Bauen mit Papier: Architektur und Konstruktion 9783035621402, 9783035621396

Table of contents :
INHALT
1 PAPIER IN DER ARCHITEKTUR
Einleitung
Forschungsprojekt BAMP! – Bauen mit Papier
Die Geschichte von Papier in der Architektur
2 MATERIAL
Einleitung
Aufbau Holz und Aufschlussverfahren
Papierproduktion
Materialeigenschaften
3 HALBZEUGE UND KOMPONENTEN
Papier, Karton und Pappe
Wellpappe .
Sandwichstrukturen
Hülsen
Profile
Naturfaserverstärkte Platten
Freigeformte Bauteile
4 BAUKONSTRUKTION
Idealisierte Strukturen
Verbindungstechniken
Konstruktionstypologien
5 TRAGWERK, BRANDSCHUTZ, BAUPHYSIK
Tragwerksdimensionierung
Brandschutz
Bauphysik
Ökologische Betrachtungen
Typische Konstruktionsdetails
6 BEISPIELE
Einleitung
Häuser und Hütten
Pavillons
Brücken
Innenausbau und Möbel
7 AUSBLICK
Gestaltung neu definieren
Funktion und Nutzung
Konstruktion
Materialtechnologie.
Rezyklierbarkeit.
Prozesse neu denken
8 FAKTEN UND KENNZAHLEN FÜR INGENIEURE
Prüfmethoden zum Material
Prüfmethoden zum mechanischen Versagen von Bauteilen
Prüfmethoden zur Bauphysik
Materialbeispiele
ANHANG
Herausgeber und Autoren
Glossar
Bildnachweis
Register

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BAUEN MIT PAPIER

BAUEN MIT PAPIER

Die Herausgeber danken dem Forschungsförderungsprogramm LOEWE des Landes Hessen sowie der Technischen Universität Darmstadt für die finanzielle Unterstützung des Projekts BAMP! und dieser Publikation.

Layout, Covergestaltung und Satz Miriam Bussmann Umschlag Paper Log House, Shigeru Ban, Sherman Contemporary Art Foundation, Sydney, 2017; Foto: Brett Boardman Fachlektorat Claudia Siegele Lektorat und Projektkoordination Ria Stein Herstellung Anja Haering Papier Magno Natural, 120g/m² Druck Grafisches Centrum Cuno GmbH & Co. KG Lithografie Repromayer, Reutlingen

Library of Congress Control Number: 2022944009 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechts. ISBN 978-3-0356-2139-6 e-ISBN (PDF) 978-3-0356-2140-2 Dieses Buch ist unter dem Titel Building with Paper: Architecture and Construction auch in englischer Sprache erschienen (print-ISBN 978-3-0356-2153-2). © 2023 Birkhauser Verlag GmbH, Basel Postfach 44, 4009 Basel, Schweiz Ein Unternehmen der Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston 987654321

INHALT

1 PAPIER IN DER ARCHITEKTUR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Forschungsprojekt BAMP! – Bauen mit Papier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Die Geschichte von Papier in der Architektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2 MATERIAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Aufbau Holz und Aufschlussverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Papierproduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Materialeigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3 HALBZEUGE UND KOMPONENTEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Papier, Karton und Pappe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Wellpappe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Sandwichstrukturen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Hülsen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Naturfaserverstärkte Platten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Freigeformte Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4 BAUKONSTRUKTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Idealisierte Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Verbindungstechniken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Konstruktionstypologien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

5 TRAGWERK, BRANDSCHUTZ, BAUPHYSIK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Tragwerksdimensionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Brandschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Bauphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Ökologische Betrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Typische Konstruktionsdetails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81

6 BEISPIELE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Häuser und Hütten PAPER HOUSE · Yamanashi, Japan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 PAPER LOG HOUSE · Kobe, Japan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

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WIKKELHOUSE · Amsterdam, Niederlande u.a. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 CARDBOARD SCHOOL · Westcliff-on-Sea, Großbritannien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 CARDBOARD HOUSE · Sydney, Australien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 KLUBHAUS HOCKEY UND TENNIS CLUB RING PASS · Delft, Niederlande . . . . . . . . . . . . 102 PH-Z2 · Essen, Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 INSTANT HOME · Darmstadt, Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 STUDIO SHIGERU BAN, KUAD · Kyoto, Japan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 HOUSE OF CARDS · Breslau, Polen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 TECH 04 · Breslau, Polen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 HOUSE 01 · Darmstadt, Deutschland

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HOUSE 02 · Darmstadt, Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122 NOTUNTERKÜNFTE AUS PAPIER · Darmstadt, Deutschland

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Pavillons CARDBOARD THEATRE APELDOORN · Apeldoorn, Niederlande

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JAPANISCHER PAVILLON DER EXPO 2000 · Hannover, Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . .132 PAPER THEATRE IJBURG · Amsterdam und Utrecht, Niederlande

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134

ARCH/BOX · Breslau, Polen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

Brücken PAPIERBRÜCKE PONT DU GARD · Vers-Pont-du-Gard, Frankreich . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 PAPER BRIDGE · Patterdale, Cumbria. Großbritannien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 EINE BRÜCKE AUS PAPIER · Darmstadt, Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

Innenausbau und Möbel AESOP DTLA · Los Angeles, USA

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CARDBOARD BOMBAY · Mumbai, Indien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 CARDBOARD OFFICE · Pune, Indien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152 CARTA COLLECTION · Zürich, Schweiz

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6

7 AUSBLICK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Gestaltung neu definieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Funktion und Nutzung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 Konstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Materialtechnologie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Rezyklierbarkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Prozesse neu denken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

8 FAKTEN UND KENNZAHLEN FÜR INGENIEURE . . . . . . . . . . . . . . 170 Prüfmethoden zum Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 Prüfmethoden zum mechanischen Versagen von Bauteilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .174 Prüfmethoden zur Bauphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 Materialbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

ANHANG Herausgeber und Autoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 Bildnachweis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 Register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

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PAPIER IN DER ARCHITEKTUR

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Warum sollen wir überhaupt mit Papier bauen? Einem Material, das üblicherweise ganz andere Zwecke erfüllt, zuvorderst für das dauerhafte Dokumentieren von Wissen als Buch, Zeitung oder Schriftstück, aber auch in der Hygiene und in der Verpackungsindustrie. Dieser Frage wird die vorliegende Publikation nachgehen. Papier wird aus Holz hergestellt. Menschen nutzen diesen nachwachsenden Rohstoff seit jeher für Bauwerke, und der Werkstoff erlebt derzeit einen Entwicklungsschub in vielen neuen Anwendungen und Verbindungstechnologien, die dem anisotropen Charakter des Materials Holz gerecht werden. Genau hier liegt das Potenzial des Materials: Papier kann als Weiterentwicklung des Basiswerkstoffs Holz gesehen werden – eine Art Holz 2.0! Holz ist anisotrop, hat als natürlicher Werkstoff aufgrund des Wachstums also unterschiedliche Festigkeiten in x-, y- und z-Richtung, ist aber auch gekennzeichnet durch Imperfektionen im Bereich von Verzweigungen und Vorschädigungen aufgrund des langen Wachstumsprozesses. Über die Jahrhunderte hat sich der konstruktive Umgang mit dem Werkstoff durch Verbindungstechniken und Sicherheitsszenarien technologisch so entwickelt, dass wir über genügend Erfahrungen und Erkenntnisse verfügen, um Holz sicher und planmäßig verwenden zu können. Zugleich weisen ihn seine ungleichmäßigen Erscheinungen als natürliches, gewachsenes Material aus. Ein Beispiel, das den Fortschritt in der Technologie dokumentiert, um die Unregelmäßigkeiten des Holzes auszugleichen, ist das Furnierschichtholz: Hier werden sehr dünn geschnittene Platten oder Schichten (1–3mm) übereinandergeleimt und damit zu einem neuen Holzwerkstoff zusammengesetzt, sodass die Imperfektionen des Holzes sich durch die Überlagerung aufheben. Durch Verdrehen der Schichten zueinander lassen sich auch die unterschiedlichen Festigkeiten kompensieren und so zumindest in zwei der drei Richtungen gleiche Belastbarkeit erreichen. Auch können die durch das Wachstum beschränkten Dimensionen des Werkstoffs um ein Vielfaches überschritten werden: Bäume liefern Bretter in begrenzten Breiten und Längen – Furnierschichtholzplatten werden derzeit in einer maximalen Dimension von 3,5 × 25m angeboten, eine Begrenzung, die eher dem Transport und der Auslegung der Maschinen geschuldet ist als den generellen technischen Möglichkeiten. So entsteht auf der Basis eines natürlichen Werkstoffs ein homogenes und weitestgehend natürliches Material mit Dimensionen, die in der Natur nicht vorkommen – und zwar in einer sehr maßhaltigen industriellen Reproduzierbarkeit. Und nun Papier? Papier entsteht durch mechanischen oder chemischen Aufschluss von Holz und der dann folgenden neuen Verbindung dieser Holzfasern in Form von dünnen flächigen Schichten. Zudem können Füll- oder Zusatzstoffe andere Volumina und Funktionalitäten erzeugen. Die Papierherstellung gleicht also dem Produktions-

1 PAPIER IN DER ARCHITEKTUR

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prozess von Furnierschichtholz: durch das Zerlegen des Materials, das man danach neu zusammensetzt, entsteht ein neuer Werkstoff: homogen, präzise und in großen Dimensionen sowie industriell reproduzierbar. Allerdings findet sich Papier in der Baubranche bislang nur in wenigen Bereichen wie beispielsweise als Trenn- oder Trägerschicht sowie als experimenteller Werkstoff. Dies liegt an zwei wesentlichen Einflüssen: Feuchte und Feuer. Holz sowie die beschriebenen Holzwerkstoffe können Feuchte aufnehmen und abgeben, ohne das Material unmittelbar zu schädigen. Mit entsprechenden Bauteildimensionen lässt sich das Risiko von Feuchteschäden weiter reduzieren. Was den Brandschutz angeht, vermag sich der Bau- und Werkstoff Holz selbst zu schützen, indem er beim Brandvorgang an den äußeren Schichten verkohlt und so das vollständige Abbrennen stark verzögert. Auch beim Papier gilt dieses natürliche Schutzprinzip: Durch Zunahme der Schichtdicken lässt sich der Brandprozess verlangsamen – allerdings zum Preis einer schweren Konstruktion mit mehr Material. Deutlich schwieriger gestaltet sich hingegen der Feuchteschutz. Der sich wiederholende Prozess von Durchfeuchtung und Entfeuchtung schädigt die Papierstruktur, wodurch die Formstabilität nicht mehr gegeben ist. Jeder kennt es: Wird dünnes Papier feucht, wird es wellig und bleibt dauerhaft verformt. Es gibt inzwischen jedoch Herstellungsverfahren, die das Papier mittels Additiven bzw. Zusatzstoffen nassfester machen, was insbesondere im Bereich der Hygiene und Verpackung gefordert ist. Hier entsteht ein Potenzial, das es für Anwendungen im Bauwesen zu übersetzen gilt. Ein unschlagbarer Vorteil des Werkstoffs Papier ist jedoch die Möglichkeit, die Faserstruktur des Holzes mechanisch oder chemisch aufzulösen und neu zusammenzusetzen. Somit wird Reproduzierbarkeit und werkstoffliche Perfektion erzielt, was sich positiv auf die Dimensionierung und geometrische Diversität auswirkt. Durch Schichten oder Formen des Werkstoffs entstehen Volumen-Geometrien wie Wellpappen oder Wabenpappen. Diese Strukturen ermöglichen leichte und dennoch konstruktiv effiziente  Komposit-Bauteile, die wiederum entsprechend ihrer Lastanforderungen geschichtet und ausgelegt werden können. Für das Entwickeln von Bauteilen kann man auf die Erfahrungen in der Verpackungs- und Transportindustrie aufbauen. Vor allem folgende drei Aspekte bieten große Potenziale zur funktionalen Übertragbarkeit ins Bauwesen: • Techniken zur Fügung von Pappe, • Schichtung von tragenden und Volumen erzeugenden Bauteilen sowie • die Überlagerung der einzelnen Ebenen zur Vermeidung von Anisotropie. Parallel kann auf einen wesentlich verbesserten Herstellungsprozess des Materials Papier an sich aufgebaut werden, der in den letzten Jahrzehnten konsequent optimiert wurde. Die ursprünglich sehr energie- und wasserintensiven Produktionsverfahren sind durch Forschung und Entwicklung deutlich verbessert worden. Gleiches gilt für die Kreislaufwirtschaft: Das Papierrecycling stand hier am Anfang der Bemühungen, ist längst flächendeckend etabliert und technisch absolut ausgereift!

Forschungsprojekt BAMP! – Bauen mit Papier Das vom hessischen Landesprogramm LOEWE (Landes-Offensive zur Entwicklung Wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz) geförderte Grundlagenforschungsprojekt „BAMP! – Bauen mit Papier“ ist der Ursprung des vorliegenden Buches. Die interdisziplinäre Zusammensetzung der beteiligten Wissenschaftler ermöglichte es, die gesamte

Forschungsprojekt BAMP! – Bauen mit Papier

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1 Das Forschungsprojekt „BAMP! – Bauen mit Papier“ untersucht und analysiert die gesamte Wertschöpfungskette eines Gebäudes aus Papier.

MATERIAL Morphologie | Topologie

MATERIAL Chemische Funktionen

ANALYSE | SIMULATION Strukturmechanik

HALBZEUGE Optimierte Verbunde

BAUWERK Gestalt + Funktion

BAUGRUPPEN Konstruktion + Fügung

BAUTEIL Fertigung

Wertschöpfungskette eines Gebäudes aus Papier abzubilden und zu untersuchen » Abb. 1. Das Bauen mit Papier steht noch am Anfang seiner Entwicklung – einzelne Experimente versprechen aber schon jetzt gestalterische und funktionale Chancen. Auch in ökologischer Hinsicht ergeben sich Vorteile: Die Rezyklierbarkeit des Papiers schont Ressourcen, und die Verwendung des Ausgangsstoffes Holz reduziert die CO2-Emissionen. All dies könnte helfen, den Gedanken einer ökologischen, nachhaltigen Architektur weiterzuentwickeln – insbesondere vor dem Hintergrund der materialbedingten Kreislaufwirtschaft, die andere Bauwerkstoffe in der Form nicht aufbieten können. Die Entwicklung von hochleistungsfähigen Bausystemen aus Holz war ein langer Weg. Um das Bauen mit Papier als eigenständige Bauweise zu etablieren, ist zu prüfen, inwieweit sich die bewährten Techniken und Methoden anderer Bauweisen übertragen lassen und wo gänzlich neue Wege zu beschreiten sind. Viele Fragen sind noch offen, die aufgrund der Komplexität des Themas nur gemeinschaftlich gelöst werden können: So sind nicht nur die Industrie, sondern auch Planer, Nutzer, Bauherren und Betreiber von Gebäuden gefragt, die Potenziale zu erkennen, gemeinsam zu entwickeln und zu verstetigen. Für industrielle Lösungen im Bauwesen sind fehlende Grundlagen wie beispielsweise Materialkennwerte aufzuarbeiten und je nach Anwendungsbereich abzugleichen. Welche Anforderungen stellen Gebäude und Bauteile an das Material und dessen Herstellung? Welche Standards resultieren aus dem Material und dessen Verwendung, und wo kann es dann zu welchem Zweck eingesetzt werden? Parallel wird zu untersuchen sein, in welcher Weise bestehende Materialien der Papierindustrie in der Architektur verwendet werden können, wie Technologien aus der Papierherstellung übertragen werden können und inwieweit sich diese für Ziele des Bauwesens anpassen lassen. In einem nächsten Schritt können dann diese Erkenntnisse in Konstruktionen übersetzt werden. Bauen mit Papier lässt sich dem Leichtbau zuordnen, muss nicht immer dauerhaft sein und wird eigene Gestaltungs- and Funktionsmuster entwickeln.

1 PAPIER IN DER ARCHITEKTUR

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METHODEN EZ IZSZKIZ SK

2 Entwicklungsmethode des Forschungsprojekts „BAMP! – Bauen mit Papier“.

E

GESTALTUNG FUNKTION KONSTRUKTION

NG CEHENRUING N ERGEI BN E

HERSTELLUNG

MAC

MATERIAL

ARO HPBR

OKE F IT OFSCNOAC NC HEWPETIS

TECHNOLOGIE

Womöglich lassen sich bereits vorhandene Produkte intelligent verwenden, verbessern (Optimierung) oder es können andere Produkte mit neuen Methoden hergestellt werden (Innovation), die auf spezifische Anwendungen im Bauwesen ausgerichtet sind. Für eine solche Pionierarbeit bedarf es jedoch eines hohen Maßes an Interesse, Kreativität und Entwicklungswillen aller Beteiligten  – Industrie, Planer und Nutzer » Abb.  2. Nur wenn die Thematik Aufmerksamkeit erlangt, lassen sich Zuwendungen und Förderer für eine anwendungsorientierte Grundlagenforschung erwirken. Für die Akzeptanz in der Gesellschaft ist zu klären, ob für das Material neue Rahmenbedingungen geschaffen werden können. So führen mehr Impulse bei Planern und Herstellern zu mehr Projekten und damit wiederum zu mehr Anknüpfungspunkten. Normen und Gesetze können sich für bestimmte Anwendungsbereiche als kritisch erweisen: So wäre zu überlegen, ob Anforderungen und Regelungen für temporäre Gebäude mit Wohn- und Aufenthaltsnutzung neu gedacht werden können, damit alternative Konzepte mit Papier in der Praxis umsetzbar sind. Die Forschung und Entwicklung, die auch Thema dieses Buches sind, tragen dazu bei, die Grenzen des Materials zu definieren, auch in der Hinsicht, für welche Bereiche das Material ungeeignet ist. Obgleich das Bauen mit Papier hinsichtlich Regelungen, Baunormen und bestimmten Technologien in vielerlei Hinsicht noch unkalkulierbar ist, so ist es keineswegs Utopie, in den nächsten Jahren Häuser mit oder gar vollständig aus Papier zu bauen. Die nachfolgenden Kapitel stellen Aspekte und Impulse für die weitere Entwicklung des Bauens mit Papier dar.

Die Geschichte von Papier in der Architektur  Die Ursprünge des Bauens mit Papier liegen im alten China und Japan. Die Erfindung des Papiers im Jahr 105 n.Chr. wird dem chinesischen Landwirtschaftsminister Tsai-Lun zugesprochen. Für die Papierherstellung verwendete man Fasern aus Maulbeerbaum, Flachs, Seide oder Hanf, aber auch alte Lappen oder Lumpen; das Gemisch wurde zerkocht und in einer Wasserlösung mit klebrigen Substanzen vermischt. Der so entstandene Brei wurde auf Siebe aufgetragen, gepresst und in der Sonne getrocknet. Die ersten Papieranwendungen in der Architektur waren freistehende Raumteiler aus einzelnen oder mehreren Paneelen. Solche Faltwände bestanden aus papierbespannten Holzrahmen. In den meisten Fällen waren sie bemalt. Später wurden dann die

Die Geschichte von Papier in der Architektur

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3 Die japanische Kultur kennt zwei Paneel-Varianten: das semitransparente Shoji (links) und das blickdicht bemalte Fusuma (hinten). Die Papier-Trennwände stehen im Nazen-jiTempel in Kyoto.

freistehenden Raumteiler zu verschiebbaren Wandpaneelen weiterentwickelt. Die japanische Architektur kennt zwei Varianten: Die transparenten Wandpaneele namens Shoji bestehen aus einem Holzgitterrahmen, der mit Washi-Papier bespannt ist. Tageslicht kann durch dieses hauchdünne Papier hindurchscheinen und das Innere des Hauses mit diffusem Licht erhellen. Das Fusuma-Paneel besteht aus einem mit Papier bespannten Holzgitterrahmen, allerdings ist das Papier undurchsichtig und oft bemalt » Abb. 3. Diese traditionelle japanische Bauweise mit Holz und Papier schafft allerdings kaum Schallisolation und erforderte daher ein ruhiges und selbstbeherrschtes Verhalten der Bewohner.2 In Europa legten die Papiermanufakturen von Córdoba, Sevilla und Valencia in Spanien im 13.  Jahrhundert den Grundstein für die Papierherstellung. Die Europäer nutzten Papier von Beginn an vornehmlich als Informationsträger und Verpackungsmaterial. Es wurde aus Lappen und Stoffresten hergestellt, und die manuelle Produktion erwies sich als schwierig und teuer. Der Entdeckung von Holz als neuem Rohmaterial für die Papierherstellung ging die Beobachtung von Wespen- und Hornissennestern im 19. Jahrhundert voraus; solche Nester bestehen aus zerkauten Holzfasern. Zusammen mit der im Jahr 1799 vom französischen Erfinder Louis-Nicolas Robert erfundenen Papiermaschine, die Papier in Endlosstreifen herstellten konnte, führte dies zu schnelleren Herstellungsprozessen und geringeren Kosten, was der Verbreitung des Papiers über den gesamten Kontinent hinweg den Boden bereitete. Andere Erfindungen, wie die erste Maschine zur Herstellung von zweilagigem Karton von John Dickson (1817), einem gefalteten Papier von Edward Haley und Edward Allen (1856) oder Wellpappe mit zwei Deckschichten von Olivier Long (1874), eröffneten neue Möglichkeiten in der Anwendung von Papier und Pappe in der Verpackungsindustrie. Es folgten neue Methoden zur Herstellung strapazierfähiger Papiere (z.B. Packpapier im Jahr 1879) und die Entwicklung neuer Produkte wie beispielsweise Papphülsen (Beginn des 20. Jahrhunderts) oder Wabenpappe (ca. 1940). Mit fortschreitender Technologie verbesserten sich auch die Materialeigenschaften wie Wasserbeständigkeit, Brandschutz oder Widerstand gegen Pilzbefall.3

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Erste Häuser aus Papier Inspiriert von den Innovationen in der Papier- und Verpackungsindustrie kam es in Europa bereits in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts zu ersten Versuchen, Papierprodukte in der Architektur zu implementieren. Ein vorgefertigtes Sommerhaus, ein Krankenhaus und ein Haus für tropische Klimata wurden von der französischen Firma ADT erfunden und 1889 auf der Weltausstellung in Paris präsentiert » Abb. 4. Die vorgefertigten Bauelemente dieser Konstruktionen bestanden aus einer Doppelschicht 4mm dicken Kartons auf beiden Seiten eines 100mm dicken, mit U-förmigen Abstandshaltern geformten Hohlraums. Diese 3m hohen und 600 bis 800mm breiten Tafeln waren leicht zu transportieren und montieren.4 Der Wohnraummangel nach dem Zweiten Weltkrieg war ein weiterer Anlass, an preiswerten und einfach zu montierenden Wohneinheiten zu forschen. Im Jahr 1944 entwickelte das American Institute of Paper Chemistry eine experimentelle Konstruktion kleiner, transportabler und erweiterbarer Notunterkünfte. Die 2,4 × 4,8m großen Einheiten bestanden aus 25mm dicken, vorgefertigten Wellpappentafeln, hergestellt aus Altpapier. Um den Karton zu imprägnieren, wurde das Material erst in Schwefel getränkt und dann mit mehreren Lagen feuerfester Farbe versehen. Obwohl diese Notunterkünfte auf eine Lebensdauer von einem Jahr ausgelegt waren, haben einzelne Exemplare 25 Jahre überdauert.5 Aufgrund ihres geringen Gewichts, der niedrigen Produktionskosten und ihrer statischen Effizienz waren Pappprodukte geeignete Materialien für Unterkonstruktionen und Schalungen für verschiedenste Konstruktionsmethoden. Die bekanntesten Beispiele sind die Wellpappkartons mit Aluminiumblechabdeckung des kuppelförmigen Gebäudes von Buckminster Fuller und Studenten der McGill University in Kanada (1957) sowie die Wabenpapptafeln mit Aluminiumabdeckung der Bear Zone Houses in New Mexico von Steve Bear (1971). Bekannte Beispiele für die Kombination von Papierwerkstoffen mit Kunststoffen sind das kuppelförmige Haus von Container Corporation of America (1954) und die mit Polyurethanschaum laminierten Papptafeln des Architektur-Forschungslabors der University of Michigan in Ann Arbor (1962–1964). Der Künstler Keith Critchlow und Michael Ben-Eli setzten Wellpappenplatten als Schalung für aufgesprühte dünne Betonlagen mit einer Armierung aus Kaninchendraht ein (1967). In der temporären Funktionseinheit Pappeder wurde die 30mm dicke Wellpappe nicht nur als Trägermaterial für die Glasfaserbeschichtung genutzt, sondern sorgte auch für konstruktive Stabilität und diente als Wärmedämmung des gesamten Systems. Die vorgefertigten Einheiten hatten einen quadratischen Grundriss von etwa

4 Erstes dokumentiertes Papphaus aus vorgefertigten Elementen für warme Klimata, Paris, 1889 (Rekonstruktion).

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5 Grundriss Pappeder, 3H Design, 1970. Die vorgefertigten Einheiten aus Wellpappe wurden u.a. als Umkleiden bei der Olympiade München eingesetzt.

6 Pappeder Toiletteneinheit, München, 1971.

11m². Sie konnten zu größeren Einheiten kombiniert werden, um unterschiedliche räumliche Konstellationen zu schaffen. Pappeder wurde 1970 von 3H Design (Hübner + Huster) entworfen » Abb. 5, 6. Insgesamt 89 dieser Einheiten wurden vollständig vorgefertigt, auf Tiefladern vor Ort transportiert und mit Kränen auf zuvor vorbereitete Fundamente auf den Olympiageländen in München und Kiel im Jahr 1972 aufgestellt. Die Einheiten dienten als Erholungs- und Umkleideräume, Teeküchen, Erste-Hilfe-Räume und Toiletten.6 Ein weiteres interessantes Beispiel temporärer Konstruktionen war Plydome (der Name setzt sich aus den beiden Worten Polygon und dome zusammen). Diese Unterkunft mit ihrem gefalteten, antiprismatischen Scheibentragwerk war von der japanischen Faltkunst Origami inspiriert. Die Konstruktion basiert auf einem Dreigelenkrahmen, der für den Transport flach gefaltet werden konnte. Nach der Anlieferung wurden zwei Sektionen vor Ort miteinander verbunden und erweitert, um eine 5,8 × 5,2m große Konstruktion zu errichten, deren höchster Punkt bei 3m liegt. Die Hülle wurde an der Spanholzbodenplatte verankert, dann die Seitenwände montiert. Die Verbundplatten mit einem Polyurethankern und einer 10mm dicken, massiven Pappschicht auf jeder Seite hatte man mit Polyurethan beschichtet und somit wasserfest gemacht. Plydome, entworfen von Herbert Yates und entwickelt mit Sanford Hirshen und Sim van der Ryn im Jahr 1966, war ein vorgefertigtes Wohnhauspaket, das auch die wichtigste Möblierung für Schlafen und Aufbewahrung beinhaltete » Abb. 7, 8. Über tausend Plydome-Einheiten wurden gefertigt und als Unterkunft für Saisonarbeiter in Kalifornien verwendet.7 1975 entwarf der niederländische Architekt Paul Rohlfs ein Öko-Haus im Zuge seiner Abschlussarbeit an der Technischen Universität Eindhoven. Das Haus wurde während der Jahre 1975 bis 1980 weiterentwickelt; es entstanden mehrere Prototypen der Gebäudehülle. Der finale Prototyp bestand aus Wabenverbundplatten mit außen aufgebrachter atmungsaktiver Folie und einer Dampfsperre auf der Innenseite. Die Ecken der Konstruktion bildeten spezielle Schnitt- und Falttechniken, mit denen Verbundplatten geknickt werden können. Gefaltete Laschen verbanden die beiden nebeneinander angeordneten Gebäudeelemente, die ineinander verschraubt wurden. Man war sehr gespannt, ob die Konstruktion die Winter in der Provinz Groningen überleben

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7 Plydome, Herbert Yates, 1966. Axonometrie und Schnitt.

8 Plydome als Unterkunft für Saisonarbeiter.

würde. Tatsächlich war die Einheit einige Jahre lang bewohnt, was die gute thermische Qualität der Gebäudehülle und die Widerstandsfähigkeit der Pappverbundplatten bei ungünstiger Witterung belegt hat.8

Der Einfluss des Papierarchitekten Shigeru Ban Die zeitgenössische Ära des Bauens mit Papier geht auf den japanischen Architekten Shigeru Ban zurück. Da die vorangegangenen Forschungsarbeiten und Projekte auf Kurzzeit- oder temporäre Lösungen ausgelegt waren, konzentrierte Shigeru Ban sein Interesse von Anfang an auf das Entwickeln neuer Lösungen, um diese in experimentellen Konstruktionen zu implementieren. Seine Begeisterung für diese Bauweise brachte ihm alsbald den Ruf als „Papierarchitekt“ ein. Seine Faszination für Papier, gespeist von der Tradition der Papierverwendung in seiner Heimat, zeigte sich erstmals in den Entwürfen, die Shigeru Ban für Ausstellungen zu den beiden internationalen Architekten Emilio Ambasz 1985 und Alvar Aalto 1986 in der Axis Gallery in Tokio entwickelte. Im ersten Projekt verwendete Ban quadratische Papphülsen und Wabenkernplatten, um den Raum zu organisieren. Für die Aalto-Ausstellung wollte Shigeru Ban eigentlich Holz verwenden, eines der Lieblingsmaterialien dieses Architekten. Aufgrund des limitierten Budgets entschied er sich allerdings für Papphülsen als Hauptbaumaterial für die gesamte Ausstellung » Abb. 9.9 Shigeru Ban sagte einmal, dass seine Arbeit mit Papier anfänglich nicht auf dessen positiven ökologischen Merkmalen basierte, sondern dass er es generell nicht mochte, Material wegzuwerfen, und dass es in seinem Büro einfach eine Menge Papphülsen gab, auf die das Pauspapier aufgewickelt war. Das Interesse an den Papphülsen

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9 Alvar-Aalto-Ausstellung, Axis Gallery, Tokio, 1986. Das Ausstellungsdesign von Shigeru Ban basierte auf Papphülsen.

10, 11 Shigeru Ban, Library of a Poet, 1991. Axonometrie und Detail der Verbindung der Papprollen.

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12 Paper Log House, 2013: Demonstrator der Notunterkünfte von Shigeru Ban.

als Baumaterial entstand dann bei den größeren Konstruktionen. Ban begann mit dem Material zu experimentieren und es auf Druck- und Zugkräfte sowie mögliche Imprägniermethoden hin zu testen. Die erste architektonische Konstruktion, bei der Papphülsen verbaut wurden, war Paper Arbour. Dieser Pavillon für die World Design Expo in Nagoya 1989 verwies auf den Ansatz japanischer Gärten, einen kontemplativen Raum zu gestalten, in ruhiger Abgeschiedenheit von den Besuchermassen und dem Lärm der Messe. Der Pavillon bestand aus 48 jeweils 4m hohen und mit einem Klebstoff versteiften Papprollen, angeordnet in einem Kreis. Ihr Durchmesser betrug 330mm, die Wandung 15mm. Eine Imprägnierung aus Paraffin machte die Rollen wasserfest. Sie wurden auf das Betonfundament gesetzt und an der Oberseite durch einen Spannring aus Holz miteinander verbunden. An diesem Spannring wurde auch das Textildach befestigt, das die Konstruktion überspannt. Tagsüber konnte Tageslicht durch die Lücken zwischen den Papprollen ins Innere des Pavillons dringen, nachts sorgten sie dafür, dass Licht im Inneren den Pavillon wie eine leuchtende Laterne aussehen ließ. Neben dem Pavillon wurde eine wellenförmige Trennwand mit eingebauter Sitzgelegenheit aufgestellt, ebenfalls aus Papprollen.10 Der Durchbruch in der Papierarchitektur gelang Ban dann 1991 mit der Bibliothek Library of a Poet – einem Annex zur Erweiterung des House for a Poet, der das bestehende Gebäude vergrößerte und verbesserte » Abb. 10, 11. Diese Bibliothek ist die erste permanente Konstruktion, deren lastabtragende Elemente maßgeblich aus Papier bestehen. Das gewölbte Dach ruht auf sechs Trägerstützen aus Papprollen. Die Wände bestehen aus Papprollen (ø 100mm, Wandstärke 12,5mm) und sind über Holzblöcke miteinander verbunden. Im Inneren verlaufen Stahlkabel, mit denen die Konstruktion

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13 Shigeru Ban, Hualin-Grundschule, Sichuan, 2008, 1:1 Modell, 2013.

nachgespannt werden kann. Zusätzlich steifen Diagonalverstrebungen die Konstruktion aus. Zwischen den Stützen erhöhen vier hölzerne, im Boden verankerte Buchregale zusätzlich die Steifheit gegen laterale Windkräfte. Die Dachkonstruktion besteht aus zehn Bögen, die auch aus Papprollen mit den verbindenden Holzblöcken gefertigt wurden und mithilfe von zwei Papprollenbalken mit innenliegenden, nachgespannten Stahlkabeln unten gehalten werden. Die Papprollen sind durch die Dachabdeckung und verglaste Wände vor der Witterung geschützt.11 Ein weiteres wichtiges, von Shigeru Ban geschaffenes Projekt war Paper House – ein Wochenendhaus des Architekten, der dafür 1995 eine Genehmigung für eine permanente, auf Papprollen basierende Konstruktion erhielt » Kapitel 6, S. 86–87. Im selben Jahr, nach dem Erdbeben von Kobe 1995, baute Ban zusammen mit freiwilligen Helfern kostengünstige Blockhäuser aus Pappe. Die 16 m2 großen sogenannten Paper Log Houses » Abb.  12 dienten als Notunterkünfte für vietnamesische Flüchtlinge, die von dem Erdbeben stark betroffen waren » Kapitel 6, S. 88–89. Neben den Häusern wurde auch die Takatori Paper Church gebaut. Der Sakralbau bestand ebenfalls aus einer Papprollenkonstruktion, deren ovaler Grundriss auf die Kirchen des Barock verwies und den Menschen damit eine neue religiöse Heimat bot. 1995 gründete Shigeru Ban die Nichtregierungsorganisation Voluntary Architects Network, die sich weltweit um Notunterkünfte und andere Konstruktionen für Opfer von Naturkatastrophen und anderen Unglücken kümmert. Die Konzeption von Notunterkünften hat sich zu einem Markenzeichen des japanischen Architekten entwickelt, der dafür mit dem Pritzker Prize ausgezeichnet wurde. Varianten der Paper Log Houses finden sich in der Türkei (2000), in Indien (2001) und auf den Philippinen (2014). In China baute Ban zusammen mit VAN 2008 die Hualin-Grundschule » Abb. 13 im Osten der Stadt Chengdu in der Provinz Sichuan: Drei Gebäude mit einem Rahmenwerk aus Papprollen, verbunden mit Holzblöcken. Zu seinen Werken zählt auch die 2013 gebaute Miao-Miao-Vorschule in Taiping Town, eine auf Pappe basierende Pfosten-Riegel-Konstruktion. Die Cardbo-

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ard Cathedral, ein Ersatzbauwerk nach dem Erdbeben in Christchurch, Neuseeland, bestand aus 16m langen Papprollen (ø 600mm), die so zusammengesetzt wurden, dass sie die Form des dreieckigen Hauptschiffs nachahmten. Aufgrund der großen Spannweite der Konstruktion wurden Holzstämme in die Papprollen eingeführt, die die Haupttragelemente bildeten, um ein Durchbiegen zu verhindern. Bis dato hat Shigeru Ban über 60 Projekte entworfen, bei denen Papprollen das maßgebliche Konstruktionsmaterial sind. Die größte jemals gebaute Pappkonstruktion war der Japanische Pavillon für die Expo 2000 in Hannover. Diese 73,5m lange, 25m breite und 15,9m hohe Schalenkonstruktion entwarf Ban gemeinsam mit Frei Otto » Kapitel 6, S. 132–133. Bogenkonstruktionen aus Papprollen sind ein Konzept, das in verschiedenen Ausmaßen in mehreren von Bans Projekten implementiert wurde, beispielsweise im Paper Dome (1998), beim Paper Studio an der Keio University (2003), beim Paper Temporary Studio auf dem Dach des Centre Georges Pompidou in Paris (2004) oder dem Shigeru Ban Studio an der Kyoto University of Art and Design (2013; » Kapitel 6, S. 112–113).

Weitere Entwicklungen in der Papierarchitektur In den 1990er Jahren gerieten die Umweltrisiken aus Bauprodukten mehr ins Blickfeld. Es wurden umweltfreundlichere Produkte und Materialien entwickelt. Ein wichtiger Impuls dafür war der Earth Summit, die Konferenz der Vereinten Nationen über Umwelt und Entwicklung in Rio de Janeiro im Jahr 1992. Im gleichen Jahr entwarf der niederländische Architekturprofessor Hans Ruijssenaars das Kartontheater Apeldoorn, das nach sechs Wochen Betrieb fast vollständig recycelt wurde » Kapitel 6, S. 130–131. Seit 2000 stieg in diesem Kontext das Interesse an Papier und Pappe als erneuerbarem Material und man begann die Forschung zu intensivieren. Die Westborough Primary School, entworfen von Cottrell & Vermeulen Architecture in Zusammenarbeit mit Buro Happold, gebaut in Westcliff-on-Sea, Großbritannien im Jahr 2001 » Kapitel  6, S. 96–99, ist das erste europäische Beispiel für ein Gebäude mit einer dauerhaften, auf 20 Jahre ausgelegten Konstruktion aus Papier. Das Ziel war, ein Gebäude zu bauen, dessen Hauptkonstruktion aus Papprollen und Wabenverbundplatten bestand, und das am Ende seiner Lebensspanne zu 90% recycelt werden konnte. Ein weiteres Gebäude in Europa mit einem solchen experimentellen Ansatz ist die Erweiterung des Ring Pass Hockey Club, entworfen und gebaut von der niederländischen Ingenieursfirma Octatube im Jahr 2010 » Kapitel 6, S. 102–103. Bei diesem Projekt lag der Fokus vor allem auf dem räumlichen Dachtragwerk aus Papprollen und den damit verbundenen Imprägniermethoden. Momentan produziert Fiction Factory, eine in Amsterdam ansässige Firma, vorgefertigte Häuser, die sogenannten Wikkelhouses. Die Module dieser „gewickelten“ Häuser bestehen aus Wellpappe, die um eine Form gewickelt wird, dann mit ökologischem Kleber versteift und auf der Innen- und Außenseite mit Holz verkleidet wird » Kapitel 6, S. 90–95. Die Firma garantiert eine Lebensdauer der Häuser von mindestens 15 Jahren und schätzt diese sogar auf 50 Jahre. Abgesehen von einigen erfolgreichen dauerhaften Gebäuden sind temporäre Konstruktionen eine naheliegende Anwendung für einfach wiederzuverwertende Materialien wie Papier und Pappe. Je nach geplanter Funktion und Lebensdauer komplementieren in der Papier- oder Papparchitektur oft andere Materialien wie beispielsweise Aluminium, Polyurethanbeschichtungen oder Polyurethanschaum die Tragkonstruktion. Die meisten von Shigeru Bans Projekten waren eigentlich für einen temporären Gebrauch von bis zu fünf Jahren ausgelegt. Einige blieben allerdings länger bestehen

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14, 15 Public Farm 1 von WORKac, New York, 2008. Große Papprollen wurden als Töpfe für Blumen und Kräuter genutzt.

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oder wurden in eine dauerhafte Nutzung überführt. Das von Shigeru Ban in Zusammenarbeit mit Octatube entworfene IJburg Paper Theatre wurde gleich zweimal aufgebaut: 2003 in Amsterdam und 2004 in Utrecht » Kapitel 6, S. 134–135. Derzeit ist es eingelagert und wird 2023 in Bijlmermeer, Amsterdam Zuidoost, neu aufgebaut. Public Farm 1 von WORKac in New York war ein architektonisches und städtebauliches Manifest aus dem Jahr 2008, bei dem riesige Papprollen, die als große temporäre Blumen- und Kräuterbehälter fungierten, zu Hügeln arrangiert wurden » Abb. 14, 15. In einem weiteren Projekt entwarfen und bauten Studenten der ETH Zürich unter Leitung von Tom Pawlofsky einen kreisförmigen Pavillon, zusammengesetzt aus 409 Kegelabschnitten aus 28-lagiger Wellpappe. Die Kegel wurden vorgefertigt und 2010 zu einer temporären Ausstellung in Schanghai gesandt. Studenten der Wrocław University of Science and Technology entwarfen und bauten 2018 den Poet Pavilion. Er setzte sich aus einem Holzfundament, Papprollen und einer Dachkonstruktion aus nichtbeschichteter Wellpappe zusammen, abgedeckt mit Polycarbonat- und Sperrholzplatten. Nach neun Monaten wurde der Pavillon demontiert und die gesamte Dachkonstruktion konnte recycelt werden. Die Geschichte der Architektur mit Papier zeigt, dass die Entwicklung in zwei parallelen Strängen verläuft. Neben dauerhaften Gebäuden gibt es eine große Anzahl experimenteller und temporärer Projekte. Diese werden häufig wissenschaftlich unterstützt und begleitet. Beispiele dafür finden sich an der McGill University in Montreal in den 1950er Jahren, Polytechnic of Central London und California Polytechnic State University in den 1970ern, Waseda University, Chiba Polytechnic College und der Technischen Universität Dortmund in den 1990ern, TU Delft und ETH Zürich im ersten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts oder Wrocław University of Science and Technology (WUST) und TU Darmstadt in den vergangenen Jahren.12 Die lange Tradition von Papier in der Architektur sowie eine große Anzahl von Forschungsprojekten zeigt ein konstantes Interesse, diese Bauweise weiterzuentwickeln. Industriezweige wie die Verpackungs-, Automobil- oder Luftfahrtindustrie liefern Impulse zur Verbesserung der Papierprodukte. Das Grundmaterial Cellulose ist erneuerbar und somit hat Papier das Potenzial, ein wichtiges Zukunftsmaterial mit historischen Wurzeln zu werden.

ANMERKUNGEN 1 Kiyofusa Narita [1954], A life of Ts'ai Lung and Japanese paper-making, Tokio: The Paper Museum Tokyo, 1980; Józef Dąbrowski, Jadwiga Siniarska-Czaplicka, Rękodzieło papiernicze, Wyd. nakł. Wydawnictwa Czasopism i Książek Technicznych „SIGMA“ NOT, Spółka z o.o, 1991. 2 Dianne van der Reyden, „Technology and treatment of a folding screen: comparison of oriental and western techniques“, in: Studies in Conservation, 1988, 33(1), S. 64–68; Yuji and Chosuke Taki Kishikawa, All Japan Handmade Washi Association

(Hrsg.), Handbook on the Art of Washi, Tokio: Wagami-do K.K., 1991. 3 Christopher J. Biermann, Handbook of Pulping and Papermaking, San Diego: Academic Press, 1996; Stefan Jakucewicz, Wstęp do papiernictwa, Warsaw: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2014; William E. Scott, James C. Abbott, Stanley Trosset, Properties of Paper: An Introduction, 2., überarbeitete Auflage, Atlanta: Tappi Press, 1995. 4 Gernot Minke, Alternatives Bauen: Untersuchungen und Erfahrungen mit alternativen Baustoffen und Selbstbauweisen, Kassel: Forschungslabor für Experimentelles Bauen, Gesamthochschule Kassel, 1980.

5 Roger Sheppard, Richard Threadgill, John Holmes, Paper Houses. Survival Scrapbook 4, Caerfyrddin: Unicorn, 1974. 6 Pamela Voigt, Die Pionierphase des Bauens mit glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK) 1942 bis 1980, Dissertation, Bauhaus-Universität Weimar, 2007. 7 Vinzenz Sedlak, „Paper Structures“, in: 2nd International Conference on Space Structures, University of Surrey, 1975, S. 780–793. 8 Mick Eekhout, Fons Verheijen, Ronald Visser, Cardboard in Architecture, Amsterdam: IOS Press, 2008.

9 Philip Jodidio, Shigeru Ban: Complete Works 1985–2010, 2010, Köln: Taschen, 2010. 10 Riichi Miyake, Ian Luna, Lauren A. Gould, Shigeru Ban: Paper in Architecture, New York: Rizzoli International Publications, 2009. 11 Matilda McQuaid, Shigeru Ban, London: Phaidon, 2003. 12 Jerzy F. Łątka, „Paper in Architecture: Research by Design, Engineering and Prototyping“, in: A+BE – Architecture and the Built Environment (19) 2017, https:// journals.open.tudelft.nl/abe/issue/ view/547, abgerufen 19. März 2021.

Die Geschichte von Papier in der Architektur

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MATERIAL

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Für ein besseres Verständnis der Papiereigenschaften gibt das nachfolgende Kapitel tiefergehende Einblicke in Chemie und Struktur der Cellulose sowie in die Gewinnung des Faserstoffs. Papier ist ein flächiger Werkstoff, der zumeist aus pflanzlichen Fasern besteht und sich durch das Entwässern aufgeschwemmter Fasern auf einem Sieb bildet. Gemäß DIN 67301 (Papier, Pappe und Faserstoff – Begriffe) bzw. DIN 67352 definiert sich Papier zudem durch die Verdichtung und Trocknung des entstehenden Faserfilzes. Papier unterscheidet sich hinsichtlich des Herstellungsverfahrens somit deutlich von gewebten Textilien, trockengelegten Vliesstoffen und ähnlichen aerodynamisch oder mechanisch gefertigten Fasergelegen. Wie zuvor beschrieben, hat die Papierherstellung ihren Ursprung in China, und der Werkstoff breitete sich über den Mittelmeerraum bis nach Europa aus. Die Kernaufgabe der sich über den gesamten Kontinent ausbreitenden Papiermühlen war in dieser frühen Phase die Vorbereitung des Papierrohstoffs. Bis ins 19. Jahrhundert hinein waren das ausschließlich Alttextilien aus Hanf, Leinen und Baumwolle (sogenannte Hadern und Lumpen) sowie Seilerei- und Spinnereiabfälle. Diese Materialien wurden von Lumpensammlern zusammengetragen und in den Papiermühlen zu Faserbrei zerstampft. Da der Bedarf an Papier ab dem 18. Jahrhundert durch mehr Druckerzeugnisse erheblich zunahm, kam es schon bald zu Engpässen bei der Versorgung mit Altmaterialien. Auf der Suche nach neuen Faserstoffquellen für die Papiererzeugung gelang es schließlich im Jahr 1843, den Rohstoff Holz in nutzbare Fasern zu überführen, indem man ihn mechanisch zerkleinerte. In diesem als Holzschliff bezeichneten, energieintensiven Verfahren wurden Baumstämme gegen einen nassen Schleifstein gepresst und so zerfasert. Zwar ergab diese Technik einen Faserstoff (Holzstoff), allerdings entsprach er nicht allen Anforderungen der Papiermacher und -nutzer. Infolgedessen entwickelten sich in den folgenden Jahrzehnten andere Ideen zum Aufschluss von Holz. Besonders hervorzuheben sind in diesem Kontext die Meilensteine des chemischen Holzaufschlusses, wie das 1867 entwickelte „Sulfitverfahren“ oder das 1870 erstmals beschriebene „Sulfatverfahren“. Bei diesen Ansätzen wurde Holz nicht in seiner ursprünglichen Komposition belassen und nur zerkleinert, sondern mit geeigneten Chemikalien behandelt, um dann unter Druck und Temperatur das Lignin aus dem (natürlichen Faserverbundwerkstoff) Holz herauszulösen. Der so gewonnene, hauptsächlich aus Cellulose bestehende Zellstoff ist bis heute der bedeutendste Faserrohstoff der Papierindustrie.

2 MATERIAL

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Aufbau Holz und Aufschlussverfahren Papierwerkstoffe bestehen also hauptsächlich aus Faserstoffen, die aus dem hochkomplexen, biogenen Faserverbundwerkstoff Holz gewonnen werden. Holzfasern verfügen über einen mehrschichtigen Zellwandaufbau. Wie » Abb. 1. zeigt, sind die Wände von Holzzellen aus mehreren Einzelschichten unterschiedlicher Dicke aufgebaut, durchzogen von sogenannten Fibrillen. Vereinfacht gesagt, besteht Holz aus zugfesten Cellulosefasern, einer umgebenden Ligninmatrix, die für Hydrophobierung und Druckfestigkeit des Gesamtverbunds sorgt, sowie einer Klasse (d.h. Stoffgruppe) von variabel aufgebauten Polysacchariden (Polyosen). Um nun den Werkstoff Holz in nutzbare Fasern zu zerlegen, sind die adhäsiven Kräfte der Ligninmatrix zu überwinden, wozu man sowohl mechanische als auch chemische Holzaufschlussverfahren einsetzt. Durch mechanische Verfahren wird Holzschliff bzw. Holzstoff gewonnen. Prozesstechnisch unterscheidet man zwischen Steinschliff- und Refiner-Verfahren. Bei diesen Verfahren werden die Fasern durch mechanische Energie mithilfe von Feuchtigkeit und Temperatur aufgetrennt. Die Ausbeute dieses Prozesses ist mit rund 96% des Ausgangsmaterials sehr hoch, da bis auf einen geringen Anteil wasserlöslicher Substanzen keine Holzinhaltsstoffe entfernt werden. Im Gegensatz zu den chemisch gewonnenen Faserstoffen enthalten Holzstoffe also noch Lignin. Erkennbar ist dies an der dunkleren Farbe und geringeren Flexibilität, was insgesamt eine gröbere Struktur ergibt. Das Lignin erschwert die Bindung der Fasern untereinander im Papier » folgender Abschnitt „Cellulose und Struktur“. Holzstoffe sind somit nicht für alle Anwendungen geeignet. Mittels chemischer Aufschlussverfahren lässt sich hingegen das Lignin gezielt aus dem Holzgefüge herauslösen, was zu deutlich reineren Zellstoffen führt. Zu diesem Zweck werden Hölzer (zumeist als Hackschnitzel) unter Druck und Temperatur durch Zutun geeigneter Chemikalien gekocht. Es wird zwischen Sulfit- und Sulfat- bzw. KraftVerfahren unterschieden. Die Fasern werden durch chemische Aufschlussverfahren nicht so stark beschädigt und fragmentiert wie durch mechanische Verfahren. Somit sind die Fasern an sich stabiler und weisen höhere Festigkeiten auf. Indem die Ligninmatrix nahezu gänzlich entfernt wird, lassen sich durch stärkere Faserbindungen hohe Festigkeiten im Papier erzielen. Die Festigkeit von Papier hängt im Wesentlichen von der Festigkeit der Cellulosefasern an sich und von den Bindungen der Fasern untereinander ab.

1 Hierarchischer Zellwandaufbau einer Holzzelle und deren Integration in das Gefüge. olz nh Ker holz t n i m Spl biu Kam ast B

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Cellulose und Struktur Cellulose gilt als das mengenmäßig bedeutendste Biopolymer der Welt, da in der Natur davon jährlich schätzungsweise 1,5 × 10¹² Tonnen von Pflanzen aller Gattungen gebildet werden.3 In Hölzern erreicht der Cellulosegehalt 40 bis 47%, in den Bastfasern von Hanf, Flachs und Jute immerhin rund 70% und in den Samenhaaren der Baumwolle sogar mehr als 94%.4 Cellulose ist chemisch gesehen ein Polymer: eine lange Kette aus miteinander verknüpften Traubenzuckermolekülen (D-Glucose). Die Summenformel des Cellulosepolymers lautet: C6nH10n+2O5n+1, wobei „n“ für den Polymerisationsgrad (DP) der Cellulose steht » Abb. 2. Dieser Polymerisationsgrad, also die Länge und Struktur des Cellulosemoleküls, ist ausschlaggebend für die Festigkeit der Faser an sich. Hinzu kommen die Hydroxylgruppen (-OH) » Abb. 3. Diese führen zum einen zu intramolekularen Wasserstoffbrücken (rot), welches die Stabilität des Cellulosemoleküls an sich erhöht. Zum anderen sind die Hydroxylgruppen entscheidend für die Bindungen der Cellulosefasern untereinander, also für das Ausbilden intermolekularer Wasserstoffbrücken (blau). Die

Aufbau Holz und Aufschlussverfahren

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2 Schematischer Aufbau der Molekularstruktur einer Cellulosekette.

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3 Wasserstoffbrückenbindungen innerhalb einer Cellulosekette (rot) und zwischen verschiedenen Ketten (blau), welche beim Eindringen von Wasser aufgelöst werden, woraus ein Verlust der mechanischen Eigenschaften resultiert.

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Anzahl dieser Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den einzelnen Molekülen und auch die Gesamtheit der Wasserstoffbrücken bestimmt die Festigkeit von Papier.5 Lignin erschwert die Ausbildung der intermolekularen Wasserstoffbrücken. Aus diesem Grund werden Zellstoffe mit möglichst geringem Ligningehalt für die Papierherstellung bevorzugt.

Papierproduktion In Deutschland wurden 2021 insgesamt 23.123 Kilotonnen (kt) Papier produziert.6 Die Menge verteilt sich auf vier Verwendungszwecke: • • • •

59% Papiere für die Verpackungsindustrie, 28% grafische Papiere, 6% Hygiene-Papiere, 6% Papiere für technische Zwecke und Spezialanwendungen.

2020 war Deutschland mit 21.348kt der größte Produzent von Papier, Karton und Pappe in Europa. Im weltweiten Vergleich lag Deutschland hinter China (103.994kt), USA (67.959kt) und Japan (22.887kt).7 Wie schon erwähnt, setzt sich Papier überwiegend aus Fasern zusammen. Diese liegen entweder als Primärfasern vor, also Zellstoff oder Holzstoff, die aus frischem Holz gewonnen werden » Abschnitt „Aufbau Holz und Aufschlussverfahren“, S. 23, oder als Sekundärfasern, die aus Altpapier stammen. Der Anteil an Altpapierfasern an der Gesamtmischung lag 2021 in Deutschland insgesamt bei 79%. Die Rohstoffauswahl wie auch das Design der Papiermaschinen sind an die Produkte angepasst. Die höchsten Altpapiereinsatzquoten liegen bei Wellpappenpapieren (106%), Papieren für Verpackungszwecke (100%) und Zeitungsdruckpapier (113%). Einsatzquoten über 100%

2 MATERIAL

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4 Herstellungsprozess von Papier von der Fasergewinnung über die Stoffzentrale bis zur Papiermaschine.

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sind notwendig, um Verluste ausgleichen zu können, die beispielsweise durch Verunreinigungen entstehen, die im Aufbereitungsprozess entfernt werden » Abschnitt „Stoffaufbereitung“, S. 26. Demgegenüber lag die Altpapiereinsatzquote für technische Papiere und spezielle Verwendungszwecke einschließlich Hülsenkarton bei nur 52%.8 Weitere Rohstoffe sind mineralische Füllstoffe wie Calciumcarbonat, Kaolin, Talkum oder Titandioxid und chemische Additive wie Binder, Leimungsmittel, Brandschutzmittel, Nassfest- und Trockenfestmittel. Während man die Füllstoffe immer der Fasersuspension beimischt, können Additive je nach Funktion in die Masse eingetragen oder als Coating auf die Oberfläche des fertigen Papiers appliziert werden. Letzteres kann ein in die Papierherstellung integrierter Prozess sein (inline) oder gesondert in einem nachgeschalteten Prozess erfolgen (offline). Bei chemischen Hilfsmitteln ist grundsätzlich zwischen Prozesschemikalien und Additiven bzw. Funktionschemikalien zu unterscheiden. Prozesschemikalien unterstützen die Produktion, haben aber keinen direkten Einfluss auf die Papiereigenschaften und verbleiben nur zu geringen Teilen im Papier. Additive bzw. Funktionschemikalien hingegen verbleiben im Papier. Sie sollen ja dessen Eigenschaften verbessern. Bei Kopierpapieren liegen die typischen Einsatzmengen von Füllstoffen bei ca. 20%, bezogen auf das ofentrockene Gewicht des Papiers. Additive sind hingegen marginal, sie bleiben oft unter 1%. Für die Papierproduktion » Abb. 4 ist viel Wasser notwendig. Innerhalb der Papierfabrik gibt es verschiedene Wasserkreisläufe, um das saubere und verschmutzte Wasser wirtschaftlich einsetzen zu können und den Verbrauch insgesamt möglichst gering zu halten. Während früher durchschnittlich 10l Wasser pro kg Papier nötig waren, genügen heutzutage bei modernen Anlagen 2–5l Frischwasser pro kg Papier. Dass das Wasser verschmutzt, liegt vornehmlich an dem Altpapier und an Holzinhaltsstoffen – beim Entwässern werden die nicht im Papier zurückgehaltenen Faserreste, Füllstoffe und Additive ausgespült. Eine fabrikeigene Kläranlage bereitet das verschmutzte Wasser wieder auf, bevor es in Kanäle, Bäche oder Flüsse eingeleitet wird.

Stoffaufbereitung Am Anfang des Herstellungsprozesses steht die Aufbereitung der Fasern. Diese werden häufig als gepresste Ballen angeliefert, denn die im » Abschnitt „Aufbau Holz und Aufschlussverfahren“, S. 23, beschriebenen Aufschlussverfahren erfolgen in der Regel an anderen Standorten. Die Ballen werden im sogenannten Pulper, der Stoffzentrale, mit Wasser unter Rühren aufgelöst, bis eine Suspension aus Wasser und Fasern vorliegt. Die einzelnen Arbeitsschritte, die in einer Stoffaufbereitung durchlaufen werden, orientieren sich am Endprodukt. Besonders wichtig mit Blick auf die Festigkeitseigenschaften und das Bauen mit Papier ist bei der Aufbereitung das Mahlen der Fasern im Refiner. Darin werden die Fasern mechanisch so behandelt, dass sie „fibrillieren“, d.h. dass die Fibrillen aus der Faserwand herausgelöst werden » Abb. 1. Dieser Vorgang erhöht die Bindungsfläche zwischen den Fasern und steigert somit die Festigkeit des fertigen Papiers. Die so behandelten Fasern schaffen zudem Bindungsstellen für chemische Additive. Kurz bevor der fertig aufbereitete Stoff auf die Papiermaschine geht, wird er in der Stoffzentrale mit Wasser auf etwa 1% Stoffdichte (Verhältnis Feststoff zu Wasser) verdünnt. Dieser Produktionsbereich wird auch Konstantteil genannt, da die Papiermaschine, anders als z. B. der Pulper, kontinuierlich betrieben wird.

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Papiermaschine Papiermaschinen können je nach Typ über 10m breit und 120m lang sein.9 Sie sind unterteilt in die drei Abschnitte Nasspartie (bestehend aus Stoffauflauf, Siebpartie und Pressenpartie), Trockenpartie und Aufrollung und schaffen Produktionsgeschwindigkeiten von bis zu 2000m/min. Der Papiermaschine fällt die Aufgabe zu, die Fasern gleichmäßig zu verteilen, eine endlose Papierbahn zu erzeugen, sie zu entwässern, zu trocknen und am Ende aufzuwickeln.

Nasspartie Am Stoffauflauf wird die Fasersuspension gleichmäßig über die volle Maschinenbreite verteilt und auf die gleiche Geschwindigkeit wie die Papiermaschine (Maschinengeschwindigkeit) gebracht. Die Suspension gelangt dann auf ein Sieb, wo die Entwässerung durch Gravitation, Foils (statische Elemente unter dem bewegten Sieb, die einen Unterdruck erzeugen) und Vakuum erfolgt. Das Papier sollte eine gute Formation aufweisen, also möglichst homogen bzw. frei von Flocken sein. Es gibt verschiedene Maschinen, die an Parameter wie Geschwindigkeit der Produktion oder Flächengewicht des Endprodukts angepasst sind. Ein klassischer Former ist das Langsieb als Teil der Siebpartie » Abb. 4. Bei mehrlagigen Kartons oder Pappen kann es für jede Lage einen Stoffauflauf und ein Sieb geben. Die noch nassen Papierbahnen werden aufeinandergedrückt („Gautschen“). Am Ende der Siebpartie hat die Papierbahn einen Trockengehalt von etwa 20%. Die weitere mechanische Entwässerung übernehmen dann Pressen in der Pressenpartie. Die Papierbahn wird durch einen Spalt („Nip“) zwischen zwei Walzen geführt. Zwei Pressfilze, die oberhalb und unterhalb der Papierbahn laufen, nehmen das ausgepresste Wasser auf. Entscheidend sind Fläche im Nip bzw. Verweildauer und Druck. Die Presse beeinflusst maßgeblich die Dichte sowie die Festigkeits- und Oberflächeneigenschaften des Papiers. Am Ende der Pressenpartie hat sich der Trockengehalt auf rund 50% erhöht; die weitere Trocknung erfolgt thermisch in der Trockenpartie.

Trockenpartie Hier verläuft die Papierbahn um dampfbeheizte Zylinder und wird von Trockensieben angedrückt. Die thermische Energie wird in das Papier gebracht und das verdampfende Wasser abgeführt. Bei diesen Prozessen kommt es auf einen möglichst geringen Energieeinsatz und kleinen Bauraum an. Die Trockenpartie ist der längste Teil einer Papiermaschine. Zur Energieeinsparung ist die Trockenpartie eingehaust. Die Restwärme wird über Wärmetauscher rückgewonnen. Papier schrumpft beim Trocknen, was nicht erwünscht ist. Dem wirken die in der Papierbahn erzeugten Spannungen sowie das Anpressen an die Zylinder entgegen. Dies beeinflusst die mechanischen Eigenschaften des Papiers: Am Schrumpfen gehindertes, getrocknetes Papier erreicht höhere Festigkeitswerte als frei getrocknetes Papier. Nach der Trockenpartie verbleibt nur noch wenig Restfeuchte im Papier. Papier ist hygroskopisch, weshalb sich ein Gleichgewicht mit der Umgebungsluftfeuchte einstellt. Entsprechend werden Trockengehalte von ungefähr 93% angestrebt.

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Weitere Inline-Aggregate Zwischen Trockenpartie und Aufrollung können weitere Inline-Aggregate installiert sein. So ermöglicht beispielsweise eine Streichpartie das Aufbringen von Beschichtungen, um die Oberflächeneigenschaften optisch oder funktional zu verbessern. Nach dem Auftrag des Striches muss die Bahn kontaktlos getrocknet werden. Diese Aufgabe übernehmen Infrarottrockner, wobei die Bahn durch einen Luftstrom geführt wird. Ein sogenannter Kalander sorgt für Dichte, Glanz und Glätte des Papiers. Das Funktionsprinzip ähnelt dem eines Bügeleisens: Das Papier wird zwischen Walzen gedrückt, wobei verschiedene Kombinationen von Walzen die gewünschten Eigenschaften herbeiführen.

Aufrollung Die letzte Station ist die Aufrollung. Das Papier wird auf Zylinder („Tamboure“) aufgerollt und dann zur Weiterverarbeitung transportiert. Das ist keine leichte Angelegenheit: Die Tamboure können eine Gesamtmasse von bis zu 100 t erreichen10 und müssen im fliegenden Wechsel ausgetauscht werden, da die Produktion kontinuierlich weiterläuft.

Weitere Verarbeitung Die zuvor beschriebenen Prozesse Streichen und Kalandrieren können auch nachgeschaltete Verarbeitungsschritte sein. Entsprechend wird der Tambour abgerollt, das Papier gestrichen bzw. kalandriert und wieder auf einen Tambour aufgerollt. Vom Tambour gelangt das Papier schließlich in den Umroller. Da der Randbereich nicht verwendet werden kann, erfolgt ein Randbeschnitt. Dieser Ausschuss wird dem Kreislauf in der Stoffaufbereitung wieder zugeführt. Zusätzlich zum Randbeschnitt wird das Papier auf die vom Kunden gewünschte Breite geschnitten und abschließend auf Papierhülsen aufgerollt. Bevorzugt der Kunde stattdessen Formatware, werden im Querschneider Bögen geschnitten und anschließend palettiert. Letzte Station ist die Versandabteilung, wo die Rollen und Paletten versandfertig verpackt und beispielsweise mit Folie eingewickelt werden. Die weitere Logistik unterstützen moderne Lagerhaltungssysteme und Transporttechniken.

Materialeigenschaften Der Fokus beim Bauen mit Papier liegt auf dessen mechanischen Eigenschaften, dem Verhalten gegenüber Feuchte bzw. Wasser, der Durchlässigkeit für Gase, der Entflammbarkeit und der Resistenz gegenüber biologischen Schadfaktoren. Eigenschaften wie beispielsweise Glanz, Glätte, Rauheit, Weißgrad, Bedruckbarkeit ebenso wie Weichheit bzw. Haptik spielen eine untergeordnete Rolle und werden hier nicht weiter betrachtet. Essenziell für die Statik eines Gebäudes aus Papier sind dessen Festigkeiten. Ausgehend von einer möglichst gleichmäßigen Faserverteilung im Papier beeinflusst maßgeblich die Faserorientierung die Festigkeit. In industriell hergestelltem Papier richten sich die Fasern in Laufrichtung der Maschine aus. Diese Faserorientierung hängt maßgeblich von der Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Suspensionsstrahl und Sieb ab. Bei der Beschreibung der Festigkeitseigenschaften wird daher meistens zwischen Maschinenrichtung (machine direction = MD, x-Richtung) und Querrichtung (cross direction = CD, y-Richtung) unterschieden » Abb. 5. Die Fasern liegen somit hauptsächlich in

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z x

MD

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5 Die Achsrichtungen im Papier: MD = machine direction, CD = cross direction. Die Anordnung der Papierfasern erfolgt durch die Laufrichtung der Papiermaschine größtenteils in MD, weshalb die Zugfestigkeiten in dieser Richtung in der Regel größer sind.

CD

der x-y-Ebene und bilden ein dreidimensionales Netzwerk. Das Materialverhalten in Dickenrichtung (z-Richtung) unterscheidet sich deutlich, da bei dünnen Papieren nur wenige Faserquerschnitte übereinanderliegen. Ein Standard-Kopierpapier mit einem Flächengewicht von 80g /m² kommt auf eine „Dicke“ von etwa 100μm (Mikrometer). Das übliche Charakteristikum eines Papiers ist indes nicht die Dicke, sondern das Flächengewicht (die Grammatur). Papier zeigt auxetisches Materialverhalten, wird also unter Zugbelastung dicker. Die Papiereigenschaften verändern sich mit der Bahnbreite (CD), da die Papierbahn an den Rändern schneller trocknen kann und weniger schrumpfungsbehindert ist. Somit können Bögen von derselben Maschine, die an unterschiedlicher Position entnommen wurden, unterschiedliche Eigenschaftsprofile aufweisen. Einen entscheidenden Einfluss auf die mechanischen Papiereigenschaften haben die Faserart bzw. deren morphologische Aspekte, der Fasermahlgrad und die Gegenwart von Füllstoffen und Additiven. Besonders ausgeprägte Festigkeitseigenschaften ergeben Langfaser(Kraft)-Zellstoffe (mittlere Faserlänge ca. 3mm) aus Nadelhölzern. In der Literatur am wohl ausgiebigsten diskutiert ist die Relevanz der Wasserstoffbrückenbindungen in Bezug auf die Papierfestigkeit. Werden unmodifizierte Papiere feucht, trennen sich die Wasserstoffbrücken und die Einzelfasern lösen sich voneinander – das Gefüge zerfällt. Unmodifiziertes Papier ist hydrophil und absorbiert stets ein gewisses Maß an Feuchtigkeit aus der Umgebung. Dieser Vorgang geht mit einer leichten, richtungsabhängigen Volumenzunahme einher. Die einzelne Faser quillt bei Befeuchtung radial um 10 bis 40%, verändert sich jedoch nur minimal in Längsrichtung. Dieses anisotrope Verhalten einer Faser überträgt sich auf das gesamte Fasergelege. Die Feuchtedehnung in CD wird demzufolge stets über den Werten für MD liegen, was hinsichtlich der Dimensionsstabilität in konstruktiven Anwendungen und auch im Verbund mit anderen Materialien zu berücksichtigen ist. Durch Trocknung oder bei reduzierter Luftfeuchte sind diese Prozesse jedoch reversibel. In feuchtem Klima ändern sich aber nicht nur Dimension und Festigkeit, sondern es können noch weitere negative Effekte auftreten. Kombiniert man Papier mit Fremdmaterialien wie zementösen Werkstoffen, Wassergläsern oder auch unedlen Metallen (was zu einem sauren pH-Wert führen kann), vermag das Material zu verspröden, wenn es feucht wird.

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Viel schwerwiegender ist es, wenn sich auf feuchtem, ungeschütztem Papier Mikroorganismen ansiedeln, was fast immer mit einer Materialschädigung einhergeht. Da Papier maßgeblich aus Cellulose besteht und diese zuvor aus pflanzlichem Material isoliert wurde, verwundert es nicht, dass besonders Bodenmikroorganismen über hochgradig spezialisierte Mechanismen verfügen, um Papier zu verstoffwechseln. In Hinblick auf die Biokompatibilität des Werkstoffs stellt dieser Sachverhalt einen gravierenden Vorteil dar, der indes zur essentiellen Herausforderung gerät, wenn Papier eine konstruktive Rolle zukommt. Speziell Bodenkontakt und direkte Bewitterung können die Dauerhaftigkeit erheblich reduzieren. Auch die Brennbarkeit von Papier reduziert dessen Festigkeit. Ab Temperaturen über 180°C beginnt es sich zu zersetzen, ohne dass es sichtbar schmilzt. Ist genügend Sauerstoff vorhanden, erfolgt die vollständige Umsetzung zu Wasser und Kohlenstoffdioxid, wobei nur ein äußerst geringer Anteil mineralischer Asche verbleibt. Bei füllstoff- und additivhaltigen Papieren können sich die entstehenden Verbrennungsprodukte chemisch anderweitig zusammensetzen. Dass sich Papier leicht entzündet, liegt u.a. an der hochreaktiven Oberfläche des Fasergeleges und der hohen Porosität. Das erfordert für konstruktive Anwendungen zwingend Brandschutzvorkehrungen. Die chemischen und biologischen Eigenschaften von Papier hängen von den jeweiligen Inhaltsstoffen ab (Art des Faserstoffs, Füllstoffe, Additive, Verunreinigungen) und lassen sich nicht universell benennen. Prinzipiell gilt Papier als ausgesprochen robust, wobei jedoch reine Cellulosepapiere die oben aufgeführten Einschränkungen aufweisen (Feuchte, Mikroorganismen, Brennbarkeit). Mit Additiven bzw. durch geeignete nachgelagerte funktionale Optimierungen wie beispielsweise Beschichtungen kann man diesen Einflüssen begegnen, wie die nachfolgenden Erläuterungen zeigen.

Kontakt mit Wasser Die Wechselwirkung zwischen Papier und Wasser beeinflussen hauptsächlich zwei Faktoren: Die chemische Beschaffenheit der Faseroberfläche und die Mikrostruktur des Papiers mit seinen Porenräumen und Kapillaren. Kommt es zum Kontakt zwischen Wasser und Papier, wird zunächst die Oberfläche benetzt, bevor das Wasser in die Papieroberfläche eindringt und sich gleichmäßig über diese ausbreitet. Von der Oberfläche kann das Wasser über die Kapillaren, welche die Räume zwischen den Fasern, aber auch die offene Struktur der Faser selbst darstellen, in die Blattsubstanz eindringen. Die ins Papier eindringenden Wassermoleküle verringern die Festigkeit der Wasserstoffbrückenbindungen und somit die Papierfasern selbst, bis das Papier letztendlich vollständig desintegriert.

Nassfestigkeit Haben sich die Wasserstoffbrückenbindungen aufgelöst, beträgt die Festigkeit des Papiers im nassen Zustand lediglich 3 bis 10% der Festigkeit im trockenen Zustand. Sogenannte Nassfestmittel erhöhen die Festigkeit, indem sie die Papierfasern mit wasserresistenten Bindungen vernetzen. Sie bilden stabile kovalente Bindungen an den Faser-Faser-Kreuzungspunkten, welche die Fasern dauerhaft und dadurch auch im nassen Zustand vernetzen » Abb. 6. Nassfestmittel werden für Papiere verwendet, die bei Wasserkontakt stabil bleiben müssen, wie z.B. Küchenrollen, Teebeutelpapiere oder Filterpapiere. Auch für konstruktive Anwendungen sind diese Eigenschaften von großer Relevanz. Per Definition müssen nassfeste Papiere eine relative Nassfestigkeit

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6 Vernetzung zweier Papierfaserkreuzungspunkte (weiß) durch feste Anbindung eines Nassfestmittels (grau).

von 15% der Trockenfestigkeit aufweisen, die nach DIN 5451411 mittels Zugversuchen ermittelt werden kann.12 Klassische Nassfestmittel sind Harze auf Basis von Polyamidoamin-Epichlorhydrin (PAAE), Melamin-Formaldehyd oder Harnstoff-Formaldehyd. Es gibt auch temporäre Nassfestmittel, z.B. für die Herstellung von Toilettenpapieren. Nach deren Gebrauch soll das Papier wieder an Nassfestigkeit verlieren, um die Kanalisation nicht zu verstopfen. Die hierfür verwendeten Substanzen, meist mehrfunktionale Aldehyde (z.B. Glyoxal), lassen sich reversibel spalten.13 Nassfestmittel werden folglich vielen Papieren zugesetzt, um eine Reststabilität im nassen Zustand zu bewirken. Sie verhindern jedoch nicht das Eindringen von Wasser in das Papiergefüge.

Leimung von Papier Um das Eindringen von Flüssigkeit temporär zu verhindern oder zu verlangsamen, kann eine Leimung den hydrophilen Papier- oder Cellulosefasern wasserabweisende (hydrophobe) Eigenschaften verleihen. So lässt sich die Benetzung der Papieroberfläche verringern und das Eindringen von Wasser ins Papier hemmen. Grundsätzlich kann die Leimung auf zweierlei Arten erfolgen: • Bei der Masseleimung wird das Leimungsmittel vor der Blattbildung der Faserstoffsuspension beigemischt; • bei der Oberflächenleimung wird das Leimungsmittel einseitig oder beidseitig auf die trockene Papierbahn aufgetragen. Als Leimungsmittel eignen sich Harzleime, Neutralleimungsmittel wie Alkylketendimere (AKD) und Alkylbernsteinsäureanhydride (ASA) oder polymere Leimungsmittelsysteme (PLM). Die Wirkung des Leimungsmittels wird über die Bestimmung des Wasserabsorptionsvermögens nach dem Cobb-Verfahren (DIN EN ISO 535:2014-06)14 oder auch durch Bestimmung der Benetzbarkeit über Kontaktwinkelmessungen ermittelt. Obwohl die Papieroberfläche durch eine Leimung hydrophob wird, bleibt sie nicht vollständig und dauerhaft wasserabweisend. Dies lässt sich jedoch mit anderen Techniken erreichen: Eine gängige Methode ist die Laminierung mit Kunststoffen wie PE, PET oder PLA. Für das Bauen mit Papier gilt es jedoch, auch die ökologischen Rahmenbedingungen (materielle Zusammensetzung, Rezyklierbarkeit, Abbaubarkeit) zu berücksichtigen. Gefragt sind Beschichtungsmaterialien, die sich biologisch ähnlich abbauen wie das Substrat Papier und bereits in geringen Mengen wirksam sind. Sie sollten zudem die Rezyklierbarkeit des Papiers nicht beeinträchtigen. Ein diesbezüglich vielversprechender Lösungsansatz sind superhydrophobe Papiere mit dem sogenannten

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7 Extrem wasserabweisende, superhydrophobe Papieroberfläche durch eine Wachs- und PolysaccharidderivatBeschichtung.

Lotuseffekt, benannt nach dem Lotusblatt mit seinen extrem wasserabweisenden Eigenschaften.15 Dieser Effekt geht auf eine Oberflächenstrukturierung im Mikro- und Nanometermaßstab zurück. Um ihn zu imitieren, verfolgen viele Forschungsansätze die Beschichtung mit hydrophoben Nanopartikeln, etwa funktionalisierten Silica-16 oder Cellulose-Nanopartikeln.17 Bis heute ist jedoch keine dieser Superhydrophobierungsstrategien im Papierherstellungsprozess etabliert, da sie nicht alle Anforderungen der Papierproduzenten und -nutzer erfüllen. Entweder es mangelt an der stofflichen Unbedenklichkeit, die Applikationstechnologien sind zu kompliziert oder die geforderte Rezyklierbarkeit wird nicht erfüllt. Dazu gibt es verschiedene Forschungsprojekte. Vielversprechend ist ein bereits patentierter Ansatz,18 bei dem ein sich selbst strukturierendes, nachhaltiges Beschichtungsmaterial aus Wachs und Polysaccharidderivaten eine superhydrophobe Papieroberfläche bildet » Abb. 7.19

Interaktion von Papier mit Luftfeuchtigkeit Auch die Interaktion von Wasser im gasförmigen Zustand kann das Bauen mit Papier negativ beeinflussen, beispielsweise wenn sich Schimmel im Innenraum durch zu hohe Luftfeuchte bildet. Um die Widerstandsfähigkeit des Papiermaterials gegenüber Wasserdampf zu quantifizieren, wird die sogenannte Wasserdampfdurchlässigkeit des Papiermaterials nach DIN 53122-120 charakterisiert. Hierfür spielen die Porenräume des Papiers eine entscheidende Rolle. Seine Eigenschaft kann diesbezüglich durch papierintrinsische Faktoren, wie beispielsweise Grammatur oder Mahlgrad des Faserstoffs, aber auch durch papierextrinsische Faktoren, beispielsweise durch eine Beschichtung oder Klebung, welche die Materialstruktur ändert und Porenräume schließt, beeinflusst werden. Auch die Luftfeuchtigkeit kann die Dimensionsstabilität und mechanischen Eigenschaften des Materials schwächen. Ändert sich die Luftfeuchte, wird die Ausgleichsfeuchte des hygroskopischen Papiermaterials stark verändert. Die Fasern quellen auf und es kommt zu Deformierungen. Zudem verschlechtern sich die mechanischen Eigenschaften, je feuchter das Papier wird. Durch spezielle Trocknungsprozesse bei der Herstellung, chemische Additive, Faserform und die Menge an Feinstoffen kann die Feuchteempfindlichkeit von Papier beeinflusst werden.21

Schutzmechanismen gegen Mikroorganismen Kommt Cellulose mit Wasser in Kontakt, leidet nicht nur dessen Stabilität, sondern es entsteht auch ein idealer Nährboden für Mikroorganismen. Da Cellulose die Basis aller

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Pflanzen schlechthin ist, können diverse Organismen diese Grundsubstanz sowohl aerob als auch anaerob abbauen. Dieser biologische Abbau von Cellulose reduziert wiederum deren mechanische Stabilität. Biozide können diesen Vorgang verhindern, indem sie die Schadorganismen „auf andere Art als bloße physikalisch-mechanische Einwirkung“ zerstören, abschrecken, unschädlich machen, in deren Wirkung verhindern oder in anderer Weise bekämpfen. Ihre Definition, Zulassung und Verwendung regelt die europäische Biozid-Verordnung.22 Die Wirkstoffe sind hinsichtlich Resistenzrisiken und ihrer Wirkung in vier Hauptgruppen unterteilt: Desinfektionsmittel, Schutzmittel, Schädlingsbekämpfungsmittel und Taxidermie- und Antifoulingmittel. Sämtliche Informationen über biozide Wirkstoffe und zugelassene Produkte sind frei einsehbar.23 Beschichtungsmittel, Schutzmittel für Fasern, Schleimbekämpfungsmittel sowie Holzschutzmittel eignen sich, um Papiere vor Schadorganismen zu bewahren.24 Darüber hinaus gibt es Forschungen zur antimikrobiellen Ausrüstung von Cellulose und Papieren, z.B. durch sekundäre Pflanzenstoffe oder durch in der Natur vorkommende Barrierepolymere, um künftig auf Biozide verzichten zu können.

Die Brennbarkeit von Papier Papier (Cellulose) zählt wie Holz zu den organischen, brennbaren Materialen. Will man sie konstruktiv einsetzen, bedarf es brandschutztechnischer Vorkehrungen, um sie vor Zerstörung durch Feuer zu bewahren.

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9 Wirkungsweise von intumeszenten Flammschutzmitteln: Ausbildung einer stabilen Kohleschicht, welche das Material vor den Flammen schützt.

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8 Das Verbrennungsdreieck benennt die Bedingungen, die für das Entstehen und das Aufrechterhalten eines Feuers notwendig sind: Wärme, Sauerstoff, Brennstoff.

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Brandverhalten von Papier Als Feuer wird generell die Flammbildung bezeichnet, die bei der Verbrennung von organischen Substanzen und Metallen unter Abgabe von Licht und Wärme entsteht. Für ein Feuer müssen drei Voraussetzungen und das richtige Mischungsverhältnis derselben erfüllt sein: genügend Brennstoff (Brennmaterial), ausreichend Sauerstoff (oder ein anderes Oxidationsmittel) und eine Mindesttemperatur (die sogenannte Zündtemperatur) » Abb. 8. Wird dem Brandvorgang eine der drei Voraussetzungen entzogen, erlischt das Feuer.25 Beispiele dafür sind der Verbrauch der Komponenten „Brennstoff“ oder „Sauerstoff“ im Verlauf eines Brandes oder auch das Abkühlen des Systems etwa durch den Eintrag von Löschwasser.26

Additive zum Brandschutz von Papier Flammschutzmittel schützen Papier vor dem Verbrennen, indem sie die Widerstandsfähigkeit von Papier gegenüber Feuer verbessern. Sie unterbrechen den Verbrennungsprozess in einer oder mehreren komplexen Stufen. Ziel kann es hierbei sein, die Zündung zu verhindern, die Brandgeschwindigkeit zu verringern und/oder den Verbrennungsmechanismus so zu beeinflussen, dass der Verbrennungsprozess gestört und im Idealfall gestoppt wird. Diese Störung des Verbrennungsprozesses kann je nach Art des Flammschutzmittels durch einen physikalischen, chemischen oder durch einen kombinierten Mechanismus ausgelöst werden. Die wichtigsten Mechanismen zum Flammschutz sind:27 • Das Herabkühlen des Substrats auf eine Temperatur unterhalb der notwendigen Zersetzungstemperatur, z.B. durch eine endotherme Reaktion. • Die Produktion von inerten Gasen, die die Sauerstoffkonzentration an der Oberfläche des Substrats senken und somit die Flamme ersticken. • Das Ausbilden einer schützenden Beschichtung, die als Hitzeschild fungiert und welche die Sauerstoffdiffusion in dem Zersetzungsbereich behindert sowie die Diffusion flüchtiger brennbarer Gase an die Oberfläche verhindert. Des Weiteren unterscheidet man Flammschutzmittel nach ihrer Beschaffenheit bzw. Wirkungsweise: Halogen-, Phosphor-, Stickstoff- und Silikat-basierte Flammschutzmittel sowie mineralische Flammschutzmittel und sogenannte IntumeszenzSysteme » Abb. 9. Am Weitesten verbreitet sind halogenbasierte Flammschutzmittel: Sie sind preisgünstig, sehr wirksam, ausreichend verfügbar und bewährt.28 Heutzutage sind jedoch viele dieser Mittel verboten oder nur in minimalen Mengen erlaubt, da sie zum einen umweltschädlich sind und zum anderen beim Verbrennen toxische und ätzende Gase freisetzen und somit humantoxisch wirken können.29 Eine zunehmend gebräuchliche Alternative sind phosphorhaltige Flammschutzmittel. Durch ihre hohe Versatilität eignen sie sich für viele verschiedene Anwendungen. Indem sie Phosphorsäure ausbilden, wirken sie als Dehydrationsmittel und fördern somit die Produktion von Kohle. Diese schützt das verbleibende Material vor der weiteren Zersetzung.30 Phosphorhaltige Flammschutzmittel bilden hervorragende Synergien mit stickstoffhaltigen Flammschutzmitteln wie Melamin und seinen Derivaten. Dabei bilden sich inerte Gase, welche die Konzentration an Sauerstoff reduzieren und somit das Feuer ersticken. Durch Kombination beider Flammschutzmittelklassen erhält man die sogenannten Intumeszenz-Systeme (von lat. intumescencia – Anschwellen, also eine Volumenzunahme z.B. durch Aufschäumen). Das vermehrte Entstehen von Kohle und die

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gleichzeitige Produktion an inerten Gasen erzeugt bei diesen Systemen einen Kohlenstoffschaum. Dieser fungiert nicht nur als Hitzeschild gegen das Feuer, sondern auch als Diffusionsbarriere für Sauerstoff und brennbare Gase. Somit wird dem Brand jegliche Basis entzogen und das Feuer erlischt. Bei Ammoniumpolyphosphat (APP) handelt es sich um das bekannteste Intumeszenz-System.31 Bei mineralischen Flammschutzmitteln handelt es sich um anorganische Füllstoffe, die in die Materialien eingebracht werden. Das gebundene Wasser, welches beim Verbrennen freigesetzt wird, kühlt beim Verdampfen das Feuer ab und lässt es erlöschen. Silikat-Flammschutzmittel wirken am besten in Kombination mit anderen Flammschutzmitteln. Sie können zwar alleinstehend verwendet werden, besitzen jedoch verglichen mit den anderen Systemen keine hohe Wirksamkeit. Beim Verbrennen der Silikat-Flammschutzmittel bildet sich eine schützende Beschichtung aus, die als Diffusions- und Temperaturbarriere dient.

ANMERKUNGEN 1 Dieter Klemm, Brigitte Heublein, Hans-Peter Fink, Andreas Bohn, „Cellulose: Fascinating Biopolymer and Sustainable Raw Material“, in: Angewandte Chemie 44(22), 2005, S. 3358–3393. 2 Peter Zugenmaier, Crystalline Cellulose and Cellulose Derivatives: Characterization and Structures, Berlin/Heidelberg: Springer Verlag, 2008. 3 Dieter Klemm, Bertrand Philipp, Thomas Heinze, Ute Heinze, W. Wagenknecht, Comprehensive Cellulose Chemistry; Volume 1: Fundamentals and Analytical Methods, Weinheim: Wiley-VCH Verlag, 1998. 4 Verband deutscher Papierfabriken e.V. – VDP, Kennzahlen Zellstoff- und Papierfabriken in Deutschland 2020/2019, Bonn, 2020; https:// www.vdp-online.de/industrie/ statistik, abgerufen 19. März 2021. 5 Verband deutscher Papierfabriken e.V. – VDP, Papier Kompass, Bonn, 2020. https://www.vdp-online.de/ fileadmin/0002-VDP/07_Dateien/ 7_Publikationen/Kompass_de.pdf, abgerufen 19. März 2021. 6 Papier 2022 – Ein Leistungsbericht. Verband Die Papierindustrie e.V., Bonn, 4. Mai 2022. 9 Verband deutscher Papierfabriken e.V. – VDP, Gregor Andreas Geiger, Papiermachen, Bonn, 2015, https:// www.vdp-online.de/fileadmin/0002VDP/07_Dateien/7_Publikationen/ Papiermachen.pdf, abgerufen 19. März 2021. 10 Holger Burkert, „Die Aufrollung“, in: Papier und Technik, 2017, https:// www.papierundtechnik.de/ papiertechnik/die-aufrollung-2/,

abgerufen 25. Oktober 2022. 11 DIN 54514:2008-08: Prüfung von Papier und Pappe – Bestimmung der initialen Nassfestigkeit (Initial Wet Web Strength) durch zugförmige Belastung, Berlin: Beuth, 2008. 12 Monica Ek, Göran Gellerstedt, Gunnar Henriksson (Hrsg.), „Paper Products: Physics and Technology“, in: Pulp and Paper Chemistry and Technology, Bd. 4, Berlin: DeGruyter, 2009. 13 Jürgen Blechschmidt (Hrsg.), Taschenbuch der Papiertechnik, 2. Auflage, München: Carl Hanser Verlag, 2013. 14 DIN EN ISO 535:2014-06: Papier und Pappe - Bestimmung des Wasserabsorptionsvermögens – CobbVerfahren (ISO 535:2014), Berlin: Beuth, 2014. 15 Wilhelm Barthlott, Zdenek Cerman, Anne Kathrin Stosch, „Der LotusEffekt: Selbstreinigende Oberflächen und ihre Übertragung in die Technik“, in: Biologie in unserer Zeit, 34(5), 2004, S. 290–296. 16 Hongta Yang, Yulin Deng, „Preparation and Physical Properties of Superhydrophobic Papers“, in: Journal of Colloid and Interface Science, 2008, 325(2), S. 588–593. 17 Andreas Geissler, Florian Loyal, Markus Biesalski, Kai Zhang, „Thermo-Responsive Superhydrophobic Paper Using Nanostructured Cellulose Stearoylester“, in: Cellulose, 2014, 21(1), S. 357–366. 18 A. Geissler, M. Biesalski, Regenerierbare superhydrophobe Beschichtungen, Patent WO 2018/193094 AI, 2018. 19 Cynthia Cordt, Andreas Geissler, Markus Biesalski, „Regenerative Superhydrophobic Paper Coatings by In Situ Formation of Waxy

Nanostructures“, in: Advanced Materials Interfaces, 8(2), Januar 2021. https://doi.org/10.1002/ admi.202001265 20 DIN 53122-1:2001-08: Prüfung von Kunststoff-Folien, Elastomerfolien, Papier, Pappe und anderen Flächengebilden – Bestimmung der Wasserdampfdurchlässigkeit – Teil 1: Gravimetrisches Verfahren, Berlin: Beuth, 2001. 21 Monica Ek, Göran Gellerstedt, Gunnar Henriksson (Hrsg.), „Paper Products: Physics and Technology“, op cit. 22 Verordnung (EU) Nr. 528/2012 des Europäischen Parlaments und des Rates vom 22. Mai 2012 über die Bereitstellung auf dem Markt und die Verwendung von Biozidprodukten, Text von Bedeutung für den EWR, hier Artikel 3. 23 Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (o. J.), Helpdesk: Reach – CLP – Biozid: Genehmigte Wirkstoffe, https://www.reach-clpbiozid-helpdesk.de/DE/Biozide/ Wirkstoffe/Genehmigte-Wirkstoffe/ Genehmigte-Wirkstoffe-0.htm, abgerufen 23. Juni 2020; European Chemicals Agency (o. J.), Informationen über Chemikalien – Wirkstofflieferanten, https://echa. europa.eu/de/information-on-chemicals/active-substance-suppliers, abgerufen 23. Juni 2020; Fungicide Resistance Action Commitee – Publications, https://www.frac.info/ publications/downloads, abgerufen 23. Juni 2020. 24 Durchführungsverordnung (EU) 2018/1602 der Kommission vom 11. Oktober 2018 zur Änderung des Anhangs I der Verordnung (EWG) Nr. 2658/87 des Rates über die zolltarifliche und statistische

Nomenklatur sowie den Gemeinsamen Zolltarif, Teil 2, Abschnitt X, Kap. 47 und 48. 25 D. K. Shen, Sai Gu, "The Mechanism for Thermal Decomposition of Cellulose and its Main Products", in: Bioresource Technology, 100(24), 2009, S. 6496–6504. 26 Arvind Atreya, "Ignition of fires", in: Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 356(1748), 1998, S. 2787–2813. 27 Constantine Papaspyrides, Pantelis Kiliaris (Hrsg.), Polymer Green Flame Retardants, Amsterdam: Elsevier, 2014. 28 Edward D. Weil, Sergei V. Levchik, Flame Retardants for Plastics and Textiles: Practical Applications, 2. Auflage, München: Carl Hanser Verlag, 2015. 29 Susan Shaw, "Halogenated Flame Retardants: Do the Fire Safety Benefits Justify the Risks?", in: Reviews on Environmental Health (25)4, 2010, S. 261–306. 30 Ike van der Veen, Jacob de Boer, "Phosphorus Flame Retardants: Properties, Production, Environmental Occurrence, Toxicity and Analysis", in: Chemosphere 88(10), 2012, S. 1119–1153. 31 Sergei V. Levchik, Giovanni Camino, Luigi Costa, G. Levchik, "Mechanism of Action of Phosphorus-Based Flame Retardants in Nylon 6. I. Ammonium Polyphosphate", in: Fire and Materials 19(1), 1995, S. 1–10.

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HALBZEUGE UND KOMPONENTEN

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In diesem Kapitel werden die verschiedenen Papiersorten, Halbzeuge und Komponenten vorgestellt, die sich für den Einsatz als Baumaterial eignen. Es wird zwischen flächigen und stabförmigen Halbzeugen und Komponenten unterschieden. Zudem werden Sonderkomponenten, die eigens für den Baueinsatz entwickelt wurden, vorgestellt. Um diese Materialien in der baukonstruktiven Planung berücksichtigen zu können, werden Materialkennwerte benötigt. Die für diese Baustoffe typischen Werte sind im Rahmen wissenschaftlicher Arbeiten gemessen worden, gelten also nur unter Laborbedingungen und enthalten beispielsweise keine Sicherheitsbeiwerte. Für die Verwendung in der Praxis ist zu beachten, dass sich die Papiereigenschaften je nach Umgebungsbedingungen drastisch verändern können. Die Darstellung in diesem Kapitel beschränkt sich auf mechanische Eigenschaften und das Verhalten gegenüber Wasser und Feuchte. In der Folge werden die wesentlichen Materialeigenschaften mit den für Baustoffe typischen Werten beschrieben, um einen ersten Eindruck von den verschiedenen Papierwerkstoffen, -halbzeugen und -komponenten zu bekommen. Die Herstellung ist ausschlaggebend für die grundlegenden Eigenschaften der Materialien. Deswegen werden die verschiedenen Herstellungsverfahren der jeweiligen Halbzeuge und Komponenten ebenfalls kurz beschrieben.

Papier, Karton und Pappe Wie in Kapitel 2 beschrieben, sind Papiere als Rollen- oder Formatware verfügbar, wobei die Papiermaschine die maximale Breite bestimmt und die Materialeigenschaften des Papiers bei der Herstellung auf die vorgesehene Funktion abgestimmt werden. Papiere und Pappen sind flächige Halbzeuge – sie unterscheiden sich nur unwesentlich voneinander, da die Ausgangsstoffe und Fertigungsverfahren nahezu identisch sind. DIN 6730 unterscheidet die Papiere und Pappen nach dem Flächengewicht: ab 225g / m² definiert die Norm das Papierhalbzeug als Pappe, darunter als Papier.1 Indem man beim Herstellungsprozess anstatt konventioneller Holzfasern synthetische Fasern verwendet oder sie anteilig beimischt, lassen sich die Festigkeit des Papiers erhöhen und die wasserabweisenden Eigenschaften verbessern. Typische Anwendungen sind Ausweise, Führerscheine und wasserfeste Karten.2 Im Bauwesen, wo stabile und wasserfeste Papiere quasi Bedingung sind, kann die Beimischung synthetischer Fasern eine große Bedeutung haben. Für einige Anwendungen reicht die Oberflächenqualität der Papiere oder Pappen, die aus der Papiermaschine kommen, nicht aus. Die Oberflächenqualität lässt sich durch weitere Verarbeitungsprozesse, wie beispielsweise das Satinieren oder Streichen des Papiers, erhöhen. Manche Papiere werden wiederum geprägt, um eine

3 HALBZEUGE UND KOMPONENTEN

36

Struktur im Papier zu erzeugen, oder mit Kunststoffen oder Lacken beschichtet, um das Material beispielsweise wasserfest zu machen. Papierkomponenten mit geprägten Oberflächen lassen sich mit anderen Materialien leichter kombinieren. So haften beispielsweise mineralische Materialien wie Lehm oder Putz wesentlich besser auf einer geprägten Oberfläche. Beim Kaschieren werden Papiererzeugnisse mit verschiedenen Materialien wie anderen Papierqualitäten, Kunststoffen oder Metallfolien zusammengefügt, um ihre Eigenschaften zu verbessern. Dabei können mehrere Lagen Papier mit gleicher oder unterschiedlicher Qualität miteinander verklebt bzw. laminiert werden, um verschiedene Oberflächenqualitäten auf beiden Seiten des Papiers zu erhalten. Die Kombination von Papieren, Kunststoffen und Metallfolien ist jedem aus dem Haushalt bekannt, um Lebensmittel vor Feuchtigkeit, Lichteinstrahlung und Gerüchen zu schützen. Ein typisches Beispiel sind Getränkekartons, deren Papiere von beiden Seiten mit Kunststoffen wie Polyethylen (PE) beschichtet sind, damit die Verpackung wasserdicht bleibt, aber auch keine Feuchte von außen eindringen kann. Dünne Aluminiumfolien, die auf das Papier bzw. einen Papier-Kunststoff-Verbund kaschiert sind, verhindern hingegen das Eindringen von Licht und Sauerstoff. Diese bereits optimierten Papiersorten sind ideal für die äußere Wetterschutzschicht eines Gebäudes sowie für dampfsperrende Schichten innerhalb eines Bauteils; auch für Innenraumoberflächen, etwa in Nassbereichen, sind sie geeignet. Außerdem kann durch eine solche Optimierung des Papiers verhindert werden, dass Mikroorganismen das Papier zersetzen. Der Löwenanteil der Papiere und Pappen geht heutzutage in den Papierdruck und in die Verpackungsindustrie. Aufgrund der zahlreichen Möglichkeiten, Papiere durch Füllstoffe und Additive zu modifizieren, gibt es mehrere Tausend Papiersorten, die für bestimmte Verwendungszwecke entwickelt worden sind. Eine Grundeigenschaft des Papiers, die es bei Auswahl und Einsatzort zu beachten gilt, ist die Anisotropie. E-Modul und Bruchkraft hängen entscheidend von der Laufrichtung in der Papiermaschine ab, was für die Weiterverarbeitung von großer Bedeutung ist. Anhand von zwei Wellpappenrohpapieren (» Kapitel 8, Abb. 20 und 21, S. 182–183) lässt sich beispielhaft die Materialwahl gut nachvollziehen: Der Liner bildet die Decklage einer Wellpappe, der Zug und Druckkräfte aufnehmen können muss. Hierfür eignen sich kraftzellstoffhaltige Papiere, also Papiere, die aus einem hochwertigen Kraftzellstoff (einem Zellstoff mit sehr reiß- und berstfesten Fasern) hergestellt werden. Erhöht man die Grammatur des Papiers, können die Biegesteifigkeit und der Widerstand gegen Durchstoßen erhöht werden. Primäre Aufgabe der Wellenlage in Wellpappe ist es, diese Decklagen auf Abstand zu halten. Die Anforderungen an die Festigkeit sind hier weniger groß, weshalb auch schlechtere Papierqualitäten genügen. Durch die Lufteinschlüsse, die zwischen Wellenlage und Liner gebildet werden, erhält die Wellpappe sehr gute wärmedämmende Eigenschaften. Neben dem Fasermaterial können ebenso chemische Additive die Eigenschaften wie Nass- und Trockenfestigkeit erheblich beeinflussen. Im Kapitel 8 werden die materialtechnischen Eigenschaften dieser zwei Wellpappenrohpapiere (Decklage und Wellenlage/Fluting) aufgeführt, um eine erste Berechnungsgrundlage für die Auslegung und Dimensionierung einer Papierkonstruktion zu bieten. Analog zur Wellpappe sind auch Kartons meistens mehrlagig aufgebaut. Insbesondere die hohe Biegesteifigkeit ist eine typische Anforderung für Faltschachtelkartons, die auch für den bautechnischen Einsatz wesentlich ist. Dadurch, dass Kartonmaschinen häufig mehrere Stoffaufläufe (also mehrere Einleitungspunkte für verschiedene Fasersuspensionen) haben, die jeweils eine einzelne Papierlage bilden, ist es möglich, verschiedene Papierqualitäten durch sogenanntes

Papier, Karton und Pappe

37

1 Wellpappenarten

a

einseitige Wellpappe

b

einwellige Wellpappe

c

zweiwellige Wellpappe

Vergautschen, also Zusammenfügen im nassen Zustand, zu einem Karton zu kombinieren, ohne Klebstoff verwenden zu müssen, weil sich die Papierfasern im nassen Zustand über Wasserstoffbrücken verbinden » Abschnitt „Nasspartie“, S.  27. Durch den mehrlagigen Aufbau lassen sich etwa die Oberflächeneigenschaften gezielt einstellen. Entsprechend dürfen Vorder- und Rückseite nicht verwechselt oder vertauscht werden. Auch Karton und Pappe können eine mehr oder weniger stark ausgeprägte Anisotropie aufzeigen. Im Kapitel „Fakten und Kennzahlen für Ingenieure“ werden die Eigenschaften eines Kartons » Kapitel 8, Abb. 22, S. 184 beispielhaft aufgeführt, der sich durch gute Umformbarkeit auszeichnet. Diese Eigenschaft ist besonders vorteilhaft für die Herstellung von Sonderbauteilen wie Verbindungselementen oder gestalterischen Elementen wie Fassadenplatten. Pappe besteht ebenfalls aus mehreren, dickeren Lagen. Die Pappe, die im Materialkatalog » Kapitel 8, Abb. 23, S. 185 aufgeführt wird, besteht zu einem großen Teil aus Holzstoff. Sie ist daher voluminös und federnd und wird im Bauwesen bereits als Trittschalldämmung verwendet. Auch für Massivbauteile sind die voluminösen Pappen deutlich besser geeignet als Kartons oder Papiere, da durch das höhere Volumen weniger Schichten verbunden werden müssen. Ein Vorteil ist, dass es sich dann um ein Monomaterial handelt, es kommt also zu weniger Materialvermischungen und der Baustoff ist somit ökologischer und einfacher zu rezyklieren. Zudem gibt es weniger potenzielle Fehlerquellen bzw. Schwachstellen in der Konstruktion, welche beispielsweise bei Klebungen durch inhomogenen Leimauftrag auftreten können. Alle genannten Materialien können inline, also direkt auf der Papiermaschine, oder offline in nachgeschalteten Prozessen ausgerüstet bzw. veredelt werden. Die Weiterverarbeitung erfolgt in der Regel als Rollenware.

Wellpappe

d

dreiwellige Wellpappe

Die Wellpappe gehört zu den meistverwendeten Verpackungsmaterialien in Deutschland. Das liegt maßgeblich an der hohen Stabilität bei gleichzeitig kleiner Dichte und niedrigen Herstellungskosten. Diese Eigenschaften sind ebenso für den baukonstruktiven Einsatz relevant. Dadurch, dass die Wellpappen zu Transport- und Verpackungszwecken optimiert wurden, weisen sie neben der hohen Stabilität auch gute dämmende Eigenschaften auf. Eine Besonderheit der Wellpappe ist die strukturbedingte Anisotropie. In verschiedenen Ausrichtungen weist die Wellpappe also verschiedene Eigenschaften auf. So ist die Wellpappe parallel zur Laufrichtung der Wellen gegenüber Biegung sehr stabil. Wird sie jedoch orthogonal dazu belastet, so kann sie leicht knicken. Auch in diesem Punkt können die Strategien der Verpackungs- und Transportindustrie als Vorbild für den bautechnischen Einsatz dienen. Durch die Anpassung der Geometrie, also beispielsweise durch Faltungen, kann die Knick-Gefährdung ausgeglichen werden und die Stabilität des gesamten Systems gesteigert werden. Den Aufbau der Wellpappen definiert DIN 6735 als „Pappe aus einer oder mehreren Lagen eines gewellten Papiers, das auf eine Lage oder zwischen mehreren Lagen eines anderen Papiers oder Pappe geklebt ist“.3 Es wird zwischen einseitigen, einwelligen, zweiwelligen und dreiwelligen Wellpappen unterschieden » Abb. 1. Häufig bilden mehrwellige Wellpappen den Kern in einer Wellstegpappe, die eingehender im » Abschnitt „Sandwichstrukturen“, S. 40–42, beschrieben wird. Bei Wellpappen mit mehreren Lagen müssen nicht alle Lagen die gleiche Wellenform und Wellenart haben, da jede Lage der Wellpappe verschiedene Funktionen übernimmt. Für

3 HALBZEUGE UND KOMPONENTEN

38

2 Wellenformen in Wellpappen.

U-Form

V-Form

Sinus-Form

Verpackungen werden häufig Grob- oder Mittelwellen mit Feinwellen kombiniert: Die nachgiebige Grobwelle schützt das Lager- oder Transportgut, die Feinwelle hingegen verleiht der Wellpappe eine höhere Steifigkeit und schützt sie vor äußeren mechanischen Beanspruchungen. Überträgt man dieses Prinzip auf das Bauwesen, so können die Mittelwellen die wärmedämmenden Eigenschaften und die Feinwellen die mechanischen bzw. statischen Eigenschaften übernehmen. Das Wellenpapier kann unterschiedliche Formen und Dimensionen aufweisen. Die Welle kann in U-Form, V-Form und Sinus-Form hergestellt werden, wobei sich die Sinus-Form aus kombinierter U- und V-Form ergibt und die Vorteile der beiden Wellenformen vereint » Abb. 2.

Zusammensetzung und Herstellung von Wellpappe Nicht nur die Anzahl der Lagen und die Kombination der Wellenarten und -formen beeinflussen die Eigenschaften von Wellpappen, sondern auch die gewählte Materialkombination. Die in Wellpappen eingesetzten Papiere werden aufgrund der unterschiedlichen Funktionen in Deckenpapiere und Wellenpapiere eingeteilt » Abb. 3. Wellenpapiere

3 Schematische Darstellung der Wellpappen-Herstellung (einwellige Wellpappe).

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Wellpappe

39

4 Aufbau von Sandwichstrukturen, a. massiver Kern, b. Wabenkern.

a

sind in der Wellpappenstruktur durch die äußeren Schichten geschützt und müssen somit äußerst selten wasserabweisende oder optische Eigenschaften aufweisen. Die Deckenpapiere hingegen werden häufig bedruckt und gegen Feuchtigkeit beschichtet. Wellenpapiere werden nach Halbzellstoff und Wellenstoff klassifiziert. Halbzellstoffpapiere bestehen überwiegend aus Holzfasern, die halbchemisch aufgeschlossen werden. Sie dürfen maximal 35% Altpapieranteil aufweisen. Wellenstoff besteht hingegen ausschließlich aus Recyclingfasern. Deckenpapiere unterscheiden sich nach den Sorten Kraftliner, Testliner und Schrenz. Wird besonders auf hohe Stabilität und Festigkeit wert gelegt, kommt Kraftliner zum Zug, der überwiegend aus Kraftzellstoff besteht und eine hohe Festigkeit aufweist. Testliner ist eine Alternative für Deckenpapiere, die geringere Qualitätsansprüche haben. Das Material ist kostengünstiger und besteht gänzlich aus rezyklierten Altpapierfasern. Schrenzpapier besteht aus unsortierten Altpapierfasern und weist somit die geringste Belastbarkeit auf. Zur Herstellung stehen neben der Vielzahl an Papiersorten sehr viele Klebstoffe zur Auswahl, grob unterschieden in wasserfest und wasserlöslich. Leime auf Basis von Kartoffel-, Mais- und Weizenstärke sind am meisten gebräuchlich, die auch miteinander kombiniert und durch Zugabe von Additiven nassfest, also wasserbeständig, gemacht werden können.4 Nach dem Auftrag des stärkebasierten Leims auf die Papierlagen trocknen die flüssigen Anteile des Leims aus und es entsteht eine stabile Klebung. Beim Verkleben werden je nach gewählter Papierkombination 16 bis 40g /m² Leim aufgetragen, der nach der Trocknung eine flächenbezogene Masse von ca. 4 bis 10g /m² aufweist, da ein großer Teil der Flüssigkeit aus dem Kleber verdampft.5

Eigenschaften von Wellpappen b

5 Wabenkern einer Sandwichstruktur aus hexagonal geformten Waben.

Wie zuvor beschrieben, hängen die Eigenschaften der Wellpappen von den verwendeten Materialien für Decklagen und Wellen sowie der Wellenart ab. Dementsprechend bieten sich dem Konstrukteur beliebig viele Möglichkeiten, die Wellpappen so auszulegen, dass die geforderten Anforderungen erfüllt sind. In DIN 55468-1 werden mechanische Anforderungen an die Wellpappen wie Berstfestigkeit, Durchstoßarbeit, d.h. die Stabilität gegenüber einer plötzlichen punktuellen Belastung beispielsweise durch spitze Gegenstände, und Kantenstauchwiderstand definiert.6 Die mechanischen Eigenschaften beziehen sich auf die Anforderungen an Verpackungen – der häufigsten Verwendung von Wellpappen. Diese Eigenschaften geben Anhaltswerte für die bautechnische bzw. statische Eignung der verschiedenen Sorten von Wellpappen. Die im vorherigen Kapitel beschriebenen unterschiedlichen Papierarten eignen sich sowohl für die Decklagen als auch für Wellen. Sie beeinflussen die Eigenschaften der Wellpappen und ermöglichen zahlreiche Materialkombinationen und Wellpappenaufbauten. Im » Kapitel 8, Abb. 24, S. 186, wird beispielhaft eine Tabelle mit bautechnischen Daten zu einer einwelligen Wellpappe aufgeführt.

Sandwichstrukturen b h

Für höhere und richtungsunabhängige Biegesteifigkeiten sind Sandwichstrukturen » Abb. 4 die bessere Wahl; sie sind weitaus stabiler als Wellpappen und hinsichtlich der Biegebelastung nicht richtungsabhängig. Auch Wabenpappen gehören zu den Sandwichstrukturen und bestehen in der Regel aus zwei Decklagen und einem Kern. Auch die Wabenplatten haben im Gegensatz zu Wellpappen richtungsunabhängige Biegeeigenschaften.

3 HALBZEUGE UND KOMPONENTEN

40

Die Deckschichten („Häute“) bilden die lasttragende Struktur, was üblicherweise festes und steifes Material bedingt. Sie schützen den Kern vor äußeren Krafteinwirkungen und nehmen die im Falle von Biegung auftretenden Zugbelastungen auf. Der Kern, der zwischen den beiden Deckschichten angeordnet ist, stützt die Decklagen, regelt den Abstand zwischen den Deckschichten und erzeugt die Schubfestigkeit der Sandwichstruktur. Bei Sandwichplatten ist häufig die Kombination aus hoher Steifigkeit bei zugleich niedrigem Gewicht gefragt. Das sich aus den beiden Größen ergebende Verhältnis wird auch als Leichtbaugüte bezeichnet. Für eine hohe Leichtbaugüte muss der Kern einen möglichst großen Abstand zwischen den Deckschichten erzeugen, weil durch den Abstand der Deckschichten zueinander die Biegesteifigkeit der Sandwichplatte signifikant erhöht wird. Je größer der Abstand zwischen den beiden Deckschichten, umso höher wird der Gewichtsanteil des Kerns am Gesamtgewicht der Sandwichplatte, was letztlich auch die mechanische Beanspruchung verändert. Deshalb ist genau abzuwägen und zu berechnen, welche Materialien und welche Dimensionen für die Deckschichten und Kerne verwendet werden sollen. Die mechanischen Eigenschaften des Wabenkerns ergeben sich aus der Wahl des Materials, der Materialstärke, der Wabenhöhe und der Wabenweite » Abb. 5. Die Ausgestaltung einer Wabenplatte erfordert stets den Kompromiss aus Steifigkeit und Gewicht: Je steifer die Platte, umso höher wird deren Gewicht, weil die Stabilität entweder eine höhere Materialstärke oder eine reduzierte Wabenweite erfordert. Alternativ zu einem Wabenkern aus Hexagonalwaben können auch Wellpappen in Form von Wellstegplatten als Kernmaterial eingesetzt werden. » Abb. 6 zeigt die Herstellung solcher Wellstegplatten.

6 Herstellung von Wellstegplatten.

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Sandwichstrukturen

41

Für das Bauwesen ist insbesondere die Dämmwirkung von Fassadenelementen entscheidend. Von Vorteil ist hier die geringe Wärmeleitfähigkeit von Papier sowie die im Material eingeschlossene Luft, die beide zur Wirkung als thermisches Dämmmaterial beitragen. Auch eignen sich Sandwichstrukturen gut als schall- und wärmedämmende Fußbodenbeläge in Wohnräumen, deren Druckbeständigkeit bei Belastung in Dickenrichtung von Vorteil ist. Um eine Beschädigung der Oberfläche zu vermeiden, sollte als Deckschicht jedoch ein Material gewählt werden, das punktuellen Belastungen – beispielsweise durch Pfennigabsätze – gut standhält.

Hülsen Industriell gefertigte, stabförmige Bauteile aus Papier entstehen durch das Verkleben mehrerer Schichten Papier, Karton oder Pappe. Übliche Formen sind gewickelte Hülsen oder laminierte Profile » Abschnitt „Profile“, S. 45–46.

7 Grundformen des Wickelns um einen Dorn. Die Maschinenrichtung des Papiers ist mit einem Pfeil gekennzeichnet.

Wickelart Parallelwickeln

Spiralwickeln

Senkrechtwickeln

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8 Die Wickelverfahren der für das Bauwesen geeigneten Papiere und Klebstoffe.

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Wickelart

Parallelwickeln

Senkrechtwickeln

Spiralwickeln

Papiere

• Hülsenwickelpapier oder -karton • Natronmischpapieroder -karton • Kraftliner

• Hülsenwickelpapier oder -karton • Natronmischpapieroder -karton • Kraftliner

• vorwiegend Langsiebkarton (Hülsenkarton) in Dicken von 0,2 bis 1mm mit einem Flächengewicht von 150 bis 650g /m² • Natronmischpapiere • Kraftliner • Testliner

Klebstoffe

• Kaseinklebstoffe • Stärkeklebstoffe • Silikatklebstoffe • Dispersionsklebstoffe • Knochenleime

• Kaseinklebstoffe • Stärkeklebstoffe • Silikatklebstoffe • Dispersionsklebstoffe • Knochenleime

• Polyvinylacetatklebstoff (PVAc); begrenzte Wasserfestigkeit (kann durch Zugabe von Vernetzungsmittel erhöht werden) • Polyvinylalkoholklebstoff (PVA); höhere Anfangsklebkraft gegenüber Stärke- und Zelluloseklebstoffen (kann durch Zugabe von Vernetzungsmitteln erhöht werden, ebenso die Wasserfestigkeit) • Dextrin- und Stärkeklebstoffe (sind wasserlöslich) • Silikat- und kaseinhaltige Klebstoffe (Kasein ist wasserlöslich)

3 HALBZEUGE UND KOMPONENTEN

42

Herstellung von Hülsen Man unterscheidet zwischen drei Herstellungsverfahren, nämlich für parallel-, senkrecht- und schräggewickelte Hülsen » Abb. 7. Letztere dominieren aufgrund des kontinuierlichen und damit kostengünstigeren Spiralwickelns den Markt. Aufgrund der vorwiegend längs orientierten Fasern bei parallelgewickelten Hülsen ergibt sich mechanisch bei der Verwendung als Balken oder Stütze ein Vorteil – der allerdings bei den herkömmlich verwendeten, nicht hochorientierten Papieren nur gering ausgeprägt ist. Gegenüber schräggewickelten Hülsen sind parallelgewickelte Hülsen hinsichtlich Dimensionierung und der Kombination unterschiedlicher Papiere eingeschränkt.

9 Vergleich der drei Herstellungsverfahren hinsichtlich Eigenschaften, Belastungsarten und Anwendungsgebiete.

Wickelart

Parallelwickeln

Senkrechtwickeln

Spiralwickeln

Einschränkung in der Dimension

• Länge des Bauteils wird von Dornlänge begrenzt • Dicke und Durchmesser des Bauteils werden von der Breite der Papierbahn begrenzt

• Länge des Bauteils wird von der Breite der Papierbahn begrenzt

• problemlose Einstellung der Wanddicke • Begrenzung der Dicke der Hülse (derzeit 1 bis 30 mm) durch die maschinenspezifisch mögliche Anzahl von verarbeitbaren Papierbahnen (derzeit maximal 36 » Abb. 12) • Produktion großer Längen durch Endloswicklung möglich (derzeit bis zu 11 m), Begrenzung meist durch Räumlichkeiten

Orientierung der Maschinenrichtung des Papiers

• in Längsachse der Hülse orientiert

• in Umfangrichtung der Hülse orientiert

• in verschiedenen Winkeln in Umfangrichtung der Hülse orientiert

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Eigenschaften der Hülse

• schlechte Rundlaufeigenschaften wegen des charakteristischen Stoßes auf der Innen- und Außenseite der Hülse (Abschleifen möglich) • hohe Bruchfestigkeit zur Längsachse

• schlechte Rundlaufeigenschaften wegen des charakteristischen Stoßes auf der Innen- und Außenseite der Hülse (Abschleifen möglich)

• sehr gute Rundlaufeigenschaften • verschiedene Lagenmaterialien können verwendet werden • geringere Bruchfestigkeit zur Längsachse, da der Stoß eine Fehlstelle darstellt

bevorzugte Belastungsart

• Biegebelastung der Hülse • Druckbelastung der Querschnittsfläche

• Außen- und Radialdruck

• hängt von den Wickelwinkeln der Papierbahnen ab

herkömmlicher Einsatz

• als Wickelkerne, vorwiegend für biegeschlaffe Stoffe (Textilindustrie)

• Feuerwerkskörper • Patronenhülsen • Pappfässer (Hartpappentrommel) • dickwandige Hülsen (> 20 mm Wandstärke)

• als Wickelkerne, z.B. in der Papier- und Kunststoffindustrie • Verpackungsmaterial, z.B. als Trommel oder Dose

Hülsen

43

10 Spiralgewickelte Hülse: Sie werden häufig als Wickelkerne oder Verpackungsmaterialien eingesetzt. 11 Spiralgewickelte Hülse mit einem anderen Ausgangsmaterial.

3 HALBZEUGE UND KOMPONENTEN

44

Je nach Verwendungszweck, den Anforderungen an die Produkte und natürlich den Herstellungsverfahren finden unterschiedliche Klebstoffe und Papierqualitäten mit verschieden langen Papierfasern und verschiedenen Papierdicken Anwendung » Abb. 8.

Eigenschaften von Hülsen Die unterschiedlichen Wickelverfahren begrenzen die herstellbaren Dimensionen, beeinflussen die Ausrichtung des meist leicht anisotropen Materials und wirken sich auf die geometrischen und statischen Belange des Bauteils aus » Abb.  9. Während beim Spiralwickeln endlos lange Papierrohre hergestellt werden können » Abb. 12, wird beim Parallel- und Senkrechtwickeln die Länge durch das Ausgangsmaterial bzw. den Dorn begrenzt. Theoretisch könnte dieser Dorn auch in 20 m Länge hergestellt werden, das wäre aber nicht wirtschaftlich. In der Praxis üblich sind beim Parallelwickeln ca. 1–3m, beim Senkrechtwickeln ca. 0,05–1m. Die derzeit weltweit größte Maschine erzeugt Papierbahnen von 10m Breite, was Bauteile von 10m Länge im Senkrechtwickelverfahren erlauben würde. Industriell werden momentan nur spiralgewickelte Hülsen in ausreichender Länge und mit ausreichender Wandstärke produziert, die sie für den Einsatz als Baumaterial in Betracht kommen lassen. Der umlaufende Stoß stellt jedoch die Schwachstelle des Materials dar, sodass spiralgewickelte Hülsen im Vergleich zu den anderen Herstellungsarten eine geringere Bruchfestigkeit zur Längsachse aufweisen. Diesbezüglich weisen vor allem parallelgewickelte Hülsen gute Eigenschaften auf. Parallelgewickelte Hülsen haben für den Einsatz als Balken oder Stütze das größte Potenzial, sind jedoch momentan nicht in ausreichender Qualität und Dimension auf dem Markt erhältlich, weil bisher noch kein Bedarf besteht. Die » Abb. 10 und 11 zeigen spiralgewickelte Hülsen. Durch den Einsatz verschiedener Ausgangsmaterialien lassen sich die Eigenschaften und Oberflächenbeschaffenheiten der Hülsen verändern, so können beispielsweise bedruckte oder beschichtete Papiere als Oberflächenmaterial eingesetzt werden. Im Bauwesen wurden Hülsen vor allem durch Shigeru Ban bekannt, der es sich in seinen Projekten, wie beispielsweise dem Japanischen Pavillon » S. 132–133, zunutze macht, dass die Hülsen durch das Wickelverfahren in großen Längen produziert werden können. In den meisten Projekten werden die Hülsen vor Einbau mit wasserabweisenden Materialien durchtränkt. Theoretisch wäre aber auch schon während des Wickelprozesses das Aufbringen eines wasserabweisend-beschichteten Papiers als oberste Lage möglich. So können durch die Wickelprozesse verschiedene Papiersorten je nach Anspruch und Bedarf kombiniert werden, um bestimmte Eigenschaften, wie etwa spezielle Oberflächenbeschaffenheiten zu erzeugen.

Profile Neben gewickelten Hülsen gehören auch laminierte Profile in I-, L- oder U-Form zu den industriell verfügbaren stabförmigen Halbzeugen, die derzeit zumeist als Transportschutz verwendet werden. Für diese Anwendung wurden Profile bereits auf Stabilität und Dauerhaftigkeit optimiert. Diese Erfahrungen kommen dem bautechnischen Einsatz zugute und erlauben die technische Dimensionierung oder zumindest eine Einschätzung in dieser Hinsicht. Profile sind neben den Hülsen die stabförmigen Elemente, die durch ihre hohe Belastbarkeit besonders gut als tragende Bauteile eingesetzt werden können. Für den

Profile

45

baukonstruktiven Einsatz haben Profile den wesentlichen Vorteil einer flächigen Oberfläche im Gegensatz zu den Krümmungen von Hülsen. Dadurch ist es wesentlich einfacher, sie durch herkömmliche Verbindungselemente wie beispielsweise Schrauben mit flächigen Baukomponenten zu verbinden. Wenn also beispielsweise Profile zu einem quadratischen Querschnitt zusammengefügt werden, um als Träger zu dienen, und daran Platten aus Well- oder Wabenpappe als Dämmung und Gebäudehülle befestigt werden, so sind keine aufwendigen Verbindungselemente notwendig.

Herstellung von Profilen Bei der Herstellung werden mehrere Pappstreifen nach der Benetzung mit Klebstoff übereinandergestapelt und mit einer umschließenden Decklage aus Papier versehen. Das anschließende Verpressen über zwei Walzen verbessert die Verklebung und Maßhaltigkeit des Laminats. Für das Erzeugen von L- oder U-förmigen Profilen müssen zudem noch vor dem Aushärten des Klebstoffs weitere Profilierwalzen nachgeschaltet werden. Um die Pappe nicht zu schädigen, erfolgt die Umformung in mehreren Schritten. Dem Profilieren ist eine Trockenzone nachgeschaltet. Mittels Schneidwerk können die Endlosprofile anschließend auftragsgemäß zugeschnitten werden » Abb. 13.

Eigenschaften von Profilen Die im Bauwesen üblichen Stützen oder Träger sind durch Längskraft bzw. Längskraft und Biegung belastete Bauteile. In den beiden Tabellen in » Abb. 14 und 15 sind die Leistungsfähigkeiten üblicher laminierter Querschnitte aus Papier qualitativ bewertet. In den beiden Abbildungen sind mögliche Konstruktionen mit entsprechend aufgeschlüsselten Belastungen und einer qualitativen Bewertung aufgelistet. Zudem werden zu den verschiedenen Ansätzen der Balkenkonstruktionen Umsetzungsbeispiele für den Werkstoff Papier gegeben. Ähnlich dem Wickeln von Hülsen können beim Laminierprozess von Profilen die Papierqualität und die Art des Klebstoffs entsprechend dem gewünschten Endprodukt angepasst werden. Bei konventionellen Profilen sind die Papierfasern immer in Längsrichtung orientiert und nicht anpassbar. Für die Anwendungen im Baubereich, die eine Belastung des Querschnitts mit Zug oder Druck mit sich bringen, ist dies ein Vorteil, da die Belastung gemäß der Ausrichtung der Papierfasern erfolgt.

Naturfaserverstärkte Platten Im Gegensatz zu den industriell hergestellten zuvor genannten Produkten wird an den mit Naturfasern verstärkten Papieren aktuell noch geforscht. Sie bestehen aus einer Papierfasermatrix und einer Naturfaserverstärkung (Flachs, Jute etc.), die mit Kleister oder Stärke als Haftvermittler hergestellt werden. Die Verstärkung des Papiers mit hochfesten Naturfasern soll dessen mechanische Eigenschaften verbessern und es für die Verwendung in lasttragenden Bauteilen qualifizieren. Konkret geht es um Naturfasern in Form von textilen Halbzeugen, wie unidirektionale Fasermatten oder Gewebe aus Flachs oder Jute, die z.B. auch für Faser-Kunststoff-Verbundlösungen verwendet werden und gute mechanische Eigenschaften aufweisen. Die unidirektionalen Naturfasermatten verleihen dem neuen Kompositmaterial anisotrope, d.h. richtungsabhängige Materialeigenschaften, die auch die Faser-Kunststoff-Verbundlösungen auszeichnen.

3 HALBZEUGE UND KOMPONENTEN

46

12 Schematische Darstellung des Spiralwickelprozesses.

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13 Industriell verfügbare Profilgrößen aus Karton bzw. Pappe.

Profilform

I-Profil

Breite

bmin = 40 mm bmax = 160 mm

Schenkellänge

L-Profil

U-Profil

bmin = 8 mm bmax = 200 mm amin = 25 mm amax = 150 mm

amin = 12 mm amax = 100 mm

Dicke

tmin = 2 mm tmax = 10 mm

tmin = 2 mm tmax = 10 mm

tmin = 2 mm tmax = 10 mm

Länge

lmax = 8000 mm

lmax = 8000 mm

lmax = 8000 mm

Naturfaserverstärkte Platten

47

14 Übersicht und Bewertung möglicher Stabkonstruktionen.

Trägerart

Vollwandträger

dünnwandiger geschlossener Träger

Querschnitt

rund oder quadratisch

beliebiges Rechteck (Seitenverhältnis ungleich 1)

rund oder quadratisch

beliebiges Rechteck (Seitenverhältnis ungleich 1)

Prinzipskizze

Belastungsart

Stab übernimmt Längskräfte

Stab übernimmt Längskräfte

Stab übernimmt Längskräfte

Stab übernimmt Längskräfte

Umsetzungsbeispiel in Papier

laminierter bzw. gewickelter Vollträger

laminierter Vollträger

gewickelter oder aus Profilen aufgebauter Träger

gewickelter oder aus Profilen aufgebauter Träger

Bewertung

• gesamter Querschnitt nimmt Längskräfte auf • Schutz vor einem Ausknicken langer Träger bieten vor allem die äußeren Randschichten des Vollwandträgers • Material kann nicht vollständig ausgenutzt werden

• gesamter Querschnitt nimmt Längskräfte auf • Knickung tritt zuerst senkrecht zur kleinsten Hauptträgerachse auf • Material kann nicht vollständig ausgenutzt werden

• Material nur da, wo es gebraucht wird • Dünnwandigkeit kann zu lokalem Beulen führen • gesamter Querschnitt nimmt Längskräfte auf • Schutz vor einem Ausknicken langer Träger bieten vor allem die äußeren Randschichten des Trägers • Material kann vollständig ausgenutzt werden

• gesamter Querschnitt nimmt Längskräfte auf • Knickung tritt zuerst senkrecht zur kleinsten Trägerachse auf • Material kann nicht vollständig ausgenutzt werden

Der Papier-Naturfaserverbund besteht in der Regel aus mehreren Einzelschichten, die aus einer Kombination aus Papierfasern und Naturfasermatten bestehen und abwechselnd übereinander zu einem Laminat geschichtet werden » Abb.  16. Das mechanische Verhalten des Laminats wird zum einen durch die Materialwahl und zum anderen durch seinen Aufbau beeinflusst.

Materialien Die Ausgangsmaterialien beeinflussen maßgeblich die Eigenschaften des Kompositmaterials. Dabei ist zu beachten, dass bei Zug- und Druckbelastung der Einzelschicht in Faserrichtung die Verstärkungsfasern einen Großteil der Last tragen. Bei einer Belastung der Einzelschicht quer zur Faser müssen dagegen die Papierfasern die Belastungen aufnehmen. Bei Druckbelastungen soll die Papierfasermatrix die Naturfasern/ Verstärkungsfasern stützen und die Fasern in Position halten.

3 HALBZEUGE UND KOMPONENTEN

48

15 Übersicht und Bewertung möglicher Balkenkonstruktionen aus Papier.

Trägerart

Vollwandträger

dünnwandiger Träger ohne Gurt

mit Gurt

Fachwerkträger

Rahmenträger

Prinzipskizze

Belastungsart

Wand übernimmt Längskräfte und Schub in Dickenrichtung → 3D-Spannungszustand

Haut übernimmt Längskräfte und intralaminaren Schub in der Ebene → 2D (ebener)Spannungszustand

Wand übernimmt intralaminaren Schub in der Ebene und Gurt übernimmt Längskräfte

Stäbe mit Längskräften

Rahmenträger mit Längskräften und Biegemomenten

Umsetzungsbeispiel in Papier

laminierter Vollträger

gewickelter Träger

Gurte mit Umwicklung

Fachwerk aus L-Profilen

ausgeschnittene Pappe

Empfindlichkeit gegenüber Torsion

nein

nein

nein

bedingt

ja

Bewertung

• interlaminare Belastung des Papiers • Material kann nicht vollständig ausgenutzt werden

• Schub- und Biegesteifigkeit können nicht unabhängig voneinander angepasst werden • Material kann nicht vollständig ausgenutzt werden • beulgefährdet

• separate materialgerechte Auslegung von Gurt und Haut möglich

• separate Auslegung von Zug- und Druckstäben möglich

• Schub wird durch die Biegesteifigkeit der Rahmenträger erzeugt • Schub und Biegesteifigkeit können nicht unabhängig voneinander angepasst werden • Material kann nicht vollständig ausgenutzt werden

Naturfaserverstärkte Platten

49

16 Beispielhafter Aufbau eines Laminats: a. unidirektionale Einzelschicht, b. Laminat aus mehreren Einzelschichten.

Die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs hängen auch von dem Faservolumenanteil der Verstärkungsfasern ab. In der Regel haben die Verstärkungsfasern deutlich bessere mechanische Eigenschaften als die Papierfasermatrix, insbesondere in Faserrichtung. Somit verbessern sich die mechanischen Eigenschaften des Verbundes entsprechend der anteiligen Verstärkungsfasern im Verbundwerkstoff.

Aufbau des Laminats

a

Auch über den Laminataufbau lassen sich die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs beeinflussen (Anzahl der Schichten, Ausrichtung der Fasern und Dicke der Schichten). Aufbau und Ausrichtung der einzelnen Schichten können grundsätzlich beliebig sein, wobei einige Gestaltungsregeln zu beachten sind, wie z.B. der symmetrische und ausgeglichene Laminataufbau, um unerwünschte Nebeneffekte wie beispielsweise das Verdrillen des Laminats zu vermeiden. Ein typischer Aufbau sind Laminatschichtungen mit orthogonal versetzten Faserrichtungen, um die anisotropen Materialeigenschaften auszugleichen. Je mehr Schichten und je mehr Ausrichtungen, umso isotroper wird das Laminat.

Herstellung von naturfaserverstärkten Papieren Bei der Herstellung naturfaserverstärkter Papiere werden die Papier- und Naturfaserlagen in einer zuvor bestimmten Reihenfolge in einer Form geschichtet und in einer Heißpresse unter Temperatur und Druck gepresst » Abb.  16. Zwischen die Lagen wird der Haftvermittler in Pulverform gleichmäßig verteilt. Durch das Vermischen der Zellstoff-/Holzstofffasern mit Wasser entsteht eine breiige Masse („Pulpe“). Durch das Sieben der Pulpe entsteht eine Zellstoff- bzw. Papierlage (Papiermatrix) mit einem sehr großen Wasseranteil.

Mechanische Eigenschaften von naturfaserverstärkten Papieren Messergebnisse für unidirektionale Einzelschichten (alle Fasern in einer Richtung orientiert) zeigen, dass die Zugfestigkeiten in Faserrichtung bei ca. 180MPa und ein ZugElastizitätsmodul von ca. 15GPa erreicht werden. Die Zugfestigkeit in Faserrichtung ist somit im Vergleich zu konventionellen Papieren signifikant höher und reicht sogar an Aluminiumlegierungen heran. Der Elastizitätsmodul erreicht zwar höhere Werte als konventionelle Papiere, kann aber nicht mit Aluminiumlegierungen (ca. 70GPa) und Stahl (ca. 210GPa) konkurrieren. Bei einer Bemessung von Bauteilen aus anisotropen Materialien ist es sehr wichtig, die Belastungen des Bauteils zu kennen, um das Laminat so auslegen zu können, dass die Fasern in die Belastungsrichtung orientiert sind. Bei einer multiaxialen Belastung müssen Verstärkungsfasern in viele verschiedene Richtungen integriert werden, was zur Folge hat, dass die mechanischen Eigenschaften des Mehrschichtverbunds in der Regel schlechter sind, als wenn alle Fasern in einer Belastungsrichtung (unidirektionales Gelege) ausgerichtet sind. b

3 HALBZEUGE UND KOMPONENTEN

50

Tiefziehen

17 Konventionelles Tiefziehen von Papier mit starrem Werkzeug.

Fortgeschrittener Prozess

Ausgangszustand

Ziehspalt

Ziehstempel

F

F

F

F

Niederhalter Papierronde

Ziehmatrize

Pressformen

18 Pressformen von Papier. Das Material wird in eine Form (Ziehmatrize) hineingepresst und so in seine endgültige Form gebracht.

Ziehstempel

Niederhalter Papierronde

Ziehmatrize

19 Wirkmedienbasiertes Tiefziehen von Papier.

F

F

Oberteil mit Bauteilkontur Papierronde Unterbau Druckanschluss

p

p

Membran/Folie

Freigeformte Bauteile Den größten Bedarf an dreidimensional geformten Papierbauteilen hat bisher vor allem die Verpackungsindustrie. Häufig beschränken sich die Geometrien auf einfache Formen mit ebenen Flächen, hergestellt mittels Faltoperationen oder Ziehverfahren mit geringer Ziehtiefe. Typische Produkte sind Verpackungskartons oder Pappteller. In den letzten Jahren wurde vermehrt an dreidimensional geformten Papierbauteilen geforscht, um das Marktpotenzial zu erweitern. Neue Verfahren und ausgedehnte Formgebungsgrenzen sollen dem Werkstoff Papier weitere Türen öffnen, so etwa im Baugewerbe. Denkbar wären freigeformte Papierbauteile für Fassaden, als gestalterische Elemente oder für den Messebau. Zur dreidimensionalen Formgebung von Papier existieren verschiedene Verfahren, die in großen Teilen aus der Metallverarbeitung übernommen und an das Material und die daraus resultierenden Prozessanforderungen angepasst wurden. Grundsätzlich wird zwischen urformenden und umformenden Verfahren unterschieden.

Freigeformte Bauteile

51

Bei urformenden Verfahren wird die endgültige Geometrie aus einem vorher formlosen Stoff erzeugt. Bezogen auf die Papierformung ist hier vorwiegend der Faserguss zu nennen – typische Produkte sind Eierkartons oder Obstschalen. Dazu gießt oder spritzt man eine viskose Fasermasse in eine Form und trocknet diese anschließend. Da das fertige Produkt in der Form in der Regel nicht gepresst wird, haben die Gussprodukte eine geringe Festigkeit und gleichzeitig eine raue Oberfläche. Nachteilig sind zudem die hohen Maschinen- und Werkzeugkosten, die durch die individuellen Formen der Schalungen entstehen. Für jedes Produkt mit einer anderen Form wird eine neue Schalung bzw. ein neues Werkzeug, wenn nicht sogar eine neue Maschine benötigt. Der unschlagbare Vorteil beim Faserguss sind hingegen die beliebig herstellbaren Geometrien, soweit sie den Regeln für eine gussgerechte Konstruktion entsprechen. Dem gegenüber stehen die umformenden Verfahren, die sich vor allem durch geringe Produktionskosten bei gleichzeitig niedrigen Taktzeiten und hohen Stückzahlen auszeichnen. Bei den für die Papierumformung relevanten umformenden Verfahren wird ein ebenes Halbzeug im Umformprozess in seine endgültige, dreidimensionale Form gebracht. Etablierte Verfahren zur Umformung von Papier sind das konventionelle Tiefziehen,7 das wirkmedienbasierte Tiefziehen8 und das Pressformen.9 Beim konventionellen Tiefziehen mit starren Werkzeugen wird eine Papierronde mittels eines Stempels mit vorgegebenem Stempelweg umgeformt » Abb. 17. Aus dem Ausgangsdurchmesser der Ronde, dem Durchmesser des Stempels und dem eingestellten Ziehverhältnis ergibt sich die Geometrie des gefertigten Napfes. Anders als beim Tiefziehen wird das Material beim Pressformen » Abb. 18 in eine Form („Matrize“) hineingepresst und so in seine endgültige Form gebracht. Das abschließende Verpressen des Materials in der Form steigert die Formhaltigkeit der erzeugten Geometrie. Indes sind die Werkzeugkosten aufgrund der benötigten Matrize höher als beim konventionellen Tiefziehen. Beim wirkmedienbasierten Tiefziehen » Abb.  19,  21 ersetzt ein Wirkmedium, beispielsweise Öl oder Druckluft, den starren Werkzeugstempel. Das Wirkmedium, zumeist Druckluft, presst das zu formende Werkstück mit hohem Druck in eine Matrize. Da Papier porös und damit durchlässig für Luft ist, muss das Werkstück durch eine Folie oder Membran vom Wirkmedium getrennt werden.

20 Inkrementelle Umformung. Das Material wird nur in einem kleinen Bereich lokal umgeformt.

rE

r0 Werkzeug F

z

F Niederhalter

Papier

r Umformwerkzeug

F Klemmring

PE Schicht

F

Unterbau

Gegendruckplatte mit EPDM-Schicht

Führungssäule

Į z

Führung z

t

r

3 HALBZEUGE UND KOMPONENTEN

Pneumatikzylinder

t

r

52

21 Ergebnisse von wirkmedienbasiertem Umformen.

Ein weiterer Umformungsprozess ist das inkrementelle Umformen. Für Papier wird diese Technik derzeit noch erforscht. Im Folgenden wird ein erster Ausblick über das Verfahren und seine Potenziale gegeben. Bei der inkrementellen Umformung » Abb. 20 wird das Material immer nur in einem kleinen Bereich lokal umgeformt. Ein Werkzeug fährt zuvor programmierte Bahnen auf dem Werkstück ab. Nach jeder Bahn wird das Werkzeug radial und in Höhenrichtung eingestellt, sodass sich schichtweise beliebige Formen aus dem Material herausformen lassen, ohne dabei teure Matrizen herstellen zu müssen. Aufgrund der hohen Taktzeiten eignet sich das inkrementelle Umformen nicht für große Stückzahlen. Vielmehr zielt der Prozess darauf ab, Werkstücke individuell anzupassen und auszuformen. Bei dieser Methodik ist jedoch zu beachten, dass Papier sich grundsätzlich in seiner Dehnungsfähigkeit von anderen, nicht faserbasierten Werkstoffen unterscheidet. Unter Zugbelastung dehnt sich Papier, bis die maximale Dehnung erreicht ist und das Papier reißt. Unter Druck und Schub schlägt Papier Falten und einzelne Papierlagen können folglich delaminieren. Im Gegensatz zu metallischen Werkstoffen fließt Papier nicht. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass sich Papier unter mehrachsiger Belastung weiter dehnen lässt, als dies bei der Materialcharakterisierung im uniaxialen Zugversuch der Fall ist. Somit verspricht die inkrementelle Umformung Potenziale für freigeformte Bauteile. Vor allem für außergewöhnliche Oberflächengestaltungen ist das inkrementelle Formen von Papier gut anwendbar.10

ANMERKUNGEN 1 DIN 6730, 2011-02: Papier und Pappe – Begriffe, Berlin: Beuth, 2011. 2 Erwin Bachmaier, Bundesverband Druck und Medien (Hrsg.), Ausbildungsleitfaden Druckweiterverarbeitung. Werk- und Hilfsstoffe, Berlin, 2017, https://www. mediencommunity.de/content/ 31-papier-karton-pappe, abgerufen 20. März 2019. 3 DIN 6735, 2010-02: Papier, Pappe und Faserstoffe – Übersicht von Begriffen, Berlin: Beuth, 2010.

4 Verband der Wellpappen-Industrie e.V. (Hrsg.), Wertpapier. Mit Wellpappe sicher verpacken und erfolgreich verkaufen, 2007. 5 Stephan Schütz, Von der Faser zum Haus. Das Potential von gefalteten Wabenplatten aus Papierwerkstoffen in ihrer architektonischen Anwendung, 2015, Dissertation Bauhaus-Universität Weimar, https://e-pub.uni-weimar.de/opus4/ frontdoor/index/index/docId/3804, abgerufen 13. Juni 2019. 6 DIN 55468-1, 2015-6: Packstoffe – Wellpappe – Teil 1: Anforderungen, Prüfung, Berlin: Beuth, 2015.

7 Marek Hauptmann, Die gezielte Prozessführung und Möglichkeiten zur Prozessüberwachung beim mehrdimensionalen Umformen von Karton durch Ziehen, Dissertation, Technische Universität Dresden, Institut für Verarbeitungsmaschinen und Mobile Arbeitsmaschinen, 2010. 8 Dominik Huttel, Peter Groche, „New Hydroforming Concepts for Sustainable Fiber Material (paperboard)“, in: International Conference New Developments in Hydroforming, 2014, S. 1–18. 9 Ville Leminen, Panu Tanninen, Petri Mäkelä, Juha Varis, „Combined

Effect of Paperboard Thickness and Mould Clearance in the Press Forming Process“, in: BioResources 8(4), 2013. 10 Dominik Huttel, Wirkmedienbasiertes Umformen von Papier, Dissertation, Technische Universität Darmstadt, Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen, 2015.

Freigeformte Bauteile

53

BAUKONSTRUKTION

4 

In diesem Kapitel, das sich mit den baukonstruktiven Grundlagen von Papierkonstruktionen befasst, werden zunächst die zuvor beschriebenen Halbzeuge und Komponenten zu idealisierten konstruktiven Strukturen zusammengefasst und deren mechanische Eigenschaften diskutiert. Daran anschließend werden Verbindungstechniken vorgestellt, womit diese Strukturen zusammengefügt werden können. Das Kapitel schließt mit Konstruktionstypologien, welche aus den vorherigen Teilen hergeleitet werden, ab. Vertiefendes Wissen zur Mechanik von Papier und zu Berechnungsverfahren ist im Kapitel „Fakten und Kennzahlen für Ingenieure“ am Ende des Buches zu finden.

Idealisierte Strukturen Wie bereits beschrieben, wird Papier zuerst als Papierbahn und damit als flächiges, orthotropes Material hergestellt. Die in den weiteren Produktionsschritten hergestellten Halbzeuge und Komponenten eignen sich zur Konstruktion von anwenderspezifischen Tragsystemen und Gebäudestrukturen mit den entsprechenden mechanischen Eigenschaften. Für einen effizienten Materialeinsatz sind diese Eigenschaften bei der Materialwahl für die Tragwerksplanung » Kapitel 5, S. 68–73 zu berücksichtigen. Zur Analyse von Konstruktionstypologien und den daraus resultierenden Tragsystemen können diese Komponenten in folgende grundlegende idealisierte Strukturen zusammengefasst werden: • Linienelemente • Flächenelemente • Volumenelemente Diese Elemente dienen zur Diskretisierung der Struktur, um sowohl analytische als auch numerische Berechnungen durchzuführen. Im Folgenden werden die grundlegenden mechanischen Eigenschaften der zuvor genannten idealisierten Strukturen beschrieben » Abb. 1.

Linienelemente Balken Bei einem Linienelement dominiert die Länge des Elements gegenüber der Breite und der Höhe des Querschnitts. Linienelemente werden in der Stabstatik zur Berechnung der wirkenden Kräfte und Momente, sogenannter Schnittgrößen » Abb. 2, angewendet. Zu den klassischen Linienelementen zählen Papphülsen und Pappprofile » Abschnitte „Hülsen“ und „Profile“, S. 42–45 und 45–46.

4 BAUKONSTRUKTION

54

2 Balken mit Schnittgrößen (2D und 3D), wobei Q Querkraft bedeutet, M Moment und N Normalkraft.

1 Konstruktionsprinzipien mit idealisierten Strukturen entsprechend ihrer Belastungsart. K

UC

DR

0D Knoten

N

NG

1D

Flächenelemente Linienelemente

BIEGU

2D

M

Q

Mx

G ZU

N Qz Mz

Qy My

Werden spiralgewickelte Hülsen reiner Druckbelastung ausgesetzt, verdrehen sie sich aufgrund eben der Spiralwicklung der Wickelkerne. Es entsteht eine Torsion des Balkens entlang der Längsachse. Damit entsteht bei der Betrachtung der Hülse als ein Linienelement eine Normalkraft-Torsions-Beziehung. Setzt man beispielsweise eine Hülse als Stütze ein und belastet sie auf Druck, erzwingt dies am Stützenkopf eine Verdrehung. In der Folge werden Biegemomente in angrenzende horizontale Träger eingeleitet, welche bei der Dimensionierung eines Tragsystems zu berücksichtigen sind. Neben Papphülsen und Pappprofilen können Linienelemente wie Balken aus mehreren Komponenten zusammengesetzt werden. Beispielsweise kann ein Vollwandträger durch das Laminieren von Vollpappen geformt werden. Bei derartigen Balken ist zu beachten, dass neben der Biegeverformung auch Schubverformungen auftreten. Versuche haben gezeigt, dass Schubspannungen zum Versagen in der Klebeschicht führen können. Die Klebeschicht gibt also nach, sodass sich die Vollpappen voneinander lösen und verschieben. Somit eignen sich solche Träger nicht für bauliche Anwendungen. Ein anderer Ansatz ist es, auf eher dünnwandiges Papier zurückzugreifen und z.B. die intralaminaren, d.h. materialeigenen Schubsteifigkeiten des Materials zu nutzen, etwa in Form von dünnwandig geschlossenen Kastenträgern.

Seile Das Seil bildet einen Spezialfall des Balkens, bei dem die globale Biegesteifigkeit sehr gering ist und grundsätzlich Zugnormalkräfte übertragen werden. Erst durch das Spannen können Lasten auch senkrecht auf das Seil wirken. Industriell hergestellte Papierseile mit z.B. 11,50mm Durchmesser verfügen bereits über eine Reißfestigkeit von über 2000N (ca. 200kg als Gewichtskraft). Experimente haben gezeigt, dass diese Seile während der Erstbelastung sehr große Dehnungen (>3%) zulassen, was den Nachweis der Gebrauchstauglichkeit erschwert. Abhilfe kann hier womöglich das Vorrecken der Seile schaffen.

Idealisierte Strukturen

55

Flächenelemente Zu den Flächenelemente zählen sowohl Platten, Scheiben, Schalen als auch Membranen. Diese werden in den folgenden Abschnitten beschrieben.

3 Schematische Darstellung einer Platte als Flächenelement mit den relevanten Kraft- und Momentrichtungen.

Platten Platten sind flächige Elemente, welche überwiegend senkrecht zur Flächenebene belastet werden » Abb. 3. Dementsprechend übertragen sie Kräfte senkrecht zur Flächenebene und Momente um die Achsen in dieser Ebene. Die Plattenmittelfläche dient als idealisierte Struktur für die Betrachtung der mechanischen Größen wie Kräfte, Momente und Spannungen. Wabenplatten aus Papiermaterialien » Abschnitt „Sandwichstrukturen“, S. 40–42 zählen aufgrund ihrer Struktur ebenfalls mechanisch zu den Platten und tragen entsprechende Belastungen sehr effizient ab. Die statische Höhe der Wabenkerne vermag entsprechend große Biegemomente trotz verhältnismäßig dünner Decklagen abzutragen. Daraus resultierende Schubbelastungen sollten jedoch nicht außer Acht gelassen werden. Für den Schubwiderstand, also die Fähigkeit, der Belastung standzuhalten, sind neben dem Papiermaterial auch die Zellwandgeometrie und die ausgewählten Klebstoffe ausschlaggebend. Aufgrund der dünnen Decklagen eignen sich diese Materialien (mit Wabenkernen) hauptsächlich als Platten und eher weniger für den Einsatz als Scheiben.

y x

Scheiben

4 Schematische Darstellung einer Scheibe als Flächenelement mit den relevanten Spannungsrichtungen. σyy

τxy τxy σxx

x σxx z

τxy τxy

Anders als Platten werden Scheiben in der Ebene, also parallel zur aufgespannten Fläche belastet » Abb. 4. Dabei entstehen Spannungen, die über die Dicke annähernd konstant bleiben. Es treten sowohl Normalspannungen ˈxx, ˈyy als auch Schubspannung ˉxy in der x–y-Ebene auf. Bei einem Träger, dessen Höhe und Länge in derselben Größenordnung liegen, muss man abwägen, ob man noch die Balkentheorie anwenden kann bzw. ob das vorliegende System doch eher der Scheibentheorie unterliegt. Bei mehrschichtigen Aufbauten bestimmen die Steifigkeiten der einzelnen Schichten, wie sich die Belastung in die einzelnen Schichtebenen aufteilt » Abb. 5. Generell kann man davon ausgehen, dass bei identischer Verformung Elemente mit höheren Steifigkeiten auch höher belastet werden können. Bei Waben- bzw. Wellstegpappen lässt sich dieses Verhalten beim Kantenstauchversuch (ECT) gut abbilden » Abb. 6. Dabei werden hauptsächlich die Deckschichtebenen belastet, wobei sich der nachgiebige Kern der Belastung entzieht. Aufgrund der meist sehr dünnen Deckschichten eignen sich Waben- bzw. Wellstegpappen nicht als Scheibenelement im Tragsystem. Ganz anders Wellpappen: Vor allem parallel zu der Hohlraumausrichtung tragen als Scheiben wirkende Wellpappen hohe Lasten ab. Da die Wände von Wellpappkisten dementsprechend, also parallel zur Hohlraumausrichtung, orientiert sind, ermöglichen sie hohe Füllgewichte und lassen sich gut stapeln. Die statische Höhe, die für die Stabilität der Wellpappe sorgt, ergibt sich aus dem gewellten Kern. Noch stabiler sind Wellpappen mit dreilagiger Welle, die aufgrund weiterer verbesserter Eigenschaften keine Seltenheit sind.

σyy

4 BAUKONSTRUKTION

56

z

z

5 Dehnungen und Spannungen eines mehrschichtigen Aufbaus bei unterschiedlichen Steifigkeiten.

z

=

t {ε}

Schichtverzerrungen

{σ}

[Q]

Schichtsteifigkeiten

Schichtspannungen

Schalen Schalen sind räumlich gekrümmte Flächenelemente. Entsprechend geformt, können die oft sehr dünnwandigen Konstruktionen sehr effizient Lasten abtragen. Unter die Kategorie der Schalenelemente fallen die im » Abschnitt „Freigeformte Bauteile“, S. 51–53, beschriebenen dreidimensional geformten Elemente, die nicht als Linien- oder übrige Flächenelemente klassifiziert werden können.

6 Druckversuche an Wabenplatten und Belastungsrichtungen (FCT: Flächenstauchversuch, ECT: Kantenstauchversuch). ECT 0

Membranen Membranen sind flächige, biegeweiche Tragelemente, die in der Flächenebene Zugkräfte aufnehmen. Sie bilden damit ein 2D-Pendant zum Seilelement. Membrantragwerke können Kräfte orthogonal zur Flächenebene abtragen, wenn in der Ebene Zugspannungen herrschen.

ECT 30

Volumenelemente

FCT

Volumenelemente sind massive, dreidimensional geformte, blockartige Strukturen. Grundsätzlich kann man für resultierende Schnittgrößen an ihren Schnittkanten keine Angaben machen. Stattdessen werden die entstehenden Spannungen mittels numerischer Methoden direkt betrachtet.

Verbindungstechniken Die nachfolgend erläuterten wichtigsten Techniken zur Verbindung der zuvor beschriebenen idealisierten Strukturen sollen aufzeigen, wie breit das Spektrum an Möglichkeiten ist, Montagesysteme und Konstruktionsdetails für Papierkonstruktionen zu entwickeln. Gegenwärtig gibt es keine Standards für Verbindungen in und von Pappkonstruktionen. Als Grundlage dienen die Verbindungstechniken aus anderen Bereichen, die sich am meisten für Papierkonstruktionen eignen » Abb. 7. Diese sind in den vier Hauptgruppen Klebeverbindungen, flexible Verbindungen, mechanische Fixierungen und formschlüssige Verbindungen zusammengefasst, die in der Folge dargestellt werden. Daran anschließend werden Konzepte für die Umsetzung dieser Methoden in verschiedenen Papierkonstruktionen aufgezeigt.

Verbindungstechniken

57

7 Grundprinzipien verschiedener Verbindungstechniken.

Klebeverbindungen Laminierung

Klebeband

Kombination

flexible Verbindungen Nähen

Heften

Nieten

mechanische Fixierung Nägel und Schrauben

Dübel und Formfedern

Kreuzdübel

Formschluss Formschluss mit dünnen Blechen

formschlüssig 0°

formschlüssig 90°

Klebeverbindungen Das Fügen mittels Kleben oder Adhäsion kann durch Laminieren, Klebebandverbindungen und Gautschpressen erfolgen. Am gebräuchlichsten dürfte das Laminieren sein, um papierbasierte Materialien zu verbinden, sowohl bei der Herstellung von Bauteilen als auch für die Nachbearbeitung, um weitere Baugruppen zu bilden. Die Klebstoffe unterscheiden sich je nach Art des Laminats: Für konstruktive Zwecke verwendet man bevorzugt PU- und PVA-Klebstoffe, die hochfeste Verbindungen ermöglichen. Stärkeleim ist hingegen umweltfreundlicher, erreicht aber nicht solche Festigkeiten.

4 BAUKONSTRUKTION

58

Ähnlich verbreitet ist das Verbinden mit Klebeband, bevorzugt für Rapid Prototyping und reversible Baugruppen. Einseitiges Klebeband empfiehlt sich für das Abdichten einer Fuge zwischen zwei Elementen, insbesondere bei temporären Installationen. Mit doppelseitigem Klebeband lassen sich feste Überlappverbindungen herstellen. Gautschpressen ist eine traditionelle Methode für das Fügen einzelner Papierschichten unter Druck und bei hoher Feuchtigkeit, die vornehmlich innerhalb des Produktionsprozesses erfolgt. Im Prinzip werden dabei die Papierschichten angefeuchtet und zusammengepresst, bis sich die Fasern im Bereich der Kontaktflächen zwischen den Blättern verbinden, woraufhin das Material trocknen muss. Diese Fügetechnik wäre auch für das Bauen mit Papier anwendbar, ist dafür aber noch nicht ausgereift.

Flexible Verbindungen Flexible Verbindungstechniken eignen sich hauptsächlich für dünne Platten und Paneele, die sowohl starr als auch biegsam sein können, ähnlich der Fügetechnik von Gewebestrukturen. Diese Methoden sind vor allem bei dünnwandigen, zugbelasteten Konstruktionen beliebt. Das Fügen erfolgt durch Nähen oder Heften und mittels Schnappverbindern, wie Mini-Nieten und Druckringe. Dünne Papierbögen können ähnlich wie Textilien zusammengenäht werden » Abb. 7, aber auch dünnwandige Zugstrukturen lassen sich so verbinden, wie folgende Überlegung zeigt: Überzieht man die Außenseite einer aus Paneelen zusammengesetzten Konstruktion mit einer Deckschicht, erhält man einen ebenmäßigen Oberflächenabschluss. Zugleich vermag diese Haut die Konstruktion durch Druck zusammenzuhalten, indem man die entlang der Haut entstandenen Nähte durch Kleben abdichtet. Solche Nähte können allerdings versagen, beispielsweise durch Delamination. Um dem entgegenzuwirken und eine gut fixierte Naht zu gewährleisten, können die Papiere zusätzlich mit Stichen gebunden werden. Auch die Kombination von Heften und Kleben ist möglich. Eine Vielzahl verschiedener Heftmethoden bietet sich für bahnförmige Materialien mit unterschiedlichen Qualitäten an. Die Dicke und die Matrix der Materialschicht bestimmen die Dichte der Naht. Um einen Bruch entlang der Naht zu vermeiden, sollte die Stichlänge bei stärkeren Lagen kürzer, bei dünneren Lagen dagegen länger sein. Die mit dieser Fügetechnik verbundenen Materialien sollten maximal 3mm dick sein, je nach Härte des Materials. Beim Heften von Papierschichten sollte die widerstandsfähigste Richtung des Papiers genutzt werden, um Zugkräfte aufzunehmen, kombiniert mit Nähten, die rechtwinklig dazu ausgerichtet sind. Die punktuell anzubringenden Schnappverbinder gewährleisten eine gute Verankerung im Material. Es gibt sie in verschiedenen Größen, je nach der Materialdicke, die sie überbrücken müssen. Druckringe bilden die Basis für die Fixierung und dienen im Wesentlichen dazu, reißfeste Löcher zu schaffen, durch die ein Seil gezogen und gespannt werden kann. Mini-Nieten eignen sich, um Flächen mit einem Überlappstoß aneinander zu befestigen. Um das Material lokal zu verstärken, werden hochfunktionalisierte Fasern in die Matrix integriert, entweder während des Produktionsprozesses oder später als Aufnäher.1 Ist die Verbindungsstelle nur eingeschränkt zugänglich, kann das Fügen mit Blindnieten erfolgen; besonders effektiv gestaltet sich die Verbindung mithilfe eines dünnen Blechs. Blindnieten können zwar leicht ersetzt werden, allerdings häufig zu Lasten des Materials, da die Nieten in der Regel beim Entfernen vollständig beschädigt werden.

Verbindungstechniken

59

Mechanische Fixierung Die nachfolgend beschriebenen Verbindungstechniken sind im Holzbau weit verbreitet und lassen sich weitgehend auf Papierkonstruktionen übertragen, sofern man die geltenden Standards entsprechend anpasst. Die verschiedenen Befestigungsmethoden reichen von minimalistischen Lösungen bis hin zu anspruchsvollen Befestigungen. Die Auswahl des geeigneten Verbindungstyps hängt von den Eigenschaften und der Charakteristik des Bauteils ab, d.h. von seiner Dichte, seiner Struktur (hohl oder massiv), der Oberflächenbeschaffenheit usw. Mit einer Naht aus Heftklammern lassen sich massive Platten bis zu einer Tiefe von 14mm verbinden. Für dickere Verbindungen sind bei Scherkräften Nägel zu verwenden. Fallen Zugkräfte an, müssen es stattdessen Schrauben mit Steilspirale sein. Gewöhnliche Metallschrauben eignen sich nur für massive Komponenten mit hoher Dichte. Beschichtungen oder die Kombination mit Holzklötzen können als lokale Verstärkung für die Verbindung von weicheren Papierkomponenten mit Metallschrauben dienen. Die Verwendung von Kunststoffschrauben mit extrem steiler Spirale beschränkt sich auf druckbelastete Leichtbauplatten mit Hohlräumen, da ihre Effizienz bei Zugspannung ziemlich begrenzt ist. Eine andere Strategie besteht darin, Druckplatten auf die Oberflächen aufzubringen, um die Öffnungen zu schützen und die Lasten optimal über die Oberfläche hinweg zu verteilen. Eine ideale Lösung für Schraubverbindungen, die Balken verbinden, zeigt das Beispiel des Japanischen Pavillons » Kapitel 6, S. 132–133.2 Wenn Platten verschraubt werden, wird dies häufig mit Formschluss kombiniert, um Scherkräfte zu eliminieren. Ähnlich verhält sich dies mit Vollnieten. Mit Dübeln und Formfedern lassen sich Komponenten präzise aneinander ausrichten, allerdings werden keine Kräfte übertragen, da dies nur bei massiven Materialien wirksam möglich ist. Daher wird oft die Strategie mit Holzklötzen als lokale Verstärkung verfolgt. Die Klötze ermöglichen die Kräfteübertragung. Einfacher lassen sich die Komponenten mit modernen Kreuzdübeln fixieren, die man aus dem Möbelbau kennt. Hinsichtlich der konstruktiven Leistungsfähigkeit der verschiedenen Verbindungselemente gibt es für eine Reihe von getesteten Konstruktionen zwar bereits erste Erkenntnisse, es sind jedoch weitere systematische Experimente erforderlich, um Werte zu erhalten, die als Maßstab angesehen werden können. Daher werden im Moment die Standards des Eurocode EN1995-1-1 zum Holzbau, insbesondere der Abschnitt 8, Verbindungen,3 als nützlicher Leitfaden betrachtet. Was die Dimensionierung angeht, geben die dort enthaltenen Richtlinien eine gewisse Orientierungshilfe, da bei papierbasierten Bauteilen grundsätzlich höhere Mindestabstände zwischen den Verbindungselementen zu erwarten sind.

8 Konstruktionsbeispiele für Verbindungen: a. geflochtene Überlappverbindung, b. schräger Formschluss, c. Waffelkonstruktion.

a

4 BAUKONSTRUKTION

b

c

60

Formschlüssige Verbindungen Formschlüssige Konstruktionsmethoden » Abb.  8 kennt man von Verpackungsprodukten, wie beispielsweise Kartons aus gefalteter Pappe. Für das Bauen mit Papier sind sie als komplementäre Verbindungsmethoden besonders nützlich, entweder in Kombination mit Klebstoff oder mit mechanischen Befestigungen. Allein auf Kraftschluss zu setzen, kann bei papierbasierten Materialien problematisch sein, weil sie dazu neigen, mit der Zeit an Steifigkeit zu verlieren. Mit dem Formschluss lassen sich gut Überlappverbindungen zwischen Balken herstellen oder „puzzleförmige“ Fassadenpaneele montieren. Die Waffelkonstruktion in » Abb. 8 c bildet eine Ausnahme („trockener Formschluss“). In kritischen Bereichen sollte man beim Entwurf möglichst auf gekrümmte Kanten achten, um die Spannungsverteilung zu optimieren. Die nachfolgend behandelten Plug-inHybridverbindungen gehören ebenfalls zu den formschlüssigen Verbindungen.

Verbindungen für Rahmenkonstruktionen Bei den in diesem Abschnitt erläuterten Verbindungen für Trägerkonstruktionen bilden Papprohre bzw. Hülsen das Tragwerk. Derartige Ansätze finden sich aber auch in gängigen Rohr-, Stahl- und Bambuskonstruktionen. Zu den einfachsten konstruktiven Systemen gehören lineare Baugruppen, unterteilt in die drei Varianten Innenmuffen, Außenmuffen und Druckprofile » Abb.  9. Ein nicht sichtbarer Innenzapfen verstärkt das System bei Biegelasten, insbesondere wenn dieser massiv ausgebildet ist. Ein äußerer Zapfen überdeckt wiederum die Fuge zwischen den Balken und schützt so die wichtigsten Konstruktionselemente. Bei papierbasierten Materialien weisen die Steckkonzepte die zuvor erwähnten Nachteile reiner Formschlussverbindungen auf und erfordern darüber hinaus eine Nulltoleranz, was bei der Montage häufig Probleme aufwirft. Einen Ausweg bieten Druckprofile, die viel einfacher zu montieren sind und eine feste Verbindung gewährleisten. Mehrachsige Verbindungen, die im Prinzip auf der gleichen Verbindungsmethodik basieren, lassen sich ebenfalls in drei Hauptkategorien einteilen, nämlich formschlüssige Verbindungen, Steck- und Muffenverbindungen » Abb. 10–12. Im Gegensatz zu den rein formschlüssigen Verbindungen erfordern Steck- und Muffenverbindungen geeignete Zwischenverbinder aus gängigen Baumaterialien. Bei den in » Abb. 10 gezeigten Beispielen formschlüssiger Verbindungen halten Beschläge oder Laschen die Träger unter Druck, sodass die Lasten über die Kontaktflächen verteilt werden können. Bedeutender Vorteil ist bei diesen Lösungen die Einfachheit von Produktion und Montage. Allerdings ist die Festigkeit solcher Verbindungen begrenzt, da die Einschnitte an den Trägern diese erheblich schwächen. Daher werden sie für kleinere, temporäre Bauten bevorzugt, wie etwa das Paper Log House » Kapitel 6, S. 88–89.4 Steckverbindungen bestehen in der Regel aus Holzwerkstoffen. Man unterscheidet zwei prinzipielle Versionen: Zum einen gibt es leichte Steckverbindungen, die mit schlanken, miteinander verzahnten Holzelementen gebildet werden » Abb. 11. Besonders verbreitet sind sie im traditionellen japanischen Holzbau. Verwendet wurden sie auch beim House 01 » Kapitel 6, S. 120–121.5 Da sie relativ einfach herzustellen sind, bekommen sie häufig den Vorzug gegenüber den verschiedenen Varianten massiver Steckverbindungen. Die gemeinsame Kontaktfläche zwischen dem Knoten und der Röhre ist jedoch in der Regel begrenzt, was zu konstruktiven Problemen führen kann.

Verbindungstechniken

61

9 Linearverbindungen für Papprohre: a. Innenmuffe, b. Außenmuffe, c. Druckprofil.

a

b

c

10 Formschlüssige Verbindungen für Papprohre: a. vollständiger Formschluss, b. einseitiger Formschluss, c. kraftschlüssige Verbindung. a

b

c

11 Steckverbindungen für Papprohre: a. Metallzapfen, b. leichter Kreuzzapfen, c. Zapfen mit Vollkontakt.

a

b

c

a

b

c

12 Muffenverbindungen für Papprohre: a. einfacher Formschluss, b. mit Druckplatten, c. mit Zwischenverbindern.

Massive Steckverbindungen ergeben sich aus Holzblöcken, die zu einem Knoten zusammengefügt werden. Mit dieser Methodik lassen sich Befestigungen besser an die Papprohre montieren, was die Kontaktfläche zwischen den konstruktiven Elementen maximiert. Je präziser die Komponenten gefertigt sind, umso optimaler ist die Tragfähigkeit. Bei beiden Varianten hängt die konstruktive Integrität stark von der gewählten Holzart ab. Darüber hinaus können minimale Toleranzen die Tragfähigkeit und Integrität verbessern, was jedoch einen sehr arbeits- und zeitaufwendigen Montageprozess mit sich bringt.

4 BAUKONSTRUKTION

62

13 Hauptkonstruktionstypologien für das Bauen mit Papier: a. Scheibe, b. Schale, c. Rahmen.

y

z x

a

b

c

Höhere statische Anforderungen erfüllen Stahlverbinder, kombiniert mit einer Vorspannung der Papprohre. In diesem Fall konzentrieren sich die Metallzapfen aller benachbarten Träger in einer zentralen Gelenkverbindung. Bei Muffenverbindungen ummanteln zumeist Formteile aus Aluminium oder Stahl die Papprohre, befestigt mit Druckringen, Nieten, Bolzen oder neuerdings auch Verbundwerkstoffen » Abb. 12. Alle hier erläuterten Verbindung weisen unterschiedliche Qualitäten auf. Die Unterschiede zwischen Hochleistungsverbindungen aus Metall und den übrigen Verbindungsarten sind indes gering. Bei handgefertigten Lösungen sind weichere Materialien von Vorteil, ebenso ist es sinnvoll, wenn der Entwerfer eng in den Herstellungsprozess eingebunden ist. Für papierbasierte Konstruktionen eignen sich insbesondere Verbindungen aus Holzwerkstoffen oder Verbundwerkstoffen, hergestellt aus leicht verfügbaren Faserprodukten. Entsprechende Forschungsarbeiten mit Schwerpunkt auf Detaillierung, Prototyping und Tragfähigkeitstests liefern hierzu aufschlussreiche Informationen.6

Konstruktionstypologien Die Bandbreite der Konstruktionstypologien für das Bauen mit Papier ist sehr groß, lässt sich aber in die drei Kategorien Scheiben-, Schalen- und Rahmen- bzw Skelettkonstruktion unterteilen » Abb. 13. Prinzipiell für das Material geeignet sind freistehende, ebenerdige Bauten, die auf temporäre Nutzung ausgelegt sind. Scheiben- und Schalenkonstruktionen setzen sich hauptsächlich aus tragenden, mehrlagigen Verbundplatten zusammen – je nach der spezifischen Funktion einer bestimmten Wand (Teil einer Außen- oder Innenwand, des Daches etc.) und den generellen Anforderungen an die Konstruktion. Repräsentative Beispiele funktionaler Wandelemente sind in » Kapitel 5, S. 81, aufgeführt.

Scheibenkonstruktionen Die vertikale (z) und rechtwinklig zur Hauptebene verlaufende (y) Steifigkeit der Platten ist dabei ein wichtiger Faktor » Abb. 13 a. Deren konstruktive Stabilität lässt sich erhöhen, indem man unterschiedliche Papierprodukte strategisch in eine mehrlagige Verbundplatte integriert. Besonders geeignet und beliebt ist hierfür Vollpappe. Die

Konstruktionstypologien

63

14 Dünnwandige Konstruktionen, a. Origami-Struktur, b. auf Zugkraft basierende Struktur mit schmaler Rahmenkonstruktion.

a

b

Vorzüge von Wabenplatten kommen besonders bei Kräften zum Tragen, die rechtwinklig auf die Oberfläche einwirken (z.B. Windlasten). Entscheidend ist die Zusammenstellung der einzelnen Lagen. Dies sollen weitere wesentliche Aspekte veranschaulichen, die aufzeigen, wie das Design einer Platte zweckdienlich geändert werden kann. Die Zwischenlagen, die parallel zur Hauptebene der Platte verlaufen, tragen den Großteil der axialen Lasten und tragen zur Biegebeständigkeit bei. Dieser Aspekt sowie die allgemeinen Stabilitätsanforderungen bestimmen die Anzahl und Dicke solcher massiven Lagen ebenso wie die Integration leichterer Lagen, die auch als Pufferzone zur Klimaregulierung fungieren können. Daher kann die Gesamtdicke eines Paneels erheblich variieren, je nach Priorität der zuvor genannten Entscheidungen und den bauphysikalischen Eigenschaften der gewählten Werkstoffe. Weitere Aspekte, die bei der Planung zu beachten sind und sowohl zur Stabilität als auch zur Dauerhaftigkeit beitragen können, betreffen die Qualität der äußeren Schicht bzw. die Oberflächenbeschaffenheit, die Kantenbeschaffenheit und die Toleranzen zwischen den einzelnen Paneelen. Von Bedeutung sind auch das Erhärten der äußeren Oberflächen, abgerundete Außenkanten und Abdichtungen, um Toleranzen auszugleichen und äußere Einflüsse wie Regenwasser abzuwehren. Scheiben- und Schalenkonstruktionen sind prädestiniert für die Vorfertigung. Im Besonderen, weil der Laminiervorgang bestimmte Bedingungen und spezielle Maschinen erfordert, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Daher gelten modulare oder vollständig vorgefertigte Konstruktionen als die empfehlenswertesten Montagekonzepte, zumal sie problemlos umplatziert werden können. Ein gutes Beispiel für eine solche modular vorgefertigte Struktur ist das Projekt Wikkelhouse » Kapitel 6, S. 90–95.

Schalenkonstruktionen Bestimmte Formen mit geschlossenen Geometrien können die Tragfähigkeit und Stabilität erhöhen, indem auf die konstruktiven Elemente Druck ausgewirkt wird und Windlasten durch aerodynamische Fassadenformen um das Gebäude geführt werden. Zu den häufigsten Formen gehören diesbezüglich Bögen und Kuppelkonstruktionen, die bevorzugt für temporäre Installationen und Demonstrationsprojekte gewählt werden und häufig innovative Konstruktionen aufweisen, wie beispielsweise zellenförmige

4 BAUKONSTRUKTION

64

Hohlraumkonstruktionen mit hohlen Papppaneelen.7 Wenn sich die Konstruktion aus vielen unterschiedlich geformten Platten zusammensetzt, ist die Fertigung ein kritischer Aspekt. Daher sollte man frühzeitig die Konstruktionsgeometrie entsprechend optimieren und nur möglichst wenige Gruppen von geometrisch unterschiedlichen Platten vorsehen. Ein spezieller Typus der Schalenbauweise sind Origami-Konstruktionen » Abb. 14 a. Sehr viele temporäre Notunterkünfte basieren auf dieser von der traditionellen japanischen Faltkunst inspirierten Bauweise.8 Papierprodukte eignen sich ideal für dünnwandige Faltkonstruktionen, da das Material einfach zu knicken ist.9 Faltmuster können besondere Stabilitätseffekte bewirken. Da gefaltete Kanten allerdings schadensanfällig sind, ist die Dauerhaftigkeit von Origami-Konstruktionen begrenzt. Verstärkt man diese Kanten jedoch, lässt sich die Lebensdauer deutlich erhöhen. Diesbezüglich sind auch auf Zugkraft basierende Strukturen mit schmaler Rahmenkonstruktion interessant » Abb. 14 b. Solche zeltartigen Bauten, z.B. für Unterkünfte, nutzen den Vorteil aus, dass Papierprodukte auch Zugkräfte aufnehmen können.

Rahmenkonstruktionen Mit Pappbalken realisierte Skelettkonstruktionen bieten sich als weitere Lösung für Tragwerke an, die mit leichten Materialien bekleidet sind. Konstruktionen, die auf einem orthogonalen Raster basieren, erscheinen besonders vorteilhaft, weil sich die Räume optimal ausnutzen lassen, beispielsweise hinsichtlich der Möblierung. Allerdings bieten auch bei dieser Typologie Bogen- und Kuppelkonstruktionen statische Vorteile, besonders für größere Bauten wie temporäre Theater oder andere Veranstaltungsbauten. Dieser Vorteil muss gegenüber der schlechteren Raumausnutzung abgewogen werden. Es gibt verschiedene Optionen für die primären tragenden Bauteile. Dazu gehören Profilbalken wie Papphülsen oder mehrlagige Verbundbalken aus Pappe. Je nach Material ergeben sich bestimmte Anwendungsbereiche: Profilbalken können Druckkräfte besser aufnehmen, während Verbundbalken Biegekräften besser widerstehen. Skelettkonstruktionen aus Papphülsen sind überaus beliebt, wie die vielen Beispiele in » Kapitel 6 zeigen. Die Paper Log Houses von Shigeru Ban basieren auf kleinen, unterschiedlich konfigurierten Rahmenkonstruktionen und demonstrieren die Eignung für temporäre Wohnbauprojekte wie Notunterkünfte » Kapitel 6, S. 88–89. Um die Stabilität zu erhöhen, werden die Papprohre oft vorgespannt. Eine Strategie, die man auch für die Konstruktion des Paper Theatre in IJburg » Kapitel  6, S. 134–135 wählte und die noch immer als effektive Methode gilt, der Nachgiebigkeit des Materials dauerhaft entgegenzuwirken.10 Darüber hinaus spricht die relative Flexibilität des Materials für die Herstellung mehrlagiger Gitterschalenkonstruktionen, wie im Falle des Japanischen Pavillons von Shigeru Ban » Kapitel 6, S. 132–133. Die meisten Beispiele für Konstruktionen aus Verbundträgern greifen dazu auf mehrlagige Pappelemente zurück, wie beispielsweise beim Theater Apeldoorn » Kapitel 6, S. 130–131 von Hans Ruijssenaars,11 oder nutzen wabenförmige Komponenten, wie beim Nemunoki-Kindermuseum von Shigeru Ban, deren Leistungsmerkmale je nach Zusammensetzung des Kerns variieren. Im Nemunoki-Kindermuseum besteht das Tragwerk des Daches aus Wellpappen, die mehrlagig wabenartig angeordnet wurden und somit hohe Tragfähigkeiten und Biegesteifigkeiten erzielen. Insgesamt hängen das Konstruktionsraster und die erreichbare Spannweite stark von der Art des Trägerelements ab. Aufschlussreiche Informationen für einige dieser

Konstruktionstypologien

65

15 Lamellenstrukturen aus Papier: a. rautenförmig, b. wabenförmig, c. rechteckig.

a

b

c

Komponenten liefern Tests zur Konstruktionsstatik, durchgeführt von Forschungsinstituten. Über die Leistungsfähigkeit von Papprohren informieren frühere Forschungsarbeiten,12 im Falle von Shigeru Ban Werkmonographien13 und aktuelle Forschungsergebnisse.14 In Bezug auf Verbundbalken befassen sich weitere relevante Studien mit dem Zusammenbau von Wabenplatten zu einem Balken oder der Kombination von Papprohren zu einem Balkenelement15 sowie dem Formen von Balken aus gefalteten Wabenplatten.16

Hybridkonstruktionen Häufig werden die verschiedenen Konstruktionsprinzipien in einer Hybridkonstruktion kombiniert, mit dem Ziel, die Tragfähigkeit zu erhöhen und die Funktionalität des Gebäudes zu verbessern. So lassen sich beispielsweise mit Balken oder Lamellen » Abb. 15 die Gebäudehülle von Platten- und Schalenkonstruktionen verstärken und Räume schaffen, um wesentliche Haustechnikkomponenten zu integrieren. Im umgekehrten Fall kann bei Balkenkonstruktionen die Verkleidung das Traggerüst aussteifen. Solche Beispiele hybrider Konstruktionstypologien sind in Forschungsprojekten wie dem House of Cards » Kapitel 6, S. 114–117 zu sehen17 oder dem allerersten Prototypen eines kompletten Hauses, der im Rahmen des BAMP!-Projekts unter dem Namen House 01 » Kapitel 6, S. 120–121 entwickelt wurde. Interessant ist auch die Kombination mit anderen Baumaterialien (beispielsweise Kunststofffolien oder -beschichtungen), wie beim Pappgebäude der Westborough-Schule geschehen » Kapitel 6, S. 96–99.18 Ein wichtiger konstruktiver Aspekt ist das Fundament, um die Tragkonstruktion am Boden zu verankern. Hierzu gibt es einige wenige Basisstrategien: Für kurzfristige Installationen genügt in der Regel eine schwere Plattform als Grundplatte, die leicht zu demontieren ist. Zu diesem Zweck wird oft ein hohler Sockel gebaut, den man mit schweren natürlichen Materialien wie Sand oder Kies verfüllt. Für dauerhaftere Konstruktionen ist ein Betonfundament eine mögliche Option – entweder als durchgehende Platte unter der gesamten Konstruktion oder aufgeteilt in mehrere einzelne Betonsockel. Bei kleineren Konstruktionen genügen parallele Balken, die auf dem Boden liegen und so die Pappkonstruktion, wie im Falle des Wikkelhouse » Kapitel 6, S. 90–95, über das Erdreich erheben.19

4 BAUKONSTRUKTION

66

Skelettkonstruktionen kann man auf Stahlfundamente gründen oder, genauer, Stahlelemente als Verbindung zwischen Konstruktion und Betonfundament vorsehen. Für Konstruktionen aus Papprohren können Holzbeschläge eine Alternative sein. Prinziplösungen für Konstruktionsdetails werden im » Kapitel 5, Abschnitt „Konstruktionsdetails“, S. 81–83 gezeigt.

ANMERKUNGEN 1 Jan Knippers, Jan Cremers, Markus Gabler, Atlas Kunststoffe + Membranen: Werkstoffe und Halbzeuge, Formfindung und Konstruktion, München: Edition Detail, 2010. 2 Matilda McQuaid, Shigeru Ban, London: Phaidon, 2003. 3 DIN EN 1995-1-1:2010-12, Eurocode 5: Bemessung und Konstruktion von Holzbauten – Teil 1-1: Allgemeines – Allgemeine Regeln und Regeln für den Hochbau, Berlin: Beuth, 2010. 4 Heidi Zuckerman Jacobson, Shigeru Ban – Humanitarian Architecture, Aspen: Aspen Art Museum, 2014. 5 Evgenia Kanli, Rebecca Bach, Robert Götzinger, Nihat Kiziltoprak, Ulrich Knaack, Samuel Schabel, Jens Schneider, „Case Study: Development and Evaluation Methods for Bio-Based Construction Realized with Paper-Based Building Materials“, in: 3rd International Conference on Bio-Based Materials,

6

7

8

9

ICBBM, Belfast, RILEM Publications, 2019. Evgenia Kanli, Experimental Investigations on Joining Techniques for Paper Structures, Dissertation, Technische Universität Darmstadt, Institut für Statik und Konstruktion, 2021. Philip F. Yuan, Xiang Wang, Xiang Wang, „Cellular Cavity Structure and Its Application on a Long-Span Form-Found Shell Design“, in: 23rd International Conference of the Association for Computer-Aided Architectural Design Research in Asia, Association for ComputerAided Architectural Design Research in Asia, 2018, S. 297–306. Iasef Md Rian, Dongkuk Chang, Jin-Ho Park, Hyung Uk Ahn, „Pop-Up Technique of Origamic Architecture for Post-Disaster Emergency Shelters“, in: Open House International, 33(1), 2008, S. 22–36. Paul Jackson, Folding Techniques for Designers from Sheet to Form, London: Laurence King, 2011.

10 Mick Eekhout, Peter van Swieten, The Delft Prototype Laboratory, Research in Design Series, 8, Amsterdam: IOS Press, 2015. 11 Mick Eekhout, Fons Verheijen, Ronald Visser, Cardboard in Architecture, Amsterdam: IOS Press, 2008. 12 Lawrence C. Bank, Terry D. Gerhardt, „Paperboard Tubes in Structural and Construction Engineering“, in: K.A . Harries, B. Sharma (Hrsg.), Nonconventional and Vernacular Construction Materials. Characterisation, Properties and Applications (Woodhead Publishing Series in Civil and Structural Engineering), Amsterdam: Elsevier, 2016, S. 453–480. 13 Matilda McQuaid, Shigeru Ban, op. cit. 14 Evgenia Kanli, Experimental Investigations on Joining Techniques for Paper Structures, op. cit. 15 Julia Schönwälder, Cardboard as Building Material, Präsentation, TU Delft, 2020, https://docplayer.

net/28996964-Cardboard-as-building-material-dipl-ing-julia-schonwalder.html, S. 47 ff., abgerufen 10. Oktober 2022. 16 Stefan Schütz, Von der Faser zum Haus: Das Potential von gefalteten Wabenplatten aus Papierwerkstoffen in ihrer architektonischen Anwendung (bauhaus ifex research series 1), Weimar: VDG Verlag im Jonas Verlag, 2017. 17 Jerzy F. Łątka, „House of Cards – Design and Implementation of a Paper House Prototype“, Conference IASS – Interfaces: Architecture, Engineering, Science. Hamburg, 25.–28. September 2017. 18 Cottrell & Vermeulen, „Westborough Cardboard School Building“, 2020, https://www.cv-arch.co.uk/ westboroughcardboard-building/, abgerufen 24. März 2021. 19 https://www.fictionfactory.nl/en/ wikkelhouse/, abgerufen 10. Oktober 2022.

Konstruktionstypologien

67

TRAGWERK, BRANDSCHUTZ, BAUPHYSIK

5 

Nachdem das vorherige Kapitel die baukonstruktiven Grundlagen vermittelt hat, geht es nachfolgend um Konzepte zur Tragwerksdimensionierung, bauphysikalische Aspekte, den Brandschutz und die Möglichkeiten der ökologischen Auslegung, energetischen Bilanzierung und der Rezyklierbarkeit. Zunächst wird die Stabilität von Papierbauteilen analysiert, wozu auch die konstruktiven Fragen des Brandschutzes gehören. Welche bauphysikalischen Grundlagen bei einer Gebäudehülle aus Papier zu beachten sind, beschreibt der » Abschnitt „Bauphysik“, S. 76–79. Im Fokus stehen dabei die hygrothermischen Eigenschaften von Papierkonstruktionen, also die Wärmedämmung und der Feuchteschutz. Im Sinne der Nachhaltigkeit werden im Anschluss der Lebenszyklus eines Papiergebäudes betrachtet und die wichtigsten Parameter für kreislaufgerechte Papierkonstruktionen dargelegt. Ebenso werden erste Erkenntnisse zur Dauerhaftigkeit solcher Konstruktionen beschrieben. Abschließend zeigt der » Abschnitt „Typische Konstruktionsdetails“, S. 81–83, Prinziplösungen, die die zuvor angesprochenen Aspekte kombinieren, mit dem Ziel, die potenzielle Funktionalität von Papierprodukten in der Architektur beispielhaft zu illustrieren.

Tragwerksdimensionierung Alle Bauteile, aus denen ein Tragwerk besteht (Balken, Platte, Scheibe, Schale und Membran » Kapitel 4, S. 54–57), müssen hinsichtlich ihrer tragenden Funktion (Standsicherheit, Gebrauchstauglichkeit) dimensioniert werden. Die Tragwerksdimensionierung ist hierbei ein Zusammenspiel von Sicherheit, Ästhetik und Wirtschaftlichkeit. Für eine optimale Lösung sind diese drei Aspekte gleichermaßen zu berücksichtigen und mit den jeweils gesetzten Randbedingungen in Übereinkunft zu bringen. Zur Lösung gehören: • • • • • •

Entwurf des Tragwerks, Ermittlung der Einwirkungen, Modellierung, Systemfindung durch Idealisierung, Schnittgrößen-/Spannungsermittlung, Bemessung, Dimensionierung von Bauteilen und die konstruktive Durchbildung.

Darüber hinaus ist im Allgemeinen für jedes Bauwerk der Nachweis der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit zu führen. Dies gewährleistet sowohl die Sicherheit als auch die Ästhetik bzw. den Komfort bei der Nutzung.

5 TRAGWERK, BRANDSCHUTZ, BAUPHYSIK

68

Nachweis der Tragfähigkeit Zum Nachweis der Tragfähigkeit werden die Grenzzustände der Tragfähigkeit festgelegt. Darunter fällt auch das Querschnittsversagen. Dieser Grenzzustand wird erreicht, wenn die einwirkenden Größen die Widerstandgrößen erreichen bzw. übersteigen. Dieser Nachweis ist erfüllt, wenn gilt: Ed ˜Rd Ed Bemessungswert der Einwirkungsgröße Rd Bemessungswert der Beanspruchbarkeit Die Einwirkungsgrößen können z.B. aus dem Eurocode 1 „Allgemeine Einwirkungen auf Tragwerke“1 ermittelt werden. Für das Bauen mit Papier existiert derzeit kein Regelwerk, anhand dessen sich die Bemessungsgrößen bestimmen lassen. Auch für die Widerstandsseite gibt es aktuell kein anerkanntes Verfahren. Für das Bauen mit Papier sind bislang auch keine Normen festgelegt – dem Werkstoff am nächsten stehen Normen, die sich mit Holz als Baumaterial2 beschäftigen. Für den Holzbau werden Bemessungen über einen charakteristischen Wert der Beanspruchbarkeit, einen Modifikationsbeiwert und einen Teilsicherheitsbeiwert bestimmt. R Rd = kmod · ʺ K M RK

charakteristischer Wert der Beanspruchbarkeit

kmod Modifikationsbeiwert ʺM

Teilsicherheitsbeiwert

Ist der sogenannte charakteristische Wert der Beanspruchbarkeit nicht bereits klassifiziert oder genormt, kann er experimentell ermittelt werden. Sofern nicht anders geregelt, gibt die Norm „Grundlagen der Tragwerksplanung“3 für gängige Baumaterialien vor, einen 5%-Fraktil als Wert anzunehmen. Demnach gilt als charakteristischer Wert die Widerstandsgröße, unter der nicht mehr als 5% der Proben versagen. Der Modifikationsbeiwert berücksichtigt die Lasteinwirkungsdauer und den Feuchtegehalt des Materials bei entsprechender Lastsituation. Im Eurocode 5, der sich auf den Holzbau bezieht, wird der zulässige Feuchtegehalt des Materials je nach Nutzungsklasse (also Nutzungsklasse A, z.B. Wohnbauten, und Nutzungsklasse B, z.B. Garage) festgelegt. Aufgrund der hygroskopischen und viskosen Eigenschaften von Papier ist in Analogie zum Holzbau auch hier der Einfluss der Feuchtigkeit und Belastungsdauer stets zu berücksichtigen. Der Teilsicherheitsbeiwert berücksichtigt Baustoffeigenschaften, die eine ungünstige Abweichung vom charakteristischen Wert hervorrufen können. Bei Papiermaterialien lassen sich damit Einflüsse erfassen, die von Schäden herrühren, die sich während der Bauphase bei der Lagerung und Handhabung ergeben können oder die durch unterschiedliche Herstellungsqualitäten verursacht werden. Der Bestimmung von ʺM und kmod liegt ein semiprobabilistisches Sicherheitskonzept zugrunde » Abb. 1. Die » Abb. 1 zeigt, dass aufgrund der stochastischen Verteilung der Beanspruchung und der Beanspruchbarkeit ein Überlappungsbereich existiert, innerhalb dessen die Beanspruchbarkeit R kleiner ist als die Beanspruchung E. Somit ist ein Bauteilversagen

Tragwerksdimensionierung

69

1 Semiprobabilistisches Sicherheitskonzept zur Beurteilung eines Bauteils aus Papier.

fE (E ) fR (R )

E mean R mean

Es bedeuten: E Emean Ek Ed R Rmean Rk Rd

Nennsicherheitszone

Ek Ed Rd

Einwirkung Mittelwert der Einwirkung charakteristischer Wert der Einwirkung Bemessungswert der Einwirkung Widerstand Mittelwert des Widerstandes charakteristischer Wert des Widerstandes Bemessungswert des Widerstandes

E ,R

wahrscheinlich und der Nachweis Ed ˜ Rd nicht erfüllt. Die Sicherheitsbeiwerte der Einwirkungs- und der Widerstandsseite sind demnach so zu bestimmen, dass die Versagenswahrscheinlichkeit (also der Überlappungsbereich) entsprechend einem geforderten Sicherheitsniveau minimal wird. Für das semiprobabilistische Sicherheitskonzept sind Erfahrungswerte aus realisierten Strukturen und durchgeführten Experimenten sowie deren statistische Auswertung von höchster Bedeutung. Solange keine aussagekräftige, auf Erfahrungswerten basierende rechnerische Nachweismethode existiert, sind Nachweise nur experimentell möglich. Diese erfolgen oft anhand von Proben in Echtgröße und sind somit entsprechend aufwendig. Berechnungen sind konservativ und auf der sicheren Seite zu halten, um Leben und Ressourcen nicht zu gefährden. Neben den Querschnittsnachweisen umfasst der Nachweis der Tragfähigkeit den Nachweis der Lagesicherheit, die Stabilitätsnachweise, geotechnische Nachweise und den Nachweis hinsichtlich der Vermeidung des Ermüdungsversagens von Bauteilen.

Nachweis der Gebrauchstauglichkeit Abgesehen von der Tragfähigkeit ist auch die Gebrauchstauglichkeit des Bauwerks zu gewährleisten. Darunter ist zu verstehen, dass das Gebäude nicht nur standsicher ist, sondern auch (weitgehend) frei von Schwingungen, die es zur Nutzung unbrauchbar machen würden. Im Holzbau betrachtet man hierfür die Verformungen am Tragwerk, die innerhalb festgelegter Grenzen liegen müssen. Schwingungen des Bauwerks sind ebenfalls in einem erträglichen bzw. für die Nutzer nicht spürbaren Bereich zu halten. Bei Biegestäben mit der Länge l gibt der Eurocode 5 z.B. folgende Grenzwerte für die Grenzdurchbiegung wUL[ÄU im Endzustand vor: l

• wUL[ÄU =

250

• wUL[ÄU =

250

l

für beidseitig aufgelagerte Biegestäbe  für kragende Biegestäbe

Die Durchbiegung im Endzustand setzt sich aus den Durchbiegungen einzelner Anteile zusammen. Die Steifigkeiten am Tragwerk werden angepasst, um die Einflüsse der Feuchtigkeit und der Lasteinwirkungsdauer zu berücksichtigen. Dafür wird der Verformungsbeiwert kdef eingeführt. Damit kann z.B. ein Endwert eines Elastizitätsmoduls

5 TRAGWERK, BRANDSCHUTZ, BAUPHYSIK

70

2 Lokales Versagen einer Hülse bei axialem Druckversuch, Außenansicht (links), Innenansicht (rechts).

überEÄU=

E 1 + kdef

ermittelt werden. Dabei hängt kdef vom Baustoff und der bereits im » Abschnitt „Nachweis erwähnten Nutzungsklassen ab. Der Elastizitätsmodul E kann experimentell ermittelt werden. Aufgrund der hohen Nachgiebigkeit von Papier im Vergleich zu anderen Baumaterialien ist es ratsam, im Kraft-Verformungs- bzw. Spannungs-Dehnungs-Diagramm (eine Darstellung, die die Verformung aufgrund einer einwirkenden Spannung darstellt) einen Arbeitsbereich zu definieren, innerhalb dessen der maßgebende Elastizitätsmodul auch als Sekante definiert werden kann. Für die Nachweise der Tragfähigkeit können wiederum abweichende Elastizitätsmodule aus dem Arbeitsbereich gewählt werden.

der Tragfähigkeit“, S. 69–70,

Stabilität In den statischen Berechnungen spielt die Stabilität der Papierbauteile eine wichtige Rolle, wobei wir zwischen lokalem Versagen einerseits und globalem Knicken oder Beulen andererseits unterscheiden. (Wie im vorigen Abschnitt erläutert, ist Stabilität nicht gleichzusetzen mit Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit; hierfür sind weitere Berechnungen erforderlich.) Da Papier hauptsächlich als dünnes, flächiges Material vorliegt, neigen Komponenten aus Papiermaterialien unter Druck zu Stabilitätsversagen. Dies ist beispielsweise bei axialbelasteten Hülsen als auch bei biegebeanspruchten Papierplatten zu erkennen, die auf der Druckseite knittern. Dieses Versagen beruht vor allem auf der Schlankheit und den Imperfektionen des Materials. In » Abb. 2 ist zu sehen, wie ein solches Versagen lokal zwischen den Papierbahnkanten auftritt. Man kann gut erkennen, dass auf der inneren Seite ein größerer Schaden entsteht als außen. Die Papierlagen beulen im Bereich der Papierbahnkante nach innen. Eine andere Form des Stabilitätsversagens ist das globale Knicken bzw. Beulen. Dieses Versagen ist strukturbedingt und tritt bei großer Schlankheit, also sehr hohen und dünnen Bauteilen, abhängig von den Randbedingungen auf.

Tragwerksdimensionierung

71

3 Kraft-Weg-Diagramm von Axialdruckversuchen an Kantenschutz-Profilen (45 × 45 × 2,5mm)

Axialdruckversuch – Kantenschutz-Profile 45 × 45 × 2,5mm 1800

F/N

1350

900

450 52 mm 100 mm 993 mm

0

0

0,0075

0,015

0,0225

0,03

Standardweg [mm]

Die » Abb.  3 zeigt Kraft-Weg-Beziehungen von unterschiedlich langen Kantenschutzprofilen als mögliche konstruktive Bauteile unter einer Längsdruckkraft. Aus den unterschiedlichen Längen ergeben sich unterschiedliche Traglasten und effektive Steifigkeiten. Anhand folgender Formel lässt sich die Verzweigungslast beim elastischen Knicken ermitteln:4 Fkrit =Ÿ2 ʓ

El lk2

Fkrit Verzweigungslast lk Knicklänge Für die Berechnung angenommen wurde eine Stütze aus Papier. In einem Experiment wurde am Stützenfuß mit einer starren und am Stützenkopf mit einer gelenkigen Platte gedrückt. Unter diesen Knickbedingungen kann vom Eulerfall 3 mit einer Klicklänge von lk = 0,669 ʓl ausgegangen werden. Bei weniger schlanken Bauteilen kann vor dem Knicken die Elastizitätsgrenze überschritten werden, im Spannungs-Dehnungs-Diagramm wird also der lineare Bereich verlassen. In diesem Fall muss die Plastifizierung des Bauteils ebenfalls berücksichtigt werden. Die in » Abb. 3 dargestellten Kurven beziehen sich auf Bauteile mit den Schlankheiten • ˂52 mm = 1,7 • ˂100 mm = 3,2 • ˂993 mm = 31,8 wobei

5 TRAGWERK, BRANDSCHUTZ, BAUPHYSIK

72

˂=

lk i

˂ Schlankheitsgrad i Trägheitsradius und I

i =3 A   I Flächenträgheitsmoment A Querschnittsfläche

Somit weisen die Profile mit den Längen 52 und 100 mm keine signifikant hohen Schlankheitsgrade auf, weshalb man in diesen Fällen nicht von elastischem Knicken ausgehen kann. Allerdings sind das Auftreten von Drillknicken und der Einfluss der Imperfektionen bei der angenommenen Papierstütze noch unzureichend berücksichtigt und sind weitergehend zu untersuchen.

Brandschutz Gerade bei Papierkonstruktionen ist der bauliche Brandschutz für die Sicherheit essentiell. Fängt eine solche Konstruktion an zu brennen, muss sichergestellt sein, dass sie ihre Funktionen lang genug beibehält, um Flucht- und Rettungsmaßnahmen sowie Löscharbeiten zu ermöglichen. Je nach Gebäudeklasse muss die Tragstruktur über einen entsprechend langen Zeitraum funktionsfähig bleiben. Gleiches gilt für raumabschließende Bauteile. Zusätzlich muss die schnelle Ausbreitung des Brandes verhindert werden. Aus diesem Grund dürfen keine Baustoffe der Brandschutzklasse B3 (leicht entflammbar) verwendet werden. Da aber die Regelwerke5 Papier als leicht entflammbares Material einstufen, darf es baurechtlich nicht als Baustoff verwendet werden. Es sei denn, es wird mit anderen Materialien kombiniert, sodass die Entflammbarkeit die Klasse B2 (normal entflammbar) oder B1 (schwer entflammbar) erreicht. Weil Papier bislang im Bauwesen quasi nicht bekannt ist, differenzieren die Regelwerke nicht zwischen den Papierwerkstoffen, wie dies bei anderen Baustoffen üblich ist. Immerhin gibt es über 3000 verschiedene Papiersorten mit unterschiedlichen Funktionen und Eigenschaften. Wer also Papierwerkstoffe in der Architektur verwenden möchte, muss die Entflammbarkeit nach aktuellem Wissensstand noch individuell prüfen lassen. Es gibt aber bereits Papierwerkstoffe mit B2-Zertifikat. Wie im » Abschnitt „Die Brennbarkeit von Papier“, S. 33–35, beschrieben, gibt es diverse Einflussfaktoren, die die Funktion – in diesem Fall die Entflammbarkeit – der verschiedenen Papierwerkstoffe bestimmen » Abb. 4 und anhand derer die Werkstoffe zugunsten des baulichen Brandschutzes eingestellt werden können: • Rohdichte und Verdichtung: Durch eine hohe Verdichtung und gleichzeitig hohe Rohdichte des Materials reduziert sich die Entflammbarkeit erheblich. Die Verdichtung verringert die Porosität und unterstützt die Bildung einer

Brandschutz

73

4 Einflussfaktoren auf die Entflammbarkeit von Papierwerkstoffen. Alle vier Materialparameter sind beim Brandschutzkonzept zu berücksichtigen.

Beschaffenheit der Fasern

Beschaffenheit der Oberfläche

Zusatz/Füllstoffe

Struktur des Papierwerkstoffs

stabilen Kohleschicht im Brandfall, welche das darunterliegende Material schützt. • Oberflächenbeschaffenheit: Je dichter die Oberfläche des Papiers beschaffen ist, umso besser ist der Widerstand gegen eindringende Flammen. • Füllstoffe und Verleimung: Füllstoffe und die Fügung von Papierwerkstoffen mit Leimen, welche beispielsweise mit Ammoniumphosphaten versetzt sind, verbessern den Brandschutz erheblich. • Ausrichtung: Vor allem strukturierte Pappen wie Well- oder Wabenpappen beeinflussen den Brandschutz – entscheidend ist dabei die Ausrichtung der Hohlräume. Vertikal angeordnete Hohlräume bewirken durch den thermischen Auftrieb einen Kamineffekt, der den Brand wesentlich stärker beschleunigt als horizontal ausgerichtete Hohlräume. Die Zugabe von brandhemmenden Chemikalien kann die Entflammbarkeit von Papierwerkstoffen zusätzlich reduzieren. Additive auf Phosphor-Basis6 schützen das Material bereits bei der Papierherstellung auf Faserebene. Die Schutzwirkung bleibt auch im Fall einer beschädigten Oberfläche bestehen. Alternativ kann man auch eine Beschichtung auftragen, um die Oberfläche des Papiers vor den Flammen und der Hitze zu schützen » Kapitel 2, S. 33–35. Für die Betrachtung des Brandschutzes innerhalb einer Papierkonstruktion lassen sich die in » Kapitel 4, S. 63–64, beschriebenen Konstruktionstypologien Scheibe und Schale als flächige Struktur zusammenfassen. Hier sind Tragstruktur und Außenwand eins (relevant für den Brandschutz) und werden gegebenenfalls von einer Dämmschicht umschlossen (ohne direkte Brandschutzanforderung). Im Gegensatz dazu stehen die linearen Strukturen der Rahmen- bzw. Skelettkonstruktion, bei denen die tragende Rahmenkonstruktion durch raumabschließende Elemente ergänzt wird, die entweder zwischen oder außen an der Tragstruktur angebracht sind. Bei flächigen Strukturen erfolgen die Brandschutzmaßnahmen daher hauptsächlich im Bereich des

5 TRAGWERK, BRANDSCHUTZ, BAUPHYSIK

74

5 Brandschutzmaßnahmen in einer flächigen Papierkonstruktion.

6 Brandschutzmaßnahmen in einer linearen Papierkonstruktion.

ne

e zeb

t

hu

dsc

ran

e)

B ere

äuß

ch

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abs

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G er

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Bra

nd

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Bra

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Tra

tur

ruk

gst

tio

op

sch

nd

Bra

Tragwerks, welches bei Außenwänden aus bauphysikalischen Gründen meist innen liegt. Ein ausreichender Brandschutz ermöglicht eine Schicht aus verdichteten Vollpappen, die je nach Brandschutzanforderungen der Brandschutzklasse B1 oder B2 genügen sollten. Zudem ist die Konstruktion auch außenseitig vor Brand zu schützen. Da die Hülle aus bauphysikalischen Gründen außenseitig diffusionsoffen zu konzipieren ist, sollte dort keine zu hohe Rohdichte gewählt werden. Besser sind in so einem Fall brandhemmende Additive oder wasserdampfdurchlässige, brandhemmende Beschichtungen. Bei einem leichten Wandaufbau mit Well- oder Wabenpappen als Trag- und Dämmstruktur ist es ratsam, zusätzlich zu den äußeren Schutzebenen eine mittige Vollpappen-Ebene als Brandabschnitt hinzuzufügen » Abb.  5. Somit bleibt eine Resttragfähigkeit erhalten, selbst wenn die Flammen die äußeren Brandschutzebenen durchdrungen haben. Bei linearen Strukturen liegt der Fokus des Brandschutzes vor allem auf den tragenden, linearen Konstruktionselementen. Diese sind so zu dimensionieren und zu schützen, dass sie im Falle eines Brandes die tragende Funktion über einen der Gebäudeklasse entsprechenden Zeitraum beibehalten. Diese linearen Elemente bestehen in der Regel aus Papierhülsen » Kapitel 3, S. 42–45. Deren Wandstärke kann während des Wickelprozesses bei der Herstellung je nach gefordertem Brandschutz eingestellt werden. Zudem können den Leimen brandhemmende Additive zugesetzt werden. Die Oberfläche der Tragstrukturen kann mit einer brandschützenden Beschichtung versehen werden. Die flächigen Elemente der Gebäudehülle haben geringere Brandschutzanforderungen, da sie lediglich der raumabschließenden Funktion dienen. Sie müssen aber für einen gewissen Zeitraum einer schnellen Brandausbreitung vorbeugen. Dementsprechend sind die linearen Strukturen sparsamer, weil nicht die ganze Wand brandschützend ausgestattet und dimensioniert werden muss, sondern hauptsächlich die tragenden Elemente » Abb. 6.

Brandschutz

75

7 Wärmedämmende Eigenschaften von Papierwerkstoffen, die notwendigen Bauteildicken bei einem U-Wert von 0,21 [W/m²K] sowie der dafür erforderliche Materialbedarf.

λ mittel

Rohdichte [kg/m3]

[W/(m*K)]

Bauteildicke* [m]

Materialbedarf** [kg]

Zelluloseflocken

30–80

0,04–0,045

0,18–0,21

5,4–16,8

Wellpappe

130

0,051

0,23

29,9

Wabenpappe

50

0,065

0,3

15

Wellstegpappe

50–100

0,072–0,09

0,33–0,41

16,5–41

Vollpappe

450–475

0,07–0,072

0,32–0,33

144–156,75

* errechnete Bauteildicke, um einen U-Wert von 0,21 [W/m²K] zu erreichen ** Materialbedarf bezogen auf 1 m² Wandfläche

8 Je nach Ausrichtung der Hohlräume ergeben sich unterschiedliche Temperaturverläufe im Bauteil: a. Wellpappe, Ausrichtung der Hohlräume orthogonal zum Temperaturgefälle, b. Wabenpappe, Ausrichtung der Hohlräume parallel zum Temperaturgefälle.

Bauphysik Für das Bauen mit Papier spielen bestimmte bauphysikalische Aspekte wie beispielsweise die thermischen und hygrischen Eigenschaften von Papierwerkstoffen eine wichtige Rolle. Wärmedämmung und Feuchteschutz sind vor allem bei der Gebäudehülle zu beachten, um ein behagliches Raumklima im Innenraum sicherzustellen und Feuchteschäden wie z.B. Schimmelbildung vorzubeugen.

Wärmedämmung

a

b

Je besser ein Gebäude gedämmt ist, desto weniger ist der Innenraum von den äußeren Temperaturveränderungen betroffen. Die wärmedämmenden Eigenschaften der Werkstoffe, aus denen eine Gebäudehülle besteht, sind nicht nur für eine angenehme Innentemperatur essentiell, sondern wirken sich auch auf den Heizbedarf aus. Sie beeinflussen also maßgeblich die Energiebilanz und die damit verbundenen CO2-Emissionen während des Gebäudebetriebs. Um die Wärmedämmung eines Bauteils zu bestimmen, wird der U-Wert, also der Wärmedurchgangskoeffizient, berechnet. Je geringer der U-Wert, umso besser ist die Wärmedämmung. Je nach Einbausituation berechnet sich der U-Wert anhand festgelegter Faktoren, der Dicke sowie der Wärmeleitfähigkeit der verbauten Werkstoffe. Die » Abb. 7 listet gemittelte Wärmeleitfähigkeitwerte ˂ mittel verschiedener Papierwerkstoffe auf, die auf Werkstoffprüfungen basieren und anhand eines Plattenmessgeräts » Kapitel 8, S. 178 ermittelt wurden. Dieser Werte geben erste Einschätzungen zu den wärmedämmenden Eigenschaften von Papierkonstruktionen. Die Wärmeleitfähigkeit hängt von der Rohdichte und der Struktur der Papierwerkstoffe ab. Zelluloseflocken, die sich im Bauwesen bereits als Einblasdämmung etabliert haben, verfügen aufgrund ihrer niedrigen Rohdichte und ihrer Flockenstruktur über die geringste Wärmeleitfähigkeit und punkten somit im Vergleich mit den besten Dämmwerten. Wellpappen haben trotz höherer Rohdichte aufgrund der abgeschlossenen Lufträume eine sehr gute Dämmwirkung. Verläuft der Hohlraum parallel zum Temperaturgefälle, beispielsweise bei Wellsteg- und Wabenpappen, so kann es je nach Umfang und Tiefe des Hohlraums zu Konvektion und damit einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit kommen » Abb. 8.

5 TRAGWERK, BRANDSCHUTZ, BAUPHYSIK

76

Um besser zu verstehen, wie sich die verschiedenen Wärmeleitfähigkeiten auswirken, werden Bauteildicken und der Materialbedarf zur Herstellung solcher Bauteile aus den spezifischen Materialparametern abgeleitet. Diese Herangehensweise ist jedoch rein theoretisch, da die aufgeführten Werkstoffe aufgrund der nachfolgend erläuterten Feuchte- und Brandschutzanforderungen lediglich in Materialkombinationen, beispielsweise mit Vollpappe, verwendet werden können. Es zeigt sich, dass Wellpappen und Zelluloseflocken aufgrund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit mit den geringsten Bauteildicken auskommen. Obwohl Wellstegpappen und Wabenpappen eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen, eignen sie sich ebenfalls als Dämmmaterialien, da sich ihr Materialbedarf noch in Grenzen hält. Nicht zu empfehlen ist hingegen das Dämmen mit Vollpappen, da die nötige Bauteildicke als auch der Materialbedarf unangemessen hoch sind. Gemessen an herkömmlichen Baustoffen schneiden übliche Papierwerkstoffe hinsichtlich ihrer Dämmeigenschaften ganz gut ab. Sie erreichen zwar nicht die Wärmeleitfähigkeiten klassischer Dämmstoffe wie EPS, XPS und PU mit Werten zwischen von 0,03 [W/(m*K)] und 0,035 [W/(m*K)], sind jedoch vergleichbar mit Holzwolle- und Holzfaserplatten und dämmen wesentlich besser als mineralische und metallische Baustoffe. Wie gut eine Papierkonstruktion dämmt, hängt auch maßgeblich von den im Kapitel 4 beschriebenen Verbindungstechniken » S. 57–63 ab. Je nach Verbindungsart und dem dafür verwendeten Material kann es zu lokalen Wärmebrücken kommen » Abb. 9. Vor allem mechanische Fixierungen mit sehr wärmeleitfähigen Materialien wie Metallen, also z.B. Schraubverbindungen, Nägel oder Nieten, gehen unvermeidbar mit Wärmebrücken einher, die im schlechtesten Fall eine Tauwasserbildung zur Folge haben. Der folgende Abschnitt erläutert, wie Tauwasser entsteht und welche präventiven Maßnahmen getroffen werden können. Feuchte ist insbesondere im Bereich der Verbindungen problematisch, weil sich das Papiergefüge, sofern es nicht modifiziert wurde, unter Wassereinfluss auflöst, sodass die Fixierung keinen Halt mehr hat und versagen kann.

9 Wärmebrücken durch Verbindungstechniken, die aufgrund anderer Materialeigenschaften thermische Energie besser leiten als der Werkstoff selbst (beispielsweise a. mechanische Fixierung oder b. Klebeverbindung).

a

b

Feuchteschutz Wie bereits im » Kapitel 2, S. 28–32 beschrieben, bestimmt der Feuchtegehalt des Papierwerkstoffs wesentlich dessen mechanische Eigenschaften, denn Wasser löst die Wasserstoffbrückenbindungen der Zellulosefasern im Papier. Durch Trocknung können diese Verbindungen jedoch größtenteils wiederhergestellt werden. Papier ist somit ein kapillaraktiver Werkstoff, d.h. dass Papier Wasser aufnehmen, transportieren und wieder abgeben kann. Feuchte beeinflusst aber nicht nur die mechanischen Eigenschaften eines Bauteils aus Papier, sondern gilt auch als Hauptursache für Schimmelbildung und somit ein unhygienisches Raumklima. Im Bauwesen verwendet man daher an feuchtekritischen Stellen häufig kapillaraktive Werkstoffe, um der Schimmelbildung vorzubeugen – ein typisches Beispiel sind Innendämmungen. In dieser Hinsicht weisen Papierwerkstoffe große Vorteile gegenüber anderen Baustoffen auf. Die DIN 4108-3 gibt vor, dass nur so viel Tauwasser im Bauteil in der Winterperiode anfallen darf, wie im Sommer wieder verdunsten kann, damit kein Schimmel entsteht.7 Da Tauwasser jedoch die Struktur von Papier schädigt, müssen Papierkonstruktionen so konzipiert werden, dass kein Tauwasser anfallen kann. Dafür gibt es mehrere konstruktive Ansätze. Zum einen kann man die Bauteile so aufbauen, dass die Schichten zum Innenraum eine deutlich größere Wasserdampfdiffu-

Bauphysik

77

10 Wasserdampf-Diffusionswiderstandszahlen von verschiedenen Papierwerkstoffen.

Rohdichte kg/m³

WasserdampfDiffusionswiderstandszahl [μ]

Wellstegpappe

50–100

2–5

Wellpappe

130

11–24

Vollpappe unverdichtet

390–760

16–54

Vollpappe verdichtet

750–780

97–107

740–770

151–177

Laborpappe

sionsdichte aufweisen als die äußeren Schichten. Dies gewährleistet, dass der Wasserdampf aus dem Bauteil heraus diffundieren kann und nicht innerhalb des Bauteils kondensiert und somit Tauwasser bildet. Der Wasserdampfdiffusionswiderstand ist bei stark verdichteten Pappen mit geringer Porosität erheblich größer als bei Papierwerkstoffen mit geringer Rohdichte und hoher Porosität. Somit sollten die stark verdichteten Pappen für die inneren Schichten und die poröseren Papierwerkstoffe für die äußeren Schichten eines Bauteils verwendet werden. Eine andere Lösung wären hinterlüftete Fassaden. Diese unterstützen durch die kontinuierliche Luftzirkulation die Verdunstung des Wasserdampfes und sind daher für Papierkonstruktionen absolut zu empfehlen. Die Wasserdampfdiffusionsdichte wird zudem erheblich von der Verbindungstechnik beeinflusst. Mechanische Fixierungen oder Durchdringungen jeglicher Art können Schwachstellen bilden und somit zu einem Tauwasserausfall beitragen. Sie können aber auch zur gezielten Wasserleitung im Bauteil herangezogen werden. Klebeverbindungen können wiederum – je nach gewähltem Leim und je nachdem, ob sie flächig oder punktuell aufgetragen werden – die Wasserdampfdiffusionsdichte erhöhen oder sogar reduzieren.8 Die Wasserdampf-Diffusionswiderstandszahlen von Papierwerkstoffen » Abb.  10 weisen eine große Bandbreite auf. Am geringsten sind sie bei Wellsteg- und Wellpappen, was an deren hohem Luftanteil und ihrer offenporigen Struktur liegt. Ganz anders verhält es sich hingegen bei verdichteten Vollpappen. Im Labor hergestellte Pappen mit noch geringerer Porosität sind sogar noch dichter. Somit lassen sich komplette Außenwandstrukturen aus Papier erzeugen, welche die Anforderungen an den Feuchteschutz erfüllen, ohne dass Tauwasser in der Konstruktion anfällt – wofür allerdings eine mängelfreie Ausführung die Voraussetzung bildet. Die Wasserdampf-Diffusionswiderstandszahlen vieler bewährter Baustoffe wie Holzwerkstoffe, Dämmstoffe und mineralische Werkstoffe sind mit denen von Papierwerkstoffen vergleichbar: • • • • • •

Holzfaserplatten 3–30μ Sperrholzplatten 50–250μ Mineralwolldämmung 1μ XPS-Dämmstoff 80–250μ mineralische Putze 10–35μ Beton 60–130μ

5 TRAGWERK, BRANDSCHUTZ, BAUPHYSIK

78

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11 Feuchteschutz: a. Konstruktive Feuchteschutzmaßnahmen durch Dachüberstand und Aufständern des Gebäudes und b. Schutz vor Tauwasserausfall durch angemessene Dämmstoffdicke.

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Die Werte von Kunststoffen liegen hingegen weitaus höher (5000–100.000μ). Glas- und Metallwerkstoffe sind sogar komplett wasserdampfundurchlässig, weswegen diese mit ∞μ beziffert werden. Papierkonstruktionen sind nicht nur vor Wasserdampf zu schützen, sondern auch vor direktem Wassereintrag durch Regen oder Spritzwasser. Hierfür gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder man fügt der Papiermasse Additive hinzu, sodass Wasser zwar eindringen kann, jedoch nicht die Faserbindungen löst. Oder man entscheidet sich für einen nachträglichen Auftrag in Form einer Beschichtung wie etwa einer Folie, um die Papieroberfläche zu schützen und zu verhindern, dass Wasser eindringen kann. Beide Maßnahmen können sich allerdings negativ auf die Rezyklierbarkeit der Papierwerkstoffe auswirken, weshalb im Einzelfall genau zu prüfen ist, welches Vorgehen sinnvoll ist. Einen zusätzlichen konstruktiven Feuchteschutz bieten beispielsweise Dachüberstände, aufgeständerte Bauweisen und Doppelfassaden » Abb. 11.

Ökologische Betrachtungen Papier besteht bis zu 100% aus dem nachwachsenden Rohstoff Holz. Als Baustoff erweitert Papier die Bandbreite an Bauwerkstoffen auf Basis von nachwachsenden Rohstoffen und dient somit den Klima- und Umweltschutzzielen, der Ressourcenschonung und CO2-Reduzierung. Als Rohstoff eignen sich auch Holzabfälle wie Sägereste eines Sägewerks, Durchforstungsholz, krumm gewachsene Bäume und Bäume mit Fehlstellen oder vielen Astlöchern. Für die Papierherstellung braucht es also keine hochwertigen Bäume, wie sie für Konstruktionsholz notwendig sind. Während der Herstellungsprozesse haben Papierwerkstoffe einen Primärenergiebedarf (nicht erneuerbar) von 1,77 bis 10,83 MJ

Ökologische Betrachtungen

79

12 Kreislauf eines Gebäudes aus Papier.

Baustoffproduktion

Papierwerkstoff

Gebäude

Papierherstellung

Rezyklieren

Abbruch

(Megajoule) und CO2-äquivalente Emissionen von -1,65 bis -0,33 kg CO2-Äquv.. Die CO2Emissionen weisen negative Werte auf, weil der Baum während seiner Wachstumsphase CO2 im Holz bindet, welches in den Papierfasern verbleibt und erst durch Verbrennung oder Zersetzung zum Lebenszyklusende wieder freigesetzt wird. Die ökologischen Kennwerte zur Herstellung von Papier sind also mit Holzwerkstoffen vergleichbar und ähnlich positiv hinsichtlich Umwelt- und Klimaschutz zu bewerten. Von ökologischem und ökonomischem Vorteil ist auch die Rezyklierbarkeit des Werkstoffes. Die Rezyklierprozesse für Papier existieren bereits seit mehreren Jahrhunderten und wurden vor allem in den letzten Jahrzehnten stark optimiert. Somit weist Papier gut funktionierende und geschlossene Materialkreisläufe auf. Für Gebäude aus Papier müssen die Papierwerkstoffe diesem geschlossenen Kreislauf entnommen werden und durchlaufen dann vielseitige und länger andauernde Recycling-Zyklen mit Bauteilherstellung, Gebäudeerrichtung, Gebäudenutzung und Instandhaltung, Abriss und Rückführung in den Papierkreislauf » Abb. 12. Um die Papierbauteile in den Papierkreislauf zurückführen zu können, müssen die Werkstoffe von anderen Materialien und auch voneinander trennbar sein. Idealerweise erfolgt die Trennung bereits beim selektiven Rückbau. Zu diesem Zweck müssen die Verbindungstechniken innerhalb der Bauteile bereits in der Planungsphase reversibel, also zerstörungsfrei lösbar, geplant werden. Ist dies nicht möglich, so muss die Trennung der verschiedenen Materialien im Rezyklierprozess erfolgen. Unter ökologischen Aspekten sind demnach mechanische Fixierungen (z.B. Schrauben) oder flexible Verbindungen (z.B. Nähte) den nur aufwendig zu trennenden Klebeverbindungen vorzuziehen. Die Dauerhaftigkeit der Konstruktionen hängt stark von den zuvor beschriebenen mechanischen bauphysikalischen Eigenschaften der Papierkonstruktion ab. Je resistenter die Konstruktion gegen Wasser und mechanische Belastungen ist, umso länger kann sie genutzt werden. Da noch nicht lange mit Papier gebaut wird, fehlt es an Langzeiterfahrungen mit Papiergebäuden. Erste Erfahrungen bieten lediglich Pilotprojekte, wie sie in » Kapitel 6 genauer beschrieben werden. Die meisten dieser Projekte sind oder waren als tempo-

5 TRAGWERK, BRANDSCHUTZ, BAUPHYSIK

80

räre Lösungen konzipiert, wie beispielsweise der Japanische Pavillon (Expo 2000) » S. 132–133, das Cardboard Theatre Apeldoorn » S. 130–131 und das Paper Theatre in IJburg » S. 134–135.

Es gibt jedoch auch dauerhafte Papierkonstruktionen wie etwa das Pappgebäude der Westborough Schule » S. 96–99, dessen Nutzungsdauer auf 20 Jahre ausgelegt war. Die Firma Fiction Factory garantiert eine Dauerhaftigkeit von 15 Jahren für das Wikkelhouse » S. 90–95, schätzt jedoch die Nutzbarkeit auf 50 Jahre.

Typische Konstruktionsdetails Aufbauend auf der Systematik Balken, Platte, Scheibe, Schale und Membran werden im Folgenden Prinziplösungen für das Bauen mit Papier vorgestellt. Sie zeigen geeignete Optionen für die Bauteile Tragwerk, Fundament und Dach. Ebenso finden sich in diesem Abschnitt Darstellungen zu möglichen Verbindungstechniken von Papierwerkstoffen untereinander und mit Anschlussbauteilen.

13 Scheibentragwerk im Vertikalschnitt, Maßstab 1:200. Darstellung der tragenden Wände aus mehreren Lagen Papier und Wellpappe.

14 Skelettkonstruktion im Vertikalschnitt, Maßstab 1:200. Darstellung des inneren tragenden Skeletttragwerks aus Papier und der umhüllenden Fassade aus Papier.

Typische Konstruktionsdetails

81

15 Dachdetail beim Scheibentragwerk, vertikaler Schnitt, Maßstab 1:40. Großmaßstäbliche Darstellung des Scheibentragwerks aus mehreren Papierschichten und dem Fensteranschluss.

17 Fassadendetail, Scheibentragwerk, horizontaler Schnitt, Maßstab 1:40.

Steckbare Plattenverbinung

Auflager Fußboden

Profilbewehrung Befestigung Fensterprofil

18 Fassadendetail, Rahmenkonstruktion, horizontaler Schnitt, Maßstab 1:40.

16 Dachdetail bei einer Rahmenkonstruktion, vertikaler Schnitt, Maßstab 1:40. Großmaßstäbliche Darstellung des Skeletttragwerks mit der umhüllenden Fassade und dem Fensteranschluss.

Steckbare Plattenverbindung

Steckbare Trägerverbindung

Deckschicht Profilbewehrung Binder Befestigung Fensterprofil

5 TRAGWERK, BRANDSCHUTZ, BAUPHYSIK

82

19 Betonfundament für ein Scheibentragwerk aus Papier: a. Lasteinleitung aus der Wand direkt in das Fundament, b. Fußboden aus Papier innen separat aufliegend.

a

b

20 Punktuelles Betonfundament mit tragenden Holzbalken und darauf aufliegendem Fußboden aus Papier.

21 Beispiele für Sockeldetails für Papprohre: a. Beton, b. Stahl, c. Holz.

a

ANMERKUNGEN 1 DIN EN 1991-1-1. Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke – Teil 1-1: Allgemeine Einwirkungen auf Tragwerke – Wichten, Eigengewicht und Nutzlasten im Hochbau, Berlin: Beuth, 2010. 2 DIN EN 1995-1-1. Eurocode 5: Bemessung und Konstruktion von Holzbauten – Teil 1-1: Allgemeines – Allgemeine Regeln und Regeln für den Hochbau, Berlin: Beuth, 2010.

b

3 DIN EN 1990. Eurocode: Grundlagen der Tragwerksplanung. Berlin: Beuth, 2010. 4 Dietmar Gross et al., Technische Mechanik 2: Elastostatik, Berlin/ Heidelberg: Springer Verlag, 2012. 5 Deutsches Institut für Bautechnik (o.D.), Informationsportal Bauprodukte und Bauarten, https:// www.dibt.de/de/bauprodukte/ informationsportal-bauprodukteund-bauarten, abgerufen 7. August 2020.

c

6 Maryam Ghanadpour, Federico Carosio, Per Tomas Larsson, Lars Wågberg, „Phosphorylated Cellulose Nanofibrils: A Renewable Nanomaterial for the Preparation of Intrinsically Flame-Retardant Materials“, in: Biomacromolecules, (16)10, 2015, S. 3399–3410. 7 DIN 4108-3:2018-10 Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden – Teil 3: Klimabedingter Feuchteschutz – Anforderungen, Berechnungsverfahren und Hinweise

für Planung und Ausführung, Berlin: Beuth, 2018. 8 Rebecca Bach, Papier Fassaden – Entwicklung konstruktiver Prinzipien für Fassaden aus Papierwerkstoffen mit Fokus auf Brandschutz, Wärmedämmung, Feuchteschutz und ökologische Eigenschaften, Dissertation, RWTH Aachen, 2020.

Typische Konstruktionsdetails

83

BEISPIELE

6 

Die gestiegene Nachfrage nach kleinen, tragbaren, mobilen und temporären Bauten ist eng verknüpft mit den heutigen volatilen Lebensumständen, die als Ära der flüssigen Moderne (liquid modernity) beschrieben worden ist – ein Begriff, der vom polnischbritischen Soziologen und Philosophen Zygmunt Bauman geprägt wurde. Flüssige Moderne bedeutet, dass wir immer weniger mit einem bestimmten Ort verbunden sind. Zu den Ursachen zählen auch die Aktivitäten in sozialen Netzwerken, die uns virtuell an jeden beliebigen Ort auf dem Globus bringen. Die traditionellen räumlichen und sozialen Bezüge sind einer Abfolge von Neuanfängen gewichen. Wir tauchen lieber kurzfristig hier und da auf, als länger an einem Ort zu bleiben. Das Pop-up-Phänomen schafft den Bedarf, Räume für eine vorübergehende Nutzung zu schaffen. Dazu gehören zum einen Pop-up-Restaurants oder Pop-up-Stores, die neue Chancen für Stadtviertel und Kleinunternehmer mit sich bringen. Papierkonstruktionen wie der japanische Pavillon für die Expo in Hannover im Jahr 2000 oder das Theater in Apeldoorn 1992 hatten einen erheblichen Einfluss auf solche Pop-up-Konstruktionen. Zum anderen zählen dazu Notunterkünfte nach Erdbeben, Überschwemmungen oder militärischen Konflikten. Je nach Nutzungszeitraum lassen sich hier verschiedene Bauten unterscheiden. Notunterkünfte sind für eine Nutzung über einige Wochen gedacht und können auch vielen Menschen auf einmal ein Dach über dem Kopf bieten. Dazu gehören Projekte wie das Paper Log House » S. 88–89, TECH 04 » S. 118–119 oder die Notunterkünfte aus Papier » S. 126–129. Die Sehnsucht der Stadtbevölkerung nach ruhigen Rückzugsorten stimuliert die Nachfrage nach kleinen Wochenendhäusern, die ohne jegliche Infrastruktur auskommen können und von einfacher Bauweise sind. Beispiele hierfür sind das Paper House, ein Wochenendhaus von Shigeru Ban » S. 86–87, und das Wikkelhouse » S. 90–95. Beide Ferienhäuser entstanden aus papierbasierten Bauteilen, ohne dass man auf Annehmlichkeiten verzichten muss. Daneben gibt es die Tiny House-Bewegung, die das Leben auf kleinem Raum propagiert. Programm ist hier ein reduzierter und ressourcenschonender Lebensstil. Das Cardboard House in Sydney » S. 100–101 oder das House of Cards » S. 114–117 repräsentieren solche kostengünstigen, winzigen Wohnräume. Die gebauten Beispiele und Projekte in diesem Kapitel sind in vier Gruppen gegliedert. Zunächst werden Häuser und Hütten vorgestellt » S. 86–129, d.h. Papierkonstruktionen, die nach allen vier Seiten geschlossen sind. Hütten und Häuser sind dazu konzipiert, Schutz vor dem Außenklima zu bieten. Weiterhin sind auch Pavillons aus Papierwerkstoffen entstanden » S. 130–137. Diese Pavillons bilden im Gegensatz zu Häusern und Hütten räumliche Strukturen, die keine geschlossene Gebäudehülle aufweisen. Sie dienen als räumliche Begrenzung für temporäre Ereignisse. Zusätzlich können

6 BEISPIELE

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Pavillons Schutz vor der Sonne bieten Cardboard Theatre Apeldoorn » S. 130–131 und Abschirmung vor Regen leisten der Japanische Pavillon der Expo 2000 in Hannover » S. 132–133. Anschließend werden temporäre Brückenkonstruktionen » S. 138–143 aus Papierwerkstoffen aufgeführt, so besteht die Paper Bridge im Lake District » S. 140–141 gänzlich aus geschichtetem Kopierpapier, die Brücke Pont du Gard von Shigeru Ban und Octatube » S. 138–139 wurde hauptsächlich aus Papprohren konstruiert und „Eine Brücke aus Papier“ » S. 142–143 in Darmstadt wurde aus verschiedenen Papierwerkstoffen gebaut. Das Kapitel schließt mit Innenausbau und Möbeln aus Papierwerkstoffen ab » S. 144–157. Während die Einrichtung von Aesop DTLA » S. 144–147 ganz aus Papphülsen besteht, wurden beim Cardboard Office in Pune Trennwände aus Wabenpappe eingesetzt » S. 152–155. Neben den Klassikern der Carta Collection » S. 156–157 sind auch die Möbel von Stange Design und die Innenraumstrukturen von Nordwerk zu nennen. Es gibt bereits eine Vielzahl an Designerstücken, die konzipiert wurden, um für die breite Masse erschwinglich zu sein.

85

PAPER HOUSE

Isometrie.

Das Paper House von Shigeru Ban ist das erste Projekt, das eine Genehmigung für eine dauerhafte Konstruktion aus Papprohren erhalten hat. Das Gebäude, das Ban selbst als Wochenendhaus dient, steht auf einem abschüssigen Gelände in der Nähe des Yamanaka-Sees in der Präfektur Yamanashi. In dem 10×10m großen Haus sind insgesamt 110 Papprohre in einem S-förmigen Muster angeordnet. Sie teilen das Innere des Hauses von dem kleinen Garten neben dem Badezim-

6 BEISPIELE

ARCHITEKT/ERFINDER: Shigeru Ban STANDORT: Yamanaka-See, Yamanashi, Japan JAHR: 1995 VERWENDUNG: Wohnen KONSTRUKTIONSTYPOLOGIE: Säulenkonstruktion aus Papprohren FLÄCHE: 100m² GEPLANTE LEBENSDAUER: Dauerhaft

Grundriss.

mer ab. Davon bilden 75 Papprohre einen großen Kreis, der den Wohnbereich von der umlaufenden Galerie trennt. Der Wohnbereich ist bis auf eine freistehende Küchentheke und bewegliche Schränke nicht möbliert. Die Papprohrwände umrahmen den Blick auf den nahe gelegenen Wald und schaffen damit eine besondere Kontinuität zwischen Innen und Außen. Der den Wohnbereich umgebende Gang führt zu einer freistehenden Pappsäule mit einem Durchmes-

ser von 127cm, in der eine Toilette versteckt ist. Von dem prominenten Eingang zum Haus führt die Säulenreihe zu einem kleinen Papprohrkreis, der ein Badezimmer mit kleinem Garten begrenzt. Eingerahmt ist der Wohnraum von einem Halbkreis aus Papprohren, der als Sichtschutz dient. Durch die kleinen Abstände zwischen den Papprohren erhält der Innenraum Tageslicht, und abends leuchtet so das Haus dezent. Die quadratische Fläche des Hauses wird von

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Außenansicht mit den Terrassen.

Schiebeverglasungen umschlossen, die sich auf die traditionellen Shoji-Paneele beziehen und es den Bewohnern ermöglichen, direkt nach draußen auf die rechteckigen Terrassen zu gehen. Das Haus lässt sich somit vollständig öffnen und kann förmlich mit der Umgebung verschmelzen, wobei sich die weiße Dachlinie optisch hervorhebt.

Blick aus dem Inneren.

Häuser und Hütten

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PAPER LOG HOUSE

ARCHITEKT/ERFINDER: Shigeru Ban STANDORT: Kobe, Japan JAHR: 1995 VERWENDUNG: Temporäre Unterkunft KONSTRUKTIONSTYPOLOGIE: Säulenkonstruktion aus Papprohren FLÄCHE: 16m² GEPLANTE LEBENSDAUER: Temporär

Isometrie.

Schnittansichten.

Das Große Hanshin-Erdbeben mit einer Stärke von 7,3 auf der Richterskala traf die Stadt Kobe im Januar 1995. Die Naturkatastrophe machte 320.000 Menschen von heute auf morgen obdachlos, und am Ende zählte man über 240.000 beschädigte Häuser. Wer nicht bei Verwandten oder Bekannten unterkam, musste Notunterkünfte aufsuchen, ethnische Minderheiten bewohnten die örtlichen Parks. Shigeru Ban schlug vor, für die dort lebenden vietnamesischen Migranten

6 BEISPIELE

kleine Wohneinheiten im Kobe-Bezirk Nagata zu bauen. Die Paper Log Houses wurden in einer nahe gelegenen Werkstatt aus den vor Ort verfügbaren Materialien hergestellt. Jedes der Häuser hatte eine Fläche von 6×6m und konnte eine Familie beherbergen. Die Gebäudekonstruktion setzte sich aus Fundamenten, Bodenelementen, Papierrohrwänden und einem PVC-TextilDach zusammen. Für das Fundament füllte man Bierkästen mit Sandsäcken.

Darauf wurde eine Holzbodenplatte gelegt. Die jeweils 2x4m großen Wandpaneele bestanden aus 2m hohen Papprohren (ø 108mm) mit einer Wandstärke von 4mm. Die Rohre wurden nebeneinander montiert und zur besseren Wärmedämmung mit Dichtband abgeklebt. Erst wurden die Zapfen der 4m langen 12-mm-Sperrholzplatte von unten auf die Papprohre geschoben, dann das Bauteil montiert und schließlich mit der Holzbodenplatte verschraubt.

88

Paper Log House auf der Ausstellung in Mito, Japan, 2013.

Innenansicht.

Zusätzlich verliefen 6-mm-Stahlstäbe horizontal jeweils auf einem Drittel und zwei Dritteln der Wandhöhe – sie sorgten für zusätzliche Stabilität und ermöglichten den Einbau von Fenster- und Türrahmen. Die Wände schlossen oberseitig durch Sperrholzverbinder ab. Holzträger und perforierte L-Profile bildeten den Übergang zum Dach. Auf den Holzträgern wurde der Dachrahmen montiert, der sich aus Papprohren zusammensetzte, die man über Sperrholzverbindungen untereinander befestigt hat. Darüber war eine Membrane gespannt, die an den perforierten L-Profilen befestigt und zusätzlich mit Seilen am Fundament verankert worden war. Das Satteldach konnte im Inneren des Hauses mit einer zusätzlichen Dämmschicht versehen werden. Die Giebelwände des Daches

und die Papprohre wurden zur besseren Dämmung mit Altpapier gefüllt. Ein Jahr später wurden in Indien 20 Häuser errichtet. Da in Indien nicht genug Bierkästen verfügbar waren, baute man das Fundament aus den Trümmern der durch ein Erdbeben zerstörten Gebäude und bedeckte es mit einem Bodenbelag. Die indische Version hatte ein gewölbtes Dach aus Rohrmatten mit einer auf Bambusrippen aufgelegten Plane. Eine beschattete Veranda diente als Raum für die täglichen Aktivitäten. Im Jahr 2014 nach dem Erdbeben auf den Philippinen schuf Ban die vierte Version der Paper Log Houses. Diesmal wurden die Papprohre nur als Rahmenkonstruktion verwendet, um sie mit luft- und lichtdurchlässigen Bambusmatten zu bespannen, die vor Ort hergestellt wurden.

ließen sich zur Belüftung öffnen. Nach der Montage wurden die Papierrohre zum Schutz vor Regen und Feuchtigkeit mit lösemittelhaltigem Lack gestrichen. Die Häuser stellte man in Gruppen nebeneinander auf. Die 1,8m breiten Zwischenräume teilten sich jeweils zwei Familien als geschützten Freibereich. 1995 wurden insgesamt 27 Paper Log Houses sowohl für Vietnamesen als auch für Japaner gebaut. Diese waren vier Jahre in Gebrauch. Das Konzept des Paper Log House bewährte sich noch mehrmals in Notsituationen, natürlich jeweils angepasst an die örtlichen Gegebenheiten. Im Jahr 2000 wurden nach dem Erdbeben in der Türkei 17 Paper Log Houses gebaut. Diese Häuser hatten aufgrund der dort üblichen Familiengröße eine größere Grundfläche,

Häuser und Hütten

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WIKKELHOUSE

ARCHITEKT UND ERFINDER: René Snel, Weiterentwicklung: Fiction Factory STANDORT: Nicht festgelegt, Produktion in Amsterdam JAHR: 1996 (Erfindung), Weiterentwicklung seit 2012 VERWENDUNG: Wohnen KONSTRUKTIONSTYPOLOGIE: Rahmenbauweise FLÄCHE: Variabel, 5m² pro Segment GEPLANTE LEBENSDAUER: 50 Jahre (erwartet), mit 15 Jahren Garantie

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3 Schematische Außenansicht.

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Herstellungsprozess des Wikkelhouse: Die selbsttragende Gebäudehülle entsteht durch das Wickeln von einlagigen Wellpappen um eine hausförmige Schalung.

Das Wikkelhouse war eines der ersten in Masse produzierbaren Papier-Wohngebäude. Das Konzept stammt von René Snel und basiert auf einer von ihm erfundenen Maschine, die mehrere Lagen Wellpappe um eine hausförmige Schalung wickelt und verklebt. Durch das Aneinanderreihen mehrerer dieser so produzierten Elemente entsteht dann ein kleines Haus. Ursprünglich als Notunterkunft für Katastrophengebiete gedacht, sollte es

6 BEISPIELE

schnell und flexibel transportierbar sein. Dementsprechend entwickelte Snel die Maschine so, dass sie auf einen Lastkraftwagen passte und somit zumindest über kürzere Strecken problemlos transportiert werden konnte. Auch das Ausgangsmaterial ließ sich in seiner kompaktesten Form, nämlich aufgerollt, per LKW transportieren. Die Häuser konnten dann direkt vor Ort und entsprechend der jeweiligen Anforderung hergestellt werden. Die Nachfrage war jedoch so

begrenzt, dass Snel 2012 die WikkelhouseIdee und diese Maschine an die Firma Fiction Factory verkaufte. Seitdem entwickelt und vermarktet das Unternehmen das Wikkelhouse-Konzept an seinem Produktionsstandort in Amsterdam für dauerhafte Wohnnutzungen weiter, in der Praxis vor allem als Ferienhaus. Inzwischen steht die ursprünglich auf einem LKW montierte Wickel-Maschine in einer Produktionshalle. Das ermöglicht höhere Produktionsraten und eine

90

Außenansicht.

Modulschemata.

Häuser und Hütten

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Wikkelhouse-Maschine, Klebemaschine, Modulanfertigung in der Produktionshalle.

Detail des Wandaufbaus des Wikkelhouse: Von außen (links) nach innen (rechts) besteht die Wand aus einer Holzlattung, wasserdichter Folie, 12 Lagen Wellpappe, Installationsschicht mit Verbindungselementen, weiteren 12 Lagen Wellpappe und Furnierholz.

schnelle Vorfertigung der einzelnen Elemente. Der hohe Vorfertigungsgrad verortet das Wikkelhouse in der Kategorie Fertighäuser. Es wird in einzelnen Segmenten produziert (Breite/Höhe/ Tiefe: 4,6/3,5/1,2m) und verkauft. Man kann aus verschiedenen Segmenttypologien auswählen, diese individuell aneinanderreihen und so den Wohnraum individuell gestalten. Es gibt Segmente mit integrierten Fenstern, Segmente mit einer Nasszelle für das Badezimmer und diverse Möglichkeiten zur Installation von Haustechnik, wie beispielsweise einen

6 BEISPIELE

Kamin zum Heizen und Küchenelemente. Die Abschlüsse an den Längsseiten erfolgen entweder durch transparente Glasfronten oder opake Fassaden. Der Zugang erfolgt in der Regel über die transparente Glasfront durch eine eingelassene Haustür. Der Clou des Wikkelhouse ist seine Herstellungstechnik: Wie der Name bereits andeutet, werden die Elemente durch Wickelprozesse von einwelliger Wellpappe um eine hausförmige Schalung erzeugt. Die Wellpappen werden in 24 Lagen um die Schalung gewickelt,

wodurch ein tragender, etwa 20cm dicker Wandkern entsteht, der zugleich dämmt. Der U-Wert dieser Konstruktion, also der Koeffizient zum Wärmedurchgang eines Bauteils, liegt bei ungefähr 0,24 [W/ (m²K)]. Im Vergleich zu anderen Konstruktionen erreicht dieser zwar noch keinen Passivhausstandard, ist aber als energieeffizient einzustufen. Innenseitig wird in der Regel eine Lage Furnierholz aufgetragen, es können auf Wunsch aber auch alternative Innenoberflächen dementsprechend angepasst werden. Die Außenseite des Wandkerns

92

Installationsschicht im Wandaufbau.

Grundriss einer potenziellen Aufteilung.

Häuser und Hütten

93

Das Wikkelhouse wird in Segmenten gefertigt und auf der Baustelle zusammengesetzt (oben). Es kann auch als schwimmendes Ferienhaus fungieren, hier beim Transport und an seinem Ankerplatz im Hafen von Rotterdam (unten).

wird mit einer wasserdichten und zugleich diffusionsoffenen Folie überzogen und mechanisch befestigt. So kann kein Wasser von außen in die Konstruktion eindringen, aber Feuchtigkeit aus dem Bauteil heraus diffundieren. Dies vermeidet Schimmelbildung und strukturelle Schwächungen durch Feuchtigkeit im Wandkern. Den Abschluss bildet eine hinterlüftete Fassade, in der Regel aus horizontalen Holz-Lattungen. Diese bewahren die Konstruktion vor Regen,

6 BEISPIELE

Spritzwasser usw. Die dahinter zirkulierende Luft schützt die Konstruktion zusätzlich vor Feuchtigkeit. Holzelemente an den Rändern der Segmente ermöglichen das Verbinden der Segmente untereinander. Die Holzelemente sind bei jedem Segment identisch angeordnet, damit die verschiedene Segmentvarianten frei kombiniert werden können. Inklusive aller konstruktiven Elemente erreicht der Wandaufbau eine Dicke von

etwa 25cm. Durch die Form und den Herstellungsprozess des Wickelns ist der Aufbau der Dach- sowie der Bodenkonstruktion analog zum zuvor beschriebenen Aufbau. Als Fundament dienen Betonsockel, um das Wikkelhouse 50cm vom Boden abzuheben. Dies vermeidet Schäden an der Konstruktion durch aufsteigende Bodenfeuchte; sogar Überschwemmungen können dem Wikkelhouse nichts anhaben.

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Außenansicht.

Innenansichten.

Häuser und Hütten

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CARDBOARD SCHOOL

ARCHITEKT/ERFINDER: Cottrell & Vermeulen Architecture, Buro Happold Ingenieurbüro STANDORT: Westcliff-on-Sea, Großbritannien JAHR: 2001 VERWENDUNG: Schule KONSTRUKTIONSTYPOLOGIE: Scheibentragwerk FLÄCHE: 90m² GEPLANTE LEBENSDAUER: ca. 20 Jahre

Schematische Außenansicht.

0

3m

Schnitt.

Die Cardboard School ergänzte die Westborough Primary School in Westcliffon-Sea in Großbritannien um weitere Aufenthaltsräume. Da dieser Erweiterungsbau nur für einen Zeitraum von 20 Jahren angedacht war, bewilligte die Baubehörde einen Experimentalbau aus Papier, den die Architekten Cottrell & Vermeulen in Zusammenarbeit mit dem Ingenieurbüro Buro Happold planten. Der Fokus der Planung lag auf einer ressourcenschonenden und rückbaubaren Konstruktion, damit diese beim Abbau keinen allzu großen ökologischen Fußabdruck hinterlässt. Aus diesem

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Grund wählten die Planer als maßgebliches Konstruktionsmaterial Papier, das größtenteils aus Altpapier bestand und gut recycelt werden kann. Dieses Gebäude gilt als erstes dauerhaftes Papiergebäude, das in Europa gebaut wurde. Die Schulgemeinschaft wurde ebenfalls in den Planungsprozess und die Vorbereitungen einbezogen. Kinder sammelten Kartons und halfen beim Entwurf und der Entwicklung. Ziel war es, den Kindern das Thema des nachhaltigen Bauens nahezubringen und ein Gefühl der Eigenverantwortung zu erzeugen. Neben den Papierwerkstoffen wurden größtenteils

recycelte Bauwerkstoffe verwendet. Die Fundamente wurden so ausgelegt, dass im Falle eines Versagens der Papierkonstruktion neu darauf gebaut werden kann. Von der Idee bis zum fertig errichteten Gebäude vergingen zwei Jahre. Im ersten Jahr wurden Forschung und Planung betrieben. Anschließend folgten sechs Monate für den Bau von Prototypen in Originalgröße sowie weitere sechs Monate für den Bau des Gebäudes. Insgesamt unterstützten 21 verschiedene Hersteller und Lieferanten das Projekt durch kostenlose Materialien, Arbeit oder Fachwissen. Weitere finanzielle Unter-

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Außenansicht Vorderseite.

Innenansicht Multifunktionsraum.

Außenansicht Rückseite mit Falttüren.

Grundriss.

Häuser und Hütten

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Recyclingdiagramm.

stützung erfolgte durch die Forschungspartner, dem Cory Environmental Trust in Southend-on-Sea und dem DETR über das Programm Partners in Innovation. Die Gesamtkosten beliefen sich auf 177.157 Pfund. Zu Beginn des Projekts führte das Buro Happold eine Reihe von Tests zur Wasser- und Feuerbeständigkeit, Festigkeit, Kriechen und Haltbarkeit durch. Ein Ergebnis daraus war, dass ein Faktor von ungefähr 10% der Druckfestigkeit zusätzlich angesetzt werden sollte, um Verformungen durch Kriechen des Materials zu vermeiden. Feuertests zeigten, dass eine 5 mm dicke unbehandelte Vollpappe, die einem Flammenwerfer ausgesetzt wurde, eher verkohlte als verbrannte und somit eine natürliche feuerfeste Barriere bildete. Zudem erkannte man, dass konstruktiv wirksame Papierrohre vor Feuchtigkeit und erheblichen Temperaturschwankungen zu schützen sind, weshalb eine wasser- und

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feuerfeste Schicht aufgebracht wurde. Aus den Testergebnissen ergab sich eine Konstruktion, deren Tragstruktur aus Papierhülsen besteht und deren Räume von Elementen aus Wellstegpappen umschlossen sind. Zwei Innenwände setzen sich aus elf nebeneinanderstehenden Papierröhren zusammen, die die Holzbinderkonstruktion des Daches tragen. Weitere sieben Papierröhren stehen auf Abstand in einer Reihe und tragen die Lasten aus dem Dach ab. Die einzelnen Schichten der Wand- und Dachpaneele bestehen aus unterschiedlich dicken Papppaneelen, die im Wechsel aufeinanderfolgen: Zwischen den äußeren Schichten aus 4mm dicker Vollpappe liegen insgesamt drei 50mm dicke Wabenpappen, jeweils wiederum getrennt durch eine Lage Vollpappe. Dieser Aufbau erreicht einen U-Wert von 0,3W/m²K. Die miteinander verleimten Paneele liegen passgenau in einem Holzrahmen.

Ihre Größe ist herstellungsbedingt auf eine maximale Höhe von 2,7m und eine Breite von 1,5m begrenzt. Um das Kontaktrisiko mit Feuchte und Wasser zu minimieren, wurden die Paneele auf der Innenseite dampfdicht beschichtet und auf der Außenseite mit wasserfestem, aber diffusionsoffenem Baupapier versehen. So kann eventuell eindringende Raumluftfeuchte nach draußen aus dem Karton entweichen. Auf der Innenseite schützt die Lage aus 4mm dicker Vollpappe die Paneele hinreichend. Außenseitig erachtete man hingegen eine Bekleidung aus 16mm dicken Faserzementplatten als notwendig, um die  Wand- und Dachpaneele vor punktuellen Belastungen wie Hagelschlag zu schützen bzw. Beschädigungen beispielsweise durch spielende Schüler vorzubeugen. Vier Monate nachdem das Gebäude errichtet war, erkannte man an den Papprohren hier und da Verformungen. Es zeigte sich, dass für die seitliche

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Tragstruktur der Cardboard School: Papierröhren tragen die Holzbinderkonstruktion des Daches.

Detail der Verbindungselemente.

Detailschnitt First und Traufe.

Bewegung an der Oberseite der Wand das Austrocknen der Papierrohre ursächlich war, wodurch sich deren Abmessungen veränderten. Um die Außenwände auszusteifen, baute man innenseitig mehrere Trennwände ein, woraufhin keine weiteren Bewegungen mehr festzustellen waren. Außerdem wurde eine Durchbie-

gung von ca. 10–15mm bei Papierhülsen durch nachträgliches Trocknen festgestellt. Das ursprüngliche Ziel, ein Gebäude zu bauen, das zu 90% recycelt werden kann, machten jedoch das Betonfundament und die nötigen Holzelemente zunichte. Dennoch erhielt das Gebäude

aufgrund seines innovativen und nachhaltigen Materialeinsatzes einige Auszeichnungen wie den RIBA Award 2002, RIBA Stephen Lawrence Prize 2002 und RIBA Journal Sustainability Award 2002, Civic Trust Awards Commendation 2002.

Häuser und Hütten

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CARDBOARD HOUSE

ARCHITEKT/ERFINDER: Peter Stutchbury und Richard Smith, Ian Buchan Fell Housing Research Unit der Universität Sydney, Stutchbury and Pape Architects STANDORT: Sydney, Australien JAHR: 2004 VERWENDUNG: Wohnen KONSTRUKTIONSTYPOLOGIE: Scheibentragwerk FLÄCHE: 32,4m² und 7,2m² Zwischengeschoss GEPLANTE LEBENSDAUER: Temporär

Isometrie der Trägerkonstruktion.

Prinzipskizzen zum Entwurf.

Das Jahr 2004 wurde von der Commonwealth-Regierung in Australien zum Jahr der bebauten Umgebung (Year of the Built Environment YBE) erklärt. Eine der wichtigsten Veranstaltungen des YBE war die Ausstellung „House of the Future“, organisiert von der australischen Landesregierung von New South Wales. Die Ausstellung präsentierte sechs Konzepthäuser, hergestellt aus ganz unterschiedlichen Materialien: Es gab jeweils ein Haus aus Beton, Pappe, Glas, Ton, Stahl und Holz.

6 BEISPIELE

Das Cardboard House entwarf Peter Stutchbury und Richard Smith von Stutchbury and Pape Architects in Zusammenarbeit mit der Ian Buchan Fell Housing Research Unit an der Universität Sydney. Die Idee war, eine Konstruktion zu schaffen, die kostengünstig, leicht, einfach zu transportieren und zu montieren sowie recycelbar ist. Das provisorische Haus sollte zu 85% aus recycelten Materialien bestehen und nach seiner Nutzung vollständig wiederverwertet werden können.

Die Tragkonstruktion des Hauses bildeten sechs A-förmige Bögen aus recycelter Vollpappe. Die Bögen standen im Abstand von 1,8m nebeneinander und waren über horizontale Abstandshalter aus Karton miteinander verzahnt. Jeder Bogen setzte sich aus zwei 5,1m × 600mm × 60mm großen Streben und einer halbkreisförmigen Krone zusammen. Die horizontalen Pfetten bzw. Abstandshalter maßen 10,2m × 600mm × 60mm. Zur Aussteifung dienten 10mm VollkartonSicherungsplatten, 50mm PET-Rohre und

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Außenansicht.

Innenansicht.

Als Witterungsschutz für das Cardboard House diente eine Verkleidung aus Hartpolyethylen-Textil sowohl für den Schutz vor Regen als auch nachts vor Feuchtigkeit.

M12-Nylon-Gewindestangen. Die Kubatur wurde an den Fußpunkten mit Stahlklammern an Betonträgern befestigt. Den Witterungsschutz der Pappkonstruktion gewährte ein hochdichtes Hartpolyethylen-Gewebe, das die Konstruktion umhüllte und ebenfalls wiederverwertbar war. Das über die Abdeckung ablaufende Grauwasser wurde in unterirdischen Tanks gesammelt. Die innere Struktur des Hauses bestand aus einem offenen,

möblierten Raum im Erdgeschoss und einem Schlafraum im Zwischengeschoss. Serviceeinheiten wie Küche und Bad mit Komposttoilette ergänzten die Ausstattung. Die den Serviceeinheiten gegenüberliegenden Schwenktürpaneele erweiterten den Wohnraum durch zusätzliche Außenbereiche. Eine Photovoltaikanlage erzeugte 12V-Solarstrom. Da das gesamte Cardboard House lediglich ein Gewicht von rund 2000kg

hatte und demontiert ein flaches Paket ergab, genügte für den Transport ein leichtes Nutzfahrzeug. Um es aufzubauen, brauchte man zwar ein kleines Gerüst, aber keine weitere spezielle Ausrüstung. Binnen sechs Stunden konnte das Haus von zwei Personen zusammengebaut werden. Es stand insgesamt eineinhalb Jahre lang an drei verschiedenen Orten in Australien.

Häuser und Hütten

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KLUBHAUS HOCKEY & TENNIS CLUB RING PASS

Raumfachwerk im Gebäudeinneren.

ARCHITEKT/ERFINDER: Nils-Jan Eekhout, Octatube STANDORT: Delft, Niederlande JAHR: 2010 VERWENDUNG: Klubhaus mit Gemeinschaftsraum und Kinderbetreuung KONSTRUKTIONSTYPOLOGIE: Raumfachwerk aus Papprohren FLÄCHE: 128m² GEPLANTE LEBENSDAUER: Dauerhaft

Tuball-Knoten im Papprollen-Raumfachwerk.

Tuball-Verbindung für Papprollen-Raumfachwerk.

Das niederländische Design- und Ingenieurbüro Octatube hatte bereits bei mehreren Projekten mit Shigeru Ban zusammengearbeitet, bei denen Papprohre als konstruktives Element verwendet wurden. Basierend auf diesen Erfahrungen sowie auf dem an der TU Delft durchgeführten Forschungsprojekt „Cardboard in Architecture“ von Mick Eekhout entwarf Nils-Jan Eekhout,

6 BEISPIELE

technischer Direktor des Unternehmens, eine Raumfachwerkkonstruktion für die Erweiterung des Klubhauses des Hockeyund Tennisclubs Ring Pass in Delft. Die Vormontage der Konstruktion erfolgte in zwei Teilen von je 8×8m am Boden. Die Bauteile wurden dann angehoben und auf den Stahlsäulen entlang des Umrisses des Gebäudes positioniert. Getönte Glaspaneele umschließen das Raumfachwerk

und die Wände, während das Dach mit Sandwich-Metallwellblechen bedeckt ist. Die einzelnen Papprohre des Raumfachwerks sind über kugelförmige Tuball-Knoten miteinander verbunden. Dazu wurden an jedem Ende Flanschplatten mit Öffnungen für die Spannstäbe angebracht. Die Stäbe verlaufen durch die Papprohre und weisen an beiden Enden Gewinde auf, die mit Muttern an den

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Raumfachwerk im Gebäudeinneren.

Außenansicht.

beiden Flanschplatten festgezogen wurden, wodurch keine zusätzliche Verschraubung mehr nötig war. Dank dieser von Octacube entwickelten Lösung sind die Rohre nur Druckkräften ausgesetzt. Die mit Gummis abgedichteten Flansche verhindern, dass Feuchte in die Rohre eindringen kann. Aufgrund der hohen Dichte des Pappmaterials und einer Kohlenstoffschicht, die sich im

Brandfall auf der Oberfläche der Rohre bildet, erfüllt die Dachkonstruktion alle Brandschutzvorschriften. Da das Raumfachwerk aus Pappe selbst nicht der Witterung ausgesetzt ist, kann einzig die relative Luftfeuchtigkeit im Raum die Konstruktion bauphysikalisch beeinflussen bzw. gefährden. Um herauszufinden, wie man diesem Risiko am besten begegnet, hatte man die

Oberflächen der Papprohre in drei unterschiedlichen Varianten behandelt: Auf einige Papprohre wurden wärmeschrumpfende Polyethylenhüllen aufgezogen, andere wiederum hatte man an der Innen- und Außenseite lackiert, und einige wenige blieben einfach unbehandelt. Die Konstruktion wird regelmäßig auf ihre konstruktive Integrität hin geprüft.

Häuser und Hütten

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PH-Z2

ARCHITEKT/ERFINDER: Dratz & Dratz Architekten STANDORT: Essen, Deutschland JAHR: 2010 VERWENDUNG: Multifunktionaler Aufenthaltsort KONSTRUKTIONSTYPOLOGIE: Massive Konstruktion aus Altpapier-Mauerwerk FLÄCHE: 185m² GEPLANTE LEBENSDAUER: Temporär (3 Jahre)

Isometrie des Gebäudes.

Außenansichten.

PH-Z2 steht für Papierhaus Zukunftsweisend 2 und wurde aus dem 1.Preis eines Wettbewerbs mit dem Thema „mobile working spaces“ entwickelt. Das eingeschossige Gebäude von 39m Länge und mit den Funktionen Kino, Konzerte sowie Club- und Vortragsbereichen mit knapp 200 Plätzen bestand aus einem multi-

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funktionalen Raum. Der Multifunktionsraum war ca. 30 × 6,60m groß und hatte eine Höhe von 4,8m; ausgestattet war er mit Bar, Lager, Toiletten und Nebenräumen. Die Architekten Dratz & Dratz entwickelten und patentierten Bausteine aus gepresstem Altpapier. Der gepresste

Baustein aus ca. 1,4 × 1,1 × 0,8m großen massiven Papierblöcken wiegt eine halbe Tonne und ca. 550 davon wurden verbaut. Dies ergibt ein Gesamtgewicht von ca. 275 Tonnen. Durch das Pressen der Papierblöcke werden diese verdichtet und erreichen damit eine höhere Festigkeit sowie eine gewisse brandhemmende

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39.20 9.80

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6.14

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90 5 30 16

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80 80 80 80 80 80

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10 95

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80

8.80

6.60

1.10

29.40

Grundriss, Seitenansicht, Ansicht Abtreppung, Querschnitt, Ansicht Waldfenster, Längsschnitt.

Häuser und Hütten

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Innenansichten.

Funktion. Weiterhin wird durch die Dimension der Blöcke eine Dämmwirkung erreicht. Für den Feuchteschutz werden die Blöcke außen imprägniert. Das Ziel der Planung war eine kreislaufgerechte Konstruktion, bei der der Werkstoff nach der Nutzung wieder rezykliert werden kann. Die wesentlichen Merkmale der Konstruktion – tragend, dämmend, günstig und rezyklierbar – sind von außen ablesbar. Entsprechend wurde diese zum ersten

6 BEISPIELE

Mal angewandte Bauweise patentiert. Die einfach, günstig und schnell herzustellenden Papierblöcke wurden in Essen zum ersten Mal bei einem Gebäude eingesetzt. Die Baukosten betrugen 170.000 Euro. Zum Zweck der Prüfung der Festigkeiten wurden vom IKT (Institut für Unterirdische Infrastruktur gGmbH) Belastungsversuche durchgeführt. Die Ballen selbst wurden mit Stahlbändern verschnürt und müssen zum Zweck des späteren Recyclings entsprechend

der „Europäischen Liste der StandardAltpapiersorten“ zu 70% aus Vollpappe und Packpapier bestehen. Die Brandsicherheit wurde anhand von Versuchen überprüft, wobei aufgrund der Dichte der Papierblöcke meistens ein Glimmen, jedoch kein direkter Brandfortschritt zu beobachten war. Trotz dieser Versuche wurde die Halle bei einem Brand zerstört.

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Altpapierballenpressung durch Kanalpresse.

Belastungsversuch in hydraulischer Presse.

Kreislaufprinzip des PH-Z2.

Gestapelte Papierballen beim Aufbau.

Querschnittsuntersuchung zur Bestimmung der Wassereindringung.

Häuser und Hütten

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INSTANT HOME

ARCHITEKT/ERFINDER: Technische Universität Darmstadt, Fachbereich Architektur, Maschinenbau und Chemie, Entwurf Fachgebiet Plastisches Gestalten ORT: Darmstadt, Deutschland JAHR: 2012 VERWENDUNG: Forschungsprojekt KONSTRUKTIONSTYPOLOGIE: Gefaltete Struktur aus Plattenmaterialien FLÄCHE: 20m² GEPLANTE LEBENSDAUER: Temporär

Isometrie.

Explosionszeichnung Cardboard Container House.

„Instant Home“ ist der Name des interdisziplinären Forschungsprojekts der Fachbereiche Chemie, Architektur und Maschinenbau an der Technischen Universität Darmstadt. Das Projekt ist das erste interdisziplinäre Projekt im Bereich Bauen mit Papier und gilt als Grundstein für die weiteren Forschungsprojekte, darunter auch BAMP! – Bauen mit Papier. Aus dem Zusammenwirken der unterschiedlichen Disziplinen sollte ein die Fachbereiche übergreifendes Forschungs-

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vorhaben entstehen. Die Idee wurde bereits in der frühen Projektentwicklung skizziert und konkretisierte sich im Verlauf der Arbeit dahingehend, dass vollständig bioverträgliche Papierwerkstoffe eingesetzt werden sollten. Das Projekt startete 2011/2012 mit dem Ziel, schnell zu realisierende Unterkünfte für den Fall globaler Naturkatastrophen zu entwickeln. Ausgangspunkt war ein interdisziplinärer Studierendenwettbewerb mit der Aufgabe, ein Konzept für

eine einfache Behausung aus Papierwerkstoffen zu entwickeln. Bei vielen Entwürfen stand die Faltbarkeit des Baus im Vordergrund, um einen einfachen und schnellen Aufbau zu erzielen und den Vorteil von Papier – dessen Leichtigkeit – zu nutzen. Das Konzept Cardboard Container House wurde zur Weiterentwicklung ausgewählt und es wurde ein Prototyp geplant, um die Machbarkeit einer Serienfertigung zu prüfen und somit den großflächigeren

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Schemazeichnung.

Einsatz in Katastrophengebieten zu ermitteln. Zusammengefaltet ergibt die einfache Grundform ein platzsparendes Frachtgut, dessen Größe auf die Innenmaße eines ISO-Containers zugeschnitten ist. Scheiben oder Rippen sowie ein mittig angeordneter Raumtrenner dienen dazu, die Hülle in ihrer Form auszusteifen sowie die Wände und die Decke zu stabilisieren. Vertikale Rippen an einer Gebäudeseite, die untereinander wiederum mit horizon-

Modelle Instant Home.

Häuser und Hütten

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Funktionsschemata Cardboard Container House: isometrische Darstellung des Faltprinzips

Ansicht des Faltprinzips.

Teildemonstrator.

talen Rippen ausgesteift sind, verbessern die Standfestigkeit der langen Außenwände zusätzlich und verhindern Verformungen durch Knicken. Aus dieser statischen Notwendigkeit ergab sich nebenbei ein gestalterisches Element: ein Wandregal. Das Ein-Raum-Konzept wurde in Längsrichtung des 2,28×5,80m großen und

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2,20m hohen Moduls erschlossen. Die Außenbauteile des Hauses wurden in Längsrichtung symmetrisch aufgebaut. Im Packzustand verringern sich die Maße auf 0,31×5,80×2,20m. Dadurch können insgesamt sechs Module mit einem Standard ISO-Container transportiert werden.

Die Besonderheit des Gebäudes ist die gefaltete Fügung. Sie erfüllt das Grundprinzip des Instant Home, wonach das Haus einfach auf- und abbaubar sein soll und gut zu transportieren ist. Ein finaler Demonstrator des Containerhauses wurde 2014 als Teilmodell gebaut.

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Anordnung der gefalteten Häuser in einem Schiffscontainer.

Darstellung des Innenraums und Fußbodenaufbaus.

Modell Eckanschluss: Zwei Wände sind mittels Klebeband teilflexibel und aussteifend miteinander verbunden.

Häuser und Hütten

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STUDIO SHIGERU BAN KUAD

ARCHITEKT/ERFINDER: Shigeru Ban STANDORT: KUAD-Campus, Kyoto, Japan JAHR: 2013 VERWENDUNG: Universitätsatelier KONSTRUKTIONSTYPOLOGIE: Schalen(Bogen-)konstruktion aus Papprohren FLÄCHE: 142m² GEPLANTE LEBENSDAUER: Dauerhaft

Isometrie.

Axonometrie. Studio Shigeru Ban auf dem KUAD-Campus, Außenansicht.

2011 wurde Shigeru Ban zum Professor an der Kyoto Universität für Kunst und Design (Kyoto University of Art and Design – KUAD) berufen. Zwei Jahre später beschloss er, gemeinsam mit den Studenten ein temporäres Atelier auf dem KUAD-Campus zu bauen – einen Raum für Einzel- und Teamarbeit, Studium, Design und Modellbau. Das Atelier bestand aus einer bogenförmigen Schalenkonstruktion aus Papprohren und basierte auf einer Idee, die Ban bereits bei anderen Projekten wie dem Paper Arch Dome 1998, dem Ban Lab an der

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Universität Keio 2003 oder dem temporären Büro von Shigeru Ban Architects auf der Terrasse im sechsten Stock des Centre Georges Pompidou in Paris 2004 verwendete. Das Atelier auf dem KUADCampus hat eine Grundfläche von 11,7×12,1m und gründet auf einer Betonplatte. Entlang der beiden Seiten der Schale verläuft auf einem Betonsockel jeweils ein 250×250mm großer Stahl-H-Träger, an denen die Papprohrbögen befestigt sind. Die insgesamt zwölf Bogenträger setzen sich aus jeweils 1,86m langen Papprohren

zusammen, die einen Innendurchmesser von 170mm und eine Wandstärke von 3,5mm aufweisen. Fünf Reihen quer verlaufender Papprohre (Länge pro Rohr = 850mm) desselben Typs verbinden die Bögen untereinander. So entstand ein Schalenraster von 2,2×1,2m. Dieses Papierrohrgitter überzieht eine Unterkonstruktion aus Holzlatten, auf denen Sperrholzplatten befestigt sind, die für die konstruktive Steifigkeit der Schale sorgen. Die in die Platten eingeschnittenen, kreisförmigen Löcher (ø 750mm) lassen das Tageslicht durch die translu-

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Stahlverbindungsdetail: Am Ende eines jeden Rohres befinden sich Holzeinsätze mit Stahlplatten, die die Elemente durch jeweils zwei vorgespannte Stahlstäbe verbinden. Bogenkonstruktion aus Papprohren, hier mit Metallknoten.

Modell der Stahlverbindung.

zente Dämmschicht schimmern und reduzieren das Gewicht der Holzplatten. Zudem konnten die Studenten für die Montage so die jeweils nächsten Elemente erreichen und befestigen, ohne auf das Dach klettern zu müssen. Als wetterschützende Dachhaut dient eine PVC-Plane, die über den Polystyrol-Dämmplatten verlegt ist, die wiederum auf den Sperrholzplatten aufliegen. Die im Querschnitt dreieckigen Stützen an den unteren Enden des halbkreisförmigen Daches nutzen die Studenten als Stauraum. Die Giebelwände setzen sich aus

Holzrahmen zusammen, die mit lichtdurchlässigen Kunststoffwellplatten bekleidet sind, um den Tageslichteinfall zu gestatten. Den Eingang in der Mitte der Giebelwände bilden jeweils zwei aufgestellte Lagerboxen mit Türen dazwischen. Im Gegensatz zu früheren Projekten mit Bogenkonstruktionen, bei denen die Papprohrverbindungen aus Holz bestanden, verwendete Shigeru Ban für sein Studio-Projekt Metallknoten. Die Papprohre, aus denen sich die Bögen zusammensetzten, wurden mit Holzeinsätzen

verschlossen und mit Stahlplatten abgedeckt. Im Inneren jedes Rohres befinden sich zwei vorgespannte Stahlstäbe, die an den Enden jeweils eine Metallverbindung bilden, um die Konstruktion zu versteifen und Verformungen bei plötzlichen Laständerungen durch Wind oder Schnee zu verhindern. Die quer verlaufenden Papprohre sind über Holzzapfen miteinander verbunden.

Häuser und Hütten

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HOUSE OF CARDS

ARCHITEKT/ERFINDER: Jerzy Łątka (archi-tektura.eu) KONSTRUKTION: Julia Schönwälder TECHNISCHE BERATUNG: Marcel Bilow STANDORT: Breslau (Wrocław), Polen JAHR: 2016 VERWENDUNG: Temporäres Wohnen KONSTRUKTIONSTYPOLOGIE: Rahmenkonstruktion FLÄCHE: 16m² GEPLANTE LEBENSDAUER: Temporär (18 Monate)

Isometrie und Grundriss der Papierkonstruktion.

Das House of Cards gehört zu dem Typus der Notunterkünfte, die Menschen in schwierigen Lebenssituationen ein Dach über dem Kopf bieten. Die temporär ausgelegte Rahmenkonstruktion aus Pappe eignet sich aber auch als kostengünstige und umweltfreundliche Wohnlösung an jedem Ort auf dieser Welt. Das Projekt wurde auf der Grundlage früherer Forschungsarbeiten über papierbasierte Wohneinheiten (TECH = Transportable Emergency Cardboard House) entwickelt und in enger Zusammenarbeit mit der Ingenieurin Julia Schönwälder ausgearbeitet. House of

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Cards gewann den FutuWRO-Wettbewerb im Rahmen des Programms der Europäischen Kulturhauptstadt Breslau 2016. Das Konzept umfasste zwei Wohneinheiten mit unterschiedlich großen Spannweiten von jeweils 2,6 und 4,3m. Der konstruktive Aufbau der beiden Einheiten bestand aus einer T-förmigen Rahmenkonstruktion aus Pappe, ausgefüllt mit sich wiederholenden vorgefertigten Sandwichpaneelen aus Wabenpappen (Format 1,1×2,2m) und Dachpaneelen. Letztere variierten abhängig von der Dachneigung und -größe. Die Längsabmessungen der Einheiten sind variabel anpassbar, je

nach Anzahl der Bauelemente. Die räumlich unterschiedlich angeordneten Einheiten passen zu verschiedenen Bewohnertypen, beispielsweise einer Gruppe von Arbeitern oder mehreren Familien. Die kleinere Einheit war während des Programms Kulturhauptstadt Europas 2016 auf dem Großen Ring, dem historischen Marktplatz von Breslau, ausgestellt. Die Umsetzung des Projekts erfolgte in Zusammenarbeit mit der Breslauer Universität für Wissenschaft und Technik, deren Studenten am Bau beteiligt waren. Marcel Bilow von der

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Außenansicht.

Häuser und Hütten

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House of Cards auf dem Großen Ring in Breslau, 2016, Außenansicht.

Architekturfakultät der TU Delft fungierte als technischer Berater während des Produktionsprozesses. Der vorgefertigte, 2,6×6m große Holzboden des House of Cards lag auf einem 14×14cm dicken Fundamentbalken mit Holzfüßen auf. Wände und Dachrahmen bestanden aus 200×100mm Vollpappe-T-Profilen mit einer Wandstärke von 10mm. Zwischen den Rahmenelementen wurden die Wabenverbundplatten eingebaut, die die gesamte Konstruktion stabilisierten. Die Montage der Paneele erfolgte von außen, diese

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konnten somit jederzeit gewartet oder ausgetauscht werden. Das konstruktive Volumen bestand zu 70% aus Kartonelementen. Eine Polyethylenfolie schützt außenseitig die Wandelemente aus Wabenkartonplatten, ergänzt um eine selbstklebende PVC-Folie. Die runden Fenster entstammen großen Papprohren, die mit Flüssigkautschuk abgedichtet wurden. Auf dem Satteldach stellen Photovoltaikmodule in Kombination mit einer Batterie genug Solarstrom bereit, um bei schlechtem Wetter eine LED-Beleuchtung 48 Stunden

lang mit Energie zu versorgen. House of Cards wurde zwei Wochen lang auf dem Großen Ring in Breslau präsentiert und dann auf den Campus der Architekturfakultät der Universität für Wissenschaft und Technologie Breslau (Wrocław University of Science and Technology – WUST) transportiert, wo die Konstruktion die nächsten 18 Monate beobachtet wurde. Nach dieser Zeit musste das Gebäude wegen der Sanierung des Campus abgerissen werden.

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Innenansicht.

Detail der Verbindung zwischen Rahmenelement und Wabenwandpaneel.

Häuser und Hütten

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TECH 04

ARCHITEKT/ERFINDER: Jerzy Łątka (archi-tektura.eu) STANDORT: Breslau (Wrocław), Polen JAHR: 2018 VERWENDUNG: Notunterkunft und sonstiges Wohnen KONSTRUKTIONSTYPOLOGIE: Scheibentragwerk FLÄCHE: 16m² GEPLANTE LEBENSDAUER: Temporär

2,15

3,20

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Isometrie.

Grundriss und Schnitt.

Die vierte Generation von TECH (kurz für: Transportable Emergency Cardboard House) entwickelten Agata Jasiołek und Prof. Mick Eekhout, gebaut wurde das Projekt mit Studenten der Universität für Wissenschaft und Technologie in Breslau (Wrocław). Die flachen und vorgefertigten Elemente des 4,8×3,2m großen Hauses wurden zur Baustelle transportiert und vor Ort mit Hilfe von Basiswerkzeugen wie Bohrmaschine, Schraubendreher und Hammer montiert. Die Konstruktion ist eine Komposition aus vorgefertigten Holzbodenelementen, langen faltbaren Wand-Dach-Wand-Bauteilen und Giebelwänden. Die jeweils

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7,1×1,25m großen Wand-Dach-WandSandwichpaneele bestehen aus einem Wabenplattenkern, auf den beidseitig je vier Lagen Wellpappe aufgebracht sind. Nach außen schließen diese knickbaren Paneele mit Aluminiumblech und innenseitig mit selbstklebender Folie ab. Den Berechnungen zufolge weisen die Bauteile einen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten (U-Wert) von 0,52 W/(m2K) für die Wände, 0,54 W/(m2K) für das Dach auf. Die gezielte Faltung des langen WandDach-Wand-Paneels ermöglichen zwei Einkerbungen. Bei der Montage wird zunächst eine Kante auf dem Holzboden befestigt, dann wird es gefaltet und auf

der anderen Seite des Holzbodens befestigt. Ein zweites Bauteil wird daneben montiert. Die Aluminiumbleche überlappen sich und fungieren als Verbindungsstreifen. Zum Schluss werden die vorderen und hinteren Giebelwände angebracht und mit Schrauben fixiert. Das fertige Haus wurde eineinhalb Jahre lang auf seine konstruktive Integrität und Wärmedämmung hin beobachtet. Untersuchungen mit der Wärmekamera zeigten die thermische Undurchlässigkeit der Verbindungen zwischen den TECH 04-Komponenten.

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TECH 04, Breslau, 2018, Außenansicht mit Eingang.

Aluminiumblech aluminum Wellpappecardboard corrugated Wabenplattenkern honeycomb panel Wellpappecardboard corrugated self-adhesive foil Folie Selbstklebende

0,60,6 mmmm 4 ×4x7m m 7 mm 2 ×2x2525mmm m 4 ×4x7m m 7 mm

bolt 4x30 Bolzen 4 × 30mm

Detail der Gebäudehülle und Faltverfahren.

Außenansicht Rückseite.

Häuser und Hütten

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HOUSE 01

ARCHITEKT/ERFINDER: BAMP!, Technische Universität Darmstadt ORT: Darmstadt, Deutschland JAHR: 2018 VERWENDUNG: Forschungsdemonstrator KONSTRUKTIONSTYPOLOGIE: Skelettkonstruktion FLÄCHE: ca. 16m² GEPLANTE LEBENSDAUER: Temporär

Axonometrie.

Grundrisse, Schnitte und Isometrien der Trägerkonstruktion.

Das House 01 entstand 2018 als erster Großdemonstrator des Forschungsprojekts BAMP! – Bauen mit Papier. Das interdisziplinäre Team von Wissenschaftlern begann seine Forschungsarbeit mit der Planung architektonischer Konstruktionen und Details für Demonstratoren aus Papierwerkstoffen. Von den experimentellen Aufbauten erhoffte man sich entscheidende Erkenntnisse zur Verwendbarkeit von aktuell verfügbaren Materialien aus Papier und Karton im Bauwesen.

6 BEISPIELE

Im Sinne einer systematischen Annäherung an eine Struktur aus Papier standen zunächst Überlegungen zu Details und Aufbauten mit papierbasierten Produktions- und Gestaltungsmethoden im Vordergrund. Konstruktionsprinzipien und Details wurden im 1:1-Maßstab ausprobiert und es wurde eine theoretisch-konzeptionelle Reihe von Entwürfen zu Hausdemonstratoren definiert, die auf verschiedenen Konstruktions- oder Baumethoden basierten. Zudem wurden unterschiedliche Anforderungen an die

Planung und Konstruktion gestellt. Zwei erste Häuser wurden aufbauend auf handelsüblichen Papierwerkstoffen entwickelt: House 01 und House 02 » S. 122–123 als einfache Haus-Archetypen, mit rechteckigem Grundriss und Steildach in Form eines Satteldachs mit 35° bis 45° geneigten Dachflächen. Als Konstruktionsmethode für das House 01 wurde eine Skelettbauweise gewählt. Das Tragsystem des Demonstratorhauses besteht aus Papierhülsen, die Gebäudehülle aus Wabenplatten mit Verbindungs-

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Demonstrator im Bau: Die Hülsen der Skelettkonstruktion sind durch Steckverbindungen fixiert. Mehrlagige Wabenplatten bilden die Außenhaut.

elementen aus MDF, die zudem das Haus im Fundament aus Holzwerkstoffen verankern. Die theoretische und praktische Entwicklung zum House 01 fokussierte sich auf die Dimensionierung hinsichtlich Eigenlasten, zielte auf eine einfache Elementierbarkeit des Baus ab und damit auf einen schnellen Aufbau mit einheitlichen Materialien. Ein besonderes Augenmerk lag bei der Planung von House 01 auf der Entwicklung der Knotenpunkte im Gefüge des Baus sowie auf den Berechnungen der Stützen und Träger. Als Fügetechnik entschied sich das BAMP!-Team für Steckverbindungen mit leichten Kreuzzapfen, die die Hülsen mittels Reibung verbinden. So brauchte es keine konventionellen Verbinder wie Schrauben, Nägel und Verklebungen. Die gewählte Skelettkonstruktion gab vor, dass die Hülsen an

ihren Enden – also in den entstehenden Knotenpunkten – mittels Steckverbindungen in drei bis vier Richtungen untereinander gefügt werden und damit das System geschlossen und stabil wird. Der Aufbau erfolgte schrittweise: Zunächst waren die Stützen in den Boden einzuspannen, dann wurden die weiteren vorelementierten Rahmen sukzessive angefügt und über die einrastende Steckverbindung fixiert. Das Gesamtgefüge der Stützen und Träger aus Hülsen bildet die Hauptkonstruktion, umhüllt von einer außenliegenden Schicht aus mehrlagigen Wabenplatten, die an den Hülsen befestigt sind. Den Hülsen wurden für die Konzeptfindung im Simulationsprogramm reale Versuchsdaten hinterlegt, um so die Statik des Gebäudes zu berechnen. Dabei lag der Fokus darauf, grundlegende Erkenntnisse zum Material für die

Berechnung von anderen Elementen aus Papier zu gewinnen. Das Entwickeln und Berechnen der Konstruktion brachte wichtige Erkenntnisse zu den Hülsenaufbauten, insbesondere hinsichtlich Wicklungen und Verklebungen sowie deren Relevanz in Bezug auf statische Eigenschaften. Aus House 01 entwickelte das Team Knotenpunkte, die insbesondere die Fügung und den Zusammenbau des Objekts im räumlich begrenzten Forschungsatelier und damit grundsätzlich unter beengten Bedingungen ermöglichte. Das „Schlüssel-Schloss“Stecksystem ist ein modellhaftes Beispiel. Im Nachgang zu der Realisierung und der Auswertung des Projekts hat das Team BAMP! die Forschungen zu alternativen Knotenpunkten ausgeweitet » Abschnitt „Verbindungen für Rahmenkonstruktionen“, S. 61–63.

Häuser und Hütten

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HOUSE 02

ARCHITEKT/ERFINDER: BAMP!, Technische Universität Darmstadt ORT: Darmstadt, Deutschland JAHR: 2019 VERWENDUNG: Forschungsdemonstrator KONSTRUKTIONSTYPOLOGIE: Massivbau FLÄCHE: ca. 16m² GEPLANTE LEBENSDAUER: Temporär

Isometrie der Außenhülle.

Explosionszeichnung eines Bauteilsegments von BAMP! House 02 mit detaillierter Darstellung der einzelnen Schichten und Verbindungselemente.

Nach den ersten Erfahrungen bei House 01 mit Papierhülsen im Sinne des Leichtbaus mit linearen Bauteilen (Skelettkonstruktion) lag der Fokus bei dem Folgeprojekt House 02 bei flächigen Papierwerkstoffen mit Wabenkartons bzw. kaschierten Wellplatten. Die Grundkonstruktion dieses zweiten Prototyps sollte vergleichbar mit dem des ersten BAMP! Demonstrators House 01

6 BEISPIELE

» S. 120–121 sein. Somit folgt auch House

02 der Idee eines einfachen, rechteckigen Grundbaus mit Satteldach. Neben der Materialwahl ging es bei der Entwicklung für die optimale Konstruktion auch darum, die auf das Gebäude einwirkenden Eigen-, Wind- und Schneelasten zu berücksichtigen. Über die Konstruktion und die Fügung der Teile sollte dann eine Statik berechnet werden.

Die Vorgehensweise des Aufbaus, insbesondere die Elementierung und Fügung der vielen Einzelteile, basiert auf dem Prinzip der Schichtung von Wabenplatten. Oberste Prämisse für die Entwicklung der Struktur waren die statisch-konstruktiven Parameter. Entnommen wurden die Wabenplatten aus Großplatten, wobei nur ein geringer Verschnitt anfiel, da die Konturen der

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Planung BAMP! House 02, Darstellung des Aufbaus eines Bauteilsegments (oben), verschiedener Bodenaufbauten (links und Mitte), Schnitt und Grundriss (Mitte), Außenhaut als Wetterschutzschicht (rechts).

Häuser und Hütten

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Bau des Demonstrators: Die Tragstruktur wird aufgebaut.

Innen- und Außenseiten bei den Wabenplatten parallel waren. Die Wände sind insgesamt ungefähr 20cm breit und ergeben eine nahezu monolithisch aufgebaute Schicht mit zwei offenen Schnittkanten in zwei Richtungen. Die Schichten der Wände und Dächer wurden um wenige Zentimeter gegeneinander versetzt, um den Materialeinsatz zu optimieren. Durch den Versatz entstehen Vor- und Rücksprünge sowohl an der Innen- als auch an der Außenoberfläche der Rahmen-Tragelemente. Dadurch ist es möglich, an der stabilen, flächigen Seite der Wabenplatten Ankerungspunkte für mögliche Innen- und Außenschichten aufzubringen.

6 BEISPIELE

Mit einer CNC-Fräse wurden die Elemente aus 2,38×1,6m großen Platten zugeschnitten. Der Schichtquerschnitt liegt bei 3 und 4cm starken Platten. Die Einzelelemente wurden ausgeschnitten und mit Lochungen von 5 cm versehen, um dort die Fügeelemente und Rohr- wie Kabelkanäle unterzubringen. Jeder Rahmen besteht aus sechs Einzelteilen. Die Stöße dieser Rahmen sind in jeder Schicht um ca. 50cm versetzt zur darauffolgenden Schicht, um durchgängige Fugen und Schwachstellen zu vermeiden. Die vorgeschnittenen Elemente aus Wabenkernplatten wurden in Schichten miteinander verleimt. Ein ausgekreuzter und damit aussteifender Holzrahmen, der

als Montagehilfe diente und Toleranzen im Aufbau vermied, hielt die Form beim Zusammenbau stabil und erleichterte nach Fertigstellung das Aufstellen des Elements. Die Montage begann im liegenden Zustand. Durch die gefrästen Löcher wurden die einzelnen Rahmenelemente mit Hülsen verbunden. Diese Hülsen ermöglichten die schichtweise Fügung und stellen zudem die horizontale Verbindung dar. Der Demonstrator wurde 2021 im Rahmen der Installation „Building with Paper“ auf der Architekturbiennale Venedig ausgestellt.

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Gebauter Demonstrator des Rahmen-Tragwerks eines Bauteilsegments von BAMP! House 02.

Der Demonstrator auf der Biennale Venedig 2021.

Ausstellung Biennale Venedig 2021.

Häuser und Hütten

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NOTUNTERKÜNFTE AUS PAPIER

ARCHITEKT/ERFINDER: Institut für Statik und Konstruktion, TU Darmstadt STANDORT: Darmstadt, Deutschland JAHR: 2020 VERWENDUNG: Notunterkunft oder temporäres Wohnen KONSTRUKTIONSTYPOLOGIE: Rahmenkonstruktion FLÄCHE: 16m² GEPLANTE LEBENSDAUER: Temporär (18 Monate)

Isometrie der Papierkonstruktion.

Die Notunterkünfte aus Papier sind das Ergebnis von Forschungsarbeiten des BAMP!-Teams und der PapierbauForschergruppe des Instituts für Statik und Konstruktion der TU Darmstadt. Ziel des Notunterkünfte-Projekts war es, eine Modulbauweise mit handelsüblichen Papierwerkstoffen zu entwickeln, die dem aktuellen Stand der Technik entspricht. Das Pilotprojekt soll demonstrieren, dass Papierkonstruktionen sehr leistungsfähig sind und sich gerade wegen ihrer Einfachheit für den temporären Wohnungsbau im großen Stil eignen.

6 BEISPIELE

Im Falle von Ereignissen wie Erdbeben, Überflutungen und anderen Naturkatastrophen besteht ein großer Bedarf an temporärem Wohnraum. Derlei Unterkünfte müssen den Bewohnern rasch Schutz bieten, leicht zu transportieren und schnell aufzubauen sein. Um Ressourcen zu schonen, ist es zudem wichtig, dass die Baumaterialien wiederverwertet werden können. Die Hülle der Notunterkunft erfüllt durch ihren mehrschichtigen Aufbau alle geforderten Funktionen eines modernen Gebäudes. Die Aspekte Transport,

Konstruktion und Verbindung wurden so einfach wie möglich gehalten, damit auch ungelernte Arbeiter die Notunterkunft vor Ort und ohne komplexe Hilfsmittel montieren können. Hinsichtlich der architektonischen Gestaltung spiegelt die Notunterkunft den Archetypus eines Hauses wider, da das Satteldach nahezu kulturunabhängig als bildhafte Assoziation des Wohnens verstanden wird. Die Module basieren auf einem holztypischen Rastermaß von 125cm und können zu unterschiedlichen Hausgrößen

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Anordnung der Konstruktionssegmente zur Erstellung der Module.

Gebauter Demonstrator.

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Verschiedene Module mit Wohnräumen, die frei kombinierbar eine an die jeweiligen Bedürfnisse angepasste Notunterkunft bilden können.

miteinander kombiniert werden. Sie beinhalten verschiedene Wohnformen bei reduziertem Platzbedarf. Es gibt Endmodule, mit denen die Stirnseiten geschlossen werden können. Sie enthalten auch die Fenster und die Eingangstüren zu den Wohneinheiten. Das Modulsystem bedient additiv die verschiedenen Wohnfunktionen. Die massive Papierkonstruktion besteht aus vorgefertigten Segmenten, die aus mehrschichtigen Laminaten aufgebaut sind und eine Dicke von 25–30cm aufweisen. Sie können mit Pappen unterschiedlicher Beschaffenheit kombiniert werden. Die Auswahl und Anordnung dieser Pappen hängen maßgeblich von den

6 BEISPIELE

äußeren Einflüssen und den zu erfüllenden Funktionen ab. Überwiegend besteht der Aufbau – je nach Volumen – aus Wellpappe, deren kleinzellige Struktur sehr gut dämmt und ausgesprochen tragfähig ist. Der dreilagige Aufbau der Wandsegmente setzt sich zusammen aus der inneren und äußeren Schutzlage mit innenliegendem Kern. Während die Schutzschichten die Konstruktion vor Umwelteinflüssen schützen, dient die Kernschicht in erster Linie der Stabilität der Konstruktion. Sie wird als Einzige für die statischen Berechnungen herangezogen und besteht selbst aus mehreren Lagen Well- und Vollpappe sowie einem Kern aus Wabenpappe. Die in ihrem Aufbau symmetrischen Schutz-

lagen bestehen ebenfalls überwiegend aus Wellpappe und sind mit brandhemmender Vollpappe abgedeckt. Bei den Bodensegmenten sind die Biegesteifigkeit des Bauteils und die Beständigkeit gegen aufsteigende Feuchtigkeit entscheidend. Anders als bei den Wänden macht hier nicht die Wellpappe, sondern die Wabenpappe den größten Teil des Volumens aus. Ihre orthogonal zur Segmentrichtung verlaufende Zellstruktur gewährleistet eine hohe Drucksteifigkeit in Dickenrichtung der Platte. Die wasserabweisende Pappe auf der Innen- und Außenseite der jeweiligen Segmente vermeidet zuverlässig Feuchtigkeitsschäden. Die vorproduzierten Segmente sind über ein Nut- und Federsystem miteinander

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Aufbau des Wandkerns der Demonstratormodule: konstruktiv wirksame Kernschicht mit innerer und äußerer Schutzlage.

verbunden. Dabei übernimmt die Mittellage die Funktion der Feder, während die Schutzlagen die Nut bilden. Diese an sich kraftschlüssige Verbindung wird durch Schraubverbindungen, ähnlich Möbelverbindern, gefestigt bzw. fixiert. Zudem schützt eine hinterlüftete Fassade aus polyethylenversiegelten Pappschindeln vor Witterungseinflüssen, Spritzwasser, UV-Strahlung und anderen Umwelteinflüssen. Die im Hohlraum zirkulierende Luft lässt eventuell anfallende Feuchte verdunsten. Im Schadensfall lassen sich einzelne Schindeln ohne großen Aufwand austauschen.

Hinterlüftete Wetterschutzschicht aus polyethylenversiegelten Pappschindeln.

Häuser und Hütten

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CARDBOARD THEATRE APELDOORN

ARCHITEKT/ERFINDER:  Hans Ruijssenaars, ABT Building Technology Consultants STANDORT: Apeldoorn, Niederlande JAHR: 1992 VERWENDUNG: Theater KONSTRUKTIONSTYPOLOGIE: Schalenkonstruktion aus Wellpappe FLÄCHE: 240m² GEPLANTE LEBENSDAUER: Temporär (sechs Wochen)

Isometrie der Trägerkonstruktion.

Querschnitt.

Anlässlich der 1200-Jahr-Feier der Stadt Apeldoorn erhielt Prof. Hans Ruijssenaars von der TU Eindhoven den Auftrag, ein temporäres Theater zu entwerfen. Das Material der Wahl war Karton, da Apeldoorn in der Nähe der waldreichen Region Veluwe liegt, in der die Papierherstellung Tradition hat. Ruijssenaars schlug eine zylindrische Bauform vor, die aus Wellpappenelementen bestehen sollte, allesamt gefügt zu einem Dreiecksgitter und mit dreieckigen Wellpappepaneelen abgedeckt. Diese zylindrische Hülle überspannte eine Fläche von 12×20,5 m und konnte bis zu 200 Besucher aufnehmen. Die Kartonkonstruktion wog nur 1500kg. Jedes der

6 BEISPIELE

konstruktiven Bauteile bestand aus sieben Lagen laminierter Wellpappe mit zusätzlichen Hartkartoneinlagen an beiden Enden. Jeweils sechs der 1,2m×350mm großen und 35mm dicken Elemente wurden mit einer Holzscheibe und einer Schlauchschelle zu einem Knoten verbunden. Die Nähte des so entstandenen Gitters aus dreieckigen Wellpappepaneelen wurden mit Klebeband abgeklebt. Für die Montage der Schalenkonstruktion brauchte es nur Hammer und Schraubenzieher. Die Konstruktion wurde auf vorgefertigte Betonplatten montiert. Eine wasserabweisende Gewebeplane überspannte die zylindrische Hülle – sie war ebenfalls in

den Betonplanken verankert und verhinderte somit, dass die ausgesprochen leichte Konstruktion weggeblasen wurde. Die Plane befestigte man an den Oberseiten der Knoten, damit sie nicht direkt auf den Pappplatten aufliegt und Kondensat diese durchfeuchtet. Das Cardboard Theatre Apeldoorn war sechs Wochen lang für die Öffentlichkeit zugänglich; danach wurde die Konstruktion größtenteils recycelt. Das Projekt von Hans Ruijssenaars war ein frühes Beispiel, bei dem Kartonelemente für eine Schalenkonstruktion mit relativ großer Spannweite verwendet wurden.

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Grundriss.

Die Kartonkonstruktion des Cardboard Theatre Apeldoorn wurde durch eine Gewebeplane abgedeckt.

Innenansicht.

Detail des Verbindungsknotens.

Pavillons

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JAPANISCHER PAVILLON (EXPO 2000)

Isometrie der Trägerkonstruktion.

Das Thema der Hannover Expo lautete: „Mensch – Natur – Technik: Eine neue Welt entsteht.“ Im Gegensatz zu früheren Jahren, in denen die Ausstellungen die neuesten technologischen Errungenschaften präsentierten, konzentrierte man sich im Jahr 2000 auf die Zukunft des Planeten und folgte dabei den Zielen des Aktionsplans Agenda 21, wie er auf dem Umweltgipfel von Rio de Janeiro 1992 definiert wurde. Die Expo eröffnete am 1. Juni und zählte bis zum Finale am 31. Oktober 2000 rund 18 Millionen Besucher. Eines der ausgestellten Projekte war der Pavillon aus Papprohren von Shigeru Ban.

6 BEISPIELE

ARCHITEKT/ERFINDER: Shigeru Ban, Frei Otto, Buro Happold STANDORT: Hannover, Deutschland JAHR: 2000 VERWENDUNG: Ausstellungspavillon KONSTRUKTIONSTYPOLOGIE: Schalenkonstruktion aus Papprohren FLÄCHE: 3090m² GEPLANTE LEBENSDAUER: Temporär (fünf Monate)

Japanischer Pavillon bei Nacht.

Ursprünglich plante Ban eine Bogenschalenkonstruktion ähnlich dem bogenförmigen Paper Arch Dome von 1998 oder dem Studio Shigeru Ban auf dem KUAD-Campus » S. 112–113. Hierfür wäre jedoch eine große Anzahl von kostspieligen Holzverbindungselementen benötigt worden. Daher entschied man sich für eine ökologische und ressourcenschonende Konstruktion, die weitgehend aus Papprohren bestehen und fast komplett recycelfähig sein sollte. Tragwerksplaner Frei Otto entwickelte eine dreidimensionale Gitterkonstruktion aus langen Papprohren, die sich überlappen und eine Maschenweite von 1m ergeben

würde. Der schlussendlich umgesetzte Pavillon war 73,5m lang, 25m breit und fast 16m hoch. Für den Aufbau hatte man vorgesehen, die Konstruktion aus 440 Papprohren, alle jeweils 40m lang und 120mm im Durchmesser (Wanddicke: 22mm), flach auf dem Boden zu einem Gitter zu fügen, das anschließend über ein Gerüstsystem hochgezogen werden sollte. Mit diesem Vorgehen erreichte die Schale die gewünschte doppelt gekrümmte Form und somit ausreichende Steifigkeit. Aufgrund der beschränkten Transportmöglichkeiten teilte man die 40m langen Papprohre in zwei Hälften zu je 20m und verband sie

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Das Modell der Gitterschalenkonstruktion des Pavillons bei der Ausstellung in Mito, 2013.

Explodierte Axonometrie, Lagen von unten nach oben: Stahlrahmenfundament, Schicht aus Papprohrgitter und Giebelwänden, 3×3m Holzgitter, Außenmembran.

mit einem Holzeinsatz. Tests ergaben, dass 120mm der maximale Durchmesser war, um die Rohre für den erforderlichen Radius von 10m biegen zu können. Da sich Papprohre verdrehen und eine leichte S-Kurve annehmen, wenn sie gestaucht werden, musste die Verbindung zwischen den Rohren eine dreidimensionale Bewegung und Rotation ermöglichen. Diese Anforderung löste man mit einem Gewebeband. Frei Otto hatte vorgeschlagen, die Konstruktion um Holzleitern zu ergänzen, die alle 3m über den Pavillon verlaufen. Die Leitern wurden durch gebogene horizontale Brettschichtholzlatten

Verbindungsdetail im Gitterschalenmodell des japanischen Pavillons bei der Ausstellung in Mito, 2013. Die Verbindung der Rohre beim realisierten Gebäude mittels eines Gewebebands erlaubte die dreidimensionale Bewegung.

miteinander verbunden, sodass ein Holzgitter im Raster von 3×3m entstand. Dieses Gitter diente zur Befestigung der Außenhaut und erleichterte den Bau und die Wartung. Das Buro Happold fügte eine 8 mm schlanke Edelstahl-Seilverstrebung in diagonaler Richtung hinzu, die an dem Holzgitter befestigt wurde und eine freie dreidimensionale Bewegung der Papprohre ermöglichte. Ein Acryllack schützte die Papprohre vor Feuchte. Die innere Membran unterhalb der Papprohre bestand aus fünf Schichten flammsicherem Polyethylen, nicht brennbarem Papier und einem Glasfasergewebe. Für die Außenhaut wählten die

Planer ein transparentes, mit PVC beschichtetes Polyestergewebe. Die Gitterschale aus Papprohren ruhte auf mit Sand gefüllten Stahlrahmen-Fundamentkästen. An den beiden Enden schlossen jeweils halbkreisförmige Holzbögen die Konstruktion ab. Die Giebelwände bestanden aus dreieckigen Sperrholzplatten, Wabenkarton und einer Papiermembran, die mit diagonal verlaufenden Stahlseilen im Winkel von 60° zum Fundament verstärkt worden war. Der japanische Pavillon war damals das größte Bauwerk in der Geschichte der Papierarchitektur und ein Meilenstein in ihrer Entwicklung.

Pavillons

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PAPER THEATRE IJBURG

ARCHITEKT/ERFINDER: Shigeru Ban Architects, Octatube STANDORT: Amsterdam und Utrecht, Niederlande JAHR: 2003 VERWENDUNG: Theater KONSTRUKTIONSTYPOLOGIE: Schalenkonstruktion – Kuppel aus Papprohren FLÄCHE: 485m² GEPLANTE LEBENSDAUER: Temporär

Draufsicht auf die Papierkuppel.

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Aufriss, Grundriss und Schnitt.

Jeannet van Steen, Choreografin der Theatergruppe van Steen, bat Shigeru Ban, ein temporäres Theater aus Papier für ihre Pantomimen-Gruppe zu entwerfen. Das Theater sollte in der Umgebung von IJburg, einem neu entstehenden Wohnviertel in Amsterdam, angesiedelt und später in Leidsche Rijn bei Utrecht wiederaufgebaut werden. Da die Kuppel für ein Pantomimentheater vorgesehen war, spielte die Raumakustik keine maßgebende Rolle. Shigeru Ban entwickelte gemeinsam mit Octatube eine geodätische Ikosaeder-

6 BEISPIELE

Kuppel aus Papprohren. Die imposante Kuppel hatte einen Durchmesser von 26m, war 10m hoch und bedeckte eine Fläche von 485m2. Die Entwurfsidee ist angelehnt an eine traditionelle Jurte – den Zelten zentralasiatischer Nomaden. In der Kuppelkonstruktion waren etwa 700 Papprohre mit einer Länge von 1,2 bis 1,5m verbaut. Deren Durchmesser betrug 190mm, die Wandstärke 18,5mm. Im Zuge der Forschung und Entwicklung zu diesem Projekt kam heraus, dass Papprohre aus Recyclingmaterial etwa 40% schwächer sind als solche aus

Primärfasern. Jedes Papprohr verschloss man an beiden Enden mit einem Muffendeckel aus Stahl, die über 10-mm-Gewindestangen aus Stahl miteinander verbunden waren. Durch Drehen der Muffendeckel konnte man die Gewindestangen spannen und die Papprohre zusammendrücken. Die Deckel wiederum wurden an sternförmige Stahlknoten geschraubt, die aus sechs auf ein Stahlrohr geschweißten Platten bestanden. Fünf gebogene Randprofile aus IPE220Stahl bildeten einen Spannring am unteren Ende der Konstruktion. Sie waren

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Stahlknoten, Draufsicht, auf der Shigeru-Ban-Ausstellung in Mito, 2013.

Schalenkonstruktion aus Papprohren. Die Verbindung bestand aus sternförmigen Stahlknoten.

Stahlknoten mit Abstandshalter zum Gewebe.

Stahlknoten mit Abstandshalter zur Textilabdeckung: Plan, Quer- und Längsschnitt.

auf fünf Tetraeder platziert, die stabile Eckstützen bildeten. Da der höchste Punkt des Stichbogens der Profile nur 1,50m über dem Boden lag, musste der Boden abgesenkt werden, um den Raum unter der Kuppelkonstruktion bequem begehen zu können. In Utrecht lösten die Planer dieses Problem, indem sie die Kuppel auf einen Erddeich setzten. Nachdem die erste Reihe von Papprohrdreiecken am Stahlspannring montiert war, übernahm ein Kran die weitere Montage der zuvor auf der Baustelle vorgefertigten Kuppel.

Die Papprohre wurden von außen, an den Schnittkanten und 100mm nach innen zum Schutz vor Feuchtigkeit mit Lack beschichtet. Ein insgesamt 663m2 großes, mit PVC beschichtetes Polyestergewebe überdeckte die gesamte Konstruktion. In die sternförmigen Knoten waren Abstandshalter eingearbeitet, die zum Spannen des aufliegenden Gewebes nach außen gedrückt und fixiert werden konnten. Somit bestand kein Kontakt zwischen dem Gewebe und den Rohren, wodurch kein Kondensat entstehen und die Papprohre schädigen konnte.

Unter der Kuppel, die für verschiedene gesellschaftliche Veranstaltungen genutzt wurde, fanden 225 sitzende oder 700 stehende Besucher Platz. Nachdem sie zunächst in IJburg und dann 2004 in Utrecht aufgebaut worden war, wurde die Kuppel 2012 demontiert und eingelagert. Die Konstruktion wurde so geplant, dass sie bei Bedarf jederzeit wieder zu errichten wäre. Derzeit in Vorbereitung ist der Wiederaufbau in Bijlmermeer, Amsterdam Zuidoost, wo das Gebäude ab 2023 als Jugendzentrum genutzt werden soll.

Pavillons

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ARCH/BOX

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ARCHITEKT/ERFINDER: Jerzy Łątka (archi-tektura.eu), Agata Jasiołek, Weronika Abramczyk STANDORT: Breslau (Wrocław), Polen JAHR: 2019 VERWENDUNG: Kunstinstallation KONSTRUKTIONSTYPOLOGIE: Säulenkonstruktion aus Papprohren FLÄCHE: 38m² GEPLANTE LEBENSDAUER: Temporär (ein Jahr)

Isometrie der Trägerkonstruktion.

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Schnitt und Draufsicht.

ARCH/BOX war ein experimenteller, temporärer Pavillon aus Papprohren. Die Architekten ließen sich für die Formgebung des Projekts von der Gotik inspirieren – einem Baustil, von dem wunderbare Beispiele seit über 850 Jahren bestehen. Eine Konstruktion aus Papprohren stellte eine Art Kontrapunkt zu der Langlebigkeit dar, die wir mit den gotischen Gebäuden assoziieren. Die tragende Struktur des 10,7×3,5m großen und 3,3m hohen

6 BEISPIELE

Pavillons besteht aus Papprohren mit einem Innendurchmesser von 100mm und einer Wandstärke von 7mm. Holzbauteile verbinden die Rohre miteinander, die „Schlusssteine“ bestehen aus einem Stück Papierrohr mit einem Durchmesser von 300mm und einer Wandstärke von 10mm. Die Krümmung der Papprohre erfolgte während des Produktionsprozesses durch Nassverformung. Das ermöglichte es, Spitzbögen zu

schaffen, die gotischen Formen gleichen. Während der Montage wurden die Rohre zusätzlich leicht gebogen, was ihnen eine innere Spannung verlieh, die die Konstruktion zusätzlich versteift hat. Teil des Experiments waren verschiedene Imprägnierverfahren. Ein Segment wurde wie viele andere Projekte mit einem Acryllack imprägniert, während man zwei Segmente darüber hinaus mit einem Leinölfirnis und Wachs imprägniert hat.

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ARCH/BOX vor dem Architekturmuseum Breslau.

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Detail des vorderen Anschlusses der ARCH/BOX-Papprohre, Draufsicht und Schnitt A-A.

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Detail der „Schlussstein“-Konstruktion , Draufsicht und Schnitt A-A.

Montage des vorderen Anschlusses.

Nachdem der Pavillon sieben Monate lang Wind und Wetter ausgesetzt war (auch im Winter), zeigten beide Imprägnierungen die gleichen schützenden Eigenschaften. Das Projekt entstand in Zusammenarbeit mit Studierenden der Architekturfakultät Wrocław University of Science and Technology – WUST, die auch an dem Aufbau beteiligt waren. Die vorderen Verbindungen zweier benachbarter Segmente, die mit verschiedenen Methoden imprägniert wurden.

Pavillons

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PAPIERBRÜCKE PONT DU GARD

ARCHITEKT/ERFINDER: Shigeru Ban KONSTRUKTION: Octatube MONTAGE: Octatube mit Studierenden der Ecole Nationale d'Architecture de Montpellier STANDORT: Vers-Pont-du-Gard, Frankreich JAHR: 2007 VERWENDUNG: Brücke KONSTRUKTIONSTYPOLOGIE: Räumliche Fachwerkkonstruktion SPANNWEITE: 20m GEPLANTE LEBENSDAUER: Temporär (zwei Monate)

Isometrie.

Unteransicht der Konstruktion aus zusammengefügten Papprohren.

Diese Papierbrücke, realisiert von Mick Eekhout mit Octatube und basierend auf einem Entwurf von Shigeru Ban, greift Komponenten auf, die Octatube bereits zuvor beim Paper Theatre in IJburg » S. 134–135 sowie einer Überdachung in Avignon verwendet hatte. Die 2m breite Fußgängerbrücke entstand in der Nähe des römischen Aquädukts Pont du Gard aus dem 1. Jahrhundert n.Chr. bei Nîmes. Anlass hierfür war ein Kulturfestival. Die

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Stufen bestanden ebenfalls aus Pappe, gewonnen aus Altpapier, die mit einer Kunststoffbeschichtung versehen wurde. Die Konstruktion umfasste 280 Papphülsen mit einem Durchmesser von 115mm und einer Wanddicke von 19mm, die beidseitig gegen Feuchte beschichtet wurden. Die Knotenpunkte wurden wie bei den anderen zwei Projekten aus verzinktem Stahl hergestellt. Durch eine Integration von Zugstäben

innerhalb der Papphülsen wurden die vorgespannten Hülsen zu Fachwerkbögen zusammengesetzt. Mittels der Vorspannung und dem Fachwerk konnten asymmetrische Belastungen durch die Fußgänger aufgenommen werden. Das Fachwerk wurde dann durch diagonale Zugseile stabilisiert. Ähnlich wie bei der Theaterkuppel in IJburg verbinden Stahlknoten die Papphülsen. Durch die Vorspannung war eine mechanische

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Unteransicht.

Vorderansicht der Konstruktion.

Seitenansicht: Die Brücke spannt 20 m über den Bach. Im Hintergrund das römische Aquädukt.

Verbindung der Hülsen mittels Schrauben in den Knoten nicht notwendig, da lediglich Druckspannung in den Knoten herrscht. Durch die Vorspannung der Stahlstäbe im Inneren der einzelnen Kartonröhren werden alle Röhren auf Druck beansprucht (Erfinder: Luis Weber, Octatube). Somit konnten Schraubverbindungen, die ausreißen könnten, vermieden werden und zum anderen war die Demontage sehr einfach.

Aufbau der Papierbrücke Pont du Gard.

Brücken

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PAPER BRIDGE

ARCHITEKT/ERFINDER: Steve Messam Studio STANDORT: Patterdale, Cumbria, UK JAHR: 2015 VERWENDUNG: Brücke, Kunstprojekt KONSTRUKTIONSTYPOLOGIE: Bogen SPANNWEITE: 5m GEPLANTE LEBENSDAUER: Temporär (zehn Tage)

Die Paper Bridge besteht nur aus geschichtetem Kopierpapier ohne jegliche Verbindungsmittel.

Die Paper Bridge spannt 5m über einen Bachlauf.

Paper Bridge ist ein temporäres Kunstwerk, das für die Landschaft des Lake District geschaffen wurde (Auftraggeber: Lakes Culture). Das Objekt fungiert als Brennpunkt und Blickfang in der weiten Landschaft. Der Lake District hat eine lange Tradition in der Wahrnehmung und

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ästhetischen Verarbeitung von Landschaft. Paper Bridge knüpft daran an. An dieser Stelle führen zwei Wanderwege auf beiden Seiten des Tals hinauf und die Fußgängerbrücke verbindet diese Wege. Paper Bridge wurde aus ungestrichenem 270 g/m2 Papier hergestellt, das speziell

von James Cropper in der Burneside Mill in Cumbria gefertigt wurde. James Cropper war in der Lage, dieses durchgefärbte Papier unter Einhaltung der strengen Umweltauflagen herzustellen, die für die Brücke gefordert waren. Das gesamte für Paper Bridge verwendete

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Detailansicht der geschichteten Papiere.

Ansicht Paper Bridge mit Personen.

Papier, insgesamt 20.000 Blatt, wurde zur Wiederverwertung an die Fabrik in Burneside zurückgegeben. Paper Bridge verwendet keine Befestigungen, sondern stützt sich auf das architektonische Prinzip des Bogens. Seine Abmessungen betrugen 5 x 0,9 x 1,8m (Länge, Breite,

Höhe). Zunächst wurde ein Bogen aus Sperrholz angefertigt und das Papier blockweise darauf platziert. Während der Planungsphase wurde eine Reihe von Modellen im Maßstab 1:4 gebaut, um den Entwurf auf seine Tragfähigkeit und die Auswirkungen von Regen zu testen. Steve

Die Paper Bridge inszeniert eine Landschaft des Lake District.

Messam hat 2015 außerdem zum 45. Jubiläum von Land Rover eine ähnliche Brücke in Suzhou in China gebaut, die nur einen Tag bestand und so stabil war, dass sie von einem Land Rover befahren werden konnte.

Brücken

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EINE BRÜCKE AUS PAPIER

ARCHITEKT/ERFINDER: TU Darmstadt, Fachgebiet Stahlbau und Institut für Statik und Konstruktion STANDORT: Darmstadt, Deutschland JAHR: 2019 VERWENDUNG: Brücke KONSTRUKTIONSTYPOLOGIE: Papierträgerkonstruktion SPANNWEITE: 6m GEPLANTE LEBENSDAUER: Temporär (ein Tag)

Schotte versteifen die Brücke von innen. In den gleichen Ebenen werden Verstärkungen von außen zwischen dem oberen und unteren Flansch des I-Trägers angebracht.

Eine Brücke aus Papier bei der Belastungsprobe durch Ulrich Knaack, Jörg Lange und Jens Schneider, Darmstadt 2019.

Im Rahmen des Projekts IPBU – Integrales Projekt Bauwesen und Umwelt der Bauingenieurfakultät der TU Darmstadt entwarfen interdisziplinäre Studierende 2019 eine Papierbrücke. Die vorgefertigte Konstruktion der „I-Beam Brücke“ überspannt mit 5m Spannweite und 1m Breite den Darmbach in Darmstadt. Zunächst wurden Materialbewertungen und Werkstoffprüfungen durchgeführt.

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Diese bildeten die Grundlage für Tragfähigkeitsnachweise. Mittels FEM-Berechnungen wurden diese Nachweise anschließend überprüft und optimiert. Gemäß der FEM-Analyse wird eine Traglast von 40kN für den Balken hinsichtlich Knickung und Beulen erreicht. Diese Analyse wurde mittels Werkstoffprüfung verifiziert. Der obere Flansch stellt den kritischen Bereich des

Trägers dar. In diesem Bereich werden die meisten Druckbelastungen aufgenommen. Nach positiver Bewertung wurde mit der Vorfertigung der einzelnen Brückenelemente begonnen. Diese Elemente wurden in den botanischen Garten transportiert, um sie dort zu errichten. Für diese Brückenkonstruktion wurden Papierträger (I-Träger) aus Papprohren

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Detailansichten der miteinander verklebten Brückenelemente.

Aufbau der vorgefertigten Brücke im Botanischen Garten.

als Gurte und Vollpappen-Stege gebaut. Die Gehfläche bilden halbierte Papprohre und Wellstegpappen. Die Konstruktion besteht lediglich aus Papierwerkstoffen und Leim. Es finden sich keine zusätzlichen Werkstoffe wie Schrauben oder Ähnliches. Die nur 150kg leichte Brücke vermag über 500kg zu tragen. Insgesamt wurden drei Brückenelemente gebaut, miteinander verbunden und

Die vorgefertigten Ober- und Unterseiten der Brücke.

verklebt. Jedes Element weist zu beiden Seiten I-Träger auf, die durch ein Innenrohr verbunden sind. Zur Versteifung der Konstruktion wurden jeweils vier Schotte zwischen den Längsträgern befestigt. Zusätzlich verstärken Vollpappen-Elemente von außen den oberen und unteren Flansch des I-Trägers.

Brücken

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AESOP DTLA

ARCHITEKT: Brooks + Scarpa BAU: RJC Builders STANDORT: Los Angeles, USA JAHR: 2014 VERWENDUNG: Laden FLÄCHE: 100m² GEPLANTE LEBENSDAUER: Dauerhafte Möblierung (etwa 10–20 Jahre)

Die Wände, der Tresen und die Lampen bestehen aus Papprohren. Die Arbeitsplatte des Tresens ist ebenfalls aus recyceltem Papier.

Aesop Downtown Los Angeles (DTLA), der damals größte Laden des australischen Kosmetikunternehmens, befindet sich im Erdgeschoss des Eastern Columbia Building von 1929 im historischen Theaterviertel von Los Angeles, am Rande des Fashion District und in der Nähe des berühmten Orpheum Theatre. In Anlehnung an die Geschichte des Viertels und die Papprollen, auf die die

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Außenansicht des Ladens.

Stoffballen der Kostümgeschäfte und Modeläden aufgewickelt waren, besteht die Ladeneinrichtung aus runden Pappröhren mit einem Durchmesser von 15cm, die als Wände und Möbel dienen. Die vertikalen Hülsen sind durch Schrauben verbunden. Auch die Hängeleuchte wurde aus Pappröhren gefertigt. Die Arbeitsplatten bestehen aus recyceltem Papier. Für die Ausstellungsregale wurde

25mm dickes Bambussperrholz verwendet. Die drei Porzellanwaschbecken für das Ausprobieren der Produkte wurden gebraucht erworben. Die Fußböden bestehen aus dem polierten Beton des historischen Gebäudes von 1929 und unterstreichen den Vintage-Stil. Eine lange Schaufensterfront mit großen Fenstern schafft eine Verbindung zu der belebten Straße.

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Ansicht der Regalwand, die aus Papprohren hergestellt wurde.

Innenansicht des Aesop-Ladens.

Innenausbau und Möbel

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Aufbau der Wände Horizontalschnitt:Als Halterung für die Regale wurden die Papprohre halbiert und mit Holzlatten sowie Schrauben verstärkt.

Einlässe in der Wand als Aufbewahrungs- und Präsentationsmöglichkeit.

6 BEISPIELE

Detailansicht der Regalwand.

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Aufbau der Wände Vertikalschnitt: Dargestellt ist die Befestigung der Regale aus Bambussperrholz in den Papprohren der Wände.

Detailansicht der Wände mit Papprohren-Verkleidung.

Innenausbau und Möbel

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CARDBOARD BOMBAY

ARCHITEKT: Nuru Karim, Nudes STANDORT: Mumbai, Indien JAHR: 2019 VERWENDUNG: Café FLÄCHE: 152m² GEPLANTE LEBENSDAUER: Dauerhafte Möblierung (etwa 10–20 Jahre)

((BU))

Außenansicht CardboardBombay: die geschwungenen Wellpappe-Strukturen sind ein Blickfang für Passanten.

CardboardBombay ist ein Café im zentralen Geschäftsviertel von Mumbai, Bandra Kurla Complex. Die Wände, Stühle, Tische und die Lampen wurden aus Wellpappe angefertigt. Mithilfe einer CNC-Fräse wurden aus dem flächigen Material geschwungene, frei fließende Formen und Texturen erzeugt, die zusammen eine Art Landschaft mit

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Höhlen und Ausbuchtungen formen. Ziel der Architekten war es, die Vielseitigkeit und Strapazierfähigkeit des kreislaufgerechten Werkstoffs hervorzuheben. Wellpappe ist durch die Verpackungsindustrie ein sehr weit verbreiteter, viel produzierter und daher günstiger Baustoff, der in der Regel aus Altpapier hergestellt wird. Somit hat das Material

bereits einen vollständigen Lebenszyklus durchlaufen und kann bei richtiger Entsorgung diverse weitere Zyklen durchlaufen. Die Kombination von Wellenlagen mit Deckschichten verleihen dem Material eine hohe Stabilität bei geringem Gewicht. Die Architekten orientieren sich an der geschwungenen Struktur der Wellenlage

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Innenansicht der geschwungenen Wellpappe-Landschaften.

und übertragen diese in eine große geschwungene Formsprache. Tische und Bänke scheinen der Papp-Landschaft zu entspringen. Durch die unterschiedlichen Schnittwinkel entstehen verschiedene Abstände zwischen den einzelnen Wellen der Wellenlage, was zu einer optischen Verzerrung und so zu einem Spiel mit der Wahrnehmung der Perspektiven führt.

Im Vorfeld wurden von den Planern Prototypen erstellt und das Material wurde hinsichtlich Wasserbeständigkeit und Temperaturschwankungen getestet. Die Tischplatten wurden mit Wachs imprägniert, um sie vor Feuchtigkeit zu schützen und die Pflege zu erleichtern. Die offenen Oberflächen absorbieren außerdem Schall und erzeugen diffuse

Reflektionen, sodass der Geräuschpegel deutlich gesenkt wird und eine privatere Atmosphäre geschaffen werden kann. Das ebenerdig gelegene Café ist 152 m² groß und bietet Platz für über 40 Gäste. Die Produktion der Kartonelemente übernahm Haresh Mehta, Jayna Packaging.

Innenausbau und Möbel

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Blick auf die Sitzgruppen: sowohl Stühle als auch die Tische sind aus Wellpappe hergestellt.

Zur Herstellung der geschwungenen Wandstrukturen wurde der flächige Werkstoff Wellpappe mit einer CNC-Fräse bearbeitet.

6 BEISPIELE

Die verschiedenen Schnittwinkel erzeugen eine spielerische, perspektivische Verzerrung der Wellenstrukturen.

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Tisch- und Bankstrukturen scheinen aus den Wellpappen-Landschaften zu erwachsen. Durch die hohe Stabilität der Wellpappe sind große Auskragungen möglich.

Zum Schutz vor Verschmutzungen und Schäden durch Feuchtigkeit wurde die Tischoberfläche mit Wachs imprägniert.

Prinzipskizze der Entwurfsidee: Wellenstrukturen im Mikro (Wellenlagen) werden zu geschwungenen Strukturen im Makro, also auf Wände und Möbel übertragen. Durch verschiedene Schnittwinkel wird ein optisches Spiel mit den Wellenstrukturen des Materials erzeugt.

Innenausbau und Möbel

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CARDBOARD OFFICE PUNE

ARCHITEKT: studio_VDGA STANDORT: Pune Pimpri-Chinchwad, Indien JAHR: 2020 VERWENDUNG: Büro FLÄCHE: 1254m² GEPLANTE LEBENSDAUER: Dauerhafte Möblierung (etwa 10–20 Jahre)

Innenansicht.

Axonometrie der beiden Büroebenen.

In diesen Büroräumen, die sich über vier Ebenen erstrecken, wurden die sonst üblichen Trennwände durch Wände aus Wabenpappe ersetzt, die den Bereichen Textur und Form verleihen. Die Wabenpappen wurden schichtweise in verschiedenen Profilen verlegt, um frei fließende Kurven zu bilden. Wabenpappe ist kostengünstig und besitzt durch seinen

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sechseckigen oder hexagonalen Wabenkern eine gute Druckfestigkeit und Steifigkeit. Aufgrund der diffusen Oberflächenstruktur verbessern die Wabenpappen außerdem die Raumakustik. Die Wabenplatten wurden auch für den Empfangsbereich und die Türen verwendet. Das Büro wird von einem Hersteller von Elektronikteilen mit fast 100 Mitarbeitern

genutzt und bietet einen unkonventionell gestalteten Arbeitsbereich. Die frei fließenden Pappwände umfassen Arbeitsplätze, Konferenzbereiche und die Lounge. Geschwungene Kartonelemente wölben sich in den Raum hinein oder führen um Stützen herum. In einigen Bereichen wurde die Oberseite der Sandwichelemente weggeschnitten, um

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Innenansicht mit Arbeitsplatz.

Türdetail und Schnitt durch die Wand aus Wabenpappe.

Innenausbau und Möbel

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Detail der geschwungenen Wandkonstruktion mit offenen Enden.

die innere Wabe freizulegen und so eine interessante Oberflächenstruktur zu schaffen. Querschnitte durch die Knoten des Sechsecks legen Rippen frei, während Längsschnitte durch die Pappe ungleichmäßig breite Bänder zeigen, wodurch ein Schattenspiel entsteht. Schmale horizontale Schlitze bilden

6 BEISPIELE

Fenster in der Bürowand und Integration der Haustechnik.

Fenster. Von der Decke hängt eine Installation aus Pflanzen und elektrischen Bauteilen in weißen Farbdosen, die bei der Renovierung übrig geblieben sind. Die Rohdecke mit der freiliegenden Haustechnik wurde als Teil der Innenräume konzipiert, um die Höhe des Raumes zu erhalten. Während die unteren drei

Etagen aus Arbeitsräumen bestehen, nimmt die Terrassenetage einen Speisesaal und eine halboffene Kantine auf. Der aufwendige Prozess des Zuschnitts der Pappe und deren schichtweiser Einbau wurde vor Ort durchgeführt.

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Interieur eines Konferenzraums.

Ansicht eines Mehrpersonenbüros.

Eingangsbereich mit künstlerischer Pflanzeninstallation.

Innenausbau und Möbel

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CARTA COLLECTION

Papierstühle in einem Gang der Miyake Design Studio Gallery.

Für die Miyake Design Studio Gallery in Shibuya, Tokio, sowie für sein eigenes Haus in Japan entwarf Shigeru Ban 1998 die Papiermöbelserie Carta Collection. Sie umfasst sieben Elemente: einen Hocker, einen Stuhl, einen Lounge Chair, eine Bank, eine Chaiselongue, einen runden Tisch, einen Couchtisch, beste-

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ARCHITEKT: Shigeru Ban PRODUKTION: wb form Zürich JAHR: 1998 VERWENDUNG: Möbel

Detail der Stühle: Die Sitzflächen bestehen aus Papprohren, die auf Gestellen aus Birkensperrholz befestigt sind.

hend aus Kartonröhren, die eine Platte aus Weißglas tragen. Die Sitzflächen bestehen aus dünnen, aneinandergereihten Papprohren aus Recyclingmaterial, gestützt von Gestellen oder Beinen aus europäischem Birkensperrholz. Die Papphülsen werden mit einem Urethanharz versiegelt, um sie vor Durchfeuch-

tung zu schützen. Die Chaiselongue misst 54,6×57×202cm, der Lounge Chair hat die Abmessungen 70,4×57×71cm und die Bank ist 44×57×205cm groß. Die Form der Papprohre des Tisches, der 37,5×88,5×55 cm misst, erinnert an die geschwungene Struktur des Paper House von Shigeru Ban » S. 86–87.

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Tischkonstruktion aus Papprohren mit Glasplatte.

Ansicht einer Sitzgruppe aus Stühlen, Hocker und Chaiselongue.

Innenausbau und Möbel

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AUSBLICK

7 

Warum sollen wir überhaupt mit Papier bauen? Mit dieser Frage wurde das Buch eingeleitet und mit dieser Frage schließt es ab. In den vorherigen Kapiteln wurden die derzeitigen Möglichkeiten, die das Bauen mit Papier bietet, beschrieben. Keine Frage, dieses Baumaterial hat viele Potenziale: • Es ist ein umweltfreundliches Material, da es aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen wird; • es erfüllt die Anforderungen an die Kreislaufwirtschaft, da es rezyklierbar ist; • es hat gute Dämmeigenschaften und • hat sehr gute spezifische Tragfähigkeiten. Papierwerkstoffe sind in zahlreichen Formen und Ausführungen produzierbar und können somit diverse Funktionen und Konstruktions- sowie Gestaltungsformen übernehmen. Andererseits sind beim Bauen mit Papier auch wesentliche Herausforderungen zu bewältigen, vor allem hinsichtlich Brandschutz, Feuchteschutz und Dauerhaftigkeit. Dass es auch hierfür Lösungen gibt, haben die Kapitel in diesem Buch aufgezeigt. Die Entwicklung von Papier als Baustoff steht jedoch noch am Anfang. Es gibt dazu bislang weder Normen noch technische Regeln. Doch wir verfügen inzwischen über qualitative Forschungsergebnisse und erste Erfahrungswerte von Papiergebäuden » Abb. 1. In diesem Kapitel soll es darum gehen, wie Architekten, Konstrukteure, Bauingenieure und papiertechnische Maschinenbauer die künftigen Möglichkeiten und Herausforderungen aus ihren jeweiligen Perspektiven einschätzen.

Gestaltung neu definieren Wie sieht eine Architektur aus einem bestimmten Material aus? Was kennzeichnet Papierarchitektur? Welche ästhetischen Eigenschaften hat eine Konstruktion, ein Bauwerk, ein Möbel, wenn es aus Papier besteht? Wie wirken sich der Entwurfs- und der Herstellungsprozess auf Form und Gestalt aus? Auf welche konstruktiven Notwendigkeiten muss die Gestalt eines Papierhauses eingehen? Papier als neuartiges Material bedeutet für den eingespielten Bauprozess ein Problem. Die Erfahrung ist gering, und die Bauwerke in Form verschiedener Prototypen und Sonderbauten, die primär aus Papier bestehen, lassen sich an noch wenigen Beispielen abzählen. Wie entwickelt sich also eine Gestalt, ein Design, eine Architektur aus Papier? Erste naheliegende Schritte in der Arbeit mit Papier und Karton liegen in dem Transformieren von Methoden und Fügungen von anderen Materialien: also Prinzipien übernehmen.

7 AUSBLICK

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Bauteile und Elemente aus Papier müssen erst noch entwickelt werden. Wenn es nun weder das Material in seiner finalen Form und Oberfläche gibt noch materialspezifische Konstruktions- und Bearbeitungsmethoden, gilt es neben der Entwicklung der Technologie gleichsam die Gestalt des Materials zu erarbeiten und zu definieren. Mit jedem Material sind haptische und optische Eigenschaften verbunden, die ihm sein Aussehen, seinen Charakter geben. Was sind nun besondere Verarbeitungsverfahren für Papier und Karton, die gestaltprägend sind? Ist es die Faltung, die spezifisch für eine Konstruktion aus Papierwerkstoffen ist, oder ist es das blockhafte, aus mehreren Lagen bestehende Element, aus dem eine bestimmte Form, ein Teil gefräst wird? Nein, es sind die Bauweisen, die ganz spezifische Gebäudekonstruktionen ergeben und deren Gestalt prägen. Das Beispiel eines Balkens aus Wabenplatten kann als „Pappmodell“ eines Doppel-T-Trägers verstanden werden » Abb. 2. Die Übernahme von Prinzipien – seien es die Form oder die Dimensionen eines Bauelements – hat natürlich nicht automatisch die gleichen Eigenschaften zur Folge. Dieser transformative Prozess treibt jedoch den Planer an, erste Vergleiche mit bestehenden Materialien anzustellen und Bekanntes neu zu denken. Form und Funktion eines stählernen Doppel-T-Trägers mit Papierwerkstoffen zu kopieren führt zu etwas Neuem, einer eigenen, materialspezifischen Ästhetik bei ähnlicher Form. Erst die Verarbeitung, die Fügung und die Verwendung in Architektur oder Möbelbau gibt dem Material die Form und damit seine finale Gestalt.

1 Modell eines Wandaufbaus aus Papier: BAMP! House 02, TU Darmstadt, 2019.

2 Doppel-T-Träger aus Karton.

Gestaltung neu definieren

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3 Papierschindeln in Analogie zu Bitumen- oder Holzschindeln.

Für Materialien wie Holz, Stein und Metall haben sich über einen langen Zeitraum mit dem Material verbundene Strukturen herausgebildet. Beim Baustoff Holz reichen diese von historischen Fachwerkhäusern bis hin zu modernen Holzbauten. Diese traditionellen Baumethoden wurden durch Erfahrung und technologische Entwicklung über die Zeit angepasst und optimiert. Konstruktionsweisen wie das Fachwerk führten zu einer baulichen Ästhetik, die das Aussehen von Architektur in einer bestimmten Zeit mit einem bestimmten Material definiert hat. Durch neue Erkenntnisse verändert sich die Gestalt von Bauten. So hat sich – um bei dem Beispiel zu bleiben – der Holzbau von Fachwerk und Blockhaus zu einer systematisierten Bauweise mit Platten und Elementen entwickelt. Eine durch die Art der Fügung und den Stand der Technik definierte Bearbeitungsmethode wird durch industrielle Fertigung, das Schichten und Laminieren von Holz zu einer neuen Art, mit Holz zu bauen. Damit verbunden sind für Planer und Ausführende neue Gestaltungsmöglichkeiten. Neue Konstruktionsweisen ermöglichen bei Gebäuden andere, flexiblere Grundrisse und eröffnen eine alternative Fassadengestaltung. Der Gedanke, das bekannte Plattenbausystem aus Beton durch den Plattenbau mit Holz zu ersetzen, schafft neue Architekturhorizonte. Gestaltprägende Bauweisen, wie beispielsweise auskragende Sichtbetonplatten, denen heutige Wärmeschutzanforderungen entgegenstehen, sind nun anders, aber ähnlich denkbar. In Komposit- oder Hybridbauweisen verblasst die erkennbare Materialität einer Bauweise und die damit verbundene, materialtypische Form. Bei einigen Baustoffen lassen sich also aufgrund der Kenntnis des Materials bestimmte Entwurfsgrundsätze ableiten, die der Holz-, Stahl- und Mauerwerksbauweise zuordenbar sind. Das Material verknüpft sich also mit einer vorherrschenden Optik und Ästhetik. Ergibt sich damit im Umkehrschluss zwingend aus einem neuen Material auch eine neue Bauweise? Und, in diesem Sinne weitergefragt, wie wirken sich dann neue maschinelle oder handwerkliche Verfahren auf die Ästhetik eines Gebäudes aus? Nimmt man ein einfa-

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4 Entwurf von Räumen aus Papiermaterialien.

ches Beispiel der Papierschindel für eine Fassadenbekleidung, so kann man aus vielen gängigen Produkten anderer Materialität wählen, wie beispielsweise Bitumen- oder Holzschindeln. Das direkte Übertragen der Form auf einen Papierwerkstoff ist der erste Schritt, das Verständnis des Potenzials des Werkstoffs und das Übersetzen in eine neue Form, eine neue Fügung ergibt sich aus dem Material selbst und wird gestaltprägend. » Abb. 3. Eine Papierbauweise im Sinne eines eigenen Kanons gibt es derzeit noch nicht. Aber im Prozess des Bauens und Gestalten mit Papier und Karton entstehen spezifische Lösungen und Formen für die jeweiligen Anforderungen. Aus der Multiplikation der Versuche und Möglichkeiten vermag sich irgendwann eine solche Bauweise zu generieren. Alle am Bau aktiv Beteiligten sind daher aufgefordert, mit ihrem Tun die Gestaltung für Papierbauten zu definieren und fortzuentwickeln.

Funktion und Nutzung Neben der bisher noch nicht eindeutig definierten Gestaltung, die den Papierkonstruktionen innewohnt, eröffnen auch die Funktionen für Gebäude oder Bauteile aus Papier noch ein weites Feld der Entwicklung. Papier als Werkstoff verspricht vorab keine Lebensdauer von 100 Jahren für ein Gebäude. Bis auf Weiteres lässt sich mit Papier als Werkstoff kein langlebiges Gebäude umsetzen. In der Konsequenz geht es darum, die Funktion, die Papier als Konstruktionswerkstoff leisten kann, zu erkennen, strukturell zu untersuchen und anzuwenden. Papier leistet mehr als beispielsweise ein Textil, bietet mehr Masse und dämmt beispielsweise als Wellpappe hinreichend. Quasi unschlagbar ist Papier hinsichtlich ökologischer Aspekte: Bei entsprechender Verwendung ist es gut rezyklierbar und es besteht aus einem nachwachsenden Rohstoff – ist also theoretisch unbegrenzt vorhanden und verwendbar. Entsprechend sind temporäre Bauten, die länger als nur wenige Wochen nutzbar sein sollen, jedoch ein definiertes Nutzungsende haben, prädestiniert, um zu wesentlichen Teilen aus Papier hergestellt zu werden. Dieser Baustoff bietet für solche Nutzungen eine gute Alternative zu massiven und aus mineralischen Materialien bestehenden Bauten. Es ist die Aufgabe des Entwerfenden, Anwendungsgebiete für Papier und Karton zu finden » Abb. 4. Aber auch Grenzen ziehen, wo sie ungeeignet sind und durch andere

Funktion und Nutzung

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5 Entwurf Notunterkunft „Cardboard Container House“, flexibles Wohnen im Papierhaus – TU Darmstadt.

Materialien mit besseren Eigenschaften ersetzt oder kombiniert werden sollten. Im Leichtbau bzw. Innenausbau beispielsweise würden die gute Rezyklierbarkeit des Materials und eventuell auch die einfacheren Rückbauschritte eine Alternative zum konventionellen Leichtbau aus Gipskarton schaffen und Potenziale eröffnen. Faktoren wie Schallschutz, Brandschutz, Wärmeschutz, konstruktive Eigenschaften sowie optische Eigenschaften müssen in dieser Hinsicht definiert und geprüft werden. Es gibt vielfältige Bauten und Leichtbaulösungen, die kurzlebig sind. Ein Beispiel ist der Messebau: Konstruktionen, die nur für kurze Dauer konzipiert sind und meist als Sondermüll weit vor ihrer Lebenserwartung entsorgt werden. Bauten aus Papier und Karton könnten also bestehende Systeme im leichten Innenausbau ersetzen. Ein Vorteil wäre der einfache und ökologische Rückbau. Dafür gilt es, Nutzungszeiten von Konstruktionen zu definieren sowie die Verwendbarkeit von Papiermaterialien und Karton zu optimieren. Die Prozesse und Konzepte im Bauwesen sind üblicherweise für eine lange Nutzungsdauer der Gebäude angelegt. Dem gleichen Ziel sind damit auch Baukonstruktion, Gestaltung und Funktion unterworfen. In einem weniger dauerhaften, aber dafür einfacher rückbaubaren und rezyklierbaren Baumaterial liegen neue Optionen für Architektur und Bauwesen. Papier ist dafür prädestiniert, Gebäude mit kürzeren Nutzungs- und Lebenszeiten zu bauen in dem Wissen, dass die Entsorgung oder Änderung hinsichtlich ökologischer und nachhaltiger Aspekte keinerlei Probleme aufwerfen » Abb. 5. Das Bauen könnte wieder einfacher werden, weil Prozesse aufgrund des Materials „enttechnologisiert“ werden. Die Vorstellung einer einfachen Papphütte, die in Eigenbau erfolgt und deren Reparatur bzw. Entsorgung durch den Nutzer erfolgen kann – abwegige Idee oder kühne Vision? Der Bedarf an temporären Gebäudelösungen, an einer wandelbaren Architektur und veränderbaren Räumen ist längst da.

Konstruktion Papier ist als Bauwerkstoff noch neu und entsprechend gering sind die Erfahrungen im Bauwesen damit. Demzufolge besteht eine erhebliche Unsicherheit im konstruktiven

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Umgang mit dem Material, weshalb es bislang kaum verwendet wird. Konstruktionen aus Papier können nicht nach bekannten Regelwerken geplant und gebaut werden – die entsprechenden Unsicherheiten führen entweder zu anderen Materialentscheidungen oder zu längeren Planungsphasen, größeren Sicherheitszuschlägen und damit höheren Kosten. Um die Potenziale im Bereich der Konstruktion für den Werkstoff Papier zu heben, muss man sich damit beschäftigen und ihn regelmäßig verwenden, auch in kleinen Komponenten und Bauteilen. Nur so lässt sich das Verständnis für den Werkstoff und dessen Leistungsfähigkeit verbessern. Bei einem Gebäude sind die Innenraumgestaltung und der Ausbau aufgrund des relativ geringen Risikos hinsichtlich Feuchte und wegen der geringen Belastungen dafür prädestiniert, mit dem Werkstoff Papier zu experimentieren. Hier kommt auch der Vorteil der einfachen Rezyklierbarkeit von Papier zum Tragen, da im Ausbau die Nutzungsdauer einer Konstruktion mit 10 bis 15 Jahren deutlich kürzer ist als für das gesamte Gebäude. Ebenfalls interessant für den Einsatz von Papier sind Gebäudehüllen ohne tragende Funktion, wenn die Möglichkeit eines einfachen Austausches von Komponenten besteht. Solche Elemente müssen nur geschossweise ihr Eigengewicht und die Verkehrslasten tragen. Von Vorteil sind hier die wärmedämmenden Eigenschaften von Well- oder Wabenpappen. Um Feuchteschäden zu vermeiden, ist allerdings ein konstruktiver Feuchteschutz zwingend erforderlich. Zwar finden sich bei Tragwerken bislang die meisten experimentellen Konstruktionen, jedoch haben diese immer mit der Problematik der Durchfeuchtung und dem Brandschutz zu kämpfen. Beschichtungen stören die Rezyklierbarkeit, ein Austausch geschädigter Bauteile ist meist schwierig. Es fällt jedoch auf, dass meist Skelettkonstruktionen und seltener massive Konstruktionen gewählt werden, obwohl letztere einfacher die Brandschutzanforderungen erfüllen können. Hier ist also ein Feld weiterer Entwicklungen zu erkennen. Fortschritte sind sicherlich bei Papieren zu erwarten, die auf die Entwicklung neuer Materialien aufbauen. Papiere, die gezielt Krafteinleitung und Kraftkonzentration zulassen, werden schlankere und damit effizientere Konstruktionen ermöglichen. Gleiches gilt für rezyklierbare Beschichtungen, die das Papier vor Feuchte und Feuer schützen. Ein weiterer

6 Textiler Anschluss (Tanzbrunnen Köln) als Vorbild für die Weiterentwicklung der Fügung bei dünnwandigen Papierkonstruktionen.

Konstruktion

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Bereich, in dem die Forschung derzeit Potenzial erwarten lässt, bezieht sich auf das Einbringen zusätzlicher Funktionen wie die elektrische Leitfähigkeit, die Möglichkeit der gesteuerten Verformung oder des Auflösens von Teilen der Konstruktion unter bestimmten zu definierenden Umständen (Feuchte, Temperatur, Lasteinwirkung). Was die Fügetechnik angeht, orientiert sich das Bauen mit Papier im Wesentlichen am Holzbau und adaptiert entsprechende Systeme und Komponenten. Die abgewandelten Lösungen sind vielversprechend, da sie dem Werkstoff Papier mit seinen Eigenschaften wie der Anisotropie am ehesten gerecht werden. Neben den mechanischen Verbindungen kommt auch der Klebetechnik eine große Bedeutung zu, die im Holzbau in den letzten Jahren ebenfalls sehr erfolgreich vorangetrieben wurde. Mit ihr lassen sich Kräfte flächig verteilt in den Werkstoff einbringen, was bei Papierkonstruktionen von Vorteil ist. Auch die Fügetechniken aus dem Textilbereich lassen sich gut auf das Bauen mit Papier übertragen: Als flächiger Werkstoff können Textilien besser Zug- als Druckkräfte aufnehmen » Abb. 6. Entsprechende Lösungen mit Nähten, Kederanschlüssen oder Verklebungen sind gut denkbar und haben Entwicklungspotenzial. Abschließend sei auf den Aspekt der additiven Herstellung hingewiesen. Auch beim Papier sind volumenerzeugende Herstellungsprozesse vorstellbar, die aus der Papiermasse freigeformte Bauteile erzeugen. Erste Versuche hierzu sind wegweisend » Abb. 7.

Materialtechnologie Einer der Anlässe für das Projekt „BAMP! – Bauen mit Papier“ war der Umstand, dass bisher alle Bauwerke aus Papier aus Materialien wie etwa Wellpappe bestehen, die eigentlich für eine ganz andere Branche, nämlich die Verpackungsindustrie gedacht sind – einzige Ausnahme hiervon sind die Kartonagen für Gipskartonplatten. Offensichtlich gab es an der Schnittstelle zwischen Papierherstellung und der Baubranche bisher nur sehr wenig Austausch und kaum spezifische Produktentwicklungen. Das BAMP!-Projekt konnte an dieser Schnittstelle dazu beitragen, entsprechende Netzwer-

7 Additiv hergestellte Bauteile aus Papier, TU Darmstadt, 2021.

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8 Variation der Transparenz bei Papier-Glas-Laminat.

10 Papiervlies mit einem Gewichtsanteil von 1 % an Recycling-Carbonfasern. Außergewöhnlich: Die hier verwendeten Carbonfasern stammen aus Faserrezyclat, für das es bisher kaum Anwendungsfälle gibt.

9 Papier-Glas-Laminat mit fluoreszierenden Fasern im Papier (oben: Beleuchtung mit Tageslicht vor weißem Hintergrund mit Schrift; Mitte: Beleuchtung mit Tageslicht vor schwarzem Hintergrund; unten: Beleuchtung mit UV-Licht vor schwarzem Hintergrund).

ke zu bilden und das Verständnis für die gegenseitigen Anforderungen und Möglichkeiten zu befördern. Daraus ergaben sich auch einige Ideen und Perspektiven, um neue Anwendungen für das Bauen mit Papier zu entwickeln. Die in » Kapitel 2 und 3 beschriebenen Fertigungsverfahren für Papier bieten ein breites Spektrum an Fasertypen für die Papierherstellung und ermöglichen es, die Fasern für spezifische Anwendungen maßgeschneidert auszuwählen und auch die Fasereigenschaften zu beeinflussen. Es ist bekannt, mit welchen Fasern und Behandlungsmethoden hohe Festigkeitseigenschaften erreicht werden können. Auf Basis dieses Wissens wurden die in diesem Buch erarbeiteten Materialdaten generiert. Für Bauanwendungen sind jedoch noch weitere Parameter von Relevanz, wie beispielsweise wärmedämmende und raumklimatische Eigenschaften. Klar ist, dass poröse Strukturen besser dämmen als dichte, und man weiß auch, wie Papiere sich diese Gesetzmäßigkeit positiv zunutze machen können. Es gibt jedoch bislang kaum Erkenntnisse dazu, wie sich die Faservorbehandlung und Papiererzeugung auf die Wärmedämmeigenschaften von Papieren auswirken – entsprechend hoch ist das Potenzial für die Forschung und Entwicklung. Bekannt ist auch, dass Papierfasern in weiten Grenzen Feuchtigkeit auf-

Materialtechnologie

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11 Sandwichkern aus Papier in Miura-Faltung.

nehmen und wieder abgeben können. Dies könnte eine signifikante Wirkung auf das Raumklima in Bezug auf die Luftfeuchtigkeit haben. Auch hierzu gibt es bisher kaum Erkenntnisse. Die Verwendung von Füllstoffen, insbesondere mineralischen, spielt in der Herstellung konventioneller Papiere eine große Rolle. Dabei geht es vor allem darum, die optischen Eigenschaften und Oberflächenqualitäten zu verbessern, das spezifische Gewicht zu erhöhen und die Widerstandsfähigkeit gegenüber Wasser, Fett, Öl usw. (Barrierequalität) zu optimieren. Auch Bauanwendungen können Anlass geben, die Eigenschaften von Papier zu verbessern, etwa hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit, Brandschutz, Masse, Schalldämmung und auch Widerstandsfähigkeit gegen Feuchtigkeit und Mikroorganismen. Auch die Anbindungsfähigkeit von papierbasierten Schichten an mineralische Schichten (z.B. Papier-Beton-Laminate) lässt sich durch das gezielte Einbringen von Füllstoffen in die der Betonoberfläche zugewandte Papierschicht verbessern.1 Es ist vorstellbar, dass durch Füllstoffe eine Trennschicht zwischen einer Papierlage und einer darauf aufgebrachten Putzoberfläche so eingestellt werden kann, dass die Putzlage nach Ende ihrer Nutzungszeit gut abgetrennt und separat von der Papierlage rezykliert werden kann. Das Thema Materialkombinationen, beispielsweise in Form von Laminaten, ist generell sehr spannend. Papier lässt sich sehr einfach mit unterschiedlichen Materialien verbinden. Dazu kann man die vielen OH-Gruppen an der Oberfläche der Cellulosefasern nutzen, die mit verschiedensten Klebstoffen oder Bindemitteln gute Hafteigenschaften erreichen. Bei Papier-Glas-Laminaten wurde dies an der TU Darmstadt in ersten Versuchen untersucht » Abb. 8. Glas und Papier haben mechanisch und auf anderen physikalischen Ebenen komplementäre Eigenschaften und bieten somit Potenzial für spannende Synergien. Beide Materialien dehnen sich bei zunehmenden Temperaturen nur wenig aus, und die optischen Eigenschaften von Papier lassen sich durch

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geeignete Fasern und Vorbehandlungsmethoden in relativ weiten Grenzen einstellen. So ist sehr gut vorstellbar, Papier als Verstärkungsfaser in Papier-Glas-Laminaten zu nutzen und durch unterschiedlich transluzentes Papier diffuses Licht in verschiedenen Intensitäten zu erzeugen. Auch lassen sich funktionalisierte Fasern in die Papierschicht relativ einfach einbetten. In dem in » Abb. 9 gezeigten Beispiel wurden in die Papierschicht fluoreszierende Fasern eingebunden. Bei Tageslicht erscheint das Papier-Glas-Laminat relativ transparent; im UV-Licht erkennt man nur noch die fluoreszierenden Fasern im Papier. Die Verbindung zwischen den Papier- und Glas-Schichten wurde sowohl mit Epoxidharz als auch mit Polyvinylbutiral, einem häufig verwendeten Klebstoff zur Herstellung von Sicherheitsverbundglas, erfolgreich getestet. Konventionell hergestellte Papiere weisen produktionsbedingt immer eine Vorzugsrichtung auf, da die meisten Fasern auf der Papiermaschine in Produktionsrichtung orientiert sind » Kapitel 2, S. 28–29. Von Faserverbundmaterialien ist bekannt, dass die möglichst unidirektionale Orientierung der Verstärkungsfasern in Lastrichtung spezifisch sehr leichte Konstruktionen ermöglicht. Um dieses Grundprinzip der Faserorientierung voll auszuschöpfen, hat Papier noch viel Potenzial, da das Orientierungsverhältnis von Fasern in Längs- und Querrichtung in der Größenordnung von 4:3 liegt. Deshalb wurde an der TU Darmstadt im Labormaßstab ein Konzept entwickelt und erprobt, mit dem Papiervliese mit hochgradiger Faserorientierung hergestellt werden können. Neben der Herstellung von Papieren mit hoher Faserorientierung ermöglicht dieses Fertigungsprinzip auch das Einbinden anderer Fasern (z.B. Carbonfasern, fluoreszierende Fasern) » Abb. 10. Auch Sandwichkerne aus Papier » Abb. 11 eignen sich für den Aus- und Leichtbau, insbesondere den Möbelbau.2 Sie ermöglichen sehr steife und leichte Konstruktionen. Mittels Umform-, Präge- oder Falttechniken lassen sich Kernstrukturen formen, die sich zum einen hinterlüften lassen und zum anderen in beiden Flächen-Dimensionen gleichartige Festigkeitskennwerte erreichen. Auch die klassische Wellpappe ist eine solche Sandwichkernstruktur, die allerdings parallel zu den Wellen mechanisch wesentlich schwächer ist als in senkrechter Richtung dazu. Zu dieser Papierbauform gibt es bis jetzt aber kaum wissenschaftliche Untersuchungen oder Forschungsprojekte. Abschließend sei noch erwähnt, dass konventionell hergestellte mehrlagige oder mehrschichtige Papiere für die spezifische Verwendung im Bauwesen weder optimiert noch systematisch untersucht worden sind. Somit eröffnet sich auch hierfür ein großes „Spielfeld“ für weitere Innovationen.

Rezyklierbarkeit Papier als reiner Werkstoff ist problemlos rezyklierbar. Die dafür nötigen Techniken gibt es bereits seit mehreren Jahrhunderten und sie wurden stets weiterentwickelt und optimiert, um die Fasern in möglichst guter Qualität wieder und weiter nutzbar zu machen. Materialkombinationen und zusätzliche Funktionen stellen jedoch die Rezyklierprozesse der bautechnisch optimierten Papiere in Zukunft vor neue Herausforderungen. Ein typisches Beispiel hierfür ist der Brandschutz – es gibt mehrere Strategien, um Papiere diesbezüglich auszurüsten. Sie beruhen größtenteils auf Materialkombinationen. Eine Variante ist die Zugabe von Additiven wie phosphorhaltige Chemikalien oder mineralische Füllstoffe in die Pulpe, also die Papiermasse, sodass ein Schutz auf Faserebene entsteht und die Kohlebildung des Papiers an sich gefördert und stabilisiert wird. Alternativ können intumeszierende Beschichtungen nachträglich auf die

Rezyklierbarkeit

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Oberfläche des Papiers aufgetragen werden, die im Brandfall aufschäumen und das dahinterliegende Material schützen. Die Herausforderung für die Rezyklierprozesse besteht also darin, solche Additive, Füllstoffe oder Beschichtungen von den Papierfasern zu lösen und aus dem Prozesswasser herauszufiltern. Vor allem der Feuchteschutz ist ein spannendes und kontroverses Thema im Hinblick auf die Dauerhaftigkeit der Baukonstruktion und deren Rezyklierbarkeit zum Lebenszyklusende. Zum einen sollen die Papierkonstruktionen während ihrer Nutzungszeit stabil sein und für ein hygienisches Raumklima sorgen. Sie sollen einerseits weder durch Feuchte beschädigt werden oder sich gar auflösen, andererseits sollen sie im Rezyklierprozess mit Wasser wiederum auflösbar sein und möglichst ohne Materialverluste in ihre Fasern zerlegt werden können. Auch dieser Spagat lässt sich durch Materialkombinationen lösen. Beispielweise kann eine zusätzliche, folienartige Schicht an der Papieroberfläche die Konstruktion vor eindringendem Wasser schützen und zum Lebenszyklusende wieder mechanisch gelöst werden. So sind Feuchteschutz und Rezyklierbarkeit gleichermaßen möglich. Eine weitere Herangehensweise ist die Entwicklung einer feuchteschützenden Beschichtung oder eines Additivs, welches sich mit den Papierfasern chemisch verbindet und sich durch einen weiteren chemischen Prozess zum Lebenszyklusende wieder löst. Es werden sich Wege finden, mehrere Funktionen in einer Schicht zu kombinieren, also beispielsweise durch eine Beschichtung oder Additive, die das Papier wasserabweisend, brandfest und antimikrobiell ausstatten, ohne dabei die Rezyklierbarkeit einzuschränken. In naher Zukunft wird man jedoch auf eine Schichtung dieser Funktionen zurückgreifen. Demnach werden für den Rezyklierprozess weitere Prozessschritte hinzukommen. Diese könnten vorgeschaltete mechanische Prozesse umfassen, die funktionalisierte Schichten von der Papierkonstruktion lösen, oder zusätzliche chemische Prozesse. Ein Beispiel hierfür ist das Deinking, mit dem sich für das Rezyklieren von Zeitungspapieren die Tinte von den Fasern trennen lässt. So wird es in Zukunft Techniken geben, die beispielsweise zuerst die wasserabweisende und antimikrobielle Schicht entfernen oder herausfiltern. Anschließend könnte das Gemisch in ein Wasserbad gegeben werden, in welchem Bakterien oder Ähnliches die Brandschutzmittel abbauen, um daraufhin mit herkömmlichen Aufbereitungsprozessen die Papierfasern zu gewinnen. Künftig müssen aber nicht nur Funktionalisierungen und Rezyklierprozesse an die temporären und kreislaufgerechten Konstruktionen angepasst werden, sondern auch die architektonische Planung. Sie muss dafür das Lebenszyklusende nicht nur bedenken, sondern es in den Fokus rücken.

Prozesse neu denken Die mit neuen Lebenszeiten und Dauerhaftigkeit des Materials verbundene Änderung in Architektur und Bauwesen erfordert in der gesamten Kette, von Entwurf und erster Idee bis hin zur Realisierung und der Nutzungsphase, einen neuen Prozessgedanken. Darauf müssen sich Architekten, Ingenieure, Hersteller und Verarbeiter gleichermaßen einstellen. Nicht die Langlebigkeit einer Bauweise könnte im Vordergrund einer planerischen Entwicklung stehen, sondern genau das Gegenteil: Prozesse und Wertschöpfungsketten, die von einem verhältnismäßig kurzen Kreislaufprozess ausgehen und auf der regenerativen Grundlage arbeiten. Dafür ist der Fokus auf die zu verwendenden Materialien zu setzen und deren Rohstoffe sind genau zu betrachten. So lassen sich beispielsweise neue Wertschöp-

7 AUSBLICK

168

fungsketten denken, indem man Papiersorten oder Halbzeuge, die zuvor als Verpackungsmaterial genutzt wurden, rezykliert und daraus ein neues Papierhalbzeug für ein Gebäude herstellt. Somit entnimmt man Rohstoffmasse einer Wertschöpfungskette und erschafft eine neue Wertschöpfungskette. Dieser Prozess kann ebenfalls auf Holz als Ausgangsrohstoff übertragen werden. So lässt sich die Kaskadennutzung von Holz (Vollholz, spanbasierte Produkte, faserbasierte Produkte, chemische Produkte, energetische Verwertung) auf Ebene der faserbasierten Produkte um die Nutzung der Holzfasern als Papierrohstoff erweitern. Da Papier ähnliche Eigenschaften wie Vollholz erreichen kann, handelt es sich bei diesem Schritt um ein Upcycling des Materials. Der Gedanke wäre, Holzwerkstoffe zu generieren, die sich mehrfach nutzen lassen, bevor sie irgendwann – meist thermisch – entsorgt werden. Vielleicht sind es gerade die derzeit noch negativ bewerteten Eigenschaften von Karton und Papier wie die Kurzlebigkeit, die für ein anderes Konzept von Architektur ungeahnte Potenziale freisetzen. Die Reaktion auf einen fluktuierenden Markt, auf eine Wohnungsnachfrage mit temporären Einheiten oder eben Papierhäuser als Leichtbaukonstruktionen für ein bis vier Jahre fordert neue Denk- und Herstellungsprozesse und ein Hinterfragen des Status quo. Für das Bauen mit Papier benötigt man neue Planungsprozesse, schnellere, systematisierte industrielle Verarbeitung und im Übergang einfache Bauprozesse an Ort und Stelle. Mehr Vorfertigung, weniger Montage und kürzere Bauzeiten. Mehr systematisches Denken und Arbeiten, weniger individuelle Fertigung. Oder sind gerade auch aufgrund des Materials und dessen Bearbeitung individualisierte Formen und Anwendung denkbar? Ist eine „Plot“-Architektur, also eine Bauweise, die aus maschineller Herstellung und Verarbeitung erwächst, vorstellbar? Dies alles muss in dem Material der Zukunft stecken. Hier sind Aspekte wie die Vorfertigung und geringes Gewicht ein Potenzial, um schnell auf Anforderungen und Anfragen eines sich wandelnden Architekturmarktes reagieren zu können. Das Ziel der neuen Prozesse ist der Einsatz von einem Material, das komplett aus regenerativen Bestandteilen besteht und dessen Demontage und Entsorgung oder gar Wiederverwendung für neue Prozessketten eine Wertschöpfung darstellt.

ANMERKUNGEN 1 Frederic Kreplin, Samuel Schabel, Martin Lehmann, Andreas Büter, Mandy Thomas, Tiemo Arndt, Sabrina Mehlhase, Markus Biesalski, Christian Mittelstedt, Andreas Maier, Nihat Kiziltoprak, Jens Schneider, Albrecht Gilka-Bötzow, Mona Nazari Sam, E. A. B. Koenders, Samuel Schabel (Hrsg.), KOMPAP – Energieeffizientes Bauen durch KompositMaterialien mit Papier. Technische Universität Darmstadt, 2020, BMWi 03ET1414A-C + E, [Report]. 2 Niklas Schäfer, Leichtbaupotential durch Faltstrukturen aus Papier als Sandwichkern, Master Thesis, Technische Universität Darmstadt, 2020.

Prozesse neu denken

169

FAKTEN UND KENNZAHLEN FÜR INGENIEURE

8 

Dieses Kapitel gibt einen Überblick zu Testverfahren und Prüfmethoden für das Material Papier, zu mechanischen Bauteilprüfungen oder biophysikalischen Bauteilprüfungen sowie zum Brandschutz. Es ist als Ergänzungswissen insbesondere für Ingenieure gedacht und bietet ein vertieftes Verständnis des Materials und der für das Bauwesen nötigen Prüfungen.

Prüfmethoden zum Material Es gibt eine große Vielfalt an Testmethoden, mit denen man im wissenschaftlichen Kontext arbeitet, um die bautechnischen Materialparameter der verschiedenen Papierwerkstoffe zu bestimmen. Nicht alle dieser Methoden sind standardisiert. Der Fokus in diesem Kapitel liegt, sofern möglich, auf Prüfverfahren, die in der Industrie etabliert sind und keine Sonderausstattung benötigen. Einen sehr umfassenden Überblick über die mechanischen Materialeigenschaften bietet das Handbook of Physical Testing of Paper.1

Probenahme, Vorbehandlung und Grundgrößen Bereits die Probenahme kann das Ergebnis einer Prüfung beeinflussen, weshalb diese Probenahme in DIN EN ISO 186 genormt ist.2 Nicht immer kann man jedoch das Probenmaterial entsprechend der Norm selbst entnehmen, sondern bekommt es zur Verfügung gestellt. In so einem Fall müssen die Messergebnisse entsprechend interpretiert werden. Vor den weiteren Prüfungen müssen die Proben im Normklima bis zu 48 Stunden vorbehandelt werden, sodass sich die normgerechte Temperatur und der Feuchtegehalt in der Probe einstellen können. Wie im Abschnitt » „ Abschnitt Papier, Karton und Pappe“, S. 36–38 beschrieben, ist die flächenbezogene Masse bzw. das Flächengewicht, auch Grammatur, eine der wichtigsten Größen zur Charakterisierung eines Papiers. Es wird durch das Wiegen einer Probe definierter Größe bestimmt (siehe DIN EN ISO 536).3 Um beispielsweise die Spannung berechnen zu können, müssen Informationen zur Papierdicke vorliegen. Aufgrund der wenigen Faserquerschnitte, die in einem Blatt Papier übereinanderliegen, ist die Dickenbestimmung nicht trivial. Nach DIN EN ISO 534 kann die Dicke am Einzelblatt oder am Blattstapel mit einem Mikrometer, das einen Druck auf eine definierte Fläche ausübt, ermittelt werden.4

8 FAKTEN UND KENNZAHLEN FÜR INGENIEURE

170

1 Schematische Darstellung der Zugprüfung in Materialrichtung.

2 Typische SpannungsDehnungs-Kurve für Papiermuster 0°, 45°, 90°.

60

MD bzw. 0°

Spannung inMPa MPa Stress in

50 40

45° 30

CD bzw. 90° 20 10 0 0

1

2

3

4

5

6

Dehnung Strain in %

Zugversuche Bei Zugversuchen wird zwischen Versuchen in Laufrichtung der Papierbahn bei der Herstellung (auch Materialrichtung bzw. Maschinenrichtung – MD = machine direction oder „in plane" genannt) einerseits und in Querrichtung (auch CD = cross direction oder „out of plane" genannt) andererseits unterschieden. Die Zugprüfung von Papier wird in DIN EN ISO 1924-2 beschrieben.5

Prüfung in Materialrichtung Bei der Prüfung in MD wird im Gegensatz zu anderen Werkstoffen bei Papier mit rechteckigen Streifen gearbeitet » Abb.  1, die 15mm breit und nicht –  wie Probekörper für andere Materialien  –  tailliert sind. Die » Abb.  2 zeigt eine typische Spannungs-Dehnungs-Kurve. Die Kurve zeigt einen kleinen, rein elastischen Bereich, gefolgt von einem elastisch-plastischen Bereich und schließlich den Bruch. Hier nicht zu sehen ist das viskoelastische Materialverhalten. Wird eine initiale Dehnung gehalten, bauen sich die Spannungen mit der Zeit ab. Im zyklischen Zugversuch bildet sich nach der Entlastungsphase vor der nächsten Belastung die Dehnung teilweise zurück. Der E-Modul wird durch Anlegen einer Tangente im elastischen Bereich bzw. im Bereich des maximalen Anstiegs der Kraft-Dehnungs-Kurve bestimmt » Abb. 3. Weitere charakteristische Werte sind die Bruchkraft und die Bruchdehnung, die am höchsten Punkt der Kurve abzulesen sind. Klassischerweise wird Papier häufig durch die Reißlänge charakterisiert. Darunter ist die Länge zu verstehen, die ein frei hängender Streifen Papier haben muss, um unter Eigengewicht zu reißen. Diese Angabe vereinfacht den Vergleich verschiedener Papiere. Im Baubereich liegt der Fokus eher auf dem elastischen Bereich der Zugkurve. Zu beachten ist, dass Papier unter dynamischer Belastung, also bei hohen Zuggeschwindigkeiten, höhere Festigkeiten ausbildet als unter langsamer Belastung.

Prüfmethoden zum Material

171

80

1400

70 60

1300

Spannung σ /MPain MPa

Dehnung ε /MPain MPa

1500

1200 1100 1000

50 40 30 20

900

10

800

0 0

100

200

300

400

0

500

0,002

0,004

0,006

0,008

0,01

ε Dehnung

Zeitin / ss Zeit

0,001 1/s 0,01 1/s 0,1 1/s 1 1/s

Kriechen mit σ = 3 MPa

Relaxation mit ε = 0.003 3

0,004

2,8 0,0035

Spannungε in MPa

σ /MPa Dehnung in MPa

2,6 2,4 2,2 2 1,8

0,003

0,0025

0,0015

1,0 0

0,0015 0

100

200

300

400

Zeitin/ s Zeit

500

0

100

200

300

400

500

Zeit Zeitin/ ss

3 Ermittlung E-Modul unter Berücksichtigung des Einflusses der Zeit sowie der Relaxation und des Kriechens.

S E ducationalVersion

Mit einem optischen Messgerät, einem sogenannten Extensometer, lässt sich die Querkontraktionszahl bestimmen. In » Abb. 4 ist als Ergebnis der Messung die Querdehnung über die Längsdehnung aufgetragen. Aus der Steigung ergibt sich die Querkontraktionszahl. Papier zeigt ein auxetisches Materialverhalten » Abb. 5. Bei der Zugprobe verjüngt es sich in der Blattebene, während es sich gleichzeitig in Dickenrichtung ausdehnt. Dieser Effekt beruht auf dem materialtypischen Fasernetzwerk: Die Fasern, die in Belastungsrichtung liegen, werden gestreckt und heben dabei überkreuzende Fasern an. Bei der Berechnung der wirkenden Spannung ist zu berücksichtigen, dass eine Querschnittsänderung stattfindet, die ertragbare Last jedoch gleich bleibt.

8 FAKTEN UND KENNZAHLEN FÜR INGENIEURE

172

Längsdehnung 0

0,5

1

1,5

0

2

4 Querdehnung über Längsdehnung zur Ermittlung der Querkontraktionszahl.

-0,2

Querdehnung

-0,4 -0,6 -0,8 -1 -1,2 -1,4

Aufgrund der Faserorientierung im Papier sind die Materialeigenschaften abhängig von der Belastungsrichtung (z.B. 0° = MD; 90° = CD oder dazwischen). Daher wird die Prüfung in diesen beiden Richtungen durchgeführt.

Prüfung quer zur Materialrichtung Für klassische Papieranwendungen gibt es mehrere standardisierte Verfahren, um das Spaltverhalten zu charakterisieren. Sie folgen aber zwei Grundprinzipien. Bei der Methode nach Tappi T 5416 wird ein doppelseitiges Klebeband auf die Ober- und die Unterseite des Papiers aufgebracht. Die Probe wird dann zwischen zwei Platten gelegt und zunächst gegen die Platten gedrückt. Die somit erzielte Haftung gewährleistet die Voraussetzung für das anschließende uniaxiale Auseinanderziehen in der Prüfmaschine. Der Spaltwiderstand nach DIN 54516 sieht eine spezielle Probenhalterung vor, damit sich die Probe von einer Kante aus zu spalten beginnt.7 Zwar beginnt auch bei der Methode Tappi T 5698 das Spalten von einer Kante aus, jedoch ist bei dieser zweiten Methode ein Winkel auf die Probe geklebt, der mit einem Pendel abgeschlagen wird. Die Ergebnisse beider Methoden sind nicht direkt miteinander vergleichbar. Ausgehend vom ersten Prinzip lassen sich mithilfe einer speziellen Probeaufnahme auch verschiedene Winkel einstellen, wodurch Schub in der Probe auftritt. Der uniaxiale Zug passt gut zu den Anforderungen bei Bauanwendungen, da hier quasi statische Bedingungen vorliegen, wobei ein Pendelschlag einer dynamischen Belastung entspricht. Es ist sehr schwierig bei dieser Prüfung, die Querkontraktionszahl zu bestimmen. In bestimmten Fällen ist es aber zulässig, die Querkontraktionszahl mit 0 anzunehmen.9

Druckprüfungen Weil Papier sehr dünn ist, ist es sehr schwierig, eine Druckprüfung vorzunehmen. Bei der In-plane-Methode beulen die Proben sehr schnell, bei einer Out-of-plane-Prüfung erfordert die geringe Probendicke bei der Einzelblattprüfung eine sehr hohe Messgenauigkeit. Eine Alternative ist hier das Messen am Blattstapel.

Prüfmethoden zum Material

173

5 Auxetisches Materialverhalten des Fasernetzwerks von Papier: Werden die sich überkreuzenden Fasern durch Zugbelastung gestreckt, verjüngt sich das Papier in der Blattebene und dehnt sich in der Dicke aus.

Prüfung in Materialrichtung DIN 54518 normt die Bestimmung des Streifenstauchwiderstands anhand des sogenannten Short-Span Compression Tests (SCT).10 Hierbei wird eine Probe in Form eines 15mm breiten Papierstreifens an beiden Enden » Abb.  7 mittels Klemmbacken eingespannt. Der geringe Abstand der Klemmen von lediglich 0,7mm soll das Ausbeulen des Papiers verhindern. Der Streifenstauchwiderstand ist der Maximalwert der Kraft, der beim Zusammenfahren der Klemmen auftritt, bezogen auf die Probenbreite. Auch bei dieser Prüfung wird in MD und CD unterschieden. Je dünner das Papier, umso wahrscheinlicher wird ein Beulen oder Knicken. Es gibt weitere Verfahren für die Wellpappenrohpapierprüfung, bei denen der Probestreifen in einen Ring gelegt (Ring Crush Test, RCT) oder in die bereits für die Wellpappe gewellte Probe gedrückt wird (Corrugated Crush Test, CCT). Die Krümmung der Probekörper verhindert ein Knicken, beeinflusst jedoch die Messgrößen. Als Ergebnis dieser Prüfungen konnte gezeigt werden, dass der E-Modul unter Druck im elastischen Bereich gleich dem E-Modul unter Zug ist.11

Prüfung quer zur Materialrichtung 6 Schematische Darstellung der Zugprüfung quer zur Materialrichtung („out of plane“).

F

Die Druckprüfung senkrecht zur Blattebene ist für Papier nicht standardisiert. Möglich ist beispielsweise ein Aufbau wie von Jian Chen verwendet, der aus einer Universalprüfmaschine mit Kraftaufnehmer, einer Grundplatte, einem Druckstempel mit Kugelkalotte und einem Extensometer besteht.12 Die Probe und das Extensometer befinden sich zwischen Grundplatte und Druckstempel » Abb.  6, 8. Die Kugelkalotte garantiert dabei eine parallele Ausrichtung der Flächen. Dabei wird sehr häufig angenommen, dass – wie auch beim Out-of-plane-Zug – die Querkontraktion vernachlässigbar klein ist.

Prüfmethoden zum mechanischen Versagen von Bauteilen Um bestimmen zu können, inwieweit Bauteile für die beabsichtigte Verwendung als tragende Elemente geeignet sind, bedarf es der Prüfung entsprechender Belastungssituationen. Ist es nicht möglich, die Tragfähigkeit eines Bauteils zu berechnen, sind experimentelle Prüfverfahren nötig. Die Art der Prüfung richtet sich nach der gesuchten Größe bzw. nach der Art der erwarteten Belastung des Bauteils.

8 FAKTEN UND KENNZAHLEN FÜR INGENIEURE

174

7 Schematische Darstellung der Druckprüfung in Materialrichtung („in plane“).

,05

0,7

±0

F

9 Schematische Darstellung einer Zugprüfung am Bauteil.

8 Schematische Darstellung einer möglichen Druckprüfung quer zur Materialrichtung („out-of-plane“).

F

F

10 Schematische Darstellung einer Druckprüfung am Bauteil.

F

Zugprüfung Als Normung für Zugprüfungen auf Bauteilebene bietet sich im Holzbau die DIN EN 408 an.13 Für die entsprechende Prüfeinrichtung muss die Prüfkörperlänge mindestens das 9-Fache der größeren Querschnittsabmessung aufweisen. Abgesehen davon ist der Prüfkörper so einzuspannen, dass er sich während der Prüfung nicht verbiegen kann » Abb. 9. Für Holz wird eine dehnungsgeregelte Prüfung mit einer Geschwindigkeit von 0,005%/s vorgegeben. Überträgt man diese Methodik auf Papierbauteile, sind die Parameter eventuell anzupassen. Mithilfe der Zugprüfung lassen sich die Zugfestigkeit und der Zugelastizitätsmodul ermitteln.

Druckprüfung DIN EN 408 enthält neben Bestimmungen zu Zugprüfungen an Bauteilen auch solche für die Druckprüfung. Die Norm gibt beispielsweise vor, dass die Prüfkörperlänge sechsmal länger als die kleinere Querschnittsabmessung sein muss. Die Druckkraft muss zentrisch auf den Prüfkörper einwirken, ohne dass er sich verbiegen kann. Ideal hierfür sind Kugelkalotten » Abb. 10. Damit der Prüfkörper im Lagerbereich nicht ausknickt, ist er nach der Lastaufnahme entsprechend zu sichern. Mit dieser Methode lassen sich der Druck-Elastizitätsmodul und die Druckfestigkeit ermitteln. Sie ermöglicht es außerdem, eine möglichst hohe Schlankheit des Bauteils ohne Verlust der Stabilität zu erreichen.

Prüfmethoden zum mechanischen Versagen von Bauteilen

175

Biegeprüfung Biegeprüfungen erfolgen sowohl an balkenartigen als auch an flächigen Bauteilen wie z.B. Deckenplatten. Dabei werden die Bauteile für gewöhnlich an beiden Enden gelagert und im Feldbereich belastet » Abb.  11. Gemessen wird sowohl die Belastung als auch die Verformung, die sich während der Belastung einstellt. Varianten wie z.B. Drei-Punkt-, Vier-Punkt- und Sechs-Punkt-Biegung sind üblich. Die Vier-Punkt-Biegung bietet sich an, um einen nahezu konstanten Momentenverlauf im mittleren Feldbereich zu ermitteln. Um eine über die Spannweite des Bauteils verteilte Last zu simulieren, wendet man häufig die Sechs-Punkt-Biegung an. Im Bauwesen nimmt z.B. die DIN EN 384 beim Holzbau Bezug auf Biegeprüfungen in Bauteilgrößen.14 Auch für die Verwendung von Papierhülsen gibt es bereits Normen zur Durchführung von Biegeprüfungen. DIN ISO 11093-615 und DIN ISO 11093-716 geben Empfehlungen sowohl für die einzuhaltenden Last- und Lagerabstände als auch für die Geometrie der Lasteinleitungselemente (Lager und Kraftpunkte), um die sogenannte Ovalisierung des Querschnitts während der Belastung zu vermeiden. Mit möglichst großen Kontaktflächen an den Lasteinleitungselementen lassen sich lokale Effekte unterbinden. Bei der Prüfung ist außerdem zu beachten, dass sich die Lasteinleitungselemente in den Prüfkörper drücken können, was Verformungsmessungen mittels externer Wegaufnehmer notwendig macht. Mit Biegeprüfungen lassen sich neben der Biegesteifigkeit des Bauteils auch Festigkeits- und Steifigkeitsgrößen bestimmen, darunter vor allem die Biegezugfestigkeit, Biegedruckfestigkeit und das Elastizitätsmodul in Bauteillängsrichtung. Je nach Mate-

11 Schematische Darstellung einer Biegeprüfung am Bauteil (Drei-Punkt-Biegung).

12 Schematische Darstellung einer Torsionsprüfung am Bauteil.

13 Schematische Darstellung einer Schubprüfung am Bauteil mithilfe einer ZugDruck-Prüfmaschine.

F

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F ȉ

8 FAKTEN UND KENNZAHLEN FÜR INGENIEURE

176

14 Die ThermografieMessung mittels Kamera erlaubt die Ermittlung von Wärmebrücken.

rial und Bauteilabmessungen kann es zu Schubverformungen kommen, infolgedessen die Biegesteifigkeit womöglich unterschätzt wird. Der Schubeinfluss lässt sich abschätzen, indem die Biegeprüfung der Balken mit unterschiedlichen Lager- und Lastabständen erfolgt.

Torsionsprüfung In der DIN EN 408 ist auch eine mögliche Vorrichtung zur Torsionsprüfung an Bauteilen beschrieben. Demzufolge wird das Bauteil an einem Ende so eingespannt, dass keine Verdrehung um die Prüfkörperlängsachse entstehen kann. Die Lagerung am anderen Ende ermöglicht hingegen eine Relativverdrehung » Abb. 12. Dazu wird ein Ende z.B. in einem Zylinder eingespannt, der auf zwei weiteren Zylindern aufliegt und sich über einen Hebelarm um die Prüfkörperlängsachse drehen lässt. Für Holzbauteile wird die Prüfkörperlänge als das 19-Fache der Bauteilhöhe vorgegeben. Für Papier ist ein geeigneter Wert zu untersuchen. Über die Torsionsprüfung lassen sich sowohl das vom Bauteil aufnehmbare Torsionsmoment als auch der Schubmodul ermitteln.

Schubprüfung Die Bestimmung der Schubeigenschaften eines Bauteils, ermöglicht – wie soeben beschrieben – für balkenartige Bauteile die Torsionsprüfung. Eine solche Schubprüfung lässt sich alternativ auch experimentell mithilfe einer Zug-Druck-Prüfmaschine durchführen. Dazu bedarf es jedoch entsprechender Aufsätze für die Prüfmaschine: Dazu werden ausreichend steife Platten auf der Ober- und Unterseite des Prüfkörpers aufgebracht, die gelenkig mit den beiden Anschlusspunkten der Prüfmaschine verbunden sind » Abb. 13. Durch die Vertikalfahrt der Prüfmaschine wird das Bauteil dann auf Schub belastet. Entsprechende physikalische Größen sind über mechanische Zusammenhänge zu ermitteln.

Prüfmethoden zum mechanischen Versagen von Bauteilen

177

15 Schematische Darstellung einer Wärmeleitfähigkeitsermittlung mittels Plattenmessgerät.

16 Bei einem Cobb-Test wird Wasser auf das Papier aufgebracht und die Wasseraufnahme durch Wiegen ermittelt.

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Prüfmethoden zur Bauphysik Neben den beschriebenen Prüfverfahren zur Bestimmung der mechanischen Materialeigenschaften von Bauteilen und ihrer Tragfähigkeit sind auch bauphysikalische Prüfungen essentiell. Es hängt schließlich von der Wärmeleitfähigkeit der Papierwerkstoffe in der Gebäudehülle ab, welche Behaglichkeit sich einstellt und wie die Energiebilanz des Gebäudes ausfällt. Damit die Konstruktion nicht durch Wasserbelastung und Schimmelbildung Schaden nimmt, sind die Bauteiloberflächen entsprechend zu schützen. In dem Zusammenhang ist auch die Wasserdampf-Diffusionsdichte der Bauteilschichten relevant – ebenso wie der Brandschutz.

Wärmeleitfähigkeitsermittlung Die Wärmeleitfähigkeit von Werkstoffen lässt sich mit stationären oder instationären Verfahren bestimmen. Für Papierwerkstoffe eignen sich vor allem die stationären Verfahren, welche die Wärmeleitfähigkeit mittels Plattengerät » Abb.  15, Wärmestrommessplatten-Gerät oder über die relative Methode ermitteln. Diese Prüfungen erfolgen nach DIN EN 12667.17 Durch das Temperieren einer oder mehrerer Platten wird ein Wärmestrom in dem Werkstoff erzeugt und gemessen. Aus diesem Wärmestrom lässt sich die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs ableiten. Für das Ermitteln von Wärmebrücken und Oberflächentemperaturen eignen sich Thermografie-Kameras » Abb. 14.

8 FAKTEN UND KENNZAHLEN FÜR INGENIEURE

178

17 Mittels einer Schlagregenprüfung am Fassadenprüfstand lässt sich die Wasserdichtheit von Konstruktionen nachweisen.

Cobb-Test zur Ermittlung der Wasseraufnahme Mit dem sogenannten Cobb-Test » Abb. 16.nach DIN EN ISO 535:2014-06 lässt sich das Wasserabsorptionsvermögen – also die Saugfähigkeit von Papierwerkstoffen – bestimmen.18 Dazu wird Wasser über eine definierte Einwirkzeit auf das Papier aufgebracht. Im Anschluss wird das Papier gewogen, wodurch sich die Wasseraufnahme in g/m² ergibt. Die Wasserdichtheit von ganzen Konstruktionen lässt sich in Fassadenprüfständen mittels Schlagregenprüfungen nach DIN EN 12865 nachweisen.19 Neben einer konstanten Berieselung des Prüfkörpers sollen pulsierende Luftdrücke das Aufprasseln von Wasser in verschiedenen Winkeln auf die Konstruktion simulieren » Abb. 17.

Wasserdampfdiffusionstests Nicht nur das Wasserabsorptionsvermögen von Papier, sondern auch dessen Wasserdampfdiffusionsdichte spielt eine wichtige Rolle im Bauwesen. Den WasserdampfDiffusionskoeffizienten, welcher dickenunabhängig in μ angegeben wird, bestimmt man entsprechend den Normen DIN EN ISO 778320 und DIN 53122-121 mittels sogenannter Nass- und Trockenschalen-Verfahren » Abb. 18. Dazu werden Schalen mit Trockenund Nassmitteln befüllt und mit dem zu prüfenden Papier verschlossen. Die Trockenmittel erzeugen eine sehr geringe Luftfeuchtigkeit innerhalb der Schale, sodass die

Prüfmethoden zur Bauphysik

179

18 Schematische Darstellung von Wasserdampfdiffusionstests mittels Schalenverfahren.

19 Schematische Darstellung von Einzelflammtests.

CaCl 2

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g

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n he

Luftfeuchtigkeit durch das Papier hindurch in die Schale hineindiffundiert, um einen Ausgleich herbeizuführen. Das Nassmittel hingegen erzeugt eine hohe Luftfeuchtigkeit, sodass der Wasserdampf durch das Papier aus der Schale hinausdiffundiert. Über einen gewissen Zeitraum werden die Schalen regelmäßig gewogen, wodurch der Wasserdampfdiffusionsstrom bestimmt werden kann. Aus diesem ergibt sich wiederum der dickenunabhängige Wasserdampf-Diffusionskoeffizient des Werkstoffs.

Brandschutzprüfungen Um Papierwerkstoffe in die Brandschutzklassen nach DIN EN 1350122 und DIN 410223 einordnen zu können, werden Einzelflammtests entsprechend DIN EN ISO 1192524 vorgenommen » Abb. 19. Im Rahmen dieser Tests werden die Werkstoffe über eine definierte Zeit beflammt. Die Entflammbarkeit, die Brandgeschwindigkeit, die Rauchentwicklung, brennendes Abtropfen und weitere Merkmale bestimmen die Klassifizierung. Zur Bestimmung der Feuerwiderstandsklasse von Bauteilen werden diese entsprechend ihrer Einbausituation nach den Normen DIN EN 1363 bis 136625 von einem Brandschutzlabor geprüft.

Materialbeispiele Im Folgenden werden beispielhaft sechs verschiedene Papierwerkstoffe mit exemplarischen Materialparametern zur globalen Einschätzung möglicher mechanischer Belastungen vorgestellt.

8 FAKTEN UND KENNZAHLEN FÜR INGENIEURE

180

Hierbei handelt es sich um eine Auswahl üblicher Papierwerkstoffe: • Kombination aus zwei Papiersorten: Deckenpapier (Liner) und Wellenpapier (Fluting). Die beiden Papiersorten stellen die Ausgangsmaterialien für die in » Kapitel 3, S. 38–41 vorgestellten Halbzeuge Wellpappe und Wellstegpappe dar. Je nach Achsrichtung (MD = machine direction, CD = cross direction) sind die Werte unterschiedlich und es werden daher immer beide Kennzahlen angegeben, dazu der Wert für die Diagonale zwischen MD und CD (45°) für schräg einwirkende Belastungen » Abb. 20, 21. • Karton. Es wurde ein dreilagiger Karton ausgewählt, aus einer weißen Außenlage aus gebleichten Frischfasern, einer grauen Innenlage aus gemischtem Altpapier und einer Mittellage aus holzstoffhaltigem, ungebleichtem Altpapier besteht. Dieser Karton lässt sich gut verformen » Abb. 22. • Pappe. Pappe ist generell ein mit dem Karton » Abb. 22 vergleichbares Ausgangsmaterial, jedoch mit höherer Grammatur » Abb. 23. In diesem Fall jedoch besteht die Pappe nicht aus verschiedenen vergautschten Papiersorten, wie der Karton in » Abb. 22, sondern nur aus Holzstoff. • Wellpappe. Hier werden Decken- und Wellenpapier kombiniert, vergleichbar den Materialien in » Abb. 20 und » Abb. 21. Die Besonderheit liegt in der Struktur des Materials, welches abhängig von der Ausrichtung unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweist » Abb. 24. Die Wellenstruktur zwischen den Deckschichten ermöglicht hohe Stabilität bei geringem Gewicht. • Wellstegpappe: Für Wellstegpappe werden Wellpappen aufgeschnitten und senkrecht aneinandergereiht. Das Ausgangsmaterial ist demnach identisch mit dem Material in » Abb. 24, lediglich die strukturelle Ausrichtung variiert und bedingt die Unterschiede der mechanischen Eigenschaften » Abb. 25.

Materialbeispiele

181

Materialbeispiel Liner 20 Deckpapier (Liner). Das Material wird in Kombination mit einem Wellenpapier (Fluting) eingesetzt » Abb. 21.

Flächengewicht

135g /m²

Dicke

0,18mm

Dichte Bruchspannung

Bruchkraft

Bruchkraftindex

Reißlänge

Bruchdehnung

Elastizitätsmodul

Querkontraktionszahl

754kg/m³ MD

67,69 MPa

45°

40,14 MPa

CD

29,01 MPa

MD

181,24 N

45°

107,47 N

CD

77,67 N

MD

1,35 Nm²/g

CD

0,58 Nm²/g

MD

9152,56m

CD

3922,53m

MD

1,71%

45°

2,73%

CD

5,45%

MD

6761,80 MPa

45°

3907,6

CD

2451

MD

0,352

45°

0,159

CD

0,144

Schubmodul Streifenstauchwiderstand

1748,64 MPa MD

4,48 kN/m

CD

2,80 kN/m

8 FAKTEN UND KENNZAHLEN FÜR INGENIEURE

182

Materialbeispiel Fluting 21 Wellenpapier (Fluting). Das Material wird mit einem Deckpapier (Liner) kombiniert » Abb. 20.

Flächengewicht

139g /m²

Dicke

0,20mm

Dichte Bruchspannung

Bruchkraft

Bruchkraftindex

Reißlänge

Bruchdehnung

Elastizitätsmodul

Querkontraktionszahl

687kg/m³ MD

30,86 MPa

45°

19,06 MPa

CD

14,34 MPa

MD

93,74 N

45°

57,89 N

CD

43,56 N

MD

0,67 Nm²/g

CD

0,31 Nm²/g

MD

4579,68 m

CD

2128,08 m

MD

1,34%

45°

2,01%

CD

3,18%

MD

4061 MPa

45°

2660,1

CD

1914

MD

0,342

45°

0,229

CD

0,191

Schubmodul Streifenstauchwiderstand

1106,9 MPa MD

3,83 kN/m

CD

2,54 kN/m

Materialbeispiele

183

Materialbeispiel Karton 22 Dreilagiger Karton: Karton unterscheidet sich von Papier durch seine höhere Grammatur. Im Vergleich zu Pappe hingegen ist die Grammatur geringer. Karton wird in der Regel durch das Vergautschen mehrerer Papiere hergestellt. Durch die Kombination verschiedener Papiersorten, hier drei Lagen, können unterschiedliche Qualitäten erzeugt werden.

Flächengewicht

385g /m²

Dicke

0,53mm

Dichte Bruchspannung

Bruchkraft

Bruchkraftindex

Reißlänge

Bruchdehnung

Elastizitätsmodul

Querkontraktionszahl

728kg/m³ MD

59,40 MPa

45°

34,94 MPa

CD

25,41 MPa

MD

471,87 N

45°

277,56 N

CD

201,86 N

MD

1,22 Nm²/g

CD

0,52 Nm²/g

MD

8318,96 m

CD

3558,67 m

MD

2,09%

45°

3,03%

CD

4,42%

MD

6114,08 MPa

45°

3511,7

CD

2213,34

MD

0,466

45°

0,169

CD

0,202

Schubmodul Streifenstauchwiderstand

1479,02 MPa MD

9,14 kN/m

CD

5,98 kN/m

8 FAKTEN UND KENNZAHLEN FÜR INGENIEURE

184

Materialbeispiel Pappe 23 Pappe: Pappe hat im Vergleich zu Papier und Karton das höchste Flächengewicht. Auch Pappen werden in der Regel durch das Vergautschen mehrerer Papiere hergestellt. Durch ihr hohes Volumen weisen sie deutliche Vorteile für die Anwendung im Bauwesen auf, da im Vergleich zum Papier deutlich weniger Schichten zusammengeklebt werden müssen. Das dargestellte Produkt wird bereits als Trittschalldämmung eingesetzt. Durch Nassfestmittel ist es feuchtebeständig.

Flächengewicht

708g /m²

Dicke

1,81mm

Dichte Bruchspannung

Bruchkraft

Bruchkraftindex

Reißlänge

Bruchdehnung

Elastizitätsmodul

Querkontraktionszahl

391kg/m³ MD

6,02 MPa

45°

4,72 MPa

CD

4,16 MPa

MD

163,66 N

45°

128,32 N

CD

113,09 N

MD

0,23 Nm²/g

CD

0,16 Nm²/g

MD

1570,21m

CD

1085,06m

MD

0,86%

45°

1,09%

CD

1,52%

MD

950,92 MPa

45°

705,11

CD

534,17

MD

0,095*

45°

0,065*

CD

0,095*

Schubmodul Biegesteifigkeit (2-Punkt-Verfahren)

340 MPa* MD

516,56 Nmm

CD

261,72 Nmm * Unklarheiten bei der Messung – Werte nur Anhaltspunkte

Materialbeispiele

185

Materialbeispiel Wellpappe 24 Wellpappe: Wellpappen werden aus den Materialien Deckpapier » Abb. 20 und Wellenpapier » Abb. 21 hergestellt. Diese Papiere können in mehreren Schichten kombiniert werden, sodass einwellige bis dreilagige Wellpappen gebildet werden können. Je nach Ausführung des jeweiligen Deck- oder Wellenpapiers variieren die Materialeigenschaften der Wellpappe.

Deckenpapier

» Abb. 20

Wellenpapier

» Abb. 21

Wellenart

C-Welle

Flächenbezogene Masse

474g /m²

Dicke

3 mm

Kantenstauchwiderstand

5,18 kN/m

Kantenstauchwiderstand Material um 90° gedreht

1,40 kN/m

Flachstauchwiderstand

226,7 kN/m²

Materialbeispiel Wellstegplatte 25 Wellstegplatte: Der Kern von Wellstegpappen wird aus Wellpappen erzeugt, die zurechtgeschnitten und aneinander geleimt werden. Anschließend werden diese sogenannten Wellenkerne mit Deckpapieren wie in » Abb. 20 versehen.

Flächenbezogene Masse

3450g /m²

Dicke

30mm

Dichte

115kg/m³

Druckversuch senkrecht zur Deckschichtebene

0,8 MPa

8 FAKTEN UND KENNZAHLEN FÜR INGENIEURE

186

ANMERKUNGEN 1 R. E. Mark, C. C. J. Habeger, J. Borch, M. B. Lyne (Hrsg.), Handbook of Physical Testing of Paper, Bd. 1, New York, Basel: Marcel Dekker, 2002. 2 DIN EN ISO 186:2002-08. Papier und Pappe – Probenahme zur Bestimmung der Durchschnittsqualität, Berlin: Beuth, 2002. 3 DIN EN ISO 536:2020-05. Papier und Pappe – Bestimmung der flächenbezogenen Masse, Berlin: Beuth, 2020. 4 DIN EN ISO 534:2012-02. Papier und Pappe – Bestimmung der Dicke, der Dichte und des spezifischen Volumens, Berlin: Beuth, 2012. 5 DIN EN ISO 1924-2:2009-05. Papier und Pappe – Bestimmung von Eigenschaften bei Zugbeanspruchung – Teil 2: Verfahren mit konstanter Dehngeschwindigkeit (20mm/min), Berlin: Beuth, 2009. 6 Zwick/Roell, https://www. zwickroell.com/de/branchen/ papier-pappe-tissues/papier/ internal-bond-test-tappi-t541-iso-15754/, abgerufen 10. Mai 2022. Vgl. auch Ahmed Koubaa, „Measure of the Internal Bond Strength of Paper/Board“, Tappi Journal 78(3), März 1995, S. 103–111, https://www.researchgate.net/

publication/233898670_Measure_ of_the_internal_bond_strength_of_ paperboard 7 DIN 54516:2004-10. Prüfung von Papier und Pappe – Bestimmung des Spaltwiderstandes, Berlin: Beuth, 2004. 8 Tappi, „Internal Bond Strength (Scott Type), Test Method TAPPI/ANSI T 569 om-14“, https://imisrise.tappi.org/ TAPPI/Products/01/T/0104T569.aspx, abgerufen 10. Mai 2022. 9 N. Stenberg, C. Fellers, „Out-ofplane Poisson’s ratios of paper and paperboard“, Nordic Pulp & Paper Research Journal, 17(4), 2018, S. 387–394. doi:10.3183/npprj-2002-1704-p387-394, abgerufen 4. Oktober 2019. 10 DIN 54518:2022-01. Prüfung von Papier und Pappe – Streifenstauchwiderstand, Berlin: Beuth, 2022. 11 K. Niskanen, „Structural Mechanics of Paper and Board“, in: I. Kajanto (Hrsg.), Paper Physics, Bd. 16, Helsinki: Fapet Oy, 1998, S. 192–221. 12 Jian Chen, Investigation on the Mechanical Behavior of Paper and Paper Stacks in the Out-of-Plane Direction, Dissertation, Technische Universität Darmstadt, 2016. 13 DIN EN 408:2012-10. Holzbauwerke – Bauholz für tragende Zwecke und Brettschichtholz – Bestimmung einiger physikalischer und mechanischer Eigenschaften, Berlin:

Beuth, 2012. 14 DIN EN 384:2019-02. Bauholz für tragende Zwecke – Bestimmung charakteristischer Werte für mechanische Eigenschaften und Rohdichte, Berlin: Beuth, 2019. 15 DIN ISO 11093-6:2005-09. Papier und Pappe – Prüfung von Hülsen aus Hülsenkarton – Teil 6: Bestimmung der Biegebruchkraft nach dem Drei-Punkt-Verfahren, Berlin: Beuth, 2005. 16 DIN ISO 11093-7:2012-10. Papier und Pappe – Prüfung von Wickelkernen aus Hülsenkarton – Teil 7: Bestimmung des Elastizitätsmoduls mit dem Drei-Punkt-Verfahren, Berlin: Beuth, 2012. 17 DIN EN 12667:2001-05. Wärmetechnisches Verhalten von Baustoffen und Bauprodukten – Bestimmung des Wärmedurchlasswiderstandes nach dem Verfahren mit dem Plattengerät und dem Wärmestrommessplatten-Gerät – Produkte mit hohem und mittlerem Wärmedurchlasswiderstand, Berlin: Beuth, 2001. 18 DIN EN ISO 535:2014-06. Papier und Pappe – Bestimmung des Wasserabsorptionsvermögens – Cobb-Verfahren, Berlin: Beuth, 2014. 19 DIN EN 12865:2001-07. Wärme- und feuchteschutztechnisches Verhalten von Bauteilen – Bestimmung des Widerstandes des Außenwandsystems gegen Schlagregen bei

pulsierendem Luftdruck, Berlin: Beuth, 2001. 20 DIN EN ISO 7783:2019-02. Beschichtungsstoffe – Bestimmung der Wasserdampfdurchlässigkeit – Schalenverfahren, Berlin: Beuth, 2019. 21 DIN 53122-1:2001-08. Prüfung von Kunststoff-Folien, Elastomerfolien, Papier, Pappe und anderen Flächengebilden  – Bestimmung der Wasserdampfdurchlässigkeit  – Teil 1: Gravimetrisches Verfahren, Berlin: Beuth, 2001. 22 DIN EN 13501-1:2019-05. Klassifizierung von Bauprodukten und Bauarten zu ihrem Brandverhalten – Teil 1: Klassifizierung mit den Ergebnissen aus den Prüfungen zum Brandverhalten von Bauprodukten, Berlin: Beuth, 2019. 23 DIN 4102-1:1998-05. Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen – Teil 1: Baustoffe; Begriffe, Anforderungen und Prüfungen, Berlin: Beuth, 1998. 24 DIN EN ISO 11925-2:2020-07. Prüfungen zum Brandverhalten – Entzündbarkeit von Produkten bei direkter Flammeneinwirkung – Teil 2: Einzelflammentest, Berlin: Beuth, 2020. 25 DIN EN 1366-1:2020-11. Feuerwiderstandsprüfungen für Installationen – Teil 1: Lüftungsleitungen, Berlin: Beuth, 2020.

Materialbeispiele

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HERAUSGEBER UND AUTOREN

Professor Dr.-Ing. Ulrich Knaack hat Architektur an der RWTH Aachen studiert und ist nach einigen Jahren in der Baupraxis und als Fassadenplaner heute Professor für Konstruktion und Entwurf an der TU Delft sowie Professor für Fassadentechnik an der Technischen Universität Darmstadt. Autor der bekannten Fachbücher Konstruktiver Glasbau und Konstruktiver Glasbau 2, Koautor der Buchreihen „Imagine“ und „REAL“ sowie Mitherausgeber des Journal for Facade Design + Engineering. Bei Birkhäuser hat er die erfolgreiche Reihe „Prinzipien der Konstruktion“ konzipiert, in der bislang vier Bände erschienen sind. Er organisiert regelmäßig Konferenzen und Ausstellungen, wie die PowerSkin, Future Envelope, glass technology live – the Hub, BE-AM (additive Fertigung im Bauwesen) sowie BAMP! – Bauen mit Papier, einer Tagung im Zusammenhang mit dem durch das Land Hessen (LOEWE) geförderten Forschungsprogramm BAMP!. Dr.-Ing. Rebecca Bach hat an der Hochschule Ostwestfalen-Lippe Architektur studiert. Anschließend arbeitete sie bei der Juniorprofessur für Rezykliergerechtes Bauen der RWTH Aachen als wissenschaftliche Mitarbeiterin an europaweiten Forschungsprojekten. Sie erhielt ein Promotionsstipendium der Deutschen Bundesstiftung Umwelt, um die Thematik des Einsatzes von Papierwerkstoffen in Außenwandkonstruktionen bauphysikalisch und ökologisch zu untersuchen. Sie wurde Teil des BAMP!-Teams und arbeitete am Institut für Statik und Konstruktion der TU Darmstadt zunächst als wissenschaftliche Mitarbeiterin und anschließend als Nachwuchsgruppenleiterin für „Energy Efficient Construction“ und „Paper Construction and Design“. 2021 schloss sie ihre Promotion zum Thema „Papier Fassaden“ ab. Seit 2020 arbeitet sie als Projektleiterin Bauphysik und Nachhaltigkeit bei Kempen Krause Ingenieure. Professor Dr.-Ing. Samuel Schabel hat an der TU Clausthal Verfahrenstechnik studiert, an der Universität Kaiserslautern promoviert und anschließend im Bereich Forschung und Entwicklung Papiertechnik der Firma Voith Sulzer gearbeitet. Seit 2002 ist Samuel Schabel Professor für Papiertechnik im Fachbereich Maschinenbau der TU Darmstadt. Zu seinen Arbeitsschwerpunkten gehören die Aufbereitung von Altpapier, das Recycling von Papierprodukten und Umweltfragen rund um Papier.

ANHANG

188

Autorenschaft der Kapitel 1 Papier in der Architektur Ulrich Knaack, Jerzy Łątka, Fabian Luttropp, Marco Volkmann

2 Material Cynthia Cordt, Oliver Elle, Andreas Geißler, Robert Götzinger, Felix Schäfer

3 Halbzeuge und Komponenten Robert Götzinger, Julian Mushövel, Sandra Schmidt, Paul Töws

4 Baukonstruktion Rebecca Bach, Evgenia Kanli, Nihat Kiziltoprak

5 Tragwerk, Brandschutz, Bauphysik Rebecca Bach, Nihat Kiziltoprak, Ulrich Knaack, Marcus Pfeiffer

6 Beispiele Rebecca Bach, Jerzy Łątka, Fabian Luttropp, Ria Stein

7 Ausblick Robert Götzinger, Ulrich Knaack, Fabian Luttropp, Samuel Schabel

8 Fakten und Kennzahlen für Ingenieure Rebecca Bach, Robert Götzinger, Nihat Kiziltoprak, Marcus Pfeiffer

Glossar Rebecca Bach, Ulrich Knaack, Samuel Schabel, Ria Stein

Fachliche Beratung Prof. Ariel Auslender, TU Darmstadt, Fachbereich Architektur Prof. Dr. rer. nat. habil. Markus Biesalski, TU Darmstadt, Fachbereich Chemie Prof. Dr.-Ing. Andreas Büter, TU Darmstadt, Fachbereich Maschinenbau und Kunststofftechnik Prof. Dr.-Ing. Dipl. Wirtsch.-Ing. Peter Groche, TU Darmstadt, Fachbereich Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Ulrich Knaack, TU Darmstadt, Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften Prof. Dr.-Ing. habil. Stefan Kolling, TU Darmstadt, Fachbereich Maschinenbau und Energietechnik Prof. Dr.-Ing. Samuel Schabel, TU Darmstadt, Fachbereich Maschinenbau Prof. Dr.-Ing. Jens Schneider, TU Darmstadt, Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften

Zeichnungen Einen wichtigen Beitrag zum Gelingen des Buches leistete Tessa Krämer, die den größten Teil der Zeichnungen erstellte. Weitere Zeichnungen wurden von Bianca Biernatek, Agata Jasiołek und Saphira Wahl angefertigt.

Herausgeber und Autoren

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GLOSSAR

Anisotrop In anisotropen Materialien ändern sich die Eigenschaften in Abhängigkeit von der Richtung der Kraft. Ein typisches Beispiel ist Holz, das quer zur Faser anders als in Richtung der Faser belastet werden kann. Auxetisch ist die ungewöhnliche Materialeigenschaft, sich bei einer Streckung quer zur Streckrichtung auszudehnen. Papier ist ein auxetisches Material, denn bei Zugbelastung verjüngt sich das Papier in der Blattebene und dehnt sich in der Dicke aus. Biegesteifigkeit ist die ► Steifigkeit eines schlanken Bauteils gegenüber Biegekräften. Bei Papier kann eine höhere ► Grammatur die Biegesteifigkeit verbessern und Sandwichstrukturen wie Wabenplatten weisen eine gute Biegesteifigkeit auf. Bruchdehnung Sie definiert die Verformung einen Werkstoffs unter Belastung, bei der die Dimension der Verformung so groß ist, dass eine Last nur noch geringfügig aufgenommen werden kann. Bruchkraft ist die Kraft, bei der eine Konstruktion bricht, also nicht mehr in der Lage ist, Lasten zu transportieren. Bruchkraftindex, auch ► Reißlänge, d.h. die Länge eines hängenden Werkstoffs, bei der er durch sein Eigengewicht abreißt. CD ist die Abkürzung für „Cross Direction“, eine Beschreibung der Achsrichtung von Papier. Gemeint ist die Achsrichtung in der Blattebene senkrecht zur Laufrichtung des Papiers auf der Papiermaschine ► MD (Machine Direction) liegt um 90° versetzt dazu. Je nach Faserausrichtung unterscheiden sich z.B. die Festigkeitswerte des Papiers. Cobb-Test Es wird Wasser über einen kontrollierten Zeitraum auf das Papier aufgebracht und dann die Wasseraufnahme durch Wiegen ermittelt. So lässt sich das Wasserabsorptionsvermogen – also die Saugfähigkeit von Papierwerkstoffen – ermitteln. Corrugated Crush Test (CCT) Prüfverfahren für Wellpappenpapiere. Die Papiere werden zu einer Welle geformt und dann in einer Halterung, die Ausbeulen oder Knicken einschränkt, durch Druck auf die Stirnseite des Papiers belastet. C-Welle Bei der Gestaltung der Welle sind unzählige Dimensionen möglich. Deshalb werden Wellen nach Wellenart bzw. Wellenprofil klassifiziert, die in DIN 55468-1 festgelegt sind. Diese unterscheiden sich in Grob-, Mittel-, Fein-, und Feinstwellen und sind mit den Buchstaben A bis G gekennzeichnet. Deckenpapier, auch Liner oder ► Decklage genannt, ist die Innen- bzw. Außendecke auf einer oder beiden Seiten von Wellpappe, zwischen denen sich das gewellte ► Wellenpapier befindet. Unterschieden werden die Sorten ► Kraftliner(aus Frischfaser, überwiegend Kraftzellstoff), ► Testliner (aus Recyclingpapier) und ► Schrenz (aus Recyclingpapier geringerer Festigkeit, meist für das Wellenpapier eingesetzt). Decklage ► Deckenpapier

ANHANG

190

Diskretisierung Einteilung von kontinuierlichen Objekten in eine endliche Anzahl diskreter Objekte. Sie dient der Durchführung sowohl analytischer als auch numerischer Berechnungen. Drillknicken Sonderfall des Biegedrillknickens, bei dem nur Verdrehungen um die Stabachse, jedoch keine seitlichen Verschiebungen auftreten. Biegedrillknicken ist das Versagen eines Trägers durch ein Biegemoment, wobei die unter Druckspannung stehenden Teile der Tragstruktur durch Knicken ausfallen. Durchstoßarbeit ist die Energie, die zum Durchstoßen einer Wellpappe mit einem normierten Durchstoßkörper aufgewendet wird. Siehe auch ► Durchstoßwiderstand. Durchstoßwiderstand Während der ► Flachstauchwiderstand die Verformung einer Wellpappe beim Zusammendrücken in Dickenrichtung ermittelt, wird beim Durchstoßwiderstand die ► Durchstoßarbeit bzw. die Energie/Kraft gemessen, die zum Durchstoßen der ► Wellpappe mit einem normierten Durchstoßkörper aufgewendet wird. Beim Durchstoßtest erzielt grobwellige Wellpappe höhere Messwerte als feinwellige Wellpappe, da die gröbere Wellpappe beim Eindringen und Durchstoßen dem pyramidenförmigen Körper einen größeren Biegewiderstand entgegensetzt. Flächenelemente sind flächig geformte Bauteile wie Platten, Scheiben, Schalen als auch Membranen. Beim Bauen mit Papier zählen hierzu ► Wabenpappen und ► Wellstegpappen. Flächengewicht gibt die Maße eines Materials bezogen auf seine Fläche an. Flachstauchwiderstand (FCT – Flat Crush Test) ist die Fähigkeit einer Wellpappe, einer senkrecht auf sie einwirkenden Kraft einen Widerstand entgegenzusetzen. Eine Probe (100cm²) wird in einem Stauchprüfungsgerät zwischen die planparallelen Druckplatten gelegt und vertikal zusammengedrückt, bis die Wellen zusammengebrochen sind. Der größte Widerstand, den die Probe dabei leistet, gibt das Maß für den Flachstauchwiderstand an. Feinwellige Wellpappe erzielt bei diesem Verfahren höhere Werte als grobwellige Wellpappe, weil sie mehr tragende Wellen pro Längeneinheit hat. Fluting ► Wellenpapier Frischfaserstoffe Die wichtigsten Frischfaserstoffe sind Zellstoffe (ohne Lignin), Holzstoffe (mit Lignin) und Halbzellstoffe. Alle haben vor und Nachteile. Bei der Zellstoffherstellung „verliert“ man etwa 50% der Holzmasse (geht in Lösung). Die Fasern haben die besten Festigkeitswerte. Bei Holzstoffen verliert man fast kein Holz, die Fasern haben geringere Festigkeiten, aber höhere Steifigkeiten und gute Lichtstreueigenschaften. Halbzellstoffe liegen dazwischen. Gautschen, Vergautschen oder Gautschpressen ist das Zusammenfügen von Papierlagen unter Druck im nassen Zustand, wobei sich die Papierfasern über Wasserstoffbrücken verbinden. So kann mehrlagiges Papier oder Karton hergestellt werden.

Glossar

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Gautschpressen ► Gautschen (von frz. gauche „links“) Gebrauchstauglichkeit bedeutet, dass ein Gebäude nicht nur tragfähig ist, sondern auch (weitgehend) frei von Schwingungen, die es zur Nutzung unbrauchbar machen würden. Grammatur ist das Flächengewicht eines Papiers, ausgedrückt in Gramm pro Quadratmeter. Karton hat eine Grammatur von 250 bis 600 g/m2, über 600 g/m2 spricht man von Pappe. Halbzellstoff ist ein Ausgangsprodukt, das überwiegend aus mechanisch aufgeschlossenen Holzfasern besteht. Im Unterschied zum Holzstoff werden die Hackschnitzel in Wasser mit Aufschlusschemikalien vorgekocht und anschließend mechanisch zerfasert. Das ► Lignin wird dabei nur zum Teil entfernt. Es entsteht kein reiner Zellstoff, daher der Name Halbzellstoff. Durch den im Vergleich zu Zellstoffen höheren Ligningehalt haben die Fasern eine höhere Steifigkeit und das daraus gefertigte Papier höhere Porositäten und höhere Biegesteifigkeitenf. Halbzellstoffe werden für die Herstellung von Karton und ► Wellenpapier für die Herstellung von Wellpappe eingesetzt. Halbzellstoffpapiere bestehen überwiegend aus Holzfasern, die halbchemisch aufgeschlossen werden. Sie dürfen maximal 35% Altpapieranteil aufweisen. Isotrop In einem isotropen Material sind dessen Eigenschaften in allen Richtungen gleich. Kalander (von frz. calandre „Rolle“) sind mehrere aufeinander angeordnete Walzen, durch deren Spalten das Papier hindurchgeführt wird. Durch den Druck werden Glanz und Glätte bei gleichzeitiger Dickenreduzierung verbessert. Kalander befinden sich außerhalb der Papiermaschine (offline) bzw. innerhalb der Maschine zwischen Trockenpartie und Aufrollung (online). Kantenstauchversuch (ECT = Edge Crush Test) ermittelt ein Maß für die Druckfestigkeit von Wellpappe bei Belastung über zwei gegenüberliegende Kanten. Er wird gemessen, indem ein vordefinierter Pappenabschnitt an seiner Kante zusammengedrückt wird. Dabei wird die Probe zwischen zwei Platten gehalten, um Beulen zu verhindern. Gemessen wird der Kantenstauchwiderstand Kraftliner ist ein stabiles ► Deckenpapier, das überwiegend aus ► Kraftzellstoff besteht. Kraftzellstoff ist ein Zellstoff mit Fasern von hohen Festigkeiten. Hergestellt wird er meist im Sulfatverfahren, bei dem Cellulosefasern aus dem Holz von Bäumen gewonnen werden, indem Holzschnitzel mehrere Stunden in einer Lauge gekocht werden. Das im Holz enthaltene Lignin sowie Polyosen und andere Holzbestandteile werden abgetrennt, die Fasern bleiben erhalten.

ANHANG

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Lagesicherheit Bei einem Bauteil muss grundsätzlich Lagesicherheit gewährleistet sein, d.h. ein Abheben gegenüber der planmäßigen Lage darf nicht eintreten. Leimung ist ein Verfahren in der Papierherstellung, das der Verbesserung der Oberflächenfestigkeit und anderer Papiereigenschaften dient. Unterschieden wird zwischen Oberflächenleimung (dünner Leimauftrag auf die Oberseite der Papierbahn) und Masseleimung (Zugabe von ► Leimungsmitteln vor der Blattbildung in der Fasermasse). Leimungsmittel waren historisch u.a. sogenannte Tierleime (Gelatinelösung) oder Baumharze. Lignin ist ein Biopolymer, also ein Makromolekül, das in den Zellen von mehrjährigen Pflanzen gebildet wird und 20-30 % der Holzzellwandsubstanz ausmacht. Bei der Zellstoffherstellung wird Lignin von den Holzfasern getrennt. Lignin erschwert die Ausbildung der Wasserstoffbrücken, die für die Festigkeit von Papieren maßgeblich sind. Liner ► Deckenpapier Linienelemente sind linear orientierte Bauteile wie beispielsweise Balken oder Seile, d.h. die Länge des Elements dominiert gegenüber der Breite und der Höhe des Querschnitts. Beim Bauen mit Papier sind das typischerweise Hülsen und Pappprofile. MD ist die Abkürzung für „Machine Direction“. Hier ist die Orientierung einer Probe oder einer Eigenschaft gegenüber ► CD in der Blattebene um 90° versetzt. Je nach Faserausrichtung unterscheiden sich die Festigkeitswerte des Papiers. Orthotrop Das Kraft-Verformungs-Verhalten ist von der Belastungsrichtung abhängig, d.h. das Material hat je nach Ausrichtung verschiedene Eigenschaften. Orthotrop ist eine spezielle Form von ► anisotrop, bei der die Eigenschaften in zwei Raumrichtungen gleich sind, in der dritten Raumrichtung aber unterschiedlich. Rapid Prototyping ist die schnelle Herstellung des Modells eines Bauteils nach 3DCAD-Daten (dreidimensionales Computer-Aided-Design). Die Werkstücke werden dabei in der Regel durch additive Fertigung, das sogenannte 3D-Drucken, hergestellt. Reißfestigkeit ist die Zugspannung im Augenblick des Reißens des Prüfkörpers. Sie wird im Zugversuch bestimmt. Reißlänge beschreibt die Länge, die ein frei hängender Streifen Papier haben muss, um unter Eigengewicht zu reißen. Der Wert ist der in der Papierbranche übliche Kennwert für die ► Reißfestigkeit, da zu seiner Bestimmung die Dicke einer Probe bzw. eines Blattes nicht erforderlich ist. Die Dicke eines Papierblattes ist wegen der Kompressibilität von Papier schwierig zu bestimmen. Ring Crush Test, RCT. Prüfverfahren für Papier, bei der ein Prüfstreifen auf Druckbelastung über die Kanten geprüft wird. Um Beulen bei der Belastung auszuschließen wird der Probestreifen in eine ringförmige Halterung eingelegt wird.

Glossar

193

Schrenz ist ein ► Deckenpapier, das ausgemischten Altpapierfasern besteht und nur eine geringe Belastbarkeit aufweist. Schubwiderstand ist die Fähigkeit, einer tangentialen Belastung standzuhalten. Der Schubwiderstand ist Abhängig von der Belastungsart und dem belasteten Element bzw. Material. Semiprobabilistisches Sicherheitskonzept Dieses Sicherheitskonzept wird im Bauwesen zur Bemessung in einer statischen Berechnung verwendet. Berücksichtigt werden statistische Standardabweichungen sowohl auf der Einwirkungsseite als auch auf der Widerstandsseite ebenso wie Erfahrungswerte aus realisierten Strukturen. Spannungs-Dehnungs-Diagramm Die Beschreibung eines Materials hinsichtlich seiner Festigkeit, seiner Plastizität bzw. seiner Sprödigkeit und seiner Elastizität. Zu diesem Zweck werden Materialproben im Zugversuch getestet und die Verformung aufgrund einer einwirkenden Spannung ermittelt. Stabstatik ist die Statik stabförmiger Bauteile, wie sie zur Berechnung von Stützen und Balken angewendet werden kann. Statische Höhe bezeichnet die Höhe der Waben- oder Wellenkerne von ► Wabenpappen und ► Wellstegpappen. Die Höhe und die Struktur der Kerne ist je nach Belastungsrichtung ausschlaggebend für die statischen Eigenschaften der ► Flächenelemente. Steifigkeit Diese Größe beschreibt den Widerstand eines Körpers gegen eine durch äußere Belastung bewirkte elastische Verformung. Die Steifigkeit wird bestimmt durch das Material des Körpers und seine Geometrie, also Form und Größe. Streifenstauchwiderstand (SCT – short compression test) quantifiziert den Widerstand eines Probestreifens gegen eine Druckbeanspruchung in Ebenenrichtung bzw. ein Stauchen des Prüfstreifens. Die Einspannlänge der Probe in die Prüfapparatur ist dabei so kurz, dass kein Knicken oder Beulen auftreten kann. Teilsicherheitsbeiwerte werden im Rahmen der Standsicherheitsberechnung von Bauwerken benötigt. Im Sinne einer höheren Sicherheit werden die Beanspruchungen mit Teilsicherheitsbeiwerten multipliziert. Somit werden Baustoffeigenschaften, die eine ungünstige Abweichung vom charakteristischen Wert hervorrufen können, ebenfalls berücksichtigt. Bei Papiermaterialien lassen sich damit zum Beispiel Schäden erfassen, die sich während der Bauphase bei der Lagerung ergeben können oder die durch unterschiedliche Herstellungsqualitäten verursacht werden. Testliner ist ein zwei- oder mehrlagiges ► Deckenpapier aus 100% Altpapier und von großer Bedeutung für die Wellpappenproduktion. Das Material ist kostengünstig, belastbarer als ► Schrenz, allerdings mit geringeren Festigkeitswerten als ► Kraftliner.

ANHANG

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Vergautschen ► Gautschen Volumenelemente sind massive, dreidimensional geformte, blockartige Bauteile. Beim Bauen mit Papier zählen hierzu dreidimensional gegossene Formen wie beispielsweise Eierkartons oder frei umgeformte Bauteile. Wabenpappen sind sandwichartig aufgebaute ► Flächenelemente. Der Kern des Sandwich-Elements besteht im Gegensatz zu ► Wellstegpappen aus rechteckigen oder hexagonalen Wabenstrukturen, die mit Deckenpapieren als Deckschichten versehen werden. Wellenlage nennt man den mittleren Teil einer ► Wellpappe. Sie hält die ► Decklagen auf Abstand. Die Anforderungen an die Festigkeit sind hier weniger groß, weshalb auch Papierqualitäten mit geringeren Festigkeiten genügen. Wellenpapier, auch Fluting genannt, wird auf Basis von Altpapiers hergestellt. Es bildet die mittlere Lage der ► Wellpappe. Wellpappe besteht aus drei Lagen (einlagige Wellpappe): Ein dünner gewellter Karton wird zwischen zwei Papierschichten geklebt, die Fixierung durch den Leim hält die Welle in Form. Genutzt wird das Prinzip des Rundbogens: der Druck wird von den Wellen aufgefangen und gleichmäßig auf die äußeren Kartonschichten verteilt. Der Karton wird dadurch viel stabiler als es die drei Kartonschichten ohne Welle wären. Wellstegpappe wird umgangssprachlich auch als ► Wabenpappe mit Wellenkern bezeichnet. Der Kern dieser Sandwich-Elemente besteht aus zurechtgeschnittenen und um 90° gedrehten ► Wellpappen, die in Endlosbahnen aneinandergeklebt werden. In der Regel werden diese Wellenkerne mit Deckpapieren versehen. Durch die intrinsische Stabilität sind die Wellenkerne jedoch auch ohne Deckenpapiere erhältlich und werden in dieser Form zu gestalterischen Zwecken eingesetzt.

Glossar

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BILDNACHWEIS

UMSCHLAG Paper Log House, Shigeru Ban, Sherman Contemporary Art Foundation, Sydney, 2017, Foto: Brett Boardman FRONTISPIZ Aesop DTLA, Brooks + Scarpa, Foto: Art Gray 1 PAPIER IN DER ARCHITEKTUR  S. 8–21 Abb. 1, 2 Fabian Luttropp, Tessa Krämer Abb. 3 Jerzy Łątka Abb. 4, 5 Jerzy Łątka, Agata Jasiołek Abb. 6 William Muschenheim/Imageworks, Art, Architecture and Engineering Library, University of Michigan Abb. 7, 8 Jerzy Łątka, Agata Jasiołek Abb. 9 Shimizu Yakiu/Shigeru Ban Abb. 10, 11 Saphira Wahl, nach Shigeru Ban Abb. 12, 13 Jerzy Łątka Abb. 14 Elizabeth Felicella/WORKac Abb. 15 Raymond Adams/WORKac 2 MATERIAL S. 22–35 Abb. 1–6, 8, 9 Tessa Krämer Abb. 7 Cynthia Cordt 3 HALBZEUGE UND KOMPONENTEN S. 36–53 Abb. 1–7, 14–20 Tessa Krämer Abb. 8, 9, 12, 13 Tessa Krämer, Sandra Schmidt Abb. 10, 11 Frederic Kreplin Abb. 21 Julian Mushövel 4 BAUKONSTRUKTION S. 54–67 Abb. 1 Tessa Krämer, Nihat Kiziltoprak Abb. 2–6 Tessa Krämer Abb. 7–15 Tessa Krämer, Evgenia Kanli 5 TRAGWERK, BRANDSCHUTZ, BAUPHYSIK S. 68– 83 Abb. 1, 3–6, 8, 9, 11, 13–21 Tessa Krämer Abb. 2 Nihat Kiziltoprak Abb. 7, 10, 12 Tessa Krämer, Rebecca Bach 6 BEISPIELE S. 84–157 Paper House S. 86–87 Isometrie, Grundriss: Tessa Krämer Fotos: Hiroyuki Hirai/Shigeru Ban Paper Log House S. 88–89 Isometrie: Tessa Krämer Ansicht: Saphira Wahl, nach Shigeru Ban Fotos: Jerzy Łątka

ANHANG

Wikkelhouse S. 90–95 Außenansicht, Zeichnungen Wandaufbauten und Herstellungsprozess: Tessa Krämer Grundrisse, Skizze: Oep Schilling Fotos: Yvonne Witte/Fiction Factory Cardboard SchoolS. 96–99 Außenansicht, Schnitt: Tessa Krämer Fotos, Grundriss, Skizze, Details: Cottrell & Vermeulen Architecture Cardboard House S. 100–101 Isometrie: Tessa Krämer Fotos, Skizzen: Stutchbury and Pape Architects Klubhaus Hockey & Tennis Club Ring Pass S. 102–103 Isometrie, Detail: Tessa Krämer Fotos: Jerzy Łątka PH-Z2 S. 104–107 Isometrie: Bianca Biernatek Weitere Zeichnungen, Fotos: Dratz & Dratz Architekten Instant Home S. 108–111 Isometrie: Tessa Krämer Weitere Zeichnungen, Fotos: Leila Dong-Yoon Chu, Fabian Luttropp Studio Shigeru Ban, KUAD S. 112–113 Isometrie: Tessa Krämer Axonometrie, Fotos: Jerzy Łątka House of Cards S. 114–117 Isometrie: Tessa Krämer Grundriss: Bianca Biernatek Fotos: Jerzy Łątka Projektteam House of Cards: Olga Gumienna, Weronika Lebiadowska, Joanna Malińska, Agata Mintus, Natalia Olszewska, Paulina Urbanik, Damian Wachoński, Magdalena Wiktorska, Wojciech Wiśniewski (Studierende Wrocław University of Science and Technology) TECH 04 S. 118–119 Isometrie: Tessa Krämer Grundriss, Schnitt: Bianca Biernatek Fotos, Detailzeichnung: Jerzy Łątka Projektteam TECH 04: Agata Jasiołek, Agnieszka Gogól, Yana Gvishh, Valeryia Mazurkevich, Martyna Skóra, Martyna Szymańska, Aleksandra Walkowiak (Studierende Wrocław University of Science and Technology)

House 01 S. 120–121 Isometrie: Tessa Krämer Weitere Zeichnungen, Fotos: Evgenia Kanli, Fabian Luttropp House 02 S. 122–125 Isometrie: Tessa Krämer Weitere Zeichnungen, Fotos: Fabian Luttropp, Marco Volkmann Notunterkünfte aus Papier S. 126–129 Isometrie: Tessa Krämer Zeichnung S. 127, Fotos: Bianca Biernatek, Alexander Wolf Zeichnung S. 128: Saphira Wahl Cardboard Theatre Apeldoorn  S. 130–131 Isometrie: Tessa Krämer Weitere Zeichnungen, Fotos: Hans Ruijssenaars

Paper Bridge S. 140–141 Fotos: Steve Messam Eine Brücke aus Papier S. 142–143 Isometrie: Tessa Krämer Fotos: Evgenia Kanli Aesop DTLA S. 144–147 Zeichnungen: Brooks + Scarpa Fotos: Art Gray Cardboard Bombay S. 148–151 Fotos: Mrigank Sharma/Nudes Zeichnung: Nudes Cardboard Office Pune S. 152–155 Zeichnungen: studio_VDGA Fotos: Hemant Patil/studio_VDGA Carta Collection S. 156–157 Fotos: wb form Zürich

Japanischer Pavillon (EXPO 2000) S. 132–133 Isometrie: Tessa Krämer Axonometrie: Shigeru Ban Foto S. 132: Hiroyuki Hirai/Shigeru Ban Fotos S. 133: Jerzy Łątka

7 AUSBLICK S. 158–169 Abb. 1–3, 5 Fabian Luttropp Abb. 4 Fabian Luttropp, Marco Volkmann Abb. 6, 7 Ulrich Knaack Abb. 8–11 Samuel Schabel

Paper Theatre IJburg S. 134–135 Draufsicht: Tessa Krämer Schnitt, Grundriss und Ansicht: Saphira Wahl Weitere Zeichnungen, Fotos: Mick Eekhout/Octatube

8 FAKTEN UND KENNZAHLEN FÜR INGENIEURE S. 170–187 Abb. 1, 5–13, 15, 18, 19 Tessa Krämer Abb. 2–4 Tessa Krämer, Marcus Pfeiffer Abb. 14 Ulrich Knaack (Foto); Tessa Krämer (Zeichnung) Abb. 16 Tessa Krämer (Zeichnung); FRANK-PTI GmbH (Foto) Abb. 17 Tessa Krämer (Zeichnung); Rebecca Bach (Foto) Abb. 20–25 Robert Götzinger, Frederic Kreplin

ARCH/BOX S. 136–137 Isometrie, Zeichnungen: Agata Jasiołek Fotos: Jerzy Łątka Projektteam ARCH/BOX: Szymon Ciupiński, Karol Łącki, Dominik Pierzchlewicz, Dominika Jezierska, Martyna Szymańska, Aleksandra Walkowiak, Magdalena Jabłońska, Weronika Lis, Kinga Niewczas, Marcelina Terelak, Aleksandra Wasilenko, Kinga Wasilewska, Julia Pałęga, Jagoda Owsianna, Olga Domalewska, Marcin Dominik, Julia Kochańska, Kacper Kostrzewa, Sara Korżyńska, Przemysław Piorun, Kamil Plich, Michał Sobol, Oliwia Kędzińska (Studierende Wrocław University of Science and Technology) Papierbrücke Pont du Gard  S. 138–139 Isometrie: Tessa Krämer Fotos: Theo van Pinksteren/Octatube

196

REGISTER

3H Design (Hübner + Huster) 14 A Abramczyk, Weronika 136 ABT Building Technology Consultants 130 Additive 9, 26, 29, 30, 32, 34, 37, 40, 74, 75, 79, 167, 168 ADT 13 Aesop DTLA, Los Angeles, USA 2, 85, 144 Agenda 21 132 Allen, Edward 12 Altpapier 13, 24, 26, 40, 89, 96, 104, 106, 107, 138, 181, 188, 192–194 Altpapier-Mauerwerk 104 Alvar-Aalto-Ausstellung, Axis Gallery, Tokio, 1986 15, 16 Ambasz, Emilio 14 Amsterdam, Niederlande 19, 21, 90, 134, 135 anisotrop 8, 9, 29, 37, 38, 45, 46, 50, 164, 190, 192 American Institute of Paper Chemistry 13 Apeldoorn, Niederlande 19, 65, 84, 130 ARCH/BOX, Breslau (Wrocław), Polen 136, 137 archi-tektura.eu 114, 118, 136 B Ban, Shigeru 14, 16, 17, 18, 19, 45, 65, 84, 85, 86, 88, 102, 112, 113, 132, 134, 135, 138, 156 Betonsockel 66, 94, 112 Biegebelastung 40 Biegesteifigkeit 37, 40, 41, 49, 55, 65, 128, 176, 177, 185, 190, 192 Biennale Venedig 125 Bijlmermeer, Amsterdam Zuidoost 21 Bilow, Marcel 114 Biokompatibilität 30 Biozide 33 Bögen 18, 19, 28, 64, 65, 100, 112, 113, 132, 135, 136, 138, 140, 141, 194 Brandschutz 9, 12, 30, 33, 34, 68, 73–75, 77, 83, 103, 158, 162, 163, 166, 167, 168, 170, 178, 180 Brandschutzklasse 73, 75, 180 Brennbarkeit (von Papier) 30, 33 Breslau (Wrocław), Polen 66, 84, 114, 116, 118, 119, 136, 137 Brooks + Scarpa 144 Bruchfestigkeit 43, 45 Burneside Mill 140 Buro Happold Ingenieurbüro 19, 96, 98, 132 C Calciumcarbonat 26 California Polytechnic State University 21

Cardboard Cathedral, Christchurch, Neuseeland 18, 19 Cardboard House, Sydney, Australien 84, 100, 101 Cardboard Office, Pune, Indien 85, 152 Cardboard School siehe Westborough Primary School Cardboard Theatre Apeldoorn 19, 65, 84, 130, 131 Cardboard Bombay, Mumbai, Indien 148 Carta Collection 85, 156 Cellulose 21–24, 30–33, 166, 192 Centre Georges Pompidou, Paris 19 Chengdu, China 18 Chiba Polytechnic College 21 China 22 Christchurch, Neuseeland 19 Coating 26 Cobb-Verfahren, Cobb-Test 31, 178, 179 CO₂-Emissionen 10, 76, 80 Container Corporation of America 13 Córdoba, Spanien 12 Corrugated Crush Test, CCT 174 Cory Environmental Trust 98 Cottrell & Vermeulen Architecture 19, 96 Critchlow, Keith 13 Cropper, James 140 D Darmstadt, Deutschland 21, 85, 108–110, 122, 126, 142 Deckenpapiere 39, 40, 190, 194 Dehnung 29, 53, 55, 57, 71, 72, 171, 172, 175 Delft, Niederlande 19, 102 Dickson, John 12 Doppel-T-Träger 159 Dratz & Dratz Architekten 104 Drillknicken 191 Druckfestigkeit 23, 98, 152, 175, 176, 192 Dünnwandige Träger 48, 49, 55 Durchfeuchtung 9, 156, 163 Durchstoßwiderstand 191 E Eastern Columbia Building, Los Angeles, USA 144 Ecole Nationale d’Architecture de Montpellier 138 Eekhout, Mick 102, 118, 138 Eekhout, Nils-Jan 102 Eine Brücke aus Papier, Darmstadt, Deutschland 85, 142 Elastizitätsmodul 50, 70, 71, 175, 176, 182–185 Entflammbarkeit 28, 73, 74, 180 Essen, Deutschland 104 ETH Zürich 21 Expo 2000, Hannover 19, 45, 81, 84, 85, 132 Extensometer 172, 174

F Fachwerkkonstruktion 138 Fachwerkträger 49 Feuchte 9, 28, 30, 36, 37, 77, 98, 103, 129, 133, 138, 163, 164, 168 Feuchtedehnung 29 Feuchteschäden 9, 76, 163 Feuchteschutz 9, 68, 76–79, 106, 158, 163, 168 Fiction Factory 19, 81, 90 Flachstauchwiderstand 186, 191 Flächenelemente 54–57, 191 Flammschutzmittel 34, 35 flexible Verbindungen 57–59, 80 Flüssige Moderne 84 Fluting 37, 181–183, 194 Formschluss, formschlüssige Verbindungen 57, 58, 60, 61, 62 Fuller, Buckminster 13 Füllstoffe 8, 26, 29, 30, 35, 37, 74, 166–168 Funktionschemikalien 26 Furnierschichtholz 8, 9 Fusuma 12 G Gebäudehülle 14, 15, 46, 66, 68, 75, 76, 84, 90, 119, 120, 163, 178 Gebrauchstauglichkeit 55, 68, 70, 71, 191 Grammatur 29, 32, 37, 170, 184, 190, 191 Groningen, Niederlande 14 H Halbzellstoff 40, 191, 192 Halbzeuge 10, 36, 45, 46, 52, 54, 169, 181 Haley, Edward 12 Hanf 11, 22, 23 Hannover, Deutschland 19, 45, 81, 84, 85, 132 Hirshen, Sanford 14 Holzstoff 22–25, 38, 50, 181, 191 House 01, Darmstadt 61, 66, 120–122 House 02, Darmstadt 120, 122, 159 House of Cards, Breslau (Wrocław), Polen 84, 114 Hualin-Grundschule, Chengdu (Ban) 18 Hülsen 42, 43, 45, 46, 55, 61, 71, 121, 124, 138, 139, 144, 192 siehe auch Papierhülsen, Papphülsen Hybridkonstruktionen 66, 160 hygroskopisch 27, 32, 69 I Ian Buchan Fell Housing Research Unit, Universität Sydney 100 IKT (Institut für Unterirdische Infrastruktur gGmbH) 106 Indien 18, 89 inkrementelles Umformen 52, 53

Instant Home, Darmstadt, Deutschland 108–110 isotrop 50, 192 J Japanischer Pavillon für die Expo 2000, Hannover 19, 45, 81, 84, 85, 132 Jasiołek, Agata 118, 136 Jian Chen 174 K Kantenstauchversuch (ECT) 56, 57, 192 Kantenstauchwiderstand 40, 186, 192 Kaolin 26 Karim, Nuru 148 Kartons 13, 27, 37, 38, 51, 52, 61, 96, 122, 194 Kaschieren 37 Keio University 19 Kiel, Deutschland 14 Klebeverbindungen 57, 58, 77, 78, 80 Klubhaus des Hockey- und Tennisclubs Ring Pass, Delft, Niederlande 19, 102 Knicken 38, 65, 71–73, 110, 174, 190, 191, 193 Kobe, Japan 18, 88 Kompositmaterial 46, 48 Konstruktionstypologien 54, 63, 66, 74 Kraftliner 40, 42, 190, 192, 193 Kraftverfahren 23 Kraftzellstoff 37, 40, 190, 192 Kreislaufwirtschaft 9, 10, 158 Kuppeln, Kuppelkonstruktionen 13, 64, 65, 134, 135, 138 Kyoto, Japan 12, 19, 112, 132 Kyoto University of Art and Design (KUAD) 19, 112, 132 L Lagesicherheit 70, 192 Lakes Culture 140 Laminat 46, 48, 50, 58, 128, 165–167 Land Rover 141 Łątka, Jerzy 114, 118, 136 Lebenszyklus 68, 80, 168 Leichtbaugüte 41 Leim 40, 78, 143, 194 Leimung 26, 31, 74 Library of a Poet (Ban) 16, 17 Lignin 22–24, 191, 192 Liner 37, 181–183, 190 Linienelemente 54, 55, 192 LOEWE (Landes-Offensive zur Entwicklung Wissenschaftlichökonomischer Exzellenz) 4, 9 Long, Olivier 12 Los Angeles, USA 85, 144 Lotuseffekt 32 Luftfeuchte, Luftfeuchtigkeit 27, 29, 32, 98, 103, 166, 179, 180

Register

197

M Massivbau 122 Materialkennwerte 10, 36 McGill University 13, 21 mechanische Fixierungen 57, 58, 60, 77, 78, 80 Membranen 51, 52, 56, 57, 68, 81, 89, 133, 191 Messam, Steve 141 Miao-Miao-Vorschule, Taiping Town (Ban) 18 Mito, Japan 89, 135 Miura-Faltung 166 Miyake Design Studio Gallery, Shibuya, Tokio 156 Montreal, Kanada 21 München, Deutschland 14 Muffen, Muffenverbindungen 61–63, 134 Mumbai, Indien 148, 149 nachwachsende Rohstoffe 8, 79, 158, 161 N Nagoya, Japan 17 Nassfestigkeit 30, 31 Nasspartie 27 Naturfasermatten 46, 48 naturfaserverstärkte Papiere, naturfaserverstärkte Platten, Naturfaserverstärkung 46, 50 Nazen-ji-Tempel, Kyoto, Japan 12 Nemunoki-Kindermuseum (Ban) 65 New York, USA 20, 21 Nieten 58–60, 63, 77 Nîmes, Frankreich 138 Nordwerk 85 Notunterkünfte aus Papier, Darmstadt, Deutschland 84, 126, 162 Nudes 148 O Octatube 19, 21, 85, 102, 134, 138, 139 Ökohaus (Rohlfs) 14 Origami, Origami-Konstruktionen 14, 64, 65 Orpheum Theatre, Los Angeles, USA 144 orthotrop 54, 192 Otto, Frei 19, 132, 133 Packpapier 12, 106 Paper Bridge, Patterdale, Cumbria, UK 85, 140, 141 P Paper Dome (Ban) 19, 132 Paper House, Yamanashi, Japan (Ban) 18, 84, 86, 156 Paper Log House (Ban) 17, 18, 61, 65, 84, 88, 89 Paper Studio, Keio University (Ban) 19

ANHANG

Paper Temporary Studio, Centre Georges Pompidou, Paris 19 Paper Theatre IJburg 21, 65, 134, 138 Papier-Glas-Laminate 166, 167 Papierbrücke Pont du Gard, Vers-Pontdu-Gard, Frankreich 85, 138, 139 Papierherstellung 8, 10, 11, 12, 22, 26, 32, 74, 79, 80, 164, 165 Papierhülsen, Papphülsen 28, 75, 98, 99, 120, 122, 176 Papierindustrie 10, 22 Papierkomponenten 36, 37, 54, 55, 60, 62, 65, 66, 71, 138, 163, 164 Papierkonstruktionen 37, 54, 57, 60, 68, 73–81, 84, 96, 114, 126, 128, 161, 163, 164, 168 Papierkreislauf 80 Papiermaschinen 12, 24–27, 29, 36–38, 167 Papierschindeln 160, 161 Papiersorten 36, 37, 40, 45, 73, 106, 169, 181, 184 Pappeder 13, 14 Papphülsen 12, 15–17, 54, 55, 65, 85, 138, 156 Pappprofile 54, 55, 192 Papprohre 61–63, 65–67, 83, 85, 86, 88, 89, 98, 102, 103, 112, 113, 116, 132–138, 142–147, 156, 157 Papprollen 16–21, 102 Parallelwickeln 42, 43, 45 Paris, Frankreich 13, 19 Patterdale, Cumbria, UK 85, 140, 141 Pawlofsky, Tom 21 PH-Z2, Essen, Deutschland 104 Philippinen 18 Platten 8, 46, 56, 59, 60, 63, 65, 66, 101, 112, 124, 134, 160, 173, 177, 178, 191, 192 Plydome 14, 15 Poet Pavilion 21 Polyethylen 37, 101, 103, 116, 129, 133 Polytechnic of Central London 21 Polyurethan 13, 14, 19 Pont du Gard 138 Pressformen 51, 52 Profile 42, 45–49, 54, 55, 61, 72, 73, 89, 116, 134, 135, 152, 192 Prozesschemikalien 26 Public Farm 1, New York 20, 21 Pulpe 167 Pulper 26 Pune, Indien 85, 152 R Rahmenkonstruktionen 61, 64, 65, 74, 82, 89, 90, 114, 126 Rahmenträger 49 Rapid Prototyping 59, 192 Raumfachwerk 102, 103 Refiner-Verfahren 23, 25, 26 Reißfestigkeit 55, 59, 192, 193

Rezyklierbarkeit 10, 31, 32, 68, 79, 80, 106, 158, 161–163, 167–168 Ring Crush Test (RCT) 174 Rio de Janeiro, Brasilien 19, 132 RJC Builders 144 Robert, Louis-Nicolas 12 Rohlfs, Paul 14 Ruijssenaars, Hans 19, 65, 130 S Säulenkonstruktion 86, 88, 136 Sandwichplatten 41 Sandwichstrukturen 38, 40, 42, 56, 167, 190 Satinieren 36 Schalen 56, 57, 63, 68, 74, 81, 112, 132, 179, 180, 191 Schalenkonstruktionen 19, 63, 64, 65, 66, 112, 130, 132–135 Scheiben 56, 109, 191 Scheibenkonstruktionen 63, 64 Scheibentragwerk 14, 81, 82, 83, 96, 100, 118 Schimmel 32, 76, 77, 94, 178 Schönwälder, Julia 114 Schrauben 46, 58, 60, 80, 118, 121, 139, 143, 144, 146 Schrenz 40, 190, 193 Schubwiderstand 56, 193 Seile 55, 57, 59, 89, 133, 138, 192 Semiprobabilistisches Sicherheitskonzept 69, 70, 193 Senkrechtwickeln 42, 43, 45 Sevilla, Spanien 12 Shanghai, China 21 Shigeru Ban Architects 134 Shoji 12, 87 Short-Span Compression Test (SCT) 174 Sicherheitsbeiwerte 36, 69, 70, 193 Skelettkonstruktionen 63, 65, 67, 74, 81, 120–122 Smith, Richard 100 Snel, René 90 Spaltwiderstand 173 Spannring 17, 134, 135 Spannungs-Dehnungs-Diagramm, Spannungs-Dehnungs-Kurve 71, 72, 171, 193 Spiralwickeln 42, 43, 45, 44, 47 Stabförmige Halbzeuge 36, 42, 45, 163 Stabilität 9, 13, 23, 29, 31, 32, 33, 38, 40, 41, 45, 56, 63–65, 68, 70, 71, 89, 128, 175, 181, 194 Stabstatik 54, 193 Stange Design 85 statische Höhe 56, 193 Steckverbindungen 61, 62, 121 Steinschliffverfahren 23 Steve Messam Studio 140 Streifenstauchwiderstand 174, 182–184, 193

Studio Shigeru Ban, Kyoto University of Art and Design 19, 112, 132 studio_VDGA 152 Stutchbury, Peter 100 Stutchbury and Pape Architects 100 Sulfatverfahren 22, 23, 192 Sulfitverfahren 22, 23 Superhydrophobe Papiere 31, 32 Suspension 26, 28, 31, 37 Suzhou, China 141 Sydney, Australien 84, 100, 101 T Takatori Paper Church (Ban) 18 Talkum 26 Tanzbrunnen Köln 163 Tauwasser 77–79 TECH 04, Breslau (Wrocław), Polen 84, 118, 119 Technische Universität Dortmund 21 Testliner 40, 42, 190, 193 Tiefziehen 51, 52 Tiny-House-Bewegung 84 Titandioxid 26 Tokio, Japan 15, 156 Tragfähigkeit 62–66, 68–71, 75, 141, 142, 158, 174, 178 Tragwerk 54, 57, 61, 65, 68–70, 75, 81, 125, 163 Tragwerksdimensionierung 68 Trennschicht 9, 166 Trockenpartie 27 Tsai-Lun 11 Türkei 18, 89 TU Darmstadt 21, 85, 108–110, 120, 122, 126, 142, 159, 162, 164, 166 TU Delft 21, 102, 116 TU Eindhoven 130 U Überlappverbindungen 59–61 University of Michigan, Ann Arbor 13 Utrecht, Niederlande 21, 134, 135 V Valencia, Spanien 12 Van der Ryn, Sim 14 van Steen, Jeannet 134 Verbindungstechniken 8, 54, 57–60, 77, 80, 81 Vereinte Nationen 19 Vergautschen 37, 39 Verpackungsindustrie 8, 12, 13, 24, 37, 51, 164 Vers-Pont-du-Gard, Frankreich 85, 138 Vollpappe 55, 63, 75–78, 98, 100, 106, 116, 128, 143 Vollwandträger 48, 49, 55 Volumenelemente 54, 57, 194 Voluntary Architects Network 18

198

W Wabenpappe 9, 12, 13, 40, 46, 74–77, 85, 98, 114, 128, 152, 153, 163, 194 Wabenplatte 40, 41, 56, 57, 64, 66, 118–122, 124, 152, 159, 190 Wabenverbundplatten 14, 19, 116 Wärmedämmung 13, 68, 76, 88, 118 Wärmeleitfähigkeit 42, 76, 77, 118, 166, 178 Waffelkonstruktion 60, 61 Waseda University 21 Washi-Papier 12 Wasserdampfdiffusion 78, 179, 180 Wasserdampfdurchlässigkeit 32 Wasserstoffbrücken 23, 24, 29, 30, 38, 77, 191, 192 Weber, Luis 139 Wellenlage 37, 194 Wellenpapier 39, 40, 181, 182, 183, 186, 190, 194 Wellenstoff 40 Wellpappe 9, 12–14, 19, 21, 24, 37–41, 56, 65, 76–78, 81, 90, 92, 118, 119, 128, 130, 161, 164, 167, 174, 181, 186, 190–194 Wellstegpappe 38, 41, 56, 76–78, 98, 143, 181, 186, 191, 193, 194 Wertschöpfungsketten 10, 168, 169 Westborough Primary School, Westcliff-on-Sea, Großbritannien 19, 81, 96 Westcliff-on-Sea, Großbritannien 19, 96 Wickelverfahren 42, 45 Wikkelhouse 19, 64, 66, 81, 84, 90, 92, 94 WORKac 20 World Design Expo, Nagoya, 1989 17 Wrocław University of Science and Technology 21, 114, 116, 118, 137 Y Yamanashi, Japan 86 Yates, Herbert 14, 15 Z Zellstoff 22–25, 29, 37, 40, 50, 190–192 Zelluloseflocken 76, 77 Zugfestigkeit 50, 175, 29 Zusatzstoffe 8, 9

Register

199