Membranbau 01.09.2018, 00:00 Uhr

Alterungsverhalten von ETFE-Folie

Seit den 1980er-Jahren überdeckt im Burgers‘ Zoo in Arnheim eine Folie aus dem Fluorpolymer-Werkstoff Ethylen-Tetra-Fluor-Ethylen (ETFE) die Mangroven. Nachdem die ETFE-Folie in vielen Projekten verbaut wurde, analysierten Experten nun das Alterungsverhalten durch unterschiedliche Proben.

Spannungs-Dehnungs-Diagramm eines Biaxial-Tests an einer neuen 150 µm Nowoflon ET6235Z Folie, hergestellt am 26. September 2017. Abb.: Vector Foiltec

Spannungs-Dehnungs-Diagramm eines Biaxial-Tests an einer neuen 150 µm Nowoflon ET6235Z Folie, hergestellt am 26. September 2017. Abb.: Vector Foiltec

Im Jahr 1982 wurde durch die heute unter dem Namen Vector Foiltec GmbH bekannte Firma der Einsatz von Folien aus dem Fluorpolymer-Werkstoff Ethylen-Tetra-Fluor-Ethylen (ETFE) für die Anwendung in der Architektur entwickelt. Dafür wurde das Texlon ETFE-System für Gebäudehüllen entwickelt. Das erste unter Einsatz dieser Technologie mit Folien im Gründungsjahr gebaute Projekt war die Mangrovenhalle im Burgers‘ Zoo in Arnheim in den Niederlanden.

Nachdem vor mehr als 35 Jahren ETFE-Folie als System für transparente Gebäudehüllen entwickelt worden ist und bis heute deutlich mehr als 2 000 Projekte weltweit in beinahe allen Klimazonen gebaut worden sind, konnte erstmals das Alterungsverhalten von ETFE-Folien sowohl anhand der Analyse möglicher Änderungen der chemischen Struktur als auch der Änderung der mechanischen Eigenschaften untersucht werden, da entsprechend gealterte Folienproben aus Projekten verfügbar waren. Während die extrem hohe Stabilität der optischen Eigenschaften bekannt und gut untersucht ist, konnte auch die vergleichende Analyse der chemischen Struktur von in Projekten über mehr als 25 Jahre gealterten Folien mithilfe von Raman Spektroskopie selbst unter zusätzlicher Anwendung von speziellen statistischen Methoden der multivarianten Datenanalyse (die “Hauptkomponentenanalyse, Principal Component Analysis – PCA) keine Änderung identifizieren.

Einflüsse der mechanischen Belastung sind bisher weitestgehend nicht untersucht. Allerdings zeigten bereits Monoaxial-Tests an ETFE-Proben aus realen Projekten eine signifikant erhöhte Steifigkeit bei zehn Prozent Dehnung (Tabelle 1).

ETFE-Folien behält Performance bei

Die Bruchlast sowohl für die im Außeneinsatz gealterten Folien wie auch für die Proben aus dem Archiv ist im Bereich der Standardabweichung identisch. Allerdings ist die Zugfestigkeit bei zehn Prozent Dehnung bei den Proben, die den natürlichen Zuglasten in der Gebäudehülle ausgesetzt waren, signifikant höher als bei den Proben aus dem Archiv. Dieses Ergebnis deckt sich mit dem Ergebnis für die Dehnung bei 18 MPa. Die unter Last gealterte Folie zeigt eine höhere Steifigkeit. Damit unterscheidet sich das Alterungsverhalten von ETFE-Folie grundlegend von den meisten anderen Baumaterialien, welche in der Regel mit zunehmendem Alter die ursprüngliche Performance verlieren.

Um dieses für Bauprodukte ungewöhnliche Verhalten zu verstehen, wurde ein Verfahren entwickelt, mit dessen Hilfe die Simulation des Alterungsverhaltens von ETFE-Folien ermöglicht wird. Diese Methode wurde sowohl auf Proben aus realen Projekten wie auch auf neue Folienproben aus laufender aktueller Produktion angewendet.

Spannungs-Dehnungs-Diagramm eines Biaxialen-Hysterese-Tests an einer 150 µm Nowofol ETFE Folie, eingebaut im Jahr 1991 im Røndbjerg Projekt, DK, ausgebaut 2015, das heißt 24 Jahre Außenbewitterung. Abb.: Vector Foiltec

Spannungs-Dehnungs-Diagramm eines Biaxialen-Hysterese-Tests an einer 150 µm Nowofol ETFE Folie, eingebaut im Jahr 1991 im Røndbjerg Projekt, DK, ausgebaut 2015, das heißt 24 Jahre Außenbewitterung. Abb.: Vector Foiltec

 

Folien getestet

Das Spannungs-Dehnungs-Diagramm zeigt ein Biaxialer-Hysterese-Test für ein für rechteckige Kissengeometrien typisches Lastverhältnis von 2 : 1 an einer neuen 150 µm dicker Nowoflon ET6235Z ETFE-Folie. Die Grundlast von 4 MPa spiegelt den konstanten Kisseninnendruck von 250 Pa wider. Um verschiedene Windlasten darzustellen, wurden exemplarisch sieben Lastfälle mit maximalen durchschnittlichen Böen angenommen: 15 MPa, 18 MPa, 20 MPa, 22 MPa, 24 MPa, 26 MPa, und 28 MPa. Die Grundlast je Böe wurde mit 60 Prozent der maximalen Windgeschwindigkeit angenommen, also mit zum Beispiel 9 MPa für durchschnittliche Böen von 15 MPa. Jeder Böen-Zyklus bestand aus 50 Wiederholungen zu jeweils fünf Sekunden Dauer. Die Zeit zwischen den verschiedenen Windlastzyklen betrug zehn Minuten bei der Grundlast von 4 MPa entsprechend 250 Pa Kisseninnendruck. Während dieser Zeit konnte die Folie elastisch entspannen. Die Umgebungstemperatur während der Tests betrug 23 Grad Celsius. Die Probe begann beim zehnten Zyklus der 50 Zyklen im sechsten Lastfall (26 MPa) in Extrusionsrichtung (MD) zu reißen. Unter allen Laststufen einschließlich Laststufe fünf mit 24 MPa reduzierte sich die Dehnung der ETFE-Folie zunehmend bis zum Stillstand.

Die gealterte Folie begann im 5. Lastniveau bei 24 MPa nach zwölf Zyklen aufgrund der für Biaxilal-Tests spezifischen Probengeometrie sowie Probenpräparation an einer Schlitzung (Weiterreißfestigkeit) einzureißen. Im Vergleich der beiden Tests ist deutlich zu erkennen, dass die im Projekt eingebaute Folie unter Windlasten vermutlich mit maximal 18 MPa belastet war. Die Festigkeit der Folie bis zu diesem Bereich ist signifikant höher als bei der zuerst dargestellten nicht gealterten Folie.

Dieses Testverfahren ermöglicht nicht nur ein besseres Verständnis der erhöhten mechanischen Performance von ETFE-Folien nach mechanischer Alterung unter Windlasten, sondern kann ebenfalls dazu dienen, geeignete Grenzwerte für ETFE-Folien in der Gebäudehülle zu definieren. Das Langzeitverhalten von ETFE-Systemen in der Gebäudehülle kann mit Biaxialen-Testverfahren simuliert werden. Dadurch können grundlegende mechanische Eigenschaften von ETFE-Folien charakterisiert werden.

www.vector-foiltec.com

Tabelle 1. Ergebnisse aus den Zugversuchen an mit Balkenschweißmaschinen hergestellten Flächenschweißnähten
1985 Zugfestigkeit bei 10 % Dehnung s* Bruchlast s* Dehnung bei 18 MPa s*
MPa MPa MPa MPa % %
Arnheim Projekt 25,50 0,36 30,78 1,24 2,08 0,04
Nowofol Archiv 23,00 0,23 37,70 1,00 2,94 0,31
Von C. Maywald

Dr. rer. nat. Carl Maywald, Vector Foiltec GmbH, carl.maywald@vector-foiltec.com

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