Konstruktiver Aluminiumbau

Befasst man sich mit dem Leichtbau, fallen bestimmte Werkstoffe stärker in den Fokus. Grundsätzlich betrifft der Leichtbau nur zu einem geringfügigen Teil das Bauwesen. Elektronik, Fahrzeugbau, Luft- und Raumfahrt sind die dominierenden Bereiche. Im Bauwesen ist der Leichtbau allerdings zunehmend ein Thema.

Aluminium besticht nicht nur ästhetisch durch die silberweiße Farbe. Das Gewicht bei vergleichsweise hoher Festigkeit ermöglicht vielfältige Einsatzstärken. Im Produktdesign und in der Produktsprache verspricht Aluminium gegenüber Kunststoff Dauerhaftigkeit, Zeitlosigkeit und Klassik. Man denke an klassische Gebrauchsgegenstände, etwa an die ursprüngliche Formensprache der Marke Braun. Klare Linien, akzentuierte Farben, der Blick auf das Wesentliche, Dauerhaftigkeit. Aluminium hebt den Wert wesentlich.

Im konstruktiven Leichtbau werden Aluminiumlegierungen folglich aufgrund des Gewichtsvorteils gegenüber Stahl interessant. Die molare Masse von Aluminium beträgt 26,98 g / mol gegenüber 55,85 g /mol beim Eisen.

Reines Aluminium hat allerdings eine geringe Festigkeit, weshalb im konstruktiven Bereich nur Aluminiumlegierungen von Interesse sind. Die interessantesten Legierungselemente sind Mangan, Magnesium, Kupfer, Silicium und Zink.

Die Festigkeit von Aluminiumlegierungen erhöht sich bei Walzprofilen durch Kaltverfestigung und bei Strangpressprofilen durch Wärmebehandlung.

Im Gegensatz zu Stahl ist der Proportionalitätsverlust bei Aluminiumlegierungen nicht abrupt, sodass die Streckgrenze ähnlich wie beim Edelstahl nicht eindeutig zu definieren ist. Stattdessen wird die 0,2%-Dehngrenze verwendet als jene Spannung, die in der Spannungs- / Verformungskurve eine bleibende Abweichung von von 0,2% der Anfangslänge verursacht.

Gegenüber Stahl bedeutet der Einsatz von Aluminium ein Masseersparnis von 40 bis 60%, allerdings ein doppelter Energiebedarf, weshalb die Wirtschaftlichkeit nicht gegeben ist. Um einen wirtschaftlichen Einsatz anzustreben, müssen sich die Vorteile über die gesamte Nutzungsdauer bezahlt machen.

Der Aluminiumpreis liegt knapp beim Doppelten vom Stahlpreis.

Die Vorteile bestehen in der Korrosionsbeständigkeit sowie im geringen Gewicht. Die Korrosionsbeständigkeit bedeutet, dass kein Korrosionsabschlag im Querschnitt einberechnet werden muss. Beim Aluminium bildet sich in Sekundenschnelle eine schützende Oxidhaut. Allerdings ist Korrosion auch beim Aluminium ein Thema. Da Beton einen hohen PH-Wert hat, wirkt dieser aggressiv auf Aluminium, sodass der direkte Kontakt vermieden wird und Bitumenabdichtungen zur Anwendung kommen. Problematisch ist der Kontakt mit Kupfer und Kupferlegierungen im Sinne einer galvanischen Korrosion. Wie beim Stahl sind Wasseransammlungen konstruktiv zu vermeiden.

Die Nachteile bestehen in der geringeren Festigkeit und im geringeren Elastizitätsmodul sowie im Erweichen in der Wäremeeinflusszone beim Schweißen. Das Schweißen von Aluminium ist grundsätzlich ein Problem, da die Schmelztemperatur mit rund 660 Grad Celsius sehr gering ist. Beim Stahl liegt die Schmelztemperatur über der doppelten Temperatur. Allerdings ist die Oxidschicht sehr temperaturstabil mit einer Schmelztemperatur über 2.000 Grad Celsius, sodass eine Vorbehandlung notwendig wird und das Aluminium selbst diesen Temperaturen nicht schadlos ausgesetzt werden kann.

Die Wärmeeinflusszone der Schweißnähte setzt beim Aluminium die Festigkeit herab, weshalb mit reduzierten Querschnitten zu rechnen ist. Folglich sind Bereiche mit Schweißnähten, die längs oder quer verlaufen, detailliert nachzuweisen. Auf der anderen Seite ergibt sich damit aber auch der Vorteil des Strangpressens.

Aluminium verfügt außerdem über keine Anlassfarbe, also über kein Verfärben beim Erreichen der Schmelztemperatur, sodass beim Schweißen eine laufende Temperaturmessung notwendig wird.

Zudem hat Aluminium eine vier mal höhere Wärmeleitfähigkeit, womit ein höherer Energiebedarf zusammen hängt. Die Wärmeausdehnung ist höher, womit hohe Spannungen entstehen können, sodass die Schweißreihenfolge wichtiger wird. Das Schweißen erfolgt mittels Metall-Inertgas- oder Wolfram-Inertgas-Verfahren.

Die hohe Wärmeleitfähigkeit setzt auch die Beständigkeit im Brandfall drastisch herunter. Hinzu kommt der Umstand, dass Aluminium kaum eine Dauerfestigkeit hat, was Probleme bei häufigen Lastwechseln bedeutet. An den Schwachstellen, an Kernen und Schweißnähten, versagt der Werkstoff dann, ähnlich wie bei Stahl, doch deutlich früher. Folglich liegt der Schwerpunkt im Aluminiumbau bei nicht-tragenden Bauteilen, bei Fassaden sowie bei Hilfskonstruktionen, aber auch bei Fußgängerbrücken, also Strukturen, die weniger hohen Belastungen ausgesetzt sind.

Ein wesentlicher Vorteil ist die Gestaltungsmöglichkeit mit Strangpressprofilen. Hier sind die geringe Schmelztemperatur sowie die höhere Duktilität gegenüber Stahl vom Vorteil. Durch die höhere Weichheit und gute Umformbarkeit können beim Strangpressen (Extrudieren) komplexe Profile wirtschaftlich hergestellt werden. Beim Stahl sind hingegen Nacharbeiten, etwa die Kaltwalzung, notwendig, um komplexe Geometrien zu verwirklichen, was die Wirtschaftlichkeit stark einschränkt. Heute können 3D- und Laserdruck Alternativen bieten.

Das Strangpressen ermöglicht beim Aluminium das Erfüllen von komplexen Mehrfachaufgaben: Lokale Aussteifung, Entwässerung oder die Vorbereitung von Befestigungen können in den Querschnitt integriert werden [2].

Der wirtschaftliche Einsatz von Aluminium umfasst im Leichtbau vergleichsweise höhere Bauteile mit geringen Wanddicken. Bei großen Festigkeits- und Wärmewiderstandsanforderungen ist Stahl klar im Vorteil.

Interessant ist der werkstoffübergreifende Vergleich. Holz hat 35% mehr statische Zugfestigkeit und Druckfestigkeit bezogen auf die Wichte, Stahl 40% weniger. Die Längssteifigkeit liegt bei Holz auf Zug und Druck hingegen 7% unter Aluminium, Stahl liegt 3% darüber. Die Knicksteifigkeit aller drei Werkstoffe ist ähnlich [1].

Daraus ergibt sich durch das geringe Gewicht gegenüber Stahl der Vorteil von Aluminiumverbindern im Holzbau, wo ohnehin meistens nicht das Metallblech das schwache Glied ist, sondern die Holzverbindung, also das Zusammenwirken stabförmiger Verbindungsmittel im Holz. Damit fallen Aluminiumverbinder leicht und schlank aus.

Literatur:

[1] Bernd Klein: „Leichtbau-Konstruktion“, Springer Vieweg, Wiesbaden 2013

[2] Torsten Laufs & Christina Radlbeck: „Aluminiumbau-Praxis nach Eurocode 9“, Beuth Verlag, Berlin 2020

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