Material- und Konstruktionsentwicklungen von ETFE-Folien

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Das Interesse an transparenten Folien aus einem Kopolymer aus Ethylen und Tetrafluorethylen (ETFE) ist spätestens mit der Realisierung der Allianz Arena in München enorm gestiegen. Gerade im Fassaden- und Dachbereich bietet das transparente Membranmaterial herausragende Eigenschaften, die es für den Einsatz in der Gebäudehülle prädestinieren: Es weist eine hohe Lichtdurchlässigkeit auf, sie liegt bei ca. 95 %, wobei das Streulicht einen Anteil von 12 % und der geradlinige Lichtdurchgang einen Anteil von 88 % hat. Die gefährliche UV-B- und UV-C-Strahlung wird durch Filterung im Vergleich zum Aufenthalt im Freien deutlich gemindert. Der Fluorpolymer-Kunststoff ETFE hat eine Lebensdauer, die bei materialgerechtem Einsatz deutlich über 20 Jahren liegt. ETFE-Membrane erfüllt die Eigenschaft der Schwerentflammbarkeit B1 nach DIN 4102 und ist nicht brennend abtropfend. Zusätzlich ist die Brandlast durch die geringe Masse bei Materialdicken (zwischen 0,08 und 0,3 mm/Dichte ca. 1750 kg/m³) sehr gering. Das wartungsfreie Material ist selbstreinigend – durch Regen wird Oberflächenschmutz zuverlässig weggespült. Durch die fehlende Bruchgefahr sind im Vergleich zu Glas keine konstruktiven Einschränkungen im Überkopfbereich zu berücksichtigen. Verglichen mit Glas, haben Membrankonstruktionen zudem den großen Vorteil eines äußerst geringen Gewichts. Der Materialaufwand und die optische Wirkung der tragenden Konstruktion kann dadurch stark reduziert werden. Diese Materialeigenschaften sichern in der Anwendung ein über Jahrzehnte gleichbleibend hochwertiges Erscheinungsbild.

Gebäudehülle

Mit diesen Eigenschaften stellt der Membranwerkstoff gerade im Bereich von Gebäudehülle und Zweite-Haut-Fassade eine interessante Alternative zu Glas dar. Gebäudehüllen sind grundsätzlich trennende und filternde Schichten zwischen außen und innen. Neben Schutzfunktionen müssen Gebäudehüllen ausreichende Lichtdurchlässigkeit, Luftaustausch, Blickbeziehungen nach außen sowie ein ästhetisches Erscheinungsbild gewährleisten. Zudem regulieren sie über den Einsatz durchsichtiger und lichtdurchlässiger Materialien Strahlungs- und Energieflüsse. Ein prinzipielles Problem von Membrankonstruktionen ist die geringe Materialdicke, da dadurch das Wärmedämmvermögen trotz der geringen Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen begrenzt wird. Bei bestehenden Anforderungen an den U-Wert liegt die Lösung in der konstruktiven Ausbildung mehrerer Folienlagen, vorzugsweise mit Luftdruck gefüllte Kissenkonstruktionen, die durch ihre eingeschlossene Luftschicht hohe Wärmeleitwiderstände erzielen. In Kombination mit Funktionsschichten auf der Folie ist der Fa. Hightex mit der Realisierung des Foliendaches der Shopping Mall Dolce Vita in Lissabon im Bereich der Membrankonstruktionen ein entscheidender Schritt in Richtung hochtechnischer Gebäudehüllentechnologie gelungen.

Folienkissendach für die Shopping Mall Dolce Vita

Mit 70 t verbauter Folie ist das Foliendach der Shopping Mall Dolce Vita in Lissabon die weltweit zweitgrößte ETFE-Konstruktion. Mehr als 350 einzelne, pneumatisch gestützte Folienkissen überspannen eine Fläche von 42000 m². Es sind überwiegend quadratische Kissenelemente mit einer durchschnittlich überspannten Fläche von 100 m². Die Spannweiten von ca. 10 m sind für ETFE-Kissenkonstruktionen sehr weit und führen zu hohen Spannungen im Material. Um diese zu mindern, wurde der Stich der Kissen auf 4 m festgelegt und konnte dann vor allem durch eine Aufdopplung der oberen Folienlage realisiert werden. Mit der innovativen Kombination von verschiedenen Folienvarianten in einem einzigen Kissen war es möglich, eine hohe Tageslichtausbeute mit thermischem Komfort zu kombinieren.

Klimakonzept

Jedes Kissen besteht aus vier Folienlagen, mit denen im Kissen Luftkammern gebildet werden. Der Lufteinschluss erhöht das thermische Isolationsvermögen der Dachstruktur und schützt das Gebäude vor Hitze bzw. vor den kühleren Außentemperaturen im Winter. Bei einer Jahresdurchschnittstemperatur von 17 °C in Lissabon ist jedoch der sommerliche Überhitzungsschutz das viel entscheidendere Kriterium der Dachkonstruktion. Unterstützt wird das Klimakonzept des Kissendachs durch weitere Besonderheiten: Die obere Schicht wird von einer zweifach zu 100 % silberbedruckten Folie und einer darunterliegenden Folienbahn mit einem 65 %-igen Hexagonal-Rasterdruck in Silber und anschließendem 100 %-igen Silberdruck gebildet. Auch die untere Folienlage ist so behandelt. Die Bedruckung dient der Lichtstreuung und dem Sonnenschutz. Um die Wärmestrahlung abzuhalten, ist die untere der beiden oberen Folien zudem Low-e-beschichtet. Die nach Süden ausgerichtete Seite der oberen Folie ist – diagonal verlaufend – durch die Verwendung von weißem Material verblendet, sodass nur nach Norden eine transparente Durchsicht durch das Kissen möglich ist. Die Unterlage des Kissens hingegen ist genau entgegengesetzt aufgebaut: Hier schirmt die Beschichtung auf der nördlich ausgerichteten Seite des Kissens die senkrecht einfallende Solarstrahlung ab. Durch diese versetzte Anordnung entsteht eine Sheddach-Situation, bei der lediglich diffuses Nordlicht in das Gebäude gelangt. Dieses Licht – in Kombination mit der regelmäßigen Diagonalstruktur der bedruckten Kissen – erzeugt eine bewegte und rhythmische Dachstruktur, die zudem durch farbige Lichteffekte "aktiviert" wird. Neben den enormen Spannweiten und den daraus resultierenden Einsparungen der Tragstrukturen setzt das Kissendach in Lissabon durch die Kombination dreier einfacher Mittel, einer Schicht mit Low-e-Funktion, der Silberbedruckung und der Ausbildung vierlagiger Kissenstrukturen, im Bereich der energetischen Optimierung von Gebäudehüllen neue Akzente. Die Kombination von Funktion und Gestaltung ist hier auf eindrucksvolle Weise gelungen.

Funktionsschichten für ETFE-Folien

Den Funktionsschichten auf ETFE-Folien wird vergleichbar zu solchen auf Glas eine sehr hohe Bedeutung beigemessen. Dies hat zur Entwicklung der silberbedruckten bzw. Low-e-beschichteten, transparenten Folien geführt. In Kombination mit konstruktiven Maßnahmen können die Folien inzwischen eine Vielzahl der Anforderungen einer Gebäudehülle auf hohem Niveau umsetzen. Mittlerweile kann das Material darüber hinaus auch in fast allen RAL-Farben eingefärbt werden und eröffnet damit eine konstruktive und ästhetische Gestaltungsvielfalt in bisher nicht dagewesener Dimension.

Dr.-Ing. Gregor Grunwald