Membrane in der Architektur

Membranarchitektur

Definition:Das Tragwerk der Membranarchitekturbesteht aus Stahlstützen, Stahlseilen undder textilen Membran.Die Membran wird vorgespannt um eineGrundstabilität zu erreichen. Dadurch wirdverhindert, dass die Membran im Windflattert und reißt und die Verformung wirdbei Krafteinwirkung verringert.Das Tragsystem ist auf Zug beansprucht.Membrane werden in der Architekturverwendet um leichte, luftige undtransparente Räume zu schaffen.Diese Architektur ist meist temporär oderwird als mobile Architektur verwendet, dierelativ leicht ab- und an anderer Stellewieder aufgebaut werden kann.Oft dient die Membran als Überdachungund als Wetterschutz und schließt ohneHinzufügen einer festen Fassade keinenRaum ab.

Verwendung findet die Membranarchitekturim öffentlichen Bauen: Sportstadien,Platzüberdachungen, Ausstellungszentren,Forschungseinrichtungen, Flughäfen usw.Aber auch von Firmen verwendet: in derAutomobilindustrie, für repräsentativeBauten, wie Ausstellungspavillons aufMessen, der Weltausstellung und zurPräsentation eines neuen Produktes.Entsprechend der Verwendungunterscheiden sich Membrankonstruktionenstark in Größe und Art der Ausführung.

Das Material einer Membran wird sorgsamgewählt und muss genehmigt werden. Dastextile Gewebe wird speziell beschichtet.Die Haltbarkeit einer Membran wirdverbessert, optimale Dichtigkeit garantiert,die Brandschutzordnung erfüllt und dieMembran ist schmutzabweisend und wirdvom Regen gereinigt.Das Gewebe verhält sich nichtlinear undnichtelastisch und und anisotrop, was heißt,dass sich das Verhalten in die beidenFadenlaufrichtungen unterscheidet.

Stützungsarten:Punktförmige StützungDie punktförmige Stützung der Membran istnicht möglich, da sie bei der Konzentrationder Kräfte auf einen Punkt reißen würde.Deshalb müssen die Hoch- und Tiefpunkteringförmig oder flächenförmig unterstütztwerden.

Membrane mit Hoch-/Tiefpunkten

D.h. am Rand der Membran wird ein Stahl-seil in einer Tasche entlang geführt, an demdie Abspannseile angreifen. Die Kraftverteilt sich dann auf den ganzen Rand. Inden Hochpunkten verfährt man ebenso miteiner Seilschlaufe, über die die Verbindungzum Mast hergestellt wird. Nur Seilnetzelassen eine punkuelle Stützung zu.

Linienförmige StützungDie linienförmige Stützung der Membran-tragwerke erfolgt entweder starr mittelseinem Bogen oder Träger oder flexibeldurch Verwendung von Seilen.Die Bögen oder Träger sind meist aus Stahlund aus Stabilitätsgründen häufig alsFachwerk ausgebildet.

Sie können unter der Membran verlaufenund das Gewebe wird darüber gespannt,oder sie verlaufen über der Membran.Diese wird mit Seilen am Träger befestigtund abgespannt. Seile verlaufen oberhalbals Kehl- oder unterhalb als Gratseil und dieMembran kann entweder wie ein Zelt oderwie ein Fächer gefaltet werden.

Membrane, durch Bogen gestützt

Flächige StützungDie flächige Stützung von Membranen wirdnur gelegentlich eingesetzt und erfolgtmeist durch pilzartige Schirmstützen. DieStützkörper können halbkugelförmig,ellipsoid oder tellerförmig sein.

Anders als bei der punktförmigen Stützungwirkt die Kraft auf eine größere kreisförmigeFläche und es besteht keine Gefahr desReißens.Die Masten sind mit dem Schirm verbundenund das Membrangewebe wird darübergespannt.

Membrane mit Kehl-/Gratseilen

Coste Crociere Gregotti

Membranen als Segel/Sattelfläche

F o r m f i n d u n g d u r c hexperimentelle Methodenund Modellbau

Seifenhautmodell:Mit Hilfe eines vorgebogenen Draht, der inSeifenlauge gehalten wird, wird dieFormbildung der gespannten Fläche, derMembran aus Seifenhaut untersucht. DieseHaut ist die Minimalfläche. Bei diesem Modellist die Last nur das Eigengewicht untergleichmäßiger Vorspannung.Die Minimalfläche weist in jedem Punkt einekonstante Spannung in alle Richtungen auf.Da bei einem Bauwerk jedoch unterschiedlicheLasten auftreten, ist die Minimalflächemeistens nicht ideal.

Strumpf- oder Gummimodell:Experimentelle Modelle sind sehr anschaulichund werden hierfür dem Computervorgezogen.Diese Modelle werden vor allem in derVorentwurfs- und Entwurfsphase verwendet.Sie werden aus elastischen Materialien wieStrumpf, Gummi oder Tüll hergestellt. DieseGewebe werden über kleine Masten zumBeispiel in Form von Stecknadeln oderZahnstochern gespannt und an den Rändernebenfalls mit Faden abgespannt. Eine ersteBetrachtung der Membranform ist möglich.Die genaue Berechnung und Formfindungfindet dann am Computer statt.

Demonstrationsmodell:Das Demonstrationsmodell ist ein Architektur-modell, das für Wettbewerbspräsentationeneingesetzt wird. Außerdem kann man andiesem Modell nochmals die Form überprüfenund das Gebäude im Umfeld betrachten. Eswerden auch Detailmodelle hergestellt beibeweglichen Konstruktionen.

Messmodelle und Windkanalmodelle gebenweiter Aufschluss über das Verhalten beiverschiedenen Lasten. Geometrische Größenund Spannungsverhältnisse werden erfasst.Im Winkanal werden die Drücke auf mehrerewichtige Punkte gemessen.

F o r m f i n d u n g d u r c he x p e r i m e n t e l l e u n danalyt ische Methoden

Aufhangmodell:Beim Hängemodell, das hauptsächlich fürSchalen und Gewölbe aus Stein oder Betonverwendet wird, macht man sich dieSchwerkraf zu nutze, da das Eigengewichtdas aufgehängte Seil oder Netz in ihreStützlinie bringt. Dies ist die ideale Form umLasten aufzunehmen und weiterzuleiten.Oft werden diese Versuche bei komplexenKörpern angewendet, um die richtigenKrümmungen, Längen und Abstände zuermitteln.

Analytische Methode:Es gibt drei Methoden der Formfindung überden Computer:1. Die Methode der Finiten Elemente (FEM):dies ist das gebräuchlichste Verfahren, aufdas kommerzielle Programme basieren. DieGleichgewichtsform wird über einegeometrisch nichtlineare, elastostatischeAnalyse ermittelt. Vorgaben über Gestalt,Material und Kinematik werden berücksichtigt.2 . D i e K r a f t d i c h t e m e t h o d e : d i eGleichgewichtsform wird über vorgegebeneKraftdichtewerte (Kraft pro Längeneinheit)des Spannungszustandes durch die Bildunglinearer Gleichungssysteme bestimmt.Vorgaben über Gestalt, Material und Kinematikwerden auch hier berücksichtigt.

Aufhangmodell von Gaudi für das Gewölbeder Sagrada Familia in Barcelona

Aufhangmodell von Frei Otto für die Multihallein Mannheim, 1970-1975, anläßlich derBundesgartenschau

Simulation eines Hängemodells für die Schaledes Naturtheaters in Grötzingen, von HeinzIsler entwickelte Methode

Beispiele:

Linientragwerke; Bogentragwerke:

M & G RicercheOrt: Venafro, ItalienFertigstellung: 1992Architekten: 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, diein einem süditalienischen Tal liegen. Der Baubefindet sich in einem ovalen Wasserbecken,das zur Wärmeregulierung der Laboreinrichtungdient.Die ovale, zeltartige Überdachung überspannteinen Raum von 85 x 32m und 15m Höhe.Die Tragstruktur besteht aus sechs flachenKorbbögen (Dreigurtbögen, ausgebildet alsFachwerk) und Längsseilen, die die Bögenverbinden.Die Membran aus PVC beschichtetem Polyesterist transluzent und es gibt verglaste Kreisbögenzur Belichtung.Im Membranbau befindet sich ein zweistöckigerBau für Dienstleistungen und Büros.

Eisstadion MünchenOrt: München, OlympiazentrumBauherr: Olympiapark GmbH, MünchenArchitekt: Ackermann und Parner, MünchenIngenieure: Schlaich, Bergermann und PartnerFertigstellung: 1984Größe: Fläche 4200m², Höhe 18,5m

Das Membranbespannte Seilnetz wird voneinem 104 m gespannten Stahlrohrbogen,ausgebildet als Fachwerk, abgehängt.Die Membran besteht aus PVC beschichtetemPolyester.Unter dem Bogen befinden sich Fenster zurBeleuchtung.

Il Grande Bingo (Columbus InternationalExhibition)Ort: Genua, ItalienArchitekt: Renzo Piano Building WorkshopSRL, ItalienBauzeit: 1988-1992

Anläßlich der internationalenKolumbusausstellung errichtet.

Überdachung TrainingsbeckenOrt: Kuala Lumpur, MalaysiaBauherr: U.E.M.Architekten: Weidleplan, StuttgartBauingenieur: Schlaich, Bergermann undPartnerFertigstellung: 1998Bauart: Vorgespannte Membrankonstruktion.

Stadtbahnhaltestelle WaldauOrt: StuttgartBauherr: Landeshauptstadt StuttgartBauingenieur: Schlaich, Bergermann undPartnerFertigstellung: 1998

Stadiondach RiyadhOrt: Riyadh, Saudi ArabienBauherr: Ministry of Youth and Welfare, Saudi-ArabiaArchitekten: Ian Fraser, Architects, LondonGeiger + Berger, New YorkBauingenieur: Schlaich, Bergermann undPartnerFertigstellung: 1984

Das Membrandach ist an Seilen undSeilmasten aufgehängt. Es wechseln sich Grat- und Kehlseil ab. Dadurch entsteht die gefalteteForm.Die Membrane ist aus PTFE- beschichtetemGlasfasergewebe.

Beispiele:

Linientragwerke; Bogentragwerke:

Linientragwerke; Grat- und Kehlseil:

Das neue Zentrum wurde anläßlich derOlympiade 1972 auf dem alten Flughafenarealerrichtet.Die Einzelbauten von Schwimmhalle,Sporthalle und Stadion werden durch diegemeinsame Überdachung verbunden.Die Dachf läche umfasst 74000m².Das Stahlseilnetz ist doppelt gekrümmt,vorgespannt und hat eine feste Maschenweitevon 0,75m. Das Netz wird von Randseilengespannt, die über Hochpunkte (Pylone) laufenund umgelekt werden. Die Zugkräfte werdenüber die Abspannung in die bis zu 40m tiefenFundamente abgetragen.Das Stadiondach ist halbkreisförmig undbesteht aus Sattelflächen, an deren Stoß sichAugen befinden, durch die Pylone stoßen.Durch frei drehbahre Knoten könnenMaschenwinkel eingestellt und somit allesvorfabriziert werden.Die Dachhaut besteht aus transluzentenPolymetacrylpaneelen, die an den Knoten-punkten befestigt ist. 1997 mussten allePaneele wegen Trübung ausgetauscht werden.

Otto entwickelte die Spinnennetzstruktur durchVersuche, bei denen er Wassertropfen auf einSpinnennetz träufelte, es mit Fixiermittelversteifte und auf den Kopf stellte.AuchSeifenblasen inspirierten ihn.

Beispiele:

Punktgestützte Membrantragwerke:

Olympiastadion MünchenOrt: MünchenArchitekt: Behnisch & Partner, Stuttgart,MünchenBauingenieur: Fritz Leonhardt, Jörg Schlaich,Frei OttoLandschaftsarchitekt: Wolfgang LeonhardtBauzeit: 1968-1972

Passagierterminal des Flughafen DenverOrt: Denver, Colorado, USABauherr: Kaiser BautechnikArchitekten: Fentress Bradburn Architects, JamesH. Bradburn, Curtis Worth Fentress, Thomas J.Walsh, Michael O. WintersBauingenieur: Horst Berger Associates, SeverudAssociates(Dach), S. A. Miro Inc.Flächen: Areal 136,81km², von Membranüberdeckt 34848 + 5231m², Höhe 39mFertigstellung: 1994

Die Membran besteht aus PTFE-beschichtetemGlasfasergewebe und überdacht dieEmpfangshalle.Das 305m lange leichtgewichtige Membran-dach,verleiht dem Gebäude seine typische Form undlässt große Spannen zu. Vorteile sind geringereUnterhaltungs- und Konstruk-tionskosten sowieeine längere Haltbarkeit. Selbst in dem Klima vonDenver, das durch heftige Schneefälle und niedrigeTemperaturen gekennzeichnet ist, bietet dieSpannstoffum-hüllung eine energiesparendeBedachungs-lösung. Das Dach wird von einerparallel angeordneten Stützenkonstruktiongetragen

Beispiele:

Punktgestützte Membrantragwerke:

EXPO 1998, LissabonOrt: Lisabonn, PortugalArchitekten, Bauingenieur: IPL Ingenieur-planung Leichtbau GmbH,Fertigstellung: 1994

Quellen:

- www.structurae.de- www.archinform.de- www.canobbio.com (IPL Ingenieure)- www.sbp.de (Ingenieurbüro: Schlaich,Bergermann und Partner)- www.uni-weimar.de/Bauing/iki/massiv/mb2/Formfindung/Beispiele/Naturtheater_SG.htm

- Skript: Prof. Dr.-Ing. Rainer Barthel, Lehrstuhlfür Tragwerksplanung, FachbereichArchitektur, Technische Universität München- Geschichte der Architektur von der Antikebis heute, Könemann Verlag, Verfasser: JanGympel, Herausgeber: Peter Delius, 1996,S.104- Zeitgenössische Architektur, KönemannVerlag, Autor: Francisco Asensio Cerver,Herausgeber: Paco Asensio, 2000, S. 28, 728

Bearbeitet von Melanie Schmid,Architekturstudentin, TU München