Die Story der fliegenden Halle auf Kettenlinienbögen

Kettenlinienbögen sind ein ideales Muster der Architektur, das durch viele Bauten wie die Sagrada Familia ikonisiert ist. Ein altes Thema bei meinem Codismus.

 Hängend, wie stehend, belasten Kettenlinienbögen das Material gleichmäßig, hängend auf Zug, stehend auf Druck.

Mein Beispiel, eine Studie zur Brauchbarkeit von Kettenlinienbögen als Tragwerk für Photovoltaik über den Parkplatz hat sich entwickelt: eine flache Halle, 25m breit und 25m lang wird von 25 Bögen mit 25m Spannweite und 7m Höhe gebildet. Oberhalb von 2,5m mit den 1,.m mal 2,. PV Modulen schindelförmig bedeckt. Ein luftiges Dach mit offenen Bögen auf vielen Füßen.

über den Platz mit Bäumen sieht es so aus: 

So der Gedanke und viele Fragen offen. Zum Grundriss: Zufahrten durch die offenen Bögen, neu von der Straße im Süden? Zum Bau: BSH, Brettschichtholz, gebogen in 3 oder 5 Teilen, gesteckt auf Druck und verschraubt? Aus Holz zur global carbon sink order grünem Metall gesteckt? 

Bringt ein Modell etwas (auf Metallgitter)?

Work in Progress

Kettenlinienbögen-PV-Unterbau

In Xtwitter unter@u_stein

ab dem 21.7.2024:

Kettenlinienbögen-PV meine jüngste Idee für Verkehrsflächen wie P. Filigrane Bögen aus Schichtholz im Abstand der breitesten Standard -Module von knapp 2,5m. Darauf diese Module in Schindelform mit Regenschutz oder Ablauf zwischen den Modulen. Ideal O-W.

Eine Reihe von filigranen Kettenlinienbögen mit 25m Spannweite und ca. 2,5m Abstand ist wohl geeignet, eine Art PV-Halle mit O-W-Orientierung für mein Projekt über dem Rathausparkplatz zu gestalten. Die Bogenhöhe von S her ansteigend. Eine einladende Einfahrt... 

Der Charme dieses Konzeptes ist das minimalistische Holztragwerk, nur auf Druck belastet. Das Fundament jedes einzelnen Bogens, nur 1-3 Erdschrauben mit U-Aufnahme. Kein Beton. Heute schon voll nachhaltig machbar.

Furnierstreifenholz (PSL, Parallel Strand Lumber)  ist ein Holzwerkstoff, der aus Schälfurnier. Das etwa drei bis sieben Millimeter starke Furnier wird in etwa 13 Millimeter breite und 1,8 bis 2,5 Meter lange Streifen

geschnitten und aufeinander geleimt.

PSL wäre als Technologie wohl geeignet, Träger in Form von Kettenlinienbögen als Unterbau für Photovoltaik-Anlagen herzustellen. Wird der Bogenunterbau dicht mit großen PV-Modulen beschindelt ist das Holz wassergeschützt. Ein oder mehrere Erdschrauben dienen als Fundament.

Brettschichtholz (BSH) de.m.wikipedia.org/wiki/Brettschi… ist natürlich auch für Kettenlinienbögen geeignet. In der gewünschten Form aus(Sekanten -) Bretterstapeln geleimt und ggfs. beschnitten oder mit schräger de.m.wikipedia.org/wiki/Keilzinku…

aus BSH geformt. Wahrscheinlich eine Kostenfrage.

So weit die Xtweets.

Zu damit möglichen Architekturen. Hässlich meint Sebastian und lehnt dafür den Begriff Architektur ab. Also Ingenieurbauten. Die Grundform ist eine rechteckige Halle. Passend für einen PV-Parkplatz, eine Ladestation... Eine Straße(?).

In der rechteckigen Grundform gleicher Höhe, offen oder (weit zurückgesetzt) ganz oder teilweise verschlossen könnte sie ein Standard werden. Über Ladestationen in zwei Reihen mit vollem Wetterschutz. 

Dies sind 25 Bögen auf einer Fläche von 25m*50m. Die Stellfläche darunter wäre 20m*50m, die Höhe 7,5m.

So könnte eine hohe Halle aussehen.

Die Grundform lädt zu Variation, zu Gestaltung ein. Modulation der Höhe. Abschnitte mit gekreuzten Kettenlinienbögen, Apsis -ähnlich für eine seitliche Einfahrt oder ein Abschluss mit PV -Südfront.

Viel Raum für eine Entwicklung, nachhaltiger als mit dem filigranen Schichtholz auf Erdschrauben ist wohl schwierig.

Ein Vergleich einer Halle des hölzernen Kettenlinien-Tragwerks mit dem PV -Hypar-Membrantragwerks in luftiger Höhe liegt nahe. Ästhetik und Nutzen sind von Fall zu Fall zu entscheiden. Was die Kosten betrifft, so gebe ich Hypar-Membran-pv in einer samt Schrauben-Abspannung standardisierten Ausführung  größere Chancen.

Schlussendlich, die hölzernen Bögen sind eine Hommage à Schellnhuber et al.: al building as the global carbon sink!

Hängende Lamellen-Photovoltaik

Worum geht es hier? Befreit die Photovoltaik-Module von ihren kurzen, starren Beinen und Ständern. Gebt ihnen Flügel oder hängt sie an so etwas wie Bäume, dass sie sich über Äckern haushoch und mit fußballfeld-weiten Spannen erheben, dass sie sich mit einer leichten Technologie über wüste Verkehrsflächen spannen, die zehntausend Kilometer Photovoltaik-Brache der Autobahn vom Tempel der fossilen Verbrennung zur Quelle für erneuerbare Energie von der Sonne wandeln. Und dies mit nachhaltigen Materialien wie eine elektrische Freileitung, wie eine filigrane Hängebrücke. Ja, selbst ohne klumpige Betonfüße, sondern mit Metallsandalen und Schrauben im Boden. Heute konstruierbar, berechenbar, finanzierbar. Darum geht es hier. Auf geht's, down to earth.

Die derzeit dominierende Anordnung der Photovoltaik-Module bei Freiflächen- und Agri-PV lässt sich als Lamellenanordnung klassifizieren. Sie wurden im Post "Klassen von PV-Membran-Tragwerken, ein Versuch" vom 5. November 2023 als eigene Klasse "Lamellen" aufgeführt. Mit diesem Post sind sie als eine Art  Flachdach mit einer Doppelmembran aus zwei Netzen einzuordnen. Der im Post Klassen aufgeführte Vorteil von Lamellen der Drehbarkeit der Lamellen lässt sich dabei weiter implementieren.

Stichproben mit Recherchen nach Bildern im Internet quantifizieren diesen Ansatz mit Lamellen als Klasse. Sucht man nach Freiflächen-PV, so lassen sich im Beispiel 92% von 95 Anlagen als Lamellenanordnungen klassifizieren. Bei einer Stichprobe mit 107 Bildern von Agri-PV sind 80% Lamellen, etwas weniger als bei Freiflächen, da bei Agri-PV auch vertikale Anordnungen wegen der besseren Verträglichkeit für die Landwirtschaft mit hohen und breiten Maschinen bieten. Lösungen wie im Bild sind beispielsweise für Gartenbau wohl akzeptiert, für die allgemeine Landwirtschaft jedoch nicht.

Gegenüberstellung der vorgeschlagenen hängenden PV -Lamellen mit der aufgeständerten Agri-PV aus dem vom Fraunhofer ise herausgegebenen Leitfaden https://www.ise.fraunhofer.de/de/leitthemen/integrierte-photovoltaik/agri-photovoltaik-agri-pv.html

Bei Freiflächen-PV sind nur schmale Gänge für Montage und Wartung erforderlich.

Die Stichproben der beiden Internet Recherchen zeigen auch, dass derzeit beinahe ausschließlich eine Aufständerung mit Metallträgern für den Aufbau angewandt wird. Bei Freiflächen-PV ist diese Technologie unangefochten. Bei Agri-PV ist es mit  Balken Tragwerken aufwendig, die gewünschten Spannweiten von 30m und mehr und Höhen über 5m zu bauen. Dies gilt wohl auch für PV-Anlagen über Verkehrsflächen wie Straßen und Autobahnen, weniger über Parkplätzen zu. Als Beispiel seien die Spannweiten bei Autobahnen angeführt, die mit 3,5m je Fahrspur, 4m Mittelstreifen und Standspuren bis über 40m bei 8 Spuren betragen. Dafür gilt es eine geeignete Tragwerk-Technologie zu entwickeln, um die Branche der Autobahnen unter dem Aspekt der PV zu erschließen. Damit können die Anforderungen der Verkehrs- und Energieinfrastruktur gebündelt werden ohne dass unberührte Landschaft wie bei Freiflächen "verbraucht" wird. Auch für die Agri-PV gibt Argumente mit dem Doppelnutzen für Gartenbau, Obstanbau und Acker https://www.ise.fraunhofer.de/de/leitthemen/integrierte-photovoltaik/agri-photovoltaik-agri-pv.html

 PV-Dachanlagen haben ein eigenes Set von Anforderungen und werden daher hier nicht behandelt.

Die hängende Lamellen-PV wird im folgenden minimalistisch entwickelt.. Das Seiltragwerk besteht aus einem  großmaschigen oberen Netz, wie es im folgenden Bild zwischen den Tragsäulen dargestellt ist:

Spannseile zwischen den Tragsäulen, zwischen denen die Tragseilen durchhängen, ein Koppelseil verhindert ihr Schwingen. Darunter befindet sich ein ähnliches Netz, dessen Tragseile so angeordnet sind, dass sie die PV-Module in Lamellen mit der gewünschten Ausrichtung zur Sonne mit Befestigungen oben und unten tragen können.

 Damit entsteht ein "Doppelmembran"-Tragwerk, wobei die Moduln zwischen dem oberen und dem unteren Netz montiert sind und die beiden Netze verbinden. Jedes der beiden Netze weist zwischen den Spannseilen Trageseile auf, die das Gewicht der Module aufnehmen, und (mindestens) ein Koppelseil orthogonal dazu auf, welches das durchhängende Tagwerk stabilisiert. Weitere Koppelseile und Versteifungen(an den Modulen) sind gegebenenfalls für die Windlast vorzusehen, die ein formstabiles, hängendes Tragwerk mit PV -Lamellen bilden. 

So könnte das Doppelmembran-Tragwerk mit einigen beispielhaften PV-Moduln für die Lamellen über einem Parkplatz aussehen. Im Bild ist dies der Rathaus Parkplatz in Unterhaching.

Work in Progress

Photovoltaic, Rope Rack und Membrantragwerk

Photovoltaik Module müssen zur Sonne ausgerichtet werden, fest ausgerichtet oder sehr selten auch nachgeführt. Dazu werden in der Regel Ständer-Konstruktionen aus Metallprofil-Schienen mit Mauerwerk-Sockeln eingesetzt.

Eine alte, alternative Idee, die von der Siemens A.G. nach meiner Erfindungsmeldung "Solargenerator mit Spannseilen zur Halterung und Stromführung" vom 12.12.1988

zum Patent angemeldet wurde, sah vor, die Module an isolierten Seilen aufzuhängen, die auch die Stromleitung übernahmen. Recherchen im Netz liefern dazu nur bescheidenes wie Photovoltaik an Seilen mit Nachführen.

Meine derzeitigen Interessen: würde sich das für ein Photovoltaik-Dach über der Autobahn eignen, sprich rechnen, ohne Nachführen? Würde es sich für die Agri-Photovoltaik eignen? Für Freiflächen-PV, insbesonders an langweiligen Standorten zur Gestaltung oder nur eingeschränkt zugänglichen Standorten? 

Und nicht zuletzt für ein gestaltendes Überspannen von Bauwerken statt einfallslosen PV-Aufständerungen? Dabei denke ich nicht nur an eine vollständige Bedeckung mit PV-Modulen, sondern auch an Muster wie Schachbrett oder teilweise Bedeckung zum Sonnenstand.

All diese Überlegungen mit unter ihrem Gewicht hängenden Netzen gewinnen einen weiteren Freiheitsgrad von Funktion und Gestaltung wenn man sie als Membrantragwerk, auch mit mehrfach gekrümmten Flächen mit dem Olympia-Dach München als Beispiel gestaltet.verkleidet sind. An der schwierigen Realisierung dieser Konstruktion waren zahlreiche Architekten und Bauingenieure beteiligt, darunter Architekten des Büros Behnisch & Partner sowie Frei Otto, Fritz Leonhardt, Wolfhardt Andrä und Jörg Schlaich. 

Bei meinem Vorschlag für die Photovoltaik werden Metallseile im einfachsten Fall mit einem rechteckigen, hängenden Tragwerk als "Kettfäden" zum Tragen, als Stromleiter und als Biegeelement eingesetzt, die PV-Module orthogonal dazu als Schussfäden ähnliche Verbindung zwischen den Kettfäden. Will man eine Verwindung der PV-Module vermeiden, so kann man sie an drei Punkten aufhängen. Damit kann man eine mehr oder weniger flexible Membran gestalten, je nach Besetzung und Befestigung der PV -Module, die gegebenfalls noch durch (Schuss-) Drahtseile unterstützt werden. Dazu auch die folgenden ersten Skizzen

Des weiteren noch eine Skizze, wie ein Stück einer damit gebauten Autobahn-Überdachung mit Stützen und den auffälligen Trögen zum Schutz der Stützen bei Schachbrett-PV-Modulen aussehen könnte.

Zum Einstieg in die Literatur: A-K. Goldbach und K-U.Bletzinger, Die Olympiadächer in München von 1972 und ihre Einfluss auf die textile Architektur, Technik in Bayern, 06/2022,S. 38-39

Work in progress 

Photovoltaik Überbauten oder die Auflösung des Sägezahns

Martin Hundhausen, Pionier der Photovoltaik Installationen, hat mich mit seinem Video über die mehr als 20-jährige Geschichte der PV auf Erlanger Schulen  https://youtu.be/kR046Cg2BIM nachdenklich gemacht. Seine Aufnahmen zeigen das erfolgreiche Prinzip, günstige Flächen insbesondere von Flachdächern, zum kostensparenden Aufstellen von PV-Panelen auf Ständern zu nutzen. Im Hinblick auf Architektur und Statik ist dies ein pragmatischer, minimalistischer Eingriff. Rechtlich ist er gegebenfalls mit einem Mietvertrag absicherbar. Der Nachteil dieses Vorgehens ist, dass nur ein kleiner Teil des Grundrisses genutzt wird und die mögliche Economy of Scale (EoS) der PV-Anlage nicht ausgeschöpft wird. Die EoS wird erschlossen, wenn man eine architektonisch gestaltete, der PV gewidmete Überbaung der Gebäudes macht. Damit wird die PV zu einem massiven gestalterischen Merkmal des Gebäudes und tritt aus dem Winkeldasein hinter dem Dachtrauf heraus. Sicher ist dies eine Herausforderung für alle Beteiligten, vom Bauherrn über Architekten und Statiker bis zur Wartung. Aber, sie gibt der erneuerbaren Energieernte auch architektonisch den Stellenwert, den sie angesichts der Klimakatastrophe verdient. Wir brauchen uns nicht zu schämen, dass wir energiehungrig sind. So wie unsere diversen Vorfahren seit etwa 300 tausend Jahren das Feuer mehr oder weniger weit sichtbar nutzten als Licht- und Wärmequelle.

Hervorragende Beispiele dafür, wie solche Dach-Überbauten wundervolle arichtektonische und funktionelle Komponenten bieten zeigen die meisten Bauten von Francis Kerré. Zugegeben, bei diesen Bauten ist das Dach eine wichtige Grundkomponente beim Entwurf gewesen. Das nachträgliche Überbauen stellt ganz andere Herausforderungen, gerade auch dann, wenn es sich um Zweckbauten mit bescheidener Architektur handelt. Allein, wir dürfen nicht zögern jede wirtschaftlich machbare Lösung zur Befreiung aus der Klimakatastrophe anzupacken.

Den höchsten Wirkungsgrad einer festen PV-Anlage bringt eine Neigung nach Süden. Bei einer Überbauung kann man sich von dem kanonischen Dach mit Giebel oder Pultform lösen, kann kreativ werden in Richtung der Forderung von Kerré nach Schönheit. Akzeptiert man die Nutzng der Schräglage zur Sonne so ist der Sägezahn die Grundform. Diese Grundform gilt es weiterzuentwickeln. Sie muss letzlich aufgelöst werden, sieht man von dem ästhetischen Potential der Ausständerung ab. Wie wäre es mit einer morphologischen Analyse dazu, welche die Aufständerung oder den Unterbau mit einschliesst??

Den Pionieren  Martin Hundhausen und Francis Kerré gewidmet.