Lautlose Revolution

Technische Textilfasern für außergewöhnliche Architekturformen

Der Begriff „Textilie“ ist allgemein fest verbunden mit der Bekleidungsindustrie. Dabei werden Textilfasern bereits seit Jahrzehnten im Bauwesen verwendet. Durch intensive Forschung konnten Entwicklungen angestoßen werden, um etwa die „schweren“ Baustoffe Beton, Stahl und Keramik mit „leichten“ Materialien zu ergänzen mit dem Ziel, bauphysikalische, statische und energetische Forderungen besser zu erfüllen. Mit technischen Textilfasern verstärkte Bauteile lassen aufgrund des geringeren Gewichts zudem Freiraum für elegante Gebäudeentwürfe.

Verarbeitet werden technische Textilfasern heute nicht nur in dünnen, leichten Betonschalen, sondern auch als Schutzarmierung in Folien (Sicherheit, Feuchteschutz, Schallschutz, Dach/Fassade usw.), Kunststoffputzen und -fenstern, Sicherheitsgläsern, Dämmstoffen, Solarpaneelen, und in unzähligen anderen Produkten im Hochbau.

Die Suche nach ressourcenschonenden und nachhaltigen Baustoffkombinationen hat zu bisher ungeahnten Anwendungen geführt. An solchen Konstruktionen wird in Deutschland seit etwa den 1950er-Jahren intensiv geforscht – vor allem an Verbundwerkstoffen, die wirtschaftlich im Hochbau nutzbar sind. Ergebnis: Faserverbundwerkstoffe werden heute im Tiefbau als Geotextilien und im Hochbau für hochwertige Fassadenkonstruktionen, dünne Betonschalen bzw. Decken, wie auch zur Dach­konstruktion oder im Innenausbau genutzt.

Bautechnische Eigenschaften

In der öffentlichen Architekturdebatte der 1950er- und 1960er-Jahre wurden Faserverbundwerkstoffe mit dem Negativimage der „Kunst­stoffe“ verknüpft, sodass sie trotz ihrer technischen Vorteile Ende der 1970er-Jahre nahezu vollständig aus dem Baugeschehen verschwun­den waren. Aus der damaligen Entwicklung hat man gelernt, dass die Einführung von neuen Werkstoffen nur dann auf Dauer erfolgreich sein kann, wenn sie sich gezielt auf Anwendungen beschränkt, bei denen sie Vorteile gegenüber traditionellen Baustoffen einbringen kann. Für das Bauwesen sind vor allem folgende Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen interessant:

– hohe mechanische Festigkeiten bei geringem Gewicht,

– Beständigkeit gegen Korrosion, Umwelteinflüsse und Ermüdung,

– niedrige Wärmeleitfähigkeit der polyme­ren Kunststoffmatrix,

– bauphysikalische Sicherheit und Beständigkeit gegen Feuchtigkeit,

– vielfältige architektonische Gestaltungsmöglichkeiten hinsichtlich Transparenz, Form und Farbe und vielfältige Kombina­tionsmöglichkeiten einzelner Werkstoffkomponenten.

Beispiel Betonbau

Aufgrund der aktuellen Schadenshäufigkeit von stahlarmierten Bauteilen, etwa bei Brücken oder Fertigteilen an Gebäuden, wird die Forderung von Architekten und Bauingenieuren zur Ablösung von Stahlarmierungen durch Faserverbundwerkstoffe mit langer Lebensdauer immer dringlicher. Die produktionstechnischen Herausforderungen für Forschung und Industrie gelten weniger den anwendungstechnischen Einzelfällen für ein bestimmtes Objekt, als vielmehr den standardisierten und in der Baupraxis nutzbaren Baukonstruktionen. Diese müssen nicht nur statischen Anforderungen genügen, sondern auch den hohen Ansprüchen in Sachen Nachhaltigkeit, Energieeffizienz, Leichtbau und architektonische Gestaltungsfreiheit gerecht werden.

Ein anderer Einsatzbereich ist die Verwendung als Schalungsbahn. Damit lassen sich glatte Oberflächen oder geformte Bauteile, bspw. geformte Wandflächen, runde Säulen, eckige Stützen, glatte Oberflächen usw., problemlos herstellen. Zudem wird, im Gegensatz zu Schalungen aus Holz oder Metall, kein Schalöl benötigt und somit der Umweltschutz verbessert.

Beispiel Fassade

Der Gesamtkomplex des ROC Leiden der RAU Architecten (Amsterdam) zeigt eine architektonisch außergewöhnliche Fassadengestaltung. Groß dimensionierte Fensterflächen stellen sicher, dass das Tageslicht tief in das Gebäude eindringen kann. Eingefasst wird die gesamte, fast 10 000 m² große Fassadenfläche durch aufwendig individuell gefertigte, teilweise rundlich geformte Vorhangelemente aus textilbewehrtem Beton, die auf einer Aluminium- bzw. teilweise auf einer Edelstahl­unterkonstruktion befestigt wurden. Die Verwendung der stabileren Edelstahlkonstruktion an einigen Teilen der Fassade war durch die hohen, sich durch die Gebäudegeometrie ergebenden Windlasten notwendig. Um die richtige Dimensionierung der Befestigung zu ermitteln, wurden im Vorfeld intensive Modellversuche im Windkanal durchgeführt.

Für den Einsatz von Textilbeton an der Fassade des ROC in Leiden sprach neben der architektonischen Gestaltungsfreiheit vor allem das geringe Gewicht. Die textilbewehrten Elemente erlauben relativ kleine Betonüberdeckungen der Bewehrung, da die zur Verwendung kommenden Textilien wie Glasfaser- und Carbongelege korrosionsunempfindlich sind. So konnten die 1 780 x 624 mm großen Elemente (Hering betoShell^®BIG) mit einer Stärke von nur 30 mm gefertigt werden. Die geringe Konstruktionsdicke und die daraus resultierende Gewichtsreduktion ermöglichten zudem eine Vereinfachung des Herstellungs- und Montageprozesses. Auch in Bezug auf die Farb- und Oberflächengestaltung ließ sich mit dem Textilbeton die von Bauherr und RAU Architecten gewünschte Optik realisieren. Hierbei wurde ein grün eingefärbter Hochleistungsbeton ausgewählt, dessen glänzende Natursteinzuschläge sich durch ein zusätzliches Säuern der Plattenoberfläche zeigen.

Auch andere Betonwerke bieten Architekten die Möglichkeit zur Herstellung textilfaserverstärkter Betonfertigteile nach individuellen Architektenentwürfen. Bisher nutzen insbesondere international tätige Architekturbüros diese Technik. Mit der sogenannten 3D-Fassadentechnik etwa entstehen spektakuläre Gebäude. Diese geformten Fassaden lassen sich nur mit textilarmierten Betonteilen gestalten.

Beispiel Überdachungen

So wurde bspw. der Wärmeschutz von Membrankonstruktionen durch neue Beschichtungen und mehrlagige Membranhüllen verbessert, um den erhöhten Anforderungen der EnEV 2014 zu entsprechen. Die Nutzung von Solarstrom – eine Teilforderung der EnEV 2014 – lässt sich an solchen Gebäuden durch die Integration siliziumbasierter Photovoltaikmodule oder gedruckter organischer Solarzellen an der Fassade oder auf dem Dach bewirken. Auch sie sind ein mit technischen Textilfasern versehenes Entwicklungsprodukt und sind gängigen Dach- und Fassadenkonstruktionen mit Dämmstoffen ebenbürtig. Auf dem Gelände des Instituts für Textil- und Verfahrenstechnik in Denkendorf (ITV) wird im Rahmen des Projekts „Eisbärhaus“ erforscht, wie Membrankonstruktionen bautechnisch und gestalterisch intensiv genutzt werden können. Das ITV erhielt für dieses Projekt den Techtextil Innovationspreis 2013.

Beispiel Bauphysik

Um die Forderungen der EnEV 2014 und der DIN 4108 bezüglich Feuchteschutz und Luftdichtheit bei Gebäuden zu erfüllen, werden seit Jahrzehnten Spezialfolien aus Faserverbundwerkstoffen eingesetzt. Die aus Textilfasern oder anorganischen technischen Fasern hergestellten Dichtfolien stehen als einlagige Spinnfaser oder mehrlagiger Faserstoff zur Verfügung. Je nach Spezifikation werden sie im bauphysikalischen Sinne als Dampfsperre, Feuchteschutz und zur Sicherung der Luftdichtheit im Hochbau verarbeitet. Zudem sind solche technischen Folien elektrisch nicht leitend – es sei denn, sie werden entsprechend ausgerüstet. Solche elektrisch leitenden Spezialfolien werden bspw. zur Einbruchsicherung, im Brandschutz oder zur Fluchtwegmarkierung eingesetzt.

Suche nach baupraktikablen Lösungen

Aufgrund der Sanierungsproblematik stahlarmierter Baukonstruktionen – Decken, Wände, Brücken usw. – verursacht durch chemische, physikalische und nutzungsbedingte Einflüsse, wurde der Ruf nach wirtschaftlich vertretbaren und technisch machbaren Baukonstruktionen immer lauter. Gesucht werden nachhaltige Wege, um die bisherigen von Korrosion bedrohten Betonarmierungen ersetzen zu können. Bekannt ist die Anwendung von Carbonfasern als nicht rostende Betonbewehrung. Seit über 20 Jahren forschen Textilinstitute und Hochschulen gemeinsam mit der Industrie an praktischen Anwendungen. Mittlerweile gibt es Gebäude, deren tragende Bauteile sowie Fassaden allein aus faserbewehrtem Beton errichtet sind. Ihre Bewehrung besteht aus Gittern von Glas- und Carbonfaserverbundstoffen anstelle der traditionellen Stahlarmierung. Da diese Verbundstoffe korrosionsbeständig sind, kann die notwendige Überdeckung der Armierung auf etwa 5–10 mm reduziert werden. Eine solche Konstruktion reduziert nicht nur das Gewicht des Bauteils, sondern spart auch Energie, etwa bei der Herstellung oder durch eine Minderung der Wärmeleitfähigkeit des Konstruktionsteils, wie z. B. die tragende Außenwand, Decke oder Dachplatte. Außerdem ermöglichen textilbewehrte Bauteile eine flexiblere Formgestaltung, wodurch sich besondere architektonische Akzente setzen lassen.

Fasern für bautechnische Anwendungen

Fasern gelten im technischen Bereich als ein Gebilde aus Faserstoff mit einem Verhältnis Länge zu Durchmesser von 3:1 bis 1 000:1 bei textilen Fasern. Sie können in Längsrichtung keine Druckkräfte aufnehmen, sondern nur Zugkräfte. Fasern werden unterteilt in Natur- und Chemiefasern. Als Spinnfaser werden solche mit begrenzter, als Filamente solche mit unbegrenzter Länge bezeichnet.

Der Begriff „Naturfaser“ meint alle Textilfasern und Faserwerkstoffe, die ohne chemi­sche Veränderung aus pflanzlichem und tierischem Rohstoff gewonnen werden. Im Gegensatz dazu werden „Chemiefasern“ – häufig als Kunstfaser bezeichnet – synthetisch hergestellt. Naturfasern können organischer (pflanzlich, tierisch) oder anorganischer (mineralisch) Basis sein.

Für die Anwendung am Bau kommen verschiedene Fasergruppen zur Anwendung. Ein Forschungsbereich, der sich mit der Nutzung natürlicher Effekte zur Bauteilgestaltung beschäftigt, ist die Baubionik. So sind bspw. freitragende Dachkonstruktionen mit Produktkombinationen aus technischen Fasern dem Prinzip der Natur nachempfunden.

Naturfasern

Mit Pflanzenfasern werden alle Fasern bezeichnet, deren Basismaterial pflanzlicher Herkunft ist. Im Baubereich werden sie hauptsächlich zur Wärme- und Schalldämmung eingesetzt. Beim Lehmbau kommen bspw. Stroh und Gräser zum Einsatz, die der Lehmmasse beigemengt werden. Sog. naturidentische Dämmstoffe verwenden Baumwollfasern, Kapok, Hanf, Flachs oder Kokosfasern, die meist in Form von Dämmplatten verarbeitet werden.

Bei Tieren wiederum bilden die Haarfollikel Fasern, die sich textil nutzen lassen. So wird besonders die Wolle von Schafen (Schurwolle) zur Herstellung von Wärmedämmstoffen verwendet. Dabei wird die Schurwolle technisch soweit verdichtet (verfilzt), bis sie einen festen Wollkörper bildet. Dieser wird mit chemischen Stoffen imprägniert. Dieses ist notwendig, um den Forderungen des Brand- und Feuchteschutzes zu entsprechen und Fressfeinde (z. B. Motten) fernzuhalten.

Technische Textilien aus Naturfasern werden als Geotextilien im Wasserbau, als Vliese und Matten bei der Dachbegrünung oder im sog. „naturidentischen Bauen“ als Matten und Folien für Dach und Wand sowie als Wärme- oder Schalldämmung eingesetzt.

Chemiefasern

Zu den industriell erzeugten anorganischen Fasern, die im Hochbau Anwendung finden, zählen Glasfasern, sie sind gering dehnbar und spröde. Bei technischen Textilien werden sie zur Verstärkung von Kunststoffen oder als Hitze- und Schallschutz sowie als Wärmedämmmaterial verwendet. Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Nutzung von Glas­fasern als Lichtwellenleiter zur optischen Datenübertragung in Telefon-, TV- und EDV-Netzen (Stichwort: Glasfaserkabel). Glas- und Basaltfasern, die ähnliche Eigenschaften haben, finden sich hauptsächlich als Wärme- und Schalldämmung sowie für den Brandschutz. Sie werden als lose Dämmfasern oder Dämmstoffplatten geliefert.

Eine interessante Gruppe anorganischer technischer Textilfasern für den Hochbau bilden Kohlenstofffasern. Sie sind sehr leicht, haben eine hohe Festigkeit und eignen sich deshalb gut als Armierungsersatz im Betonbau. Ihre Anwendung im Flugzeug- und Automobilbau zur Verstärkung von Kunststoffbauteilen ist heute üblich, zudem tauchen sie als textile Armierung in Verbundkeramik auf. Als Faserfilz haben sie sich zur Wärmeisola­tion von Hochtemperatur-Schutzgas- oder Vakuumöfen bewährt. Für die Anwendung im allgemeinen Hochbau steht die Forschung und bautechnische Anwendung noch am Anfang. Denn aufgrund der heute noch hohen Preise dieser technischen Textilfasern werden sie bisher am Bau nur zögerlich verwendet.

Keramikfasern bestehen aus einer faserförmigen Keramikstruktur. Sie kommen als oxidische (Aluminiumoxid, Mullite) und nicht oxidische (SiC, SiCN, SiBCN) Fasertypen vor. Als technische Textilie ist weiterhin Aluminiumsilikatwolle als Wärmedämmung bei hohen Temperaturen bekannt.

Die bekanntesten technischen Textilfasern sind solche aus synthetischen Polymeren. Sie werden in 3 Gruppen unterteilt:

Polykondensationsfasern

Hierzu zählt Polyester, meist als Polyethylenterephthalat (PET) zur Herstellung hochwertiger Stoffe wie Diolen, Trevira usw. bekannt. Polyesterfasern sind sehr reiß- und scheuerfest und nehmen kaum Feuchtigkeit auf. Polyamidfasern (PA) sind sehr elastisch und lassen sich durch Hitze dauerhaft verformen. Für den Einsatz in technischen Textilien wird Polimid (PI) bspw. in Filtermedien verwendet, da es sich um eine Hochtemperaturkunstfaser handelt. Polyphenylensulfid (PPS) ist chemikalien- und temperaturbeständig und wird ebenfalls bei Filtermedien eingesetzt.

Polymerisationsfasern

Zu den Polymerisationsfasern zählt Poly­acrylnitril (PAN) mit seiner guten Licht- und Chemikalienbeständigkeit. Es ist ein wichtiges Basismaterial zur Herstellung von Kohlenstofffasern. Polypropylen (PP) gilt dagegen als leichteste Textilfaser. Sie nimmt praktisch keine Feuchtigkeit auf, ist elastisch und scheuerfest. Sie findet Anwendung bei Geotextilien, Bodenbelägen und im Automobilbereich. Polyvinylchlorid (PVC) hält gut warm. Am Bau findet sie insbesondere in Bodenbelägen Verwendung.

Polyadditionsfasern

Die Polyadditionsfaser Polyurethan (EL) wird als Elastomer wegen ihrer hohen elastischen Dehnung in Verbindung mit anderen Fasern in der Bekleidungsindustrie verarbeitet. Am Bau ist Polyurethan hauptsächlich als geschäumter Wärmedämmstoff bekannt.

Planung und Anwendung

Wie dargestellt, gibt es nicht nur eine breite Palette beim Basismaterial Faser, sondern mittlerweile auch einen umfangreichen Bereich der baulichen Nutzung. Nicht nur aus diesem Grund ist es für den Planer ratsam, frühzeitig mit einem Fachingenieur zu klären, ob und in welcher Weise sich die Anwendung technischer Textilfasern eignet. Auch lohnt es sich, eines der im Thema stehenden Institute oder entsprechende Hochschulen zu konsultieren, an denen Fachingenieure baupraktische Anwendungen – oft gemeinsam mit der Industrie – zur Produktionsreife führen.

Wichtig ist, dass alle zur Ausschreibung gelangenden Produkte das CE-Kennzeichen besitzen, den europäischen Normen entsprechen und eine in Deutschland gültige Zulassung für den Anwendungsbereich besitzen. Diese Nachweise erhalten Planer und Verarbeiter beim jeweiligen Produkthersteller. Damit bei speziellen Anwendungsbereichen auch im LV die fachlich richtige Beschreibung steht, helfen die meisten Hersteller mit allgemein verbindlichen, technischen Fachunterlagen.

Fazit

Die Produktpalette technischer Textilien ist breit gefasst. Dieser kurze Auszug zeigt, dass für alle am Bau beteiligten Fachleute – Planer, Fachingenieure, Verarbeiter – eine fortlaufende Weiterbildung unabdingbar ist, um mit der schnellen technischen Entwicklung mithalten zu können. Die Messe Techtextil bietet einen Überblick zur Anwendung von textilen Lösungen für den Hochbau. Hier haben Architekten und Ingenieure sowie Fach­leute aus Forschung und Entwicklung die Möglichkeit, Lösungen zu anstehenden konstruktiven Fragen zu finden.