Umbau der Messehalle 15

Ingenieurpreis des Deutschen Stahlbaues 2020

Auszeichnung Hochbau

Erläuterungsbericht von Westphal Architekten zur Einreichung beim
Ingenieurpreis des Deutschen Stahlbaues 2020

Rekonstruktion und Neunutzung der Messehalle 15 auf dem Alten Messegelände in Leipzig
Im April 1928, erschien erstmalig die Zeitschrift DER STAHLBAU. Der erste Fachartikel [1] in der ersten Ausgabe widmete sich der Konstruktion und dem Bau der Messehalle 7 (heute Messehalle 15) auf dem Gelände der Technischen Messe in Leipzig. Die Halle hielt zum Zeitpunkt ihrer Errichtung mit 100 m freier Spannweite einen Rekord. Nach einer wechselvollen Geschichte wurde das denkmalgeschützte Bauwerk in den Jahren 2017 bis 2019 rekonstruiert und einer neuen Nutzung zugeführt. Über die Bau- und Nutzungsgeschichte der Messehalle wurde ausführlich in [2] berichtet und wird an dieser Stelle nur in den wichtigsten Punkten wiedergegeben.

Foto: Urheber unbekannt

Neben der Spannweite kann auch die Zeit für die Planung und Realisierung der Stahlkonstruktion als rekordverdächtig bezeichnet werden: In nur vier Monaten von der Vergabe an das MAN Werk Gustavsburg am 31. Oktober 1927 bis zur ersten Automobilmesse Anfang März 1928 wurden 1.800 t Stahlkonstruktion geplant, gefertigt, transportiert und montiert.

Während eines Bombenangriffs 1943/44 wurden drei der sieben weitspannenden Rahmenbinder durch direkte Treffer und Brand zerstört.

In den Jahren 1949/50 wurden die Kriegsschäden an den verbliebenen vier Rahmen instandgesetzt. Da man einen Festigkeitsverlust des Stahles infolge der Brandeinwirkung vermutete, wurden je Rahmen zwei Pendelstützen in den Viertelpunkten der Spannweite zur Sicherung eingebaut. Die zerstörte Konstruktion wurde zurückgebaut und teilweise zum Bau einer neuen Giebelwand für die Halle genutzt.

Der Verlust an Ausstellungsfläche wurde durch den Einbau von Galerieebenen teilweise kompensiert. In den darauffolgenden Jahren wurden weitere An- und Einbauten hinzugefügt, sodass der ursprünglich überragende Raumeindruck weitgehend verloren ging.

Die Messehalle 15 wurde und wird in der Denkmalliste der Stadt Leipzig geführt. Vor dem Erwerb der Halle durch die neue Eigentümerin stand jedoch die Entscheidung zum Abriss.

Leitgedanke der Ingenieurtätigkeit war deshalb die Sicherung des Denkmalstatus und damit die Bewahrung der beeindruckenden Stahlkonstruktion vor dem Abriss. Unter diesem Gesichtspunkt waren die Wiederherstellung des Spannweitenrekords durch den Rückbau der Sicherungsstützen und die „Freilegung“ der ursprünglichen, tragenden Konstruktion die vornehmlichen Ziele der Tragwerksplanung.

Tragwerk und Konstruktion 1928

Dem Baujahr 1928 entsprechend wurde die Halle als aus Walzprofilen und Blechen zusammengefügte Nietkonstruktion errichtet. Zum Einsatz kamen die damals zugelassenen Stahlsorten „Flussstahl St 37“ und „hochwertiger Baustahl St 48“.

Als Haupttragsystem wurden 7 Zweigelenkfachwerkrahmen mit einer Stützweite von 97,80 m und einem Rahmenabstand von 19,50 m gewählt. Die Systemmaße der Fachwerkriegel betragen 8,20 m, die der -stiele ca. 3,50 m.

Die Dachfläche in ca. 21,00 m Höhe über dem Hallenfußboden gliedert sich zwischen den Rahmen in einen mittleren, 12,00 m breiten, geschlossenen Bereich mit Satteldachneigung und den sich beidseitig anschließenden Oberlichtern.
In Hallenlängsrichtung spannen zwischen den Fachwerkbindern und den Giebelwänden im Abstand von 8,15 m durchlaufende, genietete Blechträgerpfetten, die die Satteldachform für den mittleren Abschnitt vorgeben. Senkrecht zu den Pfetten tragen Walzprofil-Sparren als Gerbersystem die geschlossene Dachfläche, die mit Bimsbeton-Platten und einer Abdichtung eingedeckt wurde.

Gestaltgebend für die Halle nach innen und außen waren und sind die transparenten Oberlichter, welche die Fachwerkbinder, als Symmetrieachse, in Form eines Drachenvierecks mit einer Breite von 2 x 3,75 m umschließen. Diese Lichtbänder waren zum Zeitpunkt der Errichtung mit einer kittlosen Verglasung auf einer Sprossenunterkonstruktion eingedeckt. Die Sparren der Oberlichter stützen sich vertikal und horizontal auf den durchlaufenden Pfetten ab. Durch diese Konstruktion ergibt sich für die gedrückten Obergurte der Fachwerkriegel die erforderliche elastische Stützung senkrecht zur Fachwerkebene. Der Anschluss der Oberlicht-Sparren wurde vertikal verschieblich gestaltet, sodass an diesem Punkt nur die horizontalen Stabilisierungslasten übertragen werden können.

Die Rahmenriegel wurden als Strebenfachwerk mit 12 Gefachen und einer Fachweite von 8,15 ausgeführt. Zur Knickbehinderung der Obergurte in der Rahmenebene wurde ein Sekundär- oder Hilfsfachwerk mit halber Fachweite angeordnet. Das Konstruktionsprinzip der Stabquerschnitte basiert auf „stehend“ angeordneten U-Normalprofilen U 300 mit einer Spreizung von 500 mm von Stegaußenkante zu Stegaußenkante und nach innen zeigenden Flanschen. Die Anpassung an den Kräfteverlauf erfolgte für die Gurte durch obere bzw. untere Deckelungen sowie durch Stegbeilagen. Die Druck- und Zugdiagonalen wurden als über Bindebleche verbundene Rahmenstäbe ausgebildet. Auch hier wurden Stegbeilagen als Querschnittsverstärkung angeordnet.

Dieses Prinzip wird durch den äußeren Zuggurt und die Diagonalen der Fachwerkstiele aufgenommen. Der Zuggurt wird im oberen Bereich senkrecht, im Bereich der Seitenschiffe diagonal auf den theoretischen Gelenkpunkt des Rahmens geführt. Die senkrechte Fortsetzung im unteren Abschnitt durch 2 U 200 diente ausschließlich der Montage der Rahmenstiele und wird durch einen vertikal verschieblichen Anschluss von der Mitwirkung ausgeschlossen. Die inneren, gedrückten Gurte der Stiele werden durch 2 x 3 U 300 und Beilagen gebildet.

Für sämtliche Stäbe des Haupttragwerks, die aus Normalprofilen U 300 und deren Beilagen bestehen, wurde der hochwertige Baustahl St 48 verwendet. Alle weiteren Bauteile wurden in St 37 ausgeführt.
Zur Längsaussteifung der Messehalle wurde in jedem Oberlicht ein horizontaler Dachverband mit einer Systemweite von 7,50 m angeordnet. Die Verbände werden über die in Hallenlängsrichtung durchlaufenden Pfetten miteinander gekoppelt. Die Lastweiterleitung erfolgt über die diagonalen Zugbänder in den Längswänden in die Windböcke, die beidseitig im Feld zwischen dem letzten Rahmenstiel und dem Eckstiel der rückseitigen, südlichen Giebelwand liegen.

Ingenieurleistungen Rekonstruktion

Die Idee, die Pendelstützen trotz der begründeten Sorge der 1950 tätigen Ingenieure zurückzubauen, basierte auf folgender Ausgangsüberlegung:
Eine Gefügeumwandlung des Stahles infolge Wärmezufuhr, die die Eigenschaften nach der Abkühlung dauerhaft positiv oder negativ verändert, findet erst bei Temperaturen über 750°C statt. Im Bereich von 500°C "verliert" der Stahl vollständig seine Festigkeit. Wenn die Stahlkonstruktion der Messehalle infolge einer Brandbeanspruchung auf über 500°C erwärmt worden wäre, dann hätte dies aufgrund der noch vorhandenen hohen Eigenlasten des Daches (wie durch Fotos der zerstörten Halle belegt werden kann) zu einem Totaleinsturz der gesamten Konstruktion geführt, bevor überhaupt eine weitere Temperatursteigerung auf 750°C eine Gefügeumwandlung zur Folge gehabt hätte.

Diese These sollte durch Materialprüfungen verifiziert werden, zum anderen sollten diese Versuche dazu dienen, statistisch abgesicherte Materialkennwerte für die Nachrechnung zu erhalten.

Die Orte der Probenentnahmen wurden unter Berücksichtigung der Zugänglichkeit und Wirtschaftlichkeit sowie der Vorinformationen aus [1] so festgelegt, dass ein aussagekräftiges Gesamtbild über das Tragwerk und die verwendeten Werkstoffe für Bauteile und Verbindungsmittel erreicht werden konnte. Zur Vertiefung der Erkenntnisse wurden an ausgewählten Proben auch chemische Analysen und metallographische Untersuchungen durchgeführt.

So wurde nach statischen Vorberechnungen aus den Enddiagonalen (Steg U 300 + Beilage 12 mm, St 48) jedes Binders jeweils ein Bohrkern gezogen. Damit standen 16 Zugproben, ergänzt um 2 Proben aus einem Binderknotenblech 12 mm aus St 48 zur Verfügung. Aus den Fachwerkstützen in der nordwestlichen Giebelwand, die beim Wiederaufbau nach dem Zweiten Weltkrieg aus den Stützen der zerstörten Fachwerkrahmen gefertigt wurden, wurden Vergleichsproben aus St 48 und St 37 entnommen.

Wenn eine Gefügeumwandlung infolge Brandbeanspruchung stattgefunden hat, müsste sie an diesem Bauteil mit großer Wahrscheinlichkeit nachweisbar sein.
Aus der metallographischen Untersuchung dieser Proben konnte der Schluss gezogen werden, dass die Gefüge keine Kornvergröberung und keine Gefügeentartung durch Brandeinwirkung aufweisen.
Der Vergleich der mechanischen Eigenschaften zwischen den Proben aus den U 300 (St 48) und den zugehörigen Beilagen (St 48) zeigt jedoch, dass die Beilagen bereits zum Zeitpunkt ihrer Walzung generell geringere Festigkeiten aufwiesen, die eine Zuordnung zu St 48 nachträglich in Frage stellen.

Als Grundlage für die aktuelle Nachrechnung wurde deshalb eine statistische Auswertung nach DIN EN 1990 – Grundlagen der Tragwerksplanung, getrennt nach Bauteilen, die eindeutig St 48 zugeordnet werden können, den Beilagen aus „St 48“ sowie den Bauteilen aus St 37 durchgeführt.

Für die drei entnommenen Nietproben wurden aufgrund nicht ausreichender Probenlänge Scherversuche anstelle von Zugversuchen und ergänzende Härtemessungen durchgeführt. Darüber konnten zwei Proben dem Nietwerkstoff St 34, die dritte Probe dem hochwertigen Baustahl St 48 zugeordnet werden. Diese Zuordnung entspricht auch den konstruktiven Anforderungen an die Nietverbindungen an den Entnahmestellen. Die Nietprobe aus St 48 trägt das gemäß Einführung des hochwertigen Baustahls geforderte, erhaben eingeprägte „H“ auf dem Setzkopf.

Die Systemabmessungen des Haupttragwerks konnten, wie oben beschrieben, weitgehend über die Angaben in [1] rekonstruiert werden. Vorort wurden diese im Rahmen einer Begutachtung und Schadensanalyse im Jahr 2015 überprüft und ergänzt.
Hauptziel dieser Untersuchung war die lückenlose Bestimmung der Querschnittswerte des Fachwerks, die stabweise der Beanspruchung angepasst wurden. Unter Verwendung von Profiltabellen aus der Errichtungszeit kamen, neben den üblichen Messmethoden, auch Ultraschallmessungen zum Einsatz, wenn Bleche nur einseitig zugänglich waren.
Für einige unzugängliche Bereiche, wie für die 1950 eingemauerten Stützenfüße, musste bereits ein Teilabbruch der Nachkriegseinbauten vorgezogen werden. Nur wenige Querschnitte konnten bei dieser Untersuchung nicht vollständig bestimmt werden. Für diese Querschnittsteile wurden im Rahmen der Nachrechnung des Tragwerks schlüssige Annahmen getroffen, die der zugrundeliegenden Konstruktionslogik folgen.
 
Diese Annahmen wurden im Zuge der laufenden Baumaßnahme überprüft und angepasst. Ziel der Nachrechnung war der Nachweis des Haupttragwerks mit der ursprünglichen Spannweite, ohne die sichernden Pendelstützen, auf der Grundlage der aktuell eingeführten Technischen Baubestimmungen.

Die Lastannahmen wurden über die Normenteile des EC1 getroffen, die Nachweise für die Bauteile und die Verbindungen wurden nach EC3 Teil 1-1 und Teil 1-8 erbracht. Dafür wurden im Ergebnis der Materialuntersuchungen Zuordnungen zu folgenden Festigkeitsklassen getroffen: U 300-Querschnitte - S 312, Beilagen der U 300 – S 275 und sonstige Bauteile S 235.
Zur Ermittlung der Stabkräfte und zur Nachweisführung fanden zwei Rechenmodelle unterschiedlicher Komplexität Anwendung.
Zum einen wurde der Fachwerkrahmen als ebenes, ideales Gelenkfachwerk, zum anderen als räumliches, Tragwerk mit biegesteifen Knoten unter Berücksichtigung der Oberlicht- und Dachkonstruktion modelliert.

Mit dem Modell des Gelenkfachwerks wurden folgende Berechnungen durchgeführt: Das Fachwerk wurde mit den bekannten Knotenlasten von 1928 und den aktuell ermittelten Stabsteifigkeiten berechnet. Die Ergebnisse wurden mit den lückenhaft vorliegenden Stabkräften von 1928 abgeglichen. Mit den damit vollständig vorliegenden „alten“ Stabkräften wurden Vergleichsberechnungen nach den damals gültigen Vorschriften durchgeführt. Mit den aktuellen Lasten wurden die Stabkräfte nach Theorie I. und II. Ordnung und die maßgebende Lastzusammenstellung für die ständige und vorübergehende Bemessungssituation ermittelt. Dies diente zum einen der Reduktion des Berechnungsaufwandes und zur Ergebniskontrolle für das zweite, komplexere Modell. Zum anderen wurden darüber vereinfachte Nachweise der Fachwerkstäbe als Zugstäbe bzw. als mittig beanspruchte Druckstäbe in der Rahmenebene geführt.

Mit dem zweiten Modell wurde das räumliche Stabilitätsverhalten möglichst realitätsnah abgebildet, um die bereits oben erläuterte elastische Stützung des gedrückten Obergurts senkrecht zur Fachwerkebene durch das Zusammenwirken von Oberlichtkonstruktion und Pfetten zu erfassen. Der oberste Punkt der Fachwerkstütze (Druckstab Si7) besitzt keine Stützung senkrecht zur Fachwerkebene. Er wird durch die anschließenden Fachwerkstäbe quasi poltreu belastet. Auch diese Lagerungssituation wurde mit der räumlichen Modellierung abgebildet.

Das für die Berechnung verwendete Programm NASTRAN berücksichtigt sowohl den Einfluss der Wölbsteifigkeit der offenen, zum Teil einfachsymmetrischen Querschnitte wie auch die versteifende Wirkung der zugbeanspruchten Stäbe auf das Stabilitätsverhalten (Knickeigenwerte und -formen) des räumlichen Stabwerks.

Die Nachweise an diesem räumlichen Modell wurden überwiegend als Spannungsnachweise nach Elastizitätstheorie II. Ordnung unter Ansatz von Imperfektionen geführt. Als globale Imperfektion wurde die Schiefstellung in Rahmenebene als horizontale Ersatzlast aufgebracht. Damit wurden in der ständigen und vorübergehenden Lastkombination die maßgebenden Knickeigenwerte und -formen ermittelt. Die Knickeigenformen wurden anschließend als lokale Imperfektionsfigur, dem Modell eingeprägt und die Berechnung nach Theorie II. Ordnung durchgeführt. Sämtliche Festigkeits- und Stabilitätsnachweise nach konnten für das Haupttragwerk erfolgreich geführt werden.

Für die Druckstäbe wurde die Nachweisform in Abhängigkeit von der Beanspruchungshöhe und der möglichen Versagensform gewählt. Die aufwendigsten Berechnungen mussten für die oben erwähnten Stabilitätsfälle senkrecht zur Rahmenebene durchgeführt werden.Zur Errichtungszeit wurden bereits Berechnungsverfahren für Knickstäbe angewandt, die die seitliche elastische Stützung der Druckgurte über eine Vergrößerung der Knicklänge berücksichtigten. Durch die oben erwähnten Vergleichsberechnungen auf der Nachweisbasis der 1920iger Jahre konnte auch gezeigt werden, dass mit einer Knicklänge gerechnet wurde, die etwa dem 1,5-fachen Abstand der seitlichen Stützungen entspricht. Die Eigenform der aktuellen Berechnung zeigt jedoch eine Knicklänge (Abstand der Wendepunkte der Knickfigur) von mehr als dem 2-fachen des Pfettenabstandes. Infolgedessen kam es bei den Spannungsnachweisen nach Theorie II. Ordnung auch zu einer deutlich höheren Querschnittsauslastung. Da es sich um eine Nietkonstruktion handelt, wurde für die Beilagen der druckbeanspruchten Stäbe auch untersucht und nachgewiesen, dass kein lokales Versagen der Bleche zwischen den Nietungen eintritt.

Gemäß den Konstruktionsprinzipien der Errichtungszeit wurden die Anschlüsse und Stöße nach den aufnehmbaren Kräften der zu verbindenden Bauteile und nicht nach den tatsächlich auftretenden Kräften ausgelegt. Wichtige Anschlüsse und Stöße des Fachwerkrahmens wurden nach aktueller Normung mit ausreichender Sicherheit nachgewiesen.

Die rechnerischen Nachweise wurden durch fortlaufende Inspektion der freigelegten Stahlkonstruktion ergänzt. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf auffällige Bauteilverformungen und die Kontrolle der Verbindungsmittel gelegt. Übermäßig verformte Bauteile wurden ausgetauscht, gerichtet oder verstärkt, fehlende oder schadhafte Niete wurden durch Passschrauben ersetzt.

Die nutzungsbedingten, neuen Tragwerke und Bauteile der Halle wurden eigenständig und losgelöst von der historischen Stahlkonstruktion geplant, sodass auch zukünftig die Baugeschichte der Halle eindeutig ablesbar ist. Durch die Planung von bauphysikalischen Ertüchtigungsma.nahmen in Verbindung mit moderner Haustechnik konnte der Standard „KfW Denkmal“ nachgewiesen werden. Im Zusammenwirken von Erhaltung der historischen Baukonstruktion und einer neuen, energetisch optimierten Nutzung ist die Messehalle 15 ein Beispiel für ressourcenschonendes und nachhaltiges Bauen.

[1] Hertwig, H.: Die Messehalle Nr. 7 in Leipzig. Der Stahlbau 1 (1928), H. 1, S. 2-6.
[2] Ritter, J.: Rekonstruktion und Neunutzung der Messehalle 15 auf dem Gelände der Alten Messe in Leipzig. Stahlbau (2018),
H. 4, S. 382 - 398