Membrane in der Architektur

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1 Membrane in der Architektur

2 Membranarchitektur Definition: Das Tragwerk der Membranarchitektur besteht aus Stahlstützen, Stahlseilen und der textilen Membran. Die Membran wird vorgespannt um eine Grundstabilität zu erreichen. Dadurch wird verhindert, dass die Membran im Wind flattert und reißt und die Verformung wird bei Krafteinwirkung verringert. Das Tragsystem ist auf Zug beansprucht. Membrane werden in der Architektur verwendet um leichte, luftige und transparente Räume zu schaffen. Diese Architektur ist meist temporär oder wird als mobile Architektur verwendet, die relativ leicht ab- und an anderer Stelle wieder aufgebaut werden kann. Oft dient die Membran als Überdachung und als Wetterschutz und schließt ohne Hinzufügen einer festen Fassade keinen Raum ab. Verwendung findet die Membranarchitektur im öffentlichen Bauen: Sportstadien, Platzüberdachungen, Ausstellungszentren, Forschungseinrichtungen, Flughäfen usw. Aber auch von Firmen verwendet: in der Automobilindustrie, für repräsentative Bauten, wie Ausstellungspavillons auf Messen, der Weltausstellung und zur Präsentation eines neuen Produktes. Entsprechend der Verwendung unterscheiden sich Membrankonstruktionen stark in Größe und Art der Ausführung. Das Material einer Membran wird sorgsam gewählt und muss genehmigt werden. Das textile Gewebe wird speziell beschichtet. Die Haltbarkeit einer Membran wird verbessert, optimale Dichtigkeit garantiert, die Brandschutzordnung erfüllt und die Membran ist schmutzabweisend und wird vom Regen gereinigt. Das Gewebe verhält sich nichtlinear und nichtelastisch und und anisotrop, was heißt, dass sich das Verhalten in die beiden Fadenlaufrichtungen unterscheidet.

3 Stützungsarten: Punktförmige Stützung Die punktförmige Stützung der Membran ist nicht möglich, da sie bei der Konzentration der Kräfte auf einen Punkt reißen würde. Deshalb müssen die Hoch- und Tiefpunkte ringförmig oder flächenförmig unterstützt werden. D.h. am Rand der Membran wird ein Stahlseil in einer Tasche entlang geführt, an dem die Abspannseile angreifen. Die Kraft verteilt sich dann auf den ganzen Rand. In den Hochpunkten verfährt man ebenso mit einer Seilschlaufe, über die die Verbindung zum Mast hergestellt wird. Nur Seilnetze lassen eine punkuelle Stützung zu. Membrane mit Hoch-/Tiefpunkten

4 Linienförmige Stützung Die linienförmige Stützung der Membrantragwerke erfolgt entweder starr mittels einem Bogen oder Träger oder flexibel durch Verwendung von Seilen. Die Bögen oder Träger sind meist aus Stahl und aus Stabilitätsgründen häufig als Fachwerk ausgebildet. Sie können unter der Membran verlaufen und das Gewebe wird darüber gespannt, oder sie verlaufen über der Membran. Diese wird mit Seilen am Träger befestigt und abgespannt. Seile verlaufen oberhalb als Kehl- oder unterhalb als Gratseil und die Membran kann entweder wie ein Zelt oder wie ein Fächer gefaltet werden. Membrane, durch Bogen gestützt

5 Flächige Stützung Die flächige Stützung von Membranen wird nur gelegentlich eingesetzt und erfolgt meist durch pilzartige Schirmstützen. Die Stützkörper können halbkugelförmig, ellipsoid oder tellerförmig sein. Anders als bei der punktförmigen Stützung wirkt die Kraft auf eine größere kreisförmige Fläche und es besteht keine Gefahr des Reißens. Die Masten sind mit dem Schirm verbunden und das Membrangewebe wird darüber gespannt. Membrane mit Kehl-/Gratseilen

6 Membranen als Segel/Sattelfläche Coste Crociere Gregotti

7 Formfindung durch experimentelle Methoden und Modellbau Seifenhautmodell: Mit Hilfe eines vorgebogenen Draht, der in Seifenlauge gehalten wird, wird die Formbildung der gespannten Fläche, der Membran aus Seifenhaut untersucht. Diese Haut ist die Minimalfläche. Bei diesem Modell ist die Last nur das Eigengewicht unter gleichmäßiger Vorspannung. Die Minimalfläche weist in jedem Punkt eine konstante Spannung in alle Richtungen auf. Da bei einem Bauwerk jedoch unterschiedliche Lasten auftreten, ist die Minimalfläche meistens nicht ideal. Strumpf- oder Gummimodell: Experimentelle Modelle sind sehr anschaulich und werden hierfür dem Computer vorgezogen. Diese Modelle werden vor allem in der Vorentwurfs- und Entwurfsphase verwendet. Sie werden aus elastischen Materialien wie Strumpf, Gummi oder Tüll hergestellt. Diese Gewebe werden über kleine Masten zum Beispiel in Form von Stecknadeln oder Zahnstochern gespannt und an den Rändern ebenfalls mit Faden abgespannt. Eine erste Betrachtung der Membranform ist möglich. Die genaue Berechnung und Formfindung findet dann am Computer statt. Demonstrationsmodell: Das Demonstrationsmodell ist ein Architekturmodell, das für Wettbewerbspräsentationen eingesetzt wird. Außerdem kann man an diesem Modell nochmals die Form überprüfen und das Gebäude im Umfeld betrachten. Es werden auch Detailmodelle hergestellt bei beweglichen Konstruktionen. Messmodelle und Windkanalmodelle geben weiter Aufschluss über das Verhalten bei verschiedenen Lasten. Geometrische Größen und Spannungsverhältnisse werden erfasst. Im Winkanal werden die Drücke auf mehrere wichtige Punkte gemessen.

8 Formfindung durch experimentelle und analytische Methoden Aufhangmodell: Beim Hängemodell, das hauptsächlich für Schalen und Gewölbe aus Stein oder Beton verwendet wird, macht man sich die Schwerkraf zu nutze, da das Eigengewicht das aufgehängte Seil oder Netz in ihre Stützlinie bringt. Dies ist die ideale Form um Lasten aufzunehmen und weiterzuleiten. Oft werden diese Versuche bei komplexen Körpern angewendet, um die richtigen Krümmungen, Längen und Abstände zu ermitteln. Aufhangmodell von Frei Otto für die Multihalle in Mannheim, , anläßlich der Bundesgartenschau Aufhangmodell von Gaudi für das Gewölbe der Sagrada Familia in Barcelona Analytische Methode: Es gibt drei Methoden der Formfindung über den Computer: 1. Die Methode der Finiten Elemente (FEM): dies ist das gebräuchlichste Verfahren, auf das kommerzielle Programme basieren. Die Gleichgewichtsform wird über eine geometrisch nichtlineare, elastostatische Analyse ermittelt. Vorgaben über Gestalt, Material und Kinematik werden berücksichtigt. 2. Die Kraftdichtemethode: die Gleichgewichtsform wird über vorgegebene Kraftdichtewerte (Kraft pro Längeneinheit) des Spannungszustandes durch die Bildung linearer Gleichungssysteme bestimmt. Vorgaben über Gestalt, Material und Kinematik werden auch hier berücksichtigt. Simulation eines Hängemodells für die Schale des Naturtheaters in Grötzingen, von Heinz Isler entwickelte Methode

9 Beispiele: Linientragwerke; Bogentragwerke: M & G Ricerche Ort: Venafro, Italien Fertigstellung: 1992 Architekten: Samyn and Partners, A. Cermelli, A. Charon, M. D. Ramos, M. Van Raemdonck, B. Vleurik, Studio H. Beratung: Satesco (Bau), Canobbio (Dach) Grundfläche: 2700 m² Die M & G Ricerche sind chemische Labors, die in einem süditalienischen Tal liegen. Der Bau befindet sich in einem ovalen Wasserbecken, das zur Wärmeregulierung der Laboreinrichtung dient. Die ovale, zeltartige Überdachung überspannt einen Raum von 85 x 32m und 15m Höhe. Die Tragstruktur besteht aus sechs flachen Korbbögen (Dreigurtbögen, ausgebildet als Fachwerk) und Längsseilen, die die Bögen verbinden. Die Membran aus PVC beschichtetem Polyester ist transluzent und es gibt verglaste Kreisbögen zur Belichtung. Im Membranbau befindet sich ein zweistöckiger Bau für Dienstleistungen und Büros. Eisstadion München Ort: München, Olympiazentrum Bauherr: Olympiapark GmbH, München Architekt: Ackermann und Parner, München Ingenieure: Schlaich, Bergermann und Partner Fertigstellung: 1984 Größe: Fläche 4200m², Höhe 18,5m Das Membranbespannte Seilnetz wird von einem 104 m gespannten Stahlrohrbogen, ausgebildet als Fachwerk, abgehängt. Die Membran besteht aus PVC beschichtetem Polyester. Unter dem Bogen befinden sich Fenster zur Beleuchtung.

10 Beispiele: Linientragwerke; Bogentragwerke: Il Grande Bingo (Columbus International Exhibition) Ort: Genua, Italien Architekt: Renzo Piano Building Workshop SRL, Italien Bauzeit: Anläßlich der internationalen Kolumbusausstellung errichtet. Überdachung Trainingsbecken Ort: Kuala Lumpur, Malaysia Bauherr: U.E.M. Architekten: Weidleplan, Stuttgart Bauingenieur: Schlaich, Bergermann und Partner Fertigstellung: 1998 Bauart: Vorgespannte Membrankonstruktion. Stadtbahnhaltestelle Waldau Ort: Stuttgart Bauherr: Landeshauptstadt Stuttgart Bauingenieur: Schlaich, Bergermann und Partner Fertigstellung: 1998 Linientragwerke; Grat- und Kehlseil: Stadiondach Riyadh Ort: Riyadh, Saudi Arabien Bauherr: Ministry of Youth and Welfare, Saudi- Arabia Architekten: Ian Fraser, Architects, London Geiger + Berger, New York Bauingenieur: Schlaich, Bergermann und Partner Fertigstellung: 1984 Das Membrandach ist an Seilen und Seilmasten aufgehängt. Es wechseln sich Gratund Kehlseil ab. Dadurch entsteht die gefaltete Form. Die Membrane ist aus PTFE- beschichtetem Glasfasergewebe.

11 Beispiele: Punktgestützte Membrantragwerke: Olympiastadion München Ort: München Architekt: Behnisch & Partner, Stuttgart, München Bauingenieur: Fritz Leonhardt, Jörg Schlaich, Frei Otto Landschaftsarchitekt: Wolfgang Leonhardt Bauzeit: Das neue Zentrum wurde anläßlich der Olympiade 1972 auf dem alten Flughafenareal errichtet. Die Einzelbauten von Schwimmhalle, Sporthalle und Stadion werden durch die gemeinsame Überdachung verbunden. Die Dachfläche umfasst 74000m². Das Stahlseilnetz ist doppelt gekrümmt, vorgespannt und hat eine feste Maschenweite von 0,75m. Das Netz wird von Randseilen gespannt, die über Hochpunkte (Pylone) laufen und umgelekt werden. Die Zugkräfte werden über die Abspannung in die bis zu 40m tiefen Fundamente abgetragen. Das Stadiondach ist halbkreisförmig und besteht aus Sattelflächen, an deren Stoß sich Augen befinden, durch die Pylone stoßen. Durch frei drehbahre Knoten können Maschenwinkel eingestellt und somit alles vorfabriziert werden. Die Dachhaut besteht aus transluzenten Polymetacrylpaneelen, die an den Knotenpunkten befestigt ist mussten alle Paneele wegen Trübung ausgetauscht werden. Otto entwickelte die Spinnennetzstruktur durch Versuche, bei denen er Wassertropfen auf ein Spinnennetz träufelte, es mit Fixiermittel versteifte und auf den Kopf stellte.auch Seifenblasen inspirierten ihn.

12 Beispiele: Punktgestützte Membrantragwerke: Passagierterminal des Flughafen Denver Ort: Denver, Colorado, USA Bauherr: Kaiser Bautechnik Architekten: Fentress Bradburn Architects, James H. Bradburn, Curtis Worth Fentress, Thomas J. Walsh, Michael O. Winters Bauingenieur: Horst Berger Associates, Severud Associates(Dach), S. A. Miro Inc. Flächen: Areal 136,81km², von Membran überdeckt m², Höhe 39m Fertigstellung: 1994 Die Membran besteht aus PTFE-beschichtetem Glasfasergewebe und überdacht die Empfangshalle. Das 305m lange leichtgewichtige Membran-dach, verleiht dem Gebäude seine typische Form und lässt große Spannen zu. Vorteile sind geringere Unterhaltungs- und Konstruk-tionskosten sowie eine längere Haltbarkeit. Selbst in dem Klima von Denver, das durch heftige Schneefälle und niedrige Temperaturen gekennzeichnet ist, bietet die Spannstoffum-hüllung eine energiesparende Bedachungs-lösung. Das Dach wird von einer parallel angeordneten Stützenkonstruktion getragen EXPO 1998, Lissabon Ort: Lisabonn, Portugal Architekten, Bauingenieur: IPL Ingenieurplanung Leichtbau GmbH, Fertigstellung: 1994

13 Quellen: (IPL Ingenieure) - (Ingenieurbüro: Schlaich, Bergermann und Partner) - mb2/formfindung/beispiele/naturtheater_s G.htm - Skript: Prof. Dr.-Ing. Rainer Barthel, Lehrstuhl für Tragwerksplanung, Fachbereich Architektur, Technische Universität München - Geschichte der Architektur von der Antike bis heute, Könemann Verlag, Verfasser: Jan Gympel, Herausgeber: Peter Delius, 1996, S Zeitgenössische Architektur, Könemann Verlag, Autor: Francisco Asensio Cerver, Herausgeber: Paco Asensio, 2000, S. 28, 728 Bearbeitet von Melanie Schmid, Architekturstudentin, TU München