Geometrie: von der Faltstruktur zur Faltwerksform
Mit Faltungen kann eine fast grenzenlose Formenvielfalt erzeugt werden. In der Regel folgen Faltwerke aber geometrischen Prinzipien. Eine gefaltete Fläche bezeichnet man als Faltstruktur. Das auf einer Faltstruktur basierende Tragwerk wird zum Faltwerk. Eine in die Ebene abgewickelte Faltstruktur bildet ein Faltmuster (Abb. C). Grundformen sind Längsfaltung und Umkehrfaltung (Abb. D, Abb. I). Beispiele für Umkehrfaltungen sind Rauten-Faltungen oder Fischgrät-Faltungen (Abb. N).
Die Faltstruktur beeinflusst grundsätzlich die Faltwerksform – nicht jede Faltwerksform kann mit jeder Faltstruktur generiert werden. Faltwerke mit gekrümmter Global-Geometrie können beispielsweise mithilfe von Rauten- oder Fischgrätfaltungen konstruiert werden. Die Faltwerksform wiederum beeinflusst das Tragverhalten. Beim Entwerfen von Faltwerken ist es erforderlich, diese Parameter bereits früh sinnvoll aufeinander abzustimmen, um ein effizientes Tragwerk zu erhalten. Bei der Entwicklung der Geometrie ist aber auch sicherzustellen, dass alle Teilflächen planmäßig entwässert werden und keine lokalen Tiefpunkte ohne Ablauf entstehen.
Das statisch-konstruktive Prinzip der Faltwerke
Tragwerkstypologisch zählen Faltwerke zu den räumlichen Flächentragwerken. Die Einzelkomponenten des Faltwerks sind dünnwandige, ebene Flächen, die selbst nur über eine begrenzte Steifigkeit verfügen, aber bei einer geeigneten dreidimensionalen Konfiguration zu hochleistungsfähigen Tragstrukturen werden. Das statisch-konstruktive Prinzip, das den Faltwerken zugrunde liegt, beruht vor allem auf der Vergrößerung der statisch nutzbaren Höhe durch die Faltung, die dem Tragwerk seine geometrische Steifigkeit gibt. Strukturform, Faltungshöhe und die Geometrie der Einzelflächen bestimmen dabei maßgeblich das Tragverhalten von Faltwerken. Nicht jede Form der Faltung führt aber zu einer Struktur, die das vorteilhafte Tragverhalten der Faltwerke im statisch-konstruktiven Sinne aufweist. Im Vergleich zu räumlich gekrümmten Flächentragwerken, wie beispielsweise Schalen, besitzen Faltwerke den großen wirtschaftlichen und fertigungstechnischen Vorteil, dass sie aus ebenen Teilflächen, beispielsweise in Form von industriell gefertigten Halbzeugen, zusammengesetzt werden können.
Die Einzelflächen der Faltwerke sind wie Scheiben überwiegend normalkraftbeansprucht. Den Normalkraftbeanspruchungen überlagern sich Biegebeanspruchungen, weil die normal zur Fläche wirkenden äußeren Kräfte zunächst über Plattenbiegung in den Einzelflächen zu den Plattenrändern abgetragen werden. Die über die gemeinsamen Kanten in die angrenzenden Flächen eingeleiteten Auflagerkräfte erzeugen dort Normalspannungen in den Ebenen der Einzelflächen. Voraussetzung für diese Tragwirkung ist eine schubfeste Verbindung der Kanten, um die Verträglichkeit der Verformungen sicherzustellen und Relativverschiebungen zu verhindern. Die kraftschlüssige Verbindung der Einzelflächen ist ein wesentliches Kennzeichen von Faltwerken. Der besonderen tragwerksplanerischen Aufmerksamkeit bedürfen die freien Ränder von Faltwerken, weil sie nur unzureichend gehalten sind und große Formänderungen erleiden können.
Die Bemessung von Faltwerken ist sehr anspruchsvoll. Betrachtet man die Global-Geometrie, so kann in vielen Fällen eine tragstrukturelle Analogie zu klassischen Tragsystemen wie Balken, Rahmen oder Bogen aufgebaut werden. Numerische Berechnungsmethoden ermöglichen heute auch die Bemessung von Faltwerken mit komplexer Geometrie.
Neben den klassischen Faltwerken existieren zahlreiche Sonderformen, beispielsweise hybride Tragwerke, die im Hinblick auf Geometrie und Tragverhalten Merkmale sowohl von Schalen als auch von Faltwerken aufweisen, oder aber Faltwerke, die mithilfe von Seilen und /oder Zugstäben stabilisiert werden.
Werkstoffe und Fügetechnologie
Für die Konstruktion von Faltwerken eignen sich insbesondere die Werkstoffe Beton, Holz und Kunststoff. Für das Entwerfen, Bemessen und Konstruieren von Faltwerken steht heute eine Vielzahl von industriell gefertigten Halbzeugen in Form von Platten oder Composite-Elementen zur Verfügung. Tragwerksform und Werkstoff sind voneinander abhängig im Hinblick auf Faltstruktur und Abmessungen der Einzelflächen, Tragverhalten, Fügetechnologie, Herstellung und Gestaltung. Je geringer die Steifigkeit der Einzelfläche, insbesondere im Bezug auf Stabilitätsversagen, desto kleiner ist die Einzelfläche zu wählen. Sofern der Werkstoff nicht selbst wärmedämmend ist, wie beispielsweise bei Composite-Werkstoffen mit einer ausreichenden Stärke der Kernschicht, benötigen Faltwerke in der Regel außenseitig eine Wärmedämmung.
Von den monolithischen Beton-Faltwerken abgesehen, kommt der Fügetechnologie eine entscheidende Rolle sowohl in konstruktiver als auch in gestalterischer Hinsicht zu, denn die Kantenfügung stellt – von den Fußpunkten abgesehen – das einzige Detail der Konstruktion dar und ist aus diesem Grund in hohem Maße gestaltprägend. Sie ist abhängig vom verwendeten Werkstoff und der Querschnittsbeschaffenheit der einzelnen Flächen. Grundsätzlich können lösbare und nichtlösbare Verbindungen unterschieden werden. Die Verbindung der Kanten von Holz-Faltwerken erfolgt in der Regel über Randhölzer, die miteinander verschraubt werden. Bei ausreichend dickem Querschnitt kann auch direkt in den Plattenquerschnitt geschraubt werden. Faltwerke aus Kunststoffen sind in der Regel über Flansche verschraubt und Faltwerke aus metallischen Werkstoffen können verschweißt, geschraubt oder vernietet werden.
Vom Beton-Faltwerk zum Kunststoff-Faltwerk
Das Prinzip der Faltung wurde im Stahlbetonbau bereits sehr früh für Tragstrukturen eingesetzt. Ein Beispiel sind Eugène Freyssinets Luftschiffhallen in Paris-Orly mit Grundrissabmessungen von 300 ≈ 100 m (Fertigstellung 1924), die eine Faltung zur Stabilisierung der Oberfläche nutzen (Abb. E, F). Um dem Beulen der Schale bei asymmetrischen Belastungen entgegenzuwirken, wurde die Oberfläche in breite, trapezförmige Rippen unterteilt.
Stahlbeton-Faltwerke in Ortbetonbauweise mit großen Einzelflächen und parallel verlaufenden Kanten wurden für Dachkonstruktionen mit großer Spannweite eingesetzt. Die Einzelflächen von Faltwerken in Ortbetonbauweise können im Vergleich zu Kunststoff-Faltwerken und Stahl-Faltwerken groß sein, weil die Teilflächen nicht in Form von Halbzeugen industriell vorgefertigt werden und weil das Teilflächenbeulen bei Betonflächen nicht in dem Maße relevant ist wie bei sehr dünnwandigen Teilflächen. Ab den 1950er-Jahren entstanden Faltwerke, die sich von den vergleichsweise einfachen prismatischen Formen lösten und das geometrische und gestalterische Potenzial der Faltwerke ausschöpften. Das Unesco-Gebäude in Paris besitzt ein weit spannendes Beton-Faltwerk mit sich im Grundriss auffächernder Faltung (Abb. G). Ein besonders expressives Beispiel ist die St. Paulus Kirche in Neuss-Weckhoven (Abb. B). Bis in die 1970er-Jahre hinein wurde eine Reihe von Beton-Faltwerken mit sehr anspruchsvoller Geometrie ausgeführt, bevor der Bau von Beton-Faltwerken ebenso wie die Schalenbauweise weitgehend zum Erliegen kam.
Beton-Faltwerke können prinzipiell auch in Fertigteilbauweise hergestellt werden. Bei der Festlegung der Faltwerkgeometrie sind die Transportabmessungen zu beachten. Für die Fertigteilbauweise eignen sich vor allem modular konzipierte Faltwerke, bei denen Teilflächen wiederholt vorkommen und die Schalung mehrfach eingesetzt werden kann. Eine bemerkenswerte Fertigteilkonstruktion, tragwerkstypologisch ein Hybrid aus Schale und Faltwerk, ist die 1969 fertiggestellte, 146 m weit spannende Tonnenschale der Paketposthalle in München, deren Tragwerk Ulrich Finsterwalder und Helmut Bomhard planten (Abb. H).
Faltwerke aus Holz wurden ab den späten 1950er-Jahren gebaut. Holz-Faltwerke werden häufig aus großformatigen Furniersperrholz- oder Brettsperrholzplatten konstruiert. Faltwerke mit großen Abmessungen der Teilflächen entstanden, indem die Teilflächen als Sandwichkonstruktion mit einer inneren Pfosten-Riegel-Konstruktion und äußeren Deckschichten ausgebildet wurden, beispielsweise das radiale Faltwerk der Kirche Zu den Heiligen Engeln in Landsberg (Abb. J).
Ab den frühen 1960er-Jahren wurde mit Faltwerken aus Kunststoffen experimentiert. Faltwerke sind eine für Kunststoffe in besonderem Maße geeignete Konstruktionsform, denn ihre geringe Steifigkeit kann durch die dreidimensionale Formgebung in optimaler Weise kompensiert werden. In herstellungstechnischer Hinsicht von Vorteil ist die modulare Geometrie vieler der Kunststoff-Faltwerke, weil der aufwendige Formenbau nur bei mehrfachem Einsatz wirtschaftlich vertretbar ist. Faltwerke aus Kunststoff wurden in der Vergangenheit fast ausschließlich unter Verwendung modularer, dreidimensional geformter und miteinander verschraubter GFK-Elemente konzipiert. Ein gelungenes Beispiel hierfür ist das Faltwerk für die Schwefelgewinnungsanlage Pomezia /Rom (Abb. K).
Experimente und Prototypen
Ingenieurwissenschaftliche Entwicklungen, vor allem im Bereich der Werkstoffe und der Fügung, kennzeichnen die Beiträge der Gegenwart. Die Sporthalle Mülimatt ist ein zeitgenössisches, ingenieurtechnisch hochanspruchsvolles Beispiel für ein Beton-Faltwerk. Sie besteht aus großformatigen, vorgespannten Fertigteilelementen, die zu einem Rahmentragwerk zusammengesetzt sind. Der Rahmenquerschnitt ist in Stiele und Riegel unterteilt, die in Form achsbreiter Einzelteile gefertigt und auf der Baustelle gefügt wurden (Abb. L).
Ein interessantes Potenzial bieten dünnwandige Fertigteile aus UHPC, die zu einem Faltwerk zusammengesetzt werden.
Faltwerke aus metallischen Werkstoffen können wegen der Stabilitätsproblematik von dünnwandigen Blechen in der Regel nur als kleinteilige Faltstrukturen ausgeführt werden. Das Potenzial des Werkstoffs zeigt das Konzept eines Unterstands aus Edelstahlblechen für ein Industrieunternehmen – ein frei auskragendes Faltwerk in Stahlbauweise (Abb. M).
Bei größeren Abmessungen der Einzelflächen können prinzipiell mehrschalige geschweißte Stahlkonstruktionen oder, fertigungstechnisch einfacher, Sandwichplatten zum Einsatz kommen.
Ein Beispiel für werkstoffgerechtes Konstruieren ist das Kunststoff-Faltwerk der Staatlichen Akademie der Bildenden Künste Stuttgart mit einer speziell entwickelten Fügetechnologie (Abb. O). Die experimentelle Ganzkunststoffkonstruktion besteht aus transluzenten Polycarbonat-Sandwichplatten mit Wabenkern, die mit einer Kombination aus lösbaren und nichtlösbaren Verbindungen mithilfe von Haftverschlüssen gefügt werden. Eine innovative Fügetechnologie für Holz-Faltwerke entwickelte das IBOIS der EPF Lausanne. Die Tradition der zimmermannsmäßigen Verbindungstechniken aufgreifend, wird sie technischen Anforderungen in optimaler Weise gerecht und ermöglicht eine doppelschalige Ausbildung von Faltwerken (Abb. P).
Die AKA-Wippe, ein hybrides Freiraummöbel, dessen einfach gekrümmtes Dach mit einer Fischgrätfaltung aus GFK-Sandwichelementen mit extrem geringem Eigengewicht besteht, ist ein Beispiel für ein Faltwerk in Leichtbauweise (Abb. Q).
Einen Sonderfall stellen wandelbare, also faltbare, Faltwerke dar. Die räumliche Geometrie und Anordnung der Einzelflächen und die Ausbildung der Kantenverbindungen müssen dabei das Zusammenfalten erlauben. Ein gelungenes Beispiel ist der bemerkenswerte Canary Wharf Kiosk in London, der elektromotorisch geöffnet beziehungsweise geschlossen werden kann (Abb. R).
Fazit
Faltwerke ermöglichen es bei richtiger geometrischer Ausbildung, komplexe Räume, ausdrucksstarke Formen und selbstragende Gebäudehüllen mit einem vergleichsweise geringen Materialeinsatz zu realisieren. Experimentelle Prototypen haben neue Entwicklungsmöglichkeiten aufgezeigt. Für die Zukunft in Reichweite gerückt ist auch die Entwicklung einer kontinuierlichen digitalen Prozesskette, die von der parametrischen Erzeugung der Geometrie über die Bemessung mit Finite-Elemente-Programmen bis zur Fertigung reicht. Das Potenzial des geistreichen und materialsparenden Konstruktionsprinzips der Faltwerke und seine architektonischen Spielräume sind noch nicht ausgeschöpft.
