Plusminus unltd. by Sebastian Kron

Impressum Diplomarbeit im Fachbereich Architektur

Sebastian Kron Gerberstrasse 6a 70178 Stuttgart S3bastiankron@gmx.de

Institut f체r Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) Universit채t Stuttgart, Fakult채t I: Architektur und Stadtplanung Professor Dr. Dr. E.H. Werner Sobek Professor Dr. phil. Gerd de Bruyn (IGMA) Betreuer: Dipl. Ing. J체rgen Hennicke (ILEK) PLUSMINUS unltd.

Erklärung Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Diplomarbeit selbständig angefertigt habe. Es wurden nur die in der Arbeit ausdrücklich benannten Quellen und Hilfsmittel benutzt. Wörtlich oder sinngemäß übernommenes Gedankengut habe ich als solches kenntlich gemacht.

Ort, Datum

Unterschrift

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Zusammenfassung Obwohl pneumatische Strukturen, nach einer kurzen Hochzeit Ende der 1970er, aus der Architektur in unseren Breitengraden weitestgehend verschwunden sind, erleben sie in den letzten Jahren durch das vermehrte Aufkommen sogenannter Kissenstrukturen eine kleine Renaissance. Diese, aus einem konventionellen Tragwerk und pneumatisch gestützten Kissen bestehenden Strukturen, zählen zu der Gruppeder Überdrucksystemen. Ist diese Art pneumatischer Systeme, in der Architektur weitestgehend bekannt und erfreut sich einer wieder kehrenden Beliebtheit, stellen unterdruck-stabilisierte Systeme bei den Architekten noch immer eine Rarität dar. Entsprechend fand die Kombination der beiden Ansätze bisher noch weit weniger Beachtung Dabei wurde schon früh vermutet, dass gerade in dieser Kombination erhebliche Vorteile liegen. Dieses näher zu untersuchen und mögliche Potenziale heraus zu stellen, ist Ziel dieser Arbeit. Um diesem gerecht werden zu können und die Hybride bestehend aus Unter- und Überdruck in den Kontext pneumatischer Architektur einordnen zu können, soll zunächst ein Überblick über die Historie, Bedeutung und das konstruktive Prinzip pneumatischer Bauten an sich geschaffen werden. Am Ende der theoretischen Betrachtung werden einige, der während der Bearbeitung entstandenen Systemansätze aufgezeigt und erläutert. Die Durcharbeitung eines konkreteren Entwurfs-Szenarios, bildet den Abschluss der Arbeit, ist jedoch nicht mehr Teil dieser schriftlichen Ausarbeitung. PLUSMINUS unltd.

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Abstract It is due to the increased appearance of cushion structures that pneumatic structures are reliving a small renaissance in recent years, although they had almost disappeared from architecture after their zenith in the late 1970s. This type of bearing structure, made of a conventional supporting frame work and inflated cushions is part of socalled overpressure systems. While pneumatic structures using overpressure systems are well known and vogue due to building types like air halls, systems based on under pressure stabilization seem still to be something of a rarity in architecture. It seems almost logical that the combination of these two approaches received even less attention within the typology of pneumatic constructions. Interesting in this context is that the combination of those two opposing approaches might bare great advantages, a presumption that probably has been existed as long as each of the approaches themselves. The purpose of this work is to analyze this theory and to identify possible potentials. Starting with a short overview of the history, meaning and construction principles of pneumatic constructions it is the goal to classify the pneumatic hybrid structures into the context of pneumatic architecture. To finalize the theoretical reflection certain systematic approaches will be presented and explained in detail. To conclude this work a practical scenario, which will not be part of the actual written composition, will describe the vision for possible adoptions of the pneumatic hybrid structures in the future of architecture. PLUSMINUS unltd.

Inhalt 1.Motivation .......................................................................................................... 11 2.Der Pneu ........................................................................................................... 12 2.1.Die pneumatische Formsprache als eine neue Ausdrucksform ................. 13 3.Klassifikationen und Unterscheidungsmerkmale.................................................... 18 3.1.Klassifikationen nach Minke .................................................................... 19 3.1.1.Art der Druckdifferenz ................................................................. 19 3.1.2.Anzahl der Membranen .............................................................. 19 3.1.3.MaĂ&#x; der Druckdifferenz .............................................................. 21 3.2.Klassifikationen nach Herzog................................................................... 22 3.3.Klassifikationen nach Naumer ................................................................. 24 3.4.Anmerkungen ........................................................................................ 24 4.Einordnung des Systems Plusminus .................................................................... 26 4.1.Der Hybrid ............................................................................................. 26

Inhaltsverzeichnis

4.2.Der pneumatische Hybrid ....................................................................... 27

4.3.Gebaute Beispiele .................................................................................. 30 4.3.1.Floating Theatre ......................................................................... 30 4.3.2.Festo Airtecture.......................................................................... 32 4.3.3.Plusminus Messestand .............................................................. 34 4.3.4.Plusminus Gitterschale ............................................................... 36 4.3.5.Vaccumatics/Deflateables .......................................................... 38 4.4.Anwendung und Erweiterung der bestehenden Klassifikationen ................ 40 4.5.Grundeigenschaften des pneumatischen Hybriden .................................. 44 4.5.1.Vielzelligkeit ................................................................................ 44 4.5.2.Unterdruck als Verbindungsmittel ................................................ 45 4.5.3.Vielschichtigkeit.......................................................................... 46 PLUSMINUS unltd.

5.Material .............................................................................................................. 48 5.1.Beschichtete Gewebe ............................................................................ 49 5.2.Folien..................................................................................................... 50 5.3.Halbzeuge ............................................................................................. 52 5.4.Ausblick ................................................................................................ 52 5.5.Der Hybrid ............................................................................................. 53 6.Wandelbarkeit/Adaptivität .................................................................................... 54 6.1.Anpassung des Luftdruckes ................................................................... 54 6.2.Wandelbarkeit oder geometrische Anpassung ......................................... 55 6.2.1.Mechanische Wandelbarkeit nach Berthold von Schoor............... 56 6.2.2.Pneumatische Wandelbarkeit nach Berthold von Schoor ............. 57 6.2.3.Nutzer bzw. umweltbestimmte geometrische Anpassung ............. 58 6.2.4.Lokale bzw. globale geometrische Anpassung ............................ 58 6.3.Übertragung auf hybride pneumatische Systeme ..................................... 60 6.3.1.Faltenbildung ............................................................................. 60 6.3.2.Elastische Hülle.......................................................................... 62 6.3.3.Wechsel von konkav zu konvex .................................................. 63 6.4.Übertragung der Adaptivität auf die erweiterten Klassifikationen ................ 65 6.5.Ergänzung der Grundeigenschaften ........................................................ 66 7.Bauphysikalische Gesichtspunkte ........................................................................ 68 7.1.Schalldämmung pneumatischer Konstruktionen....................................... 69 7.1.1.Überdrucksysteme ..................................................................... 69 7.1.2.Unterdrucksysteme .................................................................... 72 7.1.3.Der Hybrid ................................................................................. 73 7.2.Wärmedämmung pneumatischer Konstruktionen ..................................... 76 7.2.1.Überdrucksysteme ..................................................................... 76 7.2.2.Unterdrucksysteme .................................................................... 79 7.2.3.Dynamische oder adaptive Ansätze ............................................ 81 PLUSMINUS unltd.

7.3.Der Hybrid ............................................................................................. 83 8.Sicherheit ........................................................................................................... 86 8.1.Redundanz ............................................................................................ 86 8.2.Explosionslastfall .................................................................................... 88 9.Fazit Theorie Teil ................................................................................................. 92 10.Systemansätze ................................................................................................. 96 10.1.Variation des Schichtaufbaues .............................................................. 97 10.2.Kissen im Unterdruckfeld ...................................................................... 98 10.3.Adaptive Elemente plus Füllstoff .......................................................... 100 10.4.Aircoil-System als Öffnungselement .................................................... 102 11.Literaturverzeichniss ........................................................................................ 106 12.Zitatnachweise ............................................................................................... 110 13.Abbildungsverzeichniss ................................................................................... 112

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1.Abb.: Floating Theatre, Osaka Expo 1976, aus Herzog, T. 1970

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Motivation

Mit einer 7 köpfigen studentischen Gruppe des Institutes für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) der Universität Stuttgart, entwarfen bauten und betreuten wir 2007 den Messestand „Plusminus“. Zu diesem Zeitpunkt war mir persönlich weder klar, welch effektives und in der pneumatischen Architektur einzigartiges System wir entwickelten hatten, noch dass dieses Thema mich für den Rest meines Studiums und darüber hinaus beschäftigen würde. Und dennoch war es erst der Anfang eines über 5 Jahre dauernden Weges der nun mit dieser Arbeit, nicht abgeschlossen, sondern in eine neue Phase übergeleitet werden soll.

Systemansatzes der Plusminus Projekte im Kontext der Gesamtheit der pneumatischen Architektur. Wie schon im Abstract beschrieben soll diese Arbeit nicht nur diese Lücke schließen sondern auch neue Türen für weitere Entwicklungen aufstoßen.

Eine besondere Motivation stellt neben meinem Werdegang, das den Systemen zu Grunde liegende Konstruktionsprinzip, welches in seiner Effizienz seines Gleichen sucht. Bei keiner anderen Art von Konstruktionen ist es möglich mit einem Werkstoff zu arbeiten, der scheinbar unbegrenzt und überall verfügbar ist. Luft. Ein Gesichtspunkt der in einer Zeit, die von Begriffen wie Nachhaltigkeit, Ressourcenbewusstheit oder Rezyclierbarkeit bestimmt ist, von entscheidender Bedeutung Dieser Weg führte mich zusammen mit einer im- werden kann und sollte. mer noch 6 köpfigen Gruppe nach dem ersten Erfolg des Messestandes zu der Entwicklung der pneumatischen Gitterschale. Diese war das Ergebnis erster grundsätzlicher Überlegungen über die Potenziale dieser Struktur und einer erfolgreichen Zusammenarbeit der Gruppe Plusminus, der Firma Festo und des ILEK. Hierbei wurde bewiesen, dass in dem System aus Unter- und Überdruckelementen mehr steckt als ein reiner „Eycatcher“. Der nicht ausbleibende Erfolg, bestätigt durch den Gewinn mehrerer Wettbewerbe, bestärkte uns als Gruppe an einer ständigen Weiterentwicklung dieses Systems zu arbeiten. Was lag also näher, als mein Studium mit dem enden zu lassen, was mich die ganze Zeit über begleitete. Hierbei galt es die Lücke zu schließen die in der ständigen eher praktisch orientierten Weiterentwicklungsarbeit, etwas vernachlässigt wurde. So fehlte eine fundierte Betrachtung des PLUSMINUS unltd.

Der Pneu

Theorieteil

Schon zu Beginn des letzten Jahrhunderts kam, mit dem Patent von Friedrich William Lanchester über luftgestützte Zeltkonstruktionen, das Thema der Pneumatik in der Architektur auf. Zu einer ersten intensiven Auseinandersetzung mit der Thematik kam es in den 1950er Jahren, als Frei Otto in Deutschland und Walter Bird in den USA sich unabhängig von einander der Thematik annahmen. Während Bird sich mehr mit der technischen Umsetzbarkeit[1] pneumatischer Ingenieurbauten beschäftigte und hierbei ab 1948[2] unter anderem die ersten Radoms (Abb.5), pneumatisch gestützte Hüllen militärischer Radaranlagen, baute, beschäftigte sich Frei Otto mehr mit den Grundlagen dieser, in der Architektur noch jungen, Konstruktionsart. So wurden im Rahmen verschiedener Forschungsvorhaben an seinem damaligen Institut für leichte Flächentragwerke viele der heute noch gültigen Grundlagen geschaffen. Besondere Beachtung sollte hier der interdisziplinären Betrachtungsweise Frei Ottos geschenkt werden. Der Höhepunkt dieser Arbeitsweise stellt wohl das Symposium von 1973 im damaligen IL dar, welches in der von Architekten und Biologen gemeinsam erarbeiteten Publikation „Pneus in Natur und Technik“ mündete.[3]

Maßgeblich für die Faszination die der Pneu damals wie auch heute noch ausübt ist seine nur schwer zu übertreffende Effizienz. Kaum ein anderes System ist so materialsparend wie das des Pneus. Das Konstruktionsprinzip, welches in einer Skizze von Frei Otto (Abb. 2) schon so einleuchtend beschrieben ist, kann in wenigen Sätzen zusammengefasst werden:

Jeder Pneu besteht lediglich aus einer biegeweichen, rein zugbeanspruchten Haut, welche durch ein sie stützendes Medium, in aller Regel Luft, eine Vorspannung erfährt. Bedingt durch diesen Zustand der Vorspannung, die sich aus den beiden Parametern Druckdifferenz und Krümmungsradius zusammensetzt, ist der Pneu nun in der Lage eine von außen auf ihn einwirkende Last aufzunehmen und die auftretenden Kräfte über seine vorgespannte Haut (Membran) abzuleiten. In diesem Fall wird das zuvor nur stützende Medium zu einem maßgeblichen Konstruktionselement.[4] Häufig wird mit dem Begriff des Pneus nur die durch Überdruck bestimmte und weniger die für diese Arbeit ebenso wichtige durch Unterdruck bestimmte Konstruktion assoziiert. Die zuvor beschriebene Funktionsweise des Pneus liefert je-

Medium

pa Innendruck Füllung p i

2.Abb.:nach Frei Otto

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doch schon einen ersten Anhaltspunkt einer etwas allgemeingültigeren Betrachtungsweise. So kann dieses Prinzip, auch als durch die Druckdifferenz der beiden sie umgebenden Medien, vorgespannte Haut bezeichnet werden. Diese Beschreibung geht von der Tatsache aus, dass nicht der innerhalb der Konstruktion herrschende Druck der Formbestimmende ist, sondern die Druckdifferenz der beiden Medien. Das konstruktive Prinzip der pneumatisch vorgespannten, zugebeanspruchten Hülle, ist somit sowohl für die Überdruck-, als auch für die Unterdrucksysteme gültig.[5] Die dennoch bestehenden Unterschiede der beiden Systeme, in ihrer gestalterischen und technischen Ausprägung, sollen in dieser Arbeit herausgearbeitet sowie gegenübergestellt werden und so zu einem prinzipiellen Verständnis hybrider pneumatischer Systeme führen.

5.Abb.: Walter Bird auf dem 1948 errichteten ersten Radome

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2.1. Die pneumatische Formsprache als eine neue Ausdrucksform Mathematisch betrachtet bilden, durch das soeben erläuterte pneumatische Prinzip, erzeugte Formen meist synklastische Flächen, also Flächen mit einer positiven Gausschen-Krümmung. [6] Daher grenzen sie sich auch klar von den mechanisch vorgespannten Konstruktionen ab, welche auch zu den leichten Flächentragwerken zählen. Im Gegensatz zu den luftgestützten Konstruktionen bilden mechanisch vorgespannte Systeme antiklastische Flächen und weisen in den schon wesentlich älteren Zeltkonstruktionen ein formsprachliches Vorbild auf. Pneumatische Konstruktionen hatten diesen Bezug zu einer schon bestehenden Formsprache innerhalb der Architektur nicht. Lediglich die in den 1780er erstmals aufkommenden Heißluftballongefährte und deren weitere Entwicklungen, könnten als eine solche bewertet werden. Wenngleich auch diese damals herausragende Neuentwicklung auf andere Kreativsparten wie die der Mode, der Musik bis hin zum Friseurdesign (Abb 4) ausstrahlte, so blieb die Architektur doch zunächst unbeeindruckt von diesem Phänomen[7]welches in seinem Kern eines der Mobile blieb. Maximal in literarisch begründeten Utopien bekamen diese einen ersten Bezug zur Architektur. In „Le Vingtiéme Siècle La Vie èlectrique“ (Abb. 3) von Georges Decaux und illustriert von Albert Robida dienten Ballons als Fortbewegungsmittel, innerhalb ihrer von Hochhäusern dominierten Stadt der Zukunft. Diese Fiktion bediente sich der Luftgefährte gar als Konstruktionsmittel um ganze Gebäude in luftige Höhen zu heben.[8] Da solch utopische Ge-

4.Abb.: Karrikatur der Ballonmode, aus Topham, 2002

3.Abb.: Le Vingtième Siècle - la e`lectrique, 1883, Topham 2002

danken jedoch zunächst nicht ihren Weg in die Architektur fanden, kann die pneumatische Form durchaus als unbelastete Ausdrucksform der Architektur bezeichnet werden.[9]

Der vorläufige Höhepunkt pneumatischer Architektur von Mitte der 1960er bis Mitte der 1970er, den Adrian Beukers und Ed van der Hinten auch als „Inflatomania“[12], also frei übersetzt eine Aufblasmani, bezeichneten, lässt sich jedoch nicht mehr rein aus der Tatsache der unbelasteten Formsprache oder der Effizienz des Prinzips an sich begründen. Vielmehr bot diese neue Konstruktionsweise Gruppierungen wie Archigram, der Utopie Group, Aint Farm oder Haus-Rucker-Co die Möglichkeit ihre Ideen zu sogenannten „Environments“ schnell und einfach umzusetzen.[13] Die Anpassungsfähigkeit pneumatischer Konstruktionen versprach zudem die, von manchen der Gruppierungen geforderte, Interaktivität von Architektur und Nutzer. Ein Aspekt der unter dem Punkt Adaptivität wieder aufgegriffen werden soll. In dieser Hochzeit pneumatischer Architektur entstanden eine Vielzahl kleinerer, avantgardistischer, experimenteller Bauten und Installationen.

Ausgehend von der Moderne, welche für ihre funktionale und rationale Formsprache steht, bot das Aufkommen der Pneumatik in der Architektur Anfang der 1950er für ihre Pioniere wie Frei Otto die Chance eine neue, eigene Ausdrucksform zu entwickeln. Für sie war die alte Formsprache ein Synonym des „Massiven und Starren“[10], die sich gegensätzlich zu den Prinzipen der Natur verhielt und deren Effizienz vermissen lies. Ein Ansatz der als ein erster Hinweis auf Frei Ottos spätere interdisziplinäre Arbeitsweise hindeutet. Mehr jedoch zeugt er noch von dem Interesse das pneumatische Prinzip der Natur zu verstehen und auf die Architektur zu übertragen. So führten die Untersuchungen zu pneumatischen Prinzipien nicht nur zu einer neuen Formsprache und Konstrukti- [14] onsart, sondern auch zu einer völlig neuen Herangehensweise an die Architektur.[11] Was allen Gedanken gemein ist, seien es die eher konzeptionell architektonischen Frei Ottos

oder die mehr künstlerischen der PopArt, ist der Hauch des Utopischen. Frei Otto und Conrad Roland, beschrieben dies treffend: „Luft als tragendes Element zu verwenden, gilt auch heute noch vielfach als Utopie.“[15] Dieser 1965 getroffene Ausspruch hat bis heute an seiner Gültigkeit kaum verloren. Viele der damals in einer allgemeinen Euphorie erdachten Projekte lassen bis heute noch auf eine Realisierung warten. Genannt seien hier nur die Ideen zu extraterrestrischen Siedlungen oder Frei Ottos Stadt in der Arktis (Abb. 6), welche mit einer 2km weit spannenden Traglufthallenkonstruktion überdacht werden sollte. Nach dem Aufkommen der ersten Ölkrise im Jahr 1973/1974 sind solche Überlegungen, wie auch die praktische Anwendung der Konstruktionsart, in Europa weites gehend verschwunden. Dieses zeitgeschichtliche Ereignis führte zu einem Umdenken im Umgang mit unseren Ressourcen und bedeutete so das Aus für pneumatische Konstruktionen in der Architektur. So wurde der erhöhte Energieaufwand während ihres Betriebes, wie auch die Tatsache,

6.Abb.: Stadt in der Arktis, aus Topham, aus Otto, F. 1984

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dass die meisten für ihre Errichtung notwendigen Materialien auf Basis der knappen Ressource Erdöl hergestellt werden, der pneumatischen Bauweise zum Verhängnis.[16] Auffallend ist in diesem Zusammenhang, dass die Pneumatik über das vermehrte Aufkommen sogenannter Kissenkonstruktionen in der zeitgenössischen Architektur eine Art stiller Renaissance erfährt. Still ist sie, da viele der Formcharakteristika für den ungeübten Beobachter durch ihre Ausführung als hybrides Tragwerk aus konventionellen und pneumatischen Ansätzen, nicht mehr ersichtlich scheinen. Im Gegensatz zu der eindeutigen Formsprache der Weltausstellung (Expo) 1970 in Osaka, die unweigerlich als der bisherige Höhepunkt der pneumatischen Architektur gilt, haben viele der heute wieder auftretenden Bauten maximal einen subtilen Charakter pneumatischer Formsprache. Über den, dieser Arbeit zugrunde liegenden, Ansatz einer sinnvollen Kombination von Unter- und Überdruck soll auch versucht werden, sich vom Subtilen zu entfernen und wieder einer deutlicheren und reineren, wenngleich weiterentwickelten, pneumatischen Formsprache anzunähern.

7.Abb.: Fuji Pavillion von Yukata Murata, Expo 1970, aus Topham

Interessant ist hierbei das Unterdruck sowie Überdruck stabilisierten Systemen, wie eingangs erläutert, dasselbe Konstruktionsprinzip zu Grunde liegt, sie also auch den gleichen formbildenden Gesetzmäßigkeiten der Druckdifferenz unterworfen sind. Dass es jedoch Unterschiede gibt und warum eine Kombination zu einer neuen Formsprache führt, wird unter Punkt 2.1.1 sowie im abschließenden Fazit unter der Formsprache des Hybriden näher erläutert. 8.Abb.: Haus-Rucker-Co, Gelbes Hertz, 1968, aus Topham,2002

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1917 Patent von Friedrich William Lanchester über luftgestützte Zeltkonstruktionen

1958 Pentadome von Birdair Strucutres

1948 Erster gebauter Radome von Walter Bird (CAL)

GEBAUT

1910

1920

1930

1940

1950

1960

Theorie/Studien

1962

Die Zeitstrahlgrafik veranschaulicht die für diese Untersuchung wichtigen Projekte der pneumatischen Architektur. Hierbei handelt es sich, sowohl um gebaute Beispiele, als auch theoretische Arbeiten oder Studien. Die Grafik gibt jedoch keine lückenlose Abfolge wieder, so dass eine Interpretation einer zeitlichen Dichte von Projekten schwierig ist. Auffällig ist dennoch, dass es von 1965 – 1976 eine hohe Dichte von Ereignissen zu geben scheint. 16

Zugbeanspruchte Konstruktionen von Frei Otto

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erste ﾃ僕-Krise

2009 Gitterschale Plusminus

1968 Gelbes Herz von Haus Rucker

1970

1996

Weltausstellung in Osaka Japan

Festo Airtecture

Messestand Plusminus

1970

1974

1965 - 1968 Klassifikation von Gernot Minke

2007

1980

Klassifikation von Thomas Herzog

1970 Vacuumatics von Ivan Petrovic Queens University, Belfast

1974 Wandelbare Pneus von Berthold von Schoor

1990

2000

2010 2006 - 2007 Deflateables/Vakcuumatics der TU Delft und des ILEK Stuttgart

1970 - 1971 Stadt in der Arktis von Frei Otto

1976 Pneus in Natur und Technik

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3. Klassifikationen und Unterscheidungsmerkmale

9.Abb.: Projektstudie für eine Ausstellungshalle,Einfachmembran Unterdrucksystem, Minke, G. mit Studenten TU Delft1971

10.Abb.: Entwurf einer Sporthalle,Einfachmembran Unterdrucksystem, Institut für Umweltplanung, Ulm unter Minke, G. 1971

Ein Überblick über bereits vorhandene pneumatische Konstruktionen deren Klassifikationen sowie Begrifflichkeiten, soll helfen die Konstruktionen, bestehend aus einer Kombination von Unter- und Überdruckelementen, in den Kontext anderer pneumatischer Bauweisen einzuordnen. Des Weiteren soll geklärt werden, ob es schon Bauwerke oder Ansätze dieser Art gab sowie diese zu bewerten und einzuordnen sind. In der noch jungen Historie der pneumatischen Bauten gab es hierzu einige verschiedene Ansätze. Grundlegende für diese Arbeit sind drei dieser Ansätze, welche ab Punkt 2.1 bis 2.3 noch näher erläutert werden. Ziel dieser Arbeit ist es nicht, eine vollständige Abbildung aller vorhandenen Klassifizierungssystematiken zu erreichen. Vielmehr sollen anhand der aufgeführten Ansätze, vorhandene Theorien zu diesem Themengebiet aufgezeigt werden, diese auf ihre Schlüssigkeit sowie argumentative Vollständigkeit untersucht und im Folgenden für die weiteren Zwecke dieser Arbeit aufgearbeitet werden. Wie jedoch schon Wolfgang Naumer in seiner Dissertation 1999 bemerkte: „(…) stellt eine Klassifikation lediglich den „Versuch einer Ordnung der Formenvielfalt, die in ihrer Gesamtheit nicht erkannt werden kann“[17], dar. Im Weiteren Verlauf wird jedoch der Begriff der Systemvielfalt statt Formenvielfalt verwandt, um die Einschränkung auf eine reine Betrachtung der Form zu vermeiden.

11.Abb.: Entwurf einer Ausstellungshalle,Einfachmembran Überdrucksystem, Minke, Stevens und Warne 1971

Das Grundlegende der Aussage Naumers jedoch PLUSMINUS unltd.

bleibt. Weshalb eine solche Klassifikation auch lediglich als Hilfsmittel zur Einordnung vorhandener Systeme oder zur Erschaffung neuer Ansätze dienen sollte, jedoch niemals als ganzheitliche Beschreibung eines sowieso nicht vollständig zu erfassenden Kanons an Möglichkeiten, anzusehen ist. Eine weitere Anmerkung Naumers betrifft die Eindeutigkeit solcher Systematiken. So sollten Zweideutigkeiten nach Möglichkeit vermieden oder zumindest eingeschränkt werden.[18]

den Begriffen Tragwerkssystem, Tragwerkstyp, Tragwerksform sowie Tragwerksart zu. Jene vier Begriffe bilden nach seiner Definition die aufeinander folgenden Schritte der Tragwerksfindung. Hierbei steht das Tragwerkssystem für eine noch nicht formuliertes und materialisiertes statisches System, während die Tragwerksart für schon materialisierte jedoch noch nicht völlig ausdefinierte oder zusammenfassend für eine Gruppe von Tragwerken steht. [20]

In den nachfolgenden Absätzen werden die Im nachfolgenden Punkt werden 3 seiner 11 schon erwähnten drei Ansätze kurz erläutert. Merkmale, welche grundlegend für das weitere Vorgehen sind, näher erläutert.

3.1.

Klassifikationen nach Minke 3.1.1. Art der Druckdifferenz

Ein Pionier auf dem Gebiet der Erfassung pneumatischer Systeme war zweifellos Gernot Minke, der Ende der 1960er und zu Beginn der 1970er als Erster anwendbare Klassifikationen für pneumatische Konstruktionen geschaffen hat. Zu diesem Zweck wurden die verschiedenen Unterscheidungsmerkmale und ihre Ausbildungsmöglichkeiten pneumatischer Konstruktionen zusammengetragen und in Form morphologischer Kästen quantifiziert. Minke war hierdurch nicht nur in der Lage bereits vorhandene pneumatische Gebilde zu klassifizieren, sondern auch weitere Entwicklungsmöglichkeiten aufzuzeigen. Viele seiner Überlegungen sind leider theoretischer Natur geblieben und fanden nicht den Weg in eine bauliche Realisierung.[19] Als Grundlage seiner Arbeit stellte er 11 Unterscheidungsmerkmale (Abb. 12) mit jeweils unterschiedlichen Ausbildungsmöglichkeiten pneumatischer Konstruktionen fest. Diese ordnete er PLUSMINUS unltd.

Das für diese Arbeit Wichtigste der 11, von Minke aufgeführten Unterscheidungsmerkmale, ist wie schon zuvor angedeutet die Art der Druckdifferenz mit ihren Ausprägungen der Unterdruck- und der Überdrucksysteme. Bei den häufiger auftretenden Überdrucksystemen besitzt das Medium auf der inneren Seite der Membrane den höheren Druck. Der Druck innerhalb des pneumatischen Gebildes ist demnach höher als der um es herrschende, meist atmosphärische Druck. Dies hat zur Folge, dass sich die Hüllmembrane, hin zu der Seite mit dem Medium des geringeren Druckes krümmt. Von außen betrachtet nimmt sie somit eine konvexe Krümmung ein. Bei Unterdrucksystemen verhält sich dies genau umgekehrt. Das Medium mit dem geringeren Druck ist das auf der Innenseite der Hüllmembrane, was zur Folge hat, dass die Krümmung der Membrane von außen betrachtet nun konkav ist.[21]

lichkeiten konvex und konkav sehr leicht zu Verwechslungen führen können, da sie unmittelbar vom Standpunkt der Betrachtung abhängen. Aufgrund ihrer durchgehenden Verwendung in der Primärliteratur, werden sie jedoch auch im Folgenden weiter verwendet. Wie schon unter Punkt 1.1. angesprochen unterliegt die Formgebung der beiden Systeme den gleichen Gesetzmäßigkeiten. Lediglich die Richtung ihrer Krümmung differenziert vom Bezugspunkt des Betrachters. Ausgehend vom Prinzip der Pneumatik ist sie jedoch die gleiche, da der Pneu sich wie beschrieben, immer zu der Seite des geringeren Druckes hin krümmt. Da unsere Bezugssystem aber dem atmosphärische Druck entspricht, hat die von Minke beschriebene Art der Druckdifferenz durchaus konstruktive Auswirkungen. Ein Unterdrucksystem ist demnach immer ein System in welchem der atmosphärische Druck der höhere also formgebende Druck ist. Dies bedeutet, dass ein Unterdrucksystem ohne ein stützendes Subsystem nicht realisierbar ist, während ein Überdrucksystem durchaus ohne ein solches auskommt, wie jede Traglufthalle unter Beweis stellt.[22] 3.1.2. Anzahl der Membranen Eine weitere grundlegende Unterscheidung betrifft die Anzahl der Membranlagen. So kann ein System mit einer einzigen Membranlage ausgebildet werden, aber auch aus zwei oder mehr Lagen bestehen.[23]

Bei einlagigen Membranen befindet sich das Stützmedium, oder im Falle der UnterdrucksysAngemerkt sei an dieser Stelle, dass die Begriff- teme das Medium mit dem geringeren Druck, 19

Merkmal

Membranausbildung

Art der Druckdifferenz

Art der sekundären Unterstützung

Ausbildung der sekundären Unterstützung

Zuordnung zu: Tragwerkssystem

Stelle

Ausprägung

Varietät: sinnvolle Möglichk.

a.) einfach b.) doppelt Kissen

a.) Überdruck b.) Unterdruck

a.) keine b.) punktförmig c.) linear für 3 b: a.) Rosette b. Ring c.) Buckel für 3 c: d.) Seil e.)Balken f.) Bogen

12 28

Anordnung der sekundären Unterstützung

Tragwerkstyp

für 3 b: a.) einzeln, b.) gereiht c.) gerastert d.) radial/ringförmig, e.) unregelmäßig für 3 c: f.) einzeln, g.) einläufig, h.) radial, i.) tangential, k.) zweiläufig, l.) dreiund mehrläufig, m.) unregelmässig

Beanspruchung der tertiären inneren Untterstützung

für 3 b, c:

Dimension der Hauptausdehnungsrichtungen

a.) eindimensional, b.) zweidimensional,

Art der Oberflächenkrümmung

Art des Membranmaterials Grössenordnung der Spannweite

Art der Addition

Tragwerksform

a.) keine, b.) Zug, c.) Druck, d.) Biegung c.) dreidimensional a.) einseitig, b.)synklastisch c.)antiklastisch(inVerbindung mit synklastisch

580 1.740 5.220

a.) hochelastisch, b.) thermoplastisch, Tragwerksart

148

c.) unelastisch/verschiebbar, d. unelastisch/

20.880

fest a.) bis 20m, b.) 20 - 100m, c.) über 100 m a.) keine, b.) einachsig, c.) zweiachsig, d.) dreiund mehrachsig

62.640 250.560

12.Abb.: Morphologischer Kasten mit 11 Unterscheidungskriterien nach Minke aus Herzog, T. 1976

innerhalb des Nutzungsraumes. Das gängigste Beispiel für ein solches System sind einmal mehr die bekannten Traglufthallen. Im Allgemeinen spricht man hier auch von luftgestützten Konstruktionen. Bei Konstruktionen mit doppelter Membranlage ist das Stützmedium oder der Unterdruck vom Nutzraum sowie vom Außenraum, durch jeweils eine Membranlage, abgetrennt. Ein gängiges Beispiel hierfür sind die schon erwähnten, in der zeitgenössischen Architektur gerade häufig auftretenden, Kissenkonstruktionen, wie man sie bei der Alianzarena von Herzog de Meuron oder aber auch beim Eden Project von Grimshaw vorfindet. In den Klassifikationen von Minke wird diese eher geometrische Bezeichnung auch als Synonym für Konstruktionen mit einer doppelten Membranlage aufgeführt. Eine Einschätzung die ich nicht teile da auch schlauchförmige pneumatische Körper die entscheidenden Kriterien einer doppelten Membranlage erfüllen, sie aber aufgrund einer anderen geometrischen Ausprägung ihrer Dimensionen, mit Nichten als ein Kissen bezeichnet werden können. Zudem darf angezweifelt werden, ob diese Bezeichnung auf Systeme mit einem umhüllenden Unterdruck, wie er bei den Vacuumatics oder Deflatebles, welche später erläutert werden, übertragen werden kann. Zum Verständnis muss gesagt werden, dass Minke in seinen Klassifikationen die Schlauchkonstruktionen in Gänze als Sonderfall betrachtete und sie ausschließlich den so genannten Hochdruckkonstruktionen zuordnete. Diese unterscheiden sich nach Minke in ihrer Funktionsweise grundlegend von anderen pneumatischen Systemen. Im folgenden Absatz wird dieses UnterscheidungsPLUSMINUS unltd.

meter geben kann. Zu nennen wären hier Punkte wie der, auch häufig in der Literatur auftauchende, Montageaufwand, das Transportvolumen bei 3.1.3. Maß der Druckdifferenz temporären Bauten, die Adaptivität oder auch der Mit der Unterscheidung nach dem Maß der Ressourcenverbrauch und die Möglichkeit der Druckdifferenz führt Minke ein weiteres Kriterium Rezyklierung. ein. Bei diesem unterscheidet er die Ausprägun- Zu der hier erläuterten Unterscheidung Minke’s ist gen der Niederdruck- und Hochdrucksysteme. zu sagen, dass seine aus den unterschiedlichen Die Druckdifferenz der Niederdrucksysteme be- Tragwirkungen abgeleitete Definition von Niederträgt 0,001 - 0,01 Bar, die der Hochdrucksyste- und Hochdruckkonstruktionen prinzipiell stimmig men hingegen 0,2 – 7 Bar.[25] ist. Die von ihm als Grenzen definierten Werte, merkmal näher erläutert.[24]

Der geringe Druck der Niederdrucksysteme ist unter anderem der Tatsache geschuldet, dass bei den so genannten luftgestützten Konstruktionen (Traglufthallen) ein für den sich im Raum aufhaltenden Menschen physiologisch unbedenklicher Druck herrschen muss. Zudem ist bei der eigentlich systembedingten Belastungsart welche die Aufnahme von Querkräften ausschließt kein höherer Druck erforderlich. So sind Niederdrucksysteme in der Lage über ihre vorgespannte Membranhaut und das stützende Medium Kräfte abzuleiten. Hochdrucksysteme werden dagegen in der Literatur, tragwerkstechnisch als ineffizient bezeichnet und, wie schon erwähnt, bei Minke auf die Schlauchkonstruktionen beschränkt.[26] Die Aussage über die tragwerkstechnisch geringe Effizienz leitet sich aus der Tatsache ab, dass Hochdrucksysteme häufig dann zum Einsatz kommen wenn es darum geht Querkräfte abzuleiten. Wenn dies geschieht und man sie dann mit einem konventionellen Tragwerk vergleicht, sind sie den Effizienzgrad betreffend unterlegen. Hier sollte aber auch nicht außer Acht gelassen werden, dass es noch andere, für ein Bauwerk oder allgemeiner Gebilde, entscheidende ParaPLUSMINUS unltd.

werden jedoch an keiner Stelle genauer begründet. Zudem herrscht eine Definitionslücke zwischen dem oberen Grenzwert der Niederdruckkonstruktionen, von 0,01 Bar, und dem unteren Grenzwert der Hochdruckkonstruktionen von 0,2 Bar. Ein Ansatz, diese Definitionslücke zu schließen, wird unter dem Punkt der Explosionslasten aufgezeigt. Ein weiterer Punkt der bei Minke überraschender Weise fehlt, ist die exakte Übertragung der Definition auf die Unterdrucksysteme. Er führt zwar die Systeme an sich in seinen Merkmalen auf und entwickelt sogar konkrete Varianten, äußert sich aber nicht über die Höhe des Unterdruckes. Ähnlich der beschriebenen Definitionslücke müsste auch hier eine exakte Bestimmung eingeführt werden. Einen ersten Ansatz hierzu liefert die Vakuumtechnik, welche vier Arten des Vakuums nach der Höhe des Restdruckes unterscheidet. Das Grobvakuum von 103 – 100mbar, das Feinvakuum von 100 – 10-3 mbar, das Hochvakuum von 10-3 -10-7 mbar und das Ultrahochvakuum welches beispielsweise im Weltall vorzufinden ist, von 10-7- 10-10 mbar. Realistisch betrachtet befinden sich die Druckdifferenzen der hier betrach-

Membranausbildung einfach

doppelt

Art der Druckdifferenz Überdruck

Unterdruck

Maß der Druckdifferenz Niederdruck

Hochdruck

0,001 - 0,01 bar

0,2 - 7 bar

teten Unterdrucksysteme im oberen Bereich des 3.2. Klassifikationen nach Herzog Grobvakuums, folglich zwischen dem atmosphäDie Klassifikationen von Thomas Herzog entstanrischen Druck von 103 mbar – 102 mbar.[27] den zeitlich etwas nach denen von Gernot Minke und wurden in seinem Buch „Pneumatische Konstruktionen“, an welchem auch Minke beteiligt war, 1974 veröffentlicht. Daher ist es auch nicht besonders verwunderlich, dass sich die beiden Ansätze ähneln.

Zusammenfassend kann man sagen, dass an den Stellen wo Minke zu akribisch erscheint, Herzog zu unscharf unterscheidet. So fehlt das für diese Arbeit grundlegende Merkmal der Art der Druckdifferenz völlig. An anderen Stellen, wie dem erläuterten ersten Merkmal seines morphologischen Kastens, wirken die Erläuterungen einfach zu umständlich.

Was ihn aber auszeichnet ist seine anschauliche Anders als Minke jedoch reduziert Herzog seine Darstellungsart und sein auf das äußere ErscheiSystematik auf vier grundlegende Kriterien: Art nungsbild, also die Form, gelegter Schwerpunkt. der Membrane bzw. des Gebildes, Proportion des Gebildes, Art der Oberflächenkrümmung sowie Art der Verbindung. Ähnlich wie Minke gibt er für diese Kriterien wieder unterschiedliche Ausprägungen an, die ihrerseits wiederum untereinander kombinierbar sind. Ebenso wie Minke stellt Herzog seine Systematik in einer Art morphologischen Kasten dar (Abb. 13), was zu einer Vielzahl an möglichen Varianten führt. Herzog führt jedoch keine Plausibilitätsprüfung seiner Kombinationen durch. [28] Auch kommt es im Vergleich mit Minke zu einer Wiederholung der Kriterien. Diese sind dort nur anders benannt oder unterscheiden sich in der Art ihrer Ausprägung. So umschreibt er etwa mit seinem Merkmal der Art der Membran und der Art des Gebildes lediglich den Umstand einer einlagigen oder zweilagigen Membran. Das Merkmal der Proportion wie auch der Oberflächenkrümmung kommt ebenfalls bei Minke vor, wenn auch nicht so plastisch dargestellt. Einzig die Art der Verbindung kann man nicht direkt der Art der Addition bei Minke gleichsetzen, auch wenn es hier eindeutige Überschneidungen gibt.

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13.Abb.: Morphologischer Kasten mit 4 Unterscheidungsmerkmalen von Herzog, T. 1976

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3.3.

Klassifikationen nach Naumer

Die Dissertation von Wolfgang Naumer aus dem Jahr 1999 ist der aktuellste Versuch einer Klassifikation, der im Rahmen dieser Arbeit betrachtet wird. Naumer erkennt und spricht dies auch am deutlichsten von allen dreien aus, dass, wie schon anfangs bemerkt, eine Systematik der Klassifikation niemals vollständig alle möglichen Varianten abbilden kann. Von diesem grundlegenden Standpunkt ausgehend unternimmt er den Versuch eine möglichst eindeutige und doch allgemein gültige Klassifikation pneumatischer Konstruktionen zu finden.[29] Das Ergebnis ist im Vergleich zu den beiden vorangestellten Arbeiten geradezu simpel. Naumer unterscheidet die pneumatischen Strukturen, basierend auf Frei Ottos Grundlagen aus „Pneus in Natur und Technik“, lediglich nach ihrer Dimensionalität. Er unterscheidet hierbei, ähnlich wie dem Kriterium der Proportion bei Herzog oder der Dimension der Hauptausdehnungsrichtungen bei Minke, den 3-Dimensionalen Pneu, den 2-Dimensionalen Pneu und den 1-Dimensionalen Pneu. Anders als bei Minke und Herzog ist dies aber nicht ein mögliches Unterscheidungsmerkmal sondern das einzig Vorkommende. Seine Definition dessen ist jedoch nahezu identisch. Einzig beim 3-dimensionalen Pneu zieht er eine andere Schlussfolgerung. Zwar ist dieser bei Naumer ebenfalls eine von der Kugel abgeleitete geometrische Grundform, er weitet dies jedoch auf sämtliche einlagige Membrankonstruktionen, aus. Naumers Begründung alle dieser Konstruktionsart zuzuordnenden Bauten 24

bestünden aus Kugelsegment oder deren Addition, ist jedoch nicht ausreichend. Selbst wenn man sagen könnte, dass sämtliche in dieser Bauweise errichteten Bauten dieses geometrische Prinzip erfüllen würden, was aber spätestens bei der Einführung weiterer Unterstützungs- oder Abspannungselemente schwierig wird, schließt diese Art der Definition, das Vorkommen echter Kugelelemente, deren Innenraum dann nicht mehr begehbar ist aus.[30]

3.4.

Anmerkungen

auf. Diese Entscheidung beruht auf der Tatsache, dass Minke zum einen als Einziger das Kriterium der Art der Druckdifferenz deutlich herausstellt und zum anderen den differenziertesten Ansatz aufweist. Sinn und Zweck dieser Arbeit ist es jedoch nicht ein neues Klassifikationssystem zu entwickeln oder ein Bestehendes zu erweitern. Vielmehr handelt es sich hierbei, wie schon erwähnt, um ein Hilfsmittel um das weitere Vorgehen besser zu strukturieren und einordnen zu können.

Die Ausführungen zu bestehenden Klassifikationen und somit auch Theorien über pneumatische Bauwerke zeigen, dass es sich um ein Themengebiet handelt welches komplexer und vielschichtiger ist als man es bei einer ersten oberflächlichen Betrachtung annehmen dürfte. So scheint es zunächst nicht sinnvoll anhand von Klassifikationen ein solches Gebiet abschließend zusammenfassen zu wollen. Die Beschäftigung mit solchen Systemen und Ansätzen ist aber ein äußerst gutes Hilfsmittel um sich einen strukturierten Überblick über schon Bestehendes zu verschaffen. Des Weiteren kann mit Hilfe solcher Betrachtungen eine erste Einschätzung über bestehende Potenziale getroffen werden. Da dies auch das erklärte Ziel dieser Arbeit ist, war diese Beschäftigung mit klassifizierenden Systematiken ein erster wichtiger und grundlegender Schritt. Im Weiteren soll, anhand von Ergänzungen der behandelten Systematiken, schrittweise ein eigenes System aufgebaut werden, welches als Werkzeug zur Einordnung hybrider Ansätze dienen soll. Hierbei baut das weitere Vorgehen in der Hauptsache auf die Arbeit von Gernot Minke PLUSMINUS unltd.

14.Abb.: Pentadome, Ausstellungsgeb채ude der US-Armee, Bridair Structures Inc., 1958 aus Herzog, T. 1976

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4. Einordnung des Systems Plusminus 4.1.

Der Hybrid

Unter einem Hybriden versteht man im Allgemeinen eine Kombination zweier unterschiedlicher, eher gegensätzlicher Systeme, deren jeweilige spezifische Eigenschaften sich ergänzen und somit zusammen eine bessere Lösung für bestimmte Probleme darstellen. Bezogen auf Tragwerkssysteme beispielsweise bedeutet dies die Kombination zweier in ihrer Materialisierung und/oder Formalisierung unterschiedlich ausgebildeter Systeme.

15.Abb.: Messestand der Firma Mero, Werner Sobek Ingenieure

So gab es schon des Öfteren eine hybride Lösung aus konventionellem Tragwerk und pneumatischen Elementen. Die schon erwähnten kleinteiligen Kissenstrukturen (Abb. 17) könnten als solche angesehen werden. Ein nahezu perfektes Beispiel, im Bereich pneumatischer Tragwerkssysteme, sind die in der Schweiz entwickelten Tensairityträger (Abb 18). Sie bilden in der Kombination aus Stahlgurten, Holz oder Verbundmaterialien sowie einer pneumatisch gestützten Hüllmembrane ein hybrides Tragwerkssystem. [32] Weitere Beispiele sind viele der jedoch meist theoretisch gebliebenen Überlegungen zu Unterdrucksystemen. So benötigen diese, wie unter Punkt 2.1.1. bereits erläutert wird, im Gegensatz zu den Überdrucksystemen immer ein unterstützendes Subsystem, häufig in Form von Abspannungen oder Unterstützungen aus nicht pneu-

16.Abb.: Station Z, Werner Sobek Ingenieure

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re in Osaka von Yutaka Murata aus dem Jahre 1970, die Airtecture Halle von Festo von 1996, der Messestand sowie die Gitterschale von Plusminus aus den Jahren 2007 und 2009 und je nach Gewichtung einige der in die Reihe der Vacuumatics sowie der Deflatebles einzuordnenden Projekte vom Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) der Universität Stuttgart beziehungsweise der TU Delft. Warum man meiner Ansicht nach bei diesen letzten Projekten Man kann also festhalten, dass es schon öfüber eine klare Einordnung streiten kann sowie ter hybride Lösungen aus konventionellen und nähere Erläuterungen zu den anderen Projekten, pneumatischen Tragwerksansätzen gab. Eine erfolgen am Ende dieses Kapitels. rein pneumatisch hybride Lösung aus Unterund Überdruck war jedoch bisher nie mehr als Anders als in der Praxis wurde in der Theorie eine Randnotiz oder ein prototypischer Versuch. schon des Öfteren über die möglichen PotenDa es aus diesem Grund auch keine passen- ziale einer Kombination von Über- und Unterden Begrifflichkeiten gibt, soll an dieser Stelle die duck nachgedacht. Hierzu soll einmal mehr ein Bezeichnung der hybriden pneumatischen Sys- Gedanken Gernot Minkes aufgreifen werden, in teme eingeführt werden. Dieser beschreibt An- welchem er eben auf diese Kombination von Unsätze, welche eine Kombination von Unter- und terdruck und Überdruck gezielt eingeht. So geht Überdruck vorsehen. Die noch recht allgemeine Minke davon aus, dass durch die Kombination Definition wird in den noch folgenden Kapiteln er- der beiden Systeme sich deren Nachteile gegenseitig aufheben könnten. Beispielhaft führt er die gänzt und weiter ausdifferenziert. Gefahr einer Wassersack-Bildung, welche bei den konkav geformten Unterdrucksystemen be4.2. Der pneumatische Hybrid steht und die mögliche ausgleichende Wirkung Sind bereits Projekte mit einer wie oben beschrie- der konträr hierzu stehenden konvex geformten [34] benen hybriden Lösung eine architektonische Überdrucksysteme an. Interessant ist auch, Randerscheinung, so wird man Projekte die ei- dass Minke ebenso wie Naumer, in seiner viel ne pneumatisch hybride Lösung anstreben noch später erschienen Arbeit, der Kombination von seltener vorfinden. Nach mehreren Jahren der Hochdruckschläuchen und UnterdruckelemenBeschäftigung mit der Thematik und einer einge- ten ein gewisses Potenzial beimessen. Naumer henden Recherche zu dieser Arbeit sind mir le- geht hier gar so weit, dass die Schläuche eine diglich 4 – 5 Arbeiten bekannt, die die Vorausset- „Grundstruktur“ für 2 dimensionale Unterdruck zungen eines pneumatischen Hybriden erfüllen. Pneus bilden könnten, worin er die Möglichkeit sieht, großflächige Scheiben auszubilden[35]. Hierbei handelt es sich um das Floating Theatmatischen Elementen.[33] Eine andere Variante ist die, Umhüllung eines Primärtragwerkes, mit einer durch Unterdruck stabilisierten Membrane. In diesem Fall kann die Primärtragstruktur durch den Unterdruck ausgesteift werden, oder die Membran dient nur als abdichtende Hülle. Hierzu wäre der Messestand von Werner Sobek für die Firma Mero (Abb. 15) oder die Gedenkstätte in Sachsenhausen (Abb. 16) zu nennen.

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17.Abb.: ETFE Kissen Alianzarena München, Herzog de Meuron, www.fontblog.de

18.Abb.: Brücke mit Tensairity®Träger, www.radio.de

Leider kommen solche Überlegungen häufig nur am Rande literarischer Ausführungen vor und sind nur selten weiterverfolgt worden. Sie zeigen aber das Potenzial, welches in der Kombination liegt, auf. Minke ist der Einzige, der diesen Ansatz, zumindest in Teilen weiter durchdacht hat. In einer seiner morphologischen Kästen (Abb. 19) fasst er mit Hilfe der Kriterien Art der Druckdifferenz, Anzahl der Membrane und Art der Unterstützung, die Möglichkeiten einer Kombination von Unterund Überdrucksystemen, im Bereich der Niederdrucksysteme, zusammen. Hieraus entwickelt er 64 theoretische Möglichkeiten hybrider Niederdrucksysteme mit entsprechenden nicht pneumatischen Unterstützungen (Abb. 20).[36] Die nicht pneumatischen Unterstützungen, in Form von Abspannungen und Unterstützungen, resultieren hier immer noch aus dem unter 2.1.1. aufgeführten Grund. Der dieser Arbeit zugrunde liegende Ansatz folgt hingegen eher dem Ansatz von Naumer, durch eine Kombination von übergeordnetem Unterdrucksystem und kleineren Überdruckpneus sowie Schläuchen, auf nicht pneumatische Subsysteme verzichten zu können. Obwohl Minke diese Möglichkeit ebenfalls in der erwähnten Randbemerkung andeutet verfolgt er sie nicht weiter. Trotz allem ist die Arbeit von Minke als durchaus beachtenswert und einzigartig anzusehen, auch wenn einmal mehr gesagt werden muss, dass mit einer solchen Systematik nie die vollständige mögliche Vielfalt wieder gegeben werden kann. Seine Arbeit zeigt jedoch, dass in diesem Gebiet noch ein erhebliches Entwicklungspotenzial existiert. 28

Niederdrucksysteme I flächig unterstützte Einfachmembrantragwerke (mediengestützt) 0 ohne zusätzliche Stabilisierung Iu

P mit zusätzlicher

L mit zusätzlicher

P+L mit zusätzlicher

punktueller

linearer

punkt. u. linearer

Stabilisierung

Iu0

IuP

IuL

I u P+L

Iü0

IüP

IüL

I ü P+L

Unterdruck

iü Überdruck

II flächig unterstützte Doppelmembrantragwerke (mediengefüllt) 0 ohne zusätzliche Stabilisierung II u

P mit zusätzlicher

L mit zusätzlicher

P+L mit zusätzlicher

punktueller

linearer

punkt. u. linearer

Stabilisierung

II u 0

II u P

II u L

II u P+L

II ü 0

II ü P

II ü L

II ü P+L

Unterdruck

II ü Überdruck

19.Abb.: Morphologischer Kasten zur Kombination von Unter- und Überdruck nach Minke

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20.Abb.: Varianten von einer Kombination aus Unter- und Ă&#x153;berdruck, erzeugt von Gernot Minke mit Hilfe seines Morphologischen Kastens (Abb. 19) aus Herzog, T. 1976

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4.3.

Gebaute Beispiele

einer Form, die durchaus auch mit Überdruck des Innenraumes hätte erreicht werden können. Dass dies jedoch auszuschließen ist erkennt man 4.3.1. Floating Theatre auf dem Foto, welches die Rückseite des Theaters zeigt (Abb. 21). Hier ist deutlich die Öffnung Das Floating Theatre entstand als temporärer zu erkennen, die einen Überdruck im Inneren unBau im Rahmen der Expo 1970 in Osaka, Jamöglich machen würde. pan und wurde nach dieser wieder demontiert. Der Entwurf, welcher von dem japanischen Ar- Dass dieser Verdacht aufkommen kann, ist die chitekten Yutaka Murata stammt, ist aus mehre- größte Schwäche des ansonsten beachtenswerren Gründen als bemerkenswert zu bezeichnen. ten Baues. So wurde die Kombination von stabiZum einen war es das erste Bauwerk in welchem lisierendem Unter- und Überdruck nicht gerade eine Kombination von Unter- und Überdruck um- in der effizientesten und eindeutigsten Weise in gesetzt wurde. Zum anderen war es das bisher die Konstruktion integriert. Es wäre konsequeneinzige Gebäude, welches mehr als eine prototy- ter gewesen, zwei durchlaufende Membranlagen pische Studie darstellt, verbunden mit einem Ein- über den Unterdruck mit den Schläuchen zu versatz im Außenbereich. Keines der anderen hier pressen und auf innere Abspannungen völlig zu vorgestellten Projekte kann von sich behaupten verzichten. Aus Sicht eines pneumatischen HybUmwelteinflüssen ausgesetzt gewesen zu sein, riden wäre dies mit Sicherheit die deutlichere Löbei gleichzeitiger Erfüllung einer bestimmten Nut- sung. Der Architekt hatte aber sicher triftige, für mich leider nicht mehr nachzuvollziehende Grünzung. de, die angewandte Konstruktionsart zu wählen. Eine weitere Besonderheit war die Ausführung als schwimmendes Bauwerk. Das Theater war hierzu auf seiner Unterseite mit regelbaren Pneus versehen, um die wechselnde Belastung durch die Besucher ausgleichen zu können. Das Floating Theatre war also in mehrerer Hinsicht innovativ. Das Konstruktionsprinzip seiner aus Unterund Überdruckelementen bestehenden Hülle ist recht einfach: Drei unter Überdruck stehende Schlauchbögen spannen über die lange Seite des Theaters. Die äußere der beiden Membranlagen ist zwischen diesen drei Bögen, beziehungsweise dem Rand des Bodens der schwimmenden Konstruktion, gespannt. Die innere Lage hingegen ist durchgehend und punktuell in den Innenraum abgespannt. Dies führt im Schnitt zu 30

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Projektdaten: Bezeichnung:

Electric Power Pavillion

Nutzung:

temporäres Theater

Bauherr:

......................

Standort:

Osaka Japan, ExpoGelände

Baujahr:

1970

Architekt:

Yutaka Murata

Ingenieur:

Mamoru Kawaguchi

Membranfirma:

Ogawa Tent Co.

Abmessung:

Durchmesser 23m, Höhe 19m

Membranfläche:

.....................

Membranmaterial :

Polyester PVC

Stichhöhe:

.....................

Verankerung:

schwimmend

Demontage:

21.Abb.:Floating Theatre von Yutaka Murata, Osaka 1970 aus Herzog 1976

Druckdifferenzen Überdruck Schläuche: 0,15 bar - 0,3 bar Unterdruck Membran: 0,001 bar - 0,002 bar

22.Abb.:Floating Theatre, Schnitt, von Yutaka Murata, Osaka 1970 aus Herzog 1976

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entnommen aus Naumer, W., 1999, 211

4.3.2. Festo Airtecture

Form die sie als erstes pneumatisches Bauwerk umsetzt.[38]

Die 1996 von Festo entwickelte prototypische Halle kann durchaus als eine hybride pneumati- Ihre Besonderheiten sind aber auch gleichzeische Konstruktion in vielerlei Hinsicht bezeichnet tig ihre Schwächen. Ein Pneu würde, von sich aus, nie eine kubische Form einnehmen sondern werden. immer eine gekrümmte Oberfläche erzeugen, In ihr sind die verschiedensten pneumatischen welche versucht sich einer Minimalfläche anzuKonstruktionsweisen vereint. Das Markanteste nähern. Und genau dies war es auch was die sind wohl die an der Außenseite angeordneten Faszination bei den „Pneu-Pionieren“ ausübte. Überdruck-stabilisierten Y-Stützen, an welchen Bei allem Respekt vor der technischen Innovatidie „Airbeams“ der Dachkonstruktion anschlie- on muss man also sagen, dass es sich hier nicht ßen. Diese wechseln sich, mit aus transluzenten um eine pneu-affine Formsprache handelt. Folien bestehenden, Unterdruck-stabilisierten, Kissenfeldern ab und bilden mit diesen zusammen die ausgesteifte Dachscheibe. Es kommt jedoch an keiner Stelle der Konstruktion zu einer Überlappung von Unterdruck- stabilisierten und Überdruckstabilisierten Bereichen. Dies ist gegensätzlich zu dem in dieser Arbeit verfolgten Prinzip. Die Y-Stützen (Abb. 25) wiederum sind anhand sogenannter pneumatischer Muskeln abgespannt, eine hausinterne Innovation der Firma Festo, welche bei einer Zunahme der äußeren Lasten über ein komplexes System aus Sensor- und Regeltechnik die Vorspannung entsprechend korrigieren. Sie bilden einen zusätzlichen adaptiven Aspekt in der Konstruktion. Die Wandelemente bestehen wiederum aus luftdichtem Abstandsfadengewebe wodurch man in der Lage ist planebene, pneumatische Elemente auszubilden. Die gesamte Konstruktion ruht auf Betonfundamenten, welche die extrem leichte Konstruktion gegen Abheben sichern.[37] Die Besonderheiten an dieser Konstruktion sind die vielen unterschiedlichen pneumatischen Elemente die sie in sich vereint, sowie die kubische 32

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Projektdaten:

23.Abb.:Pneuhalle Airtecture, Festo,1996

Bezeichnung:

Airtecture

Nutzung:

mobile Ausstellungshalle

Bauherr:

Festo KG, Esslingen

Standort:

variabel

Baujahr:

1995 - 1996

Architekt:

Festo KG

Ingenieur:

Festo KG

Membranfirma:

DSB / Koch High-tex

Abmessung:

2250m² Höhe 6m

Membranfläche:

.....................

Membranmaterial :

............./ETFE

Stichhöhe:

.....................

Verankerung:

Fertigteilfundamente

Demontage:

Druckdifferenzen Überdruck:

0,025 bar - 0,5 bar

Unterdruck Membran: ..................... Muskeln:

25.Abb.:Y-Stützen mit Festo Muscle, Festo,1996

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24.Abb.:Pneuhalle Airtecture, Detail Innenecke Festo,1996

0,3 bar - 1 bar

entnommen aus Naumer, W., 1999, 282

dar. Die Hüllfolie bestand aus dem aktuell in der Architektur häufig verwendeten Werkstoff Ethylen Im Rahmen eines studentischen Entwurfes am Tetrafluorethylen (ETFE). Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren, der Universität Stuttgart entstand 2007, anläss- Unter Mithilfe der Firma Festo wurde ein gerelich der Techtextil in Frankfurt, diese Arbeit. Das geltes Druckluftsystem aufgebaut welches den besondere an diesem Projekt ist, dass das kon- Druck der Schläuche auf einem konstanten Wert struktive Zusammenspiel von Unter- und Über- hielt. Der Unterdruck wurde durch konventionelle druck noch deutlicher zum Vorschein kommt, als Sanitärlüfter, welche in den noch recht grob aufgebauten Sockelelementen integriert waren, aufbei dem bereits vorgestellten Floating Theatre. recht erhalten. Im Wesentlichen besteht der Ausstellungsstand aus, im Grundriss orthogonal zusammen gefüg- Die Kritik der nicht pneu gerechten Formgebung ten, Wandscheiben, welche sich wiederrum aus, kann natürlich auch hier, bedingt durch die Orin einer Chaosstruktur angeordneten Überdruck- thogonalität der Wandscheiben, angebracht schläuchen und diese umgebende vakuumisier- werden. Dem kann jedoch entgegen gehalten werden, dass diese im Mikrobereich durch das te ETFE Foliensäcke, zusammensetzen. Pressen der Hüllfolie auf die Schläuche durchaus Hierbei verpresst die unterdruckstabilisierte Hüll- bestimmend ist und das Charakteristika der Gefolie die in zwei Reihen angeordneten Schläu- samterscheinung ausmacht. Es wurde also nicht che, zu einem festen Verbund. Diese weichen in versucht wie beim Festo Airtecture planebene unterschiedlichen Winkeln leicht von der Senk- Scheiben zu schaffen. rechten ab. Fällt eine der beiden Komponenten aus, verliert das Ganze erheblich an Steifigkeit. Es kommt also, anders als bei dem zuvor vorgestellten Airtecture, zu einer konstruktiv bedingten Überlappung der durch unterschiedliche Arten der Druckdifferenz stabilisierten Komponenten. 4.3.3. Plusminus Messestand

Eine weitere Besonderheit ist der Werkstoff. Wurde das Floating Theatre oder das Airtecture noch mit schweren Membranstoffen umgesetzt, fanden beim Plusminus Messestand ausschließlich transparente Folienwerkstoffe Verwendung. Die Schläuche waren hierbei Abfallprodukte aus der Wurstdarmfabrikation, mussten somit nicht extra gefertigt werden und stellten eine erhebliche Vereinfachung in der Planung sowie Herstellung 34

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Projektdaten:

26.Abb.:Plusminus Messestand, studioltd & ILEK Universität Stuttgart

Bezeichnung:

Plusminus Messestand

Nutzung:

Ausstellungstand

Bauherr:

Messe Frankfurt

Standort:

Frankfurt, Deutschland

Baujahr:

2006

Architekt:

studioltd/ILEK Stuttgart

Ingenieur:

studioltd/ILEK Stuttgart

Membranfirma:

Cenotec

Abmessung:

11m x 15m Höhe 4m

Membranfläche:

.....................

Membranmaterial :

PA Schläuche/ETFE

Stichhöhe:

.....................

Verankerung:

.....................

Demontage:

Druckdifferenzen Überdruck Schläuche: 0,3 bar - 0,5 bar Unterdruck Membran: ......................

27.Abb.:Plusminus Messestand Innenraum

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28.Abb.:Plusminus Messestand Sockeldetail

entnommen aus www.studioltd.de

noch jeder Punkt einzeln von Hand angezogen werden. Beim Aufbau der pneumatischen GitterDie Gitterschale wurde 2009 ebenfalls von der schale sind zu dem die sonst erforderlichen Hilfsoben genannten studentischen Gruppe am ILEK konstruktionen nicht mehr notwendig. der Universität Stuttgart entwickelt. Auch sie besteht aus Überdruckschläuchen in einer durch In der Plusminus Gitterschale sind die Vorzüge Unterdruck stabilisierten Hüllfolie. Hierbei handelt einer konventionellen Gitterschale kombiniert mit es sich aber um eine nicht unerhebliche Weiter- den gesammelten Erkenntnissen über eine sinnvolle Kombination von Unter- und Überdruck. So entwicklung. stellt die pneumatische Gitterschale in zweierlei Das der Gitterschale zugrunde liegende Ras- Richtung eine Weiterentwicklung dar. ter, bilden hierbei die Schlauchpneus die analog zu dem Messestand aus Folienschläuchen der Wurstdarmherstellung stammen. Die das Schlauchnetz umgebende Hüllfolie wurde jedoch aus Kostengründen nicht mehr aus ETFE sondern aus dem wesentlich günstigeren und einfacher zu verarbeitenden Polyethylen (PE) hergestellt. Als Form wurde eine für die Gitterschale typische Kuppelgeometrie, welche mit einer Öffnung an beiden Seiten versehen war, gewählt. Ähnlich dem Messestand sind auch hier die Überdruckschläuche in zwei Ebenen angeordnet und überschneiden sich wie bei einer klassischen Gitterschale an den Kreuzungspunkten. An diesen sind die Schläuche durch einfache Buchbinderschrauben und Klebefolie drehbar miteinander verbunden. 4.3.4. Plusminus Gitterschale

Diese Anordnung in zwei Ebenen, sowie die Art der Verbindung ermöglichen einen besonderen Trick. Das zuvor schon angedeutete Verpressen durch das übergeordnete Unterdruckelement wird hier gezielt angewendet, um jeden einzelnen Knotenpunkt des Rasters nach dem Aufstellen der Gesamtform, zeitgleich zu fixieren. Bei einer konventionellen Gitterschale musste für diesen, für die Formstabilität unabdingbaren Schritt, 36

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Projektdaten:

29.Abb.: Plusminus die pneumatische Gitterschale studioltd & Festo, 2009

Bezeichnung:

pneumatische Gitterschale

Nutzung:

Prototyp

Bauherr:

studioltd/Festo KG

Standort:

variabel

Baujahr:

2009

Architekt:

studioltd

Ingenieur:

studioltd

Membranfirma:

Planex / Reifenhäuser

Abmessung:

13m x 8m

Membranfläche:

außen 218,6 m² innen 201,6 m²

Membranmaterial :

PA Schläuche/PE Hülle

Stichhöhe:

4,5m

Verankerung:

integrale Basismodule

Demontage:

Druckdifferenzen Überdruck Schläuche: 0,5 bar - 0,7 bar Unterdruck Membran: .........................

30.Abb.: Die pneumatische Gitterschale, Aufsicht

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31.Abb.: Die pneumatische Gitterschale, Detail Ausschnitt

entnommen aus www.studioltd.de

4.3.5. Vaccumatics/Deflateables Die Existenz zweier Bezeichnungen für diese Reihe prototypischer Ansätze lässt sich damit erklären, dass es fast zeitgleich zwischen 2006 und 2007 Untersuchungen an der TU Delft wie auch dem schon erwähnten ILEK der Universität Stuttgart gab. Ursprünglich geht der Begriff Vacuumatics jedoch auf eine Entwicklung unter Ivan Petrovic an der Universität in Belfast Ende der 1960er zurück. Damals wurde im Rahmen eines Seminars zu Raumzellen mit Unterdruck gestützten Konstruktionen experimentiert, deren biegeweiche Hülle zusätzlich mit Granulat ähnlichen Materialien gefüllt wurde (Abb. 32). Durch den Unterdruck in einer solchen Konstruktion wird die äußere Haut an den Füllstoff gepresst, dieser komprimiert und hierdurch ineinander verzahnt. Das Resultat ist ein Verbundwerkstoff ähnliches Material. Der Wahl des Füllstoffes sind hierbei keine Grenzen gesetzt. Wurden bei den ersten Versuchen von Ivan Petrovic noch rein Granulat ähnliche Stoffe eingesetzt, ging man den späteren Versuchen an der Universität Stuttgart oder der TU-Delft dazu über besonders alltägliche und einfach zu beschaffende Materialien zu verwenden. Angefangen vom Strohhalm bis hin zu Fußbällen wurden verschiedenste Materialeien getestet. Über die Eigenschaften des Füllstoffes können somit auch die Eigenschaften der Gesamtkonstruktion maßgeblich beeinflusst werden. So ist es beispielsweise durchaus möglich das wärmeleitende Verhalten hierüber zu steuern (siehe Punkt 6.2.2). Des Weiteren muss es sich nicht immer zwangsläufig um Partikel ähnliche Stoffe, also Stoffe aus 38

einer Vielzahl gleicher oder ähnlicher Grundkörper handeln, sondern es können auch größere, nicht gleiche Gegenstände in das System eingebunden werden. Ein Beispiel hierfür wären die vorangestellten Plusminus Projekte. Vielmehr geht es um das Prinzip, dass die, für Unterdrucksysteme notwendige, lastabtragende Primärstruktur durch, in den Unterdruck eingebundene und durch ihn konstruktiv miteinander verbundene, (Füll-)Materialien ersetzt wird.[39]

ze ist hier jedoch schwer zu ziehen. Bei einigen wie dem hier gezeigten Projekt der Air-B-Wall der TU Delft (Abb. 34), handelt es sich bei den eingeschlossenen Objekten eindeutig um pneumatische Körper. Im konkreten Fall Bälle, welche sogar separat mit Druckluft angesteuert werden, wodurch eine Änderung der Geometrie herbei geführt werden kann.

Auch wenn viele der Projekte streng genommen nicht den pneumatischen Hybriden zuzuordnen Ein häufig zur Verdeutlichung angeführtes Bei- sind, enthalten sie doch einige interessante Asspiel aus dem Alltag ist das vakuumverpackte pekte die im weiteren auch in hybride Strukturen Kaffeepäckchen. Jedem ist bekannt, dass dies integriert werden sollen. eine stabile Form besitzt welche ihre Steifigkeit unmittelbar verliert verletzt man die äußere Hülle. Somit stellt die Nutzung als Verbindungstechnik, welche ohne jegliche Art von Klebstoff oder anderen Verbindungsmitteln auskommt einen weiteren interessanten Aspekt dar. Die kraftschlüssige Fügung wird rein durch den Unterdruck erreicht und bildet im Gegensatz zum Kleben oder Schweißen eine zerstörungsfrei zu lösende Verbindung. Hinsichtlich der angestrebten Recyclierbarkeit im Bauwesen ein nicht zu unterschätzender Punkt.[40] Gleichwohl zeigt sich hierbei zugleich ein Problem dieser Konstruktionsweise. Fällt der Unterdruck weg verliert das Gebilde erheblich an Stabilität. Ein geregeltes System das für einen ständigen Unterdruck sorgt und auch kleinere Verletzungen der Haut ausgleichen kann, ist notwendig Die meisten Projekte der TU Delft oder des ILEK können jedoch nicht als pneumatischen Hybriden bezeichnet werden, da es sich bei vielen der eingeschlossenen Körper oder Partikel nicht um pneumatische Elemente handelt. Die GrenPLUSMINUS unltd.

Projektdaten:

32.Abb.:Vacuumatics, Ivan Petrovic Queens University Belfast,1970

Bezeichnung:

Vacuumatics/ Deflateables

Nutzung:

Versuchsreihen

Bauherr:

......................

Standort:

Belfast/Delft/Stuttgart

Baujahr:

1968/2007/2007

Architekt:

verschiedene

Ingenieur:

verschiedene

Membranfirma:

......................

Abmessung:

.....................

MembranflĂ¤che:

.....................

Membranmaterial :

verschiedene

StichhĂśhe:

.....................

Verankerung:

.....................

Demontage:

Druckdifferenzen Unterdruck Membran: .....................

34.Abb.:Air-B-Wall, Projekt der Deflateables, TU Delft, 2007

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33.Abb.:Teepavillion Projekt der Vacuumatics, ILEK, Stuttgart

4.4. Anwendung und Erweiterung der bestehenden Klassifikationen In dem folgenden Abschnitt wird, mit Hilfe der zuvor gesammelten Erkenntnisse und auf Basis der vorgestellten Klassifikationssystematiken, schrittweise eine eigene Systematik entwickelt. Dieses soll dabei helfen die zuvor beschriebenen Projekte in den Kontext der pneumatischen Konstruktionen besser einordnen zu können, sich bestimmter grundlegender Eigenschaften bewusst zu werden und nach dem Einführen der Adaptivität im darauffolgenden Kapitel erste neue Ansätze zu generieren. Hierbei sei erwähnt, dass auch wenn die Vorgehensweise der von Minke stark ähnelt, Ziel dieser Arbeit nicht ist, eine bestimmte, große Anzahl an Varianten abzubilden. Wie eingangs beschrieben, stellt das Arbeiten anhand von Klassifikationen also nur ein Hilfsmittel zur Strukturierung dar. Da die meisten der als Hybrid identifizierten Projekte mit diesem Element arbeiten, bildet auch die von Minke aufgestellte Klassifikation der Hochdruck-Schlauchkonstruktionen (Abb. 35) den Ausgangspunkt des weiteren Vorgehens. Die von Minke eingeführte Unterscheidung in Hochund Niederdruckkonstruktionen soll hierbei aber zunächst keine Rolle mehr spielen. Vielmehr geht es um die konstruktive Einteilung der Schlauchkonstruktionen als geometrische Grundform. Die schon vorhandenen Unterscheidungsmerkmale der Verbindungsart und des Verlaufes wurden in einem ersten Schritt um das der Konstruktionsebenen ergänzt. Dies macht von daher Sinn, als dass es wie das Plusminus Projekt der Gitterschale zeigt, durchaus vorkommen kann, 40

Verlauf

Verbindung

Konstruktionsebenen

- gerade /eben

- Einzelelement (keine Verbindung)

- eine Ebene

- geknickt

- diskontinuierlich (indirekte Verbindung)

- zwei Ebenen

- gebogen

- kontinuierlich (direkte Verbindung)

- drei Ebenen

Einzelelemente

diskontinuierlich

kontinuierlich

(keine Verbindung)

(indirekte Verbind.)

(direkte Verbindung)

gerade/eben

k geknickt

b gebogen

35.Abb.:Hochdruckschlauchsysteme, Minke, G.

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dass die Schläuche nicht in einer Ebene liegen sondern in mehreren übereinander angeordneten. Ein Vorgehen welches im Zusammenspiel mit dem Unterdruck, durch das Verpressen der beiden Lagen, konstruktiv nachvollziehbar wird. Verbindet man nun die entsprechenden Ausprägungen der jeweiligen Unterscheidungsmerkmale ist man in der Lage, die vorgestellten Projekte ihren Überdruckschläuchen entsprechend zu klassifizieren.

Schlauchkonstruktionen

Verlauf

Verbindung

Konstruktionsebenen

Floating Theatre

- gerade /eben

- Einzelelement (keine Verbindung)

- eine Ebene

- geknickt

- diskontinuierlich (indirekte Verbindung)

- zwei Ebenen

- gebogen

- kontinuierlich (direkte Verbindung)

- drei Ebenen

Gitterschale Plusminus

Messestand Plusminus

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Als nächste Ergänzung dient ein weiteres von Minke eingeführtes Kriterium. In seiner Aufstellung möglicher Kombinationen von Unter- und Überdruckkonstruktionen im Bereich der Niederdruckkonstruktionen benutzt er das Unterscheidungsmerkmal der Membranausbildung. Diese eingangs schon erläuterte Unterscheidungsmöglichkeit wurde also nicht nur auf Überdruck- sondern auch auf Unterdruckkonstruktionen angewandt. An das Ende der neu erstellten Klassifizierungs-Systematik gefügt, erlaubt dieses nun auch eine Aussage über die Ausbildung des Unterdruckelementes.

Schlauchkonstruktionen

Verlauf

Unterdruck

Verbindung

Konstruktionsbenen

Membranlagen

Floating Theatre

- gerade /eben

- Einzelelement (keine Verbindung)

- eine Ebene

- eine Lage

- geknickt

- diskontinuierlich (indirekte Verbindung

- zwei Ebenen

- zwei Lagen

- gebogen

- kontinuierlich (direkte Verbindung)

- drei Ebenen

Gitterschale Plusminus

Messestand Plusminus

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Um auch andere pneumatische Körper abbilden nation einzuordnen. Am Ende des übernächsten zu können, wird das Merkmal des Verlaufes der Kapitels, welches die Wandelbarkeit behandelt Schläuche durch das allgemeingültigere der Pro- wird diese Systematik weitergeführt. portion ersetzt. Da Herzog, dieses Kriterium am anschaulichsten eingebracht hat, bildet seine Version hierfür die Grundlage. Durch diesen Austausch der Unterscheidungsmerkmale ist man nun in der Lage auch Systeme mit Überdruckelementen abzubilden, die nicht der Schlauchform entsprechen. Eine Kombination dieser allgemeinen Beschreibung und der spezifischen Beschreibung der Schlauchkonstruktionen macht es zu dem möglich Systeme aus deren Kombi-

Überdruckelemente

Proportionen

Unterdruck

Verbindung

Konstruktionsebenen

Membranlagen

Floating Theatre - eine Dimension dominant

- Einzelelement (keine Verbindung)

- eine Ebene

- eine Lage

- zwei Dimension dominant

- diskontinuierlich (indirekte Verbindung

- zwei Ebenen

- zwei Lagen

- drei Dimension etwa gleich dominant

- kontinuierlich (direkte Verbindung)

- drei und mehr Ebenen Air-B-Wall

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4.5. Grundeigenschaften des pneumatischen Hybriden Anhand der bis hier gesammelten Erkenntnisse, besonders der aus der Analyse der gebauten Beispiel und der Arbeit mit und an den Klassifikationen, sollen nun einige der Grundeigenschaften des pneumatischen Hybriden herausgestellt und begrifflich eingeführt werden. Diese werden im Folgenden immer wieder auftauchen, zum einen weil sie weiter ergänzt werden, zum anderen sind sie Teil der Argumentationskette hinsichtlich der Potenziale dieser Konstruktionsweise. Ziel dieser Argumentation ist es herauszufinden wo die Stärken der Systeme liegen, in wie weit dies Vorteile gegenüber konventionellen Ansätzen bedeutet und wie diese Vorteile sinnvoll eingesetzt werden können. Ziel ist es hier nicht konventionelle Ansätze in ihrer Gänze zu verdrängen, sondern zu sondieren in welchen Fällen es Sinn macht die hier behandelten Systeme einzusetzen und so gegebenenfalls auch eine Symbiose von konventionellem System und pneumatischen Hybrid zu schaffen. 4.5.1. Vielzelligkeit Bei pneumatischen Konstruktionen bedeutet Vielzelligkeit, dass die Konstruktion aus mehreren von einander unabhängigen oder auch miteinander in Verbindung stehenden Volumen oder Kammern besteht. Eine Traglufthalle zum Beispiel besteht aus nur einer großen Zelle, welche einen höheren inneren Druck besitzt als der sie umgebende atmosphärische Druck. Ein alltägliches Beispiel einer vielzelligen pneumatischen Struktur ist die Luftmatratze. Diese ist in mehrere 44

zusammenhängende Kammern unterteilt, die in ihrer Addition ein zusammenhängendes System bilden. In der Natur kommt diese Konstruktionsweise der Vielzelligkeit häufig vor und hat sich in der Geschichte der Evolution bewährt. Frei Otto bezeichnet dieses Konstruktionsprinzip auch als Pneu im Pneu oder Groß Pneu.[41] Wie man besonders gut an den Beispielen der Air-B-Wall oder den Plusminus Projekten erkennen kann, besteht ein pneumatischer Hybrid, anders als eine Traglufthalle, immer aus mehreren Zellen. Natürlich kann die Anzahl hier stark variieren. Das Floating Theatre hatte drei Überdruckzellen, war aber wie beschrieben nicht gerade die effektivste Variante der Kombination von Unter- und Überdruck. Grundsätzlich benötigt man mindestens ein Unterdruck- und ein Überdruckelement, um ein hybrides pneumatisches System bilden zu können. Mit Erhöhung der Anzahl der Zellen steigt der Grad der möglichen Ausdifferenzierung und somit die Effizienz des Systems hinsichtlich der Reaktion auf lokale Einflüsse. Von einer generalisierenden Aussage: je höher die Anzahl der Zellen desto effektiver das System, ist jedoch abzusehen, da die Effektivität von mehreren Parametern abhängt und auch das Verständnis von Effizienz je nach Gegebenheit ein anderes ist. Was der Begriff der Ausdifferenzierung für die Systeme genau bedeutet wird im Weiteren der Arbeit herausgestellt. Allgemein bedeutet er, dass man den Zellen je nach lokalen Anforderungen unterschiedliche Eigenschaften zuweisen kann. Ein Umstand der bei einer Konstruktion wie der Traglufthalle nur schwer möglich wäre. Die Vielzelligkeit erlaubt also, soviel kann schon an dieser Stelle gesagt werden, eine gezielte Reakti-

on auf lokale Einflüsse oder Anforderungen. Ähnlich dem biologischen Ansatz, bei welchem auch nicht jede Zelle die identische Aufgabe erfüllt. Eine weitere Besonderheit der pneumatischen Hybride, auf welche im folgenden Punkt über den Unterdruck als Verbindungsmittel aber noch näher eingegangen werden soll, ist die Tatsache, dass die einzelnen Zellen in keiner Weise miteinander dauerhaft verbunden sein müssen. Sie können frei im Raum des Unterdruckes angeordnet und lediglich über diesen miteinander verbunden sein. Bei dem Beispiel der Luftmatratze hängen die einzelnen Kammern hingegen dauerhaft verbunden, über das Verschweißen der Hüllmaterielaien, zusammen. Natürlich können einzelne Zellen des Hybriden in sich auf eine solche Art weiter unterteil werden, wenn dies aus bestimmten Gesichtspunkten sinnvoll ist. Es ist aber grundsätzlich nicht notwendig, wodurch ein freies Positionieren der Zellen und ein Trennen der Materialgruppen, bei einer späteren Rezyklierung, möglich wird.

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4.5.2. Unterdruck als Verbindungsmittel Wie bei der Vielzelligkeit schon angedeutet wurde und man an den gebauten Beispielen sehen kann, ausgenommen die Airtecture von Festo, befinden sich die Überdruckelemente der Konstruktion meist innerhalb des Unterdruckes. Es kommt also zu einer konstruktiven Überschneidung der beiden pneumatischen Systeme. Der Sinn dieser Überschneidung wird, wie schon unter Punkt 3.5.1. erläutert, bei dem Ansatz der Vacuumatics deutlich. Hier wird der Unterdruck gezielt zur Verbindung der sich innerhalb der durch ihn stabilisierten Hülle befindlichen Elemente eingesetzt. Diese Art der Verbindung ist keine absolute Neuentwicklung der Vacuumatics sondern spätestens seit dem Versuch von Otto von Guericke mit seinen Magdeburgerhalbkugeln 1657 (Abb. 36)[42] bekannt und wird auch in der Technik, man denke nur an den allseits bekannten Saugnapf, häufig genutzt. An diesem aus dem Alltag bekannten und daher eventuell auch besser nach zu vollziehenden Beispiel wird auch der entscheidende Vorteil dieser Verbindungsart deutlich. Verdrängt man aus einem solchen Saugnapf die sich hinter ihm befindliche Luft, in dem man ihn an eine glatte Oberfläche presst, haftet dieser recht stabil an jener Oberfläche. Je nach Beschaffenheit der Oberfläche und des Saugnapfes kann man senkrecht zu der Oberfläche recht große Zugkräfte einbringen ohne, dass sich dieser lösen würde. Ein Beispiel zur Verdeutlichung wären hier die Tragegriffe für Fensterscheiben, bei denen ist die Verbindung gar so stabil ist, dass die Kräfte nicht mehr rein senkrecht auftreten können und man trotzallem in der Lage ist schwere Fensterscheiben, rein durch PLUSMINUS unltd.

die Verbindung mit Unterdruck, zu bewegen. Will man diese Verbindung von Saugnapf und Oberfläche wieder lösen, muss lediglich der Rand des Saugnapfes etwas angehoben werden. Der Unterdruck unterhalb des Saugnapfes gleicht sich mit dem atmosphärischen Druck aus, die Verbindung ist gelöst. Was dieses Beispiel deutlich machen soll ist, dass durch diese Verbindungsart große Kräfte übertragen werden können ohne, dass die verbundenen Elemente oder Materialien eine dauerhafte Verbindung eingehen müssen oder man auf konventionelle Verbindungstechniken angewiesen ist. Natürlich ist hier, hinsichtlich der Definition von pneumatischen Hybriden und der konstruktiven Überlappung von Über- und Unterdruck, das Ziehen einer klaren Grenze schwer. Die ursprüngliche Definition eines pneumatischen Hybriden besagt lediglich, dass er aus einer Kombination von Unterdruck- und Überdruckelementen besteht, was eine Konstruktion wie die Airtecture-Hall von Festo ebenfalls als pneumatischen Hybriden klassifizieren würde. So gesehen ist die Kombination von Unter- und Überdruck als eine Grundvoraussetzung anzusehen, die Überlappung und damit einhergehende Verbindung durch den Unterdruck als Grundeigenschaft. Somit ist die Airtecture-Hall als eine pneumatische hybride Konstruktion im Allgemeinen anzusehen, jedoch fehlt ihr eine wesentliche Grundeigenschaft, was sich auch unweigerlich auf ihre Effizienz auswirkt.

37.Abb.:Gleichgewichtsform von Seifenblasen aus Pneus in Natur und Technik

36.Abb.: Skizze der Magdeburger Halbkugel von Caspar Schotts www.de.academic.ru

4.5.3. Vielschichtigkeit Als logische Konsequenz aus der Verbindung durch den Unterdruck heraus besitzt das Unterdruckelement immer das Merkmal der Zweilagigkeit nach Minke. Es besteht also aus einer äußeren Membranlage, einer inneren Membranlage und dem sich zwischen den beiden Lagen befindlichen durch seinen Unterdruck geprägten Raum. Dieser würde, wenn sich keine zusätzlichen Elemente innerhalb dieser befinden, durch den Unterdruck auf ein Minimum zusammengepresst. Wie aber schon bei den beiden vorangestellten Punkten aufgezeigt wurde, besteht das Wesen des pneumatischen Hybriden darin, dass dieser Zwischenraum zur Anordnung weitere pneumatische Zellen und Funktionen dient. Man kann also festhalten, dass sich die Konstruktion aus mindestens drei Schichten, den beiden Membranlagen und ihrem Zwischenraum, zusammensetzt. Je nach Art und Beschaffenheit der in diesem dynamischen Raum angeordneten Elemente, kann sich diese Anzahl der Schichten noch steigern. Eine solche Steigerung kann natürlich auch zur Einflussnahme auf die Eigenschaften der Konstruktion instrumentalisiert werden. So kann, wie unter dem Punkt Adaptivität näher erläutert, auch eine dynamische Regelung der Schichtanzahl etabliert werden um auf bestimmte sich ändernde Umwelteinflüsse zu reagieren.

dene Funktionen und Eigenschaften zugewiesen werden. Man könnte hier also auch von einer Vielschichtigkeit der Systeme sprechen und es zeigt sich, dass die Verzahnung der einzelnen Grundeigenschaften eine weitere Steigerung der Effizienz hervorbringt.

Eine andere Option die der Schichtaufbau mit sich bringt ist ein mögliche Ausdifferenzierung ähnlich der Vielzelligkeit. Es können also den verschiedenen Schichten der Konstruktion in Zusammenspiel mit dem Verbindungsmittel Unterdruck je nach lokalen Anforderungen verschie46

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Grundeigenschaften des pneumatischen Hybriden

Vielzelligkeit Verbindungsmittel Unterdruck Vielschichtigkeit 1

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2 3

Material

Im Folgenden sollen die Anforderungen an Materialien aus dem Bereich der pneumatischen Architektur wieder gegeben sowie die gängigsten Vertreter mit ihren spezifischen Eigenschaften kurz vorgestellt werden. Des Weiteren sollen auch hier vorhandene oder eventuell schon angedachte Entwicklungspotenziale aufgezeigt und in den Kontext der pneumatischen Hybride gestellt werden. Die wohl wichtigste Anforderung an die zu verwendenden Materialien ist die der Dichtigkeit. Hierbei sei aber gesagt, dass eine absolute Diffusionsdichte von keinem der typischen Materialien zu erwarten ist.[43] Aus diesem Grund ist ein druckregulierendes System, welches die Druckdifferenz aufrecht erhält, unabdingbar. Hierauf wird noch einmal gezielt unter dem Punkt 7.1. zum Thema Redundanz eingegangen werden.

39.Abb.: Ausschnitt Plusminus Messestand

Weitere Anforderungen sind besonders bei einem Einsatz im Außenbereich eine UV-, Pilz- oder Säureresistenz, also eine Unempfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen. Es sollte dem Einsatz entsprechend eine ausreichende Festigkeit vorliegen und möglichst nicht brennbar oder zumindest schwer entflammbar sein. Ist eine Wandelbarkeit der Konstruktion möglich muss das Material zudem unempfindlich gegenüber Knicken sein. All diese Anforderungen mit einem Material zu erfüllen ist schwer und daher kommt es auch häufig zu einer Kombination verschiedenartiger Materialien, wie im Beispiel der beschichteten Gewebe.[44] Grundsätzlich gibt es zwei Gruppen von verwen-

38.Abb.: mechanisch vorgespannte Membran, aus Seidel, 2008

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deten Materialien. Auf der einen Seite die schon erwähnten beschichteten Gewebe oder technische Membrane, welche auch vorwiegend bei mechanisch vorgespannten Konstruktionen verwandt werden. Auf der anderen Seite finden sich die Folien. Diese sind viel leichter und können wie bei der häufig erwähnten ETFE Folie auch hohe Transparenzgrade erfüllen. Natürlich ist ihre mechanische Belastbarkeit wesentlich geringer als die der Gewebe. Eine weitere in dieser Arbeit aber nicht weiter berücksichtigte Gruppe ist die der Netze oder offenen Gewebe. Diese können auf Grund der nicht vorhandenen Dichtigkeit auch nur in Verbindung mit entsprechenden Folien verwendet werden.[45] Auch handelt es sich hier um keine vollständige Wiedergabe aller möglichen Materialien und Werkstoffe, es soll lediglich ein Überblick sowie ein Ausblick über anstehende Entwicklungen gegeben werden. Zudem sollen Konsequenzen beziehungsweise Potenziale für den Hybriden bestimmt werde.

5.1.

Beschichtete Gewebe

Bei beschichteten Geweben handelt es sich um Gewebe aus hochfesten Fasern, welche über die klassische Webtechnik mit Kette und Schuss gefertigt werden. Bedingt durch diese Fertigungstechnik, bei der die Schussfäden zwischen den Kettfäden durchgeschossen werden und sich anschließend um diese wellen, ergeben sich unterschiedliche Dehnungseigenschaften in der jeweiligen Richtung. Die fertigen Gewebe werden mit einer sie abdichtenden und vor Umwelteinflüssen schützenden Beschichtung versehen, PLUSMINUS unltd.

welche mit Hilfe einer speziellen Oberflächenbehandlung gegen weitere Einflüsse beständig gemacht werden kann. Zudem dichtet die Beschichtung die Gewebe ab. Bei den mechanisch vorgespannten Konstruktionen gegen Wasser, bei pneumatischen Konstruktionen gegen Luft. Das Gewebe übernimmt in diesen „Composite“ Werkstoffen die Funktion der Lastabtragung.[46] Die vorkommenden Membranstoffe unterscheiden sich nach der Art der verwandten Faser und der Beschichtung.[47]

Polyester an sich stellt eine Zusammenfassung verschiedener Kunststoffe mit ähnlichen Festigkeiten dar.[50] Die hier gemeinten Polyesterfasern sind meist aus dem dieser Gruppe entstammenden PET. Diese zeichnen sich durch ihre hohe Flexibilität und Knickbeständigkeit aus, weshalb sie auch häufig für wandelbare Konstruktionen eingesetzt werden. Aufgrund ihrer schlechten UV-Beständigkeit muss jedoch beachtet werden, dass dies immer durch entsprechende Beschichtungen oder konstruktive Maßnahmen kompensiert wird.[51]

Die Einteilung dieser technischen Textilien erfolgt nach ihrem Flächengewicht, welches sich auch Glasfasergewebe mit PTFE-Beschichtung auf den Grad ihrer jeweiligen Lichttransmission Hier handelt es sich um eine Membrane mit hoauswirkt. her Festigkeit und langer Lebensdauer. Sie wird Polyestergewebe mit PVC-Beschichtung immer dann eingesetzt, wenn große Spannweiten überbrückt werden müssen.[52] Die klassische LKW-Plane und das für Anwendungen mit geringer Spannweite in der Architek- Die Vorteile der PTFE Beschichtung liegen in ihtur am meisten verwandte Material. Es ist verhält- rer Beständigkeit gegenüber Pilzen und cheminismäßig günstig jedoch auch nicht so belastbar schen Substanzen, die selbstreinigende Oberfläund langlebig wie andere Membrane. Mit Hilfe che mindert den Wartungsaufwand. Das Material moderner Beschichtungstechniken kann aber zeigt zudem ein äußerst gutes Brandverhalten. ein besserer Schutz der Membran gegen äußere Bei Auslieferung besitzt das Material häufig noch Einflüsse erreicht werden und Einsatzdauern von eine beige Farbe, bleicht aber durch den Einfluss der UV-Strahlung mit der Zeit aus und nimmt ei20 – 30 Jahren sind keine Seltenheit mehr[48] nen weißen Farbton an.[53] Glasfasergewebe ist Das PVC, oder Polyvinylchlorid der Beschichtung bekannt für seine hohe Festigkeit, ist aber gleichist im Baubereich der am häufigsten vorkomzeitig relativ spröde und daher recht knickempmende Kunststoff. Er wurde schon 1912 entwifindlich, es wird daher nicht für wandelbare Konckelt und ist somit gleichzeitig der älteste der im struktionen eingesetzt. Baubereich gängigen Kunststoffe. PVC gehört zu der Gruppe der Thermoplaste und zeichnet Glasfasergewebe mit Silikon-Beschichtung sich durch eine gute Alterungsbeständigkeit, seiDas Material weißt eine besonders hohe Brandne hohe Festigkeit, Resistenz gegenüber chemisicherheit auf, ist wesentlich knickbeständiger schen Substanzen, sowie ein gutes Brandverhalals Glas-PTFE und relativ resistent gegenüber Alten aus. [49] 49

5.2.

terungsprozessen. Zudem besitzt es eine dreimal höhere Lichttransmission als Polyester-PVC und auch eine wesentlich höhere als Glas-PTFE. Durch die elektrostatische Aufladung der Beschichtung neigt es jedoch zu einer schnellen Verschmutzung. Silikon beschichtete Gewebe sind allgemein nicht schweißbar, was die Fügung recht kompliziert macht. Der bekanntere Begriff für dieses Material ist Teflon.[54].

Der Begriff Folie wird aus dem lateinischen begriff Folium für Blatt abgeleitet und beschreibt die verhältnismäßig geringe Materialstärke der Werkstoffe.[56]

Beschichtete PTFE Gewebe PTFE Gewebe zeichnen sich durch ihre hohe Knickbeständigkeit aus und werden daher auch häufig für wandelbare Konstruktionen verwandt. Mit neuentwickelten Fluorpolymerbeschichtungen erreichen die Gewebe eine ähnliche lichtstreuende Wirkung wie weiße ETFE Folien.[55] Im Gegensatz zu den vorangestellten Materialien kommt es, da es recht teuer ist, aber eher selten zum Einsatz.

Folien

40.Abb.: Regionalbad „Rheinwelle“ Bingen, CenoTec

Das vorwiegende Aufgabengebiet im Baubereich ist die der Verbesserung der Dichtigkeit verschiedener Bauteile oder als Ergänzung hinsichtlich anderer bauphysikalischer Gesichtspunkte.[57] Bei der Verwendung für pneumatische Konstruktionen kommen aber noch andere Eigenschaften dieser Werkstoffe zum Tragen. So stellen besonders die Leichtigkeit und die Möglichkeit hoher Transparenzgrade entscheidende Vorteile dar. Die Herstellung der Folien kann in zwei unterschiedlichen Verfahrensweisen erfolgen. Dem Kalandrieren und dem Extrudieren. Bei dem Kalandrieren wird die Folie aus ihrem pulverförmigen Rohstoff unter Einwirkung von Hitze unmittelbar ausgewalzt. Besonders PVC Folien werden auf diese Weise gefertigt. Das Extrudieren erfolgt mittels Vorschieben des erhitzten Rohstoffes durch eine Plastifizierschnecke. Wird hierbei mit einem Breitschlitzwerkzeug am Ende gearbeitet, erhält man als Ergebnis eine Flachfolie, wird eine Ringdüse verwandt, formt diese die Masse zunächst zu einem Schlauch. Um aus dieser wiederrum wenn gewünscht eine Flachfolie zu gewinnen, wird dieser der Länge nach aufgeschlitzt.[58] Die Möglichkeit die Eigenschaften der verschiedenen Folien gezielt über so genannte Additive während des Herstellungsprozesses zu steuern stellt einen wesentlichen Vorteil dar. So kann neben Eigenschaften wie dem Brandverhalten auch

41.Abb.: PA - Folienschlauch, studioltd

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auf die optische Erscheinung wie die Lichtdurch- (High density) vor. Hinzu kommen noch spezielle lässigkeit oder die Farbe beeinflusst werden. Ausführungen verschiedener Hersteller, die sich durch die Zugabe verschiedener Additive unterPVC-Folie scheiden. HDPE ist stabiler gegenüber UV-StrahPolyvinylchlorid war der erste Werkstoff der ei- lung und erreicht so eine Lebensdauer von bis ne transparente Hülle ermöglichte und ist daher zu 6 Jahren. Über die erwähnten Additive könfür die Geschichte der pneumatischen Bauten nen weitere Eigenschaften, wie zum Beispiel das durchaus von Bedeutung. Nachteilig ist jedoch, Brandverhalten beeinflusst werden.[62] Der Werkdass die Folien aus Weichmacher haltigem PVC- stoff ist zudem recht preiswert und wird daher P hergestellt werden und hierdurch nicht gerade häufig eingesetzt wenn es mehr auf den Preis als in hohem Maße UV sowie temperaturbeständig die Beständigkeit ankommt. Aufgrund des Preissind.[59] Die sonstigen Materialeigenschaften sind vorteils und seiner hohen Lichttransmission ist eigleich denen der Beschichtung unter Punkt 4.1. nes der vorwiegenden Einsatzgebiete der Folien Wie schon angedeutet kommt diesem Werkstoff der Gewächshausbau.[63] im Kontext der Arbeit eine große Bedeutung zu, Polyamidfolien da es in der Hochphase der pneumatischen Architektur wohl eines der meist genutzten Materia- PA-Folien finden hauptsächlich in der Lebensmitlien darstellt. Aufgrund der aufgeführten Nachteile telverpackung Verwendung. Die bei den Plusmiund der schlechten mechanischen Belastbarkeit nus Projekten verwendeten Schlauchfolien, welwerden diese Folien heute jedoch meist nur noch che aus der Kunstdarmproduktion stammen, im Innenbereich eingesetzt.[60] bestehen beispielsweise aus einem mehrschichtigen Polyamid Werkstoff. Häufig kommen auch Polyesterfolie modifizierte Polyamide oder sogenannte PA – Polyester ist ein nicht schweißbarer duroplasti- Blends zum Einsatz. Hierbei wird der Kunststoff scher Kunststoff mit einer geringen Dehnbarkeit. mit anderen kombiniert um seine Eigenschaften Die aus diesem Werkstoff hergestellten Folien hinsichtlich bestimmter Anforderungen zu verbesitzen im Vergleich die geringste Gasdurchläs- bessern. [64] sigkeit und sind nur mit Hilfe von Klebstoffen zu In der Architektur findet das Material bisher einzig Verbinden. Bekannt ist der Kunsstoff auch unter als Speerfolie für Dächer eine Verwendung. Seider Bezeichnung PET, zum Beispiel als Rohstoff ne Eigenschaft zur Feuchtigkeitsaufnahme stellt für Getränkeflaschen.[61] hier das größte Hindernis dar. Aus diesem Grund Polyethylen Folien kann der Werkstoff auch nur für solche Arten von Konstruktionen eingesetzt werden, bei welchen Das unter der Bezeichnung PE geläufige Mateein Kontakt mit Feuchtigkeit restlos auszuschlierial ist ein thermoplastischer Kunststoff. Die Foßen oder aufgrund eines kurzen temporären Einlien sind gut schweißbar und kommen in den satzes zu vernachlässigen ist. Ausführungen LDPE (Low Densety) und HDPE PLUSMINUS unltd.

ETFE Folien Ethylen Tetrafluorethylen ist die vollständige Bezeichnung dieses Thermoplastes. Es ist der wohl momentan am meisten verbreitete Folienwerkstoff in der Architektur. Dies liegt an mehreren seiner spezifischen Eigenschaften die für den Einsatz im Bausektor äußerst vorteilhaft sind. Eine solche Grundeigenschaft des ETFE ist, dass es eine der stabilsten bekannten chemischen Verbindungen darstellt und somit besonders resistent gegenüber aggressiven Belastungen wie Säuren Pilzen etc. ist. Zudem besitzt es eine sehr hohe Transparenz, mit 90% Lichtdurchlässigkeit im sichtbaren Bereich von 400 – 700 nm/UV. Dies kann energetisch in Form von solarem Eintrag genutzt werden und macht die Folie auch aus ökologischen Gesichtspunkten interessant.[65] Durch seine stabile chemische Verbindung kann er des Weiteren ohne Probleme recycelt werden. Einzig sein Preis ist etwas nachteilig. So ist ETFE noch immer viel teurer als PE und bei weitem nicht so leicht schweißbar. Dies spricht aber auch wiederum für die hohe Temperaturbeständigkeit von -50 bis 150 C.[66] Des Weiteren besitzt der Werkstoff eine im Vergleich sehr hohe mechanische Belastbarkeit.[67]

5.3.

Halbzeuge

Sowohl die beschichteten Gewebe als auch die Folien werden meist als Flachware auf Rollen geliefert. Hierbei gilt es zu beachten, dass es Hersteller und Material bedingte maximale Breiten gibt. Dies spielt besonders bei der Konfektionierung und Vorbereitung der Zuschnittsdaten eine Rolle. Bei den Folien gibt es noch die Möglichkeit der extrudierten Schläuche. Hierbei können zum einen die Schläuche die als Vorstufe bei den extrudierten Flachfolien anfallen verwendet werden oder Produkte aus der Verpackungsindustrie. Bei den Plusminus Projekten wurden häufig sogenannte Kunstdärme aus der Wurstfabrikation verwendet. Diese können günstig in großen Mengen bestellt werden. Hierbei gilt aber ebenfalls zu beachten, dass es material- und herstellerbedingt unterschiedliche Eigenschaften und Nenndurchmesser gibt. Bei Geometrien und Systemansätzen, die wie die Gitterschale oder der Messestand auf schlauchförmigen Pneus aufbauen, bieten diese eine kostengünstige und arbeitssparende Alternative zu extra konfektionierten Schläuchen.

5.4.

Eine für die Zukunft, auch die der pneumatischen Konstruktionen, entscheidende Entwicklung wird aber die Optimierung der Rezyklierbarkeit sowie der vom Öl als Rohstofflieferant unabhängigen Materialien sein. Schon heute gibt es erste Biokunststoffe, hergestellt aus Stärke oder Zellulose. Für deren breiten technischen Einsatz bedarf es aber noch weitergehender Forschungen.[69] Dieser Ansatz stellt aber eine gute Möglichkeit dar, die gesamtzyklische Energie- und Ressourcenaufwendung der hier betrachteten Systeme weiter zu optimieren. Die vielen vorhandenen Ansätze lassen auf die Erschließung neuer Potenziale auch hinsichtlich der Weiter- und Neuentwicklung der pneumatischen Architektur hoffen.

Ausblick

Die möglichen Potenziale die in der Entwicklung neuer oder der Weiterentwicklung schon bekannter Kunststoffe liegen beschreiben ein weites Feld. Prinzipiell ist zu sagen, dass in Zukunft besonders die Adaptivität der Materialien an sich wie auch die Energiegewinnung an Bedeutung gewinnen wird. Hier sind besonders die Entwicklung neuer Photovoltaikzellen zu nennen oder 52

die Optimierung der Werkstoffe hinsichtlich der passiven solaren Nutzung. Auch bezüglich der Wärmespeicherung wird durch die weitere Entwicklung der schon bekannten Phase Change Materials (PCM) einiges zu erwarten sein. Weitere Forschungsgebiete bilden die Integration von Beleuchtungseffekten oder die Entwicklung schaltbarer Aktoren.[68]

42.Abb.: Pilot Anlage zur Folienherstellung von Nowofol

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5.5.

Der Hybrid

te Kombination unterschiedlicher Materialien, bei gleichzeitigem Verzicht auf konventionelle FügeWie schon unter Punkt 4.4. erläutert, gibt es vie- techniken. Bei einem späteren Rückbau ist sole verschiedene Ansätze hinsichtlich der Weiter- mit eine Trennung der Materiealien durch einfache entwicklung der für die Pneumatik so wichtigen Maßnahmen möglich. Materialien. Was aber den Hybriden auszeichnet Aber nicht nur dieses Eingehen auf lokale Anfordeist einmal mehr seine ausdifferenzierte Funktionsrungen durch eine gezielte Kombination der Mateund Bauweise, welche eine Integration verschierialien ist möglich, auch die Integration von Matedener Materialien zulässt. Hierbei kommen alle rialien mit einer ganz bestimmten Funktion wie die drei der schon vorgestellten Grundeigenschaften der Energiegewinnung oder die Verbindung von zum Tragen. pneumatischer Adaptivität und geeignetem MateDurch seine beschriebene Vielzelligkeit kann ge- rial scheint auf einfachstem Weg möglich. zielt auf lokale Einflüsse reagiert werden. So könnte theoretisch, wenn dies erforderlich wäre, jeder Grundeigenschaften des pneueinzelnen Zelle je nach lokaler Anforderung ein matischen Hybriden unterschiedliches Material zugewiesen werden. Eine Zelle bei welcher eine hohe Transparenz Material nicht erforderlich ist, eine hohe Festigkeit allerdings notwendig erscheint, könnte demnach mit einem beschichteten Gewebe versehen werden, Vielzelligkeit während eine andere aufgrund einer gewünschten Transparenz aus entsprechenden Folien gefertigt wird. Die Vielschichtigkeit erlaubt ein ähnliches Vorgehen. Unterschiedliche Schichten könnten mit unterschiedlichen Materialien entsprechend ihren Anforderungen versehen werden. Die innere Hüllschicht kann zum Beispiel aus stark transluzentem Membrangewebe sein während die Äußere eine hochtransparente Folie ist, die der Förderung des solaren Eintrags dient. Zwischenschichten könnten mit entsprechenden wärmedämmenden Materialien ergänzt werden. Der verbindende Unterdruck ermöglicht hierbei diese auf lokale Anforderungen hin optimierPLUSMINUS unltd.

Differenzierung des Materials nach lokaler Anforderung

Integration weiterer Funktionen Differenzierung des Materials unterschiedlicher Schichten

Vielschichtigkeit

Verbindungsmittel Unterdruck

Rezyklierfreundliche Verbindungsmethode verschiedener Materialien Keine konventionellen Verbindungsmethoden bei unterschiedlichen Zellen

2 3

Wandelbarkeit/Adaptivität

Adaption oder Anpassung ist ein Begriff der maßgeblich durch die Biologie geprägt wurde. Er beschreibt die Fähigkeit eines Organismus sich an verändernde, auf ihn einwirkende, Umwelteinflüssen einzustellen und anzupassen. Eine solche Adaption, die durchaus auch auf technische Systeme übertragbar ist, hat ebenfalls immer eine Steigerung der Funktionalität zum Ziel.[70] Pneumatische Systeme besitzen quasi schon a priori eine bestimmte Art von Adaptivität als systeminhärente Komponente. So sind sie in der Lage auf äußere, sich ändernde Lasten durch eine Regulierung beziehungsweise Anpassung ihres inneren Druckes zu reagieren.[71] Wolfgang Naumer beschrieb dies in seiner Dissertation als: „(…) Tribut an die extreme Leichtigkeit der Bauweise“[72]. Die zweite grundlegende Möglichkeit einer Adaption liegt in der geometrischen Anpassung ihrer äußeren Form. Dies kann auch als Wandelbarkeit bezeichnet werden. Die Unterschiede dieser beiden Möglichkeiten sollen in den folgenden Punkten erörtert werden. Des Weiteren wird die Möglichkeit einer Übertragung auf die hybriden pneumatischen Systeme überprüft.

6.1.

43.Abb.: Phallusartiger Symbolturm, Expo 1970, aus von Schoor

Anpassung des Luftdruckes

Wie eingangs angedeutet, sind pneumatische Konstruktionen in der Lage mittels ihres Luftdruckes auf sich ändernde äußere Lasten zu reagieren. Sie sind in diesem Punkt allen konventionellen Konstruktionsarten überlegen die bei ihrer PLUSMINUS unltd.

Planung auf das anzunehmende Maximum ausgelegt werden und dadurch verständlicherweise nicht die Effizienz eines anpassungsfähigen Systems besitzen können.[73] Topham beschrieb dies etwas metaphorisch, in Anlehnung an die Evolutionstheorie, als einen Vorteil allen anderen, auch im ersten Augenblick robuster anmutenden „Spezies“ gegenüber.[74] Der Vergleich mag etwas sehr theatralisch erscheinen, macht aber deutlich, dass es nicht immer auf eine maximal mögliche Robustheit sondern, in Zeiten eines schnellen Wandels, vielmehr auf eine hohe Anpassungsfähigkeit auf sich ständig ändernde Umstände ankommt.

rialien ab.

die weiteren Betrachtungen dar. Durch neue und eigene Ansätze angereichert, soll ein Überblick Der Fokus dieser Arbeit liegt jedoch weniger auf über die Möglichkeiten und Potenziale die hier diesem Aspekt der Adaptivität und mehr auf dem noch ruhen geschaffen werden. einer geometrischen Anpassung innerhalb der hybriden pneumatischen Systeme. In seiner Dissertation lieferte von Schoor einige grundlegende Definitionen, wie die Unterscheidung der mechanischen und pneumatischen 6.2. Wandelbarkeit oder geometrische Wandelbarkeit, welche im Folgenden erläutert Anpassung wird.

Erfolgt durch eine Änderung der Druckdifferenz eine Änderung der Form der pneumatischen Konstruktion oder eines ihrer Teile, so stellt dies eine geometrische Anpassung oder auch eine Wandelbarkeit dar. Hierbei kann man mehrere ArDas pneumatische Systeme zu einer solchen An- ten einer geometrischen Anpassung definieren. passung fähig sind liegt an der Tatsache, dass sich die Membranspannung, also die nötige Zwar ist der Begriff der Wandelbarkeit spätestens Vorspannung, aus der Druckdifferenz und dem seit der IL Publikation „Wandelbare Dächer“ ein Krümmungsradius der Konstruktion ableitet. Mit fester Bestandteil des Leichtbaues, jedoch ist auf einer Erhöhung der Druckdifferenz geht also auch dem Gebiet der pneumatischen Architektur hierdie Erhöhung der Vorspannung einher, welche zur zu noch recht wenig passiert. Dies verwundert Lastabtragung nötig ist. Da dieser Zusammen- umso mehr, als dass gerade diese Möglichkeit, hang für die Unterdruck-stabilisierten Systeme einer Interaktion mit Umwelteinflüssen und Nutebenso gilt, können natürlich auch solche Kon- zern, einer der Punkte war, der bestimmte Grupstruktionen eine Anpassung der Druckdifferenz pen der Popart wie Archigram an der Thematik vornehmen und auf sich ändernde Lastsituatio- der pneumatischer Strukturen reizte. So sind in nen reagieren. Diesem klaren Vorteil der pneu- deren Hochzeit einige skizzenhafte eher avantmatischen Bauweise sind jedoch auch Grenzen gardistische Konzepte zu Papier gebracht wor[75] gesetzt. Ab einem bestimmten Innendruck fängt den, jedoch nur wenige wurden umgesetzt. die Hülle des Pneus an sich zu dehnen, bis der Die wohl erste theoretische Auseinandersetzung Druck wieder geringer und das Material wieder in aus konstruktiver Sicht mit dieser Thematik ist die der Lage ist diesem Stand zu halten. Die Grenze Dissertation von Berthold von Schoor über „Wanalso, bis zu der es möglich ist die Konstruktion delbare Pneus“ aus dem Jahre 1973. Da seit diedurch eine Erhöhung der Druckdifferenz wider- ser Arbeit in dem Bereich nichts Vergleichbares standsfähiger gegen äußere Einflüsse zu ma- mehr geschehen ist, stellt sie auch die Basis für chen, hängt stark von den verwendeten MatePLUSMINUS unltd.

6.2.1. Mechanische Wandelbarkeit nach Berthold von Schoor Eine mechanische Wandelbarkeit pneumatischer Konstruktionen liegt immer dann vor, wenn die Formänderung per Hand oder mechanisch herbeigeführt wird. Die Druckdifferenz wird nur noch zur Erzeugung der formstabilisierenden Vorspannung benötigt.[76] Fährt man zum Beispiel eine Membran zuerst durch eine Stützkonstruktion in Stellung um sie anschließend pneumatisch vorzuspannen, handelt es sich um eine mechanische Wandelbarkeit. Ein Beispiel ist die wandelbare Traglufthalle von Krupp Universalbau (Abb. 45). Bei dieser Projektstudie, sollten zunächst pneumatische Bögen mechanisch in Stellung gebracht werden um anschließend die Hülle durch einen inneren Überdruck zu stabilisieren. Zwar mag auch, in diesem Teil der geometrischen Adaptivität, ein gewisses Potenzial liegen, für das weitere Vorgehen wird der Fokus aber auf die im Folgenden näher erläuterte pneumatischen Wandelbarkeit gelegt.

44.Abb.:Ivan Petrovic University of Belfast room-cells

45.Abb.:Wandelbare Traglufthalle mit Luftschläuchen Krupp Universalbau, aus Herzog, T., 1970

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6.2.2. Pneumatische Wandelbarkeit nach Berthold von Schoor Wie schon aus dem vorangestellten Teil zu schließen ist, handelt es sich bei der pneumatischen Wandelbarkeit um eine Formänderung die rein auf eine Änderung des Luftdruckes zurückzuführen ist. Es werden also keine weiteren mechanischen Hilfskonstruktionen, außer der pneumatischen, benötigt.[77]

struktion auch an ein regelbares pneumatisches System angeschlossen sein müssen. Hierzu müssen innerhalb der Konstruktion die nötigen Versorgungsleitungen sowie eine hinreichenden Steuer- und Regeltechnik integriert werden. Die Aufgabe, dies in ein architektonisches Konzept zu integrieren, ist ein nicht zu unterschätzender Punkt.

An mancher Stelle mag es sinnvoll sein auf eine solch mechanische Wandelbarkeit zurückzugreifen, die rein pneumatische stellt jedoch die konsequentere Variante dar und sollte, wenn möglich, auch den Vorzug erhalten. Neben dieser eher als formal zu betrachtenden Begründung gibt es aber auch einen objektiven Gesichtspunkt der für diese Variante spricht. Mechanische Konstruktionen beinhalten in diesem Fall immer Bestandteile, die nicht pneumatisch sind. Diese bestehen demnach aus steifen oder zumindest im Fall von Seilen massiven, nur auf Zug belastbaren, Einzelteilen. Dies hat zwei, dem pneumatischen Prinzip gegensätzlichen, Auswirkungen. Zum einen wird die Konstruktion schwerer und zum anderen erhöht sich bei mobilen Konstruktionen das Transportvolumen. Man sollte also immer abwägen was Sinn und Zweck der Konstruktion ist und die dem entsprechende Variante wählen. Grundsätzliche ist aber festzuhalten, dass die rein pneumatische diejenige mit dem geringeren Ressourcenaufwand darstellt. Um eine pneumatische Wandelbarkeit oder Anpassung der Form jedoch gewährleisten zu können muss zuvor bedacht werden, dass die entsprechenden pneumatischen Teile der KonPLUSMINUS unltd.

46.Abb.: Air-Coil-System, entwickelt 1971 am MIT von S.R. Wellesley-Miller, vielzellige Konstruktion, die durch einen unterschiedlichen Druck auf den beiden Seiten ein Einrollen möglich macht.

wandelbar. Als Beispiele sollen hier das große Durchstülpkissen der Firma Krupp (Abb 48 & 49) und der phallusartige Symbolturm beim Mitsui Im Allgemeinen versteht man, wie schon zu Be- Pavillon auf der Expo 1970 (Abb 43) dienen. ginn dieses Kapitels beschrieben, unter Adaptivität eine Anpassungsreaktion auf Umwelteinflüs- Eine solche globale Wandlung bedeutet, die Anpassung verändert die Konstruktion in Ihrer Gese. samtheit. Eine Variante der geometrischen AnSolche auf die Konstruktion wirkenden Einflüs- passung die dann Sinn macht wenn es sich se sind meist nur schwer exakt vorhersehbar, um eine einteilige große Konstruktion handelt, wie Licht Wind oder Regen. Sie müssen daher wie es zum Beispiel bei den Traglufthallen oder von einer objektiven Sensorik innerhalb des Sys- sehr großformatigen Kissen der Fall ist. In diesem tems erfasst und verarbeitet werden. Das Sys- Fall besteht aber auch kaum eine andere Wahl tem selbst muss also von sich aus durch eine als einer solchen globalen Anpassung. Ein solentsprechende Steuer- und Regeltechnik, än- cher Vorgang ist jedoch ungleich komplexer und dernde äußere Einflüsse abwägen und bewerten schwieriger als eine lokal begrenzte Anpassung, können. Neben dieser rein objektiv technischen bei der eben nicht die gesamte Konstruktion Abfolge gibt es aber noch eine vom Nutzer aus durch die Transformation beeinflusst wird. Alleine rein subjektiven Gründen ausgelöste geome- das in der Konstruktion sinnvolle „Verstauen“ der trische Anpassung. Ein einfach nachzuvollzie- in einem der Zustände nicht gespannten Memhendes Beispiel hierfür könnte das durch einen bran, stellt ein nicht unerhebliches Problem bei Nutzer ausgelöste Öffnen oder Schließen einer solchen Konstruktionen dar. Von Schoor entwiPerforation innerhalb der Konstruktion sein. Hier- ckelte hierfür verschieden Lösungsansätze wie zu ist keine aufwendige Sensorik nötig. Es gibt den Membraneinzug in Wulsten oder die gerollalso eine Nutzer-bestimmte sowie eine durch ten Schläuche[78]. All diese Lösungen haben jeUmwelteinflüsse hervorgerufene Anpassung der doch einen Nachteil. Unter Umständen sind sehr Form. große Membranflächen zu verstauen, die im eingerollten oder gerafften Zustand ein recht großes Volumen einnehmen. Besteht also die Möglich6.2.4. Lokale bzw. globale geometrische keit wie bei den hybriden pneumatischen SysAnpassung temen die Konstruktion in eine Addition kleinere Eine Änderung der äußeren Form kann diese in Bestandteile aufzulösen, kann dies eine Wandelihrer Gesamtheit oder nur einen partiellen Bereich barkeit wesentlich vereinfachen. Zudem wird die betreffen. Dies klingt zunächst recht trivial ist aber Konstruktion in ihrer Anpassungsfähigkeit weeine alles andere als unwichtige Unterscheidung. sentlich flexibler. So muss sich nicht mehr die geSo waren die meisten der von von Schoor vor- samte Konstruktion auf einmal anpassen. Die Angestellten pneumatischen Konstruktionen global passung kann je nach Anforderung auch örtlich 6.2.3. Nutzer bzw. umweltbestimmte geometrische Anpassung

begrenzt und durchaus auch an mehreren Stellen gleichzeitig erfolgen. Eine Öffnung bedeutet somit nicht mehr das Einrollen oder Verstauen der gesamten Konstruktion, sondern sie erfolgt partiell wo der Nutzer sie benötigt oder die äußeren Einflüsse es erfordern. Eine Vorgehensweise die wesentlich gezielter auf sich ändernde Umwelteinflüsse oder Nutzeranforderungen eingehen kann.

47.Abb.:Skizzen von Frei Otto zur Integration von pneumatischen Elementen in Seilnetzkonstruktionen, eine lokale Adaption erscheint hier möglich

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49.Abb.: Wandelbare Dachkonstruktion, ausgefahren, Krupp Universalbau

48.Abb.: Wandelbare Dachkonstruktion, eingefahren, Krupp Universalbau

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6.3. Übertragung auf hybride pneumatische Systeme Nachdem die grundlegenden theoretischen Möglichkeiten und Überlegungen abgeschlossen sind, werden im Weiteren die Möglichkeiten einer Übertragbarkeit auf, oder einer Integration in, die hybriden pneumatischen Systeme geklärt. Diese Übertragung ist bei weitem nicht so trivial wie man zu nächst annehmen könnte. Das wohl entscheidende Problem stellt hier die Integration, in den Prozess der Anpassung, des übergeordneten Unterdruckelementes dar. Dieses muss mit seiner Hülle grundsätzlich der Transformationen der geometrischen Adaption folgen können. Hierbei muss beachtet werden,

dass die Hülle in der Lage sein muss in beiden Fällen ihre Funktionen als verbindender und lastabtragender Bestandteil der Konstruktion wahrzunehmen. Ebenso wie bei den Überdrucksystemen gilt auch hier das Prinzip der Vorspannung. Das heißt, soll die Unterdruck stabilisierte Hüllmembrane ihre volle Tragwirkung entfalten, so muss sie wie die Überdruckelemente über die Parameter Druckdifferenz und Krümmungsradius die hierfür nötige, möglichst gleichmäßige, Vorspannung erhalten. Für das weitere Vorgehen sind also zwei Faktoren von entscheidender Bedeutung. Der Erhalt der tragenden Wirkung der Hüllmembrane bei gleichzeitiger Reaktion auf die durch die entsprechenden Überdruckelemente hervorgerufene geome-

trische Adaption. In den folgenden Abschnitten werden einige Gedankenmodelle zu Lösungsansätzen erläutert, welche in die Entwicklung späterer Entwurfsansätze einfließen können. 6.3.1. Faltenbildung Ein erster Lösungsansatz hinsichtlich der Forderung nach einer Hülle welche eine von innen ausgehende Bewegung zulassen soll, wäre die Hüllmembran oder -folie eben etwas größer zu konfektionieren. Leider trifft in diesem Fall jedoch eine der voran gestellten Bedingungen, die der Vorspannung nicht mehr zu. Es würde zu einem Faltenwurf der zu groß konfektionierten Hülle kommen, welcher den Verlust der Vorspannung

Adaptivität pneumatischer Systeme S

Nutzer

Luftdruck lokal

geometrisch global

mechanisch lokal

Umwelt

Luftdruck

pneumatisch

global

lokal

global

lokal PLUSMINUS unltd.

deutlich sichtbar machen würde. Wenn jedoch die Faltenbildung, sprich der Überschuss an Hüllfolie, lokalbegrenzt ist besteht ein gewisses Potenzial in dieser Möglichkeit. So könnte die Hüllmembrane im Bereich von Öffnungen, wenn diese offen sind, ähnlich einer gerafften Membran Falten bilden. Wird die Öffnung geschlossen geht die Membran wieder in einen vorgespannten Zustand über. Ein Vorgang der aber wahrlich nur lokal und nur an einer begrenzten Anzahl von Orten gleichzeitig vorkommen kann, will man die Funktionsfähigkeit der Konstruktion nicht aufs Spiel setzen. Wird die Konstruktion im Außenbereich angewandt muss weiter gewährleistet sein, dass es im Bereich der

Falten zu keiner Schmutz- oder Wasseransammlungen kommt. Neben diesen eher konstruktiven Gesichtspunkten sollte auch der ästhetische, gestalterische Aspekt nicht vernachlässigt werden. Falten als gestalterisches Element sind somit denkbar, sollten aber dann auch diesem Anspruch gerecht werden.

Faltenbildung Aktuator

Aktuator

Öffnung

Aktuator

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Aktuator

Faltenbildung

6.3.2. Elastische Hülle Das Prinzip der elastischen Hülle geht von einer ständig gespannten, durch Unterdruck stabilisierten Hülle aus, welche rein aufgrund eines niedrigen Elastizitätsmoduls in der Lage ist Bewegungen der Überdruckelemente mitzumachen. Hier stellt sich jedoch eine ähnliche Problematik ein wie sie bei der Faltenbildung vorliegt. Ist das Hüllmaterial zu elastisch kann es nicht mehr die aussteifende Wirkung entfalten, die für die Funktion der Struktur notwendig ist. Die Konstruktion wäre nicht mehr in der Lage die entsprechende Vorspannung aufzubauen und entsprechend die Lasten abzuleiten.

Analog zu dem Ansatz der Faltenbildung besteht aber auch hier die Möglichkeit über ein lokales Einbinden eines elastischen Hüllmaterials eine geometrische Anpassung zu erreichen. Hierbei würde die Hüllmembrane nicht mehr aus einem Werkstoff bestehen sondern an ausgewählten Stellen in einen wesentlich elastischeren Hüllstoff übergehen. Hierbei ist natürlich zu beachten, dass zum einen die Tragwirkung der Hülle nicht in Mitleidenschaft gezogen werden darf, zum andern müssen sich die beiden Materialen ohne großen Aufwand miteinander verbinden lassen.

Elastischeres Material

Elastischeres Material Pneu mit Überdruck

Pneu entlüftet

Pneu mit Überdruck

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6.3.3. Wechsel von konkav zu konvex

einem Überdruck versehen, flippt die Krümmung quasi nur in die andere Richtung und zeigt nun Erfordern die ersten beiden Ansätze noch einen nach außen. Eingriff in die Form oder Materialwahl der Hülle, Da dieser Vorgang lediglich die Umkehrung der so verfolgt dieser ein eher systembedingtes schon vorhandenen Krümmung darstellt benötigt Vorgehen. Die Idee basiert auf der Tatsache, dass man hierbei auch nicht mehr Material. Natürlich Unterdruck stabilisierte Konstruktionen immer ist diese Art der Anpassung auch nur auf konkav, also nach innen gewölbt, und Überdruck bestimmte Vorgänge beschränkt, und im Bereich stabilisierte immer konvex, also nach außen hin von Öffnung wahrscheinlich eher nicht geeignet. gewölbt sind. Als Beispiel soll einmal mehr das Zu dem ist die exakte Anpassung der Konfektion Maschensystem eines Überdruckschlauchgitters des Kissens sowie die Einstellung des in ihm dienen. Wird in einer solchen Masche eine herrschenden Druckes alles andere als trivial. weiteres Überdruckelement wie ein Kissen Es wird somit höchst wahrscheinlich häufig auf angebracht und dieses ist nicht gefüllt, so wölbt eine Mischung von mindestens zweien der drei sich die umgebenden Membran durch den erläuterten Möglichkeiten herauslaufen. Unterdruck nach innen. Wird das Kissen nun mit

Kissen entlüftet

Kissen mit Überdruck

KIissen entlüftet

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Kissen mit Überdruck

Überdruck

Adaptivität

Unterdruck

Überdruckelemente Proportionen

- eine Dimension dominant Verbindung

Ebenen

Grad

Membranlagen

- Einzelelement (keine Verbindung)

- eine Ebene

- Keine

- eine Lage

- diskontinuierlich (indirekte Verbindung

- zwei Ebenen

- nur Druck

- zwei Lagen

- kontinuierlich (direkte Verbindung)

- drei und mehr Ebenen

- Druck und Geometrie

- zwei Dimensionen dominant - drei Dimensionen etwa gleich dominant

Überdruckschläuche Verlauf

- gerade /eben

- geknickt

- gebogen

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6.4. Übertragung der Adaptivität auf die erweiterten Klassifikationen

Varianten Kissen wandelbar

Schlauch mit Kissen

Kugelpneus wandelbar

Schlauch mit Kugelpneus

Die unter Punkt 3.4 angefangene Erweiterung bestehender Klassifikationen wird nun in einem letzten Schritt um den Punkt der Adaptivität oder Anpassungsfähigkeit ergänzt. Hierzu werden die Unterscheidungsmerkmale der nicht vorhandenen Anpassungsfähigkeit, die mögliche Veränderung der Druckdifferenz und der geometrischen Anpassung also Wandelbarkeit eingeführt. Natürlich wäre es hier auch möglich weitere Unterscheidungsmöglichkeiten wie die der globalen oder lokalen Wandelbarkeit einzuführen. Für das weitere Vorgehen, bei dem der Fokus auf bestimmte Schwerpunkte wie der lokalen Wandelbarkeit gelegt wurde, ist eine weitergehende Ausdifferenzierung jedoch nicht nötig. Wie in der Abbildung schematisch dargestellt, ist man nun auch in der Lage eigene Varianten zu erzeugen. Es steht anderen weiterführenden Arbeiten daher offen sich dieses Werkzeuges weiter zu bedienen. Für die weiteren Schritte dieser Arbeit reichen jedoch die hier beispielhaft gezeigten Varianten.

Schlauchzellen wandelbar

Plusminus „Air coil System“

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6.5.

Ergänzung der Grundeigenschaften

Ähnlich der Ergänzung der Klassifikationen, sollen auch die für diese Arbeit umso wichtigeren Grundeigenschaften der Systeme durch den Punkt der Adaptivität ergänzt werden. Gleichzeitig soll noch einmal die Bedeutung der Adaptivität für die Systeme in Bezug zu den andern schon herausgestellten Grundeigenschaften und möglicher Potenziale zusammengefasst werden. Wie schon im Punkt 5.1. aufgezeigt wurde, ist es eine Eigenschaft jedes pneumatischen Systems, dass es durch eine Änderung der Druckdifferenz auf sich ändernde Einflüsse reagieren kann. Dies erfolgt zunächst ohne eine wesentliche Änderung der äußeren Erscheinung der Form. Dieser als systeminhärent bezeichnete Wesenszug pneumatischer Systeme trifft natürlich auch auf die pneumatischen Hybriden zu. Der Unterschied der eine erste Ableitung von Potenzialen aus dieser Grundeigenschaft möglich macht ist das, unter Punkt 3.5.1 und 3.5.3 schon erläuterte, gezielte Reagieren auf lokal auftretende Änderungen. Durch die Grundeigenschaft der Vielzelligkeit ist der Hybrid in der Lage bestimmten Zellen oder Segmenten der Konstruktion eine ganz bestimmte Druckdifferenz, je nach lokaler Anforderung zuzuweisen. Neben dieser Möglichkeit einer lokalen Reaktion ist die Konstruktion aber auch in der Lage über den übergeordneten Unterdruck eine globale Anpassung vorzunehmen. Diese globale Anpassung über den Unterdruck kann durch eine einfache Regulierung der Druckdifferenz erfolgen, wodurch eine Änderung der Vorspannung der Hülle als auch die Stärke des Verbundes der Zellen oder Füllstoffe herbeigeführt wird. Die Un66

terdruck-stabilisierte Hülle könnte so auf sich ändernde Lasten reagieren oder eine Transformation der gesamten Konstruktion wie unter Punkt 5.3. beschrieben, unterstützen. Es gibt kaum einen Systemansatz der in der Lage ist so vielschichtig und gleichzeitig ausdifferenziert auf sich ändernde Einflüsse zu reagieren. Die Eigenschaft der Vielschichtigkeit in Verbindung mit der Vielzelligkeit ermöglicht zudem, unter Beachtung der in Punkt 4.3 erläuterten Randbedingungen, die Integration einer lokalen und eine hieraus ausgelöste globale Transformation oder Wandelbarkeit der Konstruktion. Die Grundeigenschaft der Adaptivität steht somit für die allen pneumatischen Systemen gemeine Anpassungsfähigkeit, sowie deren mögliche Ausdifferenzierung nach lokalen Gegebenheiten.

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Grundeigenschaften des pneumatischen Hybriden

Vielzelligkeit Verbindungsmittel Unterdruck Vielschichtigkeit 1

2 3

Adaptivit채t

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7. Bauphysikalische Gesichtspunkte Häufig sind die im Abschnitt über Adaptivität beschriebenen Umwelteinflüsse dem Gebiet der Bauphysik zuzuordnen. Im folgenden Kapitel sollen mit der Wärme- sowie Schalldämmung, zwei solche bauphysikalische Gesichtspunkte betrachtet werden. Hierbei werden die Unterdruckund Überdrucksysteme getrennt von einander behandelt um etwaige Vor-und Nachteile besser bewerten zu können. Dass nur diese beiden bauphysikalischen Teilaspekte betrachtet werden, resultiert aus einer Angabe der TU – Delft. Diese rechnet vakuum-gestützten Konstruktionen hier ein besonderes Potenzial zu. Im folgenden Kapitel soll diese Aussage überprüft und ihre Bedeutung für die Überdruck- sowie Hybridsysteme erörtert werden. Deren Anpassungsfähigkeit hinsichtlich dieser beiden Umwelteinflüsse steht hierbei besonders im Fokus.

51.Abb.: Beijing National Aquatics Centre, Vector Foiltec

Der Themenkomplex bauphysikalischer Betrachtungen pneumatischer Konstruktionen fand bisher keine oder nur wenig Beachtung in der Forschung. Daher war es hier besonders schwierig geeignete Quellen zusammen zu tragen. Des Weiteren handelt es sich um Vorgänge die bei einer tieferen Untersuchung schnell an Komplexität zunehmen, wodurch die nachfolgenden Betrachtungen eher prinzipieller Natur sind.

50.Abb.: Eden Project, Grimshaw, www.grimshaw-architects.com

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7.1. Schalldämmung pneumatischer Konstruktionen

Rückschlüsse auf die Eignung und mögliche Potenziale hybrider Konstruktionen zu ziehen. Abschließend sei noch gesagt, dass der Fokus auf Wurde noch gegen Ende der Hochzeit pneu- der schalldämmenden Wirkung der Systeme liegt matischer Konstruktionen in den 1970er davon und nicht auf deren raumakustischen Verhalten. ausgegangen, dass Membrankonstruktionen aufgrund ihrer geringen flächenbezogenen Masse sowie einer nicht ausreichenden Steifigkeit ein sehr eingeschränktes Potenzial im Bereich 7.1.1. Überdrucksysteme der Schalldämmung hätten[79], geben aktuelle Forschungsvorhaben erste Hinweise, dass hier doch ein höheres als das ursprünglich angenommene Potenzial liegt. So wurde diesem Punkt sehr lange in der Bauforschung kaum Beachtung geschenkt und keine grundlegenden Untersuchungen hierzu vorgenommen. In neuerer Zeit wurde diese Lücke jedoch zumindest in Teilen geschlossen. Maßgeblich für diesen Fortschritt war hierbei die Arbeit des bauphysikalischen Institutes der Universität Stuttgart unter Professor Mehra in Zusammenarbeit mit dem Frauenhofer-Institut. Ihre Untersuchungen zu „Akustisches Verhalten von Hüllenkonstruktionen aus Folien und Membranen“ bilden die Grundlage für die Betrachtung der Überdrucksysteme.

Bei der schon erwähnten Untersuchungen des bauphysikalischen Institutes der Universität Stuttgart unter Professor Mehra in Zusammenarbeit mit dem Frauenhofer-Institut wurde der Fragestellung nachgegangen, ob bei Membrankonstruktionen im Allgemeinen und pneumatisch stabilisierten Konstruktionen im Speziellen trotz der geringen flächenbezogenen Masse eine schalldämmende Wirkung etabliert werden kann. Das Ziel der Forschung war die Entwicklung so genannter mobiler Schallschutzschirme aus pneumatisch gestützten Elementen (Abb. 52)[80] Die Untersuchungen wurden einerseits rechnerisch theoretisch durchgeführt als auch anhand von Messungen in den Prüfständen des Frauenhoferinstitutes überprüft. Die nachfolgende Zusammenfassung so wie der spätere Transfer auf die hybriden Systeme orientiert sich hierbei ausschließlich an den durchgeführten Messungen sowie den allgemein getroffenen Schlussfolgerungen.

Im Bereich der Unterdruck stabilisierten Konstruktionen bilden die Grundlage die Annahmen beziehungsweise Überlegungen der TU-Delft zu ihren Deflatebales, sowie Untersuchungen des Frauenhofer-Institutes zu Vacuumisolationspaneele. Gezielte und ausführliche Untersuchungen bezüglich der schalldämmenden Wirkung Zu den Messungen ist zu sagen, dass diese in von Unterdruckkonstruktionen in der Architektur den bauakustischen Prüfräumen des Frauenhosind nicht bekannt. ferInstitutes für Bauphysik in Stuttgart und

In den folgenden drei Unterkapiteln werden diese „in Anlehnung an DIN EN ISO 140 Teil 1 und DIN Grundlagen zusammengefasst um anschließend EN 140 Teil 3 für die Terzmittenfrequenzen von PLUSMINUS unltd.

52.Abb.: Mobile Schallschutzschirme von Cenotec

53.Abb.:Schalldämm-Maß eines massiven und zweier aufblasbarer Schallschirme. Aus Mehra, S. 2002 Der massive Schirm bestand aus 16 mm dicken Spanplatten mit einer flächenbezogenen Masse von 10,3 kg/m2. Die aufblasbaren Schirme waren Konstruktionen mit einer Foliendicke von 0,8 mm, einer flächenbezogene Masse von 1,99 kg/m² und bestanden jeweils aus 4 Kammern.

100 Hz bis 5000 Hz…“[81] durchgeführt wurden. Die meisten der Messungen wurden im sogenannten Türenprüfstand, ein kleinerer Teil im Halbfreifeldraum, durchgeführt. [82] Innerhalb dieser Testreihen wurden verschiedene Arten von Folien und Membranen mit unterschiedlichen flächenbezogenen Massen, in verschiedenen Aufbauten und Konfigurationen geprüft. So wurden im ersten Schritt einschalige Konstruktionen, bestehend aus auf einem Rahmen vorgespannte Membrane und Folien, getestet. Die flächenbezogene Masse der getesteten Mebrane und Folien betrug hierbei 0,12 kg/ m² - 1,92 kg/m². Die erreichten minimalen und maximalen Schalldämmwerte Rw betrugen hierbei 2 dB bei einer Folie mit 0,12 kg/m² und einer Stärke von 0,08 mm; sowie 18 dB bei einer Membran mit 1,55 kg/m² und einer Stärke von 0,8 mm. Es kann also gesagt werden, dass es durchaus einen Zusammenhang zwischen der flächenbezogenen Masse und der schalldämmenden Wirkung gibt. In einem weiteren Versuch wurde anhand einlagiger Konstruktionen untersucht ob eine Abhängigkeit zu der Vorspannung der Membran/Folie vorliegt. Dies ist von Interesse, da man in diesem Fall, über eine Änderung der Druckdifferenz und eine hiermit einhergehende Änderung der Vorspannung auf das akustische Verhalten Einfluss nehmen könnte. In der entsprechenden Untersuchung konnte jedoch, wie auch in späteren kein Zusammenhang in den untersuchten Frequenzbereichen nachgewiesen werden. Es gilt aber festzuhalten, dass mit dem entsprechenden Material, schon bei einer einlagigen Konstruktion eine in der Relation zu der flächenbezogenen Masse nicht zu verach70

tende schalldämmende Wirkung erzielt werden kann. Hierzu muss noch erwähnt werden, dass ein entscheidender Vorteil dieser extrem leichten Konstruktionen darin liegt, dass ihre KoinzidenzGrenzfrequenz, also die Frequenz bei welcher die Wellenlänge des Luftschalles der Biegewelle des Bauteiles entspricht, was einen Einbruch der Luftschaldämmenden Wirkung zur Folge hat, weit über dem zu betrachtenden Frequenzbereich liegt.[83] In einem zweiten grundlegenden Versuchsaufbau wurden zweischalige Konstruktionen, dies ist gleichbedeutend mit dem schon eingeführten Begriff der zweilagigen Membran, untersucht. Zu diesem Zweck wurden in unterschiedlichen Konfigurationen Membrane oder Folien von beiden Seiten über einen Rahmen gespannt. So wurden bei den beiden Schalen teilweise die gleichen Werksoffe verwendet, teilweise aber auch unterschiedliche. Diesen Punkt betreffend haben die Untersuchungen ergeben, dass die Kombination einer schwereren Schale mit einer leichteren Schale keinerlei positive Effekte mit sich brachte. Konstruktionen mit zwei gleichen Materialien als Schalen lieferten im Gegensatz dazu eine Verbesserung der Dämmwirkung. Im Weiteren wurde bei dieser Grundkonfiguration der Einfluss des Abstandes der beiden Schalen untersucht. Hierzu wurden der Abstand zwischen 100mm; 200mm und 300mm variiert. Die Werte lagen hierbei zwischen Rw 8 dB für eine Membran mit 0,23 kg/m² bei einem Schalenabstand von 0,1 m und Rw 28 dB für eine Membran mit 1,92kg/m² und einem Schalenabstand von 0,3 m. Allgemein gesprochen kann durchaus gesagt werden, dass durch eine Erhöhung des Scha-

lenabstandes die dämmende Wirkung ebenfalls erhöht werden kann. Jedoch gibt es hierbei noch den Einfluss der Doppelschalenresonanz und der Hohlraumresonanz zu beachten, die sich bei bestimmten Frequenzbereichen nachteilig auswirken können.[84] In einem weiteren Schritt wurden überdruck-stabilisierte Elemente getestet. Die bei den durchgeführten Untersuchungen verwendeten Elemente waren hierbei segmentiert. An der Stelle des Überganges einer Kammer waren die beiden Schalen einfach miteinander verschweißt, so dass an dieser Stelle eine Einschaligkeit vorlag. Dies ist ein beachtenswerter Punkt, da eine solche Fuge in der Konstruktion einen erheblichen Einfluss auf die schaldämmende Wirkung hat. Von besonderem Interesse war hierbei der Einfluss auf die Dämmwirkung durch die Anzahl und Anordnung der Kammern, die Höhe der Druckdifferenz und die Art des Füllgases. Es konnte festgestellt werden, dass eine mit Helium gefüllte Konstruktion wesentlich bessere Werte erzielt als eine mit Luft oder Kohlendioxid gefüllte Konstruktion gleicher Bauweise. Die Untersuchung bezüglich der Segmentierung der Elemente hat gezeigt, dass diese einen erhebliche Steigerung der dämmenden Wirkung mit sich bringt, jedoch konnte nicht eindeutig geklärt werden ob eine bestimmte Anordnung der Kammern Vorteile schaffen kann. Bezüglich der Druckdifferenz wurden drei Konfigurationen untersucht. 25mbar mit einem Schalenabstand von 190mm; 50mbar mit einem Schalenabstand von 220mm und 75mbar mit einem Schalenabstand von 260mm. Die Untersuchung zeigte, dass es in bestimmten Frequenzen durch eine Erhöhung des InnendruPLUSMINUS unltd.

ckes zu einer Verbesserung der Schalldämmung kommen kann. Dies trifft aber wohl nicht für den gesamten Frequenzbereich zu. Andere Untersuchungen haben ergeben, dass es bei höheren Frequenzen zu einer Verschlechterung kommen kann. Da dieser Punkt nicht abschliessedn geklärt wurde wird er auch in dieser Arbeit keine weitere Verwendung finden. Die in dieser Reihe erreichten Schalldämmmaße lagen zwischen 17dB und 23dB.[85] In einer letzten Betrachtung wurden hohlraumbedämpfte Konstruktionen untersucht. Bei den, bisher betrachteten, Konstruktionen mit Doppelschalen und einem nicht bedämpften Hohlraum „…treten im Bereich mittlerer und hoher Frequenzen Einbrüche der Schalldämmung auf.“[86] Für diese Untersuchung wurden daher die Hohlräume ähnlich wie bei konventionellen Bauweisen mit einem schallabsorbierenden Füllmaterial bedämpft. Hierzu wurde der Hohlraum in unterschiedlichen Füllgraden mit einem offenporigen Schaumstoff versehen. Bei der Untersuchung wurde um das Füllmaterial leichter platzieren zu können auf die nicht pneumatische Lösung des Rahmens zurückgegriffen. Die einhergehende Untersuchung ergab, dass durch das dämpfende Füllmaterial eine Verbesserung der Dämmwirkung um bis zu 11dB erreicht werden konnte. Des Weiteren fand man heraus, dass ein zusätzliches Einpacken des Schallabsorbers in eine Folie, sich negativ auf die Dämmfähigkeit auswirkt. Als platzsparendere Variante wurde noch die Möglichkeit des Einbringens einer mikroperforierten Polycarbonat-Folie, wie sie zu Reduzierung der Nachhallzeit in der Raumakustik Verwendung PLUSMINUS unltd.

findet, untersucht. Auf diese Weise konnte nachgewiesen werden, dass mit dieser Maßnahme[87] „eine Einbruch im Bereich der Hohlraumfrequenz verhindert werden kann.“ [88] Der ursprüngliche Grund und somit auch ein Resultat dieser Untersuchungen war, wie eingangs erwähnt, die Entwicklung mobiler temporärer Schallschutzschirme. Diese sollen die Lärmimmissionen mildern, die von temporären Lärmquellen wie Baustellen oder Events ausgehen. Die Untersuchungen haben laut den Entwicklern und Autoren gezeigt, dass im Verhältnis von Schalldämmung und Gewicht ein optimales Ergebnis erzielt wurde und die Konstruktionen für den gedachten Einsatz ihren konventionellen Konkurrenten in nichts nachstehen und über die Schalldämmung hinaus sogar weitere Vorteile mit sich bringen. Des Weiteren existiert in dem Bereich der zu verwendenden Materialien sowie der Segmentierung noch weiteres Entwicklungspotenzial.[89] Zusammenfassend ist zu sagen, dass von Überdruckkonstruktionen durchaus eine schaldämmende Wirkung ausgehen kann, auch wenn diese die Werte konventioneller Konstruktionsarten nicht erreichen. Wie aber schon die Entwickler der Schallschutzschirme angemerkt haben liegt, insbesondere auf dem Gebiet der Kombination von Materialien durchaus noch Entwicklungspotenzial.

7.1.2. Unterdrucksysteme

54.Abb.: Verhältnis von Restgasdruck und Schalenabstand zum ermittelten Schalldämmaß, aus Deflateables Tu Delft, 2007

ETFE

pvac

t = 3mm

vacuum cavity

t = 3mm

55.Abb.: Schema des Versuchsaufbaus der TU Delft

Was die Schalldämmung bei Unterdruck stabilisierte Konstruktionen angeht so wurde diesem Gebiet noch weniger Beachtung geschenkt als bei den Überdruck bestimmten. In der Literatur finden sich lediglich die schon erwähnten Aussagen der TU-Delft , welche jedoch recht kurzgehalten sind und auch mehr den Anschein prinzipieller Annahmen erwecken als fundierter Untersuchungen, sowie Betrachtungen des Frauenhofer-Institutes Vakuumisolationspaneele betreffend. Dieses Leck an Information wird durch das FrauenhoferInstitut bestätigt.[90] Die Autoren, geben lediglich zwei weitere konkrete Betrachtungen andere Disziplinen an. Es scheint also noch erheblicher Bedarf an Grundlagenforschung auf diesem Gebiet zu existieren. Obwohl die angesprochene Untersuchung sich mit der Eignung von Vakuumisolationspaneelen zur Schalldämmung befasst, treffen sie auch einige allgemein gültige Aussagen, so dass ein Transfer hier möglich scheint. Ebenso könnten wohl auch einige Erkenntnisse aus der Forschung über Vakuumgläser übertragen werden.[91] Die Seitens der TU-Delft in ihrer Publikation „Deflateables“ getroffene Annahme beruht auf der allgemeingültigen Aussage, dass Schall, der sich in Wellenform ausbreitet, hierfür ein Medium benötigt. Daher ist es logisch, dass Schall sich in einem Vakuum nicht und in einem Unterdruck, also einem Raum dessen Druck geringer als der atmosphärische ist, schlechter ausbreitet. Über ein an der TU-Delft entwickeltes Berechnungsprogramm wurde nun das Verhältnis von Höhe des Unterdruckes zum Schaldämmmaß ermittelt. Auf dieser

Basis wurde das theoretische Schaldämmmaß einer zweischaligen fiktiven Fassaden-Konstruktion aus zwei 3mm starken ETFE Platten ermittelt, in deren Zwischenraum der Druck gesenkt wurde (Abb. 55). Daraus resultierten nicht unerhebliche Schaldämmmaße, gemessen an der Leichtigkeit der Konstruktion. Wie man, der aus dieser Untersuchung stammenden Grafik entnehmen kann gibt es ähnlich wie bei den zweischaligen Überdruckkonstruktionen einen Zusammenhang zwischen der Höhe des Unterdruckes dem Abstand der beiden Schalen und dem resultierendem Schalldämmmaß. Stimmen die Annahmen der TU Delft so kann man sagen, dass je geringer der Druck des Mediums im Zwischenraum der beiden Schalen und je höher deren Abstand, desto größer ist das zu erwartende Schaldämmmaß. Was den Einfluss des Druckes angeht würden sich die Unterdruckkonstruktionen somit von den Überdruckkonstruktionen abgrenzen. Eine Erhöhung der Druckdifferenz würde zwangsläufig zu einer Erhöhung des Schalldämmmaßes führen. Es müssten jedoch weitere Tests auf dem Niveau der Überdruckkonstruktionen durchgeführt werden um eine abschließende Beurteilung abgeben zu können. Eine Einschränkung bestand in der absichtlichen Vernachlässigung von konstruktiv notwendigen zusätzlichen Elementen, wie Abstandshalter, die sich mit Sicherheit negativ auf das Ergebnis ausgewirkt hätten. [92]

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In ihrer Untersuchung der schaldämmenden Eigenschaften sogenannter Vakuumisolationspaneele, bestätigen die Forscher des FrauenhoferInstitutes diese prinzipielle Annahme der TU-Delft. So sagen auch sie: „Ein perfektes Vakuum würde zu einer unendlich hohen Schaldämmung führen“[93] Und führen weiter aus, dass ausgehend von ersten Untersuchungen, schon mit einer Reduzierung des Druckes auf ein Zehntel des atmosphärischen Druckes ein signifikantes Ergebnis zu erzielen sei. Dies deckt sich mit der von der TU-Delft in ihrer Grafik (Abb. 54) als Höchstwert angeführten Druckreduzierung auf 0,1bar. In ihren konkreten Untersuchungen der Paneele zeigt sich jedoch, dass dies in der Praxis nur schwer zu realisieren ist. Die untersuchten VIPPlatten schnitten zudem in den entsprechende Tests schlechter ab als, aus zuvor angestellten Berechnungen, zu erwartet gewesen wäre. Die Ursache sehen die Forscher in verschiedenen Punkten. So ist die Dichtigkeit der Paneele, eine in der Praxis nur schwer zu gewährleistende Voraussetzung. Dies ist aber ein die Paneele betreffendes spezifisches Problem, da diese einmalig bei ihrer Herstellung vakuumisiert werden und anschließend ein Verhalten ähnlich dem berühmten Kaffeepäckchen aufweisen. So verlieren sie bei der kleinsten Verletzung durch die einströmende Luft ihre Eigenschaften. Da bei einem Unterdruck stabilisiertem System in der Architektur, wie unter dem Punkt der Redundanz später erläutert wird, es immer ein Druckdifferenz erhaltendes System geben muss, besteht dieses Problem nur bedingt. So sind kleine Verletzungen durchaus mit einem entsprechenden Lüfter- oder PumpensysPLUSMINUS unltd.

tem auszugleichen. Es ist aber zu bezweifeln, dass mit den üblicherweise eingesetzten Mitteln, wie Lüftern, es überhaupt möglich ist solch hohe Druckdifferenzen aufzubauen. Des Weiteren wird die Steifigkeit der recht schmalen und kompakten VIP-Platten als Grund für ihr, in den Messungen, recht schlechtes Abschneiden verantwortlich gemacht. Da es sich bei den rein pneumatischen Systemen um einen gänzlich andern Aufbau handelt ist auch hier fraglich ob dies übertragbar ist. Die Größe und die damit verbundene Einbausituation solcher Platten stellt ein weiteres Problem dar. So sind die sich hieraus ergebenden Fugen und Verbindungen ebenfalls als nachteilig anzusehen. Da sich bei den Unterdruckstabilisierten Konstruktionen meist um solche mit einer fugenlosen Außenhaut handelt, sollte sich dieses Problem auf einige wenige Randsituationen begrenzen lassen.[94] Zusammenfassend ist zu sagen, dass in Vakuum oder unterdruck-bestimmten Konstruktionen durchaus ein gewisses Potenzial liegt, es hierüber aber noch zu wenige Untersuchungen gab um dies wirklich schon in die Praxis übertragen zu können. Zudem ist hier zu beachten, dass schon der, vom Frauenhofer-Institut angegebene, Druck von 0,1 Bar also 0,9 Bar Druckdifferenz eine recht hohe Beanspruchung der hier behandelten pneumatischen Konstruktionen bedeuten würde und zu bezweifeln ist, dass man auch aus dem Gesichtspunkt der Dichtigkeit heraus eine solche hohe Druckdifferenz erzeugen kann.

7.1.3. Der Hybrid Da es für die schon etablierten pneumatischen Konstruktionen nur rudimentäre Untersuchungen und Denkansätze, den Bereich der schaldämmenden Wirkung betreffend, gibt, sind diese für den an sich kaum vorkommenden pneumatischen Hybriden nicht einmal, in dieser Form, vorhanden. Dennoch wird der folgende Abschnitt versuchen die in den beiden vorangestellten Punkten herausgearbeiteten Potenziale auf dieses Gebiet der Pneumatik zu übertragen. Die folgenden Ausführungen sind aufgrund der fehlenden Untersuchungen als Denkansätze für weitergehende Überlegungen zu verstehen Fasst man die Erkenntnisse der angeführten Untersuchungen und Überlegungen zusammen so gibt es bestimmte Parameter, die einen Einfluss auf die schalldämmende Wirkung pneumatischer Konstruktionen auszuüben scheinen. Diese sind im Wesentlichen die flächenbezogene Masse der Hüllmaterialien, die Art des Füllgases, die Anzahl und Art der Kammern und die Verwendung dämpfender Materialien. Im Folgenden wird auf diese Punkte eingegangen um Rückschlüsse auf eine hybride Konstruktionsweise zu erarbeiten. Was den Einfluss der flächenbezogenen Masse angeht, kann anhand der Untersuchungen des Frauenhofer-Institutes die Tendenz festgestellt werden, dass es einen Zusammenhang zwischen der flächenbezogenen Masse und dem Schalldämmmaß gibt.[95] Für eine hybride Konstruktion würde dies bedeuten, dass diese bei einer gewünschten hohen Anforderung seitens der Schalldämmung mit einem entsprechend geeigneten Material versehen werden muss. In der 73

Regel dürfte es sich hierbei um ein Membranmaterial und nicht um einen wesentlich leichteren Folienwerkstoff handeln. Demnach ist im Einzelfall abzuwägen, ob die Transparenz oder die Schalldämmung den Schwerpunkt der Konstruktion bilden sollen. Die Mehrzelligkeit der Hybride eröffnet aber auch die Möglichkeit gezielt auf lokale Anforderungen des Systems zu reagieren, was mit einem möglichen adaptiven Ansatz verknüpft werden kann. So besteht die Möglichkeit gezielt auf etwaige Schallimmisionen innerhalb des Systems zu reagieren und die Materialität nach lokalen Anforderungen zu differenzieren. Ein klarer Vorteil der pneumatischen Hybride. Der Schalenabstand kann auf eine ähnliche Weise in das System integriert werden. Durch das übergeordnete Unterdruckelement, welches als verbindendes Element eine nicht wegzudenkende Aufgabe erfüllt, ist eine solche Zweischaligkeit bei allen Ansätzen gegeben. Anknüpfend an die Annahme der TU-Delft[96] welche prinzipiell durch die Untersuchungen des Frauenhofer-Institutes gestützt wird[97], kann durch eine Erhöhung des Schalenabstandes ein höherer Lärmschutz erreicht werden. Adaptive pneumatische Elemente im Zwischenraum, sogenannten Aktuatoren, könnten dazu benutzt werden bei einem erhöhten Schallpegel den Abstand der beiden Schalen zu erhöhen, um so ein besseres Schalldämmmaß der Konstruktion zu erzeugen. Es wäre also durchaus denkbar ein System zu definieren, welches ausgerüstet mit der entsprechenden Sensorik in der Lage wäre, auf einen erhöhten Schallpegel zu reagieren und in Folge dessen den Schalenabstand zu erhöhen. Hierbei müsste allerdings gewährleistet sein, dass diese adap74

tiven Abstandshalter keine „Schalbrücken“ dar- mehr als eine Alternative darstellen. So tritt bei stellen. diesen nicht das angeführte Problem der beiden miteinander verschweißten Schalen im RandbeBei der Höhe der Druckdifferenz war das Fazit reich von Segmentierungen auf, wie es in den der Untersuchungen des Frauenhofer-Institutes Tests des Frauenhofer-Institutes praktiziert wurbezüglich der Überdrucksysteme, dass die Ausde. Diese Konstruktionsweise setzt den Schasage je höher der Druck desto höher das Schallenabstand in diesem Bereich praktisch auf Null. dämmmaß, nicht allgemeingültig zutreffend ist. [101] Bei den Hybriden hingegen laufen die beiden [98] Somit kann über diesen Parameter auch bei Schalen durch und die Kammern bilden, die in den Hybriden kein Einfluss auf die Eigenschafden Zwischenraum integrierten, Überdruckeleten der Konstruktion genommen werden. Anders mente. verhält es sich bei den unterdruck-stabilisierten Konstruktionen. Bei diesen scheint die Aussage Durch ein Füllen dieser mit einem andern Gas durchaus zutreffend.[99] Übertragen auf die Hyb- als Luft, zum Beispiel mit dem in den Tests gut ride bedeutet dies, dass durch den umgeben- abschneidenden Heliums[102], kann deren schallden Unterdruck zumindest in der Theorie schon dämmende Wirkung zusätzlich gesteigert werein recht beachtliches Schalldämmmaß zu errei- den. Hierbei ist aber zu beachten, dass Helium chen ist, welches sich durch die Höhe der Druck- ein anderes Diffusionsverhalten aufweist und die differenz steuern ließe. Ähnlich der Reaktion auf Hülle eine entsprechend höhere Dichtigkeit aufzunehmende äußere Lasten könnte also auch weisen muss. Auch hier könnte wieder durch das durch eine Anpassung des Unterdruckes auf ei- Füllen bestimmter Überdruckelemente gezielt auf ne Änderung eines Schallpegels reagiert werden. konkrete Einflüsse reagiert werden. Hierbei gelten aber die schon unter Punkt 6.1.2. Bei dem Stichwort der dämpfenden Materialien, beschriebenen Einschränkungen, so dass dieser welches die Forscher des Frauenhofer-Institutes Punkt nicht in die weiteren Überlegungen einfließt zur Minderung der Hohlraum und Doppelschada seine Übertragung in die Praxis noch mehr als lenresonanz einsetzten[103], fühlt man sich an das unklar erscheint. Prinzip der Vacuumatics erinnert (siehe Punkt Die bei den Hybriden systembedingt vorhan- 3.3.5.). Wie dort schon angeführt, ist es durchdenen Unterteilungen, in verschiedene Kam- aus denkbar den Raum der sich zwischen den mern dürften hingegen einen echten Vorteil mit Überdruckelementen innerhalb des übergeordsich bringen. So gesehen bilden hier Unter- und neten Unterdruckelementes. ergibt mit einem Überdruckelemente eine perfekte Ergänzung. geeigneten Material zu bedämpfen. Hierbei würBetrachtet man die Schwierigkeiten die von den de sich der Unterdruck als verbindendes KonWissenschaftlern des Frauenhofer-Institutes be- struktionsmittel hervorragend eignen. Ohne den züglich der Konstruktion mehrzelliger Überdruck- Einsatz von, bei einer späteren Rezyklierung hinsysteme angeführt wurde[100], sollten diese immer derlichen, Verklebungen oder ähnlich konventioaus mehreren Kammern bestehenden Hybride nellen Fügetechniken wäre es möglich die dämpPLUSMINUS unltd.

fenden Materialien in das System einzubinden. Auf eine gewünschte Transparenz oder Möglichkeit der Belichtung kann mit den entsprechenden transluzenten Füllstoffen oder über eingefügte adaptive Elemente reagiert werden. Denkbar wäre auch der Einsatz der erwähnten mikroperforierten, Schall absorbierenden PolycarbonatFolie im Schalenzwischenraum. Hier zeigt sich einmal mehr, dass die Anpassungsfähigkeit des Systems einen riesigen Kanon an Möglichkeiten in sich birgt. Es ist offensichtlich, dass auch wenn die bewerten Schalldämmmaße konventioneller Konstruktionen nicht erreicht werden, dieses Defizit durch die hohe Anpassungsfähigkeit der Systeme wieder ausgeglichen werden kann. Zudem ist doch erstaunlich welche Schalldämmmaße in Relation zu der Leichtigkeit der Konstruktion möglich erscheinen. Eine Steigerung dieser scheint zudem durch ein verstärktes Forschen nach geeigneteren Materialien und Systemzusammensetzungen als äußerst wahrscheinlich, so dass sich in Zukunft die Lücke zwischen pneumatischen und konventionellen Systemen weiter schließen wird. Hinzu kommt, dass für bestimmte Anforderungen die Vorteile, welche die leichten pneumatischen Systeme bieten, in diesem Feld überwiegen. Denn klar ist: nicht immer ist es sinnvoll auf solche Systeme zu setzen, aber vermutlich öfter als bisher angenommen.

Grundeigenschaften des pneumatischen Hybriden Schalldämmung Differenzierung des Materials nach lokaler Anforderung Vielzelligkeit Differenzierung des Füllgases nach lokaler Anforderung Integration mikroporiger Schallabsorbierender Folien Vielschichtigkeit

Verbindungsmittel Unterdruck

einfache rezyklierfreundliche Integration von Hohlraum dämpfenden Füllstofen Dynamische Regulierung des Anteils der Segmente/Zellen

Adaptivität Dynamische Regulierung des Schalenabstandes

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2 3

7.2. Wärmedämmung pneumatischer Konstruktionen Schon die Pioniere der pneumatischen Architektur waren sich bewusst darüber, dass von den dünnen und praktisch nur aus textilen Häuten bestehenden Systemen von sich aus keine allzu große wärmeisolierende Wirkung ausgehen kann. Mit welchen Maßnahmen dies jedoch verbessert werden kann, welche Ansätze es gab, die systembedingten Eigenheiten hierfür zu nutzen und welche Potenziale dennoch in den Konstruktionen vorhanden sind, soll im Folgenden aufgezeigt werden. 7.2.1. Überdrucksysteme Zu Beginn der pneumatischen Architektur lag deren Fokus besonders auf den einlagig konstruierten Traglufthallen. Das diese aus einer Membranlage bestehende Konstruktionsart, wie schon oben beschrieben, keine große isolierende Wirkung entfalten kann ist nachvollziehbar. So wurde auch schon sehr früh über eine Verbesserung dieser, selbst damals, unbefriedigenden Situation nachgedacht. Eine der ersten Ideen war die Verwendung von zusätzlichen isolierenden Materialien wie Polyurethan-Schäume. Durch diese Maßnahme konnte zwar der Wärmedurchgangskoeffizient auf etwa 3,0 (K-Wert) verbessert werden, jedoch lag die Leistung, zumindest nach heutigen Maßstäben, noch immer nicht in einem befriedigenden Bereich. Zudem führte diese Maßnahme aufgrund der Steifigkeit der Platten zu einer ebensolchen der gesamten Konstruktion. Die Nutzung als wiederverwendbarer Temporärbau wurde durch ein solches Vorgehen stark einge76

56.Abb.: Eden Project, Grimshaw, Vector Foiltec

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schränkt. Heute ist die Entwicklung von Dämmstoffen um einiges weiter und mindestens das Problem der Steifigkeit scheint, durch sich freien Formen flexibel anpassenden Materialien, wie dreidimensionale Abstandsgewirke ausgeräumt. [104] Das Problem der temporären Nutzung bleibt jedoch, wenn auch eingeschränkt. Eine weitere Entwicklung, die auch bei den modernen Traglufthallen zum Einsatz kommt, ist die Mehrlagigkeit. Hierbei ist die Haut aus mehreren, laut Angabe verschiedener Hersteller 3 – 4, Lagen aufgebaut zwischen denen sich eine eingeschlossene Luftschicht befindet. Moderne Traglufthallen schaffen nach Herstellerangaben hierdurch einen U-Wert von 1,4. [105] Parallel gab es schon Ende der 1960er erste Überlegungen wie man die mangelnde isolierende Wirkung mit Hilfe der Anpassungsfähigkeit der Systeme wieder ausgleichen könnte, ein Punkt der unter 6.2.3 noch einmal separat aufgegriffen wird.

Kissenkonstruktionen haben hier, gegenüber den einlagigen Konstruktionen, einen gewissen Vorteil. Sie weisen durch ihren mehrlagigen Aufbau von sich aus bessere Voraussetzungen bezüglich der Wärmedämmung auf. Dies lässt sich durch das Einführen weiterer Folienschichten und somit Luftkammern verbessern, die so weitere Wärmeübergangswiederstände einführen und eine Reduzierung des Volumens bewirken. Vector Foiltec eines der führenden Unternehmen setzt hier sogar auf das Evakuieren einzelner Kammern und gibt für sein 5-Lagendach einen U-wert von 1,18 an. [106] Durch weitere Entwicklungen und die Ausnutzung der Stärken des pneumatischen Prinzips sind also noch Steigerungen zu erwarten. Eine der Schwachstellen der Kissenkonstruktionen bilden die Ränder mit ihrem Anschluss an die Primärkonstruktion, welcher bei solchen Systemen unerlässlich ist. Hier muss ein erheblicher konstruktiver Aufwand betrieben werden, will man nicht dass es lokal zu extrem starken

Wärmeverlusten kommt. Um dies zu vermeiden müssen die Lagen der Kissen getrennt voneinander geklemmt werden. Geschieht dies nicht, liegen die Lagen im Bereich der Ränder aufeinander und die Stärke der Hülle reduziert sich auf die Materialstärke der Folien. [107] Erschwerend kommt hinzu, dass die hier konstruktiv notwendigen Profile, wie bei einem Ortstermin am Frauenhofer-Institut bestätigt wurde, bezüglich der thermische Trennung noch immer nicht auf einem befriedigenden Stand sind. Dies liegt hauptsächlich an der Tatsache, dass die Profile in erster Linie mit dem Ziel entworfen werden, der in die Kissen einzubringenden Vorspannung standzuhalten, sowie eine entsprechende Dichtigkeit zu erreichen. Es handelt sich also um komplexe Anforderungen, die nur schwer von einem solchen Bauteil gleichzeitig bewältigt werden können. Auch wenn der Anteil in Relation der Gesamtfläche bei Kissenkonstruktionen stark minimiert werden kann, im Idealfall kann er bis auf

Mehrlagigkeit bei Kissenkonstrutkionen

2-lagig

3-lagig

4-lagig

5-lagig Wärmeübertragung durch Konvektion

Luft Volumen der Kammern PLUSMINUS unltd.

2 % reduziert werden, besteht hier noch immer erheblicher Optimierungsbedarf. Ein weiteres grundlegendes Problem ist die fehlende Berechnungsgrundlage für solche Konstruktionen. Nach einer mündlichen Auskunft des Frauenhofer-Institutes werden diese noch immer auf Basis der DIN EN 673 für Fenster und der DIN EN ISO 6946 für massive Bauteile berechnet. Sowohl am Frauenhofer-Institut als auch am ILEK wird derzeit an Dissertationen gearbeitet, die diese Lücke zu schließen versuchen. Das Fehlen solcher Grundlagen zeigt aber auch indirekt die Komplexität dieses Problems. Der hohe Anteil der Übertragung von Wärmeenergie über die Wärmestrahlung gestaltet die Betrachtung solcher Systeme hinsichtlich ihrer thermischen Eigenschaften so komplex. Fällt dieser Teil der Wärmeübertragung bei opaken massiven Bauteilen nahezu weg, ist er bei den transluzenten bis hin zu stark transparenten Bauteilen der bestimmende Faktor. Ihm kann nur mit entsprechenden Beschichtungen entgegnet werden.

einfache Klemmung

separate Klemmung

57.Abb.: Detail einfache Klemmung, Vector Foiltec, M 1 : 5

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auch hier angezweifelt werden ob eine solch ho- Gegensatz zu den beiden anderen Größen behe Druckdifferenz in die hier betrachteten Syste- nötigt Wärmestrahlung kein Übergangsmedium Ähnlich der Eigenschaften unterdruck-stabilisierter me eingebracht werden kann. und verbreitet sich auch über ein absolutes VaKonstruktionen bezüglich ihrer schalldämmenden kuum hinweg. Dies kann nur durch eine Low-E Wirkung ist das prinzipielle Potenzial vakuumge- Hierbei gilt es zusätzlich zu beachten, dass der Beschichtung an der Innenseite der Hülle vermiestützter Systeme seitens ihrer thermisch isolieren- notwendige erhebliche Unterdruck im System den werden. Eine solche Beschichtung schafft den Eigenschafte aus anderen Bereichen lange unter Umständen zu großen Spannungen im Ma- einen hohen Reflexionsgrad im Frequenzbereich bekannt. Die schon erwähnten Vakuumisolations- terial führen kann, die dieses nicht in der Lage der energiereichen Strahlung. Wird sie auf der paneele sind hier ein Beispiel, die Forschung an wäre zu tragen. So ist, ähnlich wie bei der schall- Innenraumseite angebracht, reduziert dies die Vakuumisolierglas ein zweites. Über die speziellen dämmenden Wirkung, in Frage zu stellen ob bei Wärmeabstrahlung nach Außen und somit den Eigenschaften Unterdruck stabilisierter, also teil- Unterdruckkonstruktionen mit einer biegewei- Wärmeverlust.[109] vakuumisierter Systeme mit einer biegeweichen chen Haut eine wirkungsvolle Druckdifferenz erdie theoretische Auf der Außenseite muss, um vor Überhitzung zu Haut ist jedoch nur wenig bekannt. In den Publi- zeugt werden kann, auch wenn [108] Möglichkeit hierzu besteht. schützen, zudem ein Sonnenschutzsystem etakationen des ILEK und der, der TU-Delft bezüglich der Vacuumatics beziehungsweise Deflateables, Hinzu kommt, dass auch wenn ein Vakuum einen bliert werden wie es zum Beispiel bei den noch folgenden adaptiven Ansätzen erläutert wird. finden sich jedoch einige nützliche Hinweise. isolierenden Einfluss auf die Wärmeübertragung Die Argumentation der TU-Delft folgt hier einer ähn- per Konvektion und Wärmeleitung hat, keine Be- Gegenüber reinen Unterdruckkonstruktionen lichen Linie wie bei ihrer Betrachtung der schall- einflussung der Wärmestrahlung möglich ist, Im verspricht der ursprünglichen Gedanke der Va7.2.2. Unterdrucksysteme

dämmenden Eigenschaften. Wärmetransport besteht aus einem komplexen Zusammenspiel dreier Übertragungsmöglichkeiten. Der Konvektion der Wärmeleitung und der Wärmestrahlung. Da für die Wärmeübertragung per Konvektion sowie die Wärmeleitung ein sie übertragendes Medium notwendig ist, kann diese natürlich in einem Vakuum nicht stattfinden. In ihrer Betrachtung schlussfolgern die Delfter Autoren daraus, dass ein Vakuum in Abhängigkeit von der Stärke der evakuierten Schicht sich positiv auf die wärmedämmenden Eigenschaften auswirkt. Eine ähnliche Auffassung wird in der Betrachtung des ILEK bezüglich der Vacuumatics vertreten. In der Untersuchung der TU-Delft wird gleichzeitig aber auch deutlich gemacht, dass um einen nennenswerten Effekt zu erzielen eine relativ hohe Druckdifferenz nötig ist. Ähnlich der Schalldämmung muss PLUSMINUS unltd.

58.Abb.: Verhältniss von Wärmedurchlasskoeffizient und Restgasdruck aus der Forschung zu Vakuumisoliergläsern, aus BINE Informationsdienst

cuumatics, die Verwendung geeigneter Füllstoffe, eine echte Steigerung der isolierenden Wirkung unterdruckbestimmter Elemente. Schon unter Ivan Petrovic wurden verschiedene Füllstoffe getestet, welche in den teilevakuierten Zwischenraum der biegeweiche Haut gefüllt werden und durch den Unterdruck mit der Hülle zu einem leicht rezyklierbaren Verbundstoff verpresst werden.[110] Hierbei wurde schon früh erkannt, dass durch die Verwendung hinsichtlich der Wärmedämmung günstiger Stoffe die isolierende Wirkung der gesamten Konstruktion gesteigert werden kann. Im Artikel des ILEK wird das Beispiel von sogenannten transluzenten Wärmedämmstoffen (TWD) als Füllstoff angeführt. Hierdurch wird ein verbesserter UWert erreicht und gleichzeitig eine Lichttransmission zugelassen. Dies erhält den grundsätzlichen Vorteil pneumatischer Konstruktionen, die mit den entsprechenden transparenten Materialien in der Lage sind einen äußerst hohen solaren Eintrag zu erwirtschaften Der Gedanke die Eigenschaften der Konstruktion durch die Einbindung von nicht pneumatischen Füllstoffen ist grundsätzlich ähnlich der Bedämpfung des Zwischenraumes bezüglich der Schalldämmung. Es liegt also nahe diese beiden Ansätze zu einem gemeinsamen Konzept zusammen zu führen.

Integration von Photovoltaik Füllstoff

Energetische Nutzung der erwärmten Luft 59.Abb.: Prinzipieller Aufbau einer mehrschichtigen Unterdruck stabilisierten Konstruktion mit wärmedämmenden Füllstoffen und aktiver Nutzung des solaren Eintrages

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7.2.3. Dynamische oder adaptive Ansätze Nikolaus Laing war wahrscheinlich der Erste der sich mit der Thematik dynamischer Maßnahmen zur Klimatisierung des Innenraumes auseinandersetzte. 1967 stellte er auf dem „Symposium on pneumatic structures“ in Stuttgart seine transmissionsvariablen Wandaufbauten vor (Abb. 60). Mit diesen verfolgte er das Ziel die Klimatisierungstechnik zu revolutionieren und die Unabhängigkeit von zusätzlich in das System einzubringender Energie zu realisieren. Diese Zielsetzung unterstrich er mit der Aussage[111]: „….lassen sich durch diese Wandelemente Frosttemperaturen in der Sahara und subtropische Verhältnisse in Neufundland realisieren“[112] Dieser Einschätzung misst natürlich ein erhebliches Maß an Übertreibung bei. Solche Ansätze zeigen aber erneut die Möglichkeit die Neigung der Systeme zu einer Adaptivität zu nutzen und so andere mögliche Nachteile gegenüber konventionellen Systemen auszugleichen. Um dieses Ziel zu erreichen wollte Laing die einfallende Sonnenenergie in Form ihrer Strahlung gezielt nutzen. Laing entwickelte zu diesem Zweck vielzellige Wandaufbauten in welchen er die Menge der ein- und ausfallenden Strahlung steuern konnte. Wie schon unter dem Punkt 5.2.1. angedeutet wurde, stellt die Strahlung bei leichten Flächentragwerken den größten Anteil der Wärmeübertragung dar. Laing versuchte sich diesen Umstand zu Nutze zu machen. So arbeitet sein System besonders mit dem der Nutzung des solaren Ertrages über den Treibhauseffekt. Hierbei trifft die solare Strahlung, die die transpa60.Abb.: Ballonshading System, Ansatz aus der Reihe Deflateables TU Delft

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rente Hülle problemlos passieren konnte, auf ein dere als trivial ist, macht die Einfachheit des Prinsie absorbierendes Bauteil, wie den Boden des zips doch wieder die Stärke des pneumatischen Innenraumes, welcher die Energie speichert und Ansatzes deutlich. langsam ebenfalls in Form von Wärmestrahlung wieder abgibt. Diese besitzt jedoch eine andere Wellenläge als die solare Strahlung, für welche die Hülle keine Transparenz aufweist.[113] Es folgt unweigerlich eine Aufheizung des Innenraumes. Der Ansatz von Nikolaus Laing sieht vor, nicht nur den Einfall der solaren Strahlung sondern auch die infrarote Strahlung der massiven Bauteile zu steuern. Hierzu versah er bestimmte Teile seiner Zellhüllen mit reflektierenden Beschichtungen welche er dann pneumatisch in ihrer Position verändern konnte. So erreichte er, die seiner Konstruktion den Namen gebende, variable Transmission von Wärmestrahlung.[114]

61.Abb.:Adaptiver Sonnenschutz bei Kissenkonstrutkionen

Ähnlich den Ansätzen von Laing gibt es bei den Kissen ein inzwischen weitverbreitetes System eines schaltbaren Sonnenschutzes (Abb. 61). Hierbei wird eine Mittellage eingeführt, welche durch eine Änderung des Luftdruckes in einer der beiden sich hieraus ergebenden Kammern in ihrer vertikalen Position verändert werden kann. Durch eine Bedruckung der Mittellage und eine hierzu versetzte Bedruckung der oberen Lage kann die Belichtung durch eine Veränderung der Position der Mittellage gesteuert werden. Wird die Bedruckung mit einer entsprechend reflektierenden Beschichtung durchgeführt ist dieser, auf rein pneumatischen Prinzipien basierende, Mechanismus eine effektive Regulierung der Strahlungstransmission. Durch die stufenlose „Schaltbarkeit“ der Zwischenlage ist eine ebenso stufenlose Anpassung des solaren Eintrages möglich. Auch wenn die Konfektionierung der Zwischenlage alles an-

62.Abb.:Adaptiver Sonnenschutz bei Kissenkonstrutkionen

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Ein anderer Ansatz der eher der Rubrik der Unterdrucksysteme zuzuordnen ist, stellt das Balloon Sun-shading-System der TU Delft dar (Abb. 60). Bei diesem wird ein Raster aus steifen Streifen von einer Unterdruckstabilisierten Hülle umschlossen. In den sich ergebenden Zwischenräumen werden pneumatisch an steuerbare Elemente integriert, welche den solaren Eintrag regulieren. In dem von der TU Delft durchgeführten Versuchsaufbau wurden hierbei handelsübliche Luftballons verwendet. Diese bringen, durch ihr elastisches Verhalten, die Eigenschaft mit sich, dass sie aus sich heraus schon die nötige Rückstellkraft aufbringen die beim Entlüften für reibungslose Rückbildung der Form notwendig ist. Im Ganzen handelt es sich hierbei aber leider nur um einen aufgezeigten Ansatz der noch weit von einer Übertragung in die Realität entfernt ist. Das ihm zugrunde liegende Prinzip ist jedoch durchaus interessant und könnte auch auf den Hybriden übertragen werden.

7.3.

Der Hybrid

Sowie bei der Betrachtung der schalldämmenden Wirkung hybrider Konstruktionen, möchte ich dies auch als Versuch der theoretischen Zusammenführung der beiden verschiedenen Ansätze verstanden haben.

mente kann zudem die Zweischaligkeit immer ge- könnte eine weitere Steigerung erreichet werwahrt werden. Es entstehen also nicht die Wär- den. Hierbei kann analog zu dem Vorgehen der Schalldämmung betreffend der Füllstoff in den mebrücken wie bei den Kissenkonstruktionen. Zwischenräumen angeordnet und mit steuerEin weiterer Punkt ergibt sich aus der Mehrbaren Überdruckelementen kombiniert werden. schichtigkeit hybrider Konstruktionen. Wie bei Diese Kombination schafft wieder die Möglichkeit den Folienkissen beschrieben führt das Etabdurch gesteuerte lokale Anpassung die Effektilieren mehrerer Schichten innerhalb der Konstvität des Systems zu erhöhen. Der Unterdruck ruktion durch das Aufkommen mehrerer Wärwird also weniger aus seiner theoretisch isoliemeübergangswiederstände und einer hiermit renden Wirkung heraus verwandt, er dient mehr einhergehenden Verringerung des Volumens, zu als aussteifendes und verbindendes Element. einer verbesserten Wärmedämmung. Man kann Hierbei kommen wieder seine Vorteile hinsichtalso davon ausgehen, dass durch das geziellich einer späteren Rezyklierbarkeit zum Tragen. te Nutzen des mehrzelligen Aufbaues hybrider (siehe Punkt 6.1.3.) Konstruktionen eine Verbesserung der wärmedämmenden Eigenschaften erzielt werden kann. Die Möglichkeiten einer energetischen Effizienz Durch die relative Freiheit die man hinsichtlich der Konstruktion beschränken sich aber nicht der Positionierung der Überdruckkammern in- nur auf passive Maßnahmen, wie eine Erhöhung nerhalb des Unterdruckelements besitzt, könn- der dämmenden Wirkung, auch aktive Maßnahte man dies auch gezielt steuern. Eine weitere men sind möglich. Eine im System von sich aus Möglichkeit bietet die Anordnung des Unterdru- enthaltene Möglichkeit besteht in der Nutzung ckes in mehreren Schichten. Anders als bisher, der warmen Abluft der Lüfter des Unterdrucksyswo es immer eine unterdruck-stabilisierte Hülle tems. Da diese zur Erhaltung des Unterdruckes gab, könnten auch mehrere solcher Schichten ständig oder zumindest immer wieder Luft aus miteinander kombiniert werden. Darüber hinaus dem Zwischenraum abführen müssen, kann diewäre es denkbar das Unterdrucksystem als kon- se über einen Wärmetauscher zur Energiegewinstruktiven Kern auszubilden, auf welchem an den nung herangezogen werden. Eine weitere MögAußenseiten zusätzliche steuerbare Überdruck- lichkeit besteht in der Integration dünnschichtiger elemente andocken. Als Beispiel könnten hier Photovoltaikzellen oder bestimmter Solarthermiedie Entwicklung des „Foil Glas“ dienen, bei dem kollektoren[115] aus einer Glasscheibe (ESG) und ETFE Folien eine mehrschalige Konstruktion aufgebaut wird. Hierbei kann die Folie durch Unterdruck an die Glasscheibe gesaugt werden und so den Wärmeschutz reduzieren.

Es existieren verschiedene Faktoren die auf ein mögliches Potenzial einer hybriden Struktur hindeuten. Durch das Zusammenspiel aus fugenlos verbindendem Unterdruckelement und integrierten Überdruckelementen ist eine Reduzierung der Anschlusspunkte möglich. Durch die, sich innerhalb der Konstruktion befindenden und den Über das Einbringen dämmender Füllstoffe, wie Abstand der Schalen wahrenden, Überdruckele- schon bei den Unterdruckelementen erläutert, PLUSMINUS unltd.

1. Anschlussdetail Kissen konventionelles Stahltragwerk • • •

Wärmebrücken Konstruktiver Mehraufwand Hohes Gewicht der Primärkonstruktion

2. Anschlussdetail Kissen Überdruckschlauch mit verbindender Unterdruckhülle Überdruckschlauch wandelbare Kissen

• • • •

Vermeidung von Wärmebrücken Fugenlose Konstruktion Starke Gewichtsreduktion der Konstruktion Rezyklierfreundliche Verbindung durch den Unterdruck

Unterdruck stabilisierte Hülle 3

2. Anschlussdetail Überdruckschlauch mit Unterdruckhülle plus wärmedämmenden Füllstoff Überdruckschlauch Füllstoff

• • • • •

Vermeidung von Wärmebrücken Fugenlose Konstruktion Starke Gewichtsreduktion der Konstruktion Rezyklierfreundliche Verbindung durch den Unterdruck Erhöhung der Wärmedämmfähigkeit durch den wärmedämmenden Füllstoff

Unterdruck stabilisierte Hülle 84

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Grundeigenschaften des pneumatischen Hybriden Wärmedämmung Differenzierung des Materials nach lokaler Anforderung Vielzelligkeit Unterteilung der Konstruktion in kleinere Volumen Integration Energie gewinnender Funktionsschichten Vielschichtigkeit

Verbindungsmittel Unterdruck

Energetische Nutzung der erwärmten Abluft Einfache rezyklierfreundliche Integration von wärmedämmenden Füllstoffen Fugenlose Konstruktion Reduzierung der Wärmebrücken Dynamische Regulierung der Zellvolumen

Adaptivität

Dynamische Regulierung der Anzahl der Wärmeübergangswiederstände Dynamische Regulierung des solaren Eintrages

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2 3

Sicherheit

Auch wenn schon Friedrich William Lanchester, dies als die sicherste Bauform bezeichnete,[116] gibt es einige Dinge die zu betrachten sind. Dass Lanchester, und nach ihm Frei Otto, diese Ansicht vertraten ist dennoch nicht gänzlich unberechtigt. So geht von allen rein pneumatischen Konstruktionsweisen, begründet durch ihr extrem leichtes Flächengewicht, bei einem Versagen wesentlich weniger Gefahr aus als etwa von einem konventionellen Stahltragwerk. Im Falle eines solchen Versagens würde die Luft bei den meisten Systemen äußerst träge entweichen. Das System würde hierauf derart langsam in sich zusammen fallen, dass eine Gefährdung darunter befindlicher Personen nahezu ausgeschlossen werden kann. Dies trifft so uneingeschränkt jedoch nur auf Systeme mit niedrigen Druckdifferenzen zu. Ab welcher Grenze hier eine Gefährdung vorliegen kann, wie diese aussieht und was dies im Speziellen für die pneumatischen Hybride bedeutet, soll im folgenden Kapitel geklärt werden. Zudem soll der Punkt der Redundanz der Systeme kurz betrachtet werden. Natürlich sind dies nicht alle der Punkte, die zu betrachten wären, wollte man das Ganze in ein reales Bauvorhaben überführen. Anschließende Arbeiten müssten demnach noch verbleibende offene Fragestellungen klären.

8.1.

Redundanz

Im technischen Sinne bedeutet eine Redundanz ein aus Sicherheitsgründen doppeltes Vorhandensein von, zur Aufrechterhaltung der Funktion 63.Abb.:Schlauchbogen Universität Stuttgart

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nötigen, Bauteilen. Auf pneumatische Konstruktionen übertragen bedeutet dies, dass die Druckdifferenz welche das konstruktive Kernelement darstellt, unter allen Umständen aufrecht erhalten werden muss. Schwankungen sind hierbei in einem bestimmten Toleranzbereich erlaubt, ein Totalausfall jedoch nicht. Ein solcher Totalausfall liegt dann vor wenn die jeweils eingesetzten Lüfter, Kompressoren oder Gebläse ausfallen würden. Dies kann an den Bauteilen selber oder deren Versorgung liegen. Daher wurden schon zu Beginn der pneumatischen Konstruktionen bestimmte Sicherheitshinweise gegeben, welche damals rein auf Überdrucksysteme bezogen waren, in ihrer grundsätzlichen Aussage aber durchaus auf unterdruck-stabilisierte Systeme übertragen werden können. Richtet man sich nach diesen Vorgaben, so müssen die für die Erhaltung der Druckdifferenz wichtigen Bauteile, selbst gegen Beschädigungen durch äußere Einflüsse geschützt sein. Da es dennoch immer wieder zu einem Ausfall eines Bauteiles kommen kann, muss die gesamt mögliche Absaug- (Unterdruck) oder die Gebläse(Überdruck) -leistung, gemessen an der minimal notwendigen Druckdifferenz um das 3 – 10 fache höher sein. Bei einem Teilausfall eines Bauteiles kann dies so durch die übrigen kompensiert werden. Hierzu ist es natürlich nötig, dass die Anzahl der jeweiligen Bauteile immer größer als 1 ist. Des Weiteren muss die Energieversorgung der Bauteile abgesichert sein. Dies bedeutet, dass bei einer elektrischen Versorgung bei Ausfall des primären Versorgungsnetzes eine zweite Stromquelle zur Verfügung stehen muss. Dies PLUSMINUS unltd.

kann über verschieden Maßnahmen gewehrleistet werden und hängt auch stark von der Art der Anwendung der Konstruktion und der Größe ab. Für eine großflächige Überdachung müssen natürlich mehr Absicherungsmaßnahmen getroffen werden als für einen kleinen Indoor-Messestand. [117]

Was bedeutet dies nun ganz konkret für die pneumatischen Hybride? Da es sich um eine, wie schon beschrieben, Konstruktion bestehend aus Unter- und Überdruckelementen handelt, wird logischerweise jeweils ein System benötigt, was den Unterdruck hält und eines was die entsprechenden Überdruckkomponenten mit Druckluft versorgt. Um den Unterdruck aufrecht zu erhalten können entweder Lüfter oder entsprechende Vakuumpumpen eingesetzt werden. Bei kleinen Bauwerken reicht theoretisch sogar ein handelsüblicher Staubsauger. Versuche bei den Plusminusbauten mit sogenannten Venturidüsen schlugen fehl. Diese Düsen können mit einem Druckluftsystem verwendet werden und erzeugen durch das Vorbeiströmen der Druckluft einen Unterdruck, welcher ein Absaugen der Luft bewirkt. Für den Einsatz bei Unterdruck stabilisierten Systemen erscheinen sie jedoch zu schwach. Mit Erfolg wurden bei diesen beiden Projekten handelsübliche Lüfter getestet. Bei dem Messestand die im Sanitärbereich häufig verwendeten Einschublüfter, bei der Gitterschale waren es flache Hochleistungslüfter aus dem ITBereich. Unabhängig von der Art der Unterdruckerzeugung muss ständig dafür gesorgt werden, dass dieser aufrecht erhalten wird. Da eine absolute Dichtheit der Konstruktion nahezu unmöglich ist muss das System ständig nacharbei-

ten. Natürlich muss dies entsprechend geregelt werden, da ein zu hoher Unterdruck ebenfalls Schäden an der Konstruktion verursachen kann. Wie bei den Überdrucksystemen auch müssen auch die unterdruck-erhaltenden Bauteile um einen bestimmten Faktor größer dimensioniert werden, um im Falle eines Bauteilausfalles, diesen kompensieren zu können. Werden Vakuumpumpen verwendet müssen also immer mindestens 2 vorhanden sein, werden Lüfter verbaut sollte deren Anzahl immer 1,5 – 2-mal so groß wie mindestens nötig sein. Zudem sollten die Pumpen, was ihre Energieversorgung angeht, immer getrennt abgesichert sein. Bei den Lüftern empfiehlt es sich dies in zwei bis drei Kreisläufe beziehungsweise Gruppen zu unterteilen und ebenfalls getrennt voneinander abzusichern. Was die Druckluftversorgung der Überdruckelemente angeht so verhält sich dies analog zu der Lösung der Pumpen für den Unterdruck. Etwas schwieriger wird es nur wenn das System adaptive Komponenten enthält. In diesem Fall kann es empfehlenswert sein, diese separat zu versorgen. Aber auch für die seperate Versorgung gilt, besonders wenn diese adaptiven Elemente eine für das System wichtige Funktion erfüllen, dass ein Backupsystem vorhanden sein muss, welches bei einem Ausfall des Primärsystems einspringt.

8.2.

Explosionslastfall

Wie bei so vielen Punkten dieser Arbeit gibt es auch hier keine schon bestehende Theorie oder gar Untersuchungen die als Grundlage dienen könnten. Die Annahme eines solchen Falles, ist vielmehr im Zuge der Arbeit des ILEK an einem Überdruckschlauch, welcher eines der Universitätsgebäude überspannen sollte (Abb. 63), entstanden. Hierbei wurde davon ausgegangen, dass ein unter Druck stehendes Behältnis, hier bestehend aus einer biegeweichen Haut, explosionsartig versagen kann und dabei eine solch starke Druckwelle, ähnlich einer Detonation, freisetzt, dass für umgebende Personen eine ernst zunehmende Gefahr besteht. Dass diese Theorie prinzipiell so zutrifft steht außer Frage, was man an den Gefahren die von einem berstenden Dampfkessel ausgehen zweifelsfrei belegen kann. Diese stehen jedoch auch unter einem wesentlich höheren Druck als es bei pneumatischen Systemen der Fall ist. Um aber mit Sicherheit eine eventuelle Gefährdung einschätzen beziehungsweise abwenden zu können wurde damals eine überschlägige Betrachtung durchgeführt. Grundlage dieser Betrachtung stellten eine Reihe von Untersuchungen, die von Mitte der 1950er bis in die 1970er, in den USA in Zusammenhang des Nuklearwaffenprogrammes über die Auswirkungen von Detonationslasten an Säugetieren angestellt wurden. Zu diesem Zweck wurden innerhalb der Untersuchungen verschiedene Säugetiere einer, durch eine Detonation ausgelösten, Druckwelle ausgesetzt. Die hierdurch angerichteten Verletzungen wurden, in Zusammenhang mit dem jeweilig noch vorherrschenden Restdruck 88

Table 6 TENTATIVE CRITERIA FOR PRIMARY BLAST EFFECTS IN MAN APPLICABLE TO „FAST“ RISING AIR BLASTS OF „SHORT“ DURATION (3 msec) Critical Organ or Event

Maximum Effect Pressure psi *

Eardrum Rupture: Thereshold 50 Percent

5 15

Lung Damage: Thereshold Severe

30 - 40 80 and above

Leathality: Thershold 50 Percent Near 100 Percent

100 - 120 130 - 180 200 - 250

* Effective pressure can be the Incident, reflected, or Incident plus dynamic, depending on one`s geometry of exposure and the location of the explosion(see text for an explanation): Note: Ambient Pressure, 12 psia. 64.Abb.: Tabelle über statistisch mögliche Schäden durch ExplosionswellenNach Richmoned et. al., 1970

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der Welle, statistisch erfasst und ausgewertet. Anhand dieser Statistiken war man nun in der Lage zu sagen, ab welcher Belastung erste körperliche Beeinträchtigungen bei den Tieren auftraten. Weitere Parameter die damals betrachtet wurden waren die der Dauer der Belastung oder der Art der Welle. All diese Betrachtungen im Detail zu erläutern würde den Rahmen sprengen und wäre mit Sicherheit auch nicht zielführend. Für die Abschätzung des erwähnten Schlauchbogens wurde, resultierend aus der Beschäftigung mit diesen Untersuchungen, ein sogenannter Schwellenwert übernommen. Dieser liegt bei 0,34 bar. Ab einer solchen Belastung durch eine Stoßwelle, besteht die theoretische Gefahr einer Perforation des Trommelfelles. Hierzu muss jedoch gesagt werden, dass die Untersuchungen, welche diesen Werte ergab, über 40 Jahre alt ist und durchaus angezweifelt werden kann, ob eine Übertragung von Ziegen und Schweinen in diesem Fall uneingeschränkt möglich ist. Auch ist unklar ob die Art der Welle überhaupt identisch ist. Nimmt man aber diesen Wert als Grenzwert, sprich man sieht den Bereich in dem die Belastung durch die Welle noch oberhalb diesen Wertes liegt, als potenziellen Gefahrenbereich an, ist man über Betrachtung der Thermodynamik in der Lage diesen Radius zu bestimmen. (Siehe Berechnung) Diese Berechnung geht jedoch von einem Verdichtungsstoß aus, wie er bei einem Verbrennungsmotor vorkommt. Auch hier müsste überprüft werden ob diese Annahme so getroffen werden kann. Mit Sicherheit ist sie aber für eine erste Abschätzung über eine etwaige Gefahr durchaus richtig und sinnvoll. [118] Was diese Art der Bestimmung jedoch gänzlich PLUSMINUS unltd.

außer Acht lässt, ist der Einfluss der materialspezifischen Parameter. So mag diese Annahme auf einen, aus einer Folie bestehenden, pneumatischen Körper aufgrund der geringen Weiterreisfestigkeit der Folie zutreffen, ein beschichtetes Gewebe hingegen würde wohl ein gänzlich anderes Verhalten im Versagensfall aufweisen. In einem solchen Fall ist anzunehmen, dass bedingt durch die hohe Weiterreißfestigkeit des beschichteten Gewebes, es bei den hier verwendeten Druckdifferenzen von maximal 1bar, zu einer

R2 = 0,12 m P0 = 1bar ΔP1 = 0, 7bar

R R2

P1'

P1 = P0

lokal begrenzten Leckage käme. Diese würde zu einem Druckausgleich und somit einem Versagen der Konstruktion führen. Es bestände aber höchst wahrscheinlich nicht die Gefahr eines schlagartigen Aufreißens über die gesamte Länge. Tritt der unwahrscheinliche Fall dennoch ein, kann in Abhängigkeit von der Druckdifferenz und dem Volumen des pneumatischen Körpers eine Druckwelle ausgelöst werden, die eine Gefährdung für umstehende Personen bedeuten würde. Über dieses komplexe Zusammenspiel von

7 1 + ( Ms 2 − 1) 6 ( Ms 2 − 1) ) 1− 6 * Ms

P = 0, 8979 P0 Ms = 1,11417 P2 = 1, 281604bar P0

P1´ = 0, 5282818 P1

a = 0, 912871 a1

1, 215

0, 28104bar ⎛ 1, 34bar ⎞1,405 ⎛ R ⎞ =⎜ ⎟ 0, 34bar ⎜⎝ 1, 281604bar ⎟⎠ ⎝ 0, 06m ⎠

P2 7 = 1 + ( Ms 2 − 1) 6 P0 ⎛ R⎞ ΔP2 ⎛ P ⎞ ⎜ ⎟ =⎜ ⎟ ΔP ⎝ P 2 ⎠ ⎝ R2 ⎠

= 1, 281604bar

Δ P2 = P2 − P1 = 0, 281604bar

' 1

1 K

= 0, 8979bar

' 1

R 3( K −1)

= 0, 0518106 R2 > R

R R2

65.Abb.:Berechnung für einen Schlauch der pneumatischen Gitterschale

Volumen, Materialkennwerten und Druckdifferenz sind, bisher jedoch noch keine fundierten Untersuchungen angestellt worden. Die beschriebenen Berechnungen auf Basis thermodynamischer Annahmen bilden hier höchstens einen ersten Ansatz, müssten aber in weiterführenden Untersuchungen genauer betrachtet werden. Trotz dieser fehlenden Grundlagen wurde auf Basis der angeführten Betrachtungen, beispielhaft eine Berechnung für einen der Schläuche der Gitterschale durchgeführt. Hierbei wurden lediglich die Kennwerte des Schlauches in die bestehenden Rechnungen eingesetzt. Das Ergebnis zeigt, dass der Gefährdungsradius durch die Druckwelle kleiner ist als der des Schlauches. Es ist anzuzweifeln, dass dieses rechnerisch mögliche Ergebnis so in die Realität umzusetzen ist und zeigt, dass es hier an einer fundierten Betrachtung fehlt. Daher kann auch nur die grundsätzliche Aussage getroffen werden, dass es eine theoretische Gefährdung in Abhängigkeit der erwähnten Parameter gibt. Das Volumen als auch die Druckdifferenz ist bei den hier betrachteten Systemen jedoch so gering, dass eine Gefährdung als höchst unwahrscheinlich einzustufen ist. Den pneumatischen Hybriden kommt durch ihren Schichtaufbau und die unterdruck-stabilisierte Hülle zugute, dass die Hüllfolie eine solche Welle zusätzlich dämpfen würde, so dass eine Gefährdung noch unwahrscheinlicher würde. Die Grundeigenschaften des Hybriden zahlen sich also einmal mehr aus.

66.Abb.:Reines Überdrucksystem

Hüllfolie/-membran

67.Abb.:Prinzipskizze des Hybriden mit seiner die Druckwelle dämpfenden Hüllfolie

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68.Abb.:Plusminus Gitterschalle , FuĂ&#x;punktdetail, studioltd, Foto: Walter Fogel

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Fazit Theorie Teil

Ziel dieses Fazits ist es den aktuellen Stand pneumatischer Hybride, resultierend aus der bisherigen theoretischen Betrachtung der Thematik, abzubilden. Innerhalb dieser meist intensiven Recherchearbeit, wurden die verschiedensten Aspekte pneumatischer Architektur im Allgemeinen und der pneumatischen Hybride im Speziellen, versucht zu beleuchten. Nicht immer war es hierbei möglich auf schon vorhandene Forschungen oder Betrachtungen zurück zu greifen, so dass häufig Transferaufgaben gelöst werden mussten die in ihrem Resultat noch einige weitere offene Fragen aufwarfen. Verständlicherweise war es daher nicht möglich, eine vollständige Betrachtung eines solch umfassenden Gebietes vorzunehmen. Daher sehe ich diese Arbeit eher als einen Anstoß für eine weitere Beschäftigung mit den Systemen der pneumatischen Hybride. Aufgabe dieser Arbeit war es, mögliche Potenziale aufzudecken und ein prinzipielles Interesse an diesem, so noch nie betrachteten, Systemansatz zu wecken. Die hiermit abgeschlossene theoretische Betrachtung, untersuchte zu diesem Zweck grundlegende Theorien, bis hin zu die Praxis bestimmenden Einflussgrößen. Die so anfangs noch recht abstrakte Idee eines Systemansatzes, aus der Kombination der beiden unterschiedlichen pneumatischen Systeme, wurde Schritt für Schritt konkretisiert und in ersten beispielhaften Varianten bildhaft verdeutlicht. Eine ständige Rückkopplung zwischen Idee und Recherche wurde so möglich. 69.Abb.:Philippe Ramette, Eloge de la paresse, 2000

Diese zeigte zu Beginn, dass die ursprüngliche PLUSMINUS unltd.

Annahme, des geringen Vorkommens verwirklichter Projekte und grundlegender Theorien, zu treffend war. In der inzwischen 100-jährigen Geschichte der pneumatischen Architektur konnten lediglich 4 – 5 Projekte identifiziert werden, bei welchen gezielt Unter- und Überdruckelemente miteinander kombiniert wurden. Bei all diesen Projekten handelte es sich zudem um temporäre Konstruktionen, meist mit einem prototypischen Charakter. Dabei hat die Recherche weiter gezeigt, dass von verschiedener Seite, der Kombination an sich ein Potenzial auch jenseits eines temporären Einsatzes, zugeschrieben wurde. Erinnert sei hier an die weitspannenden Scheiben die Naumer vorschlug[119] oder die ausgeleichende Wirkung der unterschiedlichen Krümmungen die Minke erwähnte[120]. Gemessen an der, verstärkten, Nachfrage pneumatischer Elemente in der aktuellen Architektur und einem immer größer werdenden Willen Strukturen hinsichtlich ihres Ressourcenaufwandes weiter zu optimieren, ist es um so verwunderlicher, dass eine ernsthafte Betrachtung dieses Ansatzes außer Acht gelassen wurde. Über die Beschäftigung mit bestehenden Theorien und Ordnungssystemen der pneumatischen Konstruktionen konnte nachgewiesen werden, dass einige der Nachteile die Unterdruck- und Überdrucksysteme für sich haben, durch eine gezielte Kombination ausgeräumte werden können. Eine der Schwierigkeiten bei der Errichtung von unterdruck-stabilisierten Konstruktionen, die Notwendigkeit eines unterstützenden Subsystem, meist bestehend aus nicht pneumatischen Elementen, kann durch Überdruckelemente ersetzt und so wesentlich effizienter gestaltet werPLUSMINUS unltd.

den. Die Kombination der beiden unterschiedlichen Krümmungsrichtungen führt nicht nur zu einer neuen Varianz der Formsprache, es kann wie von Minke treffend beobachtet konstruktiv gegen ungewollte Belastungen durch Wasserund Schneesäcke eingesetzt werden[121]. Waren, bei den Überdrucksystemen, bisher nur große einzellige Konstruktionen oder kleinteiligere Konstruktionen mit einem hohen Anteil an nicht pneumatischer Primärkonstruktion denkbar, eröffnet die Kombination des Hybriden die Möglichkeit einer durchgehend zusammenhängenden vielzelligen Konstruktion. Über die 4 Grundeigenschaften konnte deutlich gemacht werden, dass diese Vielzelligkeit wie auch die Vielschichtigkeit einen hohen Ausdifferenzierungsgrad der Konstruktion erlauben, der anders als bei den großen einzelligen Systemen, ein lokalbegrenztes und somit wesentlich effizienteres Reagieren der Struktur zulässt. In gewisser Weise stellt der Hybrid eine Weiterentwicklung des von Frei Otto geprägten Begriffes des „Pneus im Pneu“ dar. Das Wesentliche dieser Weiterentwicklung besteht in der stärkeren Einbeziehung der Hülle als konstruktives Element und dem Interagieren von Hülle und einzelner Zelle. Zwar bildet die unterdruck-stabilisierte Hülle das verbindende Element der Struktur, lässt aber gleichzeitig deren Transformationen zu. Sie steuert maßgeblich den Zusammenhalt der einzelnen Elemente, erlaubt einem jeden aber auch einen gewissen Grad an Anpassung. Diese Möglichkeit einer Integration bestimmter adaptiver Elemente und Vorgänge in die Systeme, stellte sich ebenfalls als eine der wesentlichen Stärken des Ansatzes heraus. Waren bei pneumatischen Ansätzen

bisher entweder globale, die gesamte Konstruktion betreffende oder lokal stark begrenzte Anpassung möglich, erlaubt die Kombination aus vielen kleinen Volumen in einer flexiblen fugenlosen Verbindung beides. Hierbei wurde festgestellt, dass der Grad der möglichen Anpassung bei hybriden Systemen weit über die, bei allen pneumatischen Systemen vorhandene, Anpassung der Druckdifferenz hinausgeht. Die Betrachtung grundlegender bauphysikalischer Gesichtspunkten als maßgebliche Umwelteinflüsse zeigte, dass durch diese Strategie Nachteile, die auf den ersten Blick gegenüber konventionellen Systemen entstehen, ausgeglichen oder so stark abgemildert werden, dass die Vorteile dieser leichten und anpassungsfähigen Konstruktionsweise in den Vordergrund treten. In vielen Aspekten muss natürlich eingeräumt werden, dass der pneumatische Ansatz an sich konventionellen gegenüber unterlegen ist und es auch nicht zielführend wäre, ihn zu etwas gleichwertigen zu entwickeln. Vielmehr sollten seine eigentlichen Stärken so weit wie möglich gefördert und er ihnen entsprechend eingesetzt werden. Wie die Analyse aber zeigt, ist besonders hinsichtlich sich immer schneller ändernder Einflüsse und der wachsenden Ressourcenknappheit ein Anpassungsfähiges, eben nicht mehr ständig auf das Maximum ausgelegtes System, von Interesse. Nicht ohne Grund hält der pneumatische Gedanke mehr und mehr Einzug in die zeitgenössische Architektur. So argumentieren die Architekten des Schwimmbades in Peking ganz offen mit der Einsparung an der Ressource Stahl durch die Verwendung pneumatisch gestützter Kissen.[122] Hinsichtlich dieser Entwicklung bie93

tet der pneumatische Hybrid eine nicht zu unterschätzende Alternative der, wie bei der Betrachtung der wärmedämmenden Eigenschaften festgestellt wurde, nicht nur durch seine fugenlose Konstruktion hier einige Schwachpunkte optimieren kann. Er eröffnet die Chance viel stärker auf ein aktives Vorgehen statt nur auf passive Maßnahmen zu setzen. Die vielen Möglichkeiten einer aktiven Nutzung des solaren Eintrages, ist hier nur ein Beispiel. Aus ökologischer Sicht ist seine, bei anderen Konstruktionen nur schwer zu verwirklichende, sortenreine Bauweise, bei der die einzelnen Bauteile keine dauerhafte Verbindung miteinander eingehen, ein weiterer unschlagbarer Punkt. Keine andere Verbindungstechnik erlaubt eine einfachere spätere Trennung der Baustoffe. Bringt die Entwicklung neuer Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen zudem den erwünschten Effekt, ist mit der Unabhängigkeit von der petrochemischen Industrie, ein wichtiger letzter Schritt, hin zu einer ökologisch absolut effizienten Bauweise absolviert. Neben diesen rein konstruktiven Gesichtspunkten, die eine Optimierung raumabschließender Systeme im Sinn haben, bietet der Hybrid mit seiner Fähigkeit zur Transformation und der Integration weiterer Funktionen die Möglichkeit der von Gruppen wie Archigram, Ende der 1960er geforderten, Interaktion von Architektur und Nutzer, gerecht zu werden. Er eröffnet die Chance eines völlig neuen Verständnisses von Architektur, fern ab von allem „Massiven und Starren“[123]

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Grundeigenschaften des pneumatischen Hybriden Gesamt Unterteilung der Konstruktion in kleinere Volumen Vielzelligkeit

Differenzierung Energetische Nutzung der erwärmten Abluft Integration weiterer Funktionen

Energie gewinnender Funktionsschichten

Unterschiedlichen Zellen Rezyclierfreundliche Verbindung Fugenlose Konstruktion Reduzierung der Wärmebrücken

Adaptivität

Des Füllgases nach lokaler Anforderung

Mikroporiger Schallabsorbierender Folien

Vielschichtigkeit

Verbindungsmittel Unterdruck

Des Materials nach lokaler Anforderung

Dynamische Regulierung

Wärmedämmenden Füllstoffen Hohlraum bedämpfenden Füllstofen

Des Anteils der Segmente/Zellen

Verschiedener Materialien

Des Schalenabstandes Des solaren Eintrages Der Anzahl der Wärmeübergangswiederstände Der Zellvolumen

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2 3

10.

Systemansätze

Auf den folgenden Seiten sollen einige der während der Beschäftigung mit der Thematik entstandenen Systemansätze oder Ideen aufgezeigt und festgehalten werden. Diese Idee entstand in Anlehnung an das Vorgehen der IL-Publikationen. Bei diesen wurden auch sehr häufig, noch recht skizzenhafte Ideen oder Ansätze katalogisiert und dargestellt. (siehe Abb 64) Auch wenn nicht die Quantität der Kataloge der IL – Publikationen erreicht wird, halte ich es dennoch für wichtig das die entstanden Ideen nicht einfach verloren gehen, sondern wie einen gelungenen Abschluss der Arbeit darstellen. Der Idee weiter folgend handelt es sich auch bei diesen Ansätzen mehr um skizzenhafte Gedanken, als um ausgearbeitete Entwürfe. Sie sollen und werden dies auch hoffentlich, als Grundlagen einer weiteren Beschäftigung mit der Thematik dienen. Anders als im bisherigen theoretischen Teil, werden nun auch konkretere Anwendungen oder Zwecke der Konstruktionen aufgezeigt.

70.Abb.:Ausschnitt aus dem Pneukatalog aus Wandelbare Pneus

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10.1. Variation des Schichtaufbaues Bis her wurde der Aufbau der Hybride meist als eine mit Überdruckelementen oder Füllstoffen versehene unterdruck-stabilisierte Hülle, angesehen. Dies ist aber nicht der einzig mögliche Aufbau. So könnten auch mehrere Unterdrucksysteme in einander verschachtelt werden. Denkbar wäre dies sowohl als flächige Elemente oder in Form von Schläuchen oder kleineren Körpern. Diese wären selbst wieder mit Überdruckelementen oder Füllstoffen versehen und durch einen Unterdruck stabilisiert. Eine andere Möglichkeit wäre das parallele Anordnen mehrerer Unterdrucksysteme hintereinander. Im Gegensatz zu der ersten Variante wären diese jedoch nicht unmittelbar miteinander gekoppelt.

Bisheriger Hybrider Aufbau mit einer Unter1

druck-Hülle

Zwei parallel angeordnete Unterdruck-Hüllen

In einander verschachtelte Unterdruck-Hüllen

1 2 3

Eine weitere Varinate wäre das zusätzliche Anordnen von Überdruckkörpern auf den Aussenseiten. Diese könnten in die Hüllfolie integriert werden und ebenfalls wandelbar sein. Der unterdruck-stabilisierte Kern könnte dabei wie gehabt als Unterdruck Hülle mit im Zwischenraum weiteren Überdruckkörpern ausgeführt werden.

Zusätzliche Überdruckkörper an den Aussenseiten der Unterdruck-Hülle

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3 97

10.2. Kissen im Unterdruckfeld Bei dieser Variante wird der in einem zweilagigen Überdruckschlauchgitter entstehende Zwischenraum der Maschen mit einem wandelbaren Überdruckkissen gefüllt. Dieses Kissen kehrt im Wesentlichen die konkave Krümmung der unterdruck-stabilisierten Fläche um und kann beispielsweise auf die angesprochene Problematik des Wassersackes reagieren. Dieser adaptive Vorgang folgt dem unter 6.3.3 aufgezeigten Ansatz. Wird das Kissen aufgeblasen nimmt es demnach die exakte Umkehrung der konkaven Krümmung ein. Die Vorspannung der Hülle bildet hier die für die Umkehrung der Wandlung nötige Rückstellkraft. Hierbei ist keine besondere Konfektionierung bezüglich der zwei Zustände vor zunehmen. Gekoppelt mit entsprechenden Sensoren wäre das System nun in der Lage bei einsetzendem Regen die Kissen in den Maschen zu belüften und so einer Wasseransammlung entgegen zu wirken.

Kissen wandelbar

Neben diesem Effekt könnten die Kissen auch durch eine versetzte Bedruckung der einzelnen Lagen ein steuerbares Sonnenschutzsystem in ein solches System integrieren. Dies kann sowohl mit einem einfachen zweilagigen Kissen als auch mit einem drei oder mehrlagigen Kissen umgesetzt werden. Punkte die noch weiter entwickelt werden müssten wären die Anbindung der Kissen an die Schlauchstruktur, Sensor gesteuerte Regeltechnik oder die Detaillierung der Versorgung der Kissen.

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Maßnahme gegen Wassersackbildung

Adaptiver Sonnenschutz

Kissen entlüftet

durch die konkave Krümmung kommt es zu einer Wassersackbildung

die Masche ist vollständig verschattet

Kissen teil-aktiviert die Masche ist teilweise verschattet

Kissen aktiviert

Die Krümmung wird umgekehrt und so einer Wassersackbildung vorgebeugt

die Masche ist gering verschattet

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10.3. Adaptive Elemente plus Füllstoff Wie schon mehrfach im Text angedeutet erscheint es sinnvoll, dem Ansatz der „Vaccumatics“ folgend, die Grundeigenschaft des Verbindungsmittels Unterdruck zu nutzen, um die Wärmedämmung durch die Einbindung entsprechender Füllstoffe zu verbessern. Das Einbringen solcher Füllstoffe wirkt sich jedoch, auch bei der Verwendung entsprechend transluzenter Stoffe auf die Lichtdurchlässigkeit der Struktur aus. Dem entgegenwirken soll die Idee der Integration regelbarer Überdruckkörper. Diese werden im Füllstoff angeordnet und können die Dämmstoffe bei Bedarf verdrängen. Ist in einer bestimmten Situation ein höherer Lichteinfall gewünscht, können diese aus hochtransparentem ETFE bestehenden pneumatischen Körper, aktiviert werden und so mit den Transparenzgrad der Konstruktion erhöhen. Denkbar sind die unterschiedlichsten Materialien als Füllstoff, sie müssen nur eine entsprechende Lichtdurchlässigkeit garantieren, die Integration der adaptiven Elemente zulassen sowie diese nicht durch scharfe Kanten oder spitze Winkel gefährden. Praktisch sind natürlich Dämmmaterialien die in entsprechenden Bahnbreiten produziert werden. Solche Materialien können einfach eingebaut werden und in ihnen können einfach die regelbaren Überdruckelemente sowie deren Versorgungsleitungen integriert werden.

Kugelpneus entlüftet

elastisches Füllmaterial

Noch zu lösende Punkte sind die Art der Integration der adaptiven Elemente sowie deren Steuerung und eine Untersuchung über unterschiedliche Arten von Füllstoffen.

100

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Kugelpneus mit Überdruck

elastisches Füllmaterial In ein Hüllsystem integriert ermöglicht das System die Belichtung individuell zu steuern.

Mögliches transluzentes/elastisches Füllmaterial: 3d Abstandsgewebe, hier das 3dMesh von Müllertextilien

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101

10.4. Aircoil-System als Öffnungselement Das 1970 von S.R. Wellesley-Miller am MIT entwickelte „Air-Cell-System“ arbeitet nach einem recht einfach nachzuvollziehendem Prinzip. Röhrenartige pneumatische Zellen werden beidseitig an einer Membranlage angeordnet. Besitzt die einer der beiden Lagen einen höheren Druck rollt sich das gesamte System zu der Seite mit dem geringeren Druck ein. Dieses Prinzip wurde schon häufig angedacht und verwendet. Zuletzt von einem Architektenkollektiv aus Londen Namens Studiointegrate. Diese verwendeten auf dem Ansatz des air cell systems entwickelte Elemente als Abbdeckung der Maschen eines einlagigen Schlauchgitters. Die TU-Delft nutzte einen ähnlichen Effekt bei Ihren Kinematic Structures, indem sie einen Eierkarton in eine vakuumisierte Hülle steckten. Dieser rollt sich ebenfalls auf eine ähnliche Weise zusammen. Der hier gezeigte Ansatz verbindet diese alle und integriert ihn in eine Hybride Struktur. Hierbei wäre es sowohl denkbar eine größere Anzahl kleinerer Elemente parallel zu der Hülle des Hybriden anzuordnen, als auch größere orthogonal zur Hülle angeordnete. Die erste Variante würde dann einfache Klappen darstellen, während die letzte Version das Anbringen zweier Stränge erfordern würde die sich durch eine gegensätzliche Krümmung öffnen würden.

Air-coil-System MIT 1970

Kinetic Structures TU Delft 2007

Schlauchzellen wandelbar

Plusminus „Air coil System“ 102

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Anordnung zweier gegenüberliegender Air-coil-systeme.

Pneumatisch steuerbare Belüftungsklappen, durch die Integration des Aircoil-systems in eine Unterdruck-Hülle eines Schlauchgitters.

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Eine Druckreduzierung in den beiden innenliegenden Seiten bewirkt ein Öffnen der Struktur 103

104

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Danke Für die großzügige und vielfältige Unterstützung gilt mein besonderer Dank: Herrn Professor Werner Sobek und meinem Betreuer Jürgen Hennicke sowie dem Bibliothekar Christian Assenbaum vom Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren. Professor Gerd de Bruyn vom Institut für Grundlagen Moderner Architektur und Entwerfen. Lena Pfeifer, Fabian Pfeifer, Marcus Kron und Johannes Walde für das Korrigieren der Arbeit. Den Experten Andreas Kunze, Uwe Teutsch und den Mitarbeitern des Frauenhofer Institutes.

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105

Quellenangaben 106

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Vgl. Teutsch, U., 2009, Vgl. Herzog, T., 1972, 17 & Naumer. W., 1999, 25 Vgl. Herzog, T., 1972, 17 Vgl. Naumer, W., 1999, 162 Vgl. Minke, G. in Herzog, T., 1972, 17 & Ebd., 28 Vgl. Falter, A., 2004, 16 f & Naumer, W., 1999, 280 ff Vgl. ebd. Vgl. Schmidt, T., et. Al., 2007, 1148 ff & Vgl. Herzog, T., 1972, 53 & Vgl. Knaack, U. et. Al, 2008, 15ff Vgl. Schmidt, T., et. Al., 2007, 1154 Vgl. Otto, F. et. Al. 1979,18 Vgl. Wutz, M. et al. 2000, 2 Vgl. Schmidt, T., et. Al., 2007, 1149 Vgl. Naumer, W., 1999, 27 Vgl. Ebd. Vgl. Seidel, M., 2008, 38 Vgl. Naumer, W., 1999, 30 & Vgl. Knippers, J., et. Al., 2010, 100 ff Vgl. Naumer, W., 1999, 30. Vgl. Ebd. Knippers, J., et. Al., 2010, 42 Vgl Ebd., 52 Vgl. Naumer, W., 1999, 31 Knippers, J., et. Al., 2010, 104 Vgl. Ebd. & Naumer, W., 1999, 31 Vgl. Knippers, J., 2010, 105 Vgl. Ebd, 94 Vgl. Ebd. Vgl. Ebd. Vg. Ebd., 99 & Naumer, W., 1999, 32 Vgl Knippers, J., 2010, 99 PLUSMINUS unltd.

[61]. [62]. [63]. [64]. [65]. [66]. [67]. [68]. [69]. [70]. [71]. [72]. [73]. [74]. [75]. [76]. [77]. [78]. [79]. [80]. [81]. [82]. [83]. [84]. [85]. [86]. [87]. [88]. [89]. [90]. [91]. [92]. [93].

Vgl. Naumer, W., 1999, 33 Vgl. Ebd. Vgl. Knippers, J. 2010, 99 Vgl. Hellerisch, W. et. Al., 2010 Vgl Schmidt, T., et. Al. 2007, 1149 Vgl Naumer, W., 1999, 27 Vgl Knippers, J. 2010, 97 f Vgl. Ebd., 25 ff Vgl. Knippers, J. 2010, 62 Vgl. Teufel, P. 2004, 10 f & Weilandt, A., 2008, 5 Vgl. Naumer, W. 1999, 23 Ebd, 23; Herv. S.K. Vgl. ebd. & Vgl. Roland, C. & Otto, F., 1965, 85 Vgl. Topham, Sean, 2002, 8 Vgl. Ebd., 55ff Vgl. Von Schoor, B., 1975, 10 Vgl. Ebd., 14 Vgl. Von Schoor, B., 1975, 54 & Ebd. 62 Vgl. Herzog, T., 1972, 162 f Vgl. Mehra, S.-R., et. al., 2004, 4 Mehra, S.-R., et. al., 2004, 19; Herv. S.K. Vgl. Ebd., 19 Vgl. Ebd., 19ff Vgl. Ebd., 21ff Vgl. Ebd., 23ff Vgl. Ebd., 26 Vgl. Ebd., 26 Ebd., 47; Herv. S.K. Ders., 2002, 79 Maysenhรถlder, W., 2009, 3 Ebd., 6 Vgl. Knaack, U. et. Al, 2008, 22f Maysenhรถlder, W., 2009, 5; Herv. S.K.

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[94]. [95]. [96]. [97]. [98]. [99]. [100]. [101]. [102]. [103]. [104]. [105]. [106]. [107]. [108]. [109]. [110]. [111]. [112]. [113]. [114]. [115]. [116]. [117]. [118]. [119]. [120]. [121]. [122]. [123].

Vgl. Schmidt, T., et. Al., 2007, 1149 & Vgl. Maysenhรถlder, W., 2009, 3 ff Vgl. Mehra, S.-R., et. al., 2004, 24 Vgl. Knaack, U. et. Al, 2008, 22f Vgl. Mehra, S.-R., et. al., 2004, 23 Vgl. Mehra, S.-R., et. al., 2004, 25 Vgl. Knaack, U. et. Al, 2008, 22f Vgl. Mehra, S.-R., et. al., 2004, 23 f Vgl. Ebd., 24 Vgl. Ebd., 25 Vgl. Ebd., 26 Vgl. Schmidt, T., et. Al., 2007, 1149 Vgl. Herzog, T., 1972, 163 Vgl. Vector Foiltec, Produktinfo, 2010, Vgl. Knippers, J., et. Al. 2010, 216 f Vgl. Schmidt, T., et. Al., 2007 1149 & Knaack, U. et. Al, 2008, 22f Vgl. Knippers, J. et. al. 2010, 116 Vgl. Herzog, T., 1972, 53 Vgl. Laing, N., 1968, 163 Ebd. Herv. S.K. Vgl. Knippers, J., et. Al. 2010, 114 Laing, N., 1968, 163 Vgl. Schmidt, T., et. Al., 2007, 1148 Vgl. Roland, C. & Otto, F., 1965, 85 Vgl. Otto, F. et. al., 1983, Vgl. Richmond, R. D. et. Al., 117 & Vgl Ders., 1970, 159 ff Vgl Naumer, W., 1999, 162 Vgl. Herzog,T., 1972, 17 Vgl. Ebd Baraona P., E. 2008, 256 ff Otto, F., 1966, ??; Herv. S.K.

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Abbildungsverzeichniss

1.Abb.: Floating Theatre, Osaka Expo 1976, aus Herzog, T. 1970 .......................................................................................... 10 2.Abb.:nach Frei Otto ........................................................................................................................................................... 12 5.Abb.: Walter Bird auf dem 1948 errichteten ersten Radome ................................................................................................ 13 3.Abb.: Le Vingtième Siècle - la e`lectrique, 1883, Topham 2002 ........................................................................................... 13 4.Abb.: Karrikatur der Ballonmode, aus Topham, 2002 .......................................................................................................... 13 6.Abb.: Stadt in der Arktis, aus Topham, aus Otto, F. 1984 .................................................................................................... 14 7.Abb.: Fuji Pavillion von Yukata Murata, Expo 1970, aus Topham .......................................................................................... 15 8.Abb.: Haus-Rucker-Co, Gelbes Hertz, 1968, aus Topham,2002 ......................................................................................... 15 9.Abb.: Projektstudie für eine Ausstellungshalle,Einfachmembran Unterdrucksystem, Minke, G. mit Studenten TU Delft1971 .... 18 10.Abb.: Entwurf einer Sporthalle,Einfachmembran Unterdrucksystem, Institut für Umweltplanung, Ulm unter Minke, G. 1971 .. 18 11.Abb.: Entwurf einer Ausstellungshalle,Einfachmembran Überdrucksystem, Minke, Stevens und Warne 1971 ...................... 18 12.Abb.: Morphologischer Kasten mit 11 Unterscheidungskriterien nach Minke aus Herzog, T. 1976 ....................................... 20 13.Abb.: Morphologischer Kasten mit 4 Unterscheidungsmerkmalen von Herzog, T. 1976 ...................................................... 23 14.Abb.: Pentadome, Ausstellungsgebäude der US-Armee, Bridair Structures Inc., 1958 aus Herzog, T. 1976 ........................ 25 15.Abb.: Messestand der Firma Mero, Werner Sobek Ingenieure ........................................................................................... 26 16.Abb.: Station Z, Werner Sobek Ingenieure ........................................................................................................................ 26 17.Abb.: ETFE Kissen Alianzarena München, Herzog de Meuron, www.fontblog.de ................................................................ 27 18.Abb.: Brücke mit Tensairity®Träger, www.radio.de .............................................................................................................. 27 19.Abb.: Morphologischer Kasten zur Kombination von Unter- und Überdruck nach Minke ..................................................... 28 20.Abb.: Varianten von einer Kombination aus Unter- und Überdruck, erzeugt von Gernot Minke aus Herzog, T. 1976 ............. 29 22.Abb.:Floating Theatre, Schnitt, von Yutaka Murata, Osaka 1970 aus Herzog 1976 ............................................................. 31 21.Abb.:Floating Theatre von Yutaka Murata, Osaka 1970 aus Herzog 1976 .......................................................................... 31 25.Abb.:Y-Stützen mit Festo Muscle, Festo,1996 .................................................................................................................. 33 24.Abb.:Pneuhalle Airtecture, Detail Innenecke Festo,1996 .................................................................................................... 33 23.Abb.:Pneuhalle Airtecture, Festo,1996.............................................................................................................................. 33 27.Abb.:Plusminus Messestand Innenraum ........................................................................................................................... 35 26.Abb.:Plusminus Messestand, studioltd & ILEK Universität Stuttgart .................................................................................... 35 28.Abb.:Plusminus Messestand Sockeldetail ......................................................................................................................... 35 30.Abb.: Die pneumatische Gitterschale, Aufsicht .................................................................................................................. 37 112

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29.Abb.: Plusminus die pneumatische Gitterschale studioltd & Festo, 2009 ............................................................................ 37 31.Abb.: Die pneumatische Gitterschale, Detail Ausschnitt ..................................................................................................... 37 34.Abb.:Air-B-Wall, Projekt der Deflateables, TU Delft, 2007 .................................................................................................. 39 32.Abb.:Vacuumatics, Ivan Petrovic Queens University Belfast,1970 ...................................................................................... 39 33.Abb.:Teepavillion Projekt der Vacuumatics, ILEK, Stuttgart ................................................................................................. 39 35.Abb.:Hochdruckschlauchsysteme, Minke, G. .................................................................................................................. 40 37.Abb.:Gleichgewichtsform von Seifenblasen aus Pneus in Natur und Technik ...................................................................... 45 36.Abb.: Skizze der Magdeburger Halbkugel von Caspar Schotts www.de.academic.ru.......................................................... 45 38.Abb.: mechanisch vorgespannte Membran, aus Seidel, 2008 ........................................................................................... 48 39.Abb.: Ausschnitt Plusminus Messestand .......................................................................................................................... 48 40.Abb.: Regionalbad „Rheinwelle“ Bingen, CenoTec............................................................................................................. 50 41.Abb.: PA - Folienschlauch, studioltd ................................................................................................................................. 50 42.Abb.: Pilot Anlage zur Folienherstellung von Nowofol ......................................................................................................... 52 43.Abb.: Phallusartiger Symbolturm, Expo 1970, aus von Schoor .......................................................................................... 54 44.Abb.:Ivan Petrovic University of Belfast room-cells ............................................................................................................. 56 45.Abb.:Wandelbare Traglufthalle mit Luftschläuchen Krupp Universalbau, aus Herzog, T., 1970 ............................................. 56 46.Abb.: Air-Coil-System, entwickelt 1971 am MIT von S.R. Wellesley-Miller. .......................................................................... 57 47.Abb.:Skizzen von Frei Otto zur Integration von pneumatischen Elementen in Seilnetzkonstruktionen ................................... 58 49.Abb.: Wandelbare Dachkonstruktion, ausgefahren, Krupp Universalbau ............................................................................. 59 48.Abb.: Wandelbare Dachkonstruktion, eingefahren, Krupp Universalbau .............................................................................. 59 51.Abb.: Beijing National Aquatics Centre, Vector Foiltec........................................................................................................ 68 50.Abb.: Eden Project, Grimshaw, www.grimshaw-architects.com ......................................................................................... 68 52.Abb.: Mobile Schallschutzschirme von Cenotec................................................................................................................ 69 53.Abb.:Schalldämm-Maß eines massiven und zweier aufblasbarer Schallschirme. Aus Mehra, S. 2002 ................................. 69 54.Abb.: Verhältnis von Restgasdruck und Schalenabstand zum ermittelten Schalldämmaß, aus Deflateables Tu Delft, 2007 .... 72 55.Abb.: Schema des Versuchsaufbaus der TU Delft ............................................................................................................ 72 56.Abb.: Eden Project, Grimshaw, Vector Foiltec ................................................................................................................... 76 57.Abb.: Detail einfache Klemmung, Vector Foiltec, M 1 : 5 ................................................................................................... 78 58.Abb.: Verhältniss von Wärmedurchlasskoeffizient und Restgasdruck, aus BINE Informationsdienst ...................................... 79 59.Abb.: Prinzipieller Aufbau einer mehrschichtigen Unterdruck stabilisierten Konstruktion mit wärmedämmenden Füllstoffen .... 80

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60.Abb.: Ballonshading System, Ansatz aus der Reihe Deflateables TU Delft .......................................................................... 81 61.Abb.:Adaptiver Sonnenschutz bei Kissenkonstrutkionen .................................................................................................... 82 62.Abb.:Adaptiver Sonnenschutz bei Kissenkonstrutkionen .................................................................................................... 82 63.Abb.:Schlauchbogen Universität Stuttgart ......................................................................................................................... 86 64.Abb.: Tabelle über statistisch mögliche Schäden durch ExplosionswellenNach Richmoned et. al., 1970 ............................. 88 65.Abb.:Berechnung für einen Schlauch der pneumatischen Gitterschale ............................................................................... 89 67.Abb.:Prinzipskizze des Hybriden mit seiner die Druckwelle dämpfenden Hüllfolie ................................................................ 90 66.Abb.:Reines Überdrucksystem ........................................................................................................................................ 90 68.Abb.:Plusminus Gitterschalle , Fußpunktdetail, studioltd, Foto: Walter Fogel ....................................................................... 91 69.Abb.:Philippe Ramette, Eloge de la paresse, 2000............................................................................................................ 92 70.Abb.:Ausschnitt aus dem Pneukatalog aus Wandelbare Pneus.......................................................................................... 96

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