Mit Hochtechnologie hoch hinaus 01.03.2019, 14:26 Uhr

Aufzugstechnik für Giga-Gebäude stellt Ingenieure vor Schwierigkeiten

Mit immer höher werdenden Gebäuden steigen die Anforderungen an die Aufzugstechnik, Menschen und Lasten in immer größere Höhen zu befördern, stellt Ingenieure vor Herausforderungen. Denn längere Aufzugschächte und entsprechende Seillängen stehen ebenso auf dem Wunschzettel der Bauherren wie Ansprüche an hohe Geschwindigkeiten und Passagierkomfort. Eine Herausforderung, an der Bauingenieure weltweit arbeiten.

Aufzüge an der Außenseite eines Giga-Hochhauses

Foto: panthermedia.net/idcde

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Angefangen beim Personenlift bis hin zum vertikalen Lastentransportmittel, erfüllen Aufzüge die vielfältigsten Anforderungen. Dabei stehen sich häufig Komforteigenschaften und Nutzen gegenüber. Doch die moderne Architektur stellt Aufzugsanlagen vor ganz neue Herausforderungen: Physik und Architektur, die Aufzüge funktionstüchtig halten, stoßen langsam an ihre Grenzen. Denn Giga-Gebäude stellen ganz andere Anforderungen an die maximale Tragkraft, das Fassungsvermögen und die Geschwindigkeit einer Aufzugsanlage als ein Zehnparteienhaus.

Ingenieure arbeiten deshalb an Lösungen für Giga-Aufzüge, angefangen beim generellen Luftwiderstand des Gebäudes über den Druckausgleich in der Kabine bin hin zu Ansprüchen an das Material, aus dem das Tragseil besteht. Immerhin ragen Wolkenkratzer heute mehrere 100 Meter in die Höhe. Der Burj Khalifa in Dubai etwa misst stattliche 828 Meter und führt damit noch die Spitze der Rangliste der zehn höchsten Gebäude der Welt an. Die effiziente Erschließung solcher Giganten erfordert leistungsfähige Transportsysteme. Um die Planung und Installation von Aufzuganlagen, die besondere Höhen erreichen sollen, übernehmen häufig Ingenieure – mit Sachverstand und minutiöser Planung.

Anfänge der Aufzugstechnik – von Paternostern und Schiffshebewerken

Der erste weltbekannte Aufzug war der Paternoster. Er wurde 1876 im Londoner „General Post Office“ in Betrieb genommen. Das Alleinstellungsmerkmal des Paternosteraufzugs ist die ständige Bewegung der Kabinen im vertikalen Zustand. Die Fahrkabinen werden durch zwei Ketten bewegt. Am jeweils oberen und unteren Ende der beiden Schächte befinden sich Scheiben, die die Kabinen auf die andere Bahn lenken.

Das Prinzip des Paternosteraufzugs beruht auf dem Becherwerk-Prinzip, das auch heute noch bei Bergarbeiten eingesetzt wird. Becherartige Schubkarren werden an einer Kette befestigt und greifen am unteren Ende des Schachts in die zu befördernde Warenmenge. Anschließend wird sie hinaufgezogen und beim Umklappen am oberen Ende des Korridors in den Zielschacht befördert. Um dieses Prinzip auch für den Personentransport nutzbar zu machen, wurden zwei Ketten an den Kabinen befestigt, sodass sie senkrecht in den zweiten Aufzugsschacht übergehen können.

Eine viel ältere Methode, die dem Prinzip des Paternosters ebenfalls zugrunde liegt, ist das Schiffshebewerk. Es wird allgemein in Trocken- und Nasshebewerk unterteilt. Das Trockenhebewerk fand bereits im alten Ägypten Anwendung. Dabei wurden Boote und Schiffe aus dem Wasser gehoben und über Land geschleppt, um Stromschnellen des Nils zu umgehen. Der Reibungswiderstand der Schiffe wurde dabei verringert, indem Holzbalken oder Rollen entweder vor dem Wassergefährt ausgelegt oder daran montiert wurden.

Trotz der gemeinsamen Aufgabe, Personen und große Lasten zu transportieren, unterscheiden sich Aufzüge grundlegend in ihrer Technik.

Antriebstechnik – das Zahnrad hinter dem Aufzug

Je nach Gebäudehöhe, Leistungsspektrum und Art der zu befördernden Masse werden unterschiedliche Antriebstechniken in Aufzügen eingesetzt. Wir unterscheiden zwischen:

  1. Seilaufzug
  2. Hydraulikaufzug
  3. Zahnstangenaufzug
  4. Vakuumaufzug
  5. Seilloser Aufzug

Seilaufzug

Das erste und noch immer am weitesten verbreitete Antriebssystem bei Aufzügen ist der Seilaufzug. In dieser Kategorie befindet sich auch der sogenannte Trommelaufzug, der früher am häufigsten zum Einsatz kam. Das Seil, das an der Fahrerkabine befestigt war, wurde auf einer Trommel aufgerollt. Am anderen Ende des Zugseils befand sich ein Gegengewicht zum Ausbalancieren. Zu den vielen Nachteilen dieser Technik gehörte allerdings, dass die Größe der verwendeten Trommel die eigentliche Förderhöhe limitierte. Es konnten also keine sonderlich großen Höhen erreicht werden. Aufgrund des einzigen Tragseils bestand für die Fahrgäste außerdem ein größeres Risiko abzustürzen, sodass dieses System schnell durch den Treibscheibenaufzug ersetzt wurde.

Der Treibscheibenaufzug ist ein aufgewerteter Trommelaufzug, der im Unterschied zum Original für höhere Gebäude geeignet. Das Tragseil, das ebenso ein Gegengewicht am anderen Seilende trägt, wird über eine angetriebene Rolle, die „Treibscheibe“, geführt. Üblicherweise liegen die Maschinenräume nahe der Treibscheiben über dem Aufzugsschacht. Aufgrund der tragenden Rolle der jeweils oben liegenden Rollen, könnte er durch Umlenkrollen allerdings auch in der Mitte oder unterhalb des Schachts angeordnet werden.

Hydraulikaufzug

In Hydraulikaufzügen werden die Kabinen durch Hydraulikkolben bewegt. Dabei existieren zwei Varianten. Beim direkten hydraulischen Antrieb besteht eine direkte Verbindung zwischen Kabine und Kolben. Bei der indirekten Variante wird die Kraft über Tragseile und Rollen übertragen. Diese Bauart erreicht ihre maximale Förderhöhe durch die Länge des Kolbens, weshalb sie ausschließlich bei geringeren Höhen eingesetzt wird. Ab einer Distanz von 25 Metern ist der Hydraulikaufzug in der Realisierung nicht mehr wirtschaftlich. Der große Vorteil liegt darin, dass im Betrieb fast ausschließlich der Boden belastet wird und nicht die Decke. Deshalb ist die Nutzung zum Beispiel in Altbauten oder bei geringen Platzverhältnissen möglich.

Zahnstangenaufzug

Speziell für den Einsatz am Bau und bei Personenbergungsarbeiten vorgesehen, ist der Zahnstangenaufzug eine transportable Lösung. Der Aufzug wird üblicherweise durch einen 230- oder 400-Volt-Elektromotor angetrieben, der sich direkt an der Kabine befindet und per Taster aktiviert wird. Dadurch kann der Fahrgast die gewünschte Förderhöhe exakt anfahren. Die Funktion ist simpel. Auf einer Zahnstange bewegt sich die Kabine mit Hilfe eines Zahnrads fort. Das Drehmoment des Motors wird über ein Getriebe erhöht. Dadurch ist es möglich, Lasten von mehreren Hundert Kilogramm zu befördern.

Vakuumaufzug

Das Prinzip des Vakuumaufzugs basiert im Wesentlichen auf Druckluft-Zuschüsse, ähnlich wie bei der Rohrpost. Die Kabine wird durch Luftdruck hinauf und hinab befördert. Der Vorteil bei diesem Antriebssystem sind besonders sanfte Start- und Stoppphasen, sowie platzsparende Einbauten. Allerdings kann ein solcher Aufzug nur maximal ein bis zwei Personen befördern und erreicht oftmals nicht mehr als 10 Meter Förderhöhe. Diese Art der Aufzüge wird dementsprechend meist in Ein- und Zweifamilienhäusern sowie bei Schiffen eingesetzt.

Seilloser Aufzug

Die letzte Antriebsart wird „seilloser Aufzug“ genannt. Thyssenkrupp Elevator stellte 2017 den ersten seillosen Aufzug vor, die Technologie befindet sich derzeit allerdings noch in der Entwicklung. Bei dem Prinzip wird an einem Magnetfeld-Verfahren gearbeitet, das mehrere Aufzugskabinen in einem Schacht unabhängig auf- und abfahren lässt. Auf externe Motoren, Zugseile und Hydraulik sowie Pneumatik wird verzichtet. Neben der platzsparenden Bauart sollen mehrere Kabinen pro Schacht und horizontale sowie diagonale Übergänge in andere Schächte – ähnlich des Paternosters – möglich sein. Im Vergleich zu herkömmlichen Aufzügen zeichnen sich die seillosen Anlagen durch einen geringeren Materialverschleiß und geringere physikalische Belastungen aus. So sollen seillose Aufzüge ohne weitere Komplikationen extreme Höhen mit wenig Zeit- und Energieaufwand erreichen.

Richtlinien und Normen, die Aufzugsanlagen betreffen

Alle bisher benannten Antriebstechniken vereinen einen ausschlaggebenden Schwachpunkt – die Förderhöhe. Während einige Systeme wie der Treibscheibenaufzug ohne viel Aufwand größere Höhen erreichen können, ist der Materialverschleiß nicht ökonomisch. Aufzugssysteme dieser Art sind umständlich und müssen häufig gewartet werden. Sie müssen in großen Höhen außerdem extremen physikalischen Gesetzen und den allgemeinen Bestimmungen und Normen für Aufzüge Stand halten. Ungeachtet der Bau- und Antriebsart eines Aufzugs werden die technischen Anforderungen komplexer, je höher die Fahrstrecke oder das Gewicht der zu transportierenden Fracht werden. Umfangreiche Seilzugsysteme unterliegen in Deutschland zudem maßgebenden Richtlinien und Sicherheitsvorschriften.

Eine umfangreiche Norm bildet die Aufzugsrichtlinie 2014/33/EU, die vom Europäischen Parlament und dem Rat zur Angleichung der Rechtsvorschriften der europäischen Mitgliederstaaten verfasst wurde. Sie beinhaltet alle Vorschriften des Baus und des Vertriebs von Aufzügen. Es wird akkurat festgelegt, ab wann ein System als fertig, betriebsbereit und geprüft gilt. Die Richtlinie bezieht sich ebenso auf im Ausland entwickelte und hergestellte Aufzugssysteme, die in Deutschland installiert werden. Die Richtlinie gibt vor, dass alle Systembauteile stets durch Fachpersonal überprüft werden müssen. In bestimmten Zeitabständen muss zudem durch einen unabhängigen Sachverständigen ein Gutachten durchgeführt werden, um die Sicherheit des Transportmittels zu gewährleisten.

Eine weitere Sicherheitsnorm, die maßgeblich für den Bau, den Betrieb und die Instandhaltung von Aufzuganlagen beachtet werden muss, ist die Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV). Sie soll den sicheren Betrieb der Aufzugsanlage gewährleisten. Dies wird durch eine Gefährdungsbeurteilung erreicht, bei der zusätzlich alle externen Sicherheitseinrichtungen inspiziert werden, zum Beispiel Überdrucklüftungsanlage oder Notstromversorgung. Des Weiteren müssen Notfallplan, EG-Konformitätserklärung und technische Unterlagen vorliegen. Nach bestandener Abnahme erhält jede Anlage eine Kennzeichnung in Form einer Prüfplakette.

Schließlich gibt es die Richtlinie Technische Regeln für Betriebssicherheit (TRBS). Sie beinhaltet eine Reihe technischer und organisatorischer Maßnahmen zum sicheren Betrieb von Aufzugsanlagen. Im Rahmen ihres Anwendungsbereichs konkretisiert TRBS die notwendigen Anforderungen der Betriebssicherheitsverordnung.

Trotz der strengen Auflagen, die eine sichere Aufzugsbeförderung in Deutschland garantieren sollen, darf jederzeit gegen einzelne Normen Widerspruch eingereicht werden, falls diese im Einzelfall nicht zum Tragen kommen. Das setzt allerdings auch voraus, dass die Sicherheitsnormen fortlaufend modifiziert werden, um neue Entwicklungen einbeziehen zu können.

Anforderungen an Aufzugssysteme in Giga-Gebäuden

Hochhäuser sind darauf angewiesen, Personen und Lasten per Aufzug in die Höhe zu befördern. Das Prinzip des Seilaufzugs ist dabei nach wie vor das am häufigsten genutzte System – auch in Giga-Gebäuden. Die Höhen stellen diese Art der Beförderung jedoch vor Herausforderungen, nicht nur hinsichtlich der Antriebstechnik, sondern auch bezüglich des Materials, aus dem das tragende Seil besteht. Doch auch bei Sicherheitsaspekten und im Fahrkomfort spielen Aufzüge in Wolkenkratzern in einer anderen Liga. Hochtechnologische Entwicklungen ermöglichen die Erschließung der zahlreichen Etagen von Giga-Gebäuden. Intelligente Steuerungstechnik misst und regelt eine Vielzahl an Parametern wie die Geschwindigkeit oder das Gesamtgewicht der Kabine, um die Aufzugskabine sicher in der Spur zu führen oder den Innendruck konstant zu halten.

Material und physikalische Grenzen

Es gibt eine ganze Reihe physikalischer Grenzen, die beim Aufzugbau in Wolkenkratzern eine tragende Rolle spielen. Giga-Gebäude folgen immer derselben Form. Sie haben eine stabile Grundfläche und verjüngen sich nach oben hin. Dadurch verringert sich der Luftwiderstand, der in größeren Höhen eine nicht zu vernachlässigende Konstante bildet. Dies führt jedoch auch dazu, dass die Wolkenkratzer bei Windspitzen schwanken – ein Problem für den Aufzugschacht, der sich dabei, wenn auch nur um Zentimeter, bewegt. Schwingungsdämpfer in Form eines Pendels reduzieren diese Auslenkung. Zudem bietet die Bauform von Wolkenkratzern, vor allem im oberen Bereich nur noch wenig Platz. Aus diesem Grund reduziert sich die Zahl der Schächte in den höher gelegenen Etagen. Die Spitzen der Gebäude sind in vielen Fällen gar nicht durch Aufzüge erschlossen.

Elektronische Mess- und Regelsysteme ermöglichen das Erkennen von Unregelmäßigkeiten und deren Korrektur. Diese Systeme überwachen die Antriebstechnik und gewähren den Passagieren eine sanfte Beschleunigung. Die hohen Geschwindigkeiten erfordern auch die Berücksichtigung von Luftdruck und Aerodynamik. Viele Aufzugssysteme sind mit Druckkabinen ausgestattet, welche die Fahrgäste vor Druckveränderungen im Schacht schützen. Die Kabinen sind dabei mit luftdichten Türen versehen. Ein Kompressorsystem sorgt für künstlichen Druckausgleich.

Die größte Herausforderung jedoch liegt nach wie vor in der Zugseiltechnik. Über die Jahre haben sich Stahlseile als Kabinenträger etabliert. Hitze, Vibrationen und Dehnung führen im regelmäßigen und langfristigen Betrieb jedoch zu vorzeitiger Materialermüdung. Aufzugssysteme müssen deshalb häufiger gewartet und nachjustiert werden. Das größte Problem ist aber das hohe Eigengewicht des Stahls, das bei großen Höhen zum Tragen kommt. Je länger das Stahlseil ist, desto schwerer wird es und kann den Belastungen nicht mehr Stand halten.

Kohlenstofffaser als alternatives Zugseil

Es gibt eine Alternative, um die Seilzugtechnik auch in weitaus höheren Gebäuden einzusetzen. Bekannt ist das Material schon seit über zwei Dekaden und wird seitdem vornehmlich im Flugzeugbau und in der Automobilbranche eingesetzt. Die Rede ist von Kohlenstofffaser. Seile aus Kohlenstofffaser weisen im Vergleich zu Stahlseilen ein wesentlich geringeres Eigengewicht auf und sind ebenfalls Lastenträger. Kohlenstofffasern besitzen eine Zugfestigkeit von über 3.500 Newton pro Quadratmillimeter, mehr als das Doppelte von legiertem Stahl. Die Dichte liegt mit nur 1,8 Gramm pro Kubikzentimeter weit unter der von Metallen. Verglichen mit Stahlseilen ergibt sich durch den Einsatz von Kohlenstofffaserseilen eine Gewichtsreduktion von bis zu 60%. Dies erhöht nicht nur Förderhöhe und Leistung des Aufzugssystems, sondern besitzt ein Energieeinsparpotenzial von bis zu 30%. Das Seil selbst besteht aus tausenden Einzelfasern, die durch eine Ummantelung aus Kunststoff, beispielsweise Polyurethan, geschützt werden. Bislang rentiert sich das Material übrigens nur in Aufzugsanlagen von Giga-Gebäuden, da die Herstellung der Kabel sehr kostspielig ist.

Ein Tragseil aus Kohlenstofffaser ist zwar in der Lage, größere Höhen als Stahl zu ermöglichen, es ist jedoch auch nicht unendlich lang. Das Material wird durch sein Eigengewicht ebenso an seine Grenzen stoßen. Bisher war es möglich, mit einem Stahlseil Höhen von bis zu 500 Metern zu überwinden. Nach jetzigem Forschungsstand wäre aktuell in etwa die doppelte Reichweite mit dem Tragseil aus Kohlenstofffasern möglich. Ab dieser Länge reichen die atomaren Bindungskräfte auch da nicht mehr aus. Das Resultat: Das Seil gibt nach.

Ein Ausblick in die Zukunft

Die meisten uns heute bekannten Aufzüge sind technisch kaum ausgereift genug, um Personen in die obersten Stockwerke zukünftiger Giga-Gebäude zu befördern. Eine Alternative, um Gebäude dieser Größenordnung mit Aufzugsanlagen auszustatten, wäre die Magnetschwebetechnik, wie sie Thyssenkrupp Elevator 2017 präsentierte. Die höchsten Etagen könnten auf diese Weise innerhalb von Minuten erreicht werden und der Energieaufwand wäre vergleichsweise gering. Mit einer übersichtlichen Anzahl an Schächten kann das Aufzugssystem platzsparend in nahezu jedes Gebäude integriert werden – vertikal, horizontal sowie diagonal.

Selbst ins All soll ein Aufzug eines Tages führen. Auch wenn das nach heutigem Stand der Technik noch nicht möglich ist, Japaner experimentieren auf der ISS mit dem Weltraum-Aufzug. Doch der Gedanke des „Space Elevators“ ist bereits viel älter. Schon 1895 erdachte Weltraumpionier Konstantin Ziolkoski den Aufzug und schließlich griff ihn die Nasa in den Jahren 2005 bis 2009 im Rahmen der Elevator:2010-Wettbewerbe erneut auf. In diesem Szenario sollte ein Seil zwischen einer Erden- und einer Weltraumstation gespannt werden, an dem eine Fahrkabine ohne Raketenantrieb senkrecht Güter und sogar Menschen transportieren könnte. Die Fliehkräfte des äußeren Orbits und die starke Gravitation der Erde würden das Seil spannen und so einen ständigen Fluss der Kabine garantieren. In Verbindung mit der Magnetschwebetechnik wäre diese Idee tatsächlich etwas einfacher und energiesparender zu realisieren.

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