Technik, die begeistert

"Bis zur letzten Minute werden noch einmal alle Kapazitäten von Kunst und Technik gefordert. Doch schlussendlich dreht sich auch die letzte Szene – was für ein aufregender Saisonstart!" © Thomas Dashuber
"Bis zur letzten Minute werden noch einmal alle Kapazitäten von Kunst und Technik gefordert. Doch schlussendlich dreht sich auch die letzte Szene – was für ein aufregender Saisonstart!" © Thomas Dashuber

Die Spielzeit 2016/17 startete spektakulär mit der Premiere von Ulrich Rasches Inszenierung von Schillers "Die Räuber". Neben den 19 Darstellern spielt auch die gigantische Bühnenkonstruktion eine Hauptrolle. Wir haben den Konstrukteur Paul Demmelhuber und Michael Brousek, den Leiter der Werkstätten, gebeten, rückblickend die fast einjährige Arbeit für unseren Blog aufzuschreiben. Oder anders gesagt: Die Räuber am Residenztheater – ein Spiel mit Maschinen in 9 Schritten!

Schritt 1: Die Modellabgabe

Ein Vormittag Anfang Januar 2016, im Büro der Technischen Direktion: Ulrich Rasche, Regisseur und zugleich Bühnenbildner, präsentiert uns – der technischen Leitung des Residenztheaters – vier schwarze Pappröllchen und zwei schwarze Depafitplatten. Als wir langsam begreifen, was sie darstellen sollen, bricht erst einmal Schweigen aus: Die Idee sind zwei überdimensionale Laufbänder, die wie Wippen zu beiden Seiten kippen können und in Geschwindigkeit und Laufrichtung regelbar sind. Jede "Laufband-Wippe" ist auf jeweils einem schienengeführten Mittelbock angebracht, der vor- und zurückfahren kann. Alle Bewegungen sind einzeln ansteuerbar und können in die Bewegungsmöglichkeiten unserer Bühnenmaschinerie eingebunden werden. Das Residenztheater verfügt über eine Zylinderdrehbühne mit drei integrierten Podien. Durch Drehungen, aber auch über Heben und Absenken der zu einer Gruppe zusammengefassten Podien sollen die beiden Laufbänder von allen Seiten sichtbar sein. Die Maße: Beide Bühnenbildelemente sind 10 m lang, das breite Band ist 480 cm, das schmale 360 cm breit. Die großen Antriebswalzen (170 bzw. 130 cm Durchmesser) mit ihrem hohen Umschlingungsgrad sind sehr zielführend, es gibt nahezu keinen Schlupf. Die zwei Bänder sollen unabhängig voneinander die Laufrichtung ändern und in einer maximalen Geschwindigkeit von 2,4 m/s laufen können. Gleichzeitig sollen sie 20° kippbar und horizontal 400 cm fahrbar sein. Nach der Vorgabe des Regisseurs müssen bis zu 8 Personen im Gleichschritt auf jedem der Laufbänder gefahrfrei marschieren können.

Schritt 2: Grundsätzliche Überlegungen des Konstrukteurs Paul Demmelhuber

Angetrieben werden die Elemente durch zwei synchron laufenden Elektrohubzylinder für die Kippbewegung, einen Getriebemotor mit Kardanwelle für die horizontale Fahrt sowie einen Motor mit Kette und Antriebsritzel pro Antriebswalze. Schon sehr früh legen wir fest, dass es pro Laufband zwei treibende Walzen geben muss, damit der geforderte Richtungswechsel der Fördergurte realisierbar ist und ein möglicher Schlupf verhindert wird. Für die Steuerung bedeutet dies, dass eine Walze als definierte drehzahlgeregelte Folgeachse der anderen Leitachse mit einer definierten Übersetzung folgen muss, da durch das Band beide Motoren miteinander gekoppelt sind. Da auf der Drehbühne über den Schleifring nur 50 A zur Verfügung stehen, muss der Leistungsbedarf durch kleine Reibwerte und einen geeigneten PE-HD1000-Kunststoffbelag minimiert werden. Somit wird eine Maximalleistung von 11 kW pro Förderband erreicht.

Die Definition der Module, d.h. die prinzipielle Teilung, resultiert aus den Transportmaßen, dem Kippmechanismus, den Gewichten der einzelnen Bauteile und den Ausgangsmaterialien: Böcke, Schienen, Walzen, Plattformmodule, Fördergurte. Ein Laufband teilt sich in je zwei Fördergurte, einerseits um es auf- und abbauen zu können, andererseits um zwischen den beiden Gurten einen 15 cm breiten Steg als "Festland" mit Sicherungspunkten zu haben, an denen sich die Darsteller selbst sichern können.

Schritt 3: Grundsätzliche Querschnittsbestimmungen, errechnet aus den Angaben des Regisseurs zu den Lastfällen – Wo gehen wie viele Personen auf der Stelle?

Die Querschnitte berechnen sich aus den Lastfällen bzw. Kombinationen. Lastfälle sind z. B. Eigenlast, unterschiedliche Verkehrslasten und Betriebslasten. Von diesen müssen kritische Lastkombinationen überprüft und die Querschnitte dementsprechend ausgelegt werden. Dabei helfen Statikprogramme, die die normgerechten Nachweise für den Sachverständigen erbringen. Um die passenden Querschnitte zu bestimmen, sind eine Vorauslegung und eine Nachberechnung notwendig.

Schritt 4: Technische Daten

Allgemeine Angaben
Anlagenanzahl: zwei kippbare und horizontal verfahrbare Förderbänder unterschiedlicher Breite
Produktionszeit: Januar bis Juli 2016

Fahrleistung
Gesamteffektivleistung (pro Förderband): 9,45kW
Gesamtspitzenleistung (pro Förderband): 21,28kW

FU betriebene Asynchronmotoren
Leistung (Trommelantrieb): 3,73kW (Spitze 9,58kW)
Drehmoment: 745,22Nm
Leistung (elektromech. Zylinder): 1,5kW (Spitze 1,92kW)
Drehmoment: 76,80Nm
Leistung (Horizontalantrieb): 0,31kW (Spitze 0,7kW)
Drehmoment: 168,23Nm

Laufband                        
Höchstgeschwindigkeit: 2,4m/s
zulässige Nutzlast: 640kg
Maximaler Kippwinkel: 18°

Kraftübertragung
Getriebe (Trommelantrieb): Stirnradgetriebe i=20,52; Kettentrieb i=5,5625
Getriebe (elektromech. Zylinder): Kegelstirnradgetriebe i=10 u. Kugelumlaufspindel p=10mm
Getriebe (Horizontalantrieb): Stirnradschneckengetriebe i=60,57; Raddurchmesser D=160mm                                      

Menge, Maße, Gewichte
Länge (mm): 10400mm
Breite (mm): 5060mm (breit); 3860mm (schmal)
Höhe (mm): bei maximaler Kippung 4590mm
Horizontaler Fahrweg (mm): 3800mm     

Asynchronmotoren
Leistung (Trommelantrieb): 3,73 kW (Spitze 9,58 kW)
Drehmoment: 745,22 Nm
Leistung (elektromech. Zylinder): 1,5 kW (Spitze 1,92 kW)
Drehmoment: 76,80 Nm
Leistung (Horizontalantrieb): 0,31 kW (Spitze 0,7 kW)
Drehmoment: 168,23 Nm
zulässige Nutzlast: 640 kg
Maximaler Kippwinkel: 18°

Kraftübertragung
Getriebe (Trommelantrieb): Stirnradgetriebe i=20,52; Kettentrieb i=5,5625
Getriebe (elektromech. Zylinder): Kegelstirnradgetriebe i=10 u. Kugelumlaufspindel p=10 mm
Getriebe (Horizontalantrieb): Stirnradschneckengetriebe i=60,57; Raddurchmesser D=160 mm

Schritt 5: Und wie bauen wir das Ganze nun auf? 

Die naheliegende Lösung wäre, die Förderflächen der Laufbänder miteinander zu verschrauben, mit den Zügen anzuheben, die Böcke anzuschrauben und das Ganze auf die Fahrschienen zu setzen. Aufgrund der nicht ausreichenden Traglast der einzelnen Züge und der Schnürbodenabschnitte insgesamt ist dies aber leider keine Option. Deswegen überlegen wir uns folgende Aufbaureihenfolge (Skizze):

Mittelmodul in Züge hängen.
Böcke darunter fahren, mit den Mittelmodulen und den Elektrohubzylindern verschrauben.
Alles hochziehen, Mittelschienen auf das mittlere Hubpodium legen, fixieren, die Züge abfahren und die Böcke auf die Schienen setzen.
Die (anschließenden) Module 1,2 und 4,5 heranfahren und an den zum Mittelmodul angrenzenden Seiten ebenfalls einhängen und auf Spannung fahren.
Jetzt das mittlere Podium abfahren, bis die Schraubhülsenverbindungen der Module auf gleicher Höhe sind. Module 1,2 und 4,5 anschrauben, Walzenmodule heranfahren und ebenfalls verschrauben.
Über das mittlere Podium alles auffahren, die äußeren Schienenelemente auf die Podien legen und mit den mittleren Schienen verschrauben.
Anbringen der Bandtragrollen, Durchfädeln des Fördergurtes, Verbinden der Fördergurtenden.
Spannen der verstellbaren Walze: Je eine der Walzen ist in ihrem Stahlgestell links und rechts in einem Langloch befestigt und kann über eine Trapezgewindestange vor- bzw. zurückgeschoben werden, also ge- oder entspannt werden.

Schritt 6: Fertigungseinzelheiten

Aufgrund dieser Aufbaureihenfolge und Gesprächen mit Kollegen sowie externen Fachleuten können wir Fertigungseinzelheiten festlegen sowie Motoren und weitere Zukaufteile bestimmen. Paul Demmelhuber kann das CAD 3D Modell endgültig fertigstellen und mit den Ableitungen für die Werkstätten beginnen.

Alle vier Antriebswalzen werden als Holzröhren mit 170 cm bzw. 130 cm Durchmesser in der Schreinerei des Theaters hergestellt. Auf einen faltbaren Kern werden 10 cm breite Holzringe aus 22 mm Fichte-Dreischichtplatten mit zwischengeschraubten Distanzplatten aufgezogen, somit entsteht das Trägerskelett für drei verleimte Lagen 4 mm "schwacher" Birkenfurnierplatten. Nach sorgfältigster Fertigstellung wird der Kern zusammengelegt und aus der Röhre gezogen, die nun neben dem Antriebsmoment auch sich selbst und acht Personen trägt. 

Das Antriebsmoment wird über einen Kettentrieb sowie passgenau eingefügte Laufräder auf die Antriebswalzen übertragen. Dabei müssen die Laufräder ohne seitlichen Schlag rundlaufen. Der Kettentrieb ist doppelreihig ausgeführt, um den enormen Kräften Stand zu halten. 

Der Plattformbelag besteht aus 22 mm Fichte-Dreischichtplatten plus 5 mm PE Material als Gleitschicht. Um die Bänder montieren zu können, werden die kleinen Walzen über einen Spannmechanismus, – ein Trapezgewindetrieb –  beidseitig entspannt bzw. für den Betrieb des Bandes gespannt und feinjustiert. Die Walzenaufnahme erfolgt an einer verschiebbaren Rohr-in-Rohr-Führung.

Für die auf den Böcken angebrachten Kipplager wird ein Sinterbronzegleitlager verbaut, so wird die Lagerpressung aufgrund der hohen Last verringert. 

Unsere Probebühne als Montagehalle © ResidenztheaterUnsere Probebühne als Montagehalle © Residenztheater

Schritt 7: Die Fördergurte: Welches Material? 

Als wir die Räuber-Maschinen in unserer zur "Montagehalle“ umfunktionierten Probebühne endlich starten, stoßen wir auf ein weiteres Problem. Die Fördergurte verlaufen stark, teilweise wickeln sie sich ab, "fließen" sogar über den Mittelsteg. Das nachträgliche Hinzuziehen eines externen Fachmanns bringt eine einfache Lösung: Durch partielles Aufkleben von altem Tanzteppich stellen wir aus den perfekten Holzzylindern konische Walzen her, das hält die Fördergurte auf Spur.

Schritt 8: Die Sicherheit

Ein Punkt, der uns ebenso wie die Konstruktion gleich von Anfang an beschäftigt, ist die Gewährleistung der Sicherheit aller Beteiligten. Die 23 Seiten umfassende szenische Gefährdungsanalyse bewertet die Gefährdungspotentiale in Abhängigkeit von Laufbandgeschwindigkeit, Neigung, Absturzhöhe und Abstand zur Absturzkante. Nicht in jeder Szene muss gesichert werden; wenn doch, müssen sich die Darsteller selbst sichern, also einhängen, ähnlich der Verwendung der PSA beim Arbeiten mit Absturzgefahr. In der Mitte jedes Laufbandes sind Bodenanker eingelassen, um eine Sicherung zum Boden zu gewährleisten. Für die Sicherung nach oben hängen Höhensicherungsgeräte zentral im Schnürboden, während im vorderen Bereich der Bühne Stahlseile in zwei Zügen eingehängt sind.

Die Prüfung unserer Anlage nach Betriebssicherheitsverordnung, insbesondere der DGUV 17, 18, erfolgt durch einen unabhängigen, ermächtigten Sachverständigen und beinhaltet Vorprüfung, Bauprüfung sowie die Abnahmeprüfung.

Die erste Unterweisung der Darsteller findet im Rahmen der ersten Konzeptionsprobe am Modell statt. Individuell angepasste Gurte, selbstsichernde Karabiner, Seile zum Einhängen und unser vollständiges Konzept mit seinen bewegungseinschränkenden Möglichkeiten stellen wir dem versammelten Ensemble vor. Dies ist nur die erste von vielen Unterweisungen, situativ finden sie auch im laufenden Spielbetrieb vor den Vorstellungen statt.

Über die eben beschriebenen Maßnahmen hinaus können wir konstruktiv bedingte Gefährdungen (zahlreiche Quetsch- und Scherkanten) organisatorisch verhindern, d. h. beide Laufband-Wippen zu jeder Zeit von allen Seiten lückenlos beobachten und ggf. zum Stillstand bringen. Natürlich gilt diese Anforderung auch für eventuelle Stürze der Darsteller auf den Bändern oder eine Nichtnutzung der vereinbarten Sicherungen. Zu diesem Zweck gibt es vier mit Not-Aus-Tastern ausgestattete eingewiesene Wachposten an den vier Ecken des Bühnenraums, davon zwei auf den Galerien. Die Ermittlung der Verzögerungszeiten bei den Not-Aus-Betätigungen und der geplanten Brems- und Beschleunigungsrampen nimmt viel (Diskussions-)Zeit in Anspruch.

Schritt 9: Die Steuerung

Die Steuerung basiert auf einer fehlersicheren S7-1500 von Siemens. Da sie zur szenischen Beförderung von Darstellern eingesetzt wird und große Gefahren vom Betrieb der Maschine ausgehen, muss hier das Sicherheitsintegritätslevel 3 (SIL 3) zum Einsatz kommen. Paul Demmelhuber übernimmt die gesamte Programmierung, zunächst konfiguriert er die Bedienoberfläche und gibt die grundsätzlichen Fahrwege und Höchstgeschwindigkeiten für die einzelnen Antriebe ein. Auch einen Handmodus richtet er ein, in dem jeder Motor einzeln gefahren werden kann, um den Bühnenaufbau zu erleichtern. Der nächste Schritt, alle Bewegungen gleichzeitig stattfinden zu lassen und alle Fahrsätze speicher- und änderbar auszuführen, ist eine besondere Herausforderung. Aber auch dies gelingt schließlich, und nun steht einer finalen Speicherung der Bewegungsabfolgen nur noch der stete künstlerische Wunsch nach Änderungen entgegen. Insgesamt 47 verschiedene Stände gilt es zu inszenieren, organisatorisch auszuarbeiten und anschließend mit folgenden Parametern einzupflegen:

- Drehbühne: Drehrichtung, Position und Geschwindigkeit
- Podien: Position für Auf- oder Abfahrt, Geschwindigkeit

Folgende Parameter sind jeweils zwei Mal, meist asymmetrisch oder gegenläufig einzugeben:
- Bänder: Laufrichtung, Geschwindigkeit
- Kippmechanismus: Neigungswinkel zu beiden Seiten, Kippgeschwindigkeit
- Horizontalfahrt: Verfahrweg, Geschwindigkeit

Der zeitliche Druck für alle Beteiligten ist enorm, bis zur letzten Minute werden noch einmal alle Kapazitäten von Kunst und Technik gefordert. Doch schlussendlich dreht sich auch die letzte Szene – was für ein aufregender Saisonstart!