Byggeri med foliepuder - Vector Foiltec

Byggeri med foliepuder
Sammenfatning Foliepuder består af pneumatisk
forspændte, papirtynde membraner af ETFE, der anvendes
som Klimaskærm til tage og vægge. Ved hjælp af luftlommerne
mellem lagene opnås gode varmeisolerende egenskaber.
Den meget lave egenvægt og materialets høje styrke giver
mulighed for store spændvidder og planlægning af større
lysgennemstrømmede arealer i mange forskellige konturer.
Efterfølgende præsenteres hertil optimerede bærende
konstruktioner.
Foil cushions: shell of buildings!
Abstract
Foil cushions - pneumatically prestressed thin membrane
structures made of ETFE – are used in buildings as claddings
with thermal properties. Due to the air buffer between various
layers, foil cushions achieve very satisfying insulation
properties and are used as wall or roof cover. In comparison
to structural glazing, foil cushions allow larger spans in almost
any shape and large transparent areas. To take advantage
of the unique properties of ETFE foil claddings, examples of
special and highly optimized structures are presented.
1 Indledning
Med Frei Otto’s ideer og byggeriet
af Olympiastadion i München blev
grundlaget for byggeri med membraner
påbegyndt i Tyskland, hvilket
igangsatte en udvikling, hvis afslutning
på nuværende tidspunkt endnu
ikke er i sigte. Princippet for invers
krumning (antiklastisk konstruktionsmåde)
vandt indpas for at kunne give
membranerne en entydig form og
forspænding. Enkeltlagsbeklædninger
af tekstilmateriale tjener som vind- og
vejrbeskyttelse og forspændes som
regel mekanisk.
Allerede i begyndelsen af 1980‘erne
begyndte man at anvende membraner
af plastfolier i pudeform og stabilisere
dem pneumatisk (under mærkenavnet
Texlon ® -system).
Dr.-Ing. Stefan Lehnert
Direktør hos Vector Foiltec GmbH
Steinacker 3, 28717 Bremen, Tyskland
de@vector-foiltec.com
Billede 1.
Dr.-Ing. Tobias Schween
Ingenieurgemeinschaft Thor – Schipper – Schween
Neuer Markt 4, 49393 Lohne
info@tss-ingenieure.de
Herved drejer det sig ikke om enkeltlagsmembraner, men
om puder med to til fem lag, som nu ud over funktionen
som vejrbeskyttelse også fremviser gode varmeisolerende
egenskaber og anvendes som klimaskærm. Materialet EFTE
(ethylen-tetrafluorethylen) der fremstilles af fluorid, egner sig
ideelt hertil.
I de sidste 30 år er der i hele verden blevet bygget mange
markante og arkitektonisk avancerede klimaskærme med
EFTE-puder.
2 Materialet ETFE
ETFE udmærker sig ved følgende egenskaber:
• Trækstyrke >50 N/mm²
• Brudforlængelse >350 % iht. DIN EN ISO 527-1
• Høj rivestyrke (>400 N/mm iht. DIN 53363)
• Kuldebestandig ned til -160 °C
• Høj lystransmittans inkl. UV-stråling
• UV-resistent og ældningsbestandig
• Antiadhæsiv, glat overflade (selvrengørende)
• Haglbestandig iht. SIA V280 og EN 13583
• Elasticitetsmodul ca. 700 N/mm²
• Brandklasse B1, uden brændende dråber fra 250 °C
• Egnet til svejsning
Folier af flourplast har igennem 30 år været underkastet
naturlige og kunstige vejrtests, og har indtil dags dato ikke
fremvist væsentlige forandringer.
Ved disse tests undersøger man især høj UV-stråling
og særdeles høj luftforurening. Derfor forventes ingen
nedbrydning af foliematerialet på grund af miljøbelastninger.
Selve materialet er UV-transparent og UV-bestandigt
uden yderligere kemiske additiver. Produkter af ETFE
kan genbruges og bør efter anvendelse igen tilføres
produktionsprocessen. Texlon ® -foliesystemer har på
grund af deres antiadhæsive overflade vist sig at være
selvrengørende, endda hårdnakket snavs som f.eks.
fugleekskrementer skylles af i regnvejr.

Billede 2. DomAquareé - Berlin, DE Billede 3. Kensington Academy - Liverpool, GB
3 Teknologi
Den pneumatiske forspænding
med et lavtryksluftsystem forhindrer,
at folien slår ud eller flagrer og giver
dermed puden en stabil form.
Puderne forankres omløbende i
letmetalprofiler ved hjælp af en
kantsvejsning (billede 1). Disse
profiler – fastskruet på en primær
konstruktion – danner en ramme,
hvori puderne opspændes.
Billede 4.
Man kan formgive puderne på
næsten alle måder som f.eks.
trekantede og rombeformede
grundformer i det buede tag på
DomAquarée (billede 2) eller de
buede puder over tagskægget på
Billede 5.
Kensington Academy (billede 3).
Puderne svejses termisk sammen af baner. Der anvendes
folier med en tykkelse på mellem 100 µm og 250 µm.
Puderne beregnes på grundlag af membranteorien.
Langstrakte plane puder med et sideforhold på l / b > 2
virker overvejende som enkeltspændte konstruktioner, som
for nemhedens skyld dimensioneres ved en todimensional
beregning. Som regel kræves tredimensionale betragtninger
ifølge FE-metoden for at kunne beregne pudernes bæreevne
tilstrækkeligt nøjagtigt.
Fremstillet med en lav afstand mellem lagene udvider
folien sig på grund af det indvendige tryk på f.eks. 200 Pa
(lavtrykssystem) til sin grundform.
Påvirkningen af kortvarige belastninger bevirker, at den ene
folie fortsat belastes, mens folien på den modsatte side
aflastes – at sammenligne med krydsende forspændte wirer.
Hvis den ydre påvirkning
overskrider den pneumatiske
forspændings værdi med ca.
det dobbelte, bærer nu kun
én folie som dimensioneres
for denne belastning.
Ved påvirkninger der påføres
langsomt som f.eks. sne,
må man gå ud fra at luften
langsomt presses ud af
puderne, når belastningen
overskrider det indvendige
tryk (ikke et lukket system).
Ved dette kollaberede system
ligger begge folier direkte
ovenpå hinanden, og er med
til at optage belastningen.
Alt efter pudernes geometri
og hældning skal man evt.
tage højde for ansamling
af smelte- og regnvand. Vand-, sneansamlinger eller stor
vindbelastning (f.eks. topværdier på hjørner) kan ved store
spændvidder kræve, at ETFE-folier skal støttes af tynde
stålwirer.
Vandansamlinger kan opstå, når sne smelter og der
kommer mere vand til på grund af nedbør. I tilfælde „Svigt
af pudens indvendige tryk“ er der ligeledes mulighed for, at
regnvand samler sig i en trykløs pude. Ved hensyntagen til
vandansamlinger under dimensioneringen, skal disse kun
betragtes som en kortvarig, forbigående tilstand. Ved aktiv
trykluftforsyning genoprettes pudens form og vandet løber
af. Dog anbefales det, at foliepuden hældes et par grader.
Herved kan vandansamlinger undgås eller reduceres
tilstrækkeligt. Delvist indsættes også tvangsstyret fjernelse
af vand fra puderne. Dog ønskes dette ikke over lukkede
rum og pålideligheden påvirkes bl.a. af løv, is eller andre
faste stoffer.

Sammenhængen i pudens ikke-lineære adfærd
vises med eksemplet på den overdækkede gård
i bygningen på Sandtorkai i Hamborg (billede 4 +
5). Ved tiltagende afstand mellem folielagene øges
bæreevnen overproportionalt. Trækkræfterne i
kanterne øges underproportionalt.
Fastgørelsesprofilerne og den primære bærende
konstruktion nedenunder skal dimensioneres for de
lodrette og vandrette forankringskræfter fra folien Billede 6.
og wirerne (alt efter geometri med resulterende
vektorer). Herved forekommer der allerede trækkræfter fra
kanterne på grund af det indvendige tryk; ydre belastninger
forøger disse. Ofte er kræfter fra nabopuder i ligevægt,
så kun rammerne i randområderne behøver at optage de
vandrette trækkræfter udover de ydre belastninger.
Ved betragtning af stabiliteten, skal tilfælde hvor en eller
flere puder er trykløse (f.eks. ved beskadigelse af folien
pga. orkan), også undersøges. Denne mulighed skal der
også tages højde for ved dimensioneringen af den primære
bærende konstruktion. På grund af materialets høje sejhed
og materialets styrke samt reserverne fra det membranagtige
bæresystem (en større afstand mellem folierne medfører en
større bæreevne) vil den primære bærende konstruktions
bæreevne som regel være afgørende for bygningsdelens
stabilitet.
Ved bestemte krav til bygningens klimaskærm kan det også
være meningsfuldt at vælge et højtryksluftsystem, hvor
kollaps af puderne under belastning i anvendelsetilstand
forhindres ved hjælp af betydeligt højere pneumatisk
forspænding. Dette system kræver dog som regel et større
forbrug af materiale, højere driftsomkostninger og højere
krav til styring og tæthed.
Dog skal det ovenfor beskrevne tilfælde med trykløse puder
alligevel være under kontrol.
4 Optimerede konstruktioner
Til de folietykkelser, som kan forarbejdes for tiden, kan
der – afhængigt af situation og påvirkninger – anvendes
foliebredder op til ca. 4,0 m uden yderligere wireforstærkning.
Herved er længden af puderne principielt uendelig, og
pudernes krumning, forvridning og hvælving (i modsætning
til glas) kan udformes uden problemer. Krumninger kan
af geometriske grunde kun til en vis grad fremstilles
meningsfuldt, hvilket dog ikke har nogen byggepraktisk
betydning. Kvadratiske, mangekantede eller runde puder
som er doppeltspændte, tillader selvfølgelig også større
spændvidder. Også her er en placering af puderne med
mindst en let hældning meningsfuld.
Den primære bærende konstruktions udformning skal være
afstemt med pudernes form og hældning. Da puderne også
har en vis udvidelse i tykkelsesretning, er konceptet med
dragere der krydser hinanden i to lag, ofte en hjælp
(billede 6).
Da profilerne ikke gennemskærer hinanden, er
forbindelserne nemmere at udføre. Foliens excentriske
trækkræfter er sjældent afgørende for dimensionering af
forbindelserne.
På grund af pudernes blødhed og den fleksible føring
af svejsesømmene kan puderne fremstilles i mange
forskellige former og giver dermed et stort spillerum for
kreativ udformning. Selv ved montering på eftergivelige,
underspændte bærende konstruktioner, eller puder som er
fastgjort direkte på wirer, kan der udføres varige og tætte
klimaskærme.
Billede 7 Detail Kontorhus NRGi Domicil i Aarhus, DK Billede 8. Kontorhus NRGi Domicil i Aarhus, DK

Billede 9. Kontorhus Widex i København, DK
5 Eksempler
Kontorhus NRGi Domicil i Aarhus, DK (billede 7 + 8)
Overdækket areal: 144 m²
Byggeår 2006
Primær bærende konstruktion af stål
Kontorhus Widex i København, DK (billede 9)
Overdækket areal:275 m²
Byggeår 2009
Primær bærende konstruktion af stål
Kontorhus Nydalshoyden blokk A i Oslo, NO
(billede 10)
Overdækket areal: 283 m²
Byggeår 2008/2009
Primær bærende konstruktion af stål
Yderligere eksempler findes også i [1] og [2].
6 Anvendelsesområder
Texlon ® -foliesystemer anvendes overvejende til transparente
tag og facader på arkitektonisk avancerede bygninger. Da
de lader ultraviolet lys igennem, anvendes de også som
overdækning af svømme- og fritidsbade samt zoologiske og
botaniske haver.
Ved hjælp af print eller farvning af folierne kan lysindfaldet
styres. Ved flere folier pr. pude og forskudte print kan
skyggevirkningen direkte påvirkes og kortvarigt ændres
med en pneumatisk styring.
Fordele i forhold til glasbyggeri
• Lavere systemvægt, (særdeles fordelagtig ved montering
på eksisterende byggeri)
• Større spændvidder = større transparent/translucent areal
• Fri 3D-formgivning
• Ufølsom over for deformering, derfor ideelt egnet til
bærende wirekonstruktioner
• Frit farvevalg og detaljerige grafiske print er mulige
• Minimalt rengøringsbehov
• Høj UV-transmittans
• Særdeles god rumakustik med korte efterklangstider
• Lettere og mere alsidige primære bærende konstruktioner
Ulemper
• Meget lav lydisolering
• Vedligeholdelse af lufttrykforsyning
Der opnås U-værdier på mellem 2,94 W/m²K ved puder med
to lag og værdier ned til 1,18 W/m²K ved puder med fem
lag. Translucent farvede folier (mælkeglaseffekt) egner sig
også særdeles godt til moderne lysarkitektur og endda til
videoduelige LED-mediefacader. Fastgørelsesprofilernes
varmeisolerende egenskaber er i mellemtiden blevet
forbedret betydeligt.
7 Sammenfatning
Foliepuder af ETFE er med succes blevet benyttet som
termisk adskillende klimaskærme i næsten 30 år. De
muliggør store transparente eller translucente arealer med
særdeles lav afskygningsfaktor pga. ramme og bærestruktur.
På grund af pudernes bøjelighed og svejsesømmenes
variable føring sættes der ingen grænser for formgivningen
af puderne. Det mest optimale er lange puder med en
lille hældning på langs eller tværs med en bredde op til
ca. 4 m, og en dertil optimeret underkonstruktion. Ifølge
dette koncept kan der udføres særdeles økonomiske
og lysgennemstrømmede klimaskærme med høj
arkitektonisk udtrykskraft efter en mangeårig afprøvet
konstruktionsmetode.

8 Litteratur
[1] Lehnert, S., Schween, T.: Bauen mit Folienkissen, Der Bauingenieur 81 (2006) S. 285 - 288
[2] Schween, T., Lehnert, S.: Dach- und Wandgestaltung mit pneumatisch vorgespannten Kissen aus ETFE,
VDI-Berichte Nr. 1970 (2007) S. 129 - 1
Billede 10. Kontorhus Nydalshoyden blokk A i Oslo, NO