Das Fassadensystem besteht aus einer äußeren, gesinterten und somit wasserfesten Struktur, in welche modulare Innenelemente eingesetzt werden können. Über ein Tropfsystem sowie gezielte Aussparungen im Druckpfad der Module wird Wasser vertikal durch die Struktur geführt und zur Befeuchtung der inneren Module verteilt. Sobald die Fassade gesättigt ist, kann das System pausiert oder das überschüssige Wasser in einen Speicher zurückgeführt werden.

In Versuchsreihen zeigte die vertikal ausgerichtete Layer-Orientierung die gleichmäßigste Verteilung der Feuchtigkeit innerhalb der Module. Durch die Kapillarwirkung in den Poren des Tons kann sich das Wasser zudem begrenzt entgegen der Schwerkraft ausbreiten, wodurch eine homogene Durchfeuchtung der Struktur unterstützt wird.

Die Rippen der Inlays sowie die texturierte Oberfläche erzeugen eine vergrößerte Oberfläche. Mit zunehmender Oberfläche steigt das Verdunstungspotenzial und damit die Verdunstungsrate. Zusätzlich ermöglicht die kontinuierliche Befeuchtung der Module eine Begrünung mit epiphytischen Pflanzen, wie beispielsweise Tillandsien, die sich durch ihren geringen Pflege- und Wasserbedarf auszeichnen.

Der Grad der Geschlossenheit der Fassade kann flexibel über die Anzahl und Anordnung der eingesetzten Innenmodule gesteuert werden.

Die Degrees of Freedom sind eine Art die Bewegungsfreiheit eines Objektes an Hand der Bewegungen entlang als auch um die jeweiligen Achsen zu definieren. Bei der Geometriefindung für die Steine der Fassade wurde dieses Prinzip genutzt um ein Interlocking der Steine zu generieren wie in der nächsten Grafik dargestellt. Durch die entgegen laufenden Krümmungen wird sowohl die Bewegung in der X-, als auch in der Z- Achse verhindert. Spannt man nun die flankierenden Steine eines Panels ein, führt das zu einer vollständigen Fixierung aller Steine.

Aus den Anforderungen die Panele einzeln montierbar und austauschbar zu machen resultieren fünf Hüllsteintypen. Es sind dabei, die in der Mitte des Panels sitzenden Steine zu unterscheiden von den Randsteinen, die über eine Krümmung weniger verfügen um so das Interlocking mit der nächsten Reihe zu verhindern.

Alle Hüllsteine besitzen Aussparung in der unteren und oberen Fläche um den Durchfluss des Wassers zu ermöglichen. Die Hüllsteine besitzen eine Wandstärke von 8mm wobei es sich um eine doppelwandige 4mm Wand handelt. Dieses Vorgehen produzierte im Test die besten Resultate bezüglich der Formstabilität bei Überhängen. Bei den Kühleinsetzen gibt es je eine Version für die Vollsteine und die Halbsteine.

Die Fassade ist in kleinere Module gegliedert, die direkt auf einer Unterkonstruktion montiert werden können. Die Randsteine eines Paneels werden dabei in einen umlaufenden Rahmen eingespannt und fixiert. Durch das Interlocking der einzelnen Steine untereinander wird das gesamte Modul stabilisiert und kraftschlüssig zusammengehalten, ohne zusätzliche mechanische Verbindungsmittel innerhalb der Fläche zu benötigen.

Während die gesinterten Hüllsteine aufgrund ihrer geringen Wasseraufnahme frostbeständig sind, steht die für die evaporative Kühlung erforderliche hohe Porosität der inneren Einsatzsteine im Widerspruch zur Frostbeständigkeit und stellt eine konstruktive Herausforderung dar. Trotz zahlreicher Frosttests mit positiven Ergebnissen war es daher ein zentrales Ziel des Entwurfsprozesses, die Einsatzsteine als einfach austauschbare Elemente zu konzipieren, um die Langlebigkeit und Wartungsfreundlichkeit der Fassade auch unter wechselnden klimatischen Bedingungen sicherzustellen.

Zur Kompensation von Fertigungstoleranzen, die durch Materialschwankungen sowie das Schrumpfverhalten während des Trocknungs- und Brennprozesses entstehen, sind zwischen den trocken gefügten Steinen gezielt Ausgleichsfugen vorgesehen, die eine gleichmäßigere Lastabtragung ermöglichen und lokale Spannungsspitzen reduzieren.

Für den Prozess des Lehm-3D-Drucks wurde handelsüblicher Ton mit feiner Körnung (0-0,2 mm) sowie einem Schamottanteil von 25 % verwendet. Zur Einstellung der erforderlichen Plastizität wurde dem Ton Wasser beigemischt und durch intensives Kneten homogen in die Masse eingearbeitet. Die besten Druckergebnisse wurden nach einem zusätzlichen Ruhetag erzielt, da dieser eine gleichmäßigere Wasserverteilung innerhalb des Materials begünstigt.

Der Druck erfolgte mit einem WASP Delta-2040-Drucker. Nach einer Trocknungszeit der Module von ein bis zwei Wochen konnten diese gebrannt werden. Dabei unterscheiden sich die Brennparameter für die Einsatzmodule von denen der Hüllsteine deutlich.

Die Hüllsteine wurden bei höheren Temperaturen gebrannt, sodass eine Versinterung eintritt, die sie wasserfest macht. Die Einsatzmodule hingegen wurden bei niedrigeren Temperaturen gebrannt, um eine erhöhte Porosität zu erhalten, die es erlaubt, Wasser für die evaporative Kühlung zu speichern.

Durch die doppelt gekrümmte Geometrie entsteht ein natürliches Interlocking der Steine. Um dennoch eine panelweise Montage zu ermöglichen, wird dieses Interlocking gezielt an den Schnittstellen zwischen zwei Paneelen durch geometrische Anpassungen aufgehoben. Zusätzlich konnten durch Weaving-Patterns in der Generierung der Druckpfade größere Überhangwinkel realisiert werden.

Bei der Geometrie der Steine finden sich starke Überhänge die zu Beginn zum Einsturz und Separierung der Layerstruktur geführt habe. Durch den Einsatz von Weaving Patterns durch die Manipulation der Pfadkurven konnten stärkere Überhänge erreicht werden. Ein gleichmäßiger Shift der Kontrollpunkte in abwechselnde Richtung, sowie einem normalen Zwischenlayer in jeder zweiten Ebene hat sich als besten gezeigt.

Um das entwickelte Fassadensystem greifbarer zu machen wurden ein Fallbeispiel herangezogen. Bei dem Gebäude handelt es sich um ein altes innerstädtisches, mehrstöckiges Parkhaus. Es befindet sich in der Conrad-Adenauer-Straße 15 in Frankfurt am Main. Durch die offene Hülle bietet es sich für das Kühlsystem an, da eine Durchströmung des Windes durch die Fassadenelemente möglich ist.

Insbesondere die im Erdgeschoss angrenzende Fußgängerzone bietet ein hohes Potenzial für eine klimatische Aufwertung durch die Ausbildung einer temperaturausgleichenden Pufferzone mittels der neuen Fassadenstruktur.

Das Fallbeispiel zeigt, wie durch die gezielte Nachrüstung von Bestandsgebäuden nicht nur das Gebäude selbst, sondern auch der umliegende öffentliche Raum aufgewertet werden kann, indem das lokale Mikroklima nachhaltig verbessert wird.

Zeitgleich steht es stellvertretend für die vielen alten Parkhäuser in unseren Innenstädten, die Sanierungsbedürftig sind und oft nicht mehr in das Stadtbild passen.

Um in Folge der Thesis die Umsetzung und Realisierbarkeit im 1:1 Maßstab zu überprüfen sowie auf Messdaten basierende Aussagen treffen zu können wurde ein Panel als Demonstrator erstellt.

Dieser besteht aus einer Unterkonstruktion, 21 vollen Hüllsteinen, 6 halben Hüllsteinen, 14 Kühlrippen Einsatzsteinen, sowie weiteren 6 halben Einsatzsteinen.

In der weiteren Bearbeitung soll die Kühlfähigkeit der Struktur an des Demonstrators getestet, ausgewertet und dokumentiert werden. Dafür wird er in eine regulierte und temperierte Umgebung gebracht. Zu Messen sind Raum-, sowie Oberflächentemperaturen auf der Struktur.

Supervision

Prof. Dr. -Ing. Oliver Tessmann

TT-Prof. Dr.- Ing. Christina Eisenbarth

Max Eschenbach Dipl. Des.

Acknowledgement

Herzlichen Dank an Prof. Oliver Tessmann und Prof. Christina Eisenbart für ihre hilfreichen Beiträge und Betreuung meiner Thesis.

Und einen besonderen Dank an Max Eschenbach, der mir neben seiner Expertise auch mental zur Seite stand und mich aufgebaut hat.