stattdessen wurde ein aktives Lüftungssystem zur Entfeuchtung des Dämmstoffs eingebaut, das, durch Feuchtefühler gesteuert, adaptiv auf Wasseranfall im Dämmstoff reagiert.
Transluzente Dämmung: Waben oder Vlies?
Als alternativer Dämmstoff wurde insbesondere ein transparenter Wabendämmstoff aus Zellulose-Acetat mit stehenden Waben untersucht. Dem Vorteil der hohen Transparenz standen jedoch zahlreiche Nachteile gegenüber:
• Die Anordnung stehender Waben bringt eine der benötigten Flexibilität widersprechende relativ hohe Steifigkeit mit sich, die die ordentliche Ausführung insbesondere in stark zweiachsig gekrümmten Bereichen bedeutend erschwert hätte.
• Der Dämmstoff ist nicht zerstörungsfrei begehbar. Lokale Lastkonzentrationen stauchen die Wabenstruktur, sodass zusätzliche lastverteilende Maßnahmen wie Matten o.erforderlich gewesen wären.
• Der Werkstoff ist nicht wasserbeständig. Zur Realisierung hätte der Dämmstoff in wasserdampfdichte Kissen eingeschweißt werden müssen, deren Herstellung und Anpassung an die Anschlussdetails einen erheblichen zusätzlichen Aufwand dargestellt hätten.
Wegen dieser Nachteile wurde schließlich ein Dämmstoff aus imprägniertem Polyestervlies gewählt, der die unten genannten Anforderungen erfüllt, leider jedoch etwas zu Lasten der Transluzenz:
• hitzebeständig bis über 100 °C
• keine Wasseraufnahme durch imprägnierte Fasern
• flexibel, daher keine Probleme bei der Eindeckung stark zweiachsig gekrümmter Bereiche
• elastisch und daher unempfindlich gegenüber konzentrierten (temporären) Lasten
Abdichtung: ETFE oder PTFE?
Durch die bereits für die Dampfsperre genannten funktionalen Anforderungen sowie die erforderliche Hitzebeständigkeit und der geringe Wasserdampfdiffusionswiderstand kamen als Abdichtung ETFE-Folie oder PTFE-Folie in Frage. Letztere schied jedoch insbesondere wegen der aufwändigen Schweißung aus.
Konstruktion Membrantragwerk der Decke
Die Membran der parallel zugeschnittenen Regelbereiche besteht aus PVC-beschichtetem Polyestergewebe TYP II mit einer Bruchfestigkeit von 84 kN/m in Kettrichtung, die Membran der Radialbereiche aus PVC-beschichtetem Polyestergewebe TYP IV mit einer Bruchfestigkeit von 150 kN/m in Kettrichtung. Entgegen der ursprünglichen Ausführung mit zahlreichen Schnurstößen wird die Membran aus zwei großen Teilen zusammengesetzt, die durch einen Klemmplattenstoß miteinander verschraubt sind.
Der umlaufende Randanschluss erfolgt, wie in der ursprünglichen Lösung, kontinuierlich über 1,50 m lange Rundstäbe in Membrantaschen, die mit offenen Spiralseilen Ø 10 mm im Seilnetz rückverankert werden (Abb. M). Die definierte Vorspannung der Membran wird durch Spannen der Rückverankerungen mit Spannschlössern aufgebracht. Der gleichmäßige Abstand zum Seilnetz wird mit Spreizen aus Rundstäben gewährleistet, die über Traversen auf dem Seilnetz abgestützt sind. An den Hochpunkten ist die Membran über Aluminiumklemmplatten an Stahlringe Ø 273 mm mit 5 m bzw. 4 m Durchmesser angeschlossen. Die Ringträger sind mit offenen Spiralseilen Ø 22 mm von den Gratseilen der Dachkonstruktion abgehängt. Die horizontale Stabilisierung erfolgt über geneigte Abspannseile sowie die umlaufende Membran (Abb. Q).
Der Anschluss in den Tiefpunkten wird ebenfalls über Aluminiumklemmplatten an die Fassadenkonstruktion der zwei Tiefpunkte mit 5 bzw. 7 m Durchmesser ausgeführt. Die Lasten werden in bestehenden Schwerlastfundamenten bzw. in der Stahlbetonkonstruktion der Tribünen verankert (Abb. G–K).
Die Ausführung der »Kleeblätter« orientiert sich stark an der Bestandskonstruktion: Zur Vermeidung von Spannungsspitzen in der Membran müssen die Abhängungen möglichst flexibel ausgeführt werden. Um die erforderliche Elastizität mit der zugehörigen Festigkeit zu gewährleisten, wird Federstahl als Rundstahl Ø 25 mm eingesetzt. Die Kleeblätter sind mit offenen Spiralseilen Ø 10 mm über Traversen vom Seilnetz abgehängt. Durch Verkehrslasten verformen sich die Kleeblätter bei einem Durchmesser von 1,30 m um ca. 50 mm (Abb. O). Die konstruktiven Anforderungen an die Durchdringungen der Abhängungen der Beleuchterstege sind vielfältig: Das Detail muss zunächst einen dichten Raumabschluss zwischen Innenraum und Dachzwischenraum gewährleisten. Zusätzlich müssen Differenzverformungen bis zu 1 m zwischen Seilnetz und Membran sowie baupraktische Toleranzen aufgenommen werden können. Der Anschluss erfolgt mit einer flexiblen Tülle aus Membranmaterial, die über einen Klemmring mit der Membran verbunden ist. Die Differenzverformungen zur Abhängung werden über ein passgenaues, verschiebliches PVC-Rohr ermöglicht (Abb. F, P).
Die transluzente Wärmedämmung aus Polyestervlies wird durch auf die Membran aufgeschweißte Stege aus Membranmaterial in einzelne, für die Belüftung separat ansteuerbare Kammern getrennt. Auf den Stegen ist die Abdichtung aus ETFE-Folie über Aluminiumklemmprofile befestigt und damit gegen Sogkräfte gesichert. In den geneigten Bereichen dienen die Stege zusätzlich zur Lagesicherung.
Konstruktion Beleuchtersteg
Die Stahlkonstruktion der Beleuchterstege besteht aus beidseitigen Längsträgern IPE 220, die durch Querträger IPE 100 und Geländerpfosten aus T 50-Profilen zu einem Trogquerschnitt ergänzt werden. An den Längsträgern sind außenseitig Laschen zum Anschluss der Beleuchtungselemente angeordnet. Die einzelnen ca. 11,25 m langen Segmente sind als Einfeldträger gelenkig verbunden und an diesen Verbindungen durch offene Spiralseile Ø 10 mm vom tragenden Seilnetz abgehängt. Der Anschluss an das Seilnetz erfolgt wie bei den Kleeblättern über Traversen. Sämtliche im Innenraum eingesetzten Stähle wurden für die Korrosivitätskategorie C5 ausgelegt, alle Edelstähle sind gemäß Zulassung für chloridhaltige Atmosphären geeignet.
Demontage der Bestandskonstruktion
Zunächst wurde der Dachaufbau auf der tragenden Membran oberseitig entfernt. Da der Betrieb der Schwimmhalle während der gesamten Bauphase erhalten bleiben musste, wurde das Fünfzig-Meter-Schwimmbecken im Anschluss durch eine temporäre begehbare Konstruktion vollständig eingehaust. Diese durch Trapezblech eingedeckte Einhausung diente ebenso als Montageplattform für die Membran und die Beleuchterstege. Das Sprungturmbecken wurde entwässert und durch Traggerüste bis zum Hallenboden verbaut. Danach konnte die bestehende Stahlkonstruktion der Beleuchterstege kontrolliert abgelassen und anschließend die Kleeblätter sowie die tragende Membran großformatig demontiert werden. Zuletzt folgte die Demontage des Fassadenabschlusses und der Randabspannungen. Anschließend wurde der neue Dachaufbau aus Membran, Dämmung und Abdichtung sowie das aktive Belüftungssystem installiert. Nach Fertigstellung der abgehängten Decke wurde der ca. 400 m lange pneumatische Fassadenabschluss hergestellt.
Einbau der Beleuchterstege
Die neuen Beleuchterstege wurden nach Einbau der Membran in horizontaler Solllage auf der Montageplattform ausgelegt. Nach Einbau der Abhängungen und Abdichten der Durchdringungen wurden die einzelnen Segmente vertikal hochgezogen und in endgültiger Position untereinander und mit den angepassten Aufgängen verbunden. Der Anschluss in Längs- und Querrichtung erfolgte am Mast.
Zusammenfassung und Ausblick
Die Planung und Ausführung der Erneuerung der abgehängten Decke der Olympiaschwimmhalle in München erfolgte von Juni 2003 bis April 2006. Nach Umbau der Eingangs- und Kassenbereiche wurde die Schwimmhalle im Februar 2007 vollständig eröffnet. Die Decke erscheint mit der neuen Dachkonstruktion lichtdurchflutet, an Sonnentagen zeichnet sich die Primärstruktur des Seilnetzes als Schattenwurf auf die Membran (Abb. S). Der durchsichtige Fassadenabschluss trägt zusätzlich zur Leichtigkeit des scheinbar schwebenden Dachs bei. Bleibt zu hoffen, dass den Besuchern die Besonderheit des Orts als Zeugnis der Anfänge moderner, immer noch aktueller Leichtbauarchitektur bewusst wird.
