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Report about enclosure of sculptures from Castle Clemenswerth, Sögel and Castle Weikersheim, Weikersheim.
Project "Winterzelt".
Bericht über die Denkmaleinhausungen in Clemenswerth und Weikersheim.
Projekt "Winterzelt".
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| Author: | Dr.-Ing. Habil. Rainer Blum | | Poster: | Dipl.-Rest. Barbara Hentschel |
| Published in 2002 |
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General
Information |
| Author: | Dr.-Ing. Habil. Rainer Blum | | Contact information: | Laboratorium für Dynamik und Optik | | Handwerkstraße 58 | | 70565 Stuttgart | | Fon:+49 (0)0711 7802001 | | Fax:+49 (0)0711 7802003 | | Email:info@labor-blum.de | Website:www.labor-blum.de | | Poster's contact information: | Dipl.-Rest. Barbara Hentschel | | Hornemann Institut | | Kardinal-Bertram-Str. 36 | | 31134 Hildesheim | | Fon:+49 (0)05121 408174 | | Fax:+49 (0)05121 408185 | | Email:hentschel@hornemann-insitut.de | Website:www.hornemann-institut.de |
| | The author Rainer Blum is from Germany and composed this essay in German.
| | native Abstract: | Die Einhausung von Denkmälern in der kalten Jahreszeit hat eine lange Tradition. Vor allem in Bayern werden Denkmäler aus Naturstein seit langem im Winter mit Holzeinhausungen geschützt. Die positive Wirkung dieser Maßnahme ist unbestritten, die genaue Wirkungsweise jedoch bisher nicht gut bekannt. Der Aufbau der Holzeinhausungen ist jedoch umständlich und die Lagerung über die warme Jahreszeit erfordert viel Platz.
Demgegenüber haben neu zu entwerfende Einhausungen aus Membranen die Vorteile einer guten Handhabung, eines geringen Raumbedarfs bei der Lagerung und können zudem bei geeigneter Materialauswahl das Klima innerhalb der Einhausung z.B. durch gezielte und gesteuerte Strahlungsgewinne positiv beeinflussen.
Um eine solche Einhausung zu entwickeln und zu testen, wurden zwei Denkmalstandorte ausgewählt:
- Weikersheim, ein Standort, der im Winter reichlich Schnee haben kann und ein eher kälteres typisch süddeutsches Klima hat, dort der Figurenzyklus (Vollplastiken) im Park, der kürzlich renoviert wurde und dessen Zustand möglichst lange erhalten bleiben sollte,
- Clemenswerth, ein Standort, der häufigem Nebel ausgesetzt ist und ein typisch norddeutsches Klima aufweist, dort die Jagdtrophäen (auf die Mauer aufgesetzte Plastiken) aus Baumberger Sandstein, die schon in einem eigenen DBU-Programm untersucht wurden.
Die Auswahl dieser Standorte stellt also eine umfassende Betrachtung des Themas vom Klima her sicher. Auch sind die konstruktiven Bedingungen in Clemenswerth und Weikersheim unterschiedlich: In Clemenswerth muß man eine Einhausung auf eine Wand aufsetzen und kann damit die Wand in die Konstruktion einbeziehen, während in Weikersheim eine einzeln stehende Vollplastiken geschützt werden müssen und so eine eigene Tragkonstruktion notwendig ist.
| | Publication year: | 2002 | | keywords: | Einhausung Stein Skulpturen Witterung Schutz | | keywords: | enclosure stone sculpture weather protection |
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Report about enclosure of sculptures from Castle Clemenswerth, Sögel and Castle Weikersheim, Weikersheim.
Project "Winterzelt".
Bericht über die Denkmaleinhausungen in Clemenswerth und Weikersheim.
Projekt "Winterzelt".
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| 1. Einleitung | |
| Die Einhausung von Denkmälern in der kalten Jahreszeit hat eine lange Tradition. Vor al-lem in Bayern werden Denkmäler aus Naturstein seit langem im Winter mit Holzeinhau-sungen geschützt. Die positive Wirkung dieser Maßnahme ist unbestritten, die genaue Wirkungsweise jedoch bisher nicht gut bekannt. Der Aufbau der Holzeinhausungen ist jedoch umständlich und die Lagerung über die warme Jahreszeit erfordert viel Platz.
Demgegenüber haben neu zu entwerfende Einhausungen aus Membranen die Vorteile ei-ner guten Handhabung, eines geringen Raumbedarfs bei der Lagerung und können zudem bei geeigneter Materialauswahl das Klima innerhalb der Einhausung z.B. durch gezielte und gesteuerte Strahlungsgewinne positiv beeinflussen.
Um eine solche Einhausung zu entwickeln und zu testen, wurden zwei Denkmalstandorte ausgewählt:
- Weikersheim, ein Standort, der im Winter reichlich Schnee haben kann und ein eher kälteres typisch süddeutsches Klima hat, dort der Figurenzyklus (Vollplastiken) im Park, der kürzlich renoviert wurde und dessen Zustand möglichst lange erhalten blei-ben sollte,
- Clemenswerth, ein Standort, der häufigem Nebel ausgesetzt ist und ein typisch norddeutsches Klima aufweist, dort die Jagdtrophäen (auf die Mauer aufgesetzte Plastiken) aus Baumberger Sandstein, die schon in einem eigenen DBU-Programm untersucht wurden.
Die Auswahl dieser Standorte stellt also eine umfassende Betrachtung des Themas vom Klima her sicher. Auch sind die konstruktiven Bedingungen in Clemenswerth und Wei-kersheim unterschiedlich: In Clemenswerth muß man eine Einhausung auf eine Wand auf-setzen und kann damit die Wand in die Konstruktion einbeziehen, während in Weikersheim eine einzeln stehende Vollplastiken geschützt werden müssen und so eine eigene Tragkon-struktion notwendig ist. |
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| 2. Beschreibung der Materialien | |
| An erster Stelle der für das Bauen wichtigen Eigenschaften stehen die Festigkeiten sowohl des Materials selbst wie auch der Verbindungen ( Nähte und Randkeder). Danach steht an zweiter Stelle die Dauerhaftigkeit. Will man aus dem Material , das ja zuerst eben vorliegt, gekrümmte Flächen bilden, so ist eine besonders einflussreiche Größe die Schubsteifigkeit: Ist sie zu hoch, so kann man nur schwer gekrümmte Flächen herstellen. Sie gering zu halten ist also eine wichtige Forderung. Das gilt vor allem dann, wenn man kleinteilige Formen herstellen will.
Beschichtete Gewebe haben nun in der Regel Festigkeiten, die hoch genug sind. Der Träger der Festigkeit des Materials ist der Faden. Verwendet werden Polyester-, Glasfaser- und Aramidgarne, die alle genügende Festigkeiten aufweisen. In den Nähten jedoch muss die Kraft vom Faden der einen Schnittkante über Beschichtung und Schweißnaht in den Faden der anliegenden Schnittkante übertragen werden. Hier spielt also die Haftung der Beschichtung auf dem Faden eine entscheidenden Rolle. Der Bruch tritt bei Fäden plötzlich ohne vorhergehende plastische Verformung ein.
Die Fäden werden in den meisten Fällen chemisch oder physikalisch angegriffen. So müssen sie als Träger der Festigkeit durch die Beschichtung gegen diese Einflüsse geschützt werden. Die Beschichtung bestimmt also die Dauerhaftigkeit.
Weiter hat die Beschichtung einen bestimmenden Einfluss auf die Schubsteifigkeit. Weiche Beschichtungen zwängen die Fäden weniger als starre, sie haben niedrigere Schubsteifigkeiten zur Folge.
Wichtig für unsere Anwendungen hier ist die Empfindlichkeit der Festigkeit gegenüber von Faltungen und Knicken. Bei einem Abbau müssen die Gewebe gekrümmt und gefaltet werden. Nun wird durch Knicken die Festigkeit der Fasern, die ja die Träger der Festigkeit sind, je nach Material mehr oder weniger stark herabgesetzt. Auch wird der Verbund zwischen Fasern und Beschichtung dadurch mehr oder weniger stark geschädigt. |
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| 2.1 Polyestergewebe, PVC-beschichtet | |
| 2.2.1. Verformbarkeit
Die Verformbarkeit des Polyestergewebes in Kett- und Schussrichtung ist hoch, die Bruchdehnung liegt bei 10 -20 % je nach Gewebekonstruktion. Die Schubsteifigkeit, eine entscheidende Größe für die Bildung räumlicher Flächen aus ebenen Teilen, ist sehr gering. Daher können auch kleinteilige Formen damit sehr gut hergestellt und montiert werden.
2.2.2. Fügbarkeit
PVC-beschichtete Gewebe lassen sich leicht durch Hochfrequenz- oder Thermoimpulsschweißen fügen. Hier besteht ein reicher Erfahrungsschatz.
2.2.3. Brandverhalten
Die PVC-Beschichtung des Polyestergewebes brennt unter Entwicklung giftiger Gase. Das Gewebe erreicht die Brandklasse B1. Die Akzeptanz dieser Gewebe nimmt stark ab.
2.2.4. Langzeitstabilität
2.2.4.1. Faden: Polyester wird durch UV-Einwirkung schnell zerstört. Man muss also den Faden durch die Beschichtung so schützen, dass die UV-Strahlung nicht durchdringen kann. Das hat eine gewisse Einschränkung der Transparenz zur Folge.
2.2.4.2. Beschichtung: Die Beschichtung würde auf Dauer durch die UV-Strahlung verspröden. Daher wird das PVC mit Weichmachern ausgerüstet, die aber mit der Zeit auswandern können. Es finden sich aber auch PVC-beschichtete Gewebe, die nach 15 Jahren noch relativ gut aussehen. Dabei muss man bemerken, dass in diesen Fällen eine dicke Beschichtung vorliegt und die Materialien entsprechend wenig Licht durchlassen.
2.2.5. Knickempfindlichkeit
Die Knickempfindlichkeit des PVC-beschichteten Polyestergewebes ist gering.
2.2.6. Schmutzempfindlichkeit
Das PVC ist sehr schmutzanfällig. Es kann zwar durch einen Fluorlack gegen Verschmutzung geschützt werden. Diese Beschichtung ist aber anfällig gegen Beschädigungen.
2.2.7. Festigkeiten
2.2.7.1. Bruchfestigkeiten: Es gibt Polyestergewebe in verschiedenen Festigkeitsklassen, so dass für jeden Anspruch ein Typ gefunden werden kann.
2.2.7.2. Weiterreißfestigkeit: Der Widerstand gegen Weiterreißen ist wegen der geringen Schubsteifigkeit relativ groß, so dass Vandalismus keine großen Auswirkungen haben wird.
2.2.8. Umweltbelastung und Entsorgung
PVC zerfällt unter der Bildung von Chlor und Salzsäure. Seine Entsorgung kann als problematisch angesehen werden.
2.2.9. Transparenz
Die Lichtdurchlässigkeit eines PVC-beschichteten Gewebes beträgt ungefähr 5 - 10 %.
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| 2.2 Glasfasergewebe, PTFE-beschichtet | |
| 2.3.1. Verformbarkeit
Die Verformbarkeit des Polyestergewebes in Kett- und Schussrichtung ist hoch, die Bruchdehnung liegt bei 10 -15 % je nach Gewebekonstruktion. Die Schubsteifigkeit, eine entscheidende Größe für die Bildung räumlicher Flächen aus ebenen Teilen, ist relativ hoch. Daher eignen sich diese Gewebe nicht so gut wie PVC-beschichtete Polyestergewebe für kleinteilige Formen. Auch wird die Montage schwieriger.
2.3.2. Fügbarkeit
PTFE-beschichtete Gewebe lassen sich unter Verwendung einer Zwischenfolie leicht durch Thermoimpulsschweißen fügen. Hier besteht ein reicher Erfahrungsschatz.
2.3.3. Brandverhalten
Das Gewebe erreicht die Brandklasse A2.
2.3.4. Langzeitstabilität
2.3.4.1. Faden: Glas wird durch die Einwirkung von Feuchte hydrolisiert, die Festigkeit sinkt ab. Man muss also den Faden durch die Beschichtung so schützen, dass die Feuchte nicht durchdringen kann. Das geschieht durch eine Imprägnierung des Gewebes vor der Beschichtung. Dieses Vorgehen hat sich bewährt.
2.3.4.2. Beschichtung: Die Beschichtung ist absolut inert.
2.3.5. Knickempfindlichkeit
Die Knickempfindlichkeit des PTFE-beschichteten Glasfasergewebes ist hoch. Es kommt bei unachtsamen Umgang zu Brüchen im Verbund, die die Festigkeiten stark herabsetzen können. Daher eignen sich diese Gewebe nicht oder nur bedingt für Konstruktionen, die auf- und abgebaut werden sollen.
2.3.6. Schmutzempfindlichkeit
Das PTFE ist wegen seiner geringen Reibung nicht schmutzanfällig und es reinigt sich selbst.
2.3.7. Festigkeiten
2.3.7.1. Bruchfestigkeiten: Es gibt Glasfasergewebe in verschiedenen Festigkeitsklassen, so dass für jeden Anspruch ein Typ gefunden werden kann.
2.3.7.2. Weiterreißfestigkeit: Die Weiterreißfestigkeit ist gegenüber dem Polyestergewebe herabgesetzt, so dass bei Vandalismus größere Schäden entstehen können.
2.3.7.3. Nahtfestigkeiten: Die Nahtfestigkeiten liegen etwas unter den Gewebefestigkeiten.
2.3.8. Umweltbelastung und Entsorgung
Die Glasfasern lassen sich umweltfreundlich entsorgen. PTFE selbst ist absolut inert, zerfällt also auch nicht. Es kann nur bei hohen Temperaturen zersetzt werden, die Zersetzungsprodukte enthalten aber schädliches Fluor.
2.3.9. Transparenz
Die Lichtdurchlässigkeit von PTFE-beschichteten Glasfasergeweben liegt bei 8 - 12 %.
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| 2.3 Silikonbeschichtete Polyester- und Glasfaser-Gewebe | | Table 1 I Table 2 I Table 3 I Table 4 I
| Hier müssen zuerst einige Worte vor der eigentlichen Besprechung der Eigenschaften dieser Gewebe vorausgestellt werden. Die Firma DCI in den USA machte schon vor ungefähr 15 Jahren einen Vorstoß zur Verwendung von silikon-beschichteten Geweben, hier speziell Glasfasergeweben, im Bereich des textilen Bauens. Die damalige Beschichtung war relativ unflexibel, klebend und dick, so dass das Material knickempfindlich war. Weiter gelang es DCI nicht, dieses Material temperaturbeständig zu fügen und zu verbinden. Die Nähte lösten sich bei 70° Celsius faktisch auf.
Dazu muss bemerkt werden, dass Silikon ein Elastomer ist, also, mit anderen Worten gummielastisch ist: Die Moleküle sind räumlich vernetzt. PVC hingegen ist ein Thermoelast, die Moleküle bilden Kette, deren Bindung zu benachbarten Ketten nur durch van-der-Waals-Kräfte bestimmt wird. Thermoplaste lassen sich normalerweise ohne Probleme schweißen, sei es mit einem Thermoverfahren, sei es, bei polaren Materialien, durch Hochfrequenz. PTFE hingegen wird als Thermoelast bezeichnet. Darunter versteht man einen Kunststoff, der zwar wie die Thermoplaste aus linearen Ketten aufgebaut ist. Er geht bei Erwärmung in den thermoelastischen Bereich über, wird aber nach dem Aufschmelzen der kristallinen Bereiche nicht genügend fließfähig, um thermoplastisch weiterverarbeitet zu werden. Daher kann PTFE auch nur mit einem Haftvermittler geschweißt werden.
Elastomere verhalten sich bei Temperaturerhöhung unterschiedlich im Vergleich zu Thermoelasten: Sie haben keinen ausgeprägten Schmelzpunkt wie die Thermoplaste, sondern zersetzen sich, wenn die Temperatur hoch genug ist. Sie können also von der Struktur her nicht verschweißt werden. Will man Elastomere fügen, so muss man sie ähnlich wie Gummi vulkanisieren: Man muss an der Oberfläche die Haftung der Moleküle aufbrechen und dann mit einem vernetzenden Kleber die benachbarten Teile zusammenkleben. Findet man hier nicht den richtigen Kleber bzw. nicht die richtigen Prozessparameter für den Vernetzungsprozess, so ist diese Verbindung nicht temperaturbeständig.
Beherrscht man die Fügetechnik, so haben die hier verwendeten Silikone unbestreitbare Vorzüge vor den beiden anderen Beschichtungsmaterialien:
1. Sie sind sehr flexibel und nicht knickanfällig.
2. Sie sind UV-beständig und verspröden nicht.
3. Sie sind temperaturbeständig von -60° bis 180° Celsius.
4. Sie können beliebig eingefärbt werden.
5. Sie zersetzen sich unter unter Bildung von CO2 und H2O,
lassen sich also problemlos entsorgen.
6. Sie sind weitgehend beständig gegen chemische Angriffe.
Dem steht ein Nachteil gegenüber:
Die hier in Frage kommenden Silikone sind zwar beständig gegen chemische Einwirkungen, sie laden sich aber an der Oberfläche elektrisch auf und ziehen dadurch Schmutz an. Dieser Schmutz lässt sich zwar leicht entfernen, bietet aber bei ungenügender Pflege und Wartung keinen schönen Anblick.
Angemerkt werden darf, dass wir schon vor 15 Jahren die ersten Silikon-beschichteten Gewebe aus den USA untersuchten und dass wir damals den starken Abfall der Nahtfestigkeit bei erhöhten Temperaturen feststellten, der letztendlich dazu führte, dass diese Materialien vom Markt verschwanden.
Um vor einer solchen Fehlentscheidung für ein ungenügend ausgetestetes Material sicher zu sein, wurden zuerst ausführliche Voruntersuchungen zur Gewebe- und Nahtfestigkeit bei 20° und 70° Celsius durchgeführt. Danach erst wurden die anderen Eigenschaften des Materials auf ihre Eignung für unsere Anwendung untersucht. Die Untersuchungsergebnisse werden weiter unten präsentiert. Hier werden analog zu oben die Ergebnisse und Eigenschaften stichwortartig zusammengefasst.
2.3.1. Verformbarkeit
Die Verformbarkeit des Silikon-beschichteten Glasfasergewebes in Kett- und Schussrichtung ist hoch, die Bruchdehnung liegt bei 10-20% je nach Gewebekonstruktion. Die Schubsteifigkeit, eine entscheidende Größe für die Bildung räumlicher Flächen aus ebenen Teilen, ist sehr gering. Daher können auch kleinteilige Formen damit sehr gut hergestellt und montiert werden.
2.3.2. Fügbarkeit
Silikon-beschichtete Glasfasergewebe lassen sich leicht durch Vulkanisieren verbinden. Die erreichbaren Festigkeiten sind vergleichbar mit den Festigkeiten des Materials selbst. Bei hohen Temperaturen sinkt die Festigkeit nicht ab.
2.3.3. Brandverhalten
Silikon-beschichtete Glasfasergewebe erreichen die Brandklasse A2. Die Zersetzungsprodukte sind ungiftig.
2.3.4. Langzeitstabilität
2.3.4.1. Faden: Glas wird durch die Einwirkung von Feuchte hydrolisiert, die Festigkeit sinkt ab. Man muss also den Faden durch die Beschichtung so schützen, dass ihn die Feuchte nicht durchdringen kann. Diese Eigenschaft war in den ersten Probeexemplaren der Fertigung nicht gegeben. Inzwischen gelang es, eine Imprägnierung zu finden, die den Faden hinreichend schützt und die die anderen Eigenschaften nicht verändert.
3.4.4.2. Beschichtung: Die Silikon-Beschichtung ist UV-beständig und wird durch chemische Einflüsse auch bei Temperaturen von 70° Celsius nicht angegriffen.
2.3.5. Knickempfindlichkeit
Die Knickempfindlichkeit des Silikon-beschichteten Glasfasergewebes ist wegen der hohen Flexibilität der Beschichtung gering.
2.3.6. Schmutzempfindlichkeit
Die Silikonbeschichtung ist zwar inert, sie lädt sich aber elektrostatisch auf und zieht dadurch Staub an. Dieser Staub lässt sich zwar problemlos mit Wasser entfernen, die Situation ist aber trotzdem unbefriedigend. Im Augenblick wird mit einem antistatischen Lackexperimentiert, der die Verschmutzungsanfälligkeit auf den Stand des PVC verbessert. Dieser Lack ist aber noch zu kratzanfällig. An dem Problem wird gearbeitet, Lösungen werden in Kürze erwartet.
2.3.7. Festigkeiten
2.3.7.1. Bruchfestigkeiten: Die Bruchfestigkeiten des zur Verfügung stehenden Silikon-beschichteten Glasfasergewebes waren vergleichbar mit denen der besten PTFE-beschichteten Gewebe. Hier bestehen keine Schwierigkeiten.
2.3.7.2. Weiterreißfestigkeit: Der Widerstand gegen Weiterreißen ist wegen der geringen Schubsteifigkeit relativ gering, so dass Vandalismus keine großen Auswirkungen haben wird.
2.3.7.3. Nahtfestigkeiten: Die Nahtfestigkeiten lagen in der Größenordnung der Materialfestigkeiten auch bei 70° Celsius.
2.3.8. Umweltbelastung und Entsorgung
Glas und das hier verwendete Silikon sind chemisch unbedenklich und lassen sich umweltfreundlich entsorgen. Durch Kochen in Natronlauge können sogar aus dem vernetzten Silikon die Monomere zurückgewonnen werden, d. h. das Beschichtungsmaterial ist zu 100% recycelbar.
2.3.9. Transparenz
Silikon selbst ist ein klares bis opak durchscheinendes Material. Durch eine Füllung mit feuerhemmenden Materialien wird die Transparenz herabgesetzt auf 25 - 30 % , kann aber noch höher eingestellt werden. Man kann im besten Fall die Überschriften einer Zeitung dadurch lesen. Denkmäler können also zumindest in ihren Umrissen sichtbar gemacht werden.
2.3.10 Durchgeführte Versuche mit Silikon-beschichtetem Material
Da für das Silikon-beschichtete Material keinerlei Kennwerte vorlagen, wurden in einem ersten Durchgang die wichtigsten Werte bestimmt, um die Eignung des Silikon-beschichteten Materials unter statischen Gesichtspunkten festzustellen. Es wurden im Wesentlichen
einachsige Streifenversuche an ausgefädelten 5 cm breiten Streifen bei 20° und 70° Celsius durchgeführt, und zwar im Kurzzeitversuch und im Langzeitversuch.
Weiter wurden Versuche zur Feuchtewanderung, zum sogenannten Wicking, unternommen. Wie schon oben angedeutet wird das Glas der Fasern durch Feuchte angegriffen, weshalb der Zugang von Wasser zu den Fasern gesperrt sein muss. Darüber hinaus wurden noch Versuche zum Verschmutzungsverhalten durchgeführt.
2.3.10.1. Kurzzeitfestigkeit des Materials bei 20° Celsius
Es wurde an 4 Proben in Kettrichtung und 4 Proben in Schussrichtung die einachsige Kurzzeitfestigkeit an 5 cm breiten ausgefädelten Streifen bei 20° Celsius bestimmt. Es ergaben sich Festigkeiten von mehr 140 kN/m. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 1 aufgelistet.
(see Image)
Dabei ist zu bemerken, dass alle Proben in der Einspannung versagten. Das deutet darauf hin, dass die reine Materialfestigkeit höher liegt als diese Werte, dass aber die Einspannung die Festigkeit herabsetzt. Der Wert ist mehr als ausreichend für alle möglichen Denkmaleinhausungen.
2.3.10.2. Kurzzeitfestigkeit des Materials bei 70° Celsius
Die gleichen Versuche wurden bei 70° Celsius durchgeführt. Auch hier lagen alle Ergebnisse über 140 kN/m. Der Kommentar von oben kann wiederholt werden. Die Tabelle mit den Ergebnissen folgt.
(see Image)
2.3.10.3. Kurzzeitfestigkeit der Naht bei 20° Celsius
Die Nahtfestigkeit wurde an Streifenproben mit einer Naht bestimmt. Es wurden 4 Streifen in Kettrichtung, also mit einer Naht in Schussrichtung, und 4 Proben in Schussrichtung, also mit einer Naht in Kettrichtung, getestet. Die Ergebnisse lagen wieder alle über 140 kN/m. Die Brüche geschahen alle in der Einspannung.
(see Image)
2.3.10.4. Kurzzeitfestigkeit der Naht bei 70° Celsius
Die Ergebnisse dieser Versuche waren so interessant, da die ersten Silikon-beschichteten Gewebe in diesem Test versagten. Tatsächlich sind die Festigkeiten bei 70° Celsius gegenüber denen bei 20° etwas herabgesetzt, liegen aber mit über 120 kN/m immer noch mehr als ausreichend über den Anforderungen für den angedachten Verwendungsfall.
Tabelle 4: Kurzzeitfestigkeit der Naht bei 70 Grad Celius.
(see Image)
2.3.10.5. Versuche zur Feuchtewanderung (Wicking)
Das erste hergestellt Material hatte keine Anti-Wicking-Ausrüstung. Das zeigte sich in einem Tauchversuch mit roter Tinte. Hier wird ein Streifen in rote Tinte getaucht und es wird die Wanderung der Tinte, gut sichtbar an der roten Farbe, verfolgt. Innerhalb von zwei Tagen wanderte die Tinte ca. 3 - 4 cm von der offenen Kante ab gemessen in das Gewebe ein. Zum Vergleich wurde der gleiche Versuch mit einem PTFE-beschichteten Glasfasergewebe durchgeführt. Hier war die Einwanderung maximal 3 mm von offenen Rand aus.
Dieses Ergebnis wurde dem Hersteller mitgeteilt und es wurden zusammen mit ihm Maßnahmen gegen dieses nicht akzeptable Wicking-Verhalten diskutiert. Danach wurde bei einer Neubeschichtung das Glasgewebe vor dem Beschichtungsprozess mit einer Imprägnierung ausgerüstet. Es ergab sich eine wesentliche Verbesserung des Verhaltens: Die Einwanderung ließ sich nur mehr 5 mm weit verfolgen, ein Wert, der akzeptiert werden kann.
2.3.10.6. Versuche zum Verschmutzungsverhalten
Beim Hantieren mit dem Gewebe stellte sich heraus, dass es leicht verschmutzte. Bei näherer Untersuchung und nach Rücksprache mit der Herstellerfirma des Silikon, die Fa. Wacker Chemie in Burghausen, ergab sich, dass das verwendete Silikon an sich keinen Schmutz aufnimmt wie zum Beispiel PVC. Aber es lädt sich elektrisch auf und bindet so Schmutzpartikel elektrostatisch. Die Aufladung lässt sich durch eine Behandlung mit einem antistatischen Lack verhindern.
2.3.10.7. Versuche zum Knickverhalten
Da das silikon-beschichtete Gewebe interessant für die weitere Anwendung war, wurden auch Knick- bzw. Faltversuche durchgeführt. Nach einem Studium der einschlägigen Normen wurde festgestellt, dass keine passende Norm zu finden war, da alle Vorschriften nur das Knicken bzw. Falten in einer Achse vorschrieben. Beim Zusammenlegen des Materials aber geschieht zwangsweise ein Falten in zwei Achsen. Daher wurde hierfür eine eigene Faltmaschine konstruiert, die diesen Vorgang nachbildet. Darüber wird in einem eigenen Kapitel 10 berichtet. Es konnten nach 500 Faltvorgängen keine Abminderung der Festigkeit und keine sonstigen Schäden festgestellt werden. |
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| 2.4 THV-beschichtete Glasfasergewebe | |
| Im Verlaufe der Arbeiten an diesem Projekt wurde uns noch ein neues Material angeboten, das mit einem Wärmeschutz ausgerüstet war: Ein THV-beschichtetes Glasfasergewebe. Die Festigkeiten waren hoch genug für die Einhausungen und wurden aus Zeitmangel nicht näher untersucht. Ähnliche Verhältnisse lagen bei der Schweißnaht vor: THV lässt sich mit Hochfrequenz schweißen.
Da THV ein Fluorpolymer ist, ist es auch inert gegen UV-Angriffe und gegen andere Schädigungsmechanismen. Das Anschmutzverhalten muss aus dem gleichen Grund als gut bezeichnet werden. Die Knickempfindlichkeit war gering. Das Material war gegen Wicking ausgerüstet. Dies alles hätte noch nicht zur Verwendung geführt, was aber das Material besonders empfahl, war die Tatsache, dass es als einziges mit einem Wärmeschutzlack ausgerüstet war, dessen Wirkung getestet werden sollte. So wurde dieses Material sowohl in Weikersheim wie auch in Clemenswerth eingesetzt. Es ist aber hinzuzufügen, dass der Lieferant Konkurs angemeldet hat und dass die weitere Lieferfähigkeit nicht gesichert ist. |
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| 3 Folien | |
| 3.1. Allgemeine Bemerkungen zur Verwendung von Folien im Bauen
Folien sind homogene Materialien ohne Verstärkungsglieder. Sie zeichnen sich durch geringe Festigkeiten und hohe Verformungen aus. Vor dem Bruch wird ein Bereich hoher Verformung ähnlich dem plastischen Fließen von Metallen erreicht. Diese quasiplastischen Verformungen sind irreversibel. Daher wird die Beanspruchung einer Folie nicht durch den endgültigen Bruch, sondern durch den Eintritt der plastischen Verformung begrenzt. Daher werden die Folien fast ausschließlich in pneumatischen Konstruktionen eingesetzt, die sich durch geringe Spannungserhöhung gegenüber Belastungen auszeichnen. Damit kann man so konstruieren, dass Fließen nicht eintritt.
Die Verformbarkeit der Folien ist hoch genug, dass man ohne Probleme gekrümmte Formen aus ebenen Stücken bilden kann.
Natürlich muss man das Folienmaterial so aussuchen, dass man Nähte und Randglieder bauen kann: Das Material muss schweißbar sein, entweder mit Hochfrequenzfeldern oder durch Thermoeinwirkung.
Die Beständigkeit des Materials gegenüber UV-Strahlung und sonstigen Umwelteinflüssen muss natürlich auch gegeben sein. Aus diesen Gründen kommen ausschließlich Fluorpo-lymere in Betracht. So wurden zwei Fluorploymere in die Untersuchungen einbezogen:
1. Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer, kurz ETFE oder ET
2. Tetraflourethylen-Hexafluorpropylen-Vinylidenfluorid-Coploymer, kurz THV.
Beide Fluorploymere lassen sich zu glasklaren Folien verarbeiten, sind UV-beständig und nicht brennbar. Sie sind also die idealen Werkstoffe für das Bauen mit Membranen, wenn man von der geringen Festigkeit absieht.
Interessant wären noch Folien aus Polyvinylflourid, PVF. Dieses Material hat alle verlangten Eigenschaften und wäre darüber hinaus noch preisgünstig. Leider aber bringt der Monopollieferant, die Fa. Dupont, nur Folien der maximalen Dicke 0.1 mm auf dem Markt, was für uns ungenügend ist. Wir benötigten eine Mindestdicke von 0.2, besser 0.4 mm, die für die oben aufgeführten Materialien zur Verfügung stehen. Dupont ließ sich hier selbst nach Telefonaten nach Genf und in die USA nicht auf einen Versuch ein, Folien unserer Dicke herzustellen. Daher mussten entsprechende Überlegungen eingestellt werden.
Für dieses Vorhaben wurde nun versucht, aus diesen glasklaren Folien Materialien für das Bauen herzustellen, indem man lineare Verstärkungen aus umhüllten dünnen Stahl- oder Glasfaserkabeln aufbringt. Dazu wurden zuerst theoretische Untersuchungen über die Tragfähigkeit eines solchen Verbundes durchgeführt. Diese Untersuchungen bestanden in Finite-Element-Berechnungen und ergaben, dass bei hier gefragten geringen Spannweiten eine solcher Verbund, der weiter unten näher dargestellt wird, ohne Probleme eingesetzt werden kann. So gibt es von der statischen Seite her keine Einwände gegen die Verwendung der vorgestellten Fluorpolymere.
Beide Materialien sind aber für Licht und elektromagnetische Strahlung in den benachbarten Wellenlängenbereichen durchlässig. Man wird also einen Treibhauseffekt damit nicht vermeiden können. Dagegen würde nur eine konsequente Lüftung oder, besser noch, eine aufgebrachte Schutzschicht helfen, die die sichtbare Strahlung weitgehend durchlässt und den Wärmeanteil konsequent rückspiegelt. Solche Schutzschichten, aufgedampfte oder aufgesputterte Metalloxyde, sind aus dem Glasbau bekannt und weit verbreitet. Es gibt auch PET-Folien mit solchen Schutzbeschichtungen. Diese Folien können aber nicht direkt eingesetzt werden, da sie nicht UV-beständig sind. Daher wurde hier versucht, diese Schutzschicht auch auf unsere Fluorpolymere aufzubringen. Dazu wurden Versuche in Zusammenarbeit mit einer US-amerikanischen Firma, Southwall in Kalifornien durchgeführt, die leider zu keinem positiven Ergebnis führten. Das überrascht nicht, da die Fluorpolymere bekannt sind dafür, dass auf ihnen nichts haftet.
Daher trat zuerst einmal die Beschäftigung mit dieser Art von Materialien in den Hintergrund, da die Klimatisierung nicht allein der Lüftung überlassen werden sollte. Nun ergab sich nach langen Diskussionen mit dem Folienhersteller doch noch eine Chance, die Beschichtung auf die Folien aufzubringen: Das Material müßte vor dem Besputtern Corona-behandelt werden. Es wurden entsprechende Versuche mit dem Hersteller von Beschichtungs- und Besputterungs-Anlagen, der Fa. Leybold, durchgeführt. Das Ergebnis war, dass man zwar besputtern konnte, dass aber die dabei entstehende Schicht nicht stabil war. Sie ließ sich durch Reiben entfernen. Bis jetzt konnte keine Möglichkeit gefunden werden, hier eine höhere Stabilität zu erreichen. Das Problem wird aber trotzdem weiter verfolgt, da nach neueren Überlegungen auch eine Bedampfung mit einer dünnen fast durchsichtigen Aluminiumschicht auch die low-e-Eigenschaften nach sich zieht.
In diesem Zusammenhang wurden auch Verpackungsfolien für die Halbleiterindustrie untersucht. Diese Folien sind auf der Oberfläche schwach leitend ausgerüstet, trotzdem aber noch durchsichtiger als beschichtete Gewebe. Solche Folien wurden denn auch in die Strahlungsuntersuchungen einbezogen, um die Möglichkeiten abschätzen zu können. Direkt können diese Folien nicht verwendet werden, da sie nicht UV-beständig sind und nicht die nötige Festigkeit aufweisen. Auch können sie nicht ohne Probleme geschweißt werden. Zu Bemerken bei diesen Folien ist, dass sie eine leitende Seite haben und eine nicht leitende. Also wird ihr Verhalten davon abhängen, von welcher Seite das Licht einfällt.
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| 3.2. ET- und THV-Folien | |
| 3.2.1. Verformbarkeit
Die Verformbarkeit der ET-Folie ist hoch. Daher können auch kleinteilige Formen damit sehr gut hergestellt und montiert werden.
Die Verformbarkeit der THV-Folie ist noch höher als die der ET-Folie.
3.2.2. Fügbarkeit
ET- und THV-Folien lassen sich leicht durch Thermoimpulsschweißen fügen. THV lässt sich Hochfrequenzschweißen.
3.2.3. Brandverhalten
ET und THV werden als nicht brennbar eingestuft.
3.2.4. Langzeitstabilität
Die Langzeitstabilität von ET und THV kann auch unter UV-Einwirkung als gut bezeichnet werden.
3.2.5. Knickempfindlichkeit
Knicken hat kaum einen Einfluss auf die Festigkeit von ET- und THV-Folien. Das Erscheinungsbild leidet aber stark.
3.2.6. Schmutzempfindlichkeit
Als Fluorpolymere sind ET und THV nicht verschmutzungsanfällig.
3.2.7. Festigkeiten bzw. Fließgrenzen
3.2.7.1. Fließgrenzen: Die Fließgrenze von ET liegt bei etwa 3 kN/m bei einer Folie der Dicke 0.2 mm, sie muss als gering angesehen werden. Ohne Verstärkungen kann ET nur in pneumatischen Konstruktionen eingesetzt werden.
Die Fließgrenze von THV liegt noch tiefer, bei etwa 1 kN/m bei einer 0.150 mm dicken Folie.
3.2.7.2. Weiterreißfestigkeit: Der Widerstand gegen Weiterreißen ist für beide Folienmaterialien wegen der großen Verformbarkeit und den daraus resultierenden großen Prozesszonen relativ hoch, so dass Vandalismus keine großen Auswirkungen haben wird.
3.2.8. Umweltbelastung und Entsorgung
ET und THV können zu 100 % recycelt werden.
3.2.9. Transparenz
ET und THV können als glasklar angesprochen werden.
3.2.10. Durchgeführte Versuche zu ET und THV
Da für die beiden Folienmaterialien keine Materialkennwerte vorlagen, wurden auch hier eine Reihe von Versuchen durchgeführt. Es wurden die Fließgrenze an einachsigen Proben bestimmt, da die Festigkeiten keine Rolle spielen. Weiter wurden die E-Moduli gemessen, und zwar ebenfalls an einachsigen Proben. Dazu musste neben der Längung der Proben auch die Querdehnung bestimmt werden. Dazu wurden auf der Streifenprobe Markierungen aufgebracht und mit einer CCD-Kamera optisch vermessen. So konnte das gesamte Verformungsfeld bestimmt werden. Durch eine der Längung überlagerte Schubverformung konnte ebenfalls an der einachsigen Probe der Schubmodul zumindest näherungsweise bestimmt werden. Die Bestimmung der E-Moduli ist besonders wichtig, da diese im Vergleich zu denjenigen der Gewebe sehr klein sind und damit die auftretenden Spannungen stark beeinflussen.
3.2.10.1. Bestimmung der Fließgrenze
ET:
die Fließgrenze für eine Material der Dicke 0.2 mm beträgt 3.0 kN/m, die dazugehörige Dehnung ergab sich zu 2.9 %.
THV:
Die Fließgrenze einer Folie der Dicke 0.15 mm beträgt 1.11 kN/m, die entsprechende Dehnung ergab sich zu 4.8 %.
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| 4 Strahlungseigenschaften der besprochenen Materialien | | Table 1 I Table 2 I Table 3 I Table 4 I Table 5 I Table 6 I Table 7 I Table 8 I Table 9 I Table 10 I Table 11 I Table 12 I Table 13 I Table 14 I Table 15 I Table 16 I Table 17 I
| Zusätzlich zu den mechanischen Eigenschaften wurden noch die Strahlungseigenschaften der verschiedenen Materialien untersucht. Es wurden im Einzelnen die Reflektions- und Transmissionsspektren bestimmt, aus deren Differenz man die Absorptionsspektren bestimmen kann.
4.1. PVC-beschichtetes Polyestergewebe
In Bild 1 ist das Transmissions-, Absorptions- und Reflektionsspektrum des PVC-beschichteten Polyestergewebes im Bereich der Sonneneinstrahlung gezeigt.
(see Image)
Hier fällt die geringe Transmission im sichtbaren Bereich und das Ansteigen der Absorption im infraroten Teil des Sonnenspektrums auf. Die Reflexion im Infraroten fällt stark ab. Man erkennt, dass die Transluzenz also gering ist, dass aber das meiste davon reflektiert und nicht absorbiert wird. Im UV-Bereich steigt die Absorption stark an.
Neben den Spektren im Bereich bis zu 2500 nm interessiert auch dasjenige im Bereich bis 10000 nm, da in diesem Bereich das Maximum der Schwarzkörperstrahlung bei normalen Umgebungstemperaturen liegt. Dieses Spektrum ist in Bild 2 gezeigt.
(see Image)
Hier erkennt man, dass ab ungefähr 3000 nm alle Strahlung absorbiert wird, Reflektion und Transmission spielen eine untergeordnete Rolle. Da auf der anderen Seite Absorption und Emission gleich sind, bedeutet das, dass bei einer Umgebungstemperatur, die niedriger liegt als die Membrantemperatur selbst, die Membran gegen die kältere Umgebung abstrahlt und so Energie = Wärme verliert.
4.2. PTFE-beschichtetes Glasfasergewebe
In Bild 3 sind die Spektren für das PTFE-beschichtete Glasfasergewebe im Bereich der Sonneneinstrahlung dargestellt
(see Image)
Hier sieht man, dass der Absorptionsgrad im Sonnenspektrum wesentlich geringer ist als bei PVC. Das Erklärt auch die geringere Aufheizung einer PTFE-Membran. Der Transmissionsgrad ist auch im nahen Infraroten höher als bei einer PVC-Beschichtung. Das Spektrum im Infraroten sei in Bild 4 hinzugefügt.
(see Image)
Hier ergibt sich für größere Wellenlängen ab ca. 8 mm fast das gleiche Bild wie bei PVC-Beschichtung: PTFE ist im längeren Infraroten fast schwarz, es strahlt genauso gegen eine kältere Umgebung ab wie PVC. Im näheren Infraroten zwischen 2 und 8 mm ist die Absorption aber nicht so hoch, hier ist die Abstrahlung geringer. Aus diesem Grunde wird sich die PTFE-Beschichtung nicht so weit abkühlen wie die PVC-Beschichtung.
4.3.Silikon-beschichtetes Glasfasergewebe
In Bild 5 und Bild 6 werden die Spektren für das Silikon-beschichtete Glasfasergewebe gezeigt, und zwar in Bild der Anteil der Sonnenstrahlung und in Bild 6 der im Infraroten.
(see Image)
Hier fällt die hohe Transmission im sichtbaren Bereich auf, die sich weit in den nahen infraroten Bereich fortsetzt. Die Absorption im sichtbaren Bereich ist gering, geringer noch als bei PTFE. Daher sollte sich das Silikon-beschichtete Material geringer aufheizen als das PTFE-beschichtete. Es fallen einige Absorptionsbanden auf, die andere chemische Struktur des Silikon widerspiegeln.
In Bild 6 sieht man die Spektraleigenschaften im infraroten Bereich.
(see Image)
Die entsprechenden Spektren im längeren Infraroten zeigen das gleiche Erscheinungsbild wie eine PVC-Beschichtung: Silikon ist in diesem Bereich schwarz. Es hat damit die gleichen Eigenschaften wie PVC in diesem Wellenlängenbereich. Unbehandeltes Silikon hat also auf diesem Gebiet keinen Vorteil vor PVC.
4.4. Strahlungseigenschaften für THV-beschichtete Glasfasergewebe mit Wärmeschutzlack
(see Image)
Die Transmission im Sonnenspektrum ist relativ hoch, der Reflektionsgrad geringer, wie in Bild 7 zu sehen. Der Emissionsgrad ist sehr niedrig, deshalb wird das Gewebe sich auch nicht sehr aufheizen. Das Verhalten ist noch günstiger als dasjenige von PTFE-Beschichtungen.
(see Image)
In langwelligen Infraroten (Bild 8) ist für den Bereich bis ca. 7 mm das Emissionsvermögen, das gleich dem Absorptionsvermögen ist, gegenüber allen anderen bisher besprochenen Materialien deutlich reduziert. Hier hat das Material Vorteile gegenüber den bisher besprochenen. Ab 8 mm erkennt man keinen Unterschied mehr, dort ist es den anderen gleichzusetzen. Insgesamt ist es bisher vom strahlungstechnischen Standpunkt aus das günstigste Material.
4.5. Halbleiterverpackung
Wie schon oben dargelegt, wurde die Halbleiterverpackung in die Untersuchung der Strahlungseigenschaften einbezogen, da sie eine Beschichtung aufweisen, die optisch aktiv ist und dem Ideal der „low-e-Beschichtung“ nahe kommen. Natürlich sind diese Verpackungen nicht direkt für eine Einhausung verwendbar, an ihnen kann man studieren, welche Beschichtungen heute problemlos hergestellt werden können. In Bild 9 sieht man die Spektren im Bereich der Sonneneinstrahlung, das Licht fiel dabei auf die beschichtete Seite.
(see Image)
Hier hat man im Sichtbaren eine relativ hohe Transmission und eine geringe Reflektion, die ungefähr gleich der Absorption ist. Im Infraroten dagegen hat man eine hohe Reflektion und eine geringe Absorption, die fast der Transmission entspricht. Charakteristisch sind hier die schnellen kleineren Schwankungen, die für größere Wellenlängen auftreten. Sie werden durch Interferenzphänomene verursacht, die auch der Grund für die hohe Reflektion im Infraroten sind. Der Lichteinfall war in diesem Fall auf die beschichtete Seite des Materials. In Bild 10 ist das Spektrum beim Einfall auf die unbeschichtete Seite gezeigt.
(see Image)
Hier kann man den Kommentar von oben kopieren, nur sind die dort genannten Phänomene noch deutlicher. Die Transmission für hohe Wellenlängen ist zwar die gleiche wie oben, die Absorption wird noch geringer und die Reflexion dafür höher. Der Lichteinfall war in diesem Fall auf die unbeschichtete Seite des Materials.
Für die langwellige Infrarotstrahlung ergibt sich das in Bild 11 dargestellte Verhalten bei Lichteinfall auf die beschichtete Seite.
(see Image)
Die Absorption lag in diesem Fall erheblich unter den Werten für die übrigen Werkstoffe, im Mittelwert ergab sich der Wert von ca. 0,58. Damit strahlt dieses Material, sollte es wärmer sein als die Umgebung, fast um die Hälfte weniger als die oben vorgestellten Vergleichsmaterialien. Die Transmission bleibt sehr gering, die Reflektion ist fast invers zur Absorption.
Zum Schluss noch die Kurven für das langwellige Infrarot bei Bestrahlung auf die unbeschichtete Seite in Bild 12.
(see Image)
Der Kommentar kann fast ungeändert von oben übernommen werden, nur ist die Absorption höher und die Reflektion niedriger.
4.6. Vergleich der Strahlungseigenschaften und Wertung der Ergebnisse
Zuerst sollen die Transmissionseigenschaften im Bereich der Sonneneinstrahlung, Bild 13, verglichen werden. Hier fallen besonders die hohen Werte für das Silikon-beschichtete Material und für die Halbleitereinpackung auf. Diese Materialien lassen also besonders viel Licht durch. Der Unterschied besteht darin, dass das Silikon-beschichtete Material opak ist, oder, mit anderen Worten, dass das transmittierte Licht gestreut ist, während die Halbleiterverpackung das Licht nicht streut. Sie erscheint klar. Damit wäre ein Material nach der Art der Halbleiterverpackung vom ästhetischen Standpunkt optimal zur Denkmaleinhausung.
(see Image)
Weiter fallen die geringen Werte für PVC und die etwas höheren für PTFE ins Auge. Der sichtbare Bereich der Sonnenstrahlung erstreckt sich nur auf den Bereich von ca. 200 bis 800 nm.
Die Absorptionsspektren der untersuchten Materialien sind zum gegenseitigen Vergleich in Bild 14 dargestellt.
(see Image)
Hier fallen die hohen Werte für PTFE auf, die man so nicht erwartet hätte. Das ist aber hier darauf zurückzuführen, dass das hier verwendete PTFE-beschichtete Gewebe noch nicht richtige ausgebleicht ist. Es wird auf die Dauer durch Einwirkung des UV-Lichtes heller und damit weniger absorbierend.
In der folgenden Bild 15 sind die Absorptionsspektren im langwelligen infraroten aufgezeichnet. im Winter aufweist die Membran gegen die kältere Umgebung in diesem Bereich abstrahlt.
(see Image)
Hier fällt vor allem die fast 100-prozentige Absorption für Silikon- PVC und PTFE auf, diese Materialien sind in diesem Spektralbereich „schwarz“. Nun ist die Absorptionsfähigkeit gleich der Emissionsfähigkeit. Das bedeutet, dass bei geringerer Umgebungstemperatur der Umgebung wie sie zum Beispiel der klare Himmel aufweist, die entsprechenden Materialien gegen diesen klaren Himmel abstrahlen und sich damit stark abkühlen, sogar weit unter die Lufttemperatur. Das wird noch klarer, wenn man die Strahlung eines schwarzen Körpers bei 270 Kelvin betrachtet, die in Bild 16 gezeigt wird. Das Maximum der Abstrahlung liegt auch in diesem Wellenlängenbereich.
In Bild 16 ist nun das Emissionsspektrum der betrachteten Materialien im langwelligen Infraroten bei 270 Kelvin gezeigt, das durch Überlagerung der Strahlung des schwarzen Körpers mit den entsprechenden Emissionsspektren entsteht.
(see Image)
(see Image)
In Bild 17 wird deutlich, dass PTFE, PVC, Silikon und THV fast so abstrahlen wie ein schwarzer Körper. Sie verlieren damit bei kalter Umgebung Energie durch Abstrahlung und kühlen sich damit auch unter die Lufttemperatur ab, die nicht einem schwarzen Körper entspricht. Alleine die Halbleiterverpackungen zeigen ein anderes Verhalten, ihr Abstrahlverhalten ist fast um die Hälfte reduziert. |
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| 5 Weikersheim | | Table 1 I Table 2 I Table 3 I Table 4 I Table 5 I Table 6 I Table 7 I Table 8 I
| 5.1.1. allgemeine Bemerkungen
Es wurden zwei Einhausungen fertiggestellt, eine pyramidenförmige und eine walzenför-mige. Die von uns gelieferten Einhausungen waren gegenüber den bisher installierten we-sentlich größer und schwerer. Das hatte seinen Grund darin, dass sie mit den im Bauwesen üblichen Sicherheitsfaktoren gerechnet wurden, die hier vielleicht nicht angebracht sind. Diese Entscheidung muss aber einer späteren Diskussion überlassen bleiben.
6.1.2. Materialien
In Weikersheim wurden ausschließlich THV-beschichtete Materialien mit einem Wärme-chutzlack verwendet. Eine PVC-Beschichtung als Vergleich stand in den herkömmlichen Einhausungen zur Verfügung, das Silikonmaterial schien uns nicht so interessant, da es in seinen Strahlungseigenschaften zu ähnlich dem PVC war.
5.1.3. Statische Probleme
Hier ergeben sich Fragen der Sicherheit: Die von uns verantworteten Einhausungen sind wie schon oben erwähnt mit den üblichen Sicherheiten des Bauwesens gerechnet und be-messen. Die vorhandenen Einhausungen aber sind nicht berechnet und bemessen, sie wur-den „naiv“ aus Gerüststangen zusammengesetzt. Deren Sicherheit entspricht nicht den im Bauwesen üblichen. Nun muss man darauf hinweisen, dass die im Bauwesen üblichen Si-cherheiten so ausgelegt sind, dass unter allen Umständen Schäden vermieden werden. Dabei werden auch sehr unwahrscheinliche Lastkombinationen berücksichtigt. Es ist zu diskutieren, ob man diese Sicherheiten auch hier ansetzen muss.
5.2. Skulpturenpark Schloss Weikersheim, Ergebnisse der Klimamessungen
5.2.1. Messanordnung
Im Skulpturengarten von Schloss Weikersheim wurden an drei Skulpturen Messungen vor-genommen. Die Skulptur S 1 war mit einer THV-Membran umspannt. An ihr wurden die Skulpturtemperatur S 1 und die Membrantemperatur der Einhausung M 1 gemessen.
Im Bereich zwischen Einhausung und Skulptur wurde die Relative Luftfeuchte RH 1, so-wie die Lufttemperatur T 1 gemessen. Photographische Aufnahmen folgen am Ende. An der pyramidenförmigen Skulptur wurde nicht gemessen, da die Unterschiede zu der in-strumentierten nicht als wesentlich erachtet wurden.
(see Image)
Die Skulptur S2 war mit einer älteren weißen Membran umhaust. An ihr wurde die Skulp-turtemperatur S2 gemessen. Zum Vergleich wurde an einer freistehenden Skulptur ohne Einhausung die Skulpturtemperatur S3 gemessen. Für die Messung aller Materialtempera-turen (Skulpturen und Membrantemperatur) wurden PT 100-Temperaturmessfühler mit einem Messbereich von –50 °C bis +150 °C verwendet.
Für die Lufttemperatur T 1wurde ein Thermistor mit einem Messbereich von zur Messung eingesetzt. Die relative Luftfeuch-tigkeit im Raum zwischen der Skulptur S1 und der Membraneinhausung wurde mit einem Feuchtesensor gemessen, dessen Messbereich 5 – 98 % r.F. beträgt. Auf dem Dach der Einhausung der Skulptur 1 wurden die Außentemperatur Ta und die relative Außenluft-feuchte RHa gemessen. Der Messbereich des Außenlufttemperatursensors beträgt –35 °C bis +70 °C. Der Außenluftsensor ist für einen Messbereich von 10 % bis 100 % relativer Feuchte angegeben. Die Abbildung oben zeigt die Messanordnung im Skulpturengarten von Schloss Weikersheim
5.2.2. Messperiode
Die Messstation wurde am 11.12.02 in Betrieb genommen und speicherte nach Anfangs-problemen mit der Stromversorgung vom 29.1.2002 bis 26.03.02 (abgesehen von Umbau-pausen) alle Messwerte in viertelstündigen Abständen ab. Bild 19 zeigt die Lufttemperatur T1 der Skulptur 1 über den gesamten Messzeitraum.
(see Image) :
Die Maximaltemperatur in der angegebenen Messperiode betrug 24,1 °C am 12.03.02 tags-über, die tiefste Temperatur wurde nachts bei -5,7 °C gemessen. Am Morgen des 11.03.02 erreichte die Lufttemperatur einem Minimalwert von - 3,5 °C.
Die größte Temperaturdifferenz innerhalb kurzer Zeit wurde zwischen der Nacht vom 10.03.02 auf 11.03.02 mit –3,5 °C und dem 12.03.02 mit der Maximaltemperatur von 24,1°C gemessen. Daher bietet sich dieser Zeitraum für eine genauere Betrachtung an.
Die in diesem Zeitraum gemessenen Temperaturen sind in Bild 20 zusammenfassend dar-gestellt.
(see Image)
Für eine detailliertere Betrachtung werden die Temperaturen in diesem Zeitintervall im folgenden in verschiedenen Gruppen zusammengefasst und dargestellt. Zunächst werden die Temperaturen der drei Skulpturen Mit neuer Einhausung (S1), mit alter Einhausung (S2), und ohne Einhausung (S3) miteinander, und mit der Außentemperatur in Abbildung 4 verglichen.
5.2.3. Vergleich der Skulpturtemperaturen
Die Materialtemperaturen der drei betrachteten Skulpturen S1, S2 und S3 weisen erhebli-che Unterschiede auf. Sie sind in Bild 21 dargestellt.
(see Image)
In Tabelle 5 sind die wichtigsten Werte zusammengefasst.
(see Image)
Zuerst einmal kann festgestellt werden, dass die Skulpturen in den Einhausungen mit dem THV-Material sowohl bei Tag niedrigere Temperaturen aufweisen als alle anderen und bei Nacht höhere. Damit ist ein erster Effekt der Wärmeschutzbeschichtung nachgewiesen. Neben diesen verschiedenen Differenzen der Skulpturtemperaturen unterscheiden sich die Temperaturkurven auch deutlich in Ihrer Glattheit. Um die Glattheit der Temperaturkurve darzustellen wurde der gleitender Mittelwert mit 4 Werten vor und 4 Werten nach dem eigentlichen Messwert gebildet. Insgesamt wurde so über einen Zeitraum von zwei Stun-den gemittelt. Der Vergleich zwischen gleitendem Mittelwert und den gemessenen Rohda-ten ist in Bild 22 dargestellt.
(see Image)
Große Temperaturunterschiede in kurzer Zeit sind für die Skulptur besonders belastend. Um diese Temperaturunterschiede fassen zu können, wurde folgendes Vorgehen gewählt: Es wurde der Unterschied zwischen dieser Mitteltemperatur und der aktuell gemessenen gebildet. Diese Differenz ist ein Indikator für die Pufferwirkung der Einhausung. Sie ist besonders wichtig, da in einem anderen ebenfalls von der DBU unterstützten Vorhaben gezeigt werden konnte, dass mit dieser Differenz die Schädigungsgefährdung eines Sand-steines gekoppelt ist. Im folgenden Bild 23 sind diese Temperaturunterschiede für eine freistehende Skulptur, für eine mit einem PVC-Polyester-Material eingehauste und für die vom Labor Blum mit einem THV-Material mit Wärmeschutzlack versehene dargestellt.
(see Image)
In folgendem Bild 24 wurden nur die Abweichungen vom Mittelwert für die eingehausten Skulpturen gegenübergestellt.
(see Image)
Um den hier zu ahnenden Effekt der Abminderung der Schwankungen in Zahlen fassen zu können, wurde die Summe der Absolutwerte dieser Abweichungen gebildet und durch die Zeit der Messung dividiert. Es ergaben sich folgende Werte:
Für die Skulptur mit dem neuen Einhausungsmaterial: 23,3 Grad/Tag
Für die Skulptur mit der herkömmlichen Einhausung: 32,7 Grad/Tag
Für die Skulptur ohne Einhausung: 57,6 Grad/Stunde.
Die hier offensichtlich werdenden Tatsachen können nun in Worte gefasst und verglichen werden:
1. Das neue Material hat gegenüber dem herkömmlichen eine Verbesserung von ca. 29 %.
2. Das alte Material hat gegenüber der ungeschützten Skulptur eine Verbesserung von ca. 43 %.
3. Das neue Material hat gegenüber der ungeschützten Skulptur eine Verbesserung von ca. 60 %. |
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| 6. Clemenswerth | |
| 6. CLEMENSWERTH
7.1.1. allgemeine Bemerkungen
Hier ist am Anfang zu bemerken, dass die Skulpturen als Halbreliefs auf einer Backstein-wand angebracht waren. Diese Situation ist total verschieden von der in Weikersheim, wo es sich um freistehende Skulpturen handelt. Als weitere Besonderheit darf angefügt wer-den, dass hier die Membran im Sommer während der Zeit der Nichteinhausung in ihrem Rahmen, mit dem sie auf die Wand aufgeschraubt wird, verbleibt. Der Rahmen mitsamt Membran wird als Ganzes unter dem Dach eines Bauhofes gespeichert. Daher müssen kei-ne Anforderungen in Richtung der Faltfähigkeit gestellt werden. Das kann am Ende die Materialauswahl wesentlich beeinflussen: Es muss auf die Faltbarkeit keine Rücksicht ge-nommen werden.
7.1.2. Materialien
Es waren hier schon Einhausungen angebracht, die mit einem PVC-beschichteten Polyes-tergewebe bespannt waren. Zwei dieser Einhausungen wurden neu bespannt: einmal eine mit einem Silikon-beschichteten Glasfasergewebe und einmal eine mit einem THV-beschichteten Glasfasergewebe, das mit einem Infrarotschutzlack ausgerüstet war. Die La-ge der neuen Bespannungen ist dem folgenden Bild zu entnehmen. Dort ist auch die Lage der Sensoren vermerkt.
Wie oben schon vermerkt muss das Material nicht beständig gegen Faltungen sein. Daher könnten hier auch Folien eingesetzt werden. Die bisher untersuchten Folien hatten aber eine Festigkeit, die noch nicht hoch genug war. Inzwischen gelang es aber, Folien mit hö-herer Festigkeit herzustellen. Es wird vorgeschlagen, eine Bespannung aus solchen Folien zu erproben. Das Labor Blum wäre bereit, entsprechende Kosten für eine Einhausung zu übernehmen.
7.1.3. Statische Probleme
Da die Einhausungen auf die Wand montiert werden, werden an die Statik des Rahmens keine besonderen Ansprüche gestellt. Alleine die Dübel, mit denen der Rahmen auf die Wand montiert wird, müssen einer Lastprobe unterworfen werden.
7.2. Messergebnisse
Hier waren zwei Einhausungen mit neuem Material versehen: Einmal ein silikon-beschichtetes Glasfasergewebe und einmal ein THV-beschichtetes Glasfasergewebe mit Wärmeschutzlackierung. Die Lage der Einhausungen und die Verteilung der Sensoren ist der Abbildung 25 zu entnehmen.
Abbildung 25: Messaufbau am Schloss Clemenswerth
Ein charakteristischer Zeitraum ist der vom 19.2.2002 bis zum 28.2.2002. Die Temperatu-ren in diesem Zeitraum seinen in den folgenden Bildern (26-28) gezeigt.
Bild 26 : Temperaturverläufe an Skulptur 3 (S3) im Vergleich mit der Außentemperatur (Ta)
Skulptur 3 ist nach Norden orientiert. Dementsprechend wirkt die Strahlung der Sonne nur sehr wenig auf den Temperaturgang ein, die Unterschiede zwischen Lufttemperatur und Skulpturtemperatur sind relativ gering. Auch sind die Schwankungen nicht sehr groß.
Bild 27 : Temperaturverläufe an Skulptur 2 (S2) im Vergleich mit der Außentemperatur (Ta)
Skulptur 2 ist direkt nach Süden orientiert. Dementsprechend weicht hier die Skulpturtem-peratur bei klarem Wetter wie zwischen dem 19. Und 25. Februar von der Lufttemperatur weit ab. Auch sind die Schwankungen zwischen Tag und Nacht stärker verglichen mit den Werten von Skulptur 3.
Bild 28: Temperaturverläufe an Skulptur 1 (S1) im Vergleich mit der Außentemperatur (Ta)
Skulptur 1 ist nach Osten orientiert. Hier liegt der Unterschied zwischen Lufttemperatur und Skulpturtemperatur ungefähr zwischen dem Fall 2 und dem Fall 3.
Hier sollen nun die gleichen Auswerteformalismen wie schon oben vorgeführt angewendet werden. Es wird ein gleitender Mittelwert über zwei Stunden gebildet und es werden die Abweichungen des aktuellen Wertes von diesem Wert aufgezeichnet. Das Ergebnisse sind in Bild 29 bis 31 gezeigt.
Bild 29: Abweichungen vom Mittelwert für Skulptur 3
Die Abweichungen liegen mit wenigen Ausnahmen in einem Band zwischen –1,5 und 1,5 Grad.
Bild 30 : Abweichungen für Skulptur 2
Hier sind die Abweichungen wesentlich höher, sie liegen zwischen 2 und –4 Grad. Darin spiegelt sich die Exposition nach Süden wider.
Bild 31 : Abweichungen für Skulptur 1
Hier ist die Situation vergleichbar mit den Werten für die Skulptur 2, nur sind die Schwan-kungen etwas geringer, zwischen 1 und –3 Grad.
Es wird nun wieder wie oben ein durchschnittlicher Gefährdungswert definiert. Man erhält die folgenden Ergebnisse:
Für Messplatz 1: 12,4 Grad/Tag
Für Messplatz 2: 12,6 Grad/Tag
Für Messplatz 3: 10,7 Grad/Tag
Hier macht es keinen Sinn, Verbesserungen zu definieren, da die Ergebnisse stärker von der Exposition als von der Art der Einhausung abhängen. Insgesamt ergeben sich aber ge-ringere Werte als in Weikersheim, woraus man aber keine Schlüsse ziehen kann, da die Situationen nicht vergleichbar sind. Man könnte allerhöchstens schließen, dass sich hier widerspiegelt, dass die Skulpturen auf einer Backsteinwand angebracht sind. Diese Wand stellt einen Wärmespeicher dar, der stärkere Temperaturschwankungen ausgleicht.
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