Innovative Gebäudehüllen Eigenschaften von ETFE
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Bautechnik Innovative Gebäudehüllen Eigenschaften von ­ETFE-Folienkissen Foto: Vector Foiltec, Werner Huthmacher Dr. Stefan Lehnert, Bremen Durch die Dehnfähigkeit der ETFE-Folienkissen konnte das Tragwerk des Water Cube in Peking erdbebensicher konstruiert werden Seit drei Jahrzehnten begegnet uns ETFE im Kontext von Gebäudehüllen. Das Material hat sich längst als hochwertiger Baustoff für Dächer und Fassaden bewährt und ist für viele Architekten aus dem Planungsalltag nicht mehr wegzudenken. Denn Folien und Kissen aus ETFE eröffnen vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten. Das innovative und leichte Material setzt Planern kaum Grenzen bei der Ausformung ihrer Designideen. Ein bekanntes Beispiel für eine Gebäudehülle aus ETFE-Folienkissen ist der Water Cube in Peking. Das Gebäude des Architekturbüros PWT sorgte für Aufsehen durch die wabenförmige Außenhülle und eine Spannweite der Dachkonstruktion von über 100 m. Ein gewichtiges Argument für den Einsatz von ETFE bei diesem Projekt war – neben Transparenz und geringem Gewicht – die Dehnfähigkeit des Materials. Um Erd­beben standhalten zu können, ist das ungleichför62 4951–4 mige Tragwerk elastisch verformbar gestaltet. Die 100 000 m² ETFE-Folienkissen, die die wabenförmigen Ausfachungen von Dach und Fassade füllen, können auf die Verformung des Tragwerks reagieren, ohne Schaden zu nehmen. Zudem hat die Doppelfassade mit Wärmedurchgangswerten von weniger als ­­ 0,6 W/2K ausgezeichnete Dämm­eigenschaften. Gleichzeitig können die Kissen in unterschiedlichen Farben beleuchtet werden oder als Projektionsfläche für Videos dienen. Aufgrund der Transparenz der Fassade lässt sich das einfallende Sonnenlicht ­zusätzlich zur passiven Energiegewinnung nutzen. Der leichte und äußerst widerstandsfähige Baustoff ermöglicht Konstruktionen, die mit anderen Materialien nicht zu verwirklichen wären. Mit 150 m Höhe ist das Khan Shatyr Entertainment Center in Astana das größte Zelt der Welt. Vor den vorherrschenden extremen Klimabedingungen von bis zu -50 °C im Winter bis +40 °C im Sommer schützt eine Fassade aus dreilagigen ETFE-Folienkissen. Der hohe Wärmedurchgangswiderstand des Materials verhindert effizient hohe Energieverluste. Ein Seilnetz bildet die Unterkonstruktion und nimmt die Windlasten auf. Die errechneten Bewegungen des Seilnetzes von +/- 1 m kann die flexible Hülle aus ETFE-Kissen problemlos ausgleichen. Auch die riesigen Schneelasten von bis zu 700 kg/m2 verkraften Konstruktion und Material spielend. Weil sich mit ETFE-Folienkissen leichte Tragwerkskonstruktionen verwirklichen lassen, eignen sie sich auch hervorragend zur Überdachung großer Flächen wie bspw. von Atrien. So überspannt die mehrgeschossige Halle des 2012 fertiggestellten Neuen Gymnasiums Bochum von Hascher Jehle Architektur ein transparentes Dach aus Folienkissen. Das gut 1 000 m² große ETFE-Dach sorgt einerseits für eine ausreichende Belichtung der Halle, andererseits stellt es den geforderten Wärme- und Witterungsschutz sicher. Darüber hinaus sorgt die geringe Nachhallzeit des Raumes aufgrund der Eigenschaften der ETFE-Folienkissen für ein angeneh­mes akustisches Klima im Atrium. Bei Sanierungsmaßnahmen können Planer mit solchen Innenhofüberdachungen zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen: Die Außenwände der an den Hof grenzenden Bestandsbebauung müssen energetisch nicht mehr ertüchtigt werden, gleichzeitig erhöht sich die Nutzfläche markant. Leicht und effizient ETFE-Folienkissen sind sehr leicht, sie haben nur etwa 1 % des Gewichts herkömmlicher Materialien mit vergleichbaren Eigenschaften. Für die Statik des Gebäudes und das Foto: Stadt Bochum, Presse- & Informationsamt, ©Lutz Leitmann Foto: Vector Foiltec Mit 150 m Höhe das größte Zelt der Welt: ETFE-Folienkissen schützen das Khan Shatyr Entertainment Center in Astana vor extremer Witterung DBZ 4 | 2015 DBZ.de werden im Werk entweder nach Werkplänen oder Aufmaß exakt vorgefertigt. Selbst die Ausfräsungen für die Abdichtungen werden vor der Montage in die Aufnahmeprofile eingearbeitet. Die Kissen sind faltbar und lassen sich platzsparend transportieren. Auch die Rahmenprofile erleichtern Transport und Logistik: Sie werden als vorgefertigtes Steck­ system für die Montage geliefert. Vor Ort kümmern sich spezialisierte Montage-Teams um den Einbau und den Anschluss der Kissen an die Luftversorgung sowie sämt­ liche Funktionsprüfungen. Bauwerken sind sie deshalb der optimale Baustoff. Nicht zuletzt auch, weil die bakterizide Wirkung von UV-Strahlen den Verzicht auf Pestizide im Gebäude ermöglichen. Durch Zugabe von speziellen Pigmenten lassen sich die Folien einfach einfärben. Jede einzelne Lage eines Folienkissens kann mit anderen Transparenz- oder Reflexionsfähigkeiten ausgestattet werden. Gleichzeitig ermöglicht die hohe Lichtdurchlässigkeit die Nutzung solarer Gewinne. Auf der Baustelle verkürzt der hohe Vorfertigungsgrad die Montage erheblich: Aufnahmeprofile, Kissen und Befestigungselemente Foto: Vector Foiltec Tragwerk von Dach und Fassade ergeben sich daraus bedeutende Vorteile: Die Tragkonstruktionen müssen viel weniger Last aufnehmen und können leichter dimensioniert werden. Weil sich ETFE-Kissen ohne negative Folgen für die Konstruktion beträchtlich verformen können, absorbieren sie Bewegun­ gen. Deshalb müssen die Bauteile des primä­ ren Tragwerks nicht so starr sein, was eine noch leichtere Konstruktion erlaubt. Zudem ist die mögliche Spannweite der Folienkissen bspw. gegenüber Glas um ein Vielfaches größer. Die ETFE-Module spannen oft weit genug, um sie direkt an das primäre Tragwerk anschließen zu können. Auf eine Sekundärkonstruktion kann dann verzichtet werden. Gleichzeitig dämpfen und absorbieren ­ETFE-Kissensysteme Windeinflüsse. Weil Bewegungen aus Laständerungen in der Konstruktion bzw. durch klimatische Einflüsse von der gesamten dehnfähigen Oberfläche aufgenommen werden und sich nicht auf die Kissenkanten konzentrieren, sind herkömmliche Bewegungsfugen seltener oder gar nicht erforderlich. Mit ETFE-Kissen ist ein energieeffizienter und gleichzeitig differenzierter Systemaufbau möglich. Denn ihren Wärmedurchgangswiderstand bestimmen Anzahl und technische Eigenschaften der durch Luftschichten getrennten Folienlagen. Sind besonders hohe Anforderungen an den Wärmeschutz gefragt, können die Aufnahmerahmen der Kissen speziell isoliert und thermisch getrennt werden. Damit lassen sich für das gesamte System ­U-Werte bis 0,6 W/m2K erreichen. Folienkissen aus ETFE haben eine sehr hohe Licht- und UV-Durchlässigkeit. Für Gebäudehüllen von Gewächshäusern, zoologischen Gärten oder ähnlichen lichtintensiven Innenhof-Überdachung des Neuen Gymnasiums Bochum: transparent und ­klimaeffizient Atrien lassen sich mit ETFE-Folienkissen ideal überdachen: Das Material ist leicht, ermöglicht große Spannweiten und benötigt nur geringe Eingriffe in die vorhandene Bausubstanz Dauerhaft, sicher und wartungsarm Folienkissen aus ETFE bestehen aus mehreren luftgefüllten Folienlagen, die in Aluminium-Rahmenprofile eingespannt werden. Im Inneren der Kissen hält ein vollautomatisches Niederdrucksystem einen konstanten Überdruck von etwa 200 – 600Pa. Das entspricht nur etwa 0,2 – 0,6 % des Luftdrucks in einem Autoreifen, reicht aber aus, um die Spannung der Kissen gegen äußere Lasten wie Wind und Schnee aufrecht zu erhalten. Einmal mit der entsprechenden Luftmenge gefüllt, muss das System nur noch für Ausgleich sorgen, wenn sich Druckänderungen in den Kissen einstellen. Diese können bspw. durch Temperaturschwankungen entstehen. Mit einer Leistungsaufnahme von zirka 60 W pro 1 000 m² Kissenfläche arbeitet das Niederdrucksystem sehr energieeffizient. ETFE-Kissen für Dächer werden in der Regel so dimensioniert, dass sie eine Druckbelastung von 300 kg/m2 aufnehmen können. Höhere Schneelasten lassen sich mit Seilnetzen unter den Kissen abfangen. Auch eine temporäre Erhöhung des Luftdrucks in den Kissen erhöht die Sicherheit gegen Schnee63 Bautechnik | ETFE-Folienkissen 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Abb.: Vector Foiltec 11 12 1 Randblech, Aluminium oder PVC-Folienverbundblech 2 Kondensatröhrchen, Aluminium 3 Vogelabwehrstütze 4 Texlonprofil F16, Deckel, eloxiert 5 Hammerkopfschraube 6 Texlonfolienkissen, 3-lagig 7 Kissenventil 8 Luftversorgungswinkel, Aluminium 9 PVC-Rohr 10 T-Aufständerung, Stahl 11 Flexschlauch 12 Stahltragwerk, Stahl Foto: Vector Foiltec 1 ETFE-Folienmaterial ist äußerst tragfähig und widersteht hohen punktuellen Lasten Traufschnitt auf Stahl, Stahl,M Anschlussdetail mit Druckluftversorgung, M 1:7,5 Traufschnitt auf 1 : 7,5 last. ETFE ist hochelastisch, es kann sich um bis zu 400 % dehnen, bevor es versagt. Das macht die sehr dünnen Folien der Kissensys­ teme deutlich widerstandsfähiger gegen äußere Einflüsse als Fassadensysteme aus Holz, Stahl oder Aluminium. Gleichzeitig hat ETFE eine vorbildliche Umweltbilanz. Seine Herstellung verbraucht nur einen Bruchteil der Energie vergleichbarer Materialien. Als eine der stabilsten chemischen Verbindungen ist ETFE sehr temperaturbeständig und sehr widerstandsfähig gegen Umwelteinflüsse. Weil das Material kurzwellige UVStrahlung kaum absorbiert, versprödet es nicht. In Verbindung mit der sehr guten UVBeständigkeit ist es deshalb sehr langlebig. Weil die Oberflächen der Folienkissen extrem glatt sind, haften Verschmutzungen nicht am Material. Eine Innenreinigung ist fünf bis zehn Mal seltener nötig als bei klassischen transparenten Materialien. Bei Regen reinigt sich die äußere Oberfläche selbst, und in sandigen oder staubigen Umgebungen ver- hindert die niedrige Oberflächenspannung der ETFE-Kissen, dass Schmutz und Staub auf der Oberfläche haften. Gleichzeitig zeigt sich das Material resis­tent gegen Beschädigungen, denn mit Luftdruck vorgespannte ETFE-Folien verfestigen sich durch die Zugbeanspruchung. Scharfe Gegenstände können das Material zwar durchdringen, seine hohe Weiterreißfestigkeit verhindert jedoch, dass aus einem Loch ein Riss wird. Bei mehrlagigen Kissen dichten sich Beschädigungen automatisch ab: Ist die äußere Schicht durchstoßen, wird die mittlere Folienlage durch den Luftdruck in der unteren Kammer an die oberste Folienlage gepresst und schließt das Loch von innen. Weil jedes Kissen separat an die Luftversorgung angeschlossen ist, bleibt der Schaden lokal begrenzt und die Funktion des Gebäudes bleibt erhalten. Für kleine Schäden gibt es einen Reparatursatz, die Kissen können vor Ort repariert werden. Und auch beim Brandschutz können ETFEKissensysteme punkten: Sie sind schwer ent- flammbar, selbstverlöschend und tropfen auch nicht brennend ab. Zwischen 200 °C und 250 °C verliert das Material seine Konsistenz und löst sich nahezu vollständig auf. Nicht verbrannte, herabfallende Folienreste sind wegen ihres geringen Gewichts völlig ungefährlich. Zudem können Feuer, Rauch und heiße Gase durch die entstehende Öffnung in Dach oder Fassade nach oben entweichen. Das verhindert einen Hitzestau, der Funkenüberschlag, Explosionen oder das Versagen der primären Tragkonstruktion verursachen kann. Stahltragwerke verlieren so nicht ihre Festigkeit. Zum Abführen kalten Rauchs können in das Kissensystem elektrisch oder pneumatisch gesteuerte mechanische Öffnungselemente eingesetzt werden. Ein weiterer Sicherheitsaspekt ist die hohe Resistenz der Folienkissen gegen Winddruck. Weil das Material sehr dehnfähig ist und damit viel Energie aufnehmen kann ohne Schaden zu nehmen, widersteht es sogar Stürmen in Hurricane-Stärke. 57,52 51,77 ­ ­ 46,02 28,76 23,01 17,26 5,75 0,00 0,0 271,8 Dehnung [%] 543,7 Abb. Vector Foiltec 11,50 Spannungs-Dehnungsdiagramm für 5 Proben einer typischen (hier bedruckten) 250 μm Nowofol ETFE-Folie. Der Lastbereich im Projekt liegt – abhängig von der Geometrie – bei ca. 3 % Dehnung, der relevante Bereich im SpannungsDehnungs-Diagramm entsprechend unterhalb von 10 % 64 34,51 ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ ­ Auszug der dazu gehörigen Tabelle mit den Meßwerten. Rm ist die Bruchspannung in N/mm², A (Fm) ist die Bruchdehnung in % Abb. Vector Foiltec Spannung [N/mm²] 40,27 Der Gestaltungsprozess Für den optimalen Planungsablauf eines ­ETFE-Projekts – auch um die speziellen Ma­ terialeigenschaften in die Gestaltung einfließen zu lassen – sollten Planer möglichst früh ­ETFE-Spezialisten einbeziehen. Gemeinsam wird dann iterativ die optimale Lösung entwickelt. In einer Grobplanung wird zu Beginn ermittelt, unter welchen gestalterischen und technischen Randbedingungen die archi­ tektonische Idee umgesetzt werden kann. Während der anschließenden Feinplanung entwickelt das Team aus Architekten, ETFEFachleuten und Statikern die endgültige Lösung für Hülle und Tragwerk. Unter Berücksichtigung von Form, Funktion und Effizienz entstehen so maßgeschneiderte und technisch innovative Gebäudehüllen. Bei Form und Größe der ETFE-Kissen haben Planer einen sehr großen Gestaltungsspielraum. Der mehrlagige Aufbau der Kissensysteme bietet Architekten viele Optionen bei der Ausformung von Beschattungseigenschaften, Transparenz und optischer Erscheinung der Gebäudehülle. ETFE-Folien können mit unterschiedlichsten grafischen Mustern aus transluzenten oder opaken Pigmenten DBZ 4 | 2015 DBZ.de nungsbereiche sind so einfach machbar. Weil die leichte Konstruktion nur geringe Anforderungen an die primäre Gebäudestatik stellt, eignen sich ETFE-Systeme auch sehr gut für Bauaufgaben im Bestand und bei Sanie­ rungs­maßnahmen. Dort können Bedachun­ gen und Fassaden mit minimalinvasiven Maßnahmen an die vorhandene Bausubstanz angefügt bzw. erneuert werden. Die Nutzung und die energetische Effizienz lassen sich damit schnell und mit wenig planerischem Aufwand deutlich verbessern. Damit überzeugt der Baustoff nicht nur in gestalterischer Hinsicht. Im Hinblick auf eine nachhaltige Planung von Gebäuden haben ETFE-Kissen aufgrund ihrer technischen und ökologischen Eigenschaften gewichtige Vorteile gegenüber Baustoffen mit vergleichbaren Eigenschaften. Unterstrichen wird dies durch eine Umweltproduktdeklaration (EPD) für transparente Gebäudehüllen, der insbesondere im Zertifizierungsprozess für die Nachhaltigkeit von Bauwerken eine große Bedeutung zukommt. bedruckt und so gestaltet werden, dass sie Licht-, Farb- und Bildprojektionen reflektieren. Mit UV- und IR-Filtern lässt sich das Lichtspektrum selektiv ins Gebäude leiten oder reflektieren. Spezielle Bedruckungen oder Beschichtungen stellen die Folien auf bestimmte Wellenlängen des Sonnenlichts ein. Ergänzend dazu lassen sich überlappen­ de, auf verschiedenen Folienlagen des Kissens aufgebrachte Rastergrafiken durch Ändern des Luftdrucks zwischen den einzelnen Folienlagen relativ zueinander verlagern. Damit wird ein optisches und energetisches Steuern der Gebäudehülle möglich. In die oberste Kissenlage ist auch die Integration von Solarzellen möglich. Aufgrund des geringen Gewichts können sehr große Lüftungsöffnungen in Dach oder Fassade eingebaut werden. Vollkommen ­neuartige Bewegungsmechanismen für Öff Autor Dr. Stefan Lehnert Die hohe Durchlässigkeit von ETFE-Folien für das gesamte solare Spektrum ist optimal für alle ­Nutzungen, die viel Tageslicht benötigen. Speziell die Transparenz des Materials im kurzwelligen Bereich (UV-A und UV-B Bereich, unter 380 nm Wellenlänge) wirkt sich sowohl positiv auf alle Photosynthesevorgänge als auch auf die Vitamin D-Bildung (UV-B) im menschlichen Organismus aus. Zusätzlich wird durch die UV-Strahlung die Keimbildung reduziert. Das Material selber absorbiert die Strahlen nicht, so dass keine UV-bedingten Alterungserscheinungen auftreten Abb. Vector Foiltec Foto: Vector Foiltec, Andreas Braun Sonnenschutz im Kissen: Wird der Druck in der oberen Luftkammer erhöht, verlagern sich die bedruckten Folien: es fällt mehr Licht ins Gebäude. Wird der Druck in der unteren Kammer erhöht, kommen die Rastergrafiken zur Deckung, der Lichteinfall verringert sich ...System geschlossen, die Rastergrafiken kommen zur Deckung Abb.: Vector Foiltec Foto: Vector Foiltec, Andreas Braun Sonnenschutz: System offen,... studierte Maschinenbau und Betriebswirtschaftslehre. Nach seiner Promotion und einer Lehrtätigkeit an der Universität Braunschweig gründete er in den frühen 1980erJahren mit Partnern Vector Foiltec. Seit 2002 ist er Geschäftsführer des Unternehmens. Dr. Lehnert beschäftigt sich seit über 30 Jahren mit der Weiterentwicklung von ETFE-Systemen. Er gilt als einer der Wegbereiter für die Anwendung von ETFE im Bausektor. Mehr Informationen: www.vector-foiltec.com 65
