PLUSMINUS unltd.

Impressum

Diplomarbeit im Fachbereich Architektur

Sebastian Kron

Gerberstrasse 6a

70178 Stuttgart

S3bastiankron@gmx.de

Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK)

Universität Stuttgart, Fakultät I: Architektur und Stadtplanung

Professor Dr. Dr. E.H. Werner Sobek

Professor Dr. phil. Gerd de Bruyn (IGMA)

Betreuer: Dipl. Ing. Jürgen Hennicke (ILEK)

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Erklärung

Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Diplomarbeit selbständig ange-fertigt habe. Es wurden nur die in der Arbeit ausdrücklich benannten Quellen und Hilfsmittel benutzt. Wörtlich oder sinngemäß übernommenes Gedan-kengut 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 Ar-chitektur in unseren Breitengraden weitestge-hend verschwunden sind, erleben sie in den letzten Jahren durch das vermehrte Aufkom-men sogenannter Kissenstrukturen eine kleine Renaissance. Diese, aus einem konventionellen Tragwerk und pneumatisch gestützten Kissen bestehenden Strukturen, zählen zu der Gruppe-der Überdrucksystemen. Ist diese Art pneumati-scher Systeme, in der Architektur weitestgehend bekannt und erfreut sich einer wieder kehrenden Beliebtheit, stellen unterdruck-stabilisierte Syste-me bei den Architekten noch immer eine Rarität dar. Entsprechend fand die Kombination der bei-den Ansätze bisher noch weit weniger Beach-tung

Dabei wurde schon früh vermutet, dass gerade in dieser Kombination erhebliche Vorteile liegen. Dieses näher zu untersuchen und mögliche Po-tenziale 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 ein-ordnen zu können, soll zunächst ein Überblick über die Historie, Bedeutung und das konstruk-tive Prinzip pneumatischer Bauten an sich ge-schaffen werden. Am Ende der theoretischen Betrachtung werden einige, der während der Bearbeitung entstandenen Systemansätze auf-gezeigt und erläutert. Die Durcharbeitung eines konkreteren Entwurfs-Szenarios, bildet den Ab-schluss der Arbeit, ist jedoch nicht mehr Teil die-ser schriftlichen Ausarbeitung.

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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 bea-ring structure, made of a conventional supporting frame work and infl ated cushions is part of so-called 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 stabili-zation seem still to be something of a rarity in ar-chitecture. It seems almost logical that the com-bination 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 approa-ches themselves. The purpose of this work is to analyze this theory and to identify possible poten-tials. Starting with a short overview of the histo-ry, meaning and construction principles of pneu-matic constructions it is the goal to classify the pneumatic hybrid structures into the context of pneumatic architecture. To fi nalize the theoretical refl ection 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.

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sInhalt

1. Motivation .......................................................................................................... 11

2. Der Pneu ........................................................................................................... 12

2.1. Die pneumatische Formsprache als eine neue Ausdrucksform ................. 13

3. Klassifi kationen und Unterscheidungsmerkmale.................................................... 18

3.1. Klassifi kationen nach Minke .................................................................... 193.1.1. Art der Druckdifferenz ................................................................. 193.1.2. Anzahl der Membranen .............................................................. 193.1.3. Maß der Druckdifferenz .............................................................. 21

3.2. Klassifi kationen nach Herzog ................................................................... 22

3.3. Klassifi kationen nach Naumer ................................................................. 24

3.4. Anmerkungen ........................................................................................ 24

4. Einordnung des Systems Plusminus .................................................................... 26

4.1. Der Hybrid ............................................................................................. 26

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

4.3. Gebaute Beispiele .................................................................................. 304.3.1. Floating Theatre ......................................................................... 304.3.2. Festo Airtecture .......................................................................... 324.3.3. Plusminus Messestand .............................................................. 344.3.4. Plusminus Gitterschale ............................................................... 364.3.5. Vaccumatics/Defl ateables .......................................................... 38

4.4. Anwendung und Erweiterung der bestehenden Klassifi kationen ................ 40

4.5. Grundeigenschaften des pneumatischen Hybriden .................................. 444.5.1. Vielzelligkeit ................................................................................ 444.5.2. Unterdruck als Verbindungsmittel ................................................ 454.5.3. Vielschichtigkeit .......................................................................... 46

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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 ......................................... 556.2.1. Mechanische Wandelbarkeit nach Berthold von Schoor ............... 566.2.2. Pneumatische Wandelbarkeit nach Berthold von Schoor ............. 576.2.3. Nutzer bzw. umweltbestimmte geometrische Anpassung ............. 586.2.4. Lokale bzw. globale geometrische Anpassung ............................ 58

6.3. Übertragung auf hybride pneumatische Systeme ..................................... 606.3.1. Faltenbildung ............................................................................. 606.3.2. Elastische Hülle .......................................................................... 626.3.3. Wechsel von konkav zu konvex .................................................. 63

6.4. Übertragung der Adaptivität auf die erweiterten Klassifi kationen ................ 65

6.5. Ergänzung der Grundeigenschaften ........................................................ 66

7. Bauphysikalische Gesichtspunkte ........................................................................ 68

7.1. Schalldämmung pneumatischer Konstruktionen ....................................... 697.1.1. Überdrucksysteme ..................................................................... 697.1.2. Unterdrucksysteme .................................................................... 727.1.3. Der Hybrid ................................................................................. 73

7.2. Wärmedämmung pneumatischer Konstruktionen ..................................... 767.2.1. Überdrucksysteme ..................................................................... 767.2.2. Unterdrucksysteme .................................................................... 797.2.3. Dynamische oder adaptive Ansätze ............................................ 81

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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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Systemansatzes der Plusminus Projekte im Kon-text der Gesamtheit der pneumatischen Architek-tur. Wie schon im Abstract beschrieben soll diese Arbeit nicht nur diese Lücke schließen sondern auch neue Türen für weitere Entwicklungen auf-stoßen.

Eine besondere Motivation stellt neben meinem Werdegang, das den Systemen zu Grunde lie-gende Konstruktionsprinzip, welches in seiner Ef-fi zienz 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 Nachhaltig-keit, Ressourcenbewusstheit oder Rezyclierbar-keit bestimmt ist, von entscheidender Bedeutung werden kann und sollte.

1. Motivation

Mit einer 7 köpfi gen studentischen Gruppe des Institutes für Leichtbau Entwerfen und Konstru-ieren (ILEK) der Universität Stuttgart, entwarfen bauten und betreuten wir 2007 den Messestand „Plusminus“. Zu diesem Zeitpunkt war mir per-sönlich 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 dauern-den Weges der nun mit dieser Arbeit, nicht ab-geschlossen, sondern in eine neue Phase über-geleitet werden soll.

Dieser Weg führte mich zusammen mit einer im-mer noch 6 köpfi gen Gruppe nach dem ersten Erfolg des Messestandes zu der Entwicklung der pneumatischen Gitterschale. Diese war das Er-gebnis erster grundsätzlicher Überlegungen über die Potenziale dieser Struktur und einer erfolgrei-chen 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, be-stätigt durch den Gewinn mehrerer Wettbewer-be, 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

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Theo

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il

Medium

Innendruck

pa

pi

Füllung

2.Abb.:nach Frei Otto

Jeder Pneu besteht lediglich aus einer biege-weichen, 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 einwir-kende Last aufzunehmen und die auftretenden Kräfte über seine vorgespannte Haut (Membran) abzuleiten. In diesem Fall wird das zuvor nur stüt-zende Medium zu einem maßgeblichen Konst-ruktionselement.[4]

Häufi g 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 be-schriebene Funktionsweise des Pneus liefert je-

2. Der Pneu

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 ers-ten intensiven Auseinandersetzung mit der The-matik kam es in den 1950er Jahren, als Frei Ot-to in Deutschland und Walter Bird in den USA sich unabhängig von einander der Thematik an-nahmen. Während Bird sich mehr mit der techni-schen Umsetzbarkeit[1] pneumatischer Ingenieur-bauten beschäftigte und hierbei ab 1948[2] unter anderem die ersten Radoms (Abb.5), pneuma-tisch gestützte Hüllen militärischer Radaranlagen, baute, beschäftigte sich Frei Otto mehr mit den Grundlagen dieser, in der Architektur noch jun-gen, Konstruktionsart. So wurden im Rahmen verschiedener Forschungsvorhaben an seinem damaligen Institut für leichte Flächentragwerke viele der heute noch gültigen Grundlagen ge-schaffen. Besondere Beachtung sollte hier der interdisziplinären Betrachtungsweise Frei Ottos geschenkt werden. Der Höhepunkt dieser Ar-beitsweise stellt wohl das Symposium von 1973 im damaligen IL dar, welches in der von Architek-ten und Biologen gemeinsam erarbeiteten Publi-kation „Pneus in Natur und Technik“ mündete.[3]

Maßgeblich für die Faszination die der Pneu da-mals wie auch heute noch ausübt ist seine nur schwer zu übertreffende Effi zienz. Kaum ein an-deres System ist so materialsparend wie das des Pneus. Das Konstruktionsprinzip, welches in ei-ner Skizze von Frei Otto (Abb. 2) schon so ein-leuchtend beschrieben ist, kann in wenigen Sät-zen zusammengefasst werden:

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2.1. Die pneumatische Formsprache als eine neue Ausdrucksform

Mathematisch betrachtet bilden, durch das so-eben erläuterte pneumatische Prinzip, erzeugte Formen meist synklastische Flächen, also Flä-chen mit einer positiven Gausschen-Krümmung.[6] Daher grenzen sie sich auch klar von den me-chanisch vorgespannten Konstruktionen ab, welche auch zu den leichten Flächentragwer-ken zählen. Im Gegensatz zu den luftgestützten Konstruktionen bilden mechanisch vorgespann-te Systeme antiklastische Flächen und weisen in den schon wesentlich älteren Zeltkonstruktio-nen ein formsprachliches Vorbild auf. Pneumati-sche Konstruktionen hatten diesen Bezug zu ei-ner 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) aus-strahlte, 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 Vingtié-me 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 luf-tige Höhen zu heben.[8] Da solch utopische Ge-

doch schon einen ersten Anhaltspunkt einer et-was allgemeingültigeren Betrachtungsweise. So kann dieses Prinzip, auch als durch die Druck-differenz der beiden sie umgebenden Medien, vorgespannte Haut bezeichnet werden. Diese Beschreibung geht von der Tatsache aus, dass nicht der innerhalb der Konstruktion herrschen-de Druck der Formbestimmende ist, sondern die Druckdifferenz der beiden Medien. Das konstruk-tive Prinzip der pneumatisch vorgespannten, zu-gebeanspruchten Hülle, ist somit sowohl für die Überdruck-, als auch für die Unterdrucksysteme gültig.[5]

Die dennoch bestehenden Unterschiede der bei-den Systeme, in ihrer gestalterischen und tech-nischen Ausprägung, sollen in dieser Arbeit he-rausgearbeitet sowie gegenübergestellt werden und so zu einem prinzipiellen Verständnis hybri-der pneumatischer Systeme führen.

5.Abb.: Walter Bird auf dem 1948 errichteten ersten Radome 3.Abb.: Le Vingtième Siècle - la e`lectrique, 1883, Topham 2002

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

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Der vorläufi ge Höhepunkt pneumatischer Archi-tektur von Mitte der 1960er bis Mitte der 1970er, den Adrian Beukers und Ed van der Hinten auch als „Infl atomania“[12], also frei übersetzt eine Auf-blasmani, bezeichneten, lässt sich jedoch nicht mehr rein aus der Tatsache der unbelasteten Formsprache oder der Effi zienz des Prinzips an sich begründen. Vielmehr bot diese neue Konst-ruktionsweise Gruppierungen wie Archigram, der Utopie Group, Aint Farm oder Haus-Rucker-Co die Möglichkeit ihre Ideen zu sogenannten „En-vironments“ schnell und einfach umzusetzen.[13] Die Anpassungsfähigkeit pneumatischer Kons-truktionen 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, avantgardisti-scher, experimenteller Bauten und Installationen.[14]

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 heu-te an seiner Gültigkeit kaum verloren. Viele der damals in einer allgemeinen Euphorie erdachten Projekte lassen bis heute noch auf eine Realisie-rung 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 über-dacht werden sollte. Nach dem Aufkommen der ersten Ölkrise im Jahr 1973/1974 sind solche Überlegungen, wie auch die praktische Anwen-dung der Konstruktionsart, in Europa weites ge-hend verschwunden. Dieses zeitgeschichtliche Ereignis führte zu einem Umdenken im Umgang mit unseren Ressourcen und bedeutete so das Aus für pneumatische Konstruktionen in der Ar-chitektur. So wurde der erhöhte Energieaufwand während ihres Betriebes, wie auch die Tatsache,

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

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 Effi zienz vermissen lies. Ein Ansatz der als ein erster Hinweis auf Frei Ottos spätere inter-disziplinäre Arbeitsweise hindeutet. Mehr jedoch zeugt er noch von dem Interesse das pneumati-sche Prinzip der Natur zu verstehen und auf die Architektur zu übertragen. So führten die Unter-suchungen zu pneumatischen Prinzipien nicht nur zu einer neuen Formsprache und Konstrukti-onsart, sondern auch zu einer völlig neuen Her-angehensweise an die Architektur.[11]

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

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dass die meisten für ihre Errichtung notwendi-gen Materialien auf Basis der knappen Ressour-ce 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 zeit-genössischen Architektur eine Art stiller Renais-sance erfährt. Still ist sie, da viele der Formcha-rakteristika für den ungeübten Beobachter durch ihre Ausführung als hybrides Tragwerk aus kon-ventionellen 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 Archi-tektur gilt, haben viele der heute wieder auftre-tenden Bauten maximal einen subtilen Charakter pneumatischer Formsprache.

Über den, dieser Arbeit zugrunde liegenden, An-satz einer sinnvollen Kombination von Unter- und Überdruck soll auch versucht werden, sich vom Subtilen zu entfernen und wieder einer deutliche-ren und reineren, wenngleich weiterentwickelten, pneumatischen Formsprache anzunähern.

Interessant ist hierbei das Unterdruck sowie Überdruck stabilisierten Systemen, wie eingangs erläutert, dasselbe Konstruktionsprinzip zu Grun-de liegt, sie also auch den gleichen formbilden-den Gesetzmäßigkeiten der Druckdifferenz un-terworfen 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

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

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1910

GEBAUT

Theorie/Studien

1920

1917

Patent von Friedrich William Lanchester über luftgestützte Zeltkonstruktionen 1948

Erster gebauter Radome von Walter Bird (CAL)

1958

Pentadome von Birdair Strucutres

1962

Zugbeanspruchte Konstruktionen von Frei Otto

1930 1940 1950 1960

Die Zeitstrahlgrafi k veranschaulicht die für die-se Untersuchung wichtigen Projekte der pneu-matischen Architektur. Hierbei handelt es sich, sowohl um gebaute Beispiele, als auch theore-tische Arbeiten oder Studien. Die Grafi k gibt je-doch keine lückenlose Abfolge wieder, so dass eine Interpretation einer zeitlichen Dichte von Pro-jekten schwierig ist. Auffällig ist dennoch, dass es von 1965 – 1976 eine hohe Dichte von Ereignis-sen zu geben scheint.

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1970

Weltausstellung in Osaka Japan

1968

Gelbes Herz von Haus Rucker

1996

Festo Airtecture 2007

Messestand Plusminus

2009

Gitterschale Plusminus

1970

Vacuumatics von Ivan Petrovic Queens University, Belfast

1974

Klassifi kation von Thomas Herzog

erste Öl-Krise

1974

Wandelbare Pneus von Berthold von Schoor

1970 - 1971

Stadt in der Arktis von Frei Otto 1976

Pneus in Natur und Technik

1965 - 1968

Klassifi kation von Gernot Minke 2006 - 2007

Defl ateables/Vakcuumatics der TU Delft und des ILEK Stuttgart

1970 1980 1990 2000 2010

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3. Klassifi kationen und Unterscheidungsmerkmale

Ein Überblick über bereits vorhandene pneu-matische Konstruktionen deren Klassifi kationen sowie Begriffl ichkeiten, soll helfen die Konstruk-tionen, 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 die-se zu bewerten und einzuordnen sind.

In der noch jungen Historie der pneumatischen Bauten gab es hierzu einige verschiedene Ansät-ze. 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 Klassifi zierungssystematiken zu erreichen. Viel-mehr 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 Klassifi kation lediglich den „Ver-such 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.

Das Grundlegende der Aussage Naumers jedoch

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

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

11.Abb.: Entwurf einer Ausstellungshalle,Einfachmembran Über-drucksystem, Minke, Stevens und Warne 1971

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bleibt. Weshalb eine solche Klassifi kation auch lediglich als Hilfsmittel zur Einordnung vorhande-ner Systeme oder zur Erschaffung neuer Ansät-ze dienen sollte, jedoch niemals als ganzheitliche Beschreibung eines sowieso nicht vollständig zu erfassenden Kanons an Möglichkeiten, anzuse-hen ist. Eine weitere Anmerkung Naumers betrifft die Eindeutigkeit solcher Systematiken. So soll-ten Zweideutigkeiten nach Möglichkeit vermie-den oder zumindest eingeschränkt werden.[18]

In den nachfolgenden Absätzen werden die schon erwähnten drei Ansätze kurz erläutert.

3.1. Klassifi kationen nach Minke

Ein Pionier auf dem Gebiet der Erfassung pneu-matischer Systeme war zweifellos Gernot Minke, der Ende der 1960er und zu Beginn der 1970er als Erster anwendbare Klassifi kationen für pneu-matische Konstruktionen geschaffen hat.

Zu diesem Zweck wurden die verschiedenen Un-terscheidungsmerkmale und ihre Ausbildungs-möglichkeiten pneumatischer Konstruktionen zu-sammengetragen und in Form morphologischer Kästen quantifi ziert. Minke war hierdurch nicht nur in der Lage bereits vorhandene pneumati-sche Gebilde zu klassifi zieren, sondern auch wei-tere Entwicklungsmöglichkeiten aufzuzeigen. Vie-le seiner Überlegungen sind leider theoretischer Natur geblieben und fanden nicht den Weg in ei-ne bauliche Realisierung.[19]

Als Grundlage seiner Arbeit stellte er 11 Unter-scheidungsmerkmale (Abb. 12) mit jeweils un-terschiedlichen Ausbildungsmöglichkeiten pneu-matischer Konstruktionen fest. Diese ordnete er

den Begriffen Tragwerkssystem, Tragwerkstyp, Tragwerksform sowie Tragwerksart zu. Jene vier Begriffe bilden nach seiner Defi nition die aufein-ander folgenden Schritte der Tragwerksfi ndung. Hierbei steht das Tragwerkssystem für eine noch nicht formuliertes und materialisiertes statisches System, während die Tragwerksart für schon ma-terialisierte jedoch noch nicht völlig ausdefi nier-te oder zusammenfassend für eine Gruppe von Tragwerken steht. [20]

Im nachfolgenden Punkt werden 3 seiner 11 Merkmale, welche grundlegend für das weitere Vorgehen sind, näher erläutert.

3.1.1. Art der Druckdifferenz

Das für diese Arbeit Wichtigste der 11, von Minke aufgeführten Unterscheidungsmerkmale, ist wie schon zuvor angedeutet die Art der Druckdiffe-renz mit ihren Ausprägungen der Unterdruck- und der Überdrucksysteme. Bei den häufi ger auftre-tenden 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 herr-schende, 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 Unterdrucksys-temen 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]

Angemerkt sei an dieser Stelle, dass die Begriff-

lichkeiten konvex und konkav sehr leicht zu Ver-wechslungen 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 un-terliegt die Formgebung der beiden Systeme den gleichen Gesetzmäßigkeiten. Lediglich die Rich-tung ihrer Krümmung differenziert vom Bezugs-punkt 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 Auswir-kungen. Ein Unterdrucksystem ist demnach im-mer 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 un-ter Beweis stellt.[22]

3.1.2. Anzahl der Membranen

Eine weitere grundlegende Unterscheidung be-trifft die Anzahl der Membranlagen. So kann ein System mit einer einzigen Membranlage ausge-bildet werden, aber auch aus zwei oder mehr La-gen bestehen.[23]

Bei einlagigen Membranen befi ndet sich das Stützmedium, oder im Falle der Unterdrucksys-teme das Medium mit dem geringeren Druck,

19

20

Stelle Merkmal Zuord-nung zu: Ausprägung

Varietät: sinnvolle Möglichk.

1 Membranausbildung

Trag

wer

ks-

syst

em

a.) einfach b.) doppelt Kissen 2

2 Art der Druckdifferenz a.) Überdruck b.) Unterdruck 4

3 Art der sekundär-en Unterstützung a.) keine b.) punktförmig c.) linear 12

4 Ausbildung der sekun-dären Unterstützung

Trag

wer

ksty

p

für 3 b: a.) Rosette b. Ring c.) Buckel

für 3 c: d.) Seil e.)Balken f.) Bogen28

5 Anordnung der sekun-dären Unterstützung

für 3 b: a.) einzeln, b.) gereiht c.) gerastert

d.) radial/ringförmig, e.) unregelmäßig

für 3 c: f.) einzeln, g.) einläufi g, h.) radial,

i.) tangential, k.) zweiläufi g, l.) drei-

und mehrläufi g, m.) unregelmässig

148

6Beanspruchung der tertiären inne-ren Untterstützung

für 3 b, c:

a.) keine, b.) Zug, c.) Druck, d.) Biegung580

7 Dimension der Haupt-ausdehnungsrichtungen

Trag

wer

ks-

form

a.) eindimensional, b.) zweidimensional,

c.) dreidimensional1.740

8 Art der Oberfl ä-chenkrümmung

a.) einseitig, b.)synklastisch

c.)antiklastisch(inVerbindung mit synklastisch5.220

9 Art des Memb-ranmaterials

Trag

wer

ksar

t

a.) hochelastisch, b.) thermoplastisch,

c.) unelastisch/verschiebbar, d. unelastisch/

fest

20.880

10 Grössenordnung der Spannweite a.) bis 20m, b.) 20 - 100m, c.) über 100 m 62.640

11 Art der Additiona.) keine, b.) einachsig, c.) zweiachsig,

d.) drei- und mehrachsig250.560

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innerhalb des Nutzungsraumes. Das gängigste Beispiel für ein solches System sind einmal mehr die bekannten Traglufthallen. Im Allgemeinen spricht man hier auch von luftgestützten Konst-ruktionen.

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 häufi g auf-tretenden, Kissenkonstruktionen, wie man sie bei der Alianzarena von Herzog de Meuron oder aber auch beim Eden Project von Grimshaw vorfi ndet. In den Klassifi kationen von Minke wird diese eher geometrische Bezeichnung auch als Synonym für Konstruktionen mit einer doppelten Membran-lage aufgeführt. Eine Einschätzung die ich nicht teile da auch schlauchförmige pneumatische Körper die entscheidenden Kriterien einer dop-pelten Membranlage erfüllen, sie aber aufgrund einer anderen geometrischen Ausprägung ihrer Dimensionen, mit Nichten als ein Kissen bezeich-net werden können. Zudem darf angezweifelt werden, ob diese Bezeichnung auf Systeme mit einem umhüllenden Unterdruck, wie er bei den Vacuumatics oder Defl atebles, welche später er-läutert werden, übertragen werden kann. Zum Verständnis muss gesagt werden, dass Minke in seinen Klassifi kationen die Schlauchkonstruktio-nen in Gänze als Sonderfall betrachtete und sie ausschließlich den so genannten Hochdruckkon-struktionen zuordnete. Diese unterscheiden sich nach Minke in ihrer Funktionsweise grundlegend von anderen pneumatischen Systemen. Im fol-genden Absatz wird dieses Unterscheidungs-

12.Abb.: Morphologischer Kasten mit 11 Unterschei-dungskriterien nach Minke aus Herzog, T. 1976

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Membranausbildung

einfach doppelt

Art der Druckdifferenz

Überdruck Unterdruck

Maß der Druckdifferenz

Niederdruck Hochdruck

merkmal näher erläutert.[24]

3.1.3. Maß der Druckdifferenz

Mit der Unterscheidung nach dem Maß der Druckdifferenz führt Minke ein weiteres Kriterium ein. Bei diesem unterscheidet er die Ausprägun-gen der Niederdruck- und Hochdrucksysteme. Die Druckdifferenz der Niederdrucksysteme be-trägt 0,001 - 0,01 Bar, die der Hochdrucksyste-men hingegen 0,2 – 7 Bar.[25]

Der geringe Druck der Niederdrucksysteme ist unter anderem der Tatsache geschuldet, dass bei den so genannten luftgestützten Konstruktio-nen (Traglufthallen) ein für den sich im Raum auf-haltenden Menschen physiologisch unbedenkli-cher Druck herrschen muss. Zudem ist bei der eigentlich systembedingten Belastungsart wel-che die Aufnahme von Querkräften ausschließt kein höherer Druck erforderlich. So sind Nieder-drucksysteme in der Lage über ihre vorgespannte Membranhaut und das stützende Medium Kräfte abzuleiten. Hochdrucksysteme werden dagegen in der Literatur, tragwerkstechnisch als ineffi zient bezeichnet und, wie schon erwähnt, bei Minke auf die Schlauchkonstruktionen beschränkt.[26]

Die Aussage über die tragwerkstechnisch gerin-ge Effi zienz leitet sich aus der Tatsache ab, dass Hochdrucksysteme häufi g dann zum Einsatz kommen wenn es darum geht Querkräfte abzu-leiten. Wenn dies geschieht und man sie dann mit einem konventionellen Tragwerk vergleicht, sind sie den Effi zienzgrad betreffend unterlegen. Hier sollte aber auch nicht außer Acht gelassen werden, dass es noch andere, für ein Bauwerk oder allgemeiner Gebilde, entscheidende Para-

meter geben kann. Zu nennen wären hier Punkte wie der, auch häufi g in der Literatur auftauchen-de, Montageaufwand, das Transportvolumen bei temporären Bauten, die Adaptivität oder auch der Ressourcenverbrauch und die Möglichkeit der Rezyklierung.

Zu der hier erläuterten Unterscheidung Minke’s ist zu sagen, dass seine aus den unterschiedlichen Tragwirkungen abgeleitete Defi nition von Nieder- und Hochdruckkonstruktionen prinzipiell stimmig ist. Die von ihm als Grenzen defi nierten Werte, werden jedoch an keiner Stelle genauer begrün-det. Zudem herrscht eine Defi nitionslücke zwi-schen dem oberen Grenzwert der Niederdruck-konstruktionen, von 0,01 Bar, und dem unteren Grenzwert der Hochdruckkonstruktionen von 0,2 Bar. Ein Ansatz, diese Defi nitionslücke zu schlie-ßen, wird unter dem Punkt der Explosionslasten aufgezeigt.

Ein weiterer Punkt der bei Minke überraschen-der Weise fehlt, ist die exakte Übertragung der Defi nition auf die Unterdrucksysteme. Er führt zwar die Systeme an sich in seinen Merkmalen auf und entwickelt sogar konkrete Varianten, äu-ßert sich aber nicht über die Höhe des Unterdru-ckes. Ähnlich der beschriebenen Defi nitionslücke müsste auch hier eine exakte Bestimmung ein-geführt werden. Einen ersten Ansatz hierzu liefert die Vakuumtechnik, welche vier Arten des Vaku-ums nach der Höhe des Restdruckes unterschei-det. Das Grobvakuum von 103 – 100mbar, das Feinvakuum von 100 – 10-3 mbar, das Hochvaku-um von 10-3 -10-7 mbar und das Ultrahochvakuum welches beispielsweise im Weltall vorzufi nden ist, von 10-7- 10-10 mbar. Realistisch betrachtet befi n-den sich die Druckdifferenzen der hier betrach-

0,001 - 0,01 bar 0,2 - 7 bar

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22 PLUSMINUS unltd.

teten Unterdrucksysteme im oberen Bereich des Grobvakuums, folglich zwischen dem atmosphä-rischen Druck von 103 mbar – 102 mbar.[27]

3.2. Klassifi kationen nach Herzog

Die Klassifi kationen von Thomas Herzog entstan-den zeitlich etwas nach denen von Gernot Minke und wurden in seinem Buch „Pneumatische Kon-struktionen“, an welchem auch Minke beteiligt war, 1974 veröffentlicht. Daher ist es auch nicht besonders verwunderlich, dass sich die beiden Ansätze ähneln.

Anders als Minke jedoch reduziert Herzog seine Systematik auf vier grundlegende Kriterien: Art der Membrane bzw. des Gebildes, Proportion des Gebildes, Art der Oberfl ächenkrümmung so-wie Art der Verbindung. Ähnlich wie Minke gibt er für diese Kriterien wieder unterschiedliche Aus-prägungen an, die ihrerseits wiederum unterein-ander kombinierbar sind. Ebenso wie Minke stellt Herzog seine Systematik in einer Art morphologi-schen 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 einla-gigen oder zweilagigen Membran. Das Merkmal der Proportion wie auch der Oberfl ächenkrüm-mung kommt ebenfalls bei Minke vor, wenn auch nicht so plastisch dargestellt. Einzig die Art der Verbindung kann man nicht direkt der Art der Ad-dition bei Minke gleichsetzen, auch wenn es hier eindeutige Überschneidungen gibt.

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 morpho-logischen Kastens, wirken die Erläuterungen ein-fach zu umständlich.

Was ihn aber auszeichnet ist seine anschauliche Darstellungsart und sein auf das äußere Erschei-nungsbild, also die Form, gelegter Schwerpunkt.

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13.Abb.: Morphologischer Kasten mit 4 Unterschei-dungsmerkmalen von Herzog, T. 1976

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3.3. Klassifi kationen nach Naumer

Die Dissertation von Wolfgang Naumer aus dem Jahr 1999 ist der aktuellste Versuch einer Klassifi kation, 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 Klassifi kation niemals vollständig alle möglichen Varianten abbilden kann. Von diesem grundlegenden Standpunkt ausgehend unternimmt er den Versuch eine möglichst eindeutige und doch allgemein gültige Klassifi kation pneumatischer Konstruktionen zu fi nden.[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 Defi nition 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

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 Defi nition, das Vorkommen echter Kugelelemente, deren Innenraum dann nicht mehr begehbar ist aus.[30]

3.4. Anmerkungen

Die Ausführungen zu bestehenden Klassifi ka-tionen und somit auch Theorien über pneuma-tische Bauwerke zeigen, dass es sich um ein Themengebiet handelt welches komplexer und vielschichtiger ist als man es bei einer ersten oberfl ächlichen Betrachtung annehmen dürfte. So scheint es zunächst nicht sinnvoll anhand von Klassifi kationen ein solches Gebiet abschließend zusammenfassen zu wollen. Die Beschäftigung mit solchen Systemen und Ansätzen ist aber ein äußerst gutes Hilfsmittel um sich einen struktu-rierten Überblick über schon Bestehendes zu verschaffen. Des Weiteren kann mit Hilfe solcher Betrachtungen eine erste Einschätzung über be-stehende Potenziale getroffen werden. Da dies auch das erklärte Ziel dieser Arbeit ist, war diese Beschäftigung mit klassifi zierenden Systematiken ein erster wichtiger und grundlegender Schritt.

Im Weiteren soll, anhand von Ergänzungen der behandelten Systematiken, schrittweise ein ei-genes System aufgebaut werden, welches als Werkzeug zur Einordnung hybrider Ansätze die-nen soll. Hierbei baut das weitere Vorgehen in der Hauptsache auf die Arbeit von Gernot Minke

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 Klassifi kationssystem 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.

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14.Abb.: Pentadome, Ausstellungsgebäude 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 Allgemei-nen eine Kombination zweier unterschiedlicher, eher gegensätzlicher Systeme, deren jeweilige spezifi sche Eigenschaften sich ergänzen und somit zusammen eine bessere Lösung für be-stimmte Probleme darstellen.

Bezogen auf Tragwerkssysteme beispielswei-se bedeutet dies die Kombination zweier in ihrer Materialisierung und/oder Formalisierung unter-schiedlich ausgebildeter Systeme.

So gab es schon des Öfteren eine hybride Lö-sung aus konventionellem Tragwerk und pneu-matischen Elementen. Die schon erwähnten kleinteiligen Kissenstrukturen (Abb. 17) könnten als solche angesehen werden. Ein nahezu per-fektes Beispiel, im Bereich pneumatischer Trag-werkssysteme, sind die in der Schweiz entwi-ckelten Tensairityträger (Abb 18). Sie bilden in der Kombination aus Stahlgurten, Holz oder Ver-bundmaterialien sowie einer pneumatisch ge-stützten Hüllmembrane ein hybrides Tragwerks-system. [32]

Weitere Beispiele sind viele der jedoch meist the-oretisch gebliebenen Überlegungen zu Unter-drucksystemen. So benötigen diese, wie unter Punkt 2.1.1. bereits erläutert wird, im Gegensatz zu den Überdrucksystemen immer ein unterstüt-zendes Subsystem, häufi g in Form von Abspan-nungen oder Unterstützungen aus nicht pneu-

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

16.Abb.: Station Z, Werner Sobek Ingenieure

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matischen Elementen.[33] Eine andere Variante ist die, Umhüllung eines Primärtragwerkes, mit einer durch Unterdruck stabilisierten Membrane. In die-sem Fall kann die Primärtragstruktur durch den Unterdruck ausgesteift werden, oder die Memb-ran dient nur als abdichtende Hülle. Hierzu wäre der Messestand von Werner Sobek für die Firma Mero (Abb. 15) oder die Gedenkstätte in Sach-senhausen (Abb. 16) zu nennen.

Man kann also festhalten, dass es schon öf-ter hybride Lösungen aus konventionellen und pneumatischen Tragwerksansätzen gab. Eine rein pneumatisch hybride Lösung aus Unter- und Überdruck war jedoch bisher nie mehr als eine Randnotiz oder ein prototypischer Versuch. Da es aus diesem Grund auch keine passen-den Begriffl ichkeiten gibt, soll an dieser Stelle die Bezeichnung der hybriden pneumatischen Sys-teme eingeführt werden. Dieser beschreibt An-sätze, welche eine Kombination von Unter- und Überdruck vorsehen. Die noch recht allgemeine Defi nition wird in den noch folgenden Kapiteln er-gänzt und weiter ausdifferenziert.

4.2. Der pneumatische Hybrid

Sind bereits Projekte mit einer wie oben beschrie-benen hybriden Lösung eine architektonische Randerscheinung, so wird man Projekte die ei-ne pneumatisch hybride Lösung anstreben noch seltener vorfi nden. Nach mehreren Jahren der Beschäftigung mit der Thematik und einer einge-henden Recherche zu dieser Arbeit sind mir le-diglich 4 – 5 Arbeiten bekannt, die die Vorausset-zungen eines pneumatischen Hybriden erfüllen.

Hierbei handelt es sich um das Floating Theat-

re in Osaka von Yutaka Murata aus dem Jahre 1970, die Airtecture Halle von Festo von 1996, der Messestand sowie die Gitterschale von Plus-minus aus den Jahren 2007 und 2009 und je nach Gewichtung einige der in die Reihe der Va-cuumatics sowie der Defl atebles einzuordnen-den Projekte vom Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK) der Universität Stuttgart beziehungsweise der TU Delft. Warum man mei-ner Ansicht nach bei diesen letzten Projekten über eine klare Einordnung streiten kann sowie nähere Erläuterungen zu den anderen Projekten, erfolgen am Ende dieses Kapitels.

Anders als in der Praxis wurde in der Theorie schon des Öfteren über die möglichen Poten-ziale einer Kombination von Über- und Unter-duck nachgedacht. Hierzu soll einmal mehr ein Gedanken Gernot Minkes aufgreifen werden, in welchem er eben auf diese Kombination von Un-terdruck und Überdruck gezielt eingeht. So geht Minke davon aus, dass durch die Kombination der beiden Systeme sich deren Nachteile gegen-seitig aufheben könnten. Beispielhaft führt er die Gefahr einer Wassersack-Bildung, welche bei den konkav geformten Unterdrucksystemen be-steht und die mögliche ausgleichende Wirkung der konträr hierzu stehenden konvex geformten Überdrucksysteme an.[34] Interessant ist auch, dass Minke ebenso wie Naumer, in seiner viel später erschienen Arbeit, der Kombination von Hochdruckschläuchen und Unterdruckelemen-ten ein gewisses Potenzial beimessen. Naumer geht hier gar so weit, dass die Schläuche eine „Grundstruktur“ für 2 dimensionale Unterdruck Pneus bilden könnten, worin er die Möglichkeit sieht, großfl ächige Scheiben auszubilden[35].

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

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

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28 PLUSMINUS unltd.

Leider kommen solche Überlegungen häufi g 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, zumin-dest in Teilen weiter durchdacht hat. In einer sei-ner morphologischen Kästen (Abb. 19) fasst er mit Hilfe der Kriterien Art der Druckdifferenz, An-zahl der Membrane und Art der Unterstützung, die Möglichkeiten einer Kombination von Unter- und Überdrucksystemen, im Bereich der Nieder-drucksysteme, zusammen. Hieraus entwickelt er 64 theoretische Möglichkeiten hybrider Nieder-drucksysteme mit entsprechenden nicht pneu-matischen Unterstützungen (Abb. 20).[36] Die nicht pneumatischen Unterstützungen, in Form von Abspannungen und Unterstützungen, resul-tieren hier immer noch aus dem unter 2.1.1. auf-geführten Grund.

Der dieser Arbeit zugrunde liegende Ansatz folgt hingegen eher dem Ansatz von Naumer, durch eine Kombination von übergeordnetem Unter-drucksystem und kleineren Überdruckpneus so-wie Schläuchen, auf nicht pneumatische Subsys-teme verzichten zu können. Obwohl Minke diese Möglichkeit ebenfalls in der erwähnten Rand-bemerkung 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 Ge-biet noch ein erhebliches Entwicklungspotenzial existiert.

Niederdrucksysteme

I fl ächig unterstützte Einfachmembrantragwerke (mediengestützt)

0 ohne zusätzliche

Stabilisierung

P mit zusätzlicher

punktueller

Stabilisierung

L mit zusätzlicher

linearer

Stabilisierung

P+L mit zusätzlicher

punkt. u. linearer

Stabilisierung

I u

Unterdruck

I u 0 I u P I u L I u P+L

i ü

Überdruck

I ü 0 I ü P I ü L I ü P+L

II fl ächig unterstützte Doppelmembrantragwerke (mediengefüllt)

0 ohne zusätzliche

Stabilisierung

P mit zusätzlicher

punktueller

Stabilisierung

L mit zusätzlicher

linearer

Stabilisierung

P+L mit zusätzlicher

punkt. u. linearer

Stabilisierung

II u

Unterdruck

II u 0 II u P II u L II u P+L

II ü

Überdruck

II ü 0 II ü P II ü L II ü P+L

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 Über-druck, erzeugt von Gernot Minke mit Hilfe seines Morphologi-schen Kastens (Abb. 19) aus Herzog, T. 1976

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4.3. Gebaute Beispiele

4.3.1. Floating Theatre

Das Floating Theatre entstand als temporärer Bau im Rahmen der Expo 1970 in Osaka, Ja-pan und wurde nach dieser wieder demontiert. Der Entwurf, welcher von dem japanischen Ar-chitekten Yutaka Murata stammt, ist aus mehre-ren Gründen als bemerkenswert zu bezeichnen. Zum einen war es das erste Bauwerk in welchem eine Kombination von Unter- und Überdruck um-gesetzt wurde. Zum anderen war es das bisher einzige Gebäude, welches mehr als eine prototy-pische Studie darstellt, verbunden mit einem Ein-satz im Außenbereich. Keines der anderen hier vorgestellten Projekte kann von sich behaupten Umwelteinfl üssen ausgesetzt gewesen zu sein, bei gleichzeitiger Erfüllung einer bestimmten Nut-zung.

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 Floa-ting Theatre war also in mehrerer Hinsicht inno-vativ. Das Konstruktionsprinzip seiner aus Unter- und Überdruckelementen bestehenden Hülle ist recht einfach: Drei unter Überdruck stehende Schlauchbögen spannen über die lange Seite des Theaters. Die äußere der beiden Membranla-gen ist zwischen diesen drei Bögen, beziehungs-weise dem Rand des Bodens der schwimmen-den Konstruktion, gespannt. Die innere Lage hingegen ist durchgehend und punktuell in den Innenraum abgespannt. Dies führt im Schnitt zu

einer Form, die durchaus auch mit Überdruck des Innenraumes hätte erreicht werden können. Dass dies jedoch auszuschließen ist erkennt man auf dem Foto, welches die Rückseite des Thea-ters zeigt (Abb. 21). Hier ist deutlich die Öffnung zu erkennen, die einen Überdruck im Inneren un-möglich machen würde.

Dass dieser Verdacht aufkommen kann, ist die größte Schwäche des ansonsten beachtenswer-ten Baues. So wurde die Kombination von stabi-lisierendem Unter- und Überdruck nicht gerade in der effi zientesten und eindeutigsten Weise in die Konstruktion integriert. Es wäre konsequen-ter gewesen, zwei durchlaufende Membranlagen über den Unterdruck mit den Schläuchen zu ver-pressen und auf innere Abspannungen völlig zu verzichten. Aus Sicht eines pneumatischen Hyb-riden wäre dies mit Sicherheit die deutlichere Lö-sung. Der Architekt hatte aber sicher triftige, für mich leider nicht mehr nachzuvollziehende Grün-de, die angewandte Konstruktionsart zu wählen.

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

22.Abb.:Floating Theatre, Schnitt, von Yutaka Murata, Osaka 1970 aus Herzog 1976 entnommen aus Naumer, W., 1999, 211

Projektdaten:

Bezeichnung: Electric Power Pavillion

Nutzung: temporäres Theater

Bauherr: ......................

Standort: Osaka Japan, Expo- Gelände

Baujahr: 1970

Architekt: Yutaka Murata

Ingenieur: Mamoru Kawaguchi

Membranfi rma: Ogawa Tent Co.

Abmessung: Durchmesser 23m, Höhe 19m

Membranfl äche: .....................

Membranmaterial : Polyester PVC

Stichhöhe: .....................

Verankerung: schwimmend

Demontage: Ja

Druckdifferenzen

Überdruck Schläuche: 0,15 bar - 0,3 bar

Unterdruck Membran: 0,001 bar - 0,002 bar

31

32 PLUSMINUS unltd.

4.3.2. Festo Airtecture

Die 1996 von Festo entwickelte prototypische Halle kann durchaus als eine hybride pneumati-sche Konstruktion in vielerlei Hinsicht bezeichnet werden.

In ihr sind die verschiedensten pneumatischen Konstruktionsweisen vereint. Das Markanteste sind wohl die an der Außenseite angeordneten Überdruck-stabilisierten Y-Stützen, an welchen die „Airbeams“ der Dachkonstruktion anschlie-ßen. Diese wechseln sich, mit aus transluzenten Folien bestehenden, Unterdruck-stabilisierten, Kissenfeldern ab und bilden mit diesen zusam-men die ausgesteifte Dachscheibe. Es kommt jedoch an keiner Stelle der Konstruktion zu ei-ner Überlappung von Unterdruck- stabilisierten und Überdruckstabilisierten Bereichen. Dies ist gegensätzlich zu dem in dieser Arbeit verfolg-ten Prinzip. Die Y-Stützen (Abb. 25) wiederum sind anhand sogenannter pneumatischer Mus-keln abgespannt, eine hausinterne Innovation der Firma Festo, welche bei einer Zunahme der äußeren Lasten über ein komplexes System aus Sensor- und Regeltechnik die Vorspannung ent-sprechend korrigieren. Sie bilden einen zusätzli-chen adaptiven Aspekt in der Konstruktion. Die Wandelemente bestehen wiederum aus luftdich-tem 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 Ele-mente die sie in sich vereint, sowie die kubische

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

Ihre Besonderheiten sind aber auch gleichzei-tig ihre Schwächen. Ein Pneu würde, von sich aus, nie eine kubische Form einnehmen sondern immer eine gekrümmte Oberfl äche erzeugen, welche versucht sich einer Minimalfl äche anzu-nähern. Und genau dies war es auch was die Faszination bei den „Pneu-Pionieren“ ausübte. Bei allem Respekt vor der technischen Innovati-on muss man also sagen, dass es sich hier nicht um eine pneu-affi ne Formsprache handelt.

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Projektdaten:

Bezeichnung: Airtecture

Nutzung: mobile Ausstellungs- halle

Bauherr: Festo KG, Esslingen

Standort: variabel

Baujahr: 1995 - 1996

Architekt: Festo KG

Ingenieur: Festo KG

Membranfi rma: DSB / Koch High-tex

Abmessung: 2250m² Höhe 6m

Membranfl äche: .....................

Membranmaterial : ............./ETFE

Stichhöhe: .....................

Verankerung: Fertigteilfundamente

Demontage: Ja

Druckdifferenzen

Überdruck: 0,025 bar - 0,5 bar

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

Muskeln: 0,3 bar - 1 bar

23.Abb.:Pneuhalle Airtecture, Festo,1996

24.Abb.:Pneuhalle Airtecture, Detail Innenecke Festo,199625.Abb.:Y-Stützen mit Festo Muscle, Festo,1996 entnommen aus Naumer, W., 1999, 282

33

34 PLUSMINUS unltd.

4.3.3. Plusminus Messestand

Im Rahmen eines studentischen Entwurfes am Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren, der Universität Stuttgart entstand 2007, anläss-lich der Techtextil in Frankfurt, diese Arbeit. Das besondere an diesem Projekt ist, dass das kon-struktive Zusammenspiel von Unter- und Über-druck noch deutlicher zum Vorschein kommt, als bei dem bereits vorgestellten Floating Theatre.

Im Wesentlichen besteht der Ausstellungsstand aus, im Grundriss orthogonal zusammen gefüg-ten, Wandscheiben, welche sich wiederrum aus, in einer Chaosstruktur angeordneten Überdruck-schläuchen und diese umgebende vakuumisier-te ETFE Foliensäcke, zusammensetzen.

Hierbei verpresst die unterdruckstabilisierte Hüll-folie die in zwei Reihen angeordneten Schläu-che, zu einem festen Verbund. Diese weichen in unterschiedlichen Winkeln leicht von der Senk-rechten ab. Fällt eine der beiden Komponenten aus, verliert das Ganze erheblich an Steifi gkeit. Es kommt also, anders als bei dem zuvor vorge-stellten Airtecture, zu einer konstruktiv bedingten Überlappung der durch unterschiedliche Arten der Druckdifferenz stabilisierten Komponenten.

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

dar. Die Hüllfolie bestand aus dem aktuell in der Architektur häufi g verwendeten Werkstoff Ethylen Tetrafl uorethylen (ETFE).

Unter Mithilfe der Firma Festo wurde ein gere-geltes Druckluftsystem aufgebaut welches den Druck der Schläuche auf einem konstanten Wert hielt. Der Unterdruck wurde durch konventionelle Sanitärlüfter, welche in den noch recht grob auf-gebauten Sockelelementen integriert waren, auf-recht erhalten.

Die Kritik der nicht pneu gerechten Formgebung kann natürlich auch hier, bedingt durch die Or-thogonalität der Wandscheiben, angebracht werden. Dem kann jedoch entgegen gehalten werden, dass diese im Mikrobereich durch das Pressen der Hüllfolie auf die Schläuche durchaus bestimmend ist und das Charakteristika der Ge-samterscheinung ausmacht. Es wurde also nicht versucht wie beim Festo Airtecture planebene Scheiben zu schaffen.

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Projektdaten:

Bezeichnung: Plusminus Messestand

Nutzung: Ausstellungstand

Bauherr: Messe Frankfurt

Standort: Frankfurt, Deutschland

Baujahr: 2006

Architekt: studioltd/ILEK Stuttgart

Ingenieur: studioltd/ILEK Stuttgart

Membranfi rma: Cenotec

Abmessung: 11m x 15m Höhe 4m

Membranfl äche: .....................

Membranmaterial : PA Schläuche/ETFE

Stichhöhe: .....................

Verankerung: .....................

Demontage: Ja

Druckdifferenzen

Überdruck Schläuche: 0,3 bar - 0,5 bar

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

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

27.Abb.:Plusminus Messestand Innenraum 28.Abb.:Plusminus Messestand Sockeldetail entnommen aus www.studioltd.de

35

36 PLUSMINUS unltd.

4.3.4. Plusminus Gitterschale

Die Gitterschale wurde 2009 ebenfalls von der oben genannten studentischen Gruppe am ILEK der Universität Stuttgart entwickelt. Auch sie be-steht aus Überdruckschläuchen in einer durch Unterdruck stabilisierten Hüllfolie. Hierbei handelt es sich aber um eine nicht unerhebliche Weiter-entwicklung.

Das der Gitterschale zugrunde liegende Ras-ter, bilden hierbei die Schlauchpneus die ana-log zu dem Messestand aus Folienschläuchen der Wurstdarmherstellung stammen. Die das Schlauchnetz umgebende Hüllfolie wurde jedoch aus Kostengründen nicht mehr aus ETFE son-dern aus dem wesentlich günstigeren und ein-facher zu verarbeitenden Polyethylen (PE) herge-stellt. Als Form wurde eine für die Gitterschale typische Kuppelgeometrie, welche mit einer Öff-nung an beiden Seiten versehen war, gewählt. Ähnlich dem Messestand sind auch hier die Überdruckschläuche in zwei Ebenen angeord-net und überschneiden sich wie bei einer klas-sischen Gitterschale an den Kreuzungspunkten. An diesen sind die Schläuche durch einfache Buchbinderschrauben und Klebefolie drehbar miteinander verbunden.

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 einzel-nen Knotenpunkt des Rasters nach dem Auf-stellen der Gesamtform, zeitgleich zu fi xieren. Bei einer konventionellen Gitterschale musste für die-sen, für die Formstabilität unabdingbaren Schritt,

noch jeder Punkt einzeln von Hand angezogen werden. Beim Aufbau der pneumatischen Gitter-schale sind zu dem die sonst erforderlichen Hilfs-konstruktionen nicht mehr notwendig.

In der Plusminus Gitterschale sind die Vorzüge einer konventionellen Gitterschale kombiniert mit den gesammelten Erkenntnissen über eine sinn-volle Kombination von Unter- und Überdruck. So stellt die pneumatische Gitterschale in zweierlei Richtung eine Weiterentwicklung dar.

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Projektdaten:

Bezeichnung: pneumatische Gitterschale

Nutzung: Prototyp

Bauherr: studioltd/Festo KG

Standort: variabel

Baujahr: 2009

Architekt: studioltd

Ingenieur: studioltd

Membranfi rma: Planex / Reifenhäuser

Abmessung: 13m x 8m

Membranfl äche: außen 218,6 m² innen 201,6 m²

Membranmaterial : PA Schläuche/PE Hülle

Stichhöhe: 4,5m

Verankerung: integrale Basismodule

Demontage: Ja

Druckdifferenzen

Überdruck Schläuche: 0,5 bar - 0,7 bar

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

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

30.Abb.: Die pneumatische Gitterschale, Aufsicht 31.Abb.: Die pneumatische Gitterschale, Detail Ausschnitt entnommen aus www.studioltd.de

37

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4.3.5. Vaccumatics/Defl ateables

Die Existenz zweier Bezeichnungen für diese Rei-he prototypischer Ansätze lässt sich damit erklä-ren, dass es fast zeitgleich zwischen 2006 und 2007 Untersuchungen an der TU Delft wie auch dem schon erwähnten ILEK der Universität Stutt-gart gab.

Ursprünglich geht der Begriff Vacuumatics je-doch 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 Konstruk-tionen experimentiert, deren biegeweiche Hülle zusätzlich mit Granulat ähnlichen Materialien ge-füllt 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 Stof-fe eingesetzt, ging man den späteren Versuchen an der Universität Stuttgart oder der TU-Delft da-zu über besonders alltägliche und einfach zu be-schaffende Materialien zu verwenden. Angefan-gen vom Strohhalm bis hin zu Fußbällen wurden verschiedenste Materialeien getestet. Über die Eigenschaften des Füllstoffes können somit auch die Eigenschaften der Gesamtkonstruktion maß-geblich beeinfl usst werden. So ist es beispiels-weise durchaus möglich das wärmeleitende Ver-halten hierüber zu steuern (siehe Punkt 6.2.2). Des Weiteren muss es sich nicht immer zwangs-läufi g um Partikel ähnliche Stoffe, also Stoffe aus

einer Vielzahl gleicher oder ähnlicher Grundkör-per handeln, sondern es können auch größere, nicht gleiche Gegenstände in das System einge-bunden werden. Ein Beispiel hierfür wären die vo-rangestellten Plusminus Projekte. Vielmehr geht es um das Prinzip, dass die, für Unterdrucksys-teme notwendige, lastabtragende Primärstruk-tur durch, in den Unterdruck eingebundene und durch ihn konstruktiv miteinander verbundene, (Füll-)Materialien ersetzt wird.[39]

Ein häufi g zur Verdeutlichung angeführtes Bei-spiel aus dem Alltag ist das vakuumverpackte Kaffeepäckchen. Jedem ist bekannt, dass dies eine stabile Form besitzt welche ihre Steifi gkeit unmittelbar verliert verletzt man die äußere Hülle. Somit stellt die Nutzung als Verbindungstechnik, welche ohne jegliche Art von Klebstoff oder an-deren Verbindungsmitteln auskommt einen wei-teren interessanten Aspekt dar. Die kraftschlüs-sige Fügung wird rein durch den Unterdruck erreicht und bildet im Gegensatz zum Kleben oder Schweißen eine zerstörungsfrei zu lösende Verbindung. Hinsichtlich der angestrebten Recy-clierbarkeit im Bauwesen ein nicht zu unterschät-zender Punkt.[40] Gleichwohl zeigt sich hierbei zu-gleich ein Problem dieser Konstruktionsweise. Fällt der Unterdruck weg verliert das Gebilde er-heblich 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 Hybri-den bezeichnet werden, da es sich bei vielen der eingeschlossenen Körper oder Partikel nicht um pneumatische Elemente handelt. Die Gren-

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 pneu-matische 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 sind, enthalten sie doch einige interessante As-pekte die im weiteren auch in hybride Strukturen integriert werden sollen.

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Projektdaten:

Bezeichnung: Vacuumatics/ Defl ateables

Nutzung: Versuchsreihen

Bauherr: ......................

Standort: Belfast/Delft/Stuttgart

Baujahr: 1968/2007/2007

Architekt: verschiedene

Ingenieur: verschiedene

Membranfi rma: ......................

Abmessung: .....................

Membranfl äche: .....................

Membranmaterial : verschiedene

Stichhöhe: .....................

Verankerung: .....................

Demontage: Ja

Druckdifferenzen

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

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

33.Abb.:Teepavillion Projekt der Vacuumatics, ILEK, Stuttgart34.Abb.:Air-B-Wall, Projekt der Defl ateables, TU Delft, 2007

39

40

Verlauf

- gerade /eben

- geknickt

- gebogen

Verbindung

- Einzelelement (keine Verbindung)

- diskontinuierlich (indirekte Verbindung)

- kontinuierlich (direkte Verbindung)

Konstruktionsebenen

- drei Ebenen

- zwei Ebenen

- eine Ebene

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E

Einzelelemente

(keine Verbindung)

D

diskontinuierlich

(indirekte Verbind.)

K

kontinuierlich

(direkte Verbindung)

r

gerade/eben

Er Dr Kr

k

geknickt

Ek Dk Kk

b

gebogen

Eb Db Kb

4.4. Anwendung und Erweiterung der bestehenden Klassifi kationen

In dem folgenden Abschnitt wird, mit Hilfe der zu-vor gesammelten Erkenntnisse und auf Basis der vorgestellten Klassifi kationssystematiken, schritt-weise eine eigene Systematik entwickelt. Dieses soll dabei helfen die zuvor beschriebenen Pro-jekte in den Kontext der pneumatischen Konst-ruktionen besser einordnen zu können, sich be-stimmter grundlegender Eigenschaften bewusst zu werden und nach dem Einführen der Adaptivi-tät im darauffolgenden Kapitel erste neue Ansät-ze 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 ein-gangs beschrieben, stellt das Arbeiten anhand von Klassifi kationen also nur ein Hilfsmittel zur Strukturierung dar.

Da die meisten der als Hybrid identifi zierten Pro-jekte mit diesem Element arbeiten, bildet auch die von Minke aufgestellte Klassifi kation der Hoch-druck-Schlauchkonstruktionen (Abb. 35) den Ausgangspunkt des weiteren Vorgehens. Die von Minke eingeführte Unterscheidung in Hoch- und Niederdruckkonstruktionen soll hierbei aber zunächst keine Rolle mehr spielen. Vielmehr geht es um die konstruktive Einteilung der Schlauch-konstruktionen als geometrische Grundform.

Die schon vorhandenen Unterscheidungsmerk-male der Verbindungsart und des Verlaufes wur-den in einem ersten Schritt um das der Konst-ruktionsebenen ergänzt. Dies macht von daher Sinn, als dass es wie das Plusminus Projekt der Gitterschale zeigt, durchaus vorkommen kann, 35.Abb.:Hochdruckschlauchsysteme, Minke, G.

Floating Theatre

Messestand Plusminus

Gitterschale Plusminus

Schlauchkonstruktionen

Verlauf

- gerade /eben

- geknickt

- gebogen

Verbindung

- Einzelelement (keine Verbindung)

- diskontinuierlich (indirekte Verbindung)

- kontinuierlich (direkte Verbindung)

Konstruktionsebenen

- drei Ebenen

- zwei Ebenen

- eine Ebene

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dass die Schläuche nicht in einer Ebene liegen sondern in mehreren übereinander angeordne-ten. Ein Vorgehen welches im Zusammenspiel mit dem Unterdruck, durch das Verpressen der beiden Lagen, konstruktiv nachvollziehbar wird.

Verbindet man nun die entsprechenden Ausprä-gungen der jeweiligen Unterscheidungsmerkma-le ist man in der Lage, die vorgestellten Projek-te ihren Überdruckschläuchen entsprechend zu klassifi zieren.

41

42

Floating Theatre

Messestand Plusminus

Gitterschale Plusminus

Schlauchkonstruktionen Unterdruck

Verlauf

- gerade /eben

- geknickt

- gebogen

Verbindung

- Einzelelement (keine Verbindung)

- diskontinuierlich (indirekte Verbindung

- kontinuierlich (direkte Verbindung)

Konstruktionsbenen

- drei Ebenen

- zwei Ebenen

- eine Ebene

Membranlagen

- zwei Lagen

- eine Lage

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Als nächste Ergänzung dient ein weiteres von Minke eingeführtes Kriterium. In seiner Aufstel-lung möglicher Kombinationen von Unter- und Überdruckkonstruktionen im Bereich der Nie-derdruckkonstruktionen benutzt er das Unter-scheidungsmerkmal der Membranausbildung. Diese eingangs schon erläuterte Unterschei-dungsmöglichkeit wurde also nicht nur auf Über-druck- sondern auch auf Unterdruckkonstruktio-nen angewandt. An das Ende der neu erstellten Klassifi zierungs-Systematik gefügt, erlaubt die-ses nun auch eine Aussage über die Ausbildung des Unterdruckelementes.

Floating Theatre

Air-B-Wall

Überdruckelemente

Proportionen

- eine Dimension dominant

- zwei Dimension dominant

- drei Dimension etwa gleich dominant

Verbindung

- Einzelelement (keine Verbindung)

- diskontinuierlich (indirekte Verbindung

- kontinuierlich (direkte Verbindung)

Konstruktionsebenen

- drei und mehr Ebenen

- zwei Ebenen

- eine Ebene

Unterdruck

Membranlagen

- zwei Lagen

- eine Lage

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Um auch andere pneumatische Körper abbilden zu können, wird das Merkmal des Verlaufes der Schläuche durch das allgemeingültigere der Pro-portion ersetzt. Da Herzog, dieses Kriterium am anschaulichsten eingebracht hat, bildet seine Version hierfür die Grundlage. Durch diesen Aus-tausch der Unterscheidungsmerkmale ist man nun in der Lage auch Systeme mit Überdruckele-menten abzubilden, die nicht der Schlauchform entsprechen. Eine Kombination dieser allgemei-nen Beschreibung und der spezifi schen Be-schreibung der Schlauchkonstruktionen macht es zu dem möglich Systeme aus deren Kombi-

nation einzuordnen. Am Ende des übernächsten Kapitels, welches die Wandelbarkeit behandelt wird diese Systematik weitergeführt.

43

44 PLUSMINUS unltd.

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 Klassifi ka-tionen, sollen nun einige der Grundeigenschaften des pneumatischen Hybriden herausgestellt und begriffl ich 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 herauszufi nden wo die Stär-ken der Systeme liegen, in wie weit dies Vortei-le gegenüber konventionellen Ansätzen bedeutet und wie diese Vorteile sinnvoll eingesetzt werden können. Ziel ist es hier nicht konventionelle An-sätze 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 kon-ventionellem System und pneumatischen Hybrid zu schaffen.

4.5.1. Vielzelligkeit

Bei pneumatischen Konstruktionen bedeutet Vielzelligkeit, dass die Konstruktion aus mehre-ren von einander unabhängigen oder auch mit-einander in Verbindung stehenden Volumen oder Kammern besteht. Eine Traglufthalle zum Bei-spiel besteht aus nur einer großen Zelle, welche einen höheren inneren Druck besitzt als der sie umgebende atmosphärische Druck. Ein alltägli-ches Beispiel einer vielzelligen pneumatischen Struktur ist die Luftmatratze. Diese ist in mehrere

zusammenhängende Kammern unterteilt, die in ihrer Addition ein zusammenhängendes System bilden. In der Natur kommt diese Konstruktions-weise der Vielzelligkeit häufi g 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 erken-nen kann, besteht ein pneumatischer Hybrid, an-ders als eine Traglufthalle, immer aus mehreren Zellen. Natürlich kann die Anzahl hier stark vari-ieren. Das Floating Theatre hatte drei Überdruck-zellen, war aber wie beschrieben nicht gerade die effektivste Variante der Kombination von Un-ter- und Überdruck. Grundsätzlich benötigt man mindestens ein Unterdruck- und ein Überdruck-element, um ein hybrides pneumatisches Sys-tem bilden zu können. Mit Erhöhung der Anzahl der Zellen steigt der Grad der möglichen Ausdif-ferenzierung und somit die Effi zienz des Systems hinsichtlich der Reaktion auf lokale Einfl üsse. Von einer generalisierenden Aussage: je höher die Anzahl der Zellen desto effektiver das System, ist jedoch abzusehen, da die Effektivität von mehre-ren Parametern abhängt und auch das Verständ-nis von Effi zienz je nach Gegebenheit ein ande-res 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 Anforde-rungen 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 Einfl üsse oder Anforderungen. Ähn-lich 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 Tatsa-che, dass die einzelnen Zellen in keiner Weise miteinander dauerhaft verbunden sein müssen. Sie können frei im Raum des Unterdruckes an-geordnet und lediglich über diesen miteinander verbunden sein. Bei dem Beispiel der Luftmat-ratze hängen die einzelnen Kammern hingegen dauerhaft verbunden, über das Verschweißen der Hüllmaterielaien, zusammen. Natürlich kön-nen einzelne Zellen des Hybriden in sich auf ei-ne 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 Rezyklie-rung, möglich wird.

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4.5.2. Unterdruck als Verbindungsmittel

Wie bei der Vielzelligkeit schon angedeutet wur-de und man an den gebauten Beispielen sehen kann, ausgenommen die Airtecture von Festo, befi nden sich die Überdruckelemente der Kon-struktion meist innerhalb des Unterdruckes. Es kommt also zu einer konstruktiven Überschnei-dung 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 Unter-druck gezielt zur Verbindung der sich innerhalb der durch ihn stabilisierten Hülle befi ndlichen Ele-mente eingesetzt. Diese Art der Verbindung ist keine absolute Neuentwicklung der Vacuumatics sondern spätestens seit dem Versuch von Ot-to von Guericke mit seinen Magdeburgerhalbku-geln 1657 (Abb. 36)[42] bekannt und wird auch in der Technik, man denke nur an den allseits be-kannten Saugnapf, häufi g genutzt. An diesem aus dem Alltag bekannten und daher eventu-ell auch besser nach zu vollziehenden Beispiel wird auch der entscheidende Vorteil dieser Ver-bindungsart deutlich. Verdrängt man aus einem solchen Saugnapf die sich hinter ihm befi ndliche Luft, in dem man ihn an eine glatte Oberfl äche presst, haftet dieser recht stabil an jener Ober-fl äche. Je nach Beschaffenheit der Oberfl äche und des Saugnapfes kann man senkrecht zu der Oberfl äche recht große Zugkräfte einbringen oh-ne, 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

die Verbindung mit Unterdruck, zu bewegen. Will man diese Verbindung von Saugnapf und Ober-fl äche wieder lösen, muss lediglich der Rand des Saugnapfes etwas angehoben werden. Der Un-terdruck unterhalb des Saugnapfes gleicht sich mit dem atmosphärischen Druck aus, die Verbin-dung ist gelöst. Was dieses Beispiel deutlich ma-chen soll ist, dass durch diese Verbindungsart große Kräfte übertragen werden können ohne, dass die verbundenen Elemente oder Materiali-en eine dauerhafte Verbindung eingehen müssen oder man auf konventionelle Verbindungstechni-ken angewiesen ist.

Natürlich ist hier, hinsichtlich der Defi nition von pneumatischen Hybriden und der konstruktiven Überlappung von Über- und Unterdruck, das Zie-hen einer klaren Grenze schwer. Die ursprüngli-che Defi nition eines pneumatischen Hybriden be-sagt lediglich, dass er aus einer Kombination von Unterdruck- und Überdruckelementen besteht, was eine Konstruktion wie die Airtecture-Hall von Festo ebenfalls als pneumatischen Hybriden klassifi zieren würde. So gesehen ist die Kombi-nation von Unter- und Überdruck als eine Grund-voraussetzung anzusehen, die Überlappung und damit einhergehende Verbindung durch den Un-terdruck als Grundeigenschaft. Somit ist die Air-tecture-Hall als eine pneumatische hybride Kon-struktion im Allgemeinen anzusehen, jedoch fehlt ihr eine wesentliche Grundeigenschaft, was sich auch unweigerlich auf ihre Effi zienz auswirkt.

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

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

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46 PLUSMINUS unltd.

4.5.3. Vielschichtigkeit

Als logische Konsequenz aus der Verbindung durch den Unterdruck heraus besitzt das Unter-druckelement immer das Merkmal der Zweilagig-keit nach Minke. Es besteht also aus einer äu-ßeren Membranlage, einer inneren Membranlage und dem sich zwischen den beiden Lagen befi nd-lichen durch seinen Unterdruck geprägten Raum. Dieser würde, wenn sich keine zusätzlichen Ele-mente innerhalb dieser befi nden, durch den Un-terdruck 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 pneumati-sche Zellen und Funktionen dient. Man kann also festhalten, dass sich die Konstruktion aus min-destens drei Schichten, den beiden Membranla-gen und ihrem Zwischenraum, zusammensetzt. Je nach Art und Beschaffenheit der in diesem dy-namischen Raum angeordneten Elemente, kann sich diese Anzahl der Schichten noch steigern. Eine solche Steigerung kann natürlich auch zur Einfl ussnahme auf die Eigenschaften der Kons-truktion instrumentalisiert werden. So kann, wie unter dem Punkt Adaptivität näher erläutert, auch eine dynamische Regelung der Schichtanzahl etabliert werden um auf bestimmte sich ändern-de Umwelteinfl üsse zu reagieren.

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 Un-terdruck je nach lokalen Anforderungen verschie-

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 Effi zienz hervorbringt.

12

34

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Vielschichtigkeit

Verbindungsmittel Unterdruck

Vielzelligkeit

Grundeigenschaften des pneumatischen

Hybriden

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48 PLUSMINUS unltd.

5. Material

Im Folgenden sollen die Anforderungen an Ma-terialien aus dem Bereich der pneumatischen Architektur wieder gegeben sowie die gängigs-ten Vertreter mit ihren spezifi schen Eigenschaf-ten kurz vorgestellt werden. Des Weiteren sollen auch hier vorhandene oder eventuell schon an-gedachte Entwicklungspotenziale aufgezeigt und in den Kontext der pneumatischen Hybride ge-stellt werden.

Die wohl wichtigste Anforderung an die zu ver-wendenden Materialien ist die der Dichtigkeit. Hierbei sei aber gesagt, dass eine absolute Dif-fusionsdichte von keinem der typischen Materia-lien zu erwarten ist.[43] Aus diesem Grund ist ein druckregulierendes System, welches die Druck-differenz aufrecht erhält, unabdingbar. Hierauf wird noch einmal gezielt unter dem Punkt 7.1. zum Thema Redundanz eingegangen werden.

Weitere Anforderungen sind besonders bei ei-nem Einsatz im Außenbereich eine UV-, Pilz- oder Säureresistenz, also eine Unempfi ndlichkeit ge-genüber Umwelteinfl üssen. Es sollte dem Ein-satz entsprechend eine ausreichende Festigkeit vorliegen und möglichst nicht brennbar oder zu-mindest schwer entfl ammbar sein. Ist eine Wan-delbarkeit der Konstruktion möglich muss das Material zudem unempfi ndlich gegenüber Kni-cken sein. All diese Anforderungen mit einem Material zu erfüllen ist schwer und daher kommt es auch häufi g zu einer Kombination verschie-denartiger Materialien, wie im Beispiel der be-schichteten Gewebe.[44]

Grundsätzlich gibt es zwei Gruppen von verwen-38.Abb.: mechanisch vorgespannte Membran, aus Seidel, 2008

39.Abb.: Ausschnitt Plusminus Messestand

PLUSMINUS unltd.

deten Materialien. Auf der einen Seite die schon erwähnten beschichteten Gewebe oder techni-sche Membrane, welche auch vorwiegend bei mechanisch vorgespannten Konstruktionen ver-wandt werden. Auf der anderen Seite fi nden sich die Folien. Diese sind viel leichter und können wie bei der häufi g erwähnten ETFE Folie auch hohe Transparenzgrade erfüllen. Natürlich ist ihre mechanische Belastbarkeit wesentlich geringer als die der Gewebe. Eine weitere in dieser Ar-beit aber nicht weiter berücksichtigte Gruppe ist die der Netze oder offenen Gewebe. Diese kön-nen auf Grund der nicht vorhandenen Dichtigkeit auch nur in Verbindung mit entsprechenden Foli-en verwendet werden.[45]

Auch handelt es sich hier um keine vollständi-ge Wiedergabe aller möglichen Materialien und Werkstoffe, es soll lediglich ein Überblick sowie ein Ausblick über anstehende Entwicklungen ge-geben werden. Zudem sollen Konsequenzen be-ziehungsweise Potenziale für den Hybriden be-stimmt 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 ge-fertigt werden. Bedingt durch diese Fertigungs-technik, bei der die Schussfäden zwischen den Kettfäden durchgeschossen werden und sich anschließend um diese wellen, ergeben sich un-terschiedliche Dehnungseigenschaften in der je-weiligen Richtung. Die fertigen Gewebe werden mit einer sie abdichtenden und vor Umweltein-fl üssen schützenden Beschichtung versehen,

welche mit Hilfe einer speziellen Oberfl ächen-behandlung gegen weitere Einfl üsse beständig gemacht werden kann. Zudem dichtet die Be-schichtung 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 unterschei-den sich nach der Art der verwandten Faser und der Beschichtung.[47]

Die Einteilung dieser technischen Textilien erfolgt nach ihrem Flächengewicht, welches sich auch auf den Grad ihrer jeweiligen Lichttransmission auswirkt.

Polyestergewebe mit PVC-Beschichtung

Die klassische LKW-Plane und das für Anwen-dungen mit geringer Spannweite in der Architek-tur am meisten verwandte Material. Es ist verhält-nismäßig günstig jedoch auch nicht so belastbar und langlebig wie andere Membrane. Mit Hilfe moderner Beschichtungstechniken kann aber ein besserer Schutz der Membran gegen äußere Einfl üsse erreicht werden und Einsatzdauern von 20 – 30 Jahren sind keine Seltenheit mehr[48]

Das PVC, oder Polyvinylchlorid der Beschichtung ist im Baubereich der am häufi gsten vorkom-mende Kunststoff. Er wurde schon 1912 entwi-ckelt und ist somit gleichzeitig der älteste der im Baubereich gängigen Kunststoffe. PVC gehört zu der Gruppe der Thermoplaste und zeichnet sich durch eine gute Alterungsbeständigkeit, sei-ne hohe Festigkeit, Resistenz gegenüber chemi-schen Substanzen, sowie ein gutes Brandverhal-ten aus. [49]

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

Glasfasergewebe mit PTFE-Beschichtung

Hier handelt es sich um eine Membrane mit ho-her Festigkeit und langer Lebensdauer. Sie wird immer dann eingesetzt, wenn große Spannwei-ten überbrückt werden müssen.[52]

Die Vorteile der PTFE Beschichtung liegen in ih-rer Beständigkeit gegenüber Pilzen und chemi-schen Substanzen, die selbstreinigende Oberfl ä-che mindert den Wartungsaufwand. Das Material zeigt zudem ein äußerst gutes Brandverhalten. Bei Auslieferung besitzt das Material häufi g noch eine beige Farbe, bleicht aber durch den Einfl uss der UV-Strahlung mit der Zeit aus und nimmt ei-nen weißen Farbton an.[53] Glasfasergewebe ist bekannt für seine hohe Festigkeit, ist aber gleich-zeitig relativ spröde und daher recht knickemp-fi ndlich, es wird daher nicht für wandelbare Kon-struktionen eingesetzt.

Glasfasergewebe mit Silikon-Beschichtung

Das Material weißt eine besonders hohe Brand-sicherheit auf, ist wesentlich knickbeständiger als Glas-PTFE und relativ resistent gegenüber Al-

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50 PLUSMINUS unltd.

terungsprozessen. Zudem besitzt es eine drei-mal höhere Lichttransmission als Polyester-PVC und auch eine wesentlich höhere als Glas-PTFE. Durch die elektrostatische Aufl adung der Be-schichtung 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 Tefl on.[54].

Beschichtete PTFE Gewebe

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

5.2. Folien

Der Begriff Folie wird aus dem lateinischen be-griff Folium für Blatt abgeleitet und beschreibt die verhältnismäßig geringe Materialstärke der Werk-stoffe.[56]

Das vorwiegende Aufgabengebiet im Baubereich ist die der Verbesserung der Dichtigkeit verschie-dener Bauteile oder als Ergänzung hinsichtlich anderer bauphysikalischer Gesichtspunkte.[57] Bei der Verwendung für pneumatische Konstruk-tionen kommen aber noch andere Eigenschaften dieser Werkstoffe zum Tragen. So stellen beson-ders die Leichtigkeit und die Möglichkeit hoher Transparenzgrade entscheidende Vorteile dar.

Die Herstellung der Folien kann in zwei unter-schiedlichen Verfahrensweisen erfolgen. Dem Kalandrieren und dem Extrudieren. Bei dem Kal-andrieren wird die Folie aus ihrem pulverförmigen Rohstoff unter Einwirkung von Hitze unmittelbar ausgewalzt. Besonders PVC Folien werden auf diese Weise gefertigt. Das Extrudieren erfolgt mit-tels Vorschieben des erhitzten Rohstoffes durch eine Plastifi zierschnecke. Wird hierbei mit einem Breitschlitzwerkzeug am Ende gearbeitet, erhält man als Ergebnis eine Flachfolie, wird eine Ring-düse 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 verschie-denen Folien gezielt über so genannte Additive während des Herstellungsprozesses zu steuern stellt einen wesentlichen Vorteil dar. So kann ne-ben Eigenschaften wie dem Brandverhalten auch

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

41.Abb.: PA - Folienschlauch, studioltd

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auf die optische Erscheinung wie die Lichtdurch-lässigkeit oder die Farbe beeinfl usst werden.

PVC-Folie

Polyvinylchlorid war der erste Werkstoff der ei-ne transparente Hülle ermöglichte und ist daher für die Geschichte der pneumatischen Bauten durchaus von Bedeutung. Nachteilig ist jedoch, dass die Folien aus Weichmacher haltigem PVC-P hergestellt werden und hierdurch nicht gerade in hohem Maße UV sowie temperaturbeständig sind.[59] Die sonstigen Materialeigenschaften sind gleich denen der Beschichtung unter Punkt 4.1. Wie schon angedeutet kommt diesem Werkstoff im Kontext der Arbeit eine große Bedeutung zu, da es in der Hochphase der pneumatischen Ar-chitektur wohl eines der meist genutzten Materia-lien darstellt. Aufgrund der aufgeführten Nachteile und der schlechten mechanischen Belastbarkeit werden diese Folien heute jedoch meist nur noch im Innenbereich eingesetzt.[60]

Polyesterfolie

Polyester ist ein nicht schweißbarer duroplasti-scher Kunststoff mit einer geringen Dehnbarkeit. Die aus diesem Werkstoff hergestellten Folien besitzen im Vergleich die geringste Gasdurchläs-sigkeit und sind nur mit Hilfe von Klebstoffen zu Verbinden. Bekannt ist der Kunsstoff auch unter der Bezeichnung PET, zum Beispiel als Rohstoff für Getränkefl aschen.[61]

Polyethylen Folien

Das unter der Bezeichnung PE geläufi ge Mate-rial ist ein thermoplastischer Kunststoff. Die Fo-lien sind gut schweißbar und kommen in den Ausführungen LDPE (Low Densety) und HDPE

(High density) vor. Hinzu kommen noch spezielle Ausführungen verschiedener Hersteller, die sich durch die Zugabe verschiedener Additive unter-scheiden. HDPE ist stabiler gegenüber UV-Strah-lung und erreicht so eine Lebensdauer von bis zu 6 Jahren. Über die erwähnten Additive kön-nen weitere Eigenschaften, wie zum Beispiel das Brandverhalten beeinfl usst werden.[62] Der Werk-stoff ist zudem recht preiswert und wird daher häufi g eingesetzt wenn es mehr auf den Preis als die Beständigkeit ankommt. Aufgrund des Preis-vorteils und seiner hohen Lichttransmission ist ei-nes der vorwiegenden Einsatzgebiete der Folien der Gewächshausbau.[63]

Polyamidfolien

PA-Folien fi nden hauptsächlich in der Lebensmit-telverpackung Verwendung. Die bei den Plusmi-nus Projekten verwendeten Schlauchfolien, wel-che aus der Kunstdarmproduktion stammen, bestehen beispielsweise aus einem mehrschich-tigen Polyamid Werkstoff. Häufi g kommen auch modifi zierte Polyamide oder sogenannte PA – Blends zum Einsatz. Hierbei wird der Kunststoff mit anderen kombiniert um seine Eigenschaften hinsichtlich bestimmter Anforderungen zu ver-bessern. [64]

In der Architektur fi ndet das Material bisher einzig als Speerfolie für Dächer eine Verwendung. Sei-ne Eigenschaft zur Feuchtigkeitsaufnahme stellt hier das größte Hindernis dar. Aus diesem Grund kann der Werkstoff auch nur für solche Arten von Konstruktionen eingesetzt werden, bei welchen ein Kontakt mit Feuchtigkeit restlos auszuschlie-ßen oder aufgrund eines kurzen temporären Ein-satzes zu vernachlässigen ist.

ETFE Folien

Ethylen Tetrafl uorethylen ist die vollständige Be-zeichnung dieses Thermoplastes. Es ist der wohl momentan am meisten verbreitete Folienwerkstoff in der Architektur. Dies liegt an mehreren seiner spezifi schen 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 gegen-über aggressiven Belastungen wie Säuren Pilzen etc. ist. Zudem besitzt es eine sehr hohe Transpa-renz, mit 90% Lichtdurchlässigkeit im sichtbaren Bereich von 400 – 700 nm/UV. Dies kann energe-tisch in Form von solarem Eintrag genutzt werden und macht die Folie auch aus ökologischen Ge-sichtspunkten interessant.[65] Durch seine stabile chemische Verbindung kann er des Weiteren oh-ne Probleme recycelt werden. Einzig sein Preis ist etwas nachteilig. So ist ETFE noch immer viel teu-rer als PE und bei weitem nicht so leicht schweiß-bar. Dies spricht aber auch wiederum für die ho-he Temperaturbeständigkeit von -50 bis 150 C.[66] Des Weiteren besitzt der Werkstoff eine im Ver-gleich sehr hohe mechanische Belastbarkeit.[67]

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5.3. Halbzeuge

Sowohl die beschichteten Gewebe als auch die Folien werden meist als Flachware auf Rollen ge-liefert. Hierbei gilt es zu beachten, dass es Her-steller und Material bedingte maximale Breiten gibt. Dies spielt besonders bei der Konfektionie-rung und Vorbereitung der Zuschnittsdaten eine Rolle.

Bei den Folien gibt es noch die Möglichkeit der ex-trudierten Schläuche. Hierbei können zum einen die Schläuche die als Vorstufe bei den extrudier-ten Flachfolien anfallen verwendet werden oder Produkte aus der Verpackungsindustrie. Bei den Plusminus Projekten wurden häufi g 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 unter-schiedliche Eigenschaften und Nenndurchmes-ser gibt. Bei Geometrien und Systemansätzen, die wie die Gitterschale oder der Messestand auf schlauchförmigen Pneus aufbauen, bieten diese eine kostengünstige und arbeitssparende Alter-native zu extra konfektionierten Schläuchen.

5.4. Ausblick

Die möglichen Potenziale die in der Entwicklung neuer oder der Weiterentwicklung schon be-kannter Kunststoffe liegen beschreiben ein wei-tes 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 Entwick-lung neuer Photovoltaikzellen zu nennen oder

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

Eine für die Zukunft, auch die der pneumatischen Konstruktionen, entscheidende Entwicklung wird aber die Optimierung der Rezyklierbarkeit sowie der vom Öl als Rohstoffl ieferant unabhängigen Materialien sein. Schon heute gibt es erste Bio-kunststoffe, hergestellt aus Stärke oder Zellulose. Für deren breiten technischen Einsatz bedarf es aber noch weitergehender Forschungen.[69] Die-ser Ansatz stellt aber eine gute Möglichkeit dar, die gesamtzyklische Energie- und Ressourcen-aufwendung der hier betrachteten Systeme wei-ter zu optimieren.

Die vielen vorhandenen Ansätze lassen auf die Erschließung neuer Potenziale auch hinsichtlich der Weiter- und Neuentwicklung der pneumati-schen Architektur hoffen.

42.Abb.: Pilot Anlage zur Folienherstellung von Nowofol

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5.5. Der Hybrid

Wie schon unter Punkt 4.4. erläutert, gibt es vie-le verschiedene Ansätze hinsichtlich der Weiter-entwicklung der für die Pneumatik so wichtigen Materialien. Was aber den Hybriden auszeichnet ist einmal mehr seine ausdifferenzierte Funktions- und Bauweise, welche eine Integration verschie-dener Materialien zulässt. Hierbei kommen alle drei der schon vorgestellten Grundeigenschaften zum Tragen.

Durch seine beschriebene Vielzelligkeit kann ge-zielt auf lokale Einfl üsse reagiert werden. So könn-te theoretisch, wenn dies erforderlich wäre, jeder einzelnen Zelle je nach lokaler Anforderung ein unterschiedliches Material zugewiesen werden. Eine Zelle bei welcher eine hohe Transparenz nicht erforderlich ist, eine hohe Festigkeit aller-dings notwendig erscheint, könnte demnach mit einem beschichteten Gewebe versehen werden, während eine andere aufgrund einer gewünsch-ten Transparenz aus entsprechenden Folien ge-fertigt wird.

Die Vielschichtigkeit erlaubt ein ähnliches Vor-gehen. Unterschiedliche Schichten könnten mit unterschiedlichen Materialien entsprechend ih-ren Anforderungen versehen werden. Die inne-re Hüllschicht kann zum Beispiel aus stark trans-luzentem Membrangewebe sein während die Äußere eine hochtransparente Folie ist, die der Förderung des solaren Eintrags dient. Zwischen-schichten könnten mit entsprechenden wärme-dämmenden Materialien ergänzt werden.

Der verbindende Unterdruck ermöglicht hier-bei diese auf lokale Anforderungen hin optimier-

te Kombination unterschiedlicher Materialien, bei gleichzeitigem Verzicht auf konventionelle Füge-techniken. Bei einem späteren Rückbau ist so-mit eine Trennung der Materiealien durch einfache Maßnahmen möglich.

Aber nicht nur dieses Eingehen auf lokale Anforde-rungen durch eine gezielte Kombination der Mate-rialien ist möglich, auch die Integration von Mate-rialien mit einer ganz bestimmten Funktion wie die der Energiegewinnung oder die Verbindung von pneumatischer Adaptivität und geeignetem Mate-rial scheint auf einfachstem Weg möglich.

Differenzierung des Materials nach lokaler Anforderung

Differenzierung des Materials unterschiedlicher Schichten

Integration weiterer Funktionen

Rezyklierfreundliche Verbindungsmethode verschiedener Materialien

Keine konventionellen Verbindungsmethoden bei unterschiedlichen Zellen

Grundeigenschaften des pneu-matischen Hybriden

Vielschichtigkeit

Verbindungsmittel Unterdruck

Vielzelligkeit

Material

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6. Wandelbarkeit/Adaptivität

Adaption oder Anpassung ist ein Begriff der maß-geblich durch die Biologie geprägt wurde. Er be-schreibt die Fähigkeit eines Organismus sich an verändernde, auf ihn einwirkende, Umweltein-fl üssen einzustellen und anzupassen. Eine sol-che 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 sys-teminhärente Komponente. So sind sie in der La-ge auf äußere, sich ändernde Lasten durch eine Regulierung beziehungsweise Anpassung ihres inneren Druckes zu reagieren.[71] Wolfgang Nau-mer beschrieb dies in seiner Dissertation als:

„(…) Tribut an die extreme Leichtigkeit der Bau-weise“[72].

Die zweite grundlegende Möglichkeit einer Adap-tion liegt in der geometrischen Anpassung ihrer äußeren Form. Dies kann auch als Wandelbar-keit bezeichnet werden. Die Unterschiede die-ser beiden Möglichkeiten sollen in den folgenden Punkten erörtert werden. Des Weiteren wird die Möglichkeit einer Übertragung auf die hybriden pneumatischen Systeme überprüft.

6.1. Anpassung des Luftdruckes

Wie eingangs angedeutet, sind pneumatische Konstruktionen in der Lage mittels ihres Luftdru-ckes auf sich ändernde äußere Lasten zu reagie-ren. Sie sind in diesem Punkt allen konventio-nellen Konstruktionsarten überlegen die bei ihrer

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

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Planung auf das anzunehmende Maximum aus-gelegt werden und dadurch verständlicherwei-se nicht die Effi zienz eines anpassungsfähigen Systems besitzen können.[73] Topham beschrieb dies etwas metaphorisch, in Anlehnung an die Evolutionstheorie, als einen Vorteil allen ande-ren, auch im ersten Augenblick robuster anmu-tenden „Spezies“ gegenüber.[74] Der Vergleich mag etwas sehr theatralisch erscheinen, macht aber deutlich, dass es nicht immer auf eine ma-ximal mögliche Robustheit sondern, in Zeiten ei-nes schnellen Wandels, vielmehr auf eine hohe Anpassungsfähigkeit auf sich ständig ändernde Umstände ankommt.

Das pneumatische Systeme zu einer solchen An-passung fähig sind liegt an der Tatsache, dass sich die Membranspannung, also die nötige Vorspannung, aus der Druckdifferenz und dem Krümmungsradius der Konstruktion ableitet. Mit einer Erhöhung der Druckdifferenz geht also auch die Erhöhung der Vorspannung einher, welche zur Lastabtragung nötig ist. Da dieser Zusammen-hang für die Unterdruck-stabilisierten Systeme ebenso gilt, können natürlich auch solche Kon-struktionen eine Anpassung der Druckdifferenz vornehmen und auf sich ändernde Lastsituatio-nen reagieren. Diesem klaren Vorteil der pneu-matischen Bauweise sind jedoch auch Grenzen gesetzt. Ab einem bestimmten Innendruck fängt die Hülle des Pneus an sich zu dehnen, bis der Druck wieder geringer und das Material wieder in der Lage ist diesem Stand zu halten. Die Grenze also, bis zu der es möglich ist die Konstruktion durch eine Erhöhung der Druckdifferenz wider-standsfähiger gegen äußere Einfl üsse zu ma-chen, hängt stark von den verwendeten Mate-

rialien ab.

Der Fokus dieser Arbeit liegt jedoch weniger auf diesem Aspekt der Adaptivität und mehr auf dem einer geometrischen Anpassung innerhalb der hybriden pneumatischen Systeme.

6.2. Wandelbarkeit oder geometrische Anpassung

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 Ar-ten einer geometrischen Anpassung defi nieren.

Zwar ist der Begriff der Wandelbarkeit spätestens seit der IL Publikation „Wandelbare Dächer“ ein fester Bestandteil des Leichtbaues, jedoch ist auf dem Gebiet der pneumatischen Architektur hier-zu noch recht wenig passiert. Dies verwundert umso mehr, als dass gerade diese Möglichkeit, einer Interaktion mit Umwelteinfl üssen und Nut-zern, einer der Punkte war, der bestimmte Grup-pen der Popart wie Archigram an der Thematik der pneumatischer Strukturen reizte. So sind in deren Hochzeit einige skizzenhafte eher avant-gardistische Konzepte zu Papier gebracht wor-den, jedoch nur wenige wurden umgesetzt.[75]

Die wohl erste theoretische Auseinandersetzung aus konstruktiver Sicht mit dieser Thematik ist die Dissertation von Berthold von Schoor über „Wan-delbare Pneus“ aus dem Jahre 1973. Da seit die-ser Arbeit in dem Bereich nichts Vergleichbares mehr geschehen ist, stellt sie auch die Basis für

die weiteren Betrachtungen dar. Durch neue und eigene Ansätze angereichert, soll ein Überblick über die Möglichkeiten und Potenziale die hier noch ruhen geschaffen werden.

In seiner Dissertation lieferte von Schoor einige grundlegende Defi nitionen, wie die Unterschei-dung der mechanischen und pneumatischen Wandelbarkeit, welche im Folgenden erläutert wird.

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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 her-beigeführt wird. Die Druckdifferenz wird nur noch zur Erzeugung der formstabilisierenden Vorspan-nung benötigt.[76]

Fährt man zum Beispiel eine Membran zuerst durch eine Stützkonstruktion in Stellung um sie anschließend pneumatisch vorzuspannen, han-delt es sich um eine mechanische Wandelbar-keit. Ein Beispiel ist die wandelbare Traglufthalle von Krupp Universalbau (Abb. 45). Bei dieser Pro-jektstudie, sollten zunächst pneumatische Bögen mechanisch in Stellung gebracht werden um an-schließend die Hülle durch einen inneren Über-druck 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 erläu-terte pneumatischen Wandelbarkeit gelegt.

44.Abb.:Ivan Petrovic University of Belfast room-cells45.Abb.:Wandelbare Traglufthalle mit Luftschläuchen Krupp Uni-versalbau, 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 pneumati-schen Wandelbarkeit um eine Formänderung die rein auf eine Änderung des Luftdruckes zurück-zuführen ist. Es werden also keine weiteren me-chanischen Hilfskonstruktionen, außer der pneu-matischen, benötigt.[77]

An mancher Stelle mag es sinnvoll sein auf eine solch mechanische Wandelbarkeit zurückzugrei-fen, die rein pneumatische stellt jedoch die kon-sequentere Variante dar und sollte, wenn mög-lich, auch den Vorzug erhalten.

Neben dieser eher als formal zu betrachtenden Begründung gibt es aber auch einen objekti-ven Gesichtspunkt der für diese Variante spricht. Mechanische Konstruktionen beinhalten in die-sem Fall immer Bestandteile, die nicht pneuma-tisch 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 mo-bilen Konstruktionen das Transportvolumen. Man sollte also immer abwägen was Sinn und Zweck der Konstruktion ist und die dem entsprechende Variante wählen. Grundsätzliche ist aber festzu-halten, dass die rein pneumatische diejenige mit dem geringeren Ressourcenaufwand darstellt.

Um eine pneumatische Wandelbarkeit oder An-passung der Form jedoch gewährleisten zu können muss zuvor bedacht werden, dass die entsprechenden pneumatischen Teile der Kon-

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.

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

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6.2.3. Nutzer bzw. umweltbestimmte geometrische Anpassung

Im Allgemeinen versteht man, wie schon zu Be-ginn dieses Kapitels beschrieben, unter Adaptivi-tät eine Anpassungsreaktion auf Umwelteinfl üs-se.

Solche auf die Konstruktion wirkenden Einfl üs-se sind meist nur schwer exakt vorhersehbar, wie Licht Wind oder Regen. Sie müssen daher von einer objektiven Sensorik innerhalb des Sys-tems erfasst und verarbeitet werden. Das Sys-tem selbst muss also von sich aus durch eine entsprechende Steuer- und Regeltechnik, än-dernde äußere Einfl üsse abwägen und bewerten können. Neben dieser rein objektiv technischen Abfolge gibt es aber noch eine vom Nutzer aus rein subjektiven Gründen ausgelöste geome-trische Anpassung. Ein einfach nachzuvollzie-hendes Beispiel hierfür könnte das durch einen Nutzer ausgelöste Öffnen oder Schließen einer Perforation innerhalb der Konstruktion sein. Hier-zu ist keine aufwendige Sensorik nötig. Es gibt also eine Nutzer-bestimmte sowie eine durch Umwelteinfl üsse hervorgerufene Anpassung der Form.

6.2.4. Lokale bzw. globale geometrische Anpassung

Eine Änderung der äußeren Form kann diese in ihrer Gesamtheit oder nur einen partiellen Bereich betreffen. Dies klingt zunächst recht trivial ist aber eine alles andere als unwichtige Unterscheidung. So waren die meisten der von von Schoor vor-gestellten pneumatischen Konstruktionen global

wandelbar. Als Beispiele sollen hier das große Durchstülpkissen der Firma Krupp (Abb 48 & 49) und der phallusartige Symbolturm beim Mitsui Pavillon auf der Expo 1970 (Abb 43) dienen.

Eine solche globale Wandlung bedeutet, die An-passung verändert die Konstruktion in Ihrer Ge-samtheit. Eine Variante der geometrischen An-passung die dann Sinn macht wenn es sich um eine einteilige große Konstruktion handelt, wie es zum Beispiel bei den Traglufthallen oder sehr großformatigen Kissen der Fall ist. In diesem Fall besteht aber auch kaum eine andere Wahl als einer solchen globalen Anpassung. Ein sol-cher Vorgang ist jedoch ungleich komplexer und schwieriger als eine lokal begrenzte Anpassung, bei der eben nicht die gesamte Konstruktion durch die Transformation beeinfl usst wird. Alleine das in der Konstruktion sinnvolle „Verstauen“ der in einem der Zustände nicht gespannten Mem-bran, stellt ein nicht unerhebliches Problem bei solchen Konstruktionen dar. Von Schoor entwi-ckelte hierfür verschieden Lösungsansätze wie den Membraneinzug in Wulsten oder die geroll-ten Schläuche[78]. All diese Lösungen haben je-doch einen Nachteil. Unter Umständen sind sehr große Membranfl ächen zu verstauen, die im ein-gerollten oder gerafften Zustand ein recht großes Volumen einnehmen. Besteht also die Möglich-keit wie bei den hybriden pneumatischen Sys-temen die Konstruktion in eine Addition kleinere Bestandteile aufzulösen, kann dies eine Wandel-barkeit wesentlich vereinfachen. Zudem wird die Konstruktion in ihrer Anpassungsfähigkeit we-sentlich fl exibler. So muss sich nicht mehr die ge-samte Konstruktion auf einmal anpassen. Die An-passung kann je nach Anforderung auch örtlich

begrenzt und durchaus auch an mehreren Stellen gleichzeitig erfolgen. Eine Öffnung bedeutet somit nicht mehr das Einrollen oder Verstauen der ge-samten Konstruktion, sondern sie erfolgt partiell wo der Nutzer sie benötigt oder die äußeren Ein-fl üsse es erfordern.

Eine Vorgehensweise die wesentlich gezielter auf sich ändernde Umwelteinfl üsse oder Nutzeranfor-derungen eingehen kann.

47.Abb.:Skizzen von Frei Otto zur Integration von pneumatischen Elementen in Seilnetzkonstruktio-nen, 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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dass die Hülle in der Lage sein muss in beiden Fällen ihre Funktionen als verbindender und last-abtragender Bestandteil der Konstruktion wahr-zunehmen. Ebenso wie bei den Überdrucksyste-men gilt auch hier das Prinzip der Vorspannung. Das heißt, soll die Unterdruck stabilisierte Hüll-membrane ihre volle Tragwirkung entfalten, so muss sie wie die Überdruckelemente über die Parameter Druckdifferenz und Krümmungsradius die hierfür nötige, möglichst gleichmäßige, Vor-spannung erhalten.

Für das weitere Vorgehen sind also zwei Faktoren von entscheidender Bedeutung. Der Erhalt der tragenden Wirkung der Hüllmembrane bei gleich-zeitiger Reaktion auf die durch die entsprechen-den Überdruckelemente hervorgerufene geome-

trische Adaption. In den folgenden Abschnitten werden einige Gedankenmodelle zu Lösungsan-sätzen erläutert, welche in die Entwicklung späte-rer Entwurfsansätze einfl ießen können.

6.3.1. Faltenbildung

Ein erster Lösungsansatz hinsichtlich der For-derung 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

6.3. Übertragung auf hybride pneumatische Systeme

Nachdem die grundlegenden theoretischen Möglichkeiten und Überlegungen abgeschlos-sen 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. Die-ses muss mit seiner Hülle grundsätzlich der Transformationen der geometrischen Adaption folgen können. Hierbei muss beachtet werden,

Adaptivität pneumatischer Systeme

Nutzer

Luftdruck

lokal global

Umwelt

Luftdruck

globalpneumatisch

global

lokalmechanisch

lokal lokal

geometrisch

SS

Öffnung

Faltenbildung

Faltenbildung

Aktuator

Aktuator Aktuator

Aktuator

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deutlich sichtbar machen würde.

Wenn jedoch die Faltenbildung, sprich der Über-schuss an Hüllfolie, lokalbegrenzt ist besteht ein gewisses Potenzial in dieser Möglichkeit. So könnte die Hüllmembrane im Bereich von Öff-nungen, wenn diese offen sind, ähnlich einer gerafften Membran Falten bilden. Wird die Öff-nung geschlossen geht die Membran wieder in einen vorgespannten Zustand über. Ein Vorgang der aber wahrlich nur lokal und nur an einer be-grenzten Anzahl von Orten gleichzeitig vorkom-men 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 Wasseransamm-lungen kommt. Neben diesen eher konstruktiven Gesichtspunkten sollte auch der ästhetische, gestalterische Aspekt nicht vernachlässigt wer-den. Falten als gestalterisches Element sind so-mit denkbar, sollten aber dann auch diesem An-spruch gerecht werden.

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Elastischeres MaterialPneu entlüftet

Elastischeres MaterialPneu mit Überdruck

Pneu entlüftet Pneu mit Überdruck

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6.3.2. Elastische Hülle

Das Prinzip der elastischen Hülle geht von ei-ner ständig gespannten, durch Unterdruck sta-bilisierten Hülle aus, welche rein aufgrund eines niedrigen Elastizitätsmoduls in der Lage ist Bewe-gungen 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 Funk-tion 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 an-dern müssen sich die beiden Materialen ohne großen Aufwand miteinander verbinden lassen.

Kissen entlüftetKissen mit Überdruck

KIissen entlüftet Kissen mit Überdruck

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6.3.3. Wechsel von konkav zu konvex

Erfordern die ersten beiden Ansätze noch einen Eingriff in die Form oder Materialwahl der Hülle, so verfolgt dieser ein eher systembedingtes Vorgehen. Die Idee basiert auf der Tatsache, dass Unterdruck stabilisierte Konstruktionen immer konkav, also nach innen gewölbt, und Überdruck stabilisierte immer konvex, also nach außen hin gewölbt sind. Als Beispiel soll einmal mehr das Maschensystem eines Überdruckschlauchgitters dienen. Wird in einer solchen Masche eine weiteres Überdruckelement wie ein Kissen angebracht und dieses ist nicht gefüllt, so wölbt sich die umgebenden Membran durch den Unterdruck nach innen. Wird das Kissen nun mit

einem Überdruck versehen, fl ippt die Krümmung quasi nur in die andere Richtung und zeigt nun nach außen.

Da dieser Vorgang lediglich die Umkehrung der schon vorhandenen Krümmung darstellt benötigt man hierbei auch nicht mehr Material. Natürlich ist diese Art der Anpassung auch nur auf bestimmte Vorgänge beschränkt, und im Bereich von Öffnung wahrscheinlich eher nicht geeignet. Zu dem ist die exakte Anpassung der Konfektion des Kissens sowie die Einstellung des in ihm herrschenden Druckes alles andere als trivial. Es wird somit höchst wahrscheinlich häufi g auf eine Mischung von mindestens zweien der drei erläuterten Möglichkeiten herauslaufen.

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Überdruck

Überdruckelemente

Proportionen

- eine Dimension dominant

- zwei Dimensionen dominant

- drei Dimensionen etwa gleich dominant

Verbindung

- Einzelelement (keine Verbindung)

- diskontinuierlich (indirekte Verbindung

- kontinuierlich (direkte Verbindung)

Ebenen

- drei und mehr Ebenen - Druck und Geometrie

- zwei Ebenen

- eine Ebene

Grad

- nur Druck

- Keine

UnterdruckAdaptivität

Membranlagen

- zwei Lagen

- eine Lage

Verlauf

Überdruckschläuche

- gerade /eben

- geknickt

- gebogen

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Schlauch mit Kugelpneus

Kugelpneus wandelbar

Plusminus „Air coil System“

Schlauchzellen wandelbar

Schlauch mit Kissen

Kissen wandelbar

Varianten

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6.4. Übertragung der Adaptivität auf die erweiterten Klassifi kationen

Die unter Punkt 3.4 angefangene Erweiterung bestehender Klassifi kationen wird nun in einem letzten Schritt um den Punkt der Adaptivität oder Anpassungsfähigkeit ergänzt. Hierzu werden die Unterscheidungsmerkmale der nicht vorhande-nen Anpassungsfähigkeit, die mögliche Verände-rung der Druckdifferenz und der geometrischen Anpassung also Wandelbarkeit eingeführt. Na-türlich wäre es hier auch möglich weitere Un-terscheidungsmöglichkeiten wie die der globa-len oder lokalen Wandelbarkeit einzuführen. Für das weitere Vorgehen, bei dem der Fokus auf bestimmte Schwerpunkte wie der lokalen Wan-delbarkeit 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 Ar-beiten daher offen sich dieses Werkzeuges wei-ter zu bedienen. Für die weiteren Schritte dieser Arbeit reichen jedoch die hier beispielhaft gezeig-ten Varianten.

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6.5. Ergänzung der Grundeigenschaften

Ähnlich der Ergänzung der Klassifi kationen, sol-len auch die für diese Arbeit umso wichtigeren Grundeigenschaften der Systeme durch den Punkt der Adaptivität ergänzt werden. Gleichzei-tig soll noch einmal die Bedeutung der Adaptivität für die Systeme in Bezug zu den andern schon herausgestellten Grundeigenschaften und mögli-cher Potenziale zusammengefasst werden.

Wie schon im Punkt 5.1. aufgezeigt wurde, ist es eine Eigenschaft jedes pneumatischen Systems, dass es durch eine Änderung der Druckdiffe-renz auf sich ändernde Einfl üsse reagieren kann. Dies erfolgt zunächst ohne eine wesentliche Än-derung der äußeren Erscheinung der Form. Die-ser als systeminhärent bezeichnete Wesenszug pneumatischer Systeme trifft natürlich auch auf die pneumatischen Hybriden zu. Der Unterschied der eine erste Ableitung von Potenzialen aus die-ser Grundeigenschaft möglich macht ist das, un-ter Punkt 3.5.1 und 3.5.3 schon erläuterte, geziel-te Reagieren auf lokal auftretende Änderungen. Durch die Grundeigenschaft der Vielzelligkeit ist der Hybrid in der Lage bestimmten Zellen oder Segmenten der Konstruktion eine ganz bestimm-te Druckdifferenz, je nach lokaler Anforderung zu-zuweisen. Neben dieser Möglichkeit einer loka-len 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 ei-ne einfache Regulierung der Druckdifferenz erfol-gen, wodurch eine Änderung der Vorspannung der Hülle als auch die Stärke des Verbundes der Zellen oder Füllstoffe herbeigeführt wird. Die Un-

terdruck-stabilisierte Hülle könnte so auf sich än-dernde Lasten reagieren oder eine Transforma-tion der gesamten Konstruktion wie unter Punkt 5.3. beschrieben, unterstützen. Es gibt kaum einen Systemansatz der in der Lage ist so viel-schichtig und gleichzeitig ausdifferenziert auf sich ändernde Einfl üsse zu reagieren. Die Eigenschaft der Vielschichtigkeit in Verbindung mit der Viel-zelligkeit ermöglicht zudem, unter Beachtung der in Punkt 4.3 erläuterten Randbedingungen, die Integration einer lokalen und eine hieraus ausge-löste globale Transformation oder Wandelbarkeit der Konstruktion. Die Grundeigenschaft der Ad-aptivität steht somit für die allen pneumatischen Systemen gemeine Anpassungsfähigkeit, sowie deren mögliche Ausdifferenzierung nach lokalen Gegebenheiten.

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Vielschichtigkeit

Verbindungsmittel Unterdruck

Vielzelligkeit

Grundeigenschaften des pneumatischen

Hybriden

Adaptivität

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7. Bauphysikalische Gesichtspunkte

Häufi g sind die im Abschnitt über Adaptivität be-schriebenen Umwelteinfl üsse dem Gebiet der Bauphysik zuzuordnen. Im folgenden Kapitel sol-len mit der Wärme- sowie Schalldämmung, zwei solche bauphysikalische Gesichtspunkte be-trachtet werden. Hierbei werden die Unterdruck- und Überdrucksysteme getrennt von einander behandelt um etwaige Vor-und Nachteile besser bewerten zu können. Dass nur diese beiden bau-physikalischen Teilaspekte betrachtet werden, resultiert aus einer Angabe der TU – Delft. Diese rechnet vakuum-gestützten Konstruktionen hier ein besonderes Potenzial zu. Im folgenden Ka-pitel soll diese Aussage überprüft und ihre Be-deutung für die Überdruck- sowie Hybridsyste-me erörtert werden. Deren Anpassungsfähigkeit hinsichtlich dieser beiden Umwelteinfl üsse steht hierbei besonders im Fokus.

Der Themenkomplex bauphysikalischer Betrach-tungen pneumatischer Konstruktionen fand bis-her keine oder nur wenig Beachtung in der For-schung. Daher war es hier besonders schwierig geeignete Quellen zusammen zu tragen. Des Weiteren handelt es sich um Vorgänge die bei ei-ner tieferen Untersuchung schnell an Komplexität zunehmen, wodurch die nachfolgenden Betrach-tungen eher prinzipieller Natur sind.

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

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

52.Abb.: Mobile Schallschutzschirme von Cenotec

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7.1. Schalldämmung pneumatischer Konstruktionen

Wurde noch gegen Ende der Hochzeit pneu-matischer Konstruktionen in den 1970er davon ausgegangen, dass Membrankonstruktionen aufgrund ihrer geringen fl ächenbezogenen Mas-se sowie einer nicht ausreichenden Steifi gkeit ein sehr eingeschränktes Potenzial im Bereich der Schalldämmung hätten[79], geben aktuelle Forschungsvorhaben erste Hinweise, dass hier doch ein höheres als das ursprünglich angenom-mene Potenzial liegt. So wurde diesem Punkt sehr lange in der Bauforschung kaum Beach-tung geschenkt und keine grundlegenden Unter-suchungen hierzu vorgenommen. In neuerer Zeit wurde diese Lücke jedoch zumindest in Teilen geschlossen. Maßgeblich für diesen Fortschritt war hierbei die Arbeit des bauphysikalischen In-stitutes der Universität Stuttgart unter Professor Mehra in Zusammenarbeit mit dem Frauenho-fer-Institut. Ihre Untersuchungen zu „Akustisches Verhalten von Hüllenkonstruktionen aus Folien und Membranen“ bilden die Grundlage für die Betrachtung der Überdrucksysteme.

Im Bereich der Unterdruck stabilisierten Kons-truktionen bilden die Grundlage die Annahmen beziehungsweise Überlegungen der TU-Delft zu ihren Defl atebales, sowie Untersuchungen des Frauenhofer-Institutes zu Vacuumisolationspa-neele. Gezielte und ausführliche Untersuchun-gen bezüglich der schalldämmenden Wirkung von Unterdruckkonstruktionen in der Architektur sind nicht bekannt.

In den folgenden drei Unterkapiteln werden diese Grundlagen zusammengefasst um anschließend

Rückschlüsse auf die Eignung und mögliche Po-tenziale hybrider Konstruktionen zu ziehen. Ab-schließend sei noch gesagt, dass der Fokus auf der schalldämmenden Wirkung der Systeme liegt und nicht auf deren raumakustischen Verhalten.

7.1.1. Überdrucksysteme

Bei der schon erwähnten Untersuchungen des bauphysikalischen Institutes der Universität Stutt-gart unter Professor Mehra in Zusammenarbeit mit dem Frauenhofer-Institut wurde der Frage-stellung nachgegangen, ob bei Membrankonst-ruktionen im Allgemeinen und pneumatisch sta-bilisierten Konstruktionen im Speziellen trotz der geringen fl ächenbezogenen Masse eine schall-dämmende Wirkung etabliert werden kann. Das Ziel der Forschung war die Entwicklung so ge-nannter mobiler Schallschutzschirme aus pneu-matisch gestützten Elementen (Abb. 52)[80]

Die Untersuchungen wurden einerseits rechne-risch theoretisch durchgeführt als auch anhand von Messungen in den Prüfständen des Frau-enhoferinstitutes überprüft. Die nachfolgende Zusammenfassung so wie der spätere Transfer auf die hybriden Systeme orientiert sich hierbei ausschließlich an den durchgeführten Messun-gen sowie den allgemein getroffenen Schlussfol-gerungen.

Zu den Messungen ist zu sagen, dass diese in den bauakustischen Prüfräumen des Frauenho-ferInstitutes für Bauphysik in Stuttgart und

„in Anlehnung an DIN EN ISO 140 Teil 1 und DIN EN 140 Teil 3 für die Terzmittenfrequenzen von

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

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100 Hz bis 5000 Hz…“[81]

durchgeführt wurden. Die meisten der Messun-gen wurden im sogenannten Türenprüfstand, ein kleinerer Teil im Halbfreifeldraum, durchgeführt. [82] Innerhalb dieser Testreihen wurden verschie-dene Arten von Folien und Membranen mit un-terschiedlichen fl ächenbezogenen Massen, in verschiedenen Aufbauten und Konfi gurationen geprüft. So wurden im ersten Schritt einschalige Konstruktionen, bestehend aus auf einem Rah-men vorgespannte Membrane und Folien, ge-testet. Die fl ächenbezogene Masse der geteste-ten Mebrane und Folien betrug hierbei 0,12 kg/m² - 1,92 kg/m². Die erreichten minimalen und maximalen Schalldämmwerte R

w betrugen hier-

bei 2 dB bei einer Folie mit 0,12 kg/m² und ei-ner 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 fl ächenbezogenen Masse und der schalldäm-menden Wirkung gibt. In einem weiteren Versuch wurde anhand einlagiger Konstruktionen unter-sucht ob eine Abhängigkeit zu der Vorspannung der Membran/Folie vorliegt. Dies ist von Interes-se, da man in diesem Fall, über eine Änderung der Druckdifferenz und eine hiermit einhergehen-de Änderung der Vorspannung auf das akusti-sche Verhalten Einfl uss nehmen könnte. In der entsprechenden Untersuchung konnte jedoch, wie auch in späteren kein Zusammenhang in den untersuchten Frequenzbereichen nachge-wiesen werden. Es gilt aber festzuhalten, dass mit dem entsprechenden Material, schon bei ei-ner einlagigen Konstruktion eine in der Relation zu der fl ächenbezogenen Masse nicht zu verach-

tende schalldämmende Wirkung erzielt werden kann. Hierzu muss noch erwähnt werden, dass ein entscheidender Vorteil dieser extrem leichten Konstruktionen darin liegt, dass ihre Koinzidenz-Grenzfrequenz, also die Frequenz bei welcher die Wellenlänge des Luftschalles der Biegewel-le des Bauteiles entspricht, was einen Einbruch der Luftschaldämmenden Wirkung zur Folge hat, weit über dem zu betrachtenden Frequenzbe-reich liegt.[83]

In einem zweiten grundlegenden Versuchsauf-bau wurden zweischalige Konstruktionen, dies ist gleichbedeutend mit dem schon eingeführten Begriff der zweilagigen Membran, untersucht. Zu diesem Zweck wurden in unterschiedlichen Kon-fi gurationen Membrane oder Folien von beiden Seiten über einen Rahmen gespannt. So wur-den bei den beiden Schalen teilweise die glei-chen Werksoffe verwendet, teilweise aber auch unterschiedliche. Diesen Punkt betreffend haben die Untersuchungen ergeben, dass die Kombi-nation einer schwereren Schale mit einer leich-teren Schale keinerlei positive Effekte mit sich brachte. Konstruktionen mit zwei gleichen Mate-rialien als Schalen lieferten im Gegensatz dazu eine Verbesserung der Dämmwirkung. Im Wei-teren wurde bei dieser Grundkonfi guration der Einfl uss des Abstandes der beiden Schalen un-tersucht. Hierzu wurden der Abstand zwischen 100mm; 200mm und 300mm variiert. Die Werte lagen hierbei zwischen R

w 8 dB für eine Memb-

ran mit 0,23 kg/m² bei einem Schalenabstand von 0,1 m und R

w 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 Einfl uss der Doppelschalenresonanz und der Hohlraumresonanz zu beachten, die sich bei be-stimmten Frequenzbereichen nachteilig auswir-ken können.[84]

In einem weiteren Schritt wurden überdruck-sta-bilisierte Elemente getestet. Die bei den durch-geführten Untersuchungen verwendeten Ele-mente waren hierbei segmentiert. An der Stelle des Überganges einer Kammer waren die bei-den Schalen einfach miteinander verschweißt, so dass an dieser Stelle eine Einschaligkeit vorlag. Dies ist ein beachtenswerter Punkt, da eine sol-che Fuge in der Konstruktion einen erheblichen Einfl uss auf die schaldämmende Wirkung hat. Von besonderem Interesse war hierbei der Ein-fl uss auf die Dämmwirkung durch die Anzahl und Anordnung der Kammern, die Höhe der Druck-differenz und die Art des Füllgases. Es konnte festgestellt werden, dass eine mit Helium gefüll-te Konstruktion wesentlich bessere Werte erzielt als eine mit Luft oder Kohlendioxid gefüllte Kon-struktion 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 be-stimmte Anordnung der Kammern Vorteile schaf-fen kann. Bezüglich der Druckdifferenz wurden drei Konfi gurationen untersucht. 25mbar mit ei-nem Schalenabstand von 190mm; 50mbar mit einem Schalenabstand von 220mm und 75mbar mit einem Schalenabstand von 260mm. Die Un-tersuchung zeigte, dass es in bestimmten Fre-quenzen durch eine Erhöhung des Innendru-

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ckes zu einer Verbesserung der Schalldämmung kommen kann. Dies trifft aber wohl nicht für den gesamten Frequenzbereich zu. Andere Untersu-chungen haben ergeben, dass es bei höheren Frequenzen zu einer Verschlechterung kommen kann. Da dieser Punkt nicht abschliessedn ge-klärt wurde wird er auch in dieser Arbeit keine weitere Verwendung fi nden. Die in dieser Rei-he erreichten Schalldämmmaße lagen zwischen 17dB und 23dB.[85]

In einer letzten Betrachtung wurden hohlraum-bedämpfte Konstruktionen untersucht. Bei den, bisher betrachteten, Konstruktionen mit Doppel-schalen und einem nicht bedämpften Hohlraum

„…treten im Bereich mittlerer und hoher Frequen-zen Einbrüche der Schalldämmung auf.“[86]

Für diese Untersuchung wurden daher die Hohl-räume ähnlich wie bei konventionellen Bauwei-sen mit einem schallabsorbierenden Füllmaterial bedämpft. Hierzu wurde der Hohlraum in unter-schiedlichen 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 dämpfen-de Füllmaterial eine Verbesserung der Dämmwir-kung um bis zu 11dB erreicht werden konnte.

Des Weiteren fand man heraus, dass ein zusätz-liches Einpacken des Schallabsorbers in eine Fo-lie, sich negativ auf die Dämmfähigkeit auswirkt. Als platzsparendere Variante wurde noch die Möglichkeit des Einbringens einer mikroperforier-ten Polycarbonat-Folie, wie sie zu Reduzierung der Nachhallzeit in der Raumakustik Verwendung

fi ndet, untersucht. Auf diese Weise konnte nach-gewiesen werden, dass mit dieser Maßnahme[87]

„eine Einbruch im Bereich der Hohlraumfrequenz verhindert werden kann.“ [88]

Der ursprüngliche Grund und somit auch ein Re-sultat dieser Untersuchungen war, wie eingangs erwähnt, die Entwicklung mobiler temporärer Schallschutzschirme. Diese sollen die Lärmim-missionen mildern, die von temporären Lärmquel-len wie Baustellen oder Events ausgehen. Die Untersuchungen haben laut den Entwicklern und Autoren gezeigt, dass im Verhältnis von Schall-dämmung und Gewicht ein optimales Ergebnis erzielt wurde und die Konstruktionen für den ge-dachten Einsatz ihren konventionellen Konkur-renten in nichts nachstehen und über die Schall-dämmung hinaus sogar weitere Vorteile mit sich bringen. Des Weiteren existiert in dem Bereich der zu verwendenden Materialien sowie der Segmen-tierung noch weiteres Entwicklungspotenzial.[89]

Zusammenfassend ist zu sagen, dass von Über-druckkonstruktionen durchaus eine schaldäm-mende Wirkung ausgehen kann, auch wenn die-se 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 Entwicklungspo-tenzial.

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ETFE ETFE

pvac

po p

o

t = 3mm vacuum cavity t = 3mm

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7.1.2. Unterdrucksysteme

Was die Schalldämmung bei Unterdruck stabi-lisierte Konstruktionen angeht so wurde diesem Gebiet noch weniger Beachtung geschenkt als bei den Überdruck bestimmten. In der Literatur fi nden sich lediglich die schon erwähnten Aussa-gen der TU-Delft , welche jedoch recht kurzgehal-ten sind und auch mehr den Anschein prinzipieller Annahmen erwecken als fundierter Untersuchun-gen, sowie Betrachtungen des Frauenhofer-Insti-tutes Vakuumisolationspaneele betreffend. Dieses Leck an Information wird durch das Frauenhofer-Institut bestätigt.[90] Die Autoren, geben lediglich zwei weitere konkrete Betrachtungen andere Dis-ziplinen an. Es scheint also noch erheblicher Be-darf an Grundlagenforschung auf diesem Gebiet zu existieren. Obwohl die angesprochene Unter-suchung sich mit der Eignung von Vakuumisola-tionspaneelen zur Schalldämmung befasst, tref-fen 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 wer-den.[91]

Die Seitens der TU-Delft in ihrer Publikation „De-fl ateables“ getroffene Annahme beruht auf der all-gemeingültigen Aussage, dass Schall, der sich in Wellenform ausbreitet, hierfür ein Medium benö-tigt. Daher ist es logisch, dass Schall sich in ei-nem Vakuum nicht und in einem Unterdruck, also einem Raum dessen Druck geringer als der atmo-sphärische ist, schlechter ausbreitet. Über ein an der TU-Delft entwickeltes Berechnungsprogramm wurde nun das Verhältnis von Höhe des Unter-druckes zum Schaldämmmaß ermittelt. Auf dieser

Basis wurde das theoretische Schaldämmmaß einer zweischaligen fi ktiven Fassaden-Konstruk-tion 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 Un-tersuchung stammenden Grafi k entnehmen kann gibt es ähnlich wie bei den zweischaligen Über-druckkonstruktionen einen Zusammenhang zwi-schen 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 bei-den Schalen und je höher deren Abstand, des-to größer ist das zu erwartende Schaldämmmaß. Was den Einfl uss des Druckes angeht würden sich die Unterdruckkonstruktionen somit von den Überdruckkonstruktionen abgrenzen. Eine Erhö-hung der Druckdifferenz würde zwangsläufi g zu einer Erhöhung des Schalldämmmaßes führen. Es müssten jedoch weitere Tests auf dem Ni-veau der Überdruckkonstruktionen durchgeführt werden um eine abschließende Beurteilung ab-geben zu können. Eine Einschränkung bestand in der absichtlichen Vernachlässigung von kons-truktiv notwendigen zusätzlichen Elementen, wie Abstandshalter, die sich mit Sicherheit negativ auf das Ergebnis ausgewirkt hätten. [92]

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

55.Abb.: Schema des Versuchsaufbaus der TU Delft

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In ihrer Untersuchung der schaldämmenden Ei-genschaften sogenannter Vakuumisolationspa-neele, bestätigen die Forscher des Frauenhofer-Institutes 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 Redu-zierung des Druckes auf ein Zehntel des atmo-sphärischen Druckes ein signifi kantes Ergebnis zu erzielen sei. Dies deckt sich mit der von der TU-Delft in ihrer Grafi k (Abb. 54) als Höchst-wert angeführten Druckreduzierung auf 0,1bar. In ihren konkreten Untersuchungen der Panee-le zeigt sich jedoch, dass dies in der Praxis nur schwer zu realisieren ist. Die untersuchten VIP-Platten 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 Vor-aussetzung. Dies ist aber ein die Paneele betref-fendes spezifi sches Problem, da diese einmalig bei ihrer Herstellung vakuumisiert werden und an-schließend 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 be-dingt. So sind kleine Verletzungen durchaus mit einem entsprechenden Lüfter- oder Pumpensys-

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 Steifi gkeit der recht schmalen und kompakten VIP-Platten als Grund für ihr, in den Messungen, recht schlechtes Abschneiden verantwortlich ge-macht. Da es sich bei den rein pneumatischen Systemen um einen gänzlich andern Aufbau han-delt ist auch hier fraglich ob dies übertragbar ist. Die Größe und die damit verbundene Einbausitu-ation solcher Platten stellt ein weiteres Problem dar. So sind die sich hieraus ergebenden Fugen und Verbindungen ebenfalls als nachteilig anzu-sehen. Da sich bei den Unterdruckstabilisierten Konstruktionen meist um solche mit einer fugen-losen Außenhaut handelt, sollte sich dieses Pro-blem auf einige wenige Randsituationen begren-zen lassen.[94]

Zusammenfassend ist zu sagen, dass in Vaku-um oder unterdruck-bestimmten Konstruktionen durchaus ein gewisses Potenzial liegt, es hierü-ber 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 Untersuchun-gen und Denkansätze, den Bereich der schal-dämmenden Wirkung betreffend, gibt, sind diese für den an sich kaum vorkommenden pneumati-schen Hybriden nicht einmal, in dieser Form, vor-handen. Dennoch wird der folgende Abschnitt versuchen die in den beiden vorangestellten Punkten herausgearbeiteten Potenziale auf die-ses Gebiet der Pneumatik zu übertragen. Die folgenden Ausführungen sind aufgrund der feh-lenden Untersuchungen als Denkansätze für wei-tergehende Überlegungen zu verstehen

Fasst man die Erkenntnisse der angeführten Un-tersuchungen und Überlegungen zusammen so gibt es bestimmte Parameter, die einen Einfl uss auf die schalldämmende Wirkung pneumatischer Konstruktionen auszuüben scheinen. Diese sind im Wesentlichen die fl ächenbezogene Masse der Hüllmaterialien, die Art des Füllgases, die An-zahl 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 Einfl uss der fl ächenbezogenen Masse angeht, kann anhand der Untersuchungen des Frauenhofer-Institutes die Tendenz festgestellt werden, dass es einen Zusammenhang zwi-schen der fl ächenbezogenen Masse und dem Schalldämmmaß gibt.[95] Für eine hybride Kon-struktion würde dies bedeuten, dass diese bei einer gewünschten hohen Anforderung seitens der Schalldämmung mit einem entsprechend ge-eigneten Material versehen werden muss. In der

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Regel dürfte es sich hierbei um ein Membran-material und nicht um einen wesentlich leichteren Folienwerkstoff handeln. Demnach ist im Einzelfall abzuwägen, ob die Transparenz oder die Schall-dämmung den Schwerpunkt der Konstruktion bil-den sollen. Die Mehrzelligkeit der Hybride eröff-net 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 Sys-tems zu reagieren und die Materialität nach lo-kalen Anforderungen zu differenzieren. Ein klarer Vorteil der pneumatischen Hybride.

Der Schalenabstand kann auf eine ähnliche Wei-se in das System integriert werden. Durch das übergeordnete Unterdruckelement, welches als verbindendes Element eine nicht wegzudenken-de 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 er-reicht werden. Adaptive pneumatische Elemen-te im Zwischenraum, sogenannten Aktuatoren, könnten dazu benutzt werden bei einem erhöh-ten Schallpegel den Abstand der beiden Schalen zu erhöhen, um so ein besseres Schalldämm-maß der Konstruktion zu erzeugen. Es wäre al-so durchaus denkbar ein System zu defi nieren, 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 adap-

tiven Abstandshalter keine „Schalbrücken“ dar-stellen.

Bei der Höhe der Druckdifferenz war das Fazit der Untersuchungen des Frauenhofer-Institutes bezüglich der Überdrucksysteme, dass die Aus-sage je höher der Druck desto höher das Schal-dämmmaß, nicht allgemeingültig zutreffend ist.[98] Somit kann über diesen Parameter auch bei den Hybriden kein Einfl uss auf die Eigenschaf-ten der Konstruktion genommen werden. Anders verhält es sich bei den unterdruck-stabilisierten Konstruktionen. Bei diesen scheint die Aussage durchaus zutreffend.[99] Übertragen auf die Hyb-ride bedeutet dies, dass durch den umgeben-den Unterdruck zumindest in der Theorie schon ein recht beachtliches Schalldämmmaß zu errei-chen ist, welches sich durch die Höhe der Druck-differenz steuern ließe. Ähnlich der Reaktion auf zunehmende äußere Lasten könnte also auch durch eine Anpassung des Unterdruckes auf ei-ne Änderung eines Schallpegels reagiert werden. Hierbei gelten aber die schon unter Punkt 6.1.2. beschriebenen Einschränkungen, so dass dieser Punkt nicht in die weiteren Überlegungen einfl ießt da seine Übertragung in die Praxis noch mehr als unklar erscheint.

Die bei den Hybriden systembedingt vorhan-denen Unterteilungen, in verschiedene Kam-mern dürften hingegen einen echten Vorteil mit sich bringen. So gesehen bilden hier Unter- und Überdruckelemente eine perfekte Ergänzung. Betrachtet man die Schwierigkeiten die von den Wissenschaftlern des Frauenhofer-Institutes be-züglich der Konstruktion mehrzelliger Überdruck-systeme angeführt wurde[100], sollten diese immer aus mehreren Kammern bestehenden Hybride

mehr als eine Alternative darstellen. So tritt bei diesen nicht das angeführte Problem der beiden miteinander verschweißten Schalen im Randbe-reich von Segmentierungen auf, wie es in den Tests des Frauenhofer-Institutes praktiziert wur-de. Diese Konstruktionsweise setzt den Scha-lenabstand in diesem Bereich praktisch auf Null.[101] Bei den Hybriden hingegen laufen die beiden Schalen durch und die Kammern bilden, die in den Zwischenraum integrierten, Überdruckele-mente.

Durch ein Füllen dieser mit einem andern Gas als Luft, zum Beispiel mit dem in den Tests gut abschneidenden Heliums[102], kann deren schall-dämmende Wirkung zusätzlich gesteigert wer-den. Hierbei ist aber zu beachten, dass Helium ein anderes Diffusionsverhalten aufweist und die Hülle eine entsprechend höhere Dichtigkeit auf-weisen muss. Auch hier könnte wieder durch das Füllen bestimmter Überdruckelemente gezielt auf konkrete Einfl üsse reagiert werden.

Bei dem Stichwort der dämpfenden Materialien, welches die Forscher des Frauenhofer-Institutes zur Minderung der Hohlraum und Doppelscha-lenresonanz einsetzten[103], fühlt man sich an das Prinzip der Vacuumatics erinnert (siehe Punkt 3.3.5.). Wie dort schon angeführt, ist es durch-aus denkbar den Raum der sich zwischen den Überdruckelementen innerhalb des übergeord-neten Unterdruckelementes. ergibt mit einem geeigneten Material zu bedämpfen. Hierbei wür-de sich der Unterdruck als verbindendes Kon-struktionsmittel hervorragend eignen. Ohne den Einsatz von, bei einer späteren Rezyklierung hin-derlichen, Verklebungen oder ähnlich konventio-nellen Fügetechniken wäre es möglich die dämp-

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fenden Materialien in das System einzubinden. Auf eine gewünschte Transparenz oder Möglich-keit der Belichtung kann mit den entsprechen-den transluzenten Füllstoffen oder über eingefüg-te adaptive Elemente reagiert werden. Denkbar wäre auch der Einsatz der erwähnten mikroper-forierten, Schall absorbierenden Polycarbonat-Folie 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 bewer-ten Schalldämmmaße konventioneller Konstrukti-onen nicht erreicht werden, dieses Defi zit durch die hohe Anpassungsfähigkeit der Systeme wie-der ausgeglichen werden kann. Zudem ist doch erstaunlich welche Schalldämmmaße in Relation zu der Leichtigkeit der Konstruktion möglich er-scheinen. Eine Steigerung dieser scheint zudem durch ein verstärktes Forschen nach geeignete-ren Materialien und Systemzusammensetzungen als äußerst wahrscheinlich, so dass sich in Zu-kunft die Lücke zwischen pneumatischen und konventionellen Systemen weiter schließen wird. Hinzu kommt, dass für bestimmte Anforderun-gen die Vorteile, welche die leichten pneumati-schen Systeme bieten, in diesem Feld überwie-gen. Denn klar ist: nicht immer ist es sinnvoll auf solche Systeme zu setzen, aber vermutlich öfter als bisher angenommen.

Vielschichtigkeit

Adaptivität

Verbindungsmittel Unterdruck

Vielzelligkeit

Differenzierung des Materials nach lokaler Anforderung

Differenzierung des Füllgases nach lokaler Anforderung

Integration mikroporiger Schallabsorbierender Folien

einfache rezyklierfreundliche Integration von Hohlraum dämpfenden Füllstofen

Dynamische Regulierung des Anteils der Segmente/Zellen

Dynamische Regulierung des Schalenabstandes

Grundeigenschaften des pneu-matischen Hybriden

Schalldämmung

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7.2. Wärmedämmung pneumatischer Konstruktionen

Schon die Pioniere der pneumatischen Architek-tur waren sich bewusst darüber, dass von den dünnen und praktisch nur aus textilen Häuten bestehenden Systemen von sich aus keine all-zu große wärmeisolierende Wirkung ausgehen kann. Mit welchen Maßnahmen dies jedoch ver-bessert werden kann, welche Ansätze es gab, die systembedingten Eigenheiten hierfür zu nut-zen und welche Potenziale dennoch in den Kon-struktionen vorhanden sind, soll im Folgenden aufgezeigt werden.

7.2.1. Überdrucksysteme

Zu Beginn der pneumatischen Architektur lag de-ren Fokus besonders auf den einlagig konstruier-ten Traglufthallen. Das diese aus einer Membran-lage bestehende Konstruktionsart, wie schon oben beschrieben, keine große isolierende Wir-kung entfalten kann ist nachvollziehbar. So wur-de auch schon sehr früh über eine Verbesserung dieser, selbst damals, unbefriedigenden Situati-on nachgedacht. Eine der ersten Ideen war die Verwendung von zusätzlichen isolierenden Ma-terialien wie Polyurethan-Schäume. Durch diese Maßnahme konnte zwar der Wärmedurchgangs-koeffi zient auf etwa 3,0 (K-Wert) verbessert wer-den, jedoch lag die Leistung, zumindest nach heutigen Maßstäben, noch immer nicht in einem befriedigenden Bereich. Zudem führte diese Maß-nahme aufgrund der Steifi gkeit der Platten zu ei-ner ebensolchen der gesamten Konstruktion. Die Nutzung als wiederverwendbarer Temporärbau wurde durch ein solches Vorgehen stark einge- 56.Abb.: Eden Project, Grimshaw, Vector Foiltec

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schränkt. Heute ist die Entwicklung von Dämm-stoffen um einiges weiter und mindestens das Problem der Steifi gkeit scheint, durch sich frei-en Formen fl exibel 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 Tragluft-hallen 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 Luft-schicht befi ndet. 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 isolieren-de Wirkung mit Hilfe der Anpassungsfähigkeit der Systeme wieder ausgleichen könnte, ein Punkt der unter 6.2.3 noch einmal separat aufgegriffen wird.

2-lagig

Luft Volumen der Kammern

3-lagig 4-lagig 5-lagig

Kissenkonstruktionen haben hier, gegenüber den einlagigen Konstruktionen, einen gewissen Vorteil. Sie weisen durch ihren mehrlagigen Auf-bau von sich aus bessere Voraussetzungen be-züglich der Wärmedämmung auf. Dies lässt sich durch das Einführen weiterer Folienschichten und somit Luftkammern verbessern, die so weitere Wärmeübergangswiederstände einführen und ei-ne 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 erwar-ten. Eine der Schwachstellen der Kissenkonst-ruktionen bilden die Ränder mit ihrem Anschluss an die Primärkonstruktion, welcher bei solchen Systemen unerlässlich ist. Hier muss ein erheb-licher 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 vonein-ander geklemmt werden. Geschieht dies nicht, liegen die Lagen im Bereich der Ränder aufein-ander und die Stärke der Hülle reduziert sich auf die Materialstärke der Folien. [107]

Erschwerend kommt hinzu, dass die hier kons-truktiv notwendigen Profi le, wie bei einem Orts-termin 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 Profi le in erster Linie mit dem Ziel entworfen wer-den, der in die Kissen einzubringenden Vorspan-nung standzuhalten, sowie eine entsprechende Dichtigkeit zu erreichen. Es handelt sich also um komplexe Anforderungen, die nur schwer von ei-nem solchen Bauteil gleichzeitig bewältigt wer-den können. Auch wenn der Anteil in Relation der Gesamtfl äche bei Kissenkonstruktionen stark mi-nimiert werden kann, im Idealfall kann er bis auf

Mehrlagigkeit bei Kissenkonstrutkionen

Wärmeübertragung durch Konvektion

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2 % reduziert werden, besteht hier noch immer erheblicher Optimierungsbedarf.

Ein weiteres grundlegendes Problem ist die feh-lende Berechnungsgrundlage für solche Konst-ruktionen. 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 berech-net. 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 Wärmeener-gie über die Wärmestrahlung gestaltet die Be-trachtung solcher Systeme hinsichtlich ihrer ther-mischen Eigenschaften so komplex. Fällt dieser Teil der Wärmeübertragung bei opaken massiven Bauteilen nahezu weg, ist er bei den transluzen-ten bis hin zu stark transparenten Bauteilen der bestimmende Faktor. Ihm kann nur mit entspre-chenden Beschichtungen entgegnet werden.

separate Klemmung

einfache Klemmung

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

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7.2.2. Unterdrucksysteme

Ähnlich der Eigenschaften unterdruck-stabilisierter Konstruktionen bezüglich ihrer schalldämmenden Wirkung ist das prinzipielle Potenzial vakuumge-stützter Systeme seitens ihrer thermisch isolieren-den Eigenschafte aus anderen Bereichen lange bekannt. Die schon erwähnten Vakuumisolations-paneele sind hier ein Beispiel, die Forschung an Vakuumisolierglas ein zweites. Über die speziellen Eigenschaften Unterdruck stabilisierter, also teil-vakuumisierter Systeme mit einer biegeweichen Haut ist jedoch nur wenig bekannt. In den Publi-kationen des ILEK und der, der TU-Delft bezüglich der Vacuumatics beziehungsweise Defl ateables, fi nden sich jedoch einige nützliche Hinweise.

Die Argumentation der TU-Delft folgt hier einer ähn-lichen Linie wie bei ihrer Betrachtung der schall-dämmenden Eigenschaften. Wärmetransport besteht aus einem komplexen Zusammenspiel dreier Übertragungsmöglichkeiten. Der Konvek-tion der Wärmeleitung und der Wärmestrahlung. Da für die Wärmeübertragung per Konvektion so-wie die Wärmeleitung ein sie übertragendes Me-dium notwendig ist, kann diese natürlich in einem Vakuum nicht stattfi nden. In ihrer Betrachtung schlussfolgern die Delfter Autoren daraus, dass ein Vakuum in Abhängigkeit von der Stärke der evakuierten Schicht sich positiv auf die wärme-dämmenden Eigenschaften auswirkt. Eine ähnli-che Auffassung wird in der Betrachtung des ILEK bezüglich der Vacuumatics vertreten. In der Unter-suchung der TU-Delft wird gleichzeitig aber auch deutlich gemacht, dass um einen nennenswer-ten Effekt zu erzielen eine relativ hohe Druckdiffe-renz nötig ist. Ähnlich der Schalldämmung muss

auch hier angezweifelt werden ob eine solch ho-he Druckdifferenz in die hier betrachteten Syste-me eingebracht werden kann.

Hierbei gilt es zusätzlich zu beachten, dass der notwendige erhebliche Unterdruck im System unter Umständen zu großen Spannungen im Ma-terial führen kann, die dieses nicht in der Lage wäre zu tragen. So ist, ähnlich wie bei der schall-dämmenden Wirkung, in Frage zu stellen ob bei Unterdruckkonstruktionen mit einer biegewei-chen Haut eine wirkungsvolle Druckdifferenz er-zeugt werden kann, auch wenn die theoretische Möglichkeit hierzu besteht.[108]

Hinzu kommt, dass auch wenn ein Vakuum einen isolierenden Einfl uss auf die Wärmeübertragung per Konvektion und Wärmeleitung hat, keine Be-einfl ussung der Wärmestrahlung möglich ist, Im

Gegensatz zu den beiden anderen Größen be-nötigt Wärmestrahlung kein Übergangsmedium und verbreitet sich auch über ein absolutes Va-kuum hinweg. Dies kann nur durch eine Low-E Beschichtung an der Innenseite der Hülle vermie-den werden. Eine solche Beschichtung schafft einen hohen Refl exionsgrad im Frequenzbereich der energiereichen Strahlung. Wird sie auf der Innenraumseite angebracht, reduziert dies die Wärmeabstrahlung nach Außen und somit den Wärmeverlust.[109]

Auf der Außenseite muss, um vor Überhitzung zu schützen, zudem ein Sonnenschutzsystem eta-bliert werden wie es zum Beispiel bei den noch folgenden adaptiven Ansätzen erläutert wird.

Gegenüber reinen Unterdruckkonstruktionen verspricht der ursprünglichen Gedanke der Va-

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

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Füllstoff

Energetische Nut-zung der erwärmten Luft

Integration von Photovoltaik

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 rezyklier-baren Verbundstoff verpresst werden.[110] Hierbei wurde schon früh erkannt, dass durch die Ver-wendung hinsichtlich der Wärmedämmung güns-tiger Stoffe die isolierende Wirkung der gesamten Konstruktion gesteigert werden kann. Im Arti-kel des ILEK wird das Beispiel von sogenannten transluzenten Wärmedämmstoffen (TWD) als Füll-stoff angeführt. Hierdurch wird ein verbesserter U-Wert erreicht und gleichzeitig eine Lichttransmis-sion 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 Bedämp-fung des Zwischenraumes bezüglich der Schall-dämmung. Es liegt also nahe diese beiden Ansät-ze zu einem gemeinsamen Konzept zusammen zu führen.

59.Abb.: Prinzipieller Aufbau einer mehrschichtigen Unterdruck sta-bilisierten Konstruktion mit wärmedämmenden Füllstoffen und akti-ver 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 auseinander-setzte. 1967 stellte er auf dem „Symposium on pneumatic structures“ in Stuttgart seine transmis-sionsvariablen Wandaufbauten vor (Abb. 60). Mit diesen verfolgte er das Ziel die Klimatisierungs-technik zu revolutionieren und die Unabhängig-keit von zusätzlich in das System einzubringender Energie zu realisieren. Diese Zielsetzung unter-strich er mit der Aussage[111]:

„….lassen sich durch diese Wandelemente Frosttemperaturen in der Sahara und subtropi-sche Verhältnisse in Neufundland realisieren“[112]

Dieser Einschätzung misst natürlich ein erhebli-ches 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 kon-ventionellen Systemen auszugleichen.

Um dieses Ziel zu erreichen wollte Laing die einfallende Sonnenenergie in Form ihrer Strah-lung 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 arbei-tet sein System besonders mit dem der Nutzung des solaren Ertrages über den Treibhauseffekt. Hierbei trifft die solare Strahlung, die die transpa-

60.Abb.: Ballonshading System, Ansatz aus der Reihe Defl ateables TU Delft

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rente Hülle problemlos passieren konnte, auf ein sie absorbierendes Bauteil, wie den Boden des Innenraumes, welcher die Energie speichert und 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 un-weigerlich eine Aufheizung des Innenraumes. Der Ansatz von Nikolaus Laing sieht vor, nicht nur den Einfall der solaren Strahlung sondern auch die in-frarote Strahlung der massiven Bauteile zu steu-ern. Hierzu versah er bestimmte Teile seiner Zell-hüllen mit refl ektierenden Beschichtungen welche er dann pneumatisch in ihrer Position verändern konnte. So erreichte er, die seiner Konstruktion den Namen gebende, variable Transmission von Wärmestrahlung.[114]

Ähnlich den Ansätzen von Laing gibt es bei den Kissen ein inzwischen weitverbreitetes System ei-nes schaltbaren Sonnenschutzes (Abb. 61). Hier-bei wird eine Mittellage eingeführt, welche durch eine Änderung des Luftdruckes in einer der bei-den 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 Bedru-ckung mit einer entsprechend refl ektierenden Be-schichtung durchgeführt ist dieser, auf rein pneu-matischen Prinzipien basierende, Mechanismus eine effektive Regulierung der Strahlungstrans-mission. Durch die stufenlose „Schaltbarkeit“ der Zwischenlage ist eine ebenso stufenlose Anpas-sung des solaren Eintrages möglich. Auch wenn die Konfektionierung der Zwischenlage alles an-

dere als trivial ist, macht die Einfachheit des Prin-zips doch wieder die Stärke des pneumatischen Ansatzes deutlich.

61.Abb.:Adaptiver Sonnenschutz bei Kissenkonstrutkionen

62.Abb.:Adaptiver Sonnenschutz bei Kissenkonstrutkionen

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Ein anderer Ansatz der eher der Rubrik der Unter-drucksysteme 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 ver-wendet. Diese bringen, durch ihr elastisches Ver-halten, 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 könn-te 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 Zusammen-führung der beiden verschiedenen Ansätze ver-standen haben.

Es existieren verschiedene Faktoren die auf ein mögliches Potenzial einer hybriden Struktur hin-deuten. Durch das Zusammenspiel aus fugen-los verbindendem Unterdruckelement und integ-rierten Überdruckelementen ist eine Reduzierung der Anschlusspunkte möglich. Durch die, sich innerhalb der Konstruktion befi ndenden und den Abstand der Schalen wahrenden, Überdruckele-

mente kann zudem die Zweischaligkeit immer ge-wahrt werden. Es entstehen also nicht die Wär-mebrücken wie bei den Kissenkonstruktionen.

Ein weiterer Punkt ergibt sich aus der Mehr-schichtigkeit hybrider Konstruktionen. Wie bei den Folienkissen beschrieben führt das Etab-lieren mehrerer Schichten innerhalb der Konst-ruktion durch das Aufkommen mehrerer Wär-meübergangswiederstände und einer hiermit einhergehenden Verringerung des Volumens, zu einer verbesserten Wärmedämmung. Man kann also davon ausgehen, dass durch das geziel-te Nutzen des mehrzelligen Aufbaues hybrider Konstruktionen eine Verbesserung der wärme-dämmenden Eigenschaften erzielt werden kann. Durch die relative Freiheit die man hinsichtlich der Positionierung der Überdruckkammern in-nerhalb des Unterdruckelements besitzt, könn-te man dies auch gezielt steuern. Eine weitere Möglichkeit bietet die Anordnung des Unterdru-ckes in mehreren Schichten. Anders als bisher, wo es immer eine unterdruck-stabilisierte Hülle gab, könnten auch mehrere solcher Schichten miteinander kombiniert werden. Darüber hinaus wäre es denkbar das Unterdrucksystem als kon-struktiven Kern auszubilden, auf welchem an den Außenseiten zusätzliche steuerbare Überdruck-elemente andocken. Als Beispiel könnten hier die Entwicklung des „Foil Glas“ dienen, bei dem 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 Wär-meschutz reduzieren.

Über das Einbringen dämmender Füllstoffe, wie schon bei den Unterdruckelementen erläutert,

könnte eine weitere Steigerung erreichet wer-den. Hierbei kann analog zu dem Vorgehen der Schalldämmung betreffend der Füllstoff in den Zwischenräumen angeordnet und mit steuer-baren Überdruckelementen kombiniert werden. Diese Kombination schafft wieder die Möglichkeit durch gesteuerte lokale Anpassung die Effekti-vität des Systems zu erhöhen. Der Unterdruck wird also weniger aus seiner theoretisch isolie-renden Wirkung heraus verwandt, er dient mehr als aussteifendes und verbindendes Element. Hierbei kommen wieder seine Vorteile hinsicht-lich einer späteren Rezyklierbarkeit zum Tragen. (siehe Punkt 6.1.3.)

Die Möglichkeiten einer energetischen Effi zienz der Konstruktion beschränken sich aber nicht nur auf passive Maßnahmen, wie eine Erhöhung der dämmenden Wirkung, auch aktive Maßnah-men sind möglich. Eine im System von sich aus enthaltene Möglichkeit besteht in der Nutzung der warmen Abluft der Lüfter des Unterdrucksys-tems. Da diese zur Erhaltung des Unterdruckes ständig oder zumindest immer wieder Luft aus dem Zwischenraum abführen müssen, kann die-se über einen Wärmetauscher zur Energiegewin-nung herangezogen werden. Eine weitere Mög-lichkeit besteht in der Integration dünnschichtiger Photovoltaikzellen oder bestimmter Solarthermie-kollektoren[115]

83

84 PLUSMINUS unltd.

wandelbare Kissen

Überdruckschlauch

Überdruckschlauch

Unterdruck stabilisierte Hülle

Unterdruck stabilisierte Hülle

1 1. Anschlussdetail Kissen konventionelles Stahltragwerk

• Wärmebrücken• Konstruktiver Mehraufwand• Hohes Gewicht der Primärkonstruktion

2. Anschlussdetail Kissen Überdruckschlauch mit verbindender Unterdruckhülle

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

Unterdruck

2. Anschlussdetail Überdruckschlauch mit Un-terdruckhülle plus wärmedämmenden Füllstoff

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

Unterdruck• Erhöhung der Wärmedämmfähigkeit durch

den wärmedämmenden Füllstoff

2

3

Füllstoff

12

34

PLUSMINUS unltd.

Vielschichtigkeit

Adaptivität

Verbindungsmittel Unterdruck

Vielzelligkeit

Differenzierung des Materials nach lokaler Anforderung

Unterteilung der Konstruktion in kleinere Volumen

Integration Energie gewinnender Funktionsschichten

Energetische Nutzung der erwärmten Abluft

Einfache rezyklierfreundliche Integration von wärme-dämmenden Füllstoffen

Dynamische Regulierung der Zellvolumen

Fugenlose Konstruktion Reduzierung der Wärmebrücken

Dynamische Regulierung der Anzahl der Wärmeübergangswiederstände

Dynamische Regulierung des solaren Eintrages

Grundeigenschaften des pneu-matischen Hybriden

Wärmedämmung

85

86 PLUSMINUS unltd.

8. 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 un-berechtigt. So geht von allen rein pneumatischen Konstruktionsweisen, begründet durch ihr ext-rem leichtes Flächengewicht, bei einem Versa-gen wesentlich weniger Gefahr aus als etwa von einem konventionellen Stahltragwerk. Im Falle ei-nes 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 darun-ter befi ndlicher Personen nahezu ausgeschlos-sen werden kann. Dies trifft so uneingeschränkt jedoch nur auf Systeme mit niedrigen Druckdiffe-renzen zu. Ab welcher Grenze hier eine Gefähr-dung vorliegen kann, wie diese aussieht und was dies im Speziellen für die pneumatischen Hyb-ride 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 betrach-ten wären, wollte man das Ganze in ein reales Bauvorhaben überführen. Anschließende Arbei-ten müssten demnach noch verbleibende offene Fragestellungen klären.

8.1. Redundanz

Im technischen Sinne bedeutet eine Redundanz ein aus Sicherheitsgründen doppeltes Vorhan-densein von, zur Aufrechterhaltung der Funktion

63.Abb.:Schlauchbogen Universität Stuttgart

PLUSMINUS unltd.

nötigen, Bauteilen.

Auf pneumatische Konstruktionen übertragen bedeutet dies, dass die Druckdifferenz welche das konstruktive Kernelement darstellt, unter al-len Umständen aufrecht erhalten werden muss. Schwankungen sind hierbei in einem bestimm-ten Toleranzbereich erlaubt, ein Totalausfall je-doch nicht. Ein solcher Totalausfall liegt dann vor wenn die jeweils eingesetzten Lüfter, Kom-pressoren oder Gebläse ausfallen würden. Dies kann an den Bauteilen selber oder deren Versor-gung liegen. Daher wurden schon zu Beginn der pneumatischen Konstruktionen bestimmte Si-cherheitshinweise gegeben, welche damals rein auf Überdrucksysteme bezogen waren, in ihrer grundsätzlichen Aussage aber durchaus auf un-terdruck-stabilisierte Systeme übertragen wer-den können.

Richtet man sich nach diesen Vorgaben, so müssen die für die Erhaltung der Druckdifferenz wichtigen Bauteile, selbst gegen Beschädigun-gen durch äußere Einfl üsse geschützt sein. Da es dennoch immer wieder zu einem Ausfall eines Bauteiles kommen kann, muss die gesamt mög-liche 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 wer-den. Hierzu ist es natürlich nötig, dass die An-zahl 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 Aus-fall des primären Versorgungsnetzes eine zwei-te Stromquelle zur Verfügung stehen muss. Dies

kann über verschieden Maßnahmen gewehrleis-tet werden und hängt auch stark von der Art der Anwendung der Konstruktion und der Größe ab. Für eine großfl ächige Überdachung müssen na-türlich 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 beste-hend aus Unter- und Überdruckelementen han-delt, wird logischerweise jeweils ein System be-nötigt, was den Unterdruck hält und eines was die entsprechenden Überdruckkomponenten mit Druckluft versorgt. Um den Unterdruck aufrecht zu erhalten können entweder Lüfter oder ent-sprechende Vakuumpumpen eingesetzt werden. Bei kleinen Bauwerken reicht theoretisch sogar ein handelsüblicher Staubsauger. Versuche bei den Plusminusbauten mit sogenannten Venturi-düsen schlugen fehl. Diese Düsen können mit einem Druckluftsystem verwendet werden und erzeugen durch das Vorbeiströmen der Druck-luft einen Unterdruck, welcher ein Absaugen der Luft bewirkt. Für den Einsatz bei Unterdruck sta-bilisierten Systemen erscheinen sie jedoch zu schwach. Mit Erfolg wurden bei diesen beiden Projekten handelsübliche Lüfter getestet. Bei dem Messestand die im Sanitärbereich häufi g verwendeten Einschublüfter, bei der Gitterschale waren es fl ache Hochleistungslüfter aus dem IT-Bereich. Unabhängig von der Art der Unterdru-ckerzeugung muss ständig dafür gesorgt wer-den, dass dieser aufrecht erhalten wird. Da eine absolute Dichtheit der Konstruktion nahezu un-möglich 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 ei-nen bestimmten Faktor größer dimensioniert wer-den, um im Falle eines Bauteilausfalles, diesen kompensieren zu können. Werden Vakuumpum-pen verwendet müssen also immer mindestens 2 vorhanden sein, werden Lüfter verbaut sollte deren Anzahl immer 1,5 – 2-mal so groß wie min-destens nötig sein. Zudem sollten die Pumpen, was ihre Energieversorgung angeht, immer ge-trennt abgesichert sein. Bei den Lüftern empfi ehlt es sich dies in zwei bis drei Kreisläufe bezie-hungsweise Gruppen zu unterteilen und eben-falls getrennt voneinander abzusichern. Was die Druckluftversorgung der Überdruckelemente an-geht so verhält sich dies analog zu der Lösung der Pumpen für den Unterdruck. Etwas schwieri-ger wird es nur wenn das System adaptive Kom-ponenten enthält. In diesem Fall kann es empfeh-lenswert sein, diese separat zu versorgen. Aber auch für die seperate Versorgung gilt, besonders wenn diese adaptiven Elemente eine für das Sys-tem wichtige Funktion erfüllen, dass ein Backup-system vorhanden sein muss, welches bei einem Ausfall des Primärsystems einspringt.

87

88 PLUSMINUS unltd.

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 Universi-tätsgebäude überspannen sollte (Abb. 63), ent-standen. Hierbei wurde davon ausgegangen, dass ein unter Druck stehendes Behältnis, hier bestehend aus einer biegeweichen Haut, explo-sionsartig versagen kann und dabei eine solch starke Druckwelle, ähnlich einer Detonation, frei-setzt, dass für umgebende Personen eine ernst zunehmende Gefahr besteht. Dass diese The-orie prinzipiell so zutrifft steht außer Frage, was man an den Gefahren die von einem bersten-den Dampfkessel ausgehen zweifelsfrei belegen kann. Diese stehen jedoch auch unter einem we-sentlich höheren Druck als es bei pneumatischen Systemen der Fall ist. Um aber mit Sicherheit eine eventuelle Gefährdung einschätzen beziehungs-weise 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 Auswir-kungen von Detonationslasten an Säugetieren angestellt wurden. Zu diesem Zweck wurden in-nerhalb der Untersuchungen verschiedene Säu-getiere einer, durch eine Detonation ausgelösten, Druckwelle ausgesetzt. Die hierdurch angerichte-ten Verletzungen wurden, in Zusammenhang mit dem jeweilig noch vorherrschenden Restdruck

Table 6TENTATIVE CRITERIA FOR PRIMARY BLAST EFFECTS IN MAN APPLICABLE TO

„FAST“ RISING AIR BLASTS OF „SHORT“ DURATION (3 msec)

Critical Organ or Event

Maximum Effect Pressurepsi *

Eardrum Rupture:Thereshold50 Percent

515

Lung Damage:Thereshold

Severe30 - 40

80 and above

Leathality:Thershold50 Percent

Near 100 Percent

100 - 120130 - 180200 - 250

* Effective pressure can be the Incident, refl ected, 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 Explosionswellen-Nach Richmoned et. al., 1970

= −

P barP barP barPPMsPP

0

1

1

1

0

2

0

10 7

0 8979

0 8979

1 11417

1

==

=

=

=

=

Δ ,

,

,

,

'

'

,,

,,

,,

281604

1 2816040 281604

0 281040

2

2 2 1

bar

P barP P P bar

bar

==Δ

3341 34

1 281604 0 06

0

11 405

1 215

barbarbar

Rm

R

,, ,

,,

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟ = ⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

= ,,0518106

2R R>

PP

Ms

MsMs

PPaa

1

0

2

2

1

1

1

1

1 76

1

1 16

0 5282818

0 91287

=+ −

−−

=

=

( )

( )*

)

,

,

´

'

11

1 76

1

2

2

0

2

2

1

2

3 1

PP

Ms

PP

PP

RR

KK

= + −

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ =

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

−

( )

( )ΔΔ

2R

R

2R

2RR = 0,12 m

m

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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 kör-perliche Beeinträchtigungen bei den Tieren auf-traten. Weitere Parameter die damals betrachtet wurden waren die der Dauer der Belastung oder der Art der Welle. All diese Betrachtungen im De-tail zu erläutern würde den Rahmen sprengen und wäre mit Sicherheit auch nicht zielführend. Für die Abschätzung des erwähnten Schlauch-bogens wurde, resultierend aus der Beschäfti-gung mit diesen Untersuchungen, ein sogenann-ter 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 je-doch 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 Belas-tung durch die Welle noch oberhalb diesen Wer-tes liegt, als potenziellen Gefahrenbereich an, ist man über Betrachtung der Thermodynamik in der Lage diesen Radius zu bestimmen. (Siehe Be-rechnung) Diese Berechnung geht jedoch von einem Verdichtungsstoß aus, wie er bei einem Verbrennungsmotor vorkommt. Auch hier müss-te überprüft werden ob diese Annahme so ge-troffen 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

außer Acht lässt, ist der Einfl uss der materialspe-zifi schen Parameter. So mag diese Annahme auf einen, aus einer Folie bestehenden, pneumati-schen Körper aufgrund der geringen Weiterreis-festigkeit der Folie zutreffen, ein beschichtetes Gewebe hingegen würde wohl ein gänzlich an-deres Verhalten im Versagensfall aufweisen. In einem solchen Fall ist anzunehmen, dass be-dingt durch die hohe Weiterreißfestigkeit des be-schichteten Gewebes, es bei den hier verwende-ten Druckdifferenzen von maximal 1bar, zu einer

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

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

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Hüllfolie/-membran

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Volumen, Materialkennwerten und Druckdifferenz sind, bisher jedoch noch keine fundierten Un-tersuchungen angestellt worden. Die beschrie-benen Berechnungen auf Basis thermodynami-scher 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, beispiel-haft eine Berechnung für einen der Schläuche der Gitterschale durchgeführt. Hierbei wurden le-diglich die Kennwerte des Schlauches in die be-stehenden Rechnungen eingesetzt. Das Ergeb-nis zeigt, dass der Gefährdungsradius durch die Druckwelle kleiner ist als der des Schlauches. Es ist anzuzweifeln, dass dieses rechnerisch mög-liche Ergebnis so in die Realität umzusetzen ist und zeigt, dass es hier an einer fundierten Be-trachtung fehlt. Daher kann auch nur die grund-sätzliche Aussage getroffen werden, dass es ei-ne 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 Gefähr-dung als höchst unwahrscheinlich einzustufen ist.

Den pneumatischen Hybriden kommt durch ih-ren Schichtaufbau und die unterdruck-stabilisier-te Hülle zugute, dass die Hüllfolie eine solche Welle zusätzlich dämpfen würde, so dass eine Gefährdung noch unwahrscheinlicher würde. Die Grundeigenschaften des Hybriden zahlen sich al-so einmal mehr aus.

66.Abb.:Reines Überdrucksystem

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

PLUSMINUS unltd.

68.Abb.:Plusminus Gitterschalle , Fußpunktdetail, studioltd, Foto: Walter Fogel

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9. Fazit Theorie Teil

Ziel dieses Fazits ist es den aktuellen Stand pneumatischer Hybride, resultierend aus der bis-herigen theoretischen Betrachtung der Thema-tik, abzubilden. Innerhalb dieser meist intensiven Recherchearbeit, wurden die verschiedensten Aspekte pneumatischer Architektur im Allgemei-nen und der pneumatischen Hybride im Spezi-ellen, versucht zu beleuchten. Nicht immer war es hierbei möglich auf schon vorhandene For-schungen oder Betrachtungen zurück zu greifen, so dass häufi g Transferaufgaben gelöst werden mussten die in ihrem Resultat noch einige wei-tere offene Fragen aufwarfen. Verständlicherwei-se 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 Poten-ziale aufzudecken und ein prinzipielles Interesse an diesem, so noch nie betrachteten, Systeman-satz zu wecken.

Die hiermit abgeschlossene theoretische Be-trachtung, untersuchte zu diesem Zweck grund-legende Theorien, bis hin zu die Praxis bestim-menden Einfl ussgrößen. Die so anfangs noch recht abstrakte Idee eines Systemansatzes, aus der Kombination der beiden unterschied-lichen pneumatischen Systeme, wurde Schritt für Schritt konkretisiert und in ersten beispielhaf-ten Varianten bildhaft verdeutlicht. Eine ständige Rückkopplung zwischen Idee und Recherche wurde so möglich.

Diese zeigte zu Beginn, dass die ursprüngliche 69.Abb.:Philippe Ramette, Eloge de la paresse, 2000

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bisher entweder globale, die gesamte Konstrukti-on betreffende oder lokal stark begrenzte Anpas-sung möglich, erlaubt die Kombination aus vielen kleinen Volumen in einer fl exiblen fugenlosen Ver-bindung beides. Hierbei wurde festgestellt, dass der Grad der möglichen Anpassung bei hybriden Systemen weit über die, bei allen pneumatischen Systemen vorhandene, Anpassung der Druckdif-ferenz hinausgeht.

Die Betrachtung grundlegender bauphysikali-scher Gesichtspunkten als maßgebliche Um-welteinfl üsse zeigte, dass durch diese Strategie Nachteile, die auf den ersten Blick gegenüber konventionellen Systemen entstehen, ausgegli-chen oder so stark abgemildert werden, dass die Vorteile dieser leichten und anpassungsfähi-gen Konstruktionsweise in den Vordergrund tre-ten. 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 gleich-wertigen zu entwickeln. Vielmehr sollten seine ei-gentlichen Stärken so weit wie möglich gefördert und er ihnen entsprechend eingesetzt werden.

Wie die Analyse aber zeigt, ist besonders hin-sichtlich sich immer schneller ändernder Einfl üs-se und der wachsenden Ressourcenknappheit ein Anpassungsfähiges, eben nicht mehr ständig auf das Maximum ausgelegtes System, von Inte-resse. Nicht ohne Grund hält der pneumatische Gedanke mehr und mehr Einzug in die zeitge-nössische Architektur. So argumentieren die Ar-chitekten des Schwimmbades in Peking ganz of-fen mit der Einsparung an der Ressource Stahl durch die Verwendung pneumatisch gestützter Kissen.[122] Hinsichtlich dieser Entwicklung bie-

Annahme, des geringen Vorkommens verwirk-lichter Projekte und grundlegender Theorien, zu treffend war. In der inzwischen 100-jährigen Ge-schichte der pneumatischen Architektur konnten lediglich 4 – 5 Projekte identifi ziert werden, bei welchen gezielt Unter- und Überdruckelemen-te miteinander kombiniert wurden. Bei all diesen Projekten handelte es sich zudem um temporäre Konstruktionen, meist mit einem prototypischen Charakter. Dabei hat die Recherche weiter ge-zeigt, dass von verschiedener Seite, der Kombi-nation an sich ein Potenzial auch jenseits eines temporären Einsatzes, zugeschrieben wurde. Er-innert sei hier an die weitspannenden Scheiben die Naumer vorschlug[119] oder die ausgeleichen-de Wirkung der unterschiedlichen Krümmungen die Minke erwähnte[120]. Gemessen an der, ver-stärkten, Nachfrage pneumatischer Elemente in der aktuellen Architektur und einem immer grö-ßer werdenden Willen Strukturen hinsichtlich ih-res Ressourcenaufwandes weiter zu optimieren, ist es um so verwunderlicher, dass eine ernst-hafte Betrachtung dieses Ansatzes außer Acht gelassen wurde.

Über die Beschäftigung mit bestehenden Theo-rien 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 kön-nen. Eine der Schwierigkeiten bei der Errichtung von unterdruck-stabilisierten Konstruktionen, die Notwendigkeit eines unterstützenden Subsys-tem, meist bestehend aus nicht pneumatischen Elementen, kann durch Überdruckelemente er-setzt und so wesentlich effi zienter gestaltet wer-

den. Die Kombination der beiden unterschied-lichen Krümmungsrichtungen führt nicht nur zu einer neuen Varianz der Formsprache, es kann wie von Minke treffend beobachtet konstruktiv gegen ungewollte Belastungen durch Wasser- und Schneesäcke eingesetzt werden[121]. Waren, bei den Überdrucksystemen, bisher nur große einzellige Konstruktionen oder kleinteiligere Kon-struktionen mit einem hohen Anteil an nicht pneu-matischer Primärkonstruktion denkbar, eröffnet die Kombination des Hybriden die Möglichkeit ei-ner durchgehend zusammenhängenden vielzelli-gen Konstruktion.

Über die 4 Grundeigenschaften konnte deutlich gemacht werden, dass diese Vielzelligkeit wie auch die Vielschichtigkeit einen hohen Ausdiffe-renzierungsgrad der Konstruktion erlauben, der anders als bei den großen einzelligen Systemen, ein lokalbegrenztes und somit wesentlich effi zi-enteres Reagieren der Struktur zulässt. In gewis-ser Weise stellt der Hybrid eine Weiterentwick-lung des von Frei Otto geprägten Begriffes des „Pneus im Pneu“ dar. Das Wesentliche dieser Weiterentwicklung besteht in der stärkeren Ein-beziehung 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 steu-ert 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 eben-falls als eine der wesentlichen Stärken des Ansat-zes heraus. Waren bei pneumatischen Ansätzen

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tet der pneumatische Hybrid eine nicht zu un-terschätzende Alternative der, wie bei der Be-trachtung der wärmedämmenden Eigenschaften festgestellt wurde, nicht nur durch seine fugenlo-se Konstruktion hier einige Schwachpunkte op-timieren kann. Er eröffnet die Chance viel stär-ker 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 Bau-teile keine dauerhafte Verbindung miteinander eingehen, ein weiterer unschlagbarer Punkt. Kei-ne andere Verbindungstechnik erlaubt eine einfa-chere spätere Trennung der Baustoffe. Bringt die Entwicklung neuer Kunststoffe aus nachwach-senden Rohstoffen zudem den erwünschten Ef-fekt, ist mit der Unabhängigkeit von der petroche-mischen Industrie, ein wichtiger letzter Schritt, hin zu einer ökologisch absolut effi zienten Bauweise absolviert.

Neben diesen rein konstruktiven Gesichtspunk-ten, die eine Optimierung raumabschließender Systeme im Sinn haben, bietet der Hybrid mit sei-ner Fähigkeit zur Transformation und der Integra-tion weiterer Funktionen die Möglichkeit der von Gruppen wie Archigram, Ende der 1960er ge-forderten, 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]

12

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PLUSMINUS unltd.

Vielschichtigkeit

Adaptivität

Verbindungsmittel Unterdruck

Vielzelligkeit

Des Materials nach lokaler Anforderung

Differenzierung

Integration weiterer Funktionen

Rezyclierfreundliche Verbindung

Dynamische Regulierung

Des Füllgases nach lokaler Anforderung

Mikroporiger Schallabsorbierender Folien

Hohlraum bedämpfenden Füllstofen Des Anteils der Segmente/Zellen

Des Schalenabstandes

Grundeigenschaften des pneu-matischen HybridenGesamt

Unterteilung der Konstruktion in kleinere Volumen

Energie gewinnender Funktionsschichten

Energetische Nutzung der erwärmten Abluft

Wärmedämmenden Füllstoffen

Der Zellvolumen

Fugenlose Konstruktion Reduzierung der Wärmebrücken

Der Anzahl der Wärmeübergangswiederstände

Des solaren Eintrages

Verschiedener Materialien

Unterschiedlichen Zellen

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96 PLUSMINUS unltd.

10. Systemansätze

Auf den folgenden Seiten sollen einige der wäh-rend der Beschäftigung mit der Thematik ent-standenen Systemansätze oder Ideen aufgezeigt und festgehalten werden. Diese Idee entstand in Anlehnung an das Vorgehen der IL-Publikationen. Bei diesen wurden auch sehr häufi g, noch recht skizzenhafte Ideen oder Ansätze katalogisiert und dargestellt. (siehe Abb 64) Auch wenn nicht die Quantität der Kataloge der IL – Publikationen er-reicht wird, halte ich es dennoch für wichtig das die entstanden Ideen nicht einfach verloren ge-hen, sondern wie einen gelungenen Abschluss der Arbeit darstellen. Der Idee weiter folgend han-delt es sich auch bei diesen Ansätzen mehr um skizzenhafte Gedanken, als um ausgearbeitete Entwürfe. Sie sollen und werden dies auch hof-fentlich, als Grundlagen einer weiteren Beschäf-tigung mit der Thematik dienen. Anders als im bisherigen theoretischen Teil, werden nun auch konkretere Anwendungen oder Zwecke der Kon-struktionen 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 Füllstof-fen versehene unterdruck-stabilisierte Hülle, angesehen. Dies ist aber nicht der einzig mög-liche Aufbau. So könnten auch mehrere Unter-drucksysteme in einander verschachtelt werden. Denkbar wäre dies sowohl als fl ächige Elemente oder in Form von Schläuchen oder kleineren Kör-pern. Diese wären selbst wieder mit Überdruck-elementen oder Füllstoffen versehen und durch einen Unterdruck stabilisiert.

Eine andere Möglichkeit wäre das parallele An-ordnen mehrerer Unterdrucksysteme hinterein-ander. Im Gegensatz zu der ersten Variante wä-ren diese jedoch nicht unmittelbar miteinander gekoppelt.

Eine weitere Varinate wäre das zusätzliche An-ordnen von Überdruckkörpern auf den Aussen-seiten. Diese könnten in die Hüllfolie integriert werden und ebenfalls wandelbar sein. Der unter-druck-stabilisierte Kern könnte dabei wie gehabt als Unterdruck Hülle mit im Zwischenraum weite-ren Überdruckkörpern ausgeführt werden.

1

1

1

1

2

2

2

3

Bisheriger Hybrider Aufbau mit einer Unter-

druck-Hülle

Zwei parallel angeordnete Unterdruck-Hüllen

In einander verschachtelte Unterdruck-Hüllen

Zusätzliche Überdruckkörper an den Aussen-

seiten der Unterdruck-Hülle

3

3

97

98

Kissen wandelbar

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10.2. Kissen im Unterdruckfeld

Bei dieser Variante wird der in einem zweilagi-gen Überdruckschlauchgitter entstehende Zwi-schenraum der Maschen mit einem wandelba-ren Überdruckkissen gefüllt. Dieses Kissen kehrt im Wesentlichen die konkave Krümmung der un-terdruck-stabilisierten Fläche um und kann bei-spielsweise auf die angesprochene Problematik des Wassersackes reagieren. Dieser adaptive Vorgang folgt dem unter 6.3.3 aufgezeigten An-satz. 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 Kon-fektionierung bezüglich der zwei Zustände vor zunehmen. Gekoppelt mit entsprechenden Sen-soren wäre das System nun in der Lage bei ein-setzendem Regen die Kissen in den Maschen zu belüften und so einer Wasseransammlung ent-gegen zu wirken.

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

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Maßnahme gegen Wassersackbildung

Kissen entlüftet

durch die konkave Krümmung kommt es zu einer Wassersackbildung

Kissen entlüftet

die Masche ist vollständig verschattet

Kissen teil-aktiviert

die Masche ist teilweise verschattet

Kissen aktiviert

die Masche ist gering verschattet

Kissen aktiviert

Die Krümmung wird umgekehrt und so einer Wassersackbildung vorgebeugt

Adaptiver Sonnenschutz

99

100

Kugelpneus entlüftet

elastisches Füllmaterial

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10.3. Adaptive Elemente plus Füllstoff

Wie schon mehrfach im Text angedeutet er-scheint es sinnvoll, dem Ansatz der „Vaccuma-tics“ folgend, die Grundeigenschaft des Ver-bindungsmittels Unterdruck zu nutzen, um die Wärmedämmung durch die Einbindung entspre-chender Füllstoffe zu verbessern. Das Einbringen solcher Füllstoffe wirkt sich jedoch, auch bei der Verwendung entsprechend transluzenter Stof-fe auf die Lichtdurchlässigkeit der Struktur aus. Dem entgegenwirken soll die Idee der Integrati-on regelbarer Überdruckkörper. Diese werden im Füllstoff angeordnet und können die Dämmstof-fe bei Bedarf verdrängen. Ist in einer bestimmten Situation ein höherer Lichteinfall gewünscht, kön-nen diese aus hochtransparentem ETFE beste-henden pneumatischen Körper, aktiviert werden und so mit den Transparenzgrad der Konstrukti-on erhöhen. Denkbar sind die unterschiedlichs-ten 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 Bahn-breiten produziert werden. Solche Materialien können einfach eingebaut werden und in ihnen können einfach die regelbaren Überdruckele-mente sowie deren Versorgungsleitungen integ-riert werden.

Noch zu lösende Punkte sind die Art der Integra-tion der adaptiven Elemente sowie deren Steue-rung und eine Untersuchung über unterschiedli-che Arten von Füllstoffen.

Kugelpneus mit Überdruck

elastisches Füllmaterial

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Mögliches transluzentes/elastisches Füllmaterial:

3d Abstandsgewebe, hier das 3dMesh von Müllertextilien

In ein Hüllsystem integriert ermöglicht das Sys-tem die Belichtung individuell zu steuern.

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Plusminus „Air coil System“

Schlauchzellen wandelbar

10.4. Aircoil-System als Öffnungselement

Das 1970 von S.R. Wellesley-Miller am MIT ent-wickelte „Air-Cell-System“ arbeitet nach einem recht einfach nachzuvollziehendem Prinzip. Röh-renartige pneumatische Zellen werden beidsei-tig 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 wur-de schon häufi g angedacht und verwendet. Zu-letzt von einem Architektenkollektiv aus Londen Namens Studiointegrate. Diese verwendeten auf dem Ansatz des air cell systems entwickelte Ele-mente als Abbdeckung der Maschen eines einla-gigen 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 An-satz 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 dar-stellen, 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

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Pneumatisch steuerbare Belüftungs-klappen, durch die Integration des Air-coil-systems in eine Unterdruck-Hülle eines Schlauchgitters.

Anordnung zweier gegenüberliegender Air-coil-systeme.

Eine Druckreduzierung in den beiden innenliegenden Seiten bewirkt ein Öff-nen der Struktur

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PLUSMINUS unltd.

Danke

Für die großzügige und vielfältige Unterstützung gilt mein besonderer Dank:

Herrn Professor Werner Sobek und meinem Be-treuer Jürgen Hennicke sowie dem Bibliothekar Christian Assenbaum vom Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren.

Professor Gerd de Bruyn vom Institut für Grundla-gen Moderner Architektur und Entwerfen.

Lena Pfeifer, Fabian Pfeifer, Marcus Kron und Jo-hannes Walde für das Korrigieren der Arbeit.

Den Experten Andreas Kunze, Uwe Teutsch und

den Mitarbeitern des Frauenhofer Institutes.

105

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11. Literaturverzeichniss

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[1]. Vgl. Roland, C. & Otto, F., 1965, 84[2]. Vgl. Topham, Sean, 2002, 43[3]. Vgl. Falter, A., 2004, 8 ff & Otto, F.,

1962, 10 f

[4]. Vgl. Ders., 1995, 13 ff

[5]. Vgl. Herzog,T., 1972, 17 & Otto, F.,

1962, 10 & Naumer. W., 1999, 25[6]. Vgl. Roland, C. & Otto, F., 1965, 84[7]. Vgl. Topham, Sean, 2002, 23[8]. Vgl. Ebd., 27f

[9]. Vgl., Naumer. W., 1999, 165 f[10]. Otto, F., 1966, ??; Herv. S.K.[11]. Vgl., Naumer. W., 1999, 167

[12]. Beukers, A & Hinten, E., 2005, 154;

Herv. S.K.

[13]. Vgl. Herzog,T., 1972, 17

[14]. Vgl. Topham, Sean, 2002, 55 ff[15]. Roland, C. & Otto, F., 1965, 84; Herv.

S.K.[16]. Vgl. Knippers, J., et al., 2010

[17]. Naumer, W., 1999, 37; Herv. S.K.

[18]. Vgl. Naumer, W., 1999, 37

[19]. Vgl. Herzog,T., 1972, 15

[20]. Vgl. Minke, G. in Herzog,T., 1972, 15

[21]. Vgl. ebd., 17

[22]. Vgl. ebd. & Vgl., Naumer. W., 1999, 25

[23]. Vgl. Minke, G. in Herzog,T., 1972, 17

[24]. Vgl. ebd.

[25]. Vgl. ebd

[26]. Vgl. ebd, 28

[27]. Vgl. Wutz, M. et al. 2000, 5

[28]. Vgl. Herzog, T., 1972, 8 ff

[29]. Vgl. Naumer, W., 1999, 37

[30]. Vgl. Naumer, W., 1999, 38 ff

[31].

[32]. Vgl. Teutsch, U., 2009,

[33]. Vgl. Herzog, T., 1972, 17 & Naumer.

W., 1999, 25

[34]. Vgl. Herzog, T., 1972, 17

[35]. Vgl. Naumer, W., 1999, 162

[36]. Vgl. Minke, G. in Herzog, T., 1972, 17

& Ebd., 28

[37]. Vgl. Falter, A., 2004, 16 f & Naumer,

W., 1999, 280 ff

[38]. Vgl. ebd.

[39]. Vgl. Schmidt, T., et. Al., 2007, 1148

ff & Vgl. Herzog, T., 1972, 53 & Vgl.

Knaack, U. et. Al, 2008, 15ff

[40]. Vgl. Schmidt, T., et. Al., 2007, 1154

[41]. Vgl. Otto, F. et. Al. 1979,18

[42]. Vgl. Wutz, M. et al. 2000, 2

[43]. Vgl. Schmidt, T., et. Al., 2007, 1149

[44]. Vgl. Naumer, W., 1999, 27

[45]. Vgl. Ebd.

[46]. Vgl. Seidel, M., 2008, 38

[47]. Vgl. Naumer, W., 1999, 30 & Vgl. Knip-

pers, J., et. Al., 2010, 100 ff

[48]. Vgl. Naumer, W., 1999, 30.

[49]. Vgl. Ebd.

[50]. Knippers, J., et. Al., 2010, 42

[51]. Vgl Ebd., 52

[52]. Vgl. Naumer, W., 1999, 31

[53]. Knippers, J., et. Al., 2010, 104

[54]. Vgl. Ebd. & Naumer, W., 1999, 31

[55]. Vgl. Knippers, J., 2010, 105

[56]. Vgl. Ebd, 94

[57]. Vgl. Ebd.

[58]. Vgl. Ebd.

[59]. Vg. Ebd., 99 & Naumer, W., 1999, 32

[60]. Vgl Knippers, J., 2010, 99

12. Zitatnachweise

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[61]. Vgl. Naumer, W., 1999, 33

[62]. Vgl. Ebd.

[63]. Vgl. Knippers, J. 2010, 99

[64]. Vgl. Hellerisch, W. et. Al., 2010

[65]. Vgl Schmidt, T., et. Al. 2007, 1149

[66]. Vgl Naumer, W., 1999, 27

[67]. Vgl Knippers, J. 2010, 97 f

[68]. Vgl. Ebd., 25 ff

[69]. Vgl. Knippers, J. 2010, 62

[70]. Vgl. Teufel, P. 2004, 10 f & Weilandt, A., 2008, 5

[71]. Vgl. Naumer, W. 1999, 23

[72]. Ebd, 23; Herv. S.K.

[73]. Vgl. ebd. & Vgl. Roland, C. & Otto, F., 1965, 85

[74]. Vgl. Topham, Sean, 2002, 8[75]. Vgl. Ebd., 55ff

[76]. Vgl. Von Schoor, B., 1975, 10

[77]. Vgl. Ebd., 14

[78]. Vgl. Von Schoor, B., 1975, 54 & Ebd.

62

[79]. Vgl. Herzog, T., 1972, 162 f

[80]. Vgl. Mehra, S.-R., et. al., 2004, 4

[81]. Mehra, S.-R., et. al., 2004, 19; Herv.

S.K.

[82]. Vgl. Ebd., 19

[83]. Vgl. Ebd., 19ff

[84]. Vgl. Ebd., 21ff

[85]. Vgl. Ebd., 23ff

[86]. Vgl. Ebd., 26

[87]. Vgl. Ebd., 26

[88]. Ebd., 47; Herv. S.K.

[89]. Ders., 2002, 79

[90]. Maysenhölder, W., 2009, 3

[91]. Ebd., 6

[92]. Vgl. Knaack, U. et. Al, 2008, 22f

[93]. Maysenhölder, W., 2009, 5; Herv. S.K.

[94]. Vgl. Schmidt, T., et. Al., 2007, 1149 &

Vgl. Maysenhölder, W., 2009, 3 ff

[95]. Vgl. Mehra, S.-R., et. al., 2004, 24

[96]. Vgl. Knaack, U. et. Al, 2008, 22f

[97]. Vgl. Mehra, S.-R., et. al., 2004, 23

[98]. Vgl. Mehra, S.-R., et. al., 2004, 25

[99]. Vgl. Knaack, U. et. Al, 2008, 22f

[100]. Vgl. Mehra, S.-R., et. al., 2004, 23 f

[101]. Vgl. Ebd., 24

[102]. Vgl. Ebd., 25

[103]. Vgl. Ebd., 26

[104]. Vgl. Schmidt, T., et. Al., 2007, 1149

[105]. Vgl. Herzog, T., 1972, 163

[106]. Vgl. Vector Foiltec, Produktinfo, 2010,

[107]. Vgl. Knippers, J., et. Al. 2010, 216 f

[108]. Vgl. Schmidt, T., et. Al., 2007 1149 &

Knaack, U. et. Al, 2008, 22f

[109]. Vgl. Knippers, J. et. al. 2010, 116

[110]. Vgl. Herzog, T., 1972, 53

[111]. Vgl. Laing, N., 1968, 163[112]. Ebd. Herv. S.K.[113]. Vgl. Knippers, J., et. Al. 2010, 114[114]. Laing, N., 1968, 163[115]. Vgl. Schmidt, T., et. Al., 2007, 1148

[116]. Vgl. Roland, C. & Otto, F., 1965, 85

[117]. Vgl. Otto, F. et. al., 1983,

[118]. Vgl. Richmond, R. D. et. Al., 117 & Vgl

Ders., 1970, 159 ff

[119]. Vgl Naumer, W., 1999, 162

[120]. Vgl. Herzog,T., 1972, 17

[121]. Vgl. Ebd

[122]. Baraona P., E. 2008, 256 ff

[123]. Otto, F., 1966, ??; Herv. S.K.

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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

13. Abbildungsverzeichniss

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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 Defl ateables, 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 Defl ateables 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 Wärmedurchlasskoeffi zient 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 Defl ateables 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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