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Übersicht über den Status Quo des modernen Membranbaus

von Sabrina Rixler (Autor)

Masterarbeit 2005 32 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Wirtschaftsingenieurwesen

Leseprobe

INHALTSVERZEICHNIS

1 EINLEITUNG
1.1 URSPRUNG DES MEMBRANBAUS
1.2 DAS PRINZIP DES LEICHTBAUS
1.3 EINTEILUNGSBEREICHE DER MEMBRANEN

2 DAS MATERIAL: MEMBRANE
2.1 UNBESCHICHTETE GEWEBE
2.1.1 Baumwollgewebe
2.1.2 Fluorpolymergewebe
2.2 BESCHICHTETE GEWEBE
2.2.1 Fluorpolymergewebe
2.2.2 PVC besichtete Polyestergewebe (PVC/PES)
2.2.3 PTFE–beschichtete Glasfasergewebe (GF)
2.2.4 Silikonbeschichtete Glasfasergewebe (GF)
2.2.5 PVC–beschichtete Aramidfasergewebe
2.3 FOLIEN
2.3.1 Grundlagen
2.3.2 Fluorpolymerfolien
2.3.2.1 ETFE–Folien (Ethylen-Tetrafluorethylen)
2.3.2.2 THV–Folien
2.3.3 PVC–Folien (Polyvinylchlorid)
2.3.4 Bemerkung

3 VORSPANNUNG
3.1 PRINZIP DER VORGESPANNTEN MEMBRANFLÄCHEN
3.2 STABILITÄT DURCH VORSPANNUNG
3.3 BESCHREIBUNG DER LASTABTRAGUNG
3.4 KRÜMMUNG
3.5 DIE MECHANISCHE VORSPANNUNG
3.5.1 Segel
3.5.2 Wellenfläche
3.5.3 Bogenfläche
3.5.4 Hochpunktfläche
3.6 DIE PNEUMATISCHE VORSPANNUNG
3.6.1 Luftgetragene Konstruktionen (Ballonkonstruktion)
3.6.2 Luftgestützte Konstruktionen
3.6.2.1 Kissenkonstruktionen
3.6.2.2 Schlauchkonstruktionen
3.6.3 Pneus als Gusformen

4 FAZIT

5 VERZEICHNISSE
5.1 LITERATURVERZEICHNIS
5.2 ABBILDUNGSVERZEICHNIS
5.3 TABELLENVERZEICHNIS

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 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“ Innenund 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.

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 in dieser Leseprobe nicht enthalten

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 materialund 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.

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].

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 Druckoder 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 Randbogengehalten werden. Die Form kann beliebig sein -oval, rechteckig, rundstellen kein Problem dar. Des Weiteren ist an dieser Stelle noch zu erwähnen, das auch anstatt der Luft die Vorspannung durch Flüssigkeitsund / oder Granulatfüllung (= fester, körniger Stoff) erzeugt werden kann. Eine mechanisch vorgespannte Membrankonstruktion ist der Deutsche Pavillon der EXPO 1967 in Montreal.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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

2 Das Material: Membrane

Um die Besonderheiten der Werkstoffe für das Bauen mit Membranen zu verstehen, werden in diesem Abschnitt die für die Materialeigenschaften und Materialkennwerte wesentlichen Grundlagen, wie unbeschichtete Gewebe, beschichtete Gewebe und Folien gesammelt und aufgezeigt.

2.1 Unbeschichtete Gewebe

Membranwerkstoffe für pneumatische Konstruktionen müssen vielfältigen Anforderungen genügen. So sollen sie bei geringem Eigengewicht eine hohe Zugfestigkeit und Dehnsteifigkeit sowie gute Flexibilität (geringe Schubfestigkeit) gewährleisten. Darüber hinaus sollen Membranen dauerhaft, beständig gegen UV-Licht, Feuchtigkeit und Mikroorganismen sein und gute Verarbeitungseigenschaften wie Fügbarkeit und Knickunempfindlichkeit gewährleisten. In Abhängigkeit der Nutzung werden Anforderungen an die Transluzenz (= Lichtdurchlässigkeit eines Körpers) [32] und Dichtigkeit der Werkstoffe gestellt. Nicht zuletzt spielt das Brandverhalten (Feuerwiderstand) eine wichtige Rolle.

Bei der Betrachtung des Materials Membran unterscheidet man nach unterschiedlichen Lastabragungsverhalten zwischen anisotropen, welche nach verschiedenen Richtungen verschiedene physikalische Eigenschaften aufweisen [19] und isotropen, die nach allen Richtungen des Raumes hin die gleichen physikalische Eigenschaften aufweisen [19] Werkstoffen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Aufbau PES-Gewebe + PVC-Beschichtung und pigmentierte ETFE – Folie isotrophes Materialverhalten [7]

Insbesondere Gewebe, also ein System aus im ungespannten Zustand orthogonal zueinander stehenden verwebten Fäden, eignen sich zum Einsatz als Membran. Sie heben sich in ihrer lastabtragenden Eigenschaft von den Maschenwaren und den Non-Wovens (z. B. Fils, Vliese) ab. Die Fäden dieses Webgeflechts bestehen wiederum aus mehreren hundert miteinander verdrehten Einzelfasern. Man unterscheidet hier zwischen Naturfasern, mineralischen Fasern, metallischen Fasern und Synthesefasern (thermoplastische Kunststoffe).

Der Vorteil der Synthesefaser ist die Möglichkeit, sie in unendlicher Länge herzustellen und im Herstellungsprozess den Durchmesser beliebig zu bestimmen. Er kann auf die für den Einsatzbereich notwendigen Erfordernissen angepasst werden.

Nach DIN 53 354 wird die Materialfestigkeit beschrieben. Da nämlich der Querschnitt einer Faser nur mit großem Aufwand zu bestimmen ist und folglich auch die Gewebebespannungen schwer ermittelbar sind, hat sich anstelle der Spannungseinheit N/mm2 die Einheit N/5 cm durchgesetzt [11].

Ob sich ein Werkstoff aus Fasermaterial für weitgespanntes Membrantragwerk eignet, wird nach der Reißlänge des Materials beurteilt. Als Reißlänge bezeichnet man das Verhältnis von Eigengewicht zu seiner Zugfestigkeit. Sie gibt die ungedehnte Länge eines fiktiv am Ende aufgehängten prismatischen Stabes in Kilometern an, bei der er unter seinem Eigengewicht abreist.

Reißlängen unterschiedlicher Materialien: [6]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Fäden in Herstellrichtung des Gewebes werden als Kettfäden bezeichnet, die Fäden senkrecht dazu als Schußfäden. Die durch die Herstellung charakteristische Welligkeit des Kettfadens kann durch Vorspannung verringert werden, um eine höhere Steifigkeit und eine geringere Bruchdehnung zu erlangen. Durch unterschiedliche Einstellparameter beim Webvorgang können nahezu gleiche oder extrem unterschiedliche mechanische Kennwerte in beiden Hauptrichtungen erzeugt werden. Eigenschaften wie z. B. die Weiterreißfähigkeit und die Dauerknickbeständigkeit können durch eine aufgebrachte Beschichtung oder durch Oberflächenversiegelung beeinflusst werden.

Zusätzlich wird dadurch eine Winkelverdrehung der Gewebefäden verhindert, wodurch eine höhere Membranschubfestigkeit für kurzzeitige Belastungen hervorgerufen wird. Ein COATING, eine beidseitige Beschichtung, schützt das Gewebe vor Feuchtigkeit, UV- Strahlung, Feuer, Mikrobenund Pilzbefall. Man kann somit das Atemschutzverhalten, die Lebensdauer und gegebenenfalls die Brandeigenschaften des Rohmaterials deutlich verbessern. Durch Beschichtungen sind Farbgebungen der Membran, sowie eine dauerhafte Wasserdichtigkeit möglich.

Zu den wichtigsten Beschichtungen gehören:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Während PTFE und Silikon über einen Zeitraum von mindestens 25 bis 30 Jahren keinen signifikanten Alterungsprozess –wie Versprödung, Rissbildung oder Abwitterung– unterliegen, ist PVC gegenüber natürlicher Bewitterung empfindlich.

Tabelle 1: Einteilung der wichtigsten Membrangruppen

Gewebe-Membrane und Folien-Membrane haben unterschiedliche Eigenschaften [13]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.1.1 Baumwollgewebe

Sie werden in der Regel als nicht reine Baumwollgewebe verwendet, sondern als Mischgewebe zusammen mit einem 50-70 %-igen Anteil an Polyesterfasern. Da sie das Naturprodukt Baumwolle enthalten, sind ihre Eigenschaften nicht überall gleich, sondern weisen Abweichungen auf. Besonders das Verhältnis von unreifen und abgestorbenen Fasern und deren unterschiedlichem Feuchtigkeitsgehalt kommen hier nachteilig zu tragen.

Dies, die geringe Festigkeit, eine geringe Elastizität und die niedrige Lebensdauer durch Verwitterung lassen eine sinnvolle Anwendung nur im Innenbereich oder für temporäre Bauten zu. Eine Imprägnierung bringt lediglich zeitlich begrenzt einen fungiziden (abtöten von Pilzen oder deren Sporen und hemmen des Wachstums), flammabweisenden Oberflächenschutz. Ein weiterer Nachteil ist die geringe Spannweite.

2.1.2 Fluorpolymergewebe

Im Gegensatz zum Baumwollgewebe haben Fluorpolymergewebe, deren bekanntestes das PTFE-Gewebe ist, eine mehr als 5-mal höhere Lebensdauer. Der Grund ist die Zusammensetzung aus synthetischen Fasern. Diese werden hier in der Regel zu einem monofilen Faden verarbeitet. Dies meint, dass der Faden aus einer einzigen Faser besteht. Nachteilig auf die Einsatzdauer wirkt sich aus, dass dieses Gewebe noch unbeschichtet ist. Der Gewebezwischenraum ermöglicht Feuchtigkeit, chemischem und biologischem Befall eine Angriffsfläche. Dennoch sind Abriebeigenschaften und Anschmutzverhalten hervorragend. Weitere Vorteile des PTFE-Gewebes sind die Lichtdurchlässigkeit von bis zu 37 %, die Dauerknickbeständigkeit und das geringe Flächengewicht. Es ist somit für wandelbare Konstruktionen, wie Schirmkonstruktionen, einsetzbar [18].

2.2 Beschichtete Gewebe

Die beim Textilbau verwendeten beschichteten Gewebe bestehen in ihrer Grundstruktur aus Fluorpolymer, Polyester, Glasfaser und Aramid.

2.2.1 Fluorpolymergewebe

Zu den wichtigsten im konstruktiven Membranbau eingesetzten Fluorpolymergeweben gehören:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Fluorpolymere sind aufgrund ihrer festen Bindung extrem widerstandsfähig gegenüber chemischer und biologischer Beanspruchung und sind langfristig UV-stabil und witterungsbeständig. Sie gehören der Brandklasse A2 an, nichtbrennbares Material. Zur Konservierung werden keine weiteren Beschichtungen benötigt, gegebenenfalls um eine Wasserundurchlässigkeit zu erreichen. Zu den beschichteten Fluorpolymeren gehören z. B. das THV- beschichtete PTFE und das THV- beschichtete ETFE. Diese Gewebe haben eine hohe Transluzenz, jedoch eine geringere maximale Zugfestigkeit (1200 N/5 cm).

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Details

Seiten
32
Jahr
2005
ISBN (eBook)
9783640131921
ISBN (Buch)
9783640134472
Dateigröße
1.4 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v112639
Institution / Hochschule
Technische Hochschule Rosenheim – Fachhochschule Rosenheim
Note
1,0
Schlagworte
Status Membranbaus Vortragsreihe Regensburg Rosenheim

Autor

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    Sabrina Rixler (Autor)

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