Folien als transparente Elemente in der Fassade. Mechanische und bauphysikalische Eigenschaften
Lippke, Roland
Der Folienbau und insbesondere der konstruktive Folienbau ist mittlerweile seit über 20 Jahren als Bauweise für Gebäudehüllen erprobt. Die Erfahrung dieser Zeit zeigt, dass die Folie als Konstruktionsmaterial dauerhaft einsetzbar ist. Die mechanischen Eigenschaften von geeigneten Folien ändern sich über diese Zeiträume kaum, somit ist ihr Einsatz als transparente Fläche, für dauerhafte Bauwerke als Alternative zu Glas oder biegesteifen Kunststoffen wie PMMA oder PC im Konstruktionsprozess zu untersuchen. Die Arbeit beschäftigt sich mit der Folie als Werkstoff für den Fassadenbau. Es wird im Wesentlichen auf den konstruktiven Folienbau eingegangen, aber auch auf Folien, die mechanisch nur schwach oder gar nicht belastbar sind und im Rahmen des Fassadenbaus optische, thermische oder mechanische Optimierungen ermöglichen. Zunächst werden die möglichen Konstruktionsformen von transparenten Fassaden, die auch schon aus dem Glasbau bekannt sind, in ihre Funktionsweise analysiert. Das Hauptaugenmerk liegt hierbei auf Doppelfassaden. Aus den Erkenntnissen über die jeweiligen Funktionen der unterschiedlichen Fassadenschichten werden Möglichkeiten aufgezeigt, unterschiedliche Schichten durch Folien zu ersetzen oder die gesamte Fassade aus Folien herzustellen. Um die Funktionsweise von Folien als thermisch isolierende Schicht zu untersuchen, wurden an zweilagigen Folienfenstern Versuche durchgeführt. Die Fenster wurden in einen Versuchsstand eingebaut, der den Energiedurchlass misst, bei einer Temperaturdifferenz der beiden angrenzenden Räume von 20°C. Die Ergebnisse wurden mit gängigen Glaskonstruktionen verglichen und Optimierungsvorschläge für die Folienkonstruktion dargelegt. Folienkonstruktionen gehören aus statischer Sicht zum Membranbau. Es sind vorgespannte Konstruktionen, die äußere Lasten in der Ebene als Normalkräfte abtragen. Die möglichen Formen, die sich aus der Vorspannung ergeben, werden dargestellt und nach Art der Vorspannung differenziert. Die mechanischen Eigenschaften werden im Anschluss dargestellt. Zur genauen Beschreibung des Werkstoffs wurden verschiedene Versuche durchgeführt. Die Versuchsreihe beginnt mit einaxialen Zugversuchen, um die Schwankungen der mechanischen Eigenschaften zwischen unterschiedlichen Herstellern, Materialchargen, Folienstärken und Modifikationen zu analysieren. Ein zweiter Versuchsaufbau ermittelt das Langzeitverhalten unter Last, bei einaxialer Belastung. Eine Folienprobe wird gedehnt und über einen bestimmten Zeitraum bei dieser Ausgangsdehnung gehalten, während die Spannungsänderung gemessen wird. Als Versuchsauswertung entsteht ein Diagramm, in dem jeder Ausgangsdehnung direkt eine Spannung nach unendlich langer Zeit zugeordnet wird. Als dritte Versuchsreihe wurden biaxiale Zugversuche durchgeführt. Hierfür wurde eine Versuchseinrichtung an der TU-Berlin gebaut. Die Versuche dienen der Bestimmung des E-Moduls und der Ermittlung der Querdehnzahl. Im Anschluss an diese Untersuchungen wird anhand von vier unterschiedlichen Modulen und eines Praxisprojektes die Konstruktion und Bemessung einer Folienfassade gezeigt. Hierfür wird zunächst das derzeit gültige Regelwerk gesichtet und anhand der bekannten Regeln ein Bemessungskonzept für die Fassade dargestellt. Mit diesem Konzept werden die vier Standardmodule und das 6,00 m hohe und 2,50 m breite Modul aus dem Praxisprojekt, bemessen.
Foil structures and especially load bearing foil structures have been build now for more than 20 years and have proved their quality as façade and roofing material. The gained experiences of the last two decades have shown that it is a long lasting material. The mechanical properties of suitable foil materials, which have been installed in different buildings, haven’t changed during their lifetime. This proofs that foils can be used on permanent buildings as an alternative to glass or bending resistant polymers such as PMMA or PC. This thesis is about foil materials, which are suitable for façade construction. The main part deals with load bearing foil constructions. Included is also information on non load bearing foils such as PE or THV, which are good for optimizing optical or thermal properties of the façade. There are a lot of construction types for transparent facades which already known as glass façade constructions. These are analysed for their functionality. The focus is on double facades. After the analysis of the function of the different façade types and their layers, a recommendation is made to which part of the facades could be substituted by foils. The next step is to examine the building physic properties of insulating foil constructions. Tests were held at the TU-Berlin to measure the heat transmission of two layer foil windows. The test setup measured the energy transmission of the window between two rooms with a temperature difference of 20°C. The test results are compared to standard glass windows and suggestions for the optimization of the foil windows are given. Foil constructions are membrane structures. They are prestressed and carry external loads only by axial forces without bending moments. This behaviour leads to typical forms in membrane architecture which are shown and differentiated between mechanically and pneumatically prestessed forms. Subsequently the mechanical properties of foils are analysed, with the help of several tests performed at the TU-Berlin. The first mechanical test is the uniaxial tensile test. This test shows the variation of properties between different manufacturers, batches, thicknesses and optical modifications. The second test is also a uniaxial tensile test. This experiment gathered information on the long-term behaviour. A test strip is elongated and held in position for up to 40 days. During this time the stress in the foil strip is measured. With these tests a diagram has been developed which shows for every initial elongation the stresses after infinite long term. The third test is the biaxial tensile test. A test machine has been constructed at the TU-Berlin. This test provided information on the E-Moduli of the material and the Poisson ratio. Finally all results are applied on four standard foil elements and a practical project. In this practical project a foil façade is designed and a structural analysis is made. The standards and construction regulations are examined and a concept for the structural analysis of the foil is shown. With this concept the four standard elements and the 6,00m high and 2,50m wide foil element of the practical project, is analyzed.
