Die Entwicklung der Kunststofftechnologie, insbesondere der Kunststoff-Composite-Werkstoffe, führt seit den 50er-Jahren zu einer immer schnelleren Abfolge innovativer Membranbauvorhaben. Hochfeste Materialien ermöglichen heute die Herstellung weitgespannter, filigraner, lichtdurchlässiger und stützenloser Dachkonstruktionen und immer leistungsfähigere Werkstoffe führen zu einem stetigen Ausbau des Anwendungsspektrums. Es ist zu erwarten, dass Membransysteme in Zukunft auch unter mitteleuropäischen Klimabedingungen als permanentes raumabschließendes Element zunehmend Anwendung finden.
Membranwerkstoffe
Die bislang eingesetzten Materialien lassen sich ihrem Lastabtragungsverhalten nach in anisotrope und in zumindest näherungsweise isotrope Werkstoffe unterteilen. Isotrope Werkstoffe weisen im Gegensatz zu den anisotropen Werkstoffen nach allen Richtungen die gleichen mechanischen Eigenschaften auf. Im konstruktiven Membranbau eingesetzte isotrope Materialien sind in der Regel aus thermoplastischen Kunststoffen oder Metallen hergestellte Folien. Letztere werden aufgrund des relativ seltenen Einsatzes im Bereich des Hochbaus im vorliegenden Beitrag nicht näher betrachtet (siehe hierzu [1]). Anisotrope Membranen werden vor allem aus so genannten technischen Textilen unterschiedlicher Werkstoffe hergestellt.
Differenziert man textile Produkte nach der Art ihrer Herstellung in die drei Gruppen der Maschenwaren (Gewirke, Gestricke), der Webwaren (Gewebe und Nähgewebe) und der so genannten Non-Wovens (Vliese, Filze, Fadengelege), so eignen sich aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften insbesondere die Gewebe für einen Einsatz als lastabtragendes Trägermaterial textiler Membranen [2].
Als Gewebe bezeichnet man ein System aus – zumindest im ungespannten Zustand – näherungsweise orthogonal zueinander stehenden verwebten Fäden. Die Fäden werden üblicherweise aus mehreren hundert miteinander verdrehten Einzelfasern gebildet [3]. Folgende Faserarten kommen in Betracht:
• Naturfasern
• mineralische Fasern
• metallische Fasern
• Synthesefasern (thermoplast. Kunststoffe)
Werden die Fasern synthetisch hergestellt und sind somit quasi endlos, bezeichnet man die aus ihnen gebildeten Fäden als Filamente. Wird der Faden aus nur einer synthetisch hergestellten Faser gebildet, nennt man ihn Monofil. Der Querschnitt einer Synthesefaser kann bei der Herstellung verändert und somit den jeweiligen Erfordernissen in gewissem Umfang angepasst werden. Naturfasern (z.Baumwolle, Seide, Hanf oder Leinen) sind hingegen in ihrem Durchmesser und in ihrer Länge naturgegeben. Ihr Querschnitt ist normalerweise annähernd kreisförmig und größer als 0,1 mm, während Synthesefasern auch dünner hergestellt werden können [2].
Der Querschnitt einer Faser ist, da dieser sehr gering ist, nur sehr aufwändig zu bestimmen; demzufolge sind auch die Spannungen in einem Gewebe nur unter hohem Aufwand exakt ermittelbar. Daher hat sich im konstruktiven Textilbau anstelle der Spannungseinheit N/mm2 die Einheit N/5 cm zur Beschreibung der Materialfestigkeiten nach DIN 53 354 durchgesetzt.
In der Textilindustrie wird ein Filament oder Filamentgarn über seine längenbezogene Masse (Feinheit), die Anzahl seiner Filamente und die Angabe über die Drehungen der Filamente pro Meter charakterisiert. Die Einheit der Feinheit ist das »tex« = Gewicht in Gramm pro 1000 m Länge. Geläufiger sind zumeist Angaben in decitex, kurz »dtex« = Gewicht in Gramm pro 10 000 m Länge. Ein Garn mit der Bezeichnung 1100 dtex f 200 z 60 wiegt 1100 Gramm pro 10 000 m Länge und besteht aus 200 Filamenten, welche 60 mal pro Meter rechtssinnig um die Garnachse (z-Richtung) miteinander verdreht sind.
Für eine erste Einschätzung, ob ein Werkstoff sich als Fasermaterial für ein weit gespanntes Membrantragwerk eignet, kann man seine freie Reißlänge heranziehen. Sie beschreibt auf anschauliche Weise das Verhältnis zwischen seinem Gewicht und seiner Zugfestigkeit. Sie gibt die (ungedehnte) Länge eines fiktiv an einem Ende aufgehängten prismatischen Stabes in Kilometern an, bei der er unter seinem Eigengewicht abreißt. Zum Vergleich: Die ungefähre Reißlänge von Stahl beträgt 25 km, von Baumwolle 48 km, von Polyamid (Nylon) 89 km, von Polyester 94 km, von Glas 140 km, von Kohlenstoff 153 km und von Aramid 190 km [2].
Fäden in Bahn- oder Herstellrichtung des Gewebes werden als Kettfäden bezeichnet, Fäden senkrecht zur Bahnrichtung als Schussfäden. Man unterscheidet in Abhängigkeit der Verwebung von Kett- und Schussfäden die drei Grundbindungsarten Leinwandbindung, Köperbindung und Atlasbindung. Im textilen Bauen finden aufgrund erhöhter Nahtfestigkeiten vor allem die Leinwandbindung (Basket weave) (1/1= jeweils 1 Kettfaden / 1 Schussfaden) oder die von dieser abgeleitete Panamabindung (Panama weave) (2/2 oder 3/3) Anwendung. Die Bindung der sich kreuzenden Fäden führt zu einer für den eingetragenen Faden charakteristischen Welligkeit. Durch die Vorspannung des Kettfadens beim Herstellprozess ist er zumeist weniger gewellt als der Schussfaden und weist somit eine höhere Steifigkeit und eine geringere Bruchdehnung auf. Mit Hilfe unterschiedlicher Einstellparameter beim Webvorgang lassen sich nahezu gleiche oder extrem unterschiedliche mechanische Kennlinien in den beiden Hauptrichtungen (Kette und Schuss) herstellen. Maßgeblich für die mechanischen Eigenschaften einer Membrane ist zwar grundsätzlich das Gewebe, jedoch können Eigenschaften, wie z.die Weiterreißfestigkeit und die Dauerknickbeständigkeit, durch eine aufgebrachte Beschichtung und eine Oberflächenversiegelung beeinflusst werden. Zudem führt die Beschichtung zu einer Behinderung der Winkelverdrehungen der Gewebefäden und somit zu einer Erhöhung der Membranschubsteifigkeit bei kurzzeitiger Belastung.
Eine üblicherweise beidseitig aufgebrachte Beschichtung (Coating) schützt das Gewebe vor Feuchtigkeit, UV-Strahlung, Feuer, Mikroben und Pilzbefall und kann somit das Anschmutzverhalten, die Lebensdauer und gegebenfalls auch die Brandeigenschaften des Rohgewebes deutlich verbessern. Zudem macht erst die Beschichtung eine textile Fläche dauerhaft wasserdicht und erlaubt unterschiedliche Farbgebungen durch Bedruckung oder die Beigabe von Pigmenten. Sie ermöglicht die Verbindung mehrerer Gewebeteilflächen mittels thermischer bzw. hochfrequenter Schweißverfahren, da die Gewebefäden nicht direkt miteinander verschweißt werden können. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass unbeschichtete Gewebe mittels Garnen miteinander vernäht werden müssen. Ausnahmen bilden unbeschichtete Fluorpolymergewebe, bei denen die Gewebefäden ebenfalls verschweißt werden können und Silikonbeschichtungen, die bislang ausschließlich mittels Klebeverbindung miteinander verbunden werden. Heutzutage sind im wesentlichen Beschichtungen aus Polyvinylchlorid (PVC), Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Silikon üblich. Mit PTFE können nur Gewebe beschichtet werden, deren Fasern eine Schmelztemperatur über der des PTFE (ca. 327 °C) aufweisen, wie z.Glas. Aus diesem Grund ist eine PTFE-Beschichtung von beispielsweise Polyestergewebe (Schmelztemperatur 220 ° – 260 °C) nicht möglich. Für spezielle Anwendungen stehen mit THV, PVDF, Acrylester oder Polyurethan weitere Arten der Beschichtung oder auch Gummierungen zur Verfügung, welche zurzeit noch relativ selten eingesetzt werden.
Während PTFE und Silikon über einen Zeitraum von mindestens 25 bis 30 Jahren keinen signifikanten Alterungsprozessen – wie Versprödung, Rissbildung oder Abwitterung – unterliegen, ist PVC gegenüber natürlicher Bewitterung empfindlich. Es benötigt zu seiner Elastizität die Beimischung von ca. 40 Gewichtsprozenten an Weichmachern sowie die Beigabe geringer Mengen an UV- und Hitzestabilisatoren. Zudem wird es durch eine Oberflächenversiegelung (Topcoating) beidseitig oder zumindest an seiner Außenseite geschützt. Da die Versiegelung weitgehend gasdiffusionsdicht ist, reduziert sie das ansonsten auftretende Entweichen der oben genannten Bestandteile auf ein geringes Maß. Zudem vermindert sie die auf die Beschichtung auftreffende UV-Strahlung und somit auch den langfristigen Abbau der polymeren Struktur des PVC. Die Oberfläche der Versiegelung ist glatt und antiadhäsiv, was zu einer deutlichen Verbesserung des Anschmutzverhaltens führt. Anfangs wurden PVC-beschichtete Gewebe mit unzureichender Versiegelung eingesetzt. Sie versprödeten binnen kurzer Zeit, bildeten Risse und verfärbten sich durch das Eindringen von Schmutz und Mikroben zu unansehnlichen »grauen Mäusen« oder »grünen Moosflächen«. Heute stehen mit Acrylat- und PVDF-Lacken sowie mit PVF-Laminaten dauerhafte und wirkungsvolle Versiegelungen zur Verfügung. Die mit einer Schichtdicke von ca. 10 µm aufgetragenen PVDF-Lacke sind zwar teurer als solche aus Acrylat (ca. 3 µm bis 8 µm), bieten aber auch einen deutlich besseren Schutz. Nachteil der PVDF-Lackierung ist ihre hohe Schmelztemperatur, weshalb die Lackschicht vor der Konfektionierung im Bereich der Schweißnähte abgeschliffen werden muss, [4] ohne dass dabei das Gewebe verletzt wird. Aufkaschierte PVF-Laminate bieten mit einer Schichtdicke von ca. 25 µm den besten Schutz. Sie sind jedoch die teuerste Variante, müssen wie PVDF-Lacke vor dem Schweiß-
vorgang entfernt werden und führen zu einem reduzierten Dauerknickverhalten der Membrane, weshalb sie für wandelbare und mobile Konstruktionen nicht in Frage kommen. Auch PTFE-Beschichtungen werden mit einem Topcoat versehen. Dieser besteht in der Regel aus FEP- oder PFA-Fluorkunststoffen, die die Antiadhäsivität, die mechanischen Eigenschaften der Oberfläche und die Schweißbarkeit verbessern. In klimatisch feuchtwarmen Gebieten versucht man, mit fungiziden Beschichtungsbestandteilen den jeweiligen Pilzkulturen Herr zu werden.
Anforderungen und Einsatzspektren
Eine wichtige Voraussetzung für zukünftige Anwendungen von Membrankonstruktionen ist eine parallel zur Materialentwicklung stattfindende Weiterentwicklung von Recyclingverfahren für die eingesetzten Werkstoffe. Dies gilt insbesondere für die aus mehreren Komponenten bestehenden Composite-Werkstoffe.
Zur Festlegung des Einsatzspektrums sind quantifizierbare Angaben zu den folgenden im Hochbau üblichen Kategorien erforderlich: Brandschutz, Wärmeschutz, Schallschutz, mechanische Eigenschaften von Material und Verbindungen, Flächengewicht, herstellungsbedingte Abmessungen, Oberflächenstrukturen und Farbmöglichkeiten, Anschmutzverhalten und Reinigungsmöglichkeiten, Durchlässigkeiten von Gasen und Flüssigkeiten (Luft, Dampf, Regen), Transmission, Absorption und Reflexion (IR-, UV- und sichtbare Strahlung) sowie Beständigkeiten gegenüber chemischen und biologischen Einwirkungen (z. Salze, Gerbsäure, Pilze oder Bakterien) und gegenüber mechanischen Einwirkungen (z. Hagelschlag, Vandalismus). Grundsätzlich ist für die genannten Kategorien zu berücksichtigen, dass die jeweiligen Eigenschaften im praxisrelevanten Temperaturbereich (± 30 °C) und über die angestrebte Lebensdauer veränderlich sein können. Bedeutung erlangen, insbesondere bei Großprojekten, auch Kriterien der mengen-mäßigen Verfügbarkeit sowie der Planungs- und Montagezeiten. Letztlich ausschlaggebend für die Anwendung einer Membrane sind jedoch die Wirtschaftlichkeit im Vergleich mit anderen Bauweisen und natürlich das Erscheinungsbild.
Bei einer Gegenüberstellung der reinen Baukosten sollte bedacht werden, dass der intelligente Einsatz einer Membranfläche eine Abstimmung mit dem Tragsystem und somit häufig die Einbeziehung des gesamten Gebäudes erfordert. Der Ansatz, eine Eindeckung aus Trapezblech oder Glas gegen eine Membrane einfach auszutauschen, greift in der Regel zu kurz. Es ist selbstverständlich, dass sich der Einsatz einer Membrane nicht für jede Anwendung eignet. Pluspunkte sammeln Membrankonstruktionen häufig im Hinblick auf ihre Transluzenz bzw. Transparenz sowie die höhere Durchlässigkeit von Folienkonstruktionen gegenüber Glaskonstruktionen im UV-Spektrum, was Vorteile für die Nutzung durch Lebewesen und auch Pflanzen bietet. Auch die Montagezeiten sind häufig kürzer als beim Einsatz traditioneller Bauweisen, wie man im Ausstellungsbau beispielsweise im Vorfeld der EXPO 2000 beobachten konnte. Eine Vielzahl realisierter Tribünenüberdach-ungen für Sportstadien und Arenen belegen den Vorteil der weitgehenden Stützenfreiheit einer Membrankonstruktion. Die Ausführung wandelbarer, also beweglicher Dachsysteme, wie z.die der Center Courts in Hamburg-Rothenbaum und in Halle/Westfalen oder auch der Arenen in Saragossa, Spanien, und Nîmes, Frankreich, (Detail 6/94) wären ohne Membranwerkstoffe undenkbar. Obwohl die dünnen Membranen prinzipiell keinen ausreichenden Wärme- und Schallschutz bieten, können durch mehrlagige Membransysteme die Kriterien eines ausreichenden sommerlichen und winterlichen Wärmeschutzes erfüllt werden. Hierbei sind k-Werte von 2,7 bis 0,8 W/m2 K durchaus erreichbar [7]. Gebäude wie das Bürgerhaus in Puchheim bei München (Abb. 7), die Kurklinik in Masserberg oder das Gaudí-Mobiltheater in Köln zeigen, dass die Ausbildung mehrlagiger wärme- und auch schallgedämmter Membrankonstruktionen bereits Realität geworden ist. Eine ausreichende Wärmedämmung unter Beibehaltung einer Transluzenz oder sogar Transparenz ist bislang jedoch nur mittels mehrlagiger pneumatisch gestützter Folienkonstruktionen erreichbar. Einen weiteren Schub wird der Membranbau erfahren, wenn die Kombination einer oder mehrerer textiler Membranlagen mit einer transparenten Wärmedämmung (TWD) zu einem insgesamt wirtschaftlichen und transluzenten Gesamtsystem führt. Alternativ dazu schreitet die Entwicklung mehrlagiger Membransysteme zur aktiven Gewinnung und Nutzung solarer Energie voran.
Metallgewebe
Metallgewebe bestehen aus einem offenporigen Gewebe aus zumeist runden, z.auch flachen Drähten, Litzen oder Seilen metallischer Werkstoffe wie Edelstahl, Titan-, Chrom- oder Chromnickelstahl oder auch Nichteisenmetalle. Runddrähte haben standardmäßig einen Durchmesser zwischen 18 µm und 16 mm. Entsprechend Faser und Faden eines Textilgewebes entsteht durch das Drillieren von mindestens 3 und höchstens 9 Drähten eine Litze. Der Seelendurchmesser der Litze beträgt standardmäßig zwischen 100 und 800 µm. Ein Seil wird aus mindestens 3 und höchstens 9 Litzen drilliert. Bei einem Einzeldrahtdurchmesser von mehr als 3 mm wird die Wellenlinie der Drähte vorgeformt, das Aufbringen einer Vorspannung ist bei diesen Wellengittern abhängig vom Wellenverlauf jedoch schwierig. Neben der Leinwandbindung wird bei Metallgeweben auch die Köperbindung (gelegentlich auch die Atlasbindung) eingesetzt. Bei der Köperbindung werden mindestens zwei Drähte paarweise eingebunden. Bislang sind Einzelbahnen mit standardmäßig 6 m Breite – in Sonderanfertigung bis zu 8 m – herstellbar. Beizen, Eloxieren, Lackieren etc. ermöglichen eine Vielzahl an Oberflächen. Somit finden Metallgewebe Anwendung als Fassadenverkleidung, Innendecke, Vogelvoliere, Werbeträger, Sonnenschutz, elektromagnetischer Schutz oder als Maßnahme zur Einbruchsicherung.
Fluorpolymergewebe
Unbeschichtete Fluorpolymergewebe werden in der Regel als Monofil-Gewebe hergestellt. Wichtigster Vertreter ist zurzeit das PTFE-Gewebe. Sein Marktanteil im Bereich des Textilbaus ist in Anbetracht des hohen Materialpreises und der ausgeprägten Kriech- und Relaxationseigenschaften gering (Festig- keiten ca. 4500 N/5 cm bei einem Flächengewicht von 710 g/m2). Als nicht brennbarer Baustoff können PTFE-Gewebe das Prüfzeugnis DIN 4102-A2 erreichen. Die Lichtdurchlässigkeit kann in Abhängigkeit von Materialart und Dicke bis zu 37 % betragen. Das Anschmutzverhalten sowie die Dauerknickbeständigkeit und Abriebfestigkeit sind hervorragend, sodass PTFE-Gewebe häufig für bewegliche Sonnenschutzsysteme eingesetzt werden. Da aus Fluorpolymeren hergestellte Folien bereits seit über 25 Jahren ohne gravierende Änderung der mechanischen und optischen Eigenschaften im Einsatz sind, ist grundsätzlich eine entsprechende Lebensdauer auch für Fluorpolymergewebe zu erwarten. Einschränkend ist jedoch anzumerken, dass unbeschichtete Gewebe aufgrund des Gewebezwischenraums eine größere Angriffs- und Haftfläche für Feuchtigkeit und sämtliche Arten biologischen oder chemischen Angriffs bieten. Das Aufbringen einer vollflächigen Beschichtung aus Fluorpolymeren, z.THV (Terpolymer aus TFE-, HFP- und VDF-Einheiten) ist in diesem Punkt von Vorteil.
Unbeschichtete Gewebe
Baumwollgewebe
Baumwollgewebe und Baumwollmischgewebe werden üblicherweise nicht beschichtet, sondern imprägniert. Die Imprägnierung verleiht dem Gewebe eine zeitlich begrenzte flammhemmende, fungizide und wasserabweisende Oberfläche. Baumwolle ist im baupraktischen Temperaturbereich hitzebeständig und widerstandsfähig gegenüber üblichen Konzentrationen chemischer Belastung. Baumwollmischgewebe werden i.in einem Verhältnis von 25 % – 50 % Baumwoll- und 75 % – 50 % Polyesterfasern gebildet [5]. Aufgrund der organischen Baumwollbestandteile werden beide Arten im textilen Bauen lediglich für Innenanwendungen oder wenig belastete, temporäre Anwendungen eingesetzt. Dies ist vor allem auf ihre geringen Festigkeiten (Baumwolle bis ca. 1500 N/5 cm), ihre geringe Elastizität und ihre – trotz Imprägnierung – kurze Lebensdauer unter Freibewitterung (bis ca. 5 Jahre) [6] zurückzuführen. Hierbei beeinflußen z.der Gehalt an abgestorbenen oder unreifen Baumwollfasern sowie deren Feuchtigkeitsgehalt die Eigenschaften des Gewebes [5]. Gewebe aus ausschließlich mineralischen (Glas) oder synthetisch hergestellten Fasern (z. Polyester oder Aramid) erreichen im Gegensatz zu Naturfasern eine 6- bis 15fache Bruchfestigkeit und eine 4- bis 6fache Lebenserwartung.
Die einzelnen Fluorpolymerverbindungen sind zumeist besser bekannt unter den handelsüb-lichen Produktnamen, wie z.Teflon, Hostaflon, Polyflon, Toyoflon oder Tedlar. Fluorpolymere sind aufgrund ihrer festen Bindung extrem widerstandsfähig gegenüber chemischen und biologischen Beanspruchungen sowie langfristig UV-stabil und witterungsbeständig. Sie benötigen somit keine Beschichtung zur Konservierung des Gewebes, gegebenenfalls aber zum Erreichen einer Wasserundurchlässigkeit.
Beschichtete Fluorpolymergewebe, wie THV-beschichtete PTFE-Gewebe oder das relativ neue THV-beschichtete ETFE-Gewebe bestehen aus einer Kombinationen zweier unterschiedlicher Fluorpolymerverbindungen für Gewebe und Beschichtung. Wegen ihrer maximalen Bruchfestigkeiten von ca. 1200 N/5cm bei einem Flächengewicht von
250 g/m2 sowie aufgrund der geringen Schweißnahtfestigkeiten ist das Anwendungsspektrum der beschichteten ETFE-Membranen bislang auf kleine Spannweiten bzw. Innenanwendungen begrenzt. Das Material lässt ausschließlich diffuses, also blendungsarmes Licht im Farbspektrum des Tageslichtes hindurch, was als sehr angenehm wahrgenommen wird. Das Projekt »DaimlerChrysler-Design-Center« in Sindelfingen (Abb. 3) macht dies am Beispiel einer Lichtflügeldecke deutlich. Die Lichtdurchlässigkeit der THV-beschichteten ETFE-Gewebe beträgt bis zu 90 %. Ein solch hoher Wert ist mit anderen vollflächig beschichteten Gewebearten zurzeit nicht erreichbar. In den kommenden Jahren werden diese Membransysteme vermutlich durch eine Anzahl weiterer Fluorpolymerkombinationen ergänzt, was letztlich neue und interessante Anwendungsspektren eröffnen könnte. Beschichtete Fluorpolymergewebe bilden aufgrund der vielfältigen Kombinier- und Modifizierbarkeit von Gewebe und Beschichtung und somit ihrer Anpassungsfähigkeit an die jeweiligen Projekterfordernisse ein viel versprechendes Potenzial für die Zukunft des konstruktiven Membranbaus.
PVC-beschichtete Polyestergewebe
PVC-beschichtete Polyestergewebe, üblicherweise als PVC/PES-Gewebe bezeichnet, stellen aufgrund ihrer Materialeigenschaften und ihres günstigen Preises noch immer den am häufigsten eingesetzten Werkstoff im konstruktiven Membranbau dar.
Ihre hohen erreichbaren Festigkeiten (Typ V bis 9800 N/5 cm) und Weiterreißfestigkeiten (bis 1800 N) bei hohen Materialdehnungen (Bruchdehnung bis ca. 30 %) erlauben den Einsatz als weit gespanntes Flächentragwerk. Die Transluzenz beträgt ca. 0,8 % bis 4 %, für offenporiges Gittergewebe sogar wesentlich höher, jedoch auf Kosten der Festigkeit. PVC-beschichtete Polyestergewebe erreichen als schwerentflammbare Baustoffe i.die Brandklasse DIN 4102-B1 und bilden – wie alle Membranen – aufgrund ihres geringen Flächengewichts (bis ca. 1450 g/m2) und ihrer geringen Materialstärke (bis ca. 1,2 mm) eine extrem geringe Brandlast. Im Brandfall schmilzt das Gewebe auf und schafft somit die Möglichkeit des direkten Rauch- und Wärmeabzuges. Oberflächenversiegelungen bieten einen dauerhaften Schutz der PVC-Beschichtung vor Anschmutzen und vorzeitiger Alterung, sodass die Lebensdauer i.über 20 Jahre beträgt. Die Einsatzmöglichkeiten decken das gesamte Spektrum des Textilbaus ab. Aufgrund ihrer sehr guten Knickbeständigkeit werden sie häufig für wandelbare oder mobile Konstruktionen eingesetzt.
Silikonbeschichtete Glasfasergewebe
Silikonbeschichtete Glasfasergewebe sind im textilen Hochbau bislang wenig vertreten, da das Anschmutzverhalten der statisch aufladbaren und somit adhäsiven Silikonbeschichtung bislang nicht befriedigend war. Da das lastabtragende Grundmaterial ebenfalls Glasfasergewebe ist, haben silikonbeschichtete Glasfasergewebe ein ähnliches mechanisches Verhalten wie solche mit PTFE-Beschichtung, sodass im Wesentlichen die beschichtungsabhängigen Eigenschaften differieren. Zum Beispiel schützt die dampfdiffusionsdichte Silikon-Beschichtung das Glasfasergewebe besser als das mikroporöse PTFE. Außerdem erreicht die Kombination aus Silikonbeschichtung und Glasfasergewebe mit über 20% eine deutlich höhere Transluzenz. Silikonbeschichtete Glasfasergewebe können die Brandklasse DIN 4102-A2 erreichen. Einzelne Membranteilstücke können nur mittels Klebeverbindungen dauerhaft und hochfest verbunden werden, da Silikon nicht thermisch verschweißt werden kann. Sollten das Anschmutzverhalten und die i.lösungsmittelhaltigen Klebstoffe in den kommenden Jahren verbessert werden, können sich die im Vergleich zu PTFE-beschichteten Glasfasermembranen kostengünstigeren Silikonbeschichtete-Glasfasern ebenfalls zu einem Standardprodukt im konstruktiven Textilbau entwickeln.
PVC-beschichtete Aramidfasergewebe
PVC-beschichtete Aramidfasergewebe erreichen bei einer Bruchdehnung von 5 bis 6% eine maximale Bruchfestigkeit von ca. 24500 N/5cm. Somit sind sie der am stärksten belastbare Werkstoff unter den synthetisch hergestellten textilen Membranen. Aramid ist die Kurzbezeichnung für aromatische Polyamide, deren regelmäßige und starke chemische Bindung zu einer relativ steifen, chemisch und thermisch widerstandsfähigen Faser führt. Da diese jedoch nicht UV-beständig ist, muss das Aramidgewebe von einer opaken Beschichtung aus PVC (oder auch PTFE) vollflächig ummantelt werden. Je nach Beschichtungsart und Beschichtungsmasse können PVC-beschichtete Aramidfasergewebe als schwerentflammbarer Baustoff die Brandklassifizierung DIN 4102-B1 und mit PTFE-Beschichtung DIN 4102-A2 erreichen. Die Weiterreißfestigkeit von PVC/Aramid liegt bei einem schweren Materialtyp mit einem Flächengewicht von 2020 g/m2 mit 4450 N ebenfalls sehr hoch. Das Anwendungsspektrum von Aramidfasergeweben wird sich voraussichtlich auch in Zukunft auf spezielle Anwendungen mit hohen erforderlichen Festigkeiten beschränken, bei denen eine große Elastizität und eine Transluzenz nicht maßgeblich oder angestrebt sind.
PTFE-beschichtete Glasfasergewebe
PTFE-beschichtete Glasfasergewebe sind zu einem hochwertigen Material mit einer Lebenserwartung von mindestens 25 bis 30 Jahren gereift und gelten mittlerweile als Standardprodukt im Textilbau. Das Gewebe besteht aus Glasfilamentgarnen unterschiedlicher Durchmesser (ca. 4 µm, 6 µm, 9 µm etc.Da aufgrund einer Grundimprägnierung des Glasgewebes keine Feuchtigkeit in die Gewebezwischenräume eindringen kann, ist auch eine Immission von Schmutzpartikeln, Mikroben oder Pilzsporen nahezu ausgeschlossen. Lediglich Flüssigkeiten geringer Oberflächenspannung, Gase und Dämpfe können die mikroporöse PTFE-Beschichtung durchdringen. Die Festigkeiten sind bei einem schweren Standardtyp mit 7500 N/5cm deutlich geringer als beim stärksten Standardtyp eines PVC-beschichteten Polyestergewebes. Auch die Materialdehnungen (Bruchdehnung ca. 3 % bis 10 %) und die Weiterreißfestigkeit (bis ca. 500 N) sind aufgrund des relativ spröden Glasgewebes gering. Vollflächig beschichtete PTFE-Glasfasergewebe können eine Transluzenz bis ca. 13% erreichen, als offen- oder geschlossenporiges Gittergewebe bis zu ca. 65 % – jedoch auf Kosten der Festigkeit. Sie erreichen die Einstufung als nichtbrennbares Material nach DIN 4102-A2. Aufgrund der relativ geringen Knickbeständigkeit eignen sie sich nicht für den Einsatz als wandelbare (faltbare) oder mobile Fläche.
Polyvinylchloridfolien (PVC)
PVC-Folien werden infolge ihrer extrem geringen Festigkeit, ihrer hohen Materialdehnung und ihrer geringen UV- und Hitzebeständigkeit ausschließlich im Innenbereich eingesetzt. Sie erreichen die Brandklasse DIN 4102-B1 und können sowohl transparent, mit einer Lichtdurchlässigkeit von ca. 95%, als auch farbig oder auch milchig matt mit einerLichtdurchlässigkeit von ca. 79% hergestellt werden. Sie erlauben somit eine Vielzahl interessanter Anwendungen, z.als Projektionsfläche (Rück- oder Aufprojektion) im Messe- und Ausstellungsbau oder als abgehängte Lichtdecke oder hinterleuchtete Wand. Die Konfektionierung und Montage von PVC-Folien ist sehr sorgfältig durchzuführen, da ein Knicken der Folie zu so genannten Weißbrüchen, also sichtbaren weißen Linien führen kann.
Die vorgestellten Materialien stellen nur eine Auswahl der zurzeit verfügbaren Membranwerkstoffe dar.
Folien
Fluorpolymerfolien
Im Gegensatz zu den anisotropen Geweben weisen die isotropen Folien ein Spannungs-Dehnungsverhalten auf, das in allen Richtungen näherungsweise gleich ist. Von der Vielzahl an zur Verfügung stehenden Kunststofffolien haben zwei thermoplastische Werkstoffgruppen eine herausragende Bedeutung im Membranbau erlangt. Dies sind zum einen die Fluorpolymerfolien, zumeist ETFE- oder THV-Folien und zum anderen die Polyvinylchlorid-Folien (PVC).
ETFE-Folien
Generell gelten die für Fluorpolymergewebe genannten Eigenschaften auch für die Fluorpolymerfolien. Insbesondere ETFE-Folien stellen aufgrund ihrer ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften, ihrer hervorragenden Beständigkeiten und ihrem guten Brandverhalten (DIN 4102-B1) das gebräuchlichste Folienmaterial für pneumatisch gestützte Membrankonstruktionen dar. Sie sind standardmäßig zwischen 0,05 mm und 0,20 mm dünn und können sowohl durch Einmischen von Pigmenten farbig hergestellt als auch mit Fluorkunststoffen bedruckt werden. Da die Reißfestigkeit des stärksten Standardmaterials (0,2 mm = 200 µm) mit etwas über 500 N/5 cm nur etwa 1/6 der Bruchfestigkeit des PVC-beschichteten Polyester-Gewebes Typ I (3000 N/5cm) beträgt, ist die maximale Spannweite einer lastabtragenden Folienkonstruktion im Außenbereich deutlich geringer als eine entsprechende Konstruktion aus einem beschichteten Gewebe. Die geschätzte einsatzabhängige Lebensdauer von ETFE-Folien beträgt mindestens 25–30 Jahre. Die herstellbare Bahnenbreite liegt beim üblicherweise angewendeten Breitschlitz-Extrusionsverfahren bei maximal 1,55 m. Ein Vorteil der mit einer Lichtdurchlässigkeit von ca. 95% pro Lage (200 µm) transparenten ETFE-Folie gegenüber Glas ist ihre extrem hohe Durchlässigkeit von Strahlung im UV-Spektrum. Deshalb finden ETFE-Foliensysteme zunehmend Anwendung als permanente Dachflächen von Palmengärten, Tiergehegen, Gewächshäusern und Schwimmbädern.
THV-Folien
Die ebenfalls transparenten THV-Folien sind ähnlich widerstandsfähig wie ETFE-Folien und können ebenfalls im Außenbereich eingesetzt werden. Sie haben jedoch eine geringere Reißfestigkeit bei etwa gleich hoher Reißdehnung, weshalb ihre Anwendung als lastabtragendes Element größerer Spannweite nicht in Frage kommt. Ihre Stärke reicht von 0,08 mm bis zu mehreren Millimetern bei einer Standardbreite zwischen 500 und 1500 mm.
