Übersicht über den Status Quo des modernen Membranbaus

Kurzfassung

Case Study im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen/Master

Fachhochschule Rosenheim

Übersicht über den Status Quo des modernen

Licht, Transparenz und Leichtigkeit zählen zu den Schlagwörtern zeitgenössischer Architektur. Um diesem Anspruch gerecht zu werden, setzten immer mehr Architekten und Bauherren auf das Bauen mit Membranen. Diese nehmen heute im Bauwesen eine so wesentliche Stellung ein, dass sie neben Stahl, Glas, Holz und Stein bereits als fünfter Baustoff bezeichnet werden. Ein besonders innovatives Einsatzfeld ist die Membranarchitektur. Wissenschaftlich ist dieser Bereich bisher wenig erforscht. Darin liegt jedoch eine Chance für das Fraunhofer Institut für Bauphysik (IBP) dieses neue wissenschaftliche Forschungsfeld zu erschließen und als neuen Forschungsschwerpunkt auszubauen. Hierfür sind zum einen grundlegende Kenntnisse der Membranbautechnologie erforderlich, wie beispielsweise die Eigenschaften marktüblicher Werkstoffe und die konstruktiven Grundlagen dieser Bauweise.

In der vorliegenden Case Study werden hierfür die Grundlagen der Membranbauarchitektur recherchiert und für das IBP verfügbar gemacht. Im Einzelnen wird der Stand der Technik sowohl auf dem Gebiet der Membranwerkstoffe als auch die Grundlagen der Bauweise aufgezeigt. Dadurch wird der Bedarf der Forschung im Membranbausektor verdeutlicht. Das Ziel dieser Arbeit war das Aufzeigen der Elemente die in der Membranbautechnologie eine primäre Rolle spielen. Einerseits wurde das Material für den Membranbau spezifisch aufgezeigt und beschrieben, denn ohne diese Recherche und die damit verbundenen Resultate wäre eine weitere Analyse der Membranen nicht möglich. Zum anderen wird für das IBP der Stand der Technik, speziell hier in dieser Arbeit, die Vorspannung vorgeschlagen um so den Zusammenhang zwischen Material und Technik zusammen fließen zu lassen.

Holzkirchen, 28.10.2005

  Einleitung - 3 -  

  INHALTSVERZEICHNIS  

1  EINLEITUNG  5

1.1  URSPRUNG DES MEMBRANBAUS  6

1.2  DAS PRINZIP DES LEICHTBAUS  7

1.3  EINTEILUNGSBEREICHE DER MEMBRANEN  8

2  DAS MATERIAL: MEMBRANE  9

2.1  UNBESCHICHTETE GEWEBE  9

2.1.1  Baumwollgewebe  11

2.1.2  Fluorpolymergewebe  12

2.2  BESCHICHTETE GEWEBE  12

2.2.1  Fluorpolymergewebe  12

2.2.2  PVC besichtete Polyestergewebe (PVC PES)  13

2.2.3  PTFE beschichtete Glasfasergewebe (GF)  13

2.2.4  Silikonbeschichtete Glasfasergewebe (GF)  14

2.2.5  PVC beschichtete Aramidfasergewebe  14

2.3  FOLIEN  15

2.3.1  Grundlagen  15

2.3.2  Fluorpolymerfolien  15

2.3.2.1  ETFE Folien (Ethylen-Tetrafluorethylen)  15

2.3.2.2  THV Folien  16

2.3.3  PVC Folien (Polyvinylchlorid)  16

2.3.4  Bemerkung  16

3  VORSPANNUNG  17

3.1  PRINZIP DER VORGESPANNTEN MEMBRANFLÄCHEN  17

3.2  STABILITÄT DURCH VORSPANNUNG  17

3.3  BESCHREIBUNG DER LASTABTRAGUNG  18

3.4  KRÜMMUNG  19

3.5  DIE MECHANISCHE VORSPANNUNG  21

3.5.1  Segel  21

3.5.2  Wellenfläche  22

3.5.3  Bogenfläche  22

3.5.4  Hochpunktfläche  23

3.6  DIE PNEUMATISCHE VORSPANNUNG  23

3.6.1  Luftgetragene Konstruktionen (Ballonkonstruktion)  24

3.6.2  Luftgestützte Konstruktionen  25

3.6.2.1  Kissenkonstruktionen  25

3.6.2.2  Schlauchkonstruktionen  26

3.6.3  Pneus als Gusformen  27

  Master Thesis Berzl Stefanie Dipl Ing (FH)  

  Einleitung - 4 -  

4  FAZIT:  28

5  VERZEICHNISSE  29

5.1  LITERATURVERZEICHNIS  29

5.2  ABBILDUNGSVERZEICHNIS  31

5.3  TABELLENVERZEICHNIS  32

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Einleitung - 5 -

1 Einleitung

„Leicht bauen bedeutet nicht nur Minimierung von Masse, Material und Energie, sondern immer auch, anpassungsfähig, veränderbar und damit vergänglich zu bauen“. Frei Otto

Die architektonisch ansprechenden Eigenschaften einer transparenten Dachkonstruktion beziehen sich auf die Reflexion, Absorption und Transmission des Sonnenlichts, insbesondere im Bereich des sichtbaren Spektrums. Die meisten dieser freigeformten Dächer der letzten Jahre entstanden in enger Zusammenarbeit zwischen Architekt und Ingenieur. In mehreren Iterationsschritten wurde dabei die vom Architekten geschaffene Ursprungsform so lange angepasst, bis sich schließlich eine ästhetisch, wirtschaftlich und statisch optimierte Lösung ergab.

Aus diesen Wechselbeziehungen zwischen Entwurf und Tragwerk, sowie zwischen Form, Material und Beanspruchung haben die letzten Entwicklungen hauptsächlich in der Glas- herstellung und Glasbautechnik dazu beigetragen den Spielraum für die Gestaltung von Konstruktionen in der Architektur wesentlich zu erweitern.

Die Formgebung / Formfindung der Dachstruktur ist durch den Einsatz von leistungsfähigen FE-Programmen (= Finite Elemente Programmen) nicht mehr als Kernpunkt der Planung einzustufen.

Vielmehr orientieren sich die Planungsbüros heutzutage nach neuen Möglichkeiten Transparentbauten (v. A. Glas) durch signifikante Reduktion der lastabtragenden Sekundärstruktur zu planen. Diese Minimierung des Materialverbrauchs bei gleichzeitiger Maximierung der Transparenz lässt auch die Membrankonstruktion in den Vordergrund treten.

Diese spezielle Mischung aus organischer Gestalt und künstlerischer Konstruktion hat einen ganz besonderen Reiz, den auch viele Künstler zu nutzen verstanden haben. So sind bei ihren Projektpräsentationen Schlagwörter, wie etwa Leichtigkeit oder Transparenz als Definition der „textilen“ Innen- und Außenräume entstanden.

Trotzdem nimmt in der Baupraxis das Bauen mit Membranen insgesamt nur einen sehr geringen Anteil am umgesetzten Bauvolumen ein. Zudem erfordert membranes-Bauen Spezialwissen, das praktisch an der Hochschule nicht gelehrt wird.

Beides sind Gründe, die den Membranbauten eine exotische Note verleihen. Dies zeigte sich auch bei der Recherche nach neuartigen Entwicklungen auf diesem Gebiet. Hinführend auf die gleichen Fragestellungen wie im Glasbau: nach Nutzerkomfort und Langlebigkeit, hat die Forschung im Membranbau die selbigen zu klären.

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Einleitung - 6 -

1.1 Ursprung des Membranbaus

Die heutige Membranbautechnik findet ihren Ursprung weit zurück in der elementaren Behausung der Indianer oder andere Nomadenstämme. Infolge ihrer ständigen Ortswechsel wurden mobile Strukturen aus hölzernen Stangen und aufgespannten Tierhäuten errichtet, die als Hauptsache der Grundanforderungen des Witterungsschutzes dienten. Die Urform des „Dach über dem Kopf“ ist das Zelt, das in seinen Formen die zwei Komponenten der Anpassungsfähigkeit – Mobilität und Wandelbarkeit – vereinigt.

Abbildung 1: Beduinen Zelt [1]

Mit der Entwicklung der Hochkulturen haben die Zelte teilweise ihre primäre Funktion verloren und werden als öffentliche, höfische sowie militärische Objekte genutzt. Dieser Trend erhielt erst einen bedeutsamen Schub im 20. Jahrhundert durch die Industrialisierung. Es entwickelte sich ein Bedarf an großen temporären Hallen für kulturelle und gewerbliche Zwecke. Aus den Zelten und Schattendächern der Vergangenheit sollte sich eine Vielzahl von Nutzungsmöglichkeiten ergeben. Der deutsche Architekt und Ingenieur Frei Otto erkannte frühzeitig die Besonderheit dieser Bauweise als nichtorthogonale, organisch anmutende Formsprache, die innerhalb einer material- und tragwerksgerechten Konstruktion zu finden ist. Es folgten zahlreiche Veröffentlichungen über Pneus (= Traglufthalle), zugbeanspruchte Konstruktionen, gegensinnige Krümmung (siehe Kapitel 3.4), Vorspannung, die als Grundprinzipien dieser Entwicklung gelten [17]. Parallel, rasante Weiterentwicklungen der Materialien, führten dazu, dass bis heute der ungebrochenen Trend zur Verbreitung membraner Bauwerke nicht abgenommen hat. Im Gegenteil, durch Erschließung neuer Einsatzbereiche, wie z. B. Gebäudehüllen mit mikroklimatischen Eigenschaften (Simulation von Regenwald) muss die Forschung wichtige Fragestellungen im Bereich der Bauphysik beantworten.

Die Untersuchungen von Flächentragwerken als gewichtsreduzierte obere Raumabschlüsse verfolgt das Ziel, eine Fläche in der Weise zu überspannen und zu stabilisieren, dass die Fläche mit einem Minimum an Gewicht auskommt.

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Einleitung - 7 -

1.2 Das Prinzip des Leichtbaus

Entscheidend für die Zeltkonstruktionen sind die Form der Membranfläche und ihre Stützung. Die Membranfläche muss eine gegensinnige und ausreichende Krümmung (siehe Kapitel 3.4) aufweisen, damit die äußeren Lasten wie Schnee und Wind abgetragen werden können, ohne große Verformungen zu verursachen [10]. Die Stützung und die Ausbildung der Ränder müssen bestimmten Gesetzmäßigkeiten folgen, damit sie keine Spannungen in der Membran verursachen und diese nicht reißt. Die Membran braucht eine Vorspannung, damit aus dem biegeweichen und extrem dünnen Material ein ausreichend steifes Tragwerk entsteht. Die Form der Membranfläche ist primär und bestimmt den Kraftfluss.

Das geringe Eigengewicht der Membran ist in Verbindung mit Luft als „tragender“ Baustoff die Voraussetzung für den Ultraleichtbau und bietet damit die Möglichkeit große Räume zu überspannen. Die kurze Bauzeit, der einfache Transport und die Verzichtbarkeit auf spezielle Hebezeuge pneumatischer Konstruktionen für den Einsatz als beliebig oft wiederverwendbare und temporäre Bauwerke zeigen weitere Vorteile auf.

In Experimenten mit Seifenblasen wurde eine Methode entwickelt, Membranflächen modellhaft zu erzeugen. Destilliertes Wasser mit einigen Tropfen Spülmittel bildet sehr dünne und relativ stabile Seifenhaut. Taucht man einen geschlossenen Rahmen in die Flüssigkeit und zieht ihn vorsichtig wieder heraus, bildet sich eine dünne Membran aus Seifenwasser. Beschreibt der Rahmen eine Raumkurve, dann bildet die Seifenhaut eine räumlich gekrümmte Fläche [15]. Die so entstehende Membran hat ganz bestimmte physikalische und geometrische Eigenschaften.

Durch die wirkenden Kräfte zwischen den einzelnen Molekühlen zieht sich die Seifenhaut immer in eine Form, in der die Flächenspannungen an jeder Stelle und in jeder Richtung gleich sind.

Die Seifenhaut ist überall antiklastisch (siehe Kapitel 3.4). An jedem Punkt sind die beiden Hauptkrümmungsradien betragsmäßig jeweils gleich groß. Das bedeutet gleichzeitig, dass die Form der Seifenhaut eine Gleichgewichtsfigur darstellt für einen in alle Richtungen gleichen und über die gesamte Fläche konstanten Vorspannungszustand. Darüber hinaus ist die entstehende Fläche gleichzeitig diejenige, welche den kleinstmöglichen Flächeninhalt innerhalb einer geschlossenen Raumkurve bildet [2]. Sie wird aus diesem Grund „Minimalfläche“ genannt. Diese Gesetzmäßigkeiten werden in besonders reiner Form verwirklicht, wenn die Seifenhaut sehr dünn ist und damit das Eigengewicht der Haut einen geringen Einfluss auf die Form hat. Die Form der Seifenhaut entsteht bei vorgegebenen Randbedingungen von selbst und unmittelbar.

„Leichtbau ist zunächst eine Absichtserklärung: aus funktionalen oder ökonomischen Gründen das Gewicht zu reduzieren oder zu minimieren, ohne die Tragfähigkeit, die Steifigkeit oder andere Funktionen der Konstruktion zu schmälern oder, was schließlich dasselbe bedeutet: die Tragfunktion ohne Gewichtszunahme zu verbessern“ [27].

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Das Material: Membrane - 8 -

1.3 Einteilungsbereiche der Membranen

Die generelle, wissenschaftliche Definition von Membranen ist Trennschicht oder dünne Haut, die materialunabhängig für biegeweiche Baustoffe benützt wird [3]. Im Bauwesen dagegen gestaltet sich die Definition von Membranen als ausschließlich zugbeanspruchbare, dünnwandige Flächentragwerke / Kontinua [4].

Bei der Vielzahl der im Bauwesen eingesetzten Membranen kann generell zwischen „nicht vorgespannten“ und „vorgespannten“ Folien unterschieden werden. Die meisten im Bau verwendeten Membranfolien sind nicht vorgespannt verbaut und haben i. d. R. nur eine spezifische bauphysikalische Funktion, wie beispielsweise eine Mauerwerkssperre gegen aufsteigende Bodenfeuchte oder in einer Decke befindliche Trennschicht aus PE-Folie. Zu dieser Gruppe zählen Folien, Vliesstoffe und Gewebe, die in verschiedenen Baukonstruktionen eingesetzt werden oder als zusätzliches Bauelement eine bauphysikalische Optimierung ermöglichen.

Die „vorgespannten“ Membranen lassen sich in pneumatisch vorgespannte, mit Luft gefüllt, mit Druck- oder Saugluft betrieben, und mechanisch vorgespannte Membranen gliedern. In die Rubrik pneumatisch vorgespannte Membranen fallen luftgestützte Konstruktionen wie beispielsweise die Traglufthalle „Big Wave“ der EXPO 1989 in Hiroshima und luftgefüllte Konstruktionen wie der Pavillon der USA während der EXPO 1970 in Osaka. Diese pneumatischen Kissen, als Sekundärsystem eingesetzt, bestehen in der Regel aus einer oberen und unteren Membran, die durch ein Primärsystem -Randträger oder Randbogen- gehalten werden. Die Form kann beliebig sein -oval, rechteckig, rund- stellen kein Problem dar. Des Weiteren ist an dieser Stelle noch zu erwähnen, das auch anstatt der Luft die Vorspannung durch Flüssigkeits- und / oder Granulatfüllung (= fester, körniger Stoff) erzeugt werden kann. Eine mechanisch vorgespannte Membrankonstruktion ist der Deutsche Pavillon der EXPO 1967 in Montreal.

Abbildung 2: Pneumatisch vorgespannte und mechanisch vorgespannte Membrankonstruktionen: "Big Wave, 1989, Hiroshima", Pavillon der USA, 1970, Osaka", "Deutscher Pavillon, 1967, Montreal" [5], [26], [29]

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