Technische Anwendungen sind bestimmt von anderen Voraussetzungen und Randbedingungen, aber das Prinzip hat auch dort eine überragende Bedeutung. Für den Flugzeugbau beispielsweise stellt leicht bauen eine technische Notwendigkeit dar (Abb. 2). Effizienz und Leistungsfähigkeit von Flugkörpern steigen mit der Reduzierung des Eigengewichts. Für den Hightech-Schiffbau bedeutet geringeres Gewicht eine Erhöhung der Geschwindigkeit (Abb. 3). Im fortgeschrittenen Automobilbau hat es eine vergleichbare Bedeutung: Leicht ist ein sinnvoller Ansatz, um den Treibstoffverbrauch zu senken (Abb. 4).
Kunststoffe sind hervorragend für Leichtbau-Konstruktionen geeignet. Sie haben ein sehr geringes Materialeigengewicht und mindestens ein Teil der Kunststoffe verbindet diese Eigenschaft mit hohen Festigkeiten. Kunststoffe finden aus diesen Gründen gerade in den Hochtechnologiebereichen Flugzeugbau, Schiffbau, Automobilbau und Ingenieurbau zunehmend Verwendung. Sie können aber auch beim Bau von Gebäuden intelligent und ökonomisch eingesetzt werden: Material zu sparen bedeutet Kosten zu reduzieren und Ressourcen zu schonen. Einschränkend lässt sich festzustellen, dass Bauweisen und Sicherheitskonzepte meist nicht unmittelbar aus der Natur und den Ingenieurdisziplinen übertragen werden können, weil Funktion, Anforderungen und Einwirkungen grundsätzlich verschieden sind. Bei Flugzeugen und Automobilen handelt es sich im Gegensatz zu Gebäuden in der Regel um Serienprodukte. Für Tragwerke im Bauwesen spielen umgekehrt Geschwindigkeitserhöhung und Reduzierung des Treibstoffverbrauchs keine Rolle.
Die Reduktion des Eigengewichts auf ein notwendiges Minimum erfolgt in einem werkstoff- und geometrieabhängigen Optimierungsprozess. Neben einem geringen spezifischen Gewicht der Werkstoffe kommt dabei insbesondere der intelligenten geometrischen Anordnung der Bauteile beziehungsweise der Wahl von geistreichen, kraftflussorientierten Tragsystemen eine herausragende Bedeutung zu: Die Formen von leichten Konstruktionen sind nicht zufällig. Für die notwendigen Entwurfsprozesse stehen heute geeignete Formfindungsmethoden und Werkzeuge zur Verfügung. In gestalterischer Hinsicht wirken leichte, filigrane Strukturen meist selbstverständlich und elegant. Eine konsequente Anwendung der Prinzipien des Leichtbaus ist also grundsätzlich ein sinnvoller Ansatz für ökonomisches, nachhaltiges und gestalterisch anspruchsvolles Bauen. Das Potenzial von hochleistungsfähigen Kunststoffen in den Einsatzbereichen Gebäudehülle und Tragstruktur bedarf in diesem Sinne einer Neubewertung. Sie ist sehr eng mit Konstruktionstechnologien, Gestaltungsprinzipien, Bemessungs- und Herstellungsverfahren verbunden. Nachfolgend werden ausgewählte Entwicklungstendenzen, aber auch Einschränkungen für die Verwendung von Kunststoffen im Bauwesen beschrieben.
Kunststoff als Hochleistungswerkstoff für Gebäudehüllen
Für architektonische bzw. statisch-konstruktive Anwendungen gelangen vor allem faserverstärkte Kunststoffe wie GFK und CFK sowie die thermoplastischen Kunststoffe PC (Polycarbonat) und PMMA (Polymethylmethacrylat) zum Einsatz. Sie werden in der Regel industriell in der Form von Halbzeugen hergestellt. Faserverstärkte Kunststoffe können aber auch im Handlaminierverfahren produziert werden. Für den Kunststoff-Leichtbau von besonderer Bedeutung ist der Umstand, dass das spezifische Gewicht beispielsweise von faserverstärkten Kunststoffen mit Werten von 1,4 bis 1,8 g/cm3 um den Faktor 5 unter dem spezifischen Gewicht beispielsweise von Stahl liegt.
In den Pionierzeiten des Einsatzes von Kunststoffen in der Architektur in den 1960er- und 1970er-Jahren sind eine Reihe von Prototypen für Häuser mit Gebäudehüllen aus Kunststoffen konzipiert und realisiert worden, neben anderen das Monsanto House, Futuro, Rondo, fg2000 und Bulle Six Coques (Abb. 5). Es wurden dabei in der Regel keine industriell gefertigten Kunststoffprodukte eingesetzt, obwohl die produktionstechnischen Anforderungen einer Serienfertigung in einigen Fällen die Planungsgrundlage bildeten. Die Verteuerung der Kunststoffe in den 1970er-Jahren und eine geringe Nachfrage nach den unkonventionellen Formen und Wohnkonzepten führten in Verbindung mit Problemen bei der Erteilung einer bauaufsichtlichen Zulassung, Fragen des Brandschutzes sowie bauphysikalischen Problemen zu einem vorzeitigen Ende der vielversprechenden Entwicklung.
Für Gebäudehüllen steht heute eine große Vielzahl von preisgünstigen und gestalterisch interessanten Kunststoffprodukten beziehungsweise Halbzeugen zur Verfügung (Abb. 6–12). In statisch-konstruktiver Hinsicht können Gebäudehüllen aus Kunststoffen eine Maßnahme sein, das Eigengewicht von Bauwerken und somit die Beanspruchungen für das Tragwerk zu reduzieren. Der Aspekt der Gewichtsminimierung von Gebäudehüllen ist vor allem bei nicht ausreichend tragfähigem Baugrund, nachträglichen Ergänzungen/Aufbauten, wandelbaren Strukturen etc. von Bedeutung. Gebäudehüllen lassen sich insofern auch dem Kunststoff-Leichtbau zuordnen.
Neben den vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten, beispielsweise durch die Oberflächentextur, die Farbgebung, Beschichtungen und Bedruckungen, aber auch durch Füllung von Hohlräumen, spielt in architektonischer Hinsicht vor allem die Dauerhaftigkeit und Witterungsbeständigkeit von vielen Kunststoffen eine besondere Rolle.
Eine für die Architektur besonders interessante Eigenschaft ist die Transluzenz einiger Kunststoffe. Neben Glas sind diese Kunststoffe die einzigen Materialien, mit denen eine natürliche Belichtung von Innenräumen erreicht werden kann. Kunststoffhüllen eignen sich im Unterschied zu Glas nach dem heutigen Stand der Technik nicht für die Herstellung von Isoliereinheiten mit Vakuum- oder Gasfüllung, weil Kunststoffplatten infolge von vergleichsweise großen temperatur- bzw. feuchtigkeitsbedingten Längenänderungen nicht zuverlässig luftdicht abgeschlossen werden können, und die Funktionsfähigkeit der Isoliereinheit aus diesem Grund nicht dauerhaft gewährleistet werden kann. Sofern hohe Anforderungen an den Wärmeschutz bestehen, werden Kunststoffe in der Praxis aus diesem Grund überwiegend als Teile von Doppelfassaden eingesetzt, bei denen eine innen liegende Isolierverglasung den Wärmeschutz übernimmt. Einen bereits praktizierten Ansatz zur Problemlösung bilden transluzente Polycar-bonat-Stegplatten mit vergleichsweise niedrigen U-Werten oder Kunststoff-Stegplatten mit einer Füllung aus Aerogelgranulat, die den Wärmedurchgang in erheblichem Umfang reduzieren kann. Prototypische Anwendungen, beispielsweise das Dornier-Museum, Friedrichshafen (Abb. 17), sind erfolgt, jedoch liegen über einen längeren Zeitraum reichende Praxiserfahrungen mit solchen transluzenten, vollständig aus Kunststoff bestehenden Fassadenaufbauten, die auch Wärmeschutzanforderungen erfüllen, noch nicht in ausreichendem Umfang vor.
Für transparente Gebäudehüllen mit geringen Anforderungen an den baulichen Wärmeschutz kommen auch pneumatische Strukturen aus Kunststoff-Folien in Frage, eine preiswerte und sehr leichte Alternative zu steifen Konstruktionen. Sie sind zwar in der Spannweite begrenzt, eignen sich aber hervorragend für eine Minimierung des Eigengewichtes der Hülle. Eine nicht geringe Zahl von realisierten Bauten, insbesondere mit weit gespannten Tragwerken, zeigt das Anwendungsspektrum dieser Bauweise, etwa das Eden Project von Nicholas Grimshaw (Abb. 1). Eine Sonderform der pneumatischen Strukturen bilden Unterdruckkons-truktionen, bei denen eine Folienhülle mit Hilfe von Unterdruck gegen eine innen liegende Tragstruktur stabilisiert wird.
Für die tragenden Teile von Gebäudehüllen eignen sich in besonderem Maße GFK-Fassadenprofile. Neben der hohen mechanischen Festigkeit sind eine gute Korrosionsbeständigkeit und das geringe Eigengewicht die Gründe. GFK-Elemente können in derselben Ebene wie die thermische Gebäudehülle angeordnet werden oder diese durchdringen, ohne dass größere Wärmebrücken entstehen, weil sie im Unterschied zu metallischen Profilen nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen und bauphysikalische Probleme daher vermieden werden können. GFK hat das Potenzial, im Fassadenbau in Konkurrenz zu anderen Werkstoffen wie beispielsweise Aluminium zu treten. Das Verwaltungs- und Produktionsgebäude von Fiberline zeigt die Anwendung von pultrudierten (im Strangziehverfahren hergestellten) Halbzeugen aus faserverstärkten Kunststoffen im Fassadenbereich (Abb. 18).
Kunststoff-Verbundkonstruktionen im Fassadenbau
Verbundwerkstoffe ermöglichen es, die Eigenschaften von Werkstoffen gezielt und vorteilhaft miteinander zu kombinieren und können so zu gleichermaßen intelligenten wie ökonomischen Lösungen führen. Die Kombination von glasfaserverstärkten Kunststoffen und Glas ist aus einer Reihe von Gründen interessant. Die Verbindung zwischen den beiden Werkstoffen erfolgt aus Gründen der Krafteinleitung am besten flächig. Da die Temperaturdehnzahlen von Glas und pultrudierten GFK-Profilen infolge deren hohen Glasfaseranteils vergleichbar sind, lassen sich die beiden Werkstoffe kraftschlüssig und näherungsweise starr miteinander verkleben, ohne dass Zwängungen von nennenswertem Umfang entstehen. Ein Pilotprojekt war ein GFK-Glas-Pavillon, dessen Dachscheiben kraftschlüssig mit GFK-Trägern zu einem Verbundtragwerk verklebt wurden (Abb. 15).
Eine Industrieentwicklung durch Fiberline Composites A/S und das ITKE der Universität Stuttgart sowie weiterführend durch Engelsmann Peters Beratende Ingenieure sind nach dem Composite-Glazing-Prinzip gefertigte Fassadenelemente, die aus einer Isolierverglasung und einer tragenden Unterkonstruktion aus glasfaserverstärkten Kunststoffen bestehen (Abb. 14). Isolierverglasung und Kunststoffprofile werden kraftschlüssig zu einem Verbundquerschnitt verklebt. Die aufgeklebten GFK-Profile können insbesondere großflächige Verglasungen sehr effizient gegenüber Windeinwirkungen stabilisieren. Für architektonische Anwendungen von Interesse ist der Umstand, dass auf diese Weise sehr schlanke Fassadenprofile erzeugt werden können.
GFK-Glas-Fassadenelemente eignen sich in besonderem Maße für große Geschosshöhen. Sie können werkseitig vorgefertigt werden. Elementfassaden aus Composite-Glazing-Elementen sind im baukonstruktiven Aufbau sehr einfach und können in kurzer Zeit ökonomisch montiert werden. Einen Nachteil von Verbundwerkstoffen, insbesondere von solchen mit Klebeverbindungen, bilden die in vielen Fällen noch ungelösten Probleme beim Recycling. Eine nachhaltige Betrachtungsweise muss diese grundle-genden Fragen klären, im Hinblick auf die Rezyklierbarkeit von Kunststoffen und Verbundwerkstoffen besteht Forschungsbedarf.
Kunststoff als Hochleistungswerkstoff für Tragstrukturen
Für Tragstrukturen gelangen überwiegend faserverstärkte Kunststoffe zum Einsatz, weil sie über hervorragende Festigkeiten verfügen und eine hohe Dauerhaftigkeit aufweisen. Sie werden meist in Form von pultrudierten Halbzeugen oder individuell von Hand gefertigten Sonderbauteilen verwendet. Ein vergleichsweise neues Produkt sind hochfeste und korrosionsbeständige Zugglieder aus CFK. Die werkseitige Fertigung von Halbzeugen erlaubt eine witterungsunabhängige Herstellung und Montage. Eine Vielfalt von sehr unterschiedlichen Beispielen aus der Tragwerksplanung belegt das Potenzial von Kunststoff-Leichtbautragwerken auf eindrucksvolle Weise.
Die Fügetechnologien des Kunststoffbaus insbesondere bei lösbaren Verbindungen sind zu erheblichen Teilen abgeleitet aus den Fügetechnologien des Stahlbaus. Eine punktuelle Krafteinleitung wie beispielsweise bei Schraubverbindungen hat allerdings den Nachteil, dass die Lasteinleitung stark von der Faserrichtung und Faserkonzentration abhängt und lokal auftretende Spannungsspitzen aufgrund fehlender Plastizität des GFK nicht umgelagert werden können. Eine werkstoffgerechte Fügetechnologie für faserverstärkte Kunststoffe ist das Einlaminieren von Formteilen. Das Krafteinleitungsproblem kann auf diese Weise reduziert werden.
Eine besondere Bedeutung kommt den Klebeverbindungen zu. Klebeverbindungen sind insofern eine kunststoffgerechte Fügetechnologie, weil die Beanspruchungen flächig eingeleitet werden. Sie eignen sich also in vielen Fällen hervorragend für kraftschlüssige Verbindungen, haben aber auch eine Reihe von Nachteilen. Nicht gelöste Probleme bei Klebeverbindungen sind vor allem der Transport von großen Bauteilen, die Dauerhaftigkeit über lange Zeiträume, das Tragverhalten im Brandfall und die Aus-tauschbarkeit von Einzelteilen. Die Entwicklung von werkstoffgerechten Fügetechnologien für Kunststoffe ist noch nicht abgeschlossen.
Einschränkend für den Gebrauch von Kunststoffen in tragender Funktion sind in der Praxis einerseits die Anforderungen an die Feuerwiderstandsdauer von tragenden Bauteilen, andererseits die geringe Steifigkeit der Kunststoffe. Das Brandverhalten von Kunststoffen schließt eine Verwendung für mehrgeschossige Gebäude bei herkömmlichen Anforderungen an Feuerwiderstandsdauer und Baustoffklassen ohne zusätzliche Maßnahmen praktisch aus. Der niedrige E-Modul von Kunststoffen führt zu vergleichsweise großen Verformungen, die die Gebrauchstauglichkeit von Gebäuden beeinträchtigen können. Es kann ihnen nur durch einen hohen Materialaufwand oder eine gestalterisch in der Regel nicht vorteilhafte große Bauhöhe entgegengewirkt werden. Der Einsatz von Kunststoffen für Tragstrukturen ist aus diesen Gründen vor allem möglich bei Bauaufgaben, bei denen Brandschutzanforderungen und Verformungsbeschränkungen von geringer Bedeutung sind.
Bei den Ingenieurbauwerken, bei denen keine Anforderungen an die Feuerwiderstandsdauer bestehen, ist die Verwendung von Kunststoffen in tragender Funktion eine sehr aktuelle Entwicklung. Dies gilt insbesondere für Brücken. Einen Schwerpunkt der Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen bilden mit einer speziellen Geometrie pultrudierte GFK-Profile für Fahrbahnplatten, die auf ein konventionelles Haupttragsystem, beispielsweise aus Stahlprofilen, montiert werden. Die Vorteile liegen in der hohen Dauerhaftigkeit von GFK, vor allem gegenüber Frost- und Tausalzbeanspruchungen, und im geringen Eigengewicht, insbesondere im Vergleich mit Betonfahrbahnplatten. Für Brücken spielt auch der Umstand, dass GFK-Fahrbahnplatten im Werk vorgefertigt werden können, eine Rolle. Ein realisierter Prototyp ist die Straßenbrücke über die B 455 in Friedberg in Hessen (Abb. 16).
GFK-Brücken mit einem Haupttragsystem aus GFK sind dagegen selten. Ursache ist der niedrige E-Modul von GFK, der wegen der strengen Verformungsbegrenzungen bei Straßen- und Eisenbahnbrücken nur eine Verwendung bei kleinen Spannweiten sinnvoll erscheinen lässt. Nichtsdestotrotz spielen Kunststoffe im Brückenbau eine bedeutsame Rolle als Technologieträger und Katalysator für Entwicklungen im Bereich der tragenden Strukturen.
Kunststoff-Leichtbau: von der Sonderanfertigung zu modularen und seriellen Konzepten
Die üblichen Produktionsmethoden zur Herstellung von Kunststoffprodukten und -bauteilen beruhen auf der Fertigung in großen Stückzahlen. Bauliche Anwendungen sind aber in der Regel Prototypen, in den meisten Fällen handelt es sich um Unikate. Faserverstärkte Kunststoffe eignen sich daher insbesondere für einen Einsatz bei Sonderbauteilen mit komplexer Geometrie, die mit anderen Werkstoffen so nicht ohne weiteres zu realisieren sind.
Neben dünnwandigen GFK-Flächentragwerken finden wir in der Praxis vor allem Sandwich-Bauteile mit GFK-Deckschichten und PU-Schaumkernen. Sie ermöglichen wegen der größeren Bauteilhöhe höhere Steifigkeiten bei gleichzeitig reduzierter Empfindlichkeit gegenüber Stabilitätsproblemen. Bei großen Bauteilabmessungen ist der Produktionsprozess beziehungsweise die maximale Elementgröße auf Transport und Montage abzustimmen. Eine Reihe von gebauten Beispielen belegt eindrucksvoll die Leistungsfähigkeit der Bauweise. Einschränkend ist festzustellen, dass es sich in der Regel um individuelle und entsprechend aufwändige Sonderanfertigungen handelt.
Für die Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen ist ein Formwerkzeug erforderlich, das in Abhängigkeit vom Herstellungsprozess eine unterschiedliche Ausbildung erfährt. Der Formenbau und die Oberflächenbearbeitung des Formwerkzeuges bilden einen nicht zu unterschätzenden Kostenfaktor bei der Realisierung von Kunststoffbauteilen. Die Fertigung von individuellen Bauteilen ist aus diesem Grund in der Regel sehr kostenintensiv, ein Hauptgrund für den geringen Marktanteil der Kunststoffgebäude. Bauteile aus Kunststoffen können in vielen Fällen in wirtschaftlicher Hinsicht nur dann mit konventionellen Werkstoffen konkurrieren, wenn die Formen mehrfach verwendet beziehungsweise die Produkte in Serie gefertigt werden. Eine ökonomisch sinnvolle Vorgehensweise ist es also, entweder Gebäude in Serie zu fertigen oder einen modularen Strukturaufbau zu konzipieren, bei dem die Einzelelemente eine identische Geometrie aufweisen und das Formwerkzeug eine Mehrfachverwendung erfahren kann. Modularität ist in diesem Sinne ein Schlüsselbegriff des Kunststoffleicht-baus.
Eine Kunststoff-Turmskulptur der Staatlichen Akademie der Bildenden Künste Stuttgart, die aus einer modularen Tragstruktur mit insgesamt sieben Elementen besteht, veranschaulicht die Prinzipien für modulares, werkstoff- und fertigungsgerechtes Bauen mit faserverstärkten Kunststoffen (Abb. 19). Die maximalen Außenabmessungen eines Einzelmoduls betragen in der Höhe ca. 85 cm und in der Breite ca. 105 cm. Die übereinander liegenden Einzelelemente sind jeweils gegenüber dem darüber bzw. darunter liegenden Element um 60 ° um die vertikale Achse gedreht. Die Gesamthöhe der Turmskulptur beträgt ca. 6 m, während die Wandstärke der GFK-Elemente bei lediglich 3 mm liegt. Ein fertiges GFK-Modul wiegt etwa 12 kg, der gesamte Turm nur ca. 84 kg ohne Betonfundament.
Die Verbindung der Einzelelemente wurde lösbar ausgebildet, um einen gegebenenfalls erforderlichen Rück- und Wiederaufbau an einer anderen Stelle einfach bewerkstelligen zu können. Die Module besitzen aus diesem Grund an den Fügestellen 30 mm breite Flansche, über die sie mit Schrauben untereinander verbunden werden (Abb. 20). Nicht vermeidbare Herstellungstoleranzen können in der Pressfläche der Flansche kompensiert werden.
Tragwerkstypologisch handelt es sich um ein selbst tragendes, kontinuierlich gekrümmtes Flächentragwerk, bestehend aus antiklastisch gekrümmten Einzelelementen. Die Stabilisierung der dünnwandigen Skulptur erfolgt über die Geometrie, die Krümmung sowie über die Randaufkantungen an den Fügepunkten. Eine Eigenheit der Kunststoff-Turmskulptur ist der wegen des extrem geringen Eigengewichts problematische Nachweis der Einleitung der Kräfte in den Baugrund. Eine zugfeste Verankerung musste aufgrund der örtlichen Gegebenheiten ausgeschlossen werden. Ein Betonfundament hat die Aufgabe, die abhebenden Kräfte infolge der Windbeanspruchungen mit seinem Eigengewicht zu überdrücken.
Für den Entwurfsprozess und die Fertigung gelangten digitale Entwurfswerkzeuge zum Einsatz. Der mit diesen Programmen erstellte digitale 3D-Datensatz ermöglichte eine präzise und gleichzeitig ökonomische Fertigung der Einzelbauteile. Das Formwerkzeug für ein Einzelelement bestand aus drei gleichen Teilstücken. Für das Formwerkzeug wurde aus Realisierungs- und Kostengründen ein Kern aus PU-Schaum mit einer sich darüber befindenden tiefgezogenen Haut aus Polystyrol, die die eigentliche Oberfläche des Formwerkzeugs bildet, gewählt. Die Herstellung der Einzelmodule erfolgte im Handlaminierverfahren.
Eine Industrialisierung des Herstellungsprozesses von Kunststoffstrukturen ermöglichen kontinuierliche digitale Prozesse, die in der Planung beginnen und bis zur Produktion reichen. Ein Beispiel sind CNC-gesteuerte Herstellungsverfahren für den Formenbau, beispielsweise das Fräsen von Schaumformen. Fräsverfahren sind jedoch materialaufwändig. Eine Weiterentwicklung stellt die Fertigung nicht nur von Formen, sondern von vollständigen Kunststoffbauteilen dar. Für thermoplastische Kunststoffe ist die Fertigung von Kunststoffbauteilen mit Hilfe der additiven Rapid-Prototyping-Technologie eine interessante Option, entsprechende Verfahren existieren allerdings zur Zeit nur für Bauteile von sehr begrenzter Größe. Für die Herstellung von faserverstärkten Bauteilen ist diese Technik nicht einsetzbar.
Kunststoff-Faltwerke: selbsttragende Gebäudehüllen
Einen Sonderfall für den Einsatz von Kunststoffen bilden selbsttragende Gebäudehüllen. Für diese Anwendung sind vor allem Flächentragwerke mit oder ohne Krümmung hervorragend geeignet. Ein Beispiel für eine hauchdünne selbsttragende Gebäudehülle ohne bauphysikalische Anforderungen sind die Fünf Blasen in Wien, ein im Handlaminierverfahren hergestelltes GFK-Schalentragwerk mit gekrümmter Bauteiloberfläche (Abb. 22).
Für den Kunststoff-Leichtbau von besonderem Interesse sind vor allem auch plattenförmige Kunststoff-Halbzeuge. Sie können zu Faltwerken, also räumlichen Strukturen aus dünnwandigen Plattenelementen, die im Unterschied zu klassischen Skelettbauten kein zusätzliches Stabtragwerk benötigen, gefügt werden. Faltwerke sind – im Unterschied zu biegebeanspruchten Platten – überwiegend normalkraftbeansprucht und aus diesem Grund sehr viel leistungsfähiger. Die Einzelkomponenten verfügen nur über eine begrenzte Steifigkeit, werden aber bei einer geeigneten dreidimensionalen Konfiguration zu hochleistungsfähigen Tragstrukturen, die gleichzeitig als Hülle fungieren können. Es können so komplexe und vielfältige Räume mit einfachen, kostengünstigen Plattenelementen gebaut werden.
Kunststoff-Faltwerke ermöglichen eine große Formenvielfalt. Sie folgen dabei einer Reihe von geometrischen Prinzipien, beispielsweise Längsfaltung, Umkehrfaltung oder pyramidische Faltung. Prinzipiell gilt, dass Kunststoff-Faltwerke im Unterschied zu Faltwerken aus anderen Werkstoffen kleinteilig sind, weil Kunststoff-Halbzeuge nur in begrenzten Abmessungen zur Verfügung stehen. Für Kunststoff-Faltwerke kommen aus diesem Grund vor allem Umkehrfaltungen und pyramidische Faltungen zum Einsatz. Beispiele für Umkehrfaltungen sind die Rauten-Faltung und die Fischgrät-Faltung (Abb. 21). Rauten-Faltungen bestehen aus dreieckigen Einzelflächen und führen stets zu gekrümmten Flächen. Fischgrät-Faltungen bestehen aus viereckigen Einzelflächen und können sowohl zu ebenen als auch zu gekrümmten Flächen führen. Die Wahl des Faltungsprinzips ist also auch von Querschnitt beziehungsweise Krümmung abhängig.
Eine entscheidende Rolle für die Wirtschaftlichkeit von Kunststoff-Faltwerken spielt die Optimierung des Flächenzuschnitts in der Abwicklung beziehungsweise Minimierung des Verschnitts. Faltwerke mit parallelen Kanten sind in dieser Hinsicht vorteilhafter als radiale Faltwerke. Forschungsbedarf besteht bei der Entwicklung von geeigneten Fügetechnologien für eine kraftschlüssige Verbindung von industriell vorgefertigten Platten, die baukonstruktiven und architektonischen Anforderungen gleichermaßen gerecht wird. Die Komplexität der Verbindung ist von Anzahl und Form der sich in einem Punkt schneidenden Kanten abhängig.
Das Kunststoff-Faltwerk der Staatlichen Akademie der Bildenden Künste Stuttgart (Abb. 25) ist ein Prototyp für den Einsatz von kostengünstigen plattenförmigen Halbzeugen für selbsttragende Gebäudehüllen. Ein hochleistungsfähiges Tragwerkskonzept, ein neuartiger Werkstoff und eine individuell entwickelte Fügetechnologie sind die besonderen Kennzeichen des Objekts.
Der Kunststoff-Pavillon besitzt im Grundriss einen Durchmesser von knapp 4 m und hat eine Hüllfläche von insgesamt ca. 22 m2. Die Struktur des Pavillons besteht aus acht identischen Teilsegmenten, die rotationssymmetrisch um eine vertikale Achse durch den Mittelpunkt des Pavillons angeordnet sind. Das Faltwerk folgt dem Prinzip der radialen Rauten-Faltung. Der gesamte Pavillon besteht aus insgesamt lediglich vier verschiedenen Plattenformaten, die jeweils 16 mal eingesetzt werden.
Für die Einzelplatten der Teilsegmente werden mit einem speziellen Verfahren gefertigte, transluzente Kunststoff-Sandwich-Elemente aus Polycarbonat verwendet. Sie bestehen aus einem auf einer Kernziehanlage gefertigten Wabenkern und den Deckschichten. Die Stabilisierung der vollständig aus Kunststoff bestehenden Struktur erfolgt über die Geometrie und eine kraftschlüssige Verbindung der Kanten. Das Eigengewicht des Pavillons beträgt insgesamt 192 kg.
Für die Detailplanung bestimmend war die gestalterische und konstruktive Herausforderung, Sandwich-Platten mit einer Dicke von nur 19 mm flächenbündig zu fügen. Die Verbindung der Teilsegmente untereinander ist lösbar ausgebildet, um einen Rück- und Wiederaufbau an einer anderen Stelle einfach bewerkstelligen zu können. Die Einzelplatten der Teilsegmente sind in einer die Toleranzen berücksichtigenden, vorab festgelegten Reihenfolge teilweise fest und teilweise lösbar gefügt (Abb. 23). Für die festen Verbindungen wurden Klebeverbindungen mit dünnflüssigen Lösungsmittelklebern eingesetzt. Für die lösbaren Verbindungen wurde eine neuartige Fügetechnologie mit Hilfe von Haftverschlüssen individuell entwickelt (Abb. 24). Sie gewährleistet eine kraftschlüssige und gleichzeitig lösbare Verbindung ohne Verwendung von materialfremden Teilen. Die in Eigenarbeit realisierte Ganz-Kunststoffkonstruktion ist ein Beitrag zur Weiterentwicklung des werkstoffgerechten Bauens mit Kunststoffen.
Kunststoff-Leichtbau ist eine Hochtechnologiebauweise mit Potenzial in den Einsatzbereichen Gebäudehülle und Tragstruktur. Die Formen von Kunststoffbauteilen sind in der Regel aus den Grundsätzen des Leichtbaus und den besonderen Fertigungsprozessen der Kunststoffbauweise abgeleitet. Die teilweise aufwändigen Fertigungsprozesse bei der Kunststoff-Leichtbauweise sind in ökonomischer Hinsicht zu optimieren und an die speziellen Randbedingungen des Bauwesens anzupassen. Sparsamkeit in der Verwendung der Mittel ist bei dieser Bauweise nur zu erreichen in Verbindung mit hinreichender Kenntnis von Werkstoffen, Produktionstechniken, Tragverhalten und Formfindungsmethoden, denn sie ist Voraussetzung für intelligent und mit hoher ingenieurmäßiger Präzision konzipierte Konstruktionen. Nur diese können mit konventionellen, zwar materialaufwändigen und schweren, aber kostengünstigen Bauweisen konkurrieren und so eine der großen Herausforderungen des Leichtbaus bewältigen.
Der Kunststoff-Leichtbau stellt also einerseits sehr hohe Anforderungen an Ingenieure und Architekten, er bietet jedoch auch das Potential für neue Formen und Qualitäten.
