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Leicht gedacht
Membranbau

Der Membranbau entwickelte sich in den vergangenen Jahren zu einer Bauweise, die von Planern mehr und mehr gleichberechtigt zu Holz-, Stahl-, Glas- und Massivbau eingesetzt wird. Dabei hat sich das Anwendungsspektrum durch neue Materialien deutlich erweitert – neben großflächigen Überdachungen und mobilen Konstruktionen werden Membrane immer häufiger auch als Fassadenelement in der Gebäudehülle eingesetzt. Mit Neubauten wie etwa der Allianz Arena in München gerät diese Entwicklung verstärkt in den Blickpunkt des Interesses.

Membrane construction has developed in recent years to a building method increasingly competitive with timber, steel, glass and masonry construction. Besides the roofing over of large areas and in mobile structures, membranes are increasingly being employed as façade elements. With the new Allianz-Arena in Munich this development has drawn strong public interest.

Die Verwendung dünner, weicher und flächiger Elemente als Umhüllung gebauten Raumes ist eine der ältesten Anwendungen in der traditionellen Architektur überhaupt. Die Hirten- und Nomadenvölker in Asien und Nordafrika und die Indianerstämme Nord- und Südamerikas lebten fast ausschließlich in Zelten, die durch die Möglichkeit des schnellen Auf- und Abbaus ihrer nomadisierenden Lebensweise entsprachen. Einige dieser frühen Zelttypen finden bis in die heutige Zeit Verwendung, so zum Beispiel der Urtyp des kegelförmigen Stangenzeltes, dessen Grundprinzip sowohl im bekannten Tipi der nordamerikanischen Prärieindianer als auch in den Behausungen sibirischer Jäger und Viehzüchter zu finden ist, oder die tonnen- oder kuppelartig geformten Zelte der Nomaden Zentralasiens, wie beispielsweise das Kutuk oder die Jurte. Bei beiden bedeckt eine weiche Hülle, bestehend etwa aus Filzdecken, Pflanzenmatten oder Rutenbündeln, ein darunter liegendes in sich stabiles Stabwerk aus Holz. Im Gegensatz zu diesen Beispielen sind die Zeltkonstruktionen der nordafrikanischen Beduinen oder tibetischen Nomaden stark durch die Knappheit des Baustoffes Holz geprägt. Stützstangen, Abspannungen und eine textile Membran bilden hier ein Gesamtsystem, bei dem die Hülle als ein Teil des Primärtragwerks zur Gesamtstabilität beiträgt.

Ebenfalls eine lange Tradition hat die Nutzung einfacher Segel als wandelbarer Sonnenschutz. In Spanien finden die so genannten Toldos seit Jahrhunderten Anwendung, sie tauchen in verwandter Form auch in Marokko, Ägypten, Syrien, der Türkei, Mittelamerika und Japan auf. Die Sonnensegel der Antike, die Vela, wurden über fast 600 Jahre hinweg als Sonnenschutz für Theater, Amphitheater und Stadien verwendet. Sie bestanden aus einer Stangenkonstruktion mit biegesteifen, gelenkig gelagerten Holzträgern, die über senkrecht stehenden Holzmasten nach oben abgespannt wurden. Entlang der Holzstangen wurden parallel raffbare Membranen aus textilem Material geführt.
Der Schirm stellt eine besondere Art des Membranbaus dar und ist wahrscheinlich die älteste Form eines wandelbaren und mobilen Daches kleiner Spannweite. Sein Konstruktionsprinzip von druckbeanspruchten Stäben, die an einem Mittelstab starr oder gelenkig befestigt eine zugbeanspruchte Membran aufspannen, blieb über die Jahrhunderte fast unverändert.
Aus diesen Grundtypen der Membranbauten der Vergangenheit hat sich eine Vielzahl von neuen Konstruktionsformen und Nutzungen im modernen, ingenieurmäßig konstruierten Membranbau entwickelt. Neue Möglichkeiten der Ingenieurwissenschaften des 20. Jahrhunderts, die Entwicklung zusätzlicher hochfester Membranwerkstoffe und eine langjährige Forschungsarbeit im Membranbau haben einen großen qualitativen Wandel bewirkt, der sich vor allem in der Realisierung einer Vielzahl beeindruckender Bauten mittlerer und großer Spannweiten widerspiegelt.
Konstruktionsprinzipien Membrane besitzen keine oder eine sehr geringe Biegesteifigkeit und eine nahezu vernachlässigbare Schubsteifigkeit. Sie sind rein zugbeanspruchte Tragelemente, die sich bei Belastungen, die nicht in Richtung der Fläche angreifen, affin zur Beanspruchung verformen. Ebene oder einfach gekrümmte Membranflächen (Bild 2a und b) unterliegen bei Belastungen großen Verformungen und erzeugen hohe Auflagerkräfte. Durch Windlasten werden zusätzlich Schwingungen und schlagartiges Durchschlagen verursacht, was zu einer starken Geräuschbildung und somit zu eingeschränkten Gebrauchseigenschaften führt. Eine Stabilisierung dieser Flächen durch Vorspannung erfordert enorm große Kräfte, die das Membranmaterial und die weitere Tragkonstruktion hoch beanspruchen. Die Spannweiten solcher Membranflächen sind daher begrenzt. Ebene und einfach gekrümmte Membranflächen finden deshalb nur Anwendung bei Bauten mit einem engen Konstruktionsraster und reduzierten Anforderungen an die Gebrauchseigenschaften wie zum Beispiel bei Industrie- und Festzelten. Das Potenzial der Membranbauweise besteht aber vor allem in der Realisierung weit gespannter Konstruktionen mit minimalem Flächengewicht und einer großen Formenvielfalt. Hierfür ist eine Stabilisierung der Flächen durch eine doppelte Krümmung in Verbindung mit einer mechanischen oder pneumatischen (mittels Druckdifferenz) Vorspannung notwendig. Die Formen der Flächen lassen sich nicht einfach geometrisch definieren, sondern ergeben sich aus dem Gleichgewicht der Vorspannkräfte. Ihre endgültige Form im vorgespannten Zustand ist ein Resultat experimenteller oder rechnerischer Formfindungsmethoden. Antiklastisch, das heißt gegensinnig doppelt gekrümmte Flächen (Bild 2c) entstehen durch mechanisches Vorspannen, synklastisch, also gleichsinnig gekrümmte Flächen (Bild 2d) durch pneumatisches Vorspannen.
Form- und Materialwahl Aus technischer Sicht sind heute Entwurf, Planung und Ausführung von Membrankonstruktionen nicht schwieriger als für andere Konstruktionen aus herkömmlichen Baustoffen wie Holz, Stahl oder Stahlbeton, sondern lediglich anders. Die Besonderheiten des Formfindungsprozesses, die (für die Konstruktionsweise typischen) großen Verformungen und die materialgerechte Montage müssen frühzeitig in Entwurfs-, Tragwerks- und Detailplanung berücksichtigt werden. Eine kontinuierliche Zusammenarbeit aller Projektbeteiligten ist daher noch wichtiger als bei anderen Konstruktionsweisen.
Ein grundlegendes Problem, insbesondere für den nicht mit der Bauweise vertrauten Entwerfer, ist das Fehlen spezifischer Normen für den Membranbau. Das vorhandene und zum Teil noch immer genutzte Regelwerk ist veraltet und spiegelt in keiner Weise den technologischen Fortschritt der Bauweise und den Stand der wissenschaftlichen Erkenntnisse wieder. Das führt in vielen Fällen zu einer starken Abhängigkeit des Entwerfers von Genehmigungsbehörden und einem kleinen Kreis von Fachplanern und ausführenden Firmen mit entsprechenden Erfahrungen aus der Praxis. In diesem Sinne wäre es hilfreich, wenn das vorhandene Wissen von Hochschulen und Forschungseinrichtungen stärker gesammelt, ergänzt und gelehrt werden würde, um den gegebenen technischen Möglichkeiten gerecht zu werden und einem breitem Feld von Anwendern zugänglich zu machen. Bei den Materialien wäre eine Qualitätssicherung der Materialkennwerte seitens der Hersteller durch Eigen- und Fremdüberwachung wünschenswert, die die zeitraubende Materialprüfung während des Planungsprozesses erübrigen und dem Planer frühzeitig die notwendigen materialgerechten Entscheidungsmöglichkeiten geben würde [1].
Membranmaterialien Die Entwicklung der Kunststofftechnologie, insbesondere im Bereich der Verbundwerkstoffe, hat den modernen Membranbau seit Mitte des 20. Jahrhunderts stark beeinflusst. Mittlerweile stehen dem Planer eine ganze Vielzahl leistungsfähiger Materialien mit den unterschiedlichsten Eigenschaften zur Verfügung [2, 3]. Die im modernen Membranbau verwendeten Materialien lassen sich in die Gruppen der Gewebemembranen und der Folien unterscheiden.
Gewebemembranen
Die verschiedenen unbeschichteten und beschichteten Gewebemembranen besitzen durch die unterschiedlichen Steifigkeiten der beiden Fadenrichtungen des Gewebes ein ausgeprägtes anisotropes Materialverhalten. Die am häufigsten eingesetzten Materialien sind PVC (Polyvinylchlorid)-beschichtete Polyestergewebe und PTFE(Polytetrafluorethylen)-beschichtete Glasfasergewebe.
Bei diesen Verbundwerkstoffen (Bild 3a ) übernimmt das Gewebe aus hochfesten Fasern die Funktion der Lastabtragung, die Beschichtungen schützen das Gewebe vor mechanischen, chemischen und biologischen Beschädigungen, gewährleisten die erforderliche Dichtigkeit gegen Feuchtigkeit und Luft und bestimmen die Transparenz des Materials.
Folien
Bei Folien müssen alle diese Funktionen durch einen einzigen Werkstoff übernommen werden (Bild 3b). Folien sind weitgehend isotrope Materialien, die im Gegensatz zu den Gewebemembranen in alle Richtungen dieselben mechanischen Eigenschaften aufweisen. Das derzeit am häufigsten eingesetzte Material, die ETFE (Ethylentetrafluorethylen)-Folie, ist ein thermoplastischer Kunststoff, der neben der hohen Transparenz, einer hohen chemischen Beständigkeit und einer für pneumatische Anwendungen ausreichenden Gasdichtigkeit den Vorteil einer nahezu vollständigen Recycelbarkeit bietet. Eine weitere Besonderheit des Materials ist die weitgehende UV-Durchlässigkeit, die in den 70er Jahren anfangs vor allem bei Gewächshäusern zum Einsatz führte. Die Tragfähigkeit der ETFE-Folie ist mit 1,50 m bei mechanisch vorgespannten Konstruktionen und circa 4 – 7 m bei pneumatischen Anwendungen (in Abhängigkeit von der Kissenform) im Vergleich zu den üblichen Gewebemembranen wesentlich geringer.
Mobile und temporäre Bauten Membrankonstruktionen dienen heutzutage als mobile und temporäre Bauten mit unterschiedlichsten Nutzungen, Standzeiten und Aufstellorten. Die textilen Baustoffe werden dabei sowohl als einfache Hülle eines steifen Tragwerks, als auch als mechanisch oder pneumatisch vorgespannte Tragelemente eingesetzt. Die Vielfalt der vorhandenen Lösungen reicht von membranbedeckten einfachen Stabwerken mit Spannweiten von nur wenigen Metern bis hin zu weit gespannten Rahmen- oder Bogenhallen von über 50 m Spannweite.
Vorwiegend werden sehr einfache und vielfach bewährte Konstruktionssysteme wie zum Beispiel das traditionelle Chapiteau benutzt (Bild 6). Die seit 150 Jahren fast unveränderte Konstruktion besteht aus zwei oder mehreren Hauptmasten, die durch Seilverspannungen und Abspannungen gesichert sind und die Dachmembran stützen. Die Membranfläche ist in mehrere Bereiche mit antiklastischer Krümmung geteilt und nach außen über Sturm- und Rondellstangen abgespannt, während die Seitenwände aus ebenen beziehungsweise einfach gekrümmten Flächen gebildet sind.
Die heute meist verwendeten standardisierten Typen überdachen Grundflächen von 2000 bis 3000 m². Aufgrund ihrer hohen Knickbeständigkeit und des geringen Materialpreises werden für mobile und temporäre Bauten vorwiegend PVC-beschichtete Polyestergewebe als Membranmaterial verwendet.
Weit gespannte Dächer Für die weitgehend stützenfreie Überdachung großer Veranstaltungsbauten gehören Membrane im Zusammenspiel mit filigranen Mast-, Seil und Bogenkonstruktionen mittlerweile zu Standardlösungen, wie die Vielzahl der weltweit in den letzten Jahren realisierten Projekte zeigt. Auch in Deutschland entstanden und entstehen noch in Vorbereitung auf die Fußballweltmeisterschaft eine ganze Reihe neuer Multifunktionsarenen mit Membrandächern, wie zum Beispiel die Arena auf Schalke in Gelsenkirchen oder die AOL Arena in Hamburg. Bestehende Veranstaltungsstätten wurden neu konzipiert und erhalten innerhalb des Umbaus ebenfalls Teilüberdachungen aus Membranen, beispielsweise das Olympiastadion in Berlin oder das Niedersachsenstadion in Hannover.
Ein weiteres interessantes Anwendungsgebiet für weit gespannte, einlagige Membrankonstruktionen sind großflächige Schutzdächer im Industriebereich, wie beispielsweise der Carport des Amts für Abfallwirtschaft (Bild 5) und die Überdachung des Rundmischbetts der Märker Zementwerke (Bild 4), die für eine wirtschaftliche, funktionale und elegante Industriearchitektur stehen.
Meist wird für diese Membrandächer PTFE-beschichtetes Glasfasergewebe aufgrund seiner Nichtbrennbarkeit, Langlebigkeit und seiner selbstreinigenden Oberfläche verwendet. Die deutlich höheren Materialkosten, die geringere Knickbeständigkeit und der daraus resultierende höhere Zeitaufwand bei Konfektion, Transport und Montage wirken sich jedoch gegenüber den PVC-beschichteten Polyestergeweben nachteilig aus.
Wandelbare Dächer Grundsätzlich eignen sich Membrane aufgrund ihres geringen Gewichts insbesondere für wandelbare Konstruktionen, die durch eine reversible Bewegung Form und Funktion verändern können. 1997 entstand mit der Überdachung des Center Court am Rothenbaum in Hamburg das derzeit größte bewegliche textile Dach der Welt mit einer Fläche von 3000 m² (Bild 10), eine Weiterentwicklung der 1990 realisierten zentral raffbaren Überdachung der Stierkampfarena von Zaragossa. Beide Dachtragwerke nutzen als Stützkonstruktion für die Membran das Prinzip des Speichenrades, bei dem ein druckbeanspruchter Außenring durch ein radiales System von Zugseilen gegen zwei Ringseile vorgespannt wird [4]. Bei der neuen Überdachung des Waldstadions in Frankfurt am Main wird mit diesem Konstruktionsprinzip erstmals eine nahezu rechteckige Dachfläche realisiert [5]
Fassadenkonstruktionen – Klimahüllen Ein Beispiel für den großflächigen Einsatz von Membranen in einer vertikalen Fassade eines permanenten Bauwerks ist das Hotel Burj al Arab in Dubai (Bild 9). Die doppellagige, mechanisch vorgespannte Konstruktion aus PTFE-beschichtetem Glasfasergewebe spannt über eine Fassadenfläche von 7500 m² und dient als Witterungs- und Sonnenschutz für das Atrium des Gebäudes.
ETFE-Folien bieten durch ihre hohe Transparenz neue Möglichkeiten für kleinteiligere modulare Dach- und Fassadensysteme. Ein Beispiel ist die Hoffassade des 2004 realisierten Geronteczentrum in Bad Tölz (Bild 8), deren einlagige, mechanisch vorgespannte Konstruktion die Erschließungszone des Gebäudes vor Witterungseinflüssen schützt und einen Zwischentemperaturbereich bildet.
Bisher wurden ETFE-Folien vor allem für Gebäudehüllen aus pneumatischen Kissen verwendet, so zum Beispiel in Großbritannien mit zwei wegweisenden Bauwerken: die mit sechseckigen Folienkissen eingedeckten Stabwerkskuppeln des Eden Project und die aus übereinander liegenden rechteckigen Folienkissen bestehende Fassade des Raketenturms des National Space Science Centre in Leicester.
In Zürich entstand mit dem Masola-Regenwaldhaus eine Dachkonstruktion mit langgestreckten rechteckigen Pneus von bis zu 106 m Länge und 4 m Breite.
In Deutschland wird derzeit ein weiteres spektakuläres Bauwerk, die Allianz Arena in München, mit einer pneumatischen Kissenkonstruktion als Witterungsschutz errichtet. Diese umhüllt Dach und Fassade mit insgesamt 2784 rautenförmigen Kissen mit einer maximalen Länge von bis zu 14 m [6]. Im Bereich der Lagerung der Kissen wurden eine Vielzahl innovativer Detaillösungen entwickelt, die für weitere Bauwerke dieser Bauart beispielgebend sind.
Werden an die Membrankonstruktionen Anforderungen über den reinen Witterungsschutz hinaus gestellt, sind wesentlich komplexere mehrlagige Konstruktionen aus verschiedenen Membranmaterialien eventuell in Kombination mit flexiblen und transluzenten Dämmmaterialien erforderlich. Für die Gebäude des neuen Flug- hafens in Bangkok wurde zur Erfüllung der hohen Anforderungen an Transmission, Reflexion und Absorption von Licht, Wärme und Schall ein spezieller neuartiger, dreilagiger Membranaufbau entwickelt, der als Innenmembran ein Low-e-beschichtetes Glasfasergewebe [3] mit stark schallabsorbierenden Eigenschaften verwendet.
Die dargestellten Beispiele zeigen eindrucksvoll die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten des modernen Membranbaus, dessen Spektrum noch keineswegs erschöpft ist. Dabei können vor allem durch eine weiterführende Forschung in bauphysikalischem Bereich neue zukunftsweisende Lösungen erwartet werden.
C.G.
[1] Eine erste Initiative zur Schaffung eines europäischen Regelwerks ist der mit Hilfe europäischer Fördergelder zusammengestellte »Design Guide for Tensile Surface Structures«. Das Buch wurde im Rahmen eines europäischen Förderprogramms durch das Netzwerk »TensiNet«, einem europaweiten Zusammenschluss von Wissenschaftlern, Planern und ausführenden Firmen im Bereich des Membranbaus, erarbeitet und bietet dem Entwerfer Anregungen und Hilfestellungen bei der Umsetzung von Membranbauten. Forster, Brian, Marijke Mollaert (Hrsg): European Design Guide for Tensile Surface Structures, TensiNet, Brüssel, 2004
[2] Moritz, Karsten: Membranwerkstoffe im Hochbau – Gewebe und Folien, in: Kaltenbach, Frank (Hrsg.): Transluzente Materialien, Institut für Internationale Architektur- Dokumentation, München, 2003
[3] Pudenz, John: Membranmaterialien, in: Koch, Klaus-Michael (Hrsg.): Bauen mit Membranen – der Innovative Werkstoff in der Architektur, Prestel Verlag, München, 2004
[4] Gengnagel, Christoph: Wandelbare Membrandächer, in: Burkhardt, Roland: Kunst-stoffe und freie Formen – Ein Werkbuch, Springer Verlag, Wien, 2004
[5] Göppert, Knut.: Moderne Sportarenen, in: Umrisse – Zeitschrift für Baukultur, 4/2002, Wiesbaden, 2002
[6] Zettlitzer, Walter: Pneumatisches Bauen am Beispiel der Allianz Arena München – Details und Methodik der Planung und Fertigung, in: Burkhardt, Roland: Kunststoffe und freie Formen – Ein Werkbuch, Springer Verlag, Wien, 2004
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