Mechanically Pre-stressed Membrane Modules as a Second Skin Facade System

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung von mechanisch vorgespannten, doppellagigen Membranmodulen im Bezug auf ihre Anwendung, Gestaltung, Konstruktion sowie bauphysikalische und statische Gesichtspunkte. Innerhalb eines modularen Rahmensystems wird die Membran als standardisiertes und seriengefertigtes, mechanisch vorgespanntes Bauelement entwickelt und in der Anwendung als zweite Fassade vorgestellt. Fassadenstudien entwickeln das mögliche Gestaltungsrepertoire dieser Konstruktionen und zeigen einen Weg auf, wie der mechanisch vorgespannte Membranbau aus dem starren Korsett seiner klassischen Großform in eine Bau-form aktueller Formensprache und zeitgenössischer Architektur überführt werden kann. Bauphysikalische Studien und Energiebilanzen untersuchen die Leistungsfähigkeit der membranumhüllten Gebäudesysteme. Mit Hilfe dynamischer Strömungs-simulationen können Aussagen zu Luftbewegung und Temperaturverteilung innerhalb der aufgespannten Zwischenzone getroffen werden. Die zusammenfassende Auflistung der Energieeinsparpotenziale ermöglicht eine Einschätzung der Leistungsfähigkeit des Systems. Unter dem Aspekt wirtschaftlicher Serienfertigung werden entsprechende Konstruktionen des Membranrahmenmoduls vorgestellt, verglichen und optimiert. Sie werden mit zwei Membranen doppellagig bespannt, wobei zwischen drei Formen der Membranbespannung unterschieden wird und Studien die günstigste Form der Bespannung und ihrer Rahmenkonstruktion herausarbeiten. Abschließend untersucht die Arbeit vertiefend das Tragverhalten der drei unterschied-lich bespannten Membranmodule. Neben Analyse, Beschreibung und Optimierung des Tragverhaltens werden umfangreiche Studien aufgestellt, die vergleichende Aussagen zur Dimensionierung der Rahmenkonstruktion, Beanspruchung und Aus-lastung der Membran, Optimierung der Vorspannung und möglichen Rahmenmaßen liefern. In direktem Vergleich werden die membranbespannten Rahmenmodule mit einer ETFE Folienbespannung verglichen.The main topic of this work is the application, design, construction, static and thermal behaviour of mechanically pre-stressed membrane modules. Developed to become a standardized and pre-fabricated element, the membrane module will be examined in the paper as the basic element of second skin facade systems. By examining the architectural language and the repertoire of their expression, studies on the design of membrane-enveloped buildings have come to the fore in the development of facade systems. As a modular system, they have the capacity to expel the mechanically pre-stressed membrane architecture from their narrow conundrum of their dominant and anticlastic large-scale shape. Through researching and exploring the possibilities of membrane structures is to simultaneously research how membrane structures can impact in architectural design. The studies on the thermal behaviour of mechanically pre-stressed membrane modules likewise similarly examine the energetic efficiency of this building system. Numerical simulations are employed to deliver results of airflow and -temperature of the buffer zone and, energy balances report and compare the saving rates of differently constructed building envelopes. A detailed construction of the membrane frame is developed. Under consideration is the possibility for series production; resulting in the construction being optimized and in where three different membrane forms can be taken into account. As a result this research will bring forward and present the most economical and efficient construction of mechanically pre-stressed membrane modules. Besides a static analyse, description and optimization of this hybrid load bearing behaviour of frame and membrane, extensive tables report on frame dimensioning, stress distribution of the membrane as well as optimized pre-tension-values and feasible frame sizes. Finally the membrane construction is directly compared with ETFE-foil constructions