Diplomarbeit

ALUMINIUM IN DER ARCHITEKTUR

ausgeführt zum Zwecke der Erlangung des akademischen Grades
eines Diplom-Ingenieurs

Institut für Baustofflehre, Bauphysik und Brandschutz, E 206

eingereicht an der
Technischen Universität Wien
Fakultät für Raumplanung und Architektur

von
Silvia Edlbacher

Wien, im November 1999

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung ... 6

2 Grundlagen ... 8
    2.1 Allgemeines ... 8
        2.1.1 Geschichte der Aluminiumgewinnung und –anwendung ... 8
        2.1.2 Anwendungsbereiche von Aluminium heute ... 11
            2.1.2.1 Transport- und Verkehrswesen ... 13
            2.1.2.2 Verpackung ... 16
            2.1.2.3 Elektrotechnik ... 17
            2.1.2.4 Maschinenbau ... 17
            2.1.2.5 Bauwesen ... 17
        2.1.3 Anwendung von Aluminiumprodukten in Österreich ... 19
        2.1.4 Geschichte des Aluminiums im Bauwesen, der Architektur
        und Kunst ... 20
    2.2 Herstellung, ökologische Eigenschaften ... 26
        2.2.1 Aluminiumkreislauf ... 26
        2.2.2 Rohstoffvorräte ... 28
            2.2.2.1 Bauxit ... 29
            2.2.2.2 Alternative Aluminiumrohstoffe ... 31
        2.2.3 Prozeß der Aluminiumgewinnung ... 32
            2.2.3.1 Primäraluminium ... 32
            2.2.3.2 Sekundäraluminium ... 33
        2.2.4 Zusammensetzung verschiedener Legierungen ... 34
            2.2.4.1 Physikalische Eigenschaften wichtiger
            Aluminiumwerkstoffe ... 36
            2.2.4.2 Aluminiumwerkstoffe im Bauwesen ... 36
        2.2.5 Ökobilanz ... 38
            2.2.5.1 Wirkungskategorien (Ökoinventare) ... 40
            2.2.5.2 MIPS (Materialinput pro Serviceeinheit) ... 41
            2.2.5.3 KEA (Kumulierter Energieaufwand) ... 43
    2.3 Umformen ... 45
        2.3.1 Halbzeugherstellung ... 45
            2.3.1.1 Strangpressen ... 46
            2.3.1.2 Walzen ... 48
            2.3.1.3 Schmieden ... 49
        2.3.2 Teilefertigung ... 50
            2.3.2.1 Blechumformung ... 50
            2.3.2.2 Massivumformung ... 51
    2.4 Gießen ... 52
        2.4.1 Dauerformgießverfahren ... 52
        2.4.2 Gießverfahren mit verlorener Form ... 54
    2.5 Spanendes Verarbeiten ... 54
    2.6 Verbinden und Fügen ... 55
        2.6.1 Schweißen ... 55
            2.6.1.1 Schmelzschweißen ... 55
            2.6.1.2 Preßschweißen ... 57
        2.6.2 Löten ... 57
        2.6.3 Kleben ... 59
        2.6.4 Nieten ... 60
        2.6.5 Schrauben ... 61
        2.6.6 Sonstige mechanische Fügeverfahren ... 61
    2.7 Oberflächenbehandlung und Korrosionsschutz ... 63
        2.7.1 Mechanische Oberflächenbehandlung ... 65
        2.7.2 Chemische Oberflächenbehandlung ... 65
        2.7.3 Anodische Oxidation (Eloxieren) ... 65
            2.7.3.1 Verfahren zur Erzeugung farbloser Oxidschichten ... 66
            2.7.3.2 Verfahren zur Erzeugung farbiger Oxidschichten ... 67
        2.7.4 Organische Beschichtungen (Lackieren) ... 68
        2.7.5 Sonstige Beschichtungsverfahren ... 69
    2.8 Aluminium als Oberflächenmaterial ... 71
        2.8.1 Aluminiumfarbe ... 71
        2.8.2 Aluminium zum Schutz von Stahl ... 72
            2.8.2.1 Beschichten von Stahl (Aluminieren) ... 72
            2.8.2.2 Kathodischer Schutz von Stahl ... 72
        2.8.3 Bedampfen und Beschichten mit Aluminium ... 73
    2.9 Technische Eigenschaften von Aluminium ... 74
        2.9.1 Typische Eigenschaften von Aluminium ... 74
        2.9.2 Physikalische Eigenschaften von reinem Aluminium ... 76
        2.9.3 Begriffe ... 77
        2.9.4 Systematische Benennung ... 79
            2.9.4.1 Reines Aluminium ... 79
            2.9.4.2 Gußwerkstoffe ... 79
            2.9.4.3 Knetwerkstoffe ... 80
        2.9.5 Normen ... 81
        2.9.6 Kriterien für die Verwendung von Aluminium ... 82

3 Konstruieren mit Aluminium ... 83
    3.1 Vergleich zwischen Stahl und Aluminium ... 83
    3.2 Profilkonstruktionen ... 84

4 Anwendung in der Architektur ... 86
    4.1 Die Vorteile von Aluminium ... 86
    4.2 Aluminium-Profilsysteme für Fenster und Türen ... 89
        4.2.1 Ganzaluminium-Profilsysteme ... 89
        4.2.2 Wärmedämmende Profilsysteme ... 90
        4.2.3 Hochwärmedämmende Profilsysteme ... 90
        4.2.4 Profilsysteme für den Brand- und Rauchschutz ... 91
    4.3 Aluminium-Fassaden-Systeme ... 92
        4.3.1 Fassadentypen – klassifiziert nach der Lage der
        Konstruktion zum Baukörper ... 93
            4.3.1.1 Fassaden mit geschoßhohen Fensterwänden oder
            Fensterbändern ... 93
            4.3.1.2 Vorhang-Fassaden (Curtain Walls) ... 94
        4.3.2 Fassadentypen - klassifiziert nach ihrem konstruktiven
        Aufbau ... 95
            4.3.2.1 Pfosten-Riegel-Fassade ... 95
            4.3.2.2 Element-Fassade ... 96
            4.3.2.3 Profil-Fassade ... 96
            4.3.2.4 Ganzglas-Fassade (Structural-Glazing-Fassade) ... 98
        4.3.3 Fassadentypen - klassifiziert nach der Lage von Regen-
        und Windbarriere ... 100
            4.3.3.1 Kaltfassade ... 100
            4.3.3.2 Warmfassade ... 101
            4.3.3.3 Kalt-Warm-Fassade ... 101
        4.3.4 Spezielle Fassaden-Systeme ... 102
    4.4 Aluminium-Glas-Lichtdachkonstruktionen ... 103
    4.5 Aluminium für Dach und Wand ... 105
        4.5.1 Profilierte Bleche und Bänder ... 106
        4.5.2 Wandverkleidung aus Strangpreß-Profilen ... 107
        4.5.3 Formbleche ... 108
        4.5.4 Glatte Aluminiumbleche und -bänder ... 109
        4.5.5 Sandwich-Bauelemente (Panels, Verbundplatten) ... 109
            4.5.5.1 Vollisolierende Fassaden- und Wandbauelemente ... 109
            4.5.5.2 Verbundplatten ohne Isolierkern ... 109
        4.5.6 Aluminiumgußplatten ... 111
            4.5.6.1 Herdgußplatten ... 111
            4.5.6.2 Formgußplatten ... 111
        4.5.7 Paraschalen ... 112
        4.5.8 Dachbauelemente ... 112
        4.5.9 Dach- und Dichtungsbahnen, Dampfbremsen ... 113
            4.5.9.1 Einseitig bituminierte Aluminiumbänder ... 113
            4.5.9.2 Beidseitig bituminierte dünne Aluminiumbänder ... 113
            4.5.9.3 Aluminiumfolie ... 113
    4.6 Sonnen- und Wetterschutz ... 114
    4.7 Systeme für den Ausstellungsbau ... 115
    4.8 Möbel und Design ... 116
    4.9 Diverses ... 118

5 Konstruktive Anwendungen ... 119
    5.1 Konstruktionen mit Aluminium-Profilsystemen ... 120
        5.1.1 Wohnhaus in Stuttgart / BRD ... 120
        5.1.2 Anbau an eine Villa aus dem Jahr 1939 / BRD ... 121
        5.1.3 Messeturm in Frankfurt am Main / BRD ... 122
        5.1.4 Hochhauskomplex „Westendstraße 1“ in Frankfurt am
        Main / BRD ... 124
        5.1.5 Flughafen Münster/Osnabrück: Neues Passagier-Terminal /
        BRD ... 126
        5.1.6 Hafenbahnhof Altenwerder: Betriebsgebäude und Tower
        in Hamburg / BRD ... 128
        5.1.7 E-Werk Minden-Ravensberg: Zentrale für Kommunikation
        und Technik in Bad Oeyenhausen / BRD ... 129
        5.1.8 Ristorante Grandi Magazzini Rinascente: Restaurant in
        Mailand / Italien ... 131
        5.1.9 WDR-Arkaden: Medien- und Geschäftshaus in Köln / BRD ... 132
    5.2 Fassaden- und Dachverkleidungen aus Aluminium ... 134
        5.2.1 Toyota Frey in Wien-Inzersdorf / Österreich ... 134
        5.2.2 Flughafen Frankfurt: Terminal 2 / BRD ... 136
        5.2.3 Audi Zentrum Ingolstadt / BRD ... 137
        5.2.4 Dachausbau in Raasdorf / Österreich ... 138
        5.2.5 Bankfiliale der Ersten Österreichischen Sparkasse in Wien 8 /
        Österreich ... 139
        5.2.6 Merkur Markt in Deutsch-Wagram / Österreich ... 140
        5.2.7 Wüstenrot Versicherungs-Center in Salzburg / Österrreich ... 141
        5.2.8 Informationszentrum des Nationalparks Neusiedler See -
        Seewinkel in Illmitz / Österreich ... 142
        5.2.9 Volksschule in Gänserndorf / Österreich ... 143
    5.3 Individueller Entwurf mit Aluminium ... 144
        5.3.1 Glashäuser des Botanischen Instituts der Universität Graz /
        Österreich ... 144
        5.3.2 Freigelände-Set für Mercedes / BRD ... 145
        5.3.3 Ausstellungspavillon / BRD ... 146
        5.3.4 Ausstellungshaus eines Aluminiumprofilherstellers in Toulouse /
        Frankreich ... 147
        5.3.5 Kunstwerk Reichstag-Verhüllung in Berlin / BRD ... 148

6 Zusammenfassung und Ausblick ... 149

7 Literatur ... 152

8 Firmen ... 156

1 Einleitung
Diese Arbeit setzt sich mit dem Werkstoff Aluminium und seiner Anwendung in der Architektur auseinander. Aluminium ist ein relativ junges Material, das erst Anfang des 19. Jhdts. entdeckt wurde. Daher hat die Anwendung dieses Leichtmetalls in der Architektur noch keine lange Tradition. Vielen Architekten ist zwar die eine oder andere Anwendung des Werkstoffs bekannt, sie kennen aber weder alle Vorteile von Aluminium noch seine sämtlichen Anwendungsbereiche.

Ziel dieser Arbeit ist es, Architekten einen Überblick über den Baustoff Aluminium und seine verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten zu geben. Sie macht deutlich, wann der Einsatz von Aluminium in der Architektur ökonomisch und ökologisch gerechtfertigt werden kann. Weiters werden die Möglichkeiten der Form- und Farbgebung mit Aluminium dargelegt.

Diese Arbeit soll einen Überblick über die Geschichte und die derzeitigen Anwendungsbereiche von Aluminium, über den Kreislauf von der Gewinnung des Primäraluminiums bis zu Wiederverwertung von Alt- und Reststoffen zum Sekundärmaterial sowie über das ökologische Verhalten geben. Dazu werden die verschiedenen Arten der Herstellung von Aluminiumprodukten, die dazu nötigen Legierungszusammensetzungen und Verarbeitungsmöglichkeiten, die Verbindungsmöglichkeiten, das Korrosionsverhalten, die vielfältigen Möglichkeiten der Oberflächengestaltung, sowie die technischen Eigenschaften erklärt. Auch die Verwendung von Aluminium als Oberflächenmaterial wird besprochen.

Kriterien für die Anwendung von Aluminium werden aufgezeigt, die Vorteile für die Einsatz in der Architektur werden hervorgehoben. Produkte aus Aluminium, die für diesen Bereich angeboten werden, werden angeführt und in Bezug auf ihre konstruktiven und bauphysikalischen Eigenheiten behandelt. Die Sinnhaftigkeit von Tragwerkskonstruktionen aus Aluminium wird hinterfragt. Auch auf die Dimensionierung von Querschnitten in Hinsicht auf Ökonomie wird eingegangen.

Anhand von zahlreichen Beispielen werden verschiedenste Anwendungsvarianten von Aluminium in der Architektur von 1989 bis 1998 gezeigt. Sowohl Beispiele mit serienmäßig erhältlichen Produkten als auch solche mit individuellen Anfertigungen aus Aluminium zeigen die Vielseitigkeit der Anwendung des Leichtmetalls hinsichtlich Konstruktion, Form und Farbe.

GRUNDLAGEN - ALLGEMEINES

2 Grundlagen
2.1 Allgemeines
2.1.1 Geschichte der Aluminiumgewinnung und –anwendung
Seit den Anfängen der Menschheit kommt der Herstellung und Nutzung von Metallen bei der Entwicklung der Zivilisation entscheidende Bedeutung zu. Seit mehr als 3000 Jahren sind Eisen, Kupfer, Blei, Zinn, Silber und Gold bekannt, Aluminium erst seit Anfang des 19. Jhdt.

Tabelle 2-1 gibt einen Überblick über die Geschichte und die ersten Anwendungen von Aluminium (Aluminium-Fenster-Institut (Hrsg.), S.6 /1/; Aluminium-Zentrale (Hrsg.), S.4 ff /2/).

!! Tabelle ist in dieser Vorschau nicht verfügbar !!

2.1.2 Anwendungsbereiche von Aluminium heute
Die wichtigsten Anwendungsbereiche des leichten und korrosionsbeständigen Werkstoffes Aluminium sind heute der Verkehr (Automobile, Luft- und Raumfahrt, Waggonbau), das Bauwesen, der Maschinenbau, die Elektrotechnik und das Verpackungswesen, vor allem die Verpackung von Lebensmitteln und Pharmaka.

Bei allen Beispielen bzw. Anwendungen ist die Masseeinsparung von größter Bedeutung, einerseits bedingt durch die Notwendigkeit eines ökonomischen Betriebes im Verkehrswesen, andererseits durch die Möglichkeit sekundärer Einsparungen bei der Montage oder der Entlastung der Unterkonstruktion. Die Wartungsfreiheit durch Korrosionsbeständigkeit und rationelle Fertigung mit speziell dafür entwickelten Strangpreßprofilen sind weitere wichtige Argumente für den Einsatz von Aluminiumbauteilen. Der Werkstoff zeichnet sich überdies auch durch seine hervorragende Recyclierbarkeit aus. Ein Beispiel für die positive Gesamtenergiebilanz von Aluminium wird am Beispiel Fahrzeug in Abbildung 2-1 gezeigt.

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