Warum der Ausdehnungskoeffizient entscheidend ist

Dächer aus Trapezblechen besitzen oft eine beträchtliche Fläche. Ihre Konstruktion in Zusammenhang mit einem günstigen Preis sowie der dabei schnellen Bauweise prädestiniert Trapezbleche für den Einsatz in Industrie, Gewerbe und Landwirtschaft.

Obwohl sowohl Stahl als auch Aluminium, die beiden hauptsächlichen Materialien zur Verwendung als Trapezbleche, recht feste, stabile Stoffe sind, unterliegen sie der Ausdehnung beziehungsweise dem Ausdehnungskoeffizienten. Einfach gesagt, die Materialien dehnen sich bei zunehmender Temperatur aus und ziehen sich bei abnehmender Temperatur zusammen. Im Bereich der Metalle zählen beide Stoffe sogar zu den Materialien mit hohem Ausdehnungskoeffizienten, Aluminium sogar mit dem höchsten in dieser Gruppe. Doch was bedeutet eigentlich der Ausdehnungskoeffizient in der Realität und wie lässt er sich in Zahlen ausdrücken oder berechnen?

In der Physik wird vom Wärmeausdehnungskoeffizient oder auch dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten gesprochen, der sich wiederum in die Bereiche Länge, Raum und Fläche unterteilt. Maßgebend in Bezug auf ein Dach aus Trapezblech ist der Flächenausdehnungskoeffizient. Eines der Probleme bei der Berechnung des Flächenausdehnungskoeffizienten besteht jedoch darin, dass jedes Metall einen eigenen Koeffizienten besitzt und dass Trapezbleche, ob nun Stahl oder Aluminium, grundsätzlich aus Legierungen gefertigt werden. Wer es also sehr genau nehmen will, muss zuerst einmal in Erfahrung bringen, wie sich das jeweilige Trapezblech zusammensetzt.

Doch keine Sorge, bezogen auf eine Dachfläche sind die tatsächlichen Abweichungen bei Kälte oder Hitze zu einem großen Teil vernachlässigbar, wenn es da nicht ein paar Dinge gäbe, die es zu beachten gilt.

Der Ausdehnungskoeffizient Aluminium beträgt auf einen Quadratmeter bei einer Temperaturänderung von +1 Grad Celsius rund 0,4 qmm.

Der Ausdehnungskoeffizient Stahl beträgt auf einen Quadratmeter bei einer Temperaturänderung von +1 Grad rund 0,25 qmm.

Was bedeutet das?

Nehmen wir an, ein Trapezblech aus Aluminium ist ein Quadratmeter groß, besitzt also eine Seitenlänge von einem Meter und dies bei einer Temperatur von +20 Grad. Steigt die Temperatur nun um 1 Grad, dehnt sich das Trapezblech um jeweils 0,1 mm an den Kanten aus. Bei einem gleich großen Trapezblech aus Stahl beträgt dieser Wert sogar nur etwa 0,05 mm.

Anhand dieser Werte lässt sich der Ausdehnungskoeffizient Stahl genauso wie der Ausdehnungskoeffizient Aluminium recht leicht für größere Dachflächen berechnen. Eine Dachfläche aus Aluminium Trapezblechen mit 200 qm würde folglich bei +1 Grad Temperaturänderung eine Ausdehnung von 20 qmm erfahren beziehungsweise sich an den Kanten um rund 5 mm ausdehnen. Je höher oder niedriger die Abweichungen von den ursprünglich angenommenen +20 Grad Temperatur, desto mehr verändert sich der Ausdehnungskoeffizient. Im Hochsommer etwa, wenn die Sonne die Trapezbleche aufheizt, können durchaus Temperaturen von 60 Grad auf der Oberfläche des Daches herrschen. Theoretisch ist es jetzt möglich, dass sich Aluminium an den Kanten bis zu 10 cm bei einer Dachfläche von 200 qm ausdehnt, Stahl bis zu etwa 6 cm. Allerdings sind das nur theoretische Werte, weil sich der Ausdehnungskoeffizient nicht auf die gesamte Dachfläche, sondern auf das einzelne Trapezblech und dessen Größe auswirkt. Werden zum Beispiel Trapezbleche aus Aluminium in der Größe 1038 x 8000 mm verwendet, beträgt die Ausdehnung im Mittel an den Kanten etwa 3 cm bei einer Temperaturdifferenz von immerhin 40 Grad. Mit etwa 1,8 cm ist bei Stahl zu rechnen, wenn es so richtig heiß wird. Umgekehrt schrumpfen Trapezbleche um den gleichen Faktor, wenn es wirklich kalt wird. Nicht vergessen werden darf, dass Temperaturschwankungen auftreten, je größer die Dachfläche ist, was wiederum den Ausdehnungskoeffizienten beeinflusst, in der Regel dahingehend, dass die Ausdehnung noch geringer wird.

Der Ausdehnungskoeffizient Metall kann ein Entscheidungskriterium sein?

Es bestehen verschiedene Punkte, die beachtet werden sollten bezüglich des Ausdehnungskoeffizienten Aluminium oder des Ausdehnungskoeffizienten Stahl. Dazu gehört die Art der Befestigung der Trapezbleche sowie die Überlappungen und Stöße.

Was die Befestigungsschrauben für Trapezflächen betrifft, kann der Ausdehnungskoeffizient  vor allem bei großer Kälte eine wichtige Rolle spielen. Schrumpft das Metall, werden die Bohrungen größer, zumal meist vernickelte Stahlschrauben oder sogar Edelstahlschrauben zur Befestigung der Trapezbleche verwendet werden. Diese besitzen einen geringeren Ausdehnungskoeffizienten als Trapezbleche aus Stahl oder Aluminium. Das kann im schlimmsten Fall zu Undichtigkeiten führen. Es empfiehlt sich generell, die Befestigungsschrauben in Verbindung mit gummibewehrten Kalotten zu verwenden, die in ihren Maßen zur Hochsicke des jeweiligen Trapezblechs passen. Die Kalotte besitzt zudem den Vorteil, dass gerade Trapezbleche aus Aluminium beim Verschrauben nicht versehentlich zu stark eingedrückt und verformt werden.

Anhand der Tatsache, dass sich Aluminium stärker ausdehnt und zusammenzieht als Stahl muss entsprechend bei Überlappungen darauf geachtet werden, dass diese groß genug sind, um die Ausdehnungen auszugleichen. Wiederum ist es die Kälte, die hier zum Problem werden kann. In der Regel ist jedoch eine Überlappung von mindestens 10 cm ausreichend.

Das Problem, das Trapezbleche nicht überlappend verbaut werden, sondern an andere Bauelemente anstoßen, besteht normalerweise nur bei Anschlüssen an Hauswänden oder am First bei einem Satteldach. Der Ausdehnungskoeffizient des jeweiligen Trapezblechs sollte hier als Abstandsmaß genommen werden. Üblicherweise werden an diesen Stellen zusätzliche Abdeckbleche verwendet, um den Spalt zu überdecken.

Trapezblech aus Stahl oder Aluminium, das ist hier die Frage?

Was ist nun besser für das jeweilige Projekt, Trapezbleche aus Aluminium mit hohem Ausdehnungskoeffizienten oder Trapezbleche aus Stahl mit geringerem Ausdehnungskoeffizienten? Wie so oft heißt die Antwort: Es kommt drauf an.

Neben dem Ausdehnungskoeffizienten spielen bei der Entscheidung andere Faktoren ebenso eine Rolle. Aluminium ist praktisch korrosionssicher und damit in Bereichen wie der Landwirtschaft oder in Meeresnähe (Ammoniak oder Salz in der Luft) die bessere Wahl, es ist leicht und zugleich leichter zu bearbeiten, aber auch teurer. Stahl wiederum ist günstig und besitzt eine höhere Tragkraft, was sich beispielsweise in Regionen mit hohen Schneelasten dahingehend positiv auswirkt, dass der Unterbau nicht so aufwendig ausgeführt werden muss. Es gibt leider keine Faustformel dafür, wo welches Material die bessere Wahl ist. Aus dem Betrachtungswinkel der preislichen Kalkulation kann folgender Leitsatz erstellt werden: Für komplizierte Dachkonstruktionen besser Aluminium, da es sich leichter bearbeiten lässt, praktisch kein Rostschutz betrieben werden muss und so teure Handwerkerstunden einspart. Für Flachdächer oder Dächer mit nur einer Neigung sind Trapezbleche aus Stahl besser, weil sich die Bleche unkompliziert und schnell verlegen lassen und nur wenig geschnitten werden müssen, was dem Korrosionsschutz zugutekommt. Der Ausdehnungskoeffizient spielt dabei eine eher untergeordnete Rolle.