Atlas Kunststoffe + Membranen: Werkstoffe und Halbzeuge, Formfindung und Konstruktion 9783955530037, 9783920034416

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Atlas Kunststoffe + Membranen

Edition ∂

WERKSTOFFE UND HALBZEUGE FORMFINDUNG UND KONSTRUKTION

KNIPPERS CREMERS GABLER LIENHARD

Atlas Kunststoffe + Membranen WERKSTOFFE UND HALBZEUGE FORMFINDUNG UND KONSTRUKTION

KNIPPERS CREMERS GABLER LIENHARD Institut für internationale Architektur-Dokumentation · München

Autoren Jan Knippers, Prof. Dr.-Ing. Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (itke), Fakultät für Architektur und Stadtplanung, Universität Stuttgart Jan Cremers, Prof. Dr.-Ing. Architekt Fakultät Architektur und Gestaltung Hochschule für Technik Stuttgart Markus Gabler, Dipl.-Ing. Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (itke), Fakultät für Architektur und Stadtplanung, Universität Stuttgart Julian Lienhard, Dipl.-Ing. Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (itke), Fakultät für Architektur und Stadtplanung, Universität Stuttgart Mitarbeiter: Sabrina Brenner, Cristiana Cerqueira, Charlotte Eller, Manfred Hammer, Dipl.-Ing.; Petra Heim, Dipl.-Ing.; Carina Kleinecke, Peter Meschendörfer, Elena Vlasceanu

Fachbeiträge: Joost Hartwig, Dipl.-Ing., Martin Zeumer, Dipl.-Ing. (Umweltwirkungen von Kunststoffen) Fachgebiet Entwerfen und Energieeffizientes Bauen, Fachbereich Architektur, Technische Universität Darmstadt Carmen Köhler, Dipl.-Ing. (Naturfaserverstärkte Kunststoffe und Biokunststoffe) Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (itke), Fakultät für Architektur und Stadtplanung, Universität Stuttgart Fachberatung: Christina Härter, Dipl.-Ing. (Kunststoffe) Institut für Kunststofftechnik, Universität Stuttgart Andreas Kaufmann, M. Eng. (Komplexe Gebäudehüllen), Philip Leistner, Dr.-Ing. (Erweiterte bauphysikalische und energetische Aspekte) Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP, Stuttgart /Holzkirchen Alexander Michalski, Dr.-Ing. (Tragwerk und Form) Lehrstuhl für Statik, Technische Universität München Mauricio Soto, MA. Arch. (Konstruieren mit textilen Membranen) studio LD Jürgen Troitzsch, Dr. rer. nat. (Erweiterte bauphysikalische und energetische Aspekte) Fire and Environment Protection Service, Wiesbaden

Redaktion Redaktion und Lektorat: Judith Faltermeier, Dipl.-Ing. Architektin; Cornelia Hellstern, Dipl.-Ing.; Jana Rackwitz, Dipl.-Ing., Eva Schönbrunner, Dipl.-Ing. Redaktionelle Mitarbeit: Carola Jacob-Ritz, M. A.; Cosima Strobl, Dipl.-Ing. Architektin Zeichnungen: Dejanira Ornella Bitterer, Dipl.-Ing.; Ralph Donhauser, Dipl.-Ing.; Michael Folkmer, Dipl.-Ing.; Marion Griese, Dipl.-Ing.; Daniel Hadjuk, Dipl.-Ing.; Martin Hämmel, Dipl.-Ing.; Emese Köszegi, Dipl.-Ing.; Nicola Kollmann, Dipl.-Ing. Architektin; Simon Kramer, Dipl.-Ing.; Elisabeth Krammer, Dipl.-Ing. Herstellung /DTP: Simone Soesters Repro: Martin Härtl OHG, Martinsried Druck und Bindung: Aumüller Druck, Regensburg

Herausgeber: Institut für internationale Architektur-Dokumentation GmbH & Co. KG Postfach 201054 80010 München www.detail.de Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. © 2010, erste Auflage Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des  Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechts. ISBN: 978-3-920034-41-6 (Hardcover)

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Inhalt

Impressum Vorwort

4 6

Teil E

1 Teil A

Kunststoffe und Membranen in der Architektur

Die Entdeckung und Entwicklung von Kunststoffen Der Traum vom Kunststoffhaus Entwicklung des Membranbaus Bauten mit transparenten und transluzenten Hüllen Potenziale, Tendenzen und Herausforderungen

Teil B 1 2 3 4

21 24

3 4 5

Konstruieren mit Kunststoffhalbzeugen Konstruieren mit frei geformten Kunststoffen Konstruieren mit Folien Konstruieren mit textilen Membranen Komplexe Gebäudehüllen

Teil F

30 48 54 60

174 188 196 212

Gebaute Beispiele im Detail

Projektbeispiele 1 bis 23

Teil G

160

225

Anhang

Verordnungen, Richtlinien, Normen Literatur Autoren Abbildungsnachweis Abkürzungen Kunststoffe Sachregister Personenregister

286 287 289 290 292 292 295

Halbzeuge

1 2 3 4 5 6

Vorprodukte Faserverstärkte Kunststoffe Kunststoffhalbzeuge Folien Textile Membranen Erweiterte bauphysikalische und energetische Aspekte 7 Umweltwirkungen von Kunststoffen

Teil D

10 12 16

Werkstoffe

Kunststoffe Fasern Klebstoffe und Beschichtungen Naturfaserverstärkte Kunststoffe und Biokunststoffe

Teil C

2

Konstruieren mit Kunststoffen und Membranen

68 76 82 94 100 108 124

Planung und Formfindung

1 Tragwerk und Form 2 Dimensionierung und Ausführung

134 150

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Vorwort

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Während das Bauen mit Textilien auf einer jahrtausendalten Tradition beruht, bilden die Kunststoffe eine vergleichsweise neue Materialklasse. Insofern ist es auf den ersten Blick überraschend, beide Themen in einem Buch vereint zu finden. Verständlich wird der Ansatz, wenn man bedenkt, dass Membranen ihren Weg in die Architektur erst fanden, als ab der Mitte des 20. Jahrhunderts synthetische Fasern und polymere Beschichtungen zur Herstellung dauerhafter und tragfähiger Textilien führten, die das bis dahin für Zelte verwendete Baumwollgewebe ersetzten. Die Entwicklung der modernen Kunststoffe ermöglichte die bahnbrechenden Membranbauten Frei Ottos, Walter Birds und anderer, die rasch auf ein großes Interesse stießen und im Folgenden eine weite Verbreitung fanden.

Ganz in der Tradition der Reihe der Konstruktionsatlanten widmet sich auch dieser Band den die Architektur prägenden Anwendungen von Kunststoffen. Hierzu zählt das Tragwerk ebenso wie die Gebäudehülle und der Innenausbau. Dabei durchzieht die Erläuterung der gemeinsamen Werkstoffgrundlagen – von der Doppelstegplatte bis zur beschichteten Glasfasermembran – dieses Buch wie ein roter Faden. In jedem Kapitel werden die Parallelen innerhalb der Gruppe der synthetischen Werkstoffe aufgezeigt und unabhängig von den Unterschiede in der konstruktiven Umsetzung und architektonischen Anwendung herausgestellt. Diese Betrachtungsweise zeichnet die Publikation aus, denn üblich ist es, das Bauen mit Textilien und das Bauen mit Kunststoffen getrennt zu thematisieren.

Kunststoffe wurden zunächst als Ersatz für wertvolle und knappe natürliche Stoffe wie Elfenbein, Schellack oder Horn entwickelt oder sollten an die Stelle wenig dauerhafter Materialien wie Baumwolle treten. Seit Beginn der 1950er-Jahre hielten sie Einzug in den Alltag und standen für den Traum von einer glücklichen Zukunft durch technologischen Fortschritt. Gegen Ende des letzten Jahrhunderts wandelte sich der Ruf der Kunststoffe in der öffentlichen Meinung allerdings deutlich. Gründe hierfür waren häufig auftretende Mängel bei ihrer Verwendung für Gebäude sowie steigende Kosten, aber mehr noch ein wachsendes ökologisches Bewusstsein, zu dem Kunststoffe nicht mehr zu passen schienen. Wie die historische Betrachtung in Teil A »Kunststoffe und Membranen in der Architektur« zeigt, war dementsprechend auch das tatsächliche Kunststoffhaus bisher kein Erfolg. Die Werkstoffe selbst haben sich dagegen fast unbemerkt nicht nur in der Welt der Gebrauchsgegenstände ausgebreitet, sondern auch im Baubereich, weshalb Kunststoffe heutzutage überall in einem Gebäude zu finden sind. Dies betrifft allerdings weniger den sichtbaren Bereich als vielmehr den bautechnisch-konstruktiven: Dichtungen, Dämmungen, Rohre, Kabel, Farben, Klebstoffe, Beschichtungen und Bodenbeläge wären heute ohne Kunststoffe undenkbar.

Gemeinsam ist allen synthetischen Werkstoffen, dass sie über eine außergewöhnlich hohe Bandbreite hinsichtlich ihrer Eigenschaften verfügen. Durch die Wahl geeigneter Ausgangsstoffe, deren Modifikation in der Herstellung und die anschließenden Fertigungsschritte lassen sie sich sehr präzise an die jeweiligen Anforderungen anpassen. Diese Optionen stehen nicht immer, aber doch in vielen Fällen auch den Planern offen. Daher werden in Teil B »Werkstoffe« zunächst die Basiswerkstoffe, d. h. vor allem Kunststoffe und Fasern, sowie deren Herstellungs- und Verarbeitungstechnologien detailliert dargestellt. Dabei wird die Brücke zwischen den aus dem Alltag vertrauten und den leistungsfähigen, im Bauwesen verwendeten Kunststoffen geschlagen. Diese Prozesse bilden eine wesentliche Grundlage für das Verständnis von Halbzeugen und Konstruktionen aus Kunststoff. Um der dynamischen Entwicklung Rechnung zu tragen, weist die Darstellung deutlich über den aktuellen Stand der Bautechnik hinaus. Beispielsweise beschäftigt sich die Materialforschung derzeit intensiv mit der Suche nach einem Ersatz für erdölbasierte Kunststoffe, um den Verbrauch endlicher Ressourcen zu reduzieren und eine bessere Verwertung am Ende der Lebensdauer zu ermöglichen. Es wird daher ausführlich auf naturfaserverstärkte Kunststoffe und Biokunststoffe eingegangen, auch wenn diese derzeit

noch von geringerer Bedeutung für die Baupraxis sind und mehr im Automobilbau und in der Verpackungsindustrie eine Rolle spielen. Für den Schritt vom Vorprodukt zum Halbzeug greift die Kunststoff- und Textilindustrie auf spezifische Technologien zurück, die im Bauwesen sonst unbekannt sind. Das beinhaltet sehr verschiedene Aspekte wie das Verarbeiten von Fasern zu Textilien, das Schäumen von Kunststoffen, aber auch Verarbeitungstechnologien wie Extrudieren oder Spritzgießen. Nach einem allgemeinen Überblick über Vorprodukte folgen in Teil C »Halbzeuge« die einzelnen Abschnitte zu verstärkten und unverstärkten Kunststoffen, Folien sowie beschichteten und unbeschichteten Textilien. Eine besondere Eigenschaft der Kunststoffe besteht darin, dass sich nicht nur ihre mechanischen, sondern auch ihre bauphysikalischen Eigenschaften, z. B. hinsichtlich Licht- und Wärmedurchgang, sehr genau einstellen lassen. Die sich daraus ergebenden Möglichkeiten werden ausführlich behandelt. Ein Kapitel zu den Umwelteinwirkungen geht auf die in mancher Hinsicht sehr emotional geführte Debatte über die ökologischen Eigenschaften der Kunststoffe ein. Als Dämm- und Dichtstoffe leisten Kunststoffe vielfach einen unverzichtbaren Beitrag zu einer ökologisch effizienten Gebäudeplanung, ihr Leichtbaupotenzial ermöglicht materialeffiziente Strukturen. Nachteilig sind allerdings der hohe Energieeinsatz bei der Produktion, der bisher umfangreiche Einsatz von fossilen Rohstoffen sowie die vielfach unbefriedigende Verwertung am Ende der Lebensdauer. Der Beitrag macht deutlich, dass eine ökologische Bewertung von Kunststoffkonstruktionen je nach Ausgangsmaterial, konstruktiver Umsetzung und architektonischer Anwendung sehr unterschiedlich ausfallen kann und pauschale Aussagen hierzu nicht möglich sind. Teil D »Tragwerk und Formfindung« verdeutlicht die Parallelen, aber auch die Unterschiede bei den verschiedenen Anwendungen von polymeren Werkstoffen. Der statische Nachweis von Membranbauten und biegesteifen Kunststoffkonstruktionen ist üblicherweise in

völlig getrennten Vorschriften und Empfehlungen geregelt. Die vergleichenden Darstellung zeigt jedoch, dass die gemeinsamen Werkstoffgrundlagen und das sich daraus ergebende ähnliche Kriech- und Dauerstandsverhalten zu gleichartigen Nachweiskonzepten führen, auch wenn die konstruktive Umsetzung ganz unterschiedlich ist. Die Formfindung von Membrankonstruktionen erfordert allerdings ein ganz anderes Vorgehen, als wir dies von allen anderen Baustoffen gewohnt sind. Hier ist ein vertieftes Verständnis des Zusammenhangs zwischen Kraft und Form erforderlich, das in dem entsprechenden Kapitel anschaulich erläutert wird. Der praxisnahen und anschaulichen Darstellung des Bauens mit Kunststoffhalbzeugen, frei geformten Bauteilen bis hin zu Folien und textile Membranen widmet sich Teil E »Konstruieren mit Kunststoffen und Membranen«, der erstmals in übersichtlicher Weise konstruktive Lösungen im Detail aufzeigt. Hierbei geht es nicht allein um die bautechnische Ausführung, sondern auch um die bauphysikalische Bedeutung des Materials in der Gebäudehülle, weswegen auf die besonderen Möglichkeiten in mehrschichtigen und mehrschaligen Konstruktionen eingegangen wird. Die Auswahl der »Gebaute[n] Beispiele im Detail« in Teil F erfolgte vor allem nach dem Kriterium einer vorbildlichen gestaltprägenden architektonischen Integration von Kunststoffen bzw. Membranen. Ziel war es, eine möglichst große Bandbreite an Gebäudenutzungen und Einsatzorten vorzustellen. Die Projektbeispiele zeigen, dass viele Möglichkeiten – die Integration von Funktionen zur Lichtleitung, Energieerzeugung oder Wärmespeicherung, um nur einige zu nennen – derzeit bei Gebäuden noch gar nicht oder nur in Ansätzen genutzt werden. Aus dem Fahrzeugoder Flugzeugbau bereits bekannte Technologien wie adaptive Strukturen aus Faserverbundwerkstoffen mit integrierten Sensoren und Aktoren haben ihren Weg ins Bauwesen noch nicht gefunden. Hier liegt ein großes Potenzial, das der Architektur viele Möglichkeiten eröffnet. Die Entwicklung synthetischer Werkstoffe

schreitet daher schnell voran. Um dem Rechnung zu tragen, sind in das Buch aktuelle und zum Teil bisher noch unveröffentlichte Forschungsergebnisse eingeflossen. Bisher beschränkt sich die verfügbare Literatur zu Kunststoffen auf sehr spezifische Fachbücher, z. B. für den Flugzeug- oder Maschinenbau. Eine Zusammenstellung der Werkstoffgrundlagen lag im Hinblick auf ihre Anwendungen in der Architektur bisher nicht vor, weshalb die Arbeit an diesem Buch recht aufwendig war. Wir danken daher allen, die uns dabei unterstützt haben: den Fachberatern aus den unterschiedlichsten Bereichen, den Studierenden, die uns beim Zeichnen zur Verfügung standen, sowie den Fotografen der Fakultätswerkstatt der Universität Stuttgart. Die Idee, Kunststoffe und Membranen in einem Buch zusammenzuführen, spiegelte sich nicht nur in der Konzeption des Titels wieder. Auch die gemeinsame Bearbeitung der Kapitel durch alle Autoren führte zu einer dichten Verknüpfung der unterschiedlichen Wissensgebiete. Dieses Buch schließt eine Lücke in der Fachliteratur. Wir hoffen, dass es zu einer verstärkten Beschäftigung mit diesen Werkstoffen und damit vor allem zu neuen Anwendungen in der Architektur beiträgt. Autoren und Verlag im August 2010

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Teil A

Kunststoffe und

Membranen in der Architektur

Die Entdeckung und Entwicklung von Kunststoffen Von der Alchemie zur Chemie Polymerchemie und industrielle Produktion Kunststoffe im Möbelbau und Industriedesign Verbreitung von Kunststoffen

Abb. A

10 10 11 11 12

Der Traum vom Kunststoffhaus Erste Baukonstruktionen aus glasfaserverstärktem Kunststoff Die Kunststoffzelle für das Wohnen von Morgen Kunststoffhäuser als Ausdruck visionärer Vorstellungen Das Bauen mit Kunststoffen und die erste Ölkrise Raumelemente aus Kunststoff – industrielle Vorfertigung und Serienproduktion Kunststoffe heute

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Entwicklung des Membranbaus Die leichten Flächentragwerke Frei Ottos Pneumatische Strukturen Seilnetze und Membrandächer für Sportstadien Membranbau in der zeitgenössischen Architektur Materialien in der textilen Architektur – vom Natur- zum Kunstfasergewebe und zur Kunststofffolie

16 16 17

13 13 14 14 14 15

19 20

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Bauten mit transparenten und transluzenten Hüllen

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Potenziale, Tendenzen und Herausforderungen Anwendungen und Potenziale Tendenzen und Entwicklungen Herausforderungen

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mobiler Membranpavillon, Stuttgart (D) 2006, Julian Lienhard

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Kunststoffe und Membranen in der Architektur

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Die Entdeckung und Entwicklung von Kunststoffen Holz fault, Metalle sind teuer, Leder wird brüchig und Horn verzieht sich: Seit langem träumt der Mensch davon, natürliche Werkstoffe durch künstliche zu ersetzen, die sich einfach herstellen und bearbeiten lassen, langlebig und für jeden verfügbar sind. Dieser Traum verleitete die Alchemisten damals zu den eigenartigsten Experimenten. Erfolge bleiben nicht aus: In der arabischen Welt destillieren sie Parfüms aus Blüten, in China werden das Schießpulver und das Papier erfunden. Bereits im 16. Jahrhundert wird in Augsburg ein Kunstharz hergestellt, das durch wiederholtes Aufkochen von Magerkäse gewonnen und für Medaillons und Geschirr verwendet wird. Einer der letzten großen Erfolge der europäischen Alchemie ist die Entdeckung des Porzellans. Nach langem Experimentieren gelingt zu Beginn des 18. Jahrhunderts, und damit über 1000 Jahre später als in China, endlich die Herstellung des »weißen Golds« in Meißen. Von der Alchemie zur Chemie

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Hermann Staudinger beim Erläutern seiner Molekülkettentheorie, auf der die moderne Polymerchemie fußt. Cover der ersten Ausgabe »Kunststoffe«, München 1911 Radio mit Bakelit-Gehäuse, Philips, 1931 Jumo Brevete, Schreibtischlampe, Frankreich um 1945 Rocking Armchair Rod aus der »Plastic Shell Group«, 1948, Charles and Ray Eames Stapelstuhl, 1960, Werner Panton

Mit dem Aufstieg der Naturwissenschaften vollzieht sich im 17. und 18. Jahrhundert allmählich der Wandel von der praktischen Alchemie zur theoretischen Chemie, die dann in der Zeit der industriellen Revolution zur Schlüsselwissenschaft des 19. Jahrhunderts wird: Die Massenproduktion von Textilien verlangt nach neuen Farbstoffen sowie Wasch- und Bleichmitteln, die Hüttenwerke suchen nach Verbesserungen bei der Metallerzeugung, die Bergwerke benötigen wirkungsvolle und sichere Leuchtmittel. Da dringend Ersatz für seltene und teure Naturstoffe wie Elfenbein, Horn, Schellack, Koralle oder Seide benötigt wird, werden die ersten Schritte auf dem Weg zu den modernen Kunststoffen getan. Die Auslobung eines Preises von 10 000 US-Dollar zur Herstellung von Billardkugeln aus einem künstlichen Ersatzstoff für Elfenbein soll den Anstoß zur Entwicklung von Zelluloid gegeben haben. Grundsubstanz von Zelluloid ist Cellulose, ein natürliches Polymer, das Pflanzen ihre Steifigkeit verleiht. Die Zugabe einer Mischung aus Salpeter- und Schwefelsäure verändert die

Konsistenz der Cellulose und führt zur Nitrocellulose, dem Ausgangsmaterial für die Herstellung von Zelluloid. Allerdings wird lange und intensiv nach einem geeigneten Lösungs- und Bindemittel gesucht, das aus den Nitrocellulosefasern eine bearbeitbare plastische Masse macht. Alexander Parkes präsentiert auf der Weltausstellung 1862 in London erstmals einen Vorläufer, das sogenannte Parkesin, das jedoch wegen rascher Rissbildung kein Erfolg wird. Der amerikanische Buchdrucker John Wesley Hyatt entwickelt schließlich das technische Verfahren zur Herstellung von Zelluloid durch Zugabe von Kampfer als Lösungsmittel. 1870 meldet er sein Verfahren zum Patent an. Dieses Zelluloid findet rasch eine weite Verbreitung und wird nicht nur für Billardkugeln, sondern auch als Imitat von Perlmutt, Schildpatt und Horn für Kämme und Haarschmuck, Spielsachen, Brillen, Zahnbürsten, künstliche Gebisse und schließlich sogar für Filme verwendet. George Eastman, der Gründer der Firma KODAK, stellt ab 1889 Rollfilme aus Zelluloid her und öffnet so die Fotografie für den Massenmarkt. Ein weiteres teures Naturprodukt, für das man Ende des 19. Jahrhunderts dringend nach Ersatz sucht, ist Seide, da deren Herstellung sehr kostspielig ist. Dem französischen Naturwissenschaftler Hilaire de Chardonnet gelingt die Herstellung einer Kunstseide auf Cellulosebasis. Diese markiert zwar den Beginn der Kunstfaserproduktion, ist aber kein nachhaltiger Erfolg, da sie wie alle Produkte aus Cellulose den gravierenden Nachteil der leichten Entflammbarkeit hat. Aus Cellulose stellt der Schweizer Chemiker Jacques Brandenberger bald darauf auch hauchdünne transparente Folien her, das Cellophan, das bis heute als Verpackungsmaterial verbreitet ist. Als Ersatz für Schellack – eine harzige Substanz, die in einem mühsamen Prozess aus den Ausscheidungen der Lackschildlaus gewonnen wird und daher sehr teuer ist – entwickelt der belgische Chemiker Leo Baekeland um 1905 das erste ausschließlich aus künstlichen Ausgangsstoffen hergestellte vollsynthetische Material Bakelit. Hauptbestandteil von Bakelit ist Phenol, das aus Abfallprodukten der Koksher-

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stellung gewonnen wird und damit recht billig ist. Da es zudem elektrisch isolierend und erst ab 300 °C entflammbar ist, eignet es sich als Ersatzstoff für Schellack, der vor allem bei den ersten elektrischen Geräten als dünne Isolationsschicht verwendet wurde. Mit Bakelit verfügt die Elektroindustrie endlich über einen Isolierstoff, der die Massenproduktion unter anderem von Schaltern, Zündspulen, Radiound Telefongeräten ermöglicht (Abb. A 3, siehe auch Phenoplaste, S. 46). Polymerchemie und industrielle Produktion

Der Begriff »Kunststoffe« wird 1911 erstmals für den Titel einer Fachzeitschrift verwendet und etabliert sich in der Folgezeit (Abb. A 2). Die wissenschaftlichen Grundlagen zur Herstellung von Kunststoffen – die Polymerchemie – werden allerdings erst in den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts durch Hermann Staudinger, Professor für Chemie in Freiburg und Zürich, entwickelt (Abb. A 1). Er wird dafür 1953 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Die Herstellung von Zelluloid, Bakelit und den verwandten Werkstoffen beruhte bis zu diesem Zeitpunkt vor allem auf Erfahrung, Spekulation und Zufall. Mit einer wissenschaflichen Grundlage ist die gezielte Entwicklung synthetischer Stoffe möglich: Die chemische Forschung wandelt sich von der Tüftelei kreativer Einzelgänger hin zum strategisch geplanten Unterfangen in großen Forschungsabteilungen. Ein Beispiel hierfür ist Nylon, die erste vollständig synthetisch hergestellte und kommerziell genutzte Kunstfaser aus kalt gerecktem Polyamid. Sie ist das Ergebnis 11-jähriger Forschungen des amerikanischen Chemiekonzerns DuPont. Unter der Leitung von Wallace Hume Carothers, dem bei DuPont bereits 1930 die Herstellung von Neopren, einem synthetischen Kautschuk, gelungen war, arbeitete dort ein 230 Köpfe starkes Team an der Entwicklung der Kunstfaser. Als Nylon 1938 auf den Markt kommt, wird es zuerst für die Borsten von Zahnbürsten und später für Damenstrümpfe verwendet. Die ersten 4 Mio. Paar Strümpfe sind 1940 in New York innerhalb weniger Stunden ausverkauft. Unabhängig davon gelingt 1939 in Deutschland die Herstellung einer ganz ähnlich aufgebauten Polyamidfaser, die von ihren Erfindern

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an der Berliner I.G. Farben Kunstseidenfabrik »Perlon« getauft wird. Im Zweiten Weltkrieg werden diese ursprünglich für die Mode geschaffenen Kunstfasern für Fallschirme verwendet. Die Polyesterfaser, die heute im Membranbau eine wichtige Rolle spielt, wird 1940 von J. R. Whinfield und J. T. Dickinson in England entwickelt und unter dem Handelsnamen Trevira für Bekleidungen eingesetzt. Der älteste der heutigen Massenkunststoffe ist das Polyvinylchlorid, kurz PVC. Bereits 1912 lässt sich Fritz Klatte, Forscher bei der Chemischen Fabrik Griesheim-Elektron bei Frankfurt, ein Verfahren zur Herstellung von PVC patentieren. PVC soll das leicht entflammbare Zelluloid ersetzen. Durch den Ausbruch des Ersten Weltkriegs dauert es allerdings noch einige Jahre, bis Verfahren für die industrielle Großproduktion zur Verfügung stehen, sodass PVC erst in den 1930er-Jahren als Massenkunststoff für Kabelummantelungen, Rohre und zahlreiche andere Massengüter verwendet wird. Die meisten Kunststoffe entstehen in der Mitte des 20. Jahrhunderts in rascher Folge: • Polymethylmethacrylat (PMMA /Acrylglas), 1933 • Polyethylen (PE), 1933 • Polyurethan (PUR), 1937 • Polyamid (PA), 1938 • ungesättigtes Polyester (UP), 1941 • Polytetrafluorethylen / Teflon (PTFE), 1941 • Ethylentetrafluorethylen (ETFE), 1970 • Silikon, 1943 • Epoxidharz (EP), 1946 • Polystyrol (PS), 1949 • Polycarbonat (PC), 1956 • Niederdruck Polyethylen (PE-HD), 1955 • Polypropylen (PP), 1957

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Kunststoffe im Möbelbau und Industriedesign

Im Vergleich zu vielen anderen im Bauwesen gebräuchlichen Materialien sind Kunststoffe noch nicht einmal ein Jahrhundert alt. Doch bereits kurz nach ihrer Entwicklung ziehen sie in den Alltag ein, da die gestalterischen Möglichkeiten dieser neuen Werkstoffe sehr schnell entdeckt werden. Im Industriedesign und Möbelbau entstehen Formen, die bisher nicht A6

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möglich gewesen waren. Beispiele hierfür sind die französische Schreibtischlampe Jumo Brevete aus Bakelit von 1945 (Abb. A 4, S. 11) oder das Sortiment von Lebensmittelbehältern aus dem gegossenen Weichthermoplast Polyethylen, das die Firma Tupper Plastics Company, gegründet vom ehemaligen DuPont Chemiker Earl S. Tupper, 1946 auf den Markt bringt. Im Möbelbau erfolgt der erste wirklich bedeutsame Einsatz von Kunststoffen in Massenproduktion ab 1948 durch Charles und Ray Eames mit den Schalensitzen aus geformtem, glasfaserverstärktem Polyester der Plastic Shell Group (Abb. A 5, S. 11). 1957 entwerfen Irwine und Estelle Laverne den Champaign Chair, den eine Sitzschale aus transparentem, formgebogenen Acrylglas prägt. Inspiriert wurden sie von dem Architekten und Designer Eero Saarinen, der zwei Jahre zuvor den Tulip-Stuhl entworfen hatte. 1959 gestaltet Werner Panton das vielleicht bedeutsamste Kunststoffmöbel überhaupt, den Stapelstuhl (Abb. A 6, S. 11). Es ist der erste im Spritzgussverfahren mit nur einer Form hergestellte Stuhl, der aus einem einzigen Werkstoff – Polyurethan-Hartschaum – besteht (ab 1970 aus Styrol-Thermoplast ASA/PC, später dann aus Polypropylen; siehe auch Thermoplastische Formteile, S. 92). 1962 entwickelt Robin Day den Polyprop, einen äußerst preiswerten Stuhl mit der ersten im Spritzgussverfahren gefertigten Sitzschale aus Polypropylen und Beinen aus gebogenem Stahlrohr. Von diesem Stuhl wurden seit 1963 mehr als 14 Mio. Stück verkauft. Kunststoffe eröffnen zunehmend neue Optionen durch breit einstellbare Werkstoffeigenschaften und neue angepasste Formgebungsverfahren (z. B. Kunststoff-Spritzguss), die nicht zuletzt auch neue wirtschaftlichere Fügeprinzipien erlauben. Der Prozess dieser Erweiterung an Gestaltungs- und Konstruktionsmöglichkeiten, der später auch für das Bauen so wichtig wird, lässt sich bereits Mitte des 20. Jahrhunderts an der Entwicklung des Legosystems ablesen: Ole Kirk Christiansen, ein dänischer Tischlermeister, der sich eigentlich mit Holzspielzeug beschäftigt, beginnt 1949 inspiriert von dem Kinderspielzeug-Bausatz »Kiddicraft Self-Locking Building Brick« (wofür der Brite Harry Fisher Page das Patent innehält) sehr

ähnliche Bausteine herzustellen und als »Automatic Binding Bricks« zu verkaufen, ab 1953 dann als LEGO. Die ersten Steine sind aus Celluloseacetat, mit Noppen auf der Oberseite, unten jedoch sind die Steine hohl. Durch die Formgebung im Spritzgussverfahren und der möglichen lösbaren Verbindung sind sie bereits deutlich von Holzbausteinen entfernt. 1958 werden auf der Unterseite zur Unterstützung Hohlröhren in das Design aufgenommen, um die Fügung zu stabilisieren. Damit wird der Abstand zu bekannten Holzfügeoptionen nochmals erheblich vergrößert. Auch die Werkstoffeigenschaften werden in der Folge optimiert: Ab 1963 werden LEGO-Steine aus dem Kunststoff Acrylnitril-Butadien-StyrolCopolymerisat (ABS) hergestellt. Das Beispiel der LEGO-Steine macht deutlich, dass die bereits im Design des Werkstoffs einstellbaren Materialeigenschaften und die Optionen der Formgebung vollständig neue Möglichkeiten des Gestaltens und Fügens erschließen, die weit über diejenigen konventioneller Werkstoffe hinausgehen. Die sehr hohe Verbreitung von Bausystemen aus Kunststoffen (neben LEGO gibt es diverse weitere) führt dazu, dass sich viele Menschen bereits von klein auf unterbewußt mit Konstruktionsmöglichkeiten außerhalb der klassischen Bauformen und -materialien auseinandersetzen.

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Verbreitung von Kunststoffen

Kunststoffe sind heute omnipräsent und werden in sehr großen Mengen produziert. So werden beispielsweise seit Mitte der 1990er-Jahre in großem Umfang Flaschen aus Polyethylenterephthalat (PET) verwendet. Mehrweg-PETFlaschen, die nur etwa ein Zwölftel des Gewichts vergleichbarer Glasflaschen aufweisen, lassen etwa zehn Umläufe zu, bevor eine Wiederaufbereitung erforderlich wird (Glasflaschen ca. 40). Bei einer weltweiten PET-Produktion von ca. 40 Mio. t im Jahr (2007), was etwa einem Fünftel aller produzierter Kunststoffe entspricht, wurden 2003 über 125 Mrd. PET-Flaschen hergestellt. Die Verwertungsquote, die den Anteil der recycelten PET-Flaschen an der gesamten in Verkehr gebrachten Menge angibt, betrug 2008 z. B. in der Schweiz 78 % (mehr als 35 000 t). Dies entspricht über 1 Mrd. Flaschen.

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Der bisher vergleichsweise niedrige Preis der für die Produktion von Kunststoffen maßgeblichen Ressource Erdöl trägt zu einer enormen weltweiten Verbreitung von Kunststoffprodukten bei. Für die Zukunft stellt sich jedoch die Frage, wie sich der Umgang mit Kunststoffen verändern wird, falls sich der Rohstoffpreis deutlich nach oben entwickelt. Es ist daher wahrscheinlich, dass die Entwicklung von Biokunststoffen aus nachwachsenden Rohstoffen zunehmend an Bedeutung gewinnen wird (siehe Biokunststoffe, S. 62ff.). Das z. B. aus Milchsäure hergestellte Polylactid (PLA) wird bereits in großem Umfang in der Verpackungsindustrie eingesetzt. Der Marktanteil liegt derzeit zwar noch unter 1 %, wächst allerdings sehr schnell an. Waren die ersten Kunststoffe noch aus natürlicher Cellulose hergestellt und fand erst allmählich ein Ersatz durch synthetische Stoffe auf Erdölbasis statt, setzt ein Jahrhundert später das inzwischen vorhandene Bewusstsein für die Endlichkeit unserer Ressourcen den umgekehrten Prozess in Gang.

Der Traum vom Kunststoffhaus Während des Zweiten Weltkriegs produziert die Industrie fast ausschließlich Güter für das Militär, was sich auch auf die noch junge Kunststoffindustrie auswirkt: Die Produktion beläuft sich hier hauptsächlich auf Fallschirme, Kabelummantelungen für die Radarabwehrsysteme aus Polyethylen und auf leichte, kratzfeste Kanzeln für Bomber aus Polycarbonat. Dazu werden die Produktionskapazitäten sehr schnell hochgefahren: In den USA werden 1937 noch monatlich 5000 Platten Polycarbonat hergestellt, 1940 sind es bereits 70 000. Nach dem Krieg stehen diese Kapazitäten wieder der zivilen Nutzung zur Verfügung. Die Suche nach neuen Absatzmärkten beflügelt den Einzug der Kunststoffe in alle Bereiche des täglichen Lebens. So werden plötzlich große Mengen an Strümpfen produziert. Legendär sind die Anstürme auf die Amerikanischen Kaufhäuser, als im Herbst 1945 endlich wieder »nylons« zu haben sind. Strümpfe, Kleider und Unterwäsche aus Nylon, Perlon oder Trevira sind

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Fly’s Eye Dome aus GFK Elementen, USA 1970, Richard Buckminster Fuller A8 Radom, USA 1955, Richard Buckminster Fuller A9 Monsanto House/House of the Future, Demonstrationsgebäude als Teil von »Tomorrowland«, Disneyland, Kalifornien (USA) 1957, Richard Hamilton und Marvin Goody A 10 fg 2000, Altenstadt (D) 1968, Wolfgang Feierbach A 10

in der Nachkriegszeit ungeheuer populär. Haushaltswaren und Verpackungen aus Polyethylen oder Polypropylen finden sich plötzlich in jeder Küche. Da sich Kunststoffe bei Alltagsgegenständen bewähren und auch schon für Möbel verwendet werden, liegt es nahe, sie schließlich auch für Baukonstuktionen einzusetzen.

Die kleinere Kuppel benötigt nur ein einziges Formteil und selbst die größere kommt mit nur zwei Formteilen aus. Die Kunststoffzelle für das Wohnen von Morgen

Erste Baukonstruktionen aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK)

Neben einigen Architekten und Forschungseinrichtungen sieht auch die chemische Industrie in Erwartung einer zunehmenden Industrialisierung des Bauens einen riesigen Markt im Bauwesen.

Die Lincoln Laboratories, eine 1951 gegründete und am Massachusetts Institute of Technology (MIT) angesiedelte Forschungseinrichtung des amerikanischen Verteidungsministeriums, beschäftigen sich mit der Entwicklung von Schutzhüllen für Radarstationen, den sogenannten Radomen. Da der Schwenkbereich der Antennen kreisförmig ist und die Kugel das geringste Verhältnis von Oberfläche zu Volumen hat, greift man hier Richard Buckminster Fullers Überlegungen zu geodätischen Kuppeln (1954) als Konstruktionsprinzip auf. Die Einhausung von Radarstationen muss allerdings möglichst metallfrei sein, um die elektromagnetischen Strahlen nicht zu stören. Auf diese Weise entstehen die ersten Konstruktionen, die vollständig aus Kunststoff sind. Sie bestehen aus handlaminierten Formteilen mit gekanteten Randverstärkungen, die mit Bolzen verbunden sind. Als Material wird glasfaserverstärktes Epoxid- oder Polyesterharz verwendet. Die erste Kuppel dieser Bauart wird 1955 auf dem Mount Washington errichtet, zahlreiche folgen für Radarstationen der Distant Early Warning Line in der Arktis (Abb. A 8). Heute sind sie sozusagen per Katalog in verschiedenen Ausführungen erhältlich und wurden mittlerweile mehr als 200 000 mal gebaut. Unabhängig davon entwickelt Buckminster Fuller das Konstruktionsprinzip der geodätischen Kunststoffkuppeln weiter und beantragt 1961 das Patent für seine Monohex-Struktur, die dann später auch als Fly’s Eyes bezeichnet wird, da deren kreisförmige Öffnungen mit Acrylglaskuppeln geschlossen werden. In seinem Patent beschreibt er die Herstellung dieser Strukturen aus Holz, Metall und GFK. Die ersten Fly’s Eyes aus GFK werden 1975 in drei verschiedenen Größen von 3,66 m (12 Fuß), 7,92 m (26 Fuß) und 15,24 m (50 Fuß) realisiert.

Monsanto House/House of the Future (USA) 1954 tritt die Monsanto Chemical Company an das MIT mit der Idee heran, ein Haus vollständig aus Kunststoff zu entwickeln. Bereits 1955 veröffentlicht das MIT die Studie »Plastics in Housing«, in der das Wohnen der Zukunft untersucht wird. Flexibilität der Nutzung für sich verändernde Familien, einfacher Standortwechsel für eine zunehmende Mobilität und kostengünstiger Wohnraum für den wachsenden Mittelstand sind dabei die wesentlichen Argumente für das Bauen mit Kunststoffen. All dies soll in einem Projekt demonstriert werden, das sich durch einen einfachen Auf- und Umbau an verschiedene Grundrisse und Umgebungsbedingungen anpassen lässt. Nach zwei Jahren Entwicklung und Produktion erfolgt 1957 der Bau eines ersten Musterhauses in der Disney World, Kalifornien (Abb. A 9). Um einen quadratischen Kern auf einem Betonsockel sind vier auskragende Flügel gruppiert, die die Wohn- und Schlafzimmer aufnehmen. Im zentralen Kern befinden sich die installationsintensiven Räume wie Küche, Bad und WC. Die Gebäudehülle ist als Sandwich in Dicken zwischen 7 und 11 cm laminiert, die für die Auskragungen zu Hohlkästen gefügt sind. Für die Kernlage werden mit Polyurethan (PUR) ausgeschäumte Papierwaben und für die Decklagen mit zehn Schichten Glasfasergewebe verstärktes Polyesterharz verwendet. An manchen Stellen ist die Kunststoffkonstruktion zusätzlich mit Holzeinlagen ausgesteift. In den umfangreichen begleitenden Fachveröffentlichungen [1] sind die Fenster als »abwaschbares Plastik« beschrieben, bestehen also vermutlich aus Acrylglas. Außerdem werden verschiedene Grundrissvarianten dargestellt. In der Realität wäre ein Umbau jedoch wegen der

vielen Verklebungen und Dichtungen nicht so einfach gewesen. Das Gewicht von jeweils ca. 50 kg/m2 für Dach und Boden der auskragenden Flügel ist deutlich niedriger als das bei einer konventionellen Bauweise. Auch die Innenausstattung ist fast vollständig aus Plastik: Regale, Küchenschränke und selbstverständlich das Geschirr. Im Haus werden außerdem alle technischen Geräte ausgestellt, die man von der Zukunft des Wohnens erwartet: Bildtelefon, Mikrowelle, elektrische Zahnbürste und per Knopfdruck ausfahrbare Regale. [2] Ende der 1960er-Jahre entstehen in rascher Folge zahlreiche Prototypen von Kunststoffhäusern. So zeigt allein der Katalog zur »2. Internationalen Kunststoff-Haus-Ausstellung« 1972 in Lüdenscheid Abbildungen von fast 90 gebauten Häusern und Hallen aus Kunststoff, bei denen GFK als lastabtragendes oder raumabschließendes Material eingesetzt wird. Der konstruktive Aufbau der meisten Häuser ähnelt dabei dem Monsanto House. Bemerkenswert ist der Kontrast zwischen dem futuristischen Anspruch und den eigentlichen Herstellungsverfahren. Nicht nur die Konstruktion, sondern auch die Formensprache suggerieren eine industrielle Produktion. Tatsächlich wurden die Kunststoffhäuser aber mit einfachsten handwerklichen Verfahren in Kleinstbetrieben hergestellt. fg 2000 (D) In Deutschland entwickelt 1968 der Modellbaumeister Wolfgang Feierbach das Kunststoffhaus fg 2000, das als einziges System für Kunststoffhäuser eine Zulassung für den Vertrieb und Bau erhält und damit die Voraussetzungen zur Serienfertigung erfüllt (Abb. A 10). Dieses Bausystem besteht aus leicht nach innen gewölbten Wandelementen mit abgerundeten Kanten von 1,25 ≈ 3,40 m und Dachund Bodenelementen von 1,25 ≈ 10,50 m, die aneinandergereiht werden. Die Außenhaut des fg 2000 wird von 6 mm starken GFK-Platten gebildet, die Innenhaut von GFK-Platten mit einer Stärke von 4 mm. Dazwischen dienen 8 cm PUR-Hartschaum als Kern zur Wärmedämmung und Aussteifung. Die Wand- und

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Zip Up House, Modellfoto, GB 1969, Richard Rogers Futuro, Matti Suuronen a Außenansicht b Innenansicht Polyeder-Häuser der Familie Hübner, Neckartenzlingen (D) 1975, Peter Hübner und Frank Huster Polyurethan-Ortschaum-Konstruktion auf der Internationalen Kunststoffhaus-Ausstellung, Lüdenscheid (D) 1971, Peter Hübner

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Deckenelemente sind durch vorgeformte Flansche und Bolzen verbunden, die Fugen werden durch Dichtungsbänder aus Moosgummi und Polysulfid abgedichtet. Bei diesem ersten Versuchshaus ist die Grundrissvielfalt durch die lineare Aneinanderreihung der Elemente allerdings stark eingeschränkt. Deshalb wird 1972 ein zweiter Prototyp erstellt, der mithilfe von Eckelementen und durch eine freie Überspannung der Deckenelemente eine variable Grundrissgestaltung ermöglicht. Zip-Up House (GB) Das Zip-Up House (1969) des Architekten Richard Rogers steht für eine bestimmte Phase in der englischen Architektur, in der Konstruktion und Technik zum wesentlichen Gestaltungsmerkmal wurden. Die Verwendung von Kunststoffen für tragende Bauteile ist auf den ersten Blick nicht erkennbar (Abb. A 11). Der Name »Zip-Up« steht für die Aneinanderreihung einzelner dichter und hochgedämmter Raumelemente aus 20 cm dicken tragenden Sandwichpaneelen, wobei die beiden Deckschichten aus Aluminium und der aufgeschäumte Kunststoff gemeinsam aussteifend wirken. Wie bei Fahrzeugen werden mit einem Band aus synthetischem Kautschuk die Fugen und Fenster abgedichtet. Die selbsttragenden Raumelemente mit einer Spannweite von 9 m erlauben eine freie innere Aufteilung und eine einfache spätere Erweiterung. Die Wärmedämmung dieses Hauses ist so hoch, dass in England sogar auf eine Zentralheizung verzichtet werden kann. Futuro (FIN) Die Ikone aller Kunststoffhäuser ist jedoch vermutlich das Futuro des finnischen Architekten Matti Suuronen von 1968 (Abb. A 12). Die Idee des Hauses als bewegliche Einheit, als für jeden verfügbares Gebrauchsobjekt wird durch keinen Entwurf besser gezeigt als durch das Futuro. Seine Form verdeutlicht, welche Faszination und welchen Einfluss die Erfolge der bemannten Raumfahrt auf die Architektur damals ausübten. Es wird zum Symbol des Space Age und des ungebrochenen Glaubens an den Segen der Technik von morgen, obwohl Suuronen immer wieder betont hat, dass

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er eigentlich nur eine Skihütte planen wollte. Das Futuro ist ein Ellipsoid mit 8 m Durchmesser und 4 m Höhe, das aus je acht identisch gekrümmten Sandwichpaneelen für die obere und untere Gebäudehälfte besteht. Es liegt auf einem Stahlring auf, der auch den Aufbau in unwegsamen Gelände ermöglicht. Der Innenausbau mit den konzentrisch angeordneten, fest eingebauten Liegesitzen und Sanitärzellen ist von der gleichen Konsequenz wie die äußere Form. Bis 1978 werden rund 60 Stück gebaut, sodass es das Futuro im Gegensatz zu anderen Kunststoffhäusern immerhin zu einer bescheidenen Kleinserie gebracht hat. [3] Kunststoffhäuser als Ausdruck visionärer Vorstellungen

Die Experimente mit Kunststoffhäusern fallen mitten in eine Zeit, in der unterschiedliche Utopien für die Zukunft der Menschheit formuliert werden. Visionen künftiger Megastädte fanden 1960 mit der Ausstellung »Metabolism« in Tokio und dem Manifest »Metabolism 1960 – The proposal for urbanism« ihren Auslöser. Die britische Architektengruppe Archigram zeigt von der Pop-Kultur beeinflusste Bilder einer »Walking City« oder einer »Plug In City«. Flexibilität und Mobilität sind dabei die zentralen Stichworte und führen zu Ideen von riesigen Raumgerüsten, die mit Wohnzellen bestückt werden. Die ersten Serienhäuser aus Kunststoff stoßen auf großes Interesse in der Öffentlichkeit, da sie auf diese futuristischen Visionen eingehen und dafür auf den aktuellsten Stand der Polymertechnik zurückgreifen. Kunststoff wird zum Ausdruck einer sich in dieser Zeit entwickelnden Gegen- und Subkultur. Weltweit bilden sich Avantgardegruppen, die zwischen Architektur und Kunst oszillieren. Neben Archigram in Großbritannien sind dies Ant Farm und Eat in den USA, Archizoom, Superstudio und UFO in Italien und Coop Himmelb(l)au in Österreich. Sie rebellieren gegen die Rückwärtsgewandtheit der damaligen Architektur, wollen mit herkömmlicher Theorie und Praxis brechen. Das Experimentieren mit neuen Formen und Baustoffen, wie eben Kunststoff, bildet den Ausgangspunkt für die Entwicklung neuer Wohnformen.

Das Bauen mit Kunststoffen und die erste Ölkrise

Mitte der 1970er-Jahre ist das Experimentieren mit Kunststoffhäusern allerdings genauso schnell beendet, wie es begonnen hatte. Mit der ersten Ölkrise 1973/74 steigen nicht nur die Preise für das Ausgangsmaterial Erdöl und die ohnehin schon teuren Kunststoffhäuser verlieren damit endgültig die Möglichkeit, sich auf dem Markt zu behaupten. Zudem erwacht allmählich ein Bewusstsein für die Endlichkeit unserer Ressourcen, sodass Konzepte wie das Monsanto House plötzlich als ökologisch fragwürdig gelten. In den folgenden Jahren zeigt sich zudem, dass für eine sich zunehmend individualisierende Gesellschaft die einst so zukunftsweisende Idee der industriell gefertigten Wohnzelle veraltet scheint. Zu sehr sind Kunststoffe mit solchen architektonischen Vorstellungen verbunden, als dass sie eine Chance auf eine kontinuierliche architektonische Entwicklung gehabt hätten. Fehlende Erfahrung bei der Planung oder mangelhafte Ausführung verursachten bauphysikalische oder baukonstruktive Schäden und bringen den Kunststoffen somit den Ruf als minderwertige Materialien ein, der zum Teil bis heute besteht. Raumelemente aus Kunststoff – industrielle Vorfertigung und Serienproduktion

Ein Text von Peter Hübner aus dem Katalog zur »1. Internationalen Kunststoff-Haus-Ausstellung« 1971 in Lüdenscheid fängt die Stimmung dieser Zeit ein: »Es ist kein billiges Zukunftsgerede, wenn behauptet wird, dass in den nächsten Dezennien Menschen in Häusern, Siedlungen, ja in Städten leben werden, die ganz oder teilweise auf der Kunststoff-Basis entstanden sind. [...] Dem Bauen und Wohnen in einer Welt von Kunststoffen steht nichts mehr im Wege. Höchstens wir selbst, weil wir uns schwer an etwas Neues gewöhnen. Die Voreiligen mag eines trösten: Die Entwicklung vom nie ausgehenden Feuer bis zum perfekten funktionierenden Feuerzeug hat ja auch nicht nur ein paar Tage gedauert.« [4] Hübner zeigt auf der Ausstellung sein Baumhaus aus »Ortschaum«, das im kompletten Gegensatz zur Präzision der industriellen Vorfertigung steht, die damals die architektonischen Vorstellungen beherrscht (Abb. A 14).

Kunststoffe und Membranen in der Architektur

Der Auftrag, 110 temporäre Raumeinheiten für Kioske, Toiletten und Informationspavillons auf dem Gelände der Olympiade 1972 in München zu realisieren, ermöglicht eine industrielle Serienfertigung. Die dafür von Hübner entwickelten Raumzellen sind Polyeder auf achteckigem Grundriss mit Seitenabmessungen von ca. 3,60 m. Der Wandaufbau besteht aus dreilagiger Wellpappe, die anschließend mit glasfaserverstärktem Polyesterharz beschichtet wird. Die Einbauten für Bad und Küche werden aus tiefgezogenem Polystyrol hergestellt. In der Folge entwickelt Hübner mit seinem Partner Frank Huster dieses System der temporären Raumzellen für eine Dauernutzung weiter. Er testet und demonstriert es beim Bau seines eigenen Wohnhauses, das er innerhalb eines Tages aufstellen lässt. Bezeichnend hierfür ist der Titel seiner Einladungskarte »Morgens kommen die Häuser, abends kommen die Gäste«, mit dem er seine Erwartung an das Bauen der Zukunft formuliert. Um sieben Uhr morgens verlassen die Lastwagen mit 23 vorfabrizierten Zellen des Typs »Casanova« die Hallen der Firma Staudenmayer. Die Fundamente und Grundleitungen sind so vorbereitet, dass ein mobiler Kran die bereits mit allen Installationen ausgestatteten Zellen nur an die gewünschte Position heben muss. Als abends die Gäste zur Einweihungsfeier kommen, sind die Kunststoffelemente bereits vollständig zu einem Haus montiert (Abb. A 13). Hübner bemüht sich dabei durch vielfältige Kombination, den sich wiederholenden Zellencharakter zu überwinden. Die Hauptwohnräume sind mit übergroßen Öffnungen verbunden, sodass ein fast offener Grundriss entsteht und die modulare Ordnung des Systems nicht als räumliche Einschränkung empfunden wird. Das Haus wird seit 1975 bewohnt, ohne dass gravierende Mängel an der Bausubstanz aufgetreten sind. 1985 und 1996 wurde es durch Holzanbauten mit Grasdach erweitert. Entgegen der Vermutung, dass Systeme wie diese auf der Schwelle zur Massenproduktion stehen, verschwinden vorgefertigte Wohnzellen Ende der 1970er-Jahre nahezu vollständig aus der Architektur. Es bleiben lediglich Sanitärund Nasszellen aus Kunststoff, die ab Mitte der 1970er-Jahre in großer Zahl für Krankenhäuser und Hotels produziert werden. Wie viele seiner Kollegen wendet sich auch Hübner nun von Themen wie Serienproduktion und Vorfertigung ab und beschäftigt sich mit ganz anderen Fragen, insbesondere dem ökologischen Bauen. Das Ende dieser mit so viel Enthusiasmus angegangenen Wohn- und Bauexperimente zeigt sich auch am unrühmlichen Ende des Monsanto House. Zwar war es von 20 Mio. Menschen besucht worden, Verhandlungen über weitere Verkäufe oder Überlegungen, die Konstruktion in die Serienproduktion zu übernehmen, sind aber nicht bekannt, sodass es 1967 schon wieder abgerissen werden soll: Der Versuch, das Haus mit einer Abrissbirne zu zerlegen, schlägt fehl, da die elastische Gebäudehülle die Stöße

der Metallkugel zurückfedert. Stattdessen wird es mit einem Drahtseil umwickelt und zusammengezogen – ein Vorgang, der immerhin zwei Wochen dauert. Daran zeigt sich, dass die Firma Monsanto kaum noch Interesse daran hatte, die Idee der flexibel auf- und abbaubaren Wohnzelle durch einen entsprechenden Rückbau zu demonstrieren. Zu diesem Zeitpunkt glaubt man offensichtlich schon nicht mehr an eine Zukunft dieser Konzepte. Kunststoffe heute

Gestaltprägende architektonische Elemente aus Kunststoff verschwinden Mitte der 1970erJahre fast vollständig aus der Architektur. Dichtungen, Dämmungen, Beschichtungen und vieles andere mehr sind seither allerdings ohne Kunststoffe undenkbar und nahezu überall im Gebäude zu finden. Die Verwendung als tragender und raumbildender Werkstoff bleibt vor allem auf Nischenbereiche beschränkt, bei denen Dauerhaftigkeit und Beständigkeit eine besondere Rolle spielen, z. B. bei Abdeckungen von Kläranlagen, Stegen und Wartungsgängen von Offshore-Plattformen oder Anlagen der chemischen Industrie. Die Weiterentwicklung der Kunststoffe findet vornehmlich in anderen Bereichen der Technik statt. Eine Vorreiterrolle übernimmt dabei der Flugzeugbau mit seinem ständigen Bestreben nach Gewichtsreduktion und einer aerodynamischen Optimierung der Formen. Bereits 1958 entsteht an der Universität Stuttgart das erste Segelflugzeug aus GFK namens »Phönix«. Für Verkehrsflugzeuge setzt Airbus 1972 erstmals Faserverbundwerkstoffe ein. Bei den neuesten Flugzeugen beträgt ihr Anteil rund 50 %, wobei sie mittlerweile sogar für besonders sicherheitsrelevante Teile des Rumpfs verwendet werden. Um Gewicht einzusparen, besitzen einige Hubschrauber sogar eine fast vollständig aus Faserverbundwerkstoffen bestehende Zelle, da sie beim Vertikalstart jedes Gramm Masse durch Antriebskraft anheben müssen. Ähnliche Werkstoffe werden auch beim Bau von Fahrzeugen, Booten oder Sportgeräten eingesetzt. So gibt es Rennräder, die bis auf Kette und Lager nur aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffteilen bestehen und deren Gesamtgewicht unter 3 kg liegt. Da die Produktion solcher Räder allerdings sehr kostspielig ist, wurde ein Mindestgewicht für Rennräder festgelegt, um keinen Wettbewerbsvorteil für wohlhabende Rennställe zu schaffen. Als Ende der 1990er-Jahre dann unter großem Interesse der Fachwelt die ersten öffentlichen Fußgängerbrücken aus glasfaserverstärktem Kunststoff entstehen, werden hierfür Halbzeuge und Fügetechniken verwendet, die im Vergleich zu den Entwicklungen in den anderen Branchen als hoffnungslos rückständig erscheinen. In der Architektur führen die neuen Vorstellungen von fließenden Formen und aufgelösten Räumen zu einem wiedererwachten Interesse an Kunststoffen, da diese freien Geometrien sich oft nur mit Kunststoffen realisieren lassen.

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Allerdings werden sie heute noch fast ausschließlich für Bekleidungs- oder Fassadenelemente verwendet. Der Einsatz für tragende oder raumabschließende Bauteile wie bei den Kunststoffbauten der 1960er-Jahre bleibt noch auf wenige Einzelfälle wie z. B. das Itzhak Rabin Centre in Tel Aviv von Moshe Safdie (Abb. E 2.36, S. 184) oder The Walbrook in London von Foster and Partners (siehe Büround Geschäftshaus »The Walbrook«, S. 232f.) beschränkt. Die kontinuierliche Entwicklung von materialgerechten und an die Anforderungen des Bauwesens angepassten Konstruktionsweisen steht noch am Anfang und ist Gegenstand aktuellster Forschung und Entwicklung (siehe auch Potenziale, Tendenzen und Herausforderungen, S. 24).

Utopisten überall vom Gewicht der Traditionen und suchen nach neuen Formen menschlichen Zusammenlebens, Wohnens und Bauens. So entwickelt und konstruiert Frei Otto seine ersten leichten Flächentragwerke und bringt damit das neue, der Natur zugewandte Verständnis vom Bauen zum Ausdruck. Sein Verdienst ist es, die alte Idee des Zelts um 1960 in die zeitgenössische Architektur eingeführt zu haben, denn seit der Antike wurden zeltartige Konstruktionen lediglich als temporäre Funktionsbauten ohne weitere Bedeutung für die Baukunst angesehen. Ein Beispiel hierfür sind die Überdachungen der römischen Stadien und Theater. Bereits zur Zeit Julius Cäsars wurden große Schattendächer aus leichter Baumwolle errichtet. Sie bestehen aus zahlreichen Einzelstücken, die sich über Seilzüge bewegen und raffen lassen. Für Konstruktion, Aufbau und Bedienung greifen die Römer auf ihre Erfahrungen mit Segelschiffen zurück, was sich auch in der Bezeichnung »vela« (Segel) widerspiegelt. Das Schattendach des Kolosseums beispielsweise besaß eine Fläche von 23 000 m2 – eine Größe, die textile Dächer erst gegen Ende des 20. Jahrhunderts wieder erreichen. Bei den römischen Schattendächern muss es sich also um sehr anspruchsvolle Konstruktionen gehandelt haben, von denen allerdings fast keine Darstellungen überliefert sind. Diese Überdachungen werden zwar von Zeitgenossen bewundert, aber nicht dokumentiert,

Entwicklung des Membranbaus Auf den ersten Blick erscheint es verwunderlich, das Bauen mit Membranen und das Bauen mit Kunststoffen in einen gemeinsamen Kontext zu stellen. So sind textile Konstruktionen doch bereits viele Tausend Jahre vor den polymeren Kunststoffen entstanden und damit so alt wie der Versuch der Menschheit, sich gegen widrige Umgebungsbedingungen zu schützen. Erst auf den zweiten Blick werden die Parallelen sichtbar. Nach den Traumatisierungen des Zweiten Weltkriegs befreien sich Visionäre und

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da sie damals ganz der Technik und nicht der Baukunst zugeordnet werden. Als gebaute Zeugnisse ihrer Existenz sind lediglich Einstecklöcher für Masten in den Tribünen zu finden. [5] Dieses Verständnis von textilen Konstruktionen bleibt bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts im Wesentlichen erhalten. So werden im Sonderband des »Handbuch der Architektur«, einer um 1900 entstandenen großen Enzyklopädie des Bauens, Zirkuszelte zwar beschrieben, gleichzeitig aber festgestellt, dass »solche Notbehelfe indes wohl kaum in das Gebiet der Baukunst gehören«. [6] Die wenigen Ausnahmen wie die Hängedächer des russischen Ingenieurs Vladimir Suchov gegen Ende des 19. Jahrhunderts oder die 1937 von Le Corbusier entworfene textile Hülle für den Pavillon des Temps Nouveaux auf der Weltausstellung in Paris haben kaum Einfluss auf die allgemeine Bau- und Konstruktionsgeschichte. Die leichten Flächentragwerke Frei Ottos

Dies ändert sich erst in der Mitte des 20. Jahrhunderts. Als Frei Otto auf der Bundesgartenschau in Kassel 1955 ein kleines Vierpunktsegel von 12,50 ≈ 12,50 m errichtet, erregt er mit dieser Konstruktion großes Aufsehen, da zu dieser Zeit niemandem die Grundformen des textilen Bauens vertraut waren (Abb. A 15 a). Obwohl Planung, Ausführung und Montage nur sechs Wochen dauern, markiert diese einfache Überdachung des Musikpavillons eine neue

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Epoche im Membranbau. Erstmals wird hier das Prinzip der gegensinnig gekrümmten vorgespannten Membran gezeigt (siehe Krümmung, S. 136f.). Neben dem Musikpavillon errichtet er in Kassel noch zwei weitere Bauten: drei kissenartige Überdachungen, die Drei Pilze (Abb. A 15 b) und den sogenannten Falter, ein wellenförmiges Zeltdach, das den Aussichtspunkt an einer Wegkreuzung überspannt. Am Ende der Bundesgartenschau werden alle drei Zelte wieder demontiert. Der Erfolg seiner leichten Zeltdächer führt unmittelbar zu einem Folgeauftrag für die nächste Bundesgartenschau 1957 in Köln. Neben dem Eingangsbogen, einem 34 m weit spannenden und nur 171 mm dicken Stahlbogen, der von einer Membran überspannt und gleichzeitig durch sie gegen seitliches Umkippen und Ausbeulen stablisiert wird (Abb. A 17 a), und kleineren Buckelzelten (Abb. A 17 c) begeistert vor allem das Sternwellenzelt für den zentralen Tanzbrunnen die Besucher (Abb. A 17 b). Letzters wird von sechs Masten und einer 1000 m2 großen Membran gebildet, die aus zwölf gleichen Segmenten besteht. Diese sind mit wechselnden Hoch- und Tiefpunkten sternförmig um einen mittigen Ring angeordnet. Ursprünglich nur für einen Sommer geplant, hat es die Stadt Köln wegen seiner Beliebtheit seither fast jedes Jahr errichtet und dafür die Membran mehrfach erneuert. Mit der bewegten Dachform, den ausgewogenen Proportionen und der präzisen Konstruktion ist dieses kleine Zelt nicht nur zu

einer der einflussreichsten Leichtbaukonstruktionen, sondern zu einem der bedeutendsten Bauten der deutschen Nachkriegsarchitektur überhaupt geworden. Es steht im Gegensatz zu den Repräsentationsbauten der Kriegsjahre und dem monotonen Funktionalismus der Nachkriegszeit: ein leichtes und temporäres Zelt, das sich gleichzeitig an natürliche Formen anlehnt wie dem technischen Fortschritt verpflichtet ist. Mit seinen Entwürfen scheint Frei Otto eine tief verwurzelte Sehnsucht nach einem neuen Bauen angesprochen zu haben. Anders ist die enorme Wirkung, die von Frei Otto bis heute ausgeht, nicht zu erklären. Mit seinen Bauten in Kassel und Köln hat er im Grunde bereits alle Formen der zugbeanspruchten Flächentragwerke vorgeführt. Angeregt durch diese Arbeiten wird in der Folge von ihm und anderen Planern kontinuierlich an der Verbesserung der konstruktiven Durchbildung, der Werkstoffe und der Formfindungsverfahren gearbeitet. Dabei wachsen nicht nur die Abmessungen der realisierten Konstruktionen, sondern auch das Spektrum ihrer Nutzung über die Jahrzehnte stetig an. Internationale Anerkennung erhält Frei Otto dann durch die frei geformte Dachlandschaft des Deutschen Pavillons auf der EXPO 1967 in Montreal, die er gemeinsam mit Rolf Gutbrod entwirft (Abb. A 16). Das Dach ist mit 8000 m2 weit größer als alles, was er bis dahin realisiert hat. Die tragende Struktur besteht aus einem Netz aus 12 mm dicken Stahlseilen mit einer

Maschenweite von 50 cm. Die Firma Stromeyer & Co aus Konstanz fertigt das Netz in 9,50 m breiten Bahnen und verschifft es nach Montreal. Dort wird es am Boden liegend zusammengeschraubt und durch hydraulisches Hochdrücken der Masten in den gewünschten Vorspannungszustand gebracht. Unter das Netz wird als Raumabschluss eine Membran gehängt, die über Tausende kleeblattförmige Klemmteller mit dem Seilnetz verbunden ist. Die Ermittlung der Seilkräfte findet im Vorfeld mit aufwendigen Messmodellen im Maßstab 1:75 am Institut für leichte Flächentragwerke (IL) der Universität Stuttgart statt. Hier wird auch ein Versuchsbau im Maßstab 1:1 errichtet, der heute noch als Institutsgebäude genutzt wird. Obwohl ursprünglich nur für einen Sommer geplant, bleibt der Deutsche Pavillon in Montreal noch sechs weitere Jahre stehen. Das Seilnetz wird dann später zum Vorbild für die Überdachung der Olympischen Anlagen in München.

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Pneumatische Strukturen

In den USA entwickelt sich das Bauen mit Textilien maßgeblich vor dem Hintergrund der Suche des amerikanischen Militärs nach metallfreien Schutzhüllen für ihre empfindlichen Radarsysteme. Zum einen entstehen die bereits erwähnten GFK-Radome, zum anderen präsentieren 1946 die Cornell Aeronautical Laboratories in Buffalo, New York eine andere Lösung, eine luftgestützte textile Hülle. In den nächsten zwei Jahren plant und baut ein Team

BUGA, Kassel (D) 1955, Frei Otto a Musikpavillon in der Kasseler Karlsaue b Drei Pilze, beleuchteter Sitzplatz bei Nacht a, b Deutscher Pavillon auf der Weltausstellung in Montreal (CAN) 1967, Rolf Gutbrod und Frei Otto BUGA, Köln (D) 1957, Frei Otto a Eingangsbogen, Frontalansicht b Tanzbrunnen, textile Sternwelle c Buckelzelt, Blick vom Rheinufer Prototyp des Radoms, Walter Bird Schwimmbadüberdachung, Walter Bird

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unter der Leitung des jungen Luft- und Raumfahrtingenieurs Walter Bird die ersten pneumatischen Radome, die bereits 1954 zu Hunderten über ganz Kanada und den USA verteilt sind (Abb. A 18, S. 17). Diese ursprünglich für das Militär entwickelte Konstruktion findet schnelle Verbreitung auch im zivilen Bereich wie z. B. für Tennisplätze, Schwimmbäder und Ausstellungshallen (Abb. A 19, S. 17). Stehen für Bird vor allem die technischen Vorteile der pneumatischen Konstruktionen zur Überdachung mittelgroßer Hallen im Vordergrund, erkennen erst die großen Visionäre dieser Zeit ihr Potenzial zur Gestaltung neuer Lebensräume. So entwickelt Buckminster Fuller 1950 beispielsweise die Idee einer Klimahülle über Manhattan und Frei Otto, der 1962 eine viel beachtete systematische Untersuchung zu pneumatischen Konstruktionen vorlegt, das Konzept einer künstlichen Stadt in der Antarktis. Beide halten pneumatisch gestützte Hüllen mit Spannweiten von 2000 m und mehr für technisch möglich. Der Hintergrund für solche Visionen wird aus Frei Ottos Beitrag zum Kongress »wie werden wir wohnen« von 1967 deutlich: »Die klassischen Baukonstruktionen werden weiterentwickelt und mit günstigeren Formen über immer größere Flächen gespannt, deren erreichbare Grenzen heute bereits in Kilometer gemessen werden müssen. Große Spannweiten gestatten konstruktionsungehemmte, freie und anpassungsfähige Nutzungen des umschlossenen Gebietes. Es gelingt beispielswei-

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se, Raumgitter großer Ausdehnung aus veränderlichen dreidimensionalen Netzen, die nicht einmal fixiert sind, in der Luft zu spannen und dort auch, warum auch nicht, Wohnungseinheiten unterzubringen. Die jüngsten Entwicklungen auf baukonstruktivem Gebiet gestatten die Durchführung sowohl von Aufgaben der Erschließung als auch der Intensivierung durch synchrone Veränderung. Die Stadt im Meer oder sogar auf dem Mond, Pflanzenschutzhäuser in der Antarktis und anderes mehr sind längst nicht mehr Utopie, sondern Planungsvorhersage.« [7] Eine Realisierung seiner Stadt in der Antarktis sagt Frei Otto für die frühen 1980er-Jahre voraus. Die Machbarkeit hat er zusammen mit Kenzo Tange und Ove Arup nachgewiesen, realisiert wurde das Projekt aber nicht. Auch die britischen Avantgardisten der Gruppe Archigram sind von der Pneumatik fasziniert. Sie sehen darin die Möglichkeit, weiche, anpassungsfähige und bewegliche Strukturen zu schaffen, die ganz im Gegensatz zu einer bürgerlichen Architekturtradition stehen. Den Höhepunkt der Entwicklung pneumatischer Konstruktionen stellt die EXPO 1970 in Osaka dar: Von beweglichen Schirmen über aufgeblasene Informationspavillons bis zu Kissendächern sind hier zu bewundern. Die bekannteste pneumatische Konstruktion ist vermutlich der Fuji-Pavillon von Yutaka Murata und Mamoru Kawaguchi (Abb. A 20). Mit seinen spektakulären Formen und Farben macht er die

Nähe zur Pop Art deutlich. Der Pavillon besteht aus 16 gebogenen Schläuchen mit einem Durchmesser von 4 m und einer Länge von 78 m, deren Fußpunkte einen Kreis von 50 m beschreiben. Alle Schläuche sind an ein zentrales Gebläse angeschlossen, das im Normalfall einen Druck von 1000 Pa erzeugt, der bei starkem Wind auf 2500 Pa erhöht werden kann. Von Bedeutung ist auch der USA-Pavillon des Architekturbüros Davis, Brody & Ass. in Zusammenarbeit mit den Designern Chermayeff, Geismar, de Harak & Ass. und dem Ingenieur David H. Geiger, da seine seilnetzverstärkte pneumatische Konstruktion später zum Vorbild für mehrere große Hallen wird (Abb. A 21). Die Konstruktion überdacht ein Oval mit Seitenabmessungen von 142 ≈ 83 m bei einer Scheitelhöhe von nur 6,10 m. Diese flache Krümmung ist durch eine Verstärkung der Membran mit einem Netz aus 32 Seilen mit Durchmessern von 48 mm möglich. Die Seile sind an einem umlaufenden Betondruckring befestigt, dessen Gewicht ein Abheben des Dachs verhindert. Das Gewicht der Dachfläche beträgt weniger als 5 kg/m2, sodass ein geringer Überdruck ausreichend ist. Der teilweise in das Erdreich abgesenkte Ausstellungsraum wird über eine Luftschleuse betreten. Der Pavillon zählt zu den größten Bauten auf der EXPO 1970, seine Bedeutung erhielt er aber vor allem durch seine zurückhaltende und ausgereifte Konstruktion. Kenzo Tange und die Ingenieure Yoshikatsu Tsuboi und Mamoru Kawaguchi präsentieren

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ebenfalls auf der EXPO 1970 erstmals ein Dach mit pneumatisch vorgespannten Folienkissen, eine Bauweise, die in der Architektur inzwischen eine große Rolle spielt (Abb. A 22). Das Dach besteht aus einem stählernen Raumtragwerk, das mit quadratischen Luftkissen von je 10,80 m Seitenlänge überdacht ist. Die pneumatisch vorgespannten Kissen sind leicht, transparent und unempfindlich gegenüber Verformungen und Wärmeausdehnungen der großen Stahlkonstruktion mit Seitenabmessungen von 291 ≈ 108 m. Der innere Überdruck ist sehr niedrig und wird bei stärkerem Wind erhöht. Die obere Membran besteht aus sechs, die untere aus fünf Schichten Polyesterfolien. In den folgenden Jahren können sich pneumatisch vorgespannte Konstruktionen nicht so verbreiten, wie damals erhofft, da im Dauerbetrieb doch häufiger technische Probleme auftreten. Seilnetze und Membrandächer für Sportstadien

Zu einer Domäne der zugbeanspruchten Flächentragwerke haben sich im Lauf der Zeit die Überdachungen großer Sportanlagen entwickelt. Hierfür sind weit spannende Konstruktionen erforderlich, die Schatten spenden und vor Regen schützen, aber ansonsten meist keine erhöhten Anforderungen hinsichtlich Schalloder Wärmeschutz erfüllen müssen, sodass die leichten Konstruktionen ihr volles Potenzial ausschöpfen können. Rückverankerte Konstruktionen Die von Frei Otto entwickelten Konstruktionen werden vorgespannt, indem die leichte Dachfläche mit Seilen und Masten gegen Fundamente im Baugrund gespannt wird. Ein Höhepunkt dieser Bauweise stellt die Überdachung der olympischen Anlagen 1972 in München dar. Sowohl in seiner architektonischen Konzeption als auch der konstruktiven Durchbildung knüpft das Dach von Günther Behnisch, Frei Otto und den Ingenieuren von Leonhardt und Andrä (Jörg Schlaich) zwar an das Vorbild des Seilnetzes des Deutschen Pavillons für die EXPO 1967 in Montreal an, allerdings war es in seiner Größe damals überwältigend. Zahlreiche bis heute bedeutsame Forschungen und Innovationen waren dabei notwendig, dies betrifft: die Eindeckung mit Acrylglasplatten (siehe Abb. E 5.16 und E 5.17, S. 218), Erdanker, neue Seiltypen, dauerschwingfeste Klemmen, Verankerungen und Umlenkungen aus Stahlguss und vor allem numerische Formfindungsverfahren (siehe Formfindung, S. 138ff.) sowie computergestütze Zeichen- und Berechnungsprogramme, die hier zum ersten Mal bei einem großen Bauvorhaben eingesetzt werden. Bei der Realisierung des Münchner Seilnetzes wurde aber auch ein großer Nachteil solcher Konstruktionen deutlich: Offene Dachlandschaften dieser Größe erfordern enorme Spannkräfte, die wiederum aufwendige Verankerungen im Baugrund notwendig machen. In München haben die Schwergewichtsfundamente für das Hauptseil die Größe eines mittleren Mehrfamilienhauses.

Speichenradsysteme Eine Alternative bieten Systeme, die auf geschlossenen Druck- und Zugringen basieren und deswegen als Speichenradsysteme bezeichnet werden. Sie eignen sich besonders gut für große Sportanlagen, da diese oft einen Grundriss in Form eines Kreises oder Ovals haben. Schon Darstellungen aus dem 17. Jahrhundert von Rekonstruktionen antiker Schattendächer über römischen Arenen zeigen Hängesysteme mit einem geschlossenen Zugring an der inneren Dachkante. Der amerikanische Ingenieur David H. Geiger entwickelte diese Idee für die Überdachung moderner Sportarenen weiter. Die erste Dachkonstruktion dieser Art präsentiert er bei der 1986 fertiggestellten olympischen Gymnastikhalle von Seoul. Heute werden überwiegend solche geschlossenen Systeme verwendet, da sie im Gegensatz zu den rückverankerten Systemen keine großen Zugfundamente im Baugrund erfordern. Eine Beispiel hierfür, das zugleich eine Vorstellung davon vermittelt, welche räumliche Wirkung die überdachten Arenen der Antike entfaltet haben müssen, ist die Überdachung der Stierkampfarena in Saragossa der Ingenieure Jörg Schlaich und Rudolf Bergermann von 1990 (Abb. A 24). Die Primärkonstruktion besteht aus einem äußeren Druckring mit einem Durchmesser von 83 m und zwei inneren gespreizten Zugringen mit 36 m Durchmesser. Zug- und Druckringe sind mit 16 Radialseilen verbunden. Durch vertikales Spreizen der inneren Zugringe wird das System vorgespannt und versteift. Im äußeren Ring entsteht eine Druckkraft, die sich mit den Zugkräften der inneren Ringe im Gleichgewicht befindet. Der Druckring liegt auf dem oberen Rand der Tribüne auf, sodass diese im Wesentlichen nur mit vertikalen Auflagerlasten beansprucht wird und auf die aufwendige Verankerung von Zugkräften verzichtet werden kann. Der Sandplatz in der Mitte der Arena ist mit einer beweglichen Membran überdacht. Im offenen Zustand wird diese unter einer zentralen Nabe gerafft – ein Prinzip, das Frei Otto bereits 1967 für die Überdachung der Stiftsruine in Bad Hersfeld verwendet hatte. Das innere Dach schließt sich, indem es entlang der Radialseile zum unteren Ringseil gezogen und dann gegen Flattern im Wind durch vertikales Aufspreizen der Nabe vorgespannt wird. Da das Vorspannen der zentralen Membran wesentlich größere Kräfte erfordert als das Öffnen und Schließen, wurden die Antriebe für diese beiden Funktionen entkoppelt. Im Rahmen der Umbauarbeiten des Stuttgarter Leichtathletik- und Fußballstadions (1993) entwickeln Schlaich und Bergermann für die Überdachung das Speichenradprinzip weiter (Abb. A 23). Eine andere Konstruktion war nicht möglich, da eine Rückverankerung im Baugrund wegen des Stuttgarter Mineralwassers nicht zulässig gewesen wäre. Anders als in Saragossa wird das System über einem ovalen Grundriss mit zwei ge-

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Ausstellungspavillon der Firma Fuji auf der Weltausstellung in Osaka (J) 1970, Yukata Murata und Mamoru Kawaguchi USA-Pavillon auf der Weltausstellung in Osaka (J) 1970, Davis, Brody & Ass. mit David Geiger a Luftbild b Innenraum unter Überdruck Dach der Festival Plaza, Weltausstellung in Osaka (J) 1970, Kenzo Tange, Yoshikatsu Tsuboi und Mamoru Kawaguchi a Luftbild b Nahaufnahme Folienkissen Gottlieb-Daimler-Stadion, Überdachung, Stuttgart (D) 1993, Schlaich, Bergermann & Partner Stierkampfarena, Saragossa (E) 1990, Schlaich, Bergermann & Partner a Luftbild b Schließen der Überdachung

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spreizten Druck- und einem inneren Zugring angewendet. Zwischen dem inneren Zugring, bestehend aus acht parallelen Seilen mit jeweils 79 mm Durchmesser, und den Druckringen spannen insgesamt 40 radiale Seilbinder in einem Abstand von rund 20 m. Mit ihren Spannweiten von bis zu 58 m unterteilen sie die 34 000 m2 große Dachhaut in 40 Segmente. Die einzelnen Membransegmente selbst werden von je sieben Druckbögen gestützt, die auf den unteren Radialseilen aufliegen. Die Bögen verleihen der Membran ausreichend Krümmung und reduzieren die freien Spannweiten. Dadurch kann ein leichtes und lichtdurchlässiges PVCbeschichtetes Polyestergewebe verwendet werden. Diese Konstruktion hat sich als außerordentlich effizient erwiesen und wird so zu einem Prototyp, der von Schlaich, Bergermann und ihrem Partner Knut Göppert für zahlreiche Stadien weltweit variiert und weiterentwickelt wurde. Membranbau in der zeitgenössischen Architektur

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Das Stuttgarter Dach steht auch exemplarisch für einen Wechsel der Formvorstellungen. Die zusammenhängende, große und sanft geschwungene Fläche des Münchner Dachs wird in Stuttgart in kleine Segmente zerlegt. Dieser Übergang von der in die Umgebung eingebetteten freien Dachlandschaft hin zu einer autarken, ingenieurmäßig optimierten und modularen Struktur ist typisch für die architektonische Ausformulierung von Membranbauten gegen Ende des 20. Jahrhunderts. Die Abhängigkeit der Form von mechanischen Prinzipien und das darin liegende Potenzial zu hocheffizienten Strukturen hat bis zum Ende des 20. Jahrhunderts eine große Faszination auf Architekten und Ingenieure ausgeübt. Teilweise wird die Logik der Form und Konstruktion durch die architektonische Umsetzung noch überhöht, was sich auch in einer expressiven Zurschaustellung der Konstruktion und ihrer Details zeigt. Beispielhaft für diese Strömung der sogenannten Hightech-Architektur des ausgehenden 20. Jahrhunderts ist das Inland Revenue Centre in Nottingham von Michael Hopkins von 1994 (Abb. A 28). Heute suchen Architekten dagegen meist nach Formen, die nicht durch die Technik und Gesetzmäßigkeiten des Membranbaus bestimmt werden. Das Bauen mit Textilien und Folien soll sich dagegen eher einer übergeordenten Gestaltidee unterordnen. Im Idealfall gelingt es,dabei zu neuartigen Formen zu gelangen und dennoch der Logik von Konstruktion und Werkstoff gerecht zu werden. Als Beispiel hierfür können die Münchner Allianz Arena der Schweizer Architekten Herzog & de Meuron (Abb. D 1.18, S. 142) oder das National Aquatics Center (»Watercube«) der australischen Architekten PTW in Peking genannt werden. Auch Thomas Herzog beschreitet mit seinem Projekt für die Bergwacht in Bad Tölz 2008 einen neuen Weg (siehe Trainingshalle der Bergwacht, S. 260f.).

Materialien in der textilen Architektur – vom Naturzum Kunstfasergewebe und zur Kunststofffolie

Die Entwicklung des textilen Bauens wird nicht nur vom kulturellen Umfeld und den Fortschritten bei Konstruktion und Berechnung zugbeanspruchter Konstruktionen bestimmt. Auch Innovationen bei den Werkstoffen – und dabei vor allem der Übergang von der Natur- zur Kunstfaser – spielen eine entscheidende Rolle. Besonders deutlich wird dies an der Entwicklung pneumatischer Konstruktionen. Als Ideengeber und konstruktiver Vorläufer für pneumatische Konstruktionen werden meist der erste Heißluftballon der Brüder Montgolfier von 1783 und der nur kurze Zeit später aufgestiegene Wasserstoffballon von Jaques Charles genannt. Der Forscher und Ingenieur Frederick William Lanchester ist wohl einer der Ersten, der die Idee der Pneumatik auf Gebäude überträgt. 1917 lässt er sich den Entwurf für ein Feldlazarett patentieren, das nur von einem geringen Überdruck ohne Masten oder Hängeseil getragen wird. Allerdings bleibt diese Idee Utopie, da ihm noch keine luftdichten Textilien zur Verfügung stehen, die einen wirtschaftlich vertretbaren Bau des Lazaretts ermöglichen. Erst durch die Einführung der kunststoffbeschichteten Membranen in der Mitte des 20. Jahrhunderts kann Walter Bird dann an die Vorschläge Lanchesters anknüpfen und zahlreiche pneumatische Konstruktionen realisieren. In den 1950er- und 1960er-Jahren wird überall mit den verschiedenen synthetischen Geweben aus Polyamidfasern (Nylon, Perlon) aus Polyester (Trevira, Dacron) oder Polyacryl (Dralon) mit Beschichtungen aus synthetischem Kautschuk (Hypalon, Neopren), PVC oder Polyurethan experimentiert. Frei Otto verwendet für seine ersten Zeltdächer noch Textilien aus Naturfasern. So besteht die Membran des Musikpavillons auf der Bundesgartenschau 1955 in Kassel aus ca. 1 mm dickem Baumwollschwergebe und ist mit 18 m wesentlich weiter gespannt, als es bis dahin im Zeltbau üblich war (Abb. A 15 a, S. 16). Die Nachteile der Naturfasern wurden allerdings bei Bewitterung und hoher statischer Beanspruchung offensichtlich. Auch Frei Otto beginnt daher schon bald mit Kunstfasern zu experimentieren. Bereits für den Eingangsbogen der Bundesgartenschau 1957 in Köln verwendet er eine PURbeschichtete Glasfasermembran (Abb. A 17 a, S. 17). Das neue Material hält allerdings nicht lange: Die Glasfaser ist zwar unempfindlich gegenüber UV-Strahlung, wird aber von der Feuchtigkeit angegriffen, die durch die Beschichtung diffundiert. Der Bogen erhält daher schon nach einer Saison eine Haut aus bewährtem Baumwollgewebe. Auch ein Polyamidgewebe, das er für ein Zelt auf der Interbau 1957 in Berlin verwendet, hält nicht lange. Bereits nach sechs Wochen hat die Membran einen Riss, dessen Ursache – wie sich später zeigt – im Färben mit Titanoxid liegt. Auch diese Kunstfasermembran muss

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Fuller entsteigt einem Necklace-Dome, Black Mountain College, Asheville (USA) 1949, Richard Buckminster Fuller Union Tank Car Company, Kuppel mit 130 m Spannweite, Baton Rouge (USA) 1958, Richard Buckminster Fuller Brass Rail Restaurants auf der Weltausstellung in New York (USA) 1964 a Außenansicht b Innenansicht Dach Inland Revenue Centre, Nottingham (GB) 1994, Michael Hopkins Einfamilienhaus, Tokio (J) 1996, FOBA

gegen ein bewährtes Baumwolltuch ausgetauscht werden. Für die Überdachung des Freilichttheaters in Wunsiedel (1963), ein wandelbares Dach in Cannes (1965) sowie für den Deutschen Pavillon in Montreal (1967) setzt Frei Otto erstmals PVC-beschichtete Polyestergewebe ein. Um 1970 kann sich dieses Gewebe dann als dauerhaftes, flexibles und kostengünstiges Standardmaterial im Membranbau durchsetzen (siehe PVC-beschichtete Polyestergewebe, S. 104). Glasfasergewebe Auch Glasfasergewebe werden schon früh als Alternative zu den UV-empfindlichen synthetischen Fasern eingesetzt. Dabei wird mit verschiedenen Beschichtungen experimentiert. Neben der bereits beschriebenen PUR-Beschichtung für die Membran des Eingangsbogens der Bundesgartenschau in Köln wird z. B. für den amerikanischen Pavillon auf der EXPO 1970 in Osaka eine PVC-Beschichtung verwendet (Abb. A 21, S. 18). Dieser wegweisende Bau regt zu einer Reihe ähnlicher Hallenkonstruktionen an, wie dem 1975 in der Nähe von Detroit errichteten Pontiac Silverdome vom Architekten Don Davidson und dem Ingenieur David H. Geiger. Hierbei wird erstmals ein PTFE-beschichtetes Glasfasergewebe eingesetzt, das sich gegen Ende des 20. Jahrhunderts als weiteres hochwertiges und zudem kaum entflammbares Standardmaterial des Membranbaus etablieren kann. Die pneumatisch gestützte Membran muss nach Schneeschäden allerdings bereits 1985 durch eine konventionelle Unterkonstruktion aus Stahlträgern ersetzt werden, was symptomatisch für den Misserfolg sehr großer pneumatischer Konstruktionen – sogenannter Airdomes – ist. Kunststofffolien Die Extrusion von Kunststofffolien aus Polyamid, Polyethylen oder PVC ist bereits seit den 1940er-Jahren bekannt. Transparente PVCFolien werden von Walter Bird, Richard Buckminster Fuller, Kenzo Tange und anderen eingesetzt. Sie eignen sich wegen des hohen Gasdiffusionswiderstands besonders für pneumatische Konstruktionen. Allerdings erreichen

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sie nur geringe Festigkeiten, sodass sie lediglich für untergeordnete Bauteile mit weniger statischen Beanspruchungen verwendet werden können. Die stärkeren, beständigeren und UV-durchlässigen ETFE-Folien werden erstmals Mitte der 1970er-Jahre extrudiert. Sie dienen zunächst als Glasersatz bei Gewächshäusern, finden aber, nachdem sie 1982 bei einem Gewächshaus in Arnheim erstmals als Gebäudehülle eingesetzt worden waren, ihren Weg in die Architektur (siehe Folien, S. 94ff.).

In vielen Fällen führt dies zu sehr ausdrucksstarken Gebäuden, die in ihrer Gestaltung durch das Material bestimmt werden. Während es für den Einsatz von Membranmaterialien viele Beispiele großer Bauten gibt, wurden Entwürfe textiler Architektur eher selten für kleinere Projekte umgesetzt. Ein wichtiges Beispiel ist dabei ein kleines Wohnhaus in Tokio, das 1996 auf einer Grundfläche von 4 ≈ 21 m realisiert wurde. Die Hülle besteht größtenteils aus einem doppelt gekrümmten, transluzenten, PTFE-beschichteten Glasfasergewebe, wodurch das Haus »Licht atmet im 24-Stundenrhythmus der Stadt«, so die Architekten.

Die neuen Materialien werden aber auch bei anderen Projekten eingesetzt, die nur mittelbaren Bezug zum Bauen haben, wie z. B. das 1986 vom französischen Architekten Gilles Ebersolt in Zusammenarbeit mit dem Botaniker Francis Hallé entwickelte Wipfelfloß, mit dem sich erstmals die Wipfelzonen tropischer Regenwälder direkt erreichen und erforschen lassen. Die Struktur aus PVC-beschichteten Polyesterschläuchen, die mit Aramidfaser-Netzen zu einem Sechseck mit ca. 27 m Durchmesser verbunden sind, bildet eine Fläche, die als »schwimmendes« Laboratorium von sechs Personen genutzt werden kann. Ein Heißluftballon bringt das Floß an den jeweiligen Einsatzort. Dieses Beispiel zeigt, dass Konstruktionen aus Kunststoffmaterialien in besonderer Weise geeignet sind, hochspezifischen Anforderungen gerecht zu werden, wie sie sich z. B. bei temporären, mobilen Bauten für sehr spezielle Einsatzorte stellen. Auch für komplexe Gebäudehüllen werden Textil- und Folienmaterialien zunehmend genutzt, obwohl sich die Anforderungen an Gebäude nicht zuletzt aufgrund steigender Wärmedämmstandards laufend erhöhen. Durch zahlreiche Innovationen wird die Leistungsfähigkeit ständig verbessert. Hierzu zählen unter anderem funktionale Schichten, z. B. Low-E-Schichten (eine optische Funktionsschicht mit einem geringen Emissionsgrad), wie sie erstmals im neuen Flughafen in Bangkok (siehe Passagier-Terminal-Komplex Suvarnabhumi International Airport, S. 277ff.) eingesetzt wurden, neue transluzente Wärmedämmung (siehe Aerogele im Membranbau, S. 220) und integrierte Photovoltaik (siehe Photovoltaik, S. 122f.).

Bauten mit transparenten und transluzenten Hüllen Als sich viele Architekten und Ingenieure noch mit der Idee der industriell gefertigten Wohnzelle befassen, wendet sich Buckminster Fuller bereits neuen Themen zu. Schon seit den 1920er-Jahren hatte er mit den industriellen Fertigungsverfahren des Automobil- und Flugzeugbaus experimentiert und sich danach als Autodidakt mit geometrischen Studien zu Kugeln beschäftigt. Ende der 1940er-Jahre beginnt er mit Studenten des Black Mountain College, einer winzigen Kunstschule in North Carolina, seine ersten geodätischen Kuppeln zu realisieren. Er verwendet für die Eindeckung transparente Folien, da diese seine filigranen Stabstrukturen weder statisch belasten noch optisch beeinträchtigen (Abb. A 25). Für ihn sind Kunststoffe nicht »künstlich«, sondern er sieht in ihrem polymeren Aufbau eine Weiterentwicklung natürlicher geometrischer Ordnungsprinzipien. [8] Als 58-Jähriger erhält er schließlich 1953 mit der Überdachung der Ford-Rotunda seinen ersten richtigen Auftrag. Dabei verwendet er für die Eindeckung der Stabkuppel eine Vinylhaut, und schafft somit vermutlich das erste Bauwerk mit einer transparenten Kunststoffhülle (Abb. A 26). In der Folge entstehen zahlreiche geodätische Kuppeln, unter anderem auch sein berühmtestes Bauwerk, der Pavillon der USA auf der Weltausstellung 1967 in Montreal, dessen aufgelöste und exponierte Struktur der Kuppel einen

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Tankstelle, Thun (CH) 1962, Heinz Isler a während des Aufbaus b Dachuntersicht Pavillon »les échanges« auf der Expo 64, Lausanne (CH) 1964, Heinz Hossdorf Olympiadach München (D) 1972, Günther Behnisch, Frei Otto und mit den Ingenieuren von Leonhardt & Andrä (Jörg Schlaich) USA-Pavillon auf der Weltausstellung in Montreal (CAN) 1967, Richard Buckminster Fuller a Gegenlichtaufnahme b Kuppelausschnitt von innen Studien zu Faltwerken und Raumfachwerken, Renzo Piano a mobiles Dach einer Schwefelaufbereitungsanlage, 1966 b, c Studien zu Raumtragwerken mit Kunststoffpyramiden, 1964/65

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nachhaltigen Einfluss auf die folgende Generation von Architekten ausübt. Buckminster Fuller entwickelt hierfür ein zweilagiges Raumtragwerk mit einem Durchmesser von 76 m und einer Höhe von 61 m (Abb. A 33). Es besteht aus Stahlröhren, die in der äußeren Lage Dreiecksmaschen, in der inneren Sechsecke bilden. Zwischen den beiden Lagen ordnet er Formelemente aus Acrylglas an, die von innen mit beweglichen dreieckigen Markisen entsprechend dem Sonnenstand verschattet werden können. Ein Computerprogramm sorgt dafür, dass die Verschattungselemente der Sonne folgend bewegt werden, sodass immer nur ein Minimum der Felder abgedunkelt ist und der transparente und leichte Charakter der Kuppel erhalten bleibt. Mit dieser dynamischen Abstimmung von Innenklima und Sichtbeziehungen demonstriert Fuller seine Vorstellungen einer adaptiven Gebäudehülle. Leider geht sie bereits 1976 bei Wartungsarbeiten in Flammen auf. Auch andere Architekten und Ingenieure entdecken transluzente Kunststoffe als neues Gestaltungs- und Konstruktionselement. Beispielhaft dafür ist die 1960 von dem Ingenieur Heinz Isler errichtete Tankstellenüberdachung in Thun, Schweiz. Bekannt wurde Isler durch seine Betonschalen, bei denen er ab Mitte der 1950er-Jahre Kunststoffe für den Formenbau und für die transparetenten Oberlichter mit Durchmessern von 5 bis 8 m einsetzt, sodass er mit diesem Material bereits vertraut ist. Die Überdachung in Thun ist als ein 14 ≈ 22 m großes und 50 cm starkes Sandwichelement konstruiert. Ihre Herstellung findet auf dem Boden statt: Zuerst wird die untere Decklage aus glasfaserverstärktem Polyester laminiert, wobei der Glasfaseranteil mit 25 % relativ niedrig ist, um eine hohe Transluzenz zu erzielen. Vorgefertige, einseitig offene Kisten werden mit den offenen Seiten nebeneinander auf diese noch feuchte Decklage gestellt. Auf die geschlossene obere Ebene der Kisten wird dann die abschließende Decklage laminiert (Abb. A 30 a). Die so entstandene Platte wird nun im Ganzen auf die acht eingespannten Stahlstützen mit Pilzkopf gesetzt (Abb. A 30 b). Die einfache Struktur erzielt ihre Wirkung durch die Transluzenz. Aufgrund von Vergilbung wird das Dach jedoch nach zehn Jahren schließlich weiß gestrichen, und aus der durchscheinenden Konstruktion wird so eine gewöhnliche Tankstellenüberdachung. Auch der Schweizer Ingenieur Heinz Hossdorf experimentiert mit transluzenten Kunststoffen und nutzt diese z. B. für die Überdachung des zentralen Ausstellungsplatzes der EXPO 1964 in Lausanne (Abb. A 31). Über die rechteckige Grundfläche von 108 ≈ 72 m spannt er 24 schirmartige Elemente mit Außenabmessungen von 18 ≈ 18 m. Jeder Schirm besteht aus vier gleichen hyperbolischen Paraboloiden, die auf einer eingespannten Stahlrohrstütze lagern und zusätzlich zum Mast verstrebt sind. Die Restflächen zum benachbarten Schirm oder zu den Dachrändern werden mit dreieckförmigen

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Elementen geschlossen. Insgesamt werden fürdas Dach 192 Elemente aus zwei Grundformen im Handlaminat hergestellt. Die GFK-Elemente sind nur 3 mm stark und haben einen Glasfaseranteil von lediglich 30 %, um eine möglichst hohe Lichtdurchlässigkeit zu erzielen. Die Flächen werden von oben beleuchtet, sodass sie nachts wie eine gleichmäßig leuchtende Lichtdecke erscheinen. Um die sehr dünnen und großen GFK-Flächen zu stabilisieren, sind diese mit einem Stahlrahmen eingefasst und unter Zug gesetzt, indem die Mastspitze hydraulisch nach unten gezogen wird. Dadurch werden wie bei einem Regenschirm die Flächen durch die Streben nach außen gedrückt und vorgespannt. Das Prinzip der Vorspannung macht deutlich, dass diese Konstruktion nicht nur formal, sondern auch konstruktiv den Membrantragwerken sehr nahe steht. Sie hätte in ganz ähnlicher Form auch mit einer textilen Hülle realisiert werden können. Nach drei Jahren wird die elegante Struktur abgebrochen, ohne dass ein einziger Schirm erhalten bleibt. [9] Für die Verbreitung transparenter Kunststoffe sind auch die Überdachungen der olympischen Anlagen in München 1972 von Bedeutung (siehe Seilnetze und Membrandächer für Sportstadien, S. 19). Zunächst diskutieren die Architekten um Günther Behnisch für die Eindeckung des Seilnetzes zahlreiche Alternativen − von der PVC-beschichteten Membran wie in Montreal bis zu Metallschindeln oder einer Holzschalung.

Die Fernsehanstalten fordern jedoch eine lichtdurchlässige Dachfläche, da bei der vorhergehenden Fußballweltmeisterschaft 1970 in Mexiko die Stadionüberdachung sehr starke Schlagschatten auf das Spielfeld geworfen hatte und die Fernsehkameras die entstehenden Kontraste nicht ausgleichen konnten. Daher werden verschiedene lichtdurchlässige Folien und Platten untersucht, wobei am Ende nur Acrylglas die Anforderungen hinsichtlich des Brandschutzes und der Dauerhaftigkeit erfüllt (Abb. A 32). Die Platten werden mit Kantenlängen von 2 ≈ 2 m hergestellt und dann bei 150 °C auf 3 ≈ 3 m gereckt. Im Brandfall schrumpfen die Platten bei etwa 200 °C, wobei der Aluminiumrahmen das Material hält. Durch die entstehende Spannung reißen die Platten auf, wodurch Hitze und Rauch nach oben entweichen können. Die Acrylglasplatten werden mit einem Brandschutzzusatz versehen, um nicht weiter zu brennen und auch nicht brennend abzutropfen. Sie sind auf dem vorgespannten Seilnetz mit Maschenweiten von 75 cm befestigt. Um die Bewegungen des Netzes und die Temperaturdehnungen der Platte aufnehmen zu können, müssen die Platten untereinander mit ca. 14 cm breiten schwarzen Neoprenbändern verbunden werden. Dadurch erhält die Dachfläche ihre optische Struktur und das statisch wirksame Seilnetz tritt in den Hintergrund. Die zunächst ungewollte optische Überlagerung von Dichtungsbändern und Seilnetz hat inzwischen das Bild des Dachs so

sehr geprägt, dass es nicht verändert werden sollte, obwohl heute mit ETFE-Folien eine weitgehend fugenlose Eindeckung möglich wäre. Als daher nach rund 25 Jahren die Acrylglaselemente wegen Versprödungen und Eintrübungen ausgetauscht werden mussten, ersetzte man sie durch in Material und Konstruktion fast identische Platten. Der größte Teil der Platten erhielt wie ursprünglich einen Zuschlag aus Rußpartikeln, der für eine leichte Tönung sorgt.

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Die olympischen Anlagen in München und der amerikanische EXPO-Pavillon in Montreal sind wegweisende und viel beachtete Bauten, die viele Architekten dazu angeregt haben, sich mit lichtdurchlässigen Kunststoffen zu beschäftigen. Beispielhaft sei hier Renzo Piano angeführt. Mitte der 60er-Jahre studierte er u. a. bei dem Mathematiker und Ingenieur Zygmunt Stanislaw Makowski, der neben dem Architekten und Ingenieur Konrad Wachsmann und dem Maschinenbauer Max Mengeringhausen zu den Pionieren auf dem Gebiet der modernen Raumtragwerke zählt. Makowski beschäftigte sich am »plastic research unit« der University of Surrey auch mit Faltwerken und Raumfachwerken aus pyramiden- oder hyperbolischen paraboloiden GFK-Formteilen, die als Dacheindeckung wirken und sich gleichzeitig am Lastabtrag beteiligen (Abb. A 34). Dadurch beeinflusst realisiert Renzo Piano in Italien solche Strukturen für einfache Ausstellungs- oder Lagerhallen. Obwohl diese ersten Raumtragwerke

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in ihren konstruktiven und formalen Mitteln noch sehr reduziert sind, markieren sie dennoch den Beginn von Renzo Pianos Auseinandersetzung mit Werkstoffen, ihren Eigenschaften, ihrer Verarbeitung und den sich daraus ergebenden architektonischen Möglichkeiten. Für den IBMPavillon 1982 greift er das Thema der Kunststoffpyramiden wieder auf. Der Pavillon ist für eine Wanderausstellung in 20 europäischen Städten konzipiert, sodass ein geringes Gewicht und ein einfacher Auf- und Abbau die wesentlichen Anforderungen an den Entwurf darstellen. Seine fachwerkartigen Bögen mit einer Spannweite von 12 m bestehen aus nur drei Materialien: laminiertes Birkenholz für die Oberund Untergurte, transparentes Polycarbonat für

die Pyramiden der Diagonalen und Aluminium für die Verbindungselemente (Abb. A 35).

Potenziale, Tendenzen und Herausforderungen

Im Vergleich zu den Strukturen aus den 1960erJahren wird die Entwicklung der Kunststoffe deutlich: Zunächst aus funktionalen Gründen für Schutzhüllen von Radaranlagen, Überdachungen von Industrieanlagen oder pneumatisch gestützte Schwimmbadüberdachungen verwendet, entwickeln sie sich zu Werkstoffen, die auch hohe Anforderungen an visuelle und haptische Qualitäten erfüllen. Von Architekten wie Richard Buckminster Fuller, Günther Behnisch oder Renzo Piano werden sie schließlich für die Konstruktion und Gestaltung herausragender Bauten genutzt und finden so ihren Platz in der Architektur.

Die inzwischen hochentwickelten, bewährten und leistungsfähigen Kunststoffe bieten gegenüber konventionellen Werkstoffen besondere Vorteile: • großes Leichtbaupotenzial durch hohe spezifische Festigkeiten • Beständigkeit gegen aggressive Medien • niedrige Wärmeleitfähigkeit • vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten hinsichtlich Form und Transparenz • Einstellbarkeit der Materialeigenschaften durch Additive und Zuschläge • Integration funktionaler und konstruktiver Komponenten In Kombination bzw. im Verbund mit konventionellen Materialien, z. B. mit Glas, Holzwerkstoffen oder Metallen eröffnen sich viele neue Möglichkeiten, die im Folgenden dargestellt werden. Anwendungen und Potenziale

Kunststoffe sind heute meist dann von Bedeutung, wenn besondere Anforderungen an Gewicht und Beständigkeit sowie Form, Farbe und Transluzenz gestellt werden. Kunststoffe für den Materialleichtbau Die hohen spezifischen Festigkeiten, d. h. das günstige Verhältnis von Zugfestigkeit zu Eigengewicht, spielen in der Architektur vor allem bei textilen Membranwerkstoffen eine Rolle. Ein häufig gebrauchtes und anschauliches Maß zur Erfassung der spezifischen Festigkeiten ist die sogenannte Reißlänge. Diese beziffert die Länge bei der ein vertikal aufgehängter Faden unter seinem eigenen Gewicht reißen würde (siehe Mechanische Eigenschaften, S. 48f.). Bei typischen metallischen Werkstoffen wie Aluminium oder Stahl beträgt diese Länge etwa 15 – 25 km, bei Naturfasern wie Baumwolle oder Seide 40 – 50 km und bei Glasfasern bis zu 180 km. Im Vergleich dazu erzielen die derzeit verwendeten Polyamid- oder Polyesterfasern Reißlängen von rund 100 km, Kohlenstofffasern liegen bei rund 250 km. Deutlich größere Reißlängen bis zu 400 km sind mit hochfesten Polyethylenfasern möglich, und neueste Werkstoffe auf Basis von Nanotechnologien (»carbon nano tubes«) erreichen theoretisch sogar Reißlängen bis zu 5000 km, konnten aber bisher nur im Labormaßstab produziert werden. Derzeit lassen sich hochfeste Fasern jedoch noch nicht zu einem im Membranbau verwendbaren und bezahlbaren Gewebe verarbeiten. Allerdings zeigt dies, dass die Entwicklung leistungsfähiger Textilien für den Membranbau bei Weitem noch nicht abgeschlossen ist.

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Kunststoffe für korrosionsbeständige Außenbauteile Für Anwendungen im Außenbereich ist die Witterungsbeständigkeit und Dauerhaftigkeit von Kunststoffen von wesentlicher Bedeutung. b

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IBM-Pavillon, während der Ausstellung in Mailand (I) 1984, Renzo Piano a Innenraumansicht b Außenansicht faseroptische Sensoren in kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff a parallel zu Verstärkungsfasern b senkrecht zu Verstärkungsfasern

Viele Kunststoffe sind im Gegensatz zu Metallen außerdem beständig gegen Säuren und Laugen. Sie werden daher schon seit Langem dort eingesetzt, wo diese Eigenschaften eine besondere Rolle spielen, z. B. bei der Abdeckung von Klärbecken, in Rohren und Behältern der chemischen Industrie oder bei Stegen und Plattformen von Offshoreanlagen. Im Zuge immer aggressiver werdender Umweltbedingungen gewinnt diese Resistenz auch für andere Bauaufgaben an Bedeutung. So wird z. B. intensiv an der Entwicklung von Brückenfahrbahnen aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) gearbeitet. Diese sind beständig gegen Frost und Tausalze, die in Verbindung mit Feuchtigkeit die Hauptursache für Korrosionsschäden und die in der Folge aufwendigen Instandsetzungen an Beton- und Spannbetonbrücken sind (siehe Spezielle Halbzeuge im Ingenieurbau, S. 92f.). Zu Beginn des Bauens mit Kunststoffen verursachte UV-Licht zahlreiche Schäden am Material, da es die Bindung der Kohlenstoffatome angreift. Inzwischen werden aber UV-Licht absorbierende Stabilisatoren und reflektierende Beschichtungen verwendet, die einen zuverlässigen Schutz bieten. Kunststoffe für die thermische Hülle Für die Konstruktion der Gebäudehülle ist die niedrige Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffe von besonderem Interesse. Sie liegt in der Größenordnung von Holz und damit deutlich unter der von Glas, Beton und erst recht von allen metallischen Werkstoffen. Durch Aufschäumen des Kunststoffs lässt sich die Wärmeleitfähigkeit noch weiter verringern, durch den Einsatz von Schwergasen können Kunststoffe sogar bessere Werte erreichen als ruhende Luft. Entsprechende Schäume aus Polystyrol (PS) und Polyurethan (PUR) werden kontinuierlich weiter optimiert, vor allem im Hinblick auf die InfrarotStrahlungsdurchlässigkeit, das Ausgasverhalten und die Erhöhung der Porosität. Außerdem befinden sich derzeit Phenolharzschäume mit einer sehr geringen Wärmeleitfähigkeit von nur ca. 0,022 W/mK in einer fortgeschrittenen Entwicklungsphase. Als thermisch getrennte Halterung kommen thermoplastische Kunststoffe, meist PVC und

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Polyamid, bereits seit Langem bei Verglasungen im Fassadenbau zum Einsatz. Intensiv wird momentan der Ansatz verfolgt, GFK für Fenster und Fassaden einzusetzen, da er neben der niedrigen Wärmeleitfähigkeit gleichzeitig tragfähig und dauerhaft ist. Zudem haben stranggezogene (pultrudierte) Profile aus GFK mit einem Glasfaseranteil von etwa 70 % eine ähnliche Temperaturdehnung wie Glas selbst. Somit ist ein direkter Verbund zwischen Verglasung und GFK mittels einer starren Verklebung möglich, ohne dass größere Zwängungsspannungen infolge unterschiedlicher Temperaturdehnungen zu befürchten wären. Die Notwendigkeit elastischer Schichten zwischen Glas und Pfosten zum Ausgleich von Dehnungsdifferenzen entfiele somit (siehe GFK-Glas-Verbund, S. 164). Zahlreiche Hersteller von Fenstern und Fassaden arbeiten momentan an solchen Entwicklungen. Die Verwendung von GFK hat gegenüber anderen Fensterkonstruktionen, vor allem solchen aus PVC oder Holz, das Potenzial zu erheblich geringeren Rahmenansichtsbreiten – aus architektonischer Sicht ein erheblicher Vorteil (siehe Firmenzentrale in Middelfart, S. 244).

fen gar nicht mehr denkbar wären (siehe Konstruieren mit Kunststoffhalbzeugen, S. 160ff.).

Geometrie und Formgebung Im Gegensatz zu Metall, Glas, Holz und anderen konventionellen Baustoffen stehen für viele Kunststoffe Formgebungsverfahren zur Verfügung, die eine vergleichsweise einfache Herstellung komplex geformter Bauteile ermöglichen und somit neue Gestaltungsmöglichkeiten eröffnen. Dies bietet Chancen für die Gestaltung, birgt aber auch Risiken, denn das für die Architektur so wichtige Thema der »Materialgerechtigkeit« wird dadurch vordergründig schwer fassbar: Alles scheint möglich! Das gilt vor allem für Konstruktionen mit biegesteifen Werkstoffen, bis zu einem gewissen Maße aber auch für pneumatische Strukturen, bei denen durch den Zuschnitt viele Formideen umgesetzt werden können, wobei die ihnen innewohnende Logik einen klaren Rahmen für die Formgebung festlegt. Die Möglichkeiten der Formgebung sind aber auch für viele Konstruktionsdetails von Bedeutung, die ohne Dichtprofile, Schnellverbinder, Einbaudosen und Halterungen aus Kunststof-

A 36

Transluzenz und Transparenz Die Lichtdurchlässigkeit der Werkstoffe ist ein wichtiges Gestaltungselement und bei Kunststoffen oft in einem weiten Bereich einstellbar (Abb. A 41, S. 27). Nur mit Kunststoffen lassen sich Konstruktionen herstellen, die gleichzeitig weit spannend und dabei auch lichtdurchlässig sind: Im Membranbau sind mit PTFE-Geweben Lichtdurchlässigkeiten von ca. 40 % erreichbar, mit faserverstärkten Duroplasten sind sogar bis zu 85 % möglich. Fluorpolymerfolien erreichen bei den für den Baubereich verwendbaren Stärken eine Lichttransmission bis ca. 95 %, Acrylglas liefert sogar noch höhere Werte. Tendenzen und Entwicklungen

Viele Möglichkeiten, die Kunststoffe bieten, werden derzeit noch kaum genutzt und befinden sich gerade erst in der Entwicklung. Einstellung der Werkstoffeigenschaften Traditionell werden Konstruktionen aus einer begrenzten Anzahl an Werkstoffen mit definierten Eigenschaften gefügt. Beim Bauen mit Kunststoffen und Membranen ist zunächst eine intensive Auseinandersetzung mit den Grundlagen erforderlich, um aus der kaum überschaubaren Menge an Ausgangsstoffen und Halbzeugen die richtige Auswahl zu treffen. Bei Membranen sind diverse Kombinationen von Folien, Fasern und Beschichtungen möglich. Gleiches gilt für Faserverbundwerkstoffe, bei denen sich Verstärkungsfasern, der formgebende Kunststoff (Matrix), Füllstoffe und Additive oft mit geringem Aufwand variieren lassen. Dabei können nicht nur die technischen Eigenschaften, sondern auch die visuellen und haptischen Qualitäten gezielt gesteuert werden. Die Auswahl und Steuerung der Materialkomponenten stellt eine neue und anspruchsvolle Aufgabe für Architekten und Ingenieure dar. Durch Zugabe von thermochromen, phosphoreszierenden und photochromen Pigmenten lassen sich interessante optische Effekte erzielen. Die Untersuchung und Anwendung solcher Möglichkeiten für adaptive Gebäudehüllen,

25

Kunststoffe und Membranen in der Architektur

deren Lichtdurchlässigkeit sich an die Umgebungstemperatur oder UV-Einstrahlung anpasst, steht noch ganz am Anfang. Gleiches gilt für die Integration wärmespeichender oder feuchtespeichernder Materialien (z. B. Phase Change Materials – PCM, siehe auch S. 33). In Kombination mit transparenten Kunststoffen birgt dies interessante visuelle und bauphysikalische Qualitäten (siehe Erweiterte bauphysikalische und energetische Aspekte, S. 108ff.), ist aber derzeit noch Gegenstand der Forschung. Kunststoffe für die Nutzung der Solarenergie Kunststoffe bieten vielfältige Möglichkeiten für eine optimierte passive und aktive Nutzung der Solarenergie. Da der Strahlungswärmeaustausch bei den meisten Kunststoffkonstruktionen eine vergleichsweise große Rolle spielt, kommt der genauen Einstellung der optischen Eigenschaften eine entscheidende Bedeutung zu. Das betrifft die Transmission im UV-Bereich bei Gewächshäusern, die solare Transmission bei Gebäudehüllen, aber auch das Verhalten im Bereich der Wärmestrahlung (Reflexion und Absorption; siehe Erweiterte bauphysikalische und energetische Aspekte, S. 108ff. und Einkaufszentrum in Amadora, S. 256f.). Diese Eigenschaften lassen sich durch Additive, durch Laminieren verschiedener Werkstoffe, durch Nano- und Mikrostrukturierung, aber auch durch spezielle Beschichtungsverfahren einstellen. Viele dieser Optimierungsschritte bedeuten

Multifunktionale Werkstoffe für adaptive Strukturen Piezokeramiken (PZT) Elektrostriktiva (PMN-PT)

eine große Herausforderungen für den Planer, vor allem in den Fällen, in denen der Werkstoff dem Innen- oder sogar dem Außenklima ausgesetzt ist. In der Solartechnik sind für die Gebäudeintegration von Photovoltaik im Bereich PC, PMMA, ETFE und Glas-PTFE bereits erste Schritte getan (siehe Photovoltaik, S. 122f. und Komplexe Gebäudehüllen, S. 212ff.). In Standard-PV-Modulen spielen Kunststoffe dabei schon lange eine entscheidende Rolle (z. B. als Front- oder Backsheet oder als Substratmaterial für flexible Photovoltaik). Hohe Erwartungen knüpfen sich an die Entwicklung einer polymerbasierten Photovoltaiktechnologie, die derzeit unter dem Begriff »Organic PV« zusammengefasst wird und in Aussicht stellt, dass PV in Zukunft erheblich günstiger zu produzieren und wesentlich breiter einzusetzen ist. Im Bereich der Solarthermie stellen Kunststoffe bereits jetzt einen Anteil von ca. 15 % der verwendeten Komponenten. Neue Entwicklungen sind im Gang. Dies betrifft die Absorber selbst, sowie Unterkonstruktionen, Verbinder, Leitungen, aber auch Dämm- und Abdeckmaterialien. Ausblick − Multifunktionale Elemente aus Kunststoffen Die Verarbeitung von Kunststoffen geschieht oft bei vergleichsweise niedriger Temperatur und geringem Druck, weshalb eine Integration funktionaler Elemente möglich ist. So können beispielsweise lichtleitende Glas- oder Poly-

Gebäudehüllen mit biegeweichen Materialien

Auswahl möglicher Maßnahmen zur Steigerung der Leistungsfähigkeit

Gebäudehülle

Verbesserung der Wärmedämmung durch einen zusätzlichen Dämmstoff oder die Integration eines Dämmsystems

Flächenstabilisierung

Piezopolymere (PVDF) gespannt

Formgedächtnislegierungen (NiTi, CuZnAl, ...)

An

Magnetostriktiva (Terfenol-D)

we

nd

un

gs

re

ife

Elektro-/magnetorheologische Flüssigkeiten

merfasern für spätere Beleuchtungseffekte relativ einfach in Faserverbundbauteile eingebettet werden (Abb. A 40). In der Luft- und Raumfahrt spielt die Integration von Sensoren zur Erfassung von Temperatur, Spannungen oder Schädigungen eine Rolle. Durch den Einbau sind diese vor äußeren Einflüssen geschützt und können die Messgrößen im Bauteil selbst und nicht nur an dessen Oberfläche erfassen. Im Flugzeugbau ist vor allem der Einsatz von Piezokeramiken gebräuchlich. Diese wandeln Dehnungen in elektrische Spannungen um, so dass die mechanischen Beanspruchungen im Bauteil permanent überwacht werden können. Faseroptische Sensoren sind eine weitere Technologie, die für den Flugzeugbau derzeit entwickelt und in ersten Anwendungen erprobt wird. Auch wenn der Durchmesser dieser Fasern deutlich größer ist, sind sie in ihrem Materialaufbau den Verstärkungsfasern aus Glas verwandt und lassen sich daher gut mit diesen kombinieren. Die Sensorfasern werden an eine Lichtquelle angeschlossen; eine Veränderung der Wellenlänge des Lichts lässt dann Rückschlüsse auf die Spannung und Temperatur im Bauteil zu (Abb. A 36, S. 25). Der nächste Entwicklungsschritt ist die Verwendung von Aktoren zur aktiven Steuerung der Bauteilgeometrie. Für die Aktoren werden ebenfalls piezoelektrische oder elektrostriktive Materialien benutzt, die umgekehrt zu den Sensoren eine elektrische Spannung in eine Deh-

ohne klimatischen Abschluss

Einsatz zusätzlicher Funktionsschichten auf der Materialoberfläche mit selektiven und/oder low-E-Eigenschaften Integration von Photovoltaik Integration von akustisch wirksamen Schichten in der Konstruktion oder darunter (Verbesserung der Raumakustik durch Verbesserung der Schallabsorption oder Reduktion der Schalltransmission)

Polymer-Gele (PAN, PVA, ...) pneumatisch A 37

Dehnung

Einsatz zusätzlicher Funktionsschichten auf der Materialoberfläche zur Verbesserung des Anschmutzverhaltens Ausbildung schaltbarer Schichten im Aufbau (Steuerung des Lichteintrags)

groß adaptiver Tragflügel

gespannt

mit klimatischem Abschluss

Ausbildung verfahr-/bewegbarer Strukturen (Lichteintrag, Lüftung, Verschattung)

Zukunftsthemen: Steigerung der thermisch wirksamen Masse (z. B. durch Integration von PCM)

hochgenaue Strukturen

aktive StrukturAkustik-Regelung

klein niedrig Formgedächtnislegierungen

hoch Frequenz Polymer-Gele Piezokeramiken

Piezokeramiken m. Wegverstärkung

A 38

26

Integration von lichtemittierenden Funktionsschichten auf der Materialoberfläche pneumatisch

Integration von schaltbaren/selbstschaltenden Funktionsschichten zur Steuerung der g-Werte Kontrolle der feuchtespeichernden Eigenschaften Kontrolle/Schaltbarkeit der Wärmedämmeigenschaften (U-Wert) A 39

Kunststoffe und Membranen in der Architektur

A 40

nung umwandeln. Sie sind meist in Form dünner Platten von wenigen Zehntel Millimetern Dicke direkt in den faserverstärkten Kunststoff integriert. Piezoelektrische Aktoren werden momentan vor allem für hochfrequente Aufgaben der Schwingungsdämpfung verwendet. Ein typisches Beispiel ist die Vibrationskontrolle von Rotorblättern bei Hubschraubern. Ein künftiges Einsatzgebiet könnten aktiv schalldämmende Fassaden sein (Abb. A 37 und A 38). Weitere Aktoren sind derzeit Gegenstand der Forschung, wie z. B. Formgedächtnismaterialien, die als Drähte oder Fasern bereits in der Medizintechnik Verwendung findet. Dabei handelt es sich um Metalle oder Polymere, die bei verschiedenen Temperaturen unterschiedliche Grundformen haben, zu denen sie bei Abkühlung oder Erwärmung stets zurückkehren. Bei Temperatursteuerung sind damit im Gegensatz zu piezoelektrischen Werkstoffen große aktive Dehnungen bei niedrigen Frequenzen möglich. Auch Polymergele könnten sich als Aktoren eignen. Dabei handelt es sich um Kohlenstoffverbindungen, die in feuchten Medien durch Ionenaustausch reagieren und ihr Volumen verändern. Ein mögliches Anwendungsgebiet wären »künstliche Muskeln« zur aktiven Steuerung von Verschattungselementen für Fassaden. [10] All diese Entwicklungen eröffnen zahlreiche Möglichkeiten, von denen viele bisher erst in Ansätzen genutzt werden und die Gegenstand aktueller Forschung sind. Herausforderungen

Daneben gibt es aber auch Hindernisse, die einer breiten Anwendung von Kunststoffen in der Architektur entgegen stehen. Brandverhalten Kunststoffe werden aus organischen Polymeren bzw. Erdöl hergestellt und sind daher grundsätzlich entflammbar, selbst wenn dies für einige Fluorpolymere (PTFE und ETFE) in der Praxis kaum gilt. Auch durch Zugabe von Brandschutzadditiven ist es bisher nicht geungen, Kunststoffe unbrennbar zu machen. Zudem reduzieren diese zwar die Entflammbarkeit, erhöhen aber gleichzeitig oft die Toxizität

der Rauchgase. Die Verwendung von Kunststoffen ist daher meist nicht möglich, wenn erhöhte Anforderungen an die Entflammbarkeit oder den Feuerwiderstand gestellt werden. Aus dem Stahlbau bekannte Maßnahmen wie die Ummantelung mit mineralischen Faserplatten oder schaumbildende Brandschutzanstriche haben sich in Versuchen als untauglich erwiesen. In der Entwicklung von aktiven und passiven Brandschutzmaßnahmen für Materialien und Bauteile aus Kunststoffen liegt ein erhöhter Forschungsbedarf für die Zukunft. Inzwischen wurden erste keramische und daher nicht brennbare Harzsysteme für Faserverbundbauteile vorgestellt, die aber noch in der Praxis erprobt werden. Ökologische Aspekte Je nach Anwendung schneiden Bauteile aus Kunststoffen in einer ökologischen Bewertung unterschiedlich ab (siehe Umweltwirkungen von Kunststoffen, S. 124ff.). Drängender Forschungsbedarf ergibt sich vor allem aus den Problemen, die Kunststoffe am Ende ihrer Nutzungsdauer verursachen. Dies gilt besonders für Faserverbundbauteile oder textile Membranen, die aus verschiedenen, kaum trennbaren und chemisch sehr beständigen Komponenten bestehen. Wachsendes Umweltbewusstsein und verschärfte gesetzliche Regelungen schränken eine Deponierung immer weiter ein. Natürliche Fasern aus Flachs, Hanf oder Ramie werden derzeit schon häufig als Ersatz für Glasfasern bei Verkleidungsteilen im Automobil- und Waggonbau oder in der Möbel- und Freizeitindustrie verwendet. Die natürlichen Fasern sind dabei aber meist noch in einen konventionellen petrochemischen Kunststoff eingebettet, sodass die ökologischen Vorteile begrenzt sind. Weitaus schwieriger gestaltet sich der Ersatz der petrochemischen Kunststoffe durch Harze auf natürlicher Basis. Zwar werden Biokunststoffe wie das aus Stärke hergestellte Polylactid (PLA) schon in großem Umfang für Behälter, Verpackungen und Ähnliches eingesetzt. Dagegen steht die Entwicklung von natürlichen Kunststoffen aus Stärke, Zucker oder Pflanzenölen für erhöhte Anforderungen an die mecha-

A 41

nische Stabilität oder die Dauerhaftigkeit aber noch ganz am Anfang (siehe Biokunststoffe, S. 62ff.). Derzeit erproben einige Automobilhersteller Formteile aus Biokunststoffen für die Außenkarosserie. Inwieweit Biokunststoffe auch in der Architektur für tragende oder raumabschließende Bauteile verwendet werden und dabei endliche Rohstoffe ersetzen können, ist derzeit noch unklar und stellt eine zentrale und spannende Aufgabe für die Materialforschung dar.

Anmerkungen: [1] siehe hierzu auch Genzel, Elke; Voigt, Pamela: Kunststoffbauten: Teil 1. Die Pioniere. Weimar 2005 [2] ebd., S. 40ff. [3] wie Anm. 1, S. 134ff. [4] Blundell Jones, Peter: Peter Hübner. Bauen als ein sozialer Prozeß. Stuttgart 2007, S. 26 [5] Graefe, Rainer: Vela Erunt. Die Zeltdächer der römischen Theater und ähnlicher Anlagen. Mainz 1979 [6] Schmitt, Eduard: Zirkus- und Hippodromgebäude. In: Handbuch der Architektur. Teil 4, Heft 6. Stuttgart 1904 [7] wie Anm. 1, S. 167 [8] wie Anm. 1, S. 26 [9] Schlaich, Jörg: Das Olympiadach in München. Wie war das damals? Was hat es gebracht? In: Behnisch und Partner, Bauten 1952 –1992. Stuttgart.1992 [10] Grohmann, Boris A.; Wallmersperger, Thomas; Kröplin, Bernd-Helmut: Adaptive Strukturen und gekoppelte Mehrfeldprobleme. In: Stahlbau, 69. Jg., Heft 6, S. 446 – 454

A 37 A 38 A 39 A 40 A 41

Anwendungsreife multifunktionaler Werkstoffe Aktoren für adaptive Strukuren Maßnahmen zur Steigerung der Leistungsfähigkeit von textilen Gebäudehüllen in GFK-Paneele einlaminierte lichtleitende Fasern, itke/Universität Stuttgart mit LED beleuchtete transluzente GFK Sandwichplatten, Installation »Syn chron«, 2004, Carsten Nicolai

27

Teil B

Abb. B

Werkstoffe

1

Kunststoffe Einteilung der Kunststoffe Herstellung von Kunststoffen Füllstoffe und Additive Eigenschaften der Kunststoffe Thermoplaste Elastomere Duroplaste

30 30 31 32 34 40 44 46

2

Fasern Eigenschaften und Anwendung Anorganische Fasern Polymerfasern Naturfasern Metallfasern

48 48 50 51 53 53

3

Klebstoffe und Beschichtungen Klebstoffe Beschichtungsstoffe

54 54 57

4

Naturfaserverstärkte Kunststoffe und Biokunststoffe Naturfaserverstärkte Kunststoffe Naturfasern Biokunststoffe Naturfaserverstärkte Biokunststoffe Zukunftsvision Bau

60 60 61 62 64 65

transluzente Fassadenplatte aus glasfaserverstärktem Kunststoff

29

Kunststoffe

B 1.1

B 1.1 B 1.2 B 1.3 B 1.4

30

Kunststoffgranulat (PVC) Kunststoffverarbeitung nach Industriezweigen in Deutschland (2007) Einteilung von Kunststoffen nach ihrem chemischen Aufbau Herstellung von Kunststoffen aus Erdöl

Kunststoffe sind seit vielen Jahren unverzichtbare Werkstoffe im Alltag, in der Industrie und Medizin. Nach Angaben des Verbands der Kunststofferzeuger PlasticsEurope betrug die gesamte Kunststoffverarbeitung in Deutschland 2007 ca. 12,5 Mio. t. Dabei entfallen ca. 25 % der Nutzung auf den Baubereich – nach der Verpackungsindustrie (32,4 %) der zweitgrößte Markt für Kunststoffe (Abb. B 1.2). Im Vergleich zu anderen Sparten ist im Bauwesen der Anteil der Kunststoffe mit hoher Festigkeit größer (z. B. weichmacherfreies PVC – PVC-U und Duroplaste), da hier besondere Anforderungen an die Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit gestellt werden. Bislang konzentriert sich der Einsatz von Kunststoffen in der Architektur meist noch auf sekundäre Bauteile wie Folien, Dämmungen, Anstriche oder Bodenbeläge. Die Verwendung für tragende und Raum bildende Konstruktionen gewinnt jedoch zunehmend an Bedeutung. Kunststoffe sind synthetische Materialien aus organischen Molekülen. Bei der Synthese werden unterschiedliche einzelne Moleküle (Monomere) zu Makromolekülen, den sogenannten Polymeren, zusammengebaut. Der Begriff Polymer wird auch als Synonym für Kunststoff verwendet. Durch die Vielzahl an verfügbaren Monomeren und ihrer unterschiedlichen Kombinationsmöglichkeiten ergibt sich eine große Sortenvielfalt von mehr als 200 Kunststoffen, deren Eigenschaften sich durch Additive nochmals anpassen lassen. Tradierte Werkstoffe wie Stahl, Holz oder Beton haben eine wesentlich geringere Variationsvielfältigkeit hinsichtlich Gestalt, Haptik und Festigkeit. Gerade die Bandbreite an Möglichkeiten macht das Gebiet der Kunststoffe zunächst unüberschaubar und schwer greifbar. Aber hier liegt gleichzeitig ein entscheidender Vorteil. Während bei gängigen Werkstoffen das Material die Konstruktion bestimmt, kann Kunststoff entsprechend den mechanischen, optischen oder bauphysikalischen Anforderungen ausgewählt oder angepasst werden. Trotz aller Variationen gibt es jedoch einige werkstoffspezifische Eigenschaften, die allen Kunststoffen gemein sind. Dazu zählen beispielsweise ein geringes Eigengewicht, eine hohe Verformbarkeit, ein ausgeprägt zeitabhängiges Verhalten sowie die prinzipielle Brennbarkeit aufgrund der enthaltenen Kohlenstoffverbindungen.

Einteilung der Kunststoffe Je nach Kunststofftyp sind die organischen Molekülketten in unterschiedlich starkem Maß untereinander verknüpft, was sich auf die Festigkeit und Schmelzbarkeit auswirkt (Abb. B 1.3). In Abhängigkeit des Vernetzungsgrads werden sie eingeteilt in: • Thermoplaste • Elastomere • Duroplaste Es ist schwierig, die jeweils typischen Eigenschaften dieser drei Kunststoffgruppen generell zu beschreiben, da die Kennwerte jeweils sehr weit streuen. Die folgenden Abstufungen sind daher eher als Tendenzen zu sehen. Bei Thermoplasten sind die Moleküle nicht vernetzt. Daher weisen diese Kunststoffe vergleichsweise geringe Festigkeitswerte auf und sind in der Regel wenig temperaturbeständig. Sie lassen sich beliebig oft einschmelzen und umformen, was insbesondere für die industrielle Fertigung und die Wiederverwertung vorteilhaft ist. Die meisten Gebrauchsgegenstände aus Kunststoff im Haushalt oder auch Verpackungen bestehen aus Thermoplasten. Die Moleküle von Elastomeren sind vernetzt und somit nach der Herstellung nicht mehr schmelzbar. Ausgangsstoff ist zäher Rohkautschuk, den erst die Vernetzung elastisch macht. Elastomere (umgangssprachlich Gummi) werden grundsätzlich vor der Vernetzungsreaktion verarbeitet. Aufgrund ihrer geringen Festigkeitseigenschaften sind sie nicht als Konstruktionsmaterial geeignet, werden aber häufig in Fugen zur Abdichtung oder als Lagen für eine gleichmäßige Übertragung von Kontaktspannungen eingesetzt. Im Alltag sind Autoreifen eines der Haupteinsatzgebiete von Elastomeren. Die Gruppe der Duroplaste besitzt engmaschig vernetzte Moleküle und damit auch höhere Festigkeitswerte und eine bessere Dauerhaftigkeit als die anderen Kunststoffgruppen. Duroplaste sind nicht schmelzbar und haben eine vergleichsweise hohe Temperaturbeständigkeit. Lichtschalter und Stecker werden häufig aus Duroplasten geformt.

Kunststoffe

Kunststoffe Verpackung 32,4 % Bauwesen 25,2% Thermoplaste

Fahrzeuge 9,2% Elektronik 7,4% Sonstiges 14,9 % Medizin 1,7 %

Haushaltswaren 2,9% Möbel 3,8%

Duroplaste

Elastomere

• Molekülketten nicht vernetzt • schmelz- und umformbar • eher geringe mechanische Eigenschaften

• Moleküle stark vernetzt • nach Vernetzung nicht schmelzbar • sehr gute mechanische Eigenschaften

• Moleküle schwach vernetzt • nach Vernetzung nicht schmelzbar • sehr hohe Dehnbarkeit

Landwirtschaft 2,5% B 1.2

Es existieren auch Mischformen aus Kunststoffen zweier Gruppen, welche die günstigen Eigenschaften beider Komponenten vereinen. Thermoplastische Elastomere (TPE) sind beispielsweise sehr elastisch und zugleich schmelzbar. Einzelne Kunststoffe wie die Polyurethane oder Silikone können in ihrem Molekülaufbau stark variiert werden, sodass sie sowohl als Thermoplaste, Elastomere oder Duroplaste produziert werden können. Bei Silikonen treten wegen des im Polymermolekül enthaltenen Siliziums darüber hinaus einige Eigenschaften auf, die von den übrigen Kunststoffen abweichen. Sie haben eine besonders hohe Temperatur- und Witterungsbeständigkeit und sind im Gegensatz zu den meisten anderen Kunststoffen nicht brennbar.

B 1.3

che Abscheidung des Kondensats stattfindet. Bei der Herstellung ist daher darauf zu achten, dass das Nebenprodukt ungehindert austreten kann und anschließend abgeleitet wird. Die dritte Reaktionsart ist die Polyaddition, bei der sich ebenfalls über eine stufenweise chemische Reaktion verschiedene Molekülbausteine miteinander verknüpfen. Sie unterscheidet sich von der Polykondensation vor allem dadurch, dass wie bei der Polymerisation keine Nebenprodukte bei der Reaktion anfallen.

sation, Polykondensation oder Polyaddition. Das Produkt aus dieser chemischen Verknüpfung ist das Polymer, also der Kunststoff. Bei der Polymerisation verbinden sich die vorhandenen Monomere unter Einfluss von Katalysatoren zu Polymeren, ohne dass Nebenprodukte aus der Reaktion entstehen. Werden bei der Polymerisation unterschiedliche Monomere verknüpft, spricht man von Copolymerisation. Die Polykondensation erhält ihren Namen aus dem mit der Herstellung verbundenen Austritt von Wasser (Kondensat), in einigen Fällen auch Chlorwasserstoff, Ammoniak oder Alkohol. Meist werden in einer stufenweisen Reaktion zwei verschiedene Arten von Molekülbausteinen zusammengefügt, wobei eine kontinuierli-

Kunststofferzeugung

Die Kunststofferzeugung findet in Chemiewerken statt, der Kunststoff wird teilweise schon dort mit Füllstoffen und Additiven verse-

Erdöldestillation

Herstellung von Kunststoffen Praktisch alle gebräuchlichen Kunststoffe sind petrochemischen Ursprungs, d. h. sie basieren auf Erdöl. Bei der Verarbeitung in der Raffinerie wird das Rohöl zunächst erhitzt und in Abhängigkeit der Dichte in seine Bestandteile getrennt. Die dabei gewonnenen Leichtbenzine (Naphtha), die ca. 10 % des Gesamtausstoßes bilden, werden anschließend zu Kunststoffen verarbeitet. Alle weiteren Komponenten wie Petroleum, Kerosin, Heizöl oder Bitumen fließen anderen Nutzungen zu. Zur Kunststoffherstellung wird das Naphtha zunächst gespalten, auch »Cracken« genannt. Es entstehen einzelne Monomere wie Ethylen, Propylen oder Acetylen – die Bausteine zur Generierung von Kunststoffen (Abb. B 1.4). Aus diesen werden die Kunststoffpolymere zusammengesetzt. Alternativ kommen für die Gewinnung der Monomere auch andere Ausgangsstoffe wie Erdgas, Steinkohle oder nachwachsende Rohstoffe infrage, die derzeit aber aus Kostengründen noch eine untergeordnete Rolle spielen (siehe Naturfaserverstärkte Kunststoffe und Biokunststoffe, S. 60ff.). Polymerbildung

Der Zusammenbau der einzelnen Monomere zu Ketten oder Netzen erfolgt über drei unterschiedliche Reaktionsmechanismen: Polymeri-

Kunststofferzeugung

Gas

20 °C 150 °C

Pyrolyse

Leichtbenzine (10 %)

Monomere (Ethylen, Propylen, Acetylen)

(Aufspalten)

Petroleum, Kerosin Polymerisation H H H H H H ...+ C C + C C + C C + ... H H H H H H

250 °C

H C H

...

H C H

H C H

H C H

H C H

H C H

...

Polyethylen - Makromolekül

Ethylen Ethylen Ethylen Schweröl

Polyaddition Rohöl (erhitzt)

350 °C

1. Monomer ... +

2. Monomer +

Polyaddukt

+

+

+ ...

...

...

Polykondensation 1. Monomer

2. Monomer

Polykondensat

400 °C Schmieröl, Paraffine, Bitumen, Teer

... + HO

OH + HO

OH + ...

...

O Wasser + H2O

Polymer (Kunststoff) B 1.4

31

Streuung / Absorption

Kunststoffe

transparente Pigmente (50 –100 nm) für glasklare Kunststoffeinfärbungen

Streuung

faserverstärkter Kunststoff mit Thermofarben Zusammenhang zwischen Pigmentgröße und Transparenz bei Farbpigmenten B 1.7 Füllstoffe und deren Auswirkung B 1.8 Stegplatte aus Kunststoff mit photochromer Deckschicht B 1.9 Kunststoffknöpfe mit Perlmutteffekt B 1.10 Kunststoff mit Effektpigmenten B 1.11 Kohlenstoffnanoröhrchen unter dem Mikroskop in ca. 100-facher Vergrößerung

deckende Pigmente, z. B. zur Kunststoffeinfärbung

B 1.5 B 1.6

Absorption

0

200

400

B 1.5

hen und als Zwischenprodukt ausgeliefert. Dabei unterscheiden sich die drei Kunststoffgruppen hinsichtlich der notwendigen Verfahrensschritte und der verwendeten Vorprodukte. Thermoplaste sind als Granulate oder Pulver erhältlich, die zwar schon die endgültige chemische Zusammensetzung haben, jedoch beim Verarbeiter erst noch eingeschmolzen und zum Endprodukt geformt werden müssen. Elastomere werden aus Rohkautschuk produziert, der im Gegensatz zum Endprodukt noch nicht vernetzt ist. Der Rohkautschuk wird verarbeitet und geformt, erst danach erfolgt die Vulkanisation, also die Vernetzung zum Kunststoff unter Einwirkung von Schwefel, Druck und hoher Temperatur. Duroplaste werden zunächst in Form eines flüssigen Vorprodukts (Kunstharz) oder als Formmassen gefertigt, welche ebenfalls noch nicht vernetzt sind. Die chemische Reaktion erfolgt über beigemischte Härter erst im Rahmen der Endverarbeitung. Die genauen Methoden der Verarbeitung und Aufbereitung werden im Kapitel »Vorprodukte« (S. 68ff.) erläutert.

Füllstoffe und Additive Die Eigenschaften von Kunststoffen werden wesentlich durch die eingebauten Füllstoffe und Additive beeinflusst (Abb. B 1.7). Dabei bezeichnet man Stoffe, welche die Eigenschaften verbessern oder als Reaktionspartner zur Verfügung stehen, als Additive. Stoffe, die zur Streckung des Kunststoffs dienen, heißen Füllstoffe. Viele Kunststoffe wären ohne entsprechende Additive überhaupt nicht einsetzbar, da nur sie die Kunststoffeigenschaften gezielt an das Anforderungsprofil anpassen. Bei PVC beispielsweise sind die Möglichkeiten, die Eigenschaften durch Additive zu beeinflussen besonders ausgeprägt. Weicher und harter PVC haben zwar einen identischen chemischen Aufbau, durch die unterschiedlichen Anteile an Weichmachern liegen jedoch grundsätzlich verschiedene Werkstoffe mit eigenen Einsatzbereichen vor. Dass Additive nicht nur die Eigenschaften, sondern auch die Verarbeitbarkeit eines Kunststoffs wesentlich bestimmen, sollte bereits bei der Planung eines Bauteils oder Arbeitsschritts

32

600

800 Teilchengröße [nm]

B 1.6

berücksichtigt werden. So ist z. B. ein ungesättigtes Polyesterharz, das aus Brandschutzgründen mit Flammschutzmitteln angereichert ist, durch die erhöhte Viskosität wesentlich zeitintensiver in der Verarbeitung. Für die Zusammensetzung der richtigen Mischung spielen verschiedene Aspekte eine Rolle: • angestrebte Lebensdauer • Witterungs- und UV-Beanspruchung • chemische Beständigkeit • beabsichtigte Endverarbeitung • gewünschte Farbe und Transparenz • Anforderungen an den Brandschutz • Anforderung an mechanische Eigenschaften

Einfärben von Kunststoffen

Das Wissen um die Auswirkungen und die Kombinierbarkeit aller Additive und Füllstoffe beruht auf langjähriger Erfahrung der Kunststoffproduzenten und sollte mit diesen abgestimmt bzw. ihnen ganz überlassen werden. Der Endverarbeiter bezieht also in der Regel Kunststoffe, die bereits mit Additiven und Füllstoffen versehen sind. Im Einzelnen sind folgende Füllstoffe und Additive gebräuchlich: • kostenreduzierende Füllstoffe (z. B. Kaolin, Kreide oder Öl bei Elastomeren) • Farbmittel (Farbstoffe und Pigmente) • Katalysatoren und Reaktionspartner zur Steuerung der chemischen Reaktion • Stabilisatoren zur Verbesserung der Dauerhaftigkeit (z. B. unter UV-Beanspruchung) • Weichmacher bei Thermoplasten zur Verhinderung spröden Verhaltens • Flammschutzmittel (Halogene, Aluminiumtrihydrit oder -hydroxid) • Thixotropiermittel zur Verbesserung der Streichfähigkeit bei Duroplasten

Farbstoffe Im Kunststoff lösliche Farbstoffe bestehen wie der Kunststoff selbst meist aus organischen Verbindungen. Sie sollten wasserunlöslich sein, um einer Entfärbung im Gebrauch vorzubeugen. Farbstoffe bewirken, anders als Pigmente, eine transparente Einfärbung, der Kunststoff bleibt glasklar. In Kombination mit (weißen) Pigmenten ist aber auch eine opake Farbgebung möglich. Farbstoffe haben eine bessere Temperaturbeständigkeit als Farbpigmente, weshalb sie für das Einfärben hitzebeständiger Kunststoffe gut geeignet sind.

Die häufig erforderlichen Weichmacher können sich allerdings aus dem Kunststoff lösen und über direkten Kontakt oder Wasser in den Körper von Menschen und Tieren gelangen. Darin enthaltene Chemikalien wie Bisphenol A stehen im Verdacht, gesundheitsschädigend zu wirken. Im Kunststoff vorhandene Additive spielen für das Recycling von thermoplastischen Kunststoffen eine wichtige Rolle. Eine Wiederverwertung ohne Qualitätsverlust ist nur bei der Mischung von identischen Kunststoffen mit gleichen Füllstoffen und Additiven möglich.

Zahlreiche Thermoplaste und Duroplaste sind grundsätzlich transparent, daher steht ein großer Spielraum zur transparenten oder opaken Einfärbung offen. Einige nicht lichtechte Kunststoffe werden stets opak eingefärbt und optisch aufgehellt, um ein gleichbleibendes Erscheinungsbild zu garantieren. Bei den Farbmitteln wird zwischen löslichen Farbstoffen und nicht löslichen Farbpigmenten unterschieden. Die Abgrenzung von organischen Pigmenten zu Farbstoffen ist manchmal fließend, da sie aufgrund ihres polymeren Aufbaus ebenfalls in Kunststoff löslich sein können.

Farbpigmente Im Gegensatz zu Farbstoffen lösen sich Farbpigmente nicht im Kunststoff, sondern werden als möglichst kleine Partikel in Form von Nadeln, Plättchen oder Kugeln zugemischt. Je nach Teilchengröße bleibt der Kunststoff dabei nahezu transparent oder erscheint opak (Abb. B 1.6). Bei Abmessungen von 50 bis 100 nm streuen die Pigmente das einfallende Licht kaum, d. h. der Kunststoff ist transparent. Größere Pigmente (300 – 550 nm) streuen Licht dagegen wesentlich stärker – das Material wirkt dann opak. Als Pigmentstoff kommen unterschiedliche Werkstoffe zum Einsatz, am häufigsten jedoch die relativ preiswerten Metalloxide. Je nach chemischer Zusammensetzung ergibt sich eine charakteristische Farbe des Pigments. Daneben zählt auch Ruß zu den anorganischen Farbpigmenten, die kostengünstig und weitverbreitet sind. Organische Pigmente sind im Gegensatz zu

faserförmige Füllstoffe und Verstärkungsmittel

+ + + +++ ++

den metallischen wesentlich vielfältiger und in der Farbe variabler, jedoch auch teurer. Sie verleihen dem Kunststoff eine höhere Brillanz, besitzen aber ein geringeres Deckvermögen. Effektfarbmittel Phosphoreszierende Farben, optische Aufheller, Thermofarben, Effektpigmente (Abb. B 1.10) oder Farben mit Perlmuttglanz zählen zu den Effektfarbmitteln. Sie können sowohl auf Farbstoffen als auch auf Pigmenten basieren. Fluoreszierende und aufhellende Farben (Aufheller) wandeln UV-Licht in sichtbares Licht um und verleihen dem Kunststoff oder der Kunstfaser eine besonders leuchtende, helle Farbe. Thermofarben wechseln durch eine Änderung in der Kristallstruktur ihre Farbe bei veränderter Bauteiltemperatur (Abb. B 1.5). Der Effekt ist grundsätzlich reversibel, nach wiederholter Farbänderung können jedoch chemische Prozesse stattfinden, die den Vorgang irreversibel machen. Anorganische Effektpigmente sind verhältnismäßig große Plättchen (»Flakes«), die je nach Größe sogar mit bloßem Auge erkennbar sein können. Durch den geschuppten Aufbau entstehen Lichtreflexionen und damit metallisch wirkende Farbtöne, in Abhängigkeit des Betrachtungswinkels ändert sich die Farbe oder es entstehen Glitzereffekte. Die Pigmente selbst bestehen häufig aus Metalloxiden, Aluminium oder Kupfer. Effektpigmente sind für (kunststoffbasierte) Lackierungen der Automobilindustrie sehr gebräuchlich. Um einen Perlmuttglanz zu erzielen, werden natürliche Fischschuppen oder der Ersatzstoff Bleicarbonat in den Kunststoff eingebracht. Der Perlmutteffekt wird beispielsweise für Knöpfe oder Kämme aus Kunststoff eingesetzt (Abb. B 1.9). Additive mit bauphysikalischen und mechanischen Funktionen

Spezielle Pigmente sind in der Lage, die Wärmespeicherung oder -reflexion von Kunststoffen zu beeinflussen. Glimmerpigmente erhöhen beispielsweise die Reflexion des Kunststoffs, d. h. sie spiegeln einen erheblichen Anteil des einfallenden Infrarotlichts, während der Kunststoff für sichtbares Licht transparent bleibt. Damit kann der Energiedurchlass infolge Strah-

+ +

+ + + ++ +++ ++

-+ ++ -+

+ +

Wirtschaftlichkeit

+ + + + + + + + + +

chemische Beständigkeit

+ + -+ -

bessereWärmestandfestigkeit

+

+ + +

+

reduzierte Schwindung

plättchenförmige Füllstoffe

Holzmehl Ruß Metalloxide Calciumcarbonat (Kreide) Kaolin Silica Sand-/Quarzpulver Graphit Talkum Glimmer Polymerfasern Kohlenstofffasern Glasfasern

Schlagzähigkeit

kugelförmige Füllstoffe

E-Modul

+ bis +++ Verbesserung der Eigenschaften - Verminderung der Eigenschalften

Druckfestigkeit

Zugfestigkeit

Kunststoffe

+ + + +

+

+ + + ++ ++

+

++ + + ++ + + + + B 1.7

B 1.8

lung bei transparenten Scheiben von Kunststofffassaden reduziert werden. Thermochrome oder photochrome Additive absorbieren zunächst Energie und strahlen sie zeitlich versetzt wieder ab (Abb. B 1.8). Dabei reagieren Thermofarben auf Temperaturunterschiede, während photochrome Additive direkt die Strahlungsenergie aufnehmen. Für eine bauphysikalische Wirkung sind diese Effekte meist jedoch zu gering ausgeprägt, weshalb sie vor allem aus gestalterischen Gründen eingesetzt werden. Phase Change Materials (PCM) Energie speichernde Werkstoffe, sogenannte Latentwärmespeicher (engl. Phase Change Materials – PCM), regulieren den Temperaturhaushalt von Bauteilen. Sie sind selbst keine Kunststoffe, können jedoch in die Hohlkammern von Stegplatten aus Kunststoff eingefüllt oder in Form von Mikrokügelchen direkt in den Kunststoff eingearbeitet werden (siehe Sandwichplatten, S. 90). Anders als bei thermochromen Materialien findet bei PCMs keine chemische Reaktion statt, sondern ein physikalischer Phasenübergang von fest zu flüssig. Wesentlich ist darüber hinaus – ebenfalls im Gegensatz zu thermochromen Materialien – das Vorhandensein einer »Plateau-Temperatur«, bei der ein Latentwärmespeicher wirkt. Beim Durchschreiten dieser Temperatur nimmt das PCM überproportional viel Energie auf oder gibt diese ab. Dadurch behält das Material in gewissen Grenzen die Plateau-Temperatur bei, auch wenn konstant Energie aufgenommen oder abgegeben wird. PCM sind meist Paraffine oder Salzhydrate, deren Übergangstemperatur sich gut auf den bauphysikalisch relevanten Bereich einstellen lässt. Feuchteabsorbierende Additive Bei Kunststoffen ist das Feuchteabsorptionsvermögen im Vergleich zu Holz oder Naturfasern vergleichsweise gering. Es ist allerdings möglich, feuchtespeichernde Materialien, sogenannte Trockenmittel (Getterstoffe), in begrenztem Umfang in die Polymermatrix von Kunststoffen zu integrieren. So können beispielsweise Abstandhalter von Mehrscheibenverglasungen Restgase wie Wasserdampf absorbieren.

B 1.9

B 1.10

100 μm B 1.11

33

Kunststoffe

Kohlenstoffnanoröhrchen Kohlenstoffnanoröhrchen (engl. carbon nanotubes – CNT) können in Form kleiner Partikel dem Kunststoff beigemischt werden, wodurch sich unterschiedlichste mechanische Eigenschaften steuern lassen (Abb. B 1.11, S. 33). Bei Faserverbundwerkstoffen verbessern sie z. B. die Haftzugfestigkeit zwischen Fasern und Kunststoff erheblich. Die Entwicklung von Anwendungen und die Untersuchung der Umweltwirkung von CNT sind jedoch noch nicht abgeschlossen. Bei den Nanoröhrchen handelt es sich um röhrenförmig vernetzte, elektrisch leitfähige Kohlenstoffmoleküle, die so hohe Festigkeiten aufweisen, dass sie selbst hochfeste Kohlenstofffasern übertreffen.

Spannung σ [N/mm²]

Fasern Durch den Einbau von Fasern in Form von kurzen Stücken, Langfasern oder als Textile kann die Festigkeit und der E-Modul (Dehnung des Werkstoffs unter Spannung) von Kunststoffen wesentlich verbessert werden. Am gebräuchlichsten sind glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) und kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK). Bei zunehmendem Fasergehalt übernimmt der Kunststoff nur formgebende und schützende Funktionen, während die Fasern die mechanischen Eigenschaften bestimmen. Als Grenzfall können textile Membranen betrachtet werden, bei denen der Kunststoff ediglich in Form einer dünnen Beschichtung verwendet wird.

Die für architektonische Anwendungen infrage kommenden Fasern werden im Kapitel »Fasern« (S. 48ff.) ausführlich erläutert, die zur Verfügung stehenden textilen Halbzeuge im Kapitel »Textilien« (S. 69ff.).

Eigenschaften der Kunststoffe Kunststoffe sind in ihren Eigenschaften wesentlich vielfältiger als tradierte Werkstoffe wie Holz, Metalle oder Beton (Abb. B1.19, S. 38). Besonders bei faserverstärkten Kunststoffen streuen die Festigkeit, der E-Modul und die Dehnbarkeit erheblich (Abb. B 1.12). Je nachdem welche mechanischen, chemischen und fertigungstechnischen Anforderungen sich stellen, muss der Anwender einen geeigneten Kunststoff auswählen und ihn gegebenenfalls mit Additiven optimieren. Es ist daher nicht nur wichtig zu wissen, welche Charakteristika Kunststoffe aufweisen, sondern auch inwieweit diese variiert werden können. Kunststoffe in der Wahrnehmung

Die sensorischen Eigenschaften eines Kunststoffs bestimmen den ersten Eindruck. Im Gegensatz zu anderen Baustoffen variieren Kunststoffe sehr breit hinsichtlich ihrer Transparenz, Haptik oder ihres Klangs. Umgekehrt können die sensorischen Eigenschaften aber auch beim Erkennen eines unbekannten Kunststoffs hilfreich sein.

Optische Wahrnehmung Die Eigenschaft eines Materials, für Strahlung durchlässig zu sein, bezeichnet man als Transparenz. Sie variiert bei jedem Werkstoff in Abhängigkeit der betrachteten Wellenlänge: Ein für sichtbares Licht transparentes Material kann in anderen Wellenlängenbereichen opak sein. In gestalterischer Hinsicht spielt die Transparenz von sichtbarem Licht eine wichtige Rolle. Daneben ist für bauphysikalische Aspekte die Transparenz gegenüber ultravioletter oder Infrarotstrahlung von Bedeutung (siehe Lichtund wärmestrahlungstechnische Eigenschaften, S. 113ff.). Ein Bauteil, durch das man klar hindurch sieht, wird als transparent bezeichnet, ist jedoch nur eine schemenhafte Durchsicht möglich, spricht man von transluzent, ist es vollkommen lichtundruchlässig, gilt es als opak (Abb. B 1.14). Wie transparent ein Bauteil wirkt, ist in starkem Maße von seinen Dimensionen abhängig. So kann ein und derselbe Werkstoff als Folie hochtransparent sein, als Platte jedoch milchig oder vollkommen undurchsichtig. Dementsprechend beschreibt die gebräuchliche Einteilung in transparent, transluzent und opak die Eigenschaft eines spezifischen Bauteils, nicht allgemein die eines Materials. Die Transparenz von Kunststoffen hängt von den beigemengten Füllstoffen und ihrem chemischen Aufbau bzw. der Anordnung der Moleküle ab. Bei Thermoplasten variiert diese zwischen vollständig unregelmäßig (amorph) bis

kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) max. σ = 5000 [N/mm²]

500

400

glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) Baustahl

300 Aluminium 200

B 1.12 Acrylglas (PMMA)

100

Polycarbonat (PC) max. ε =150 % Holz

Polyethylen (PE-HD) max. ε =1000 %

0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30 Dehnung ε [%]

B 1.13 B 1.14

Vergleich typischer Kunststoffe mit tradierten Baustoffen a mechanische Eigenschaften (SpannungsDehnungs-Linien) b Eigengewicht (Wichte) c Wärmeleitfähigkeit vergilbter Kunststoff transparenter, milchiger, opaker Kunststoff

a Holz

Holz

PE-LD

PVC-U

PMMA

PMMA

PVC-U

PTFE

GFK/ CFK

PE-LD

PTFE

GFK

Aluminium

Baustahl

Baustahl

Aluminium 0

b

34

10

20

30

40

50

60 70 80 Wichte [kN/m³]

53 221 0

c

1

2

3 4 Wärmeleitfähigkeit [W/mK]

B 1.12

B 1.13

Kunststoffe

a

b

c

hin zu einem nahezu gleichmäßigen Aufbau (teilkristallin). Die Molekülstruktur ist in erster Linie vom verwendeten Kunststoff abhängig, kann jedoch auch durch den Herstellungsprozess beeinflusst werden. Teilkristalline Thermoplaste wie Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) sind milchig oder sogar vollständig opak, während amorphe Thermoplaste eine hohe Transparenz aufweisen, dazu gehören beispielsweise Polyvinylchlorid (PVC), Polystyrol (PS), Polymethylmethacrylat (PMMA – Acrylglas) und Polycarbonat (PC). Bei Duroplasten können sich die Moleküle wegen ihrer engen Vernetzung nicht gleichmäßig anordnen, weshalb sie in der Regel transparent sind. Bei Elastomeren sind die Moleküle zwar nur teilweise vernetzt, eine theoretisch mögliche Transparenz ist aber aufgrund der notwendigen Füllstoffe wie Ruß oder Öl nicht umsetzbar. Um dennoch ein transparentes und elastisches Material zu erhalten, besteht die Möglichkeit, Elastomere und Thermoplaste chemisch oder physikalisch zu verbinden (Thermoplastische Elastomere – TPE). Dauernde UV-Strahlung kann einige transparente, aber nicht lichtechte Kunststoffe wie PVC mit der Zeit trüben, der Kunststoff wird undurchsichtig. Bei PVC spalten sich an der Oberfläche infolge der einwirkenden Strahlung Chlorwasserstoffe ab, was zur Vergilbung führt (Abb. B 1.13).

Akustische Wahrnehmung Ein Fachmann erkennt den Kunststoffs am Klang beim Klopfen bzw. beim Knittern von Kunststofffolien. PVC-P, Acrylnitrilbutadienstyrol (ABS), PMMA, PA und CA klingen beispielsweise eher dumpf wohingegen andere Kunststoffe »scheppern«, z. B. das harte PVC (PVC-U), PC oder PS. Letzteres hat einen sehr charakteristischen gläsernen Klang, vor allem wenn es bricht.

teil duktiler Werkstoffe ist, dass lokale Überbeanspruchungen durch plastische Deformation ausgeglichen werden können. Der Werkstoff beginnt zu fließen, d. h. bei nahezu konstanter Spannung nimmt die Verformung zu. Damit werden die Lasten auf benachbarte Bereiche abgegeben. Kunststoffe decken die gesamte Breite zwischen spröde und zäh ab, wobei bestimmte Additive (Weichmacher) das Materialverhalten häufig in Richtung Zähigkeit verbessern.

Haptische Wahrnehmung Kunststoffe werden meist ohne zusätzliche Beschichtung verarbeitet, daher sollte der Oberflächenqualität des Materials besondere Beachtung geschenkt werden. PE, PP, PTFE und Celluloseacetat (CA) fühlen sich wachsartig an, was im Allgemeinen als angenehm empfunden wird – Werkzeuggriffe beispielsweise bestehen daher oft aus CA. Die Kratzempfindlichkeit von Kunststoffen variiert ebenfalls, besonders empfindlich sind PE und weiches PVC (PVC-P), etwas geringer auch PMMA. Die Kratzempfindlichkeit korreliert in gewissem Maß mit der Härte eines Werkstoffs, die wiederum abhängig ist von dessen E-Modul und Fließgrenze, also der mechanischen Spannung, bei der sich das Material dauerhaft plastisch verformt.

Mechanische Eigenschaften

Die Zug- oder Druckfestigkeit eines Werkstoffs beschreibt die maximal aufnehmbaren Spannungen. Bei Kunststoffen liegt der Wert der Zugfestigkeit häufig über dem der Druckfestigkeit. Der E-Modul gibt die Dehnung des Werkstoffs unter Spannung wieder – ein hoher E-Modul entspricht einer geringen Verformung. Daneben hängt die tatsächliche Dehnung eines Bauteils von der Geometrie des Querschnitts ab. Die Kombination aus E-Modul und der Querschnittsgeometrie bestimmt die Steifigkeit eines Bauteils. Bei Kunststoffen ist der E-Modul meist nicht konstant, sondern nimmt bei zunehmender Belastung ab, d. h. die Verformungen vergrößern sich unter steigender Last überproportional (Abb. B 1.12 a). Außerdem sind bei allen Kunststoffen sowohl E-Modul als auch Festigkeit temperaturabhängig – bei ansteigender Bauteiltemperatur fallen beide Werte ab. Beispielsweise verfügt Polycarbonat bei einer Bauteiltemperatur von 100 °C nur noch über zwei Drittel seiner Zugfestigkeit unter Raumtemperatur. Bruchverhalten Für die Sicherheit eines Bauwerks ist nicht nur entscheidend, welche Belastungen ein Werkstoff aufnehmen kann, sondern welches Bruchverhalten er zeigt. Ein spröder Werkstoff versagt bei Erreichen der Festigkeitsgrenze schlagartig, wobei scharfkantige Bruchflächen oder Splitter entstehen können. Man spricht bei sprödem Verhalten auch von geringer (Kerbschlag-)Zähigkeit oder glasartigem Verhalten. Werkstoffe mit duktilem oder zähem Verhalten brechen im Idealfall gar nicht. Unter Stoßbelastung kann das Material einen Teil der einwirkenden Energie abdämpfen. Ein weiterer Vor-

B 1.14

Das Bruchbild von Kunststoffen lässt sich in drei Kategorien unterteilen: Einen duktilen Bruch zeigen PE, PP, PA, weiches PVC-P, PC, weiches CA sowie PTFE und alle Elastomere. Der sogenannte Weißbruch ist durch die auffällig weiße Bruchkante charakterisiert. Das Verhalten von hartem PVC-U und den Styrol-Copolymeren (SB, ABS, ASA), bei denen Weißbruch auftritt, liegt zwischen duktil und spröde. PMMA, PS und der Styrol-Copolymer SAN sowie alle Duroplaste verhalten sich glasartig und brechen spröde. Dieser Sprödbruch ist hinsichtlich Dauerhaftigkeit und Anwendungssicherheit als negativ zu bewerten. Kunststoffe mit eigentlich duktilem Verhalten können infolge Alterung und dem damit verbundenem Abbau der enthaltenen Weichmacher verspröden und hiermit ihr Bruchverhalten ändern. Härte Die Härte eines Werkstoffs beschreibt den Eindringwiderstand der Oberfläche gegen einen spitzen Gegenstand. Sie ist abhängig vom E-Modul und der Fließgrenze eines Materials. Es gibt unterschiedliche Prüfverfahren, bei denen Stifte mit kegel- oder kugelförmiger Spitze in den Werkstoff gedrückt und dabei die Eindringtiefe gemessen wird. Je nach Härtebereich des zu prüfenden Materials kommen unterschiedliche Verfahren zur Anwendung. Bei weichen Elastomeren wird die Härte nach dem Verfahren »Shore A« gemessen, härtere Elastomere und weiche Thermoplaste werden in »Shore D« geprüft (DIN 53 505). Härtere Thermoplaste sowie alle Duroplaste werden nach »Rockwell« vermessen (DIN EN ISO 6508-1), für faserverstärkte Kunststoffe ist die Prüfung nach »Barcol« gebräuchlich (nach DIN EN 59).

35

E-Modul, relativ zur Raumtemperatur 20°C

Kunststoffe

1,1 1,0

Phenolharz (PF)

0,9 0,8 0,7 Vinylesterharz (VE) 0,6 0,5 0,4 0,3

ungesättigtes Polyesterharz (UP)

0,2 0,1 0

50

100

150

200

250

300

350

400

450 500 Temperatur [°C] B 1.16

B 1.15

portional zu, bis es zu einem verzögerten Bruch kommt (Zeitstandfestigkeit). Hierfür sind die Griffe einer Einkaufstüte ein alltägliches Beispiel – zunächst tragen sie das Gewicht, werden immer länger und können schließlich nach einigen Minuten doch reißen. Bei der Dimensionierung von Kunststoffbauteilen muss daher die Dauer einer Einwirkung in die Berechnung einfließen (siehe Berechnung, S. 150ff.). Relaxation beschreibt grundsätzlich den gleichen Mechanismus wie das Kriechen, wobei hier vorgespannte Bauteile betrachtet werden, deren Dehnung konstant gehalten wird. Durch die Verschiebung der Moleküle entspannt sich das Material zu einem gewissen Grad. Dieses Werkstoffverhalten zeigt sich z. B. bei vorgespannten Membranen die – ursprünglich straff – mit der Zeit an Spannkraft verlieren und gegebenenfalls nachjustiert werden müssen (siehe Kompensation, S. 148). Erhöhte Temperaturen beschleunigen sowohl Kriechen als auch Relaxation, da die Bindungskräfte zwischen den Molekülketten schwächer werden. Thermische Eigenschaften

Die Wärmeausdehnung von Kunststoffen ist sehr unterschiedlich; die Werte variieren zwischen 35 · 10-6/K für Phenoplaste (PF) und 250 · 10-6/K für Polyethylen (PE). Dies entspricht einer Ausdehnung zwischen 35 und 250 mm je 100 m Länge bei einer Temperaturänderung von 10 K. Verglichen mit konventionellen Baustoffen wie Holz (8 mm), Stahl Masseverlust [%]

Kriechen, Zeitstandfestigkeit und Relaxion Ein wesentliches Merkmal von Kunststoffen ist deren irreversible Reaktion auf zeitlich andauernde mechanische Einwirkung. Unter konstanter Belastung gleiten die einzelnen Molekülketten des Kunststoffs aneinander vorbei, wobei sich die Verformungen vergrößern und es zu einem zeitlich verzögertem Bruch kommen kann. Das Materialverhalten lässt sich anschaulich mit Spaghetti darstellen (Abb. B 1.15). Hängen die Nudeln (als Bild für Molekülketten) an einer Gabel, zieht ihr Eigengewicht sie langsam nach unten. Ist die Last nicht zu hoch, verlangsamt sich das Gleiten, da die einzelnen Spaghetti aneinander haften, der Vorgang kommt schließlich zum Stillstand. Unter hoher Belastung können einzelne Molekülstränge jedoch abreißen, es kommt zum Bruch. Bei unvernetzten Thermoplasten ist dieses Verhalten folglich wesentlich stärker ausgeprägt als bei stark vernetzten Duroplasten. Unter Kriechen versteht man die kontinuierlich zunehmende plastische Verformung eines Werkstoffs unter konstanter Belastung, diese kann ein Vielfaches der ursprünglichen elastischen Verformung betragen. Die Kriechverformung von Kunststoffen tritt vor allem kurz nach Beginn einer Belastung auf und erreicht schließlich einen Grenzwert. Liegt das Belastungsniveau jedoch über einem gewissen Schwellenwert, nehmen die Verformungen nach einer längeren Belastungsdauer überpro-

(12 mm), Glas (9 mm), Aluminium (23 mm) oder Beton (10 mm) verformen sich Kunststoffe unter Temperaturänderung sehr stark. Die Befestigung von Kunststoffbauteilen muss deshalb entsprechende Dehnungen zulassen. Lediglich faserverstärkter Kunststoff erreicht Werte, die im Bereich der konventionellen Baustoffe liegen, nämlich zwischen 0 und 35 mm (siehe Konstruieren mit Kunststoffhalbzeugen, S. 160ff.). Polymerfasern können auch einen negativen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Verhalten bei hohen Temperaturen Bei einigen Kunststoffen kommt es bereits unter normalen Anwendungstemperaturen (z. B. unter 60 °C) zu einem Abfall des E-Moduls und der Festigkeit, der jedoch bei Abkühlung reversibel ist (Abb. B 1.16). Erst bei weiter zunehmenden Temperaturen erweicht der Kunststoff, er beginnt sich zu zersetzen, verliert an Masse (Abb. B 1.17) und brennt schließlich. [1] Als Gebrauchs- oder Anwendungstemperatur bezeichnet man die Temperatur, der ein Werkstoff ausgesetzt sein kann, ohne bleibenden Schaden zu nehmen und bei der Festigkeit und E-Modul nicht erheblich verringert sind. Die Gebrauchstemperatur wird einerseits für kurzfristige Einwirkung und andererseits für dauernde Einwirkungen angegeben. Bei Thermoplasten wird häufig auch die sogenannte Glasübergangstemperatur (Tg) angegeben, bei der der Kunststoff von einem steifen in einen zähelastischen Zustand übergeht; sie erlaubt jedoch

0

-0,5 Phenolharz (PF) -1,0 Vinylesterharz (VE) -1,5

B 1.15 B 1.16 B 1.17 B 1.18

36

Modell zur Erklärung des Langzeitverhaltes von Molekülketten bei Kunststoffen unter Last Veränderung des E-Moduls von duromeren Kunststoffen unter Brandeinwirkung Massenverlust von duromeren Kunststoffen unter Brandeinwirkung Eigenschaften ausgewählter Kunststoffe

ungesättigtes Polyesterharz (UP) -2,0 50 0

100 5

150 10

200 15

250 20

300 25

350 30

400 35

450 40

500 45

550 50

600 55

650 60

Temperatur [°C] 700 750

65 70 75 Versuchsdauer [min] B 1.17

Kunststoffe

Kunststoff

Spezifikation

Bruch- Transpaverhal- renz ten

Dichte [g/ cm3]

Gebrauchstemperatur dauernd/kurz [°C]

Merkmale

Handelsnamen und Synonyme

chemischer Angriff durch

Zugfestigkeit [N/mm2]

Zug-EModul [N/mm2]

Bewitterung

linearer Ausdehnungskoeffizient 10-6/K

Wärmeleitfähigkeit [W/mK]

Säure

Lauge

++

++

0

50 –75

1000 – 3500

70 – 80

0,14 – 0,17

+

+

-

10 – 25

–

150 – 210

0,15

++

++

-

8 – 23

200 – 500

230 – 250

0,32 – 0,40

Thermoplaste PVC

Polyvinylchlorid

PE

Polyethylen

PP

Polypropylen

U

Weißbruch

1,46

65 – 70/75 –90

klingt scheppernd

P

duktil

1,27

50 – 55/55 – 65

gummiartig flexibel, klanglos

LD

duktil

0,92

60 –75/80 – 90

wachsartiger Griff, mit dem Fingernagel markierbar

duktil

0,95

75 – 90/90 –120

duktil

0,90

100/140

nicht mit dem Fingernagel markierbar

HD

++

++

-

18 – 35

700 –1400

120 – 200

0,38 – 0,51

+

++

-

21 – 37

1100 –1300

110 –170

0,17 – 0,22

PS

Polystyrol

spröde

1,05

50 –70/60 – 80

klingt gläsern

+

+

-

45 – 65

3200 – 3250

60 – 80

0,18

SB

Styrolbutadien

Weißbruch

1,05

50 –70/60 – 80

nicht so spröde wie PS

+

++

-

26 – 38

1800 – 2500

70

0,18

ABS

Acrylnitrilbutadienstyrol

Weißbruch

1,05

75 – 85/85 –100

zähelastisch, klingt dumpf, kratzfest

Abselex, Absinol

+

++

-

32 – 45

1300 – 2700

60 –110

0,18

zähelastisch

Luran

+

++

-

75

3600

80

0,18

-

32

1100 – 2600

80 –110

0,18

SAN

Styrolacrylnitril

spröde

1,08

85/95

ASA

Acrylesterstyrolacrylnitril

Weißbruch

1,04

70 – 75/85 – 90

PMMA

Polymethylmethacrylat

spröde

1,19

65 – 90/85 –100

PC

Polycarbonat

duktil

1,20

135/160

PET

Polyethylenterephthalat

1,37

100/200

PA

Polyamid

1,13

80 –100/140 –180

duktil

1,14

80 –120/170 – 200

PTFE

Polytetrafluorethylen

duktil

2,17

250/300

ETFE

Ethylentetrafluorethylen

1,75

150/220

CA

Cellulose (tri)acetat

1,30

70/80

6 66

duktil

duktil

Luran-S uneingefärbt glasklar, klingt dumpf

Acrylglas Plexiglas

0

++

++

50 –77

1600 – 3600

70 – 90

0,18

zähhart, klingt scheppernd

Makrolon, Lexan

0

--

0

56 – 67

2100 – 2400

60 –70

0,21

Vivak, Mylar

+

+

0

47

3100

40 – 60

0,24

zähelastisch, klingt dumpf, Dämpfung hoch

Nylon, Perlon

--

+

-

70 – 85

1400

60 –100

0,29

--

+

-

77 – 84

2000

70 –100

0,23

wachsartige Haptik

Teflon

++

++

++

25 – 36

410

120 – 250

0,25

++

++

++

35 – 54

1100

40

0,23

--

-

-

38

2200

120

0,22

angenehmer Haptik, klingt dumpf

Elastomere (mit Füllstoffen) Naturkautschuk

duktil

70/90

Kautschuk, Latex

0

0

--

ca. 30,0

R-Kautschuk

duktil

100 –130/120 –130

Neoprene, Chloroprene, Butyl, Nitril

-/+

0/+

--

ca. 20,0–25,0

M-Kautschuk

duktil

120 –170/150 – 200

Buna AP, Keltan

+

+

++

ca. 20,0

Q-Kautschuk

duktil

180/300

0/-

0/-

++

ca. 8,0

-

-

+

20 – 60

1500 – 2500

-

-

+

25

560 – 1200

10 – 50

-

-

+

variabel

variabel

variabel

variabel

0

0

+

40 –70

3000 – 4200

80 –150

0,7

0

0

+

80 –240

7000 – 23 000

9 – 30

0,25

+

+

0

60 –125

3000 – 6000

60

0,88

1350– 2800

165 000– 300 000

0,2

17,0

Silikon

variabel

Duroplaste PF

UP

Phenolharz

spröde

1,30

110/140

mit Holzmehl

spröde

1,40

110/140

faserverstärkt

spröde

2,00

110/140

spröde

1,20

150/200

spröde

1,80

150/200

spröde

1,20

130/180

spröde

1,70

130/180

1,20

130/180

ungesättigtes Polyesterharz faserverstärkt (GFK)

EP

Epoxidharz faserverstärkt (CFK)

VE

Vinylesterharz

spröde

PUR

Polyurethan

duktil

1,05

50 – 80/70 –100

nicht lichtecht, temperaturbeständig

Bakelite

Kunstharz

hohe Festigkeitswerte

35

chemikalienbeständig

Phenacrylatharz

+

+

0

70 – 84

3400 – 3600

53 – 65

vielseitig einsetzbar

PU

0

+

-

70 – 80

4000

10 – 20

0,35 0,35

0,58

++ sehr gut beständig, + gut beständig, 0 teilweise beständig, - wenig beständig, -- unbeständig transparent

als Folie transparent

milchig

opak

B 1.18

37

Kunststoffe

Probe entflammt überhaupt nicht oder nur sehr schwer Probe deformiert langsam

Probe wird durch Lösung aus Salpeter- und Salzsäure (1:3) nicht angegriffen Polyfluorkohlenwasserstoffe (PTFE, ETFE)

Probe deformiert nicht

Geruch nach Salzsäure

Geruch nach Formaldehyd

starker Fischgeruch

Geruch nach Phenol

Polyvinyl(iden)chlorid (PVC/PVdC) bzw. VC-Copolymere

Harnstoffharz (UF)

Melaminharz (MF)

Phenolharz (PF) mit anorganischem Füllstoff

Probe brennt innerhalb der Flamme, erlischt aber nach Entfernen der Flamme Probe brennt mit gelber Flamme, schwer entflammbar Probe brennt mit blauer Flamme mit gelber Spitze, Probe schmilzt und tropft, Geruch nach brennender Wolle oder Haar, Probe in 50 %igem HCl langsam löslich

kurzzeitig grünes Aufleuchten in der Flamme, beißender Geruch

Geruch nach Phenol, zugleich mit Geruch nach brennendem Holz oder Papier

Funkensprühen in der Flamme, Geruch nach Essigsäure

Polyvinylchlorid (PVC)

Phenolharz (PF) mit organischem Füllstoff

Celluloseacetat (CA)

Polyamid (PA) 6.6

Probe brennt nach Entfernen der Flamme weiter (Farbbeurteilung sofort nach Entflammung vornehmen) gelbe Flamme mit blauem Rand

gelbe Flamme

Probe brennt langsam (erlischt evtl. auch von selbst), schwarzer Rauch, scharfer, beißender Geruch, phenolartig

Probe brennt heftig, intensiv weiße Flamme

Epoxidharz (EP)

Cellulosenitrat (CN)

Probe brennt langsam, klare rauchlose blaue Flamme, schwacher FormaldehydGeruch

Polyoxymethylen (POM)

Probe schmilzt und tropft, Tropfen können brennen, Essiggeruch

Celluloseacetat (CA)

Probe schmilzt und tropft, Tropfen können brennen

dicker Rauch mit Rußflocken

Geruch nach Leuchtgas

Geruch nach Essig

Polystyrol (PS)

Polyvinylacetat (PVA)

unangenehmer, stechender Geruch Geruch nach gebranntem Zucker Polyurethan (PUR)

Ethylcellulose (EC)

Probe knistert und zerspringt Geruch nach ranziger Butter Celluloseacetobutyrat (CAB)

Polyesterharz (UP)

blaue Flamme mit gelber Spitze

Probe schmilzt nicht

Probe schmilzt und tropft

Tropfen können brennen

Tropfen brennen stets, Geruch nach brennender Kerze, Probe schwimmt auf Wasser

herber, ranziger Geruch

stechender Geruch

Probe biegsam

Probe etwas härter

Probe härter und steifer, Oberfläche kratzfester

Celluloseacetobutyrat (CAB)

Cellulosepropionat (CP)

Polyethylen niedriger Dichte (PE-LD)

Polyethylen hoher Dichte (PE-HD)

Polypropylen (PP)

38

Geruch nach brennender Wolle oder Haar, Probe in 50 %igem HCl langsam löslich

obstartiger Geruch

Polyamid (PA) 6,6

Acrylharz

B 1.19 B 1.20

Erkennen von Kunststoffen durch Brandprobe Verwendung von Kunststoffen im Bauwesen B 1.19

Kunststoffe

keinen Rückschluss auf die Gebrauchstemperatur. Die Schmelztemperatur von Thermoplasten gibt an, bei wie viel Grad der Kunststoff vollständig flüssig wird – eine Information, die für die Produktion wichtig ist. Brennbarkeit Kunststoffe sind grundsätzlich brennbar, jedoch ist das Brandverhalten je nach Werkstoff sehr unterschiedlich. Darüber hinaus können Additive oder Füllstoffe die Brandeigenschaften beeinflussen. Oftmals dient daher eine Brandprobe zur Identifizierung von Kunststoffen (Abb. B 1.19). Wesentlich ist dabei, ob der Kunststoff durch eine Beflammung mit einem Bunsenbrenner Feuer fängt und ob er nach Entfernen der Flamme weiter brennt oder selbst verlischt. Außerdem sind die Farbe der Flamme und das Auftreten von Rauch signifikante Erkennungsmerkmale von Kunststoffen. Für den Baubereich ist daneben wichtig, ob ein Kunststoff brennend abtropft und mit welcher Rauchentwicklung zu rechnen ist (siehe Brandverhalten und Brandschutz, S. 119f.). Beständigkeit und Wiederverwertbarkeit

Die Langzeitbeständigkeit von Kunststoffen ist sehr unterschiedlich. Während Feuchtigkeit in den meisten Fällen unproblematisch ist, können unterschiedliche Witterungs- und Medieneinflüsse schädigend auf das Material wirken (Abb. B 1.18, S. 37), insbesondere in Verbindung mit hohen Temperaturen. Kunststofffasern sind aufgrund der großen Oberfläche besonders empfindlich gegenüber diesen Einflüssen (siehe Polymerfasern, S. 51ff.). Hochenergetische UV-Strahlung kann die Kohlenstoffbindungen im Kunststoff angreifen und so die Molekülketten zerstören sowie die Weichmacher aus dem Kunststoff lösen – der Werkstoff vergilbt oder versprödet. Je nach Molekülaufbau reagieren Kunststoffe gegenüber UV-Belastung sehr unterschiedlich. Dauerhaft beständig sind Fluorpolymere (PTFE, ETFE) und Silikon. Über eine gute Beständigkeit gegen UV-Strahlung verfügen Acrylglas (PMMA), PET, Polycarbonat (PC), hartes PVC-U und duroplastische Kunststoffe. Bei anderen Kunststoffen kann die Molekülstruktur durch Beigabe von Stabilisatoren besser geschützt und damit die UV-Resistenz erhöht werden. Prinzipiell können Kunststoffe bis zu einem gewissen Grad Feuchtigkeit und Wasser aufnehmen. Die Auswirkungen von Feuchtigkeit auf den Kunststoff sind dabei jedoch sehr unterschiedlich. Während ein Großteil der Kunststoffe wasserbeständig ist, kann bei einigen Materialien das Wasser die chemischen Verbindungen spalten und damit den Kunststoff oberflächlich angreifen (Hydrolyse). Für die im Bauwesen häufig verwendeten Duroplaste wirken sich Feuchtigkeit und viele Medien wie Laugen oder Säuren jedoch nicht negativ auf die mechanischen Eigenschaften aus. Im Gegensatz zu anderen organischen Baustoffen wie Holz sind die meisten Kunststoffe beständig gegenüber Mikroorganismen.

First- und Gratrolle PET, PP

Dampfsperre PE, PA Dachdämmung PS, EPS, XPS, PUR Dampfsperre PE

Solartechnik EVA

Lüftungs-, Putzprofil PVC Bodenbelag PVC, EP, PUR

Regenrohr PVC, PE

Auflagerfuge CR Akusikplatte PVC Sonnenschutz PVC

Randverbund PUR, Butyl Polysulfid Fenster PVC PE-C Spanplatten PE

Außenfarbe PMMA, EP, PUR Dämmung PS, EPS, XPS, PUR Mauersperrbahn PVC Hohlkörper PE

Lichtschacht PP

Kabel PVC

Beschlag PA

Fensterbank PVC Farben und Lacke PMMA, EP, PUR Steckdosen und Schalter PF, UF, MF Dübel PA Kunststein UP, EP Baufolie PE-LD Trittschalldämmung PE Heizungsrohr PE-X, PP Abwasserrohr PP, PVC-U

Noppenbahn PE, HD Dichtungsprofil EPDM Filterflies PP, PA B 1.20

39

Kunststoffe

B 1.21

B 1.22 B 1.23 B 1.24 B 1.25 B 1.26

Eigenschaften von Thermoplasten in Abhängigkeit der Temperatur a amorphe Kunststoffe (PVC, PS, PMMA, PC), der Einsatzbereich liegt unterhalb der Glasübergangstemperatur im hartelastischen Bereich, Bruchverhalten eher spröde b teilkristalline Thermoplaste (PE, PP, PTFE, ETFE), der Einsatzbereich liegt oberhalb der Glasübergangstemperatur im weichelastischen Zustand, Bruchverhalten eher duktil Mischbarkeit von Thermoplasten Polyvinylchlorid (PVC) Polyethylen (PE) Polypropylen (PP) Polystyrol (PS)

ε [%] f [N /mm²]

TG = Glas- od. Einfriertemperatur TZ = Zersetzungstemperatur

TF = Fließtemperatur

Festigkeit f

Verformung ε

Tmax

TZ

TF

TG

T[°C] Zersetzung

Schmelze

Umformbereich weichelastischer Zustand

Einsatzbereich hartelastischer Glaszustand

a ε [%] f [N /mm²]

TG = Glas- od. Einfriertemperatur TF = Fließtemperatur TZ = Zersetzungstemperatur Tmax= Gebrauchstemperatur Festigkeit f Verformung ε

Tmax

TG

TF

TZ T [°C]

b

PA

PET

PC

PMMA

SAN

ABS

PS

PP

PE-HD

PE-LD

B 1.21

PVC PVC

++

PE-LD

≈

++

PE-HD

≈

≈

PP

≈

≈

≈

++

PS

≈

≈

≈

≈

++

ABS

-

≈

≈

≈

≈

SAN

+

≈

≈

≈

≈

++ ++

≈

≈

≈

-

++ ++ ++

PMMA ++

++

++

PC

--

≈

≈

≈

≈

+

+

PET

≈

≈

≈

≈

--

--

≈

≈

PA

≈

≈

≈

≈

--

≈

≈

≈

+ bis ++ gut mischbar - bis -- bedingt mischbar

++ ++ ++ ++ ≈

--

++

≈ nicht mischbar B 1.22

40

Recycling Ausschließlich Thermoplaste kommen für eine vollständige Wiederverwertung infrage, da sich nur diese einschmelzen und erneut formen lassen. Neben der Sortenreinheit des Kunststoffs sind dabei auch nahezu identische Additive und Füllstoffe der zu mischenden Abfälle Voraussetzung. In der Praxis kann dies nur durch einen von Herstellern gesteuerten Stoffkreislauf gewährleistet werden, was mit einem entsprechenden logistischen Aufwand verbunden ist. Ein Beispiel hierfür ist der von europäischen Herstellern geregelte Stoffkreislauf für PVCFensterrahmen. Dank der einheitlichen Kunststoffzusammensetzung können alle zum Stoffkreislauf gehörigen Produkte nach dem Rückbau gemischt und wiederverwertet werden – die Recyclingquote liegt bei nahezu 100 %. Ist keine vollständige Wiederverwertung möglich, können die Abfälle zu Produkten mit geringerer Leistungsfähigkeit verarbeitet werden (Downcycling). Die Verwendung von Kunststoffabfällen für Schüttgut, Dämmung, Bodenbeläge und dergleichen ist mit allen Kunststoffen möglich, je nach Verwendungszweck ist allerdings auch hier eine Sortenreinheit anzustreben. Für das Downcycling ist es nicht notwendig, dass alle Komponenten identische Füllstoffe und Additive besitzen. Die Vielfalt der unterschiedlichen im Bauwesen eingesetzten Kunststoffprodukte macht eine sortenreine Trennung fast unmöglich. In der Automobilindustrie wird dieser Problematik durch die Verwendung von Barcodes begegnet, durch die sich jeder einzelne Kunststoff beim Rückbau wieder identifizieren lässt.

Schmelze

Einsatzbereich zähelastischer Zustand

Glaszustand spröde

Es wurden jedoch auch biologisch abbaubare Kunststoffe entwickelt, die von Feuchtigkeit oder Mikroben zersetzt werden, um das Müllproblem bei Einwegverpackungen zu lösen. Grundsätzlich besteht hier der Widerspruch zwischen dem Wunsch nach einem dauerhaften Baustoff einerseits und einer ökologisch unbedenklichen Verwertung andererseits (siehe Naturfaserverstärkte Kunststoffe und Biokunststoffe, S. 60ff.).

Thermoplaste Thermoplaste bestehen aus linearen oder verzweigten Molekülketten, die untereinander keine chemischen Bindungen eingehen, sondern nur durch schwache physikalische Kräfte zusammengehalten werden. Diese sogenannten Nebenvalenzkräfte lösen sich, wenn das Material erwärmt wird. Dadurch sind die Molekülketten frei beweglich, d. h. der Kunststoff wird weich und formbar (Abb. B 1.21). Thermoplaste zeigen ein zähes Materialverhalten, sie sind schweißund recycelbar. Im Vergleich zu Duroplasten besitzen sie eher geringere Festigkeitswerte und im Mittel eine beschränkte Temperaturbeständigkeit. Thermoplaste sind wegen der höheren Viskosität als Grundmaterial für faserverstärkte Kunststoffe weniger geeignet als Duroplaste.

Kunststoffmischungen

Polymerblends sind Mischungen verschiedener Kunststoffe, die jedoch nicht chemisch miteinander reagieren, sondern nur physikalisch vermengt und durch Haftvermittler verknüpft werden. Durch die Mischung lassen sich die Eigenschaften von mehreren Grundwerkstoffen gezielt kombinieren und entsprechend den Anforderungen anpassen (Abb. B 1.22). So können nicht nur verschiedene Thermoplaste miteinander kombiniert werden, sondern auch Thermoplaste mit Elastomeren. Bei diesen sogenannten thermoplastischen Elastomeren (TPE) sind die beiden Phasen entweder chemisch verknüpft (Blockpolymer) oder es handelt sich um Mischungen mit rein physikalischer Bindung (Polymerblends). Unter Gebrauchstemperaturen zeigen TPEs typische Eigenschaften eines Elastomers wie die gute Dehnbarkeit. Bei hohen Temperaturen verhalten sie sich jedoch thermoplastisch, sie sind z. B. gut umformbar und lassen sich schweißen. TPEs ersetzten weiche Thermoplaste wie PVC-P hauptsächlich dann, wenn eine höhere Elastizität erforderlich ist, z. B. bei Abdichtfolien. Vorteilhaft ist außerdem die im Vergleich zu den Elastomeren mögliche Einfärbung. Von opaker Farbe bis hin zu einer hohen Transparenz sind alle Nuancen einstellbar. Polyvinylchlorid (PVC)

ˉ Fensterrahmen, Rohre, Lichtkuppeln, Bodenbeläge, Beschichtung von Membranen (Abb. B 1.23) Im Baubereich ist PVC der mit Abstand am häufigsten eingesetzte Werkstoff. Er hat im Vergleich zu anderen Thermoplasten eine hohe Festigkeit und einen hohen E-Modul. Auch wegen seiner guten Alterungsbeständigkeit, der vorzüglichen Resistenz gegenüber chemischer Substanzen und dem für Thermoplaste guten Brandschutzeigenschaften findet PVC im Bauwesen weite Verbreitung. Der transparente Werkstoff ist jedoch nicht dauerhaft lichtecht, weshalb er häufig opak eingefärbt wird. Sein Wärmeausdehnungskoeffizient und seine Wärmeleitfähigkeit liegen für Thermoplaste eher in den unteren Bereichen. Grundsätzlich verhält sich PVC spröde und muss daher mit Weichmachern versetzt werden. Je nach Inhaltsmengen der Weichmacher und Stabilisatoren spricht man von einer harten oder einer weichen Ausprägung. Im Vergleich zum harten PVC-U (weichmacherfrei) hat weiches PVC-P (hoher Weichmacheranteil) auch bei niedrigen Temperaturen eine bessere Zähigkeit, besitzt jedoch eine geringere Festigkeit und ein geringeres E-Modul sowie eine schlechtere Witterungsbeständigkeit. Die enthaltenen Weichmacher können ausdiffundieren und an die Oberfläche treten. Bei Kontakt mit anderen Kunststoffen und Verklebungen kann dies problematisch werden. Eine alternative Methode, das spröde PVC weicher zu machen, stellen Mischungen (Blends) von PVC mit chloriertem Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) dar. Das Polyethylen verbessert die Zähigkeit des

Kunststoffe

PVC, dadurch kann der Anteil an Weichmachern reduziert werden. PVC wird meist pulverförmig geliefert, für die Verarbeitung geschmolzen und über Spritzgießen, Extrusion und andere Verfahren geformt. Es ist relativ günstig herzustellen und gut zu bearbeiten – Schweißen, Kleben oder Umformen sind problemlos möglich. Polyvinylbutyral (PVB) ˉ Zwischenschichtfolien von Verbundglasscheiben Folien aus hochmolekularem PVB sind sehr transparent und eignen sich daher besonders zur Verklebung von Verbundglasscheiben. PVB gehört zur Gruppe der Polyvinylacetate, welche auch häufig für Lösungsmittelklebstoffe eingesetzt werden. PVB-Folien werden bei der Verklebung zwischen die Glasscheiben gelegt und unter Einwirkung von hohem Druck und hoher Temperatur verklebt. Polyethylen (PE)

ˉ Abdichtfolien, Wasserleitungen, Beton-Hohlkörper-Platten, Gewächshauseindeckungen, Polymerfasern (Abb. B 1.24) Polyethylen ist ein preiswerter Massenkunststoff mit geringem Eigengewicht. Ohne Zugabe von Pigmenten ist er milchig weiß und verliert mit zunehmender Dichte seine Transparenz. Der Kunststoff hat eine hohe Dehnbarkeit und zeigt ein sehr zähes Bruchverhalten. Die Gasdurchlässigkeit dieses Werkstoffs ist höher als bei den meisten anderen Kunststoffen, allerdings kann er nur in geringem Umfang Wasser aufnehmen. Festigkeit und E-Modul von PE sind sehr niedrig. Verglichen mit anderen Thermoplasten ist dafür die Wärmeleitfähigkeit von PE relativ hoch. Das Material ist nicht witterungsbeständig; Folien aus Polyethylen niedriger Dichte (PE-LD) werden rasch durch UVStrahlung zersetzt. Polyethylen wird in zwei unterschiedlichen Verfahren hergestellt: Während bei der Polymerisation unter hohem Druck ein Werkstoff mit geringer Dichte und geringerer Festigkeit bzw. E-Modul entsteht (PE-LD), kann durch Niederdruckpolymerisation ein Kunststoff mit höherer Dichte bei gleichzeitig größerer Festigkeit und höherem E-Modul gewonnen werden (PE-HD). Grundsätzlich steigt die Chemikalien-, Witterungs- und UV-Beständigkeit von PE mit der Dichte. Eine Beimischung von Ruß stabilisiert den Molekülaufbau und erhöht damit die UVBeständigkeit zusätzlich. Ein vernetztes Polyethylen (PE-X) hat höhere Gebrauchstemperaturen und eine bessere Zeitstandfestigkeit. Die Verarbeitbarkeit und Schweißbarkeit von PE ist sehr gut, dies trifft insbesondere auf Folien aus PE-LD zu. Durch den unpolaren Aufbau eignet es sich jedoch grundsätzlich nicht zum Kleben, da der Klebstoff nicht die für seine Wirkung erforderlichen Dipolbindungen aufbauen kann. Umformen ist zwar prinzipiell möglich, jedoch nicht ohne Weiteres durchführbar, weil der Werkstoff keinen ausgeprägten thermoelastischen Zustandsbereich aufweist.

Polyethylen-Ionomer ˉ Zwischenschichtfolien von Verbundglasscheiben, Rohre Ionomere können aus unterschiedlichen Kunststoffen gewonnen werden. Die für das Verkleben von Glasscheiben gebräuchlichen Ionomerfolien basieren auf Polyethylen. Im Allgemeinen bestehen Ionomere sowohl auf ionisierten als auch nicht ionisierten Komponenten. Dadurch ergeben sich die besonderen Hafteigenschaften auf anderen Materialien, welche in diesem Fall die Kennwerte der gebräuchlichen PVB-Folien überschreiten. Durch Hitze lösen sich die Bindungen der beiden Komponenten – der Werkstoff wird thermoplastisch verarbeitbar. Ionomerfolien sind glasklar und zäh, sie können sehr dünn mit nur 12 μm Stärke verarbeitet werden.

B 1.23

Ethylen-Vinylacetat (EVA) ˉ Abdichtungsbahnen, Klebefolien bei Solarmodulen Durch die Beigabe von Vinylacetat nimmt die Gasdurchlässigkeit von Polyethylen zu, gleichzeitig wird die Transparenz erhöht. Wesentlich ist die Verbesserung der Bruchdehnung und der Kerbschlagzähigkeit. Grundsätzlich wird EVA wie PE-LD verarbeitet, die Elastizität steigt zunehmend mit höherem Vinylacetatgehalt. Bei der Einbettung von Solarzellen in Glasscheiben werden EVA-Folien eingesetzt, durch Erhitzung verkleben sie dauerhaft mit den Fügepartnern. Polypropylen (PP)

ˉ Rohrleitungen, Abdeckelungen, Behälter (Abb. B 1.25) Polypropylen ist ebenfalls ein Massenkunststoff, dessen Eigenschaften im Wesentlichen denen von PE ähneln. Festigkeit und Temperaturbeständigkeit liegen jedoch etwas über dessen Werten, während die Wärmeleitfähigkeit geringer ist. PP kann mit Fasern verstärkt werden, um die Festigkeit weiter zu verbessern. Der Werkstoff hat wie PE eine geringe Dichte, die unter der von Wasser liegt. Unbehandeltes PP ist milchig, aufgrund der für Dauerhaftigkeit und Zähigkeit notwendigen Füllstoffe jedoch meist opak. Die UV-Stabilisierung ist aufwendiger als bei PE und führt zu schlechteren Ergebnissen, daher ist der Werkstoff für Außenanwendungen grundsätzlich ungeeignet. Auch die Verarbeitung von PP ähnelt der von PE: Es ist gut form- und schweißbar, aber ebenfalls schwierig zu kleben.

B 1.24

B 1.25

Polystyrol (PS)

ˉ Wärmedämmung, Trittschalldämmung, Kernmaterial für Sandwichbau (Abb. B 1.26) PS ist wie PE und PP ein preiswerter Massenkunststoff mit relativ geringer Dichte, jedoch besseren mechanischen Eigenschaften. PS ist formtreu und hat eine geringe Wärmeausdehnung und -leitfähigkeit. Nachteilig sind sein sprödes Bruchverhalten und die UV-Empfindlichkeit, die nur bedingt durch Stabilisatoren optimiert werden kann. PS ist zwar sehr B 1.26

41

Kunststoffe

B 1.27

B 1.28

B 1.29

transparent und hat eine brillante Oberfläche, jedoch vergilbt der Werkstoff schnell unter direkter Sonnlichtbestrahlung, wird spröde und neigt zur Spannungsrissbildung. Daher kommt PS nur für Anwendungen im Innenbereich infrage. Ein gutes Erkennungsmerkmal für diesen Kunststoff ist der gläserne Klang bei Schlagbeanspruchung bzw. das Knistern von PS-Folien. Im Gegensatz zu PE und PP lässt sich PS nicht nur schweißen, sondern auch kleben. Zu Hartschäumen expandiert (EPS) oder extrudiert (XPS) dient es für Wärmedämmungen oder Sandwichkerne von faserverstärkten Kunststoffen (siehe Kernmaterialien, S. 72ff.).

Einflüsse, insbesondere gegen UV-Strahlung. Das Bruchverhalten ist vergleichsweise spröde, wenn der Werkstoff nicht mit Elastomeren oder Fasern modifiziert wird. Im Gegensatz zu vielen anderen Thermoplasten kann PMMA in Form von gegossenen Platten, Profilen oder Rohren direkt als Halbzeug hergestellt werden. Die Vernetzung findet direkt in der Form statt. Daneben wird PMMA auch wie andere Thermoplaste zunächst als Granulat produziert und anschließend z. B. zu Platten extrudiert. Hinsichtlich Festigkeit und E-Modul sind die gegossenen Halbzeuge den Granulaten jedoch überlegen. Vorteilhaft ist die einfache Warmumformbarkeit von PMMA. Nach einer Erwärmung auf ca. 130 °C (extrudiertes PMMA) bzw. 150 °C (gegossenes PMMA) lässt es sich gut formen und behält seine Gestalt nach dem Erkalten bei (siehe Umformen, S. 172f.).

Ein großer Vorteil ist die hohe Zähigkeit von PC, die ungefähr dem zehnfachen von PMMA entspricht. Typische Anwendungen sind daher Konstruktionen, bei denen mit Stoßbelastung zu rechnen ist. Die Gebrauchstemperatur von PC liegt mit bis zu 135 °C deutlich über der von PMMA. Eine Verstärkung von PC mit Glasfasern verbessert die Zugfestigkeit wesentlich und steigert zudem die Gebrauchstemperatur auf 145 °C. Zum Umformen wird PC zunächst mehrere Stunden auf 110 °C vorgewärmt, um es zu trocknen. Anschließend wird es bei 180 – 210 °C durch Streckziehen, mittels Druckluft oder durch ein Vakuumverfahren umgeformt. Der Prozess der Formgebung ist damit deutlich aufwendiger als bei PMMA.

Styrol-Copolymerisate (SB, ABS, SAN, ASA) ˉ Möbel, Sitzschalen, Sanitärauskleidungen, Außenverkleidungen (nur ASA) (Abb. B 1.32) Styrol-Copolymere haben einen ähnlichen chemischen Aufbau wie Polystyrol und grundsätzlich vergleichbare Eigenschaften. Durch die chemische oder physikalische Kombination unterschiedlicher Monomere lassen sich Schlagzähigkeit oder Witterungsbeständigkeit im Vergleich zum Polystyrol optimieren. Die Styrol-Copolymerisate haben wie PS eine brillante Oberflächenqualität. Insbesondere Acrylesterstyrolacrylnitril (ASA) ist auch für Außenanwendungen geeignet, er hat aufgrund der höheren Polarität der Moleküle eine sehr gute Witterungsbeständigkeit. Häufig verbessert die Beigabe anderer Thermoplaste oder Elastomere die Schlagzähigkeit, die Kratzfestigkeit oder allgemein die mechanischen Eigenschaften des Kunststoffs und macht ihn dadurch robuster. Polymethylmethacrylat (PMMA)

ˉ Verglasungen, Überdachungen, Möbel PMMA (Acrylglas) ist ein typischer Kunststoff des Bauwesens, der im Vergleich zu anderen Thermoplasten hervorragende mechanische Kennwerte und eine besondere Brillanz besitzt. Bei 3 mm dicken Platten beträgt die Lichttransmission ca. 92 % und ist damit besser als bei mineralischem Glas. Der harte Werkstoff ist verglichen mit anderen Thermoplasten zwar kratzfest, jedoch empfindlicher als Glas oder Polycarbonat. PMMA ist beständig gegen äußere

42

Polyester

Polyester ist ein Oberbegriff für verschiedene Kunststoffe, denen eine vergleichsweise hohe Zugfestigkeit und ein hoher E-Modul gemein sind. Außerdem haben sie eine für Thermoplaste sehr hohe Wärmebeständigkeit, eine exzellente Widerstandsfähigkeit gegen chemische Einflüsse und eine hohe Transparenz. Daher sind Polyester für Außenanwendungen besonders interessant. Die einzelnen Kunststoffe aus der Gruppe der Polyester werden in der Praxis oft unter ihrem Gruppennamen klassifiziert. So werden die für Membranen wichtigen PET-Fasern von Herstellern auch vereinfachend als Polyesterfasern bezeichnet. Polycarbonat (PC) ˉ Verglasungen (Stegplatten), Überdachungen, Brüstungen (Abb. B 1.28) Polycarbonat ist hinsichtlich seiner Eigenschaften mit PMMA vergleichbar und findet zum großen Teil für die gleichen Aufgaben Verwendung. Festigkeit und E-Modul sowie die Dauerhaftigkeit sind bei beiden Materialien ähnlich. Für den Außeneinsatz sind bei PC jedoch UV-Stabilisatoren notwenig, um ein Vergilben zu verhindern. PC ist transparent, wenngleich seine Lichtdurchlässigkeit unter der von PMMA liegt.

Polyethylenterephthalat (PET) ˉ Fasern, hochfeste Folien (Abb. B 1.27) PET hat im Gegensatz zu Polycarbonat einen höheren Kristallisationgrad und damit eine geringere Transparenz. Jedoch kann durch die Fertigung ein amorpher Aufbau mit hoher Transparenz erreicht werden, dabei sinken jedoch die mechanischen Eigenschaften und die Wärmeformbeständigkeit. Im Allgemeinen teilt PET die guten Eigenschaften der anderen Polyester wie hohe Festigkeit, E-Modul und vorzügliche Witterungsbeständigkeit. Im Gegensatz zu PC ist PET beständig gegenüber Spannungsrissbildung. Ebenso wie PC muss PET vor der Verarbeitung mehrere Stunden getrocknet werden. Im Bauwesen ist vor allem die Extrusion von hochfesten Folien von Interesse, außerdem das sogenannte Schmelzspinnen zu hochfesten Fäden und Drähten. Die Polyesterfasern, wie die PET-Fasern auch vereinfachend genannt werden, sind sehr robust und nehmen kaum Feuchtigkeit auf, weshalb sie für den Membranbau von sind. Glykolmodifiziertes PET (PET-G) hat eine erhöhte Schlagzähigkeit, es ist für Tiefziehen hervorragend geeignet und wird daher häufig für den Modellbau verwendet. Polyphenylenether, modifiziert (PPE + PS) ˉ Fensterprofile, Sonnenkollektoren Das Polyester PPE wird ausschließlich als Polymerblend mit Polystyrol verarbeitet, um eine

Kunststoffe

ausreichende Temperaturbeständigkeit zu erzielen. PPE+PS hat sehr gute mechanische Eigenschaften. Die Formtreue von PPE + PS ist besonders hoch. Wie die anderen Polyester ist es sehr witterungsbeständig und außerdem bei Feuereinwirkung selbstverlöschend. Eine Besonderheit ist die leichte Weiterverarbeitung, z. B. lässt sich die Oberfläche gut lackieren oder bedrucken. Polyamid (PA), Aramid

ˉ Fasern, Türbeschläge, thermische Trennung in Fensterprofilen, beschichtete Gartenmöbel (Abb. B 1.30) Polyamide sind teilkristallin und damit opak. Bei der Sonderform Aramid sind aromatische Ringe in die Molekülstruktur eingebaut, es wird fast ausschließlich zur Produktion hochfester Fasern verwendet. Polyamid und Aramid haben gute mechanische Eigenschaften, vor allem ein hohes Dämpfungsvermögen und eine gute Abriebsfestigkeit. Fasern aus diesen Werkstoffen weisen ein sehr zähes Bruchverhalten auf, unter Stoßeinwirkung können sie hohe Energiemengen absorbieren. Polyamide sind darüber hinaus wärmeformbeständig und widerstandsfähig gegen chemische Einflüsse, aber weniger witterungs- und lichtstabil. Für Außenanwendungen ist daher der Einsatz von Stabilisatoren wie Ruß unerlässlich. Polyamide nehmen vergleichsweise viel Feuchtigkeit aus ihrer Umgebung auf, was einerseits die Festigkeit des Werkstoffs herabsetzt, andererseits jedoch die Zähigkeit verbessert. Celluloseacetat (CA)

ˉ transparente Wärmedämmung (TWD), Brillenfassungen, Werkzeuggriffe (Abb. B 1.31) Celluloseacetat wird durch eine chemische Reaktion von Cellulose (aus Baumwolle oder Holz) mit Essigsäure gewonnen. Je nach Anteil an gebundener Essigsäure wird zwischen Cellulosediacetat (CA) und Cellulosetriacetat (CTA) unterschieden. Letzteres ist schwieriger thermoplastisch verarbeitbar, hat jedoch eine höhere Wasser- und Wärmebeständigkeit. Die bevorzugten Verarbeitungsverfahren für CA sind Spritzgießen, Extrusion, Extrusionsblasen sowie Warmumformen. CTA wird vornehmlich im Gießverfahren zu

Hartfolien verarbeitet, die aufgrund ihrer hohen Transparenz auch für LCD-Bildschirme Verwendung finden. Im Gegensatz zu den anderen hier erwähnten Kunststoffen wird Cellulose(tri)acetat nicht aus Erdöl gewonnen, sondern basiert auf nachwachsenden Rohstoffen. In den 1920er-Jahren löste Celluloseacetat das Zelluloid wegen seiner geringeren Entflammbarkeit als Schichtträger für Filmbänder ab. CA zeichnet sich durch eine hohe Transparenz, Festigkeit, Oberflächenhärte und -glanz, Wärmestandfestigkeit, gute Griffigkeit sowie eine niedrige Feuchtigkeitsaufnahme aus. Aufgrund hoher Oberflächenelastizität ist es kaum kratzempfindlich. Die geringe elektrostatische Aufladbarkeit ermöglicht staubfreie Oberflächen. Signifikant ist das hohe mechanische Dämpfungsvermögen, weshalb sich Celluloseacetat z. B. für die Verwendung als Werkzeuggriff eignet. Charakteristisch ist auch die hohe Wärmestrahlungsabsorption, die CA und CTA für transparente Wärmedämmungen interessant macht. Dieser Kunststoff kann ausschließlich in witterungsgeschützten Bereichen eingesetzt werden, da keine geeigneten Zusätze für eine dauerhaft wirksame Stabilisierung gegen UV-Strahlung und Feuchtigkeit zur Verfügung stehen.

B 1.30

B 1.31

Fluorpolymere

Fluorpolymere unterscheiden sich in einigen Punkten wesentlich von den anderen Thermoplasten. Ihre mechanischen Eigenschaften sind eher gering einzustufen, weshalb sich diese Werkstoffgruppe kaum als Konstruktionsmaterial eignet – mit Ausnahme von Folienkissen oder PTFE-Geweben. Es sind vor allem die außergewöhnlichen Oberflächeneigenschaften, die Fluorpolymere für das Bauwesen zu einem sehr interessanten Material machen. Aufgrund der geringen Rauheit der Oberfläche bleibt Schmutz nicht haften, die Kunststoffe sind praktisch selbstreinigend und stellen deshalb ein ideales Beschichtungsmaterial dar. Außerdem ist die Werkstoffgruppe äußerst resistent gegen Witterung und UV-Bestrahlung sowie nicht entflammbar. Die Anwendungstemperatur ist für Thermoplaste zudem ungewöhnlich breit und reicht von Tiefsttemperaturen ab -200 °C bis zu 300 °C.

B 1.32

B 1.27 B 1.28 B 1.29 B 1.30 B 1.31 B 1.32

Polyethylenterephthalat (PET) Polycarbonat (PC) Polytetrafluorethylen (PTFE) Polyamid (PA) Celluloseacetat (CA) Acrynitrilbutadienstyrol (ABS)

43

Kunststoffe

B 1.33 B 1.34 B 1.35 B 1.36 B 1.37

B 1.38 B 1.33

Polytetrafluorethylen (PTFE) ˉ Membranbeschichtung, Gleitlager, Folien, PTFE-Faser (Abb. B 1.29, S. 42) Im Bauwesen dient das milchig-weiße PTFE zur Beschichtung von Membranen, um eine selbstreinigende Oberfläche zu erzeugen. Eine weitere Anwendung ist der Einsatz von PTFE-Scheiben für reibungsarme Gleitlager von Brücken. Nach der Produktion lässt sich PTFE nicht wie andere Thermoplaste wiederholt schmelzen, was eine Warmumformung verhindert. Durch Sintern und Extrusion ist es jedoch möglich, Formteile und Folien herzustellen. Ethylentetrafluorethylen (ETFE) ˉ Folien ETFE ähnelt im chemischem Aufbau und seinen Eigenschaften grundsätzlich dem PTFE, lässt sich im Gegensatz zu diesem jedoch leicht thermoplastisch verarbeiten. Die Beigabe von Ethylen erhöht darüber hinaus die Festigkeit und den E-Modul. ETFE ist transparenter als PTFE, weshalb es für hochtransparente und schmutzabweisende Folien gebräuchlich ist. Bei hohen mechanischen Anforderungen können ETFE-Folien auch mit Glasfasern verstärkt werden (z. B. für Laborartikel).

B 1.34

plastisch verarbeiten und wird hauptsächlich für Folien verwendet. Seine Lichttransmission ist bei 100 μm mit bis zu 97 % hervorragend. Die maximale Gebrauchstemperatur liegt jedoch deutlich unter der von ETFE.

Elastomere Aktuell beruht etwa ein Drittel der weltweit produzierten Elastomere auf Naturkautschuk, der aus dem Saft kautschukhaltiger Pflanzen – auch Latex genannt – gewonnen wird. Die restliche Produktionsmenge entfällt auf synthetische Kautschuke auf Erdölbasis. Naturkautschuke sind seit mehreren hundert Jahren in Südamerika und später in Europa bekannt. Die klebrige Masse wurde unter anderem zur Abdichtung von Textilien verwendet, z. B. für den 1823 patentierten Mackintosh Regenmantel. Technische Bedeutung erlangte Naturkautschuk aber erst nach der Erfindung der Vulkanisation im Jahr 1839, die den Kautschuk dauerhaft elastisch macht. Später kamen synthetische Kautschuke hinzu – zunächst um den Naturkautschuk zu ersetzen, später jedoch weiterentwickelt für spezielle Anwendungsbereiche. Elastomere (Kautschuke oder umgangssprachlich Gummi) werden aufgrund ihrer Molekülstruktur als »mittlere Kunststoffgruppe« zwischen den unvernetzten Thermoplasten und den eng vernetzten Duroplasten einge-

stuft. Im Gegensatz zu den Thermoplasten lassen sich Elastomere nicht mehr erweichen, nachdem die Molekülvernetzung abgeschlossen ist. Der Ausgangswerkstoff eines Elastomers wird als Rohkautschuk bezeichnet, unabhängig davon, ob er natürlichen oder synthetischen Ursprungs ist. Den Übergang des Rohkautschuks vom flüssigen in den festen Zustand nennt man Koagulation, wobei jedoch noch keine chemischen Reaktionen stattfindet, sondern lediglich eine physikalische Erhärtung. Dieses feste Rohmaterial ist sehr zäh und lässt sich nur unter hohen mechanischen Kräften verarbeiten. Zunächst wird der Rohkautschuk zerkleinert, mit Füllstoffen versehen und geformt. Ist das Material zu fest, müssen für die Weiterverarbeitung zuvor die Polymerketten durch Zugabe von Chemikalien aufgespaltet werden (Mastizieren). Danach findet unter Einwirkung von Schwefel oder schwefelhaltigen Verbindungen bei erhöhtem Druck und hoher Temperatur die chemische Vernetzung der Moleküle statt (Vulkanisation). Aus dem ursprünglich plastischen, bleibend verformbaren Rohkautschuk wird elastischer Gummi, also das Elastomer. Die mechanischen Eigenschaften der Elastomere bleiben bei steigender Temperatur innerhalb ihres Einsatzbereichs relativ konstant, wobei die Gebrauchstemperaturen je nach Werkstoff streuen (Abb. B 1.38). Die untere Temperaturgrenze ist durch die Versprödung TG = Glas- oder Einfriertemperatur TZ = Zersetzungstemperatur

ε [%] f [N/mm²]

Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Vinylidenfluorid-Terpolymer (TFB bzw. THV) ˉ Folien Das sogenannte Terpolymer besteht aus drei Fluorpolymeren. Es lässt sich sehr gut thermo-

Naturkautschuk Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPDM) Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) Silikonkautschuk Eigenschaften von Elastomeren in Abhängigkeit der Temperatur, der Einsatzbereich liegt oberhalb der Glasüberganstemperatur im gummielastischen Zustand, Bruchverhalten eher duktil Vergleich gebräuchlicher Elastomere

Festigkeit f

Verformung ε

Glaszustand

B 1.35

44

B 1.36

TG

gummielastischer Zustand Einsatzbereich

TZ

T [°C]

B 1.37

Kunststoffe

Zugfestigkeit

Elastizität

Verschleißbeständigkeit

Wetter- und Ozonbeständigkeit

Wärmebeständigkeit

Kälteflexibilität

Gasdurchlässigkeit

Dauergebrauchstemperatur [°C]1

Naturkautschuk

NR

++

++

o

--

--

++

-

100

R-Kautschuke

SBR

+

-

+

--

-

+

-

110

BR

--

++

++

--

--

++

-

100

IIR

-

--

-

o

o

o

++

130

CR

+

+

+

-

-

o

+

120

EPDM

o

o

-

++

+

+

o

140

FKM

o

--

-

++

++

--

+

210

EAM

o

--

-

++

+

-

+

170

MVQ

-

+

--

++

++

++

--

200

FVMQ

-

o

--

++

+

+

--

180

++

+

++

+

o

-

+

130

M-Kautschuke

Silikonkautschuk Polyurethankautschuk 1

AU

für optimalen Werkstoff ca. 1000 Stunden

+, ++ gute Eigenschaften

o durchschnittliche Eigenschaften

-, -- schlechte Eigenschaften B 1.38

des Elastomers gekennzeichnet, die obere durch die Zersetzung des Materials (Abb. B 1.37). Wegen ihrer hohen Dehnbarkeit kommen sie als Konstruktionsmaterialien nicht in Betracht, werden jedoch häufig als tragendes Fugenmaterial oder zur Abdichtung eingesetzt. Auch nach starker Dehnung findet das Elastomer wieder in seine ursprüngliche Form zurück. Die Dauerhaftigkeit und Elastizität von Elastomeren wird durch die Beigabe aktiver Füllstoffe gesteuert, welche gleichzeitig das Material verstärken. Bei dunklen Elastomeren, z. B. für Autoreifen, ist das typischerweise Ruß, bei hellen Erzeugnissen hochdisperse Kieselsäure oder Öl. Die Witterungsbeständigkeit von Elastomeren ist in der Regel gut, es besteht jedoch grundsätzlich die Gefahr, dass Luft bzw. Sauerstoff den chemisch gebundenen Schwefel auslöst, das Elastomer dadurch brüchig macht und es altern lässt. Im Folgenden werden die für das Bauwesen relevanten Elastomere kurz dargestellt. Dabei sind die verschiedenen synthetischen Kautschuke in Abhängigkeit ihrer chemischen Zusammensetzung und ihrer Eigenschaften in unterschiedliche Gruppen eingeteilt. Zu den sogenannten R-Kautschuken gehören neben dem Naturkautschuk (NR) einige synthetische Elastomere mit dem Naturkautschuk ähnlichen Eigenschaften. R-Kautschuke haben vergleichsweise hohe Festigkeiten, jedoch eine geringere Witterungsbeständigkeit. Im Gegensatz dazu sind die synthetischen M-Kautschuke und Q-Kautschuke (Silikonelastomere) sehr witterungsbeständig, aber weniger fest. Daneben gibt es noch weitere Gruppen, die für spezielle Anforderungsprofile entwickelt wurden. Naturkautschuk (NR)

Naturkautschuk (Natural Rubber – NR) basiert auf pflanzlichem Rohkautschuk (Latex) und gehört zur Gruppe der R-Kautschuke. Er spielt nach wie vor eine wichtige Rolle, da er zahlreiche positive Eigenschaften aufweist, die von synthetischen Kautschuken nicht erreicht werden (Abb. B 1.33). Festigkeit, Dehnbarkeit oder Stoßelastizität sind hervorragend, die Erwärmung unter dynamischer Belastung ist sehr gering. Naturkautschuk wird daher heute zu zwei

Dritteln für die Produktion von LKW-Reifen verwendet. Für andere Anwendungen wird Naturkautschuk jedoch zunehmend durch die spezialisierten und häufig preiswerteren synthetischen Kautschuke ersetzt. Der für die Vulkanisation erforderliche Schwefel verbessert die allgemein geringere Langzeitund Witterungsbeständigkeit von Naturkautschuk. Dennoch ist er auf Dauer empfindlich gegen UV-Strahlung und Ozon sowie gegen Benzin. Wegen der im Bauwesen erwarteten langen Lebensdauer kann dies problematisch werden. Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR)

ˉ Fußbodenbeläge, Kabelisolierungen, Schläuche, Dichtungsprofile, Autoreifen (Abb. B 1.35) SBR zählt zu den synthetischen R-Kautschuken, die dem Naturkautschuk sehr ähnlich sind. Sie haben einen beschränkten Gebrauchstemperaturbereich und eine relativ schlechte Witterungs- und Ozonbeständigkeit, sind jedoch preiswert und werden daher bei Anwendungen ohne direkte UV-Einstrahlung häufig eingesetzt. Im Gegensatz zum NR kann SBR auch mit heller Einfärbung hergestellt werden und weist eine bessere Abriebsfestigkeit auf. Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPDM)

ˉ Dichtungsbahnen, Auskleidungen, Dehnfugenprofile, Bodenbeläge (Abb. B 1.34) EPDM hat wie allgemein die Gruppe der M-Kautschuke, eher geringere mechanische Eigenschaften als die R-Kautschuke, jedoch eine hervorragende Ozon- und Witterungsbeständigkeit sowie eine relativ hohe Gasdurchlässigkeit. Die Temperaturbeständigkeit der M-Kautschuke liegt ebenfalls über der von R-Kautschuken. Für das Bauwesen spielt das Material vor allem dort eine Rolle, wo mit einer direkten Witterungs- und UV-Belastung zu rechnen ist. Auch die Kombination aus Dampf oder Wasser und erhöhten Temperaturen stellt für Bauteile aus EPDM kein Problem dar. Silikonkautschuk (Q)

ˉ Baufugendichtungen, Fenster- und Türprofildichtungen (Abb. B 1.36) Silikonkautschuk hat eine sehr hohe Tempe-

raturbeständigkeit, er kann für wenige Minuten sogar auf bis zu 400 °C erhitzt werden. Doch auch für tiefe Temperaturen eignet er sich gut. Dieser Q-Kautschuk ist schwer benetzbar, d. h. also auch wasserabweisend und antiadhäsiv. Im Gegensatz zu Naturkautschuk ist der Werkstoff wesentlich gasdurchlässiger. Silikonkautschuk hat einen anderen chemischen Aufbau als die meisten Kunststoffe. Seine Molekülketten werden hauptsächlich aus Siliziumatomen gebildet, Kohlenstoff tritt darin – wenn überhaupt – nur in Nebengliedern auf. Aus diesem Grund ist das Material nicht brennbar und für den Einsatz in einem außergewöhnlich großen Temperaturbereich geeignet. Die Witterungs- und Alterungsbeständigkeit sind hervorragend, die Molekülketten sind gegen UV-Belastung wesentlich stabiler als die der üblichen Kunststoffe. Polysulfidkautschuk (TM)

Polysulfidkautschuk kann fest oder – im Gegensatz zu den meisten anderen Kautschuken – auch flüssig verarbeitet werden. Für das Bauwesen ist der flüssige TM als Dichtmasse für Baufugen interessant. Die Härtung erfolgt dann bei der Endverarbeitung durch die Zugabe von Oxidationsmittel oder durch die umgebende Luftfeuchtigkeit. Polyurethankautschuk (AU bzw. EU)

Polyurethankautschuk wird im zähen Zustand verarbeitet. Wie alle Polyurethane hat er eine gute Verschleiß- und Witterungsbeständigkeit, sehr hohe Festigkeiten und eine gute Elastizität. Polyurethan-Gießelastomere (PUR)

Polyurethan-Gießelastomere weisen im vernetzten Zustand typische Eigenschaften von Elastomeren auf, werden jedoch vor der Vernetzung als flüssiges Harz verarbeitet. Die PUR-Gießelastomere haben eine hohe Verschleiß- und Abriebbeständigkeit, zeigen ausgezeichnete Festigkeitswerte und sind witterungsresistent. Ihre stark dämpfendes Verhalten macht sie besonders für Bodenbeläge von Sportstätten interessant.

45

Kunststoffe

ε [%] f [N/mm²]

T Z = Zersetzungstemperatur Tmax = Gebrauchstemperatur

Festigkeit f

Verformung ε

Einsatzbereich B 1.39

Duroplaste Duroplaste sind die ältesten vollständig synthetischen Kunststoffe, sie wurden bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts industriell hergestellt und verarbeitet. Während Duroplaste für die Kunststoffindustrie insgesamt mit einem Marktanteil von ca. 20 % eine eher geringe Rolle spielen, sind sie im Bauwesen wegen ihrer guten mechanischen Eigenschaften und ihrer hohen chemischen Beständigkeit weitverbreitet. Im Gegensatz zu den anderen Kunststoffgruppen werden sie in Form eines flüssigen Vorprodukts (Reaktionsharz) verarbeitet. Beim Einbau von Fasern ergibt sich durch die gute Oberflächenbenetzung ein hochwertiger Verbund, weshalb sie für faserverstärkte Kunststoffe prädestiniert sind. Die chemische Vernetzungsreaktion im Kunststoff findet erst im Rahmen der Verarbeitung statt. Die Molekülketten eines Duroplasts bilden ein dichtes, engmaschiges und dreidimensionales Netz, sodass ein hartes und sprödes Gefüge entsteht. Das enge Netz von Molekülen verhindert das Eindiffundieren von Lösungsmitteln, weshalb Duroplaste chemisch sehr beständig sind. Eine Wärmezufuhr reicht nicht aus, um diesen Molekülverbund zu lösen, Duroplaste sind daher nicht schmelzbar (Abb. B 1.41). Die Temperaturstabilität von Duroplasten ist grundsätzlich höher als bei Thermoplasten, dennoch nehmen Festigkeit und E-Modul bereits unter 100 °C merklich ab (Abb. B 1.16, S. 36). Duroplaste variieren in Aufbau und Eigenschaften wesentlich breiter als Thermoplaste und Elastomere, weswegen man sie nach der Herstellung mit Kennzahlen näher bezeichnet, um den exakten chemischen Aufbau und dessen Eigenschaften nachvollziehen zu können, z. B. die Eignung für Außenanwendungen. Vorprodukte

Die Vorprodukte von Duroplasten sind Formmasse oder Gießharz, die ähnlich den Elastomeren erst bei der Endverarbeitung vernetzt werden. Formmassen sind rieselfähige oder zähflüssige Gemische aus Harz mit Härtern und Füllstoffen. Diese müssen lediglich erhitzt werden und härten daraufhin aus (Ein-Komponenten-System). Da alle für die chemische Ver-

46

Tmax TZ

B 1.40

netzung erforderlichen Komponenten in der Formmasse vorhanden sind, erhärten sie bei entsprechend langer Verweildauer auch unter Raumtemperatur. Sie sind daher nur begrenzt lagerfähig. Bei Gießharzen handelt es sich hingegen um reine Harze im flüssigen Zustand, der Härter (Katalysator) wird erst bei der Endverarbeitung hinzugefügt, woraus sich eine längere Lagerungsfähigkeit für das Vorprodukt ergibt (Zwei-Komponenten-System). Als Synonyme für Gießharz sind auch die Bezeichnung »Harz« bzw. »Kunstharz« oder »Reaktionsharz« gebräuchlich. Die unterschiedlichen Vorprodukte haben jedoch keinen nennenswerten Einfluss auf die chemische Zusammensetzung des fertigen Duroplasten. Phenoplaste, Phenolharze (PF)

ˉ Steckdosen, faserverstärkte Kunststoffe mit Brandschutzanforderung, Fassaden- und Türverkleidungen (Abb. B 1.39) Der unter dem Namen Bakelit bekannt gewordene, erste industriell gefertigte Phenoplast wurde bereits 1905 entwickelt (siehe Von der Alchemie zur Chemie, S. 10). Auch heute spielen Phenoplaste noch eine bedeutende Rolle in der Kunststoffindustrie, nicht zuletzt wegen der geringen Produktionskosten. Sie kommen vor allem dann zum Einsatz, wenn hohe Gebrauchstemperaturen oder ein besseres Brandverhalten gefordert sind. Phenoplaste zeigen im Brandfall im Vergleich zu anderen Duroplasten eine geringere Rauchentwicklung und eine reduzierte toxische Emission. Phenolharze sind opak mit einer gelbbrauen Eigenfarbe, daher sind für das Endprodukt auch ausschließlich dunkle Einfärbungen möglich. Der Werkstoff neigt außerdem dazu, unter Lichteinwirkung nachzudunkeln. Im Vergleich zu anderen Duroplasten sind die mechanischen Kennwerte eher gering. Phenoplaste entstehen aus der Polykondensation von Phenol und Formaldehyd. Durch den Kondensationsprozess fällt während der Härtung Wasser als Nebenprodukt an, das abgeführt werden muss. Die Verarbeitungsmöglichkeiten von Phenoplasten sind sehr vielfältig, sie lassen sich z. B. als Formmasse in geschlossene Formen injizieren, als zähflüssiges Harz (Phenolharz) in eine Form gießen oder zum Faserverbundwerkstoff formen. Schaumstoff aus

T [°C] B 1.41

Phenolharz liefert sehr gute Dämmwerte. Außerdem werden Phenoplaste häufig bei Hartfaserplatten verwendet. Aminoplaste (UF, MF)

ˉ Steckdosen, Leim und Klebstoff, Schaumstoff (Abb. B 1.40) Aminoplaste wie das Harnstoff- (UF) oder Melaminharz (MF) sind sowohl hinsichtlich des chemischen Aufbaus als auch ihrer Eigenschaften den Phenoplasten ähnlich. Im Gegensatz zu diesen sind sie lichtecht, dunkeln also unter Sonnenlicht nicht nach und eignen sich daher speziell für Bauteile mit heller Einfärbung. UF ist ein Aminoplast mit einem besonderen Oberflächenglanz und einem hohen Härtegrad. Die mechanischen Eigenschaften sind mit den Phenolharzen vergleichbar. Das Schwinden ist geringer und die Maßbeständigkeit gut. Damit bietet sich UF grundsätzlich für die Fertigung maßhaltiger Bauteile an. MF hat darüber hinaus eine verbesserte Witterungsbeständigkeit. Ungesättigtes Polyesterharz (UP)

ˉ Versiegelungen, glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) (Abb. B 1.42) UP ist transparent bis schwach gelblich. Die mechanischen Eigenschaften liegen im Mittelbereich der Duroplasten. Vorteilhaft ist die hohe Zähigkeit auch bei niedrigen Temperaturen. Als nachteilig erweist sich hingegen die vergleichsweise hohe Schrumpfung beim Aushärten, welche durch Füllstoffe nur teilweise kompensiert werden kann. Das Maß der Schrumpfung ist von zahlreichen Faktoren abhängig, weshalb sie nicht durch eine entsprechende Formgebung ausgeglichen werden kann. Wegen der geringen Feuchteaufnahme eignet sich UP-Harz gut für Außenanwendungen. Seine Gebrauchstemperatur liegt erheblich unter der von Phenolharz. Da es nicht selbstverlöschend ist, werden bei Brandschutzanforderungen zusätzliche Flammschutzmittel benötigt. UP-Harz wird meist für die Fertigung von GFK eingesetzt, da es sich gut mit den Glasfasern verbindet, sich einfach verarbeiten lässt und zudem relativ preiswert ist. Bei zunehmender Faserverstärkung nimmt allerdings die Transparenz ab, daher ist GFK meist transluzent bis opak. Ausgangswerkstoff für die Fer-

Kunststoffe

B 1.42

B 1.43

tigung von UP-Bauteilen ist eine Lösung von ungesättigtem Polyester in reaktionsfähigen Lösemitteln, vorwiegend Styrol. Polyesterharze härten nach Zugabe eines Katalysators unter Abgabe von Reaktionswärme aus. Dabei ist eine gewisse Variation des Mischungsverhältnisses von Harz und Härter zulässig, ohne die späteren Materialeigenschaften zu beeinflussen. Dies ist vor allem für die handwerkliche Verarbeitung ein wesentlicher Vorteil. Wie alle Duroplaste kann UP kalt oder warm verarbeitet werden, für die Aushärtung bei Raumtemperatur ist die Zugabe eines Beschleunigers erforderlich. Nach der eigentlichen Härtungsreaktion sollte UP wie andere Duroplaste mehrere Stunden unter erhöhten Temperaturen von ca. 70 °C nachhärten, um die volle Festigkeit und Chemikalienbeständigkeit zu erreichen. Dieser Vorgang ist unter dem Begriff »Tempern« bekannt. Das Lösungsmittel Styrol verursacht den typischen Geruch von UP-Bauteilen und kann zu Reizungen von Schleimhaut und Atemwegen führen. Eine abschließende Dampfbehandlung reduziert die Geruchsemission, wodurch eine physiologische Unbedenklichkeit erzielt wird.

besondere Brandschutzanforderungen in der Regel nicht erfüllt. Zur Herstellung wird dem unvernetzten EP ein Härter beigemischt. Der exotherme Reaktionsmechanismus erfordert im Gegensatz zum UP das genaue Einhalten des Mischverhältnisses. Eine Kalthärtung dauert etwa 24 Stunden. Anschließend muss das Bauteil mehrere Stunden nachhärten, wobei es sukzessive auf ca. 100 °C erwärmt wird. Im Allgemeinen ist die Härtezeit damit länger als bei UP. Sind aber bereits bei der Aushärtung erhöhte Temperaturen gegeben, reduziert sich die Härtezeit auf wenige Minuten und die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Temperaturbeständigkeit, verbessern sich. Anders als bei den Polyesterharzen gibt es keine Geruchsbelästigung während des Aushärtens, allerdings kann von den Härtern und Verdünnern eine gesundheitliche Gefährdung ausgehen. Bei der Verarbeitung muss Hautkontakt mit dem Gießharz vermieden und eine Schutzbrille getragen werden – der fertige Werkstoff ist jedoch physiologisch unbedenklich. Epoxidharze werden auch häufig als Kleboder Beschichtungsstoff eingesetzt. Dabei kann durch einen Silikatzuschlag die Formstabilität bei der Verarbeitung verbessert und im erhärteten Zustand die Kriechneigung herabgesetzt werden. Je nach Mischverhältnis bezeichnet man das Produkt dann als Epoxidharzmörtel oder Polymerbeton.

Epoxidharz (EP)

ˉ Oberflächenschutz und Beschichtungen, Verklebung, Polymerbeton, kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) (Abb. B 1.43) Epoxidharz zeichnet sich durch eine besonders hohe (Haft-)Festigkeit und chemische Beständigkeit aus. Es schrumpft bei der Härtung kaum, und auch die Feuchtigkeitsaufnahme ist geringer als z. B. bei UP. Damit ist EP hervorragend für hochbelastete Bauteile oder widrige Umgebungsbedingungen geeignet. Zwar ist EP-Harz klar mit geringer Eigenfarbe, da es aber nicht lichtecht ist, sind helle Einfärbungen nicht zu empfehlen. Hochtransparente PU-Gelcoats als Schutzschichten sowie optische Aufheller ermöglichen jedoch auch die Herstellung transparenter, farbloser Bauteile. EP wird vor allem für hochleistungsfähige faserverstärkte Bauteile verwendet, hauptsächlich in Kombination mit Kohlenstofffasern. Für die Einbettung von Glasfasern ist meist das kostengünstigere UP ausreichend. EP ist zwar schwer entflammbar, doch nicht selbstverlöschend, weshalb es

B 1.44 Polyurethan (PUR)

ˉ Montageschaum, Hartschaum, Lacke und Beschichtungen (Abb. B 1.44) Polyurethane können aus verschiedenen Komponenten generiert werden und unterscheiden sich dementsprechend in ihren Eigenschaften. Die Molekühlketten variieren zwischen linear bzw. unvernetzt bis hin zu engmaschig vernetzt. Daher werden die Polyurethane auch unterschiedlichen Kunststoffgruppen zugeordnet. Beispielsweise ist PUR-Weichschaum ein Elastomer, während PUR-Hartschaumstoffe oder PUR-Lacke Duroplaste sind. Thermoplastische Polyurethanelastomere (TPU), die für Dämpfungselemente oder Sportgeräte Verwendung finden, sind von ihren Eigenschaften den Thermoplasten zuzuordnen. Als Konstruktionswerkstoff im Bauwesen spielen jedoch fast ausschließlich duroplastische Polyurethane eine Rolle. Polyurethan kann als Gießharz mit einer harten oder einer hochelastischen Ausprägung verarbeitet werden. Die Temperaturbeständigkeit liegt in den Bereichen anderer Duroplaste. Wesentlich häufiger ist die Verarbeitung zu Hartschaumstoff als Dämm- und Sandwichmaterial. Das Polyurethan wird dafür mit unterschiedlichen Treibmitteln aufgeschäumt (siehe Schaumstoffe, S. 72). Durch die Länge der Molekülketten sind die Eigenschaften des Materials einstellbar: Lange Ketten bedingen elastische Schäume, während aus kurzkettigen Polyurethanen harte Schäume entstehen.

Vinylesterharz (VE)

ˉ faserverstärkte Kunststoffe Vinylesterharz (auch Phenacrylatharz – PHA) ähnelt dem ungesättigtem Polyesterharz, ist aber zäher und hat eine bessere Faserbenetzung bei faserverstärkten Kunststoffen. VE wird vor allem dann verwendet, wenn eine besondere Beständigkeit gegen Chemikalien oder eine hohe Schlagzähigkeit bzw. Ermüdungsfestigkeit gefordert ist. Die mechanischen Eigenschaften sind meist besser als von UP, liegen jedoch unter denen von Epoxidharz. Da Vinylester relativ teuer ist, kommt es für Spezialanwendungen vor allem in der chemischen Industrie zum Einsatz. Vinylesterharz wird durch chemische Reaktionen aus EP gewonnen. Die Verarbeitung ist mit der von UP vergleichbar.

Anmerkungen: [1] Ludwig, Carsten: Glasfaserverstärkte Kunststoffe unter hoher thermischer und mechanischer Belastung. Dissertation. Stuttgart 2009, S. 156f.

B 1.39 B 1.40 B 1.41

B 1.42 B 1.43 B 1.44

Phenoplaste, Phenolharz (PF) Aminoplaste Eigenschaften von Duroplasten in Abhängigkeit der Temperatur, der Einsatzbereich liegt im glasartigen Bereich, Bruchverhalten spröde ungesättigtes Polyesterharz (UP) kohlenstofffaserverstärktes Epoxidharz (CFK) Polyurethanschaumstoff (PUR)

47

Fasern

B 2.1

Fasern haben im Verhältnis zu ihrer Länge einen sehr geringen Querschnitt und damit eine ausgeprägte Richtungsorientierung. Während ihre natürlichen Vorbilder wie Wolle bereits als Faser vorkommen, müssen synthetische Werkstoffe erst in diese Form gebracht werden. Fasern sind biegsam, vielfältig verarbeitbar und haben eine hohe Festigkeit. Daher werden sie schon seit Langem für die Fertigung von Textilien eingesetzt. Generell unterscheidet man zwischen anorganischen Fasern (aus Glas oder Kohlenstoff), Polymerfasern (Kunststofffasern), Metall- sowie Naturfasern (Abb. B 2.5). Alle künstlich erzeugten Fasern werden als Chemie- oder synthetische Fasern bezeichnet. In der Architektur kommen hauptsächlich synthetische Fasern zum Einsatz, da nur diese eine ausreichende Festigkeit und Widerstandsfähigkeit für dauerhafte Konstruktionen aufweisen. Bis auf die Kohlenstofffasern werden alle synthetischen Fasern aus kompakten Werkstoffen durch Schmelz- und Streckvorgänge gewonnen.

Eigenschaften und Anwendung

B 2.1 B 2.2 B 2.3 B 2.4 B 2.5 B 2.6 B 2.7

48

Flechtschlauch aus Kohlenstofffasern Festigkeit einer Glasfaser im Verhältnis zum Faserdurchmesser Spannungs-Dehnungs-Beziehungen unterschiedlicher Fasern im Vergleich mögliche Verarbeitungsformen einer einzelnen Faser (Filament) Einteilung der Faserarten Reißlängen verschiedener Fasern im Vergleich zur natürlichen Seide von Spinnen mikroskopische Aufnahme einer Glas-, Kohlenstoff- und Aramidfaser

Außer Glas- und Metallfasern bestehen die meisten Fasern, vor allem die Polymerfasern, mikroskopisch betrachtet aus einem Verbund kleinster Faserbündel (Abb. B 2.7). Die Durchmesser der synthetischen Fasern variieren dabei zwischen 5 und 24 μm, bei Naturfasern betragen sie bis zu 500 μm. Menschliches Haupthaar ist mit 120 μm vergleichsweise dick. Die längenbezogene Masse der Fasern wird in dtex gemessen, wobei 1 dtex dem Wert von 1 g / 10 km entspricht. Da die einzelnen Fasern (Filamente) für die weitere Verarbeitung zu fein wären, werden sie unmittelbar nach der Produktion zu größeren Einheiten gebündelt (Abb. B 2.4). Bündel paralleler Fasern bezeichnet man dabei als Rovings, Garne hingegen bestehen aus verdrillten Faserbündeln. Die Anzahl der Fasern je Roving oder Garn wird in Kilo (= 1000 Stück = 1 K) angegeben. Rovings sind der typische Ausgangswerkstoff für die Verarbeitung zu faserverstärkten Kunststoffen (siehe Fasern, S. 77), vor allem bei maschinellen Verfahren. Garne

hingegen werden für Textilien wie Gewebe oder Gelege (siehe Textilien, S. 69ff.) verwendet. Ihre Verdrillung erleichtert die Verarbeitung und erhöht die effektive Festigkeit des Faserbündels, da die einzelnen Filamente im Garn gleichmäßiger belastet werden. Die eigentliche Produktion und Weiterverarbeitung der verschiedenen Fasern ist sehr unterschiedlich, daher werden die einzelnen Prozessschritte bei der jeweiligen Beschreibung der Faserarten näher erläutert. Gemeinsam ist den unterschiedlichen Prozessen, dass unmittelbar nach der Produktion die einzelnen Fasern für die weitere Bearbeitung mit einer Schutzschicht (Schlichte bzw. Avivage) benetzt werden. Diese Substanzen erhöhen die Knickunempfindlichkeit und ermöglichen eine bessere Haftung der Fasern untereinander bzw. bei Faserverbundwerkstoffen zwischen Faser und Kunststoff. Dabei unterscheidet man zwischen Textilschlichte für Fasern, die als Textil weiterverarbeitet werden, und Haftschlichte für Fasern, die in Kunststoff eingebettet werden. Welches Material sich für die Schutzschicht eignet, hängt von der jeweiligen Faserart ab. Mechanische Eigenschaften

Fasern weisen eine deutlich höhere Festigkeit auf als das jeweilige Ausgangsmaterial. Durch die Schmelz- und Streckvorgänge während der Produktion wird das innere Gefüge der Faser in Längsrichtung orientiert und so die Festigkeit des Werkstoffs verbessert. Dabei können gleichzeitig Lufteinschlüsse komprimiert werden, was die negativen Auswirkungen solcher Fehlstellen auf die Festigkeit in Faserlängsrichtung reduziert. Bei synthetischen Fasern erhöht sich die Festigkeit mit abnehmendem Durchmesser (Abb. B 2.2). Je größer die Längsorientierung der Gefügestruktur in der Faser, desto mehr nehmen die mechanischen Eigenschaften in Querrichtung ab. Fasern sind häufig querdruckempfindlich, was bei Kohlenstofffasern besonders stark ausgeprägt ist. Abhängig vom Verwendungszweck der Faser ergeben sich unterschiedliche Anforderungen wie beispielsweise Festigkeit, Knickunempfindlichkeit oder geringes Eigengewicht. Wird ausschließlich die Zugfestigkeit betrachtet, haben

Fasern

Kohlenstofffasern von allen praktisch verfügbaren Werkstoffen die höchsten Werte (Abb. B 2.3 und B 2.10, S. 50). Sie sind jedoch relativ knickempfindlich. Für die Umsetzung leichter, aber tragfähiger Konstruktionen ist die Festigkeit relativ zum Eigengewicht von Interesse. Die Reißlänge einer Faser ist hierfür ein guter Indikator für die Werkstoffauswahl (Abb. B 2.6). Dieser Wert entspricht der theoretischen Länge, die eine vertikal aufgehängte Faser haben könnte, bis sie unter ihrem Eigengewicht reißt. Während übliches Bauholz eine Reißlänge von kaum mehr als 40 km hat, kommt eine Polyethylen-Faser (PE-Faser) auch aufgrund des geringen Eigengewichts auf bis zu 400 km. Die höchste Reißlänge erreichen Fasern aus Kohlenstoffnanoröhrchen, welche jedoch bislang noch nicht in den für die Konstruktion notwendigen Längen verfügbar sind. Einsatzbereiche in der Architektur

Die Fasereigenschaften sind stark abhängig von ihrem Grundwerkstoff und dem jeweiligen Produktionsverfahren. Dabei lassen sich einige Fasern gezielt bezüglich Festigkeit und E-Modul variieren. Auf welche Eigenschaften hin Fasern optimiert werden, leitet sich von der Verarbeitungsform und dem Einsatzzweck ab.

σ [N/mm 2 ]

Festigkeit [N/mm 2 ]

Faserverstärkte Kunststoffe Fasern werden vielfältig zu Faserverbundstoffen weiterverarbeitet und dort als Verstärkungs-

fasern in den Kunststoff, die sogenannte Matrix, eingebettet (siehe Fasern, S. 77). Dafür bevorzugt man Fasern mit einer möglichst geringen Dehnung, also einem hohen E-Modul, die Zugfestigkeit der Faser spielt dabei meist eine geringere Rolle. In der Praxis werden vor allem Glas- und Kohlenstofffasern verwendet, in einigen Bereichen auch Aramid- oder PEFasern. Andere Polymerfasern sind aufgrund ihres geringen E-Moduls uninteressant, da die Verformungen des gesamten Bauteils zu groß wären. Außerdem können die üblicherweise verwendeten duroplastischen Kunststoffe (siehe Duroplaste, S. 46ff.) nur eine begrenzte Dehnung aufnehmen. Bei weichen Fasern kann die Zugfestigkeit der Faser gar nicht ausgenutzt werden, da vorher Risse im Kunststoff entstehen, was zum Bruch des Gesamtbauteils führt. Metallfasern kommen wegen der glatten Oberfläche nicht in Betracht, weil kein ausreichender Verbund mit dem Kunststoff erzielt werden kann. Vergleicht man Glas- und Kohlenstofffasern, so sind die Zugfestigkeiten der reinen Fasern ungefähr gleich. Der E-Modul von Kohlenstofffasern ist jedoch deutlich höher als derjenige von Glasfasern. Wegen der beschränkten Dehnbarkeit des umgebenden Kunststoffs ist die Festigkeit von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) damit höher als die von glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK). Naturfasern haben in den letzten Jahren eine Renaissance erlebt. Da die Fasern hohl sind,

4000

3000

PE-Faser

Roving

Garn "Faden"

Filament

E-Glasfaser

Zwirn

Filament

Garn

Aramidfasern

3000

2000

Textile Membranen Im Gegensatz zu Faserverbundwerkstoffen ist im Membranbau eine gewisse Dehnbarkeit, also ein nicht allzu hoher E-Modul, vorteilhaft. Die Dehnbarkeit einer Membran erhöht die zulässigen Toleranzen im Zuschnitt, geometrische Abweichungen können durch Überspannen zu einem gewissen Grad ausgeglichen werden. Außerdem lässt sich die erforderliche Vorspannung der Membran zuverlässiger einstellen. Es werden neben Glas- vor allem Polymerfasern aus PET oder PTFE verwendet. Fasern mit sehr hohem E-Modul wie Kohlenstoff- oder Metallfasern sind für den Membranbau hingegen ungeeignet. Wegen der Bevorzugung von weichen Fasern werden textile Membranen ausschließlich mit dehnbaren Kunststoffen beschichtet (siehe Beschichtungen, S. 100ff.). Filament Faser

Kohlenstofffasern

5000

4000

besitzen sie ein geringes Eigengewicht und ermöglichen leichte Konstruktionen. Die mechanischen Eigenschaften von Naturfasern streuen sehr stark, außerdem neigen sie zur Aufnahme von Feuchtigkeit. Daher spielen Naturfasern für tragende Bauteile momentan noch keine Rolle. Aus ökologischen Gesichtspunkten ist zukünftig jedoch mit einer weiteren Verbreitung zu rechnen. Die guten akustischen und haptischen Eigenschaften machen Naturfasern vor allem für Verkleidungen oder Inneneinrichtungen interessant (siehe Naturfasern, S. 61).

2000 Flachs

1000 1000

PET-Faser

0

0 0

0,02

0,04

0,06

0,08

0

0,1 0,12

1

2

3

Naturfasern

organische, synthetische Fasern (Polymerfasern)

• • • • • • •

• • • • • • •

Flachs Sisal Hanf Jute Ramie Bananenfaser Asbestfaser1

Polyethylen (PE) Polyethylenterephthalat (PET) Polyamid (PA) Polyimid (PI) Polyacrylnitril (PAN) Polytetrafluorethylen (PTFE) Aramid

Metallfasern

anorganische, synthetische Fasern

• Stahlfaser • Aluminiumfaser • Kupferfaser

• • • •

1

Glasfaser Kohlenstofffaser Basaltfaser Keramikfaser

4

5

6

ε [%]

Faserdurchmesser [mm] B 2.2

B 2.3

B 2.4

300 400 Reißlänge [km] B 2.6

B 2.7

Spinnenseide Stahl Holz Hanf PET-Faser Flachs Aramidfaser Glasfaser Kohlenstofffaser PE-Faser

gesundheitsschädlich, in EU und Schweiz verboten B 2.5

0

100

200

49

Fasern

Anorganische Fasern

Vorherd 1371°C

Homogenisierung 1435°C

Schmelzofen 1540°C Beschickung mit Glasausgangsstoffen, z. B. Quarzsand

1340°C

1370°C Schmelze

1260°C

Schlichte Fadenwicklung B 2.8 2. Stufe Karbonisieren

1. Stufe Oxidation

Strecken

200 –220°C 10 –30 min

220 –300°C 30–100 min

1300°C 10–60 min

Unter anorganischen Fasern werden alle synthetischen Fasern zusammengefasst, die nicht auf Kohlenstoffverbindungen basieren. Dazu gehören auch Kohlenstofffasern, da sie aus reinem Kohlenstoff und nicht aus Kohlenstoffverbindungen bestehen. Die ebenfalls anorganischen metallischen Fasern werden üblicherweise als gesonderte Untergruppe behandelt. Die Eigenschaften anorganischer Fasern unterscheiden sich grundsätzlich von denen der organischen Polymerfasern. Anorganische Fasern kriechen nicht, d. h. ihre Dehnung bleibt unter langzeitiger Belastung konstant. Außerdem weisen sie wesentlich höhere Gebrauchstemperaturen auf und sind grundsätzlich steifer als organische Fasern. Glasfasern

PAN-Faden

Katalysator

Luft Abgas

Intergas (N 2 )

flüchtige Nebenprodukte

HT, IM (hochfeste Kohlenstofffasern) Fadenwicklung

3. Stufe Grafitieren

Oberflächenbehandlung

HM (steife Kohlenstofffasern)

2000–3000°C 5–30 min

Avivage

Vorbehandlung

flüchtige Nebenprodukte

Inertgas (Argon) B 2.9

Kennwerte (in Faserrichtung)

Spezifikation

[g/cm3]

Wärmeausdehnungskoeffizient [10-6/K]

Wärmeleitfähigkeit [W/mK]

Faserdurchmesser [µm]

Zugfestigkeit

E-Modul

Bruchdehnung

Dichte

[103/mm2]

[103/mm2]

[%]

Anorganische Fasern Glasfaser

Kohlenstofffaser

E

3,4 – 3,5

72 –77

3,3 – 4,8

2,52 – 2,60

5,00

1

9 – 24

R/S

4,4 – 4,6

75 – 88

4,1– 5,4

2,50 – 2,53

4,00

1

9 – 24

AR

2,7

21–74

2,0 – 4,3

2,68 – 2,70

1

9 – 24

HT

3–5

200 – 250

1,2 –1,4

1,75 –1,80

-1,00

17

7– 9

IM

4–5

250 – 350

1,1 –1,9

1,73 –1,80

-1,20

HM

2–4

350 – 450

0,4 – 0,8

1,79 –1,91

-1,30

115

7– 9

7– 9

Polymerfasern Aramidfaser Polyesterfaser (PET)

IM

2,7

58

3,3

1,44

-2,00

0,04 – 0,05

12

HM

2,4 – 2,7

120 –146

1,5 – 2,4

1,44

-4,00

0,04 – 0,05

12

1,1

10

22

1,38

PA-Faser

0,9

5

20

1,16

PE-Faser

2,7– 3,6

89 –116

10 – 45

0,97

Flachs

0,8 –1,5

60 – 80

1,2 –1,6

1,40

0,04

5 – 38

Hanf

0,6 – 0,9

70

1,6

1,48

0,045

16 – 50

-12,10

Naturfasern

E: Elektroglas, R/S: hochfestes Glas, AR: alkaliresistentes Glas, HT: hochfest, IM: mittelsteif, HM: hochsteif B 2.10

50

ˉ Glasfasermembranen, glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) (Abb. B 2.11) Zur Herstellung von Glasfasern wird Glas geschmolzen und zu dünnen Fäden gezogen. Als Standardfaser wird dabei hauptsächlich E-Glas (E = electric) produziert. Es ist alkalifrei und wird in basischem Milieu angegriffen. Für textilbewehrten Beton wird die weitgehend alkaliresistente AR-Faser (alkaline resistant – AR) eingesetzt. Für spezielle Anwendungen kommen auch C-Glas (corrosion – C) mit guter chemischer Beständigkeit oder das hochfeste R- und S-Glas (resistance – R, strength – S) mit hoher Temperatur- und Ermüdungsbeständigkeit als Grundstoff zum Einsatz. E-Glas besteht aus Quarzsand (SiO2), Kalkstein (CaCO3) und im Gegensatz zu Floatglas aus Borsäure sowie größeren Anteilen Aluminiumoxid. Diese Ausgangsstoffe werden im sogenannten Schmelzspinnverfahren mehrere Tage in einem Ofen geschmolzen, geläutert und schließlich durch Spinndüsen gepresst. Die noch ca. 2 mm dicken, zähflüssigen Fäden werden mit einer schnell rotierenden Aufwickelvorrichtung auf die 40 000-fache Länge gestreckt und dabei auf den gewünschten Durchmesser zwischen 9 und 24 μm gebracht (Abb. B 2.8). Da Glasfasern sehr kerbempfindlich sind, werden sie wie alle Fasern bei der Herstellung bzw. vor dem Verweben mit einer Schlichte versehen. Glasfasern sind aufgrund ihrer amorphen Struktur isotrop, haben also identische Eigenschaften in Längs- und Querrichtung. Zugund Druckfestigkeit sind damit nahezu gleich. Von anderen gebräuchlichen Fasern unterscheiden sich Glasfasern im Wesentlichen durch ihren gleichmäßigen und annähernd runden Querschnitt sowie ihr Tragverhalten, das bis zum spröden Bruch linear-elastisch verläuft. Wegen des geringen Durchmessers von wenigen Mikrometern sind auch sie biegsam, im Vergleich zu anderen Fasern jedoch eher knickempfindlich. Wie alle anorganischen Fasern haben Glasfasern eine sehr geringe Neigung zum Kriechen.

Fasern

Sie nehmen nur wenig Feuchte auf, tendieren aber trotzdem zur Korrosion bei direkter Bewitterung und müssen deshalb beschichtet oder in Kunststoff eingebettet werden. Von Vorteil ist, dass Glasfasern nicht brennen. Dauerbeanspruchungen bis 250 °C haben keine Auswirkungen auf ihre mechanischen Eigenschaften. Glasfasern sind transparent mit einer grünlichen Eigenfarbe, die erst bei zunehmender Bauteildicke wahrnehmbar ist. Lose Glasfasern erscheinen opak weiß, da das einfallende Licht wegen ihres großen Oberflächenanteils reflektiert wird. Durch den Einbau in einen transparenten Kunststoff kann diese Oberflächenreflexion unterbunden werden und der Verbundwerkstoff wird transluzent. Dazu müssen Glasfaser und Kunststoff jedoch ähnliche Brechungszahlen aufweisen. Kohlenstofffasern

ˉ kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) (Abb. B 2.12) Kohlenstofffasern haben einen wesentlich höheren E-Modul als alle anderen Fasern. Die mechanischen Kennwerte können deutlich besser variiert werden als z. B. bei Glasfasern. Die Fasern lassen sich in unterschiedlichen Ausprägungen produzieren: • Standard-Modul-Fasern (high tensile – HT) mit hoher Zugfestigkeit • Hoch-Modul-Fasern (high modulous – HM) mit hoher Materialsteifigkeit • Intermediate-Modul-Fasern (intermediate modulous – IM) mit mittlerer Zugfestig- und Materialsteifigkeit Kohlenstofffasern haben richtungsabhängige Eigenschaften, quer zur Faser sind Steifigkeit und insbesondere Festigkeit deutlich niedriger als in Faserrichtung. Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist in Faserrichtung negativ, quer zur Faserrichtung hingegen positiv. Kohlenstofffasern verkürzen sich also bei Erwärmung. Sie sind spröde und knickempfindlich, weshalb ihre Oberfläche durch ein Epoxidharzgemisch geschützt werden muss. Vorteilhaft sind die guten dynamischen Eigenschaften, das geringe Eigengewicht und die sehr hohe Korrosionsbeständigkeit. Sie zeigen kein nennenswertes Kriechverhalten. Kohlenstoffe sind schwarz und durch den kristallinen Aufbau stets opak. Trotz ihrer guten mechanischen Eigenschaften konnten sich Kohlenstofffasern bis heute nur in Nischenbereichen und der Luft- und Raumfahrt durchsetzen, da sie in der Herstellung sehr teuer sind. Im Bauwesen werden sie beispielsweise für hochbelastete Brückenkabel verwendet (siehe Spezielle Halbzeuge im Ingenieurbau, S. 92f.). In der Natur kommen Kohlenstoffe zwar als Grafit und Diamant in kristalliner Form vor, diese lassen sich jedoch nicht zu Fasern verarbeiten. Daher wird zunächst eine Polymerfaser, meist Polyacrylnitril (PAN), produziert, aus

der anschließend durch spezielle Verfahren alle enthaltenen Elemente bis auf den Hauptanteil Kohlenstoff gelöst und entfernt werden (Abb. B 2.9). Dieser Prozess erfolgt durch eine mehrstufige Temperaturbehandlung bei bis zu 3000 °C unter gleichzeitiger Faserstreckung. Durch die Wahl der Prozesstemperatur lassen sich die gewünschten mechanischen Eigenschaften einstellen. Die für das Erhitzen erforderliche Energie ist ein Grund für den hohen Preis der Kohlenstofffasern. Es existieren auch Produktionsverfahren mit Steinkohleteer- oder Erdölpech. Aus einer Schmelze dieser Rohstoffe werden im Spinnverfahren Fasern mit einer hohen axialen Orientierung hergestellt. Die weiteren Arbeitsschritte ähneln dem Verfahren mit PAN-Fasern. Fasern aus Kohlenstoffnanoröhrchen (Carbon nanotubes – CNT) weisen nochmals ein Vielfaches an Zugfestigkeit gegenüber Kohlenstofffasern auf. Die serienmäßige Produktion längerer Fasern steht jedoch noch aus, bislang konnten nur sehr kurze Filamente erfolgreich hergestellt werden.

B 2.8 Herstellungsverfahren von Glasfasern B 2.9 Herstellungsverfahren von Kohlenstofffasern B 2.10 verschiedene Kennwerte in Faserrichtung B 2.11 Glasfasern B 2.12 Kohlenstofffasern B 2.13 Aramidfasern

Polymerfasern Polymerfasern werden aus Kunststoffen gewonnen und zeigen auch deren typische Eigenschaften: Sie sind dehnbar, neigen jedoch zum Kriechen und können brennen. Durch den Faserherstellungsprozess sind wesentlich höhere mechanische Kennwerte zu erzielen als der jeweilige Kunststoff an sich aufweist. Polymerfasern sind leichter als anorganische Fasern, generell zäher und haben meist einen geringeren E-Modul. Die Festigkeiten liegen in der Regel ebenfalls unter denen der anorganischen Fasern. Polymerfasern sind allgemein stark anisotrop, sie weisen deshalb in Längsrichtung eine wesentlich größere Festigkeit und einen höheren E-Modul auf als in Querrichtung. In der Regel sind Polymerfasern weder witterungsbeständig noch lichtstabil, sie benötigen daher stets einen zusätzlichen Oberflächenschutz. Polymerfasern werden üblicherweise im Schmelzspinnverfahren produziert. Dabei wird der Kunststoff unter Luftausschluss geschmolzen, durch Spinndüsen gepresst und in der Regel durch Abkühlung in der Luft verfestigt. Beim Nassspinnverfahren erfolgt die Verfestigung in einer Flüssigkeit, dem sogenannten Fällbad. Für Faserverbundwerkstoffe werden bis auf Aramid- und Polyethylen-Fasern keine Polymerfasern eingesetzt. Sie dienen hauptsächlich als Grundwerkstoff für den Membranbau, da dort die Biegsam- und Dehnbarkeit der Werkstoffe entscheidend ist. Fasern können nahezu aus jedem thermoplastischen Kunststoff gewonnen werden, neben den im Folgenden beschriebenen unter anderem auch aus Polypropylen (PP; Abb. B 2.19, S. 53), Polyimid (PI) oder Polyacrylnitril (PAN).

B 2.11

B 2.12

B 2.13

51

Fasern

H2SO4 80 Gew.-% H2SO4 Polymer 20 Gew.-% Mischer Extrusion

H2O

Verspinnen Fadenwicklung

Waschen/Neutralisieren/ Trocknen H2SO4/H2O B 2.14 Aramidfasern

ˉ Zugseile, aramidfaserverstärkte Kunststoffe (AFK), Schutzhelme (Abb. B 2.13) Aramidfasern sind sehr leichte Fasern, die aus aromatischen Polyamiden bestehen. Wie bei allen Polymerfasern verhalten sich die Festigkeitseigenschaften stark anisotrop, außerdem ist die Druckfestigkeit der Fasern wesentlich geringer als die Zugfestigkeit. Aramidfasern eignen sich daher sehr gut für Seile oder zugbeanspruchte Faserverbundwerkstoffe, weniger für biege- oder druckbeanspruchte Anwendungen. Nachteilig ist, dass sie zur Feuchteaufnahme neigen und eine relativ geringe UVund Temperaturbeständigkeit besitzen. Anders als bei Glas- und Kohlenstofffasern sind Verbundwerkstoffe aus Aramidfasern schwierig spanend zu bearbeiten, da die zähen Fasern zu einer hohen Werkzeugabnutzung führen. Daher kommen Aramidfasern im Bauwesen selten zum Einsatz. Sie werden aufgrund des geringen Gewichts und der hohen Schlagzähigkeit beispielsweise für Schutzhelme oder -westen verwendet. Wegen ihres speziellen Bruchverhaltens können sie Aufprallenergie absorbieren und so einen Stoß abfedern. Teilweise werden sie auch mit CFK kombiniert, um die Zähigkeit zu erhöhen oder eine Rissausbreitung zu verhindern (siehe Kunststoffaufbereitung, S. 68f.). Im Gegensatz zu anderen Polymerfasern lassen sich Aramidfasern nicht im Schmelzspinnverfahren herstellen, da sie kein deutliches Schmelzverhalten aufweisen. Aromatisches Polyamid wird mittels Säure gelöst und zur Faser versponnen. Anschließend werden die Fasern gewaschen und unter Zugbelastung getrocknet, wobei sich Durchmesser von ca. 12 μm ergeben (Abb. B 2.15). Polyethylenfasern (PE-Fasern)

ˉ Seile, polyethylenfaserverstärkte Kunststoffe (Abb. B 2.17) Fasern aus Polyethylen (PE) haben ein sehr geringes Eigengewicht und schwimmen sogar im Wasser. Der Faseraufbau ist wie bei allen Polymerfasern anisotrop, sodass die mechanischen Eigenschaften in Faserrichtung wesentlich höher sind als senkrecht dazu. Die Wärmeausdehnung in Längsrichtung ist negativ, die

52

B 2.15

Druckfestigkeit von PE-Fasern beträgt praktisch null. Daher lässt sich die Faser ausschließlich für zugbeanspruchte Konstruktionen wie z. B. Seile einsetzen. Ähnlich der Aramidfaser ist die Schlagzähigkeit besonders stark ausgeprägt. Wie beim Grundwerkstoff Polyethylen ist auch bei der entsprechenden Faser die Oberflächenhaftung sehr gering. Nur durch eine spezielle Beschichtung können PE-Fasern auch für Verbundwerkstoffe eingesetzt werden. Die Herstellung von hochleistungsfähigen PEFasern erfolgt im Gelspinnverfahren, das der Produktion von Aramidfasern ähnelt. Auch hier wird der Kunststoff zunächst in einem Lösungsmittel gespalten, danach wird die Lösung durch eine Düse gepresst und im Wasserbad gekühlt, dann gestreckt, getrocknet und anschließend versponnen. Polyamidfasern (PA-Fasern)

ˉ Bekleidung, Sportartikel Polyamidfasern, bekannt als Nylon, zeichnen sich unter den Polymerfasern durch hohe Festigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit aus. Diese Werte sind abhängig vom kristallinen Gefüge und dem Wassergehalt der Polyamide. Besonders zu Beginn des Membranbaus wurden Gewebe mit Polyamidfasern eingesetzt. Nachteilig ist hier jedoch die große Dehnung des Materials bei Aufnahme von Feuchtigkeit und der damit einhergehende Abfall der Vorspannung. Bei starker Erwärmung schrumpfen Polyamidfasern. Sie weisen eine hohe Chemikalienbeständigkeit auf, die UV-Beständigkeit ist jedoch vergleichsweise gering. Aufgrund der Flexibilität und Leichtigkeit der Faser werden Polyamidgewebe heute vor allem in der Bekleidungsindustrie, für Campingzelte, Spinnaker im Segelbau sowie Fall- und Gleitschirme eingesetzt. Die Fasern werden im Schmelzspinnverfahren hergestellt und können bereits in der Spinndüse gefärbt oder als rohweißes, färbbares Material weiterverarbeitet werden. Polyethylenterephthalatfasern (PET-Fasern), »Polyesterfasern«

ˉ Polyestermembran, Gurte, Seile, Nähfäden (Abb. B 2.18) Fasern aus Polyethylenterephthalat (PET) sind

B 2.16

neben den Glasfasern die wichtigsten Ausgangsstoffe für textile Membranen. Die mechanischen Eigenschaften dieser organischen Synthesefasern werden maßgeblich durch den teilkristallinen Strukturaufbau bestimmt. Die Fasern weisen eine hohe Flexibilität sowie Druck- und Zugfestigkeit auf, die UV-Stabilität hingegen ist sehr gering. Daher kommen Polyestermembranen nur mit Beschichtungen (z. B. aus PVC) zum Einsatz. Aufgrund ihrer Flexibilität und Knickbeständigkeit werden sie oft für Seile, Gurte oder Nähfäden verwendet. Als Gewebe dienen sie Im Membranbau wegen dieser Eigenschaften häufig auch für temporäre und wandelbare Konstruktionen. Die Fasern werden aus Polyethylenterephtalat im Schmelzspinnverfahren gewonnen. Das rohweiße Material lässt sich mit Dispersionsfarben einfärben (siehe Farben, S. 58f.). Unter Polyester fallen verschiedene thermoplastische Kunststoffe, von denen PET das gebräuchlichste Grundmaterial für die Produktion von Fasern ist, weshalb PET-Fasern von den Herstellern vereinfachend als Polyesterfasern bezeichnet werden. Von vielen Herstellern im Membranbau wird auch die Abkürzung PES verwendet, die jedoch werkstoffwissenschaftlich nicht korrekt ist, da sie bereits für den thermoplastischen Kunststoff Polyethersulfon steht. Fasern aus aromatischen Polyestern Ähnlich dem Aramid (Sonderform des Polyamid) können auch Polyester mit aromatischen Ringen versehen werden (Vectran). Die daraus resultierenden Fasern haben eine hohe Schlagzähigkeit und ein geringes Eigengewicht. Sie werden beispielsweise in Kombination mit Kohlenstofffasern für faserverstärkte Kunststoffe in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. Polytetrafluorethylenfasern (PTFE-Fasern)

ˉ PTFE-Membran, Nähfäden (Abb. B 2.16) Im Vergleich zu den anderen Polymerfasern sind die Festigkeiten von PolytetrafluorethylenFasern etwas geringer. Die Weiterreißfestigkeit von PTFE-Geweben ist vergleichsweise hoch, d. h. reißt eine PTFE-Membran ein, wird das vollständige Durchreißen besser gestoppt als

Fasern

B 2.17

B 2.18

bei anderen Faserarten. Unter konstant hoher Belastung neigen PTFE-Fasern stark zum Kriechen. Vorteilhaft sind dagegen ihre hohe Flexibilität und Knickbeständigkeit. Im Membranbau werden PTFE-Gewebe daher gerne für wandelbare Überdachungen eingesetzt. Sie sind dauerhaft chemisch beständig und werden als schwer entflammbar eingestuft. Aufgrund der guten UV-Stabilität und der selbstreinigenden (antiadhäsiven) Oberfläche kommen PTFE-Gewebe im Membranbau auch unbeschichtet zur Anwendung. Für den Bereich der Architektur ist auch ihre hohe Lichtdurchlässigkeit von bis zu 40 % von Bedeutung. Aufgrund ihrer hohen Schmelzviskosität lassen sich PTFE-Fasern nicht im Schmelzspinnverfahren herstellen, wegen der Beständigkeit gegenüber Lösungsmitteln ist dazu auch das Nassspinnverfahren ungeeignet. Daher wurden spezielle Matrix- und Extrusionsspinnmethoden entwickelt, bei denen die extrudierten Fasern höhere Festigkeiten und geringere Schwindmaße erreichen.

Insbesondere Hanf- und Flachsfasern zeichnen sich durch gute mechanische Eigenschaften aus, die allerdings unter denen von Glasfasern liegen. Sie sind jedoch biegeelastischer und zäher; Verbundwerkstoffe mit Naturfaserverstärkung brechen daher ohne Splitter und scharfe Kanten (siehe Naturfaserverstärkte Kunststoffe, S. 60f.). Bedingt durch ihr geringes Eigengewicht, lassen sich mit Naturfasern leichte Bauteile realisieren. Ihre Hohlfaserstruktur (Abb. B 2.14) ermöglicht zudem eine zusätzliche Schalldämmung, ist auch für die verstärkte Wasseraufnahme verantwortlich. Werden die Fasern vor der Verarbeitung nicht getrocknet, kann es nach Verdunstung des Wassers zu Fehlstellen im Faserverbund kommen. Außerdem sind Naturfasern nicht dauerhaft witterungsbeständig und können durch Mikroben zersetzt werden. Ihre Herstellung und Verarbeitung erfordert weniger Energie als die von vergleichbaren Produkten aus Glasfasern. Pflanzliche Fasern sind als Endprodukt zudem kostengünstiger. Bauteile mit Naturfaserverstärkung können, den Naturfaseranteil betreffend, CO2-neutral entsorgt werden. Der Querschnitt von Naturfasern ist, über die Faserlänge betrachtet, veränderlich und beträgt je nach Faser zwischen 20 und 500 μm. Die Oberfläche der Fasern ist rau und uneben, was bei einer Weiterverarbeitung einen guten Verbund mit dem umgebenden Kunststoff ermöglicht. Naturfasern haben im Vergleich zu synthetischen Fasern eine endliche Länge. Sie werden entweder zu Vliesen und Matten verarbeitet oder zu Garnen gedreht, die als Grundlage für die Herstellung von Geweben dienen. Die Werkzeugabnutzung bei der spanenden Verarbeitung ist nicht so hoch wie bei Glasoder Polymerfasern. Die thermische Stabilität der Naturfaser ist im Vergleich zur Glasfaser gering. Ein Festigkeitsverlust ist bereits ab einer thermischen Dauerbeanspruchung von 180 °C gegeben, ab einer Temperatur von 200 bis 250 °C zerfallen Naturfasern. Da unter Brandeinwirkung von Naturfasern eine Dochtwirkung ausgeht, müssen entsprechende Flammschutzmittel zugefügt werden.

B 2.19

B 2.21

B 2.20

Naturfasern ˉ naturfaserverstärkte Kunststoffe (NFK), Schüttmaterial für Dämmungen (Abb. B 2.20) Wegen ihrer großen Streuung der mechanischen Eigenschaften und der Feuchteempfindlichkeit spielen Naturfasern im Bauwesen bisher eine untergeordnete Rolle. Da der Wachstumsprozess nur bedingt steuerbar ist, variieren Faserdurchmesser und Zugfestigkeit der Naturfasern. Künftig ist jedoch aus ökologischer Hinsicht mit einem verstärkten Einsatz zu rechnen. Das ehemals für Faserzement gebräuchliche Asbest ist wegen der krebserregenden Wirkung in der EU verboten und spielt demnach keine Rolle mehr. Grundsätzlich unterteilt man Naturfasern in • mineralische Fasern (z. B. Asbest), • Fasern tierischen Ursprungs (z. B. Seide) • pflanzliche Naturfasern (z. B. Flachs) Für das Bauwesen relevant sind jedoch nur die pflanzlichen Fasern, auf die im Folgenden eingegangen wird.

Metallfasern ˉ Faserbeton, Drahtgewebe, Seile (Abb. B 2.21) Metallfasern sind in Kombination mit Kunststoffen oder als Membran nur dann interessant, wenn eine elektrische Abschirmung gefordert ist oder eine hohe Duktilität gewünscht wird. Im Flugzeugbau beispielsweise dienen Aluminiumfasern der Verstärkung von Kunststoffen. Durch ihren relativ großen Durchmesser und die glatte Oberfläche eignen sich Metallfasern in der Regel nicht für eine Kombination mit Kunststoffen, da kein ausreichender Verbund der Komponenten entsteht. Außerdem sind die meisten Metalle korrosionsempfindlich. Im Bauwesen werden Metallfasern vor allem für Faserbeton verwendet, wo sie zur Minimierung der Rissbreiten beitragen. Die Fasern erhalten dabei einen veränderlichen Querschnitt oder Einkerbungen. Diese Profilierung verbessert die Verbundeigenschaften der eigentlich glatten Oberfläche. Metalldrähte und Seile

Eine wesentlich größere Rolle im Bauwesen spielen Metalldrähte bzw. Seile. Zur Produktion von Seilen werden einzelne Drähte zu größeren Querschnitten gebündelt (verseilt). Stahl hat einen hohen E-Modul, daher sind Stahlseile vergleichsweise steif. Durch die Hohlräume, die bei der Verseilung entstehen, sind sie jedoch besonders korrosionsgefährdet. Daher sollten Drähte und Seile entweder aus Edelstahl gefertigt oder dauerhaft geschützt werden. Drahtgitter oder Drahtgeflechte finden Verwendung als Absturzsicherung, Insektenschutz oder für Absperrungen. Wegen der hohen Duktilität sind Metalldrähte zum Abfangen von Aufpralllasten gut geeignet.

B 2.14 B 2.15 B 2.16 B 2.17 B 2.18 B 2.19 B 2.20 B 2.21

Hohlfaserstruktur einer Naturfaser (Bastfaser) Herstellungsverfahren von Aramidfasern Nähfäden aus Fluorpolymerfasern (PTFE-Faser) Seil aus Polyethylenfasern (PE-Faser) Seil aus Polyesterfasern (PET-Faser) Seil aus Polypropylenfasern-Fasern (PP-Faser) Seil aus Hanffasern Stahlseil

53

Klebstoffe und Beschichtungen

B 3.1

Ein Großteil der heute gebräuchlichen Klebund Beschichtungsstoffe basiert auf Polymeren, sie spielen also nicht nur bei Kunststoffbauteilen eine wesentliche Rolle. So besteht z. B. der Korrosionsschutz von Stahlträgern genauso aus Kunststoff wie die Klebefugen tragender Glaskonstruktionen. Klebstoffe und Beschichtungen basieren auf unterschiedlichen Kunststoffen, deren chemischer Aufbau meist so angepasst wird, dass eine einfache Verarbeitung und eine gute Oberflächenhaftung sichergestellt werden. Die Materialien sind meist in dünnen Schichten aufzubringen, die chemische Vernetzungsreaktion (Härtung) findet erst im Rahmen der Applikation statt. Aus diesem Grund werden zahlreiche Klebstoffe und Beschichtungen als zweikomponentige Systeme verarbeitet, die bei der Vermischung miteinander reagieren.

Klebstoffe Mit Verklebungen lassen sich sehr tragfähige und langlebige Verbindungen realisieren. Besonders zur Fügung von Kunststoffhalbzeugen ist das Kleben eine häufig eingesetzte Verbindungstechnik. Die im Holz- oder Stahlbau üblichen stiftförmigen Verbindungsmittel führen zu unbefriedigenden Ergebnissen, da viele Kunststoffe, vor allem faserverstärkte, spröde sind (siehe Verbindungsmittel, S. 161ff.). Ein Verschweißen von Kunststoffen ist nur bei Thermo-

plasten möglich, diese Verbindungstechnik spielt jedoch lediglich im Membranbau eine Rolle (siehe Schweißen, S. 106f.). Grundlagen der Klebetechnik

Der Untergrund bzw. die Bauteiloberfläche, auf die geklebt wird, wird als Substrat bezeichnet. Für ein gutes Resultat der Verklebung sollten die Oberflächen im Vorfeld entfettet, aufgeraut und gereinigt werden. Vor dem Auftrag des Klebstoffs ist bei einigen Systemen eine Vorbehandlung mit einem Haftvermittler (Primer) notwendig, der die Verbindung des Klebstoffs mit dem Substrat verbessert. Der Primer kann aus dem identischen Material wie der Klebstoff bestehen, besitzt zur besseren Reaktivität jedoch einen geringeren Füllstoffgehalt. Klebstoffe haben meist eine begrenzte Verarbeitungszeit zwischen Anmischung und Verfestigung (Härtung), die sogenannte Topfzeit, was Arbeiten an größeren Klebefugen aufwendig macht. Bei einigen Systemen wird die Härtung jedoch extern, z. B. über UV-Strahlung gesteuert. Tragwirkung Hinsichtlich der Anwendung unterscheidet man zwischen tragenden und nicht tragenden Klebeverbindungen. Letztere dienen ausschließlich der Lagesicherung, die Tragfähigkeit muss nicht rechnerisch nachgewiesen werden. Dabei handelt es sich z. B. um die Fixierung von Dichtungsbahnen oder Fußbodenbelägen. Tragenden Verbindungen hingegen werden

Reaktionsklebstoffe (chemisch abbindend)

B 3.1 B 3.2 B 3.3 B 3.4

Lackierung auf glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) Auswahl für das Bauwesen relevanter Klebstoffe Verträglichkeit von Klebstoff und Substrat Witterungsbeständigkeit von Klebstoffen bei Verklebung von Glas und GFK (Fugendicke 2 mm) anhand eines Versuchs mit künstlicher Bewitterung

physikalisch abbindende Klebstoffe

Acrylatklebstoffe

Polyurethanklebstoffe

Epoxidharzklebstoffe

Silikonklebstoffe

• Cyanacrylatklebstoffe • strahlungshärtende Klebstoffe • Methacrylatklebstoffe

• thermoplastische PUR-Klebstoffe • duroplastische PUR-Klebstoffe

• Epoxidharzklebstoffe • zähe Epoxidharzklebstoffe • Epoxidharzmörtel • Polymerbeton

• 1-KomponentenSilikonklebstoffe • 2-KomponentenSilikonklebstoffe

• Schmelzklebstoffe • Dispersions- / Lösungsmittelklebstoffe • Lösungsmittel

B 3.2

54

Klebstoffe und Beschichtungen

Kleben von Kunststoffen

PVC-U

PVC-P

PVC-U

2, 3, 4, 6, 7, 8

PP

PVC-P

6, 7

6

PP

3, 7

7

3, 7

PS

2, 3, 4, 6, 7, 8

6

3, 7

PS

Polystyrolschaum (EPS, XPS)

PC

PET

PMMA

2, 3, 4, 5, 6, 7, 8

Polystyrolschaum (EPS, XPS)

1, 6, 7, 8

7

7

1, 6, 7, 8

1, 6, 7, 8

PC

2, 3, 4, 6, 7, 8

6

3, 7

2, 3, 4, 5, 6, 7, 8

1, 6, 7, 8

2, 3, 4, 5, 6, 7, 8

PET

2, 3, 4, 6, 7, 8

6

3, 7

2, 3, 4, 5, 6, 7, 8

1, 6, 7, 8

2, 3, 4, 5, 6, 7, 8

2, 3, 4, 5, 6, 7, 8

PMMA

2, 3, 4, 6, 7, 8

6

3, 7

2, 3, 4, 5, 6, 7, 8

1, 6, 7, 8

2, 3, 4, 5, 6, 7, 8

2, 3, 4, 5, 6, 7, 8

2, 3, 4, 5, 6, 7, 8

6

3, 7

2, 3, 4, 6, 7, 8

1, 6, 7, 8

2, 3, 4, 6, 7, 8

2, 3, 4, 6, 7, 8

2, 3, 4, 6, 7, 8

PUR

2, 3, 4, 6, 7, 8

1 Lösungsmittelklebstoffe (Alleskleber): Verträglichkeit mit Lösungsmittel ist zu klären 2 Zwei-Komponenten-Klebstoffe

PUR

3 Cyanacrylatklebstoff (Sekundenkleber) 4 Silikon 5 Lösungsmittel

6 Kunststoffklebstoffe 7 doppelseitige Klebebänder 8 Montageklebstoffe

2, 3, 4, 6, 7, 8

fett: zu bevorzugen

B 3.3

planmäßige Lasten zugeordnet. Diese konstruktiven Verklebungen müssen Kräfte aus der primären Lastabtragung übernehmen, die Tragfähigkeit ist bei ihrer Dimensionierung rechnerisch nachzuweisen. Damit wird die Zuverlässigkeit der Verklebung zum sicherheitsrelevanten Parameter. Es ist daher besonderer Wert auf eine klebegerechte Konstruktion und zuverlässige Ausführung zu legen, da sich die Qualität der Verklebung im Nachhinein nicht kontrollieren lässt. Auswahl des Klebstoffs Bei der Wahl des Klebstoffs sind folgende Parameter zu berücksichtigen: • Verträglichkeit des Klebstoffs mit dem Untergrundmaterial (Substrat) (Abb. B 3.3) • Verbund des Klebstoffs mit den Oberflächen des Substrats • aufnehmbare Spannungen des Klebstoffs • Witterungsbeständigkeit und Langzeitverhalten • Elastizität des Klebstoffs

charakteristische Zugfestigkeit [N/mm² ]

Man unterscheidet Reaktionsklebstoffe, die bei der Verarbeitung durch eine chemische Reaktion (Vernetzung) erhärten und physikalisch abbindende Klebstoffe, die lediglich ihren Aggregatzustand ändern. Höhere Festigkeiten werden in der Regel mit den Reaktionsklebstoffen erreicht, wozu unter anderem Acrylat-, Polyurethan- und Epoxidharzklebstoffe zählen (Abb. B 3.2). Bei den physikalisch abbinden-

den Klebstoffen hingegen findet keine chemische Reaktion mit der Substratoberfläche statt, es wirken lediglich physikalische Anziehungskräfte. Wegen der häufig verwendeten Lösungsmittel sollte vor einer Verklebung die Verträglichkeit des Kunststoffs mit dem Klebstoff geprüft werden, um eine Schädigung des Materials auszuschließen. Entsprechende Hinweise sind auf den Klebstoffgebinden angegeben. Andere Substrate wie Stahl oder Beton werden durch den Klebstoff nicht angegriffen, dort ist jedoch die vorhandene Oberflächenrauigkeit für die Auswahl des Klebstoffs entscheidend. Neben der Steifigkeit des Klebstoffs im erhärteten Zustand spielt auch die Konsistenz während der Verarbeitung eine entscheidende Rolle. Ebene Oberflächen (Metalle, unverstärkte Kunststoffe) können mit dünnflüssigen Klebstoffen verarbeitet werden, wohingegen Substrate mit unregelmäßiger Oberfläche (Beton, faserverstärkte Kunststoffe) einen zähfüssigen Klebstoff erfordern. Diese vorhandenen Toleranzen müssen durch eine dickere Klebefuge ausgeglichen werden. Witterungsbeständigkeit Versuchsmessungen an Verklebungen zwischen Glas und GFK (Abb. B 3.5, S. 56) zeigen eine hervorragende Witterungsbeständigkeit von Silikonklebstoffen, die Ergebnisse für Epoxidharzklebstoffe werden als gut, Verklebungen mit Acrylatklebstoffen jedoch als nicht zufriedenstellend (Abb. B 3.4) eingestuft. Polyur-

6,0

Silikonklebstoff (2-K) Epoxidharzklebstoff (2-K)

17 000 h natürliche Bewitterung

5,0

Acrylatklebstoff (2-K)

4,0

3,0

10 000 h natürliche Bewitterung

2,0

17000 h natürliche Bewitterung

1,0

0,0 0

500

1000

1500

2000 2500 Dauer der künstlichen Bewitterung [h] B 3.4

ethanklebstoffe sind in der Regel nicht UV-resistent und damit für Außenanwendungen ungeeignet. [1] Die Ermittlung der Witterungsbeständigkeit von Klebstoffen findet meist in Klimaschränken statt, wo durch starke UV-Strahlung, Feuchtigkeits- und Temperaturwechsel eine beschleunigte Alterung simuliert wird, gegebenenfalls auch über Sprühnebeltests. Vergleicht man die Ergebnisse aus künstlicher, beschleunigter Bewitterung mit dem natürlichen Alterungsverhalten, zeigen die einzelnen Klebstoffe jedoch sehr unterschiedliche Verhaltensweisen. Versuche mit künstlicher Bewitterung können daher nur eine Tendenz zur Langlebigkeit der Verklebung liefern, da die tatsächlich auftretende UVBelastung sowie Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen und deren Interaktionen nur schwer im Laborversuch abzubilden sind. Auf der anderen Seite sind aus zeitlichen Gründen in der Planungsphase keine mehrjährigen Bewitterungsversuche durchführbar, weshalb man in der Praxis auf die Ergebnisse der Laborversuche zurückgreifen muss (siehe Künstliche Bewitterung, S. 156). Acrylatklebstoffe (Polymerisationsklebstoffe)

Bei den Acrylatklebstoffen findet während der Verarbeitung eine chemische Vernetzung (Polymerbildung, S. 31) ähnlich der Herstellung thermoplastischer Kunststoffe statt. Der Reaktionsprozess wird durch Katalysatoren wie Feuchtigkeit, Sauerstoff oder durch Strahlung (z. B. UV-Licht) initiiert. Nach Erhärtung entsprechen die Eigenschaften des Klebstoffs denen eines thermoplastischen Kunststoffs. Acrylatklebstoffe sind transparent (Abb. B 3.8, S. 57), können jedoch unter UV-Einwirkung vergilben. Ihre Alterungsbeständigkeit ist abhängig von Produkt und Dicke der Klebefuge. Acrylatklebstoffe werden meist einkomponentig verarbeitet, es existieren jedoch auch Verarbeitungsformen mit zwei Komponenten. Cyanacrylatklebstoffe (1-K) Auch als Sekundenkleber bekannt, eignen sich Cyanacrylatklebstoffe vor allem für steife und sehr dünne Klebefugen (z. B. bei der Verbindung von zwei Stahlbauteilen oder der Fügung zweier identischer Kunststoffe). Die steife Ver-

55

Klebstoffe und Beschichtungen

B 3.5 B 3.6 B 3.7 B 3.8 B 3.9

Probekörper mit verschiedenen Klebstoffen bei einer Verklebung von Glas auf GFK Zweikammer-Klebstoffkartusche mit Mischrohr und Pistole Epoxidharzklebstoff Acrylatklebstoff Silikonklebstoff B 3.5

klebung kommt jedoch weniger für die Verbindung unterschiedlicher Materialien infrage, da hohe Zwängungen aus unterschiedlicher Temperaturdehnung entstehen würden. Die Vernetzung (Härtung) erfolgt während der Verarbeitung unter Einwirkung bestimmter Einflussfaktoren, vor allem der Luftfeuchtigkeit. Ideal ist eine relative Feuchtigkeit zwischen 30 und 70 %. Ein zu hoher Wert oder der Kontakt mit Wasser führen zu einer schlagartigen Härtungsreaktion mit geringer Festigkeit. Da die benötigte Luftfeuchtigkeit über die Oberfläche eindringt, sollten die Klebschichtdicken 0,2 mm nicht überschreiten. Cyanacrylatklebstoffe müssen wegen der katalytischen Wirkung von Feuchtigkeit in vollständiger Trockenheit aufbewahrt werden. Aufgrund der verwendeten Stabilisatoren sind keine Verklebungen auf saurem Milieu möglich bzw. nur mit großer Verzögerung durchführbar, da der Klebstoff nur sehr langsam aushärtet. Die maximalen Gebrauchstemperaturen sind mit 70 – 80 °C für lange und 100 –110 °C für kurze Einwirkungszeiten relativ gering. Durch die niedrige Viskosität ist eine vollflächige Benetzung der Klebefläche problemlos möglich. Verglichen mit anderen Klebstoffen härten Cyanacrylatklebstoffe sehr schnell aus. Sie sind ausgesprochen gut zum Verkleben von vielen Thermoplasten und Elastomeren wie PS, SBR, NBR, PMMA, PC und MF geeignet, mit Einschränkung auch für andere Werkstoffe wie EP, PF, PSU, PET und PVC-HD. Für unpolare Thermoplaste (PE, PP) ist eine vorherige Oberflächenbehandlung mit einem Primer erforderlich, da die Molekülstruktur des Substrats keine ausreichende Verknüpfungsmöglichkeit für den Klebstoff bietet. Strahlungshärtende Klebstoffe (1-K) Bei strahlungs- bzw. fotoinitiiert härtenden Klebstoffen lässt sich der Zeitpunkt der Reaktion besser beeinflussen als bei anderen Polymerisationsklebstoffen. Dies kann dann wichtig sein, wenn mit dem flüssigen Klebstoff erst längere Formgebungsarbeiten erforderlich sind. Bei großflächiger Verklebung, z. B. von Glasscheiben, ist eine ausreichende Bearbeitungszeit für Klebstoffauftrag und das Justieren der Bauteile vorteilhaft. Strahlungshärtende Kleb-

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stoffe härten rasch unter Einwirkung hochenergetischer Strahlung, meist künstlichem UVLicht (seltener Elektronenstrahler oder sichtbares Licht). Klebstoff und Substrat müssen jedoch für die notwendige Strahlung zugänglich bzw. für UV-Licht transparent sein. Methacrylatklebstoffe (2-K) Methacrylatklebstoffe härten durch die Reaktion zweier Komponenten. Dabei ist das Mischungsverhältnis relativ variabel, ohne dass sich die späteren Eigenschaften des Klebstoffs wesentlich verändern. Die Härtung dauert mindestens eine Stunde und damit deutlich länger als bei den einkomponentigen Acrylatklebstoffen. Die Klebstoffe sind meist in Kartuschen mit zwei Kammern erhältlich (Abb. B 3.6). Beide Komponenten werden dabei mit einer Klebepistole ausgedrückt, in einem Mischrohr vermengt und so direkt auf die Klebefläche aufgebracht. Durch die getrennte Lagerung der Komponenten sind Methacrylatklebstoffe länger haltbar als einkomponentige Acrylatklebstoffe. Sie können im Gegensatz zu anderen Acrylatklebstoffen bei der Verarbeitung vergleichsweise zäh eingestellt werden, sodass Schichtstärken bis 3 mm möglich sind. Polyurethanklebstoffe (1-K, 2-K)

Polyurethanklebstoffe sind sehr vielseitige Klebstoffe mit hohen Festigkeiten. Sie haften auf den meisten Oberflächen und werden häufig zur Verklebung flexibler Materialien wie z. B. Bodenbelägen eingesetzt. Polyurethanklebstoffe sind widerstandsfähig gegen Witterung und chemische Einflüsse, jedoch nicht dauerhaft UV-beständig. Im Gegensatz zu Acrylatklebstoffen basieren sie auf der Polyaddition von Molekülen (siehe Polymerbildung, S. 31). Je nach Aufbau im erhärteten Zustand werden sie in thermoplastische oder duroplastische Kunststoffe mit entsprechend variierbaren Eigenschaften unterschieden. Einkomponentige Systeme erhärten bei einer Umgebungsfeuchte ab 40 %. Dazu müssen die Substrate auch entsprechend feuchtigkeitsdurchlässig sein. Der Klebstoff sollte daher absolut trocken gelagert werden, um eine Härtung vor der eigentlichen Anwendung zu vermeiden. Es gibt auch einkomponentige Systeme, die

B 3.6

unter Einfluss hoher Temperaturen reagieren. Bei den zweikomponentigen Systemen ist im Gegensatz zu den Methacrylatklebstoffen die exakte Einhaltung des Mischungsverhältnisses entscheidend. Bei abweichender Zusammensetzung können Anteile einer Komponente nicht reagieren und beeinflussen die Festigkeit der Verklebung negativ. Neben diesen Systemen existieren auch lösungsmittelhaltige Polyurethanklebstoffe, bei der Applikation muss dieses Lösungsmittel aber entweichen können. Epoxidharzklebstoffe (2-K)

Epoxidharzklebstoffe sind steife und hochfeste Klebstoffe, die insbesondere bei konstruktiven Verklebungen, z. B. zwischen Stahl und Beton oder für faserverstärkte Kunststoffe verwendet werden (Abb. B 3.7). Sie sind für raue Oberflächen geeignet und damit relativ vielseitig einsetzbar. Wie Polyurethanklebstoffe härten auch diese Klebstoffe durch eine Polyadditionsreaktion. Der erhärtete Klebstoff ist ein Duroplast und besitzt entsprechende Eigenschaften wie hohe Festigkeit, hohen E-Modul und ein sprödes Bruchverhalten. Durch Zugabe grobkörniger Füllstoffe können Klebefugen auch mit Dicken von mehreren Zentimetern realisiert werden. Epoxidharzklebstoff wird fast ausschließlich als zweikomponentiges System verarbeitet, wobei auch hier das Mischungsverhältnis der Bestandteile exakt einzuhalten ist. Meist werden kalt härtende Systeme eingesetzt, eine Wärmenachbehandlung (Tempern) kann die mechanischen Eigenschaften jedoch wesentlich verbessern. Ausgehärteter Epoxidharzklebstoff ist sehr steif, die Neigung zum Kriechen ist vergleichsweise gering. Durch Zugabe von thermoplastischen oder elastomeren Komponenten können zähharte Epoxidharzklebstoffe mit weniger sprödem Bruchverhalten hergestellt werden. Epoxidharzmörtel und Polymerbeton Epoxidharzklebstoffe werden häufig mit nicht reaktiven Füllstoffen vermengt. Im Bauwesen sind Mörtel- oder Betonmischungen mit einem hohen Anteil an Quarzsand üblich, um die Materialkosten zu senken und durch die zähere Konsistenz die Verarbeitung zu vereinfachen. Bei Polymerbeton beträgt der Massenanteil des

Klebstoffe und Beschichtungen

B 3.7

Epoxidharzklebstoffs dabei typischerweise 10 %, bei Epoxidharzmörtel 50 %, dies entspricht Volumenanteilen zwischen 20 und 80 %. Wie der Epoxidharzklebstoff selbst sind auch diese Formmassen sehr steif und versagen spröde, die Festigkeiten variieren dabei in Abhängigkeit des Harzanteils. Wegen des Füllstoffgehalts ist die Oberflächenhaftung geringer als bei reinem Epoxidharzklebstoff. Epoxidharzmörtel wird zum Beispiel zur Verklebung von Kohlefaserlamellen (CFK-Lamellen) auf Betonbauteile verwendet (siehe Instandsetzung mit CFK-Lamellen, S. 92f.). Silikonklebstoffe (1-K)

Silikonklebstoff (Abb. B 3.9) ist ein robuster und dauerhafter Klebstoff. Trotz der eher geringen Festigkeit und eines niedrigen E-Moduls eignen sich Silikonklebstoffe aufgrund ihrer Zuverlässigkeit für tragende Verbindungen, wie das Structural Glazing. Sie verfügen über eine sehr gute Witterungs- und Temperaturbeständigkeit und sind quasi nicht brennbar. Silikonverklebungen sind verformbar und duktil, damit können Zwängungen ausgeglichen werden, ein plötzlicher Sprödbruch ist ausgeschlossen. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn Werkstoffe mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungsverhalten wie z. B. Aluminium und Glas verklebt werden sollen. Andererseits sind aus diesem Grund hochtragfähige schubsteife Verbindungen nicht realisierbar. In ihrem chemischen Aufbau entsprechen Silikonklebstoffe dem elastomeren Silikonkautschuk (siehe Silikonkautschuk, S. 45). Sie werden in der Regel als Einkomponenten-Systeme verarbeitet. Dabei erfolgt der Abbindevorgang (Vulkanisation) bei Raumtemperatur unter der Einwirkung von Luftfeuchtigkeit. Der Härtungsprozess ist im Vergleich zu anderen Klebstoffen sehr langsam, unter Normklima kann die Härtungsreaktion mehrere Tage dauern. Aufgrund der häufig verwendeten sauren Vernetzer entsteht bei der Verarbeitung Essigsäure, was zu einem auffälligen Geruch führt. Ist nicht ausreichend Luftfeuchtigkeit verfügbar oder sind die Klebschichten zu dick, werden Zweikomponenten-Systeme verwendet. Silikon ist bei der Verarbeitung zähflüssig und eignet sich neben Verklebungen auch sehr gut für die dau-

B 3.8

erhafte Abdichtung von Fugen. Es sind außerdem spezielle Silikonklebstoffe mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit verfügbar, dies wird z. B. durch beigemischte Metallpartikel erreicht. Physikalisch abbindende Klebstoffe

Im Gegensatz zu den chemisch abbindenden Klebstoffen (Reaktionsklebstoffen) findet bei der Verarbeitung dieser Klebstoffgruppe keine Vernetzungsreaktion statt, sondern nur eine physikalische Verbindung. Die erzielbaren Festigkeiten liegen daher meist unter denen der Reaktionsklebstoffe. Wegen der einfacheren Handhabung werden sie jedoch häufig für nicht tragende Klebefugen eingesetzt. Die Wirkungsmechanismen können dabei sehr unterschiedlich sein: • Schmelzklebstoffe werden erhitzt verarbeitet und erhärten nach Abkühlung. • Dispersions- oder Lösungsmittelklebstoffe bestehen aus Polymeren, die in Wasser bzw. Lösungsmitteln gelöst sind und nach der Verflüchtigung des Wassers bzw. Lösungsmittels aushärten. Die als »Alleskleber« bekannten Klebstoffe erreichen jedoch nur geringe Festigkeiten. Außerdem ist auf eine Verträglichkeit des Lösungsmittels mit dem zu verklebenden Kunststoff (vor allem bei Schaumstoffen) zu achten. • Beim »Kaltschweißen« werden die Oberflächen der zu verklebenden Bauteile durch Lösungsmittel erweicht und aneinandergepresst. Nach der Verflüchtigung des Lösungsmittels entsteht eine dauerhafte Verbindung.

Beschichtungsstoffe Die Mehrzahl der industriell eingesetzten Beschichtungsstoffe basiert auf Kunststoffen, da sie sich gut verarbeiten lassen und eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinwirkungen haben. Beschichtungsstoffe bestehen häufig aus drei Komponenten: • Farbpigmente bzw. Farbstoffe • Bindemittel zum Oberflächenschutz und Fixierung • Lösungsmittel (verflüchtigt sich nach der Bearbeitung)

B 3.9

Kunststoffe selbst benötigen in der Regel keinen Oberflächenschutz. Der Werkstoff kann in Verbindung mit den eingebrachten Füllstoffen die technischen und optischen Anforderungen meist ohne weitere Beschichtungen erfüllen. Bei der Herstellung von verstärkten Kunststoffen wird an der Oberfläche meist eine Schicht aus reinem Kunststoff aufgebracht (Gelcoat bzw. Reinharzschicht), sodass die Fasern geschützt werden (siehe Oberfläche, S. 78). Aus gestalterischen Gründen werden in einigen Fällen auch bei Kunststoffen zusätzlich Farben oder Lackierungen eingesetzt. Um eine größeren Oberflächenrauheit zu erzielen, z. B. bei Bodenbelägen, werden Kunststoffe oft nachträglich mit grobkörnigem Material beschichtet. Einteilung der Beschichtungsstoffe

Beschichtungsstoffe werden in der Regel nach dem enthaltenen Bindemittel eingeteilt und beispielsweise als Acryllacke oder Silikonharzfarben bezeichnet. Da aber meist nicht nur ein einziger Werkstoff, sondern komplexe Beschichtungssysteme aus mehreren Komponenten zur Anwendung kommen, werden im Folgenden die Beschichtungen in Abhängigkeit der Anwendung bzw. ihrer Funktion beschrieben. Die jeweiligen Grundstoffe für die einzelnen Beschichtungssysteme sind dabei teilweise identisch. Farben und Lacke unterscheiden sich beispielsweise nur durch ihren Bindemittelgehalt, bestehen aber grundsätzlich aus den gleichen Komponenten. Farben haben einen höheren Anteil an Pigmenten und sind nach dem Auftrag in der Regel diffusionsoffen. Lacke hingegen verfügen über einen höheren Bindemittelgehalt, die Oberflächen sind vergleichsweise wasserdampf- und gasundurchlässig. Beschichtungen mit Schutzfunktion

Neben Gestaltungsaspekten dienen Beschichtungen dem Schutz von Oberflächen korrosionsempfindlicher Materialien wie Metallen, Stahlbeton oder Fasern vor dem Angriff durch Wasser, UV-Strahlung, Kohlendioxid, gelösten Tausalzen oder Benzin. Korrosionsschutzsysteme im Stahlbau Stahl wird entweder durch einen Zinküberzug (z. B. Feuerverzinkung), eine Kunststoffbe-

57

Ausgleichsschicht

Spachtelmasse, z. B. ungesättigtes Polyesterharz (UP), Anwendung nur punktuell

Haftvermittler (Primer)

zweikomponentige Polyurethansysteme

Füller oder Vorlack

ungesättigtes Polyesterharz (UP), Acrylate, Epoxidharz (EP)

Deckschicht Basislack

Überzugslack

Celluloseacetobutyrate (CAB) mit Polyestern und Acrylaten, Polyurethan (PUR) mit Farbpigmenten Acryllack, Alkydlack, Epoxidlack (EP), Polyurethanlack (PUR)

B 3.10

B 3.11

schichtung oder eine Kombination beider Verfahren (Duplexbeschichtung) vor Feuchtigkeit geschützt. Bei den meisten Kunststoffbeschichtungen für den Stahlbau erfolgt zunächst eine Grundierung mit einem Korrosionsschutzgrund aus Zinkstaub, für den Schlussanstrich werden Acryl-, Alkyd-, Polyurethan- oder Epoxidlacke verwendet. Bei Dickschichtlacken aus Epoxidharz kann eine Grundierung entfallen, da der Lack meist in mehreren Lagen aufgebracht wird.

Er kann daher nicht als wasserdichte Deckschicht eingesetzt werden, lässt sich jedoch in Schichtstärken von mehreren Zentimetern aufbringen. Ein Reaktionsharzdünnbelag (RHD) hat hingegen einen höheren Harzanteil, kann als Oberflächenversiegelung dienen und wird in Schichtstärken von wenigen Millimetern verarbeitet. RHD ist z. B. als Fahrbahnbelag auf Stahlbrücken zugelassen. Da sowohl Polymerbeton als auch RHD-Belag eine schlechte Oberflächenhaftung haben, ist zwischen dem Substrat und dem Belag eine Primerschicht aus ungefülltem Epoxidharz notwendig. Bei der Verwendung von polymeren Bodenbelägen in öffentlichen Gebäuden wie Schulen oder Sportstätten sind emissionsarme Produkte einzusetzen. Beschichtungen aus Kunststoffen können auch Jahre nach dem Einbau gesundheitsschädliche Gase emittieren, daher wird die Menge flüchtiger Bestandteile durch das sogenannte AgBB-Schema für Aufenthaltsräume begrenzt.

Oberflächenschutzsysteme im Betonbau Zur Beschichtung von Betonbauteilen werden mehrkomponentige Beschichtungssysteme auf Epoxidharz- oder Polyurethanbasis verwendet. Sie sind undurchlässig für Kohlendioxid sowie Wasser und können auch kleinere Risse überbrücken. Die Beschichtung verzögert die Neutralisierung des schützenden Milieus des Betons (Carbonatisierung) und damit eine Bewehrungskorrosion. So können auch horizontale Betonoberflächen dauerhaft gegen Witterung geschützt werden. Gleichzeitig bewahren die Beschichtungen den Beton auch vor Ölen und Benzin oder verbessern die Oberflächenrauheit, z. B. für Bodenbeläge. Boden- und Fahrbahnbeläge Besondere Anforderungen werden an Beläge von Industrieböden, Parkdecks oder Brücken gestellt. Neben dem Schutz des Untergrundmaterials aus Beton, Stahl oder faserverstärktem Kunststoff muss der Belag eine dauerhaft raue Oberfläche bieten und hohe Belastungen z. B. aus Fahrzeugen aufnehmen können. Im Gegensatz zu Gussasphalt oder einem Betonbelag haben polymere Beschichtungen den Vorteil, dass sie kalt verarbeitet werden, meist eine höhere Tragfähigkeit besitzen und vergleichsweise schnell aushärten. Dies verkürzt Bearbeitungs- und eventuell daraus resultierende Sperrzeiten wesentlich. Die Belagsoberfläche kann je nach Anforderung von sehr glatt bis rau eingestellt werden. Belagsysteme auf Epoxidharz- oder Polyurethanbasis werden mit Quarzsand versetzt, um die Steifigkeit zu erhöhen und gleichzeitig die Kriechneigung zu reduzieren. Polymerbeton hat dabei einen Harzanteil von nur 10 Gew.-%.

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Verbundwerkstoffe Da Fasern im Allgemeinen nicht korrosionsbeständig sind, werden sie entweder in Kunststoff eingebettet (Faserverbundwerkstoffe) oder mit Kunststoffen beschichtet (textile Membrane). Für textile Membranen verwendete PTFE-Fasern können in Einzelfällen auch unbeschichtet eingesetzt werden, meist sind produktspezifische Beschichtungsverfahren mit PVC oder PTFE gebräuchlich (siehe Streichverfahren, S. 101 und Tauchverfahren, S. 103). Spezielle Beschichtungen können die Oberflächenemissivität von Membranen herabsetzen, dies wird als Low-EWirkung bezeichnet (siehe Selektivität und Low-E-Oberflächen, S. 116). Brandschutzbeschichtungen Brandschutzbeschichtungen basieren auf Dispersionsfarben oder Acrylatharzen, denen Treibmittel beigemischt sind. Bei einer Erwärmung über 200 °C quillt die Beschichtung durch das Treibmittel auf und erreicht eine bis zu 120-fache Dicke. Die aufgeschäumte Beschichtung fungiert dabei als Dämmung zwischen Brandquelle und dem zu schützenden Bauteil. Brandschutzbeschichtungen werden

Säurenbeständigkeit Benzinbeständigkeit Spiritusbeständigkeit

Kunststoff, Metall, u. a.

Alkalibeständigkeit

Werkstoff

Untergrund (Substrat)

Reinigungsfähigkeit Lösungsmittelbeständigkeit

Schicht

Nassabrieb

Klebstoffe und Beschichtungen

Farbe, niedriger Bindemittelgehalt (Dispersionsfarbe)

-

--

--

--

--

--

--

Farbe, hoher Bindemittelgehalt (Latexfarbe)

+

o

--

--

--

--

--

Acryllack, wässrig ++

o

--

--

--

--

--

Alkydlack

++

+

+

--

o

+

++

Epoxidlack

++

++

++

++

++

++

++

Polyurethanlack

++

++

++

++

++

++

++ B 3.12

vor allem für Stahlträger eingesetzt, um deren Feuerwiderstandsdauer zu erhöhen. Versuche mit Profilen aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) haben gezeigt, dass bei diesen mit einer Brandschutzbeschichtung keine wesentliche Verbesserung der Feuerwiderstandsdauer möglich ist. Der Kunststoff verliert bereits vor Erreichen der Reaktionstemperatur der Beschichtung erheblich an Festigkeit und Steifigkeit, die Schutzfunktion setzt damit im Brandfall zu spät ein (Abb. B 3.10). Beschichtungen zur Oberflächengestaltung

Häufig steht bei einer Beschichtung der dekorative Effekt im Mittelpunkt, auch wenn z. B. Lacke eine zusätzliche Schutzfunktion übernehmen. Fast alle heute gebräuchlichen Farben oder Lacke basieren auf Kunststoffen. Kunststoffbauteile selbst werden jedoch nur in Ausnahmefällen beschichtet, da der Grundwerkstoff bereits eingefärbt und mit glatter Oberfläche produziert werden kann. Da Kunststoffe und Verbundkunststoffe einen geringen E-Modul haben, sollte zunächst die Dehnbarkeit der Beschichtung geprüft werden (Abb. B 3.13) Farben Bei den meisten Farbanstrichen handelt es sich um Dispersionen. Dazu gehören neben den ebenfalls sogenannten Dispersionsfarben auch Latex-, Silikat- oder Silikonharzfarben. Diese Mischungen aus zwei oder mehreren Stoffen, die nicht ineinander gelöst sind, bestehen in der Regel aus Farbpigmenten, Binde- und Lösungsmitteln (meist Wasser oder ein anderes organisches Lösungsmittel). Als Bindemittel werden dabei Kunststoffe wie Silikonharz oder Acrylate verwendet, aber auch Kalkhydrat oder Kaliwasserglas. Nach dem Auftrag der Farbe auf den Untergrund (Substrat) verflüchtigt sich das Lösungsmittel und Pigmente sowie Bindemittel lagern sich an der Oberfläche ab. Dispersionsfarben sind im Gegensatz zu Lack wasserdampfdurchlässig. Latexfarben haben einen relativ hohen Bindemittelgehalt und damit eine geringere Durchlässigkeit gegenüber Wasserdampf. Dispersionen können mit einfachen Werkzeugen aufgetragen werden und sind vergleichsweise kostengünstig.

Klebstoffe und Beschichtungen

40 N/mm2

80 N/mm2

120 N/mm2

160 N/mm2

200 N/mm2

B 3.10 B 3.11 B 3.12

GFK-Träger mit Brandschutzbeschichtung typischer Schichtaufbau eines Lacksystems Oberflächeneigenschaften von Lacken und Farben, bei mehrschichtigen Systemen ist der Überzugslack maßgebend +, ++ gute Eigenschaften o durchschnittliche Eigenschaften -, -- schlechte Eigenschaften B 3.13 Risswachstum einer Lackierung auf glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) unter zunehmender statischer Last, Abbildung 1:1 B 3.14 Effektlackierungen a Multicoloreffekt b winkelabhängiger Interferenzfarbe c Aluminium-Optik B 3.13

Kunstharzputze Kunstharzputze basieren auf Dispersionsfarben, denen zur besseren Modellierbarkeit ein Silikatzuschlag (Quarzsand) beigefügt ist. Dadurch hat die Farbe bei der Verarbeitung eine plastische Konsistenz und ist formbar. Insbesondere bei Wärmedämmverbundsystemen werden Kunstharzputze trotz ungewohnter haptischer Anmutung bevorzugt eingesetzt, da sie im Vergleich zu mineralischen Putzen elastischer und wasserfester sind.

ethan- oder Alkydlacken. Für die technischen Oberflächeneigenschaften ist der Überzugslack entscheidend. Acryllacke sind elastischer, diffusionsoffener sowie UV-beständiger, Alkydlacke hingegen besser zu reinigen und kratzfester, Epoxid- und Polyurethanlacke wiederum haben eine ausgezeichnete Chemikalienbeständigkeit.

Lacksysteme Lacksysteme bestehen meistens aus mehreren Komponenten bzw. Schichten, die aufeinander abgestimmt sein müssen (Abb. B 3.11). Für die Oberflächeneigenschaften ist vor allem der Überzugslack maßgebend, jedoch spielt auch die Kombination der einzelnen Bestandteile für die optische Wirkung und die Eigenschaften der Beschichtung eine Rolle. Um eine ebene Oberfläche zu erzielen, kann vor der eigentlichen Lackierung eine Ausgleichsschicht aus Spachtelmasse, z. B. aus ungesättigtem Polyesterharz (UP), notwendig sein. Insbesondere bei faserverstärkten Kunststoffen werden damit in einem ersten Arbeitsschritt größere Unebenheiten ausgeglichen. Danach wird der Haftvermittler (Primer) aufgetragen, der für einen guten Verbund zwischen dem Substrat und den folgenden Lackschichten sorgt. Bei Kunststoffen entstehen nur physikalische Bindungskräfte zwischen Haftgrund

und dem üblicherweise aus zweikomponentigen Polyurethansystem (PUR-System) bestehenden Primer. Im nächsten Arbeitsschritt werden mit einem sogenannten Füller feine Unebenheiten ausgeglichen bzw. Poren gefüllt. Dafür werden Systeme aus ungesättigtem Polyesterharz (UP), Alkydharz, Acrylate oder Epoxidharz (EP) verwendet und bis zu einer Verarbeitungsdicke von 0,1 mm auf die Oberfläche gespritzt. Alternativ können auch Vorlacke zur Anwendung kommen, die mit Pinsel oder Rolle aufgetragen werden. Nach der Härtung wird die Füllschicht geschliffen, eingebrannt oder sofort weiterverarbeitet. Die folgende Deckschicht bestimmt letztlich die optischen Eigenschaften sowie die Schutzfunktion. Bei Metalliclacken wird stets eine zweischichtige Ausführung aus Basislack und Überzugslack vorgenommen. Dabei liefert der Basislack den gewünschten Effekt, z. B durch metalllische Pigmente (Abb. B 3.14). Aus technologischen Gründen muss dieser Basislack mit einem Lösungsmittelanteil von bis zu 80 % verarbeitet werden und ist daher ökologisch kritisch zu bewerten. In den letzten Jahren wurden jedoch Fortschritte gemacht, wasserbasierte Lacke zu entwickeln. Basislacke bestehen aus Celluloseacetobutyrate (CAB) in Kombination mit Polyestern und Acrylaten, wasserlösliche Systeme enthalten PUR. Der klare Überzugslack dient dem mechanischen und chemischen Schutz des Lacksystems und besteht aus Acryl-, Epoxid, Polyur-

a

b

c

Beschichtungsverfahren

Farben werden häufig gestrichen oder gerollt, Lacke bevorzugt gesprüht. Bei einer Tauchlackierung wird das Substrat in ein Lackbad eingetaucht. Die Bandbeschichtung (Coil-Coating) eignet sich für hohe Stückzahlen bzw. große Flächen, da sie materialsparender ist als eine Sprühbeschichtung. Durch den gleichmäßigen Auftrag mittels Walzen ergeben sich ein einheitliches Farbbild und eine dauerhafte Beschichtung. Bei elektrisch leitfähigen Substraten wie Metallen ist eine Pulverbeschichtung mit sehr gleichmäßigen Schichtdicken möglich. Die Lackpartikel werden auf die Oberfläche gesprüht und haften infolge elektrischer Ladung. Anschließend werden sie im Trockner erhitzt, wo die Vernetzung (Härtungsreaktion) stattfindet. Beschichtungsverfahren im Membranbau werden unter »Textile Membranen« (S. 101ff.) erläutert. Anmerkungen: [1] Peters, Stefan: Kleben von GFK und Glas für baukonstruktive Anwendungen. Stuttgart 2006, S. 123

B 3.14

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Naturfaserverstärkte Kunststoffe und Biokunststoffe Carmen Köhler

B 4.1

Auf dem Gebiet der Architektur stehen naturfaserverstärkte Kunststoffe und Biokunststoffe noch ganz am Anfang ihrer Entwicklung. Die ersten Kunststoffe werden zu Beginn des 20. Jahrhunderts aus natürlicher Cellulose hergestellt, und erst allmählich treten synthetische Stoffe aus Erdöl an ihre Stelle. Ein Jahrhundert später setzt das inzwischen vorhandene Bewusstsein für die Endlichkeit unserer Ressourcen den umgekehrten Prozess in Gang. Bei naturfaserverstärkten Kunststoffen (NFK) dienen pflanzliche Naturfasern innerhalb einer erdölbasierten Kunststoffmatrix als Verstärkung. Sie erhöhen den Anteil nachwachsender Rohstoffe (NaWaRo) im Verbund und senken das Bauteilgewicht. Biobasierte Kunststoffe werden auf vorwiegend pflanzlicher Basis hergestellt und schonen somit endliche Ressourcen. In Kombination könnten naturfaserverstärkte Biokunststoffe eine weitere Werkstoffklasse für nachhaltig orientiertes Bauen darstellen.

Naturfaserverstärkte Kunststoffe

B 4.1 B 4.2 B 4.3

B 4.4

B 4.5

60

Wabenplatte aus kunstharzgetränkter Cellulose Einteilung pflanzlicher Naturfasern Fassade aus Lignin- und Cellulosefaserverstärktem Kunstharz, Hotel EME Fusion, Sevilla (E) 2008, Juan Pedro Donaire WPC-Fassade, Finnland-Pavillion auf der Weltausstellung in Shanghai (CN) 2010, Teemu Kurkela/ JKMM Architects mit Naturfasern gefertigte Innenbauteile eines Mittelklassewagens

Mit dem Slogan »das Auto, das auf dem Acker wächst« [1] wurde 1941 der Öffentlichkeit ein neues Fahrzeug vorgestellt. Bei der Präsentation schlug Henry Ford werbewirksam mehrmals mit einem Hammer auf die Karosserie ein, um die ausgezeichnete Stabilität des Materials zu demonstrieren. Der neue Werkstoff konnte zehnfach mehr Schläge als die bisher verwendeten Metalle abfangen, ohne dass Schäden an der Oberfläche erkennbar waren. Der eingesetzte Hanffaserwerkstoff aus Phenolharz war zudem um ein Drittel leichter als herkömmliche Karosserien. Da der Hanfanbau in den USA 1937 faktisch verboten war, konnte der Prototyp jedoch nicht weiterentwickelt werden. Trotzdem ist das sogenannte Hemp Car eines der ersten Beispiele für die Verwendung von naturfaserverstärkten Kunststoffen (NFK), die durch Einbettung pflanzlicher Naturfasern in einen erdölbasierten Kunststoff wie den Thermoplasten Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE) oder den Duroplast Epoxidharz entstehen. Elastomere werden für NFKs nicht verwendet.

Eigenschaften am Beispiel Automobilbau

Bis heute liegt das Hauptanwendungsgebiet naturfaserverstärkter Kunststoffe im Fahrzeugbau. Dort werden sie unter anderem wegen ihres Leichtbaupotenzials vor allem für Innenbauteile wie Instrumententafeln, Konstruktionen für Türverkleidungen, Hutablagen, Säulenverkleidungen oder Reserveradmulden eingesetzt. Pflanzliche Fasern weisen aufgrund ihrer Hohlfaserstruktur ein geringeres Eigengewicht auf als beispielsweise Glasfasern. Das günstige Bruchverhalten ohne scharfe Kanten und wenig Splitter sowie ein gutes akustisches Dämmvermögen stellen weitere technische Vorzüge dar. Entscheidend sind auch die geringere Abnutzung von Verarbeitungsmaschinen und der erschwingliche Preis der Fasern. Aus ökologischer Sicht bieten pflanzliche Fasern den Vorteil, dass sie den Anteil nachwachsender Rohstoffe im Bauteil auf bis zu 90 Gew. % erhöhen können. [2] Zudem ist der Energieverbrauch vom Anbau bis zur Halbzeugherstellung von beispielsweise Naturfaservliesen um 60 % geringer als bei der Produktion vergleichbarer Vliese aus Glasfasern. [3] Ein besseres Recyclingverhalten zeigen naturfaserverstärkte Kunststoffe allerdings nur, wenn die Naturfasern in eine thermoplastische Matrix eingebettet werden. Duroplaste können nicht geschmolzen und neu ausgeformt werden. Seit der Rücknahmeverpflichtung der EU-Altautoverordnung aus dem Jahr 2000 stieg daher der Anteil thermoplastischer Bindemittel zur Herstellung von Innenausbauteilen auf 65 % (Stand 2009). [4] Die Verarbeitung thermoplastischer Verbundkomponenten ist für Autohersteller auch aus ökonomischer Sicht vorteilhaft, da Formgebung, Integration von Verbindungselementen und das Aufbringen von Dekorschichten (Kaschierung) in einem Fertigungsschritt erfolgen können. Dieser Aspekt lässt sich auch auf die Bauindustrie übertragen. In vergleichbarer Weise könnten hier modulare, nicht tragende Innenwände hergestellt werden. Ohne Kaschierung ergeben sich zudem vielfältige architektonische Gestaltungsmöglichkeiten, die Optik und Haptik natürlicher Werkstoffe mit den Vorzügen von Kunststoffen zu kombinieren.

Naturfaserverstärkte Kunststoffe und Biokunststoffe

Naturfaserverstärkte Kunststoffe im Bauwesen

Naturfaserverstärkte Kunststoffe stellen eine für das Bauwesen neue Werkstoffklasse dar und sind daher noch nicht weit verbreitet. Eines der wenigen Beispiele für die Verwendung von naturfaserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen im Bauwesen sind Wood Plastics Composites (WPC). Mit einem Holzmehlanteil von bis zu 90 Gew.-%, einer Matrix aus Polypropylen (PP) sowie Additiven (Farbpigmente, UVStabilisatoren etc.) werden Profile und Hohlkammerplatten für Fassadenverkleidungen hergestellt. Bauteile aus Holzfaserkunststoffen weisen eine bessere Witterungsbeständigkeit und Dauerhaftigkeit auf als Holz. [5] In Spanien werden Mandelschalen, die vor allem aus Lignin (lat. lignum = Holz) und Cellulose bestehen, als Reststoffe der Lebensmittelindustrie gemahlen und mit einem duroplastischen Harz zu Gussstrukturen verarbeitet (siehe Ligningebundener Naturfaserverbund, S. 64). Während der Aushärtung entstehen Mikroporen, die eine gute Isolierung gegen Wärme und Kälte ermöglichen. [6] Naturfaserverstärkte Kunststoffe kommen außerdem in Bereichen zum Einsatz, in denen es bei nicht tragenden Bauteilen um Aspekte wie Gewichtersparnis, Akustik oder Sicherheit geht, beispielsweise im Messebau, bei Lautsprechergehäusen, Arbeitsschutzhelmen, Koffern, Schleifscheibenträgern oder Möbeln. Ein zukunftsweisendes Beispiel für die Verwendung naturfaserverstärkter Kunststoffe in der Architektur ist das modulare Universal World House, das 2009 von der Bauhaus-Universität Weimar für den Einsatz in Entwicklungsländern entworfen wurde. Alle Konstruktionselemente und der Innenausbau bestehen aus Sandwichplatten auf Basis kunstharzgetränkter Cellulose (Abb. B 4.1). Diese Cellulose-Leichtbauplatten sind witterungsbeständig und können sogar zu Waschbecken verbaut werden. [7] Naturfaserverstärkte Kunststoffe können mit den Kunststoffen ABS, PP-Glasfaser-Werkstoff und teilweise auch GFK konkurrieren. Nachteilig ist ihre geringe Schlagzähigkeit, die sich aber durch den Zusatz von Naturfasern mit hoher Dehnfähigkeit wie z. B. Baumwollfasern entscheidend verbessern lässt.

Naturfasern Zu den Naturfasern zählen pflanzliche, tierische und mineralische Fasern (siehe Naturfasern, S. 53). Für Naturfaserverstärkungen werden vorwiegend pflanzliche Fasern eingesetzt, die im Folgenden näher betrachtet werden (Abb. B 4.2). Pflanzenfasern

Pflanzenfasern bestehen zum Großteil aus Cellulose, die in einer chemischen Verbindung mit Pektin, Lignin und Wasser steht. Die prozentuale Zusammensetzung der einzelnen Bestandteile variiert je nach Faserart. Cellulose ist maßgeblich für die Zugfestigkeit verantwortlich, Lignin fungiert als druckfeste Matrix. Ein hoher

Ligningehalt bewirkt einen hohen Verholzungsgrad und somit eine höhere Steifigkeit, jedoch auch Sprödigkeit der Faser. Aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften werden vor allem Bastfasern (Stängelfasern) wie Hanf oder Flachs verwendet. Sie befinden sich im äußeren Teil des Pflanzenstängels und stabilisieren diesen. Daher zeichnen sich diese Fasern durch eine hohe Faserfestigkeit und geringe Reißdehnung aus. Im Vergleich zu synthetisch hergestellten Endlosfasern mit kontrollierbaren Verfahrensprozessen unterscheiden sich die einzelnen Naturfasern stark in ihren Eigenschaften. Sie haben wachstumsbedingt eine bestimmte Länge und sind hitzeempfindlich. Bei einer thermischen Dauerbelastung ab 180 °C sinken die mechanischen Eigenschaften pflanzlicher Fasern, bei Temperaturen über 200 – 250 °C zerfallen sie. Von Naturfasern, die nicht vollständig in die Matrix eingebettet sind, geht eine Dochtwirkung aus, weshalb entsprechende Flammschutzmittel eingesetzt werden sollten. Naturfasern sind hygroskopisch, d. h. sie nehmen Wasserdampf der Umgebung auf. Um Fehlstellen im Werkstoffverbund zu vermeiden, sollten diese daher vor der Verarbeitung getrocknet werden. Im Automobilbau wird vorwiegend Flachs für Naturfaserverstärkungen verwendet. Flachskurzfasern werden fast ausschließlich in Europa produziert und fallen meist als Nebenprodukt der Langfaserproduktion für die Textilindustrie an. Mit der Aufhebung des deutschen Anbauverbots für rauschmittelarme Hanfsorten im Jahr 1996 erlebt die Kultivierung von Hanf in Deutschland einen neuen Aufschwung. Hanffasern werden vor allem als Spezialzellstoff für Verbund- und Dämmstoffe verwendet. [8] Die wichtigsten exotischen Naturfasern sind Jutefasern, die vorwiegend aus Indien und Bangladesch stammen, Kenaffasern aus den Stängeln eines bis zu 4 m hohen Malvengewächses in Afrika und Asien, sowie Sisalfasern, die aus den Blättern von Agavengewächsen in Afrika und Südamerika gewonnen werden. Des Weiteren finden Kokosfasern, meist aus Südasien primär in Autositzen Verwendung. 2005 werden in der Autobilindustrie erstmals philippinische Abakafasern als Unterbodenverkleidung eingesetzt. Diese Hartfasern aus den Blättern einer Bananenart erfüllen die besonderen Qualitätsanforderungen an ein Bauteil im PKW-Außenbereich wie Steinschlag-, Verwitterungs- und Feuchteresistenz. [9]

Pflanzliche Naturfasern Samenfasern

Baumwolle Kapok

Bastfasern

Lein (Flachs) Hanf Jute Kenaf

Hartfasern

Agavengewächse Sisal Abaka

Fruchtfasern

Kokos

Holzfasern

Fichte Kiefer B 4.2

B 4.3

B 4.4

Anbau und Fasergewinnung

Von der Aussaat bis zur Ernte vergehen bei Bastfasern etwa drei bis vier Monate. Flachs wird maximal 1,20 m, Hanf bis zu 3,50 m hoch. Nach dem Abschneiden werden die Bastfaserstängel zwischen zwei und vier Wochen zur sogenannten Röste auf dem Feld liegen gelassen, damit Mikroorganismen die Kittsubstanzen zwischen den Fasersträngen abbauen können. Danach wird das Stroh zu Ballen gepresst und zur Faseraufschlussanlage transportiert. Dort werden die gebrochenen Teilchen der holzigen B 4.5

61

Naturfaserverstärkte Kunststoffe und Biokunststoffe

Kernröhre des Pflanzenstängels (Schäben), die bei der Erzeugung von Bastfasern anfallen, sowie andere Nichtfaseranteile mechanisch von den Fasern getrennt. Über zusätzliche Stufenreinigungen, Walzen, Kardiereinrichtungen und Auflöseeinheiten werden die Faserbündel weiter zu Einzelfasern zerteilt und verfeinert. Basis

biologisch abbaubar

nicht biologisch abbaubar

erdölbasiert

Copolyester Polycaprolacton (PCL)

Polypropylen (PP) Polyamid (PA 6) Epoxidharz (EP)

Mischungen (Blend)

thermoplastische Stärke (TPS) Celluloseblends

Epoxidharz aus NaWaRos Polyamid (PA 6.10)

biobasiert

Polylactid (PLA) Polyhydroxybutyrat (PHB) Lignin

Celluloseacetat (CA) Polyamid (PA10) B 4.6

B 4.6 B 4.7 B 4.8 B 4.9

biologische Abbaubarkeit erdöl- und biobasierter Kunststoffe Autositzbezug aus hitzeresistenten Polylactid-Fasern (PLA-Fasern) Einbringen eines Naturfasergewebes in ein Formwerkzeug Biokunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen (vereinfachtes Schema)

Integration der Naturfasern im Bauteil

Bauteile aus naturfaserverstärkten Kunststoffen werden überwiegend aus Vliesen als Halbzeuge (nonwovens) hergestellt (siehe Vorprodukte, S. 70). Die 6 –10 cm lange Natur- und Polymerfasern aus Polypropylen werden vermischt, verkrempelt und mechanisch zu Hybridfilzen verfestigt. Anschließend lässt sich das Halbzeug im Formwerkzeug zu einem Formteil pressen. Bei Verwendung eines duroplastischen Bindemittels werden Vliese oder Filze aus hundertprozentigen Naturfasern mit einem Harzsystem besprüht und danach im Formpressverfahren umgeformt. Da Harze flüssig sind, können diese nicht in das Faserhalbzeug eingearbeitet werden. Bauteile aus NFKs werden überwiegend im Pressverfahren hergestellt. Weitere Verarbeitungsverfahren wie das Naturfaserspritzgießen oder Fließpressen ermöglichen auch komplexere Geometrien. In der Praxis haben sich Naturfasermischungen bewährt. Die besten mechanischen Werte für Verbundwerkstoffe ergeben sich bei einer Mischung von eher feinen Fasern wie Flachs oder Jute mit gröberen Fasern wie Hanf oder Sisal. Pflanzenfasern können auch zu Garnen versponnen und anschließend zu technischen Geweben verwoben werden, die für hochwertige NFK-Bauteile mit duromerer Matrix Verwendung finden. Dieser Prozessweg ist jedoch kostenintensiver. Zukunft der Pflanzenfaser

B 4.7

Vielversprechend sind Forschungen zu Funktionsfasern aus Cellulose. Das natürliche Polymer Cellulose lässt sich ohne chemische Modifizierung auflösen und zu Endlosfasern spinnen. Auf diesem Weg ist es möglich, maßgeschneiderte Fasern mit reproduzierbaren Eigenschaften zu entwickeln. Je nach Zusatzstoff (z. B. Rußpartikel oder Parafine) wird die Faser magnetisch, thermoregulierend oder elektrisch leitfähig. Bisher werden die Fasern bei Funktionskleidung und Motorradjacken eingesetzt [10]. Es ließen sich aber auch textile Heizsysteme oder klimaregulierende Membrane realisieren, die in einer textilen Fassade Verwendung finden. Biokunststoffe Als Biokunststoffe gelten Kunststoffe, die vorwiegend aus nachwachsenden Rohstoffen (NaWaRo) wie Stärke oder Cellulose hergestellt werden. Hierfür existiert auch der Begriff »biobasierte Kunststoffe«. [11] Der Begriff »Biokunststoff« wird jedoch nicht einheitlich verwendet. Als Biokunststoffe werden auch biologisch abbaubare Kunststoffe bezeichnet, die den Nachweis der Kompostierbarkeit nach EN 13 432 erfüllen.

B 4.8

62

Diese Kunststoffe können aus Erdöl oder aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden. Die biologische Abbaubarkeit ist nicht von der Rohstoffherkunft, sondern von der chemischen Struktur des Kunststoffs abhängig. Es gibt erdölbasierte Kunststoffe, die kompostierbar sind, biobasierte Kunststoffe hingegen sind nicht generell biologisch abbaubar (Abb. B 4.6). Kompostierbare Biokunststoffe aus Erdöl oder NaWaRos werden vornehmlich für kurzlebige Anwendungen wie Verpackungen, Catering-Artikel oder im Agrar- oder Gartenbereich eingesetzt. Sie werden auch Biokunststoffe der zweiten Generation genannt. Seit 1996 ersetzen Automobihersteller in Japan erstmalig den erdölbasierten Kunststoff für die Konstruktion von Armaturenträger durch einen biobasierten Kunststoff. Gründe hierfür sind Ressourcenschonung, umwelteffiziente Herstellung und leichtere Entsorgung der Biokunststoffe. Bei zunehmender Verwendung faserverstärkter Kunststoffe im Bauwesen besteht auch hier der Anspruch, nicht nur die Fasern, sondern ebenso die Matrix durch nachhaltige Komponenten zu ersetzen. Mithilfe der Photosynthese werden durch Pflanzen aus Sonnenlicht und CO2 jedes Jahr ca. 170 Milliarden Tonnen Biomasse in Form von Getreide, Gräsern etc. produziert, die teilweise als Grundlage für biobasierte Kunststoffe dienen können. [12] Die derzeitige Produktion von Biokunststoffen beträgt 0,4 Mio. Jahrestonnen und nimmt lediglich 0,01 % der weltweit landwirtschaftlich genutzten Fläche in Anspruch. [13] Außerdem stehen Reststoffe der Agrar-, Lebensmittel-, oder Kosmetikindustrie nahezu unbegrenzt zur Verfügung. Biokunststoffe mit langer Funktionsdauer

Biokunststoffe der zweiten Generation wurden als kurzlebige Kunststoffe entwickelt, die sich kompostieren lassen. Bei Biokunststoffen der dritten Generation hingegen liegt der Fokus auf einem möglichst hohen Anteil nachwachsender Rohstoffe in Verbindung mit einer langen Funktionsdauer. Ziel ist es dabei, Biokunststoffe zu entwickeln, die in ihren Eigenschaften mit konventionellen Kunststoffen vergleichbar sind und dabei einen möglichst geschlossenen Materialkreislauf aufweisen. Biobasierte Kunststoffe können einerseits direkt mittels Modifikationen aus natürlich vorkommenden Biopolymeren wie Cellulose oder Stärke hergestellt werden, andererseits lassen sich aus nachwachsenden Rohstoffen auch Monomere produzieren, die dann zu einem Biokunststoff polymerisiert werden (Abb. B 4.9). Entsorgung langlebiger Biokunststoffe

Das Recyceln konventioneller thermoplastischer Kunststoffe (PET, PP etc.) ist mit einer Eigenschaftsminderung (Downcyclingeffekt) verbunden. Dieser Nachteil ist bei Biokunststoffen aufgrund ihrer allgemein geringeren thermomechanischen und chemischen Beständigkeit noch stärker ausgeprägt. Die bevorzugte Entsorgung langlebiger Biokunststoffe ist die

Naturfaserverstärkte Kunststoffe und Biokunststoffe

nachwachsende Rohstoffe (NaWaRo) sind pflanzliche und tierische Rohstoffe, die aus der Land- und Forstwirtschaft stammen, sich jährlich oder in kurzen Zeiträumen erneuern, stofflich oder energetisch genutzt und nicht für Ernährungs- oder Fütterungszwecke eingesetzt werden. z. B.: Gräser, Stroh, Holzabfälle, Mais, Raps, Rizinusöl, Reststoffe der Agrar- oder Lebensmittelindustrie etc. Extraktion, Aufschluss, Aufbereitung Kohlenhydrate (Mehrfachzucker)

Lignin

Fette

Einteilung in Hemicellulose = Pektin

direkte Nutzung

Cellulose

alkoholische Gärung (biotechnologisches Verfahren)

chemische Modifikation

Fettspaltung

Stärke

chemische Modifikation

biotechnologisches Verfahren mit Milchsäurebakterien

Glycerin

biotechnologisches Verfahren mit Bakterien

Lactid (Monomer)

Furfurylalkohol

Cellulose (tri)acetat (Thermoplast)

TPS (Thermoplast)

PLA (Thermoplast)

chemische Modifikation

+ Isocyanat

Polymerisation

Furanharz (Duroplast)

chemische Modifikation

Polyol

Polymerisation

Lignin (Thermoplast)

Fettsäuren

PHB (Thermoplast)

pflanzenölbasiertes Polyurethan (Duroplast)

pflanzenölbasiertes Epoxidharz (Duroplast)

Pflanzenölacrylate (Duroplast) B 4.9

thermische Verwertung, die eine nahezu CO2neutrale Energie liefert. Das bedeutet, dass bei der Verbrennung nur so viel Kohlenstoffdioxid freigesetzt wird, wie die Pflanze der Atmosphäre beim Wachstum entzogen hat. Die gleiche Menge CO2 würde entstehen, wenn die Biomasse auf natürlichem Weg in der Natur verrottet und durch Mikroorganismen zersetzt wird. Da einem Biokunststoff oft auch Weichmacher und Additive beigegeben werden, die nicht erdölbasiert sind und bei deren Herstellung, Verarbeitung sowie Entsorgung CO2 emittiert wird, ist die Bilanz dementsprechend nicht vollständig CO2-neutral. Manche Biokunststoffe, insbesondere Polylactide (PLA), können in ihre Monomere zerlegt, neu polymerisiert und damit ohne Verlust ihrer Eigenschaften recycelt werden. Dieses sogenannte chemische Recycling ist Gegenstand aktueller Forschungen. Da die meisten Biokunststoffe eine geringere chemische Beständigkeit als konventionelle Kunststoffe aufweisen, wird weniger Energie benötigt sie wieder in ihre monomeren Ausgangsverbindungen aufzuspalten. Biokunststoffe – Überblick und Beispiele

Biokunststoffe werden wie konventionelle Kunststoffe in Thermoplaste, Duroplaste sowie Elastomere eingeteilt und können mit herkömmlichen Maschinen der Kunststoffindustrie verarbeitet werden. Im Folgenden werden die gängigsten Biokunststoffe vorgestellt: Thermoplastische Stärke (TPS) ˉ Verpackungen, Catering-Artikel Mit einem Marktanteil von 80 % ist die thermo-

plastische Stärke (TPS) der bisher gebräuchlichste Biokunststoff. Die wasserlösliche Stärke wird mit einem wasserabweisenden erdölbasierten Polymer und dem Weichmacher Glycerin vermischt. TPS kann die typischen Verpackungskunststoffe ersetzen. Die Anwendung im Bauwesen ist aufgrund einer Feuchtigkeitsaufnahme von ca. 4 % nur bedingt [14], etwa für Dämmungen, vorstellbar. Cellulose(tri)acetat (CA, CTA) ˉ Brillengestelle und -gläser, Werkzeuggriffe, Folien für TFT-Bildschirme, transparente Wärmedämmungen (TWD) Cellulose ist in allen Pflanzen enthalten und stellt daher das häufigste natürlich vorkommende Biopolymer dar. Sie ist wasserunlöslich, nicht schmelzbar und muss daher modifiziert werden. Durch die chemische Reaktion mit Essigsäure entsteht Cellulosetri- oder diacetat (siehe Celluloseacetat, S. 43). Die maximale Dauergebrauchstemperatur liegt bei 80 °C. [15] Celluloseacetat ist aufgrund hoher Oberflächenelastizität kratzunempfindlich und zeichnet sich durch Oberflächenglanz, Griffigkeit und einer mit Fensterglas vergleichbaren Lichtdurchlässigkeit aus. Die geringe elektrostatische Aufladbarkeit ermöglicht staubfreie Oberflächen. Celluloseacetat ist je nach Additiven schwer entflammbar und witterungsbeständig. [16] [17] Polylactid (PLA) ˉ Verpackungen, Fasern für (Funktions-)textilien, Getränkeflaschen, Elektrogerätegehäuse Der Milchsäurekunststoff Polylactid (PLA) wird in einem biotechnologischen Verfahren mithilfe von Bakterien aus Stärke oder Zucker herge-

stellt. Dieser Verfahrensweg bietet im Vergleich zur Modifikation natürlich vorkommender Biopolymere (z. B. Cellulose) die Möglichkeit, die chemische Struktur des PLA und somit auch seine Eigenschaften gezielt einzustellen. So sind die Eigenschaften von PLA durchaus mit denen von PP und PET vergleichbar. Polylactide sind kratzfest, wasserbeständig, transparent und verfügen über gute mechanische Eigenschaften (Abb. B 4.11, S. 64), die durch eine Erhöhung des Kristallisationsgrads noch gesteigert werden können. Da PLA-Werkstoffe gasdurchlässig sind und sich gut bedrucken lassen, werden sie neben Verpackungen auch für Funktionstextilien verwendet. Die Gebrauchstemperatur von Standard-PLA liegt bei ca. 55 °C. Durch gezielte Auswahl der Fermentationsbakterien ist es möglich, Milchsäurekunststoffe mit unterschiedlichen Kristallisationsgraden kontrolliert zu vermengen (Stereokomplex). Dadurch erhält man einen Werkstoff mit deutlich verbesserten Materialeigenschaften, der bereits für mikrowellengeeignete Behältnisse, Spritzgusserzeugnisse für die Automobil- und Elektronikindustrie, bügelbeständige Textilfasern und Flaschen für die Heißabfüllung verwendet wird. [18] Polyhydroxybutyrat (PHB) ˉ Verpackungen, Gerätegehäuse 1924 entdecken Wissenschaftler am Pariser Pasteur-Institut, dass Bakterien aus Nahrungsüberschüssen Polyhydroxybutyrat (PHB) produzieren können, das sie analog zur Fettspeicherung bei Menschen und Tieren in ihren Zellen als Reservestoff anlagern. Mögliche Ausgangssubstrate sind Stärke, Zucker, Glycerin oder auch Palmöl. Der Biokunststoff weist im

63

PLA Blends

50

40

Stärke Blends PC

30 PP

Biokunststoffe vs. konventionelle Kunststoffe

Der E-Modul, also die Steifigkeit thermoplastischer Biokunststoffe, ist mit der erdölbasierter Kunststoffe vergleichbar. Polylactid weist sogar eine höhere Steifigkeit als konventionelle thermoplastische Kunststoffe auf. Abb. B 4.11 zeigt die Kerbschlagzähigkeit in Abhängigkeit vom E-Modul. Die Kerbschlagzähigkeit gibt die Widerstandsfähigkeit eines Werkstoffs gegen eine schlagende Beanspruchung an. Mit zunehmender Zähigkeit nimmt der E-Modul der Biokunststoffe wie bei konventionellen Kunststoffen ebenso ab (siehe Bruchverhalten, S. 35). Vorteilhaft ist das geringere Schwinden von thermoplastischen Biokunststoffen im Vergleich zu konventionellen Thermoplasten, was bei der Produktion von Bauteilen mit hohen Präzisionsanforderungen von Bedeutung ist. Die höchsten Wärmeformbeständigkeiten zeigen Cellulosederivate, PHB und PLA-Stereokomplexe. Die Wärmeformbeständigkeit ist ein Maß für die Temperaturbelastbarkeit eines Kunststoffes unter einer definierten Last. Sie sind mit Polystyrol oder dem technischen Kunststoff Acrylnitrilbutadienstyrol (ABS) vergleichbar. Die Feuchteaufnahme thermoplastischer Biokunststoffe liegt meist höher als bei erdölbasierten Kunststoffen. Sie bleibt jedoch mit Ausnahme der thermoplastischen Stärke unter 1 %. [19] Da die Entwicklung langlebiger Biokunststoffe erst am Anfang steht, liegen erst wenige Erkenntnisse zu Langzeiteigenschaften wie z. B.

64

PS

PLA

0,5

Stärke blends

1

ABS

PHB Cellulose derivate

PC

Cellulose derivate

ABS

20

PET PA 6

2 PP

PA6 PS

10

2,5

PHB

PLA

PE-HD PET 0

B 4.10

0

1,5

0

Temperaturbereich von - 30 bis +120 °C stabile Eigenschaften auf. PHB ist ein hochkristalliner Kunststoff mit glatter, glänzender Oberfläche. Er ist UV-beständig und wasserbeständiger als PLA. Weitere Vorteile sind die Bedruckbarkeit und die geringe Kriechneigung. Das Eigenschaftsprofil lässt sich sehr variabel einstellen. Nachteilig sind die hohen Herstellungskosten, bedingt durch die hohen Investitionskosten biotechnologischer Produktionsanlagen und die Herstellung nur kleiner Mengen entsprechend der geringen Nachfrage. Optimierte Herstellungsmethoden werden den hohen Materialpreis auf Dauer jedoch reduzieren. Mit einer Mischung unterschiedlicher Kunststofftypen, sogenannter Blends, lassen sich die Sprödigkeit und der Preis zusätzlich senken.

Schwindung [%]

Charpy-Kerbschlagzähigkeit +23°C [kJ/m³]

Naturfaserverstärkte Kunststoffe und Biokunststoffe

1

2

3 4 5 Zug-E-Modul [N/mm²] B 4.11

Kriech- und UV-Beständigkeit oder Ermüdungsverhalten vor.

Naturfaserverstärkte Biokunststoffe In der Kombination mit Naturfasern verbessern sich die mechanischen und thermischen Eigenschaften von Biopolymeren deutlich. Naturfaserverstärktes PLA (Thermoplast)

ˉ Elektronikartikelgehäuse, Autointerieur Ein japanischer Elektronikkonzern konnte durch Zugabe von hitzeabsorbierenden Metallhydroxiden und einer Verstärkung durch Kenaf-Kurzfasern einen schwer entflammbaren Bioverbund für ein Handygehäuse auf den Markt bringen (Abb. B 4.13). Durch Verwendung mineralischer Flammschutzmittel, insbesondere Aluminium- und Magnesiumhydroxid, bleibt der Nachhaltigkeitsaspekt der Bioverbundwerkstoffe erhalten. Die Verarbeitungszeit beim Spritzgießen dieser Handyschalen verkürzt sich von fünf auf eine Minute. PLA lässt sich im Gegensatz zu anderen Kunststoffen bereits ab 160 °C verarbeiten. Dadurch wird auch die Entformungstemperatur schneller erreicht und die Herstellungszeit aufgrund der Hitzeempfindlichkeit der Naturfasern optimiert. Beim S-House, einem Demonstrationsprojekt der TU Wien, einem Prototyp einer nicht tragenden Zwischenwand aus naturfaserverstärkten Biokunststoffen, wurden mehrere Vlieslagen aus Stroh-, Flachs- und Polylactidfasern übereinandergelegt und miteinander verpresst. [20] Die Sandwichplatte ist aus stabilen Deckschichten und relativ weichen, aber dennoch druckstabilen Mittellagen aufgebaut. Daraus resultiert eine bereits im Bauteil integrierte Schalldämmung. Auf diese Weise entstehen modulare Zwischenwände aus 100 % nachwachsenden Rohstoffen, die ein geringes Bauteilgewicht aufweisen und sich mit wenigen Handgriffen ein- und umbauen lassen. Ligningebundener Naturfaserverbund (Thermoplast)

ˉ Lautsprechergehäuse, Schuhabsätze, technische Bauteile (Maschinenbau), Musikinstrumente, Trägerplatte für Edelholzfurniere

PE-HD 3 40

60

80 100 120 140 160 180 Wärmeformbeständigkeit VST B 50 [°C] B 4.12

Lignin ist das zweithäufigste natürlich vorkommende Biopolymer und dient in allen Pflanzenfasern sowie in Holz als stabilisierende Matrix zwischen den Cellulosefasern. Es imprägniert die Wasserleitungsbahnen in Pflanzen und ist somit wasserbeständiger als Holz. Das Biopolymer ist dunkelbraun, absorbiert UV-Licht fast vollständig und ist biologisch sowie chemisch schwer abbaubar. In Verbindung mit Naturfasern kombiniert der Werkstoff die positiven Eigenschaften von natürlich gewachsenem Holz mit der freien Formbarkeit von thermoplastisch zu verarbeitenden Kunststoffen und wird daher auch als flüssiges Holz bezeichnet. [21] Durch Verwendung der Holzkomponente Lignin hat der Verbundwerkstoff ähnliche mechanische und thermische Eigenschaften wie Holz, z. B. hinsichtlich der thermischen Längenausdehnung. Er eignet sich daher als Verbindungselement für den Holzbau. Lignin verrottet langsamer als Holz, wenn es mit Feuchtigkeit in Berührung kommt. Naturfaserverstärkte Bioharze (Duroplaste)

Fettsäuren von Pflanzenölen können mithilfe chemischer Reaktionen zu duroplastischen Bioharzen umgewandelt werden. Zur Aushärtung werden meist Substanzen verwendet, die nicht biobasiert sind. Komponenten aus nachwachsenden Rohstoffen sind in ihrer Entwicklung noch nicht marktreif. Duroplastische Bioharze besitzen im Vergleich zu konventionellen Duroplasten wie z. B. Phenol- oder ungesättigten Polyesterharzen (UP) eine etwas geringere Steifigkeit sowie eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme. Bei biobasierten Reaktionsharzen auf Pflanzenölbasis (z. B. Leinöl) liegt diese Eigenschaft hauptsächlich am hydrophoben, also wasserabweisenden, Charakter des verwendeten Öls. Zudem konnte bei diesen Harzen eine signifikant höhere UV-Beständigkeit nachgewiesen werden. Dies lässt sich durch die unterschiedlichen chemischen Strukturen erklären, die beide Harze während der Aushärtung ausbilden. Trotzdem gehören beide Systeme im gehärteten Zustand aus chemischer Sicht zu den Polyestern. Die Temperaturbeständigkeit der Harze liegt bei 180 °C.

Naturfaserverstärkte Kunststoffe und Biokunststoffe

Durch Zugabe halogenfreier Brandschutzmittel wird die Entflammbarkeit verbessert, ohne die ökologischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Die Preise von Bioharz-Systemen sind mit denen konventioneller Harze vergleichbar. In Kombination mit Hanf- und Flachsgewebe konnten bisher verschiedene Karosserieprototypen hergestellt werden, die glasfaserverstärkte Kunststoffe für Außenanwendungen ersetzen könnten. So konnte an einem Stadtbus der Braunschweiger Verkehrs-AG ein Stoßfängerbügel in einem einjährigen Praxistest erfolgreich erprobt werden. Wellpappe, Hanf- und Flachsgewebe bilden die konstruktiven Elemente eines als Prototyp konzipierten Designersessels (Abb. B 4.14). Das auf Leinöl basierende Bioharz wird mittels Vakuuminfusion injiziert (siehe Harzinfusions- und Vakuumverfahren, S. 79f.). Dekorschichten entfallen, da die unbehandelte Oberfläche integraler Bestandteil des Gestaltungskonzepts ist. Im Bauwesen wäre mit vergleichbarem Verfahren die Herstellung einer modularen Zwischenwand denkbar. Die Injektion des Bindemittels ließe sich unter Vakuum so steuern, dass die Harzmenge nach innen abnimmt. Dadurch erhielte man einen Werkstoff mit steifen Deckschichten und einer thermisch sowie akustisch isolierenden Innendämmung. Durch den geringen Harzanteil im Inneren käme die akustische Wirksamkeit von Naturfasern zum Tragen. Die Decklagen könnten hinsichtlich haptischer und optischer Qualitäten unterschiedlich gestaltet werden.

Zukunftsvision Bau Für die Außenkarosserie verschiedener Prototypen verwenden japanische Autobauer mit Kenaf- oder Abakafaser verstärktes Polylactid (PLA). Fahrzeuge sind Witterung, Temperaturwechsel und mechanischen Belastungen ausgesetzt. An Gebäudefassaden werden ähnliche Anforderungen gestellt. Bisherige Untersuchungen bescheinigen Polylactid eine hohe UV-Beständigkeit. Textile Sonnenschutzsysteme aus PLA stehen kurz vor der Markteinführung. [22] Fassadenverkleidungen und Trennwände aus Biokunststoffen werden bald folgen. Die Durchlässigkeit für Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf könnte die Entwicklung feuchtigkeitsregulierender und gasdurchlässiger Fassaden ermöglichen. Die Vorteile gegenüber Bauteilen aus dem natürlichen Bioverbund Holz liegen dabei vor allem in der Formbarkeit und der Möglichkeit zur Funktionsintegration. In anderen Technikbereichen wird die mögliche Integration verschiedener Komponenten und damit das Potenzial zu multifunktionalen Bauteilen bereits genutzt. Ein Elektronikkonzern produziert Handyprototypen aus Biokunststoffen mit Formgedächtniseffekt. Das Handy lässt sich verbiegen und am Handgelenk tragen. Unter Wärmeeinwirkung ist die vorgepräg-

te Geräteform wiederherstellbar. Auf Fassaden oder Verschattungselemente angewendet, könnten adaptive Systeme entstehen, die ihre Geometrie unter definierten Temperaturen selbsttätig und ohne Energieverbrauch verändern. Biokunststoffe ermöglichen nicht nur technologische Innovationen, sondern auch ganz neue konzeptionelle Ansätze. So lassen sich Gebäudestrukturen entwickeln, die sich nach einer definierten Nutzungsdauer biologisch abbauen. Von unmittelbarer Bedeutung mag dies beispielsweise für Notunterkünfte in Krisenregionen oder Bauten in Naturschutzgebieten sein. Nach der Nutzung werden die Baukonstruktionen aus Bioverbundwerkstoffen zum Nährstoff für Bakterien und so direkt an Ort und Stelle zu Humus verarbeitet. Biobasierte Materialsysteme bieten das Potenzial zu multifunktionalen Hochleistungswerkstoffen, ohne dabei endliche Ressourcen zu verbrauchen. Auch wenn sie momentan noch teuer sind und weitere Verbesserungen hinsichtlich Dauerhaftigkeit erfordern, eröffnen biobasierte Materialsysteme faszinierende Möglichkeiten.

B 4.13

B 4.10 B 4.11

B 4.12

B 4.13 B 4.14 Anmerkungen: [1] http://www.hanfplantage.de/hemp-car-das-autodas-auf-dem-acker-waechst-06-07-2009, 20.08.2010 [2] http://www.hero-hessen.de/stoffliche-nutzung/holzkunststoff-verbundwerkstoffe/index.html, 11.06.2010 [3] http://www.daimler.com/dcmdeia/0-921-646299-49813756-1-0-0-0-0-0-11694-614316-0-1-0-0-0-0-0. html, 21.10.2009 [4] http://www.biowerkstoffe.info/verbundwerkstoffe/ verarbeitung/formpressen/, 25.08.2010 [5] http://www.kosche.de/homekovalex/index. php?option=com_content&task=view&id=37&Itemid =68, 29.10.2009 [6] http://www.duralmond.com/htm/celosias/a_medida_ ENGLISH.html, 29.10.2009 [7] http://www.kunststofforum.de/information/news_ swisscell-paneele-erobern-afrika_5886, 29.10.2009 [8] http://www.fnr-server.de/ftp/pdf/literatur/pdf_227brosch_nfk_2008.pdf; S. 14, 11.06.2010 [9] wie Anm. 3 [10] http://www.smartfiber.de/index.php?option=com_ content&view=article&id=7&Itemid=29&lang=de, 24.08.2010 [11] http://www.european-bioplastics.org/index. php?id=5, 19.10.2009 [12] http://wip-kunststoffe.de/uploads/File/naturfasercompounds08/07_Seliger.pdf, 10.06.2010 [13] Endres, Hans-Josef; Siebert-Raths, Andrea: Technische Biopolymere: Rahmenbedingungen, Marktsituation, Herstellung, Aufbau und Eigenschaften. München 2009, S. 32 [14] ebd., S. 217, Bild 5.48 [15] Domininghaus, Hans u. a.: Kunststoffe. Eigenschaften und Anwendungen. Berlin 2008, S. 1322 [16] wie Anm. 13, S. 199f. [17] wie Anm. 15, S. 1319f. [18] http://www.teijin.co.jp/english/news/2007/ ebd070912.html, 18.09.2009 [19] wie Anm. 12, S. 217, Bild 5.48 [20] Wimmer, Robert u. a.: Grundlagenforschung für die Entwicklung von Produktprototypen aus Naturstoffgebundenen Vliesen. Hrsg. vom Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie. Wien 2007, S. 27ff. [21] http://www.tecnaro.de/deutsch/grundsaetze. htm?section=arboform, 29.10.2009 [22] Witthuhn, Barbara: Ein T-Shirt aus Zucker. In: Berliner Zeitung vom 25.10.2005.

B 4.15

Schuhabsatz aus ligningebundenem Naturfaserverbund Schlagzähigkeit in Abhängigkeit des Zug-EModuls verschiedener Biopolymere im Vergleich zu konventionellen Kunststoffen Schwindung in Abhängigkeit von der Wärmeformbeständigkeit verschiedener Biopolymere im Vergleich zu konventionellen Kunststoffen Handygehäuse aus kerafverstärktem Polylactid Lounge Chair »AufjedenFalz« aus Hanf, Flachs, Feigenbaumrinde und Bioharz, mehrwerk designlabor, Enrico Wilde Designstudie einer Karosserie aus naturfaserverstärktem Polylactid (PLA)

B 4.14

B 4.15

65

Vorprodukte

Teil C

Halbzeuge

1

Vorprodukte Kunststoffaufbereitung Textilien Kernmaterialien

68 68 69 72

2

Faserverstärkte Kunststoffe Komponenten Eigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen Fertigung

76 76

3

Kunststoffhalbzeuge Profile Platten Formteile Spezielle Halbzeuge im Ingenieurbau

82 82 85 91 92

4

Folien Herstellung von Folien Halbzeuge und Lieferformen Keder

94 94 96 99

5

Textile Membranen Anforderungen an Membranwerkstoffe Beschichtungen Halbzeuge und Lieferformen Mechanische Eigenschaften Konfektionierung Textile Gurte

6

Erweiterte bauphysikalische und energetische Aspekte Dämmtechnische Eigenschaften Licht- und wärmestrahlungstechnische Eigenschaften Feuchtetechnische Eigenschaften Schallschutz und Raumakustik Brandschutz und Brandverhalten Weitere Eigenschaften Kunststoffe bei der Aktivnutzung regenerativer Energien

77 78

100 100 100 103 105 106 107

108 108 113 117 117 119 121 122

7 Umweltwirkungen von Kunststoffen 124 Ökobilanzierung 124 Beeinflussung der Ökobilanz im Lebenszyklus von Kunststoffen 128 Abb. C

temporäres Terminalgebäude, Wien (AT) 2005, Itten + Brechbühl, Baumschlager Eberle P.ARC

67

Vorprodukte

C 1.1

Bei der Fertigung von Kunststoff- oder Membranhalbzeugen wird meist auf standardisierte Vorprodukte zurückgegriffen, die von den Endverarbeitern in der Regel fertig bezogen werden. Dem Planer steht mit den vorgefertigten Kunststoffmischungen, den gängigen Textilien oder den Kernmaterialien eine Auswahl an Ausgangsprodukten zur Verfügung, welche zu ganz unterschiedlichen Endprodukten verarbeitet werden können (Abb. C 1.3). Textilien sind beispielsweise sowohl für Membranen als auch für faserverstärkte Kunststoffe einsetzbar.

Kunststoffaufbereitung Zwischen der Synthese der Polymere im Reaktionskessel und der Endverarbeitung werden Kunststoffe in verschiedenen Arbeitsschritten aufbereitet und mit Additiven veredelt. Die zusammengestellte Mischung wird auch als Compound (engl. Gemisch) bezeichnet. Diese Verarbeitungsschritte laufen bei den drei Kunststofftypen Thermoplaste, Elastomere und Duroplaste grundsätzlich unterschiedlich ab. Die technologischen Besonderheiten ergeben sich aus den jeweiligen Eigenschaften hinsichtlich Molekülstruktur und Wärmeverhalten (siehe Einteilung der Kunststoffe, S. 31f.). Thermoplaste können beliebig oft geschmolzen oder erweicht werden. Die Polymerreaktion findet bereits beim Kunststofferzeuger statt. Im Gegensatz dazu kann die Vernetzung von Elasto-

meren und Duroplasten erst nach der Verarbeitung erfolgen, diese Kunststoffe lassen sich im Nachhinein nicht mehr formen. Die Aufbereitung des Grundwerkstoffs zum verarbeitungsfähigen Kunststoff erfolgt meist beim Produzenten, in einigen Fällen auch erst durch den Endverarbeiter. Der Kunststoff bzw. die Ausgangsprodukte werden hierzu zerkleinert oder durchmischt und mit Additiven sowie Füllstoffen versetzt. Dabei spricht man bei einer Vermengung im trockenen Zustand von Mischtechnik, im plastischen Zustand von Homogenisieren. Die Zusatzstoffe sind häufig für eine Verarbeitungsfähigkeit der Kunststoffe unersetzlich, daneben lassen sich Eigenschaften wie Farbe, Brandverhalten, Festigkeit oder der Materialpreis maßgeblich von diesen beeinflussen (siehe Füllstoffe und Additive, S. 32ff.). Thermoplaste

Bei der Synthese im Chemiewerk fallen Thermoplaste meist in Pulverform an. Sie werden vor der Verarbeitung mit Additiven sowie Füllstoffen angereichert und meist als Granulate vertrieben. Lediglich PVC wird von größeren Endverarbeitern (> 350 t pro Jahr) in Pulverform bezogen und dort aufbereitet. Dieses Vorgehen ist bei PVC meist wirtschaftlicher, da die Eigenschaften durch entsprechende Beigabe von Additiven und Füllstoffen vielfältig gesteuert werden können und damit eine produktspezifische Mischung möglich ist.

Pulver Mehrlochdüse

Messer

Extruder

C 1.1 C 1.2 C 1.3

Mischtextil aus Kohlenstoff- und Aramidfasern Granulation von thermoplastischen Kunststoffen Verarbeitungsmethoden und Halbzeuge von Kunststoffen

Wasserzulauf

Granulat im Wasserstrom C 1.2

68

Vorprodukte

Werkstoff

Thermoplaste

Verarbeitung

Schäumen

Spritzgießen

Hohlformen, Extrusionsblasen

Kalandrieren

Halbzeuge

Schaumstoff

Formteile

Hohlkörper

Folien

Duroplaste

Extrudieren (Strangpressen)

Profile

Wellplatten, Stegplatten

Gießen

Handlaminieren (+ Vakuumverfahren)

massive Platten

Sandwichplatte

Vorprodukte

Pressen

Verbundplatten

Elastomere

Pultrudieren

Profile (faserverstärkt)

Wickeln und Flechten

Rohre (faserverstärkt)

Extrudieren

Gummiprofil

Verstärkungsfasern C 1.3

Vermengung Für die späteren Eigenschaften des Kunststoffs spielt die gute Durchmischung der Komponenten eine entscheidende Rolle. Aus diesem Grund erreichen recycelte Thermoplaste unter Umständen bessere Eigenschaftskennwerte, da die Kunststoffe im Wiederverwertungsprozess nochmals durchmischt werden. Neben der kontinuierlichen Vermengung (z. B. im Schneckenkneter) existieren zahlreiche diskontinuierliche Verfahren (z. B. in Mischtrommeln), die vor allem bei der Verarbeitung kleinerer Mengen interessant sind. Anschließend wird das Gemisch eingeschmolzen und homogenisiert. Das erweichte Material kann nun direkt verarbeitet oder zunächst granuliert werden. Granulation Findet die Aufbereitung von Thermoplasten nicht beim Endverarbeiter bzw. zu einem späteren Zeitpunkt statt, wird zunächst ein Granulat erzeugt, das gelagert und transportiert werden kann. Die Granulation erfolgt unmittelbar nach dem Plastifizieren des Kunststoffgemischs in einem Extruder. Dabei wird die Schmelze durch Düsen ausgepresst, von einem rotierenden Messer in mehrere Millimeter große Pellets geschnitten und mit Wasser abgekühlt (Abb. C 1.2). Es entstehen kugel- oder linsenförmige Körner, bei einer Kaltgranulierung auch zylinderförmige. Das Granulat (Abb. B 1.1, S. 30) wird vor der Lagerung getrocknet; bei einigen Kunststoffen wie PC, PA und PMMA ist direkt vor der Endverarbeitung ein weiteres Trocknen notwendig. Endverarbeitung Die Verarbeitungsmöglichkeiten von Thermoplasten sind je nach Geometrie des herzustellenden Halbzeugs sehr unterschiedlich. Bei allen Verfahren wird das Kunststoffgranulat zunächst eingeschmolzen, in einer Schnecke homogenisiert und anschließend dem Formwerkzeug zugeführt. Bei der Produktion von Folien wird die Schmelze kalandriert oder extrudiert bzw. extrusionsgeblasen (siehe Herstellung von Folien, S. 94ff.). Bei der Beschichtung von Membranen werden Thermoplaste in dünnen

Schichten auf das Textil appliziert (siehe Beschichtungen, S. 101). Kompakte Platten, Profile und freie Geometrien lassen sich durch Gießen, Spritzguss, Pressen oder Extrusion formen (siehe Extrusion, S. 82f. und Formteile, S. 91f.). Kernmaterialien oder Dämmschichten aus Kunststoffen werden geschäumt (siehe Herstellung, S. 74). Elastomere

Rohkautschuke werden als Ausgangsmaterial für Elastomere vom Produzenten in Form von Ballen oder Platten geliefert, die Aufbereitung erfolgt durch den Endverarbeiter. Da Rohkautschuk sehr zäh ist, müssen robuste Zerkleinerungsmaschinen eingesetzt werden. In Stempelknetern oder Walzwerken wird zunächst die Viskosität des Werkstoffs herabgesetzt (Mastifikation) und somit die homogene Vermengung mit Füllstoffen und Additiven erleichtert. Vor allem Ruß oder Kieselsäure (Silica) sind wichtige Additive eines Elastomers. Kautschuke werden unmittelbar nach der Vermengung verarbeitet. Die gängigen Verfahren (Extrusion, Kalandrieren, Pressen oder Spritzgießen) ähneln denen der Thermoplastverarbeitung. Da Elastomere nach der Polymerreaktion nicht mehr schmelzbar sind, erfolgt die Vernetzung (Vulkanisation) erst nach der Formgebung (siehe Elastomere, S. 44f.). Dabei sind stets hohe Temperaturen und in einigen Fällen ein Überdruck von bis zu 200 bar erforderlich. Für spezielle Anwendungen kommen kaltvernetzende Systeme zum Einsatz; diese haben jedoch wesentlich längere Härtungszeiten. Duroplaste

Duroplaste werden in Form von flüssigen Reaktionsharzen, seltener als vorkonfektionierte Formmassen von den Endverarbeitern bezogen. Wie bei den Elastomeren findet die Vernetzungsreaktion erst während des Formgebungsprozesses statt, da auch Duroplaste nach einmaliger Härtung nicht mehr schmelzoder umformbar sind. Die noch nicht vernetzten Harze werden in reaktionsfähigen Lösungsmitteln (z. B. Styrol) geliefert, die Haltbarkeitsdauer der Gebinde

beträgt oft weniger als ein Jahr. Füllstoffe und Additive, z. B. Flammschutzmittel, werden in der Regel bereits beim Kunststoffproduzenten beigemischt. Vor der Verarbeitung wird dem Harz zunächst ein Härter, anschließend ein Beschleuniger zugegeben. Die Härtung erfolgt dann unter Raumtemperatur oder erhöhter Temperatur. Dabei begrenzt die Gelierzeit, also der Zeitraum zwischen Härterzugabe bis zum Einsetzen der Härtungsreaktion, die maximal mögliche Verarbeitungsdauer des Harzes. Neben den Reaktionsharzen existieren auch Vorprodukte, denen der Härter bereits zugemischt ist. Dies können vorgetränkte Gewebe (Prepregs) oder rieselfähige Formmassen sein. Die Haltbarkeit dieser Halbzeuge ist deutlich kürzer als bei Reaktionsharzen. Die Härtungsreaktion wird bei der Verarbeitung durch erhöhte Temperaturen ausgelöst. Duroplaste kommen hauptsächlich für faserverstärkte Kunststoffe zum Einsatz. Entsprechende Halbzeuge werden gepresst, handlaminiert, pultrudiert, gewickelt oder geflochten (siehe Fertigung, S. 78ff.). Weniger gebräuchlich ist dagegen die Verwendung von Duroplasten als Gießharze oder Formmassen.

Textilien Textilien sind Halbzeuge aus verwobenen Fasern. Sie sind wichtige Vorprodukte für den Membranbau und für faserverstärkte Kunststoffe, da lose Fasern in der Regel nicht unmittelbar verarbeitet werden können. Nur in Ausnahmefällen werden sogenannte Filamente oder Faserbündel direkt für die Verstärkung von Kunststoffen verwendet. Neben den klassischen Geweben gibt es heute eine Vielzahl unterschiedlicher Textilien für spezifische Verwendungszwecke. Einen Überblick der gebräuchlichen Textilien und entsprechender Bindungsarten der Stoffe geben Abb. C 1.5 – C 1.9 (S. 70f.). Grundbegriffe

Die üblichen Fasern und ihre entsprechenden Verarbeitungsformen sind im Kapitel »Fasern« (S. 48ff.) dargestellt. Eine einzelne Faser wird

69

Vorprodukte

als Filament bezeichnet. Rovings sind Bündel paralleler Filamente, ein Garn bzw. Faden besteht hingegen aus verdrillten Filamenten. Mehrere verdrillte Garne werden als Zwirn bezeichnet. Gewebe

Gewebe werden aus sich rechtwinklig kreuzenden Fadensystemen hergestellt. Dabei liegen die sogenannten Kettfäden parallel zur Gewebelängsrichtung – sie sind auf den Webstuhl aufgespannt –, die Schussfäden werden senkrecht dazu mit Schiffchen oder per Düsenwebung eingetragen. Die Schussfäden wellen sich (ondulieren) in der Regel um die Kettfäden. Dies führt, abhängig von der Bindungsart, unter Last zu einer unterschiedlichen Dehnung des Textils in Kett- und Schussrichtung. Durch unterschiedliches Anheben der Kettfäden beim Schusseintrag (Flottierung) ergeben sich verschiedene Bindungsarten, die einen wesentlichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften haben. Die drei Grundbindungsarten sind die Leinwand-, Köper- und Atlasbindung. Die kleinste, sich wiederholende Einheit eines Webmusters wird als Rapport bezeichnet.

der Schuss je einmal über und dann mindestens zweimal unter dem Kettfaden läuft (Abb. C 1.5 b und C 1.7). Durch Verschieben des Wechsels um einen Schritt je Reihe ergibt sich ein diagonal laufender Grat. Die Köperbindung hat eine höhere Festig- und Steifigkeit als die Leinwandbindung, da die Strukturdehnung in Kettrichtung kleiner ist. Außerdem ist die Schmiegsamkeit, die sogenannte Drapierbarkeit besser (Abb. C 1.4 b). Bei der Atlasbindung wird der Schussfaden zunächst unter einen Kettfaden und anschließend über mehr als zwei Kettfäden geführt (Abb. C 1.5 c und C 1.8). Nach jeder Reihe wird der Wechsel entsprechend um mindestens zwei Schritte verschoben. Diese Bindung zeichnet sich durch eine sehr gute Drapierbarkeit aus (Abb. C 1.4 c). Bei faserverstärkten Kunststoffen wird sie daher für stark gekrümmte Bauteile verwendet, um glatte Oberflächen zu erreichen. Gelege

Komplexe Matten Vor allem für maschinell hergestellte Faserverbundkunststoffe werden zunehmend komplexe Matten eingesetzt. Auf den mehrschichtigen Gelegen sind zusätzlich sogenannte Wirrfasern aufgebracht, die ebenfalls durch einen Nähfaden fixiert sind. Diese kurzen Faserstücke haben eine sehr feine Struktur; außen im Bauteil angebracht, entsteht so eine gleichmäßig glatte Oberfläche. Auch Kernmaterialien können bereits bei der Fertigung in Gelege integriert werden. Geflechte

Bei Faserverbundwerkstoffen spielt oft die Schlagzähigkeit eine besondere Rolle, wozu geflochtene Textile, sogenannte Geflechte verwendet werden (Abb. C 1.5 e und B 2.1, S. 48). Durch die sich kreuzenden Fasern ergibt sich beim Bruch eine höhere Reibung und damit die gewünschte Schlagzähigkeit. Auch für die Faserverstärkungen von Rohren werden häufig Geflechte verwendet. Der Winkel zwischen den Fasern lässt sich einstellen und an die Beanspruchungen anpassen.

Bindungsarten Die Leinwandbindung ist die einfachste und engste Bindungsart, hier liegt jeder Kettfaden abwechselnd über und unter einem Schussfaden (Abb. C 1.5 a und C 1.6). Die Leinwandbindung besitzt eine gute Dimensionsstabilität und lässt sich problemlos zuschneiden, ohne auszufransen. Eine Sonderform der Leinwandbindung ist die Panamabindung, bei der jeweils zwei oder drei parallele Kett- und Schussfäden verwoben werden. Die Köperbindung, auch Twill genannt, ergibt sich aus einem ungleichen Rhythmus, bei dem

Im Gegensatz zu Geweben sind die Faserlagen bei Gelegen übereinandergelegt und nicht miteinander verwoben (Abb. C 1.5 d und C 1.9). Sie werden nur durch einen zusätzlichen dünnen Nähfaden in ihrer Lage fixiert. Verwendet man bei Faserverbundkunststoffen Gelege statt Gewebe, lassen sich die mechanischen Festigkeiten der fertigen Bauteile verbessern, da die Fasern nicht gewellt eingebaut werden. Von Vorteil ist außerdem, dass die Orientierung der Fasern relativ einfach an die Beanspruchungsrichtungen angepasst werden kann, da sie nicht zwingend orthogonal zueinander, sondern auch in frei wählbaren Winkel verlaufen können. Außerdem ist es möglich, nicht nur zwei, sondern mehrere Lagen übereinander anzuordnen. Gelege werden unter anderem auch bei textilbewehrtem Beton eingesetzt.

a

b

c

a

b

c

70

Wirrfasermatten und Vliese

Wirrfasermatten bestehen aus regellos liegenden Faserstücken, die miteinander verklebt sind (Abb. C 1.11, S. 72). Tritt die Wirrfasermatte bei der Verarbeitung in Kontakt mit dem Harz, löst sich die Verklebung und die Fasern passen sich der Bauteilform optimal an. Die Verbundwerkstoffe erreichen in der Fläche gleichbleibende Eigenschaften ohne Vorzugsrichtung. Sie werden beispielsweise für Behälter, Formteile oder Abdeckungen mit geringeren mechanischen Anforderungen verwendet. Wirrfasermatten lassen sich bei der Weiterverarbeitung gut über gewölbte Formen drapieren. Um glatte Oberflächen zu erzielen, werden bei

C 1.4

Vorprodukte

Faserverbundwerkstoffen als äußere Lage feine Wirrfasermatten, sogenannte Vliese, eingelegt. Es sind ebenfalls Sandwichbauteile mit einer Kernlage aus Vlies erhältlich (siehe Kernlagenvliese und Abstandsgewebe, S. 75). Gewirke und Gestricke

Gewirke und Gestricke entstehen durch Schlaufen- oder Maschenbildung. Der Fertigungsprozess läuft grundsätzlich ähnlich dem manuellen Stricken ab. Da diese Textilien keine Vorzugsrichtung haben, eignen sie sich nur bedingt zur Verstärkung von Kunststoffen. Sie dienen vor allem als Trägermatte für andere Verstärkungsfasern oder zu deren Lagesicherung. Wegen ihrer besonders hohen Drapierbarkeit werden Gestricke bei sehr kleinen Radien eingesetzt. Abreißgewebe

Abreißgewebe dienen nicht der Verstärkung von Kunststoffen, sondern der Herstellung einer rauen Oberfläche. Diese ist dann erwünscht, wenn auf einen faserverstärkten Kunststoff in einem späteren Arbeitsschritt weitere Lagen aufgebracht werden sollen oder eine Verbindung durch Überlaminieren erfolgt. Abreißgewebe werden als letzte Schicht auf den faserverstärkten Kunststoff aufgelegt, jedoch vor der vollständigen Härtung des Kunststoffs wieder abgezogen (»abgerissen«), wodurch eine zahnartige, raue Oberfläche entsteht (siehe Abb. E 2.23, S. 180.). Auswahl

Bei der Auswahl des geeigneten Textils spielt neben fertigungstechnischen Aspekten vor allem das Tragverhalten eine wichtige Rolle. Dieses wird von der Orientierung der Fasern, deren Welligkeit und dem Flächengewicht (g/m2) bestimmt.

Textile für Membranen Für textile Membranen werden reine Gewebe oder Verbundwerkstoffe aus Gewebe und mehreren Beschichtungslagen eingesetzt. Andere textile Verarbeitungsformen wie Gelege spielen hier keine Rolle. Für leichte Membrantypen und unbeschichtete Gewebe wird in der Regel die Leinwandbindung verwendet. Für stärkere, beschichtete Gewebe wird die Panamabindung eingesetzt, da hier aufgrund der geringeren Welligkeit (Ondulation) der Fäden das Gewebe unter hoher Belastung weniger kriecht und die Steifigkeitsunterschiede in Kett- und Schussrichtung geringer sind. Weil eine gleichmäßige Steifigkeitsverteilung im Gewebe vorteilhaft ist, werden auch beschichtete Membranwerkstoffe angeboten, bei denen im Webprozess die Schussfäden vorgespannt werden. Dadurch verteilt sich die Ondulation gleichmäßig auf Kett- und Schussfäden, was zu gleicher Steifigkeit führt. Textilien für faserverstärkte Kunststoffe Textilien werden zur Verstärkung flächiger, dünnwandiger Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff eingesetzt. Insbesondere bei manueller Produktion verringert sich dadurch der Arbeitsaufwand im Vergleich zur direkten Verarbeitung der Fasern erheblich. Durch die Verwendung standardisierter Textilien lässt sich die Orientierung der Fasern im Bauteil besser kontrollieren. Dabei können auch unterschiedliche Fasertypen miteinander kombiniert werden, beispielsweise Kohlenstoff- mit Aramidfasern (Abb. C 1.1, S. 68). Die gebräuchlichsten Textilien für Faserverbundwerkstoffe sind Gewebe, Gelege und komplexe Matten, Geflechte sowie Wirrfasermatten und Vliese. Das textile Gefüge ist allerdings nur für die Verarbeitung notwendig, da

C 1.4

Drappierbarkeit von Geweben: a Leinwandbindung b Köperbindung c Atlasbindung C 1.5 verschiedene Textilien (vereinfachte Darstellung ohne unterschiedliche Welligkeit der Gewebe in Kett- und Schussrichtung): a Leinwandbindung

C 1.6 C 1.7 C 1.8 C 1.9

d

e

b Köperbindung c Atlasbindung d Gelege, mit Nähfaden e Geflecht Leinwandbindung Köperbindung Atlasbindung Gelege

C 1.6

C 1.7

C 1.8

C 1.5

C 1.9

71

Vorprodukte

C 1.10 C 1.11 C 1.12 C 1.13 C 1.14

Gelege aus Kohlenstofffasern Wirrfasermatte systematische Einteilung von Kernmaterialien Aufbau eines Sandwichbauteils Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen von Schaumstoffen a offenzellig b geschlossenzellig C 1.15 Lieferformen und Einsatzgebiete von Kunststoffschäumen C 1.10

C 1.11

die Fasern danach ausreichend durch den Kunststoff fixiert sind. Wirrfasermatten verlieren beim Kontakt mit dem Kunststoff ihre Bindungskräfte, damit können die einzelnen Faserstücke besser an die endgültige Form angepasst werden (Abb. C 1.11). Bei Geweben wirkt sich die Ondulation der Fasern negativ auf die Festigkeitseigenschaften des fertigen Bauteils aus. Aus diesem Grund werden für faserverstärkte Kunststoffe zunehmend Gelege aus geschichteten, ungewellten Faserlagen zur Verstärkung eingesetzt (Abb. C 1.10). Bei der Pultrusion, einer häufig eingesetzten Fertigungsmethode, besteht die Faserverstärkung nicht aus Textilien, sondern hauptsächlich aus parallelen Faserbündeln (Rovings). Allerdings werden auch dabei an der Oberfläche zusätzlich flächige Textilien eingesetzt.

zeitig als Wärmedämmung fungieren. Das geringere Eigengewicht von Sandwichelementen erlaubt ökonomische Bauweisen und größere Spannweiten im Vergleich zu massiven Bauteilen. Im Folgenden werden vor allem Kernschichten für Sandwichelemente aus faserverstärktem Kunststoff betrachtet. Dabei werden als Deckschicht Textilien, die mit flüssigem Kunststoff (Harz) getränkt sind, schichtweise auf den Kern gelegt (laminiert). In diesem Fall ist keine zusätzliche Zwischenschicht (z. B. aus Klebstoff) notwendig. Deckschichten aus faserverstärktem Kunststoff haben herstellungsbedingt maximale Laminatstärken, welche die erzielbaren Spannweiten massiver Platten beschränken. Hier erlauben Sandwichbauteile signifikante Verbesserungen der Tragfähigkeit (siehe Sandwichbauteile, S. 177 und Detailausbildung bei Sandwichbauteilen, S. 183ff.). Sandwichelemente aus Kunststoffschäumen haben in der Regel die besten bauphysikalischen und mechanischen Eigenschaften. Sie werden in der Architektur bevorzugt dann eingesetzt, wenn keine Anforderungen an die Transluzenz des Sandwichbauteils bestehen. Kunststoffschaum kann dreidimensional modelliert werden, ist aber teuer. Hohlstrukturen mit Wabenkernen sind meist wirtschaftlicher, haben allerdings schlechtere Wärmedämmeigenschaften und sind aufwendiger zu verarbeiten. Nachteilig ist die schlechte Drapierbar-

Kernmaterialien Kernmaterialien sind leichte Werkstoffe, die neben anderen Verbundbauteilen (z. B. transluzente Wärmedämmung) vor allem für Sandwichelemente verwendet werden. Diese bestehen aus einem vergleichsweise dicken, aber leichten Kern, tragfähigen Deckschichten sowie kraftübertragenden Zwischenschichten, meistens aus Klebstoff (Abb. C 1.13). Die Kernschicht dient der Schubübertragung zwischen den Deckschichten und kann gleich-

keit, Wabenkerne lassen sich nur begrenzt dreidimensional formen. In Kombination mit transparenten Deckschichten sind jedoch lichtdurchlässige Bauteile realisierbar. Neben Schaumstoffen und Wabenstrukturen wird auch Balsaholz als Kern eingesetzt, für dünne Sandwichschichten werden Vliese und Abstandsgewebe verwendet. Einen Überblick der unterschiedlichen Kernmaterialien gibt Abb. C 1.12. Bei Sandwichelementen sind zur Einleitung von Stütz- oder Anschlusskräften örtliche Verstärkungen mit Profilen aus Stahl, Aluminium oder Kunststoff erforderlich, da die Kernmaterialien nur relativ geringe Festigkeiten aufweisen. Die werkstoffgerechte Konstruktion von Sandwichstrukturen wird in Kapitel »Konstruieren mit frei geformten Kunststoffen« (S. 174ff.) erläutert. Sandwichbauteile sind wie andere Verbundbauteile nicht ohne Weiteres recycelbar, da sich ihre Komponenten wie Kern- und Deckschichten nachträglich oft nur schwierig oder gar nicht trennen lassen. Schaumstoffe

Schaumstoffe bestehen mikroskopisch betrachtet je nach Ausgangswerkstoff und Produktionsverfahren entweder aus Zellen mit durchgehender, geschlossener Wandung (Abb. C 1.14 b) oder aus miteinander verbundenen, offenen Zellen (Abb. C 1.14 a). Daneben existieren auch Mischformen aus offenzelligen Konglomeraten geschlossenzelliger

Kernmaterialien

Vliese Abstandsgewebe

Schaumstoffe

Wabenkerne

Balsaholz

Deckschicht Zwischenschicht

Kern

Glas- und Keramikschaumstoffe

Kunststoffschaumstoffe

weich

zähhart

Metallschaumstoffe

Deckschicht

sprödhart C 1.12

72

C 1.13

Vorprodukte

a

Schaumpartikel, sogenannter Partikelschaum. Bei Integralschäumen wiederum ist der Porengehalt des Schaums im Bauteil unterschiedlich, meist nimmt er zu den Außenkanten hin ab. Dort bildet sich eine geschlossene Oberfläche, die als Deckschicht des »integrierten« Sandwichbauteils dient, außerdem wird die Hohlstruktur dadurch vor eindringenden Flüssigkeiten geschützt. Schaumstoffe können aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Aus Kostengründen und wegen der besseren Verarbeitbarkeit kommen in der Architektur hauptsächlich Schäume aus Kunststoff zum Einsatz. Bei besonderen Anforderungen hinsichtlich Gebrauchstemperatur werden jedoch auch Metall-, Keramik- oder Glasschäume verwendet. Kunststoffschäume Generell unterscheidet man weichelastische, zähharte und sprödharte Kunststoffschäume. Für reine Dämmschichten können alle Typen eingesetzt werden; als Kernschicht eines tragenden Sandwichelements kommen jedoch nur zähharte Schäume in Frage. Weichelastische Schäume sind für Sandwichbauteile zu wenig formstabil, sprödharte Kunststoffe sind zu bruchempfindlich für tragende Strukturen. Die Auswahl eines geeigneten Schaumstoffs beruht häufig auf einem Kompromiss zwischen Festigkeit, Wärmedämmeigenschaft und Wirtschaftlichkeit. Je nach Verwendungszweck können offenoder geschlossenzellige Schaumstoffe von Vorteil sein. Als Kern von faserverstärkten Kunststoffen sind beispielsweise geschlossenzellige Systeme zu bevorzugen, da sie während der Verarbeitung nicht das flüssige Harz aufsaugen. Hierzu eignet sich besonders Schaumstoff aus zähem PVC-U. Für Vakuumdämmungen hingegen sind offenzellige Systeme notwendig, da die Luft in den Hohlkammern evakuiert werden muss (siehe VakuumDämmsysteme, S. 111). Bei direkter Bewitterung oder Kontakt mit anstehendem Wasser sind Integralschäume oder geschlossenzellige Systeme von Vorteil. Einen Überblick der Eigenschaften, Lieferformen und Anwendungen der Schaumstoffe geben Abb. C 1.15 und C 1.16, S. 74.

C 1.14

b

Kunststoff

Klasse

Dichte [kg/m3]

Lieferform

Zellen

Einsatzgebiete

PE

weich

25 – 40

Platten, Blöcke, Formstücke

geschlossen

Polster, Verpackung, (Partikelschaum)

Platten

geschlossen

Wärme- und Trittschalldämmung

Strukturschaumbrettprofile

geschlossen

Trittschalldämmung

PE-LD PP

weich

10 – 35

weich

200

weich

10 – 35

Platten

Wärme- und Trittschalldämmung

weich

20 – 90

Formstücke, Platten

Energieabsorber im PKW (Stoßfänger, Sitze, Autohimmel – textilbeschichtet), Hinterschäumen von Deckschichten, In-Mould-Skinning

weich

100 – 500

Folien, tiefziehbar

weich

500 – 700

Strukturschaumfolien und Bänder

EVAC-X

weich

40 – 260

Bahnen, aufgerollt

PS

zäh

10 – 30

Blöcke, Formteile

zäh

>20

zäh

60 – 200

zäh

60 – 200

Warmformfolien

zäh

ca. 60

Platten, gewalkt

zäh zäh

400 – 500

zäh

20 – 25

PS/PP-E

weich / zäh

PVC-U

zäh

40 – 130

zäh

500 – 700

PVC-P

extrudierte Platten und Bahnen mit und ohne Schäumhaut

geschlossen

Fleischverpackung, Menüschalen, Geschirr, Flaschendichtungen Verpackungsbänder, Isolierfolien

geschlossen

Kälteschutzkleidung, gummiartig Wärmedämmung, Verpackung, (Partikelschaum)

geschlossen

Frostschutz für Rohrleitung, Straße und Eisenbahn

geschlossen

Kartonagen, Papierbeschichtung Eierbehälter, Menüschalen, Einweggeschirr Trittschalldämmung

Platten

geschlossen

Straßenuntergründung (zur Erhöhung der Tragfähigkeit)

Platten, Profile

geschlossen

Innenausbau mit Oberflächenstruktur, Deckendekorplatten

Formteile (lost foam), auch PS/PMMACopolymer

Modelle zum Vollformgießen von z. B. Leichtmetallzylindern Gießschaumstofftechnik

Platten, Formteile

wie PS, höhere Temperaturbeständigkeit, PKW-Innenseite, leichte Fahrradhelme

Tafeln und Blöcke

geschlossen

Extrusionsplatten, warmformbar, d = 2 – 20 mm

Sandwich-Kernmaterial, Flüssiggasisolierung, Rettungsflöße usw. Konstruktionsmaterial, BauInnen- und Außenverkleidung

weich

50 – 150

Tafeln und Blöcke

geschlossen

Turnmatten, Dämpfung von Maschinenschwingungen

weich

70 – 130

Tafeln und Blöcke

offen

Schallschutz, gasdurchlässiger Schaumkern

weich

250

Bahnen

MF

weich

ca. 10

Platten

offen

Schallabsorber, Hitzeschilde, Deckendekorplatten, Isolierschalen für Rohre und Behälter

Bodenbelagrücken

PMI

zäh

30 – 300

Tafeln, d = 1,65 mm

geschlossen

Strukturbauteile im Flugzeugbau, Sandwichkerne

UP

spröd

Leichtbauelemente

gemischt

Reaktionsharz-Schaumbeton

PUR

weich / zäh

30 – 300

Blöcke, Platten, Formteile

gemischt

Möbel, Matratzen, Fahrzeugausstattung, Dämmschalen

PF

spröd

40 – 100

Platten

Dämmstoff C 1.15

73

Wärmeleitfähigkeit [W/mK]

Vorprodukte

C 1.16

C 1.17 C 1.18 C 1.19 C 1.20 C 1.21

Wertebereiche von Bruchspannung und Wärmeleitfähigkeit wichtiger Kunststoffschäume im Vergleich Aramidwabenkern strukturiertes Kernlagenvlies unstrukturiertes Kernlagenvlies Abstandsgewebe vor dem Tränken mit Kunststoff Balsaholz

Herstellung Schäume lassen sich aus fast allen Kunststoffen erzeugen. Die Schaumstruktur entsteht durch ein Treibmittel, das dem Kunststoff beigemischt ist und beim Erhitzen bei einer definierten Temperatur Gase bildet bzw. diese abspaltet. Nur in Sonderfällen wird mechanisch Luft eingeschlagen. Physikalische Treibmittel blähen sich bei Erreichen des Siedepunkts von Gasen (z. B. Kohlendioxid) auf, durch diese Volumenvergrößerung bilden sich die Zellen. Für physikalische Treibmittel sind relativ geringe Temperaturen bei der Verarbeitung ausreichend, der Schaumstoff wird leicht und sehr gleichmäßig. Chemische Treibmittel hingegen benötigen höhere Temperaturen. Sie spalten durch Reaktionsprozesse Gase ab und liefern dichtere Schäume, die unter anderem für Integralschäume Verwendung finden. Schaumstoffplatten werden kontinuierlich in Blockschaumanlagen produziert. Bei Sandwichbauteilen ist auch das direkte Einschäumen des Kerns zwischen die starren Deckschichten gebräuchlich. Bei diskontinuierlichen Verfahren wird das Treibmittel vorab auf das Formwerkzeug gespritzt. Integralschäume werden im Druckverfahren durch eine gezielt gesteuerte Temperierung des Formwerkzeugs produziert. Dadurch kollabieren die Hohlzellen im Randbereich und verdichten sich. Integralschaumbauteile müssen bereits bei der Herstellung ihre endgültige Form erhalten, eine Nachbearbeitung ist nicht

C 1.17

74

0,015

UF (spröd)

0,02

PUR (zäh)

PF (spröd)

0,025 XPS (zäh)

0,03 0,035 0,04

EPS (zäh)

PUR (weich)

0,045

PVC (zäh)

PVC (weich)

MF (weich)

PE (weich) PES (zäh)

0,05 0,055 0

0,2

0,4

0,6

möglich. Für Integralschäume eignen sich am besten duroplastische Kunststoffe als Ausgangswerkstoff. Alternativ wird beim drucklosen Zweischichtverfahren in der Randzone zunächst ein Kunststoff ohne Treibmittel aufgebracht und anschließend der mit Treibmittel versetzte Kunststoff. Klimaschädliche Gase Das ehemals gebräuchliche physikalische Treibmittel Fluorchlorkohlenwasserstoff (FCKW) darf wegen der ozonschädigenden Wirkung nicht mehr verwendet werden. Chemische Treibmittel setzen Wasserdampf, Stickstoff, Kohlenmonoxid oder Ammoniak frei. Diese Gase haben allerdings ebenfalls eine klimaschädigende Wirkung, welche jedoch geringer ist als die von FCKW. Genau wie bei Bodenbelägen (siehe Boden- und Fahrbahnbeläge, S. 58) besteht bei der Verwendung in Wohnräumen grundsätzlich ein Gesundheitsrisiko durch Ausgasen der Kunstststoffschäume. Polystyrol-Schaumstoffe (EPS, XPS) Polystyrol-Schaumstoffe sind zäh und haben relativ gute Wärmedämmeigenschaften, besitzen aber eine eher geringe Tragfähigkeit. Der gängige Partikelschaumstoff aus expandiertem Polystyrol (EPS) hat eine weiße Einfärbung. Er ist vor allem für Dämmungen ohne direkten Wasserkontakt gebräuchlich. Extrusionsge-

C 1.18

0,8

1

1,2

1,4 1,6 Bruchspannung [N/mm²] C 1.16

formte Polystyrol-Hartschaumstoffe (XPS) sind hingegen feinporiger und je nach Hersteller mit unterschiedlichen Farben versetzt (Grün, Rosa, Blau). XPS ist schwerer als EPS und aufgrund des geschlossenzelligen Aufbaus wasserfest. Die mechanischen Kennwerte von XPS sind höher als die von EPS, hingegen sind die Dämmwerte und das Wärmespeichervermögen von EPS geringfügig besser. Je nach mechanischer und geometrischer Anforderung ergeben sich die entsprechenden Vorzüge für beide Produkte. Beide Schaumstoffe können grundsätzlich auch als Kernmaterialien bei Sandwichbauteilen aus faserverstärktem Kunststoff eingesetzt werden. Sie liefern zwar relativ geringe mechanische Kennwerte, sind jedoch recht preisgünstig. Polyurethan-Schaumstoffe (PUR-Schäume) Polyurethan ist Ausgangsmaterial für Schäume unterschiedlichster Eigenschaften. Es lassen sich sowohl weiche Elastomerschäume als auch zähharte und sehr tragfähige Hartschäume herstellen. PUR-Schäume haben gute Klebeeigenschaften, sie haften meist ohne weitere Hilfsmittel an Deckschichten oder Oberflächen, wenn sie direkt in diese eingeschäumt werden. Außerdem besitzen sie sehr gute Wärmedämmeigenschaften. Beim Einbetten in faserverstärkten Kunststoff neigt PUR-Hartschaum zum Einsaugen von Harz. Da er aber einen guten Kompromiss hinsichtlich Festigkeit und

C 1.19

Vorprodukte

Wirtschaftlichkeit darstellt, ist er für den Formenbau und als Sandwichmaterial sehr gebräuchlich. Die Formgebung mittels CNC-Fräse ist problemlos möglich. Elastischer PUR-Schaum ist im Bauwesen für die nachträgliche wärmetechnische Fugenabdichtung z. B. bei Fenstern gebräuchlich, übernimmt aber keine tragende Funktion. Polyvinylchlorid-Schaumstoffe (PVC-Schäume) PVC-Schäume können ebenfalls weich oder zähhart eingestellt werden. Die mechanischen Eigenschaften von PVC-Hartschaum sind besser als die der anderen Kunststoffschäume. Da PVC-Schaum kein Harz aufsaugt, lässt er sich sehr gut als Kern für faserverstärkte Kunststoffe verarbeiten. Wegen der hohen Herstellungskosten wird der Schaum allerdings nur für Kernschichten mit hohen Anforderungen an die Tragfähigkeit eingesetzt. Seine Wärmedämmeigenschaften sind schlechter als die von PURSchäumen. Wabenkerne

Sandwichbauteile mit Wabenkernen haben ein besonders niedriges Eigengewicht und sind häufig preiswerter als Schaumstoffe. Sie werden sowohl als Kernschicht für faserverstärkte Kunststoffe als auch für transluzente Wärmedämmungen verwendet. Je nach System sind sehr hohe Tragfähigkeiten erzielbar. Da die Luftkammern wesentlich größer sind als bei Schaumstoffen, werden sie nicht als Wärmedämmung eingesetzt. Die Wabenstrukturen (Honeycombs) werden unter anderem aus Aluminium, phenolharzgetränktem Aramidpapier, thermoplastischen Kunststoffen wie PP oder PET oder glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt. Im Sandwichbauteil werden die Deckschichten anschließend direkt auf den Wabenkern geklebt oder laminiert. Teilweise erhalten Waben schon bei der Herstellung ein Oberflächenvlies, um das Aufbringen der Deckschicht zu erleichtern. Wabenkerne sind nur begrenzt drapierfähig, weshalb sie vor allem für ebene oder schwach gekrümmte Sandwichpaneele eingesetzt werden. Sie haben üblicherweise Dicken zwischen 1,5 und 90 mm.

Aramidwabenkern Im Bootsbau und für Sportflugzeuge sind Wabenkerne aus Aramidpapier (Abb. C 1.17) derzeit sehr weit verbreitet. Dieses Kernmaterial ist besonders weich und relativ preisgünstig. Die Aramidwaben werden als Platten von ca. 1,20 ≈ 2,40 m mit Dicken ab 1,5 mm geliefert. Die Standardausführung hat einen hexagonalen Querschnitt, daneben gibt es auch ovale Wabenstrukturen mit verbesserter Drapierbarkeit. Häufig bestehen die Decklagen aus glasoder kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff und werden direkt überlaminiert. Der Verbund zwischen Deckschicht und Aramidwabenkern entsteht durch das Harz des faserverstärkten Kunststoffs, weshalb ein ausreichend hoher Harzanteil eingeplant werden sollte. Thermoplastische Röhrchenwaben Waben aus thermoplastischen Kunststoffen wie PP oder PET haben in der Regel einen kreisrunden Wabenquerschnitt. Sie sind elastisch sowie schlagzäh und eignen sich damit sehr gut zur Stoßdämpfung oder Vibrationsminderung. Thermoplastische Deckschichten können direkt auf die Waben aufgebracht und durch Warmpressen verschweißt werden (z. B. bei transparenter Wärmedämmung). Bei Decklagen aus faserverstärkten Kunststoffen bzw. Aluminium oder Glas wird auf die Röhrchenstruktur zunächst eine Vliesschicht als Haftvermittler aufgetragen. Kernlagenvliese und Abstandsgewebe

Bei dünneren Sandwichplatten mit Stärken von einigen Millimetern bis zu wenigen Zentimetern kommen vorkonfektionierte Kernlagen und Abstandsgewebe zur Anwendung. Sie sind kostengünstig und können mit geringem Arbeitsaufwand eingebaut werden. Festigkeiten und Transparenz variieren je nach System erheblich. Abstandsgewebe Abstandsgewebe (Abb. C 1.20) bestehen aus zwei Decklagen aus Glasfasergewebe, die durch senkrecht angeordnete Fäden verbunden sind. Beim Laminieren wird das Abstandsgewebe mit Harz getränkt und zusammengedrückt. Anschließend stellen sich diese Fäden

C 1.20

selbsttätig auf, sodass ein 3 – 23 mm hohes sandwichartiges Laminat mit erhöhter Biegesteifigkeit entsteht. Die vollständig mit Harz getränkten Gewebelagen wirken im Endzustand als tragende Decklagen, während die nur partiell mit Harz getränkte Zwischenschicht den Sandwichkern darstellt. Um einer Styrolanreicherung in der Kernschicht vorzubeugen, welche die Aushärtung des Kunststoffs negativ beeinflussen würde, sind spezielle Harzrezepturen zu benutzen. Wegen der ausschließlichen Verwendung von Glasfasern und der dünnen Deckschichten können Laminate mit einer hohen Transparenz erzielt werden. Kernlagenvliese Für besonders dünne Sandwichstrukturen bis ca. 6 mm Dicke werden perforierte Vliesstoffe aus Polyesterfasern und Mikrohohlkugeln verwendet (Abb. C 1.18 und C 1.19). Die Perforation wird beim Laminieren vom Harz durchtränkt, damit entsteht eine gute Verbindung der Deckschichten. Laminate mit Kernlagenvliesen spalten weniger leicht auf als Sandwichbauteile mit Schaumkern. Durch die Hohlkugeln wiederum wird nicht das ganze Vlies getränkt, was das Eigengewicht des gesamten Bauteils reduziert. Leichtholz

Leicht- bzw. Balsaholz hat eine Dichte zwischen 100 und 200 kg/m3 und liegt damit im mittleren Bereich von Hartschaumstoffen (Abb. C 1.21). Die Feuchteempfindlichkeit von Balsaholz ist bei einigen Anwendungen nicht unproblematisch, da es quellen und verrotten kann. Weil die mechanischen Eigenschaften unter denen von Hartschäumen liegen, werden bei höheren Anforderungen an die Tragfähigkeit meist Schaumstoffe als Kernmaterial bevorzugt. Balsaholz spielt jedoch nach wie vor im Modellbau eine nicht unerhebliche Rolle, da es sehr preiswert und einfach zu bearbeiten ist.

C 1.21

75

Faserverstärkte Kunststoffe

C 2.1

Faserverstärkte Kunststoffe spielen für Anwendungen in der Architektur eine bedeutende Rolle, da im Gegensatz zu unverstärkten Kunststoffen großformatige Bauteile und höhere Spannweiten möglich sind. Es lassen sich damit Halbzeuge (siehe Kunststoffhalbzeuge, S. 82ff.) und frei geformte Konstruktionen realisieren (siehe Konstruieren mit frei geformten Kunststoffen, S. 174ff.) Die Verbundwerkstoffe bestehen aus verschiedenen Fasermaterialien und Kunststoffen. In einigen Fällen wird der Kunststoff auch um ein zusätzliches Kernmaterial zu einem Sandwichelement geschichtet. Übliche Abkürzungen oder Bezeichnungen in diesem Zusammenhang sind: • glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) • kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) • Laminat – geschichteter Verbund aus Fasern und Kunststoff • Harz – duroplastischer Kunststoff vor Härtung (auch Reaktions- oder Gießharz) • Matrix – formgebender und bindender Stoff (Harz bzw. Kunststoff) im Endzustand

Kunststoff hingegen übernimmt keine primär tragenden Aufgaben, sondern stabilisiert und schützt die Fasern. Kunststoffe

Die Kunststoffmatrix definiert die Form des Verbundbauteils und schützt die Fasern vor UVStrahlung und aggressiven Medien wie Feuchtigkeit oder Chemikalien. Gleichzeitig bildet der Kunststoff die Oberfläche und bestimmt damit Transparenz, Farbe und Haptik des Faserverbundwerkstoffs. Die Halbzeuge werden in der Regel nach der Produktion nicht mehr beschichtet. Wie bei allen Kunststoffen werden auch bei Faserverbundkunststoffen verschiedene Additive und Füllstoffe zur Steuerung der Materialeigenschaften beigemischt. So kommen z. B. bei Brandschutzanforderungen Flammschutzmittel zum Einsatz, bei pultrudierten Halbzeugen vor allem mineralische Füllstoffe zur Reduktion von Schwindvorgängen (siehe Füllstoffe und Additive, S. 32f.).

Die optischen und mechanischen Eigenschaften faserverstärkter Kunststoffe werden durch das Zusammenspiel ihrer Komponenten bestimmt. Die Fasern erhöhen Tragfähig- sowie Materialsteifigkeit des Kunststoffs und damit maßgeblich auch die des Verbundbauteils. Der

Gebräuchliche Harzsysteme Für Faserverbundbauteile werden fast ausschließlich duroplastische Kunststoffe verwendet. Aufgrund der niedrigen Viskosität von Harz vor der Härtungsreaktion können die Faseroberflächen gut benetzt werden. Außerdem sind Duroplaste widerstandsfähiger gegenüber Umwelteinflüssen als Thermoplaste. Im Bauwesen sind ungesättigtes Polyesterharz (UP), Epoxidharz (EP), Vinylesterharz (VE bzw. PHA)

a

b

Komponenten

C 2.1

maschinelle Produktion von faserverstärktem Kunststoff (Pultrusionsverfahren) C 2.2 Faserlagen eines ausgewählten pultrudierten Profils a Probekörper (abgebrannte Kunststoffmatrix) b schematische Darstellung C 2.3 Eigenschaften verschiedener Faserverbundwerkstoffe (Richtwerte)

76

C 2.2

Faserverstärkte Kunststoffe

Werkstoff

Glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK)

Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff 3 (CFK)

Spezifikation

pultrudiertes Laminat

GFK-P E23

Dichte

Zugfestigkeit, längs

Zug-E-Modul, längs

Zugfestigkeit, quer

Zug-E-Modul, quer

[kg/dm3]

[N/mm2]

[N/mm2]

[N/mm2]

[N/mm2]

1,8

240

23 000

50

7000

Wärmeausdehnungskoeffizient [10-6/K]

GFK-M

1,5

80

7000

80

7000

30,0

Mischlaminat

GFK-MW

1,6

120

12 000

120

12 000

25,0

Wickellaminat

GFK-FM/FMU

1,6

160

15 000

50

8000

hochfest

CFK-HT

1,6

2800

165 000

0

–

mittelmodulig

CFK-IM

1,6

2800

210 000

0

–

hochmodulig

CFK-HM

1,6

1350

300 000

0

–

längs /quer zur Faserrichtung längs zur Faserrichtung 3 Fasern ausschließlich in Bauteillängsrichtung orientiert = unidirektional 2

[W/mK]

9,0/30,01

Wirrfaserlaminat

1

Wärmeleitfähigkeit

0,25

15,0/30,01

0,2 2

17,0

Wirrfaserlaminat: flächiges Laminat mit ausschließlich Wirrfaserverstärkung Mischlaminat: flächiges Laminat mit Wirrfaserverstärkung und Gelegen bzw. Geweben Wickellaminat: flächiges Laminat mit ausgeprägter Vorzugsrichtung C 2.3

und Phenolharz (PF) üblich (siehe Duroplaste, S. 46f.). UP eignet sich für alle Standardanwendungen und insbesondere für glasfaserverstärkten Kunststoff. EP wird für hochfeste Bauteile und bei kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen eingesetzt, VE bei hohen chemischen Schutzanforderungen, PF bei besonderen Brandschutzanforderungen. Darüber hinaus kann auch eine keramische Matrix zum Einsatz kommen, die jedoch vergleichsweise niedrige Festigkeiten liefert. Fasern

Welche Verarbeitungsform der Fasern sich für die Herstellung von Halbzeugen eignet, hängt von dem Fertigungsverfahren und den gewünschten mechanischen Eigenschaften ab. Langfasern Langfasern (Rovings) sind nicht weiter bearbeitete Faserbündel, sie ermöglichen eine lineare Verstärkung mit hohem Fasergehalt und gute mechanische Eigenschaften für den Verbund. Rovings werden vor allem bei maschinellen Fertigungsmethoden wie dem Pultrudieren, Wickeln oder Flechten eingesetzt. Für manuelle Verfahren ist die Handhabung von Langfasern zu aufwendig, weshalb dort auf Textilien zurückgegriffen wird. Kurzfasern Kurzfasern liegen ungerichtet im Kunststoff. Zur besseren Handhabung werden Kurzfasern jedoch häufig als gepresste Wirrfasermatten verarbeitet (siehe Wirrfasermatten und Vliese, S. 70). Die temporäre Fixierung der Fasern (Schlichte) löst sich beim Kontakt mit dem flüssigen Harz, wodurch sich die Fasern an die Bauteilform anpassen können. Vliese sind sehr feine Fasermatten aus Kurzfasern, die an der Oberfläche von Laminaten angeordnet werden. Daneben ist es möglich, Kurzfasern direkt in das flüssige Harz zu mischen. Diese Mischung kann dann für Press- oder Injektionsverfahren eingesetzt werden. Wirrfasermatten und Vliese sind für alle flächigen Faserverbundbauteile gebräuchlich. Textilien Textilien werden im Verbundwerkstoff lagenweise übereinander angeordnet, dadurch

ergibt sich eine flächige Verstärkung. Der erzielbare Fasermassenanteil und damit die mechanischen Eigenschaften liegen unter denen einer Langfaserverstärkung. Neben den klassischen Geweben können auch Gelege eingesetzt werden, bei denen die Fasern nicht verwoben, sondern nur übereinander geschichtet sind. Da die Fasern in Gelegen nicht gekrümmt (onduliert) sind, lassen sich höhere Festigkeiten des Verbundbauteils erzielen. Bei komplexen Matten werden auf der Oberfläche der Gelege zusätzlich Kurzfasern angeordnet. Eine Übersicht verfügbarer Textilien findet sich im Kapitel »Vorprodukte« (S. 69ff.). Textile Verstärkungen sind wegen der einfacheren Handhabung für manuelle Produktionsverfahren und dort gebräuchlich, wo Fasern in mehrere Richtungen orientiert werden sollen. Gebräuchliche Fasern im Bauwesen Im Bauwesen kommen hauptsächlich Glasfasern zum Einsatz, da sie eine hohe Festigkeit haben und relativ günstig sind. Seltener werden die teuren Kohlenstofffasern verwendet, die deutlich bessere mechanische Eigenschaften als GFK erzielen. Für architektonische Anwendungen ist aramidfaserverstärkter Kunststoff mit hoher Zähigkeit weniger gebräuchlich. Seine Bearbeitung ist deswegen schwierig und mit einem hohen Werkzeugverschleiß verbunden. Naturfasern verfügen für den Einsatz bei bewitterten Bauteilen bisher noch nicht über eine zufriedenstellende Feuchtigkeitsresistenz. Im Folgenden werden daher nur die Eigenschaften von GFK und CFK beschrieben und miteinander verglichen.

Eigenschaften von faserverstärkten Kunststoffen Maschinell produzierte GFK-Bauteile können zwar die Festigkeit von Baustahl erreichen, der E-Modul liegt jedoch höchstens bei einem Zehntel von Stahl. Deswegen sind große Spannweiten nicht ohne Weiteres realisierbar. CFK hingegen hat einen mit Stahl vergleichbaren E-Modul und dabei eine wesentlich höhere Festigkeit (Abb. C 2.3).

Interaktion zwischen Faser und Matrix

Die Festigkeit des Verbundbauteils hängt vom Zusammenspiel von Faser und Kunststoffmatrix ab. Ein Bruch im Laminat wird in der Regel durch Risse in der Matrix hervorgerufen, die wiederum durch ein Überschreiten der maximalen Dehnung im Kunststoff entstehen. Die Verwendung eines Kunststoffs mit hoher Grenzdehnung erhöht damit auch die Festigkeit des gesamten Verbundbauteils. Daneben ist die Haftzugspannung zwischen Faser und Kunststoff für die Tragwirkung des Bauteils entscheidend. Die Haftfestigkeit zwischen Fasern und Matrix ist aufgrund von Fehlstellen stets geringer als die Festigkeit des unverstärkten Kunststoffs. Unter Schubspannung oder Querzug (z. B. bei Klebefugen) können sich daher die Einzelschichten voneinander abschälen (Delaminieren). Mittlerweile gibt es allerdings Bestrebungen, die Haftzugfestigkeit der Matrix durch Zugabe von Kohlenstoffnanoröhrchen zu verbessern (siehe Kohlenstoffnanoröhrchen, S. 34). Faseranordnung

Werden Bauteile vorwiegend in Längsrichtung beansprucht, verwendet man hauptsächlich Langfasern (Rovings), sodass alle Fasern in eine einzige Richtung orientiert sind (unidirektionale Faserverstärkung / UD-Verstärkung). GFK-Profile jedoch können zusätzlich durch im Randbereich liegende Textilien verstärkt werden, die die Querkrafttragfähigkeit, den Lochlaibungswiderstand bei Schraubenverbindungen sowie die Scherfestigkeit bei Verklebungen erhöhen. Bei dünnen Streifen wie CFKLamellen hingegen reicht in der Regel eine ausschließlich unidirektionale Verstärkung aus, da sie nicht in Querrichtung beansprucht werden. Die Festigkeit senkrecht zur Lamelle ist gering, weil Kohlenstofffasern querdruckempfindlich sind. Faserschichtung Die Fasern werden im Verbundbauteil meist in mehreren Lagen mit unterschiedlicher Faserorientierung übereinandergeschichtet. In Abb. C 2.2 b ist die Fasergeometrie eines pultrudierten Profils exemplarisch darge-

77

Faserverstärkte Kunststoffe

stellt. Abb. C 2.2 a (S. 76) zeigt einen veraschten Probekörper, d. h. der umgebende Kunststoff wurde abgebrannt, um die insgesamt 13 Einzelschichten sichtbar zu machen. Die zentrale, kompakte Lage aus unidirektionalen Rovings ist hier vergleichsweise dick und von mehreren Textilien mit unterschiedlicher Faserorientierung umgeben. Während die zentralen Rovings der hauptsächlichen Lastabtragung dienen, verbessern die außen liegenden Textilien die Querkrafttragfähigkeit und die Lochlaibungsfestigkeit bei Schraubenverbindungen. An der Außenseite ist die feine Vliesschicht erkennbar, die für eine glatte Oberfläche sorgt. Die Schichten werden bei der Produktion nicht einzeln, sondern vorkonfektioniert in Form von Gelegen oder komplexen Matten eingebaut (siehe Gelege, S. 70f.).

a

Verarbeitung

Die Verarbeitung von GFK- und CFK-Halbzeugen kann mit Maschinen des Holzbaus erfolgen. Es sollten jedoch gehärtete Sägeblätter und Bohrer z. B. mit Diamantbesetzung bevorzugt werden, da die Werkzeuge sonst zu schnell verschleißen, beste Ergebnisse erzielen Wasserstrahlschneiden. Der Schleifstaub infolge spanender Bearbeitung ist zwar nicht gesundheitsschädlich, kann aber zu Hautreizungen führen, weshalb Absauganlagen oder Werkzeuge mit Wasserbenetzung zum Binden des Schleifstaubs empfohlen werden (siehe Gesundheits- und Sicherheitshinweise, S. 157). Die üblicherweise eingesetzten duroplastischen Kunststoffe lassen sich nicht verschweißen. Fügungen erfolgen meist durch Schrauben oder Kleben (siehe Verbindungen, S. 161ff.). Recycling

Temperatur- und Brandverhalten

Die Gebrauchstemperatur und das Brandverhalten von Faserverbundkunststoffen hängen vom verwendeten Harz und den Additiven ab. Grundsätzlich sind die im Bauwesen üblichen Faserverbundkunststoffe normal entflammbar (B 2 nach DIN 4102-1). Um ein schwer entflammbares Bauteil zu erhalten, wird Phenolharz (PF) verwendet oder ein ungesättigtes Polyesterharz (UP) mit Flammschutzmitteln gefüllt. Die Brandschutzklasse B 1 kann durch diese Maßnahmen gut eingehalten werden. Beim Einsatz einer keramischen Matrix lässt sich unter bestimmten Bedingungen sogar Brandschutzklasse A 2 einstellen. Dabei ist zu beachten, dass »gefülltes« Polyesterharz die Verarbeitung erschwert und nur geringere Faservolumengehalte zulässt. Epoxidharz (EP) ist bei Brandschutzanforderungen ungeeignet.

b

Oberfläche

Die Gestaltung der Oberfläche von faserverstärkten Kunststoffen ist nicht nur aus optischen Gründen, sondern auch wegen der Dauerhaftigkeit der Halbzeuge von entscheidender Bedeutung. An der Oberfläche sollten sich keine Fasern befinden, da diese Wasser aufnehmen können und somit der Korrosion ausgesetzt sind. Daher ist zunächst eine Reinharzschicht zum Schutz des tragenden Laminats anzutragen. Bei Handlaminaten ist dies der sogenannte Gelcoat, der als erste faserfreie Schicht auf die Form aufgebracht oder nachträglich aufgesprüht wird. Bei pultrudierten oder gepressten Bauteilen wird ein feines Oberflächenvlies als äußerste Schicht angebracht, das die inneren Faserlagen vor Medien wie Wasser, Chemikalien oder UV-Strahlung schützt. Dringt aufgrund kleiner Risse Wasser in das Laminat ein, können sich direkt unter dem Gelcoat Blasen bilden. An den betroffenen Stellen ist die brüchige Oberflächenschicht zu entfernen und neu aufzutragen. Ursache solcher Risse kann ein Anprall oder eine zu hohe Belastung des Bauteils sein.

c

d

78

C 2.4

Verbundwerkstoffe sind im Allgemeinen kaum recycelbar, da für eine komplette Verwertung die Komponenten getrennt werden müssten. Für GFK und CFK werden in der Regel duroplastische Kunststoffe eingesetzt, die nicht aufgeschmolzen werden können und daher keine Trennung der Bestandteile möglich ist. Als Alternative bleibt lediglich ein Downcycling mit Eigenschaftsminimierung zum Schüttgut oder eine thermische Verwertung (siehe Verwertung von Kunststoffen, S. 130f.).

Fertigung Je nach Querschnittsgeometrie und Seriengröße eignen sich unterschiedliche Verfahren für die Produktion von Halbzeugen aus GFK und CFK. Handlaminate bieten sich für kleine Serien oder Einzelteile sowie für große Bauteile und komplexe Geometrien an. Zur Optimierung der Laminatqualität und der Reproduzierbarkeit wurde das ebenfalls manuelle Harzinfusionsbzw. Vakuumverfahren entwickelt. Automatisierte und damit kostengünstigere Verfahren wie das Pressen, Pultrudieren, Wickeln und Flechten eignen sich für große Stückzahlen und kleinere Bauteile. Handlaminieren

Frei geformte Bauteile mit geringen Stückzahlen, aber auch Elemente, die sich wegen ihrer großen Abmessungen nicht automatisiert herstellen lassen, werden manuell im Handlaminierverfahren gefertigt (Abb. C 2.5). Für die Formgebung ist eine Schalung erforderlich. Mit Metallblech oder Holz lassen sich lediglich einfache Geometrien realisieren. Für komplexere Einzelstücke werden meist Formen aus Polyurethan-Hartschäumen verwendet, mit denen sich allerdings nur relativ wenige Bauteile herstellen lassen, da der Schaumstoff beim Entformen oft bereits nach dem ersten Gebrauch beschädigt wird. Für größere Stückzahlen bieten sich Formen aus faserverstärktem Kunststoff an, die eine sehr lange Lebensdauer haben (siehe Formenbau, S. 184ff.).

Faserverstärkte Kunststoffe

Die Oberflächen der Schalung werden geschliffen und mit einem Trennmittel überzogen, um das spätere Entformen zu erleichtern. Bei einer Form aus Hartschaum verhindert die Trennschicht zudem das Eindringen des Harzes in den Schaum. Wenn der Schaumstoff als Kernschicht im Bauteil verbleiben soll, entfällt die Trennschicht, um einen guten Verbund zu gewährleisten. Beim Laminieren wird zunächst eine weniger als 1 mm dicke faserfreie Reinharzschicht, der Gelcoat, auf die Form aufgetragen (Abb. C 2.4 a). Hierzu verwendet man Spezialharze, die eine gute Härte sowie Schlagzähigkeit besitzen und denen Thixotropiemittel beigegeben sind, welche das Harz dickflüssiger machen. Diese Deckschicht bildet einen Oberflächenschutz für das Laminat. Danach werden Textilien oder Fasermatten in die Form eingebracht, mit flüssigem Harz getränkt und durch Rollen angepresst bzw. entlüftet (Abb. C 2.4 b und c). Dabei ist die erste Lage meist ein feines Vlies, um eine glatte Oberfläche zu erzielen. Für Bauteile mit geringen Tragfähigkeitsanforderungen werden hierzu ausschließlich Wirrfasermatten verwendet, für tragende Bauteile hingegen Gewebe und bevorzugt Gelege. Dieser Prozess wird mehrfach bis zum Erreichen der gewünschten Laminatstärke wiederholt. Die Formseite erhält eine glatte Oberfläche, die Gegenseite ist rau. Fertigungsqualität Beim Handlaminieren frei geformter Bauteile ist es schwierig, eine vorgegebene Faserorientierung exakt einzuhalten. Der erzielbare Faseranteil beträgt maximal 45 Vol.-%, da die unterschiedlichen Textilien nicht dichter gepackt werden können. Dieser Anteil ist geringer, wenn das Harz durch ein beigefügtes Flammschutzmittel dickflüssiger ist. Die Qualität der erzeugten Bauteile hängt stark vom handwerklichen Können des Verarbeiters ab. Um die Anzahl von Fehlstellen sowie Lufteinschlüssen zu reduzieren und die Dichte der Laminate zu erhöhen, setzt man verschiedene Techniken ein, bei denen das Laminat unter Druck aushärtet. Der Druck kann dabei auf unterschiedliche Arten erzeugt werden. Hohle Bauteile beispielsweise werden mit einem innen liegenden Pressschlauch verdichtet. Diese Methode liefert ein sehr dichtes Laminat mit hohem Fasergehalt und weist nur geringe Werkzeugkosten auf. Häufig werden überflüssige Harzmengen sowie Lufteinschlüsse auch durch ein Vakuum abgesaugt und das Laminat somit besser verdichtet. Dazu wird das noch nasse Laminat zunächst mit einer porösen Trennfolie sowie einem Sauggewebe abgedeckt, anschließend mit einer Vakuumfolie überdeckt und an den Rändern abgedichtet. Harzinfusions- und Vakuumverfahren

Auf der Grundlage des Handlaminierens wurden das Harzinfusions- und Vakuumverfahren

8

7

1 2 3 4

5 Harz 6 Verstärkungsfasern (Textilien) 7 Pinsel 8 Entlüftungsroller

Form Trennschicht Gelcoat Oberflächenvlies

5

6

5

4 3

1

2

C 2.5 2 1 2 3 4 5

3

4 5

6 7 8 9 10

1 6 7

11

Dichtung Schraubzwinge Spannrahmen gelochtes Blech Rinne für überschüssiges Harz Folie Faserverstärkung mit Harz Trennschicht Form Vakuumbehälter für überschüssiges Harz Ventil zur Vakuumpumpe

8 9

11

10 C 2.6 1 2 3 4

Harz Unterform Oberform Distanzstücke

5 Faserverstärkung 6 fertiges Laminat 7 Heizung

Druck

3

4 1 6 7

2

5 C 2.4

Fertigungsschritte des Handlaminierens a Aufbringen des Trennmittels auf die Form b Auftrag der Reinharzschicht (Gelcoat), Wartezeit bis zum Anhärten c Einlegen der Faserverstärkung, Andrücken und Entlüften mit Roller

C 2.7

C 2.5 C 2.6 C 2.7

d lagenweises Aufbringen des flüssigen Harzes und weiterer Faserverstärkungen Handlaminierverfahren Harzinfusions- bzw. Vakuumverfahren Press- und Injektionsverfahren

79

Faserverstärkte Kunststoffe

1 2 3 4 5 6 7 8

4

beheizte Form Vorform textile Verstärkung Rovingspulen Tränkwanne Profil Raupenzug Säge

3

1

2

8

5 6 7 C 2.8 2 1

4 5

3

a

1 2 3 4

Antrieb Getriebe Wickeldorn verfahrbare Auflagerung der Tränkwanne 5 Tränkwanne mit Harz 6 Glasfaserstränge

6

5 3

Press- und Injektionsverfahren 4

b

C 2.9 1 verfahrbare Flechtmaschine 2 rotierender Flechtkopf 3 stationärer Kern

1

3

2

C 2.10 C 2.8 C 2.9

80

entwickelt, um eine gleichmäßigere Laminatstruktur, weniger Lufteinschlüsse und beidseitig glatte Oberflächen zu erzielen (Abb. C 2.6, S. 79). Im Gegensatz zum Handlaminieren wird das Harz bei diesen Verfahren nicht vorab eingebracht, sondern erst nach dem trockenen Verlegen aller Faserschichten. Vor dem Harzeintrag wird das Laminat mit Trennfolie und Sauggewebe luftdicht eingepackt. Beim Harzinfusionsverfahren wird an einer Stelle Luft entnommen und gleichzeitig an der gegenüberliegenden Stelle Harz unter Druck eingepresst. Dieses Verfahren ist auch als Resin Transfer Moulding (RTM) bekannt. Beim Vakuumverfahren wird das Harz mittels Unterdruck in das Gewebe eingesaugt. Diese Produktionsmethode nennt man auch Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding (VARTM). Sie dauert länger als das Harzinfusionsverfahren, liefert jedoch auch bessere Ergebnisse. Eine sehr hohe Qualität wird durch Aushärtung im Autoklav erreicht, einem beheizbaren Druckkessel, in dem sich Temperatur- und Druckzyklen exakt und reproduzierbar steuern lassen. Das Bauteil wird unter Drücken von 2 bis 25 bar sowie Temperaturen von ca. 180 °C ausgehärtet. Durch den allseitig wirkenden hydrostatischen Druck lassen sich auch für komplexe und groß dimensionierte Strukturen leichte Formen einsetzten. Hochleistungsbauteile der Luft- und Raumfahrt werden im Autoklav hergestellt.

Pultrusion Faserwickeln a Faseranordnung b Tränken der Fasern mit Kunststoff

C 2.10 C 2.11 C 2.12

Flechtverfahren Flechten eines Schlauchs mit Kern Faserspritzen

Für die automatisierte Herstellung von Formteilen aus faserverstärktem Kunststoff gibt es verschiedene kalte und heiße Pressverfahren, die eine vergleichsweise hohe Grundinvestition in Werkzeuge und Formen erfordern (Abb. C 2.7, S. 79). Sie kommen daher vor allem in der industriellen Fertigung von Großserien zur Anwendung. Die Formgebung erfolgt dabei meist durch zweiteilige metallische Werkzeuge in einer Presse. Beim Kaltpressen können Werkzeuge aus Kunstharz eingesetzt werden. Der erreichbare Fasergehalt der Bauteile liegt bei nur ca. 50 Vol.-%. Fertigteile mit erhöhten Anforderungen werden im Heißpressverfahren mit Werkzeugen aus Stahl oder Aluminium hergestellt. Das Heißpressen ermöglicht Fasergehalte bis zu 65 Vol.-%. Vorimprägnierte Textilien Bei beiden Pressverfahren können sowohl flüssige als auch vorgefertigte Halbzeuge, sogenannte Prepregs, verwendet werden. Prepregs (preimpregnated fibres) sind mit Harz vorimprägnierte Verstärkungsfasern, dieses Harz härtet unter Druck und hoher Temperatur aus. Der Tränkungsvorgang der Fasern ist damit vom eigentlichen Formgebungsvorgang getrennt. Die maschinell produzierten Prepregs haben eine gleichbleibende Harzbenetzung der Fasern, weshalb eine hohe Qualität der Faserverbundwerkstoffe erreicht werden kann. Kurzfaserverstärkte Prepregs, sogenannte

Faserverstärkte Kunststoffe

Sheet Moulding Compounds (SMC) sind in der industriellen Serienfertigung verwendete Halbzeuge, die mit Glasfasern von 25 bis 50 mm Länge verstärkt werden. Als Harze werden meist UP verwendet, seltener auch VE für höher beanspruchte Bauteile. Harzmasse und Fasern werden maschinell zwischen Trägerfolien gepackt und zu Endlosrollenware weiterverarbeitet. Das lederartige Material wird zugeschnitten und mit zweiteiligen, beheizten Stahlwerkzeugen unter hohem Druck (30 –140 bar) zu Formteilen verarbeitet. Wichtigste Anwendungsgebiete sind Großserien von Installationsschränken, Abdeckhauben, Fahrzeugteilen (z. B. Heckklappen oder Ölwannen) und anderen Formteilen. Da diese automatisierten Verfahren nur in solchen Großserien wirtschaftlich sind, spielen sie für Anwendungen in der Architektur bisher noch keine Rolle. Pultrusion

Das Pultrusionsverfahren (Strangziehverfahren) hat derzeit für Halbzeuge im Bauwesen eine besondere Bedeutung, weil sich auf vergleichsweise einfache Art Profile und Platten mit einem hohen Fasergehalt und geringer Streuung der mechanischen Eigenschaften herstellen lassen (Abb. C 2.8). Bei der Pultrusion werden mit Harz getränkte Langfasern (Rovings) durch ein beheiztes Formwerkzeug geführt, wo der Kunststoff unter erhöhten Temperaturen in wenigen Minuten aushärtet. Alternativ können auch trockene Fasern durch die Form gezogen und das Harz direkt eingepresst werden. Neben den Rovings besteht ebenfalls die Möglichkeit Textilien als Oberflächenverstärkung mit in die Profile einzulegen, die Positionierung erfolgt über Rollen. Für die Biegetragfähigkeit ist die unidirektionale Rovingverstärkung in Längsrichtung maßgebend. Senkrecht zur Pultrusionsrichtung sind die mechanischen Beanspruchbarkeiten verfahrensbedingt deutlich geringer und werden vor allem durch die Textilien beeinflusst. Häufig werden an der Oberfläche komplexe Matten angeordnet, die aus einem Gelege aus gestapelten Langfasern mit darauf aufgebrachten Kurzfasern bestehen. Während die Langfaserlagen zur Erhöhung der Tragfähigkeit in Längs- und Querrichtung dienen, wird durch die Kurzfasern eine gleichmäßigere Oberfläche erzielt. Beim Pultrusionsverfahren kann ein Fasergehalt von 70 Vol.-% erreicht werden. Als Matrix werden meist UP, gelegentlich auch VE oder PF verwendet, für kohlenstofffaserverstärkte Profile ist EP üblich. Die Fertigungstoleranzen des industriellen Prozesses sind zwar gering, aufgrund der Schrumpfung der duromeren Matrix beim Aushärten und Lageungenauigkeiten der Fasern jedoch höher als bei metallischen Profilen. Prinzipiell ist im Pultrusionsverfahren nahezu jede Querschnittsform denkbar, die Profilabmessungen sind jedoch verfahrenstechnisch begrenzt, in der Regel auf Wandstärken zwischen 0,5 und 100 mm sowie maximale Außenabmessungen zwischen 650 und 1250 mm. Rippen oder Profilierungen quer zur Pultru-

C 2.11

C 2.12

sionsrichtung lassen sich nicht herstellen. Pultrusionsprofile sind in der Regel gerade, mittlerweile können jedoch auch gekrümmte Profile hergestellt werden. [1] Die ab Lager erhältlichen Standardprofile der meisten Hersteller orientieren sich weitgehend an den Querschnitten des Stahlbaus (Abb. C 3.7, S. 84). Es werden aber zunehmend auch komplexere Geometrien für spezielle Anwendungen pultrudiert, z. B. Fensterprofile oder Brückenfahrbahnen. Die Pultrusion erfordert ein vergleichsweise aufwendiges Formwerkzeug und auch die Einrichtung der Maschinen ist sehr zeitaufwendig, sodass sich Sonderprofile erst ab größeren Mengen (meist mindestens 1000 Produktionsmetern) lohnen.

aufwendige maschinelle Ausrüstung und wird vor allem für hochbeanspruchte Bauteile der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt. Bei dieser Fertigungsmethode wird eine große Anzahl Fäden von einer Flechtmaschine auf einen Kern übereinander abgelegt und so verflochten (Abb. C 2.10 und C 2.11). Dabei sind entweder der Kern oder die rotierenden Flechtköpfe fixiert, die jeweils andere Komponente ist verfahrbar und kann die Fasern kontinuierlich über die Bauteillänge ablegen. Mit den sich überschneidenden Fasern lassen sich auch sehr komplexe Bauteile mit veränderlichem Querschnitt erstellen. Zusätzlich können verschiedene Faserarten (z. B. Glas- und Kohlenstofffasern) kombiniert und die Faseranordnungen an die Belastungen angepasst werden. Im Gegensatz zum Wickelverfahren sind Fasern in Bauteillängsrichtung (0°-Richtung) möglich. Das Harz wird nach dem Flechtvorgang im Infusions- oder Injektionsverfahren eingebracht. Rohre mit Flechtverstärkung können auch pultrudiert werden. Durch die sich kreuzenden Fäden und die damit verbundene Reibung zwischen den Fasern haben geflochtene Bauteile im Endzustand eine hohe Schlagzähigkeit.

Faserwickeln

Mit der Wickeltechnik werden Rohre, Behälter, Tanks und andere rotationssymmetrische Hohlkörper hergestellt (Abb. C 2.9). Die hohe Mechanisierung des Verfahrens erlaubt es, die Fasern exakt, reproduzierbar und in hoher Dichte anzuordnen. Beim Faserwickeln wird ein rotierender Kern mit vorgespannten Rovings umwickelt. Es lassen sich auch Matten oder Gewebe verarbeiten. Die Fasern können sowohl mit Harz getränkt, also nass, als auch trocken verarbeitet werden. Im zweiten Fall werden sie anschließend im Harzinfusionsverfahren benetzt. Über die Drehzahl des Kerns sowie die Geschwindigkeit der Fadenablage lässt sich die Faserverstärkung des Laminats beeinflussen. Je nach Stückzahl und Geometrie des Bauteils werden einmalig eingesetzte Kerne aus löslichen Stoffen oder bei größeren Serien wiederverwendbare Kerne aus Stahl oder Aluminium eingesetzt. Zur einfacheren Entformung werden diese oft leicht konisch oder aus zusammenklappbaren Segmenten ausgeführt. Bei Rohren mit dünnen Wandungen werden die Fasern in einem Winkel von ca. 15 bis 75° zur Längsrichtung eingebaut, damit ist das Rohr bei der späteren Anwendung besser gegen Ausbeulen stabilisiert. Eine 0°-Anordung ist nicht durchführbar. Flechten

Das Flechtverfahren, das mit dem Faserwickeln vergleichbar ist, erfordert eine sehr

Faserspritzen

Das Faserspritzen ist eine kostengünstige Methode zur manuellen Fertigung großflächiger Laminate mit komplexer Geometrie aber geringen Anforderungen an die Tragfähigkeit (Abb. C 2.12). Dazu wird ein Rovingstrang in eine Spritzpistole eingelegt und dabei in kurze Faserstücke geschnitten. Diese Kurzfasern und ein Harz mit geringer Reaktionszeit werden gleichzeitig auf die Form gespritzt. Das Laminat wird anschließend wie beim Handlaminieren mit einem Rillenroller entlüftet. Die Laminatdicke schwankt bei diesem Verfahren relativ stark, die Faserorientierung kann zudem nicht gesteuert werden. Vorteilhaft sind jedoch der geringe Arbeitsaufwand sowie die Möglichkeit, auf vertikalen Flächen oder auf Membranen laminieren zu können. Anmerkungen: [1] www.thomas-technik.de/pdf/Radius_Pultrusion.pdf, 19.08.2010

81

Kunststoffhalbzeuge

C 3.1

Kunststoffhalbzeuge können hinsichtlich ihrer Geometrien in lineare Profile, flächige Platten und dreidimensionale Formteile eingeteilt werden (Abb. C 3.6). Daneben unterscheiden sie sich auch nach ihrer Funktion: Platten werden durch Aneinanderreihung großflächig gefügt, während Profile bzw. Formteile als Einzelbauteile Verwendung finden. Bis auf wenige Ausnahmen werden Halbzeuge entweder aus thermoplastischen Kunststoffen (ohne Faserverstärkung) oder aus duroplastischen (faserverstärkten) Kunststoffen geformt.

Profile Profile sind prismatische, längs ausgerichtete Bauteile mit einem konstanten Querschnitt. Die möglichen Profilgeometrien reichen von Rohrquerschnitten über H-Profile bis hin zu komplexen Querschnitten (Abb. C 3.4). In seltenen Fällen, z. B. bei konischen Rohren, ist auch eine Verjüngung des Querschnitts über die Länge oder eine gekrümmte Formgebung möglich. Hinsichtlich realisierbarer Spannweiten und Querschnittsformen oder der Wiederverwertbarkeit unterscheiden sich thermoplastische und faserverstärkte Kunststoffe teilweise erheblich. Profile aus Thermoplasten

Profile aus unverstärkten, thermoplastischen Kunststoffen werden für Abdeckungen, zu Ge-

staltungszwecken und für den Innenausbau eingesetzt. Die für tragende Bauteile nötigen Festigkeiten erreichen sie in der Regel nicht. Bei Außenanwendungen wie Sonnenschutz, Fensterprofilen oder Verblendungen kommt hauptsächlich weichmacherfreies Polyvinylchlorid (PVC-U) zur Anwendung. Er ist preiswert und hat eine gute Dauerhaftigkeit. Mit PVC-U lassen sich auch transparente Profile erstellen, welche jedoch nicht dauerhaft für Außenanwendungen geeignet sind, da sie vergilben. Zweckmässiger sind in diesem Fall Rohre und Profile aus Acrylglas (Polymethylmethacrylat – PMMA; Abb. C 3.5) oder Polycarbonat (PC), da diese langanhaltend lichtecht sind. Für Innenverkleidungen oder Möbel kommen zahlreiche Thermoplaste infrage. Die Auswahl des geeigneten Werkstoffs wird durch die gewünschte Haptik, Kratzfestigkeit, Bruchfestigkeit oder die mögliche Einfärbung bestimmt. Fensterrahmenprofile Im Fensterbau haben Rahmen aus PVC-U vor Holz und Aluminium den größten Marktanteil. Andere Kunststoffe wie Polypropylen (PP), Acrylesterstyrolacrylnitril (ASA), Polyurethan (PUR) oder glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) spielen bislang nur eine Nebenrolle. Wegen der hohen Produktionsmengen steht gerade dieses Kunststoffhalbzeug häufig im Mittelpunkt der öffentlichen Diskussion um die Umweltwirkung von Kunststoffen in der Architektur (siehe Umweltwirkungen von Kunststof-

4 5 6

3

7 C 3.1 C 3.2 C 3.3 C 3.4 C 3.5 C 3.6

82

Sandwichplatte aus Polycarbonat (PC) Extrusion von Profilen Fensterprofil aus PVC Profil aus glasfaserverstärktem Kunststoff Rohre aus Acrylglas (PMMA) Überblick Kunststoffhalbzeuge

2

1

8

1 2 3 4 5 6 7 8

Schnecke Zylinder Heizung Trichter Granulat bzw. Pulver Getriebe Motor extrudiertes Profil C 3.2

Kunststoffhalbzeuge

C 3.3

fen, S. 124ff.). PVC-Fensterrahmen sind zwar ein typisches Produkt für den Wohnungsbau, wegen der großen Profilquerschnitte und geringer optischer und haptischer Qualitäten sind diese Produkte jedoch häufig architektonisch unbefriedigend. Die Querschnittsformen von Fensterrahmen wurden in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich weiterentwickelt, um ihre Wärmedämmung und Tragfähigkeit zu verbessern. Moderne PVC-Fensterrahmen (Abb. C 3.3) haben eine Vielzahl von Kammern, die durch dünne Stege voneinander getrennt sind. Dabei werden für eine bessere Tragfähigkeit teilweise Metallstäbe in das Profil eingebaut. Für größere Spannweiten der Rahmen sind PVC-Profile jedoch ungeeignet, da der unverstärkte Kunststoff keine ausreichende Materialsteifigkeit bietet. Im Vergleich zu den Stückkosten ist die Entwicklung und Anfertigung neuer Querschnittsformen für ein Bauvorhaben sehr aufwendig. Damit bleibt dem Planer kein Gestaltungsspielraum für neue Fensterprofile, er muss auf die verfügbaren Halbzeuge zurückgreifen. Fensterprofile werden durch kontinuierliche Extrusion als Meterware produziert. Die Profile haben in der Regel eine weiße Einfärbung. Nach der Extrusion muss das Halbzeug bis auf eventuelle Kaschierungen mit Dekorfolien oder Aluminiumblech nicht mehr nachbearbeitet oder beschichtet werden, was sich positiv auf die Wirtschaftlich- und Recyclingfähigkeit von Fensterprofilen auswirkt.

C 3.5

C 3.4

Die vorproduzierten Gummidichtungen aus EPDM haben je nach verwendetem Füllstoff eine schwarze oder graue Einfärbung. Sie werden unmittelbar nach der Extrusion des PVCs in die Profile eingebaut. Anschließend werden die Profile abgelängt und an die Fensterbauer geliefert, wo die weitere Verarbeitung erfolgt. Durch die Verwendung des thermoplastischen PVCs lassen sich die Profile einfach trennen und bearbeiten sowie an den Gehrungen verschweißen. Der Einbau der Beschläge erfolgt ebenfalls erst im Zuge der Endfertigung. Fertigung von Thermoplastprofilen Profile aus thermoplastischen Kunststoffen wie PVC oder PMMA werden meist extrudiert, die Bauteillänge ist damit frei einstellbar. Für kürzere Bauteile ist auch eine Spritzgussfertigung möglich (siehe Spritzguss, S. 92). Extrusion Die Extrusion von thermoplastischen Kunststoffen ist wegen des kontinuierlichen Fertigungsverfahrens bei großen Mengen eine sehr wirtschaftliche Produktionsmethode. Alle für thermoplastische Profile als auch Platten infrage kommenden Kunststoffe können gut extrudiert werden. Je nach Viskosität des Kunststoffs variieren die erzielbaren minimalen Wandstärken der Profile, bei Acrylglas beispielsweise sind die Stege dicker als bei Polycarbonat oder PVC. Die Querschnitte können durch geeignete

Formwerkzeuge frei gestaltet werden, die Kombination unterschiedlicher Kunststoffe mittels der sogenannten Coextrusion oder Hohlkammern sind dabei problemlos realisierbar. Das Formstück (Extrudat) muss jedoch prismatisch sein, also einen konstanten Querschnitt über die Länge der Platte bzw. des Profils aufweisen. Bei der Produktion wird der Extruder (Abb. C 3.2) mit dem Kunststoffgranulat bzw. bei PVC mit dem Pulver befüllt (beschickt), das aus dem bereits polymerisierten Thermoplast mit allen notwendigen Füllstoffen und Additiven besteht. Das Granulat wird im Extruder durch die Schnecke gefördert, verdichtet und aufgeschmolzen. Im Schneckengang erfolgen die Durchmischung der Kunststoffschmelze und der Aufbau des notwendigen Drucks für die Extrusion. Die Schmelze wird schließlich durch das Formwerkzeug gepresst. Dabei wird durch Lehren (Ausrichteeinheiten) oder über Unterdruck die Querschnittsform kontrolliert und ausgerichtet. Der Temperaturverlauf im Extruder und die Ausrichtung des Querschnitts sind je nach verwendetem Kunststoff unterschiedlich einzustellen und liegen im Erfahrungsbereich des Herstellers. Insbesondere die Fertigung eines verwindungsfreien, gleichbleibenden Querschnitts bedarf gewisser Erfahrungswerte. Ein zu dünnflüssiger Kunststoff würde nach der Formgebung wieder zusammenfallen, während mit einer zu dickflüssigen Schmelze die gewünschten dünnen Wandungen nicht aus-

Kunststoffhalbzeuge

Profile

Profile aus Thermoplasten • Acrylglasprofile (PMMA) • PVC-U Profile - Fensterprofile - transparente Profile

Platten Profile aus faserverstärktem Kunststoff

• einfache Konstruktionsprofile - GFK-Profile - CFK-Lamellen - CFK-GFK-Verbundträger • Integrierte Profile - Fensterprofile - komplexe Querschnitte - modulare Systeme

Platten aus Thermoplasten • Acrylglasplatten (PMMA) • Polycarbonat (PC) - Platten - Stegplatten - Sandwichplatten - modifizierte Polyester (PET, PET-G) • weitere Thermoplasten (PVC, PS, SAN)

Formteile

Verbundplatten

Formteile aus Thermoplasten und faserverstärkten Kunststoffen

• faserverstärkter Kunststoff (GFK, CFK) • Möbel und Innenausbau - Platten • technischer Ausbau - Sandwichplatten - Schalter - Planken - Dübel - Roste • Schicht- und Holzwerkstoffplatten • Holz-Kunststoff-Verbund • Mineralwerkstoffe aus PMMA /PC und Aluminiumhydroxid (ATH) C 3.6

83

Kunststoffhalbzeuge

führbar sind. Anschließend wird das Extrudat abgekühlt und auf die gewünschte Größe abgelängt. Durch Kombination mehrerer Extruder (Coextrusion) lassen sich Halbzeuge aus unterschiedlichen Kunststoffen oder eines Kunststoffs mit unterschiedlichen Additiven (z. B. Farbstoffen) herstellen. Dies kann eine transparente Stegplatte mit einer eingefärbten Deckschicht sein. Der Entwurf und die Herstellung des Formwerkzeugs ist allerdings mit einem erheblichen Aufwand verbunden, weshalb neue Querschnitte erst ab einigen Tausend Metern Produktionslänge wirtschaftlich sind. Profile aus faserverstärkten Kunststoffen

Profile aus faserverstärkten Kunststoffen eignen sich vor allem für tragende Konstruktionen. Im Bauwesen kommen bis auf wenige Ausnahmen Glasfaserverstärkungen zur Anwendung, sie sind relativ günstig und haben eine gute Beständigkeit. Kohlenstofffasern sind hingegen nur bei hochbelasteten Bauteilen wie Kabeln oder Verstärkungslamellen wirtschaftlich sinnvoll. Natur- oder Aramidfasern spielen derzeit quasi keine Rolle. Anordnung der Faserverstärkung Die Faserverstärkung wird bei pultrudierten Profilen hauptsächlich in Form von Langfasern (Rovings) (siehe Eigenschaften und Anwendung, S. 48f.) in Bauteillängsrichtung einge-

a

baut. An den Oberflächen der Profile sind zusätzlich Textile und Vliese angeordnet (Abb. C 3.8). Während die Rovings die Tragfähigkeit in Längsrichtung bestimmen, dienen die Außenschichten der Verbesserung der Querkrafttragfähigkeit und der Gestaltung einer ebenen Oberfläche. Bei Spezialprofilen kann die Menge der textilen Verstärkung überwiegen, wenn eine hohe Tragfähigkeit in Querrichtung erforderlich ist. Profilgrößen Je nach Hersteller sind bei Profilen Wandstärken zwischen 1,5 und 100 mm möglich. Dicken über 15 mm können jedoch problematisch werden, da die entstehende Reaktionswärme bei der Herstellung nicht abfließen und dadurch Zwängungsrisse entstehen können. Die Innenecken von pultrudierten Profilen sollten einen minimalen Ausrundungsradius von 5,0 mm haben, der jedoch nicht kleiner als die Wandstärke sein sollte. Derzeit sind je nach Hersteller Außenabmessungen von bis zu 1250 ≈ 650 mm möglich. Die Bauteillänge ist prinzipiell nicht nach oben begrenzt, da die Profile kontinuierlich produziert werden. Lagerware wird aber in der Regel auf 6 m abgelängt. Pultrudierte Profile sind stets prismatisch, haben also über die Länge einen konstanten Querschnitt. In der Regel sind sie gerade, mittlerweile können jedoch auch gekrümmte Stäbe gefertigt werden. [1] Der Einbau von Kabel-

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schächten, Kernmaterialien oder Längsrippen ist möglich, Querrippen können jedoch nicht hergestellt werden. Einfache Querschnittsgeometrien Die Querschnitte, die von den verschiedenen Hersteller angeboten werden, orientieren sich an der Formensprache des Stahlbaus (Abb. C 3.7 a – f, h, i). Normalkraft- und Biegetragfähigkeit dieser Träger sind mit Stahlprofilen vergleichbar. Wegen des deutlich geringeren E-Moduls sind die Verformungen jedoch wesentlich größer. Daher sind Konstruktionen aus diesen Profilen auch besonders stabilitätsgefährdet. Insbesondere I-Querschnitte müssen deshalb kontinuierlich gestützt werden, um ein Auskippen des Druckgurts zu verhindern. Darüber hinaus ist die geringe Tragfähigkeit der geschraubten Verbindungen nachteilig. Konstruktionen aus diesen Profilen werden in Kapitel »Konstruieren mit Kunststoffhalbzeugen« (S. 160ff.) behandelt. CFK-Profile Aufgrund des hohen Preises werden Profile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) nur in kleinen Abmessungen produziert und für hochbelastete Bauteile eingesetzt. Dies sind z. B. Verstärkungslamellen für die Betonsanierung (siehe Instandsetzung mit CFK-Lamellen, S. 92) oder Rohre aus geflochtenem CFK.

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p

1

3

C 3.8 b

C 3.7

Auswahl an pultrudierten Profilen aus faserverstärktem Kunststoff a Flachprofil b Vierkantrohr c L-Profil d I-Profil e Rohrprofil f U-Profil g Handlauf h T-Profil i Winkelprofil j Plankenprofil k Fensterrahmenprofil l Paneel m 45-Verbinder n Dreifach-Verbinder o Hängeschiene p Kopplung q, r Fahrbahndeck s CFK-GFK-Verbundträger C 3.8 schematischer Aufbau pultrudierter Profile 1 pultrudiertes Profil aus faserverstärktem Kunststoff 2 textile Verstärkungen, z. B. komplexe Matten, überlappend angeordnet 3 Langfasern (Rovings) C 3.9 Prismenglas aus Acrylglas (PMMA) C 3.10 Stegplatte aus Acrylglas (PMMA) C 3.11 Wellplatte aus Acrylglas (PMMA) mit profilierter Oberfläche

c q

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s C 3.7

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Kunststoffhalbzeuge

C 3.9

CFK-GFK-Verbundträger Um die Verformungen von GFK-Trägern zu reduzieren, wurden Träger in Mischbauweise entwickelt (Abb. C 3.7 s). Die für die Biegetragfähigkeit maßgebenden Flansche werden mit unidirektionalen Kohlenstofffasern verstärkt. Stege sowie die textile Verstärkung an der Oberfläche bestehen aus den kostengünstigeren Glasfaserprodukten. Dadurch ergibt sich ein optimierter Materialeinsatz und eine höhere Tragfähigkeit. Komplexe Querschnittsgeometrien Wird mit den vom Stahlbau inspirierten Profilen entworfen, entstehen meist sehr materialaufwendige und wenig werkstoffgerechte Konstruktionen. Aus diesem Grund wurden in den letzten Jahren die Querschnittsgeometrien kontinuierlich weiterentwickelt und anwendungsspezifische Halbzeuge ausgebildet (Abb. C 3.7 g, j, k). So werden die möglichen Gestaltungsspielräume besser ausgeschöpft, sowohl bei der Querschnittsform als auch hinsichtlich Materialkombinationen. Neben der Tragwirkung rücken weitere Funktionen in den Mittelpunkt. Bei Fensterprofilen ist z. B. nicht nur die Tragfähigkeit von Bedeutung, sondern auch die Anforderungen an die Wärmedämmung, denen durch Einfügen von Hohlkammern Rechnung getragen wird (Abb. C 3.7 k). Daneben ist bereits der Anschlag für die Glasscheibe integriert, um die Endmontage zu vereinfachen. Mehrzellige Profile erlauben eine bessere Materialausnutzung. Diese komplexen Querschnittsformen wären aus Stahl nicht realisierbar, die Vorteile von faserverstärktem Kunststoff werden hier gezielt umgesetzt. Modulare Systeme Aufgrund der produktionsbedingten Maximalgrößen von Pultrusionsquerschnitten wurden modulare Systeme entwickelt. Damit lassen sich auch großflächige Platten oder Verkleidungen aus kleineren Einheiten kombinieren (Abb. C 3.7 l – r). Die Module können gesteckt oder miteinander verklebt werden, wozu auch die für Brücken eingesetzten Fahrbahnplatten gehören (siehe Spezielle Halbzeuge im Ingenieurbau, S. 92f.). Daneben gibt es ebenfalls

C 3.10

Elemente mit Schnappverschlüssen zur zeitsparenden Montage. Fertigung von faserverstärkten Profilen Für die Fertigung von faserverstärkten Profilen spielt die Pultrusion die wichtigste Rolle. Rohre oder Hohlkörper hingegen werden gewickelt bzw. geflochten (siehe Fertigung, S. 78ff.) Serienfertigung Grundsätzlich besteht die Problematik, dass neue Querschnitte erst ab einer gewissen Mindestmenge wirtschaftlich produzierbar sind. Bei großen Querschnittsabmessungen ist eine Produktionslänge ab ca. 1000 m, bei kleinen Dimensionen wie Fensterprofilen bis zu 10 000 m erforderlich. Es ist daher nicht möglich, für jedes Bauvorhaben neue Querschnitte zu entwerfen, vielmehr muss auf verfügbare Elemente zurückgegriffen werden. Bei größeren Projekten kann jedoch eine kundenspezifische Produktion lohnenswert sein.

Platten Platten bzw. Scheiben sind für den Architekturbereich sicher die wichtigsten Kunststoffhalbzeuge. Dem Planer steht eine breite Produktpalette zur Verfügung, die Halbzeuge erfüllen dabei oft mehrere Funktionen und besitzen z. B. bereits integrierte Nut-Feder-Verbindungen oder Wärmedämmungen. Nicht alle im Folgenden beschriebenen Halbzeuge sind jedoch serienmäßig bei den Produzenten auf Lager und müssen in den gewünschten Eigenschaften teilweise erst angefordert werden. Vor allem faserverstärkte Kunststoffe wie GFK erlauben eine sehr breite Variabilität hinsichtlich Dicke, Farbe und Qualität, sodass eine Produktion auf Lager für die meisten Hersteller nicht sinnvoll ist. Plattenförmige Kunststoffhalbzeuge werden für Fassaden, Überdachungen, Möbel und im Innenausbau eingesetzt. Daneben kommen sie auch für Brüstungen, Innenverkleidungen, Sanitärräume oder Arbeitsplatten zur Anwendung. Plattenförmigen Halbzeuge aus Kunststoffen werden grundsätzlich in thermoplastische,

C 3.11

meist transparente Platten und in Verbundplatten unterteilt (Abb. C 3.6, S. 83). Erstere werden aus unterschiedlichen thermoplastischen Kunststoffen (z. B. Acrylglas und Polycarbonat) und in verschiedenen Geometrien hergestellt. Die Werkstoffeigenschaften dieser Halbzeuge sind vergleichsweise einheitlich. Bei Verbundplatten aus Kunststoff und Fasern bzw. mineralischem Zuschlagsstoff streuen die Eigenschaften je nach eingesetzten Komponenten wesentlich stärker. Es gibt Halbzeuge aus faserverstärkten Kunststoffen wie GFK und CFK sowie Schichtstoffplatten, HolzKunststoff-Verbundplatten oder Mineralwerkstoffplatten. Hinsichtlich ihrer Geometrie können faserverstärkte Bauteile wiederum in massive Platten, Sandwichplatten sowie Roste und Planken unterschieden werden. Platten aus Thermoplasten

Typische Anwendungen von Platten aus Thermoplasten sind Balkonüberdachungen, Bushaltestellen, Gewächshäuser oder Industriebauten. In den letzten Jahren werden auch zunehmend ganze Fassaden mit den meist transparenten Kunststoffen gestaltet, teilweise auch in Kombination mit integrierter Beleuchtung oder mit wärmespeichernden Materialien. Die auf dem Markt verfügbaren Kunststoffplatten sind sehr vielfältig hinsichtlich Material und Querschnitt. Mit Abstand am häufigsten werden Acrylglas (PMMA) und Polycarbonat (PC) eingesetzt. Daneben kommen für spezielle Anwendungen auch Platten aus glykolmodifiziertem Polyethylenterephthalat (PET-G), Polystyrol (PS), PVC und Styrolacrylnitril (SAN) zur Anwendung. Die Platten haben grundsätzlich eine hohe Transparenz, können aber auch farbig, milchig oder opak eingestellt werden. Es gibt massive, profilierte und hohlzellige Geometrien. In den letzten Jahren wurden große Fortschritte bezüglich UV-Stabilität und Erhöhung der Kerbschlagzähigkeit (Stoßfestigkeit) von Kunststoffen gemacht. Damit stehen heute widerstandsfähige Materialien auch für Außenanwendungen zur Verfügung. Insbesondere Acrylglas (PMMA) ist sehr lang anhaltend lichtecht, bei anderen Kunststoffen können stabilisierende Additive erforderlich sein.

85

Kunststoffhalbzeuge

C 3.12

Einsatzgebiete Kunststoffplatten sind im Vergleich zu mineralischem Glas vor allem dann von Vorteil, wenn ein geringes Eigengewicht gefordert ist oder Platten einfach oder doppelt gekrümmt einzubauen sind. Diese werden dann entweder vor der Verwendung warm umgeformt oder bis zu einem gewissen Grad auch in ihre Form gezwängt. Darüber hinaus ist das Gestaltungspotenzial von Kunststoffplatten vielfältiger als das von Glas. Häufig werden Kunststoffplatten dann eingesetzt, wenn mineralisches Glas zu spröde ist und gegen Stoßbelastungen nicht ausreichend schützen kann. Vor allem Polycarbonatplatten sind aufgrund ihrer hohen Duktilität gut für Schutzeinrichtungen geeignet (z. B. Brüstungen oder Berührschutz von Bahnanlagen). Außerdem können bereits Schnappverbindungen oder Aufkantungen für die Montage in die Platte integriert werden (Abb. C 3.14 und C 3.15). Nachteilig ist hingegen die je nach Werkstoff unterschiedlich stark ausgeprägte Kratzempfindlichkeit der gebräuchlichen thermoplastischen Kunststoffe. Durch spezielle Polituren können verkratzte Oberflächen jedoch wieder erneuert werden, dabei sind für die einzelnen Materialien meist unterschiedliche Produkte zu verwenden. Thermisches Verhalten Bei der Konstruktion unbedingt zu berücksichtigen ist das hohe Wärmeausdehnungsverhalten transparenter Kunststoffplatten. Eine Fassadenplatte von 2 m Länge kann z. B. temperaturbedingte Differenzverformungen von 10 mm aufweisen. Bohrlöcher oder Klemmungen müssen daher einen ausreichenden Verformungsspielraum ermöglichen, um Schäden aus Temperaturlasten vorzubeugen. Mechanische Eigenschaften Kunststoffplatten sind kein Ersatzwerkstoff für mineralisches Glas, da sich beide Werkstoffe hinsichtlich Verarbeitung und Anwendung erheblich unterscheiden. Relativ vergleichbar sind die Zug- bzw. Biegezugfestigkeiten von Platten aus PMMA bzw. PC und die von Glas, wobei die Kunststoffe eher höhere Kennwerte haben. Das Eigengewicht von

86

C 3.13

C 3.14

mineralischem Glas ist jedoch mehr als doppelt so hoch als das der hier beschriebenen Kunststoffe, andererseits hat Glas einen um den Faktor 25 bis 30 höheren E-Modul (Abb. C 3.18). Vergleicht man exemplarisch massive, gleich dicke Platten aus Glas mit PMMA bzw. PC, lassen die Kunststoffplatten aufgrund ihrer Verformungsbegrenzung nur etwa ein Drittel der Spannweite von Glas zu. Alternativ müssten die Kunststoffplatten die dreifache Dicke der Glasplatte aufweisen, um die gleiche Spannweite zu erreichen. Daher werden Kunststoffplatten häufig als Stegplatten ausgeführt, um Gewicht zu sparen und gleichzeitig die Steifigkeit zu erhöhen.

bonat, es treten beim Bruch jedoch keine scharfkantigen Splitter auf. Wegen der geringeren Härte ist Acrylglas kratzempfindlicher als Polycarbonat. Massive Platten werden gegossen oder extrudiert, wobei gegossenes Acrylglas bessere Umformeigenschaften und höhere Festigkeitswerte besitzt. Darüber hinaus liegen die Gebrauchstemperaturen höher und es verfügt über ein besseres Brandverhalten als extrudiertes Material. Die Platten werden standardmäßig mit Dicken von 1,5 bis 120 mm produziert, die Maximalabmessungen betragen dabei ca. 2 ≈ 3 m für massive Platten. Profilierte Platten oder Stegplatten können nur extrudiert werden. Die Bearbeitung der Halbzeuge ist mit Holzbauwerkzeugen möglich, das Material neigt jedoch zu Spannungsrissen. Daher sollten Ecken und Einkerbungen möglichst ausgerundet werden. Abb. C 3.17 zeigt die Fertigung eines Fassadenelements, das mit einer CNC-Fräse aus gegossenen Massivplatten geformt wird. Zum Bohren, Trennen oder Fräsen sollten speziell geschliffene Werkzeuge und Sägen mit hoher Drehzahl verwendet werden. Andernfalls kann Acrylglas einreißen oder lokal schmelzen. Die Halbzeuge können mit Acrylatklebstoffen sehr gut verklebt werden, bei guter Verarbeitung sind die Fugen nahezu unsichtbar. Massives Acrylglas lässt sich bei 150 °C (extrudiert) bzw. 160 °C (gegossen) tiefziehen (siehe Umformen, S. 172f.). Auch durch wiederholtes Umformen werden weder Festigkeitseigenschaften noch die Transparenz beeinträchtigt, Acrylglas ist daher auch sehr gut recyclebar.

Wärmedämmung Die Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffe PMMA und PC liegt bei etwa einem Fünftel von Glas, was die Konstruktion einer Fassade mit ausreichender Wärmedämmung wesentlich begünstigt. Da Kunststoffe im Gegensatz zu Glas nicht gasdicht sind, ist jedoch die Füllung der Hohlkammern mit Edelgasen zur Verbesserung der Wärmedämmung nicht möglich (siehe Transparente Wärmedämmung, S. 112f.). Acrylglasplatten (PMMA-Platten) Platten aus Acrylglas werden schon seit den 1960er-Jahren in der Architektur eingesetzt. Das Material wird vor allem für massive Plattenware verwendet (Abb. C 3.9, S. 85), aber auch für Stegplatten (Abb. C 3.10, S. 85), Rohre oder profilierte Querschnitte (Abb. C 3.11, S. 85). Dabei sind die Stegdicken größer als bei Polycarbonat. Der thermoplastische Kunststoff lässt sich unter Wärmeeinwirkung umformen. Er hat eine höhere Lichttransmission als mineralisches Glas, kann aber auch eingefärbt, satiniert oder opak ausgeführt werden. Acrylglas ist durchlässig für UV-Licht, weshalb es auch für Gewächshäuser eingesetzt wird (siehe Abb. C 6.32, S. 116), allerdings gibt es auch Platten mit UV-Schutz. Im Vergleich zu anderen Kunststoffen ist Acrylglas sehr dauerhaft und lichtecht, es trübt auch bei anhaltender UVStrahlung nicht ein. Für besondere Anforderungen sind schwer entflammbare Platten verfügbar. Acrylglas ist spröder als Polycar-

Polycarbonatplatten (PC-Platten) Polycarbonat (siehe Polycarbonat, S. 42) ist in seinen optischen und mechanischen Eigenschaften mit Acrylglas vergleichbar. Platten aus PC werden dann eingesetzt, wenn eine erhöhte Temperaturbeständigkeit oder ein duktiles Bruchverhalten gefordert ist. Die hohe Kerbschlagzähigkeit des Werkstoffs – auch unter tiefen Temperaturen – ist ein entscheidendes Argument für den Einsatz bei Schutzeinrichtungen. Im Gegensatz zum Acrylglas wird Polycarbonat meist nicht massiv, sondern als Hohlkammerplatte verarbeitet (Abb. C 3.14).

Kunststoffhalbzeuge

Vorteilhaft ist die niedrige Viskosität des Materials während der Verarbeitung, die sehr dünne Wandstärken zulässt. Typische Stegplatten haben zwischen zwei und sechs nebeneinander angeordnete Ebenen orthogonaler Hohlkammern. Im Gegensatz zu massiven Platten kann dabei die Tragfähigkeit und Steifigkeit wesentlich verbessert werden, außerdem wirken die Hohlkammern als Wärmedämmung. Daneben wurden in den letzten Jahren auch Platten mit x-förmig angeordneten Stegen entwickelt, um die Wärmedämmeigenschaften weiter zu optimieren (Abb. C 3.13). Die optische Qualität und Transparenz von PC ist etwas geringer als die von Acrylglas. Die zulässigen Umgebungstemperaturen liegen über denen von Acrylglas. Auch die Brandeigenschaften sind meist besser, schwer entflammbare Polycarbonatplatten sind standardmäßig lieferbar. Der Werkstoff hat eine gute Dauerhaftigkeit. Um eine anhaltende Lichtechtheit zu erzielen, sind jedoch zusätzliche Additive erforderlich. Für Außenanwendungen sollten Platten mit außenseitig aufgebrachtem UV-Schutz eingesetzt werden. Polycarbonat hat eine für Kunststoff gute Kratzfestigkeit. Stegplatten aus Polycarbonat werden durch Extrusion hergestellt (siehe Extrusion, S. 83). Dabei besteht durch Coextrusion die Möglichkeit, die Deckplatte einer Stegplatte aus einem eingefärbten Polycarbonat zu gestalten, mit UV-Schutz zu beschichten oder eine wasserabweisende Oberflächenstruktur zu applizieren. Die Verarbeitung von Polycarbonat ist mit handelsüblichem Werkzeug möglich und gestaltet sich unproblematischer als die von Acrylglas, da es weniger spröde und empfindlich gegen Spannungsrissbildung ist. Verklebungen sind mit Silikon- oder Lösungsmittelklebstoffen durchführbar. Das Umformen von Polycarbonat ist aufwendiger als bei Acrylglas, da das Material zunächst mehrere Stunden bei ca. 110 °C getrocknet werden muss und die Umformtemperatur mit 180 – 210 °C relativ hoch liegt. Weil das Material schnell auskühlt, sollte auch das Formwerkzeug selbst beheizt sein. Sandwichplatten aus Polycarbonat (PC) Die Polycarbonat-Zwischenschicht von sogenannten kerngezogenen Sandwichplatten (Abb. C 3.12 und C 3.16) wird nicht extrudiert, sondern als Platte zwischen zwei beheizte Werkzeuge gelegt und von diesen zu einer dreidimensionalen Struktur gezogen. Anschließend werden Deckplatten aus PC oder PMMA auflaminiert bzw. geschweißt.

Platten aus Polyethylenterephthalat (PET) Für transparente Platten werden auch andere Polyester verwendet, die grundsätzlich ähnliche Werkstoffeigenschaften wie Polycarbonat haben, das ebenfalls zur Gruppe der Polyester zählt (siehe Polyester, S. 42). Amorphes PET und das glykolmodifizierte Copolyester PET-G haben deutlich niedrigere Umformtemperaturen als ihre Ausgangsprodukte sowie eine hohe dauerhafte Transparenz. Diese Werkstoffe ergänzen die Produktpalette der PolycarbonatHalbzeugen dort, wo massive Platten mit duktilem Verhalten und guter Warmumformbarkeit gewünscht werden. Die Transparenz von PET und PET-G ist auch nach mehrfachem Umformen sichergestellt. Beide Modifikationen haben wesentlich niedrigere Gebrauchstemperaturen (ca. 65 °C) als Polycarbonat und sind außerdem weniger duktil als dieses. Massive Platten aus amorphem PET und dem Copolyester PET-G werden extrudiert. Die Bearbeitung ist mit der von Polycarbonat vergleichbar. Das Warmumformen ist insbesondere bei PET-G schnell und zuverlässig durchführbar. Es ist kein Vortrocknen erforderlich, die Umformtemperaturen liegen bei 100 –160 °C. Amorphes PET kann auch umgeformt werden, muss aber rasch abgekühlt werden, um einen Verlust der Transparenz zu vermeiden.

C 3.15

Weitere thermoplastische Werkstoffe Für untergeordnete Bauteile oder spezielle Anwendungen können auch andere Thermoplaste für Plattenhalbzeuge zum Einsatz kommen. Platten aus Polyvinylchlorid (PVC), Polystyrol (PS) oder Styrolacrylnitril (SAN) sind in der Regel weniger dauerhaft und lichtecht, jedoch meist preisgünstiger als die oben beschriebenen Kunststoffe. Für Außenanwendungen müssen diese Materialien zusätzlich gegen UVStrahlung stabilisiert werden, vor allem PS ist dafür nur sehr bedingt geeignet. Die Festigkeit und Materialsteifigkeit von PS und SAN sind jedoch mit den vorher genannten Werkstoffen vergleichbar. Für sekundäre Bauteile wie Überdachungen von Werkshallen oder Behelfsbauten stellen z. B. Wellplatten aus transparentem PVC eine kostengünstige Alternative dar. Infolge dauerhafter UV-Belastung nimmt allerdings die Transparenz des Werkstoffs ab, er wird matt. Massive Platten aus PS und SAN lassen sich gut umformen und sind daher für Innenausbauten z. B. im Sanitärbereich geeignet. Fertigung von unverstärkten Platten Platten aus unverstärkten Kunststoffen werden entweder gegossen oder extrudiert.

C 3.16

C 3.17

C 3.12 C 3.13

C 3.14

[g/cm3]

Zugfestigkeit [N/mm2]

Zug-EModul [N/mm2]

Wärmeausdehnungskoeffizient [10 -6/K]

Wärmeleitfähigkeit [W/mK]

Acrylglas (PMMA)

1,19

50 – 77

1600 – 3600

70 – 90

0,18

Polycarbonat (PC)

1,20

56 – 67

2100 – 2400

60 – 70

0,21

Floatglas

2,50

45

70 000

9

1,00

Werkstoff

Dichte

C 3.15 C 3.16 C 3.17 C 3.18

Sandwichplatte aus Polycarbonat (PC) Stegplatte aus Polycarbonat mit x-förmig angeordneten Stegen für einen optimierten Wärmeschutz Stegplatte aus Polycarbonat mit integrierter Schnappverbindung Stegplatte aus Polycarbonat (PC) mit integrierter Aufkantung kerngezogene Sandwichplatte aus Polycarbonat (PC) Bearbeitung einer gegossenen PMMA-Platte mit CNC-Fräse Eigenschaften von Acrylglas und Polycarbonat im Vergleich zu mineralischem Floatglas

C 3.18

87

6

Kunststoffhalbzeuge

32

a

16

l

16

32

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55

20

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d

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e

Extrusion Profilierte Halbzeuge und Stegplatten werden extrudiert, das Fertigungsverfahren entspricht der Herstellung von Profilen aus Thermoplasten (siehe Extrusion, S. 83). Stegplatten mit unterschiedlich eingefärbten Lagen werden coextrudiert. Verbundplatten

40

70

f

g

Gießen Thermoplastische Kunststoffe können im Allgemeinen nur im unvernetzten Zustand gegossen werden, da sie nur dann ausreichend dünnflüssig sind. Vor allem die Herstellung von Platten aus Acrylglas (PMMA) erfolgt häufig im Gussverfahren. [2] Bei der »In-situ-Polymerisation« werden die Monomere und Initiatoren des Kunststoffs in eine Form gefüllt, anschließend wird der Reaktionsmechanismus durch Wärmezufuhr angeregt. Wird das Acrylglas zwischen zwei parallelen Glasplatten eingefüllt, lässt sich eine sehr gute Oberflächenqualität erzielen. Gegossenes PMMA hat höhere Festigkeiten und eine bessere Temperaturbeständigkeit als extrudiertes Material.

40

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o

40

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20

40

70

h

Sind die mechanischen oder haptischen Eigenschaften von Kunststoffen für die beabsichtigte Anwendung nicht ausreichend, können sie mit anderen Materialien oder Fasern zu einem Verbundwerkstoff (Composite) kombiniert werden. Dadurch lassen sich folgende Verbesserungen erzielen: • Erhöhung der Tragfähigkeit und Reduktion der Verformungen • Verbesserung der Wärmedämmeigenschaften • Erhöhung der Oberflächenhärte (Kratzfestigkeit) • erweitertes Gestaltungspotenzial

40

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j

k

p C 3.19

C 3.19

88

verschiedene Plattenhalbzeuge (entsprechende Kennwerte siehe Abb. C 3.20) a zweischalige Wellplatte (PC) b dickwandige Stegplatte (PMMA) c, d dünnwandige Stegplatten (PC) e dünnwandige Stegplatte (PMMA) f dünnwandige Stegplatten (PC) g Stegplatte mit integrierten Verbindungsmitteln (PC) h Stegplatte mit integrierten Verbindungsmitteln (PVC + PMMA)

C 3.20

i Stegplatte aus GFK j Stegplatte mit GFK-Deckschichten, Acrylglasstegen und Folieneinlagen k – m spezielle Stegplatten für den Wärmeschutz (PC) n Stegplatte aus GFK, mit Aerogel gefüllt o, p Sandwichpaneele mit GFK-Deckplatten und Dämmeinlagen verschiedene Kennwerte zu Plattenhalbzeugen

Durch die Kombination des Kunststoffs mit Fasern, Papier, Holz, Schaumstoff oder mineralischen Zuschlägen sind Verbundplatten meist opak. Lediglich der Verbund aus Glasfasern und Kunststoff kann bis zu einer gewissen Materialstärke transluzent sein (Abb. C 3.19 n – p), vollständig transparente Verbundplatten sind jedoch nicht möglich. Wird eine bedruckte Folie als Zwischenlage eingelegt, schimmert diese durch den Kunststoff und ist von außen sichtbar. Faserverstärkter Kunststoff (GFK und CFK) Die grundsätzlichen Werkstoffeigenschaften und die Produktion von glas- und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff sind im Kapitel »Faserverstärkte Kunststoffe« (S. 76ff.) erläutert. Für plattenförmige Halbzeuge werden in der Regel duroplastische Kunststoffe (Harze) eingesetzt, da diese einen gleichmäßigen Verbund mit den Fasern erlauben. Meist verwendet man dabei die kostengünstigeren Glasfaserverstärkungen (GFK). Zur Erhöhung der Tragfähigkeit oder der Wärmedämmeigenschaften werden faserverstärkte

Lichttransmission 1 [%]

Schalldämmmaß 1 R'w [db (A)]

Brandschutzklasse

1,5 – 25

2050

3050

4,8

5,4

85

92

26

B2

Plexiglas GS, gegossen, UV-durchlässig

2 – 160

2050

3050

4,8

5,4

85

92

26

B2

PC

Bayer Sheet Europe

Makrolon GP, schlagzäh, farblos

0,75 – 15

2050

3050

4,9

87

B1

PETG

Simona

Simollux bruchfest, Tiefziehen ohne Vortrocknung

1 – 15

2050

3050

5,1

90

B1

PET

Thyssen Schulte

Nudec PET-UV grafittsicher, steifer als PETG, UV-Schutz

4

2050

3050

5,3

89

B1

PVC

Simona

Simona PVC-Glas-SX transparent erhöht schlagzäh, für Einsatz im Freien ungeeignet

0,8 – 15

1500

3000

5,3

5,1

84

B1

GFK

Fiberline

Pultrudiertes GFK ebene Platten, opak

1,5 – 25

500

6000

5,6

5,5

B2

GFK

Lamilux

Lamilux plan transluzent oder gefärbt

0,8 – 5

3200

12 000

5,6

5,5

B2

Mineralwerkstoff

DuPont

Corian

4 – 19

930

3658

6,8

Mineralwerkstoff

LG Chem Europe

Hi-Macs

4 – 12

910

3680

6,8

PMMA

Evonik Röhm

Plexiglas resist farblos C struktur 76/18 erhöht schlagzäh, Designstruktur

3

1045

4000

4,0

PC

Bayer Sheet Europe

Makrolon onda multi longlife 2/177-51 gewellte Stegplatte, biegesteif, UV-Schutz

5

1097

7000

2,0

PVC

Solvay

Ondex, Sollux, 76/18 leicht, kostengünstig, einfache Verarbeitung

1,2

988

6000

GFK

Scobalit

verschiedene Wellen und Trapezformen passend zu opaken Profilen anderer Hersteller

0,9

3000

PMMA

Evonik Röhm

Plexiglas Alltop farblos, UV-durchlässig, No-Drop

b

16

PMMA

Evonik Röhm

Plexiglas Heatstop, opal oder blau, No-Drop-Schicht, reflektiert IR-Strahlung, UV-undurchlässig

e

PC

Brett Martin

Marlon CST, gewellte Stegplatte

PC

Bayer Sheet Europe

Makrolon multi UV 3X/16-25 farblos, UV-undurchlässig

PC

Bayer Sheet Europe

PC

Gewicht [kg/m2]

max. Länge [mm]

Plexiglas XT, extrudiert, UV-durchlässig

Evonik Röhm

max. Breite [mm]

Evonik Röhm

verfügbare Dicken [mm]

Produktname

Material

Querschnitte (Abb. C 3.19)

Hersteller

Energiedurchlassgrad 1 g [%]

Wärmedurchgangskoeffizient 1 [W/m2K]

Kunststoffhalbzeuge

massive Platten PMMA

B1 5,6

B1

Wellplatten 88

B2

77

B2

2,0

80

B1

2000

20

89

B2

1200

7000

5,0

2,5

91

82

22

B2

16 / 32

1230

7000

5,7

1,6

30

40

24

B2

a

6

1152

2,0

3,3

c

16

2100

15 000

2,5

2,0

62

66

18

B2

Makrolon multi UV 6/20-20 farblos, UV-undurchlässig

d

20

2100

14 000

3,1

1,7

57

58

21

B2

Brett Martin

Sevenwall (Seven) Marlon ST, 7-fach Stegplatte

f

32

2100

3,6

1,3

PC

Rodeca

PC 2540-6, opal antiblend Nut und Feder-Verbindung, zweifarbig möglich

g

40

500

11 000

4,2

1,2

45

45

22

B 2, B1

PC

Bayer Sheet Europe

Makrolon multi UV 5M/40 – 20, UV-undurchlässig

k

40

1230

6000

4,2

1,0

47

47

19

B2

PC

Brett Martin

Marlon, XX wall, diagonal angeordnete Stege

l

32 / 35

2100

3,8

1,4

64

m

32 / 55

1,1

54

3,7

78

Stegplatten

PC

Brett Martin

Marlon, Tenwall, komplexer Stegaufbau

PC

Rodeca

Multi-Funktions-Paneele

PVC

Rodeca

PVC 2340-3 mit koextrudierter UV-Schutzschicht aus Acryl

GFK

Scobalit

Lichtelemente biegesteif durch Diagonalstege

GFK

Butzbach

Varioplan plus, Farbton Brillant klares Material, Kristallstruktur, 3 Farben

GFK

Butzbach

Varioplan plus, Farbton Brillant mit 2 Zwischenfolien

j

GFK

Scobalit

Scobatherm Nanogel transluzent Aerogelgranulatfüllung, F 30

n

GFK

JET

Grillodur zweischalig naturton GFK-Platte auf Aluprofil geklebt, begehbar

GFK

JET

Grillodur mit Glasgespinsteinlage erhöhter Schall-, Wärmeschutz, Lichtstreuung

GFK

Scobalit

Scobatherm Monifex Füllmaterial: gefaltete Folien aus pflanzlicher Zellulose

GFK

Fiberline

Fassadenplanken, transluzent

1

3,6

79

64

10

630

2,9

h

40

300

11 000

5,5

1,7

67

21

B1

i

20 / 40

2400

8000

5,3

2,6

78

20

B 2, B1

40

486

15 000

11,0

2,6

42

78

25

B2

40

486

15 000

11,0

1,2

42

63

27

B2

50 / 70

1,25

0

12,0

0,4

26

23

27

B1

70

2000

5600

8,0

1,6

69

77

25

B2

o

70

1200

8000

10,0

0,6

46

51

34

B2

p

85

935

3000

5,7

0,6

48

39

28

B1

40

500

6000

8,2

B1

Diese Werte wurden bei den massiven Platten für eine Plattendicke von 4 mm berechnet, bei den Stegplatten für den jeweils kleineren Wert. C 3.20

89

Kunststoffhalbzeuge

Platten auch als Sandwichbauteile mit leichter Kernschicht oder als Planken mit Verstärkungsrippen verarbeitet. Roste hingegen kommen dann zum Einsatz, wenn eine Platte mit nicht geschlossener Oberfläche erforderlich ist.

C 3.21

C 3.22

C 3.23

Sandwichplatten Platten unter Biegebeanspruchung haben die höchsten Spannungen an den Oberflächen und eine geringere Ausnutzung im mittleren Bereich. Massiver GFK oder CFK mit bis zu 2,0 g/cm3 ist im Vergleich zu anderen Kunststoffen relativ schwer, außerdem ist die Herstellung dicker Laminate über 15 mm technologisch aufwendig. Aus diesen Randbedingungen ergeben sich enge Grenzen für realisierbare Spannweiten. Sandwichkonstruktionen ersetzen die wenig ausgenutzte Kernschicht durch ein leichteres Material mit geringerer Tragfähigkeit, so kann das gesamte Sandwichelement wesentlich dicker konstruiert werden als ein massives Bauteil. Typische Kernmaterialien sind Schäume, Wabenstrukturen oder Abstandsgewebe (siehe Kernmaterialien, S. 72ff.). Sandwichplatten werden eingesetzt, wenn eine hohe Steifigkeit der Platte erforderlich ist, z. B. für druckbeanspruchte Schalen, bei großen Spannweiten oder für Platten mit konzentrierten Einzellasten wie im Brückenbau. Leichte Kernschichten haben darüber hinaus eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Es ist auch möglich, hohlzellige GFK-Elemente mit wärmedämmenden oder -speichernden Materialien zu füllen (Abb. C 3.21 und C 3.26). Planken Planken sind Platten, die einseitig mit Verstärkungsrippen versehen sind. Ihre Produktion ist gegenüber der von Sandwichplatten wesentlich vereinfacht, da kein Materialmix verarbeitet wird. Die Stege sind meist parallel orientiert, damit ist eine automatisierte Fertigung durch Pultrusion möglich. Eine Weiterentwicklung sind Stegplatten mit geschlossenen Zellen, wie sie auch für transparente Kunststoffe gebräuchlich sind. Wegen der Faserverstärkung haben die Stege jedoch eine Mindestdicke von ca. 2 mm. Planken und Stegplatten werden für Fassadenverkleidungen (Abb. C 3.23) oder Bodenbeläge von Fußwegen eingesetzt. Diese Bauart liefert jedoch keine nennenswerte Verbesserung der Wärmedämmeigenschaften. Roste Eine Sonderform der Plattenwerkstoffe sind Roste oder Gitterplatten, die keine geschlossene Oberfläche haben. Dabei werden Langfasern (Rovings) in eine Form gelegt und mit dem Kunstharz vergossen. Da die einzelnen Rippen hochkant orientiert sind, wird die Tragfähigkeit erhöht. Roste können jedoch nicht kontinuierlich gefertigt werden, sondern werden großformatig gegossen. Typische Anwendungen sind z. B. Gehflächen in Industrieanlagen oder Geländerfüllungen (Abb. C 3.24).

C 3.24

90

Schicht- und Holzwerkstoffplatten Neben einer Faserverstärkung werden duroplastische Kunststoffe auch in Kombination mit anderen Werkstoffen wie Holz oder Papier verarbeitet. Dabei kommen vor allem Kunstharze wie Melaminharz (MF), Harnstoffharz (UF) oder Phenolharz (PF) zur Anwendung. Diese sind zwar eher spröde und haben geringere Festigkeiten als die für Faserverbundbauteile üblichen Kunststoffe, in Kombination mit Holzwerkstoffen und Papier liefern sie jedoch sehr gute Ergebnisse. Außerdem können Holz und Papier die bei diesen Harzen entstehende Feuchtigkeit während der Härtungsreaktion (Polykondensation) aufnehmen. Formmassen aus Holzspänen und Phenolharz werden schon seit Beginn des 20. Jahrhunderts industriell verarbeitet. Höhere Festigkeiten liefert Kunstharzpressholz, das aus dünnen Furnierholzschichten und Kunstharz verpresst wird. Hier spielt der verbindende Kunststoff jedoch nur eine untergeordnete Rolle. Holzwerkstoffplatten sind im Vergleich zu Holz vergleichsweise witterungsstabil und erreichen für Holzwerkstoffe sehr hohe Festigkeiten. Die Formmassen und das Kunstharzpressholz werden im Möbelbau, aber auch für industrielle Anwendungen eingesetzt. Alle Schicht- und Holzwerkstoffplatten werden während der Härtungsreaktion gepresst, um eine Blasenbildung und Hohlräume zu verhindern. Dabei sind neben ebenen Platten auch gekrümmte Bauteile mit entsprechenden Formwerkzeugen realisierbar. Häufig kommen für gestalterische Aufgaben bedruckte Dekorpapiere zum Einsatz. Diese werden mit Melaminharz getränkt und zu Laminaten verpresst. Wegen der Verwendung von Pheno- bzw. Aminoplasten sind Schichtstoffplatten meist spröde, was bei der Verarbeitung zu beachten ist. Holz-Kunststoff-Verbundplatten Im Gegensatz zu den bekannten PhenolharzFormmassen wird bei den sogenannten Wood Plastic Composites (WPC) das Holzfasermehl in eine thermoplastischem Matrix eingebaut. Gebräuchlich sind Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PE). Der Holzmehlanteil beträgt häufig zwischen 50 und 80 Gew.-%. Im Gegensatz zu Holz sind diese Bauteile frei formbar und wasserfest. [3] Andererseits ist das gebundene Holz nicht mikroben- und nur bedingt temperaturbeständig. WPCs werden unter anderem als hohlzellige Platten für Fassadenverkleidungen eingesetzt (Abb. C 3.25). Die Fertigung erfolgt durch Extrusion, Pressen oder Spritzguss. Zu weiteren naturfaserverstärkten Kunststoffen siehe Kapitel »Naturfaserverstärkte Kunststoffe und Biokunststoffe« (S. 60ff.). Mineralwerkstoffe Mineralwerkstoffe sind Verbundmaterialien aus thermoplastischen Kunststoffen wie Acrylglas (PMMA) oder Polycarbonat (PC) und mineralischen Zuschlägen. Traditionell werden die Mineralwerkstoffplatten im Sanitärbereich oder als Arbeitsplatten in Küchen eingesetzt, finden

Kunststoffhalbzeuge

C 3.21 C 3.22 C 3.23 C 3.24 C 3.25 C 3.26 C 3.27

transluzentes Fassadenpaneel aus glasfaserverstärktem Kunststoff mit Aerogelfüllung transparente Stegplatte aus glasfaserverstärktem Kunststoff Fassadenplanke aus transluzentem, glasfaserverstärktem Kunststoff Rost aus glasfaserverstärktem Kunststoff Holz-Kunststoff-Verbundplatte Verbundplatte mit Wabenkern aus Zellulose Spritzgussanlage C 3.25

aber auch zunehmend für die Innenraumgestaltung oder Fassadenverkleidung Verwendung. Das Erscheinungsbild wird durch die gewählten Farbmittel und Zuschlagstoffe bestimmt. Durch den mineralischen Zuschlag erhält das Material eine für Kunststoffe sehr hohe Oberflächenhärte und einen entsprechend hohen E-Modul. Eine zusätzliche Beschichtung ist nicht erforderlich, dies hat den Vorteil, dass Kratzer oder kleinere Abplatzungen kaum wahrnehmbar sind. Eine sichtbar verkratzte Oberfläche wird abgeschliffen und neu poliert. Wegen des enthaltenen thermoplastischen Kunststoffs sind die Platten grundsätzlich hitzeempfindlich. Die Zuschläge machen bis zu 90 Gew.-% (bzw. 80 Vol.-%) des Verbundwerkstoffs aus, weshalb sich der Name Mineralwerkstoff durchgesetzt hat. Typischer Zuschlagstoff ist Aluminiumhydroxid (ATH), zugleich ein geläufiges Flammschutzmittel, das daher für den Mineralwerkstoff auch feuerhemmend wirkt. Das zähflüssige Gemisch aus Kunststoff, Zuschlag und Additiven wird auf Platten gegossen, auf die gewünschte Stärke abgezogen und gewalzt. Mineralwerkstoffe sind zwar grundsätzlich recyclingfähig, werden aber derzeit nicht großflächig wiederverwertet. Dies liegt unter anderem an den unterschiedlichen Farbpigmenten und Füllstoffen, die von den Herstellern eingesetzt werden. Die Halbzeuge können gestoßen, verklebt oder verschweißt werden, womit auch große Flächen ohne sichtbare Fugen ausführbar sind. Da thermoplastische Kunststoffe zum Einsatz kommen, sind die Platten bei der Verarbeitung warmumformbar. Üblicherweise werden aus Kostengründen dünne Platten bis 10 mm Stärke produziert und auf Holzspanplatten verklebt. Dickere Platten können durch eingeklebte Gewindemuffen an einer Unterkonstruktion befestigt werden (siehe Platten, S. 168f.). [4]

der späteren Verwendung angepasst. Idealerweise erfordert ein Formteil nach der Fertigung keine weiteren Bearbeitungsschritte und kann direkt eingesetzt werden. Die bedeutendste Gruppe der Formteile sind Spritzgussbauteile aus thermoplastischen Kunststoffen. Daneben lassen sich auch faserverstärkte Kunststoffe zu Formteilen laminieren. Ab einer gewissen Gebäudegröße kann es wirtschaftlich sein, Formteile für das Bauvorhaben neu zu entwerfen. Die werkstoffgerechte Gestaltung von Formteilen ist von vielen Faktoren abhängig. Im Kapitel »Konstruieren mit frei geformten Kunststoffen« (S. 174ff.) wird ausführlich auf entsprechende Konstruktionsregeln eingegangen. Thermoplastische Formteile

Für Alltagsgegenstände und viele technische Bauteile kommen Kunststoffe am häufigsten als frei geformte Halbzeugen zum Einsatz. Im Bauwesen finden Halbzeuge aus Spritzguss oder Blasformen vor allem für den Innenausbau und für die technische Ausrüstung Verwendung, da nur kleinere Elemente mit relativ geringer Tragfähigkeit mit diesen Verfahren herzustellen sind. So werden Lichtschalter, Dübel oder Möbel beispielsweise im Spritzgussverfahren gefertigt. Formteile erlauben eine besonders hohe Funktionsintegration, es sind beinahe alle komplexen Formen realisierbar. Die Gestaltungsmöglichkeiten, die Kunststoffe im Allgemeinen 1 Schließeinheit 2 Spritzeinheit (Extruder) 3 Maschinenbett

5

C 3.26

bieten, können hier vollständig umgesetzt werden. Bei Serienfertigung ist das Spritzgussverfahren wirtschaftlich und liefert hochwertige Ergebnisse. Fertigung thermoplastischer Formteile Im Allgemeinen ist der Spritzguss die häufigste Produktionsart in der Kunststoffindustrie. [5] Das Hohlblasen kommt für dünnwandige Hohlkörper infrage und entspricht im Wesentlichen dem Extrusionsblasen von Folien (siehe Extrudieren, S. 95). Daneben können Formteile durch Warmumformen aus ebenen Platten gewonnen werden (siehe Warmumformen, S. 172f.). Spritzguss Spritzgießen liefert sehr gute Oberflächenqualitäten und eine gute Maßhaltigkeit, in der Regel ist eine Nachbearbeitung nicht erforderlich. Die Spritzgussmaschine (Abb. C 3.27) setzt sich aus Spritz- und Schließeinheit mit Formwerkzeug zusammen, wobei erstere im Aufbau einem Extruder ähnelt (siehe C 3.2, S. 82). Bei der Fertigung wird das Kunststoffgranulat bzw. -pulver in den Schneckengang eingezogen, homogenisiert und durch Wärmezufuhr plastifiziert. Die Schnecke wird beim Einspritzvorgang horizontal nach vorne gedrückt und wirkt damit als Kolben. Dadurch wird der plastifizierte Kunststoff durch die Düse zum Formwerkzeug gepresst. Die Schließeinheit liefert

4 Formwerkzeug 5 Antrieb 6 Granulat bzw. Pulver

6

2

4

1

Formteile Formteile sind Halbzeuge bzw. Produkte mit einer dreidimensionalen Geometrie. Sie werden im Gegensatz zu Profilen und Platten individuell

3

C 3.27

91

Kunststoffhalbzeuge

den Gegendruck und ermöglicht das Öffnen des Werkzeugs nach dem Spritzvorgang zum Entformen des Bauteils. Der Form selbst wird der plastifizierte Kunststoff durch Kanäle (Angussstangen) zugeführt. Die Känale sollten zentrisch zum Bauteil angeordnet sein, um einen gleichmäßigen Spritzguss zu ermöglichen.

a

Fehlerquellen beim Spritzgießen Bei Spritzgussbauteilen sollten Wanddicken möglichst gleich stark ausgebildet werden, um Temperaturspannungen zu vermeiden. Zu dicke Wandungen verursachen Masseanhäufungen, was zu eingeschlossenen Luftblasen (Vakuolen) führen kann. Ecken sollten abgerundet werden, damit sie gleichmäßig auskühlen können. Außerdem können beim Spritzgießen Bindenähte entstehen, wenn der plastifizierte Kunststoff aus zwei Richtungen zusammenfließt oder einen Durchbruch umströmt und nicht mehr homogen verschmilzt. Wenn möglich, sollte daher auf Durchbrüche verzichtet werden.

b

1

2

c

1 Pultrusionsprofil 2 Klebefuge 1

d

C 3.28

C 3.29 C 3.30

2

C 3.28

verschiedene Brückendeckkonstruktionen a Sandwich-Brückendeck mit Hartschaumkern b Sandwich-Brückendeck mit Wabenkern c, d Brückendeck aus zusammengeklebten Pultrusionsprofilen Bauteilverstärkung mit CFK-Lamellen Straßenbrücke mit GFK-Fahrbahnplatte in Friedberg (Hessen) 2008, Knippers Helbig a Montage b stirnseitige Ansicht

C 3.29

92

Spezielle Spritzgussverfahren Bei besonderen Tragfähigkeitsanforderungen werden dem Kunststoff Kurzfasern beigemischt. Die Orientierung der Fasern ergibt sich dabei aus der Fließrichtung der Kunststoffschmelze während der Produktion. Das Reaktionsschaumgießen (z. B. von PURIntegralschaum) wiederum unterscheidet sich verfahrenstechnisch vom Spritzguss. Dort liefert das in der Schaumrezeptur enthaltene Treibmittel den notwendigen Druck zum Befüllen des Werkzeugs. Durch den Schaumdruck oder eine spezielle Oberflächenbehandlung zerfallen die Luftporen an der Oberfläche, es ergibt sich ein Integralschaum mit kompakter Hülle und hohlzelligem Kern. Beispiel Panton-Stuhl Der bekannte Panton-Stuhl wird vollautomatisch aus kurzfaserverstärktem Polypropylen (PP) im Spritzgussverfahren hergestellt. Nachdem die ersten Modellreihen in den 1960er-Jahren noch aufwendig aus gepresstem GFK produziert wurden, konnte durch den Übergang zur maschinellen Fertigung auch der Preis erheblich gesenkt werden. Die zwischenzeitlich eingesetzten Werkstoffe PUR-Hartschaum und der Styrol-Copolymer ASA haben sich wegen aufwendiger Nachbearbeitung bzw. mangelnder Alterungsbeständigkeit nicht bewährt. Die heutige Variante aus PP wird aufgrund der geringen Kratzfestigkeit des Werkstoffs mit matter Oberfläche produziert. Die fließende Stuhlform mit ihren abgerundeten Ecken erhöht den Sitzkomfort und reduziert zugleich die Spannungskonzentrationen im Kunststoff. Damit werden einerseits die Gestaltungsmöglichkeiten des Kunststoffs umgesetzt, andererseits führt die Form zu einer gleichmäßigen Materialauslastung. [6]

Faserverstärkte Formteile

Frei geformte Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff sind meist Einzelanfertigungen für spezifische Projekte. Es werden jedoch auch serienmäßige Halbzeuge wie Abdeckungen von Kläranlagen, Lichtkuppeln oder Verkleidungen hergestellt. Aus Kostengründen kommen fast ausschließlich Glasfaserverstärkungen zum Einsatz (GFK). Freie Formen werden häufig schalenförmig ausgebildet, da wegen der günstigen Tragwirkung einer gekrümmten Form somit auch bei der Verwendung von GFK größere Spannweiten realisierbar sind. Die Verformungsproblematik, die bei Profilen oder Platten auftritt, kann durch eine geeignete Geometrie umgangen werden. Fertigung faserverstärkter Formteile Einzelbauteile oder kleinere Serien werden manuell durch Handlaminieren, Harzinfusion oder Faserspritzen hergestellt. Bei Serienfertigung bietet sich das Pressen oder Spritzgießen von Formteilen oder Spitzguss an. Die Fertigungsverfahren werden im Kapitel »Faserverstärkte Kunststoffe« (S. 78ff.) erläutert.

Spezielle Halbzeuge im Ingenieurbau Die rauen Umgebungsbedingungen wie direkte Bewitterung, in Wasser gelöstes Streusalz sowie dynamische Belastungen und hohe Temperaturwechsel führen bei konventionellen Baustoffen zu Materialkorrosion und -ermüdung. Stahlbetonbrücken müssen häufig bereits nach 25 Jahren generalsaniert werden. Faserverbundwerkstoffe können sowohl zur Instandsetzung als auch zum Neubau von Brücken verwendet werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass vollständig aus faserverstärktem Kunststoff gebaute Tragwerke in der Regel nicht wirtschaftlich sind. Solche »All-Composite-Lösungen« werden damit auf absehbare Zeit Ausnahmen bleiben. Instandsetzung mit CFK-Lamellen

Lamellen oder Bänder aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) werden seit Mitte der 1990er-Jahre für die Verstärkung schadhafter oder nicht ausreichend tragfähiger Betontragwerke eingesetzt (Abb. C 3.29). Sie werden oberflächlich aufgeklebt und ergänzen bzw. ersetzen die korrodierte Stahlbewehrung. Daneben besteht auch bei einer Nutzlasterweiterung oder in Regionen mit Erdbebenrisiko die Möglichkeit, tragende Bauteile nachträglich zu verstärken, um die Sicherheit zu erhöhen. CFKLamellen werden in diesen Fällen auch auf Mauerwerk oder Holzträger aufgebracht. Die relativ teuren Lamellen kommen in allen genannten Beispielen punktuell nur dort zum Einsatz, wo die hohe Zugtragfähigkeit voll ausgenutzt werden kann. Die CFK-Lamellen werden mit Breiten zwischen 50 und 120 mm sowie Dicken von 1,2 und 1,4 mm im Pultrusionsverfahren hergestellt.

Kunststoffhalbzeuge

Dabei werden die Kohlenstofffasern ausschließlich in Längsrichtung angeordnet (unidirektional). Die Lamellen haben daher eine hohe Steifigkeit und Zugfestigkeit in Längsrichtung. Wegen ihres geringen Gewichts und ihrer Flexibilität lassen sie sich auf der Baustelle sehr gut handhaben. Daneben werden auch breitere CFK-Bänder mit unidirektionaler oder textiler Verstärkung produziert. Für Bauteile aus CFK wird im Gegensatz zu GFK ausschließlich das hochwertige Epoxidharz (EP) verwendet. CFK-Lamellen werden mit einem Epoxidharzmörtel (siehe Epoxidharzmörtel und Polymerbeton, S. 56) auf die Stahlbeton- oder Mauerwerkskonstruktion aufgeklebt, wobei die Verklebung bei Stahlbetonkonstruktionen häufig unter Vorspannung ausgeführt wird, um die hohe Festigkeit der Lamellen effektiver und wirtschaftlicher auszunutzen. Dies vermindert die Rissbildung im Beton und reduziert Verformungen des Tragwerks. Freistehende Spannglieder Neueste Entwicklungen konzentrieren sich auf den Einsatz von CFK-Lamellen als freistehende Spannglieder zur Verwendung für klassische oder flache Schrägseilbrücken (»Extradosed«-Brücken). [7] Die Verankerung der querdruckempfindlichen CFK-Lamellen und die Umlenkung an den Zwischenabstützungen stellen dabei eine besondere Herausforderung dar. Brückendecks aus GFK

Glasfaserverstärkte Kunststoffe werden für Brückendecks eingesetzt, da diese im Vergleich mit herkömmlichen Materialien korrosionsbeständiger und weniger ermüdungsresistent sind. Die Platten werden dabei mit einem Haupttragwerk aus Stahl oder Stahlbeton kombiniert. Vor allem in den USA wird die Stahl-GFK-Mischbauweise bereits seit Mitte der 1990er-Jahre in größerem Umfang eingesetzt. Die US-Bundesbehörde für Fernstraßen (FHWA) listet ca. 70 ausgeführte Brücken mit Fahrbahnplatten aus glasfaserverstärktem Kunststoff (Stand 2009). [ 8] Dabei werden GFK-Fahrbahnen sehr häufig bei der Instandsetzung von vorhandenen Straßenbrücken

a

verwendet. Bei zahlreichen Projekten werden schadhafte Fahrbahnplatten von Verbundoder Stahlbrücken durch GFK-Fahrbahnplatten ersetzt, wobei die Widerlager und die Hauptträger der Brücken erhalten bleiben. Die Möglichkeit, die Leichtbauplatten in größeren Abmessungen vorzufertigen und zur Baustelle zu transportieren, erlaubt eine äußerst rasche Instandsetzung und Wiederinbetriebnahme der Brücke. Ein wesentlicher Vorteil ist, dass die Halbzeuge und die notwendigen Klebstoffe und Beschichtungen keine langen Härtezeiten benötigen, wie sie für Stahlbeton notwendig sind. In Korea wurden in den letzten Jahren ebenfalls mehrere Straßenbrücken mit GFK-Decks realisiert, darunter die Noolcha Bridge in Busan mit einer Länge von 300 m und einer Breite von 35 m. Bei der Fertigstellung im Jahr 2007 stellte sie das größte Bauwerk aus faserverstärkten Kunststoffen dar. [9] Bauformen Für Brückendecks werden Sandwichplatten oder zusammengesetzte, pultrudierte Profile eingesetzt. Sandwichplatten leiten einwirkende Belastungen in beide Richtungen mit gleicher Steifigkeit ab, weshalb sie optimal zur Abtragung von Radlasten der Fahrzeuge geeignet sind (Abb. C 3.28 a und b). Allerdings treten durch den manuellen Herstellungsprozess größere Toleranzen auf als bei pultrudierten Profilen. Die konstruktive Ausbildung von Anschluss- und Verbindungsdetails ist zudem schwieriger. Pultrudierte Platten (Abb. C 3.28 c und d) bestehen aus einer Reihe prismatischer Stäbe, die miteinander verklebt werden. Die Faserverstärkung ist hauptsächlich in Bauteillängsrichtung orientiert. Die Fügung erfolgt entweder vor Ort oder schon vorab im Werk zu Einheiten in transportfähiger Größe. Die pultrudierten Fahrbahnprofile erreichen typischerweise Spannweiten von 2 bis 3 m zwischen den Hauptträgern. Die GFK-Fahrbahnplatte wird an den Hauptträger geklemmt, über Kopfbolzendübel verbunden oder verklebt.

(Hessen) sind mit Epoxidharzmörtel auf die Stahlträger geklebt. Der Überbau wurde vollständig in einer Lagerhalle vormontiert, inklusive Kappen, Geländer und Fahrbahnbelag. Dadurch konnten die Restarbeiten auf der Baustelle auf ein Minimum reduziert werden. Durch die integrale Bauweise als Rahmentragwerk entfallen wartungsempfindliche Bauteile wie Verformungslager oder Fahrbahnübergänge. Die GFK-Hohlprofile wurden zwar zum Schutz vor Ungeziefer seitlich verschlossen (Abb. C 3.30 b), die Querschnitte der pultrudierten Stäbe bleiben jedoch auch nach der Fertigstellung des Bauwerks sichtbar. Der Fahrbahnbelag aus Polymerbeton (siehe Epoxidharzmörtel und Polymerbeton, S. 56) sorgt für eine raue Oberfläche und eine gleichmäßigen Verteilung von konzentrierten Einzellasten. Anmerkungen: [1] http://www.thomas-technik.de/pdf/ Radius_Pultrusion.pdf, 19.08.2010 [2] Domininghaus, Hans: Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften. Berlin/Heidelberg 2005 [3] http://www.kosche.de/homekovalex/index, 19.08.2010 [4] http://www2.dupont.com/Corian/de_DE/assets/ downloads/documentation/corian_cladding_de.pdf, 11.02.2010 [5] Schwarz, Otto; Ebeling, Friedrich Wolfhard; Furth, Brigitte: Kunststoffverarbeitung. Würzburg 2002 [6] Remmele, Mathias: Aus einem Guss: Die Entwicklung des Panton-Stuhls. In: deutsche bauzeitung 4/2006, S. 27ff. [7] Knippers, Jan; Hwash, Mohamed: Umgelenkte Lamellen aus kohlenfaserverstärktem Kunststoff für freistehende Spannglieder im Konstruktiven Ingenieurbau. In: Beton- und Stahlbetonbau 10/2008, S. 68ff. [8] http://www.fhwa.dot.gov/Bridge/FRP/, 19.08.2010 [9] Lee, Sung Woo; Kee-Jeung, Hong: Experiencing More Composite-Deck Bridges and Developing Innovative Profile of Snap-Fit Connection. In: COBRAE Conference – Benefits of Composites in Civil Engineering. Stuttgart 2007

Beispiel Stahl-GFK-Verbundbrücke Die Fahrbahnplatten aus pultrudiertem GFK der Stahl-GFK-Verbundbrücke in Friedberg

b

C 3.30

93

Folien

C 4.1

Der Begriff Folie leitet sich vom lateinischen Wort für Blatt – folium – ab und beschreibt im Allgemeinen einen im Vergleich zu seiner Flächenausdehnung sehr dünnen homogenen Metallwerk- oder Kunststoff. Reine Kunststoffund Kunststoffverbundfolien kommen im Baubereich nicht nur in der Transport- und Bauphase zum Einsatz, sondern erfüllen vor allem folgende Aufgaben: • Abdichtung gegen Niederschläge im Dachund Fassadenbereich • Abdichtung gegen Feuchte und drückendes Wasser im Bodenbereich • Verbesserung der Winddichtigkeit von Gebäudehüllen (zur Reduktion von Lüftungswärmeverlusten) • Dampfbremse oder Dampfsperre • Wärmedämmung • Verbesserung des Sonnen- und Wärmeschutzes von Verglasungen • Verbesserung der Wärmedämmwirkung von Isoliergläsern • Herstellung von Verbundsicherheitsglas • Verbesserung der Raumakustik mit sogenannten Akustikfolien (siehe Akustisch wirksame Folien, S. 118) • Beschichtung von Innenoberflächen (Möbel, Einbauten, Innenwände, Bodenbeläge usw.) Eine detaillierte Darstellung der möglichen Kunststoffe und ihrer Eigenschaften für alle genannten Anwendungen würde den Rahmen dieses Buches sprengen. Daher konzentrieren sich die folgenden Ausführungen im Wesentlichen auf Folien für den konstruktiven Einsatz, während das Kapitel »Erweiterte bauphysikalische und energetische Aspekte« (S. 108ff.) Anwendungen, die z. B. Optik oder die Akustik betreffen, im Zusammenhang mit anderen Materialien behandelt.

C 4.1

C 4.2

94

ETFE-Folien in verschiedenen Stärken (von oben nach unten: klar 250 μm, klar 200 μm, weiß 200 μm) Eigenschaften tragender Folien im Bauwesen

Konstruktiv eingesetzte Folien müssen hohen Ansprüchen an Festigkeit, Witterungsbeständigkeit, UV-Stabilität, Oberflächenqualität und Schweißbarkeit genügen – Eigenschaften, die derzeit nur sehr wenige Produkte zufriedenstellend erfüllen. Für Außenanwendungen kommen daher nahezu ausschließlich Folien aus Ethylentetrafluorethylen (ETFE) zum Einsatz. Eine mögliche Alternative stellt Tetrafluorethylen-

Hexafluorpropylen-Vinylidenfluorid (THV) dar, wobei bisher aufgrund der nachteiligen Werkstoffeigenschaften (vor allem ungünstiges Anschmutzverhalten) eine äußerst geringe Verbreitung festzustellen ist. PVC-Folien hingegen finden teilweise im Innenbereich und bei temporären Projekten (z. B. Messebau) Verwendung, PE-Folien sind als Deckmaterial von Gewächshäusern aus wirtschaftlichen Gründen weitverbreitet. Grundsätzlich differenziert man verschiedene Folientypen in Bezug auf den Materialaufbau in: • Solofolien aus einem einheitlichen Material • Doppelfolien aus zwei Schichten gleichen Materials • Verbundfolien aus mehreren Schichten unterschiedlichen Materials

Herstellung von Folien Eine Folienbahn ist das bei der Herstellung erzeugte Band, das zu Folienrollen über einem Coil aufgewickelt wird (Abb. C 4.5, S. 96). Je nach Folientyp und -stärke sind verschiedene Längen bis zu mehr als 1000 m pro Rolle möglich. Die Folieneigenschaften können entsprechend dem Herstellungsprozess in Längs- und Querrichtung variieren. Auf einer ersten Betrachtungsebene unterscheidet man zwei verschiedene Verfahrensarten zur Herstellung von Kunststofffolien: das Gießverfahren und die thermoplastische Verarbeitung. Beim Gießverfahren wird das Basisgranulat mit Lösemitteln versetzt, bevor aus der Mischung Folien gegossen werden. Da die Lösemittel die Folieneigenschaften beeinträchtigen, wird dieses Verfahren heute kaum noch angewendet. Bei der thermoplastischen Verarbeitung wird der Kunststoff ohne zusätzliche Lösemittel in einer Schmelze verarbeitet. Diese Verfahrensart lässt sich weiter in Kalandrieren und Extrudieren mit der Sonderform des Blasens differenzieren. Kalandrieren

Beim Vorgang des Kalandrierens wird der Rohstoff in Pulverform unter Wärme und Druck aufgeschmolzen, stark verdichtet und im soge-

Folien

nannten Kalander (frz.: calandre = Walze) über mehrere hintereinander angeordnete beheizte sowie polierte Rollen zu Folien ausgewalzt und über Kühlwalzen abgekühlt. Das Verfahren eignet sich vor allem zur Herstellung von PVC-Folien; es können aber auch andere Polymere wie PE, PP, ABS und weitere Thermoplaste zu Folien kalandriert werden. Beim Kalandrieren besteht die Möglichkeit, die Oberfläche direkt im Herstellungsprozess, z. B. durch Prägen, zu gestalten. Extrudieren

Bei diesem Verfahren wird das Granulat in einem beheizbaren Metallzylinder, in dem sich die sogenannte Plastifizierschnecke dreht, geschmolzen, gemischt, homogenisiert und befördert. Dabei entsteht direkt vor der Schneckenspitze ein sehr hoher Druck, der das Material durch ein Mundwerkzeug schiebt (siehe Extrusion, S. 83f.). Je nach Geometrie dieses Werkzeugs ergeben sich zwei weitere Unterarten der Herstellung.

Extrudieren von Flachfolien mit Breitschlitzwerkzeug Bei Verwendung eines Breitschlitzwerkzeugs und entsprechend nachgeschalteten Kühlrollen erhält man direkt eine hochwertige Folie mit ausgezeichneter Oberflächenqualität, die auch hohen optischen Anforderungen gerecht wird (Abb. C 4.3 a und C 4.5, S. 96). Der Fertigungsprozess ist jedoch vergleichsweise langsam. Um bei der Herstellung von transparenten Folien (z. B. ETFE) zu verhindern, dass Dickeunterschiede oder optische Beeinträchtigungen wie Schlieren oder Wellen entstehen, ist es zudem wichtig, dass Temperatur und Fließgeschwindigkeit an der Austrittsstelle sehr gleichmäßig sind. Dies erhöht den Investitionsaufwand für die Herstellung der Extruder und Mundstücke erheblich und beschränkt vor allem auch die Breite der auf diese Weise hergestellten Folien. Bei ETFE-Folien liegt die maximal lieferbare Breite derzeit z. B. bei ca. 1,55 m.

Extrudieren von Blasfolien mit Ringdüse Eine Ringdüse mit mittigem Dorn formt die austretende Schmelze zunächst zu einem Schlauch. Über den Dorn eingeblasene Luft weitet den Schlauch anschließend um das Drei- bis Vierfache auf. Dieser Schlauch wird im Folgenden kontrolliert abgekühlt und danach als Schlauchfolie oder aufgeschnitten als Flachfolie aufgerollt (Abb. C 4.3 b, S. 96). Solche Folien verfügen über eine weitgehend homogene Festigkeit in Längs- und Querrichtung. Diese Herstellungsmethode, die flaches Folienmaterial aus einer dreidimensionalen Form generiert, erlaubt einen hohen Durchsatz und vergleichsweise große Rollenbreiten von zum Teil über 3 m. Allerdings erfüllen die Folien keine hohen Anforderungen an die optische Qualität. Daher werden beispielsweise ETFE-Blasfolien im Baubereich in der Regel nicht verwendet, aber z. B. als Dacheindeckung für Gewächshäuser. Fertigungsqualität

Bei der Herstellung von Folien können Fehler

ETFE-Folie

THV Folie

PE-Folie

PVC-P-Folie

Polymer

Copolymer aus Ethylentetrafluorethylen

Terpolymer aus Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Vinylidenfluorid

Polyetylen

Polyvinylchlorid

typische Anwendungen

Architektur

Architektur (als Laminatfolie)

Gewächshausbau

Innenraum

Dichte [g/cm3] (DIN 53 479)

1,75

1,98

0,95

1,16 –1,35

übliche Dicken [µm]

12 – 300

150 – 500

180 – 200

70 – 220

Zugfestigkeit [N/mm2] (DIN EN ISO 527-1)

40 bzw. nach DIN 53 354 gemessen ca. 400 N/50 mm

> 24

ca. 24

10 – 25

Bruchdehnung [% der Länge] (DIN EN ISO 527-1)

> 300

> 500

> 400

170 – 400

Weiterreißwiderstand [N/mm] bei 23 °C längs /quer (DIN 53 363)

> 300 /> 300

> 100 /> 100 bei 200 μm Dicke

k. A.

k. A.

Zug-E-Modul [N/mm2] (DIN 53 457)

800 –1000 N

> 50

k. A.

k. A.

Verformbarkeit

hohe Verformbarkeit

höhere Verformbarkeit als ETFE-Folie

k. A.

hohe Verformbarkeit

Langzeitstabilität

sehr gute UV-Beständigkeit

sehr gute UV-Beständigkeit

schlechte UV-Beständigkeit, durch Modifikationen ca. 4 – 5 Jahre (Mitteleuropa)

schlechte UV-Beständigkeit

Schmelzpunkt

260 – 270 °C

115 –125 °C

k. A.

k. A.

Temperatureinsatzbereich [ °C]

-200 bis +150

-50 bis +80

-25 bis +80

k. A.

Brandverhalten

schwer entflammbar

schwer entflammbar

normal bis leicht entflammbar

schwer entflammbar

Schmutzempfindlichkeit

sehr gering

gering

hoch

hoch

Transparenz [%]

> 90

80 – 93

80 – 90

bis 90

Bemerkungen

milchig an Knickkanten

k. A.

durch Coextrusion mit EVA höhere UV-Beständigkeit (> 5 Jahre)

k. A.

verfügbare Varianten

transparent, weiß durchgefärbt, verschiedene Farben, Bedruckung möglich

transparent

transparent, weiß eingefärbt

Standard weiß und weitere Farben

1

1

1

1

1

1

abhängig von Art und Menge des Weichmachers C 4.2

95

Folien

auftreten, die ihre Nutzbarkeit beeinträchtigen. Dabei kann es sich um einzelne Verunreinigungen oder Fehlstellen, z. B. Löcher, handeln oder um großflächige Mängel wie wellige Kanten, Wickelfalten, Schlieren oder Überschreitungen der Folienstärkentoleranzen. Durch optimale Einstellung der Extrusions-, Walz- oder Blasgeschwindigkeit lassen sich solche Fehler minimieren. C 4.3

C 4.4 C 4.5 C 4.6 C 4.7 C 4.8

Folienextrusion a Flachfolienextrusion b Blasfolienextrusion Flachfolienextrusionsanlage über einen Coil aufgerollte ETFE-Folie klare ETFE-Folie eingefärbte ETFE-Folie a – c unterschiedlich bedruckte ETFE-Folie

1

4

5

1 2 3 4 5 6 7 8

9

Dosierung Granulat Schmelzvorgang Filter Glättevorgang Kühlung Formgebung Dickenmessung

10 11 12 13 14 15

aufgewickelte Folie Extruder Luft Breitschlitzdrüse Luftbürste Dickenrolle Aufschneiden

6

2 3 7 8

10

9

Additive

Auch der Einsatz von diversen Zuschlagstoffen bei der Folienherstellung ist möglich. Sie werden entweder bereits während der Polymerherstellung oder erst während der Verarbeitung hinzugefügt. Dazu gehören z. B. Gleit- oder Antiblockmittel zur Optimierung der Weiterverarbeitung, Antistatika, Antioxidanten, UV-Absorber oder Lichtschutzmittel. Als Färbemittel werden nahezu ausschließlich Pigmente eingesetzt, da sich viele Farbstoffe aufgrund der chemischen Polymereigenschaften nicht eignen. Durch die Zugabe von Pigmenten wird das Folienmaterial durchgefärbt. Als wichtigstes Weißpigment gilt Titanoxid, das z. B. auch bei der Herstellung von ETFE-Folien verwendet wird (siehe Additive, S. 32ff.). Weiterverarbeitungsmöglichkeiten

Je nach Material können Folien in weiteren Verarbeitungsschritten perforiert, umgeformt (z. B. geprägt, mikrostrukturiert), bedruckt, beschichtet oder auch laminiert werden. Zum Teil sind dazu spezielle Vorbehandlungsschritte erforderlich, die die Polarität (Oberflächenenergie) des eigentlich unpolaren ETFE erhöhen. Bestimmte Kunststofffolien können durch sogenanntes Recken in ihren mechanischen Eigenschaften deutlich verbessert werden. Hierzu wird die extrudierte Folie über Walzen geführt, die in Maschinenrichtung an Geschwindigkeit zunehmen, was zu einer Streckung des Kunststoffs in Längsrichtung führt. Der Vorgang kann gegebenenfalls in der anderen Richtung wiederholt werden, man spricht dann von biaxial gerecktem Material (üblich z. B. bei PP- und PET-Folien).

a

14

15

13

4 2 10 3

12 11

9

b

Halbzeuge und Lieferformen C 4.3

Beim Transport und der Lagerung von hochwertigen Kunststofffolien mit Anforderungen an die optische Qualität ist darauf zu achten, dass die Folienrollen nicht lange liegen. Ideal ist eine Verpackung, in der der Coil selbst seitlich hängt, damit die Folie nirgends aufliegt (Abb. C 4.5). Hierdurch werden auch bei dicken und damit schweren Rollen Druckstellen und Faltenbildung vermieden. Im Folgenden findet sich eine kurze Charakterisierung der im Baubereich gebräuchlichsten Kunststofffolien. ETFE-Folien

Eine der im Bauwesen am häufigsten eingesetzten Folienwerkstoffe für tragende Raumabschlüsse ist das Copolymer ETFE. Seit seiner C 4.4

96

C 4.5

Folien

Markteinführung 1970 ist ETFE bis heute eine der stabilsten bekannten chemischen Verbindungen und damit ideal für den Einsatz in Umgebungen, in denen das Material den unterschiedlichsten aggressiven Belastungen ausgesetzt ist (Säuren, Laugen, UV-Strahlung etc). Ähnlich wie das chemisch verwandte Polytetrafluorethylen (PTFE) verfügt ETFE über ein dauerhaft herausragendes Anschmutzverhalten, ist sehr widerstandsfähig gegen Umwelteinflüsse, hitze- und witterungsbeständig sowie langfristig UV-stabil. ETFE-Folien absorbieren die kurzwellige UV-Strahlung kaum, weshalb das Material weder vergilbt noch versprödet. Auch die mechanischen Eigenschaften sind vorteilhaft. Wegen all dieser Vorzüge ist ETFE für den Membranbau besonders geeignet und dort auch das mit Abstand am weitesten verbreitete Folienmaterial. Aufgrund der sehr hohen Lichtdurchlässigkeit und der hohen Transmission im UV-Bereich, die für das Pflanzenwachstum wichtig ist und gleichzeitig das Bakterienwachstum begrenzt, findet das Material häufig bei Gebäudehüllen von Tiergärten, Gewächshäusern oder anderen Biotopen und Schwimmbädern Verwendung. Die Materialeigenschaften von transparenten, reinen ETFE-Folien sind innerhalb des Herstellungsprozesses sehr konstant. Werden sehr große Folienmengen benötigt, lassen sich daher auch Materialchargen von verschiedenen Herstellern in einem Projekt verwenden. Einfärben, Bedrucken und Beschichten Durch Pigmentzugabe können ETFE-Folien weiß oder farbig durchgefärbt werden. Abhängig vom Hersteller steht hier jeweils eine beschränkte Farbauswahl zur Verfügung. Vor allem weiße Folien, die das Licht stark diffus streuen, werden auf diese Weise hergestellt (Abb. C 4.7). Bei großen Abnahmemengen lässt sich durch den beigefügten Titandioxidanteil der Transmissionsgrad einer weißen ETFE-Folie in bestimmten Grenzen einstellen. Die weiße Pigmentierung reduziert jedoch weitgehend die Strahlungsdurchlässigkeit im UV-Bereich. Auch ein Bedrucken von ETFEFolien ist möglich, erfordert aber aufgrund der antiadhäsiven Oberflächenqualität des Materials eine Vorbehandlung, damit die aufgebrach-

C 4.6

te Farbe haftet. Sowohl die Art der Vorbehandlung als auch die Zusammensetzung der Druckfarben sind herstellerspezifisch. Bedruckt wird mit einem Rollenverfahren, weshalb viele verschiedene Muster möglich sind. Standard sind Punktraster mit unterschiedlichem Bedeckungsgrad (Abb. C 4.8 a, b). Bei größeren Mengen ist innerhalb des Rollenverfahrens das repetitive Muster selbst und damit der Bedruckungsgrad weitgehend frei definierbar (Abb. C 4.8 c). Außerdem lässt sich der Transmissionsgrad der Druckfarbe selbst innerhalb bestimmter Grenzen einstellen. Da neben der Lichtdurchlässigkeit der Folie bei den meisten architektonischen Anwendungen auch die Reflexion von Bedeutung ist (Licht- und Wärmestrahlung), werden als Druckfarben meist Weiß oder Silber verwendet. Beim Bedrucken ist zu beachten, dass entweder am Rand ein ausreichender Abstand (30 – 50 mm) für die Ausbildung der Schweißnaht verbleibt oder dieser Bereich nachträglich chemisch oder mechanisch von der Farbschicht befreit werden muss. In Folienbeschichtungsanlagen können z. B. durch Kathodenzerstäubung (Sputtern) metallische, keramische oder durch Nassbeschichtung organische Schichten aufgebracht werden. Diese Techniken befinden sich allerdings in Bezug auf ETFE-Folien noch in einer frühen Entwicklungsphase (Abb. C 6.28 und C 6.29, S. 115). Die Schwierigkeit beim Bedrucken besteht darin, durch abgestimmte Materialwahl und Vorbehandlungsschritte eine anhaltende Haftung der extrem dünnen Schichten auf dem ETFE zu erreichen. Außerdem müssen die oft korrosionsgefährdeten Funktionsschichten von beiden Seiten durch geeignete Verfahren dauerhaft geschützt werden. Der gesamte Schichtaufbau muss in der Lage sein, den Beanspruchungen während Verarbeitung und Montage Stand zu halten und die unvermeidlichen Dehnungen des Materials im Einsatz dauerhaft aufzunehmen. Durch das Aufeinanderlaminieren von Folien lassen sich Bedruckungen und Beschichtungen schützen. ETFE-Folienlaminate bestehen auf den Außenseiten aus reinem ETFE und können somit wie Solofolien verarbeitet werden.

C 4.7

a

Mechanische Eigenschaften von ETFE-Folien Die wichtigsten mechanischen Kenngrößen von Folienwerkstoffen sind Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Weiterreißfestigkeit und Elastizitätsmodul (Abb. C 4.2, S. 95; siehe auch Mechanische Eigenschaften, S. 105). Von besonderer Bedeutung bei ETFE-Folien ist die Abhängigkeit dieser Werte von der Belastungsdauer und der Umgebungstemperatur. ETFE-Folien verhalten sich nahezu isotrop und bei kurzzeitiger Belastung bis zu einem gewissen Punkt näherungsweise linear elastisch. Abb. C 4.9 auf S. 98 zeigt die Spannungs-Dehnungs-Linie für den typischen Dickenbereich von 100 bis 300 μm, in dem die Reißfestigkeit bei über 40 N/mm2 liegt. Der näherungsweise linearelastische Bereich, in dem das Material die höchste Steifigkeit aufweist, reicht bis zu einer Dehnung von ca. 10 %. Die bei dieser Dehnung erreichte Zugfestigkeit kann statisch angesetzt werden. Danach flacht die Spannungs-Dehnungs-Kurve merklich ab und es kommt zu erhöhter Dehnung und plastischer Verformung. Die aufnehmbare Kraft steigt bis zum Bruch an. Abhängig vom Spannungszustand verschiebt sich diese Linie. Je nachdem ob monoaxial (in einer Richtung) oder biaxial (in zwei Richtungen) vorgespannt wird, ändert sich die Steifigkeit. In Abb. C 4.10 auf S. 98 ist die Spannungs-Dehnungs-Linie für eine einachsig und eine zweiachsig vorgespannte Materialprobe dargestellt, die monoaxiale Steifigkeit ist deutlich geringer als die biaxiale Steifigkeit. Neben der Belastungsdauer hat auch die Umgebungstemperatur einen großen Einfluss auf die Materialsteifigkeit und das Relaxations- und Kriechverhalten. Abb. C 4.12 a zeigt die unterschiedliche zyklische Beanspruchung einer Materialprobe in Längs- und Querrichtung. Bei ca. -25 °C gehen die Dehnungen auch nach mehreren Lastzyklen immer auf null zurück (Abb. C 4.12 b, S. 98). Bereits bei 35 °C kriecht das Material deutlich, was an der verschobenen Dehnungslinie zu erkennen ist, die nach jedem Lastzyklus eine bleibende Restdehnung zeigt (Abb. C 4.12 c, S. 98). Bei der konstruktiven Detailplanung ist dieses Phänomen vor

b

c

C 4.8

97

Folien

allem bei mittleren und höheren Temperaturen z. B. für den Abstand vom Folienkissen zur Unterkonstruktion oder im Hinblick von Nachspanneinrichtungen bei einlagigen Anwendungen zu beachten. Gleiches gilt für die Wahl des Vorspannungsgrads beim Einsatz von ETFE in Gebäudehüllen, die hohen Temperaturen oder starken Temperaturschwankungen ausgesetzt sind. Da ETFE ab 70 °C an Festigkeit verliert, eignet sich das Material für größere Spannweiten eher in kälteren oder gemäßigten Klimazonen. In sogenannten Dauerstandversuchen steht das Material über einen längeren Zeitraum unter konstant hoher Spannung; seine Dehnung wird währenddessen aufgezeichnet.

Dabei zeigt sich, dass das Materialkriechen unabhängig von der Belastungshöhe nach ca. 1000 Stunden wieder abnimmt (Abb. C 4.10). ETFE weist außerdem eine hohe Weiterreißfestigkeit, eine gute Schlagfestigkeit und eine hohe Knickbeständigkeit auf.

C 4.9

C 4.11

Dauerstandversuche an biaxial anisotrop vorgespannten ETFE-Folien unter verschiedenen Spannungen C 4.12 a biaxiale Zugprüfungen mit stufenweise steigenden Beanspruchungen bei unterschiedlichen Temperaturen [1] b Spannungsdehungsline aus der biaxialen Zugprüfung bei -25 °C

60

4 3 22

Spannung [N/mm²]

Zugfestigkeit [MPa]

typisches Spannungs-/Dehnungsdiagramm von ETFE-Folie 1 näherungsweise linearelastischer Bereich 2 Zugfestigkeit bei 10 % Dehnung 3 Streckfestigkeit 4 Reißfestigkeit C 4.10 Steifigkeiten von ETFE-Folie bei mono- und biaxialer Spannung

Konfektionierung von ETFE-Folien Die typischen allgemeinen Konfektionierungsschritte wie das Zuschneiden und Verschweißen sind im Kapitel »Konfektionierung« beschrieben (S. 106f.). Daher geht es im Folgenden ausschließlich um folienspezifische Arbeitsschritte. ETFE-Folien werden durch thermische Verschmelzung miteinander verschweißt.

20 18

längs belastet

Dies geschieht durch kontrolliertes Aufbringen von Temperatur und Druck auf sich ca. 10 –15 mm breit überlappende Folienbahnen bei ca. 280 °C für 15 – 30 Sekunden bei taktweisen und mit ca. 3 m pro Minute bei kontinuierlichen Verfahren (Abb. C 4.13 – C 4.15). Für die Schweißnähte selbst ist eine Breite von 6 bis 10 mm üblich. Im Gegensatz zu einigen anderen Kunststoffen werden hier keine zusätzlichen Materialien oder chemischen Wirkstoffe für die Schweißnaht benötigt. Gerade Nähte (siehe Schweißnaht, S. 198f.) oder zuschnittlose Großflächen können mit sehr hoher Geschwindigkeit durch Schweißbalken taktweise verschweißt werden. Gekrümmte

C 4.13 C 4.14 C 4.15 C 4.16

c Spannungsdehungsline aus der biaxialen Zugprüfung bei +35 °C kontinuierliches Schweißverfahren einer ETFEFolie kontinuierliches Schweißverfahren einer bedruckten ETFE-Folie profilierte Schweißnaht in einen Folienrand eingeschweißter PP-Keder

quer belastet

16 14 12 10 8

2

6 4 1

2 0

0

25

monoaxial belastet

800 Dehnung [%] C 4.9

biaxial belastet

20 15

0

20 18

längs belastet

quer belastet mit 4 N/mm²

2,5

13 N/mm²

2,0 1,5

9,5 N/mm² 6 N/mm²

1,0

-2

20 18

0

2

4

6

8 Dehnung [%]

quer belastet

6

8 Dehnung [%] C 4.12

bei +35°C

14 12 10 8

0,0

6 4

-0,5

längs belastet

16

0,5

2 0

-1,0 1

98

bei -25°C

b Spannung [N/mm²]

3,0

6 Dehnung [%] C 4.10

quer belastet

10

2 0 5

längs belastet

12

0 4

4000

14

6 4

3

3000

16

5

2

2000

Zeit [s]

8

1

1000

a

10

0

Dehnung [%]

400

Spannung [N/mm²]

Spannung [N/mm²]

0 10

10

100

1000

10000 Zeit [h] C 4.11

-2 c

0

2

4

Folien

Ränder werden mit Rollengeräten verschweißt. Derzeit befinden sich Laserschweißverfahren in der Erprobung, mit denen sich die Schweißnahtbreite auf ca. 3 – 4 mm reduzieren und die Schweißgeschwindigkeit möglicherweise deutlich steigern ließe. Auch komplexe Freiformnähte wären dann möglich, die andere Anwendungsgebiete von ETFE-Folien erschließen könnten (z. B. komplexe Absorber- oder Wärmetauschergeometrien). Für pneumatische Folienkissen gehört zur Konfektionierung auch der Einbau und die Abdichtung von Luftventilen und gegebenenfalls einer Notentwässerung (Abb. E 3.16, S. 194). Kederschnüre werden nach Möglichkeit vorkonfektioniert angeschweißt und EPDM-Kunststoff-Klemmprofile (siehe Detailausführung, S. 190ff.) werkseitig vormontiert. PVC-Folien

Polyvinylchlorid-Folien werden aus weichmacherhaltigem PVC-P hergestellt und verfügen über eine vergleichsweise geringe UV- und Temperaturbeständigkeit. Auch ihre geringe Festigkeit, die hohe Materialdehnung und ein ungünstiges Anschmutzverhalten begrenzen mögliche konstruktive Einsatzgebiete. Da das Material aber preisgünstig ist, wird es vor allem im Innenbereich, z. B. als Oberflächenmaterial im Ausbau sowie im Möbel- und Messebau, häufig eingesetzt. Es kann durch Kleben oder Schweißen gefügt werden.

gewebe, S. 104). Für andere Anwendungen sind PTFE-Folien auch einseitig geätzt oder selbstklebend (mit Acryl- oder Silikonklebern) verfügbar. Typische Anwendungen außerhalb des Baubereichs sind unter anderem Dauerbackfolien, Förderbänder und Gewindedichtbänder. Auch beim thermischen Schweißen von Kunststoffen spielen sie als Trennfolie eine große Rolle. Hier verhindern sie beim Eckverschweißen von PVC-Fensterprofilen das Anhaften an den Schweißspiegeln, den heißen Metallflächen, mit denen die Verbindung ausgeführt wird. THV-Folien

Die Eigenschaften des Fluorpolymers THV (Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Vinylidenfluorid) ähneln denen von ETFE. Folien aus diesem Material sind ebenso hoch transparent, sehr widerstandsfähig und schwer entflammbar. Im Vergleich zu ETFE sind sie elastischer, leichter zu verarbeiten und lassen sich hochfrequenzschweißen (siehe Konfektionierung S. 106f.). Im Hinblick auf optische Eigenschaften und insbesondere das Anschmutzverhalten sind sie diesen jedoch unterlegen. Da THV eine geringere Reißfestigkeit als ETFE besitzt, eignet es sich nur zur Überbrückung kleiner Spannweiten, z. B. zur Eindeckung von Seilnetzen. THV wird teilweise auch als Beschichtung für hochwertige Polyestermembranen eingesetzt (siehe Halbzeuge und Lieferformen, S. 103ff.).

C 4.13

C 4.14 PE-Folien

Polyetylen-Folien sind äußerst preiswert und werden als Baufolie in verschiedenen Stärken angeboten. Aufgrund des Preisvorteils und ihrer hohen Lichttransmission werden sie trotz geringer Standzeit in großen Mengen im Gewächshausbau eingesetzt. Da das Material nicht UV-stabil ist, muss es entsprechend ausgerüstet werden. Hierdurch steigt die mögliche Standzeit im Außenbereich je nach lokaler UV-Belastung auf wenige Jahre. Auch für temporäre Bauten wird das günstige Material häufig eingesetzt. Die »Blase« des Projekts »Mobiler Aktionsraum (S. 252) besteht beispielsweise aus einer transluzenten, faserverstärkten PE-Folie. PTFE-Folien

Folien aus Polytetrafluorethylen (PTFE) sind selbstreinigend, UV-stabil und sehr beständig gegenüber chemischen Substanzen und Pilzbefall. Sie werden in einer Dicke von 0,025 bis 6 mm und bis 1,5 m breit in einem Schälverfahren hergestellt, das ähnlich wie die Holzfurniergewinnung abläuft: Ein starres, breites Messer schält die Folie in Bahnen von einem sich drehenden massiven Zylinder ab. PTFE-Folien sind von Natur aus milchig weiß, können aber auch in anderen Farben produziert werden. Aufgrund der gegenüber ETFE-Folien geringeren Festigkeiten und Verformbarkeit eignen sie sich konstruktiv nur als Laminatfolien auf Glasgittergeweben (siehe PTFE-laminiertes Glasgitter-

Keder Kissenränder, biegesteife Membranränder sowie biegeweiche Klemmplattenstöße und -ränder werden mit sogenannten Kedern zu einer kraft- und formschlüssigen Verbindung zwischen flexibler Membran und steifer Kederschiene bzw. Klemmplatte gefügt (siehe Ränder, S. 190f. und Klemm- und Kederprofile, S. 197ff.). Die Kederschnüre bestehen z. B. aus Polypropylen (PP; Abb. C 4.16), PVC-Monofilen oder Poylurethan (PUR). Um zu gewährleisten, dass der Keder sich unter Belastung nicht so weit deformiert bis er aus der Schiene schlüpft, sollte er eine Shore-Härte (siehe Härte, S. 35) von mindestens SH 50 aufweisen. Im Membranbau können auch Keder aus Stahlseilen oder Aluminiumrundprofilen eingesetzt werden. Kunststoffseile sind aufgrund ihres relativ flexiblen Geflechts im Allgemeinen nicht geeignet. Ähnlich wie bei leichten Membrantypen können Keder auch bei Folien in einen Streifen eingeschweißt als vorkonfektionierte Kederfahne an den Rand geschweißt werden.

C 4.15

Anmerkungen: [1] Saxe, Klaus; Homm, Thomas (Universität Duisburg/ Essen): Mechanische Eigenschaften von ETFE-Folien für vorgespannte Strukturen. Vortrag im Rahmen des Techtextil Symposiums 12.06.2007 C 4.16

99

Textile Membranen

C 5.1

Der Begriff Membran stammt von dem lateinischen Wort membrana (= dünne Haut) ab. Er beschreibt einen im Vergleich zu seiner Oberfläche sehr dünnen und flexiblen Werkstoff. In der Biologie steht dieser Begriff für feine Häutchen mit trennender oder abgrenzender Funktion. Im Bauwesen gelten sowohl Textilien in Form von beschichteten und unbeschichteten Geweben als auch Kunststofffolien oder dünne Metallbleche als Membranen. Das vorliegende Kapitel beschäftigt sich mit den für Membrankonstruktionen relevanten technischen Textilien. Dadurch, dass Membranen sowohl eine Trag- als auch Hüllfunktion übernehmen, spielen neben der mechanischen Zugfestigkeit und der Elastizität des Werkstoffs auch die Oberflächeneigenschaften eine wesentliche Rolle. Die mechanischen Eigenschaften werden primär von Fadenmaterial und der Webart beeinflusst, während Beschichtungen eine schützende, abdichtende Funktion haben und die gewünschte Oberfläche erzeugen. Membranen, die im Bauwesen zum Einsatz kommen, sind typischerweise ein Verbundwerkstoff aus Gewebe und mehreren Beschichtungslagen. In Sonderfällen, z. B. bei wandelbaren Membranbauten mit hoher Anforderung an die Flexibilität, werden auch unbeschichtete, d. h. offene Gewebe mit beschichteten Fasern verwendet. Für reinen Sonnenschutz und raumakustische Zwecke lassen sich auch unbeschichtete Gewebe und Netze einsetzen.

Anforderungen an Membranwerkstoffe

C 5.1

C 5.2 C 5.3 C 5.4 C 5.5

100

vier Membranmaterialien mit ähnlicher Festigkeit, aber sehr unterschiedlicher Flexibilität, von oben nach unten: Glas-PTFE, Polyester-PVC, PTFE-Gewebe beschichtet, PTFE-Gewebe unbeschichtet Vergleich dreier typischer Membranwerkstoffe (bester Wert jeweils auf 100 % normiert) Anforderung an die Eigenschaften von Membranwerkstoffen Aufbau einer Polyester-PVC-Membran Anlagen zur Beschichtung von Membranen a Streichbeschichtungsanlage b Tauchbeschichtungsanlage

Die Anforderungen an Membranwerkstoffe für mechanisch vorgespannte Konstruktionen sind sehr vielfältig (Abb. C 5.3). Derzeit gibt es kein Material auf dem Markt, das allen Anforderungen vollständig gerecht wird. Je nach Einsatzgebiet und Standort müssen die Kriterien also unterschiedlich gewichtet werden. Während beispielsweise bei einem großen Stadiondach eine sehr hohe Festigkeit und ein günstiges Langzeitverhalten ausschlaggebend sind, ist für wandelbare Membranbauten die Leichtigkeit, Faltbarkeit und Knickbeständigkeit von

großer Bedeutung. In Abb. C 5.2 werden drei typische Membranwerkstoffe für verschiedene Anforderungskriterien qualitativ miteinander verglichen; der jeweils beste derzeit am Markt erhältliche Wert wurde auf 100 % normiert. Hier wird deutlich, dass keines der Produkte alle Felder ausgeglichen abdecken kann. Kriterien wie Knickbeständigkeit und Lichttransmission müssen für jedes Projekt gesondert bewertet werden. Auch die Kosten eines Materials lassen sich nicht isoliert betrachten, da seine Wahl immer auch die projektspezifischen Herstellungs- und Installationskosten beeinflusst und zugleich mit den Erwartungen an die Haltbarkeit des Materials abgestimmt werden muss.

Beschichtungen Wichtigste Aufgabe einer Membranbeschichtung ist es, das Gewebe vor Feuchtigkeit, UV-Strahlung, Feuer und Befall durch Mikroben oder Pilze zu schützen; ihre Qualität ist dabei mitausschlaggebend für die Lebensdauer des Werkstoffs. Die Beschichtung von Membranen dient jedoch nicht nur dem Schutz des textilen Gewebes und damit der Dauerhaftigkeit, sondern nimmt auch Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften. Durch die Fixierung der Gewebegeometrie erhöht sie insbesondere die Schubsteifigkeit und verbessert teilweise auch die Weiterreißfestigkeit. Beschichtete Membranwerkstoffe ähneln folglich den Verbundoder Kompositwerkstoffen (siehe Faserverstärkte Kunststoffe, S. 76ff.). Thermoplastische Beschichtungen ermöglichen die Verbindung einzelner Membranstreifen durch thermisches Schweißen. Um Membranen zu färben, können entweder der Beschichtung Farbpigmente beigefügt oder die Beschichtung selbst bedruckt werden. Nach einer Vorbehandlung des Gewebes werden Beschichtungen typischerweise beidseitig aufgebracht. Für alle gängigen Gewebe aus synthetischen organischen und anorganischen Fasern (Polyester, PTFE, Glas; siehe Fasern, S. 48ff.) besteht die Beschichtung aus Thermoplasten (PVC, PTFE und andere Fluorpolymere). Eine Ausnahme bildet Silikonkautschuk,

Textile Membranen

der zu den Elastomeren gehört, und Silikonharz, das den Duroplasten zuzuordnen ist. Im Allgemeinen beeinflussen Beschichtungen folgende Eigenschaften:

Für die Aufbringung von Beschichtungen existieren verschiedene Verfahren, die im Folgenden beschrieben werden.

den Messern (Rakel) abgestrichen. Meist beinhaltet der Vorgang mehrere Striche: Im ersten wird ein Haftvermittler aufgebracht, die eigentliche Beschichtung dann in einem zweiten und gegebenenfalls dritten Strich. Anschließend verbinden sich PVC und Weichmacher in einem Gelierkanal bei Temperaturen um 180 °C chemisch. Für die in der Regel gewünschte beidseitige Beschichtung wird dieser Vorgang auf der Rückseite wiederholt oder von Beginn an eine vertikale Beschichtungsanlage eingesetzt. Zum Abschluss werden Deckschichten (auch Sperrschichten) mit Walzen oder im Spritzverfahren aufgebracht. Sie verhindern, dass Weichmacher unter UVStrahlung austreten, und optimieren zudem die

Streichverfahren

• • • • • • • • • • •

Dehn- und Schubsteifigkeit Schweißbarkeit UV-Schutz des Gewebes Wasserdichtigkeit Brandverhalten Lichttransmission Lichtreflexion Lichtstreuung Anschmutzverhalten Farbgebung Wärmeabstrahlung

Das Streichverfahren wird in der Regel für PVC- und Silikon-Beschichtungen angewendet (Abb. C 5.5 a). Die vorgemischte, zähflüssige Beschichtungspaste (Plastisol) für PVC-beschichtete Polyestermembranen (PolyesterPVC) besteht aus PVC-Pulver, das in einem Weichmacher dispergiert wird. Als Zusatzstoffe werden dem Plastisol Hitze- und Lichtstabilisatoren, Fungizide, Bakterizide und Pigmente beigemischt. Diese pastöse Masse wird auf das Rohgewebe aufgebracht und mit feststehen-

Polystergewebe PVC-beschichtet Glasfasergewebe PTFE-beschichtet PTFE-Gewebe Fluorpoymer-beschichtet 100

Materialkosten (günstig = 100%)

mechanische Festigkeit

• hohe Zugfestigkeit • hohe Weiterreißfestigkeit • ähnliche Steifigkeit in Kett- und Schussrichtung

• hohe Bruchdehnung • geringes Kriechen unter hoher Langzeitbelastung • hohe Verformbarkeit

Knickbeständigkeit

• Faltbarkeit (mobile oder wandelbare Konstruktionen)

• kein Faserbruch bei Druckspannungen

Schutz vor Witterungseinflüssen

• resistent gegen chemische und biologische Einflüsse

• UV-stabil

mechanische Festigkeit

Knickbeständigkeit

50

Oberflächeneigenschaften • schweißbar • selbstreinigende, antiadhäsive Oberfläche

0

Langzeitstabilität

Lichttransmission

• beschichtbar • ästhetisch ansprechende Haptik und Farbe

Brandschutz

• mind. schwer entflammbar • kein brennendes Abtropfen

• minimale Rauchentwicklung (Toxizität)

Lichttransmission

• gewünschte Transmission

• gewünschte Reflexion

Wirtschaftlichkeit

• geringe Rohmaterialkosten • geringe Konfektionierungskosten

• geringe materialbedingte Konstruktionskosten • hohe Lebenserwartung

Schmutzbeständigkeit

C 5.2

C 5.3

9

6 1 2 3 4 5 6

7 8

Rohgewebe Haftvermittler Beschichtung Deckschicht Rohgewebe Haftschicht abgestrichen mit Luftrakel Gelierkanal Kühlwalze

9 10 11 12 13 14 15 16

Deckstrich abgestrichen mit Walzrakel Gelierkanal beschichtetes Gewebe Tauchbecken abstreichen trocknen vorsintern sintern

11

5

7

8

10

a

16

15 1 2 3 4

14 13 11 5

C 5.4

b

12

C 5.5

101

Textile Membranen

Polyestergewebe, PVC-beschichtet

Polyestergewebe, THV-beschichtet

Glasfasergewebe, PTFE-beschichtet

Glasfasergewebe, silikonbeschichtet

Glasgittergewebe, PTFE-laminiert

PTFE-Gewebe, beschichtet

PTFE-Gewebe, unbeschichtet

Einsatzgebiet Besonderheiten

vielseitig einsetzbar, sehr preisgünstiges Standardmaterial

hochwertige Oberfläche, sehr hohe Lichttransmission

für permanente Konstruktionen, hochwertiges Standardmaterial

für permanente Konstruktionen, hohe Lichttransmission

für permanente Konstruktionen, hohe Lichttransmission bei hoher Festigkeit

für permanente und mobile Konstruktionen, hohe Lichttransmission

für permanente und mobile Konstruktionen, hohe Lichttransmission, geringe Regendichtigkeit

Fügbarkeit

Hochfrequenzund Thermoimpulsschweißen

Hochfrequenzund Thermoimpulsschweißen

Thermoimpulsschweißen mit Zwischenfolie

Vulkanisieren (Kleben) oder Nähen und Kleben (Kombinaht)

Thermoimpulsschweißen mit Zwischenfolie

Hochfrequenzschweißen

Nähen

Langzeitstabilität

gute UV-Stabilität bei ausreichender Beschichtungsdicke, gute chemische Beständigkeit

k. A.

sehr gute UV-Stabilität, sehr gute chemische Beständigkeit

gute UV Stabilität, gute chemische Beständigkeit

gute UV Stabilität, sehr gute chemische Beständigkeit

sehr gute UV Stabilität, sehr gute chemische Beständigkeit

sehr gute UV Stabilität, sehr gute chemische Beständigkeit

Knickempfindlichkeit

sehr knickbeständig, für wandelbare Systeme geeignet

knickbeständig, für wandelbare Systeme geeignet

hohe Knickempfindlichkeit, für wandelbare Systeme nicht geeignet

geringe Knickempfindlichkeit

hohe Knickempfindlichkeit, für wandelbare Systeme nicht geeignet

sehr knickbeständig, für wandelbare Systeme gut geeignet

sehr knickbeständig, für wandelbare Systeme sehr gut geeignet

Schmutzempfindlichkeit

schmutzanfällig, besser mit Deckschicht, z. B. Fluorlack

gutes Anschmutzverhalten

sehr gutes Anschmutzverhalten, selbstreinigend

schmutzanfällig

selbstreinigend, jedoch Schmutzansammlung wegen rauer Oberfläche möglich

gutes Anschmutzverhalten

gutes Anschmutzverhalten

Lichttransmission

5 –15 % Anstieg der solaren Absorption durch Vergrauen

15 – 23 %

8 – 20 %

25 – 30 %

43 – 46 %

20 – 40 %

35 %

Umweltbelastung (getrennte Betrachtung von Beschichtung und Gewebe, Trennung im Allgemeinen noch schwierig, erste Recyclingkreisläufe sind im Aufbau)

PVC zerfällt unter Bildung von Chlor und Salzsäure, es besteht ein RücknahmeNetzwerk; Polyester lässt sich einschmelzen oder als Kurzfasern weiterverwenden

THV zersetzt sich bei hohen Temperaturen

Glasfasern lassen sich umweltfreundlich entsorgen, PTFE zerfällt nicht, Zersetzung bei hohen Temperaturen unter Entstehung von Fluor

Glasfasern lassen sich umweltfreundlich entsorgen, Silikon ist recycelbar

Glasfaser lässt sich umweltfreundlich entsorgen, PTFE zerfällt nicht, Zersetzung bei hohen Temperaturen unter Entstehung von Fluor

sortenrein, PTFE zerfällt nicht, Zersetzung bei hohen Temperaturen unter Entstehung von Fluor

sortenrein, PTFE zerfällt nicht, Zersetzung bei hohen Temperaturen unter Entstehung von Fluor

Brandverhalten (Brandklassen nach DIN 4102)

B1

B1

A 2 (bis Typ II) B 1 (ab Typ III)

B1

B1

B1 S 1– d 0 (EN 13 501)

B1 S 1– d 0 (EN 13 501)

Standardfarben

Standard weiß, weitere Farben

Standard weiß

Standard weiß, begrenzte Farbauswahl

Standard weiß, silber, weitere Farben

farblos

Standard weiß

teilweise gefärbte Garne

Flächengewicht 1 nach DIN 55 352 [g/m2]

Typ I: 750 Typ II: 900 Typ III: 1100 Typ IV: 1300 Typ V: 1450

Typ I: 1150 Typ II: 1200

Typ I: 800 Typ II: 900 Typ III: 1200 Typ IV: 1500

Typ 0: 200 Typ I: 340 Typ III: 685 Typ IV: 1100

1050

1080

320 530

Zugfestigkeit 1 Kett/Schuss nach DIN 53 354 [N/50 mm]

Typ I: 3000 / 3000 Typ II: 4200 / 4000 Typ III: 5800 / 5400 Typ IV: 7500 / 6500 Typ V: 10 000 / 9000

Typ I: 3500 / 3000 Typ II: 5000 / 4500

Typ I: 3500 / 3500 Typ II: 5000 / 4500 Typ III: 7000 / 6000 Typ IV: 8000 / 7000

Typ 0: 2500 / 1750 Typ I: 3000 / 3000 Typ III: 5000 / 5000 Typ IV: 8000 / 8000

4500 / 4000

4000 / 4000

2000 / 2050 4000 / 3700

Weiterreißfestigkeit1 Kett/Schuss nach DIN 53 363 [N]

Typ I: 300 / 300 Typ II: 500 / 500 Typ III: 850 / 800 Typ IV: 1200 / 1200 Typ V: 1800 / 1800

Typ I: 700 / 700 Typ II: 600 / 600

Typ I: 300 / 300 Typ II: 350 / 350 Typ III: 500 / 500 Typ IV: 500 / 500

Typ 0: 350 / 400 Typ II: 300 / 300 Typ III: 400 / 400 Typ IV: 500 / 500

250 / 250

798 / 752

365 / 330 669 / 550

Lebensdauer

15 – 20

k. A.

> 25

> 20

> 25

> 25

> 30

Rohmaterialkosten 2

15 – 45 %

60 – 140 %

50 – 150 %

110 – 180 %

100 –180 %

100 – 140 %

120 –170 %

beispielhafte Abbildungen

Abb. D 1.1, S. 134, Abb. D 1.14 – D 1.17, S. 141, Abb. E 4.50, S. 210

Beispiele 17–22, S. 262 – 281

Abb. D 1.21, S. 142

Abb. D 1.32 und D1.33, S. 147, Beispiel 23, S. 282ff.

Abb. D 1.37, S. 149, Abb. E 4.1, S. 196, Abb. E 4.51, S. 210

1

2

Durchschnittswerte

im Vergleich zum Durchschnittspreis von Glas-PTFE (100 %) C 5.6

102

Textile Membranen

Oberfläche hinsichtlich Abrieb und Anschmutzverhalten (Abb. C 5.4, S. 101). Tauchverfahren

Das Tauchverfahren wird hauptsächlich für PTFE-Beschichtungen verwendet, z. T. auch für PVC-Beschichtungen auf grobmaschigen Geweben (Abb. C 5.5 b, S. 101). Für PTFE-beschichtete Glasfasermembranen (Glas-PTFE) wird das Rohgewebe durch Eintauchen in eine Dispersion aus PTFE-Teilchen beidseitig beschichtet. Durch schrittweise ansteigende Temperaturen während des Trocknungs- und Sintervorgangs verdampft das Wasser, das Netzmittel zur Herabsetzung der Grenzflächenspannung zersetzt sich und schließlich sintern die PTFE-Partikel bei ca. 330 °C. Um die erforderlichen Schichtdicken zu erreichen, wird der Vorgang mehrfach wiederholt. Aufgrund der hohen Sintertemperaturen können PTFE-Beschichtungen nur auf Geweben mit sehr hohem Schmelzpunkt aufgebracht werden; eine PTFE-Beschichtung von Polyestergewebe ist daher nicht möglich.

a

b

c

d

e

f

g

h

Low-E-Beschichtungen

Sogenannte Low-E-Beschichtungen (niedrige Emissivität) verringern deutlich die Wärmeabstrahlung und werden derzeit auf verschiedenen Membranmaterialien, z. B. Glas-PTFE, angeboten (Abb. C 5.15, S. 107). Die Funktionsweise solcher Beschichtungen wird im Kapitel »Selektivität und Low-E-Oberflächen« (S. 116) näher erläutert.

Halbzeuge und Lieferformen Da der textile Träger und die Beschichtung aus verschiedenen Materialien bestehen, werden beide in der Membranwerkstoffbezeichnung genannt. Übliche Kombinationen aus Gewebe und Beschichtung sind (Abb. C 5.6): • Polyestergewebe mit PVC- oder THV-Beschichtung • Glasfasergewebe mit PTFE- oder Silikonbeschichtung oder mit PTFE-Folienlaminierung • PTFE-Gewebe mit Fluorpolymer-Beschichtung (auch unbeschichtet erhältlich)

C 5.6 C 5.7

Eigenschaften gängiger textiler Membranwerkstoffe beschichtete und unbeschichtete Gewebe jeweils im Auflicht und für einen qualitativen Vergleich der Lichttransmission im Gegenlicht a PVC-beschichtetes Polyestergewebe b THV-beschichtetes Polyestergewebe c PTFE-beschichtetes Glasfasergewebe d silikonbeschichtetes Glasfasergewebe e PTFE-laminiertes Glasgittergewebe f beschichtetes PTFE-Gewebe g unbeschichtetes PTFE-Gewebe h Beschichtung zur Reduzierung der Emmisivität (low-E) auf einer Glas-PTFE-Membran (im Auflicht) C 5.7

103

Textile Membranen

a

b

C 5.8

Derzeit machen Glas-PTFE und Polyester-PVC als gängigste aller verwendeten Membranwerkstoffe den größten Marktanteil aus. PVC-beschichtete Polyestergewebe

Polyester-PVC (Abb. C 5.7 a, S. 103) findet breite Anwendung im textilen Membranbau. Aufgrund seiner hohen mechanischen Festigkeit und Knickbeständigkeit wird es sowohl für temporäre und wandelbare Konstruktionen als auch für permanente Membrandächer eingesetzt. Aufgrund der geringen Rohmaterial- und Herstellungskosten ist Polyester-PVC einer der günstigsten am Markt erhältlichen Membranwerkstoffe. In ähnlicher Form wird er auch in großen Mengen für andere Anwendung (z. B. für LKWPlanen) genutzt. Für den Einsatz im Bauwesen wird die Polyester-PVC-Membran mit zusätzlichen Eigenschaften ausgerüstet, die das Langzeitverhalten verbessern. Es ist besonders wichtig, die Fasern mit einer sogenannten Low-wick-Beschichtung (Reduzierung der Dochtwirkung) zu versehen, um das Aufsaugen von Feuchte und Schmutzpartikeln an offenen Kanten zu verhindern (Abb. C 5.8). Das Polyestergewebe besteht hauptsächlich aus dem synthetischen Polymer Polyethylenterephthalat (PET); das von Herstellern oft verwendete Kürzel PES ist die international vereinbarte Bezeichnung für Polyesterfasern (siehe PET-Fasern, S. 53). In der Vergangenheit hat die schnelle Alterung des Materials durch Versprödung der Beschichtung das Image von Membranbauten stark beeinträchtigt. Heute kann man das Entweichen der UV- und Hitzestabilisatoren sowie der Weichmacher durch Versiegelungen aus Acrylat- und PVDF-Lacken (Polyvinylidenfluorid) oder PVF-Laminaten (Polyvinylfluorid) teilweise verlangsamen. Diese Deckschichten (Topcoats) aus Fluorlacken schaffen zudem eine glatte antiadhäsive Oberfläche, welche die Schmutzanfälligkeit reduziert. Da sie jedoch einen sehr viel höheren Schmelzpunkt als PVCBeschichtungen besitzen, kann es nötig sein, die Oberfläche vor dem Verschweißen anzuschleifen. Der typische Aufbau einer PolyesterPVC-Membran ist in Abb. C 5.4 auf S. 101 dargestellt.

104

a

b

C 5.9

THV-beschichtetes Polyestergewebe

Ein relativ neu am Markt erhältliches Material ist ein mit Tetrafluoroethylen-HexafluoropropylenVinylidenfluorid-Polymer (THV) beschichtetes Polyestergewebe (Abb. C 5.7 b, S. 103). THV ist ein Fluorpolymer, das als Folie auch alternativ zu ETFE eingesetzt wird (siehe THV-Folien, S. 99). Bedeutender Vorteil der THV-Beschichtung gegenüber PVC ist die bessere Witterungsbeständigkeit und Selbstreinigung der Oberfläche sowie eine deutlich höhere Lichttransmission und UV-Beständigkeit. Die mechanischen Eigenschaften sind vergleichbar mit denen von Polyester-PVC Typ I und II. Von Nachteil kann das im Vergleich zur Festigkeit relativ hohe Flächengewicht sein. Erfahrungen über das Langzeitverhalten aus praktischen Anwendungen liegen noch nicht vor. PTFE-beschichtetes Glasfasergewebe

Glasfasergewebe, das mit Polytetrafluorethylen (PTFE; bekannt als Teflon, siehe PTFE-Folien, S. 99) beschichtet ist (Abb. C 5.7 c, S. 103), gilt als einer der haltbarsten Membranwerkstoffe, da die Beschichtung selbstreinigend und sehr beständig gegenüber chemischen Substanzen und Pilzbefall ist. Leichte Typen (bis Typ II) mit relativ dünner Beschichtung sind nicht brennbar (Brandschutzklasse A 2, DIN 4102), schwerere Typen gelten aufgrund der dickeren Beschichtung als schwer entflammbar (DIN 4102, Brandschutzklasse B 1). Das frisch beschichtete Material ist bei der Auslieferung durch die Zersetzung des Netzmittels in der Beschichtung zunächst noch beige, bleicht aber nach der Montage durch UV-Bestrahlung (Sonnenlicht) aus (Abb. C 5.9). In Nordeuropa dauert dieser Prozess ca. 2 – 3 Monate, in Regionen mit stärkerer Sonneneinstrahlung entsprechend kürzer. Industrielles Vorbleichen ist zwar möglich, aber sehr kostspielig und reduziert zudem die Festigkeit des Materials. Die PTFEBeschichtung wird in der Regel mit einer Deckschicht versehen, um die Antiadhäsivität und die Schweißbarkeit zu verbessern. Für das Thermoimpulsschweißen (S. 106f.) wird an der Naht zusätzlich eine thermoplastische Fluorkunststofffolie (siehe Wärmekontakt- oder Thermoimpulsschweißen, S. 106f.) z. B. aus Perfluoralkoxylalkan – PFA, Perfluorethylenpropylen –

C 5.10

C 5.11

FEP, Tetrafluoroethylen-Perfluoromethylvinylether – MFA) als Schweißhilfe verwendet. Silikonbeschichtetes Glasfasergewebe (Glas-Silikon)

Aufgrund der hohen Lichttransmission, den guten mechanischen Eigenschaften und der Knickbeständigkeit stellt Glas-Silikon (Abb. C 5.7 d, S. 103; siehe auch Glasfasern, S. 50) gegenüber Glas-PTFE eine interessante Alternative zu den gängigen Membranwerkstoffen dar. Die Flexibilität der Silikonbeschichtung macht das Material einfacher in der Handhabung als Glas-PTFE. Es weist gegenüber Polyester-PVC eine dreimal höhere Lichttransmission auf, die auch bei eingefärbtem Material noch sehr hoch ist. Aufgrund der chemischen Beständigkeit von Silikon ist es zudem sehr resistent gegen Alterungsprozesse. Problematisch ist die klebrige Oberfläche von Silikonkautschuken und ihre Eigenschaft, sich elektrostatisch aufzuladen, was zu schneller Verschmutzung führen kann. Neuentwickelte Deckschichten verbessern aber das Reinigungsverhalten. Ein weiterer Nachteil ist, dass sich silikonbeschichteter Materialien nicht schweißen lassen, da sie keinen ausgeprägten Schmelzpunkt besitzen. Die Flächenstöße müssen durch Vulkanisieren bzw. Kleben aufwendig hergestellt werden (siehe Kleben, S. 107). Silikon in Reinform ist zwar nicht brennbar, der Membranwerkstoff wird jedoch aufgrund der Zusatzstoffe in der Beschichtung und der Deckschichten als schwer entflammbar (DIN 4102, Brandschutzklasse B 1) eingestuft. PTFE-laminiertes Glasgittergewebe

Bei diesem Material wird eine PTFE-Folie direkt auf ein weitmaschiges Glasfaser-Trägernetz laminiert (Abb. C 5.7 e, S. 103). Durch die offenen Maschen erreicht das Material eine sehr hohe Lichttransmission von bis zu 65 %. Nachteilig ist die geringe Dehnfähigkeit und Verformbarkeit des Materials, Montage und Vorspannung sind daher sehr schwierig. Das PTFE-Laminat ist selbstreinigend, durch die unebene Oberfläche kann sich jedoch Schmutz ansammeln. Zum Konfektionieren der Flächennähte lässt sich das Material thermoimpulsschweißen. Aufgrund der geringen Flexibilität kann man es aber nur schwer umschlagen, um

C 5.8

Polyester-PVC-Streifen, in farbige Tinte getaucht a ohne Beschichtung b mit Faserbeschichtung zur Minimierung der Dochtwirkung (Low-wick-Beschichtung) C 5.9 Glas-PTFE-Membran a direkt nach der Produktion b UV-gebleicht C 5.10 Akustikgewebe mit Mikroperforation C 5.11 PVC-beschichtetes Polyesternetz als Sonnenschutzmembran C 5.12 qualitativer Vergleich der Bruchdehnung von gängigen Membranwerkstoffen in Stärken ähnlicher Festigkeit, einachsiger Zugversuch bei Raumtemperatur, die Absolutwerte können je nach Hersteller und Charge deutlich abweichen.

Zugkraft [N/5 cm]

Textile Membranen

7000

Dehnung bei F-max

6000

Glasgittergewebe, PTFE-laminiert

5,5 %

5000

Glasfasergewebe, PTFE-beschichtet Typ III

9%

4000

Glasfasergewebe, silikonbeschichtet Typ III

9,5 %

3000

PTFE-Gewebe, unbeschichtet

10,5 %

Polyestergewebe, PVC-beschichtet Typ III

23 %

PTFE-Gewebe, beschichtet

28 %

ETFE-Folie 200 μm

ca. 300 %

2000 1000 0 0

10

20

30

40 50 Dehnung [%]

C 5.12

beispielsweise eine Randseiltasche auszubilden oder Kederschnüre in den Rand einzuschweißen. Abhilfe schaffen hier an den Rand geschweißte Membranstreifen aus herkömmlichem Glas-PTFE. Beschichtetes und unbeschichtetes PTFE-Gewebe

Für hochwertige wandelbare Membrandächer mit geringer Anforderung an die Wasserdichtigkeit werden häufig unbeschichtete PTFEGewebe eingesetzt (Abb. C 5.7 g, S. 103; siehe Polytetrafluorethylanfaser, S. 52). Sie zeichnen sich durch höchste Knickbeständigkeit, Leichtigkeit, hohe Lichttransmission und eine antiadhäsive Oberfläche (sehr günstiges Anschmutzverhalten) aus. Durch Färben der PTFE-Fäden erhält man verschiedene Gewebefarben. Leichte PTFE-Gewebe mit sehr dichter Webart und beschichteten Fäden erreichen eine Wasserfestigkeit von bis zu 20 cm Wassersäule. Bei groberen Geweben lässt diese jedoch stark nach – aufschlagendes Wasser sprüht dann in einem Nebel aus feinsten Tropfen durch das Textil hindurch. Eine im Tauchverfahren aufgetragene dünne Fluorpolymerbeschichtung kann die Wassersäule auf bis zu 300 cm erhöhen, der Gewebecharakter bleibt dabei erhalten. Offenes PTFE-Gewebe lässt sich nicht schweißen, sondern nur nähen; spezielle Klebstoffe können die Wasserdichtigkeit dieser Nähte erhöhen. Aufgrund der Tendenz von PTFE unter Dauerlast stark zu kriechen, sollten nur geringe Vorspannwerte gewählt und bei hohen Schneelastannahmen die Spannweiten begrenzt werden. Um auch bei PTFE-Geweben Schweißbarkeit und eine vollständige Wasserdichtigkeit zu erreichen, wurden thermoplastische Fluorpolymerbeschichtungen entwickelt, die mit einem speziellen Extrusionsverfahren auf das Gewebe aufgebracht werden. Das Material hat dann eine ähnliche lichtstreuende Wirkung wie weiße ETFE-Folie. Derart beschichtet, vereinen PTFEGewebe nun ihre hochwertigen Eigenschaften mit den Standardanforderungen an gängige Membranmaterialien. PVC- oder PTFE-beschichtetes Aramidgewebe

Alternativ zu Polyester- und Glasfasergeweben werden bei hoher Anforderung an die Zugfestigkeit auch Aramidgewebe verwendet, die mit

PVC oder PTFE beschichtet werden können. Derartige Membranwerkstoffe wurden bisher nur sehr selten eingesetzt und lediglich auf Kundenanfrage gefertigt. PVC-beschichtete Aramidgewebe können beispielsweise Zugfestigkeiten von bis zu 24 000 N/5 cm bei einem Flächengewicht von ca. 2 kg/m2 erreichen (vgl. Polyester Typ V 10 000 N/5 cm). Nachteilig sind der hohe Preis und die sehr geringe UV-Beständigkeit. Da die Beschichtung, die zudem schlecht auf der Aramidfaser haftet, aus diesem Grund lichtundurchlässig sein muss, bietet der Membranwerkstoff keinerlei Lichttransmission. Unbeschichtete und beschichtete weitmaschige Gewebe und Netze

Neben dem klassischen Einsatz von textilen Membranen als Tragwerk und Hülle werden offene Gewebe und Netze im Innenraum unter anderem als Akustikmembranen (Abb. C 5.10; siehe auch Akustisch wirksame Folien, S. 118), Sonnenschutz (Abb. C 5.11), Leuchtkörper (Abb. C 6.36, S. 117), Raumteiler oder Unterhangdecken verwendet. Aufgrund der Anwendung im Innenraum entfallen zahlreiche Anforderungen wie hohe Festigkeiten und Witterungsbeständigkeit. Es gibt außerdem verschiedene unbeschichtete unbrennbare Glasgewebe, schwer entflammbare Polyestergewebe und z. B. PVCbeschichtete weitmaschige Polyesternetze oder unbeschichtete PTFE-Netze. Eine Beschichtung macht es teilweise möglich, Netze und imprägnierte Monofilgewebe zu verschweißen. Der Markt bietet noch sehr viel mehr verschiedene Netz- und Gewebewaren an, auf die hier im Einzelnen nicht näher eingegangen wird.

Mechanische Eigenschaften Zugfestigkeit, Weiterreißfestigkeit, Bruchdehnung und Dehnsteifigkeit beschreiben die mechanischen Eigenschaften einer Membran. Diese unterscheiden sich in Kett- und Schussrichtung in Abhängigkeit von der Bindungsart (siehe Gewebe, S. 70). Bei wandelbaren und temporären Membrankonstruktionen ist auch

die Knickbeständigkeit der Fasern und die Flexibilität des Membranwerkstoffs von großer Bedeutung, um ein zerstörungsfreies Auf- und Abbauen bzw. Raffen garantieren zu können. Zugfestigkeit

Die Zugfestigkeit wird typischerweise an 5 cm breiten Streifen in einachsigen Zugversuchen ermittelt. Die Werte in Schussrichtung sind oft etwas niedriger als in Kettrichtung. Da die Dicke der Membran im Vergleich zur Streifenbreite vernachlässigbar ist, wird die Zugfestigkeit in Kraft / Länge (z. B. N/5 cm) angegeben. Die Einteilung der Membranwerkstoffe in Typen nach steigender Zugfestigkeit wurde ursprünglich für Polyester-PVC-Membranen eingeführt, wird aber inzwischen auch für die meisten anderen Materialien angewendet. Die Typen werden nach folgenden Grenzen vergeben: Typ I: +/- 3000 N/5 cm Typ II: +/- 4000 N/5 cm Typ III: +/- 5000 N/5 cm Typ IV: +/- 7000 N/5 cm Typ V: +/- 9000 N/5 cm Weiterreißfestigkeit

Die Weiterreißfestigkeit beschreibt die maximale Kraft, die eine bereits eingerissene Membran gerade noch tragen kann. In einem Normtest wird der Wert entweder einachsig an einer seitlich eingeschnittenen oder biaxial an einer mittig eingeschnittenen Probe ermittelt. Um bei einem lokalen Versagen der Membran das Kollabieren des gesamten Membrantragwerks zu vermeiden, sollte dieser Wert möglichst hoch sein. Bruchdehnung

Die Bruchdehnung ist die prozentuale Dehnung einer einachsig gezogenen Probe zum Zeitpunkt des Versagens. Je niedriger die Bruchdehnung, desto plötzlicher tritt das Materialversagen ein (Sprödbruch). Eine höhere Bruchdehnung bedeutet ein duktileres Verhalten – das Materialversagen kündigt sich durch große Verformungen an (Abb. C 5.12). Dehnsteifigkeit

Die Dehnsteifigkeit des Gewebes in Kett- und Schussrichtung wird mit einem zweiachsigen Zugversuch, dem sogenannten Biaxialtest,

105

Kette

Dehnung [%]

Spannung [kN/m]

Textile Membranen

Schuss

20,0

15,0

9,0

6,0

3,0

10,0

0,0

5,0

-3,0

-6,0

0,0 Zeit

Zeit C 5.13

a

b

ermittelt. Eine Materialprobe wird an allen vier Seiten mehrmals eingeschnitten. Die einzelnen Streifen werden dann separat eingeklemmt und gewährleisten eine homogene Einleitung der Spannungen. Die Kraft-Dehnungs-Messung wird in Abhängigkeit der Zeit aufgezeichnet. Hierbei wird das Gewebe auf Vorspannniveau gedehnt und dann mit einem projekt- bzw. standortspezifischen Lastbild abwechselnd in Kett- und Schussrichtung in mehreren Zyklen belastet. Die Restdehnung, die am Ende des mehrstündigen Tests auf Vorspannniveau übrig bleibt, wird als Kompensationswert für den Zuschnitt der Membran herangezogen (siehe Kompensation, S. 148). Abb. C 5.13 zeigt die Auswertung eines typischen Biaxialtests für eine Glas-PTFE-Membran Typ IV. Die Probe wurde in diesem Fall zunächst isotrop, d. h. mit gleicher Vorspannung in Kett- und Schussrichtung auf 3 kN/m vorgespannt und anschließend abwechselnd in Kett- und Schussrichtung erhöht. Es ist deutlich zu erkennen, dass sich die Dehnungen in beiden Richtungen unterscheiden. Dieser Effekt tritt bei anderen Materialien teilweise weniger auf. Spezielle Herstellungsverfahren für Polyester-PVC-Membranen ermöglichen inzwischen auch, die Steifigkeitsverhältnisse in Kett- und Schussrichtung anzugleichen.

• Anbau in die Membran integrierter Bauteile bei Gurträndern • gegebenenfalls Anbau von Eckbeschlägen • Zusammenlegen bzw. Rollen und Verpacken, z. B. in Schutzfolie

Konfektionierung Da sich die Konfektionierungsschritte bei der Herstellung von textilen Membran- und Folienkonstruktionen größtenteils ähneln, wird im folgenden Abschnitt auch die Konfektionierung von Folienmembranen behandelt. Spezifische Arbeitsschritte, die nur bei ETFE-Folien vorkommen, sind im Kapitel »Konfektionierung von ETFE-Folien« (S. 98f.) näher erläutert. Das Konfektionieren einer großen Membranfläche aus einzelnen Bahnen geschieht in mehreren Schritten: • Zuschnitt, z. B. mit dem Schneidplotter • Verschweißen der Zuschnittsbahnen • Verschweißen oder Umklappen der Ränder, Einschweißen der Kederschnur oder Aufnähen der Gurte

106

Zuschnitt

Für die Erzeugung einer dreidimensional gekrümmten Oberfläche wird die Membran aus einzelnen Zuschnittbahnen zusammengefügt. Für mechanisch vorgespannte Flächen ist der Rand jeder Bahn nach außen konkav, für pneumatisch vorgespannte Flächen konvex (siehe Zuschnitt, S. 147f.). Die gekrümmten Zuschnittbahnen werden typischerweise mit einem computergesteuerten Schneidplotter auf einem Vakuumtisch aus der Materialrolle geschnitten. Dieser Schneidplotter ist in der Lage, sowohl gekrümmte als auch gerade Ränder zu schneiden. Lasercutter sind aufgrund der hohen Temperaturen nicht geeignet. Bei der Zuschnittsermittlung und der Positionierung der Zuschnittbahnen auf dem ausgerollten Material sollte ein Minimum an Verschnitt angestrebt werden. Bei einigen Materialien besteht zwischen Konfektionär und Hersteller ein direkter Rücklauf des Verschnitts, der dann recycelt und wiederverwendet werden kann. Während bei PolyesterPVC-Membranen zunächst die Beschichtung von den Fasern getrennt werden muss, kann der Verschnitt von ETFE-Folien direkt eingeschmolzen werden. Schweißen

Durch Hitze in Kombination mit Druck lassen sich thermoplastische Beschichtungslagen miteinander verschmelzen. Dieser Vorgang wird als Schweißen bezeichnet. Die dafür benötigte Hitze wird durch hochfrequente Strahlung, Heizelemente oder durch Stromimpulse aufgebracht. Nachdem die Schweißnaht unter fortwährendem Druck abgekühlt ist, kann sie je nach Material und Verfahren rund 90 % der Materialfestigkeit erreichen. Die Festigkeit ist abhängig vom Anpressdruck, der Pressform (glatt, geriffelt), der Verarbeitungstemperatur und der Anpressdauer. Typische Nahtbreiten liegen zwischen 50 und 100 mm. In der Praxis werden vom Konfektionär quer zur Naht einachsige

Kontrollprüfungen der Schweißnahtfestigkeit an Probestücken vorgenommen (siehe Prüfung und Zulassung, S. 155). Hochfrequenzschweißen Thermoplaste mit polarem Molekülaufbau (z. B. PVC) lassen sich hochfrequenzschweißen. Hierbei setzt eine hochfrequente Strahlung bestimmte molekulare Gruppen in der Beschichtung in Schwingung, was zu einer starken Wärmeentwicklung führt und die Moleküle miteinander verbindet. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der Prozessgeschwindigkeit. Wärmekontakt- oder Thermoimpulsschweißen Materialien mit PTFE-Beschichtungen, die sich nicht durch Hochfrequenzschweißen aufschmelzen lassen, werden durch direktes Aufbringen der notwendigen Hitze verschweißt (Wärmekontaktschweißen, auch Heizelementschweißen). Ein Heizbalken verbindet bei ca. 340 °C die Beschichtung der Membran mit einer Zwischenfolie aus thermoplastischem Fluorkunststoff. Bei einem Anpressdruck von etwa 50 N/cm² über 40 Sekunden und langsamem Abkühlen unter Druck erreicht die Schweißnaht Festigkeiten von bis zu 90 % der Materialfestigkeit. Als Sonderform des Wärmekontaktschweißens steht das sogenannte Thermoimpulsschweißen zur Verfügung, bei dem Stromimpulse in dünnen Metallbändern durch Widerstandserwärmung die Temperatur aufbringen. Durch das rasche Abkühlen des dünnen Metallbands unter Aufrechterhalten des Anpressdruck können hohe Prozessgeschwindigkeit erreicht werden. Schweißen auf der Baustelle Bei den meisten größeren Membranbauten müssen auch auf der Baustelle noch Schweißarbeiten getätigt werden, vor allem um Klemmstöße abzudecken und offene Eckdetails zu schließen. Vereinzelt werden aber auch vorkonfektionierte Membranflächen ausgelegt und dort gefügt. Dabei muss jedoch garantiert sein, dass die vorgegebenen Schweißnahtfestigkeiten auch bauseits erzielt werden können. Für Polyester-PVC-Membranen reicht dafür in der Regel ein einfacher Heißluftfön und eine

Textile Membranen

Anpressrolle. Glas-PTFE-Membranen werden aufgrund des hohen aufzubringenden Drucks und der hohen Temperaturen mit speziellen Handschweißgeräten gefügt (Abb. C 5.14). Kleben

Aus der Industrie ist das Verkleben von Polyester-PVC-Membranen mit speziellen Klebern bekannt. Für hochbeanspruchte Membrantragwerke hat diese Fügemethode aufgrund der gegenüber Schweißen deutlich geringeren Nahtfestigkeiten jedoch keine Bedeutung. Einzig Glas-Silikon-Membranen werden z. T. noch verklebt, da Schweißen hier nicht möglich ist. Silikon kann mithilfe von Silikonklebestreifen, die auf die Nahtstelle aufgebracht werden, vulkanisiert werden. Nach dem Zusammenfügen beider Bahnen wird in einer Heizpresse bei Temperaturen um 200 °C und 15 N/cm² Anpressdruck über 30 – 60 Sekunden Anpressdauer eine Vernetzungsreaktion zwischen dem Klebstoff und den Silikonverbindungen hervorgerufen, die beide Bahnen fest miteinander verklebt. Alternativ werden Zwei-Komponentenkleber verwendet, bei denen zunächst ein Lösungsmittel auf den beiden Nahtseiten separat aufgebracht wird, um die Molekülvernetzung der Silikonbeschichtung aufzubrechen. Die so vorbehandelten Nahtflächen können dann mit einem vernetzenden Klebstoff verbunden werden. Zur Erhöhung der Nahtfestigkeit wird teilweise eine Kombinaht, bestehend aus Klebe- und Nähnaht mit PTFE-Faden und zusätzlichem Silikonklebeband, zur Abdichtung angewendet, wodurch die Naht 65 – 80 % der Materialfestigkeit erreichen kann. Nähen

Aufgrund der hohen Produktionsgeschwindigkeiten und Festigkeiten, die beim Verschweißen erreicht werden, wird die Nähnaht nur noch für nicht schweißbare Membranwerkstoffe (z. B. PTFE-Gewebe oder Glas-Silikon) eingesetzt. Da meist sehr große Flächen vernäht werden müssen, geschieht dies an großen Tischen (Abb. C 5.15) oder mit in den Boden versenkten Nähmaschinen. Nachteilig ist die Wasserdurchlässigkeit der Naht und der hohe Produktionsaufwand. Durch spezielle Klebstoffe lassen sich die Nähte von offenen PTFE-Geweben versiegeln. Typische Flächenstöße und Randverbünde mit Nähnähten sowie das Aufnähen von Gurten werden im Kapitel »Konstruieren mit textilen Membranen« (S. 196ff.) vorgestellt.

hen, die ein Materialversagen zur Folge haben können (siehe Herstellungsqualität und Montage, S. 157). Hierfür können beispielsweise Schaumstoffschläuche in die Faltungen eingelegt werden. Für einen reibungslosen Ablauf bei der Montage ist es wichtig, dass die Eckpunkte vor dem Verpacken codiert beschriftet und Informationen zum Entfalten beigelegt werden, um die Membran auf der Baustelle möglichst wenig bewegen zu müssen.

Textile Gurte Textile Gurte kommen in Membrankonstruktionen aus unterschiedlichen Gründen zum Einsatz, bei wandelbaren Konstruktionen beispielsweise wegen ihrer Faltbarkeit. Insbesondere bei kleinen und mittelgroßen Membrantragwerken können sie zur Verstärkung der biegeweichen Ränder fest mit dem Membranrand verbunden werden. Auf der Fläche aufgenähte Gurte dienen auch dem Ausformen von Graten und Kehlen (siehe Mechanisch vorgespannte Flächen, S. 140). Bei größeren Membrantragwerken mit Stahlseilrändern, insbesondere in Kombination mit Polyester-PVC-Membranen, nehmen Gurte an den Eckbeschlägen Tangentialkräfte auf (siehe Eckdetails mit Seilanschlüssen, S. 207). Ein großes Einsatzgebiet von Gurten stellt auch die Installation von Membrantragwerken dar, hier werden sie zur Abspannung und temporären Stabilisierung von Masten und Auslegern verwendet. Als Spanngurte mit Ratschen dienen sie häufig zum Spannen der Membranränder. Textile Gurte bestehen meist aus Polyesterfasern (Abb. C 5.17), seltener auch aus Polyamidfasern und bei besonders hoher Anforderung an die Zugfestigkeit aus Aramidfasern. Sie werden in Gurtwebereien auf sogenannten Nadelwebmaschinen gewebt, die durch beidseitigen Eintrag der Schussgarne sehr hohe Vorschussgeschwindigkeiten erreichen können. Typische Webarten für Gurte sind die Leinwand- oder Körperbindung (siehe Bindungsarten, S. 79). Je nach Anforderung werden die Garne vor dem Verweben wasserabstoßend, flammhemmend und mit Fungiziden imprägniert. Die gängigen Gurtquerschnitte liegen typischerweise zwischen 20 ≈ 2 mm und 200 ≈ 15 mm und erreichen Bruchlasten von ca. 200 kN. Da Polyestergurte nicht UV-beständig sind, müssen sie vor direkter Sonneneinstrahlung z. B. durch Einschlagen in den verwendeten Membranwerkstoff geschützt werden.

C 5.14

C 5.15

C 5.16

Zusammenlegen und Verpacken

Die fertig konfektionierte Membran wird werkseitig aufgerollt oder zusammengelegt (Abb. C 5.16). Zwischen den Membranschichten liegende Folien oder Textilien schützen das Material während des Transports und der Montage vor Beschädigungen. Bei knickempfindlichen Membranwerkstoffen wie Glas-PTFE sollte zudem darauf geachtet werden, dass beim Zusammenlegen keine scharfen Knicke entste-

C 5.13

C 5.14 C 5.15 C 5.16 C 5.17

Biaxialtests einer Glas-PTFE-Membran Typ IV a verschiedene Spannungsniveaus b dazugehörige Dehnungen Handschweißgerät Industrienähmaschine Zusammenlegen einer fertig konfektionierten Membran Gurt aus Polyesterfasern C 5.17

107

Erweiterte bauphysikalische und energetische Aspekte

C 6.1

Ob sich Kunststoffe für die Anwendung im Baubereich und insbesondere in der Gebäudehülle eignen, erfordert eine Betrachtung, die über die Kenntnis ihrer rein material-, herstellungsund konstruktionsspezifischen Eigenschaften hinausgeht. Wichtig sind dabei auch bauphysikalische Prinzipien, Zusammenhänge und Grundlagen, die alle besprochenen Werkstoffe gleichermaßen betreffen. Abb. C 6.4 gibt einen Überblick zu Eigenschaften und Aspekten, die in diesem Zusammenhang relevant sind. Während der Blickwinkel im Folgenden auf den einzelnen Werkstoff bzw. das einzelne Produkt gerichtet ist, bildet im Kapitel »Komplexe Gebäudehüllen« (S. 212ff.) die Kombination der Werkstoffe und deren Wechselwirkungen in der Gebäudehülle den Betrachtungsschwerpunkt. Dabei ist die Grenze an einigen Stellen nicht exakt zu ziehen, das gilt vor allem für die Aspekte Brandschutz, Schallschutz- und Raumakustik, aber z. B. auch für das Thema der Integration von solarer Aktivtechnik.

Wärmetransport

Wärmetransport ist eine Form von Energiefluss, der stets von der wärmeren und damit energiereicheren zur kälteren Seite stattfindet. Für eine betrachtete Schicht ist die übertragene Energiemenge pro Zeit abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen beiden Schichtseiten, der Weglänge (Schichtdicke) und der Wärmeleitfähigkeit der die Schicht bildenden Materialien. Der Transport von Wärme erfolgt grundsätzlich über drei Wege: • Wärmeleitung (Gasleitung λg und Festkörperleitung λs) • Wärmeströmung λv (Konvektion) • Wärmestrahlung λr

Dämmtechnische Eigenschaften

Der Anteil dieser drei Mechanismen (Abb. C 6.2) am Gesamtenergietransport ist unter anderem von der Materialtemperatur und dem Material selbst abhängig. Die Wärmemenge Q wird als Energieform in der Einheit Joule angegeben. Der Wärmestrom Φ ist definiert als die pro Zeiteinheit übertragene Wärmemenge.

Kerneigenschaft eines Wärmedämmstoffs ist es, den Wärmetransports möglichst umfassend zu unterbinden. Da Kunststoffe bei dämmenden Systemen eine große Rolle spielen (z. B. Dämmschäume oder als Material für die thermische Trennung von Metallkonstruktionen und -profilen), ist es für das Verständnis der Funktionsweise wichtig, die übergeordneten Zusammenhänge zu kennen. Die hier erläuterten Begriffe zum Thema Wärmeschutz sind in DIN 4108, Teil 1– 3 sowie in DIN EN ISO 7345 geregelt und ausführlich beschrieben.

Wärmeleitung Für den Wärmetransport in festen Körpern und stehenden Flüssigkeiten ist die Wärmeleitung maßgeblich. Sie erfolgt zum einen durch thermische Gitterschwingungen, zum anderen durch frei bewegliche Elektronen, wobei sich in der Abgrenzung zur Wärmeströmung das Material als Energieträger selbst nicht bewegt. In porösen Dämmstoffen kommt es zu Wärmeleitung über die in den Poren befindlichen Gase und zu Festkörperleitung über das Porengerüst.

-

+

-

+

-

+

Strahlung Reflexion C 6.1 C 6.2 C 6.3 C 6.4

Firmenzentrale Unilever, Hamburg (D) 2009, Behnisch Architekten Grundprinzipien der Wärmeübertragung Transport von Strahlungsenergie (z. B. Wärmestrahlung) erweiterte bauphysikalische Aspekte

Leitung

Konvektion

Absorption C 6.2

108

Transmission

C 6.3

Erweiterte bauphysikalische und engergetische Aspekte

Wärmeströmung (Konvektion) Bei der Wärmeströmung findet der Wärmetransport über Strömungsvorgänge größerer Mengen sich bewegender Teilchen statt. Man unterscheidet zwischen freier Konvektion, die durch natürlichen Auftrieb, also Dichteunterschiede als Folge von Temperaturunterschieden, entsteht, und erzwungener Konvektion, hervorgerufen durch äußere Einwirkung wie z. B. Wind oder Ventilatoren. Freie Konvektion ist auch innerhalb luftdurchlässiger Dämmstoffe wirksam, da hier die im Material befindliche Luft ein zusammenhängendes System bildet und das anliegende Temperaturgefälle zu thermisch bedingten Strömungsvorgängen führt. Gase, die selbst auch über ihre Masse Energie transportieren, diffundieren durch Stoffe aufgrund eines anliegenden Druckgefälles, wobei die Diffusion immer vom höheren in Richtung des niedrigeren Druckbereichs stattfindet. Im Zusammenhang mit Wärmedämmstoffen ist hier insbesondere der Transport von Wasserdampf von Bedeutung, da dieser aufgrund der besonders hohen Wärmespeicherfähigkeit von Wasser viel Energie aufnehmen kann. Angelagertes Wasser führt zudem in der Regel zu einer Reduzierung der Wärmedämmwirkung, da es über eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit verfügt.

Wärmedämmvermögen solare Transmission solare Absorption solare Reflexion Wärmespeichervermögen • Integrierbarkeit von Phasenwechselmaterial (PCM) thermische Aspekte

Wärmestrahlungsverhalten • Oberflächenemessivität /Absorption im langwelligen Infrarotbereich • Reflexion im langwelligen Infrarotbereich Selektivität der Transmission Anschmutzverhalten der Oberflächen (wegen Absorption) Wärmeausdehnung Transmission im sichtbaren Spektralbereich Absorption im sichtbaren Spektralbereich Reflexion im sichtbaren Spektralbereich

lichttechnische Aspekte

Farbtreue in der Reflexion Farbtreue in der Transmission Brechungsverhalten Lichtstreuung Dichtigkeit gegen Niederschläge Dichtigkeit gegenüber Gasen (v. a. Wasserdampf)

feuchtetechnische Aspekte

Feuchteaufnahmevermögen • Integrierbarkeit von Gettermaterialien Beständigkeit gegenüber Wasser und Chemikalien Schallabsorptionsvermögen Schallreflexionsvermögen

akustische Aspekte

Schalltransmissionsvermögen Vermögen zur Schalldämpfung

Wärmestrahlung Jeder Körper mit einer Eigentemperatur über dem absoluten Nullpunkt (0 Kelvin) emittiert Wärmestrahlung in einem für diesen Temperaturbereich spezifischen Frequenzbereich. Je wärmer der Körper ist, desto kurzwelliger ist die emittierte Strahlung. Die auf eine Oberfläche auftreffende Strahlungsenergie kann reflektiert, absorbiert (aufgenommen) oder transmittiert (übertragen) werden, wobei alle Anteile dieser Einzelvorgänge in der Summe 100 % ergeben, da keine Energie verloren gehen kann (Abb. C 6.3). Die Wärme- oder Temperaturstrahlung bedingt einen Wärmetransport, der durch einen Austausch elektromagnetischer Strahlungsenergie zwischen zwei Körperoberflächen erfolgt, die unterschiedliche Temperaturen aufweisen und durch ein für den entsprechenden Frequenzbereich strahlungsdurchlässiges Medium (z. B. Gas bzw. Luft) getrennt sind (Abb. C 6.5). Nach dem sogenannten Strahlungssatz von Stefan und Boltzmann wird dabei folgende Gesamtstrahlungsleistung ΔPS abgegeben:

Vermögen zur Schalllängsleitung Ressourcenbedarf bei der Herstellung Rohdichte mögliche Nutzungsdauer Energiebedarf bei der Herstellung ökologische Aspekte

Recycelbarkeit Toxizität (Herstellung, Nutzung, Recycling) • z. B. Ausgasverhalten elektromagnetische Abschirmung Toxizität im Brandfall Klassifizierung nach DIN 4102-1 bzw. DIN EN 13 501-1

Brandschutzaspekte

detailliertes Brandverhalten • brennendes Abtropfen • Öffnungsbildung zum Wärme- und Rauchabzug Toxizität der Rauchgase im Brandfall mechanische Beanspruchbarkeit • Herstellung/Montage • Vandalismus • Witterung (z. B. Hagel) • besondere örtliche Gegebenheiten (z. B. Sandstürme)

Beanspruchbarkeit und Beständigkeit

ΔPS = A · ε1 · ε2 · σ · (T14 - T24)

Chemikalienresistenz • gegenüber im Niederschlag gelösten Stoffen • gegenüber salzhaltiger Luft (z. B. Meernähe) • Verträglichkeit gegenüber anderen Stoffen Temperatureinsatzbereich (Dauer-/Spitzenlast) Beständigkeit gegenüber UV-Strahlung

σ A T1, T2 ε1, ε2

Stefan-Boltzmann-Konstante 5,67 · 10-8 [W/(m2 K4)] Fläche der gegenüberliegenden Oberflächen [m2] Oberflächentemperaturen (T1 > T2) Oberflächenemissivitäten, die die Strahlungsfähigkeit der jeweiligen Oberflächen berücksichtigen

Ein idealer (theoretischer) sogenannter schwarzer Strahler hat einen Emissionsgrad

Applizierbarkeit von aktiver Solartechnik

Applizierbarkeit von solarthermischen Systemen • wassergeführte Systeme • luftgeführte Systeme Applizierbarkeit von photovoltaischen Systemen Oberflächenspannung elektrische Leitfähigkeit

besondere sonstige Themen

Selbstleuchten (Elektroluminiszenz) Thermochromie Memory-Effekt Mikro- bzw. Nanostrukturierbarkeit

C 6.4

109

Wärmeleitfähigkeit λ [W/(mK)]

Erweiterte bauphysikalische und engergetische Aspekte

T1

ε1 Δ PS

ε2

0,10

Phenolharzschaum 49,3 kg/m³

0,08

PolystyrolHartschaum 19,1 kg/m³

0,06

0,04 PolyurethanHartschaum 35,4 kg/m³

0,02

0

T2

0

10

C 6.5

von ε = 1 = 100 %. Reale Oberflächen sind graue, d. h. weniger intensive Strahler mit 0  0,021

extrudierter PS-Hartschaum (XPS)

Vakuum-Dämmsysteme

> 0,002

Perlite

260 000

655 370

C 6.13

Eis (bei 0 °C)

2,2

Wasser

0,60

Schaumglas

130 000

296 160

C 6.14

Alkohol

0,17

44 000

71 820

Vermiculite C 6.8

110

20 30 40 50 volumenbezogener Feuchtegehalt [%] C 6.6

C 6.9

Transport von Strahlungsenergie Zusammenhang zwischen Wärmeleitfähigkeit und Feuchtegehalt Polystyrolschaum mit eingebetteten InfrarotTrübungsmitteln Wärmeleitfähigkeit verschiedener Materialien und Systeme (Auswahl) in W/mK Verbrauch an verschiedenen Dämmstoffen (Auswahl) für den Baubereich im Jahr 2001 Wärmeleitfähigkeit verschiedener Dämmstoffe und Dämmsysteme Wärmeleitfähigkeit ausgewählter Gase Prinzipieller Aufbau eines Vakuum-Dämmpaneels typischer Aufbau einer metallisierten Hochbarrierefolie Wärmeleitfähigkeit (Messwerte, keine Rechenwerte) verschiedener Kernmaterialien in Abhängigkeit vom Zellgasdruck

Erweiterte bauphysikalische und engergetische Aspekte

λ = λs + λg + λr + λv + λc

• Minimierung der Festkörperwärmeleitung λs durch ein Material mit einer geringen spezifischen Wärmeleitfähigkeit, also durch eine möglichst trockene, nicht kristalline Struktur mit punktförmigen Materialübergängen und von möglichst geringer Dichte • Reduzierung der Gaswärmeleitung λg durch die Wahl eines Gases mit geringer Wärmeleitung (z. B. die Schwergase in Polyurethanschäumen) sowie durch ein Gerüstmaterial maximaler Porosität mit minimalen Porengrößen. Mikroporöse Materialien wie Aerogele oder pyrogene Kieselsäurepulver erreichen hierdurch Wärmeleitfähigkeiten, die mit ca. 0,018 W/mK bereits deutlich unter der Wärmeleitfähigkeit ruhender Luft liegen. • Minimierung der Strahlungswärmeübertragung λr durch die gleichmäßige Verteilung eines für Infrarotstrahlung undurchlässigen Materials hoher Dichte (sogenanntes Trübungsmittel) im Dämmstoffgerüst wie beispielsweise bei durch Trübungsmittel optimierten Polystyrolschäumen (Abb. C 6.7)

Die einzelnen Werte sind abhängig von den folgende Faktoren: λ Struktur, Dichte, Druck auf Material λg Gasart, Porosität, Struktur und Porengröße λr Dichte, Partikelgröße, Temperatur λv Gasart, Porosität, Struktur und vor allem Porengröße λc λs und λg

Da die Gaswärmeleitung einen relativ hohen Anteil an der Gesamtwärmeübertragung hat, ist eine wirksame Strategie die Wahl eines Gases mit geringer Leitfähigkeit, das möglichst dauerhaft in den Poren verbleibt (Abb. C 6.11). Wesentlich effektiver ist eine Gasmengenreduzierung, d. h. eine Evakuierung des Porenvolumens.

Durch Feuchtigkeitsaufnahme wird Wasser in der Materialstruktur des Dämmstoffs eingelagert. Damit steigt seine Wärmeleitfähigkeit durch die relativ hohe Wärmeleitfähigkeit von Wasser von 0,60 (W/mK) an. Auch die Struktur der Feststoffe auf molekularer Ebene hat Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit. Gitterbaufehler, Einlagerungen von Fremdstoffen, niedrige Symmetrien des Kristallgitters oder Störungen darin, aber auch Mikrorisse und Poren führen zu einer geringeren Wärmeleitfähigkeit.

Vakuum-Dämmsysteme

Wärmetransport in porösem Dämmstoff

Der Gesamtwärmetransport (λ) in porösem Dämmstoff setzt sich zusammen aus Festkörperwärmeleitung (λs), Gaswärmeleitung (λg), thermischer Strahlung (λr), Konvektion (λv) und sogenannten Kopplungseffekten (λc), wobei gilt:

Strategien zur Optimierung von porösem Dämmstoff

Aus den Ausführungen in den vorangegangen Abschnitten lassen sich folgende Optimierungsstrategien für poröse Dämmstoffe bezogen auf die einzelnen Wärmetransportwege ableiten:

Wärmeleitfähigkeit [mW/mK]

0

5

10

Gas

λg [W/mK]

Wasserstoff (H2)

0,175

Helium (He)

0,143

Luft, Stickstoff (N2), Sauerstoff (O2)

0,026

Argon (Ar)

0,016

Pentan

0,013

Krypton

0,0095

Trichlorfluormethan (R11)

0,0085

(Vakuum)

(0) C 6.11 Getter Vakuum im Inneren Kernmaterial

Abstandshalter Evakuier-Anschluss

Prüfeinrichtung Gasdichte Hülle C 6.12

PA- oder PET-Schicht 15 μm Metallisierung 30 nm Klebstoffschicht 2 μm Metallisierung 30 nm

Die Wirkungsweise gängiger Vakuum-Dämmsysteme basiert auf den zuvor erläuterten Prinzipien der Optimierung (Abb. C 6.12). In der Umsetzung kommen Kunststoffe sowohl für das gasdichte Hüllmaterial als auch im Bereich des Kernmaterials zum Einsatz. Obwohl bislang kein bekannter Kunststoff die Gasdichtigkeit von Glas oder Metallen erreicht, können durch Kombinationen und Modifikationen der Kunststoffe geeignete sogenannte Hochbarrierefolien hergestellt werden. Um die verschiedenen Anforderungen optimal zu erfüllen, werden meist Mehrschichtsysteme verwendet, bei denen jede Lage eine spezielle Funktion übernimmt, z. B. Träger- oder Schutzfunktion (PA, PET), Barrierelage oder Schweißschichtbildung

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

Schaumglas

PP-Zwischenschicht 15 μm Klebstoffschicht 2 μm PET-Zwischenschicht 12 μm Metallisierung 30 nm Klebstoffschicht 2 μm

PE-LD-Siegelschicht 60 μm

C 6.13

Wärmeleitfähigkeit [mW/mK]

Wärme speichern. Das gilt vor allem für Membrankonstruktionen, da hier besonders geringe Massen pro Fläche zum Einsatz kommen. Daher untersucht man derzeit, wie sich Latentwärmespeichermaterialien (Phasenwechselmaterialien, engl. Phase Change Materials – PCM) z. B. auf Basis von Paraffinen oder Salzhydraten in Membranen integrieren lassen. Bei Funktionskleidung ist so eine Technologie bereits auf dem Markt verfügbar. Für den Baubereich stellen die integrierbare Menge, die Dauerhaftigkeit und Brandschutzaspekte jedoch noch große Herausforderungen dar.

40 35

Kieselsäure (Wacker WDS) offenzelliges XPS (INSTILL)

offenzelliges PUR Glasfasern

30 25 20 15

Stein-/Glaswolle 10

Polystyrol-Hartschaum geblähter Polyuretanschaum

5

mikroporöse Kieselsäuren /Aerogele

0

evakuierte Dämmung

0,001 C 6.10

0,01

0,1

1

100 1000 10 Gasdruck pGas [mbar] C 6.14

111

Erweiterte bauphysikalische und engergetische Aspekte

(PE, PP). Für den Randverbund des VakuumDämmsystems werden häufig Kunststofffolien oder Kunststoffverbundfolien eingesetzt, da hier gasdichte Fügungen (Schweißnähte) im Vergleich zu Metallen, aber besonders zu Glas, erheblich leichter auszubilden sind. Hauptanforderungen an das Kernmaterial sind eine geringe Wärmeleitfähigkeit bei möglichst minimalem Vakuum und gleichzeitig ausreichender Druckstabilität gegenüber dem Atmosphärendruck sowie vollständiger Offenzelligkeit, da es sonst unmöglich ist, die Anzahl der in den Poren eingeschlossenen Gasmoleküle zu reduzieren. Die Druckstabilität ist nicht nur wegen der mechanischen Stabilität des Systems notwendig (Atmosphärendruck ca. 10,3 t/m2), sondern hängt auch direkt mit der Wärmeleitfähigkeit des Kernmaterials zusammen, die mit zunehmender Dichte in der Regel näherungsweise linear ansteigt. Aus Abb. C 6.14 (S. 111) geht hervor, dass spezielle offenzellige Kunststoffschäume zwar eine Option für Vakuum-Dämmsysteme darstellen, jedoch für den Baubereich aufgrund der sehr hohen Anforderung an das Vakuum und der daraus resultierenden geringeren Lebensdauer des Systems bisher nicht geeignet sind. Bei gleichem Startinnendruck, also dem direkt nach der Herstellung im Vakuum-Dämmsystem vorhandenen Innendruck, steigt die Wärmeleitfähigkeit bei unvermeidbarer Belüftung des Paneels über seine Lebenszeit relativ schnell an.

Da Systeme mit solchen Kunststoffschäumen aber vergleichsweise kostengünstig sind, werden sie für Anwendungen eingesetzt, in denen es nicht auf eine Lebenszeit von mehreren Jahren ankommt, z. B. für extrem leichte und hoch effiziente Behälter zum Transport von Blutkonserven. Bei Vakuum-Dämmsystemen für den Baubereich werden als Kernmaterial vornehmlich mikroporöse Kieselsäuren (faserverstärkt und mit Infrarot-Trübungsmitteln versetzt) und in Zukunft vermutlich auch Perlite verwendet. Sandwichelemente, Foliendämmung

Ein wesentlicher Anwendungsbereich für verschiedene organische Schaumdämmstoffe (Abb. C 6.10, S. 111) sind Sandwichelemente. Hierbei nutzt man den Vorgang des Ausschäumens einer Form, z. B. durch Polyurethanschaum, zur Ausbildung einer knochenartigen Bauteilstruktur, in der zwei Schalen durch das Schaumgerüst schubfest verbunden werden (Abb. C 6.15). Das Bauteil wird dadurch im Verhältnis zu seinem Gewicht äußerst biegesteif. Allerdings entsteht auf diese Weise auch ein Verbund, der im Hinblick auf eine spätere Recyklierbarkeit nur noch mit erheblichem Aufwand rohstofflich getrennt werden kann. Neben Schäumen und Vakuum-Dämmsystemen gibt es weitere Möglichkeiten, den Wärmetransport in Bauteilen mit Kunststoffen einzuschränken. Ein Beispiel hierfür sind Foliendämmungen (Abb. C 6.16), die meist

C 6.15

C 6.16

C 6.17

C 6.18

aus mehreren Lagen Luftpolsterfolie bestehen, welche durch metallisierte Zwischenfolien getrennt werden. Deren nach Standardbedingungen ermittelte Wärmeleitfähigkeit ist eher hoch, durch die stark die Wärmestrahlung reflektierenden Zwischenlagen können sie jedoch für Anwendungen geeignet sein, in denen der Strahlungswärmeverlust eine überproportionale Rolle spielt. Transparente Wärmedämmung

Als transparente bzw. transluzente Wärmedämmung (TWD) wird ein Material oder Bauteil bezeichnet, das als Wärmedämmung wirksam ist und gleichzeitig Sonnenlicht und solare Wärmestrahlung zur natürlichen Belichtung und Heizungsunterstützung nach innen leitet. Am häufigsten besteht TWD aus absorbersenkrechten Waben- oder Kapillarstrukturen aus PMMA oder Polycarbonat, die nach außen mit einer transparenten Schutzschicht aus Glas oder Kunststoff abgedeckt sind. Brennbarkeit und maximale Gebrauchstemperaturen der transparenten Dämmstoffe müssen konstruktiv bzw. baurechtlich berücksichtigt werden. Übliche Einsatzmöglichkeiten für TWD sind »solare Wandheizungen«, solar erwärmte Wärmedämmung oder Tageslichtsysteme. TWD-Materialien können in organische und anorganische unterschieden werden. Zu letzteren zählen vor allem Silica-Aerogele, das sind Siliziumverbindungen mit Porengrößen von 10 bis 100 nm und einem Porenvolumenanteil

C 6.15 C 6.16 C 6.17 C 6.18 C 6.19 C 6.19

C 6.20

C 6.20 C 6.21 C 6.22

C 6.23 C 6.21

112

C 6.22

Sandwichelement (Metallblech, PUR-Schaum) Foliendämmung transluzentes Aerogel-Granulat Wabenstruktur aus Kunststoff, transparente Wärmedämmung (TWD) PC-Stegplatte, gefüllt mit transluzentem AerogelGranulat Wärmedämmung aus mehrlagigem Cellulosediacetat (CA) transparente Wärmedämmung, Kapillarrohrstruktur Glasfasergespinst, bestehend aus Glasfasern und Kunstharz, das nach DIN 4102 als B1 klassifiziert ist und z. B. im Membranbereich eingesetzt wird Übersicht zu transparenten und transluzenten Wärmedämmstoffen (TWD)

Erweiterte bauphysikalische und engergetische Aspekte

von mehr als 80 % (Abb. C 6.17). Aktuelle Aerogel-Materialien sind opak bis transluzent, nicht brennbar, umweltfreundlich im Recycling (direkt wiederverwendbar), temperaturbeständig bis 600 °C, UV-beständig, hydrophob und langzeitstabil. Sie eignen sich also besonders für die Anwendung im Baubereich. Ihre Rohdichte beträgt 90 –100 kg/m3, die innere Oberfläche 600 – 800 m2/g, die Wärmeleitfähigkeit liegt bei 0,018 W/mK und damit unter der ruhender Luft (ca. 0,024 W/mK). Aerogele sind als Pulver, Granulat und als monolithische Blöcke verfügbar, wobei Pulver nur für opake, Granulat auch für transluzente Anwendungen eingesetzt werden kann. Mit monolithischem Aerogel kann eine nahezu vollständig transparente Wärmedämmanwendung realisiert werden, derzeit ist es aber noch sehr schwer verfügbar, aufwendig herzustellen und daher sehr teuer. Ursprünglich galt dies für die Herstellungsprozesse jeglicher Form von Aerogel, da die sogenannte überkritische Trocknung einen wichtigen Fertigungsschritt darstellte. Erst in den 1990er-Jahren konnte das Verfahren für die Granulatherstellung so stark vereinfacht werden, dass einer weiteren Verbreitung dieser Materialgruppe fortan weniger im Wege zu stehen scheint. Aerogel-Granulat ist nun in einem kontinuierlichen Fertigungsprozess herstellbar und – im Gegensatz zu den Varianten der ersten Generation – hydrophob und deutlich preisgünstiger. Auf dem Markt gibt Materialtyp/Aufbau

PC-Stegvierfachplatten Stegplatte-Luftspalt-Stegplatte Aerogel Aerogel-Granulat Aerogel gefüllte Polyesterstegplatten Aerogel gefüllte PC-Stegdreifachplatten Aerogel gefüllte beschichtete PC-Stegdreifachplatten Aerogel gefülltes Isolierglas (Füllung 30 mm) Zellulosewabe Glas-Luftschicht-Zellulosewabe 30 mm-Unterdeckplatte ESG + Wabe + ESG + Edelgas + ESG Kapillareinlegeplatte (PMMA) ESG-Kapillarplatte 40 mm (Edelgas)-ESG Profilbauglas mit Kapillareinlegeplatte 40 mm Prismenplatte, PCM Glas + Prismenplatte + Glas + Edelgas + Glas + PCM + Glas

Cellulosediazetat mehrlagiges Cellulosediacetat als Wärmedämmmaterial Kunststoffwaben Glas + Wabe (150 mm) + Glas Glasfasergespinst Glas + Gespinst (60 mm) + Glas

es inzwischen zahlreiche Produkte, in die Aerogel-Granulat als transluzenter Wärmedämmstoff integriert ist, z. B. PolycarbonatStegdoppelplatten (Abb. C 6.19), GFK-Platten, Lichtbauelemente (z. B. für Oberlichter) etc. Auch in Kombination mit Membranmaterialien (Folien und Gewebe) wird der Dämmstoff inzwischen eingesetzt (siehe Aerogele im Membranbau, S. 220). Neben der Gruppe der anorganischen TWDMaterialien gibt es eine Reihe von organischen und lichtdurchlässigen Produkten. Dazu zählen wabenartige Strukturen mit im Detail verschiedenen Geometrien (z. B. Kapillar-, Waben- oder Schlitzstrukturen) aus verschiedenen Materialien wie Kunststoffe auf Acrylglasbasis, Polymethylmetacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Cellulose-Acetat (CA) und Cellulosetriacetat (CTA) sowie amorphe, transparente Copolymere auf Basis von Cyklo-Olefinen und Ethylen. Dabei haben das Material, der volumenbezogene Materialanteil und die räumliche Geometrie der Struktur einen Einfluss auf Lichtdurchlässigkeit und energetische Kennwerte wie Wärmewiderstand und g-Wert.

Licht- und wärmestrahlungstechnische Eigenschaften Bei sichtbarem Licht handelt es sich physikalisch gesehen um elektromagnetische Strahlung im für das menschliche Auge wahrnehmProduktname

U-Wert [W/m2K]

baren Frequenzbereich mit Wellenlängen zwischen ca. 380 und 780 Nanometern. Materie emittiert grundsätzlich mit einem für ihre Eigentemperatur spezifischen Spektrum (siehe Wärmestrahlung, S. 109f.). Somit erzeugt auch die Sonne mit einer Oberflächentemperatur von ca. 5778 Kelvin elektromagnetische Strahlung mit einer für diese sehr hohe Temperatur spezifischen spektralen Intensitätsverteilung. [1] Abhängig von örtlichen Gegebenheiten und in saisonalen und tagesrhythmischen Schwankungen dämpft bzw. filtert beispielsweise die Atmosphäre einzelne Anteile auf dem Weg zur Erde. Uns erreichen auf der Erdoberfläche Strahlen, die über das sogenannte solare Spektrum beschrieben werden können (Abb. C 6.27, S. 114). Hierbei handelt es sich um Wellenlängen zwischen ca. 300 und 2500 Nanometern, d. h. es gibt einen Anteil jenseits des sichtbaren Lichts im kurz- und langwelligen Bereich, der als Ultraviolett (UV) und nahes Infrarot (IR) bezeichnet wird. Das solare nahe Infrarot darf nicht mit der Wärmestrahlung verwechselt werden, die von Materie mit üblichen Außen- oder Innentemperaturen von Bauteilen emittiert wird. Entsprechend der oben beschriebenen Zusammenhänge findet sich diese oft auch als thermische Strahlung bezeichnete Wärmestrahlung in einem wesentlich längerwelligen Frequenzbereich, der deutlich weiter entfernt vom sichtbaren Licht liegt und daher auch als fernes Infrarot bezeichnet wird (Abb. C 6.27, S. 114). g-Wert senkrecht [%] ca.

g-Wert diffus [%]

48

49

40

53

52 25

Lichttransmission direkt [%]

Lichttransmission diffus [%]

Bemerkung

Dicke [mm]

Hersteller (u. a.)

64

Bayer Sheet Europe

25 50

Cabot Scobalit

Nanogel Scobatherm

0,7 0,41

25

Roda

0,91

47

25

Roda

0,91

34

38

Okalux

Lexan Thermoclear Lexan Thermoclear IR Okagel

0,6

52

52

98

gap-solar

0,74

0

14

9

opakes System

50

gap-solar

gap – fassadenpaneel gap – effektpaneel

0,92

44

28

11

Wabeneinlage verschattet bei hohem Sonnenstand

49

Okalux

KAPILUX-TWD

0,7

72

62

49

70

Glasfabrik Lamberts

Linit-TWD

1,2

35

36

78

GlassX

GLASSXcrystal

0,48

10 – 60

Isoflex

Moniflex

158

Wacotech

TIMax CA

0,4

83

45

48

68

Wacotech

TIMax GL

1,05

23

16

24

Wärmeleitfähigkeit [W/mK]

0,8

0,022

hydrophob

solare Transmission 20 %

90°) oder geringen Seilkräften lässt sich das Randseil an einer runden Eckplatte umlenken und läuft so kontinuierlich über die Ecke hinweg (Abb. E 4.46). Dadurch lassen sich Seilbeschläge einsparen und folglich kleinere Eckdetails realisieren. Nachteilig ist, dass es keine separate Nachspannmöglichkeit der Ränder rechts und links des Details gibt. Aufgeschraubte Bleche am Seilrand dienen zur Lagesicherung des Randseils. Oft wird das Eckdetail mit umgelenktem Randseil so ausgeführt, dass die Eckplatte aus zwei Hälften besteht und die Membran direkt zwischen die Platten geklemmt wird. Hierbei müssen ähnlich den Klemmplattenstößen vorab Löcher in die Membran gestanzt werden, um die Platten miteinander verschrauben zu können. Unterbrochene Randseile Die unterbrochenen Randseile werden mit Seilbeschlägen (Abb. E 4.5, S. 198) an die Eckplatte angeschlossen. Bei einem Anschluss mit Gabelfittings werden diese mit Bolzen direkt an die Eckplatten gehängt (Abb. E 4.42). Ist die Platte dünner als die Öffnung des Gabelfittings, können Stahlscheiben auf die Platte aufgeschweißt werden, um den Spalt zu schließen (Abb. E 4.42 und E 4.43). Gewindefittings werden über seitlich angeschweißte Rohrhülsen, auch Pfeifen genannt, an der Eckplatte befestigt (Abb. E 4.45 und E 4.49). Das Gewinde ermöglicht ein einfaches Justieren der Seillängen direkt an der Eckplatte. Durch den seitlichen Anschluss der Seile fällt die Platte im Vergleich zu Gabelanschlüssen schmaler aus. Teilweise werden Eckplatten auch aus zwei Hälften ausgeführt, zwischen denen die Randseile mit Ösenfittings angebracht werden.

a

1 9

b 2

9

5

3 10 11

9 8 2

a aa

bb

E 4.45

a

2

2 a

Anschluss der Eckplatte an die Unterkonstruktion

Die Eckplatten werden entweder direkt mit einem Seil in die Fundamente abgespannt oder an einen Abspannmast angeschlossen.

8

8 E 4.46

aa 8 7

1 2 3 4 5 6

Membranverstärkung Randseil Gabelfitting Klemmplatte Kederschnur Augblech

7 8 9 10 11

Mastkopf mit Anschlussschwert Metallklammer Kederprofil Gewindefitting in Rohr Kugelscheibe E 4.47

E 4.48

E 4.49

209

Konstruieren mit textilen Membranen

a

b

E 4.50

E 4.51

E 4. 52

Für den Anschluss an eine biegesteife Unterkonstruktion z. B. Wand oder Träger wird in der Regel ein Zugstab verwendet, der durch ein Gewinde in seiner Länge justierbar ist (Abb. E 4.39, S. 207). Zur Überbrückung großer Distanzen zwischen Eckplatte und Verankerung, also bei einer freien Abspannung, werden meist Stahlseile verwendet (Abb. E 4.36, S. 206 und E 4.45, S. 209). Häufig wird der Eckpunkt durch einen Abspannmast hochgedrückt. In diesem Fall wird die Eckplatte direkt an den Mast angeschlossen, sodass eine Justierung durch Kippen des Masts über die Abspannseile hinter dem Mast möglich ist. Der direkte Anschluss an den Masten muss dann gelenkig ausgebildet sein (Abb. E 4.44, S. 208 und E 4.47, S. 209). Die optimale Position eines Abspannmasts befindet sich in der Winkelhalbierenden und /oder Kraftresultierenden zwischen den Membranrandseilen und den Abspannseilen. Der Mastfuß sollte immer gelenkig gelagert sein, um Verformungen während dem Vorspannen und unter äußeren Lasten ausgleichen zu können (siehe Montage, S. 148).

a 1 2

4 3 b 1 2 3 4 5 6 7

biegesteifer Ring Klemmplatte Stütze Speiche Randgurt Stahlseil Flachstahlring

8 9 10 11

Klemmring Stützenkopf Elektrozuleitung für Beheizung Regenfallrohr wärmegedämmt Tauwasserschutz)

12 13 14 15 16

Pendelstütze Gratseil Augseil als gebogener Stab Seilklemme Umlenksattel mit Seilklemmen

Hoch- und Tiefpunkte An Hoch- oder Tiefpunkten wird die Membranfläche lokal angehoben oder heruntergezogen. Dies geschieht in der Regel entweder durch den Anschluss an einen Mast (Hochpunktmast) oder eine Seilverspannung. Im Sinne der Konstruktionsdetails können diese Punkte auch als innere Ränder definiert werden. Hoch- und Tiefpunkte können als Ringe, Linsen, Augen oder Rosetten ausgebildet sein. Für Ringe gelten die Konstruktionsprinzipien biegesteifer Ränder (Abb. E 4.52 und E 4.54), Augen und Rosetten entsprechen einem biegeweichen Rand (Abb. E 4.50, E 4.51, E 4.53, E 4.56 und E 4.58). Bei steifen Ringen muss die Membran im Klemmbereich dekompensiert werden (siehe Kompensation, S. 148), wenn sie von außen über den Ring gezogen werden soll (Abb. E 4.54). Alternativ kann sie von innen an den Ring gespannt werden (Abb. E 4.52). Der Ring kann

5

a

210

b

E 4.53

Konstruieren mit textilen Membranen

E 4.54

dabei frei an einer Unterkonstruktion hängen oder steif an einen Mast angeschlossen werden. Eine besondere Form des Hoch- oder Tiefpunkts ist der Buckel (Abb. E 4.55). Hierbei wird die Membran auf einer großen Fläche durch Teller oder Blattfedern nach oben gedrückt oder heruntergezogen. Bei schwach gekrümmten Membranflächen kann der Hochpunkt ohne besonderen Zuschnitt ausgeführt werden. Diese Form der punktuellen Auslenkung wird oft auch für Membranen verwendet, die beispielsweise als Unterhangdecke an vielen Einzelpunkten unter eine steife Dachkonstruktion gespannt werden (Abb. E 5.16, S. 219). Sehr hohe, stark beanspruchte Hochpunktmas-

E 4.55

te können in sogenannte Gittermaste aufgelöst werden (Abb. E 4.56 und E 4.59). Diese bestehen aus drei oder mehr Rohren, die über Flachstähle miteinander verbunden sind. Der Abstand der Rohre wird zur Mitte der Stütze hin aufgeweitet, um das Widerstandsmoment gegen Ausknicken zu vergrößern. Abschlussabdeckung

Da an einem Hochpunkt die Membran mit Ausnahme des Buckels nicht vollständig geschlossen wird, ist eine Abschlussabdeckung vorzusehen, sofern Regendichtigkeit gefordert ist. Diese Abdeckung kann als separate Membran mit geringerer Vorspannung ausgeführt und dann direkt mit der Hauptmembran verbunden

E 4.56

werden (Abb. E 4.50). Alternativ sind auch steife Hut- oder Deckelkonstruktionen aus Glas oder Metall möglich. Tiefpunktentwässerung

Da sich an Tiefpunkten das Regenwasser sammelt, muss ein Regenablauf in das Detail integriert werden. Unabhängig vom kraftabtragenden Detail (z. B. Klemmung der Membran an einen steifen Rand oder Rosette) wird in der Regel ein wassersammelnder Trichter mit geringerer Vorspannung separat geklemmt (Abb. E 4.51). Oft wird die Tiefpunktentwässerung in eine Stütze integriert, an der das Wasser oben oder seitlich eingeleitet und innen abgeführt wird (Abb. E 4.57).

7 6

8

9

11

10 E 4.50

12

E 4.57

a E 4.51

16

E 4.52

E 4.53

E 4.54

E 4.55 E 4.56 13 14 15 E 4.57 E 4.58 E 4.59 E 4.58

b

Hochpunkt, Ausstellungspavillon, Leonberg (D) 2000, Rasch + Bradatsch a doppellagiger Membranhut als Abschlussabdeckung b innerer Rand des mehrlagigen Hochpunkts als Rosette Tiefpunkt mit Rosette, Trichterschirm, Barbados 2004, Rasch + Bradatsch Hochpunkt mit biegesteifem Ring a Isometrie b Vertikalschnitt, Maßstab 1:20 Hochpunkt mit Rosette a Isometrie b Horizontalschnit, Maßstab 1:20 Hochpunkt mit biegesteifem Ring, Luxusunterkünfte am Ayers Rock (AUS) 2004, Cox Richardson Hochpunkte als Buckel, Centercourt HamburgRothenbaum (D) 1997, Schweger + Partner Hochpunkt mit Seilauge und umgelenktem Gratseil, Zelt im Garten des Ministeriums für städtische und ländliche Entwicklung, Riad (KSA) 2001, Rasch + Bradatsch Tiefpunktentwässerung über Stütze Seilumlenkung auf Gittermast Hochpunkt mit Seilauge

E 4.59

211

Komplexe Gebäudehüllen

E 5.1

Die Gebäudehülle wird nach der organischen Haut des Körpers und der Kleidung oft als die dritte Haut des Menschen bezeichnet. Dieser Vergleich bezieht sich allgemein auf die Schutz-, Regel- und Steuerfunktionen der einzelnen Schichten und impliziert gleichzeitig eine Hierarchisierung und eine differenzierte Aufgabenverteilung, die sich schon aus den unterschiedlichen räumlichen Abständen zum Organismus ergibt. Während für die Entwicklung insbesondere von Funktionskleidung seit einiger Zeit die genaue Kenntnis um die Eigenschaften und Mechanismen der Haut und ihrer einzelnen Schichten essenzielle Voraussetzung ist und wesentlichen Einfluss nimmt, gilt dies bislang weniger für die Entwicklung von Gebäudehüllen.

Anforderungen an Hüllkonstruktionen

E 5.1

E 5.2

E 5.3

212

10 ≈ 10 m große ETFE-Kissen, Überdachung Einkaufszentrum, Amadora (P) 2009, Promontorio Architects Zusammenhang zwischen Dämmschichtdicke und U-Wert (europäisch, links) bzw. R-Value (nordamerikanisch, rechts) für Dämmstoffe verschiedener Wärmeleitfähigkeit (vereinfacht, ohne Deckschichten, Randeffekte, Wärmeübergangskoeffizienten) prinzipielle Arten von Wärmebrücken a geometrische Wärmebrücke (2D) b geometrische Wärmebrücke (3D) c lineare Wärmebrücke d punktförmige Wärmebrücke

Zwar gab es in den 1960er- und 1970er-Jahren ausgiebige Studien zum Thema Behaglichkeit in Räumen. Diese für ein ganzheitliches Verständnis der Anforderungen an die Gebäudehülle wichtigen Untersuchungen konzentrierten sich allerdings vorrangig auf Symptome und sollten vor allem der richtigen Auslegung von Klimaanlagen dienen. Dabei ist die Vorstellung einer einheitlichen »perfekten« Umgebung für den menschlichen Organismus, sei sie statischer oder dynamischer Natur, Gegenstand zahlloser Science-Fiction-Beiträge. Für alle drei Betrachtungsebenen – Haut, Kleidung und Gebäudehülle – sind die einzelnen Anforderungen aufgrund von beidseitig wirksamen dynamischen Vorgängen keinesfalls statischer Natur. Sowohl die Bedingungen im Körper als auch das Außenklima sind in der Regel permanenten Schwankungen unterworfen. In diesem Kapitel soll keinesfalls der Versuch unternommen werden, die komplexen Anforderungen an Gebäudehüllen umfassend und abschließend abzuhandeln, dazu ist auf die Literatur zu verweisen (siehe Anhang, S. 289). Es gibt jedoch für den Bereich der Kunststoffe und Membranen besondere Fragestellungen und Lösungsansätze, die hier beispielhaft vorgestellt werden sollen – teilweise eingeführt und ergänzt durch für das Verständnis unabdingba-

rer Grundlagen. Da Kunststoffe in der Gebäudehülle neben ihrem Einsatz in plattenförmigen Halbzeugen oder als Folien- und Membranmaterialien auch eine bedeutende Rolle als Dämmstoffe spielen, seien zunächst folgende allgemeine Ausführungen zum Wärmeschutz vorangestellt. Wärmeschutz im baulichen Zusammenhang

Während sich die Ausführungen im Kapitel »Erweiterte bauphysikalische und energetische Eigenschaften« (S. 108ff.) in erster Linie auf homogene Materialgefüge und wärmetechnische Fragen beziehen, spielt im baulichen Zusammenhang die Betrachtung von mehrschichtigen und -schaligen Aufbauten, Kombinationen und Durchdringungen, wie sie bei nahezu jeder konstruktiven Fügung entstehen, sowie die Wechselwirkungen mit den anderen Gebäudesubsystemen (z. B. der Gebäudetechnik oder dem Tragwerk) eine entscheidende Rolle. Bauphysikalisch muss außerdem z. B. der Aspekt Wasserdampfteildruck- und Wasserdampfsättigungsverteilung Berücksichtigung finden, da bei solchen Betrachtungen immer von vorhandener Luftfeuchtigkeit ausgegangen werden muss. Ergänzend zu den bisher verwendeten Begriffen wie Wärmeleitfähigkeit, Wärmedurchlasskoeffizient und Wärmedurchlasswiderstand hat man es auf der konstruktiven Betrachtungsebene mit weiteren Grundlagen und -begriffen zu tun, die im Folgenden knapp erläutert werden. Wärmeübergangswiderstand und -koeffizient Der flächenbezogene Wärmeübergangskoeffizient α [W/m2K] gibt an, welcher Wärmestrom in einer Stunde von einem Quadratmeter eines Materialgefüges bei einem Temperaturgefälle von einem Kelvin an die angrenzende Luft bzw. an die nächste Schicht übergeht. Dabei wird zwischen αa (außen) und αi (innen) unterschieden. Der flächenbezogene Wärmeübergangswiderstand (Ri bzw. Ra) gibt den Widerstand an, den die jeweilige Materialgefügeoberfläche bei der Wärmeübertragung bietet. Obwohl dieser Effekt bei allen Schichtübergängen auftritt, ist er in der Praxis vor allem beim Übergang zwischen Innenluft und erster Schicht sowie zwischen letzter Schicht und Außenluft von Bedeutung. Dabei gilt:

Komplexe Gebäudehüllen

Die anzusetzenden Werte sind in DIN 41082:2003-07, 6.2 und in DIN 4108-3:2001-07, Anhang A, A.2.3 geregelt. Wärmedurchgangswiderstand und -koeffizient Der flächige Wärmedurchgangswiderstand R errechnet sich aus dem Wärmedurchlasswiderstand des Materialgefüges und den beidseitigen Wärmeübergangswiderständen Ri und Ra. Wird ein mehrschichtiger Aufbau betrachtet, so sind die entsprechenden schichtbezogenen Durchlasswiderstände (im Beispiel für s1 bis s3) im Verhältnis der einzelnen Schichtstärken zu addieren:

R=

1

αa

+

s1

λ1

+

s2

λ2

+

s3

λ3

+

1

αi

Dieses übliche Verfahren ist insofern vereinfachend, als dass die Wärmedurchgangswiderstände der einzelnen Schichten als konstant und homogen angenommen und die Wärmeübergangswiderstände zwischen den einzelnen Schichten vernachlässigt werden. Der Kehrwert des Wärmedurchgangswiderstands ist der Wärmedurchgangskoeffizient U (U-Wert, früher k-Wert): U = 1/R [W/m2K]

U-Wert [W/m2K]

Wichtig ist, dass es sich um einen rein flächenbezogenen Wert handelt, für den z. B. Randverlusteffekte nur pauschal über prozentuale Abschläge oder eine detaillierte Einzelfallberechnung berücksichtigt werden können. Der Zusammenhang zwischen Dämmschichtdicken und damit erzielbaren U-Werten ist wegen der Kehrwertbeziehung U = 1/R nicht linear. Diese für den architektonischen Gestaltungsspielraum unter energetischen Aspekten nicht zu vernachlässigende Tatsache ist in Abb. E 5.2 für verschiedene Dämmstoffe grafisch verdeutlicht (U-Wert auf der linken y-Achse). Im nordamerikanischen Raum wird statt des europäischen U-Werts der Wärmedurchgangswiderstand verwendet. Der nordamerikanische R-Value steigt also mit besserer

Wärmedämmung an, verhält sich näherungsweise linear zur Dämmstoffstärke und wird zudem in amerikanischen Basiseinheiten angeben [F · ft2 · h/Btu]. Der Zusammenhang wird in Abb. E 5.2 ersichtlich: Die R-Values für den Bezug zwischen Wärmeleitfähigkeit und Dämmstoffstärke findet sich auf der rechten y-Achse. Temperatur- und Dampfteildruckverlauf Der Wasserdampfteildruck p ist das Produkt aus temperaturabhängigem Wasserdampfsättigungsdruck ps und relativer Luftfeuchtigkeit φ. p = ps · φ [Pa] Luft kann Wasserdampf so lange aufnehmen, bis der Wasserdampfsättigungspunkt erreicht ist. Der sogenannte Wasserdampfsättigungsdruck ist dabei von der Temperatur abhängig (relative Luftfeuchtigkeit). Wird der Sättigungspunkt überschritten, fällt der Wasserdampf in Form von Tauwasser aus. Die Kenntnis über den Temperatur- und Dampfteildruckverlauf eines mehrschichtigen Aufbaus ist vor allem für die Abschätzung von eventuell anfallendem Tauwasser und für die Bestimmung des Orts, an dem dies geschieht, von Bedeutung. Für rein flächige Anordnungen ist dies überschlägig relativ leicht mit dem sogenannten Glaserverfahren (siehe DIN 4108-3) zu ermitteln. Im Falle von linearen und vor allem komplexen dreidimensionalen Geometrien, aber auch für Aussagen mit sehr hoher Genauigkeit sind in der Regel EDV-gestützte Berechnungen in hygrothermischen Verfahren auf Basis von FiniteElemente-Modellen (FEM) erforderlich. Wärmebrücken Als Wärmebrücke wird eine Stelle mit einem – relativ gesehen – deutlich höheren Wärmefluss gegenüber dem betrachteten Gesamtgefüge bezeichnet. In einem homogenen flächigen Gefüge kann es also keine Wärmebrücken geben, selbst wenn die Wärmeleitfähigkeit absolut gesehen sehr hoch ist. Bei räumlichen, nicht flächigen Gefügen können in Kanten und Ecken »geometrische Wärmebrücken« entstehen (Abb. E 5.3 a und b). Der erhöhte Wärmefluss begründet sich hier allein aus der im Verhältnis zur inneren Wandoberfläche größeren Fläche

1,000

200,000

0,800

160,000

0,600

120,000

0,400

80,000

0,200

40,000

0,000 0,01 2

R-Value [F • sqf • h/Btu]

Ri = 1/αi und Ra = 1/αa [m2K/W].

außen. Auf einer molekularen Betrachtungsebene (siehe Wärmeleitung, S. 108) könnte man beispielsweise die Stege im Materialgerüst eines Dämmstoffs als Wärmebrücken bezeichnen. Im Allgemeinen findet der Begriff aber in konstruktiven Zusammenhängen Anwendung, nämlich in der Kombination und Fügung verschiedener Materialien. Daher spricht man auch von baulichen oder konstruktiven Wärmebrücken. Diese sind entweder linear (Abb. E 5.3 c), punktförmig (Abb. E 5.3 d) oder stellen eine Kombination hieraus dar. Berechnung von Wärmebrücken, U-Wert Wärmebrücken ergeben sich unter Umständen aus der Geometrie von Dämmstoffplatten, deren Ränder prinzipiell eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als die (ungestörten) Systemmitten. Der Effekt ist abhängig von der genauen Randausbildung des Systems, der Geometrie und den Abmessungen sowie der jeweiligen Einbausituation. Der Wärmefluss über diese »Sonderstellen« wird entweder durch vereinfachende Verfahren abgeschätzt oder genauer durch Berechnungen mittels FEM ermittelt und dann über einen linearen (längenbezogenen) Wärmedurchgangskoeffizienten oder eine effektive (modifizierte) Wärmeleitfähigkeit (λeff) in die Gesamtbetrachtung einbezogen. Das Ergebnis ist ein effektiver (modifizierter) U-Wert, der abhängig von den Parametern Umfang, Fläche und Dicke und damit für jedes betrachtete System unterschiedlich ist. Der Wert der effektiven Wärmeleitfähigkeit (λeff) stellt einen nur für ein bestimmtes System gültigen Mittelwert dar. Nach derzeitigem Stand der Technik ist es daher ratsam, U-Werte für Regelquerschnitte anzugeben sowie den längenbezogenen linearen Wärmedurchgangskoeffizienten ΨK für die jeweilige Einbausituation, d. h. die spezifische Wärmebrückenkonstellation getrennt zu ermitteln (z. B. ebenfalls durch FEM-Berechnungen) und im Rahmen der energetischen Gesamtbilanz nach DIN EN 832 entsprechend zu berücksichtigen. Bei dieser getrennten Betrachtung der flächenbezogenen Wärmeleitfähigkeit und der linearen Wärmebrückenwirkung bleiben die flächenbezogenen Anteile mit anderen Dämmstoffen vergleichbar. Beim Einsatz von

0,045 0,035 0,025 0,020 0,008 0,005 [W/mK] a

b

c

d

0,000 6

10

14

18

22

26

30

34

38 42 46 50 Dämmstoffstärke [cm] E 5.2

E 5.3

213

Komplexe Gebäudehüllen

Funktionen des Wärmeschutzes

baukonstruktive Funktionen

physiologische Funktionen

ökologische Funktionen

ökonomische Funktionen

Vermeidung von Diffusionsschäden

hygienische Funktionen

Erzielen eines behaglichen Raumklimas

Minimierung von nutzungsbedingtem Energieverbrauch

Minimierung von Energiekosten (Heizungs- und Kühlungskosten)

Vermeidung von Tauwasserschäden

Vermeidung von Schimmelpilzbildung

Schutz vor Unterkühlung und Überhitzung

Verlängerung der Funktions- und Nutzungsdauer der baulichen Substanz

Verlängerung der Nutzungsdauer der baulichen Substanz

Vermeidung von Zwängungsspannungen

Reduzierung von Staubbildung und Verwirbelung

Reduzierung der Raumluftströmungsgeschwindigkeit

Minimierung von Investitions- und Betriebskosten klimatechnischer Anlagen

Angleichung und Vereinheitlichung der Temperaturen der Wandoberflächen im Rauminneren an die Raumlufttemperatur E 5.4

Nutzerverhalten

hygrisches Milieu

Brandschutz

Luftströmungsprofil der Innenraumluft

Lichtmilieu

akustisches Milieu

Wärmeschutzmaßnahmen

Temperaturverhältnisse im Rauminneren

Luftwechselanforderungen

Materialwahl Schallschutz

Lichtmilieu

lichtdurchlässige Wärmedämmung

Baukonstruktion

Besonderheiten bei Folien- und Membrankonstruktionen

Sanierungen Luftqualität: Frischluftanteil

a

E 5.4 E 5.5

E 5.6

214

Rechtslage

b

Funktionen des Wärmeschutzes a, b Bereiche, die in Wechselbeziehungen zu Wärmeschutzmaßnahmen stehen können und potenzielle Konfliktfelder im Rahmen von Wärmeschutzmaßnahmen Witterungsabhängigkeit von strahlungsdurchlässigen Konstruktionen

Ziel und Wirkung von Wärmedämmmaßnahmen Warum eigentlich ist man bestrebt, den Wärmedurchgang durch die Gebäudehülle zu reduzieren? Die Gründe sind vielfältig und gehen weit über den vermeintlich primären Anlass des Energiesparens hinaus; viele stehen zueinander in Beziehung (Abb. E 5.4). Die physiologischen Funktionen des Menschen dienen als Grundlage für die Schaffung eines hinreichend hygienischen und behaglichen Raumklimas. Im Rahmen jeder Wärmeschutzmaßnahme werden unterschiedliche Bereiche tangiert und beeinflusst (Abb. E 5.5 a). Diese Effekte müssen bedacht und kontrolliert werden. Gleichzeitig gibt es eine Reihe von potenziellen Konflikten, die es zu bewältigen gilt (Abb. E 5.5 b). Da die maßgeblichen Außenbedingungen, die auf ein Gebäude einwirken, dynamischer Natur sind, entziehen sich Wärmedämmmaßnahmen rein statischen Betrachtungen, auch wenn sie bislang in den einschlägigen Vorschriften so behandelt werden. Dynamische Wechselwirkungen zwischen dem Außenraum, der Gebäudehülle und dem Innenraum – und damit Konsequenzen für den Wärmestrom – ergeben sich insbesondere im Zusammenhang mit solaren Energieeinträgen über transluzente und transparente Gebäudehüllenausschnitte und den Wärmespeicherungseigenschaften von Bauteilen. Wärmeschutzmaßnahmen leisten – gerade bei wenig vorhandener Wärmespeichermasse – einen wesentlichen Beitrag zum Ausgleich von Tag- und Nachtschwankungen der Rauminnentemperatur.

Feuchteschutz

hygienische Anforderungen

Hochleistungsdämmungen wie z. B. VakuumDämmsystemen kommt es zu einer Verschärfung der Wärmebrückenproblematik. Die deutlich geringere Dämmstärke bei gleichzeitiger Minimierung der Wärmeleitung in der Fläche hat dabei zur Folge, dass jede Wärmebrücke, relativ betrachtet, stärker ins Gewicht fällt als bei konventionellen Dämmstoffen.

ökonomische Anforderungen

kurze angestrebte Nutzungsdauer

gestalterische Anforderungen

hohe Dämmstärken und nachträgliche Integration E 5.5

a typische opake Konstruktion mit Masse bzw. Wärmedämmung b strahlungsdurchlässige Konstruktion mit getrennten Schalen und geringer Masse E 5.7 bauphysikalische Betrachtung und Besonderheiten von Folienkissen

Sollen leistungsfähige und klimaabschließende Gebäudehüllen mit Folien- und Membranmaterialien entwickelt werden, sind im Vergleich zu konventionellen Werkstoffen und Bauweisen diverse Besonderheiten zu beachten, aus denen sich wiederum zusammen mit den weiteren spezifischen Eigenschaften der äußerst dünnen und biegeweichen Materialien für viele Aufgabenstellungen eigene Lösungsansätze ergeben, von denen im Folgenden einige vorgestellt werden, ohne Anspruch auf Vollständigkeit. Da für Gebäudehüllen der Wärmeschutz eine wichtige Rolle spielt und genau hier Folien- und Membranmaterialien schon aufgrund ihrer geringen Stärke (0,1 – 2 mm) selbst keinen Wärmewiderstand bieten, liegt ein wesentlicher Lösungsansatz in der Mehrlagigkeit der Konstruk-

Komplexe Gebäudehüllen

tion, wie es insbesondere bei pneumatisch gestützten Membrankissenstrukturen der Fall ist. Bei gespannten Konstruktionen bleibt in der Regel nur der Einsatz von zusätzlichen Wärmedämmstoffen.

Taußen

Wärmetransport in Konstruktionen mit mehreren Schalen und sehr geringer Masse

Wärmetransport in Membrankissen

Pneumatisch stabilisierte Kissenkonstruktionen werden oft nicht aus statisch-konstruktiven Gründen gewählt, sondern weil die damit verbundene Mehrlagigkeit eine deutliche Verbesserung der wärmedämmenden Eigenschaften zur Folge hat. Insbesondere wenn Transparenz, also unbehinderte Durchsicht, und nicht nur Transluzenz (streuende Lichtdurchlässigkeit) gewünscht ist, stellen Folienkissenkonstruktionen im Membranbau und die auf S. 223 beschriebenen Glas-Folien-Verbundkonstruktionen die einzige Möglichkeit dar, vergleichsweise niedrige U-Werte zu erzielen. Maßgeblich sind die Wärmeübergangswiderstände von Material zu Luft und vor allem die Wärmekonvektion im Kissen, die bei entsprechenden Temperaturkontrasten aufgrund der großen Luftvolumina zwischen den Lagen unweigerlich wirksam ist. Wie Abb. E 5.8 a (S. 216) zeigt, sind die konvektiven Effekte aufgrund der aufsteigenden wärmeren Luft in Abhängigkeit von Kissenlage und Wärmestromrichtung (jeweils horizontal oder vertikal) unterschiedlich. Jede weitere Membranlage und damit Luftkammer im Kissen reduziert das Volumen, führt zwei weitere Wärmeübergangswiderstände (Luft – Membran –

Konvektion

Konvektion

Konvektion

TZwischenraum TKonstr. innen

TRaumluft

TBoden a

b sonniger Tag

bewölkter Himmel

klare Nacht E 5.6

Integration von solarer Aktivtechnik (optional) • Photovoltaik • Solarthermie Schalltransmission (Emissionen von innen) Wärmetransport im Bereich der Klemmung

Schallreflexionen

Schalltransmission (Emissionen von außen) Niederschlagsgeräusche

Wärmetransport über das Kissen

Im Vergleich zu opaken Hüllkonstruktionen mit vergleichsweise schweren Baustoffen und gegebenenfalls Wärmedämmung, in denen der Anteil der Wärmeleitung am Gesamtwärmetransport bei Weitem dominiert, sind bei permeablen, leichten und mehrschaligen Konstruktionen, also vor allem bei ein- und mehrschaligen Membran-Gebäudehüllen, die Anteile über Konvektion und Wärmestrahlung ausschlaggebend (Abb. E 5.6). Die Wärmeleitfähigkeit der eingesetzten Materialien ist, wie auch bei anderen dünnen plattenförmigen Kunststoffen, aufgrund der geringeren Materialstärken und der Anordnung senkrecht zum Wärmestrom nahezu ohne Bedeutung. Der hohe Anteil der Strahlungswärmeübertragung führt zu einem differenzierten Verhalten der Hülle in Bezug auf die Strahlungsumgebung, das für die Optimierung der energetischen Leistungsfähigkeit der Konstruktion zu berücksichtigen ist (Abb. E 5.6). Besonders ohne dämpfend wirkende Wolkenschicht, also bei Sonne oder sternenklarer Nacht kommt es zu erheblichen Energietransport über Strahlung. In der Folge können beispielsweise entsprechend exponierte Flächen deutlich unter die Umgebungstemperatur abkühlen. Das dann möglicherweise anfallende Kondensat ist bei der Ausbildung der Konstruktion zu beachten.

TKonstr. außen Wärmeleitung

Solare Einstrahlung • sichtbares Licht • infrarote Wärmestrahlung (kurzwellig) • ultraviolette Strahlung

Reflexion

Bewuchs (Mikroorganismen) / mögliche Verschmutzung • Optik • Erhöhung der Absorption

Reflexion

Konvektion

Konvektion Reflexion

Wärmestrahlung (langw.) durch Absorption Wärmeabstrahlung aufgrund Eigentemp. in Abhängigkeit der Oberflächenemissivität, ggf. Reflexion von Wärmestrahlung (low-E)

Solarer Energieeintrag natürliches Tageslicht (Gefahr von Blendung)

mögliche Tauwasserbildung

mögliche Verschmutzung • Optik • Reinigungsoptionen

Wärmestrahlung (langw.) durch Absorption

Wärmestrahlung (langw.) durch Absorption E 5.7

Luft) ein und stellt somit eine Verbesserung dar (Abb. E 5.8 b, S. 216). Weiterhin ist für den Wärmetransport in der Membrankissen-Gebäudehülle auch die Randausbildung im Bereich des Kissens von Bedeutung. Wichtig ist neben der Wärmedämmqualität der Klemmkonstruktion (z. B. durch eine thermische Trennung) wie bei anderen Wärmebrückenuntersuchungen und ähnlich der Situation Fensterfläche/Fensterrahmen

eine Betrachtung des Flächenanteils zwischen Klemmprofil und Kissenfläche, aus dem sich der Gesamt-U-Wert ergibt. Maßgeblich ist hier der auf die Randausbildung bezogene Wärmedurchgangskoeffizient (Uf-Wert) bzw. der längenbezogene Wärmedurchgangskoeffizient Ψ [W/mK]. Bei Membrankissen besteht an dieser Stelle eine grundsätzliche Optimierungsoption durch eine räumliche Trennung der einzelnen

215

Komplexe Gebäudehüllen

c

a

b

E 5.8

E 5.9

Schichten und damit eine getrennte Klemmung der Lagen (Abb. E 5.8 d). Hier wird der erzielbare Uf-Wert durch den Abstand der Lagen und die dazwischen eingesetzten Materialien (meist das Tragwerk) bestimmt. Diese Lösung bedeutet allerdings erheblichen Mehraufwand in Planung und Ausführung (zwei Klemmprofile, Luftdichtigkeit, Wetterabhängigkeit während der Montage). Die Standardvariante werkseitig verschweißter Kissen mit einer gemeinsamen Klemmung hat direkt im Anschluß an den Bereich der Fixierung grundsätzlich eine erhebliche thermische Schwachstelle mit der Folge eines sehr hohen lokalen U-Werts (Uf-Werte z. T. > 4 W/m2K), die in der Regel ein Tropfblech unter der Klemmung für unvermeidbares Kondensat erfordert (Abb. E 3.8, S. 191). Der vermeintliche Nachteil ist jedoch vor folgendem Hintergrund zu betrachten: Erstens ist der Anteil der Kissenklemmung an der Gesamtfläche meist sehr klein im Verhältnis zu alternativen Konstruktionen, z. B. mit Glas – bei großen Kissen mit günstiger Geometrie kann er unter 2 % liegen (Abb. E 5.14). Zweitens ist sichergestellt, dass sich der thermische Schwachpunkt auf jeden Fall am Rand im Bereich der Klemmung befindet und nicht in der Kissenfläche. Unauffällige Tropfbleche unter den Klemmprofilen können möglicherweise anfallendes Kondensat in diesem Bereich ohne großen Aufwand auffangen, wo es einfach verdunstet ohne gesondert abgeführt werden zu müssen.

Berechnung von U-Werten

Gegenstand der meisten Forschungsarbeiten zum Thema Membrankissenkonstruktion war bisher nur ihr wärmetechnisches Verhalten bezüglich des winterlichen Wärmeschutzes. Dabei konnte festgestellt werden, dass sowohl die für massive Wandaufbauten gültige DIN EN ISO 6946 als auch die für Fenster gültige Norm DIN EN 673 Bedingungen enthalten, die eine Anwendbarkeit auf Membrankissenkonstruktionen zunächst einschränken. Untersuchungen des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik (IBP) haben ergeben, dass sich der Wärmedurchgang ausgesprochen instationär verhält. Dies begründet sich in den sehr geringen Massen sowie dem im Vergleich zu Mehrfachverglasungen deutlich größeren Luftraum zwischen den Membranlagen und der daraus resultierenden Konvektion. Hierdurch ist der U-Wert in Kissenmitte für übliche Kissengrößen unabhängig von der Dicke der Luftschicht und von der absoluten Kissengröße. Eine vergleichende Betrachtung der beiden oben genannten Normen sowie Vergleiche mit gemessenen U-Werten lassen allerdings vermuten, dass sich beide Berechnungsvorschriften für eine Abschätzung eines mittleren U-Werts in etwa gleicher Weise heranziehen lassen. Die Schwankungsbreite des instationären U-Werts kann damit allerdings nicht abgebildet werden. Nachdem bislang für die Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten keine anderen, besser geeigneten rechneri-

schen Methoden zur Verfügung stehen, gibt es bisher keine Alternative. In Abb. E 5.10 finden sich so ermittelte Rechenergebnisse für verschiedene Wärmetransportrichtungen (horizontal, aufwärts und abwärts gerichtet). Dabei liefern die beiden Berechnungsvorschriften DIN EN ISO 6946 und DIN EN 673 nur wenig voneinander abweichende Resultate. Deutlich ist dagegen der Unterschied bei verschiedenen Wärmetransportrichtungen. Daraus folgt, dass für die Beurteilung des U-Werts weniger das angewendete Verfahren ausschlaggebend ist als vielmehr die Einbausituation der Membrankissen. Lässt man den nur in heißen Klimaregionen oder im Sommer vorkommenden Fall des von außen nach innen gerichteten Wärmestroms außer Acht und betrachtet den mitteleuropäischen Winterfall, muss nur zwischen horizontalem und aufwärtsgerichtetem Wärmestrom unterschieden werden. Membrankissen können mit Folien, Geweben oder Kombinationen beider Materialgruppen ausgeführt werden. Vergleichende optische Werte für solche Kombinationen finden sich in Abb. E 5.13. Kommen in einem Kissen Folien und Gewebe zum Einsatz, müssen sie getrennt geklemmt werden, da sich diese beiden Materialien nicht thermisch verschweißen lassen. Neben der Möglichkeit, die Verbindung mit getrennten Klemmungen auszubilden (Abb. E 5.8 d), können auch spezielle Doppelkederprofile verwendet werden, wie sie beim U-Wert [W/m²K]

5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 °C

U-Wert [W/m²K]

2,5

U-Wert [W/m²K]

0,0

8 DIN 6946 WS aufwärts 7

DIN 673 WS aufwärts

6

d

8 DIN 6946 WS abwärts 7

DIN 673 WS abwärts

6

8 DIN 6946 WS horizontal 7 6

5

5

5

4

4

4

3

3

3

2

2

2

1

1

1

0 a

216

1

2

3

4

0

5 6 7 Anzahl Membranlagen b

1

2

3

4

0

5 6 7 Anzahl Membranlagen c

DIN 673 WS horizontal

1

2

3

4

5 6 7 Anzahl Membranlagen E 5.10

Komplexe Gebäudehüllen

E 5.11

Besucherpavillon Alnwick Garden in Südengland eingesetzt wurden (Abb. E 5.11). Bei diesem Gebäude musste die Hülle verschiedene Anforderungen an die Lichttransmission und die Wärmedämmung entsprechend der unterschiedlichen Gebäudezonen erfüllen. Die Kissenkonstruktion bestand daher zum Teil aus einer Kombination von klarer ETFE-Folie und Glas-PTFE-Gewebe, wobei letzteres auf der Außenseite der Kissen mit zusätzlicher Wärmedämmung aufgebracht wurde. Ein neu entwickeltes, über 4 m frei tragendes Doppelkederprofil fasst beide Materialien in einem gemeinsamen und damit deutlich schlankeren Profil zusammen (Abb. E 5.12). Einsatz von zusätzlichen Wärmedämmstoffen in Folien- und Membrankonstruktionen

Einer der wesentlichen Vorteile von textilen Materialien besteht in der Kombination von besonderen konstruktiven Optionen (beispielsweise großen Spannweiten und außergewöhnlichen Formen) bei gleichzeitig hoher Lichtdurchlässigkeit. Daher ist man oft bemüht, letztere Eigenschaft nicht opfern zu müssen, wenn es zusätzlich Wärmeschutzanforderungen zu erfüllen gilt. Dies führt dazu, dass transluzente, also lichtdurchlässige Wärmedämmstoffe einen Betrachtungsschwerpunkt bilden. Dabei besteht ein grundsätzlicher Zusammenhang zwischen U-Wert und möglicher Lichttransmission: Erhöht sich die Dämmstoffschicht, sinkt die mit diesem Aufbau erzielbare Lichttransmission.

Auf der anderen Seite gibt es auch mit konventionellen, opaken Dämmstoffen ausgeführte Beispiele, denn nicht immer sind lichtdurchlässige Strukturen gewünscht. Besonders Veranstaltungsräume erfordern oft einen opaken Raumabschluss. Für das zweilagige PVC-Membrandach der 1994 fertiggestellten Kurklinik Masserberg kam beispielsweise Mineralwolle mit einer Dicke von 2 ≈ 8 cm und versetzten Stößen zum Einsatz, die mit einer PE-Folie abgedeckt wurde. Über punktförmige Hart-PVCHalter zur Hinterlüftung fixiert hält die Dämmung überall einen Mindestabstand von 50 cm zur Oberlage ein. Einen sehr ähnlichen Aufbau zeigt das Dach des Musical Dome in Köln (1996). Mit 16 cm Mineralwolle erreicht der Dachaufbau einen U-Wert von ca. 0,23 W/m2K bei einem mittleren Schalldämmmaß von 45 dB. Das Kulturzentrum Puchheim (1999) hat einen komplexen Dachaufbau mit zwei Lagen sandgefülltem Distanzgewebe von je 20 mm Stärke und zwei Lagen Mineralfaserdämmung mit 8 und 10 cm. Diese Konstruktion weist einen U-Wert von ca. 0,2 W/m2K und einen Schalldämmwert von ca. 51 dB auf. Alle drei Dächer sind vollkommen opak. Wie bei allen Dämmmaßnahmen ist auch im Membranbau auf bauphysikalische Aspekte zu achten, insbesondere auf möglichen Tauwasserausfall vor allem bei Wärmebrücken z. B. im Bereich von Fixierungen, Durchdringungen und Randanschlüssen. Oft und gerade bei älteren

Reflexion solar Rsol (direkt)

Transmission visuell Tvis (direkt)

g-Wert

E 5.12

E 5.8

E 5.9

E 5.10

E 5.11 E 5.12 E 5.13 E 5.14

unterschiedliche Konvektion a horizontale und vertikale Kissen b zwei- und mehrlagige Kissen c Kissen mit verschweißten Lagen d Kissen mit getrennten Lagen Klemmprofil Uf-Wert 4,26 W/m2K / Ψ-Wert 0,06 W/mK, La Miroiterie, Lausanne (CH) 2007, Brauen + Wälchli U-Werte für Folienkonstruktionen mit verschiedener Lagenanzahl, Ausrichtung und a Wärmestrom (WS) aufwärts b Wärmestrom abwärts c Wärmestrom horizontal Gartenpavillon, Alnwick (UK) 2006, Hopkins Architects Gartenpavillon, Klemmprofil U-Werte für den Winterfall Beispielabschätzung für den Einfluss der Randklemmung auf den Gesamt-U-Wert eines Folienkissens: UKissenmitte = 2 W/m2K (z. B. ETFE-Folienkissen, dreilagig) UKlemmung = 5 W/m2K Klemmbreite = 4 cm Kissenfläche: 5 ≈ 30 m = 150 m2 Länge Klemmung: 70 m Fläche Klemmung: 2,80 m2 Flächenanteil Klemmung: 1,86 % Uges = 98,14 % ≈ 2 + 1,86 % ≈ 5 = 2,06 W/m2K relative Veränderung: ca. + 3 %

U-Wert

Material / Materialkombination

Transmisson solar Tsol (direkt)

1 EFTE-Folie 200 μm klar

92 %

4%

2 EFTE-Folie 150 μm, 5 mm Punktrasterdruck

60 %

25 %

3 Glas-PTFE 0,5 mm

16 %

77 %

1+1

84 %

81 %

85 %

3 W/m2K

1+1+1

77 %

73 %

80 %

2 W/m2K

3+1+2

12 %

14 %

2 W/m2K

3+1+1+1

14 %

15 %

1,5 W/m2K

5m 8 cm

E 5.13

4 cm

30 m

E 5.14

217

Komplexe Gebäudehüllen

Beispielen ist der tatsächliche Lichtdurchgang bei transluzent gedämmten Membrankonstruktionen äußerst gering (z. B. im Bereich um 1 %), was im Hinblick auf den damit reduzierten Wärmestrahlungseintrag auch von Vorteil sein kann. Beispielhaft für ein solches Gebäude ist die Olympiaschwimmhalle in München aus dem Jahr 1972, die eines der geschlossenen Raumvolumen unter dem berühmten Olympiadach bildet. Von 2003 bis 2006 wurde die gedämmte Abhangdecke (ca. 8250 m2) der Schwimmhalle erneuert (Abb. E 5.17 a). Abb. E 5.16 zeigt die gedämmte Membrankonstruktion nach der Sanierungsmaßnahme in den maßgeblichen Schnitten. Unter dem außen liegenden mit Acrylglas (PMMA) gedeckten Seilnetzdach befindet sich nun eine neue Abhangdecke mit folgendem Aufbau: Den inneren Raumabschluß bildet eine Polyester-PVC-Membran. Darüber liegt eine Dämmung aus zwei Lagen à 35 mm imprägnierten Polyestervlies mit versetzten Stößen und einem aktiven Lüftungssystem zur kontrollierten Entlüftung der Dämmebene. Eine ETFE-Folie dient als Abdichtung unter dem PMMA-gedeckten Seilnetz. Der Dachaufbau hat eine Gesamtlichttransmission von ca.1,5 %. Die Nutzungsart Hallenbad mit großen Temperaturunterschieden zwischen innen und außen, der erheblichen Innenraumfeuchte und der korrosiven Atmosphäre stellt sehr hohe Anforderungen an die Konstruktion. Durch das Zwangslüftungssystem, das eine Durchfeuchtung des Aufbaus verhindert, verschlechtert sich der U-Wert unter Winterbedingungen (außen -5 °C, innen +30 °C) durch erhöhte Konvektion und damit geringere Wärmeübergangswiderstände von 0,42 W/m2K auf ca. 0,47 W/m2K. Im Rahmen der Sanierung wurde außerdem die ursprüngliche Acrylglas-Schürze im ca. 400 m langen Anschlussbereich der Pfosten-RiegelFassade an das Membrandach ersetzt. Bewegungen bis 1,5 m, die an dieser Stelle auftreten, nimmt nun ein pneumatisch stabilisierter, beweglicher ETFE-Schlauch auf, der gleichzeitig einen dichten und wärmedämmenden Übergang zwischen der fest stehenden Verglasung und dem ständig in Bewegung befindlichen Dach bildet (Abb. E 5.17 b). Zusammenfassend lassen sich folgende wesentlichen Aspekte und Hinweise im Hinblick auf gedämmte Membrankonstruktionen benennen: • Transluzente Wärmedämmung ermöglicht eine gewisse Lichttransmission durch den Gesamtaufbau. Diese ist in der Regel diffus, daher sind Blendungseffekte zu berücksichtigen. • Dämmung sollte möglichst zweilagig mit versetzten Stößen eingesetzt werden. Dies dient zur Reduktion von Wärmebrücken durch mögliche Spalte und Versätze. • Anforderungen an den Dämmstoff können (je nach Anwendung) sein: Flexiblität, Temperatur- und Feuchtebeständigkeit, Transluzenz, Begehbarkeit (Montage, Wartung),

218

UV-Beständigkeit, geringe Wasseraufnahme. • Membranen und Folien sind nicht dampfdicht, daher ist das Thema Tauwasserausfall und mögliche Durchfeuchtung der Dämmung genau zu untersuchen. Hier besteht die Möglichkeit, neben einer prinzipiellen Abnahme der Dampfdichtigkeit der Schichten von innen nach außen eine intensive Hinterlüftung (> 50 cm) vorzusehen. • Anforderungen an Brand- und Schallschutz

sowie Raumakustik sind zu beachten. • Die Verbindung der Dämmung auf der Membran sollte wärmebrückenarm erfolgen. Dies geschieht meist durch eine mechanische Ausführung, z. B. mit speziellen Ankern. Flächige Verbindungen, z. B. durch Kleben, sind bisher nicht erprobt. • Bewegliche Randanschlüsse sind unverzichtbar. Membrankonstruktionen weisen auch im Randbereich zum Teil erhebliche Bewegungen

2

1

5

4

3

5

6

5

7

9

14

12

8

11

13

11

10 15

E 5.15 E 5.16

E 5.17

Übersicht zu U-Werten und Lichttransmission für verschiedene ausgeführte Membranprojekte Vertikalschnitt Membrandecke, Olympiaschwimmhalle, München (D) Sanierung 2006, Auer + Weber + Assoziierte, Behnisch Architekten mit Schlaich Bergermann und Partner (Tragwerksplanung) Olympiaschwimmhalle a transluzentes Membrandach b beweglicher Anschluß der Fassade an das Dach mit ETFE-Schlauch c Zwängungsfreie Durchstoßpunkte für die Seile der Abhängung des Beleuchtungsstegs

16

17

Projekt

Wärmedämmung

U-Wert [W/m2K]1

Lichttransmission

Kurklinik in Masserberg

2 ≈ 8 cm Mineralwolle

0,23 W/m2K

0%

2

Kulturzentrum in Puchheim

8 + 10 cm Mineralwolle

0,2 W/m K

0%

Sanierung der Olympiaschwimmhalle München

Polyestervlies 2 ≈ 3,5 cm

0,42 W/m2K

1,5 %

Dedmon Athletic Center

Aerogel-Vlies zwischen Glas-PTFE, 5 cm

0,47 W/m2K

3,5 %

Solar Decathlon Pavillon 2007 Atlanta

Aerogel-Granulat zwischen ETFE-Folien, ca. 8 cm

0,25 W/m2K

15 %

1

alle U-Werte ohne Berücksichtung von Wärmebrückeneffekten und Systemzwangslüftungen (falls vorhanden) E 5.15

Komplexe Gebäudehüllen

28

3

27 7

8

26

13

11

12 18 19 20

21

25

24 23 22 E 5.16

Schnitt Maßstab 1:10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

a

Punkthalter Acrylglas Ø 78 mm Sogsicherung Punkthalter Stahlseil Ø 3 mm Acrylglasplatten B 1 transparent 10 mm Fugenband Chloropren Breite 140 mm tragendes Seilnetz Spiralseil Stahl 2≈ Ø 10 mm Seilklemme auf Traverse verschieblich Traverse Stahlrohr ¡ 100/50/6,3 mm Spannschloss 10 mm Spreize Rundstahl Ø 40 mm Randprofil Rundstahl Ø 65 mm, Länge 1500 mm

11 inneres abgehängtes Membrandach tragende Schicht Polyestergewebe PVC beschichtet transluzent 12 Polyester-Dämmvlies transluzent 2≈ 35 mm mit versetzten Stößen, luftdurchströmt 13 Abdichtung ETFE-Folie transparent 14 Vogelschutznetz Polyamid Maschenweite 30 ≈ 30 mm 15 ETFE-Pneu zweilagig, Höhe variabel 16 Stahlfassade IPE 200 17 Isolierverglasung 45 mm 18 Belüftung anstelle Dampfsperre Stichleitung Ø 20 mm entlang der Stege Bohrung Ø 1 mm alle 2000 mm

b

warme vorkonditionierte Luft ca. 2 –3 bar PVC-Steg auf jeder Flächennaht Klemmprofil Befestigung ETFE-Folie gegen Sog Auslassöffnung Belüftung Polypropylen Ø 12 mm Klemmteller Kleeblatt 300 mm Kleeblatt-Abhängung Federstahl Ø 25 mm Abhängung Beleuchtungssteg Stahlseil 10 mm Klemmring Aluminium 8 mm Ø 220 mm Trichtermanschette PVC mit Tragmembrane verschweißt 27 Hochpunkt Ringträger Ø 4000 mm Stahlrohr Ø 273 mm/8 mm 28 Abhängung vom Seiltragwerk Stahlseil Ø 22 mm 19 20 21 22 23 24 25 26

c

E 5.17

219

Komplexe Gebäudehüllen

Materialstärke Aerogel-Granulat [cm]

Eigenschaften Lichttransg-Wert mission

U-Wert [W/m2K]

1,3 cm

73 %

0,73

1,4

2,5 cm

53 %

0,52

0,7

3,1 cm

45 %

0,43

0,57

3,8 cm

39 %

0,39

0,47

5,0 cm

28 %

0,26

0,35

5,4 cm

21 %

0,21

0,28

Eigenschaften von Aerogel-Vlies im unkomprimierten Zustand Dicke

3,5 mm und 8 mm

Rollenbreite

56 cm

Rollenlänge

bis 100 m

Wärmeleitfähigkeit

0,021 mW/mK bei einer Durchschnittstemperatur von 12,5 °C

a

0,0235 mW/mK bei einer Durchschnittstemperatur von 37,5 °C 0,025 mW/mK bei einer Durchschnittstemperatur von 62,5 °C ca. 75 kg/m3

Rohdichte E 5.18

E 5.19

auf (Winddruck und sogenannte thermische Ausdehnung), die im Bereich der Übergänge, z. B. zu starren Fassaden, konstruktiv aufgenommen werden müssen. Wie am Beispiel der Olympiaschwimmhalle München erläutert, kann dies z. B. durch kissenartige Anschlüsse gelöst werden, die in hohem Maß Bewegungen aufnehmen können und gleichzeitig einen gewissen Wärmeschutz bieten.

Granulate hingegen auch für den Einsatz als transluzente Wärmedämmung in Membrankonstruktionen infrage kommen. Neben den energetischen Aspekten sind die gestalterischen Qualitäten von Interesse. Die lichtstreuenden Eigenschaften des Aerogels sorgen nicht nur für eine homogene Untersicht, sondern auch für angenehme, blendfreie Lichtverhältnisse im Innenraum. Für eine Anwendung im Bereich der pneumatischen ETFE-Kissenkonstruktionen, bei der die Ausnutzung des natürlichen Lichts eine Rolle spielt, kommt daher in erster Linie transluzentes Aerogel-Granulat infrage. Die ETFE-Folie wie auch deren Randfügebereich sind nicht dampfdicht, daher können folglich geringe Mengen Wasserdampf in die dämmende Ebene eindringen. Dank seiner hydrophoben Eigenschaften bindet das Aerogel-Granulat das Wasser nicht, sodass es wieder aus der dämmenden Ebene ausdiffundieren kann. Aufgrund der guten Dämmeigenschaften des Aerogels wird die Innenseite der Konstruktion jedoch in der Regel nicht so kalt, dass dort Tauwasser anfallen kann. Durch die Verwendung von Aerogel in Verbindung mit einer ETFE-Kissenkonstruktion stellte das speziell entwickelte Dach des Georgia Institute of Technology für den Solar Decathlon 2007 eine weltweite Novität dar. In der hochgedämmten, semitransparenten Deckenkonstruktion kamen die hervorragenden energietechnischen wie ästhetischen Eigenschaften von Aerogel beispielhaft zum Tragen.

Aerogele im Membranbau

Ein vergleichsweise neues Thema stellt der Einsatz von hochtransluzentem Aerogel-Granulat im Membranbau dar (Abb. C 6.17, S. 112). Dieses Hochleistungsmaterial hat nicht nur hervorragende wärmedämmende Eigenschaften, sondern ist im Gegensatz zu den meisten herkömmlichen Dämmstoffen auch transluzent (siehe Transparente Wärmedämmung, S. 112). Bei Folienkonstruktionen sind, wie auch im Bauen mit textilen Werkstoffen, opake Dämmmaterialien meist unerwünscht. Der Lichttransmissionsgrad einer Aerogelschicht beträgt ca. 80 % pro cm Einbaustärke; die Dämmeigenschaften bezogen auf die Schichtstärke sind etwa doppelt so gut wie die von Polystyrolschaum vergleichbarer Dicke. Bei einer Einbaustärke von lediglich 3 cm lässt sich ein U-Wert von 0,57 W/m2K bei einem Lichttransmissionsgrad der Schicht von 45 % erreichen (Abb. E 5.18). Silica-Aerogele sind als Pulver, Granulat und als monolithische Blöcke verfügbar, wobei Pulver nur für opake Anwendungen geeignet sind,

b

1 2 3 4 1

2

3

4 5

6 6 a

220

b

5 E 5.21

E 5.20

Um die konstruktiven Elemente des Dachs so einfach wie möglich gestalten zu können, teilten die Planer den Aufbau in zwei nach Funktionen getrennte Ebenen. Die untere Ebene, die zugleich den Raumabschluss bildet, besteht aus neun hochdämmenden Deckenpaneelen mit einer Größe von 4,00 ≈ 1,50 m. Ihre im Querschnitt optimierte, thermisch getrennte Holzrahmenkonstruktion ist mit ETFE-Folie bespannt und mit Aerogel befüllt (Abb. E 5.21 a). So entsteht eine Lichtdecke mit einem über die gesamte Ansichtsfläche des Paneels homogenen Erscheinungsbild bei einem Lichtdurchlassgrad von ca. 15 % und einem U-Wert von unter 0,3 W/m2K. Als obere, lediglich dem Witterungsschutz dienende Ebene des Dachs dient eine mit ETFE bespannte Bogenkonstruktion (Abb. E 5.21 b). Da diese von der dämmenden Ebene unabhängig ist und eine geringe Spannweite von 1,50 m aufweist, konnte sie entsprechend einfach (ohne Zuschnitt) und mit reduzierten Querschnitten realisiert werden, was sowohl für den Transport zur Baustelle als auch für die Handhabung während des Einbaus von Vorteil war. Resultat ist eine verhältnismäßig leichte und hochdämmende Deckenkonstruktion, die aufgrund ihrer Transluzenz das zur Verfügung stehende Tageslichtangebot optimal ausnutzt. Da das Aerogel in einem horizontalen Deckenelement eingebaut wurde, das durch die Bespannung mit ETFE sogar unter leichtem Druck steht, bleibt es an Ort und Stelle. Ein ästethisch Photovoltaikmodul Unterkonstruktion für Photovoltaik Witterungsschutz ETFE-Folie 250 μm Stahlrohr verzinkt | 50/50 mm Aerogel-Paneel 4,00 ≈ 1,50 m ETFE-Folie 250 μm Silika-Aerogel 70 mm ETFE-Folie 250 μm Holzrahmen, Fichte 60/60 mm Tragkonstruktion Holzbalken 60 /240 mm

Komplexe Gebäudehüllen

problematisches langsames Absacken der Aerogelfüllung, wie dies als Effekt bei geneigten Isoliergläsern durch das sogenannte Pumpen der Scheiben auftreten kann, ist damit sicher ausgeschlossen. Im Hinblick auf den Sonnenschutz ist ergänzend hinzuzufügen, dass im Fall der transluzenten Decke für den Pavillon des Georgia Institute of Technology ein Großteil der solaren Strahlung von über der Lichtdecke installierten Photovoltaik-Modulen ausgeblendet wurde (Abb. E 5.21 b). Aerogel-Vlies als weitere Option Bei mechanisch gespannten Konstruktionen kommt aufgrund des fehlenden stabilisierenden Überdrucks eine weitere Variante der Aerogel-Dämmung zur Ausführung. Dabei handelt es sich um ein aus Zweikomponentenfasern bestehendes Vlies, das mit Aerogel-Partikeln versetzt ist. So entsteht eine flexible und druckfeste Matte, die sehr gute Dämmeigenschaften aufweist (Abb. E 5.19). Dieses Vlies kann sowohl in Verbindung mit transparenten ETFE-Folien als auch mit transluzenten Membranmaterialien wie PTFE-beschichtetem Glasfasergewebe (Abb. E 5.22 a und b) verwendet werden. Die transluzente Dämmlage wird dabei vorzugsweise direkt auf der unteren Membran eingebaut und reduziert die Lichttransmission nur unerheblich. Im Vergleich zu granularem Material entfällt die Schwierigkeit der gleichmäßigen Verteilung. Gegenüber der mit Granulat erreichbaren sehr homogenen Optik können sich allerdings die Stoßkanten der einzelnen Bahnen der Rollenware optisch störend abzeichnen. Vor allem bei Folienkonstruktionen aus transparentem ETFE kann dieser Effekt unerwünscht sein. Abhilfe schafft in diesem Fall der Einbau von zwei oder mehreren Lagen des Vlieses mit versetzten Stößen. Dies ist auch sinnvoll, um eine Schwächung in der Dämmschicht durch die linearen Wärmebrücken der stumpfen Stöße zu vermeiden. Der gewünschte U-Wert lässt sich durch unterschiedlich verfügbare Vliesstärken und deren mögliche mehrlagige Kombination in feinen Schritten einstellen. Ein erstes Projekt, in dem das beschriebene Aerogel-Vlies in Kombination mit PTFE /Glas in der Gebäudehülle eingesetzt wurde, ist das 4800 m2 große wärmegedämmte Membrandach des Dedmon Athletic Center der Universität in Radford (Abb. E 5.23). Es ersetzt die einlagige Ausführung von 1981 und erzielt bei einer Stärke von weniger als 50 mm einen U-Wert von 0,47 W/m2K bei einer Lichttransmission von 3,5 %. Schaltbarer Sonnenschutz für Folienkissen

Bei Folienkissen mit mindestens drei Lagen ergibt sich aufgrund der Kissengeometrie die besondere Möglichkeit, die Mittellage »schaltbar« auszuführen. Die Ober- und Mittellage verfügen hierbei über eine rasterartige Bedruckung (z. B. mit einem Schachbrettmuster), die sich im Überlagerungsfall durch einen Versatz zwischen den Mustern so ergänzt, dass

sich die Strahlungstransmission deutlich reduziert (Abb. E 5.20 a und b). Hierzu wird durch eine getrennte Drucksteuerung der beiden Kissenkammern die Mittellage entweder »umgeschlagen«, d. h. sie wird von einer Position unterhalb der geometrischen Kissenmittellinie über eine spannungslose Zwischenphase nach oben gehoben und mit einem entsprechenden Musterversatz gegen die Oberlage gedrückt. In einer alternativen Variante kann sich die Mittellage auch von einer Position mit geringem Abstand unterhalb der Oberlage durch die sich über eine Druckerhöhung in der unteren Kammer einstellende, aber noch reversible, weitere Dehnung gegen die Oberlage legen. Es ist allerdings höchst komplex, für die beschriebenen Varianten die beiden Folienlagen so zu konfektionieren (im Zuschnitt und in der Fertigung), dass die Muster sich im eingebauten Zustand tatsächlich wie geplant überlagern. Denn nur dann sind die erzielten g-Werte nennenswert unterschiedlich und damit die gewünschte schaltbare Verschattung erreichbar. Außerdem ist zu beachten, dass die Wirkung zusätzlich vom Reflexionsverhalten der eingesetzten Bedruckung abhängt und dass es durch die räumlich veränderbare Mittellage unter anderem auch zu unterschiedlichen U-Werten für die beiden Schaltzustände kommen kann. Beispiel für eine Fassadenlösung mit hohem Wärmeschutz bei hoher Lichttransmission

Für die Fassade des Geschäftshauses La Miroiterie in Lausanne, das für die Unterbringung hochwertiger Läden konzeptioniert wurde, kam eine vierlagige transluzente Kissenkonstruktion mit einem PTFE-Glas-Gewebe außen und drei dahinterliegenden Lagen ETFEFolie zum Einsatz (Abb. E 5.24, S. 222). Die Fassade mit einer Fläche von 900 m2 besitzt eine Stahlstruktur, deren Diagonalen die Geschossdecken aussteifen und – mit annähernd rechtwinkligen gleichschenkligen Dreiecken – zu einem kleinen Teil auch mit Glas ausgefüllt ist. In den Membranfeldern wird ein U-Wert von 1,3 W/m2K bei einer Lichttransmission von ca. 15 % erreicht. Das außen liegende Gewebematerial führt zu einer textilen Erscheinung des Gebäudes. Durch den hohen Transmissionsgrad wird das Haus tagsüber mit Tageslicht versorgt, nachts leuchtet es durch die stark streuende äußere Membranlage sehr gleichmäßig und hell. Bemerkenswert bei diesem Projekt ist auch die Luftversorgung der Kissen, die auf einem Umluftsystem basiert (Abb. E 5.24 b, S. 222 und E 3.13, S. 193; siehe auch Luftversorgung von pneumatischen Konstruktionen, S. 192ff).

a PTFE-Membrane

2 Lagen Aerogel-Vlies Stöße versetzt

PTFE-Membrane b E 5.18 E 5.19 E 5.20

E 5.21

E 5.22

E 5.23

E 5.22 Eigenschaften von transluzentem Aerogel-Granulat Eigenschaften von Aerogel-Vlies Prinzip einer schaltbaren Mittellage in Folienkissen a geschlossene Position b offene Position Solar Decathlon Pavillon des Georgia Institute of Technology, Atlanta (USA) 2007 a Dachaufsicht der eingebauten AerogelPaneelen mit darüberliegender ETFE-Folienschicht b Schnitt Dachkonstruktion, Maßstab 1:20 Einsatz von Aerogel-Vlies als Dämmschicht zwischen zwei Membranlagen a Materialien b Prinzip wärmegedämmtes Membrandach, Dedmon Athletic Center der Universität Radford (USA) 2009

Membranen als Material für Zweite-Haut-Fassaden

Bisher eher selten verwendet sind Membranmaterialien für die äußere Schale in ZweiteHaut-Fassaden. Da dieses Thema diverse neue Optionen bereithält und ein bisher keineswegs ausgeschöpftes oder vollständig absehbares E 5.23

221

Komplexe Gebäudehüllen

a

b

c

Potenzial bietet, ist es derzeit Gegenstand diverser Forschungsprojekte. Hierbei steht weniger eine Verbesserung im Bereich Schallschutz im Vordergrund, für den Membranen wenig geeignet sind, sondern vielmehr energetische und nutzungsbezogene Aspekte – beim Unilever-Gebäude in der Hafen-City Hamburg z. B. die Sicherstellung der Funktion des außen liegenden Sonnenschutzes auch bei starkem Wind (Abb. C 6.1, S. 108). Durch das äußerst geringe Eigengewicht von Membranen liegt ein wesentlicher Betrachtungsschwerpunkt auf dem Thema Bestandsertüchtigung.

temperaturbereich als Pufferzone, der sich durch regulierbare, verglaste Klappen im Sockel- und Dachbereich natürlich belüften lässt. Die zweite Haut hat eine Fläche von ca. 1550 m2 und wurde aus vorgespannten ETFE-Folien mit einem speziell dafür entwickelten, nachspannbaren Befestigungssystem mit minimierten Klemmprofilen ausgeführt. Eine Bedruckung der transparenten Folien mit einem silberfarbenen Punktraster dient dem Sonnenschutz und der Lichtstreuung sowie -reflexion. Diese wird vom Betrachter erst bei Dunkelheit im Kunstlicht als immateriell wirkende Ebene wahrgenommen.

Aber auch bei anderen Glasanwendungen erhöhen Kunststoffe die Leistungsfähigkeit. Nachträglich aufgebrachte Folien beispielsweise verbessern die Eigenschaften von Verglasungen im Bestand (Abb. E 5.26 a 1, 2). Durch gespannte und selektive low-E-beschichtete Folien im Scheibenzwischenraum lassen sich Isoliergläser herstellen, die in der Leistungsfähigkeit reinen Glaslösungen entsprechen, aber erheblich weniger Gewicht und eine geringere Einbaustärke aufweisen (Abb. E 5.26 b 4). In den Scheibenzwischenraum eingebaute Wickelmechanismen verwandeln solche Folien in einen bewegbaren Sonnenschutz (Abb. E 5.26 b 5). Aufgrund der äußerst geringen Wärmespeicherkapazität der sehr dünnen Folien ist der sekundäre Strahlungswärmetransport ausgesprochen gering. Die Geometrien von optimierten und daher komplexen Lichtlenkelementen im Scheibenzwischenraum lassen sich wirtschaftlich überhaupt nur in Kunststoff umsetzen, oft durch Strangpressen (Abb. E 5.26 c 7) oder durch Spritzgießen (Abb. E 5.26 c 8). Diese werden dann in einem zweiten Schritt entsprechend den Anforderungen oberflächenbehandelt, z. B. durch Aluminiumbedampfen hochreflektierend ausgebildet. Da sich die Elemente im Scheibenzwischenraum in einer Schutzatmosphäre aus getrockneter Luft und gegebenenfalls Edelgasen befinden, bleiben diese Eigenschaften über einen sehr langen Zeitraum erhalten (Abb. C 6.34 und C 6.35, S. 117).

Eines der ersten Beispiele, bei denen ETFEFolien für eine solche Anwendung eingesetzt wurden, ist das Zentrum für Gerontologie in Bad Tölz (Abb. E 5.25). Über einer Ladenzone befinden sich Büros in den Obergeschossen. Besonderes Merkmal ist die breite vertikale Erschließungsebene, die auf der Außenseite der thermischen Trennebene angeordnet ist. Diesen Bereich, über den die einzelnen Büros und Läden zu erreichen sind, schützt eine zweite Haut mit dahinterliegendem verfahrbaren Verschattungssystem vor der Witterung. Als hochtransparente Membranfassade mit einer sehr reduzierten Unterkonstruktion ausgebildet, beeinträchtigt sie die Blickbeziehung zwischen innen und außen nur minimal. Zudem schafft diese »Klimahülle« einen frostfreien und energiesparenden Zwischen-

Kunststoff-Glas-Kombinationen Einlagige Verglasungen aus Guss- oder Floatglas sind für den Einsatz in der Gebäudehülle in den meisten Fällen nicht ausreichend. Um die Leistungsfähigkeit von Verglasungen zu steigern, wird nahezu immer Kunststoff eingesetzt, z. B. im Bereich des Randverbunds von wärmedämmenden Mehrscheibenverglasungen. Soll die Glaskante selbst im Hinblick auf die lineare Wärmeleitfähigkeit optimiert werden (sogenannte Warm-Edge-Lösungen), wird der Kunststoffanteil sogar nochmals erhöht, z. B. bei der TPS-Lösung (Thermo Plastic Spacer) oder durch den Einsatz von Silikonschäumen. E 5.24

E 5.25 E 5.26

E 5.25

222

Geschäftshaus La Miroiterie, Lausanne (CH) 2007, Brauen + Wälchli a transluzente Fassade bei Nacht b Fassade von Innen c Luftversorgungssystem der Kissen Zentrum für Gerontologie, Bad Tölz (D) 2003, D. J. Siegert Beispiele für die Werkstoffkombination von Kunststoffen und Glas im Bereich von Gebäudeverglasungen a Klebefolien für Isolierglas 1 innenseitig aufgebracht, z. B. zur Reduktion der Durchsicht oder zur Reflexion von Wärmestrahlung 2 außenseitig aufbracht, z. B. zur Reduktion der solaren Einstrahlung b beschichtete Folien im Scheibenzwischenraum 3 zur Verbesserung der Wärmedämmung 4 wie 3, aber mit zwei Folien

E 5.27

E 5.24

5 bewegbar, z. B. als integriertes Rollo c Lichtlenksysteme im Scheibenraum 6 Prismenplatte 7 Umlenklamellen 8 3D-Lichtlenkraster d Klebefolie zwischen zwei Glasscheiben 9 Aufbau eines Verbundsicherheitsglases 10 Isolierverglasung aus Verbundsicherheitsglas e laminierte Verglasung aus Glas- und PMMAScheiben f transparente Kunststoffplatte (z. B. aus PMMA) mit einer außenseitig aufgebrachten dünnen Glasscheibe FoilGlass-Konzept a FoilGlass-Profil aus Kunststoff zur Verbindung von ETFE-Folie und Glas b Klemmprofillösung für die FoilGlass-Elemente c Dach eines Gewächshauses

Komplexe Gebäudehüllen

1 a

2

3

4

5

6

b

Folien spielen auch eine entscheidende Rolle in der Herstellung von Verbundsicherheitsglas (VSG). Hier werden Scheiben aus Floatglas, vorgespanntem Einscheibensicherheitsglas (ESG) oder teilvorgespanntem Glas (TVG) mittels spezieller Klebefolien, meist aus 0,38 mm Polyvinylbutyral (PVB), in einem Autoklaven unter Einwirkung von Hitze und Druck (> 100 °C, > 10 bar) zu einem Verbund verklebt. Die Klebefolien, die in verschiedenen Ausführungen verfügbar sind (transparent, transluzent, opak, eingefärbt, mit Mustern usw.), schmelzen dabei auf. In die Klebefuge kann weiteres Material einlaminiert werden, z. B. selektiv beschichtete PET-Folien, wie dies bei der Herstellung von Windschutzscheiben für Autos üblich ist, um den solaren Wärmeeintrag deutlich zu reduzieren. Statt PVB können auch andere Polymere als Klebefolien verwendet werden, die z. T. über deutlich höhere Anfangssteifigkeiten und Festigkeiten verfügen. Für Überkopfverglasungen mit besonderen Sicherheitsanforderungen dient häufig zu Isolierglas verarbeitetes VSG (Abb. E 5.26 d 10). Als Zwischenschichten für alle anderen Arten von Verbundglas eignen sich z. B. Reaktionsharze für Schallschutzgläser, Gel-Zwischenschichten für Brandschutzgläser oder Gewebeeinlagen zwischen PVB-Folien. Mittels anderer Klebstoffe, bisher meist Ethylene Vinyl Acetate (EVA), können auch dickere Elemente wie PVSolarmodule eingebettet werden.

7

8

9

c

d

Einsatzgebiete für derart laminierte Gläser sind außerdem diverse Sicherheitssonderverglasungen (z. B. durchbruch- oder durchschusshemmende Verglasungen). Mit dem Austausch einer oder mehrerer Glaslagen durch transparente PMMA-Platten (Abb. E 5.26 e) lässt sich bis zu 50 % Gewicht sparen. Für einige Anwendungen stellen neben der geringeren chemischen Beständigkeit vor allem die reduzierte Oberflächenhärte von Kunststoffen Nachteile im Dauereinsatz dar. Das kann z. B. dazu führen, dass optische Beeinträchtigungen durch Verkratzen auftreten. Sehr dünne, auflaminierte Glasscheiben können in diesem Fall helfen, die Oberflächeneigenschaften von Kunststoffplatten zu verbessern (Abb. E 5.26 f). Glas-ETFE-Folien-Kombinationen

Unter dem Namen »FoilGlass« wird derzeit eine Entwicklung vorangetrieben, bei der Glas (stets ESG) als Tragelement im Zusammenhang mit einer oder zwei ETFE-Folien zur Verbesserung der Dämmeigenschaften (durch die Mehrschaligkeit) eingesetzt wird, wobei die Folie im Überkopfbereich auch eine Sicherungsfunktionen übernehmen kann. Zudem ist das System schaltbar, d. h. der Wärmeschutz kann durch Ansaugen der Folie auf die Verglasung minimiert werden (Abb. E 5.27 b). Diese Entwicklung, für die es erste Anwendungsbeispiele gibt, zielt derzeit vorrangig auf den Einsatz in Gewächshäusern ab (Abb.

10 e

f E 5.26

E 5.27 c). Hier profitiert man in erster Linie vom günstigen Anschmutzverhalten der ETFE-Folie außen und dem guten, dauerhaften Kondensatverhalten von Glas auf der Innenseite. Aber auch generell im Architekturbereich eröffnet sie neue Optionen – vor allem als Überkopfverglasung. Beidseits der Verglasung sind dabei ETFE-Folien angeordnet. Für die Verbindung von Glas und Folien wurde ein spezielles Randprofil aus Kunststoff entwickelt (Abb. E 5.27 a). Da ESG die mehrfache Festigkeit von Floatglas oder VSG und eine deutlich höhere zulässige Durchbiegung aufweist, sind größere Scheibenabmessungen bei geringerem Gewicht als bei konventioneller Überkopfverglasung realisierbar, im Fall von Glasbruch stellt die ETFE-Folie die erforderliche Resttragfähigkeit sicher. Solche Verglasungen nach dem FoilGlass-Prinzip können mit einer im Hinblick auf die mögliche Wärmedämmwirkung sehr hohen UVB-Transparenz ausgeführt werden (siehe Treibhauseffekt, S. 114f.), was bei bepflanzten Bereichen oder Freizeitanlagen vorteilhaft sein kann. Bei der Anlage Cramer z. B. kann die Wärmedämmung innerhalb von ca. 15 Minuten anund ausgeschaltet werden (Abb. E 5.27 c). Die Folie ist in beiden Schaltstellung windstabil: Entweder wird sie durch den Überdruck im System stabilisiert oder sie liegt durch Unterdruck an der Scheibe an und kann daher nicht flattern.

1 3

4

2

1 ETFE-Folie 2 ESG 1

2

3 Kunststoffprofil 4 Luftzufuhr

3

4

1 a

b

c

E 5.27

223

Teil F

Abb. F

handlaminierte GFK-Paneele, Mobile Art – Chanel Contemporary Art Container, Zaha Hadid Architects

Gebaute Beispiele im Detail

01

Baar-Baarenfels, Fassadengestaltung und Innenausstattung in Wien (A)

226

02

Marco Serra, Empfangsgebäude in Basel (CH)

229

03

Foster + Partners, Büro- und Geschäftshaus »The Walbrook« in London (GB)

232

04

Takeshi Hosaka, Wohnhaus in Minamituru-gunn (J)

234

05

Atelier Architecture King Kong, Seeko'o Hotel in Bordeaux (F)

236

06

Pfeifer Roser Kuhn, Wohnhaus in Müllheim (D)

237

07

Squire and Partners, Flagship Store und Firmenzentrale in London (GB)

240

08

Selgas Cano, Bürogebäude in Madrid (E)

243

09

KHR arkitekter, Firmenzentrale in Middelfart (DK)

244

10

Deffner Voitländer, Wohn- und Bürohaus in Dachau (D)

245

11

Zaha Hadid Architects, Mobile Art – Chanel Contemporary Art Container

248

12

raumlaborberlin, Mobiler Aktionsraum

252

13

Jabornegg & Pálffy, Bankgebäude in Bratislava (SK)

253

14

Promontorio Architetcts, Einkaufszentrum in Amadora (P)

256

15

L35 /Ganz & Muller Architectes Associés /GM2A Architectes, Freizeitzentrum in Neydens (F)

258

16

Herzog + Partner, Trainingshalle der Bergwacht in Bad Tölz (D)

260

17

SBA Architekten, Überdachung der Erschließungsachse der Weltausstellung in Shanghai (CN)

262

18

hg merz architekten museumsgestalter, Gedenkstätte in Sachsenhausen (D)

268

19

von Gerkan, Marg und Partner, Olympiastadion in Berlin (D)

270

20

Foster + Partners, Sanierung und Umbau Hauptbahnhof in Dresden (D)

273

21

Murphy/Jahn, Passagier-Terminal-Komplex Suvarnabhumi International Airport in Bangkok (T)

277

22

Behnisch Architekten, Forumüberdachung in Kolbermoor (D)

280

23

Nikolai Kugel Architekten, Freilufttheater Festungsarena Josefsburg in Kufstein (A)

282

225

Beispiel 01

Fassadengestaltung und Innenausstattung Modeboutique Sportalm

6

7

7 5

Wien, A 2009

1 2 3 4 5 6 7

a

3 4

Architekten: Baar-Baarenfels, Wien Mitarbeiter: Petr Vokal, Martin Reis, Bernhard Trummer, Utku Mutlu Tragwerksplanung: Werkraum Wien

Verkaufsraum Schaufenster Technik Aufzug Lager Flur WC

Grundriss Maßstab 1:250 Vertikalschnitt Horizontalschnitt Maßstab 1:20

3 3

1

2 a

Die vorgehängte Fassade der Modeboutique mit ihrer wabenförmigen Struktur fällt auf im innerstädtischen Straßenbild. Der dynamische Verlauf des Rautenmusters verleiht der Fassadenebene eine optische Krümmung hin zum gläsernen Eingangsbereich. Erst dieser gibt den Blick ins Innere frei. Außen- und Innenverkleidung sind komplett in weiß gehalten und bestehen aus acrylgebundenem Mineralwerkstoff. Die Schaufensterscheibe ist ein Flächentragwerk aus einem rautenförmigen Edelstahlgitter, das durch geschlossene Hohlkörper ausgesteift wird. Diese sind frei angeordnet und zeigen sich als geschlossene Felder in der Fassade, die offenen sind verglast. Die Deckschale besteht aus vier verleimten Schichten Mineralwerkstoff, um die Tiefenstruktur mit ihren Stegen und abgerundeten Übergängen zu erreichen. Die mit einer CNC-Fräse profilierten Fassadenbahnen wurden anschließend mit dem Traggerüst verklebt. Die Stufenfälze an den Stößen vergrößern die Verbindungsfläche und reduzieren die durchgehende Fugentiefe um die Hälfte. Größe und Gewicht des Fassadenelements erlaubten die komplette Vorfertigung in der Werkstatt. Der Übergang von außen nach innen ist fließend. Der Verkaufsraum zeigt sich in Anlehnung an die Firmenphilosophie als abstrakte, plastisch geformte Winterlandschaft. Die weiße Wandverkleidung besteht aus vollflächig verklebten Mineralwerkstoffplatten. Durch das Herausdrehen von Wandabschnitten aus der Vertikalen in die Horizontale entstehen Regale, die an ihrer Unterseite die Aufhängevorrichtung und die LED-Beleuchtung verbergen. Die Stahlunterkonstruktion gewährleistet die erforderliche Stabilität. Die achsial verdrehten Regalenden schaffen dynamische Übergänge. Sie bestehen aus thermisch geformten Hohlkörpern, die mit CNC-gefrästen Negativabbildungen ihre Form erhielten. Den einzigen farbigen Akzent im Innenraum setzt Makassarholz an den Rück- und Unterseiten der Regale. Der ungedämmte Schaufensterbereich dient als Klimapuffer und ist mechanisch belüftet.

9 8

16

10

11

15

• acrylgebundener Mineralwerkstoff als Fassadenscheibe • Innenverkleidung aus Mineralwerkstoff

226

12

bb

13

14

11

13

Fassadengestaltung und Innenausstattung

Vertikalschnitt Maßstab 1:20

8 9

10 11 12 19

13

14 15

18 16

19

8 20

17

18

17

18 19 20 21 22

Stahlprofil | 40/40/3 mm Mineralwerkstoff geklebt 6 mm MDF-Platte 18 mm Unterkonstruktion Holz 40/40 mm Gipskarton 2≈ 12,5 mm Ständerprofil GK-Wand 50 mm Gipskarton 2≈ 12,5 mm mit Einstiegsluke 1000/1000 mm Spiegel geklebt Mineralwerkstoff geklebt 12 mm Stahlprofil ∑ 230/200/12 mm MDF-Platte 18 mm Mineralwerkstoff geklebt 12 mm Edelstahl 6 mm, Luftschicht 48 mm Edelstahl 6 mm, MDF-Platte 18 mm ESG 6 mm Mineralwerkstoff geklebt 12 mm, Edelstahl 6 mm, Luftschicht 100 mm, Stahlprofil ∑ 230/200/12 mm, MDF-Platte 18 mm Mineralwerkstoff geklebt 12 mm Edelstahl 6 mm, Unterkonstruktion Holz 40/40 mm Aufdoppelung Steinwolle 20 mm Brandschutzverkleidung F 90 20 mm Stahlprofil HEB 160 auf Fußplatte 200/800/3 mm geschweißt Mauerwerk Bestand Mineralwerkstoff geklebt 6 mm, Spanplatte 10 mm Lattung Holz 40/40 mm Gipskartonplatten 2≈ 12,5 mm Ständerprofil GK-Wand 50 mm, Stahlprofil | 100/100/15 mm Verkleidung Holz Makassa Mineralwerkstoff geklebt 6 mm Spanplatte 10 mm LED-Leuchte Stahlblech gekantet 3 mm PUR-Beschichtung lackiert 5 mm Estrich Bestand

13 9

10

19

14

19

20

18

b

b 21

22

aa

227

Beispiel 01

1 2

3

6

5

4

7

8

Detailschnitt Maßstab 1:5

1

2 3 4

5 6 7 8 9 10 11 12

13

mineralischer Putz 25 mm auf Putzträgerplatte Abdichtung Folie selbstklebend Stahlprofil L 300/200/12 mm Fugendichtband Stahlprofil Edelstahl ∑ 50/50/5 mm Mineralwerkstoff CNC-gefräst, geklebt 12 mm Edelstahl 6 mm Luftschicht 48 mm Edelstahl 6 mm MDF-Platte CNC-gefräst, geklebt 18 mm Gipskarton 12,5 mm Gipskarton 2≈ 12,5 mm Stahlprofil Bestand ausgemauert verputzt ESG 6 mm Mineralwerkstoff CNC-gefräst 36 mm an Edelstahlprofil ¡ 6/60 mm geklebt MDF-Profil CNC-gefräst 38 mm an Edelstahlprofil ¡ 6/60 mm geklebt Dichtung dauerelastisch Faserzementplatte 12 mm Abdichtung Bitumen geflämmt Stahlprofil L 230/300/12 mm PU-Beschichtung lackiert 5 mm Spanplatten 2≈ 15 mm Unterkonstruktion Holz 65/100 mm Estrich Bestand

10

9

13 11

2 12

228

Empfangsgebäude

Empfangsgebäude Basel, CH 2007 Architekt: Marco Serra, Basel Mitarbeiter: Stephan Schoeller Tragwerksplaner: Ernst Basler & Partner AG, Zürich ETH Lausanne, Prof. Thomas Keller

Das Empfangsgebäude des Novartis-Firmengeländes ist schlicht in der Form und anspruchsvoll in Materialwahl und Konstruktion. Das monolithische Dach aus glasfaserverstärktem Kunststoff und Polyurethan-Schaum ruht ohne zusätzliche Träger oder Stützen direkt auf der tragenden Glasfassade. Es ist Tragwerk, Abdichtung und thermische Hülle zugleich und verleiht dem Gebäude durch die flügelähnliche Form die gewünschte Leichtigkeit. Die Dachfläche besteht aus 460 unterschiedlich geformten CNC-gefrästen PUR-Schaumblöcken. Entsprechend der statischen Anforderungen haben die 90 ≈ 90 cm großen Grundmodule unterschiedliche PUR-Schaumdichten. Sie sind mit bis zu 12 Lagen Glasfasergewebe umwickelt und in Handarbeit laminiert. An den Stoßflächen der Blöcke entstehen dadurch Stege, die mit den Decklaminaten auf der Ober- und Unterseite die Tragstruktur bilden. Durch Verkleben und erneutem Laminieren der größeren Blöcke entstanden so vier im Werk vorgefertigte Dachelemente von 18,50 m Länge, die auf der Baustelle auf dieselbe Weise zu einem fugenlosen Bauteil zusammengefügt wurden. Das 400 m2 große Dach wiegt 28 t und überträgt mit den einlaminierten Doppelstegen an den Auflagerpunkten die Vertikallasten an die Fassade. Gleitlager und Stahlbänder gleichen das unterschiedliche Temperaturverhalten von Glas und GFK aus. Jeweils mittig pro Seite ist das Stahlband starr mit dem Dach verbunden und leitet die Windkräfte an die Fassade weiter. Diese besteht aus Isolierglasscheiben, die durch senkrechte Glasschwerter ausgesteift sind, statisch wirksam verklebt mit Silikon. Die werkseitig mit Edelstahlschienen verklebten VSGScheiben dienen, in Dach und Boden verborgen, der Krafteinleitung. Zugstäbe zwischen den Glasschwertern verhindern ein Verformen des Dachs und sichern gegen Windsog. Am oberen Ende sind sie mit einer einlaminierten Stahlplatte verschraubt, am unteren Ende gleicht eine Edelstahlfeder thermische Längenänderungen aus.

Schnitt • Grundriss Maßstab 1:200

1 2 3 4

Haupteingang Empfang Personalzugang Zugang zur Tiefgarage Zugang zum Campusgelände

5

aa

4

3 1

2

a

a

5

• glasfaserverstärkter Kunststoff als Tragwerk und Abdichtung • thermische Hülle mit handlaminierten PURSchaumblöcken

229

Beispiel 02

1

2

A

3

Vertikalschnitt Maßstab 1:20

6

7

4

Detailschnitte Maßstab 1:5

d

d

8

5

9

bb 1

2

13 16

3 A

230

4

13 15

17 14

6

Empfangsgebäude

1

B

6

12

3

11

10

4

7

1

2 3 4

5 6 7

8

9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

PUR-Block 70 – 600 mm, Decklaminat glasfaserverstärkter Kunststoff 6 –10 mm tragend Oberflächenbeschichtung Polyestertopcoat UV-beständig, selbstlöschend Doppelsteg glasfaserverstärkter Kunststoff 2≈ 6 mm bis 2≈ 9 mm, dazwischen Hartschaumstoff 15 mm glasfaserverstärkter Kunststoff nichttragend tragende Glasfassade: Isolierverglasung ESG 8 + SZR 16 + VSG aus 2≈ 12 mm TVG mit 1,52 mm PVB-Folie Asphalt 65 mm Abdeckung abnehmbar glasfaserverstärkter Kunststoff nicht tragend Glasschwert: VSG aus 3≈ 8 mm TVG mit 2≈ 1,52 mm PVB-Folie; Einfassung unten: Edelstahlprofil fi 60 mm Zugelement Stahlstab Ø 12 mm, umhüllt mit Acrylglashülsen, mit Stahleinlage im Dach verschraubt, flexible Befestigung am Fußpunkt Naturstein Giallo Siena 25 mm, Fußbodenheizsystem 7 + 18 mm, Unterlagsboden Beton 70 mm, PE-Folie 0,2 mm Wärmedämmung 60 mm, Stahlbetondecke 250 mm Akustikdecke: Geflecht aus Stoffbahnen 3 mm Akustikmatte Mineralwolle Maßbolzen für CNC-gesteuerte Herstellung Tropfnase Formteil glasfaserverstärkter Kunststoff Gleitlager Stahlblech punktuell, längs verschieblich Silikonverklebung tragend Flachstahl ¡ 120/8 mm Kunstharzinjektion als Toleranzausgleich Edelstahlprofil 5 mm glasfaserverstärkter Kunststoff 6 mm Stahleinlage punktuell 186/50/40 mm Stahlprofil fi Edelstahl 50/35 mm mit VSG verklebt Kompressionsband Flachstahl ¡ Edelstahl mit VSG verklebt Randstreifen grau emailliert Eckstütze: Isolierverglasung ESG 6 + SZR 12 + VSG aus TVG 12 + 15 + 12 mm

1

23

4

b

c

14

23

18

2

14

b

19

8

24 21

14

20

7

13 21 22

8 4 14

5 8

cc

dd

c

231

Beispiel 03

Büro- und Geschäftshaus »The Walbrook« London, GB 2009 Architekten: Foster + Partners, London Tragwerksplaner: Arup, London

Das Büro- und Geschäftshaus »The Walbrook« steht an exponierter Stelle in der Londoner City. Auf zehn Geschosse verteilen sich 42 000 m2 Nutzfläche. Zwei Atrien sorgen für natürliches Licht auch im Innern. Das organisch geschwungene Gebäude mit seiner silbernen Fassadenverkleidung lässt hier den Einsatz von Metall vermuten. Die 14 000 m2 große Außenhülle ist jedoch vollständig von Lamellen aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) umgeben. Damit ist »The Walbrook« das erste Bauvorhaben, bei dem faserverstärkter Kunststoff in dieser Größenordnung zum Einsatz kommen. GFK ist frei formbar, statisch wirksam und ermöglicht diese filigranen Elemente mit geringem Eigengewicht und hoher Witterungsbeständigkeit. Vertikal verlaufende Lisenen strukturieren die Fassade und tragen die horizontalen Sonnenschutzlamellen. Diese folgen im Abstand von 1 m aufeinander. Je nach Tages- und Jahreszeit wird die direkte Sonneneinstrahlung abgeschirmt, die metallische lackierte Oberfläche leitet Streulicht nach innen. Die Lamellen haben eine elliptische Form und messen auf den Sonnenseiten 50,0 ≈ 12,5 cm, auf der Nordseite 20,0 ≈ 6,2 cm. Für die Detailplanung wurde die Geometrie der Gebäudehülle in einem digitalen und parametrisierten 3D-Modell dargestellt. Nur so ließ sich die hohe Anzahl der unterschiedlichen Formteile bewältigen und Daten für die maschinelle Bearbeitung gewinnen. Die Fertigung der Fassadenelemente erfolgte in drei Schritten. Zuerst entstanden die Urformen aus PUR-Hartschaum mittels CNC-Fräse. Davon ließen sich die GFKNegativabdrucke der Lamellen abformen. In diese wurde dann per Hand die textile Faserverstärkung geschichtet und mit Polyesterharz getränkt. Zwei Halbschalen bildeten dabei eine Hohlform. Ein eingelegter Folienschlauch presste von innen das noch nasse GFK in die endgültige Form. Die Toleranzen aus dem Handlaminieren glich die CNC-Fräse aus. So entstanden ca. 4000 Lamellen und etwa 750 Lisenenelemente. Noch im Werk erfolgte die Montage an die Aluminium-Elementfassade zu vollständig vormontierten Bauteilen. • Gebäudehülle aus GFK-Lamellen • vom digitalen, parametrisierten 3D-Modell zu handlaminierten Fassadenelementen

232

Büro- und Geschäftshaus »The Walbrook«

Schnitt Maßstab 1:800 Detailschnitte Maßstab 1:20

A B C D

A

parametrisches Modell Tränken der Faserverstärkung mit Polyesterharz Verpressen des GFK mit Folienschlauch vorgefertigtes Fassadenelement lackiert

B b

b

1 2

1 3

2

4

7

3 4 5

5

6 7 8

6

9

8

10 11 9

12 13

Pfosten-Riegel-Konstruktion Aluminium Hohlraumboden 150 mm, Stahlbetondecke 130 mm abgehängte Decke Fassadenbefestigung Stahlblech gekantet 2 mm, dauerelastisch verfugt als Schallschutzelement Stahlblech pulverbeschichtet 2 mm zur Aussteifung der Fassade und für späteren Sonnenschutz Fassadenaussteifung Stahlrohr | 50/50/4 mm Sonnenschutzlamelle GFK Isolierverglasung TVG 8 + SZR 14 + VSG 12 mm mit Sonnenschutzbeschichtung Lamellenbefestigung Aluminium 10 mm pulverbeschichet an Lamellenseitenwand verschraubt Fassadenelement Lisene GFK, Länge 3,50 m Unterkonstruktion Aluminium aus einem Traganker und einem Windanker pro Lisene Aluminiumblech gekantet 2 mm Wärmedämmung Mineralwolle 120 mm C Stahlblech verzinkt 350/250/10 mm

aa 13

12

1

a

12

11 9

8 10

bb

a

7

D

233

Beispiel 04

Wohnhaus Minamituru-gunn, J 2006 Architekten: Takeshi Hosaka, Yokohama Mitarbeiter: Megumi Hosaka Tragwerksplanung: Hirofumi Ohno, Tokio

Das Wohnhaus mit seiner abstrakten Form aus weißen, scheinbar schwebenden Bändern stellt einen starken Kontrast zur ländlichen Umgebung dar. Das Grundstück, das in der Nähe des Vulkans Fuji und einer attraktiven Seenlandschaft gelegen ist, bietet den Bauherren einerseits reizvolle Ausblicke auf die Bergsilhouette, andererseits wollte sich die junge Familie von der nahen touristischen Panoramastraße und den verstreuten benachbarten Wohnhäusern distanzieren. Das scheinbare Erdgeschoss entpuppt sich erst bei näherem Hinsehen als eine solide Sichtbetonmauer, die den Garten umfriedet und gegenüber unerwünschten Einblicken abschirmt. Im Obergeschoss bildet eine Brüstung um die Terrasse einen Sichtschutz für die privaten Wohnbereiche. Während sich das Grundstück nach außen hin völlig abgrenzt, öffnen sich die Geschosse gänzlich zum Garten hin. Den Architekten war es wichtig, die Grenze zwischen Innen- und Außenraum so transparent und unsichtbar wie möglich zu gestalten. Erreicht wird dieser Eindruck mithilfe von zwei umlaufenden transparenten Bänder aus 20 mm starkem Acrylglas, die eine für japanische Klimaverhältnisse ausreichende leichte Gebäudehülle bilden. Dadurch, dass sie kaum Licht reflektieren, beeinträchtigt nichts den Blick von innen nach außen und umgekehrt. Auch auf störende vertikale Pfosten konnte verzichtet werden, sodass die Grenze zwischen Innen- und Außenraum aufgehoben zu sein scheint. Wohn- und Aufenthaltsbereiche gruppieren sich allseitig um den Gebäudekern; von jedem Bereich führt eine gläserne Schiebetüre nach draußen. Einzig die Schlafbereiche können mittels innen liegender weißer Schiebetüren verdunkelt werden. Hinter den vermeintlich massiven Bändern der Fassade verbirgt sich eine Stahlkonstruktion, die mit Sperrholzplatten verkleidet wurde. Diese sind mit glasfaserverstärktem Kunststoff beschichtet.

Schnitt • Grundrisse Maßstab 1:200 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

aa

8

9

10

7

a

3

4

1

6

2

• Acrylglas-Bänder • Beschichtung aus glasfaserverstärktem Kunststoff a

234

5

Garten Eingang Wohnbereich Essbereich Küche Schlafzimmer Terrasse Kinderzimmer Stockbett Lager

Wohnhaus

Vertikalschnitt Maßstab 1:20 11 11

12 13 14 12

13 15 16

17 18

14

15

Abdichtung Kunststoff glasfaserverstärkt weiß beschichtet Sperrholzplatte 2≈ 12 mm Lattung im Gefälle Träger Kantholz 120/60 mm Stahlprofil Å 200/100 mm Stahlprofil fi 200/90 mm Teppich 7 mm, Sperrholzplatte 12 mm, Kantholz 100/40 mm Kantholz 150/60 mm Kondenswasserschutz Acrylglas 20 mm, größtes Element 7020/1900 mm in Rahmen Stahlprofil und Kiefernholz Stahlprofil Å 300/150 mm Abdichtung Kunststoff glasfaserverstärkt, weiß beschichtet Sperrholzplatte 2≈ 12 mm Lattung im Gefälle

19 20 21

22 23

Sperrholzplatte 24 mm Flachstahl 75/1,2 mm Stahlprofil fi 300/90 mm Gipskartonplatte gestrichen 9,5 mm Wärmedämmung Glaswolle 60 mm Abdichtung Kunststoff glasfaserverstärkt, weiß beschichtet Sperrholzplatte 2≈ 12 mm Stahlrohr horizontal | 75/75 mm Stahlrohr vertikal ¡ 75/40 mm Wärmedämmung Glaswolle 100 mm Gipskartonplatte gestrichen 12,5 mm Schiebetüre, Rahmen Kiefernholz ESG 5 + SZR 12 + ESG 5 mm Teppich 7 mm Sperrholzplatte 12 mm Fußbodenheizung/Dämmung / Lattung 45/45 mm Sperrholzplatte 24 mm Wärmedämmung/Lattung 50 mm Stahlbeton 200 mm

16

18

17

19

20

21

22

23

235

Beispiel 05

Seeko'o Hotel

Seeko'o Hotel Bordeaux, F 2007 Architekten: Atelier Architecture King Kong, Bordeaux Paul Marion, Jean-Christophe Masnada, Frederic Neau, Laurent Portejoie Mitarbeiter: Olivier Oslislo, Fontaneda Calzada David, Max Hildebrant Tragwerksplanung: ETBA, Bordeaux

Das Hafengelände am Ufer der Garonne in Bordeaux ist ein Wahrzeichen der Stadt. Mit der Entscheidung, an diesem historischen Standort ein Designhotel zu errichten, begannen kontroverse Diskussionen. Entstanden ist ein Gebäude, das sich städtebaulich einfügt, mit Form und Außenhaut aber bewusst einen deutlichen Kontrapunkt zu den Sandsteinfassaden der umliegenden Bebauung setzt. Die glatte, weiße Oberfläche der Fassade interpretiert den Hotelnamen: Seeko'o bedeutet in der Sprache der Inuit Eisberg und Gletscher. Die Knicke in der Fassade greifen die Höhen der Nachbargebäude auf, verlaufen geradlinig und nehmen keine Rücksicht auf Öffnungen. Die historischen Fensterformate wurden übernommen, aber mit innenliegenden oder außen bündigen Glasflächen abstrahiert. Zum ersten Mal kam hier großflächig, durchgängig gefärbter, acrylgebundener Mineralwerkstoff als Außenverkleidung zum Einsatz. Die stehenden Plattenformate fügen sich durch einen abwechselnd konvexen und konkaven Verlauf an den Seiten aneinander. Sie sind aus Standardplatten zusammengesetzt und auf die gewünschte Paneelgröße von maximal 2,2 ≈ 5,5 m zugeschnitten und gesäumt. Die umlaufend gefasten Kanten sind als Bewegungsfugen ausgebildet und gleichen die thermischen Längenänderungen aus. Sie betragen ca. 3 mm pro Meter. Die Stöße an den Verbindungsstellen sind rückseitig mit 6 mm starken und 50 mm breiten Streifen hinterlegt, die die gegenseitigen Bewegungen aufnehmen und an die tragende Unterkonstruktion aus Aluminium ableiten. Die verdeckte Befestigung der Kunststoffpaneele erfolgt mit sogenannten Squirrels. Dies sind runde Einsätze aus Mineralwerkstoff, die auf der Rückseite des Paneels paßgenau in ausgefräste Öffnungen geklebt werden. An ihrem zentrierten Metalleinsatz sind c-förmige Aluminiumprofile verschraubt, die im Abstand von 45 cm in die Unterkonstruktion der Fassade eingeklickt werden. Von außen sichtbar ist somit nur die feine Struktur der geschwungenen Plattenformate. • Fassadenpaneele aus Mineralwerkstoff • verdeckte Befestigung mit Mineralwerkstoff

236

5

Vertikalschnitte Maßstab 1:20 1

2 3 4

Fassadenpaneel Mineralwerkstoff UV-beständig 12,3 mm, mit rückseitigem Befestigungsprofil aus Aluminium, Unterkonstruktion Aluminium aus Lattung und Konterlattung, Außenwand Stahlbeton 250 mm Innendämmung Mineralwolle 100 mm Gipskartonplatte 13 mm Fensterrahmen Aluminium Öffnungsflügel Aluminium mit Isolierverglasung Fensterblech Aluminium lackiert 3 mm

6 7 8 9 10 11

Verkleidung Fensterleibung Mineralwerkstoff 12,3 mm, Aluminium-Unterkonstruktion an Stahlbeton verschraubt Befestigungslasche Aluminium Punkthalter Aluminium ESG mit Siebdruckmuster Gipskarton 13 mm Innendämmung Mineralwolle 50 mm Aluminiumprofil ∑ 120/70/5 mm Isolierverglasung: VSG 8 mm + SZR 12 mm + Floatglas 8 mm verklebt auf Fenterrahmen Aluminium

1

1

2

10 6 8

3

4

5

7

9

11

Wohnhaus

Wohnhaus Müllheim, D 2005 Architekten: Pfeifer Roser Kuhn, Freiburg Mitarbeiter: Thomas Gillich (Projektleiter), Nils Schinker, Simone Wechsler Tragwerksplanung: Greschik + Falk + Partner, Berlin Energiekonzept: Delzer Kybernetik, Lörrach Haustechnik: Balck + Partner, Heidelberg aa Schema Sommer

Hinter seiner bläulich schimmernden Haut bietet das Gebäude mit der klassischen Kubatur Wohnraum für zwei Parteien auf einer quadratischen Grundfläche von 12 ≈ 12 m. Von der zentralen, gemeinsam genutzten Halle aus erschließen zwei gegenläufige Treppen die voneinander unabhängigen Privatbereiche. Die Grundrisse sind in jeder Etage um 90 ° gedreht, sodass beide Parteien gleichermaßen von der Ausrichtung zur Sonne profitieren. Während die verputzten Giebelwände aus Porenbetonsteinen gemauert sind und für Speichermasse und gute Dämmung sorgen, stellen die traufseitigen Wände und die Dachflächen den konstruktiven Kern für die passive Solarenergienutzung des Hauses dar. Sie sind in massiver Brettstapelbauweise ausgeführt, darüber liegen großformatige, lichtstreuende Stegplatten aus Polycarbonat, die sich komplett über die Dachfläche ziehen und die äußere Gebäudehülle bilden. Der 8 cm breite Zwischenraum wirkt als Luftkollektor: Bei Sonneneinstrahlung erwärmt sich die Luft sehr rasch und steigt nach oben. Einfach konstruierte Rückschlagklappen im Sockelbereich öffnen sich durch den entstehenden Sog und ermöglichen das Nachströmen von Frischluft. Im oberen Dachraum wird die erwärmte Luft mit einem Lüfter durch einen Kaminzug zur Beheizung in die unteren Räume geleitet. Sechs manuell steuerbare Dachfenster im Firstbereich erlauben zusätzlich eine einfache Temperaturregelung; nicht benötigte Warmluft wird nach oben abgeführt. Der hohe k-Wert der Polycarbonatplatten von 1,15 W/m2K macht weitere Dämmmaßnahmen im Fassadenbereich überflüssig. Außerdem zeichnet sich das Material durch geringes Eigengewicht und hohe Hagelschlagfestigkeit aus. Im Dachbereich ist zudem seine lichtstreuende Wirkung von Bedeutung. Die transluzenten Flächen lassen Sonnenlicht auch in die Halle einfallen, die das Haus ganzjährig mit Wärme versorgt. Als unterstützende Heizung dient die Bauteilaktivierung der Betondecken.

Schnitte Grundriss Erdegeschoss Maßstab 1:250 1 Halle

bb Schema Winter

2 3 4 5

Küche Wohnen Schlafen Abstellraum

c

5

4

a

a 3

b

1

2

3

2

b

• Polycarbonatstegplatten als Gebäudehülle • wärmedämmende Wirkung cc Wärmeverteilung im Winter

c

237

Beispiel 06

1

2

3

Horizontalschnitt • Vertikalschnitt Maßstab 1:20 1 2 3

4 5

Außenputz 15 mm Porenbeton 300 mm, Innenputz Aluminiumprofil fi 50/50 mm Wandaufbau: Fünffachstegplatte Polycarbonat 40 mm Flachsoganker Lattung 60/80 mm Konterlattung 60/80 mm Brettstapelwand 140 mm Dampfbremse Stahlprofil fi 50 mm Gipskartonplatte 12,5 mm Isolierverglasung 4 mm + 16 mm SZR + 4 mm Fünffachstegplatte Polycarbonat 40 mm

dd

4

6 7

8 9 10

11 12 13

Lattung 60/80 mm Konterlattung 60/80 mm Abdeckblech Bodenaufbau Terasse: Mineralbeton 50 mm Schotterbett Granit 150 mm Bodenaufbau Obergeschoss: Stahlbeton mit Bauteilaktivierung 190 mm Rückschlagklappe PTFE-Membran Insektengitter Edelstahl Bodenaufbau Erdgeschoss: Stahlbeton mit Bauteilaktivierung 220 mm Perimeterdämmung 100 mm Sauberkeitsschicht 50 mm Abdeckblech Drehflügel-Dachfenster Pfette 140/140 mm

5

6

8

d

d

9 7

238

10

Wohnhaus

11

12

13

12

8

3 10

239

Beispiel 07

Flagship Store und Firmenzentrale London, GB 2008 Architekten: Squire and Partners, London Mitarbeiter: A. Mangiavacchi (Projektleitung), Y. Chan, T. Gledstone, M. Larizadeh, M. Levinson, A. Medland, F. Renton, T. Sheridan, M. Squire, S. Steed Tragwerksplanung: Fluid Structures, London

Die neue Londoner Zentrale der Modemarke Reiss vereint verschiedene Nutzungen unter einem Dach: den Flagship Store über drei Stockwerke, darüber Entwurfsstudios, Schneiderei, die Hauptverwaltung sowie ein Penthouse. Vier britische Architekten wurden zu einem Wettbewerb eingeladen, um dem Gebäude in unmittelbarer Nähe zur Oxford Street ein unverwechselbares Gesicht zu geben, das die Marke publikumswirksam nach außen transportiert. Das Londoner Büro Squire und Partner überzeugte mit dem Konzept, die verschiedenen Nutzungen hinter einem opaken Schleier aus senkrecht stehenden Acrylglasplatten zusammenzufassen. Mit dem Einsatz von Acrylglasblöcken in Dicken von 50 mm wurde durch vertikale Ausfräsungen unterschiedlicher Breite und Tiefe sowie durch das Abwechseln von polierten und mattierten Oberflächen eine dreidimensionale Wirkung der Fassade erreicht. Je nach Blickwinkel und Lichteinfall zeigt die Verkleidung den technischen Charakter von Barcodes oder den seidigen Schimmer eines gebäudehohen Faltenwurfs. Tagsüber sorgt die Hülle für angenehmes und blendfreies Licht im Innenraum. Den eindrücklichsten Effekt bietet die Fassade bei Nacht: Einzeln steuerbare LED-Schienen unter jedem Paneel verwandeln die Fassade dank der hohen Lichtleitungsfähigkeit des Materials in einen halbtransparenten Vorhang aus Licht. Jedes einzelne Paneel steht auf zwei T-förmigen Konsolen und wird seitlich von eingefrästen Edelstahlstangen gehalten, die an drei Punkten mit der Fassadenkonstruktion verbunden sind. Über diese verschiebliche Verbindung werden die Windlasten abgeleitet, ohne Zwängungen durch thermische Längenänderung des Materials zu erzeugen. Die nahezu unsichtbare Befestigung der Elemente verstärkt den schwebenden Charakter der Fassade. • Acrylglasplatten individuell profiliert • unterschiedliche Materialstärken und Oberflächen erzeugen dreidimensionale Wirkung

Schnitt Grundrisse Maßstab 1:500

5

1 2 3 4 5

3 4

1 4

aa

4

4

3

4

3. OG

4

a

1 a

2

EG

240

Verkauf Empfang / Büro Büro / Designstudio Wohnen Penthouse

Flagship Store und Firmenzentrale

17

19 13 10 18

11

bb

6

12

8

Horizontalschnitt Vertikalschnitt Maßstab 1:20

13 14

6 7

8 9 10 11 12

Acrylglaspaneel gefräst, poliert und mattiert 30 – 50 mm Abdeckung der LED-Halterungen, Aluminiumprofil gebürstet ∑ 42/42 mm Kabelkanal Stahlprofil fi 40/70 mm mit Abdeckung vertikales Fassadenprofil Flachstahl, pulverbeschichtet ¡ 30/80 mm horizontaler Abstandshalter Flachstahl, pulverbeschichtet ¡ 30/80 mm Kragträger Flachstahl ¡ 30/170 mm Wartungssteg Gitterrost

15 16 17 18

19 20

9 20

pulverbeschichtet 40/10 mm Abdeckung Dachrand, Aluminiumblech seitlicher Abschluss Fassadenzwischenraum gehärtetes Glas Eingangstür ESG 2≈ 8 mm, beidseitig auf Stahlrahmen geklebt Ladenfassade Einfachverglasung VSG 2≈ 11 mm Deckenrandträger Stahlrohr ¡ 200/400/5 mm Bürofassade Isolierverglasung VSG 2≈ 6 mm + SZR 16 mm + ESG 6 mm Pfosten Stahlrohr ¡ 200/80 mm (nur bei Tür) seitliche Haltestangen, Edelstahl Ø 7 mm, an vertikalem Fassadenprofil befestigt

b

b

6

18

9 8

19

12

7 10

17

16

20

15 14

241

Beispiel 07

Vertikalschnitt • Horizontalschnitt 1

Acrylglaspaneel gefräst, poliert und mattiert 30 – 50 mm seitliche Haltestangen Edelstahl Ø 7 mm, 4≈ pro Geschoss an vertikalem Fassadenprofil befestigt Befestigung Haltestangen Stahl Abdeckung der LED-Halterungen, Aluminiumprofil gebürstet ∑ 42/42 mm LED-Leiste einzeln steuer- und programmierbar Abdeckung LED, Glasstreifen

2

3 4 Herstellung und Profilierung der Acrylglaspaneele auf der CNC-Fräse

Maßstab 1:5

5 6

c

7 8 9 10 11 12 13

Stahlkonsole zur Lastabtragung der Acrylpaneele Befestigungsschrauben Edelstahl flächenbündig vertikales Fassadenprofil, Flachstahl pulverbeschichtet ¡ 30/80 mm horizontaler Abstandshalter, Flachstahl pulverbeschichtet ¡ 30/80 mm Kabelkanal Stahlprofil fi 40/70 mm Abdeckung Kabelkanal Flachstahl ¡ 60/5 mm Wartungssteg Gitterrost, pulverbeschichtet 40/10 mm

c

3

9 11

12

7

6 5 4

8

1

10

13

1

2

cc

242

13

3

9

Beispiel 08

Bürogebäude

Bürogebäude Madrid, E 2009 Architekten: Selgas Cano, Madrid Jose Selgas Rubio, Lucia Cano Pintos Mitarbeiter: Jose de Villar

Die unkonventionelle Büroröhre, die zum Teil im Gelände versenkt ist, steht in direkter Nachbarschaft zum Wohnhaus der Architekten und gibt den Blick auf das gesamte baumbestandene Grundstück frei. Die Röhre besteht aus zwei Teilen: Im Norden wölbt sich das Halbrund aus 20 mm starkem Acrylglas über die Flurzone, während im Süden ein Sandwich aus Polyesterplatten mit einer transluzenten Dämmung aus Polyethylen die Arbeitsbereiche vor Blendung schützt. Diese Polyesterscheiben kommen bei einigen Waggons der Deutschen Bahn zum Einsatz, sind aber in kleinen Mengen nicht erhältlich. Die Architekten mussten daher eine Bestellung der Bahn abwarten, um das 12 m lange Stück zu erhalten. Auch der Bauablauf erwies sich als weitaus schwieriger als gedacht. Eine Vielzahl von Terminen galt es abzustimmen: Eine Firma war für die Krümmung der Scheiben verantwortlich, eine andere für die Montage und eine dritte für die Stirnseiten. Diese sind aus mattem Acrylglas und können mittels Flaschenzug und Gegengewicht zur Querlüftung aufgeklappt werden. Die Nordhälfte der Röhre aus transparentem Acrylglas ist aus zehn standardisierten Teilen gefügt, die lediglich an den Kanten genutet wurden, um ein Profil mit Silikondichtung einfügen zu können. So bleibt der Ausblick ungetrübt – nur der Regen hinterlässt Spuren und Geräusche über den Köpfen.

a a 7 6

12

13

aa

1 8

9

10

11

2 3 4 5

• umgeformtes Acrylglas • transluzente Dämmung aus Polyethylen

Vertikalschnitt Maßstab 1:10

7 8

1

2 3

4

5 6

Polyester glasfaserverstärkt, 2≈ 10 mm dazwischen Wärmedämmung transluzent Polyethylen 100 mm Stahlblech gekantet verzinkt 2 mm Stahlprofil verzinkt ∑ 60/40/7 mm verschweißt mit Stahlprofil verzinkt ∑ 30/30/2,5 mm Stahlblech verzinkt 4 mm verschweißt mit Stahlblech verzinkt 15 mm Regal Acrylglas 15 mm auf Bügel Rundstahl Ø 16 mm Stahlblech verzinkt 3 mm, weiß gestrichen

9 10 11

12 13

Acrylglas 20 mm Auflager PVC transparent Spule für Polyamidkabel: Edelstahlscheibe 2≈ Ø 160 mm dazwischen Zylinder 80 mm und Kurbel Stahlprofil ∑ 2≈ 40/20/3 mm verschweißt mit Flachstahl 2 mm Abdeckung Stahlblech verzinkt, gekantet 2 mm Geotextil 2 mm Dichtungsbahn 2 mm Sichtbeton 250 mm verschalt mit Rauspundschalung 70 mm Silikonverfugung Edelstahlprofil 16/2 mm

243

Beispiel 09

Firmenzentrale

Firmenzentrale Middelfart, DK 2006 Architekten: KHR arkitekter, Kopenhagen Jan Søndergaard Mitarbeiter: Henrik Danielsen, Emi Hatakana, Ole Jensen, Claus Bang Lauridsen, Morten Vedelsbøl

Wie ein geschwungener Hügel liegt die Firmenzentrale eines dänischen Herstellers von glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) in der flachen Landschaft. Das Gebäude vereint Entwicklung, Herstellung und Verwaltung unter einem Dach, wobei ein integriertes Hochregallager die Maximalhöhe des Baukörpers definiert. Um dieses zentrale Element gruppieren sich alle funktionalen Bereiche der Produktion. Verwaltung, Entwicklung und Marketing sind auf der dreigeschossigen Ostseite des Gebäudes untergebracht und durch eine Verglasung von der Produktionshalle getrennt, wodurch ein Blickbezug herstellt wird. Drei große transparente Einschnitte gliedern das langgestreckte Bauwerk und verleihen dem Gebäude Dynamik. Gleichzeitig sorgen diese »gläsernen Klammern« für eine natürliche Belichtung aller Nutzungsbereiche. Für die Gebäudehülle wurden von der Firma selbst produzierte und teilweise speziell für dieses Bauvorhaben entwickelte Produkte eingesetzt. Die Außenfassade besteht aus dampfdichten Sandwichpaneelen, die mit GFK-Planken verkleidet sind. Diese hinterlüftete Außenhaut ist durch einen integrierten Überlappungsstoß regendicht. Auch für Fensterbänke und -rahmen kamen speziell geformte GFK-Profile zum Einsatz, die mit einer sehr schmalen Ansichtsbreite dennoch gute Wärmedämmwerte erreichen. Sowohl die pultrudierten (stranggezogenen) Profile als auch die Fassadenplatten sind mit transparentem Harz gefertigt, sodass die innen liegende Faserverstärkung sichtbar ist und den Bauteilen eine Tiefenoptik verleiht. Für die Ganzglasfassade der drei Einschnitte wurden ebenfalls GFK-Profile verwendet, die direkt mit den Glasscheiben verklebt sind. Die vorgefertigten Elemente sind lediglich verschraubt und an der Unterkonstruktion befestigt. Durch die steife Verklebung kann die Glasscheibe zur Lastabtragung hinzugezogen werden, was die Rahmenabmessungen im Vergleich zu Aluminiumfassaden wesentlich optimiert. • Fassadenbeplankung aus glasfaserverstärktem Kunststoff • sehr schmale Fensterprofile aus glasfaserverstärktem Kunststoff

244

1

Detailschnitt Maßstab 1:5 1

2

2

3 4

Fassadenpaneel glasfaserverstärkter Kunststoff 500 ≈ 40 mm Aufhängung aus Paneelstreifen, 180° gedreht Sandwichpaneel 200 mm Gipskarton 16 mm Stahlprofil Å 220 Klappfenster Isolierverglasung verklebt mit Festerrahmen glasfaserverstärkter Kunststoff Fensterbrett glasfaserverstärkter Kunststoff Kabelkanal

3

4

Wohn- und Bürohaus

Wohn- und Bürohaus Dachau, D 2005 Architekten: Deffner Voitländer, Dachau Mitarbeiter: Stefan Bohnengel, Julia Hertel, Kersten Waltz, Florian Zeitzler Tragwerksplanung: Tischner und Pache, Dachau

Das Wohn- und Bürogebäude der Architekten befindet sich in der Dachauer Altstadt. Die großzügige Freifläche im Osten wird beinahe zur Hälfte von der weitausladenden Baumkrone einer ca. 100 Jahre alten Linde bedeckt. Dieses Naturdenkmal bildet den Mittelpunkt des innerstädtischen Platzes und verleiht dem Grundstück seine Einzigartigkeit. Das Atelierhaus orientiert sich daher mit allen Aufenthaltsräumen nach Osten, der Ausblick auf den Baum ist das zentrale Thema. Auch die Fassade greift diesen Aspekt auf. Fotografien der Linde wurden auf die Außenhaut projeziert, die Konturen des Baums legen sich als Abwicklung um das gesamte Haus. Möglich macht dies die transluzente Gebäudehülle aus glasfaserverstärktem Kunststoff. Das auf Spezialpapier geplottete Baummotiv ist in die von Hand laminierten Paneele eingelegt. Beim Durchtränken mit Kunstharz bleibt abschließend nur der Druck sichtbar, der noch mit einer letzten GFK-Schicht überzogen wird. Auch die Unterkonstruktion ist je nach Sonneneinstrahlung deutlich zu sehen. Sie zeigt die Mehrschichtigkeit der Fassade, die dadurch auch eine räumliche Wirkung und die gewünschte Leichtigkeit erhält. Das zurückgesetzte Dachgeschoss hebt sich in Farbe und Form deutlich von den unteren Geschossen ab. Das Fassadenmaterial ist jedoch das gleiche. Um den gedeckten Aubergineton zu erreichen, wird hochpigmentierte Farbe mit dem Kunstharz gemischt. Die einzelnen Paneele haben umlaufend abgerundete Ecken und Flansche, die sich an den Stößen überlappen und miteinander verschraubt sind. Das dadurch entstehende Fugenbild strukturiert die Fassade. Die erforderlichen Negativformen für die einzelnen GFK-Elemente sind unprätentiös in Handarbeit aus Styropor und Polyurethan-Schaum mit einer Feile entstanden. Das Gebäude setzt einen deutlichen Kontrapunkt zur umliegenden Bebauung, ohne sie zu dominieren und lässt dem Naturdenkmal in städtebaulicher Hinsicht den Vortritt. • glasfaserverstärkter Kunststoff • transluzente Gebäudehülle mit einlaminiertem Baummotiv • Fassadenstruktur mit abgerundeten Paneelen

Grundrisse Maßstab 1:250

1 2 3 4 5 6 7 8

9 10 11 12 13 14 15 16

Müllraum Treppenhaus Büro Plotterraum Küche Luftraum Besprechung Bad

Zimmer Wohn/Essbereich mit offener Küche Speisekammer Abstellraum Ankleide Schlafzimmer Galerie Dachterrasse

13 14

12

6 15

8

16 2. OG

8

11

9

9

9

10

1. OG

a

5 1

2

4

3

EG

6

7

a

245

Beispiel 10

Vertikalschnitt Maßstab 1:20 Horizontalschnitte Maßstab 1:5

11

cc

5

c c

10 9 13 12 8

7

b

b 4 3

2

aa

246

1

Wohn- und Bürohaus

1 2 3

4 5 6

7 8 9

Wärmedämmung XPS 80 mm Gehwegplatten 120 mm im Gefälle verlegt Zementestrich 80 mm mit Fußbodenheizung Trennlage PE-Folie, Trittschalldämmung 30 mm Wärmedämmung 50 mm, Stahlbeton 200 mm Fensterrahmen Hemlockholz 70/110 mm Isolierverglasung: ESG 4 mm + SZR 16 mm + ESG 4 mm GFK-Paneel 4 mm mit Abstandshaltern Lattung 40/60 mm weiß lackiert Winddichtung diffusionsoffen, Wärmedämmung Mineralwolle 2≈ 60 mm, Stahlbeton 200 mm Stahlprofil verzinkt ∑ 140/140/10 mm Vollholz 120/180 mm GFK-Paneel 4 mm, Lattung 2≈ 40/60 mm Winddichtung diffusionsoffen, Weichfaserplatte 20 mm Wärmedämmung Cellulose 140 mm Schalung OSB-Platte 19 mm Wärmedämmung Mineralwolle 40 mm Gipskartonplatten 2≈ 12,5 mm

10 Stahlprofil beschichtet ¡ 20/50 mm 11 Kies 50 mm, Abdichtung 2-lagig Bitumen Schalung Holz 20 mm Sparren mit Gefälle 40 –140 mm Winddichtung Pappe, Sperrholzplatte 20 mm Sparren 60/180 mm, dazwischen Wärmedämmung Cellulose 180 mm Schalung OSB-Platte 20 mm Wärmedämmung Mineralwolle 40 mm Gipskartonplatten 2≈ 12,5 mm 12 Leichtbeton mit Gefälleausgleich 200 – 230 mm 13 Splitt 50 mm, Filtervlies, Kies 50 mm Abdichtung Bitumen 2-lagig, Wärmedämmung 180 mm Dampfsperre, Gefälleestrich in Längsrichtung Stahlbeton im Gefälle 180 – 300 mm 14 Stahlplatte ¡ 10 mm auf Mörtelbett 15 Stahlrohr verzinkt Ø 48,3 mm 16 Sperrholzplatte 24 mm 17 Stahlprofil verzinkt ∑ 250/250/16 mm 18 Glashalteleiste Aluminium 60/60/5 mm punktuell

15

9 14 16

18

17

6

4

cc

6

18

c

c

3

bb

247

Beispiel 11

Mobile Art – Chanel Contemporary Art Container Hongkong, Tokyo, New York, 2008 und weitere Stationen weltweit Zaha Hadid Architects, London Zaha Hadid, Patrik Schumacher Mitarbeiter: Thomas Vietzke, Jens Borstelmann Tragwerksplaner: Arup, London

Chanel feierte eines seiner Kultobjekte, die Handtasche 2.55, entworfen im Februar 1955. Anlass genug für Karl Lagerfeld Künstler einzuladen, um der Firmengründerin zu huldigen und dafür einen außergewöhnlichen Ausstellungsraum zu schaffen – einen mobilen Pavillon, der um die Welt tourt und damit die kulturelle Bedeutung von Coco Chanel unterstreicht. Das temporäre Gebäude, selbst ein Kunstobjekt, steht den Exponaten im Innern in nichts nach. Die organischen Formen und homogenen Oberflächen verkörpern die Wandlungsfähigkeit und Eleganz von Chanel. Die bogenförmigen Fassadenelemente sind auch im Innern spürbar. Sie leiten den Besucher durch die Ausstellung um den zentralen Innenhof, der mit seiner transluzenten Überdachung zum Verweilen einlädt. Die räumliche Verbindung mit dem gläsernen Ausgang stellt den Bezug nach außen her. Der Übergang ist dynamisch und fließend. Das am Computer als 3D-Modell entworfene Gebäude besteht aus ca. 7000 Einzelteilen und ist ein Stahlskelettbau, eingepackt in eine Hülle aus drei verschiedenen Kunststoffen. Transluzente ETFE-Kissen leiten Tageslicht ins Innere, PVC-beschichtetes Polyestergewebe bedeckt das Dach, und 400 unterschiedlich geformte und von Hand laminierte GFK-Paneele verkleiden die Außenwände. CNC-gefräste Negativformen ermöglichten diese Herstellung. Die größte Herausforderung bestand jedoch darin, die Konstruktion hinsichtlich Transport und Montage zu optimieren. Da der Pavillon in Schiffscontainern um die Welt reist, musste auf kompakte Packmaße geachtet werden. Die Fassadenpaneele sind daher ab einer bestimmten Größe zweimal horizontal geteilt. Für den Aufbau sind zwei Wochen nötig, für den Abbau zehn Tage. Das Thema Zeiteinsparung hatte Einfluss auf Ausführung und Materialwahl. Um den örtlichen Klimazonen gerecht zu werden, sorgt eine unter dem Podest eingebaute mechanische Lüftung für angenehme Temperaturen im Innern. • 3-lagige ETFE-Kissen • PVC-beschichtetes Polyestergewebe • lackierte und von Hand laminierte GFKPaneele

248

aa

Mobile Art – Contemporary Art Container

bb

Schnitte Maßstab 1:250

Isometrie Dachaufsicht Grundriss Maßstab 1:500

faserverstärkter Kunststoff Membran aus PVC-beschichtetem Polyestergewebe ETFE-Kissen

a

1 2 3 4 5 6 7

Kartenverkauf Terrassendeck Eingang Garderobe Ausstellung Innenhof Ausgang 6

b

b 5

7 1

4 2 3

a

249

Beispiel 11

4

Vertikalschnitt Maßstab 1:20

6

7

c

5

Detaillschnitte Maßstab 1:5

1

2

3

c

3

20

4

8

21

17

3 12

dd 1

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Membrankissen ETFE-Folie 3-lagig luftgefüllt, Außenlage 0,25 mm, Mittellage starr 0,1 mm, innere Lage 0,2 mm, Reißfestigkeit 5200 kg/m GFK-Paneel 12 mm MDF-Platte 22 mm GFK-Paneel 14 mm Regenrinne Stahlblech verzinkt 2,5 mm Membran Polyestergewebe 0,5 mm PVC-beschichtet, Reißfestigkeit 6000 kg/m Membranklemme Aluminium Wärmedämmung 10 – 50 mm flexibel, Mehrschichtmatte aus Aluminiumfolie und Schaumstoff Stahlprofil Å 152/152/37 mm Leuchtstoffröhre Stoffbahn weiß, lichtstreuend Stoffbahn weiß, dehnbar, gebördelt Technikkanal für Abluft und Licht, Sperrholz lackiert Spannvorrichtung PVC-Membrane Stahlprofil | 150 ≈ 150 mm Stahlprofil Ø 114,3 mm Stahlprofil Å 150/200/10 mm LED-Beleuchtung Belag Linoleum 4 mm, Sperrholzplatte 21 mm, Bühnenboden Holz 22 mm, Stahlprofil ¡ 60/120 mm Abdichtung Silikon Klettverschluss

7 6 21 8

17

16

11

3

cc

250

12

Mobile Art – Contemporary Art Container

8

9 14

13

10

5

11

15 12

4

16

8

d

d

17

3

12

3 19

8

18

251

Beispiel 12

Mobiler Aktionsraum

Mobiler Aktionsraum 2006 Architekten: raumlaborberlin, Berlin Matthias Rick, Jan Liesegang mit plastique fantastique Marco Canevacci

Die Aktivisten von raumlaborberlin untersuchen, wie man gesichtslose und unattraktive Stadträume mit Kunst aufwerten kann. Anstelle konventioneller »Monumente«, die oft unbeachtet bleiben, setzen sie auf spektakuläre temporäre Aktionen, die die Menschen aktiv miteinbeziehen. Die Suche nach einem kostengünstigen Witterungsschutz, der einfach auf- und abbaubar sowie transportierbar ist, führte schließlich zu der Pneukonstruktion, die seither alle staunen lässt. Auf- und Abbau sind Teil der Inszenierung der Installation, in der bis zu 120 Personen Platz finden. Zunächst steht der komplett geschlossene, modifizierte Bauwagen eine Woche lang wie eine rätselhafte abstrakte Skulptur aus Zinkblech im Stadtraum. Aus dem Inneren dringen Geräusche eines großen Festmahls, die die Passanten rätseln lassen, wie so viele Menschen in den Wagen passen. Erst wenn die Türen geöffnet werden, lüftet sich das Geheimnis, werden die Lautsprecher und die Funktion des Wagens als Stauraum für den Folienpneu ersichtlich. Ausgerollt und aufgeblasen gleicht der Pneu einem transluzenten Zeppelin, in dem Tische und Bänke aufgestellt werden. Je nach Standort steht die Blase frei, quetscht sich unter Brücken oder drückt sich gegen Bäume und Häuser. Der mit grauem Filz ausgeschlagene Bauwagen wird jetzt zur Eingangsschleuse mit integrierter Garderobe, Beleuchtung und Theke. Ein Ventilator unter der Eintrittsrampe aus Gitterblech füllt den 18 m langen und 6,50 m hohen Folienschlauch kontinuierlich mit Luft.

1

Vertikalschnitt Maßstab 1:20 1

2 3 4 5

2

Stahlblech verzinkt 1 mm Sperrholz 22 mm Rahmen Stahlprofil ∑ 50/50 mm auf Bauwagendach Mineralwolle 30 mm Hartfaserplatte 5 mm Nadelfilz grau flächig verklebt PE-Folie transluzent mit Fasergitter 100 g/m2 Gitterrost 30/30 mm über Ventilator PVC-Bahn lose verlegt 3 mm PE-Folie, Schutzfolie Ventilator

• transluzente, faserverstärkte PE-Folie • Ventilator versorgt Folienschlauch mit Luft

3

5

252

4

Bankgebäude

Bankgebäude Bratislava, SK 2008 Architekten: Jabornegg & Pálffy, Wien Christian Jabornegg, András Pálffy Mitarbeiter: Željko Ivoševic, Ana Martin del Hierro, Julian Kerschbaumer, Juraj Mikulaj, Frank Müller, Florian Pfeifer, Gerhard Pfeiler, Felix Thörner

Sind Bankgebäude traditionell eher introvertierte geschlossene Bauten, so zeigt eine neue Bankfiliale in Bratislava gerade das Gegenteil. Transparenz ist das Hauptgestaltungsmerkmal des neungeschossigen Baukörpers mit einer quadratischen Grundfläche, in dessen Mitte sich ein überdachter Innenhof über alle Geschosse erstreckt. Jahrelang verteilten sich die Geschäfts- und Verwaltungsräume der größten Bank der Slowakei auf insgesamt zwölf Gebäude in der Innenstadt. Jetzt vereint ein Hauptgebäude alle Bereiche an einem Ort. Im halb öffentlichen Erdgeschoss, das leicht erhöht und zurückversetzt ist, befinden sich neben der eigentlichen Filiale eine Lounge, ein Kongresssaal sowie Schulungs- und Seminarräume. Vier Haupterschließungskerne bilden über alle Etagen als einzige massive Bauteile das statische Gerüst. Die acht voll verglasten Obergeschosse mit einer Doppelfassade beherbergen ausschließlich Büros und Besprechungsräume. Um den Freiraum des Innenhofs vor Regen und Schnee zu schützen, spannen auf Höhe des achten Stockwerks pneumatische Luftkissen aus transparenter ETFE-Folie über das Atrium und bilden den Abschluss des Gebäudes. Die schlauchförmigen Kissen mit Abmessungen von ca. 4,50 ≈ 46,00 m sind jeweils auf den beiden langen Seiten mit einem Klemmprofil an zwei parallel gespannten Stahlseilen befestigt. Rechwinklig dazu dienen weitere Stahlseile mit einer Dicke von 70 mm der Unterspannung. Zwischen diesen Trag- und Formseilen sind, ähnlich wie bei einem Fachwerkträger, Druckstäbe mit einem Durchmesser von 76 mm befestigt. Da die Konstruktion nur auf zwei Seiten direkt an die innere Fassade anschließt und die beiden anderen Seiten in Ost-West-Richtung offen sind, erfolgt neben der Belichtung auch eine natürliche Be- und Entlüftung über das Dach. Der Luftdruck in den Pneus wird konstant auf 500 bzw. 700 Pa gehalten. Im Gegenlicht scheint sich das Luftkissendach förmlich aufzulösen, sodass der Eindruck entsteht, als blicke man direkt in den Himmel. • schlauchförmige ETFE-Kissen als Überdachung • filigrane Stahlseilkonstruktion

aa Schnitt • Grundriss Maßstab 1:1000 1 Foyer 2 Kundenservice

3 4 5

b

Innenhof Konferenzraum Restaurant

4

a

a

3

1

5

2

b

253

Beispiel 13

c c

bb

3

2 1

254

4

Bankgebäude

Schnitt Maßstab 1:1000 Vertikalschnitt Maßstab 1:20 Detailschnitt Maßstab 1:5 1 2 3

4 5 6 7

Spiralseil Stahl verzinkt 30 mm Entwässerungsrinne Randklemmung Aluminium mit vormontiertem Kunststoffprofil und Klemmleiste als Montagehalterung ETFE-Folie 0,2 mm, U-Wert min. 0,2 W/m2K Klemmleiste Aluminium 260 /170 /26 mm Luftzufuhr zum Kissen Kunststoffrohr transparent Ø 50 mm Luftzufuhr Hauptrohr Stahlhohlprofil Ø 150 mm

4 3

5

1

cc

6

7

255

Beispiel 14

Einkaufszentrum

1

2

Amadora, P 2009 Architekten: Promontorio Architects, Lissabon Mitarbeiter: Nelson Paciencia, Sofia Araújo, Tiago Ferreira, Sónia Costa Tragwerksplanung: Atelier One, London

3

4

Natürliches Licht spielt für die Behaglichkeit in einem Einkaufszentrum eine große Rolle. Für die Überdachung eines Shoppingcenters in der Nähe von Lissabon erwiesen sich ETFEKissen im Gegensatz zu einer herkömmlichen Überkopfverglasung als die leichtere und kostengünstigere Konstruktion. Mit der innovativen Kombination und Anordnung von bis zu fünf verschiedenen Folienvarianten in einem einzigen Kissen war es möglich, eine hohe Tageslichtausbeute mit thermischem Komfort zu kombinieren. Die unterschiedliche Bedruckung der Folienlagen interpretiert die bekannte ShedDach-Lösung mit reinem Nordlicht neu, wobei diese über die Diagonale in der Geomtrie der Folienkissen umgesetzt wurde. Bei einer Seitenlänge der Kissen von ca. 10 m kommt es zwangsläufig zu einer sehr hohen Spannung im Material. Um diese zu mindern wurde der Stich der Kissen auf 4 m festgelegt. Aufgrund der zweilagig ausgeführten Oberlage konnte trotz der großen Spannweite auf eine zusätzliche Seilnetzunterstützung verzichtet werden. Die unterschiedlichen Folienlagen eines Kissens sind in Abhängigkeit von der Ausrichtung zur Sonne unterschiedlich bedruckt. Die Mittellage bildet eine transparente Folie (3). Die nach Süden orientierten Hälften bestehen aus weißen ETFE-Folien. Dabei wird die obere Schicht von einer zweifach zu 100 % silber bedruckten Folie und einer darunterliegenden Folienbahn mit einem 65 %-igen Hexagonal-Rasterdruck in Silber und anschließendem 100 %igen Silberdruck gebildet (1). Die gegenüberliegende untere Folienhälfte entspricht in der Ausführung letzterer (5). Die nach Norden ausgerichteten Flächen der Pneus bestehen aus transparenten ETFE-Folien, die das Licht vollständig durchlassen. Um jedoch die Wärmestrahlung abzuhalten, ist die untere der beiden oberen durchsichtigen Folien low-E-beschichtet (2). Vollständig transparente Kissen ohne jegliche Beschichtung überdachen einen Außenraum, der natürlich belüftet werden kann und daher keine besonderen licht- und wärmeschutztechnischen Anforderungen stellt. • ca. 10 ≈ 10 m große Kissen aus ETFE-Folie • verschiedene Folienausführungen

256

Schemaschnitt Kissen transparent opak beschichtet Schnitte Maßstab 1:4000 Vertikalschnitt Maßstab 1:20

5

Einkaufszentrum

1

2

3 4 5

6 7 8 9 10

ETFE-Folie weiß 250 μm, Unterseite bedruckt mit 2≈ 100 % Silber ETFE-Folie weiß 250 μm, Oberseite bedruckt mit 1≈ 65 % Hexagonalraster silber und 1≈ 100 % Silber ETFE-Folie transparent 250 μm ETFE-Folie transparent 250 μm, Unterseite Low-E-beschichtet ETFE-Folie transparent 150 μm ETFE-Folie transparent 250 μm ETFE-Folie weiß 250 μm, Oberseite bedruckt mit 1≈ 65 % Hexagonalraster silber und 1≈ 100 % Silber Stahlseil Ø 36 mm ETFE-Kissen 150 – 250 μm Luftzufuhr Schlauch Kunststoff Ø 50 mm Stahlrohr Ø 100 mm Stahlprofil ¡ 400/200/8 mm

6

7

8

10

10 9

7

8 9

257

Beispiel 15

Freizeitzentrum Neydens, F 2009 Architekten: L35, Barcelona – Paris Ganz & Muller Architectes Associés, Genf GM2A Architectes, Paris Tragwerksplanung: Charpente Concept, Genf aa

Schnitt • Grundriss Maßstab 1:500

Im französischen Ort Neydens, etwa 10 km südlich von Genf, entstand auf einer Fläche von ca. 35 000 m2 ein großzügiges Freizeitzentrum mit Schwimmhalle und Freigelände, einer Wellness-Oase mit Sauna und Hamam, einem Fitnessclub mit Kletterwand sowie einer Shopping Galerie, einem Hotel und diversen Gastronomien. Um den Komplex möglichst respektvoll in seine landschaftlich reizvolle Umgebung einzufügen, hielten die Architekten das Bauvolumen niedrig und begrünten die Dächer. Besonderes Augenmerk liegt auf der neuen Schwimmhalle, die über mehrere Becken verfügt. Mit ihrer ungewöhnlichen wellenartigen Form nimmt die 120 m lange und 65 m breite Halle die Topografie der umgebenden hügeligen Landschaft auf. Das Tragwerk besteht aus 14 ZweigelenkFachwerkbögen aus gekrümmten runden Einzelanfertigungen aus Brettschichtholz. Dazwischen liegen 13 Zwischenbögen, gelagert auf gekrümmten Sparrenpfetten. Die Fachwerkträger stehen im Abstand von 3,50 m und variieren in der Stichhöhe zwischen 14,50 und 18,00 m. In die Konstruktion sind dreilagige Membrankissen aus ETFE-Folie gespannt. Die 63 Kissen sind 3,50 m breit, bis zu 52 m lang und folgen nicht nur der Krümmung der Bogenbinder, sondern auch den Verwindungen, die durch die unterschiedlichen Radien benachbarter Bögen entstehen. Dadurch hat jedes Kissen eine eigene Geometrie, was zu einem erheblich höheren Planungsaufwand führte. Trotz der komplexen Gebäudeform konnten durch die s-förmig verlaufenden Trauf- und Firstlinien alle in einem Knotenpunkt zusammenlaufenden Klemmprofile ohne Höhen- und Winkelversatz ausgeführt werden. Befestigt wurden die Kissen mit Aluminiumprofilen an Stahl-Aufständerungen, die am Holztragwerk befestigt sind. Nahezu unsichtbar für den Betrachter ist der Anschluss der Kissen an die Luftversorgung. Zwei Gebläsestationen mit jeweils zwei Einheiten halten den Betriebsdruck der Kissen konstant bei ca. 300 Pa und erhöhen ihn in Abhängigkeit von Wind- und Schneelasten auf maximal 800 Pa. Bei Ausfall einer Einheit kann das jeweils andere Gebläse die komplette Hülle mit Stützluft versorgen. • ETFE-Folie • s-förmig verlaufende Trauf- und Firstlinien

258

A a a

b b

Freizeitzentrum

1

2

3 4

6

5

7 Vertikalschnitt • Horizontalschnitt Maßstab 1:20 Detailschnitt Maßstab 1:5

1 10

4 8 12 13

9

14

11

15

18

8

16

17

1 ETFE - Kissen luftgestüzt innere Membran 0,25 mm mittlere Membran 0,10 mm äußere Membran 0,25 mm 2 EPDM - Keder Rundschnur Ø 6 mm 3 erste Dichtebene: Deckeldichtung EPDM 4 Klemmprofil Aluminium bestehend aus Basisprofil, Deckelprofil und Kederschienen 5 EPDM - Block als Abstandhalter 6 Flachstahl ¡ 130/5 mm 7 zweite Dichtebene: Ablaufrinne Stahlblech PVC -beschichtet, geschweißt 2 mm 8 Dichtung gewebeverstärkte PVC-Membran 1,4 mm zur Verbindung mit der Fassade 9 Stahlrohr Ø 273/6,3 mm 10 Flachstahl ¡ 230/10 mm zur Befestigung der Klemmschiene 11 Stahlprofil Å 180 mm 12 Stahlrohr | 50/50/1,5 mm 13 Entwässerungsrinne Aluminiumblech 3 mm 14 Aluminiumblech 0,5 mm Dämmung 50 mm 15 Pfosten-/Riegelfassade Aluminiumprofil stranggepresst ¡ 125/50/2 mm 16 Isolierverglasung ESG 6 mm + SZR 16 mm + VSG 2≈ 6 mm 17 Bodenbelag Fliesen 10 mm Estrich 50 mm Abdichtung, Stahlbeton 30–160 mm 18 Primärkonstruktion Brettschichtholz gekrümmt Ø 320 mm

bb

1

4

15 A

259

Beispiel 16

Trainingshalle der Bergwacht Gaißach, D 2008 Architekten: Herzog + Partner, München Thomas Herzog, Hanns Jörg Schrade Mitarbeiter: Xaver Wankerl Tragwerksplanung: Sailer Stepan Partner Beratende Ingenieure für Bauwesen GmbH, München aa

Kernstück des Zentrums für Sicherheit und Ausbildung der Bergwacht Bayern in Gaißach bei Bad Tölz ist die Simulationsanlage für die technische Luftrettung. Mit der Errichtung der neuen Halle entfallen die kostspieligen und wetterabhängigen Trainingseinsätze mit dem Hubschrauber im Freien, und gleichzeitig werden durchschnittlich 350 l Kerosin pro Trainingsstunde eingespart. In der Halle kann an zwei Hubschrauberzellen der Einsatz geprobt werden: am sogenannten Standsimulator, der auf einem Stahlgerüst in einer der Hallenecken platziert wurde und zu einfacheren Übungen dient, und an einem Flugsimulator, der an einer Kranbahn quer durch die Halle bewegt werden kann. Um so realitätsnah wie möglich trainieren zu können, wurde die Fassade nicht gedämmt. Sie besteht lediglich aus einer transparenten Folienkonstruktion. So bleiben Witterungseinflüsse in der Halle spürbar. Außerdem ist die Anlage mit weiteren Besonderheiten ausgestattet: Künstlicher Fluglärm, durch Ventilatoren erzeugter Rotorenwind und Stroboskopblitze, die die flirrenden Sonnenstrahlen nachahmen, sollen den Beteiligten das Gefühl eines echten Einsatzes vermitteln. Wegen seiner Höhe von rund 20 m ist der Kubus hohen Windkräften ausgesetzt. Fünf Dreigurtrahmen aus Stahl bilden in Verbindung mit der Portalkrananlage, an der der Hubschrauber hängt, das Primärtragwerk. Dazwischen liegen die Nebenträger, die die modulare Membranfassade tragen. Eigens entwickelte Rahmenelemente sind mit einer 0,3 mm starken, UV-stabilen und sich selbst reinigenden ETFE-Haut überzogen. Die Folie wird dabei um die Kanten eines Z-Profils geschlagen und mit Klemmleisten fixiert. Im zweiten Schritt spannen vertikale Druckbögen diese nach außen. Die Sehnen der Bögen halten die Rahmen exakt in ihrer Position. Um eventuellen Vandalismusschäden an der Membran vorzubeugen, ist der Sockelbereich mit robusten Betonscheiben und dazwischenliegenden Falttoren verkleidet. Neben dem Dach und den angrenzenden Fassadenfeldern ist auch die Nordseite holzverschalt, um dort im Innern eine Kletterwand installieren zu können. • ETFE-Folie, mechanisch vorgespannt • Rahmen aus Z-Profilen und Druckbögen

260

a

Schnitt • Grundriss Maßstab 1:750

a

Trainingshalle der Bergwacht

2 4

3

1

5 8 6 7

3

Aufsicht • Vertikalschnitt • Horizontalschnitt Rahmenelement Maßstab 1:20 Detailschnitt Maßstab 1:2

1

8 5 6

3 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Stahlprofil Å 240 mm Schraube M12 Z-Profil Stahl 3 mm als Rahmen verschraubt Keder EPDM Ø 8 mm ETFE-Folie je nach Statik 0,20 mm, 0,25 mm, 0,30 mm Druckbogen Stahlrohr Ø 35 ≈ 8 mm Sehne Stahlrohr Ø 8 mm Flachstahl ¡ 60/120/5 mm Stahlprofil HEB 240 mm

6 7 c

c 9

b

6

5

3 9

b cc

bb

261

Beispiel 17

Überdachung der Erschließungsachse der Weltausstellung EXPO 2010 Shanghai, CN 2010 Architekten: SBA Architekten, Stuttgart Hong Li, Bianca Nitsch Mitarbeiter: Cathrin Fischer, Reinhard Braun, Benedikt Köster, Lei Zhang, Yijun Qi Tragwerksplanung: Knippers Helbig Advanced Engineering, Stuttgart – New York Mitarbeiter: Florian Scheible, Florian Kamp, Dirk Richter, Roman Schieber

Die zentrale Erschließungsachse der EXPO 2010 empfängt die Besucher und leitet sie über das Gelände zu den Ausstellungspavillons der einzelnen Länder. Der 1 km lange und 100 m breite Boulevard ist eine Fußgängerzone auf vier Ebenen, überdacht von einer 65 000 m² großen Membran. Gehalten wird das Dach von 19 Innenstützen, 31 Außenmasten und 6 Trichtern aus Stahl und Glas mit einem zweifach gekrümmten Freiformstabtragwerk. Diese sogenannten Sun Valleys leiten Tageslicht in die unteren Geschosse, schaffen die Verbindung nach außen und sind Orientierungspunkte auf dem riesigen Areal. Das Konzept einer gebauten Landschaft mit fließenden Übergängen von innen nach außen verlangte nach einer sich öffnenden Dachkonstruktion. Dies ließ sich nur mit einer Membran aus PTFE-beschichtem Glasfasergewebe verwirklichen, wobei freie Spannweiten von nahezu 100 m im Grenzbereich des technisch Machbaren liegen. Den abschließenden Formfindungsprozess des Dachs prägten statische Gesichtspunkte. Die Membran spannt sich im Wesentlichen zwischen den Hochpunkten an den Außenmasten und den Tiefpunkten an den innen liegenden Stützen. An deren umlaufendem Druckring ist die Hauptmembran befestigt, ebenso die Sogsicherungsseile. Hier treten die größten Vertikallasten auf. In diesem Bereich ist die Membran in Form einer Rosette zweilagig ausgeführt. Am Stützenkopf treffen drei mal je vier Sicherungsseile aufeinander, die ein Durchschlagen der Dachhaut nach unten verhindern, und drei Verbindungsseile zu den äußeren Stützen. Die Außenmasten tragen die Hauptlast der Membran und sind über zwei Rückverankerungen nach außen abgespannt. Deren 2 ≈ 2 m große Fußplatten konnten über Monate nachjustiert werden, die Fertigstellung der Fundamente erfolgte erst kurz vor Eröffnung. Nach der Weltausstellung bleibt die EXPOAchse als eines von fünf Gebäuden erhalten und wird das Zentrum eines neuen Stadtteils in Shanghai. • PTFE-beschichtetes Glasfasergewebe • Membrandach mit einer Fläche von 65 000 m² und freien Spannweiten bis zu 100 m

262

Überdachung der Erschließungsachse der Weltausstellung EXPO 2010

Lageplan Maßstab 1:40 000 Dachaufsicht • Ansicht Maßstab 1:2500 Querschnitt Maßstab 1:1000

aa

a

a

263

Beispiel 17

Vertikalschnitt Maßstab 1:100

Detailschnitt Maßstab 1:20

1

2

4 2 3

6

5

8 A

7

2 9 10 11 12

13

14 15

264

Überdachung der Erschließungsachse der Weltausstellung EXPO 2010

1 2 3 4

2 19 5

5 18 6 7 8 7

8 18 17

9 10 11 12 13 14 15

16

6

4

2

16 17 18 19

A

Verbindungsseil zu Außenmast Stahl PVC-ummantelt Ø 50 mm Sicherungsseil Stahl PVC-ummantelt Ø 41 mm Windsogseil Stahl PVC-ummantelt Ø 80 mm Membran Glasfasergewebe PTFE-beschichtet 1,1 mm naturweiß, Zugfestigkeit Kette/Schuss 160/160 kN/m Transmissionsfaktor 17,5 % Membran Glasfasergewebe 2-lagig, naturweiß PTFE-beschichtet verschweißt 1 Lage 1,1 mm und 1 Lage 0,7 mm Stahlrohr verzinkt, beschichtet Ø 750/35 mm Druckstrebe Stahlrohr verzinkt, beschichtet Ø 159/16 mm Druckring Stahlrohr verzinkt, beschichtet Ø 299/25 mm Stahlsieb verzinkt 10 mm LED-Leuchte 45 W Stahlblech verzinkt, beschichtet 8 mm Auffangbehälter Regenwasser Stahl verzinkt, beschichtet 30 mm Regenrohr Stahlblech verzinkt Ø 200 mm 4 Stück pro Stütze Sitzbank Fußbodenaufbau: Granitplatten 30 – 50 mm Zementestrich 40 mm PE-Folie, Hartschaumplatten 20 – 66,5 mm Ausgleichsschicht Zementmörtel 20 mm Abdichtung Bitumenbahn 2-lagig Ausgleichsschicht Zementmörtel 20 mm Stahlbetondecke 160 mm Aussteifungsblech verzinkt 10 mm Klemmprofil Membran Aluminium verschraubt ¡ 50/12 mm Stahlblech verzinkt, beschichtet Schleppstreifen Membran mit Hauptmembran verschweißt

265

Beispiel 17

8

5 4 7 3

4

1

6

2

Schnitte • Dachaufsicht Maßstab 1:20

1 2 3

4 5 6 7 8 9 10 11

12 13 14 15

16 17 18 19 20

266

Aussteifung Stahlblech verzinkt 32 mm Gratseil Stahl PVC-ummantelt Ø 117 mm Fassadenprofil Stahlrohr aus Flachstahl geschweißt, verzinkt, beschichtet, gevoutet von ¡ 360/130/20 – 32 mm bis 180/65/5 –10 mm LED-Leuchte Stahlblech 10 mm verzinkt Entwässerungsrohr PE Ø 200 mm Randseil Stahl PVC-ummantelt Ø 90 mm Verglasung VSG 2≈ 4 mm mit PVB-Folie 1 mm Abspannseil Stahl PVC-ummantelt Ø 155 mm Gabelseilhülse Stahl verzinkt Außenmast Stahlrohr verzinkt, beschichtet 3≈ Ø 219,6/50 mm, Aussteifung Stahl profiliert 50 mm verzinkt, beschichtet Membranschleppstreifen 1-lagig mit Hauptmembran verschweißt Gratseil Stahl PVC-ummantelt Ø 130 mm Gabelseilhülse 1350/403/600 mm Stahl verzinkt Membran Glasfasergewebe PTFE-beschichtet 1,1 mm, naturweiß Zugfestigkeit Kette/Schuss 160/160 kN/m Transmissionsfaktor 17,5 % Windsogseil Stahl PVC-ummantelt Ø 80 mm Stahlprofil | 50/50/2,5 mm verzinkt Klemmprofil Membran 87/45 mm Aluminium Befestigungslasche 6 mm Stahl verzinkt Führungsprofil Regenwasser Aluminium 6 mm

Überdachung der Erschließungsachse der Weltausstellung EXPO 2010

9

10

17 18

11

19

16

bb

12

20

7

19

18 cc

7 c 16

14

c b

15

13 12

b

267

Beispiel 18

Gedenkstätte Sachsenhausen, D 2005 Architekten: hg merz architekten museumsgestalter, Stuttgart/Berlin Mitarbeiter: Dietmar Bauer, Ulrich Lechtleitner, Mara Lübbert, Johannes Schrey, Michel Weber Tragwerksplanung: Ingenieurgruppe Bauen, Berlin Technische Fassadenplanung: Werner Sobek Ingenieure GmbH, Stuttgart

Ein flacher, objekthaft weißer Quader mit nur einer Zugangsöffnung beherbergt auf dem weiträumigen Gelände des ehemaligen Konzentrationslagers in Sachsenhausen bei Berlin die wenigen originalen Überreste der sogenannten Station Z, wie die Vernichtungsanlagen im Sprachgebrauch der SS genannt wurden. Ziel der Architekten war es, neben einem 1961 errichteten Mahnmal mit monumentalem Charakter einen kontemplativen Raum der Erinnerung zu schaffen. Der Grundriss des scharfkantigen Schutzbaus nimmt zwar Bezug auf das im Boden vorhandene Relief, stellt aber keine Rekonstruktion der einstigen Bauvolumen dar. Eine lichte Raumhöhe von nur 2,60 m schafft im Inneren eine räumliche Dichte. Der Bau scheint über dem Boden zu schweben, da die untere Begrenzung der Wände 60 cm über der Geländekante endet und insgesamt auf nur acht Einzelfundamenten lagert. Das Primärtragwerk, ein räumliches Stahlfachwerksystem mit geschweißten Knoten, überspannt frei tragend eine Fläche von etwa 37 ≈ 39 m. Über dem eigentlichen Gedenkort wird die geschlossene Form des Dachs durch eine 22 ≈ 10 m große Öffnung durchbrochen, die Licht in den Innenraum fallen lässt. Das gesamte Volumen ist innen und außen mit einer transluzenten PTFE-beschichteten Glasfasermembran umhüllt, eine künstliche Beleuchtung ist daher nicht nötig. Hinter der fugenlosen Membranhülle lässt sich das Tragwerk erahnen, tritt aber optisch in den Hintergrund. Besonderheit dieser Membrankonstruktion ist die völlig plane Ausführung ohne sichtbare Details. Für die durchgängige, glatte Oberfläche sorgt ein kontinuierlicher Unterdruck zwischen den Hüllflächen. Ihre notwendige Vorspannung erhält die Membran nicht wie üblich über zweiseitig gekrümmte Flächen, sondern über den Unterdruck und unsichtbare Verspannungen an den Kanten der Fassade. Ein Gitterrost zwischen Primärtragwerk und Membran dient dabei als Auflagerfläche. • PTFE-beschichtetes Glasfasergewebe • Stabilisierung mit Unterdruck ohne Krümmung

268

Schnitt • Grundriss Maßstab 1:400

1 2

Eingang Gedenkort

3 4

Ausstellung Relikte

aa

4

3 a

2

1 a

Gedenkstätte

5

6

5

6 7

8

Vertikalschnitt Maßstab 1:20 5

6 7 8

Membran Glasfasergewebe PTFE-beschichtet Gitterrost Stahl verzinkt 40/2 mm, Maschenweite 55/55 mm Stahlhohlprofil | 80/80 mm Extrusionsprofil Aluminium Auflagersockel Stahlbeton wassergebundene Decke

269

Beispiel 19

Olympiastadion Berlin, D 2004 Architekten: von Gerkan, Marg und Partner, Berlin Mitarbeiter: Jochen Köhn, Martin Glass, Ivanka Perkovic, Katja Bernert, Dagmar Weber, Ralf Sieber Tragwerksplanung: Krebs und Kiefer, Darmstadt / Berlin Schlaich Bergermann und Partner, Stuttgart

Für die Olympischen Spiele 1936 erbaut, ist das Stadion in Berlin bis heute Schauplatz zahlreicher Veranstaltungen und Fußballspiele. Entscheidendes Element der mehrjährigen Sanierung ist das neue Membrandach. Es grenzt sich bewusst vom massiven Erscheinungsbild des Bestands ab, nimmt mit der Öffnung zum Glockenturm, dem Marathontor, aber Bezug auf die historische Blickachse der Gesamtanlage. Um diese Unterbrechung im Dach realisieren zu können, wurde es nicht mit einem umlaufenden Ring, sondern als leichte Kragarmkonstruktion mit 76 radial zur Tribüne verlaufenden Fachwerkträgern ausgeführt. Das Tragwerk ruht auf 20 Stahlstützen, die extrem schlank ausgebildet sind, um die daraus resultierenden Sichtbehinderungen für die Zuschauer so gering wie möglich zu halten. Die Fachwerkträger bestehen aus einem geradlinig verlaufenden Obergurt und einem im Bereich der Baumstützen ausgerundeten Untergurt. Mit Ausnahme des inneren und äußeren Dachrands wird die gesamte Dachfläche von einer Membrankonstruktion als obere und untere Dachhaut überspannt. Die oberen Membranfelder liegen zwischen den Obergurten der Radialträger und werden durch tangential verlaufende Stahlrohrbögen mit Stichhöhen von 60 bis 200 cm unterstützt. Die Membran ist über diese Bögen gezogen und zwischen den Obergurten der Radialträger so gespannt, dass dazwischen die für die Membrantragwirkung notwendigen gekrümmten Sattelflächen entstehen. Die untere Membran ist als optischer Abschluss der Konstruktion zum Stadioninneren zwischen die Untergurte gespannt. Beide Membranebenen zeichnen eine hohe Lichtdurchlässigkeit und eine ausreichende Festigkeit aus, was besonders bei der unteren begehbaren Dachfläche wichtig ist. Auch die Schalldurchlässigkeit muss gewährleistet sein, da im Zwischenraum die Lautsprecheranlage untergebracht ist. Das Material, dass alle diese Anforderungen erfüllt, ist ein PTFE-beschichtetes Glasfasergewebe. Es zeichnet sich zudem durch gute Selbstreinigungseigenschaften aus. • PTFE-beschichtetes Glasfasergewebe • hohe Lichtdurchlässigkeit

270

A

B

Olympiastadion

1 4 3

5

2

1 Schnitt Maßstab 1:2000 Tangentialschnitt Radialschnitt Maßstab 1:20

6

1

7 8

9

16

2 3 4

15 1 14

5 6

10

7

8 9 10 11 12

11

12

13 14 15 16

Membran Glasfasergewebe PTFE-beschichtet 12 Stahlgussknoten gelenkiges Auflager Membranbogen Kederschiene Membran Aluminium in Edelstahlprofil, an Bogen geschweißt Obergurt Stahlrohr Ø 323,9 mm Klemmleiste Edelstahlprofil fi 100/50/4 mm mit angeschweißtem Stegblech 60/60/7,5 mm Verglasung VSG aus 10 2≈ 10 mm TVG Punkthalterung Edelstahl auf Kunststofflager, gelenkig Klemmprofil Edelstahl mit Tropfkante Haltestab Edelstahl Ø 10 mm Gusselement Edelstahl einteilig Tangentialträger Stahlrohr Ø 177,8 mm Milchglas VSG aus 2≈ 5mm TVG, Stahlblech 2 mm weiß gestrichen, Lichtreflexionswert > 80 % Flutlicht (in alternierenden Feldern: Spielfeldbeschallung) Nebenmembran als Randabschluss verschweißt Entwässerungsrinne Edelstahl auf Neoprenlager Verankerung Absturzsicherung

13

14

A

271

Beispiel 19

1

2

3

7

4 5 6

8 9

B Radialschnitt Maßstab 1:20 1 2

3 4 5 6 7 8

9

Membran Glasfasergewebe PTFE-beschichtet 0,7 mm (1200 g/m2) Abdichtung Kunststoffbeschichtung dauerelastisch, UV-beständig Aufbeton 100 mm Randversteifung/Gegengewicht Stahlbeton Fliegengitter Tangentialträger Stahlrohr Ø 323,9 mm Schnürrand Membran um Stahlrohr Ø 38 mm Leuchtstoffröhren auf Stahlprofil 40/100 mm Membran begehbar: Glasfasergittergewebe PTFE-beschichtet, offenmaschig 0,7 mm (1150 g/m2) Stahlgussknoten

272

4

Sanierung und Umbau Hauptbahnhof

Sanierung und Umbau Hauptbahnhof Dresden, D 2006 Architekten: Foster + Partners, London Tragwerksplaner: Schmitt Stumpf Frühauf & Partner, München Büro Happold, London

Das Gesamtkonzept für Sanierung und Umbau des Dresdner Hauptbahnhofs sieht vor, die historische Substanz zu erhalten, deren Wirkung zu stärken und zugleich innovative Elemente einzubringen. Alle An- und Umbauten wurden daher entfernt, zurück blieb das originale Eisentragwerk und wenige Reste aus der wilhelminischen Zeit. Das neue 30 000 m2 große, transluzente Dach besteht aus PTFE-beschichtetem Glasfasergewebe. Für eine Membran dieser Größe einmalig, erfolgte der Einbau unter laufendem Betrieb. Die größte Herausforderung bestand jedoch darin, die Horizontalkräfte in das für vertikale Dachlasten ausgelegte lineare Bogentragwerk einzuleiten. Die Lösung liegt in einer neuen aa Unterkonstruktion für die Membran, die als »Adapter« die räumlichen Vorspannkräfte vor allem bei asymmetrischen Lastfällen kompensiert. Das Bestandstragwerk wurde in Felder aus je zwei Bögen unterteilt, die über Horizontalaussteifungen miteinander gekoppelt sind. Die 10 m breiten Membranfelder schließen an die neuen, paarweise geführten Stahlrohre an, die die Kräfte über die räumliche Unterkonstruktion in die Obergurte der Bestandbinder einleiten. Über den Scheitelpunkten weitet sich der Abstand bb der Rundrohre linsenförmig zu glasgedeckten Oberlichtern. An jedem zweiten Bogen zwischen Mittel- und Seitenhalle ist die Dachhaut zu konischen Tiefpunkten nach unten gezogen. Dies ermöglicht die Anordnung von Entwässerungsöffnungen und ergibt eine statisch sinnvolle Krümmung in Hallenlängsrichtung. An den übrigen Bögen verläuft die Membran entlang frei hängender Stahlseile von den Enden der Oberlichter zu den Seitenhallen. Beim Ausfall eines Membranfelds verhindern Havarieseile an den Obergurten des Bestands eine Überbeanspruchung. Nach eingehender Prüfung fiel die Wahl b für die Dachdeckung auf PTFE-beschichtetes Glasfasergewebe. Es erfüllt die Anforderungen an Brandschutz, Chemikalien- und Abgasbeständigkeit sowie Selbstreinigung und Lebensdauer am besten. Das durch die transluzente Dachhaut strömende Tageslicht und die geringe Reflektion des Schalls schaffen eine angenehme Atmosphäre in den Bahnhofshallen. • PTFE-beschichtetes Glasfasergewebe • Montage unter laufendem Betrieb

Querschnitt Maßstab 1:1000 Längsschnitt Grundriss Maßstab 1:2000

f f

a

b

a

273

Beispiel 20

e 3

d

2

9 4

e

1

12

7

8

6

13 11

d 5

10

cc

e 7 5

3

14

13

c

c

e dd

274

9

Sanierung und Umbau Hauptbahnhof

15

2 Vertikalschnitte • Horizontalschnitt (ohne Membran) Maßstab 1:20 1 2 3

3

4 14

13 4 8 7 5

9 6 7 8 9 9 10 11

10

12

12

13 14 15

c

Blitzfangstange Stahlprofil Ø 10 mm Oberlichtverglasung VSG 16 mm Lochblech Aluminium mit aufgenieteten Lamellenstreifen Membran Glasfasergewebe weiß PTFE-beschichtet 0,8 mm Gewicht 1,2 kg/m2 Zugfestigkeit Kette/Schuss 140/100 kN/m Transmissionsfaktor 12,5 % Reflexionsfaktor 73 % Stahlspiralseil galvanverzinkt Ø 22 mm Stahlrohr | 50/50/4 mm Stahlrohr Ø 114,3/12,5 mm Membrananschluss Klemmprofil Aluminiumlegierung ¡ 115/10 mm Stahlrohr ¡ 120/80/12,5 mm Pfette Stahlrohr ¡ 200/100 mm Obergurt Bogenbinder Bestand 2≈ Eisenprofil Í 100/12 mm + Eisenblech 12 mm Pfettenadapter als Toleranzausgleich Stahlblech verschweißt 10 mm vorkonfektionierter Membranlappen Widerlager Stahlprofil Z 80 Stahlprofil } 90

2

3

4

14

13

8 7

9

10

c 11

11

ff

15

ee

275

Beispiel 20

1 2

1 2 g

4

A

3 5 5 6

8

6

7

7 8

g

gg Vertikalschnitte Einlauftrichter Maßstab 1:50 Detailschnitt Maßstab 1:10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Membran Glasfasergewebe weiß PTFE-beschichtet 0,8 mm Stahlrohr Ø 114,3/12,5 mm Wassereinlauf Gitterrost 30/30/3 mm Ovalring Stahlrohr Ø 114,3/8 mm Einlauftrichter Edelstahlblech 6 mm Trichtertülle Stahlblech 3 mm Obergurt Bogenbinder Bestand Dichtung EPDM zum Schutz der Membran 150 ≈ 3 mm Keder EPDM Ø 12 mm oberes Klemmprofil Aluminium 50 ≈ 10 mm unteres Klemmprofil Aluminium 115 ≈ 10 mm Klemmleiste Aluminium 40 ≈ 4 mm Membranlappen vorkonfektioniert, mit Hauptmembran verschweißt 1

10 14 4

11 9

2

12

13 5

6 A

276

7

Passagier-Terminal-Komplex Suvarnabhumi International Airport

Passagier-Terminal-Komplex Suvarnabhumi International Airport Bangkok, T 2005 Architekten: Murphy/Jahn, Chicago ACT Consultants, Bangkok TAMS Consultants / Earth Tech, New York Tragwerksplanung: Werner Sobek Ingenieure, Stuttgart Klimatechnik: Transsolar, Stuttgart / München

Die größte Herausforderung beim Neubau des Suvarnabhumi International Airports war, ein für das tropische Klima angemessenes neues Eingangstor nach Thailand zu schaffen. Dort herrschen das ganze Jahr über Temperaturen zwischen 25 und 35 °C. Hinzu kommen eine sehr hohe Luftfeuchtigkeit und zenitale Sonnenstände. Neben dem zentralen Terminal prägen die röhrenartigen Erschließungsgebäude, die sogenannten Concourses, das Erscheinungsbild des Flughafens. Sie bestehen im Wesentlichen aus insgesamt 104 identischen DreigurtFachwerkträgern mit einer Gesamtlänge von ca. 3 km. Zwischen den Dreigurtträgern spannt jeweils eine Membrandachfläche von ca. 1000 m2 über 27 m, dazwischen liegen verglaste Seitenflächen. An das Membrandach werden vielfältige Anforderungen gestellt: Einerseits muss es 1– 2 % des Sonnenlichts als diffuses Licht durchlassen, um tagsüber eine Grundbeleuchtung des Innenraums sicherzustellen, andererseits aber den Energieeintrag in die Aufenthaltsbereiche begrenzen. Die Architekten entwickelten daher ein Membranpaket, bestehend aus drei Schichten. Ein PTFE-beschichtetes strapazierfähiges Glasfasergewebe stellt die äußere, wetterschützende Schicht dar. Es zeichnet sich neben einem hohen Reflexionsgrad und einer extrem hohen Reißfestigkeit durch eine schmutzabweisende Oberfläche aus und ist sehr langlebig. Unter dieser Schicht liegen transparente 6 mm dicke Polycarbonatplatten im Raster 1 ≈ 1 m mit akustisch abgedichteten Fugen auf einem Seilnetz auf. Die meisten Funktionen jedoch erfüllt die innere Membran, deren Trägermaterial ebenfalls aus Glasfasern besteht. Dank ihrer Perforation ist sie lichtdurchlässig und schalldämpfend. Eine raumseitige silbrige Low-E-Beschichtung reduziert den Austausch der Wärmestrahlung zwischen der äußeren Membran und den Bauteilen der Aufenthaltszone. Außerdem reflektiert sie über ihre metallisch schimmernde Oberfläche die angenehm kühle Strahlung des thermisch aktivierten Fußbodens.

aa

bb

cc

dd

Schnitte Maßstab 1:1500 Grundriss Maßstab 1:15 000 1 2

3 4 5 6 7

Vorfahrt Brückenbauwerk, dreigeschossig Parkhaus

d

d

7

b

5

a

Tower Palmengarten niedriger Tower Terminalgebäude Erschließungsröhre »Concourse«

a

b

6

4

5

4

1 c

c

2

3

• dreischichtiges Membranpaket • PTFE-beschichtetes Glasfasergewebe, Polycabonatplatten, Glasfasergewebe mit Low-E-Beschichtung

277

Beispiel 21

9

1

4 10

8

12

5 6 7 8

Schnitt Membrandach Maßstab 1:50 Detailschnitt Maßstab 1:10 1 2 3 4

äußere Membranlage Witterungsschutz: Glasfasergewebe PTFE-beschichtet 1,200 kg/m2 Spannvorrichtung über Aluminiumrohr Ø 40 mm Randstreifen Glasfasergewebe PTFE-beschichtet, erst nach Spannen der Membran fixiert mittlere Lage Schutz vor Fluglärm: Polycarbonatplatten 1000/1000/6 mm transparent 7,2 kg/m2, R'w=35 dB, auf Seilnetz Brandschutzklasse B1

9 10

11 12

akustische Fugendichtung Profilstreifen EPDM Unterkonstruktion Seilnetz Stahl Ø 12 mm Seilklemme Edelstahl innere Membranlage Akustikmembran: Glasfasergewebe mit Low-E-Beschichtung Aluminium offenporig 0,320 kg/m2, Brandschutzklasse A 2 Dreigurtfachwerkträger Stahlrohr Ø 419/36 mm Verglasung VSG 15,5 mm mit Low-E-Beschichtung, Sonnenschutz-Punktraster Deckungsgrad im Verlauf 20 % (Traufe) bis 80 % (First) Vertikalfuge Deckleiste Aluminium Horizontalfuge Silikon Aufsatzprofil Aluminium 60/80 mm Gitterkonstruktion Stahlrohr ¡ 150/250/16 mm

9

3

1 2 5 4 7

10

6 11

8

278

12

Passagier-Terminal-Komplex Suvarnabhumi International Airport

A innere Membran mit Low-E-Beschichtung B dreilagiger Membranaufbau, Schema Akustik C stufenweise Reduzierung des Tageslichteinfalls durch das dreischichtige Membrandach D Zusammenhang von Gebäudehülle, Fußbodenkühlung und Quelllüftung E Anlieferung der Membranpakete F Auflegen der Membran auf die Mittellage des Daches, Vorbereitungen zum Auslegen G gespannte temporäre Gleitbahn (Polyester, PVCbeschichtet) mit äußerer Dachmembran vor dem Ausbringen H Verlegung der Polycarbonatplatten

1,5 mm A

E Tageslicht-Transmission

Fluglärm

100%

Glasfasergewebe, PTFE beschichtet

Schall-Reduktion

Glasfasergewebe, PTFE beschichtet

14%

Polycarbonatplatte

Schall-Absorption

Polycarbonatplatte

12%

Low-E-Akustikmembran, offenporig

Luftschall Innenraum

Low-E-Akustikmembran, offenporig

gesamt ca. 2%

C

B

F Sonneneinstrahlung auf 3-lagiges Membrandach 100 % dauerhafte Reflexion der Sonneneinstrahlung 70 %

Sonneneinstrahlung auf bedrucktes Glas 100 % Absorption 28 %

Reflexion der Sonneneinstrahlung 60 %

Absorption 36,5 %

Transmission 2% G

Transmission 3,5 %

Reduzierung der langwelligen Strahlung durch Low-E-Beschichtung

konditionierter Raum

Quelllüftung 18 °C, 4 ac/h

TLuft = 24 °C Toperative = 27 °C Fußbodenoberfläche 21 °C

Vorlauf 13 °C D

Fußbodenkühlung

Rücklauf 19 °C H

279

Beispiel 22

Forumüberdachung – Alte Spinnerei Kolbermoor, D 2010 Architekten: Behnisch Architekten, München Stefan Behnisch, David Cook, Martin Haas, Robert Hösle Mitarbeiter: Christian Glander, Wyly Brown Objektüberwachung: Quest Architekten, Thomas Gerhager Tragwerksplanung: Knippers Helbig Advanced Engineering, Stuttgart – New York Mitarbeiter: Boris Peter, Klaus Pfaff, Ivan Tontchev Die Ansiedlung der nahe Rosenheim gelegenen Stadt Kolbermoor geht auf die Gründung der Baumwollspinnerei in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts zurück. Die Lage an der Eisenbahnstrecke und die Nutzung der Wasserkraft gaben den Ausschlag für die Standortwahl des Unternehmens. Die Mangfall wurde auf einem Teilabschnitt von knapp 3 km Länge begradigt und ein ebenso langer Werkskanal gebaut. Nach einer wechselvollen Firmengeschichte schlossen sich in den 1990er-Jahren die Tore der Produktionshallen für immer. Sanierung, Umnutzung und Neubauten auf dem Gelände der Spinnerei ließen nach Jahren des Stillstands einen neuen Stadtteil entstehen, der durch die Industriedenkmäler einen eigenen Charakter hat. Die Freifläche im Mittelpunkt der Anlage, das neue Forum, soll für Ausstellungen und Konzerte nutzbar sein und zum zentralen Treffpunkt der »Alten Spinnerei« werden. Überspannt wird diese Freifläche mit einem Membrandach aus einem PTFE-beschichtetem Glasfasergewebe, das in ein Netz aus 10 cm breiten und bis zu 40 m langen Membrangurten übergeht und so die Geschichte des Orts mit dem Thema »Verweben« interpretiert. Sie ist weniger Dach, vielmehr eine filigrane Skulptur, die das Ensemble der denkmalgeschützten Gebäude über den Kanal hinweg miteinander verbindet. Die Netzkonstruktion besteht aus zweilagig miteinander verschweißten Membranstreifen, die mit speziell dafür gefertigten Edelstahlklemmen gehalten werden. An den Kreuzungspunkten sind diese übereinander liegend und gedreht über eine zentrale Schraube miteinander verbunden, um die Differenzkräfte übertragen zu können. Die Pylone aus Lärchenbrettschichtholz sind Pendelstützen mit einer Kugelgelenkverbindung am Fuß, die über Mikropfähle und Stahlbetonpfahlköpfe die Lasten in den tragenden Untergrund einleiten. Aufgeschweißte Membranwülste an den Dachrändern lenken das Regenwasser zu den beiden Tiefpunkten mit freiem Auslauf im Garten und mittels einer Membrantasche in das Regenfallrohr am Gebäude. • Dach aus Glasfasergewebe PTFE-beschichtet • Netzstruktur aus zweilagigen und vollflächig verschweißten Membrangurten

280

4 6

1

A

5

3

6

2 6

C B 7

Forumüberdachung – Alte Spinnerei

Grundriss Maßstab 1:750 Isometrien Details Maßstab 1:5

1 2 3 4 5 6 7

Kesselhaus Cafe Schornstein Veranstaltungfläche Pagode temporäre Pagode Triebwerkskanal a 8

8

9

9

10

10

11

11

12

13

13

12

a

A

aa

8

9 10 11 12 13

14 15 16 17 18

Membrangurt 2-lagig Glasfasergewebe PTFE-beschichtet 2≈ 0,7 mm, vollflächig miteinander verschweißt Reißfestigkeit Gurt 18,2 kN Membranklemme aus 2 profilierten Edelstahlblechen: 140/50/6 mm, 140/50/8 mm, verschraubt Edelstahlblech profiliert 135/140/3 mm Edelstahlblech profiliert 300/150/7 mm Edelstahlseil Ø 8 mm Membran Glasfasergewebe PTFE-beschichtet 0,7 mm Reißfestigkeit Kette/Schuss 140/120 kN/m Membranklemme aus 2 profilierten Edelstahlblechen: 140/30/4 mm, 140/30/6 mm, verschraubt Senkschraube mit Innensechskant M8 Edelstahlblech profiliert 140/147/3 mm Seilklemme aus 2 profilierten Edelstahlblechen: 150/141/5 mm, verschraubt Randseil Ø 24 mm

b

8

8

14

14

16

16

17 18 17 B

b

bb

14

cc

14

15 c

8 14

c

C

281

Beispiel 23

Freilufttheater Festungsarena Josefsburg Kufstein, A 2006 Architekten: Nikolai Kugel Architekten, Stuttgart Tragwerksplanung: Alfred Rein Ingenieure, Stuttgart

Die Festung Kufstein, einst als Verteidigungsanlage errichtet, ist heute ein beliebtes Ausflugsziel. Im südlich vorgelagerten Festungshof der Josefsburg finden in den Sommermonaten Freiluftveranstaltungen statt. Die Unabhängigkeit vom Wetter sollte ein temporär auffahrbares Dach garantieren. Das Erscheinungsbild der Gesamtanlage musste jedoch ungestört bleiben. Auch Verankerungen in der historischen Substanz erlaubte die Denkmalschutzbehörde nicht. Daher entstand eine filigrane, radiale Seilkonstruktion, von deren Zentrum aus eine Membran auf Knopfdruck innerhalb von vier Minuten ausgefahren werden kann. Das Tragwerk besteht aus 15 gleichen Segmenten und ähnelt einem liegenden Speichenrad. In 10 m Höhe verläuft außen, einer Felge gleich, ein Druckring, der in den Polygonpunkten auf Stützen auflagert, fünf davon sind Luftstützen. Die oberen und unteren Speichenseile verlaufen radial zur Mitte und sind an der Zentralnabe fixiert. Die Membran ist pro Segment punktuell an acht Gleitwagen aufgehängt, die über die unteren Radialseile nach außen fahren. Der jeweils erste Wagen ist fest mit dem endlosen Reffseil verbunden. Es wird über Umlenkrollen parallel zu den Speichenseilen geführt. Zentral gesteuerte Antriebseinheiten fahren die Membran nach außen. Der Vortrieb erfolgt über 15 getrennt steuerbare Seilwinden. Spannvorrichtungen stabilisieren die Konstruktion und bringen sie in die endgültige Position. Die bewegliche Dachfläche besteht aus beschichtetem PTFE-Gewebe, das sich durch hohe Flexibilität, Knickbeständigkeit und Haltbarkeit auszeichnet. Hohe Lichtdurchlässigkeit und das geringe Anschmutzverhalten sorgen für eine ästhetisch ansprechende Optik. Im aufgespannten Zustand sammelt die am Dachrand aufgeschweißte PTFE-Rinne das anfallende Regenwasser. Über Auffangbehälter und Fallrohre in den Stützen wird es mit Unterdruck abgeleitet. Zwei weitere Aspekte haben sich bei laufendem Betrieb gezeigt – das aufgespannte Dach verbessert die Akustik und unterstreicht mit atmosphärischen Lichtinstallationen die Einzigartigkeit des Orts. • PTFE-Gewebe beschichtet • bewegliche Dachfläche

282

6

1

5

2

3

4

Freilufttheater Festungsarena Josephsburg

Lageplan Maßstab 1:2500 Grundriss • Systemschnitt Maßstab 1:500

1 2 3 4 5 6

Hof Regiekanzel Ausschank WC-Anlage Aufgang Kasematte

283

Beispiel 23

c

4

4 8 8 10

7

6

11

11

cc

6

dd c

9

1 4 a b

9

d 8

1

a 7

e

2

b e 6

5

d

3 8

1 2

3

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

15 16 17 18

Polycarbonatplatten 12 mm. Zentralnabe Ø 1000 mm Flachstahl verzinkt, beschichtet ¡ 30/610 mm Membran PTFE-Gewebe beschichtet Reißfestigkeit 80 kN/m Transluzenz 40 % oberes Speichenseil Rundstahl Ø 36 mm Gleitwagen unteres Speichenseil Rundstahl Ø 28 mm Hängerseil Rundstahl Ø 14 mm Reffseil Rundstahl Ø 12 mm Klemmsattel Führungsrolle Reffseil Führungsschiene Stütze Stahlrohr beschichtet Ø 457 ≈ 12,5/30/50 mm Abspannseil Rundstahl Ø 14 mm Montagestoß

19 20 21 22 23 24 25 26

27 6

4

2

aa

284

2

bb

9

Fahr- und Spannmechanismus Kabelkanal/Wartungssteg Edelstahl 4 mm Auffangwanne Regenwasser Edelstahl 4 mm Entwässerungsrohr PE innen Ø 40 mm mit Unterdrucksystem Druckring Stahlrohr beschichtet Ø 610 ≈ 20 mm Ausleger Stahlrohr beschichtet Ø 273 ≈ 16 mm Diagonale Rundstahl Ø 50 mm Zugring Rundstahl Ø 60 mm Radialgurt PES 100 ≈ 5 mm vorgereckt Bruchkraft 200 kN Membranschleppstreifen mit Hauptmembran verschweißt Regenrinne PTFE-Gewebe beschichtet mit Hauptmembran verschweißt Randgurt PES 50 ≈ 3 mm vorgereckt, mit Hauptmembran im Randbereich vernäht, Bruchkraft 80 kN Gitterrost Edelstahl Maschenweite 40 ≈ 40 mm

Freilufttheater Festungsarena Josefsburg

Vertikalschnitt Horizontalschnitt Maßstab 1:50 Detailschnitte Maßstab 1:10

e

f 4

5 6

6 8 23

8 13 f

23

24

3

e

3

12 ee

ff

15 8 g

14 16 6

19

8

g

18

17

20

13 21

12

22

4 19

27 17 23

24 2

12 25

20

26

gg

285

Verordnungen, Richtlinien, Normen

Verordnungen, Richtlinien, Normen Die EU hat für eine Anzahl von Produkten Richtlinien erlassen, um insbesondere Sicherheit und Gesundheit der Anwender zu gewährleisten. Diese Richtlinien müssen in den Mitgliedsstaaten in verbindliche Gesetze und Verordnungen umgesetzt werden. Die Richtlinien selbst enthalten keine technischen Details, sondern nur verbindliche grundlegende Anforderungen. Die technischen Werte dafür sind in zugeordneten technischen Regeln und in Form von europaweit harmonisierten Normen (EN-Normen) festgelegt. Allgemein stellen technische Regeln Arbeitshinweise und Hilfsmittel für den Arbeitsalltag dar. Sie sind keine Rechtsvorschriften, sondern geben Entscheidungshilfen, bilden eine Richtschnur für einwandfreies technisches Vorgehen und /oder konkretisieren Inhalte von Verordnungen. Grundsätzlich steht die Anwendung der technischen Regeln jedermann frei. Erst wenn diese in Gesetzen, Verordnungen oder Vorschriften vorgesehen sind, werden sie rechtsverbindlich (z. B. im Baurecht) – oder wenn vertraglich die Verbindlichkeit einzelner Normen zwischen den Vertragspartnern festgelegt wird. Zu den technischen Regeln gehören u. a. DIN-Normen, VDI-Richtlinien und die als Regeln der Technik bezeichneten Werke (z. B. Technische Regeln für Gefahrstoffe TRGS). Die Normen unterscheiden sich in Produkt-, Anwendungs- und Prüfnormen. Oftmals beziehen sie sich nur auf eine spezifische Material- oder Produktgruppe. Diesen Normen liegen entsprechende Prüf- und Rechenmethoden für die jeweiligen Materialien zugrunde. Grundsätzlich gilt immer die neueste Version einer Norm, die dem Stand der Technik entsprechen soll. Eine neue oder überarbeitete Norm wird in Form eines Normentwurfs öffentlich zur Diskussion gestellt, um später als Norm verabschiedet zu werden. Welchen Ursprung und Einflussbereich eine Norm hat, lässt sich aus ihrer Bezeichnung ersehen: DIN plus Zählnummer (z. B. DIN 4108) besitzt überwiegend nationale Bedeutung (Entwürfe werden mit »E« und Vornormen mit »V« gekennzeichnet). Bei DIN EN plus Zählnummer (z. B. DIN EN 335) handelt es sich um die deutsche Ausgabe einer europäischen Norm, die unverändert von der europäischen Normungsorganisation CEN übernommen wurde. Bei DIN EN ISO (z. B. DIN EN ISO 13 786) spiegelt sich der nationale, europäische und weltweite Einflussbereich wider. Auf Grundlage einer Norm der internationalen Normungsorganisation ISO wurde eine europäische Norm erarbeitet, die als DIN-Norm übernommen wurde. Bei DIN ISO (z. B. DIN ISO 2424) handelt es sich um eine unveränderte Übernahme einer Norm der ISO als nationale Norm. Die nachfolgende Zusammenstellung ist eine Auswahl von Verordnungen, Richtlinien und Normen, die den Stand der Technik wiedergibt (August 2008).

Werkstoffe und Halbzeuge DIN EN ISO 1163-1 Kunststoffe – Weichmacherfreie Polyvinylchlorid (PVC-U)-Formmassen. Teil 1: Bezeichnungssystem und Basis für Spezifikationen. 1999-10 DIN EN ISO 1163-2 Kunststoffe – Weichmacherfreie Polyvinylchlorid (PVC-U)-Formmassen. Teil 2: Herstellung von Probekörpern und Bestimmung von Eigenschaften. 1999-10 DIN EN 1778 Charakteristische Kennwerte für geschweißte Thermoplast-Konstruktionen – Bestimmung der zulässigen Spannungen und Moduli für die Berechnung von Thermoplast-Bauteilen. 1999-12 DIN EN ISO 1872-1 Kunststoffe – Polyethylen (PE)-Formmassen. Teil 1: Bezeichnungssystem und Basis für Spezifikationen. 1999-10 DIN EN ISO 1872-2 Kunststoffe – Polyethylen (PE)-Formmassen. Teil 2: Herstellung von Probekörpern und Bestimmung von Eigenschaften. 2007-05 DIN EN ISO 1873-1 Kunststoffe – Polypropylen (PP) Formmassen. Teil 1: Bezeichnungssystem und Basis für Spezifikationen. 1995-12

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DIN EN ISO 1873-2 Kunststoffe – Polypropylen (PP) Formmassen. Teil 2: Herstellung von Probekörpern und Bestimmung von Eigenschaften. 2007-11 DIN ISO 2076 Textilien – Chemiefasern – Gattungsnamen und Kurzzeichen. 2001-05 DIN 7724 Polymere Werkstoffe – Gruppierung polymerer Werkstoffe aufgrund ihres mechanischen Verhaltens. 1993-04 DIN EN ISO 8257-1 Kunststoffe – Polymethylmethacrylat (PMMA)-Formmassen. Teil 1: Bezeichnungssystem und Basis für Spezifikationen. 2006-09 DIN EN ISO 8257-2 Kunststoffe – Polymethylmethacrylat (PMMA)-Formmassen. Teil 2: Herstellung von Probekörpern und Bestimmung von Eigenschaften. 2006-06 DIN EN 13 706-1 Verstärkte Kunststoffverbundwerkstoffe – Spezifikationen für pultrudierte Profile. Teil 1: Bezeichnung. 2003-02 DIN EN 13 706-2 Verstärkte Kunststoffverbundwerkstoffe – Spezifikationen für pultrudierte Profile. Teil 2: Prüfverfahren und allgemeine Anforderungen. 2003-02 DIN EN 13 706-3 Verstärkte Kunststoffverbundwerkstoffe – Spezifikationen für pultrudierte Profile. Teil 3: Besondere Anforderungen. 2003-02 DIN EN 14 020 Verstärkungsfasern – Spezifikation für Textilglasrovings. 2003-03 DIN 16 944 Glasfaserverstärkte Reaktionsharzformstoffe. 1988-07 DIN 16 945 Reaktionsharze, Reaktionsmittel und Reaktionsharzmasse. 1989-03 DIN 16 946 Reaktionsharzformstoffe, Gießharzformstoffe 1989-03 DIN 18 820-1 Laminate aus textilglasverstärkten ungesättigten Polyester- und Phenacrylatharzen für tragende Bauteile. Teil 1: Aufbau, Herstellung und Eigenschaften. 1991-03 DIN 18 820-2 Laminate aus textilglasverstärkten ungesättigten Polyester- und Phenacrylatharzen für tragende Bauteile. Teil 2: Physikalische Kennwerte der Regellaminate. 1991-03 DIN 18 820-3 Laminate aus textilglasverstärkten ungesättigten Polyester- und Phenacrylatharzen für tragende Bauteile. Teil 3: Schutzmaßnahmen für das tragende Laminat. 1991-03 DIN 18 820-4 Laminate aus textilglasverstärkten ungesättigten Polyester- und Phenacrylatharzen für tragende Bauteile. Teil 4: Prüfung und Güteüberwachung. 1991-03 DIN 61 853-1 Textilglas – Textilglasmatten für die Kunststoffverstärkung. Teil 1: Technische Lieferbedingungen 1987-04 DIN 61 853-2 Textilglas – Textilglasmatten für die Kunststoffverstärkung. Teil 2: Einteilung, Anwendung. 1987-04 DIN 61 854-1 Textilglas – Textilglasgewebe für dieKunststoffverstärkung – Filamentgewebe und Rovinggewebe. Teil 1: Technische Lieferbedingungen 1987-04 DIN 61 854-2 Textilglas – Textilglasgewebe für die Kunststoffverstärkung – Filamentgewebe und Rovinggewebe. Teil 2: Typen 1987-04 Berechnung DIN 4134 Tragluftbauten: Berechnung, Ausführung und Betrieb. 1983-02 DIN EN 13 782 Fliegende Bauten – Zelte – Sicherheit. 2006-05 VDI 2014-1 Entwicklung von Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbund. Blatt 1: Grundlagen. 1989-07 VDI 2014-2 Entwicklung von Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbund. Blatt 2: Konzeption und Gestaltung. 1993-09 VDI 2014-3 Entwicklung von Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbund. Blatt 3 : Berechnungen. 2006-09 Bau-Überwachungsvereins e. V. (BÜV): Tragende Kunststoffbauteile im Bauwesen – Empfehlung. 2010-08 Download über: www.bvpi.de/shared/pdf-dokumente/ Kunststoff_Empf.pdf, 20.08.2010 Clarke, John L.: Structural Design of Polymer Composites – EUROCOMP Design Code and Handbook. London 1996

Bauphysikalische Eigenschaften DIN EN 832 Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden. 2003-06 DIN 4102 Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen. 2004-11 DIN 4108-2 Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden. Teil 2: Mindestanforderungen an den Wärmeschutz. 2003-07 DIN 4108-3 Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden. Teil 3: Klimabedingter Feuchteschutz. 2001-07 DIN 4109 Schallschutz im Hochbau. 2010-05 DIN 5034 Tageslicht in Innenräumen. 2010-09 DIN EN ISO 6946 Bauteile – Wärmedurchlaßwiderstand und Wärmedurchgangskoeffizient – Berechnungsverfahren. 2008-04 DIN EN ISO 7345 Wärmeschutz – Physikalische Größen und Definitionen. 1996-01 ISO 8302 Wärmeschutz – Bestimmung des stationären Wärmedurchlaßwiderstandes und verwandter Eigenschaften – Verfahren mit dem Plattengerät. 1991-08 DIN EN ISO 10 211 Wärmebrücken im Hochbau – Wärmeströme und Oberflächentemperaturen – Detaillierte Berechnungen. 2008-04 DIN EN 12 898 Glas im Bauwesen – Bestimmung des Emissionsgrades. 2001-04 DIN EN 13 125 Abschlüsse – Zusätzlicher Wärmedurchlasswiderstand – Zuordnung einer Luftdurchlässigkeitsklasse zu einem Produkt. 2001-10 DIN EN 13 363-1 Sonnenschutzeinrichtungen in Kombination mit Verglasungen – Berechnung der Solarstrahlung und des Lichttransmissionsgrades. Teil 1: Vereinfachtes Verfahren. 2007-09 DIN EN 13 363-2 Sonnenschutzeinrichtungen in Kombination mit Verglasungen – Berechnung der Solarstrahlung und des Lichttransmissionsgrades. Teil 2: Detailliertes Berechnungsverfahren. 2005-06 DIN EN 13 501-1 Klassifizierung von Bauprodukten und Bauarten zu ihrem Brandverhalten. Teil 1: Klassifizierung mit den Ergebnissen aus den Prüfungen zum Brandverhalten von Bauprodukten. 2010-01 DIN EN 13 501-2 Klassifizierung von Bauprodukten und Bauarten zu ihrem Brandverhalten. Teil 2: Klassifizierung mit den Ergebnissen aus den Feuerwiderstandsprüfungen, mit Ausnahme von Lüftungsanlagen DIN EN 13 501-5 Klassifizierung von Bauprodukten und Bauarten zu ihrem Brandverhalten. Teil 5: Klassifizierung mit den Ergebnissen aus Prüfungen von Bedachungen bei Beanspruchung durch Feuer von außen DIN EN 14 501 Abschlüsse – Thermischer und visueller Komfort – Leistungsanforderungen und Klassifizierung. 2006-02 DIN V 18 599 Energetische Bewertung von Gebäuden – Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung. 2007-02 VDI 2719 Schalldämmung von Fenstern und deren Zusatzeinrichtungen. 1987-08 Energieeinsparverordnung (EnEV) Verordnung über energieeinsparenden Wärmeschutz und energieeinsparende Anlagentechnik bei Gebäuden. 2009-03 International Glazing Database IGDB Version 17.1. Download über: http://windows.lbl.gov/materials/igdb/, 20.08.2010 Prüfnormen: Mechanische Eigenschaften DIN ISO 34-1 Elastomere oder thermoplastische Elastomere – Bestimmung des Weiterreißwiderstandes. Teil 1: Streifen-, winkel- und bogenförmige Probekörper. 2004-07 DIN EN ISO 178 Kunststoffe – Bestimmung der Biegeeigenschaften. 2008-07 DIN EN ISO 291 Kunststoffe – Normalklimate für Konditionierung und Prüfung. 2008-08 DIN EN ISO 527-1 Kunststoffe – Bestimmung der Zugeigenschaften. Teil 1: Allgemeine Grundsätze. 2010-05 DIN EN ISO 527-2 Kunststoffe – Bestimmung der Zugeigenschaften. Teil 2: Prüfbedingungen für Form- und Extrusionsmassen. 2010-05 DIN EN ISO 527-3 Kunststoffe – Bestimmung der Zug-

Verordnungen, Richtlinien, Normen • Literatur

eigenschaften. Teil 3: Prüfbedingungen für Folien und Tafeln. 2003-07 DIN EN ISO 527-4 Kunststoffe – Bestimmung der Zugeigenschaften. Teil 4: Prüfbedingungen für isotrop und anisotrop faserverstärkte Kunststoffverbundwerkstoffe. 1997-07 DIN EN ISO 527-5 Kunststoffe – Bestimmung der Zugeigenschaften. Teil 5: Prüfbedingungen für unidirektional faserverstärkte Kunststoffverbundwerkstoffe. 2010-01 DIN EN ISO 604 Kunststoffe – Bestimmung von Druckeigenschaften. 2003-12 DIN EN ISO 899 -1 Kunststoffe – Bestimmung des Kriechverhaltens. Teil 1: Zeitstand-Zugversuch. 2003-10 DIN EN ISO 899-2 Kunststoffe – Bestimmung des Kriechverhaltens. Teil 2: Zeitstand-Biegeversuch bei Dreipunkt-Belastung. 2003-10 DIN EN ISO 1421 Mit Kautschuk oder Kunststoff beschichtete Textilien – Bestimmung der Zugfestigkeit und der Bruchdehnung. 1998-08 DIN EN 1875-3 Mit Kautschuk oder Kunststoff beschichtete Textilien – Bestimmung der Weiterreißfestigkeit. Teil 3: Verfahren mit trapezförmigen Probekörpern. 1998-02 DIN EN ISO 2578 Kunststoffe – Bestimmung der Temperatur-Zeit-Grenzen bei langanhaltender Wärmeeinwirkung. 1998-10 DIN EN ISO 10 350-1 Kunststoffe – Ermittlung und Darstellung vergleichbarer Einpunktkennwerte. Teil 1: Formmassen. 2010-01 DIN EN ISO 11 403-2 Kunststoffe – Ermittlung und Darstellung von vergleichbaren Vielpunktkennwerten. Teil 2: Thermische und Verarbeitungseigenschaften. 2004-07 DIN EN ISO 14 125 Faserverstärkte Kunststoffe – Bestimmung der Biegeeigenschaften. 2003-06 DIN EN ISO 14 126 Faserverstärkte Kunststoffe – Bestimmung der Druckeigenschaften in der Laminatebene. 2003-06 DIN EN ISO 14 129 Faserverstärkte Kunststoffe – Zugversuch an 45°-Laminaten zur Bestimmung der Schubspannungs/Schubverformungs-Kurve des Schubmoduls in der Lagenebene. 1998-02 DIN EN ISO 14 130 Faserverstärkte Kunststoffe – Bestimmung der scheinbaren interlaminaren Scherfestigkeit nach dem Dreipunktverfahren mit kurzem Balken. 1998-02 DIN EN ISO 22 088 Kunststoffe – Bestimmung der Beständigkeit gegen umgebungsbedingte Spannungsrissbildung (ESC). 2009-10 DIN 53 350 Prüfung von Kunststoff-Folien und mit Deckschicht aus Kunststoff versehenen textilen Flächengebilden – Bestimmung der Biegesteifigkeit – Verfahren nach Ohlsen. 1980-01 DIN 53 359 Prüfung von Kunstleder und ähnlichen Flächengebilden – Dauer-Knickversuch. 2006-11 DIN 53 362 Prüfung von Kunststoff-Folien und von textilen Flächengebilden (außer Vliesstoffe), mit oder ohne Deckschicht aus Kunststoff – Bestimmung der Biegesteifigkeit – Verfahren nach Cantilever. 2003-10 DIN 53 363 Prüfung von Kunststoff-Folien – Weiterreißversuch an trapezförmigen Proben mit Einschnitt. 2003-10 DIN 53 442 Prüfung von Kunststoffen – Dauerschwingversuch im Biegebereich an flachen Probekörpern. 1990-09 DIN 53 598-1 Statistische Auswertung an Stichproben mit Beispielen aus der Elastomer- und Kunststoffprüfung. 1983-07 ASTM D 4851 Standard Test Methods for Coated and Laminated Fabrics for Architectural Use. 2007 Prüfnormen: Bauphysikalische Eigenschaften DIN EN 410 Glas im Bauwesen – Bestimmung der lichttechnischen und strahlungsphysikalischen Kenngrößen von Verglasungen. 2010-07 DIN EN 673 Glas im Bauwesen – Bestimmung des Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) – Berechnungsverfahren. 2010-07 EN ISO 1182 Prüfungen zum Brandverhalten von Bauprodukten – Nichtbrennbarkeitsprüfung. 2009-01 DIN EN 1634-1 Feuerwiderstandsprüfungen und Rauch-

schutzprüfungen für Türen, Tore, Abschlüsse, Fenster und Baubeschläge. Teil 1: Feuerwiderstandsprüfungen für Türen, Tore, Abschlüsse und Fenster. 2009-01 EN ISO 1716 Prüfungen zum Brandverhalten von Bauprodukten – Bestimmung der Verbrennungswärme. 2009-01 DIN EN ISO 11925-2 Prüfungen zum Brandverhalten von Baustoffen – Entzündbarkeit von Bauprodukten bei direkter Flammeneinwirkung. Teil 2: Einflammentest. 2009-01 DIN EN 12 865 Wärme- und feuchteschutztechnisches Verhalten von Bauteilen – Bestimmung des Widerstandes des Außenwandsystems gegen Schlagregen bei pulsierendem Luftdruck. 2001-07 DIN EN 13 501 Klassifizierung von Bauprodukten und Bauarten zu ihrem Brandverhalten. 2010-02 DIN EN 13 823 Prüfungen zum Brandverhalten von Bauprodukten – Thermische Beanspruchung durch einen einzelnen brennenden Gegenstand für Bauprodukte mit Ausnahme von Bodenbelägen. 2009-12 DIN 53 765 Prüfung von Kunststoffen und Elastomeren – Thermische Analyse – Dynamische Differenzkalorimetrie (DDK). 1994-03 ASTM E 424 Prüfverfahren für den (terrestrischen) Transmissionsgrad und Reflexionsgrad für Sonnenenergie von Folienbahnen. 1971 Prüfnormen: Dauerhaftigkeit DIN EN ISO 105 Textilien – Farbechtheitsprüfungen. 2010-08 DIN EN ISO 305 Kunststoffe – Bestimmung der Thermostabilität von Polyvinylchlorid (PVC), verwandten chlorhaltigen Homopolymeren und Copolymeren und ihren Formmassen – Verfärbungsverfahren. 1999-10 DIN EN 673 Glas im Bauwesen – Bestimmung des Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) – Berechnungsverfahren. 2003-06 DIN EN 1367 Prüfverfahren für thermische Eigenschaften und Verwitterungsbeständigkeit von Gesteinskörnungen. 2010-06 DIN EN ISO 4892-1 Kunststoffe – Künstliches Bestrahlen oder Bewittern in Geräten. Teil 1: Allgemeine Anleitung. 2001-09 DIN EN ISO 4892-2 Kunststoffe – Künstliches Bestrahlen oder Bewittern in Geräten. Teil 2: Xenonbogenlampen. 2009-11 DIN EN ISO 4892-3 Kunststoffe – Künstliches Bestrahlen oder Bewittern in Geräten. Teil 3: UV-Leuchtstofflampen. 2006-05 DIN EN 13 583 Abdichtungsbahnen – Bitumen-, Kunststoff- und Elastomerbahnen für Dachabdichtungen – Bestimmung des Widerstandes gegen Hagelschlag. 2001-11 ASTM E 424 Prüfverfahren für den (terrestrischen) Transmissionsgrad und Reflexionsgrad für Sonnenenergie von Folienbahnen. 1971 Sonstige Prüfnormen DIN 53 370 Prüfung von Kunststoff-Folien – Bestimmung der Dicke durch mechanische Abtastung. 2006-11 Umweltwirkungen von Kunststoffen DIN EN ISO 11 469 Kunststoffe – Sortenspezifische Identifizierung und Kennzeichnung von KunststoffFormteilen. 2000-10 DIN EN ISO 14 021/A1 Umweltkennzeichnungen und -deklarationen – Umweltbezogene Anbietererklärungen. 2010-01 DIN EN ISO 14 040 Umweltmanagement – Ökobilanz – Grundsätze und Rahmenbedingungen. 2009-11

Literatur Teil A

Kunststoffe und Membranen in der Architektur

Albus, Volker (Hrsg.): Design! Das 20. Jahrhundert. München/London/New York 2000 Blundell-Jones, Peter; Hübner, Peter: Peter Hübner – Bauen als sozialer Prozeß. Stuttgart 2007 Burgard, Roland (Hrsg.): Kunststoffe und freie Formen – ein Werkbuch. Wien 2004 Campos, Cristian: Plastic design. Köln 2007 Genzel, Elke; Voigt, Pamela: Kunststoffbauten: Teil 1: Die Pioniere. Weimar 2005 Graefe, Rainer: Vela Erunt – die Zeltdächer der römischen Theater und ähnlicher Anlagen. Mainz 1979 Herzog, Thomas: Pneumatische Konstruktionen – Bauten aus Membranen und Luft. Stuttgart 1976 Jeska, Simone: Transparente Kunststoffe – Entwurf und Technologie. Basel/Boston/Berlin 2008 Kaltenbach, Frank (Hrsg.): Transluzente Materialien – Glas, Kunststoff, Metall. München 2003 Koch, Klaus-Michael (Hrsg.): Bauen mit Membranen – der innovative Werkstoff in der Architektur. München 2004 Krausse, Joachim; Lichtenstein, Claude: Your Private Sky: R.Buckminster Fuller – Design als Kunst einer Wissenschaft. Baden 1999 Lefteri, Chris: Kunststoff II. Material – Herstellung – Produkte. Ludwigsburg 2006 Ludwig, Matthias: Mobile Architektur – Geschichte und Entwicklung transportabler und modularer Bauten. Stuttgart 1998 Nerdinger, Winfried (Hrsg.): Frei Otto: das Gesamtwerk – leicht bauen – natürlich gestalten. Basel 2005 Roland, Conrad; Otto, Frei: Frei Otto – Spannweiten. Ideen und Versuche zum Leichtbau. Berlin 1965 Schlaich, Jörg; Bergermann, Rudolf: Leicht weit – Light Structures. München 2003 Tschimmel, Udo: Die Zehntausend-Dollar-Idee. Kunststoff-Geschichte vom Celluloid zum Superchip. Düsseldorf 1991 Uffelen, Chris van; Steybe, Sophie: Pure Plastic – new materials for today's architecture. Berlin 2008

Teil B

Werkstoffe

Kunststoffe Baur, Erwin u. a.: Saechtling Kunststoff Taschenbuch. München 2007 Bonnet, Martin: Kunststoffe in der Ingenieuranwendung: verstehen und zuverlässig auswählen. Wiesbaden 2009 Bonten, Christian: Kunststofftechnik für Designer. München 2003 Braun, Dietrich: Erkennen von Kunststoffen: qualitative Kunststoffanalyse mit einfachen Mitteln. München 1998 Braun, Dietrich: Kunststofftechnik für Einsteiger. München 2003 Braun, Dietrich u. a.: Polymer synthesis: theory and practice: fundamentals, methods, experiments. Berlin/ Heidelberg 2005 Domininghaus, Hans: Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften. Berlin/Heidelberg 2005 Domininghaus, Hans u. a.: Kunststoffe. Eigenschaften und Anwendungen. Berlin 2008 Ehrenstein, Gottfried W.: Mit Kunststoffen konstruieren. München/Wien 2007 Ehrenstein, Gottfried W.; Pongratz, Sonja: Beständigkeit von Kunststoffen. München 2007 Elias, Hans-Georg: An introduction to plastics. Weinheim 2003 Etzrodt, Günter: Die Farbenwelt der Kunststoffe: Farbmittel und Präparationen: Eigenschaften, Verarbeitung, Qualitätssicherung. Landsberg am Lech 2003 Franck, Adolf: Kunststoff-Kompendium: Herstellung, Aufbau, Verarbeitung, Anwendung, Umweltverhalten und Eigenschaften der Thermoplaste, Polymerlegierungen, Elastomere und Duroplaste. Würzburg 2006 Glenz, Wolfgang: Polystyrol-Hartschaumstoff (EPS, XPS). In: Kunststoffe – Werkstoffe, Verarbeitung, Anwendung 10/2008, Seite 130ff.

287

Literatur

Harper, Charles A.: Handbook of plastics, elastomers and composites. New York 2002 Hellerich, Walter u. a.: Werkstoff-Führer Kunststoffe – Eigenschaften, Prüfungen, Kennwerte. München 2001 Kalweit, Andreas: Handbuch für technisches Produktdesign – Material und Fertigung. Berlin/Heidelberg 2006 Köster, Lothar u. a.: Praxis der Kautschukextrusion. München 2007 Lindner, Christoph: Produktion, Verarbeitung und Verwertung von Kunststoffen in Deutschland (Studie). Alzenau 2007; http://www.plasticseurope.de/document/produktion-verarbeitung-und-verwertung-von-kunststoffen-indeutschland-2007---kurzfassung--.aspx?Page= DOCUMENT&FolID=2; 26.08.2010 Ludwig, Carsten: Glasfaserverstärkte Kunststoffe unter hoher thermischer und mechanischer Belastung. Dissertation. Stuttgart 2009 Moser, Kurt: Faser-Kunststoff-Verbund – Entwurfs- und Berechnungsgrundlagen. Düsseldorf 1992 Müller, Albrecht: Coloring of plastics – fundamentals, colorants, preparations. München 2003 Nanetti, Paolo: Lack für Einsteiger. Hannover 2009 Pfaff, Gerhard: Spezielle Effektpigmente – Grundlagen und Anwendungen. Hannover 2007 Schürmann, Helmut: Konstruieren mit Faser-KunststoffVerbunden. Berlin/Heidelberg 2007 Schwarz, Otto; Ebeling, Friedrich Wolfhard; Furth, Brigitte: Kunststoffverarbeitung. Würzburg 2002 Schwarz, Otto; Ebeling, Friedrich-Wolfhard (Hrsg.): Kunststoffkunde – Aufbau, Eigenschaften, Verarbeitung, Anwendungen der Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere. Würzburg 2005 Fasern Beckmann, Andreas; Kleinholz, Rudolf: Anforderungen an Naturfasern aus der Sicht eines Kfz-Zulieferers für Innenraumteile. Veranstaltung aus der Reihe »2nd International Wood and Natural Fibre Composites Symposium«. Kassel 1999 Bonnet, Martin: Kunststoffe in der Ingenieuranwendung: verstehen und zuverlässig auswählen. Wiesbaden 2009 Bonten, Christian: Kunststofftechnik für Designer. München 2003 Carus, Michael u. a.: Einsatz von Naturfasern in Verbundwerkstoffen für die Automobilproduktion in Deutschland von 1999 bis 2005. Hrsg. vom nova-Institut, Hürth 2006 Carus, Michael u. a.: Naturfaserverstärkte Kunststoffe – Pflanzen, Rohstoffe, Produkte. Hrsg. von Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR), Gülzow 2008 Ehrenstein, Gottfried W.: Faserverbund-Kunststoffe: Werkstoffe, Verarbeitung, Eigenschaften. München 2006 Flemming, Manfred u. a.: Faserverbundbauweisen. Berlin 1995 Fourné, Franz: Synthetische Fasern – Herstellung, Maschinen und Apparate, Eigenschaften. München 1995 Hanselka, Holger; Hermann, Axel Siegfried: Technischer Leitfaden zur Anwendung von ökologisch vorteilhaften Faserverbundwerkstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen am Beispiel eines Kastenträgers als Prototyp für hochbelastbare Baugruppen. Aachen 1999 Michaeli, Walter; Begemann, Michael: Einführung in die Technologie der Faserverbundwerkstoffe. München 1990 Moser, Kurt: Faser-Kunststoff-Verbund: Entwurfs- und Berechnungsgrundlagen. Düsseldorf 1992 Schürmann, Helmut: Konstruieren mit Faser-KunststoffVerbunden. Berlin/Heidelberg 2007 Sperber, Volker E.: Trends für Naturfaser-Verbundwerkstoffe. In: Technische Textilien 2/2006, S. 70ff. Klebstoffe und Beschichtungen Habenicht, Gerd: Kleben: Grundlagen, Technologien, Anwendungen. Berlin 2009 Nanetti, Paolo: Lack für Einsteiger. Hannover 2009 Pfaff, Gerhard: Spezielle Effektpigmente – Grundlagen und Anwendungen. Hannover 2007 Peters, Stefan: Kleben von GFK und Glas für baukonstruktive Anwendungen. Stuttgart 2006 Reichel, Alexander u. a.: Putze, Farben, Beschichtungen.

288

München 2004 Rusam, Horst: Anstriche und Beschichtungen im Bauwesen – Eigenschaften, Untergründe, Anwendung. Stuttgart 2004 Naturfaserverstärkte Kunststoffe und Biokunststoffe Carus, Michael u. a.: Naturfaserverstärkte Kunststoffe – Pflanzen, Rohstoffe, Produkte. Hrsg. von Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR). Gülzow 2008 Carus, Michael u. a.: Studie zur Markt- und Konkurrenzsituation bei Naturfasern und Naturfaser-Werlstoffen (Deutschland und EU). Gülzower Fachgespräche, Band 26. Hrsg. von Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR). Gülzow 2008 Domininghaus, Hans u. a.: Kunststoffe. Eigenschaften und Anwendungen. Berlin 2008 Endres, Hans-Josef; Siebert-Raths, Andrea: Technische Biopolymere: Rahmenbedingungen, Marktsituation, Herstellung, Aufbau und Eigenschaften. München 2009 Riedel, Ulrich: Industrielle Fertigungsstrategien am Beispiel von automobilen Anwendungen. Hrsg. vom Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt. Braunschweig 2005 Shen, Li u. a.: Product overview and market projection of emerging bio-based plastics. Studie. Hrsg. von European Polysaccharide Network of Excellence and European Bioplastics. Utrecht 2009 Wimmer, Robert u. a.: Grundlagenforschung für die Entwicklung von Produktprototypen aus Naturstoffgebundenen Vliesen. Hrsg. vom Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie. Wien 2007

Teil C

Halbzeuge

Vorprodukte Baur, Erwin u. a.: Saechtling Kunststoff Taschenbuch. München 2007 Braun, Dietrich: Kunststofftechnik für Einsteiger. München 2003 Schwarz, Otto; Ebeling, Friedrich Wolfhard; Furth, Brigitte: Kunststoffverarbeitung. Würzburg 2009 Faserverstärkte Kunststoffe Moser, Kurt: Faser-Kunststoff-Verbund – Entwurfs- und Berechnungsgrundlagen. Düsseldorf 1992 Schürmann, Helmut: Konstruieren mit Faser-KunststoffVerbunden. Berlin/Heidelberg 2007 Ehrenstein, Gottfried W.: Faserverbund-Kunststoffe: Werkstoffe, Verarbeitung, Eigenschaften. München 2006 Flemming, Manfred; Roth, Siegfried: Faserverbundbauweisen. Eigenschaften. Berlin/Heidelberg 2003 Flemming, Manfred u. a.: Faserverbundbauweisen. Berlin/Heidelberg 1995 Kunststoffhalbzeuge Domininghaus, Hans u. a.: Kunststoffe. Eigenschaften und Anwendungen. Berlin 2008 Flemming, Manfred u. a.: Faserverbundbauweisen. Berlin/Heidelberg 1995 Kaltenbach, Frank (Hrsg.): Transluzente Materialien – Glas, Kunststoff, Metall. München 2003 Knippers, Jan u. a.: Brücken mit Fahrbahnen aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) – Neue Straßenbrücke in Friedberg (Hessen). In: Stahlbau 7/2009, S. 462 – 470 Knippers, Jan; Hwash, Mohamed: Umgelenkte Lamellen aus kohlefaserverstärktem Kunststoff für freistehende Spannglieder im Konstruktiven Ingenieurbau. In: Betonund Stahlbetonbau 10/2008, S. 682 – 688 Lee, Sung Woo; Kee-Jeung, Hong: Experiencing More Composite-Deck Bridges and Developing Innovative Profile of Snap-Fit Connection. In: COBRAE Conference – Benefits of Composites in Civil Engineering. Stuttgart 2007 Remmele, Mathias: Aus einem Guss: Die Entwicklung des Panton-Stuhls. In: deutsche bauzeitung 4/2006, S. 27– 32 Schwarz, Otto u. a.: Kunststoffverarbeitung. Würzburg 2009

Folien LeCuyer, Anette: ETFE – Technologie und Entwurf. Basel/Boston/Berlin 2008 Moritz, Karsten: ETFE-Folie als Tragelement. Dissertation. München 2007 Nentwig, Joachim: Kunststoff-Folien: Herstellung – Eigenschaften – Anwendung. München/Wien 2006 Saxe, Klaus; Homm, Thomas: Mechanische Eigenschaften von ETFE-Folien für vorgespannte Strukturen, Proceedings. Techtextil Symposium. Frankfurt 2007 Pearman, Hugh u. a.: The Architecture of Eden. London 2003 Textile Membranen Blum, Rainer u. a.: Material Properties and testing. In: Fortser, Brian; Mollaert, Marijke: European design guide for tensile surface structures. Brüssel 2004 Seidel, Michael: Textile Hüllen – Bauen mit biegeweichen Tragelementen: Materialien, Konstruktion, Montage. Berlin 2008 Erweiterte bauphysikalische und energetische Aspekte Cremers, Jan: Einsatzmöglichkeiten von Vakuum-Dämmsystemen im Bereich der Gebäudehülle – Technologische, bauphysikalische und architektonische Aspekte. München/New York 2007 Cremers, Jan: Integration von Photovoltaik in Membrankonstruktionen. In: Detail Green 01/2009, S. 61– 63 Hegger, Manfred u. a.: Baustoffatlas. München/Basel 2005 Hegger, Manfred u. a.: Energieatlas. München/Basel 2007 Jeska, Simone: Transparente Kunststoffe – Entwurf und Technologie. Basel/Boston/Berlin 2008 Kaltenbach, Frank (Hrsg.): Transluzente Materialien – Glas, Kunststoff, Metall. München 2003 Richter, Ekkehard; Fischer, Heinz M.: Lehrbuch der Bauphysik. Schall – Wärme – Feuchte – Licht – Brand – Klima. Wiesbaden 2008 Schild, Kai; Weyers, Michael: Handbuch Fassadendämmsysteme – Grundlagen, Produkte, Details. Stuttgart 2003 Troitzsch, Jürgen (Hrsg.): Plastics flammability handbook: Principles, regulations, testing, and approval. München 2004 Willems, Wolfgang M. u. a.: Vieweg Handbuch Bauphysik. Wiesbaden 2006 Zürcher, Christoph; Frank, Thomas: Bauphysik – Leitfaden für Planung und Praxis. Stuttgart 2004 Umweltwirkungen von Kunststoffen Hegger, Manfred u. a.: Baustoffatlas. München/Basel 2005 Hellerich, Walter u. a.: Werkstoff-Führer Kunststoffe: Eigenschaften, Prüfungen, Kennwerte. München 2004 Institut Bauen und Umwelt e. V. (Hrsg.): Leitfaden für die Formulierung der Anforderungen an die Produktkategorien der Umweltdeklarationen (Typ III) für Bauprodukte. Königswinter 2006 Köpfler, Walter; Grahl, Birgit: Ökobilanzierung. Ein Leitfaden für Ausbildung und Beruf. Weinheim 2009 LeCuyer, Anette: ETFE – Technologie und Entwurf. Basel/Boston/Berlin 2008 Müller, Michael u. a.: Ökologische/Ökonomische Bewertung zweier Fassadenkonzepte – Glasfassade versus Kunststofffassade. Forschungsbericht. Remscheid 2007 Preisig, Hansruedi: Massiv- oder Leichtbauweise? In: tec 21 42/2002, S. 15ff. Schittich, Christian u. a.: Glasbau Atlas. München 1998 Sigg, René u. a.: LUKRETIA – Lebenszyklus – Ressourcen – Technisierung. Zürich 2006

Teil D

Planung und Formfindung

Tragwerk und Form Barnes, Michael R.: Form finding and analysis of tension structures by dynamic relaxation. In: International Journal of Space Structures, Volume 14 Number 2/1999 S. 89 –104 Bradatsch, Jürgen u. a.: Form. In: Fortser, Brian; Mollaert, Marijke: European design guide for tensile surface structures. Brüssel 2004

Literatur • Autoren

Brinkmann, Günther: Leicht und Weit – zur Konstruktion weitgespannter Flächentragwerke. Ergebnisse aus dem Sonderforschungsbereich 64 »Weitgespannte Flächentragwerke« der Universität Stuttgart. Weinheim 1990 Engel, Heino: Tragsysteme – Structure Systems. Ostfildern 1999 Herzog, Thomas: Pneumatische Konstruktionen – Bauten aus Membranen und Luft. Stuttgart 1976 Höller, Ralf: FormFindung – architektonische Grundlagen für den Entwurf von mechanisch vorgespannten Membranen und Seilnetzen. Mähringen 1999 Hughes, Thomas J.: The finite element method – linear static and dynamic finite element analysis. Mineola 2000 Institut für leichte Flächentragwerke der Universität Stuttgart (Hrsg.): Mitteilungen: Wandelbare Dächer (IL5). Stuttgart 1972 Institut für leichte Flächentragwerke der Universität Stuttgart (Hrsg.): Mitteilungen: Vela Toldos Sonnenzelte (IL30). Stuttgart 1984 Joedicke, Jürgen u. a.: Schalenbau – Konstruktion und Gestaltung. Stuttgart 1962 Lewis, Wanda J.: Tension structures – form and behaviour. London 2003 Luchsinger, Rolf H.; Crettol, René: Experimental and Numerical Study of Spindle Shaped Tensairity® Girders. In: International Journal of Space Structures Vol. 21 No. 3 2006 Otto, Frei; Rasch, Bodo: finding form – towards an architecture of the minimal. Stuttgart 1995 Scheck, H.-J.: The force density method for form finding and computation of general networks. In: Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 3/1974, S. 115 –134 Seidel, Michael: Textile Hüllen – Bauen mit biegeweichen Tragelementen: Materialien, Konstruktion, Montage. Berlin 2008 Wakefield, David: Grundlagen und Berechnung von Membrankonstruktionen. In: Koch, Klaus-Michael (Hrsg.): Bauen mit Membranen – der innovative Werkstoff in der Architektur. München 2004 Dimensionierung und Ausführung Barnes, Michael R. u. a.: Structural Design Basis and safety Criteria. In: Fortser, Brian; Mollaert, Marijke: European design guide for tensile surface structures. Brüssel 2004 Blum, Rainer; Bögner, Heidrun: Testing methods and standards. In: Fortser, Brian; Mollaert, Marijke: European design guide for tensile surface structures. Brüssel 2004 Bau-Überwachungsvereins e. V. (BÜV): Tragende Kunststoffbauteile im Bauwesen – Empfehlung. 2010-08 Download über: www.bvpi.de/shared/pdf-dokumente/ Kunststoff_Empf.pdf, 20.08.2010 Clarke, John L.: Structural Design of Polymer Composites – EUROCOMP Design Code and Handbook. London 1996 Ehrenstein, Gottfried W.: Faserverbund-Kunststoffe: Werkstoffe, Verarbeitung, Eigenschaften. München 2006 Fortser, Brian; Mollaert, Marijke: European Design Guide for Tensile Surface Structures. Brüssel 2004 Knippers, Jan; Gabler, Markus: Faserverbundwerkstoffe im Bauwesen. In: Stahlbau-Kalender 2007, S. 456 – 498 Minte, Jörg: Das mechanische Verhalten von Verbindungen beschichteter Chemiefasergewebe. Dissertation. Aachen 1981 Sobek, Werner; Speth, Martin: Textile Werkstoffe. In: Bauingenieur 70/1995, S. 243 – 250

Teil E

Konstruieren mit Kunststoff und Membranen

Konstruieren mit Kunststoffhalbzeugen Ehrenstein, Gottfried W. (Hrsg.): Handbuch KunststoffVerbindungstechnik. München/Wien 2004 Ehrenstein, Gottfried W.: Mit Kunststoffen konstruieren. München/Wien 2007 Jeska, Simone: Transparente Kunststoffe – Entwurf und Technologie. Basel/Boston/Berlin 2008 Keller, Thomas u. a.: Adhesively Bonded and Translucent

Glass Fiber Reinforced Polymer Sandwich Girders. In: Journal of Composites for Construction 5/2004, S. 461ff. Toni, Michela: FRP architecture: Building by fiberreinforced plastics. Firenze 2007 Konstruieren mit frei geformten Kunststoffen Ehrenstein, Gottfried W.: Mit Kunststoffen konstruieren. München/Wien 2007 Jeska, Simone: Transparente Kunststoffe – Entwurf und Technologie. Basel/Boston/Berlin 2008 Kalweit, Andreas: Handbuch für technisches Produktdesign – Material und Fertigung. Berlin/Heidelberg 2006 Schürmann, Helmut: Konstruieren mit Faser-KunststoffVerbunden. Berlin/Heidelberg 2007 VDI Wissensforum (Hrsg.): Konstruieren mit Kunststoffen. Düsseldorf 2006 Konstruieren mit Folien Bubner, Ewald: Membrankonstruktionen – Verbindungstechniken. Essen 2005 Lehnert, S.; Schween, T.: Bauen mit Folienkissen. In: Bauingenieur 6/2006, S. 285 – 288 Moritz, Karsten: ETFE-Folie als Tragelement. Dissertation. München 2007 Moritz, Karsten: Die Stadionhülle der Allianz Arena – Bauweise der ETFE-Folienpneus. In: Detail – Zeitschrift für Architektur + Konzept 9/2005, S. 976 – 980 Moritz, Karsten: Bauweisen der ETFE-Foliensysteme. In: Stahlbau 5/2007, S. 336 – 342 Konstruieren mit textilen Membranen Bubner, Ewald: Membrankonstruktionen – Verbindungstechniken. Essen 2005 Drew, Philip: New tent architecture. New York 2008 Fortser, Brian; Mollaert, Marijke: European Design Guide for Tensile Surface Structures. Brüssel 2004 Forster, Brian: Planung und Entwicklung von Details. In: Koch, Klaus-Michael (Hrsg.): Bauen mit Membranen – Der innovative Werkstoff in der Architektur. München 2004 Göppert, Knut: Membrankonstruktionen – Form und Detail. In: Stahlbau 12/2004, S. 990 –1000 Ishii, Kazuo: Membrane Structures in Japan. Tokyo 1995 Ishii, Kazuo: Membrane designs and structures in the world, Tokyo 1999 Koch, Klaus-Michael (Hrsg.): Bauen mit Membranen – Der innovative Werkstoff in der Architektur. München 2004 Krüger, Sylvie: Textile Architecture – Textile Architektur. Berlin 2009 Otto, Frei; Rasch, Bodo: Gestalt finden – auf dem Weg zu einer Baukunst des Minimalen. Stuttgart 1995 Seidel, Michael: Textile Hüllen – Bauen mit biegeweichen Tragelementen. Berlin 2008 Komplexe Gebäudehüllen Behling, Sophia u. a.: Sol Power – the evolution of solar architecture. München/New York 1996 Cremers, Jan; Lausch, Felix: Transluzente Hochleistungsdämmung aus sli-Aerogelen für Membranen. In: Detail – Zeitschrift für Architektur + Baudetail 5/2008, S. 524ff. Göppert, Knut; Linden, Sebastian: Erneuerung der abgehängten Decke in der Olympiaschwimmhalle in München. In: Detail – Zeitschrift für Architektur + Baudetail 5/2008, S. 508ff. Herzog, Thomas u. a.: Fassadenatlas. München/Basel 2004 Herzog, Thomas: Transluzente Bauteile – Anmerkungen zu ihrer Wirkung. In: Almanach 90/92 des Fachbereichs Architektur der Technischen Hochschule Darmstadt. Darmstadt 1992 Jahn, Helmut u. a.: Suvarnabhumi Airport, Bangkok, Thailand. Ludwigsburg 2007 Schittich, Christian u. a.: Glasbauatlas. München 2006

Autoren Jan Knippers Jahrgang 1962 Studium Konstruktiver Ingenieurbau an der Technischen Universität Berlin 1992 Promotion an der Technischen Universität Berlin 1993 – 2000 Tätigkeit bei Schlaich Bergermann und Partner, Stuttgart seit 2000 Professur für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen an der Universität Stuttgart seit 2001 Ingenieurbüro Knippers Helbig Advanced Engineering, Stuttgart – New York Mitglied in nationalen und internationalen Ausschüssen und Gremien Jan Cremers Jahrgang 1971 Architekturstudium an der Universität Karlsruhe und an der Westminster University London 1999 – 02 Tätigkeit als Architekt, u. a. bei Koch+Partner, München 2002 – 06 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Gebäudetechnologie, Prof. Thomas Herzog, Technische Universität München 2006 Promotion an der Technischen Universität München 2006 – 08 SolarNext AG, Rimsting, zeitweise als Vorstand seit 2008 Director Technology bei Hightex GmbH, Rimsting seit 2008 Professur für Gebäudetechnologie und Integrierte Architektur an der Hochschule für Technik Stuttgart

Markus Gabler Jahrgang 1977 Studium Konstruktiver Ingenieurbau an der Universität Stuttgart 2000 – 2002 Tätigkeit am Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) der Universität Stuttgart und im Ingenieurbüro Novák, Sindelfingen 2003 – 2007 Mitarbeit bei Knippers Helbig Advanced Engineering, Stuttgart – New York seit 2007 Mitarbeiter und Doktorand am Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE) der Universität Stuttgart Mitglied im Arbeitskreis des DIN-Normenausschusses zu faserverstärkten Kunststoffen im Bauwesen.

Julian Lienhard Jahrgang 1980 Studium Konstruktiver Ingenieurbau an der Universität Stuttgart 2004 – 2008 Tragwerksplaner im Architekturbüro Rasch + Bradatsch, Leinfelden-Echterdingen seit 2007 Mitarbeiter und Doktorand am Institut für Tragkonstruktionen und Konstruktives Entwerfen (ITKE) der Universität Stuttgart 2008 Gründung studioLD, Stuttgart

289

Abbildungsnachweis

Abbildungsnachweis Allen, die durch Überlassung ihrer Bildvorlagen, durch Erteilung von Reproduktionserlaubnis und durch Auskünfte am Zustandekommen des Buches mitgewirkt haben, sagen die Autoren und der Verlag aufrichtigen Dank. Die hier nicht aufgeführten Zeichnungen im Grundlagenteil wurden von den Autoren gemeinsam erarbeitet. Fotos, zu denen kein Fotograf genannt ist, sind Autorenbzw. Architektenaufnahmen, Werkfotos oder stammen aus dem Archiv der Zeitschrift DETAIL. Trotz intensiven Bemühens konnten wir einige Urheber der Abbildungen nicht ermitteln, die Urheberrechte sind jedoch gewahrt. Wir bitten in diesen Fällen um entsprechende Nachricht. Die Zahlen beziehen sich auf die Abbildungsnummern. In Zusammenarbeit mit den Autoren und den Fotografen der Universität Stuttgart sind für diesen Atlas die Fotografien der unterschiedlichen Materialien entstanden. Hans-Joachim Heyer + Boris Miklautsch / Werkstatt für Photographie / Universität Stuttgart: B B 1.1 B 1.8 B 1.13 B 1.23 – 25 B 1.27 – 33 B 1.36 B 1.39 – 40 B 1.42 – 44 B 2.1 B 2.11–13 B 2.16 – 21 B 2.1 B 2.11–13 B 2.16 – 21 B 3.7 – 9 C 1.1 C 3.1 C 4.1

C 1.4 a – c C 1.6 – 11 C 1.17 – 21 C 2.4 a – d C 3.3 – 5 C 3.9 –10 C 3.21– 23 C 3.25 – 26 C 4.7 – 8 C 4.16 C 5.1 C 5.7–11

D 1.3

D 1.7 –8

E 1.34 – 35

Teil A A A1 A2 A3

D 2.8

E 3.17 – 18

Kunststoffe und Membranen in der Architektur

Julian Lienhard, Stuttgart Deutsches Museum Archiv, München Kunststoffe, Carl Hanser Verlag München Tschimmel, Udo: Die Zehntausend-Dollar-Idee. Berlin 1991, S. 69 A4 http://www.liveauctioneers.com/item/5987732 A5 Vitra, Birsfelden/Weil am Rhein A6 Hansen, Hans/Vitra, Hamburg A 7– 8 The Estate of R. Buckminster Fuller, Santa Barbara A9 The MIT Museum, aus: Hess, Alan: Googie. fifties coffee shop architecture. San Francisco 1986, S. 50 A 10 Wolfgang Feierbach, Altenstadt A 11 Jean-Pierre Dalbéra, Paris A 12 a – b Paul Kramer, Berlin A 13 Blundell Jones, Peter: Peter Hübner – Bauen als sozialer Prozess. Stuttgart 2007, S. 107 A 15 a – b Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren, Stuttgart A 17 a – c siehe A 15 A 18 Birdair Inc., New York A 19 Walter Bird, University Archives, State University of New York at Buffalo A 20 Koch, Klaus-Michael: Bauen mit Membranen. München 2004, S. 44, Abb. 68 A 21 a Horst Berger, New York A 21 b Taiyo Kogyo Co. Ltd., Tokio A 22 a Yukio Futagawa, Tokio A 22 b Verena Herzog-Loibl, München A 23 Manfred Storck, Stuttgart A 24 b siehe A 15 A 25 siehe A 7 A 26 Winfried Nerdinger (Hg.), Konstruktion und Raum in der Architektur des 20. Jahrhunderts. München 2002, S. 76, Abb. 1 A 27 a Herzog, Thomas: Pneumatische Konstruktionen. Bauten aus Membranen und Luft. Ostfildern 1986, S. 45, Abb. 33 A 27 b George Cserna A 28 Hightex GmbH, Rimsting A 29 Tohru Waki/Shokokusha, Tokio A 32 Jan Cremers, München A 33 a – b siehe A 7

290

A 34 a – b Renzo Piano Building Workshop, Genua A 34 c Dini, Massimo: Renzo Piano. Progetti e architetture. 1964-1983. Mailand 1983, S. 15, Abb. 5 A 35 a – b Gianni Berengo Gardin, Mailand A 36 a – b Udd, Eric; Winz, Mike; Kreger, Stephen; Heider, Dirk: Failure Mechnisms of Fiber Optic Sensors Placed in Composite Materials, SPIE Vol. 5758, 2005 A 37 nach: Grohmann, Boris A.; Wallmersperger, Thomas; Kröplin, Bernd-Helmut: Vorlesung adaptive Strukturen. Institut für Statik und Dynamik (ISD), Universität Stuttgart A 38 Grohmann, Boris A.; Wallmersperger, Thomas; Kröplin, Bernd-Helmut: Adaptive Strukturen und gekoppelte Mehrfeldprobleme. In: Stahlbau, 69. Jg., Heft 6, S. 448, Bild 6 A 39 Cremers, Jan: Performance-Steigerungen von Bestandsgebäuden durch innovative Membrankonstruktionen, Neumarkt i. d. OPf. 2010, S. 3 A 40 Fakultätswerkstatt Fotografie, Fakultät für Architektur und Stadtplanung, Universität Stuttgart A 41 Uwe Walter/Courtesy Galerie EIGEN+ART Leipzig/Berlin und The Pace Gallery

Teil B

Werkstoffe

Kunststoffe B 1.2 Lindner, Christoph: Produktion, Verarbeitung und Verwertung von Kunststoffen in Deutschland. Alzenau 2007, S. 6 B 1.6 Etzrodt, Günter: Die Farbenwelt der Kunststoffe: Farbmittel und Präparationen: Eigenschaften, Verarbeitung, Qualitätssicherung. Landsberg am Lech 2003, S. 18, Abb. 11 B 1.7 Baur, Erwin u. a.: Saechtling Kunststoff Taschenbuch. München 2007, S. 695, Abb. 7.13 B 1.10 Pfaff, Gerhard: Spezielle Effektpigmente-Grundlagen und Anwendungen, Hannover 2007, S. 141 B 1.11 http://www.ipt.arc.nasa.gov/finnfigures.html B 1.16 Ludwig, Carsten: Glasfaserverstärkte Kunststoffe unter hoher thermischer und mechanischer Belastung. Dissertation. Stuttgart 2009, S. 157 B 1.17 siehe B 1.16, S. 156 B 1.18 siehe B 1.7, S. 235ff. B 1.19 Braun, Dietrich: Erkennen von Kunststoffen: qualitative Kunststoffanalyse mit einfachen Mitteln. München 1998, S. 42f. B 1.21 a – b siehe B 1.19, S. 35, Abb.3 B 1.22 Kalweit, Andreas u. a.: Handbuch für technisches Produktdesign: Material und Fertigung, Entscheidungsgrundlagen für Designer und Ingenieure. Berlin/Heidelberg 2006, S. 92 B 1.37 siehe B 1.19, S. 36, Abb. 4 B B 1.38 siehe B 1.18, S. 654, Abb. 6.68 B 1.41 siehe B 1.19, S. 36, Abb. 4 A Fasern B 2.2 Schürmann, Helmut: Konstruieren mit Faser-Kunststoff-Verbunden. Berlin/Heidelberg 2007, S. 22 B 2.3 Moser, Kurt: Faser-Kunststoff-Verbund. Entwurfsund Berechnungsgrundlagen. Düsseldorf 1992 B 2.7 Ehrenstein, Gottfried W.: Faserverbund-Kunststoffe: Werkstoffe, Verarbeitung, Eigenschaften. München 2006, S. 19, 31, 39 B 2.8 Flemming, Manfred u. a.: Faserverbundbauweisen. Berlin 1995, S. 10, Abb 2.1.5 B 2.10 siehe B 2.3 B 2.14 Faserinstitut Bremen B 2.15 siehe B 2.7, S. 32 Klebstoffe und Beschichtungen B 3.1 Jan Bitter Fotografie, Berlin B 3.3 siehe B 1.22, S. 484, Abb. 31 B 3.4 Peters, Stefan: Kleben von GFK und Glas für baukonstruktive Anwendungen. Dissertation. Stuttgart 2006, S. 123 B 3.5 siehe B 3.4, S. 87 B 3.10 Ludwig, Carsten: Glasfaserverstärkte Kunststoffe unter hoher thermischer und mechanischer Belastung. Dissertation. Stuttgart 2009, S. 193

B 3.12

B 3.14 c

Rusam, Horst: Anstriche und Beschichtungen im Bauwesen – Eigenschaften, Untergründe, Anwendung. Stuttgart 2004, S. 111 BMW AG, München

Naturfaserverstärkte Kunststoffe und Biokunststoffe B 4.1 Swiss Cell/THE WALL AG, Ratingen B 4.2 nach: http://www.uni-kassel.de/fb15/ifw/wpc/ zu_downloaden/Tagung_1999_PDF/30%20 Beckmann.pdf B 4.3 fabpics/Fernando Alda B 4.4 Lucas Schifres/Finpro ry B 4.5 Daimler Benz AG, Stuttgart B 4.7 Mazda Motor Corporation, Teijin B 4.8 Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V., Gülzow B 4.10 Sergio Rossi, Mailand B 4.11 nach: Endres, Hans-Josef; Siebert-Raths, Andrea: Technische Biopolymere. Rahmenbedingungen, Marktsituation, Herstellung, Aufbau und Eigenschaften. München 2009, S. 206, Bild 5.33 B 4.12 siehe B 4.11, S. 215, Bild 5.46 B 4.13 NEC Deutschland GmbH, Düsseldorf B 4.14 mehrwerk designlabor/Enrico Wilde, Halle/ Saale B 4.15 Honda Deutschland GmbH, Offenbach

Teil C

Halbzeuge

Vorprodukte C Christian Schittich, München C 1.2 Schwarz, Otto; Ebeling, Friedrich Wolfhard; Furth, Brigitte: Kunststoffverarbeitung. Würzburg 2002, S. 19 C 1.14 a –b BASF SE, Ludwigshafen C 1.15 siehe B 1.17, S. 753, Tafel 8.19 Faserverstärkte Kunststoffe C 2.1 Fiberline Composites AS, Middelfart C 2.2 a Svenja Beye, RWTH, Aachen C 2.3 nach DIN EN 13706, DIN 18820 und Sika Deutschland GmbH C 2.6 siehe B 2.7, S. 164 C 2.9 siehe B 2.7, S. 176 C 2.10 siehe B 2.7, S. 177 C 2.12 BWH-Bücker Kunststoffe GmbH & Co., Emsdetten Kunststoffhalbzeuge C 3.2 siehe C 1.2, S. 41 C 3.16 clear-PEP UV PC, Design Composite GmbH, Mittersill C 3.27 siehe C 3.2, S. 81 C 3.29 SIEGERBAU, Vetschau C 3.30 a –b siehe C 2.1 Folien C 4.2

Nowofol Kunststoffprodukte GmbH & Co. KG, Siegsdorf; Vector Foiltec GmbH, Bremen; Baur, Erwin, u. a.: Saechtling Kunststoff aschenbruch. München 2007 C 4.3 a nach: Bongaerts, H. in: Handbuch der Kunststoff-Extrusionstechnik. Bd. 2: Extrusionsanlagen. München 1986 C 4.3 b nach: Nentwig, Joachim: Kunststoff-Folien: Herstellung, Eigenschaften, Anwendung. 3. Aufl., München 2006 C 4.4 – 5 Brückner Maschinenbau GmbH & Co. KG, Siegsdorf C 4.9 Hodann, Robert: Fluorpolymer-Folien für Architekturkonstruktionen, Nowofol: Vortrag im Rahmen der DAGA 2007 in Stuttgart. C 4.10 –12 Saxe, Klaus; Homm, Thomas (Universität Duisburg/Essen): Mechanische Eigenschaften von ETFE-Folien für vorgespannte Strukturen. Vortrag Techtextil Symposium 12.06.2007. C 4.13 –14 Novum Membranes GmbH, Edersleben C 4.15 Karsten Moritz, Obing

Abbildungsnachweis

Textile Membranen C 5.5 a nach: Seidel Michael: Textile Hüllen, Bauen mit biegeweichen Tragelementen, Berlin 2008, S. 39 C 5.5 b nach: Forster Brian, Mollaert Marijke: European Design Guide for Tensile Surface Structures, Brüssel 2004, S. 227 C 5.12 Testergebnisse itke Universität Stuttgart C 5.13 a –b nach Testergebnissen von Bauer Membranbau für Rasch + Bradatsch, Freising C 5.14 Hareikon UG, Bellenberg C 5.15 Koch Membranen GmbH, Rimsting Erweiterte bauphysikalische und energetische Aspekte C 6.2 – 3 Cremers, Jan.: Einsatzmöglichkeiten von Vakuum-Dämmsystemen, München/New York, 2007, S. 16 C 6.7 Neopor BASF SE, Ludwigshafen C 6.8 Cammerer, Walter: Wärme- und Kälteschutz im Bauwesen und in der Industrie.Berlin 1995, S. 415f und Pupp, Wolfgang; Hartmann, Heinz: Vakuumtechnik. Leipzig 1991 C 6.9 Porextherm Dämmstoffe GmbH, Kempten C 6.11 siehe C 6.2, S. 20 C 6.12 siehe C 6.2, S. 45 C 6.13 nach: Porextherm GmbH, Kempten C 6.14 http://www.empa-ren.ch/ren/Projekte_ Gebaeudehuelle/Pdf%20Gebaeudehuelle/ sb%20hlwd.pdf (30.08.2010), S. 11 C 6.15 ThyssenKrupp Steel Europe, Duisburg C 6.17 Cabot Corporation, Boston C 6.18 Wacotech GmbH & Co.KG, Bielefeld C 6.20 Isoflex, Gustafs C 6.21 OKALUX GmbH, Marktheidenfeld C 6.22 Wacotech GmbH & Co.KG, Bielefeld C 6.23 Herstellerangaben über Fachverband Transparente Wärmedämmung e. V. C 6.27 Jan Cremers; nach Daten des ZAEBayern e. V. C 6.30 Evonik Röhm GmbH, Essen C 6.31 nach Messungen des ZAE-Bayern e. V. C 6.32 Jan Cremers; nach Messungen des ZAEBayern e. V. C 6.33 Labor Blum, Stuttgart C 6.34 Peter Bartenbach, München C 6.35 Peter Bonfig, München C 6.36 Nigel Young, London C 6.37 TEXAA raum AKUSTIKS Gbr., Eglsbach C 6.38 a Nimbus-Group/Andreas Körner, Stuttgart C 6.38 b –c nach: KAEFER Isoliertechnik GmbH & Co. KG, Bremen C 6.40 nach DIN EN 13 501-1, Ausgabe 6-2002 C 6.41 siehe C 6.33 C 6.44 Roth Werke GmbH, Dautphetal-Buchenau C 6.45 Fraunhofer ISE, Freiburg C 6.46 Kopf Solarschiff GmbH, Sulz-Kastell C 6.47– 48 siehe A 32 C 6.49 Samuel Cabot Cochran, Pratt Institute C 6.50 siehe A 32 C 6.51 Kennedy & Violich Arch, Boston Umweltwirkungen von Kunststoffen C 7.1 Rainer Schlautmann, Oberhausen C 7.2 nach: DIN EN ISO 14 040 C 7.3 nach: Institut für Bauen und Umwelt, Königswinter C 7.5 – 7 nach Ökobau.dat, http://www.nachhaltigesbauen.de/baustoff-und-gebaeudedaten/ oekobaudat.html C 7.8 Preisig, Hansruedi: Massiv- oder Leichtbauweise? Zürich 2002, In TEC21, Heft 42/2002, S. 17 C 7.9 Andreas Braun/Vector Foiltec GmbH, Bremen C 7.10 Adam Mørk, Kopenhagen C 7.11 a Müller, Michael; u. a.: Ökologische/Ökonomische Bewertung zweier Fassadenkonzepte – Glasfassade versus Kunststofffassade. Remscheid, 2007 S. 84 C 7.11 b artur/Tomas Riehle C 7.13 dRMM Architects & Designers, London

Teil D

Planung und Formfindung

Tragwerk und Form D Mike Stoy, Bothell D 1.2 École des Ponts ParisTech D 1.15 siehe A 20, S. 89 D 1.17 Samuel Fournier, Lavaux D 1.18 Hubertus Hamm, München D 1.20 Fritz Busam, Berlin D 1.21 Gerhard Hagen, Bamberg D 1.32 – 33 Helen & Hard, Stavanger D 1.36 nach: Otto, Frei: IL 5, Wandelbare Dächer. Schriftenreihe des Institut für leichte Flächentragwerke. Stuttgart 1972, S. 45 Dimensionierung und Ausführung D 2.2 nach: VDI 1989 – 2006: Richtlinie 2014: Entwicklung von Bauteilen aus Faser-Kunststoff-Verbund D 2.3 nach: Blum, Rainer: Zeltbaumaterialien. In: Günter Brinkmann: Leicht und Weit. Weinheim 1990, S. 204 D 2.11–13 siehe C 6.33 D 2.22 Pedelta, Ingenieurbüro Barcelona

Teil E

Konstruieren mit Kunststoff und Membranen

Konstruieren mit Kunststoffhalbzeugen E Fernando Guerra /FG+SG, Lissabon E 1.1 Stefan Müller-Naumann, München E 1.3 Swissfiber AG, Zürich E 1.4 Schürmann, Helmut: Konstruieren mit FaserKunststoff-Verbunden. Berlin/Heidelberg 2007, S. 538 E 1.5 Beat Widmer, Swissfiber AG, Zürich E 1.8 Park, Don-U., Knippers, Jan: Application of a new GFRPjointing method for an exhibition membrane spatial structure. 9th Asian Pacific Conference of Shell and Spatial Structures (APCS 2009), Nagoya, 05/2009 E 1.13 b siehe C 2.1 E 1.15 – 16 siehe E 1.13b E 1.19 a Toni, Michela: FRP architecture: Building by fiber-reinforced plastics. Firenze 2007, S. 82 E 1.20 a Foto Flury, Pontresina E 1.21 a Keller, Thomas u. a.: Adhesively Bonded and Translucent Glass Fiber Reinforced Polymer Sandwich Girders. In: Journal of Composites for Construction 5/2004, S. 461ff. E 1.22 a Sung Woo Lee, Kookmin University, Seoul E 1.23 b Habib J. Dagher, University of Maine E 1.24 a Julia Liese, München E 1.29 b Arthur Péquin, Bordeaux E 1.31 Wagner System, Safnern E 1.36 b Christian Schittich, München E 1.36 c Rodeca GmbH, Mülheim an der Ruhr E 1.41 a Jeroen Musch, Amsterdam E 1.42 LAMILUX Heinrich Strunz GmbH, Rehau E 1.43 a –b Ee Stairs Nederland bv, Barnfeld E 1.44 a siehe E 1.5 E 1.44 c Swissfiber AG, Zürich Konstruieren mit frei geformten Kunststoffen E 2.14 a –b Krake Technology Group, Dessau E 2.17 Lange+Ritter GmbH, Gerlingen E 2.26 Paul Pattijn, Doetinchem E 2.29 Lange+Ritter GmbH, Gerlingen E 2.31a Wiebke Elzel, Hochschule für Grafik und Buchkunst, Leipzig E 2.31b Genzel, Elke; Voigt, Pamela: Kunststoffbauten: Teil 1: Die Pioniere. Weimar 2005, S. 203 E 2.32 siehe E 2.31 b, S. 177 E 2.34 a –b Hahlbrock GmbH, Wunstorf E 2.36 a –c Octatube International, Delft E 2.42, 2.43 a Maurice Nio, Rotterdam Konstruieren mit Folien E 3.1 Max Prugger, München E 3.3 Cremers, Jan: Zwischenbericht Forschungsprojekt Membrane für die Energetische Sanie-

rung von Gebäuden (MESG), Rimsting 2009 (unveröffentlicht) E 3.5 a – b LeCuyer, Anette: ETFE – Technologie und Entwurf. Basel/Boston/Berlin 2008, S. 108 E 3.12 – 13 siehe E 3.3 E 3.15 nach: Baier, Bernd; Koenen, Reinhold, Müller, Joachim (Hrsg.): Grenzbereiche: leichte Konstruktionen – Symposium interdisziplinär. Universität Duisburg-Essen 2005 E 3.16 b Marcus Bredt, Berlin E 3.19 Rolf Luchsinger, Dübendorf E 3.20 Florian Holzherr, München E 3.21 seele holding GmbH & Co. KG, Gersthofen Konstruieren mit textilen Membranen E 4.4 – 5 http://www.pfeifer.de/seilbau/download/ E 4.16 –17, E 4.28 Rasch + Bradatsch, LeinfeldenEchterdingen E 4.27 siehe A 20, S. 133 E 4.32, 4.41 Alexander Michalski, Stuttgart E 4.43 siehe A 20, S. 200 E 4.51 Jakob Frick, Stuttgart E 4.54 Patrick Bingham-Hall, Balmain Komplexe Gebäudehüllen E 5.1 siehe E E 5.6 siehe E 3.3 E 5.7 siehe A 39, S. 2 E 5.9 MFPA Leipzig GmbH, Leipzig E 5.10 a Fraunhofer-Institut für Bauphysik, Holzkirchen E 5.11 siehe A 28 E 5.13 siehe 6.31 E 5.18 –19 Cabot Corporation, Boston E 5.20 Vector Foiltec GmbH, Bremen E 5.21 a siehe A 28 E 5.23 Birdair, Inc. A Taiyo Kogyo Company, Williamsville E 5.24 a – b Thomas Jantscher, Colombier E 5.24 c siehe A E 5.25 siehe A 32 E 5.27 a – c Thomas Hofmann, Fürth / Gerhard Reisinger, Jülich

Teil F

Gebaute Beispiele im Detail

F Virgile Simon Bertrand, Hong Kong S. 226 – 228 Michael Alschner, Wien S. 229, 231 Lukas Roth, Köln S. 232, 233 links oben Timothy Soar, Norfolk S. 233 links unten Josef Gartner GmbH, Gundelfingen S. 234 – 235 Sergio Pirrone, Tokio S. 236 Arthur Péquin, Bordeaux S. 237 – 239 Ruedi Walti, Basel S. 240 – 241 Will Pryce, London S. 242 mitte Markus Gabler, Stuttgart S. 243 artur/Roland Halbe, Stuttgart S. 244 oben Torben Eskerod, Kopenhagen S. 244 unten siehe C 2.1 S. 245 Deffner Voigtländer, Dachau S. 246 – 247 Dieter Leistner, Würzburg S. 248, 250 John Linden, Woodland Hills S. 251 Marc Gerritsen, Taipei S. 256, 257 oben siehe E S. 257 unten Eva Schönbrunner, München S. 258, S. 259 oben Nicolas Pinzon S. 259 unten seele holding GmbH & Co KG, Gersthofen S. 260 Verena Herzog-Loibl, München S. 261 unten siehe A 32 S. 262 Thomas Ott, Mühltal S. 263 Christian Schittich, München S. 264 Frank Kaltenbach, München S. 265 – 267 siehe S. 262 S. 268 Udo Meinel, Berlin S. 269 Zooey Braun, Stuttgart S. 270 Heiner Leiska, Hamburg S. 272 Friedrich Busam, Berlin S. 273 – 276 Nigel Young, London S. 277 – 278 Rainer Viertlböck, Gauting S. 280, 281 oben und unten links siehe S. 264 S. 282 – 283, S. 285 unten pro.media/smart design

291

Abkürzungen Kunststoffe • Sachregister

Abkürzungen Kunststoffe Kurz ABS AFK ASA AU BR CA CAB CFK

TM TPS UF UP VE WPC XPS

Lang Seite Acrylnitrilbutadienstyrol 42 aramidfaserverstärkter Kunststoff 76 Acrylesterstyrolacrylnitril 42 Polyurethankautschuk 45 Butadienkautschuk 45 Cellulose(tri)acetat 43 Celluloseacetobutyrat 38 kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff 76 Cellulosenitril 38 Cellulosepropionat 38 Chloropren-Kautschuk 45 Ethylen-Vinylacetat-Kautschuk 45 Ethylcellulose 38 Epoxidharz 47 Ethylen-Propylen-Kautschuk 45 expandiertes Polystyrol 74 Ethylentetrafluorethylen 44 Polyurethankautschuk 45 Ethylen-Vinylacetat 41 Ethylen-Vinylacetat 41 Fluor-Kautschuk 45 Fluor-Silikon-Kautschuk 45 glasfaserverstärkter Kunststoff 76 Butyl-Kautschuk 45 Melaminharz 46 Methyl-Vinyl-Siloxan-Kautschuk 45 naturfaserverstärkter Kunststoff 60 Naturkautschuk 45 Polyamid 43 Polyacrylnitril 51 Polycarbonat 42 Polychlortrifluorethylen 122 Polycaprolacton 61 Polyethylen 41 Polyethylen, hohe Dichte 41 Polyethylen, niedrige Dichte 41 Polyethersulfon 74 Polyethylenterephthalat 42 glykolmodifizietes Polyethylenterephthalat 43 Phenolplast, Phenolharz 46 Vinylesterharz 47 Polyhydroxybutyrat 64 Polylactid 63 Polyimid 73 Polymethylmethacrylat 42 Polypropylen 41 Polyphenylenether, modifiziert 43 Polystyrol 42 Polytetrafluorethylen 44 Polyurethan 47 Polyvinylbutyral 41 Polyvinylchlorid 40 weichmacherhaltiges Polyvinylchlorid (plasticized) 40 hartes Polyvinylchlorid (unplasticized) 40 Silikonkautschuk 45 Styrolacrylnitril 42 Styrolbutadien 42 Styrol-Butadien-Kautschuk 45 Tetrafluorethylen-HexafluorpropylenVinylidenfluorid-Terpolymer 44 Tetrafluorethylen-HexafluorpropylenVinylidenfluorid-Terpolymer 44 Polysulfidkautschuk 45 Thermoplastische Stärke 63 Harnstoffharz 46 ungesättigtes Polyesterharz 46 Vinylesterharz 47 Wood Plastic Composites 61 extrudiertes Polystyrol 74

GF X

Suffix für glasfaserverstärkt Suffix für vernetzte Thermoplaste

CN CP CR EAM EC EP EPDM EPS ETFE EU EVA EVAC FKM FVMQ GFK IIR MF MVQ NFK NR PA PAN PC PCTFE PCL PE PE-HD PE-LD PES PET PET-G PF PHA PHB PLA PMI PMMA PP PPE+PS PS PTFE PUR PVB PVC PVC-P PVC-U Q SAN SB SBR TFB THV

Farbcodierung (Kapitel C, D und E) ‡ Fasern ‡ Folien ‡ textile Membranen

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Sachregister A Abdichtung ∫ 168 Abminderungsfaktoren ∫ 154 Abreißgewebe ∫ 71, 181 Abriebfestigkeit ∫ 121 Abschlussabdeckung ∫ 211 Absorption ∫ 114 Absorptionstrockner ∫ 193 Abspannmast ∫ 209f. Abstandsgewebe ∫ 75 Abtropfrinne ∫ 190 Acetylen ∫ 31 Acrylatharze ∫ 58 Acrylatklebstoffe ∫ 55 Acrylesterstyrolacrylnitril (ASA) ∫ 38, 42 Acrylglas ∫ 19, 25, 38, 42, 86, 82 Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat (ABS) ∫ 12, 38, 42 Additive ∫ 24, 32ff., 68, 96, 131 Aerogele ∫ 91, 112f., 220f. Aerogel-Granulat ∫ 220 Aerogel-Vlies ∫ 221 Aktivnutzung ∫ 122 algebraische Flächen ∫ 137 Alkydlack ∫ 59 Alleskleber ∫ 57 Aluminiumbedampfen ∫ 222f. Aminoplaste ∫ 46 amorph ∫ 35 amorphes Polyethylenterephthalat (PET) ∫ 87 anorganische Fasern ∫ 50 Anschlussbleche ∫ 162 Anschlüsse ∫ 180f. Anschlussleistung von Gebläse ∫ 193 Anschmutzverhalten ∫ 121 Anwendungstemperatur ∫ 36f. Aramid ∫ 21, 43, 51f., 105, 197 Arbeitssicherheit ∫ 157 Asbest ∫ 53 Atlasbindung ∫ 70 Aufheller ∫ 33 Aufkantung ∫ 175 Auflaminieren ∫ 180 Auge ∫ 142, 210 Augseil ∫ 142 Ausdehnungskoeffizient, linear ∫ 38 Ausfransen ∫ 198 Ausführung von Verklebungen ∫ 164 Ausführung ∫ 150ff. Avivage ∫ 48 axiale Spannungszustände ∫ 135 B Bakelit ∫ 10f., 38, 46 Balsaholz ∫ 75 Barcol ∫ 36 Bastfasern ∫ 61 bauaufsichtliche Zulassung (BAZ) ∫ 155 Baustoffklassen ∫ 119 Beanspruchbarkeit ∫ 121 Bedrucken ∫ 97 Bedruckung ∫ 189 Befestigung ∫ 168, 170 Behaglichkeit ∫ 212 Berechnung ∫ 150ff. Beschichten ∫ 97 Beschichtungen ∫ 25, 54, 57ff., 100ff. Low-E- ∫ 103, 115f., 222 Beschichtungsstoffe ∫ 57 Beschichtungsverfahren ∫ 59 Beschleuniger ∫ 47 Beständigkeit ∫ 39, 121 bewegliche Randanschlüsse ∫ 220 Bewitterung ∫ 38, 55 biaxial ∫ 97, 148, 151 Biaxmaschinen ∫ 155 Bindemittel ∫ 57 Bindungsarten ∫ 70 Bioharz ∫ 64f. Biokunststoffe ∫ 27, 62ff. Biopolymer ∫ 63 Bisphenol A ∫ 32

Blasfolien ∫ 95 Blattfeder ∫ 211 Blockpolymer ∫ 40 bogengestützte Flächen ∫ 142 Brandschutz ∫ 32, 119 Brandschutzanforderung ∫ 47 Brandschutzbeschichtungen ∫ 58 Brandschutzgläser ∫ 223 Brandverhalten ∫ 27, 78, 119 Breitschlitzwerkzeug ∫ 95 Brennbarkeit ∫ 39 Brennen ∫ 36f. Bruch ∫ 152f. -dehnung ∫ 105 -verhalten ∫ 35, 39 Brückenbau ∫ 92, 165 Brückendeck ∫ 93 Buckel ∫ 210 C Cellophan ∫ 10 Cellulose ∫ 10, 61 Cellulose(tri)acetat (CA, CTA) ∫ 12, 38, 43, 63, 113 Cellulosediacetat ∫ 43 CFK-Beton-Verbund ∫ 167 CFK-Lamellen ∫ 92f. CNC-Fräse ∫ 185, 187 Coextrusion ∫ 83 Coil ∫ 94, 96 Compound ∫ 68 Copolymeristation ∫ 31 Cracken ∫ 31 Cyanacrylatklebstoffe ∫ 55 D Dachentwässerung ∫ 190 Dachplatten ∫ 168 Dämmschicht ∫ 73 Dämmstoff ∫ 108ff., 213, 218 Dampfteildruckverlauf ∫ 213 Dämpfungsvermögen ∫ 43 Dauerstandversuche ∫ 98 Decklappen ∫ 203 Deckschichten ∫ 72 Deckstreifen ∫ 199 Dehnsteifigkeit ∫ 105f. Dekompensation ∫ 148 Delaminieren ∫ 77 Dichte ∫ 38 Dimensionierung ∫ 150ff. Dispersionsfarben ∫ 58 Distanzgewebe ∫ 217 Doppelfolien ∫ 94 Doppelkederprofil ∫ 217 Downcycling ∫ 40 Druckfestigkeit ∫ 35 Druckhaltung ∫ 192 Druckniveau ∫ 192 Drucksensoren ∫ 193f. dtex ∫ 48 duktil ∫ 35, 38 Duplexbeschichtung ∫ 58 Duroplaste ∫ 38, 46f., 69 dynamische Relaxation ∫ 139 E Eckdetail ∫ 206ff. Eckplatten ∫ 196, 207, 209 Eckpunkte, frei ∫ 143 Effektfarbmittel ∫ 33 Effektpigmente ∫ 33 Effizienz ∫ 134 E-Glas ∫ 50 Einbauteile ∫ 182f. Einfärben ∫ 32, 97 ESG ∫ 223 Elastomere ∫ 38, 44f., 69 Silikon- ∫ 45 thermoplastisch ∫ 40 Elektrolumineszenz ∫ 121f. Elektrolumineszenzfolien (EL-Folien) ∫ 122 E-Modul ∫ 35, 38, 150 Endbeschläge ∫ 202 Entsorgung ∫ 63, 124

Sachregister

Entwässerung ∫ 190, 194, 211 Epoxidharz (EP) ∫ 13, 38, 47, 76 -klebstoffe ∫ 56 -mörtel ∫ 56f. Epoxidlack ∫ 59 Erdöl ∫ 31 ETFE-Folien ∫ 21, 96f. ETFE-Folienlaminate ∫ 97 Ethylen ∫ 31 Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPDM) ∫ 45, 190 Ethylentetrafluorethylen (ETFE) ∫ 38, 44, 94 Ethylen-Vinylacetat (EVA) ∫ 41, 122, 223 -Folien (EVA-Folien) ∫ 41 European Platform on Life Cycle Assessment ∫ 126 experimentelle Formfindung ∫ 138 Extrudieren ∫ 83, 95 Extrusionsprofile ∫ 190, 198 Exzentrizitäten ∫ 206 F Fachwerkträger ∫ 166 Fahrbahnbeläge ∫ 58 Fahrbahnplatten ∫ 85 Faltbarkeit ∫ 200 Falten ∫ 189, 191, 203 Farben ∫ 32f., 58, 96 Faserbeton ∫ 53 Faser ∫ 48ff., 77ff. anorganisch ∫ 50 Kurz- ∫ 77 Lang- ∫ 48, 77 -orientierung ∫ 78 -spritzen ∫ 81 -verbundkunststoffe ∫ 15, 76 -verlauf ∫ 177 Faserverstärkung ∫ 84 Formteile ∫ 92 Kunststoffe ∫ 76ff., 84, 88f., 176f. unidirektional ∫ 77 Faserwickeln ∫ 81 Fassaden ∫ 168 -anschluss ∫ 205 -bekleidungen ∫ 90 Feder ∫ 205 Fensterrahmen ∫ 40, 82f. Fertigung ∫ 78 Fertigungsqualität ∫ 95f. Festigkeit ∫ 34ff., 38, 105, 121, 150ff. Festkörperwärmeleitung ∫ 111 feuchtetechnische Eigenschaften ∫ 117 Feuchtigkeit ∫ 39 Filamente ∫ 48 Filmgelenke ∫ 176 Finite-Elemente-Methode (FEM) ∫ 139 Fixpunkte ∫ 145 Flächenkrümmung ∫ 140, 146 Flächenstoß ∫ 190, 198, 200f., 205 Flächentragwerk ∫ 136, 138ff. Flachfolien ∫ 95 Flachnaht ∫ 199 Flachsfasern ∫ 27, 53, 61 Flamme ∫ 37 Flammschutzmittel ∫ 32, 47, 120 Flechten ∫ 81 Flottierung ∫ 70 fluoreszierend ∫ 33 Fluorpolymer ∫ 43f. FoilGlass ∫ 223 Folien ∫ 94ff., 188 Blas- ∫ 95 -dämmung ∫ 112 Elektrolumineszenz- (EL) ∫ 122 Flach- ∫ 95 Hochbarriere- ∫ 110f. Ionomer- ∫ 41 -kissen ∫ 188, 221 Formenbau ∫ 184f. Formfindung ∫ 138f., 19 Formgebung ∫ 25 Formgedächtnismaterialien ∫ 27 Formmasse ∫ 46 formschlüssige Verbindungen ∫ 170

Formteile ∫ 81f., 91f., 172 Freiformen ∫ 137 Fugenbänder ∫ 169 Fugenmaterial ∫ 45 Füllstoffe ∫ 32f., 68, 131 Funktionsintegration ∫ 129, 184 Funktionskleidung ∫ 212 G Gabelfitting ∫ 209 Gabelseilköpfe ∫ 197 Garne ∫ 48 Gaswärmeleitung ∫ 111 Gaußsche Krümmung ∫ 136 Gebäudehülle ∫ 108, 212ff. adaptiv ∫ 21, 26 Gebrauchstemperatur ∫ 36ff., 152 Geflechte ∫ 70f. Gelcoat ∫ 78f. Gelege ∫ 70, 72 Genehmigung ∫ 154f. geodätische Kuppel ∫ 21 geodätische Linie ∫ 147 gesundheitliche Unbedenklichkeit ∫ 130 Getterstoffe ∫ 33f., 117 Gewächshausbau ∫ 121 Gewebe ∫ 70f. Abreiß- ∫ 71, 181 Abstands- ∫ 75 Aramid- ∫ 105 Distanz- ∫ 217 -einlagen ∫ 223 Polyamid- ∫ 20 Polyester- ∫ 20, 102, 104 Polytetrafluorethylen- (PTFE) ∫ 105 Gewindefitting ∫ 197, 208f. Gießen ∫ 88 Gießharz ∫ 46, 76 Gießverfahren ∫ 94 Girlandenränder ∫ 146 Gittermasten ∫ 211 Glas-ETFE-Folien-Kombinationen ∫ 223 Glasfasergewebe ∫ 21 PTFE-beschichtet ∫ 21, 102, 104 silikonbeschichtet ∫ 102, 104 Glasfasern ∫ 22, 49ff. glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) ∫ 13, 25, 76f., 84f., 92f., 164f. Glasgittergewebe, PTFE-laminiert ∫ 102, 104 Glas-PTFE ∫ 201f., 208 Glas-Silikon ∫ 199 Glasübergangstemperatur ∫ 39 Gleichgewichtsform ∫ 138 Gleitlager ∫ 44 Glimmerpigmente ∫ 33 glykolmodifiziertes Copolyester PET-G ∫ 87 Granulate ∫ 68f Granulation ∫ 69 Gratseil ∫ 142, 201 Graue Energie ∫ 129 Gurt ∫ 107, 202, 207 H Haftschlichte ∫ 48 Haftvermittler (Primer) ∫ 54, 59 Haftzugfestigkeit ∫ 34 Haftzugspannung ∫ 77 Halbzeuge ∫ 160 plattenförmig ∫ 88 Handlaminieren ∫ 78f. Hanffasern ∫ 27, 53, 61 Hängedächer ∫ 16 Haptik ∫ 34f. Harnstoffharz (UF) ∫ 46 Härte ∫ 35f. Härter ∫ 46 Härtezeit ∫ 47 Hartschaum ∫ 186 expandiert (EPS) ∫ 42 extrudiert (XPS) ∫ 42 -stoffe ∫ 178 Harz ∫ 38, 46, 76, 177 Acrylat- ∫ 58

Bio- ∫ 64f. Epoxid- ∫ 13, 38, 47, 76 Gieß- ∫ 46, 76 Harnstoff- (UF) ∫ 46 -infusionsverfahren ∫ 79f. Kunst- ∫ 10, 46 Melamin- (MF) ∫ 46 Phenacrylat- (PHA) ∫ 47 Phenol- (PF) ∫ 38, 46, 76 Polyester- ∫ 13 Polyester-, ungesättigt (UP) ∫ 38, 46f., 76 Reaktions- ∫ 46, 76, 223 Vinylester- (VE) ∫ 38, 47, 76 Hauptkrümmung ∫ 136 Heizbalken ∫ 106 Heizelementschweißen ∫ 106 Heizregister ∫ 193 Herstellung von Kunststoffen ∫ 31 Hinterlüftung ∫ 218f. Hochbarrierefolie ∫ 110f. Hochfrequenzschweißen ∫ 106 Hochpunkt ∫ 142, 210f. Holzfaserkunststoffe ∫ 61 Holz-Kunststoff-Verbundplatten ∫ 90 Holzwerkstoffplatten ∫ 90 Honeycombs ∫ 75 Hydrolyse ∫ 40 Hyperboloid ∫ 137 I Infrarot (IR) ∫ 113 Injektionsverfahren ∫ 80 Integralschaum ∫ 73, 92 integriert ∫ 174 integrierte Fügungen ∫ 170 integrierte Profile ∫ 85 Ionomerfolien ∫ 41 isotrop ∫ 105 K Kalander ∫ 95 Kalandrieren ∫ 95 Kältedämmung ∫ 120 Kaltschweißen ∫ 57 Kanten ∫ 175, 179 Kappnaht ∫ 199 Kappnaht, doppelt ∫ 199 Kartusche ∫ 56 Katalysatoren ∫ 31f. Kautschuk ∫ 11, 38, 44f., 190 Keder ∫ 99 -profil ∫ 197f., 201, 203, 205, 208 -schienen ∫ 197f., 201 -schnur ∫ 190, 197f., 200 Kehlseil ∫ 142, 201 Kerbschlagzähigkeit ∫ 35 Kern ∫ 72, 179 Kernlagenvlies ∫ 75 Kernmaterial ∫ 72, 112 Kesselformel ∫ 145 Kettenlinie ∫ 138 Kettfäden ∫ 70 Kettrichtung ∫ 150 Kieselsäuren ∫ 112 Kissen ∫ 143f., 188 Folien- ∫ 188, 221 mehrlagig ∫ 189 Klang ∫ 34f. Klebebänder ∫ 199 Klebefuge ∫ 164 Kleben ∫ 107, 153, 198 Klebenaht ∫ 199 Klebeverbindungen ∫ 153, 163f. Klebstoffe ∫ 54ff., 163 Klemmen, separat ∫ 189 Klemmplatten ∫ 197f., 201, 203, 205 Klemmplattenstoß ∫ 201, 209 Klemmprofile ∫ 190, 208 Klemmung ∫ 164 Knickbeständigkeit ∫ 121 knickempfindlich ∫ 157 Knotenkonstruktion ∫ 162 Knotenpunkte ∫ 160 Koagulation ∫ 44

Kohlenstoff ∫ 48 Kohlenstofffasern ∫ 24, 51 kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) ∫ 76f., 85, 167 CFK-Beton-Verbund ∫ 167 CFK-Lamellen ∫ 92f. Kohlenstoffnanoröhrchen ∫ 34, 122 Kollektoren ∫ 122 Kombinaht ∫ 107, 199 Kompensation ∫ 148 Kompensationswerte ∫ 202 Kondensat ∫ 215 Kondensationstrockner ∫ 193 Konfektionierung ∫ 98f., 106ff., 200, 207 konkav ∫ 136 Konstruktionsprofile ∫ 84 Konvektion ∫ 109 konvex ∫ 136 Körperbindung ∫ 70 Korrosion ∫ 51 Korrosionsschäden ∫ 25 Kraft-Dichte-Methode ∫ 139 Kratzempfindlichkeit ∫ 35, 86 Kriechen ∫ 36, 151 Kriechverhalten ∫ 154f., 188, 195 Krümmung ∫ 136f., 140, 146 Kunstfaser ∫ 11 Kunstharz ∫ 10, 46 Kunststoffaufbereitung ∫ 68 Kunststoff-Glas-Kombinationen ∫ 222f. Kunststoffhalbzeuge ∫ 82ff. Kunststoffschaum ∫ 72 L Lack ∫ 59 Lackierung ∫ 57 Laminat ∫ 76, 177 Längenausdehnung ∫ 190 Langfasern (Rovings) ∫ 48, 77 Langzeitbeständigkeit ∫ 39 Laschen ∫ 161f. Latex ∫ 38, 44 Lauge ∫ 38 Leichtbau ∫ 174 Leichtbaupotenzial ∫ 24 leichte Flächentragwerke ∫ 16, 136f. Leitkurve ∫ 137 Leichtbauelemente ∫ 113 Lichtdecke ∫ 220 Lichtlenkelemente ∫ 222 Lichttransmission ∫ 86 Lignin ∫ 61, 64 Linse ∫ 142 Litze ∫ 197 Lochbleche ∫ 182 Lösungsmittel ∫ 57 Lösungsmittelklebstoffe ∫ 57 Low-E-Beschichtungen ∫ 103, 115f., 222 Luftversorgung ∫ 188, 192f. Lunakollektoren ∫ 122 M Makrolon ∫ 38 Manschetten ∫ 162 Massivplatten ∫ 168 Mastizieren ∫ 44 materialeffizient ∫ 124 Materialkombinationen ∫ 164 Materialsteifigkeit ∫ 140 Matrix ∫ 76 Matten, komplex ∫ 70 mechanische Eigenschaften ∫ 35f. mechanische Vorspannung ∫ 140, 145 Medieneinfluss ∫ 152 Mehrlagigkeit ∫ 215 Melaminharz (MF) ∫ 46 Membran ∫ 100ff., 150ff., 196ff., 220 Membranecken ∫ 203, 207ff. Membranlappen ∫ 205 Membranrahmenmodule ∫ 195 Membranrand ∫ 202 Membranspannungszustände ∫ 138 Metallfasern ∫ 48, 53 Metallklammern ∫ 205 Metalloxide ∫ 32

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Sachregister

Methacrylatklebstoffe ∫ 56 Mikroben ∫ 53 Mikroorganismen ∫ 40 Mikrostrukturierung ∫ 26 milchig ∫ 34, 38 Mineralwerkstoffe ∫ 91 Mineralwolle ∫ 217 Minimalflächen ∫ 138f. Mischkonstruktionen ∫ 188 Mittellage, schaltbar ∫ 189, 192 modulare Systeme ∫ 85, 166, 174 Molekülkette ∫ 36 Molekülstruktur ∫ 35 monoaxial ∫ 97, 151 Monohex-Struktur ∫ 13 Monomere ∫ 31 Montage ∫ 92 -fügung ∫ 199 -stoß ∫ 198 N Nachjustierbarkeit ∫ 206 Nachspannen ∫ 200 Nachspannungsmöglichkeiten ∫ 195, 209 nachwachsende Rohstoffe ∫ 62f. Nähen ∫ 107, 198 Nähnaht ∫ 199 Naht ∫ 107, 199 -bild ∫ 147 Nanoröhrchen ∫ 34 Nassspinnverfahren ∫ 51 Naturfasern ∫ 48, 53, 61 naturfaserverstärkte Biokunststoffe ∫ 64f. naturfaserverstärkte Kunststoffe ∫ 60ff. Naturkautschuk (NR) ∫ 38, 44f. Negativform ∫ 185 Nieten ∫ 161f. Nitrocellulose ∫ 10 No Drop ∫ 121 Non Uniform Rational B-Splines (NURBS) ∫ 137 Notentwässerung ∫ 194 numerische Formfindung ∫ 139 Nutzungsdauer ∫ 151 O Oberflächen ∫ 78 antiadhäsiv ∫ 105 -emissivität ∫ 110, 116 -haftung ∫ 54 -härte ∫ 223 -schutzsysteme ∫ 58 -spannung ∫ 121 -vlies ∫ 78 Ökobilanzdaten ∫ 125, 128 Ökobilanzierung ∫ 124 Ondulieren ∫ 70 opak ∫ 34, 38 Optik ∫ 34f. Ortschaum ∫ 14 Ösen ∫ 200 Ösenfitting ∫ 209 Ösenseilköpfe ∫ 197 P Panamabindung ∫ 70 Panton-Stuhl ∫ 91 Parkesin ∫ 10 PAR-Spektrum ∫ 115 passive Solarenergienutzung ∫ 115 Perlmuttglanz ∫ 33 Pflanzenfasern ∫ 60f. Phase Change Materials ∫ 26, 33, 111 Phasenwechselmaterialien ∫ 26, 33, 111 Phenacrylatharz (PHA) ∫ 47 Phenolharz (PF) ∫ 38, 46, 76 Phenolharzschäume ∫ 25 Phenoplaste ∫ 46 phosphoreszierend ∫ 33 photochrom ∫ 33 Photovoltaik ∫ 26, 122f. piezoelektrische Aktoren ∫ 27 Piezokeramiken ∫ 26 Pigmente ∫ 32f., 96 Planken ∫ 90

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Plastisol ∫ 101 Platten ∫ 82, 85ff., 168ff. plattenförmige Halbzeuge ∫ 88f. Plexiglas ∫ 38 Pneu ∫ 143f. pneumatische Konstruktionen ∫ 18, 130 pneumatische Vorspannung ∫ 140, 143, 146 Polyacryl ∫ 20 Polyaddition ∫ 31 Polyamid (PA) ∫ 11, 25, 38, 43 Polyamidfaser ∫ 20, 24, 52, 202 Polyamidgewebe ∫ 20 Polycarbonat (PC) ∫ 24, 38, 42, 82f., 113 Polycarbonatplatten (PC-Platten) ∫ 86 Polychlortrifluorethylen (PCTFE) ∫ 122 Polyester ∫ 12, 20ff., 42f. 197, 200 Polyesterfaser ∫ 11, 24, 202 Polyesterfilmschichten ∫ 19 Polyestergewebe, ∫ 20, 102, 104 Polyestergurte ∫ 107 Polyesterharz ∫ 13 Polyesterharz, ungesättigt (UP) ∫ 38, 46f., 76 Polyester-PVC ∫ 201ff., 208 Polyesterseil ∫ 200 Polyethylen (PE) ∫ 12, 38, 41 Polyethylen, vernetzt (PE-X) ∫ 41 Polyethylenfaser (PE-Faser) ∫ 24, 52 Polyethylen-Folie ∫ 99, 115 Polyethylen-Ionomer ∫ 41 Polyethylenterephthalat (PET) ∫ 12, 38, 42, 87 Polyethylenterephthalat, glykolmodifiziert (PET-G) ∫ 43 Polyethylenterephthalat-Fasern ∫ 42f., 49, 52 Polyethylenterephthalat-Folien ∫ 223 Polyhydroxybutyrat (PHB) ∫ 64 Polykondensation ∫ 31 Polylactid (PLA) ∫ 12, 27, 63f. Polymer ∫ 30 -beton ∫ 56ff. -blend ∫ 40, 43 -fasern ∫ 48, 51f. -gele ∫ 27 Polymerisation ∫ 31, 41 Polymerisationsklebstoffe ∫ 55 Polymethylmethacrylat (PMMA) ∫ 38, 42, 82f., 113 Polyphenylenether, modifiziert (PPE+PS) ∫ 43 Polypropylen (PP) ∫ 12, 38, 41 Polystyrol (PS) ∫ 25, 38, 42f., 87 Polystyrol-Schaumstoffe ∫ 74 Polysulfidkautschuk (TM) ∫ 45 Polytetrafluorethylen (PTFE) ∫ 38, 44, 99, 105, 202 Polytetrafluorethylen-Fasern ∫ 44, 49, 52f. Polyurethan (PUR) ∫ 20, 25, 38, 47 Polyurethan-Gießelastomere (PUR) ∫ 45f. Polyurethan-Gießharz ∫ 186 Polyurethan-Hartschaum ∫ 12 Polyurethankautschuk (AU/EU) ∫ 45 Polyurethanklebstoffe ∫ 56f. Polyurethanlack ∫ 59 Polyurethan-Schaumstoffe ∫ 74f. Polyvinylbutyral (PVB) ∫ 41, 223 Polyvinylbutyral-Folien ∫ 41 Polyvinylchlorid (PVC) ∫ 11, 20, 25, 38, 40f., 82, 87 Polyvinylchlorid-Folien ∫ 95, 99 Polyvinylchlorid-Schaumstoffe ∫ 75 poröser Dämmstoff ∫ 111 Präsentationsmodelle ∫ 139 Prepregs ∫ 80 Pressfitting ∫ 197 Pressverbindungen ∫ 197 Pressverfahren ∫ 80 Primärenergieinhalt ∫ 125 Primärkonstruktion ∫ 189 Produktökobilanzdaten ∫ 126 Profile ∫ 82ff., 93, 165 Propylen ∫ 31

Prüfung ∫ 154ff. pultrudiert ∫ 165 pultrudierte Profile ∫ 93 Pultrusion ∫ 81 punktgestützte Flächen ∫ 142 Punkthalter ∫ 168 R Radialseil ∫ 19 Radome ∫ 13, 18, 183 Raffmechanismen ∫ 149 Rakel ∫ 101 Rand ∫ 175, 191, 202ff. Randanschluss, beweglich ∫ 220 Randausbildung ∫ 179f. Randbedingungen ∫ 140, 144 Ränder eines Folienkissens ∫ 191 Randklemmung ∫ 188, 190f. Randlappen ∫ 203 Randseil ∫ 202, 206ff. -krümmung ∫ 145 Randverstärkung ∫ 180, 202 Rapport ∫ 70 Ratschenzug ∫ 196 Rauchentwicklung ∫ 39 Raumakustik ∫ 117ff. Raumtragwerke ∫ 19, 23 Reaktionsharz ∫ 46, 76, 223 Reaktionsharzdünnbelag (RHD) ∫ 58 Recken ∫ 96 Recycling ∫ 40, 124, 130 Reflexion ∫ 114, 217 Regelfläche ∫ 137 Regelfunktion ∫ 212 Reibschlussverbindung ∫ 162 Reinharzschicht ∫ 78 Reinigungsaufwand ∫ 121 Reißlänge ∫ 24, 48 Reißverschlussverfahren ∫ 181 Relaxation ∫ 36, 151, 155 dynamisch ∫ 139 Resin Transfer Moulding (RTM) ∫ 80 Ressourcen ∫ 124 Ringdüse ∫ 95 Ringseil ∫ 195 Rippen ∫ 178 Rockwell ∫ 36 Rohr ∫ 81, 167 Rohrhülsen ∫ 197, 209 Rollenbreite ∫ 199 Rollmechanismen ∫ 149 Rosette ∫ 142, 210 Roste ∫ 90 Rotationsfläche ∫ 137 Rovings ∫ 48, 77 Rückschlagventil ∫ 192 Rundlitzenseil ∫ 197 R-Value ∫ 213 S Sandwichkern als Schalung ∫ 187 Sandwichkonstruktionen ∫ 72, 136, 177f., 183 Sandwichplatten ∫ 14, 87, 90, 93, 112 Sanierung ∫ 218 Sattelflächen ∫ 137, 140f. Säure ∫ 38 Schälkräfte ∫ 199, 202 Schall ∫ 117 -dämmmaß ∫ 217 -schutz ∫ 117ff. -schutzglas ∫ 223 schaltbare Mittellage ∫ 189, 192 schaltbarer Sonnenschutz ∫ 221 Schälverfahren ∫ 99 Schattenfugen ∫ 180 Schaumstoff ∫ 72ff. Schellack ∫ 10 Scherfestigkeit ∫ 153 Scherkräfte ∫ 199 Scherspannung ∫ 161 Schichtstoffplatten ∫ 90 Schirm ∫ 22, 195 Schlauch ∫ 95, 144 Schlaufen ∫ 201

Schlichte ∫ 48 Schlieren ∫ 95 Schmelzklebstoffe ∫ 57 Schmelzspinnverfahren ∫ 51 Schnappverbindungen ∫ 86, 166f., 171, 176 Schneelasten ∫ 188, 200 Schnürstoß ∫ 200 Schrauben ∫ 152f., 161f., 176 Schrumpfschlauch ∫ 198 Schrumpfung ∫ 46 Schussfäden ∫ 70 Schussrichtung ∫ 150 Schutzfunktion ∫ 212 Schweißen ∫ 57, 99, 106, 198 Schweißnähte ∫ 98f., 106, 190, 198f. Segelflächen ∫ 140f. Segellatte ∫ 143 Seil ∫ 53, 197, 203 -beschläge ∫ 197, 209 -linie ∫ 138 -netz ∫ 17, 188f., 195 -schar ∫ 195 -schlaufen ∫ 201 Selektivität ∫ 115f. sensorische Eigenschaften ∫ 34 Sheet Moulding Compounds ∫ 80 Shore ∫ 36 Sicherheit (Kissenkonstruktionen) ∫ 194 Silikon ∫ 31, 45, 38 -klebstoffe ∫ 57 -schäume ∫ 222 Singularitäten ∫ 142 Solarenergie ∫ 26 solares Spektrum ∫ 113 Solarmodule ∫ 41 solarthermische Systeme ∫ 26, 122f. Solarzellen ∫ 122 Solofolien ∫ 94 Sonnenschutz ∫ 221f. Sortenvielfalt ∫ 30 Spanngurt ∫ 196 Spannriemen ∫ 205 Spannungs-Dehnungs-Linie ∫ 97 Spannungsspitzen ∫ 203 Spannungszustand ∫ 135f. axial ∫ 135 Membran- ∫ 138 Spannweite ∫ 86, 188 Speichenradsysteme ∫ 19 Spiralseil ∫ 197 Splines ∫ 137 Spritzgießen ∫ 222 Spritzguss ∫ 91f. Sprödbruch ∫ 105 spröde ∫ 35, 38 Sputtern ∫ 97 Stabilisatoren ∫ 25, 32, 39, 131 Stegplatten ∫ 42, 87, 169 Steifigkeit ∫ 35, 140, 145 Stich ∫ 145, 188 Stoffkreislauf ∫ 40 Stoß ∫ 198 Flächen- ∫ 190, 198, 200f., 205 Klemmplatten- ∫ 201, 209 Montage- ∫ 198 Schnür- ∫ 200 strahlungshärtende Klebstoffe ∫ 56 Strahlungswärmeübertragung ∫ 111 Strangpressen ∫ 222 Streichverfahren ∫ 101 strukturoptimierte Fläche ∫ 137 Stützbögen ∫ 136 Stützenkopf ∫ 208 Styrol ∫ 47 Styrolacrylnitril (SAN) ∫ 38, 42, 87 Styrolbutadien (SB) ∫ 38, 42 Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) ∫ 45 Styrol-Copolymerisate ∫ 42 Styrol-Thermoplast ∫ 12 Substrat ∫ 54 synklastische Krümmung ∫ 136f. Systemlinie ∫ 208

Sachregister • Personenregister

T Tangentialkräfte ∫ 208 Taschen ∫ 201, 205 Tauchverfahren ∫ 103 Tauwasserausfall ∫ 193, 218 Tauwasserbildung ∫ 190 teilkristallin ∫ 35 teilvorgespanntes Glas (TVG) ∫ 223 Temperatur ∫ 36ff., 39, 152, 154 -verlauf ∫ 213 -verhalten ∫ 78 Tempern ∫ 47 Tensairity ∫ 144, 195 textilbewehrter Beton ∫ 50 textile Gurte ∫ 107, 197 Textilien ∫ 48, 69f., 77, 100ff. TFB / THV ∫ 44, 99 thermische Dauerbelastung ∫ 61 thermische Eigenschaften ∫ 36 Thermo Plastic Spacer (TPS) ∫ 222 Thermofarben ∫ 33 Thermoimpulsschweißen ∫ 106 Thermoplaste ∫ 38, 40f., 68f., 85 thermoplastische Verarbeitung ∫ 94 Thixotropiemittel ∫ 79 Tiefpunkt ∫ 142, 210f. Tiefpunktentwässerung ∫ 211 Tiefziehen ∫ 43, 86 Toldos ∫ 149 Topfzeit ∫ 54 Traglufthalle ∫ 144, 205 Tragwerk ∫ 134ff., 150ff. Translationsfläche ∫ 137 transluzent ∫ 34 Transluzenz ∫ 21 Transmission ∫ 114, 217 transparente Wärmedämmung ∫ 112f. Transparenz ∫ 25, 34, 38 Treibhauseffekt ∫ 114f. Treibhauspotenzial ∫ 125 Treibmittel ∫ 74 Trockenmittel ∫ 33f. Tropfblech ∫ 216 Twill ∫ 70 U Überkopfverglasung ∫ 223 UD-Verstärkung ∫ 77 ultraviolett (UV) ∫ 113 Umgebungseinflüsse ∫ 154 Umgebungstemperatur ∫ 154 Umkehrform ∫ 138 Umlenksattel ∫ 208 Umluftsysteme ∫ 193f., 221 Umwelt ∫ 124ff. -kennzeichnungen ∫ 125 unverstärkte Kunststoffe ∫ 174f. UV-Absorber ∫ 96 UV-Beanspruchung ∫ 32 UV-Strahlung ∫ 55 U-Wert ∫ 213, 215ff. V Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding (VARTM) ∫ 80 Vakuum-Dämmsysteme ∫ 111 Vakuumverfahren ∫ 79 Verarbeitungsmethoden ∫ 68 Verbindungen ∫ 86, 152f., 162f., 166f., 171, 176, 197 Verbindungsmittel ∫ 161f. Verbund ∫ 76 Verbundfolie ∫ 94 Verbundglas ∫ 223 Verbundglasscheiben ∫ 41 Verbundplatten ∫ 88 Verbundsicherheitsglas ∫ 223 Verbundwerkstoffe ∫ 76 Verebnung ∫ 147f. Vergilbung ∫ 35, 39, 92 Vergusshülsen ∫ 197 Verklebungen ∫ 163 Verkratzen ∫ 223 Verrauten ∫ 147 Verrautung ∫ 206

Verschnitt ∫ 106 Verschnürung ∫ 205 Verseilen ∫ 197, 200, 205 Verspröden ∫ 39 Versteifung ∫ 174, 177 Verträglichkeit ∫ 55 Vierpunktsegel ∫ 16 Vinylesterharz (VE) ∫ 38, 47, 76 Vivak ∫ 38 Vliese ∫ 70, 75, 77f., 221 Vogelschutz ∫ 192 Volatile Organic Compounds ∫ 130 Vorprodukte ∫ 68f. Vorspannmaß ∫ 201 Vorspannung ∫ 98, 139f., 143, 145f., 148 Vulkanisation ∫ 44f. W Wabenkern ∫ 72, 75 Wabenstruktur ∫ 178 wachsartig ∫ 35 Wachse ∫ 198 wandelbare Konstruktionen ∫ 149, 196 Wandstärke ∫ 81 Wärme -ausdehnung ∫ 36, 86, 160 -brücke ∫ 213 -dämmmaßnahmen ∫ 214 -dämmstoff ∫ 108ff., 217 -dämmung ∫ 169f. -durchgangskoeffizient ∫ 213 -durchgangswiderstand ∫ 213 -kontaktschweißen ∫ 106 -leitfähigkeit ∫ 25, 38, 110 -leitung ∫ 108, 111 -schutz ∫ 212, 214 -speicherkapazität ∫ 222 -speicherung ∫ 110 -strahlung ∫ 109 -strömung ∫ 109, 216 -transport ∫ 108, 215 -übergangskoeffizient ∫ 212 -übergangswiderstand ∫ 212, 218 Warm-Edge-Lösungen ∫ 222 Warmumformen ∫ 172 Wartung ∫ 194 Wasserabflussrinne ∫ 203 Wasserdampf ∫ 213 wasserdampfdiffusionsäquivalente Luftschichtdicke ∫ 117 Wasserdampf-Diffusionsdurchlasswiderstand ∫ 117 Wasserdampfsättigungsdruck ∫ 213 Wasserdichtigkeit ∫ 199f., 203 Wassersack ∫ 140, 194 Weichmacher ∫ 32, 35, 39 Weißbruch ∫ 35, 38 Weiterreißfestigkeit ∫ 105 Wellplatten ∫ 168 Wiederverwertung ∫ 39, 130 Windenergie ∫ 122f. Windlasten ∫ 188 Wirrfasermatten ∫ 70, 72, 77 Witterungsbeständigkeit ∫ 55 Wood Plastic Composites ∫ 61, 90 Z Zähigkeit ∫ 35 Zeitstandfestigkeit ∫ 36, 151 Zelluloid ∫ 10 Zinksulfid ∫ 121 zugbeanspr. Flächentragwerke ∫ 138ff. Zug-E-Modul ∫ 38 Zugfestigkeit ∫ 35, 38, 105 Zugring ∫ 19 Zulassung ∫ 154ff. zusammengesetzte Querschnitte ∫ 165 Zusatzstoffe ∫ 68 Zuschlagstoffe ∫ 96 Zuschnitt ∫ 106, 147, 198f. Zuschnitt, formgebend ∫ 188 Zustimmung im Einzelfall (ZiE) ∫ 155 Zwangslüftungssystem ∫ 218 Zweite-Haut-Fassaden ∫ 195, 222 Zwischenschichtfolien ∫ 41 Zylinderseilköpfe ∫ 197

Personenregister A Albert Speer & Partner ∫ 128 Andrä ∫ 19 Ant Farm ∫ 14 Archizoom ∫ 14 Arup, Ove ∫ 18 Atelier Architecture King Kong ∫ 168f., 236 Auer + Weber + Assoziierte ∫ 218f. B Baar-Baarenfels ∫ 226ff. Baekeland, Leo ∫ 10 Baumschlager Eberle ∫ 66 Behnisch + Partner ∫ 218f. Behnisch Architekten ∫ 108, 128, 168f., 280f. Behnisch, Günther ∫ 19ff. Bergermann, Rudolf ∫ 19 Bézier, Pierre Étienne ∫ 137 Bird, Walter ∫ 18 Brandenberger, Jacques ∫ 10 Brauen + Wälchli ∫ 222 Buckminster Fuller, Richard ∫ 13 C Carothers, Wallace Hume ∫ 11 Charles, Jaques ∫ 20 Christiansen, Ole Kirk ∫ 12 Contor Müller Schlüter ∫ 128f. Cook, Peter ∫ 172f. Coop Himmelb(l)au ∫ 14 Cox Richardson ∫ 210f. Cremers, Jan ∫ 208 D Davidson, Don ∫ 21 Davis, Brody & Ass. ∫ 18 de Chardonnet, Hilaire ∫ 10 Deffner Voitländer ∫ 245 Dickinson, J.T. ∫ 11 Donaire, Juan Pedro ∫ 60f. E Eames, Charles und Ray ∫ 12 Eastman, George ∫ 10 Eat ∫ 14 Ebersolt, Gilles ∫ 21 Eekhout, Mick ∫ 184 F Feierbach, Wolfgang ∫ 13, 182f. Florian Nagler Architekten ∫ 160f. formTL ∫ 142f. Foster + Partners ∫ 16, 232f., 273ff. Fournier, Colin ∫ 172f. frank und probst architekten ∫ 194f. Franken Architekten ∫ 142f. Fuksas, Massimiliano ∫ 178f. G Geiger, David H. ∫ 19 Geismar, de Harak & Ass. Göppert, Knut ∫ 20 Gröger, Franz ∫ 194f.

∫ 18

H Hallé, Francis ∫ 21 Helen & Hard ∫ 147 Herzog & de Meuron ∫ 20, 142f., 170, 188 Herzog + Partner ∫ 260f. Herzog, Thomas ∫ 20 hg merz architekten museumsgestalter ∫ 269f. Hopkins Architects ∫ 216f. Hopkins, Michael ∫ 20 Hossdorf, Heinz ∫ 22 Hübner, Peter ∫ 14 Huster, Frank ∫ 14 Hyatt, Wesley ∫ 10 I Isler, Heinz

∫ 22

J Jabornegg & Pálffy ∫ 253ff. JKMM Architects ∫ 60f.

K Kawaguchi, Mamoru ∫ 18 KHR arkitekter ∫ 244 Klatte, Fritz ∫ 11 Knippers Helbig ∫ 92f., 147, 262ff. Koch, Klaus-Michael ∫ 208f. L L35 ∫ 258f. Lanchester, Frederick William ∫ 20 Lanz Architekten ∫ 208 Laverne, Irwine und Estelle ∫ 12 Le Corbusier ∫ 16 Luscher Architectes ∫ 142f. M Makowski, Zygmunt Stanislaw ∫ 23 Serra, Marco ∫ 229ff. Meringhausen, Max ∫ 23 Michael Hopkins & Partner ∫ 205 Montgolfier ∫ 20 Murata, Yutaka ∫ 18 Murphy/Jahn ∫ 277ff. N Nikolai Kugel Architekten NIO Architects ∫ 187 O Otto, Frei

∫ 282ff.

∫ 16ff.

P Packer, Geoffrey ∫ 173 Panton, Werner ∫ 12 Parkes, Alexander ∫ 10 Pedelta Structural Engineers ∫ 165f. Pfeifer Roser Kuhn ∫ 237ff. Piano, Renzo ∫ 23 Promontorio Architects ∫ 212, 256f. PTW Architekten ∫ 20 R Rasch + Bradatsch ∫ 134, 141, 149, 196, 206ff. raumlaborberlin ∫ 252 Redelbach, Georg ∫ 194f. S Saarinen, Eero ∫ 12 Safdie, Moshe ∫ 16, 184 SBA Architekten ∫ 262ff. Schlaich Bergermann und Partner ∫ 141, 206f., 218f. Schlaich, Jörg ∫ 19 Schweger + Partner ∫ 149, 210f. Selgas Cano ∫ 243 Siegert, D.J. ∫ 194f., 222 Spuybroek, Lars /NOX ∫ 181 Squire and Partners ∫ 240f. Staab Architekten ∫ 168f. Staudinger, Hermann ∫ 11 Stromeyer & Co. ∫ 17 studio LD ∫ 141, 147 Suchov, Vladimir ∫ 16 Superstudio ∫ 14 Suuronen, Matti ∫ 14 T Takeshi Hosaka ∫ 234f. Tange, Kenzo ∫ 18 Tillner, Silja ∫ 141 Tsuboi, Yoshikatsu ∫ 18 U UFO ∫ 14 Unold ∫ 206 V von Gerkan, Marg und Partner ∫ 270ff. von Leonhardt ∫ 19 W Wachsmann, Konrad ∫ 23 Werner Sobek Ingenieure ∫ 149 Whinfield, J.R. ∫ 11 Z Zabel, Hansjörg ∫ 208f. Zaha Hadid Architects ∫ 248ff.

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Autoren und Verlag danken den folgenden Sponsoren für die Förderung der Publikation:

Hightex GmbH Nordstraße 10 83253 Rimsting (D) T +49 8051 6888-0 F +49 8051 6888-290 [email protected] www.hightexworld.com

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