Trans Membran

Entwicklung von transparenten Textilstrukturen für Membransysteme

Projektbericht

Die Firma Ettlin mit Sitz in Ettlingen besitzt ein extrem robustes und auch im Außenbereich hochbeständiges Gewebe, dessen Anwendung für Verschattungen im Außenbereich zu untersuchen ist.

Nachteile herkömmlicher Verschattungen sind das Entstehen und Aufstauen von Hitze unter den textilen Dächern, eine sehr geringe Luftdurchlässigkeit, das Bilden von Kondenswasser auf der Unterseite der Membranen, eine eingeschränkte Nutzung bei großen Windlasten, eine begrenzte Tragfähigkeit bei Schnee und das Fehlen einer planmäßige Entwässerung. Das Gewebe der Fa. Ettlin ist unbeschichtet und besitzt auf Grund der Fadendurchmesser und des Fadenabstands eine hohe Transluzenz. Die Regendichtigkeit wird erreicht, in dem die Fäden eine zusätzliche Ausrüstung erhalten. Die Aufgabe bestand darin das Gewebe auf eine Anwendung für eine doppelt gekrümmte und vorgespannte Membranfläche hin zu untersuchen und zu bewerten.

Dieses Gewebe besitzt im Gegensatz zu unbeschichteten und beschichteten Geweben für vorgespannte Membranfläche einen anderen Aufbau in der Gewebestruktur. Kett- und Schußfäden liegen aufeinander und werden über einen Verbindungsfaden zusammengehalten. Die Fäden bestehen aus Polyester und sind Monofile. Auf Grund des Webprozesses ist die Fadenanzahl je Zentimeter in Kett- und Schußrichtung unterschiedlich. Gegenüber üblichen Geweben verlaufen die Fäden gerade und das Spannungs-Dehnungs-Verhalten des Gewebes hängt bei gleichem Faden in Durchmesser und Festigkeit von der Anzahl der Fäden je Zentimeter in Kett- und Schußrichtung ab.

Für eine Anwendung dieses Gewebes in einer vorgespannten und doppelt gekrümmten Membran sind die Reißfestigkeit und die Bruchdehnung im  einachsigen Zugversuch zu bestimmen, Versuche zum zweiachsigen Spannungs-Dehnungs-Verhalten durchzuführen und das Weiterreißverhalten im einachsigen und zweiachsigen Zugversuch zu untersuchen. Es sind Lösungen für die Herstellung von Nähten, Randtaschen mit Seil und Klemmränder zu entwickeln.

Die Besonderheit des Gewebes, nämlich gerade Kett- und Schußfäden führt zu einem anderen Versagen und besitzt eine Analogie zu Seilen und Drahtbündeln. In üblichen Geweben tritt Versagen an einer Stelle des Gewebes auf. 

In dem vorliegenden Gewebe brechen einzelne Fäden statistisch verteilt über die gesamte Probe. Ein Vorteil des hieruntersuchten Gewebes ist, dass es nahezu keine Abminderung der Fadenfestigkeit durch den Webprozess gibt und das Spannungs-Dehnungs-Verhalten des Fadens und des Gewebes sehr ähnlich sind. Für die Nachweise der Tragfähigkeit dieses Gewebes ist die statistische Verteilung des Fadenversagens mit zu berücksichtigen.

Durch den Webprozess ist die Fadenanzahl in Kette und Schuss ca. 1 : 7 und dies bedeutet eine um den Faktor 7 höhere Zugfestigkeit und Dehnsteifigkeit in Schußrichtung. Für die Verwendung des Gewebes in einer doppelt gekrümmten und vorgespannten Membranfläche führt dies bei demselben Verhältnis der Vorspannung in Kette und Schuss zu Flächen, deren Krümmungsverhältnis in Kette und Schuss auch bei 1 : 7 ist und damit in Schussrichtung sehr flach werden. Belastungen, die über die Kettrichtung abgetragen werden, führen zu großen Verformungen und einem raschen Ausfall der Schußrichtung, wenn diese die Spannrichtung ist. Um eine einfache Abschätzung vorzunehmen, welche Geometrie und welche Vorspannung für gegebene Belastungen zu keinem Ausfall der Spannrichtung führen, wurde ein Programm entwickelt.

Das Gewebe besitzt bedingt durch den Webvorgang eine glatte und eine rauhe Seite. Liegt die glatte Seite oben und entspricht der Schussrichtung werden die Verbindungsfäden beim Aufbringen der Vorspannung auf Zug beansprucht. Unter äußeren Einwirkungen werden die Verbindungsfäden entlastet. Um Kriechen der Verbindungsfäden zu vermeiden, was zu einem Rutschen der Fadenscharen führen kann, die die Umlenkkraft in den Verbindungsfäden eine weitere Größe für die Festlegung der Vorspannung und Krümmung. Verläuft der Kettfaden in Richtung der der Tragrichtung erfolgt die Übertragung der Umlenkkräfte infolge Vorspannung auf Kontakt der beiden Fadenscharen.

Um einen festen Verband zwischen Kette und Schuss zu erhalten, wird der Verbindungsfaden mit einer Fadenspannung im Webprozess eingearbeitet und eine weitere Fragestellung war, ob durch diese Fadenspannung bei einer zweiachsigen Belastung eine Interaktion zwischen Kette und Schuss entsteht und wie das Verhalten des Gewebes beim Aufbringen einer Schubspannung ist.  Zur Untersuchung des biaxialen Verhaltens wurden Versuche mit der hauseigenen biaxialen Versuchseinrichtung gefahren und ausgewertet. Die optische Messung der Verschiebungen auf der Probe in einem Messfeld von 12 cm x 12 cm und 25 Messpunkten ermöglichte das Erkennen eines homogenen Spannungszustandes im Messfeld.

Für die Untersuchung der Fadenverdrehung gegeneinander in der Biaxialen Messeinrichtung wurden Proben hergestellt, die einen Fadenverlauf unter 45° zur Richtung der aufgebrachten Kräfte haben.  Die Anbindung an die Versuchseinrichtung erfolgte über aufgeschweißte Laschen aus beschichtetem Gewebe. Für die Versuchsdurchführung wurde der Zusammenhang genutzt, dass sich ein reiner Schubspannungszustand in einen Normalspannungszustand mit betragsmäßig gleichen und entgegen gesetzt gerichteten Normalspannungen transformieren lässt. Die Probe wurde vorgespannt und dann in die eine Richtung entlastet und in die andere Richtung belastet.

Sowohl zur Herstellung der Proben für die Scherversuche als auch für die Konfektionierung des Gewebes wurde das Verschweißen des Gewebes untereinander und zu beschichtetem Gewebe untersucht und getestet. Die Proben wurden an der hauseigenen Schweißmaschine erstellt und in den Versuchseinrichtungen auf ihre Tragfähigkeit hin untersucht. Im Rahmen des Vorhabens wurde eine doppelt gekrümmte Fläche  mit ca. 2,5 m x 2,5 m entworfen, die Zuschnitte erstellt, zusammengeschweißt und montiert.  Eine Randbedingung für den Entwurf der Fläche war, dass diese einen freien Rand und einen starren Rand aufweisen soll. Der starre Rand bildet ein Bogen an dem das Gewebe befestigt wurde und freien Ränder sind Seilränder.