PalaisQuartier Frankfurt: Zeilforum

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Sonderdruck aus:
Stahlbau 77 (2008), Heft 10, Seite 696 − 707
PalaisQuartier Frankfurt
Zeilforum − Planung und Ausführung
der architektonischen Gebäudehülle
Autoren:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Richard Stroetmann
Geschäftsführender Gesellschafter, Krebs und Kiefer
Beratende Ingenieure für das Bauwesen GmbH
Dipl.-Ing. Dieter Hanek
Geschaftsführender Gesellschafter, Krebs und Kiefer
Beratende Ingenieure für das Bauwesen GmbH
Dipl.-Ing. Roger Istel
Krebs und Kiefer Beratende Ingenieure für das Bauwesen GmbH
Überreicht durch:
Beratende Ingenieure für das Bauwesen GmbH
BERLIN • DARMSTADT • DRESDEN • ERFURT • FREIBURG • KARLSRUHE • KOBLENZ • LEIPZIG
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Fachthemen
DOI: 10.1002/stab.200810083
Richard Stroetmann
Roger Istel
Dieter Hanek
PalaisQuartier Frankfurt:
Zeilforum – Planung und Ausführung
der architektonischen Gebäudehülle
In Frankfurt wird zur Zeit in zentraler Innenstadtlage das PalaisQuartier errichtet, ein Gebäudekomplex mit vielfältiger Nutzung.
Wesentlicher Bestandteil ist das Zeilforum mit rund 78000 m2 BGF,
das durch seine avantgardistische Architektur Akzente setzt. Im
Kontext des städtebaulichen Wettbewerbs und der Einbindung in
das Gesamtprojekt wird im folgenden Beitrag die Planung und
Ausführung des rund 13500 m2 großen Freiformdachs und der
Sonderfassaden beschrieben. Dabei wird auf Besonderheiten
des Tragwerksentwurfs und der statischen Berechnung, die bauliche Umsetzung und Qualitätssicherung eingegangen.
PalaisQuartier Frankfurt: Zeilforum – planning and execution of
the architectural building shell. Presently in the city centre of
Frankfurt there is being built the PalaisQuarter – a complex of
buildings for manifold use. An essential part of it is the ‘Zeilforum’
with round about 78000 m2 of gross storey area that sets standards by its vanguard architecture. In view of the urban architecture competition and the overall project the present article describes the planning and execution of the large free formed roof
having a size of about 13500 m2 as well as the special façades.
Particular attention is paid to the specific features of the structural
design and calculations, building execution and quality assurance.
ter Rundschaugelände zu beplanen. Im Kürentwurf sollte
ein authentischer Wiederaufbau des Palais und dessen
Einbindung in das Gesamtkonzept geplant werden.
In diesem Gutachterverfahren konnten sich schließlich KSP Engel und Zimmermann (Frankfurt) mit ihrem
Entwurf für das Gebäudeensemble gegen die Mitbewerber
Mario Bellini (Mailand), Coop Himmelb(l)au (Wien),
Christoph Langhof (Berlin), Christian de Portzamparc
(Paris), Massimiliano Fuksas (Rom) und Richard Rogers
(London) durchsetzen. Das zwölfköpfige Beurteilungsgremium empfahl diesen im Oktober 2002 einstimmig als
1 Einführung
1.1 Architektenwettbewerb
Im Juni 2002 wurden im Rahmen eines geladenen Gutachterverfahrens aus mehr als dreihundert Bewerbern sieben international renommierte Architekturbüros ausgewählt und mit der Entwicklung eines Bebauungskonzeptes für das ehemalige Telekomgelände in Frankfurt am
Main beauftragt. Das Grundstück in exponierter Innenstadtlage grenzt an die Zeil an, eine der drei umsatzstärksten Einkaufsstraßen Deutschlands. Bereits in den fünfziger Jahren war die Bebauung des Geländes mit dem Fernmeldezentrum der damaligen Deutschen Bundespost die
größte innerstädtische Baumaßnahme Frankfurts.
Auf Grundlage der in einem städtebaulichen Vertrag
definierten Rahmenbedingungen und den Überlegungen
des Bauherren sollten die Architekten in einem Pflichtund einem Kürentwurf ein Planungskonzept für ein multifunktionales Stadtquartier erstellen, das damals noch unter der Bezeichnung ‚Zeil Projekt’ firmierte. Im Rahmen
des Pflichtentwurfes waren die städtebauliche Anbindung
an die benachbarten Gebäude des Kaufhofs und die Zeilgalerie zu prüfen, die denkmalgeschützten Reste des
Thurn-und-Taxis-Palais zu integrieren und das Frankfur-
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Bild 1. PalaisQuartier Frankfurt – Städtebaulicher Entwurf
der Architekten KSP Engel und Zimmermann, Frankfurt
Fig. 1. PalaisQuartier Frankfurt – Urban design concept of
KSP Engel und Zimmermann Architects, Frankfurt
Bild 2. Zeilforum – Entwurf M Fuksas Arch
Fig. 2. Zeilforum – Design M Fuksas Arch
© Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Stahlbau 77 (2008), Heft 10
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städtebauliche Grundlage (Bild 1). Da Massimiliano
Fuksas mit seinem avantgardistischen Entwurf des Einzelhandelsgebäudes überzeugen konnte, wurde sein Büro
mit der Planung des Zeilforums beauftragt (Bild 2).
1.2 Wettbewerb zur Tragwerksplanung
Im Nachgang zum Architektenwettbewerb erfolgte die
Auswahl der Fachplaner. Bei der Tragwerksplanung wurden mehrere Ingenieurbüros eingeladen, die über ein breites Erfahrungsspektrum und eine hohe Leistungsfähigkeit
verfügten. Gesucht wurde ein Tragwerksplaner, der die
vielfältigen Aufgaben von der Planung eines sechsgeschossigen Kellerkastens in Deckelbauweise über die Planung
von zwei Hochhäusern bis hin zur Bearbeitung eines Multifunktionsgebäudes an der Zeil mit einem großen Freiformdach zuverlässig aus einer Hand bewältigen konnte,
um weitere Schnittstellen zu vermeiden.
Letztlich konnte sich die Arbeitsgemeinschaft Krebs
und Kiefer mit Weischede, Herrmann und Partner in einem
konzeptionellen Ideenwettbewerb behaupten. Sie wurde
mit der Bearbeitung der Tragwerksplanung für das gesamte Projekt beauftragt.
1.3 Übersicht über die Gesamtbaumaßnahme
Zwei Hochhäuser, drei Plätze, ein Multifunktionsgebäude
und der Wiederaufbau des historischen Thurn-und-TaxisPalais kennzeichnen das PalaisQuartier, das derzeit auf
dem ehemaligen Telekomgelände zwischen der Zeil und
der Großen Eschenheimer Straße entsteht. Auf dem
17400 m2 großen Grundstück werden ab dem kommenden Jahr insgesamt 226000 m2 Bruttogeschossfläche für
Einzelhandel und Büronutzung, Gastronomie- und Hotelflächen, Sport und Entertainment sowie Parkraum und
Technikflächen zur Verfügung stehen. Der Gebäudekomplex besteht aus vier getrennten Gebäudeteilen A bis D,
die auf einem gemeinsamen Kellerkasten stehen (Bild 3).
In vier der sechs Untergeschosse befindet sich die Tiefgarage mit 1390 Stellplätzen.
Bild 4. Animation des PalaisQuartiers Frankfurt – Blick
von der Großen Eschenheimer Straße
Fig. 4. Animation of PalaisQuartier Frankfurt – view from
Große Eschenheimer Straße
a)
b)
Bild 3. PalaisQuartier Frankfurt – Grundriss mit Gebäudebezeichnungen
Fig. 3. PalaisQuartier Frankfurt – plan view with names of
buildings
Bild 5. Gebäudemodell vom Zeilforum – a) Perspektive von
Süden, b) Haupteingang an der Zeil mit Expressway
Fig. 5. Building model of Zeilforum – a) perspective view
from south, b) main entrance at the Zeil with express way
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Als Gebäude A wird die Rekonstruktion des Thurnund-Taxis-Palais bezeichnet, von dem nur noch ein Torbogen vorhanden ist (Bilder 3 und 4). Hier stehen künftig für
Einzelhandel, Büro, Gastronomie und kulturelle Veranstaltungen Flächen von insgesamt 11000 m2 zur Verfügung. Unter dem Innenhof befindet sich ein zweigeschossiger Veranstaltungssaal für etwa 1000 Personen, der von
Stahlverbundträgern stützenfrei überspannt wird.
Das 136 m hohe Bürohochhaus am Thurn-und-TaxisPlatz (Gebäude B) weist 47650 m2 BGF auf 34 Stockwerken auf. Der Baukörper gliedert sich in zwei rechteckige
Türme und zwei quadratische ca. 95 m hohe Grundkörper, die über eine gemeinsame Kerngruppe erschlossen
werden (Bild 4).
Der südlich vom Thurn-und-Taxis-Platz gelegene
99 m hohe Hotelturm (Gebäude C) verfügt über 26 Geschosse und soll als 4- bis 5-Sterne-Hotel von internationalem Publikum genutzt werden. Mit seiner skulpturalen
Form korrespondiert das Gebäude mit dem benachbarten
Büroturm und steht in reizvollem Kontrast zum historischen Thurn-und-Taxis-Palais.
Das Zeilforum ist als Multifunktionsgebäude für Einzelhandel, Sport und Freizeit, Gastronomie und Entertainment konzipiert. Durch den vielseitigen Branchenmix
sollen kaufwillige Kunden angezogen und für den gehobenen Einzelhandel interessiert werden.
Das Bauwerk besteht aus bis zu acht aufgehenden
Geschossen mit einer Dachhöhe von maximal 43 m. Über
der Ebene 4 teilt sich das Gebäude auf drei getrennte Bereiche auf, die später als Fitnessstudio, Badelandschaft,
Technikflächen und für allgemeine Dienstleistungen genutzt werden.
Damit auch eine gute Frequentierung der oberen
Geschosse stattfindet, werden die Besucher des Zeilforums
vom Erdgeschoss direkt bis zum 4. Obergeschoss über den
„Expressway“ – die mit etwa 50 m längste innen liegende
freitragende Rolltreppe Europas – gebracht (Bilder 2 und 5).
2.2 Entwurf des Dachtragwerks
Die Entwicklung von Dachgeometrie und Tragstruktur war
ein interaktiver Prozess, der kontinuierlich auf die Fortschreibung der gestalterischen, funktionalen und technischen Anforderungen abzustimmen war. Die Ausgangstopologie der Freiformfläche wurde durch Erwärmen und
plastisches Verformen einer Plexiglasscheibe über dem Gebäudemodell erzeugt, in die anschließend Vertiefungen
eingeprägt wurden. Die Geometrie wurde dann digital mit
dem 3D-Graphik-Programm „Rhino“ weiterentwickelt. Bei
diesem Design-Modellierwerkzeug wird die Freiformfläche
durch sogenannte NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) erfasst. Die erforderliche Datenmenge zur Beschreibung der geometrischen Form ist vergleichsweise gering,
und der Datenaustausch mit anderen Programmen kann in
unterschiedlicher Form erfolgen.
Zur Entwicklung eines Tragwerks wurden dem Tragwerksplaner erste Rhinomodelle übergeben (B. 6). Diese
noch mit mehreren Trichtern versehenen Modelle wiesen
vergleichsweise scharfe Übergänge an den Flanken des
Canyons und zu den Trichtern auf. Die Sohle des Canyons
war nahezu eben. Wegen der geforderten Stützenfreiheit
der Mall konnten die Übergänge zu den hoch gelegenen
Dachbereichen nicht unterstützt werden.
Gestalterisch war eine filigrane, möglichst homogene
Tragstruktur als Stahlgittertragwerk mit dreieckförmigen
Maschen vorgesehen. Unterspannungen in den ebenen
Bereichen des Canyons sollten, wie auch die Ausbildung
kräftigerer Tragglieder, vermieden werden. Diese Randbedingungen erforderten eine Anpassung der Geometrie des
Canyons sowie der Übergänge zum später verbleibenden
Trichter.
2 Entwurf der Gebäudehülle
2.1 Gestalterische Anforderungen
und architektonischer Entwurf
Um Aufmerksamkeit und Interesse an einem Besuch des
Zeilforums bereits durch die besondere Architektur zu
wecken, formulierte der Bauherr in der Ausschreibung des
Wettbewerbs den Wunsch nach einer ausdrucksstarken
Gestaltung des Gebäudes. Es sollte sich durch besondere
Akzente deutlich von der umliegenden Bebauung abheben
und wie ein Magnet für die Besucher der Frankfurter Innenstadt wirken.
Beim Entwurf des Architekturbüros M Fuksas Arch
wurde für die Gebäudeüberdachung die Idee eines
Canyons verfolgt, der sich wie ein Flussbett zwischen den
drei Gebäudebereichen Nord, West und Ost zieht
(Bild 5a). Mit einem Trichter im Zentrum der frei geformten Dachlandschaft werden natürliches Licht bis in das
Erdgeschoss des Gebäudes transportiert und Blickbeziehungen nach oben geschaffen. Im Bereich der Durchdringung werden die Gebäudedecken mit organisch geformten
Öffnungen versehen und an die Trichtergeometrie angepasst. Oberhalb der 4. Ebene folgen die Konturen der Geschossdecken dem Verlauf des Canyons.
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Bild 6. Rhinomodell aus dem frühen Entwurfsstadium
Fig. 6 Rhino model of an early design stage
Das Tragwerk des Canyons wurde in Form einer Hängelinie mit einem im Wesentlichen durch Zugkräfte beanspruchten System entwickelt. Der Übergang zwischen
dem Canyon und dem Trichter wurde kontinuierlich gestaltet, so dass der Trichter wie eine große Stütze wirkt, die
die Lasten aus den umliegenden Dachbereichen über
Druckkräfte zum Massivbau abträgt (Bild 7).
Über den Gebäudeteilen Ost, West und Nord wirkt
die Tragstruktur des Daches wie ein Trägerrost. Dort werden Pendelstützen angeordnet, die an die Systemknoten
des Stahlgittertragwerks anschließen. Wegen der allge-
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a)
b)
gang vom Canyon und mündet trichterförmig in die Zeilfassade. Sie stellt damit eine Blickbeziehung von der Zeil
zum Freiformdach her (Bilder 5 und 7).
Über die Integration der gestalterischen Elemente
Canyon, Trichter und Trompete hinaus war die Dachtopologie an die Massivbaukonstruktionen und Technikaufbauten anzupassen und mit einem ausreichenden Gefälle
für die Entwässerung zu versehen.
Die Festlegung der Netzstruktur des Stahlgittertragwerkes erfolgte unter Berücksichtigung einer durchgehenden Linienführung und einer kontinuierlichen Abfolge
von Dreiecken, die in ihrer Größe und den Winkeln zwischen den Stabachsen der Topologie des Daches anzupassen waren. So wurden in den stark gekrümmten Bereichen von Trichter und Trompete Maschengrößen von
unter 1 m2, in den ebenen Dachbereichen jedoch auch
Flächen von über 3 m2 generiert. Die Stablängen variieren
von 1 bis zu 3 m, liegen im Mittel bei etwa 2,15 m. Bei der
Gestaltung der Netzstruktur waren verschiedene Bedingungen zu beachten (Bild 8). Hierzu gehören
– die Anordnung von Netzknoten oberhalb der Pfosten
der vertikalen Fassaden
a)
c)
b)
Bild 7. Weiterentwickelte Dachgeometrie – a) Gebäudemodell, b) Ansicht Dach und Zeilfassade, c) Draufsicht
Fig. 7. Further developed roof geometry – a) Model building,
b) view of roof and Zeil façade, c) top view
mein nicht deckungsgleichen Lage mit den darunter liegenden Massivbaustützen übernimmt die jeweils oberste
Geschossdecke den Transfer der Stützenlasten in die Gebäudeachsen. Zur Aufnahme der Horizontallasten aus den
hängenden Canyonbereichen sowie der Wind- und Stabilisierungslasten sind Kreuzverbände vorgesehen, die jeweils zwischen zwei Pendelstützen angeordnet und zum
Canyon hin ausgerichtet sind.
Später wurde noch eine Verbindung zwischen dem
Freiformdach und der rautenförmigen Zeilfassade durch
die Anordnung einer sogenannten Trompete geplant.
Diese entwickelt sich aus einem kontinuierlichen Über-
Bild 8. Erfassung geometrischer Randbedingungen bei der
Netzentwicklung – a) Anschluss der Trompete an die Zeilfassade, b) Integration des Stützenrasters
Figure 8: Record of geometric boundary conditions in grid
design – a) connection of trumpet to Zeil façade, b) integration of column grid
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– der Anschluss der Trompete an die Netzknoten der Rautenfassade an der Zeil
– die Anordnung eines Stabzuges entlang der Sohle des
Canyons, so dass dort die Entwässerung funktioniert und
sich eine gestalterisch ansprechende Linienführung ergibt
– die Integration der Linienführung der Führungsschiene
für das Dachreinigungsgerät und der Schneefangeinrichtung an den Übergängen der Technikdächer zum Canyon
– die Ausbildung von Dreiecken auch an den Dachrändern
– die Gestaltung der Linienführungen unter Beachtung
der Perspektive des Gebäudenutzers.
In einem ersten Schritt wurde mit Hilfe des Netzgenerators vom Programmpaket ANSYS ein Dreieckmaschennetz nach definierten Vorgaben automatisch erzeugt
(Bild 9a). Dieses wurde für die Vordimensionierung der
Tragstruktur und die Feststellung der zu erwartenden Profilgrößen verwendet. Dabei zeigten sich auch die Auswirkungen der geometrischen Vorgaben in den Bauteildimensionen und dem Stahlbedarf.
Nach einer Optimierung der Dachtopologie wurde
dann im nächsten Schritt das Netz nach den gestalterischen
a)
Vorgaben des Architekten mit Hilfe eines oberflächenorientierten CAD-Programms entwickelt (Bild 9b). Da sich
die Netzstruktur auf die Oberfläche des Daches bezieht und damit die Fugen zwischen den Dachelementen
abbildet, war hieraus noch die Stabstruktur für die Berechnung abzuleiten. Die Querschnittsachsen der Stäbe sind
nach der Winkelhalbierenden der angrenzenden Dreieckflächen ausgerichtet. Die Lage der Stablängsachsen ergibt
sich aus deren Abstand zur Oberfläche.
Zu einem späteren Zeitpunkt wurde die Netzgeometrie nach Bild 9b unter Berücksichtigung der Planungsfortschreibungen gegenüber der Bauantragsplanung und
der Genehmigungsstatik weiter optimiert.
Die Fläche des Daches wird mit unterschiedlichen
Materialien eingedeckt (Bild 10). Oberhalb der Mall in
den Bereichen von Canyon und Trichter werden Isolierglasscheiben (Sonnen- und Wärmeschutzverglasung) verwendet. Deren Aufbau besteht von außen nach innen
aus Einscheibensicherheitsglas (Regeldicke 8 mm), einem
18 mm breiten Zwischenraum sowie Verbundsicherheitsglas aus TVG mit einer PVB-Folie (Regeldicke 2 ¥ 8 mm).
Bei größeren Winkelunterschieden zwischen benachbarten Scheiben werden Stufengläser eingesetzt, mit denen
für ausreichenden Glaseinstand auf den Stahlprofilen gesorgt bzw. die Fugenbreite zwischen den außen liegenden
ESG-Scheiben begrenzt wird.
Die Übergangsbereiche zwischen der Mall und den
Gebäudeteilen Nord, West und Ost erhalten eine Eindeckung aus dreieckförmigen wärmegedämmten Aluminiumpaneelen. Oberhalb der sogenannten Technikdächer
der Gebäudeteile werden wegen der geringeren gestalterischen Anforderungen Trapezblecheindeckungen ausgeführt. Die Abdeckung an den Dachrändern erfolgt mit
Gitterrosten, über die der Luftaustausch mit der Klimatechnik des Gebäudes stattfindet.
b)
Bild 9. Entwicklung der Netzstruktur – a) automatisch generiertes Netz, b) mit CAD-Programm entwickelte Netzstruktur
Fig. 9. Development of grid design – a) automatically generated grid, b) grid developed with CAD programme
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Bild 10. Bezeichnung der Dachbereiche und Zuordnung der
Materialien für die Verkleidung
Fig. 10. Declaration of roof regions and allocation of cladding materials
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2.3 Sonderfassaden und Wintergarten
Die rautenförmige Stahl-Glas-Fassade an der Zeil erstreckt
sich von den Ebenen 1 bis 3 über eine Höhe von 15 m. Das
Tragwerk besteht aus geschweißten Rechteckprofilen mit
Querschnittsabmessungen von ca. 160 ¥ 80 mm. Die Fassade wird an der Deckenkante oberhalb der Ebene 3 aufgehängt und leitet dort die Vertikallasten ein. Sie ist horizontal verschieblich gelagert und in den darunter liegenden Geschossen jeweils in den Knotenpunkten gegen die
Deckenkanten gestützt (Bild 11). Oberhalb des Haupteingangs ist die Fassade über die Trompete ohne Fuge an die
Dachkonstruktion angeschlossen (Bilder 5, 7 und 8).
a)
Ebenfalls an der Südseite des Zeilforums befindet
sich in der Ebene 4 der Wintergarten (Bilder 5a, 7a und 10).
Oberhalb der Rautenfassade schließen Pfosten an, die den
vorderen Dachrand unterstützen. Die zurückgesetzte Fassade am hinteren Dachrand des westlich gelegenen Gebäudeteils wird über dem Wintergarten von der Massivbaukonstruktion des Fitnessbereiches durchdrungen (Bilder 2, 5a und 7a). Darüber unterstützt sie den Rand des
Freiformdaches. Zu einem späteren Zeitpunkt wurden gegenüber der Bauantragsplanung noch verschiedene Änderungen vorgenommen: Das Dach des Wintergartens
wurde in Anpassung an das Hauptdach mit einem Stahlgittertragwerk mit dreieckförmigen Maschen versehen.
Darüber hinaus wurde das Hauptdach von der MusicHall
des östlichen Gebäudeteils nahtlos zum Wintergarten heruntergezogen.
Die zum Thurn-und-Taxis-Palais gerichtete Fassade
wird im Bereich der Ebenen 1 bis 3 baugleich mit der
Rautenfassade an der Zeil ausgeführt. Darüber, wie auch
an der Ostseite des Gebäudes, sind Pfosten-Riegel-Fassaden vorgesehen (Bild 13b).
3 Statische Berechnung
3.1 Einwirkungen
b)
c)
Bild 11. Rautenfassade an der Zeil – a) Ansicht der Tragkonstruktion, b) Schweißen der Knotenverbindungen, c)
Montage der Verglasung
Fig. 11. Lozenge shaped façade at the Zeil – a) view of supporting structure, b) welding of connections, c) glazing works
Aufgrund der komplexen Geometrie der Freiformdachfläche
wurden für die Schnee- und Windlasten jeweils Gutachten
eingeholt. Frankfurt liegt auf der deutschen Windzonenkarte in der Zone 1 (vref = 22,5 m/s, qref = 0,32 kN/m2). Für
die Referenzhöhe von ca. 40 m wird ein Böenstaudruck
von 0,94 kN/m2 zugrunde gelegt. Die Bestimmung der
Winddruckverteilungen erfolgte im Grenzschichtwindkanal des Instituts für Industrieaerodynamik in Aachen.
Dabei wurde für das Gesamtprojekt PalaisQuartier und
die benachbarte Bebauung ein Modell im Maßstab 1:500
erstellt. Zur Untersuchung unterschiedlicher Windrichtungen wurde das Modell auf einer Drehplatte angebracht
(Bild 12).
Wegen der Interferenzwirkung mit den beiden Hochhäusern für Büro und Hotel erfolgte die Untersuchung des
Zeilforums im Gebäudeensemble. Durch die Aufstauwirkung vor den Hochhäusern und die Düsenwirkung bei einer Windströmung zwischen den Hochhäusern war global
und lokal mit größeren Druck- und Soglasten gegenüber
der freien Umströmung des Zeilforums zu rechnen. Dies
zeigte sich auch in den Ergebnissen der Druckmessungen.
Zur Erfassung der Winddruckverteilung wurde das
Dach mit 230 Druckmessstellen ausgestattet. Die Druckverteilung wurde in 30°-Schritten für 12 Windrichtungen
gemessen. Die Auswertung führte zu Windlastkarten für
die globale Windwirkung bei unterschiedlichen Strömungsrichtungen sowie jeweils „einhüllenden“ Druckund Sogverteilungen für die lokale Bemessung der
Dacheindeckung. Entsprechende Untersuchungen wurden auch für die Fassaden des Gebäudes durchgeführt.
Ergänzend und in Überlagerung mit den Windlasten auf
der Gebäudeaußenseite wurden auch positive und negative Drücke im Gebäudeinneren berücksichtigt.
Bei der Festlegung der Bemessungsschneelasten war
insbesondere die Möglichkeit der Schneeanhäufungen in
den Bereichen von Canyon und Trichter zu beachten.
Durch Verwehungen und das Abrutschen des Schnees
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von den geneigten Flächen treten Lastkonzentrationen
und dynamische Effekte auf, die für die Bemessung der
Tragstruktur und der Glasscheiben maßgebend sind. Im
Bereich des Canyons sind charakteristische Werte der
Schneelasten bis zu 2,6 kN/m2 zu berücksichtigen.
Als konstruktive Maßnahmen werden Schneefangeinrichtungen am Übergang von den Gebäudeteilen Nord,
West, Ost zum Canyon sowie am Übergang vom Canyon
zur Trompete angeordnet. Letztere verhindern ein Abrutschen des Schnees zum Haupteingang an der Zeil. Darüber hinaus werden Heizvorrichtungen beim Trichter angeordnet, um dort Schneeansammlung durch kontinuierliches Abschmelzen zu reduzieren bzw. zu vermeiden.
Bei der fugenlos ausgebildeten Tragkonstruktion des
Daches waren wegen der Verformungen und möglicher
Zwängungen Temperaturunterschiede zur Aufstelltemperatur der Tragkonstruktion zu untersuchen. Die auf den
Grundriss projizierten Abmessungen des Daches betragen
ca. 134 m in Nord-Süd-Richtung, 120 m in West-Ost-Richtung und 155 m in Richtung der Diagonalen Nordwest –
Südost.
Bei der Bestimmung der Temperaturdifferenzen für
den Sommer- und Winterfall war zu unterscheiden zwischen außen und innen liegender Tragkonstruktion sowie
zwischen transparenter und opaker Dacheindeckung. Der
Berechnung wurden maximale Differenzen von +40 K
(Sommerfall, innen, verglaster Dachbereich) und –39 K
(Winterfall, Außenbereich) zugrunde gelegt.
Als weitere Einwirkungen wurden neben den Eigengewichtslasten von Tragkonstruktion und Bekleidung
noch die Verformungen der unterstützenden Massivbaukonstruktionen, Verkehrslasten aus Reinigungsgeräten
und angehängten Werbeträgern, Wasseransammlungen in
der Auffangwanne am Trichterfuß sowie der Lastfall Erdbeben berücksichtigt.
3.2 Berechnung und Bemessung der Tragkonstruktion
Zur Berechnung des Tragwerkes wurde ein räumliches
Stabwerkmodell entwickelt, das die Sonderfassaden mit
ihrer Wechselwirkung zum Dach abbildet. Das auf der
Basis der Bauantragspläne erstellte Modell enthält
ca. 8250 Stäbe (Bild 13). Die Stabanschlüsse an den Knoten des Dachtragwerkes wurden als starr und volltragfähig
im Sinne von DIN EN 1993-1-8, Abschnitt 5.2 [1] klassifiziert, so dass die Berechnung der Zustandsgrößen ohne
Einbeziehung von Knotennachgiebigkeiten und die Stabbemessung ohne Berücksichtigung der Abminderungen
durch teiltragfähige Anschlüsse erfolgen konnte.
Die Lagerung der Stahltragkonstruktion durch den
Massivbau erfolgt im Bereich der Technikdächer über
Pendelstützen und Verbände, am Trichterfuß über die An-
a)
a)
b)
b)
Bild 12. Untersuchungen im Windkanal – a) Modell vom
PalaisQuartier mit umliegender Bebauung, b) Perspektive
Fig. 12. Wind tunnel investigation – a) model of PalaisQuartier with adjacent building area, b) perspective view
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Bild 13. Gebäudemodell mit Tragkonstruktionen von Dach
und Sonderfassaden
Fig. 13 Building model with supporting structure of roof
and special façades
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schlüsse des Stahlfachwerkrings an das Zwischengeschoss
(zwischen EG und 1. UG) und bei den Fassaden durch
den Anschluss an die Geschossdecken. Die Verformungen
an den Lagerpunkten sind nur teilweise abhängig von der
Größe der abzutragenden Dachlasten, in höherem Maße
jedoch von der Zeit (Kriechen und Schwinden der Stahlbetonkonstruktion, Bauwerkssetzungen) und der Belastung der Massivbaukonstruktionen. Aus diesem Grunde
wurden – mit Ausnahme des Trichterfußes – in den Richtungen der Kraftübertragung starre Lagerungsbedingungen angenommen. Die am Massivbau berechneten Verformungen der Lagerpunkte wurden durch Lastfälle mit eingeprägten Deformationen berücksichtigt.
Die Berechnung der Tragstruktur für die relevanten
Einwirkungskombinationen erfolgte nach Theorie II. Ordnung unter Ansatz geometrischer Ersatzimperfektionen.
Die Verläufe der Imperfektionen wurden in Anlehnung an
DIN 18800-2, Element 202, durch Skalieren der Eigenformen einer Modalanalyse festgelegt.
Bei großen, vielfach statisch unbestimmten Tragwerken in der vorliegenden Form ist zu beachten, dass
sich skalierte Eigenformen häufig nur bei Teilen der Tragstruktur auf das Bemessungsergebnis auswirken. Bei einem in den Bauteildimensionen abgestuften Tragwerk
sind daher – im Sinne der „10-%-Regel“ nach DIN 18800-1,
Element 739 – alle Eigenformen in Betracht zu ziehen,
deren zugehöriger kritischer Lastfaktor hKi unterhalb von
10 liegt.
Als Querschnitte für die Dach- und Fassadenkonstruktionen wurden im Wesentlichen Rechteckhohlprofile
der Festigkeitsklasse S355 gewählt. Bei den Stützen auf
den Technikdächern kommen Kreishohlprofile zum Einsatz. Der hoch belastete und später nicht mehr sichtbare
Fachwerkring unter dem Trichter besteht aus geschweißten Hohlprofilen, I-Profilen für die Füllstäbe und Flachstählen für Knoten- und Verbindungselemente (Bild 14).
Die Begrenzung der Verformungen der Tragstruktur
ergibt sich aus statischen und funktionalen Notwendigkeiten. Verformungen aus ständigen Lasten werden durch
Überhöhungen ausgeglichen. Bei den Stäben unter den
Glasscheiben war die Durchbiegung wegen der hieraus
resultierenden Zwängungen für das Glas auf 1/200 der
Stablänge zu begrenzen. Ein ausreichendes Gefälle zur
Dachentwässerung ist auch unter Einbeziehung der Verformungen einzuhalten. Unter veränderlichen Einwirkungen liegen Größtwerte der Verformungen an den Dachrändern in horizontaler und vertikaler Richtung jeweils im
Bereich von 60 bis 70 mm.
4 Dachentwässerung und Reinigung
a)
b)
Bild 14. a) Fachwerkring unter dem Trichter, b) Stahltragwerk des Trichters
Fig. 14. a) Framework ring under the funnel, b) steel construction of the funnel
Die Entwässerung der komplexen Dachfläche erfolgt in
unterschiedlicher Weise. Die Dachbereiche oberhalb der
Technikdächer Nord, West und Ost sowie der Wintergarten an der Südseite und der offene Dachbereich zum
Thurn-und-Taxis-Palais werden nach außen über Regenrinnen bzw. die darunter liegenden Massivbaudecken
entwässert. Das Wasser im Canyon wird überwiegend
zum Trichter, teilweise auch zur Trompete abgeführt. Am
Fuße des Trichters ist eine ringförmige beheizte Edelstahlwanne vorgesehen, aus der das Wasser dann innerhalb des Gebäudes abgeführt wird. Zu gleichem Zwecke
dienen Einlauföffnungen in der Mündung zur Trompete,
die ein Abfließen des Wassers vom Canyon auf die Zeil
verhindern.
Zur teilautomatischen Reinigung der großen Dachflächen sind entsprechend den unterschiedlichen Bereichen verschiedene Systeme geplant. Für die bis zu 30° geneigten Dachflächen ist ein Reinigungsfahrzeug „cat-wash“,
für die steilen Flanken des Canyons ein „Vertikalliner“ und
zur Reinigung des Trichters ein sogenannter „Airbeam“ vorgesehen.
Das Trägerfahrzeug des Vertikalliners transportiert
den Reinigungskopf entlang der Führungsschienen der
oberen Ränder des Canyons. Dabei werden Seitenfläche
und Sohle des Canyons bahnenweise durch rotierende
Bürsten gereinigt.
Beim Airbeam handelt es sich um ein stabförmiges
Luftkissen, das am Fuße des Trichters gelagert und an der
Spitze von vier Seilen geführt wird. Gegenläufig rotierende, den Airbeam ringförmig umschließende Bürsten
wandern entlang der Stabachse und reinigen dabei die
Flanken des Trichters. Nach der Reinigung und dem Herauslassen der Luft wird der Airbeam zusammengefaltet
unter der Abdeckung der Edelstahlwanne am Fuße des
Trichters geparkt (Bild 15).
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5.2 Fertigung und Montage
a)
Die werkseitige Vorfertigung des Stahltragwerks von Dach
und Rautenfassaden erfolgt in Leitern und losen Stäben.
Die geschweißten Rechteckprofile werden mit durchlaufenden Schweißnähten, unter der Verglasung als HYNähte, und zur Gebäudeinnenseite gerichtet als Kehlnähte ausgeführt. Profil- und Knotengeometrie sind so gewählt, dass die notwendigen Technikleitungen (Sprinklerund Energieversorgung) integriert und mit einer Abdeckung versehen werden können.
a)
b)
b)
Bild 15. Airbeam zur Trichterreinigung – a) Funktionsmodell, b) Parkposition am Trichterfuß
Fig. 15. Airbeam to clean the funnel – a) operating model,
b) parking position at the funnel base
5 Vergabe, Ausführung und Qualitätssicherung
der Bauleistungen
5.1 Bieterverfahren
Ende 2004 wurden die Bauleistungen für Dachtragwerk
und Sonderfassaden ausgeschrieben. Zunächst fand eine
Präqualifikation statt, an der sich Unternehmen aus
Deutschland, Österreich und der Schweiz beteiligten.
Anhand von Referenzen zu vergleichbaren Projekten, der
technischen Ausstattung und fachlichen Qualifikation, der
personellen und wirtschaftlichen Leistungsfähigkeit sowie
Eigen- und Nachunternehmerleistungen wurde eine Vorauswahl für die weitere Ausarbeitung eines Angebotes getroffen.
Nachdem das Projekt durch Bauherrn und Planungsteam mit seinen technischen und gestalterischen
Anforderungen vorgestellt wurde, erhielten die präqualifizierten Unternehmen die Möglichkeit, sich in Bezug auf
die konstruktive Gestaltung sowie Fertigungs- und Montagetechnologie einzubringen. Es wurden ausdrücklich
Vorschläge zur Ausbildung der Knotenpunkte und Montagekonzepte erbeten. Nach eingehender Würdigung der
Angebote erhielt schließlich die Firma Waagner Biro aus
Österreich den Zuschlag für die Ausführung.
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c)
Bild 16. Knotenausbildung – a) Sternknoten vom Dach, b)
gefräster Knoten, c) Knoten der Fassade
Fig. 16. Construction of the nodes – a) star shaped node of
the roof, b) milled node, c) node of the façade
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a)
b)
c)
Die Nähte sind teilweise eben und glatt zu verschleifen. Dies gilt insbesondere bei den Knoten, die von der
Shoppingmall aus zu sehen sind. Bei nachzuweisender
Nahtgüte sind die Kriterien der Bewertungsgruppe B nach
DIN EN ISO 5817 ([2]) einzuhalten.
Als Vorleistungen für die Stahlbaumontage waren die
Verankerungselemente für die Stützen und Verbände sowie Fassadenanschlüsse in die Massivdecken zu integrieren. Darüber hinaus wurde der Stahlfachwerkring zum
Anschluss des Trichters montiert, der in drei Teilen an die
Baustelle geliefert wurde.
Da die Herstellung der Untergeschosse des PalaisQuartiers im Los 1 erfolgte und die Dachmontage mit
dem Trichterfuß begann, lagen Lieferung und Montage
des Fachwerkrings und der zugehörigen Stahleinbauteile
für den Massivbau auf dem kritischen Weg. Die drei
Ringsegmente wurden zunächst miteinander verschweißt
und dann an die Stahleinbauteile angeschossen (Bild 14).
Zur Montage des Dachtragwerkes werden Raumgerüste verwendet, die kontinuierlich dem Montagefortschritt anzupassen sind. Die Stützpunkte für die Systemknoten werden unter Einbeziehung der Verformungen aus
ständigen Einwirkungen in überhöhter Lage eingemessen,
so dass nach der Ablastung die Einhaltung der Sollgeometrie des Dachtragwerks zu erwarten ist.
Die Hubmontage erfolgt mit den bauseits vorhandenen Turmdrehkränen. Für den Zugang des Montagepersonals werden Hubsteiger, Scherenbühnen und Fahrgerüste
eingesetzt. Beim Dach wird die Montage nach folgendem
Schema durchgeführt (Bild 17):
– Auflegen und Ausrichten der Leitern
– Einbau der losen Stäbe zwischen den Leitern, Heften
und Verschweißen
– Ausbessern, Aufbringen und Ergänzen der Korrosionsschutzbeschichtung
– Montage der Isolierglasscheiben, Dachpaneele, Trapezbleche und der Gitterroste
– Ablasten vom Hilfsgerüst durch Absenken der Auflagerpunkte und anschließende Demontage des Gerüstes
– weitere Korrosionsschutzarbeiten, insbesondere bei den
Stützen, die im Zuge des Baufortschritts ggf. noch Beschädigungen durch Nachfolgegewerke erfahren können.
5.3 Korrosionsschutz
Bild 17. Stahlbaumontage – a) Ausrichten der Leitern auf
dem Gerüst, b) Übergang vom Trichter zum Canyon, c) Blick
durch den Canyon nach Süden
Fig. 17. Erection face of steelwork – a) adjusting of the ladders, b) transition from funnel to canyon, c) view southwards through the canyon
Die Stäbe werden in den Knoten mit Stumpfnähten
als HV-, K-, HY- und DHY-Nähte, teilweise in Kombination mit aufgesetzten Kehlnähten angeschlossen. Für die
bauseits auszuführenden Schweißverbindungen werden
die geometrischen Anpassungen und Schweißnahtvorbereitungen von Stabenden und Knoten werkseitig angebracht. Zur Herstellung der Verbindungen werden gefräste
Massivknoten, aus Vollmaterial hergestellte Sternelemente und Stoßbleche eingesetzt (Bild 16).
Für den Korrosionsschutz werden im Wesentlichen Beschichtungssysteme nach DIN EN ISO 12944 [3] eingesetzt. In Bezug auf den korrosiven Angriff wird zwischen
Bauteilen im Innenraum (geheiztes Gebäude mit neutraler Atmosphäre: Korrosivitätskategorie C1 „unbedeutend“) sowie Bauteilen, die mit der Außenluft in Verbindung stehen (Stadt- und Industrieatmosphäre, mäßige
Verunreinigungen durch Schwefeldioxid: Korrosivitätskategorie C3), unterschieden. Entsprechend kommen zweiund dreilagige Beschichtungssysteme mit Trockenschichtdicken von 160 mm bzw. 240 mm zum Einsatz (Bild 18).
Es sind in allen Schichten Reaktionsbeschichtungsstoffe mit Stamm- und Härterkomponenten (2K) spezifiziert. Als Bindemittel für Grund- und Zwischenbeschichtung ist Epoxydharz (EP), für die Deckbeschichtung Polyurethan (PUR) vorgesehen. Um Farb- und Glanzhaltung zu sichern und eine hohe Beständigkeit zu erzielen,
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1. Eigenüberwachung durch das ausführende Unternehmen
2. externe Prüfung der Ausführungspläne einschließlich
der Werkstattpläne und qualitätssichernde Überwachung der Bauausführung
3. schweißtechnische Überwachung der Werks- und Montagefertigung in Abstimmung mit 2.
4. bautechnische Prüfung der Tragwerksplanung und
Bauausführung in bauaufsichtlichem Umfang.
Die umfangreichen Schweißarbeiten im Werk und auf
der Baustelle, die komplexe Geometrie der Tragstruktur,
die z. T. hohen Beanspruchungen der Bauteile sowie die
gestalterischen Anforderungen, die eine einwandfreie Ausführung der Knotenpunkte, der Bauteiloberflächen und
des Korrosionsschutzes vorsehen, unterstreichen die Notwendigkeit der vorgesehenen Maßnahmen.
a)
b)
6 Schlussbemerkungen
Die Ausführungsarbeiten am Freiformdach und den Sonderfassaden des Zeilforums werden derzeit unter hohem
Einsatz vorangebracht. Die Fertigstellung dieser Leistungen ist für November 2008 vorgesehen. Zur Herstellung
des Daches werden rd. 600 t Stahl, 6000 m2 Verglasung,
4100 m2 opake Fläche aus Aluminiumpaneelen sowie
3400 m2 aus Trapezprofilblechen und Gitterrostlaufstegen
eingesetzt. Mit der Fertigstellung des Bauvorhabens im
Frühjahr 2009 wird die Innenstadt Frankfurts um ein
Bauwerk bereichert, das in seiner Gestaltung und Funktionalität Akzente setzt.
Bild 18. Endbeschichtete Stahlkonstruktion – a) Dachtragwerk, b) Rautenfachwerk Zeil
Fig. 18. Final coating of the steel structure – a) roof structure, b) Lozenge shaped façade at the Zeil
werden als Härterkomponenten aliphatische Polyisocyanate mit einer darauf abgestimmten Stammkomponente
spezifiziert. Die Pigmentierung erfolgt mit Zinkphosphat
(Zwischenbeschichtungen und werkseitige Grundbeschichtung) sowie Eisenglimmer und Aluminium (oberflächentolerante bauseitige Grundbeschichtung). Als Farbton
wurde papyrusweiß (RAL 9018) gewählt.
5.4 Qualitätssicherung
Zur Qualitätssicherung bei den Dach- und Fassadenkonstruktionen wurden verschiedene aufeinander abgestimmte
Maßnahmen vorgesehen:
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Am Bau Beteiligte:
Bauherr
PalaisQuartier GmbH & Co. KG, vertreten durch die
Bouwfonds MAB PalaisQuartier GmbH, Frankfurt
Architekten
KSP Engel und Zimmermann GmbH, Frankfurt
Massimiliano Fuksas Architekten, Frankfurt/Rom (Zeilforum)
Tragwerksplanung
– Bauteile A, B, C, D, T
Arbeitsgemeinschaft Krebs und Kiefer
sowie
Weischede, Herrmann und Partner
− Bauteil D: Dachtragwerk und Sonderfassaden
Krebs und Kiefer GmbH, Darmstadt
sowie
Knippers und Helbig Beratende Ingenieure,
Stuttgart
Projektsteuerung
Drees & Sommer GmbH, Frankfurt
Fassadenplanung
IFFT – Institut für Fassadentechnik, Frankfurt
Bauphysik
Ingenieurbüro für Bauphysik von Rekowski und Partner,
Weinheim
Brandschutz
HHP Berlin, Ingenieurgesellschaft für Brandschutz mbH,
Berlin
Gutachten für Wind- und Schneelasten:
I.F.I. Institut für Industrieaerodynamik GmbH, Institut an
der Fachhochschule Aachen
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Dachreinigung Bauteil D:
TAW Thomas A. Weisse + Partner, Hamburg
Schweißtechnische Überwachung
ISIB – Institut für Schweißtechnik und Ingenieurbüro Dr.
Möll GmbH, Darmstadt
Prüfingenieur
Prof. Dr.-Ing. Carl Alexander Graubner, Frankfurt
Bauausführung Dach und Sonderfassaden
Waagner Biro Stahlbau AG, Wien/Österreich
Abbildungen und Fotos
Bilder 1, 2, 3, 4 – Bouwfonds MAB Development GmbH
Bilder 5, 7, 8, 9, 10, 11, 13, 14, 15b, 16, 17, 18 – Krebs und
Kiefer, Beratende Ingenieure für das Bauwesen GmbH,
Darmstadt
Bild 6 – M Fuksas Arch, Frankfurt, Rom
Bild 12 – I.F.I. Institut für Industrieaerodynamik GmbH,
Institut an der Fachhochschule Aachen
Bild 15a – TAW
Thomas A. Weisse + Partner, Hamburg
Literatur
[1] DIN EN 1993: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten – Teil 1–8: Bemessung von Anschlüssen (Ausgabe
Juli 2005)
[2] DIN EN ISO 5817: Schmelzschweißverbindungen an Stahl,
Nickel, Titan und deren Legierungen (ohne Strahlschweißen)
– Bewertungsgruppen von Unregelmäßigkeiten (Ausgabe Oktober 2006)
[3] DIN EN ISO 12944: Korrosionsschutz von Stahlbauten
durch Beschichtungssysteme (Ausgabe Juli 1998)
Autoren dieses Beitrages:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Richard Stroetmann, Institut für Stahl- und Holzbau,
Technische Universität Dresden. Geschäftsführer der Krebs und Kiefer
GmbH, Darmstadt. Projektleiter für Dachtragwerk und Sonderfassaden;
Dipl.-Ing. Roger Istel, Leitender Ingenieur der Krebs und Kiefer GmbH,
Darmstadt. Tragwerksplaner beim PalaisQuartier;
Dipl.-Ing. Dieter Hanek. Geschäftsführer der Krebs und Kiefer GmbH,
Darmstadt. Gesamtprojektleiter für die Tragwerksplanung beim PalaisQuartier
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Krebs und Kiefer
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für das Bauwesen GmbH,
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Telefax (030) 21 73 42-11
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64295 Darmstadt
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