FACHHOCHSCHULE ROSENHEIM
Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen/Master

Master Thesis

Übersicht über den Status Quo des modernen Membranbaus

Verfasser: Berzl Stefanie Dipl.­Ing. (FH)

Angefertigt am
Fraunhofer Institut für Bauphysik Holzkirchen

Kurzfassung

Case Study im Studiengang Wirtschaftsingenieurwesen/Master

Fachhochschule Rosenheim

Übersicht über den Status Quo des modernen Membranbaus

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

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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 PTFE­beschichtete Glasfasergewebe (GF) 13
2.2.4 Silikonbeschichtete Glasfasergewebe (GF) 14
2.2.5 PVC­beschichtete Aramidfasergewebe 14
2.3 FOLIEN 15
2.3.1 Grundlagen 15
2.3.2 Fluorpolymerfolien 15
2.3.2.1 ETFE­Folien (Ethylen-Tetrafluorethylen) 15
2.3.2.2 THV­Folien 16
2.3.3 PVC­Folien (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 (Bal onkonstruktion) 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

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4 FAZIT: 28
5 VERZEICHNISSE 29
5.1 LITERATURVERZEICHNIS 29
5.2 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 31
5.3 TABELLENVERZEICHNIS 32

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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 Glasherstellung 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 speziel e 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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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.