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Definition von Leichtbauweise im Baugewerbe inklusive Praxisbeispielen

Per Definition Leichtbauweise handelt es sich dabei um eine Konstruktionsphilosophie, die auf die Einsparung von Gewicht sowie die Steigerung der Ressourceneffizienz abzielt. Die Leichtbauweise wird sowohl in der Architektur als auch bei Aufzügen, Roboterarmen, Maschinenkomponenten, Schienen- und Straßenfahrzeugen angewandt. Werk- und Rohstoffe, Energie und Kosten sollen eingespart werden. Dadurch können nicht nur die Herstellungs- sondern auch die Betriebskosten reduziert werden.

Wo genau wird die Leichtbauweise eingesetzt?

Kurz und gut, es geht um das optimale Kosten-Nutzen-Verhältnis. Sehr gute Anwendungsbeispiele finden sich allerdings auch im Fahrzeug-, Flugzeug- und Schiffsbau und in der Raumfahrt. In der Raumfahrt schlägt jedes Kilogramm Nutzlast mit bis zu 100 kg Zusatzgewicht für Treibstoff und Rakete zu Buche. Im Hochbau wird die Leichtbauweise vor allem für Montage-, Produktions- und Lagerhallen verwendet.

Gewicht lässt sich vor allem durch das eingesetzte Material reduzieren. Daher werden vor allem Aluminium, Magnesium, Titan und hochfeste Stähle eingesetzt. Faserverbundstoffe gelten als klassische Leichtbaumaterialien.

 

Prinzipien, auf denen die Leichtbaulösung basiert!

 

Dafür bieten sich sowohl die Fertigungs-, die Konstruktions- als auch die Entwurfsphase an. Das Leichtbaupontenzial sollte dabei vollkommen ausgeschöpft werden. Meistens wird der Schwerpunkt nur auf die Konstruktion gelegt. In den letzten Jahrzehnten wurden Kunststoffe und Faserverbundstoffe favorisiert. Diese zeichnen sich durch hohe Steifigkeiten (Torsion, Dehnung, Biegen), Festigkeiten und eine große Bandbreite an Gestaltungs- und Verarbeitungsmöglichkeiten aus.

In der Entwurfsphase braucht es zunächst detaillierter Analysen. Lasten müssen genau bemessen werden. Schätzungen führen zu Überdimensionierungen. Das ist besonders für Stabilitätsberechnungen extrem wichtig! Durch die höhere Rechnerleistung und verbesserte einschlägige Software lassen sich auch in diesem Bereich präzisere Berechnungen anstellen (Finite-Elemente-Methode). Lasten- bzw. Pflichtenheft gab es schon immer. Je genauer jedoch die Anforderungen darin aufgestellt werden, desto leichter werden die Strukturen.

In der Konstruktionsphase stehen der Werkstoff und die Verarbeitung im Vordergrund. Ursprüngliche Werkstoffe sollen durch leichtere ersetzt werden. Hochfeste Stähle (Leichtbaustähle) ermöglichen geringere Wandstärken bei gleichbleibenden Bauteileigenschaften. Höher feste Stahlbleche, Aluminiumbleche oder Kunststoffteile (GFK, SMC, etc.) werden daher ebenfalls gerne in der Leichtbauweise verwendet. Im mittleren Preissegment zahlen sich Gewichtsreduktionen bis ca. 5 Euro pro Kilogramm aus. In der oberen Klasse liegen diese bei 14 Euro pro Kilogramm. In der Premiumklasse beläuft sich die Reduktion bei 20 Euro pro Kilogramm.

Bei der Verarbeitung wird daher versucht, das Materialvolumen so gleichmäßig wie möglich auszunutzen. Bauteile, die hoher Biegebeanspruchung unterliegen, werden durch Fachwerke oder Sandwichlösungen ersetzt. Kräfte in der Leichtbaukonstruktion sollen direkt geleitet werden, um Beulen, Knicken, etc. durch geringere Stärken zu vermeiden. Kerben beansprucht mehr Material und sollte deshalb nicht verwendet werden. Fachwerkträger mit Druck- und Zugstäben geben die optimale Struktur.

Beim Systemleichtbau werden keine einzelnen Bauteile in Augenschein genommen, sondern das gesamte System. Funktionsintegration macht zum Beispiel einzelne Bauteile schwerer. Einsparungen durch die Funktionsintegration machen das System leichter. Die Auswahl des passenden Füge- und Fertigungsverfahrens spart konstruktiv Gewicht ein. Durch das Laserschweißen kann auf die Überlappung verzichtet werden. Wird Nieten durch Kleben als Verfahren ersetzt, entsteht eine weitere leichtbauwirksame Maßnahme. Schmiedebauteile werden mit geringeren Querschnitten konstruiert, da sie über eine höhere Schwingfestigkeit verfügen.

Die Fertigungsphase bietet ebenfalls reichlich Möglichkeiten, um Gewicht einzusparen. Diese liegen bei engen Toleranzen beim Einkauf von Halbzeugen sowie bei der Fertigung. Beim Leichtbau spielt natürlich auch die Stabilität eine entscheidende Rolle. Deshalb müssen Werkstoffe mit geringer Streuung ausgewählt werden.

 

Was ist bei der Leichtbauweise von Bauwerken zu beachten?

 

Die Leichtbauweise (Holzbau, Skelettbau) wird immer mit Nachhaltigkeit argumentiert. Das Material sowie die Energieressourcen werden optimal genutzt. Durch die Verwendung von Holz wird zusätzlich nachhaltiges Naturmaterial verwendet. Somit wird gegen den Klimawandel vorgegangen. Für die Nutzer ergibt sich durch die Leichtbauweise zusätzliche Flexibilität, Nutzflächenmaximierung sowie ein rascherer Baufortschritt. Die Wirtschaftlichkeit dieser Bauweise stellt einen zusätzlichen positiven Aspekt dar.

Leichtbau historisch gesehen!

Ab dem 12. Jahrhundert wurde die Leichtbauweise in gotischen Baukonstruktionen eingesetzt. Die Außenwandflächen wurden mit vielen Fenstern durchbrochen, die Wandstärken sowie die Gewölbemasse auf ein Minimum reduziert. Somit konnten die Gebäude höher gebaut werden.

Eines der berühmtesten Gebäude in dieser Bauweise ist der Eiffelturm in Paris.

Wofür wird heutzutage die Leichtbauweise hauptsächlich eingesetzt?

Da sich mit dieser Bauweise auch die Optik spektakulär gestalten lässt, werden immer mehr Dächer auf diese Weise errichtet. Dächer waren von jeher dazu vorgesehen, das Haus und seine Bewohner zu schützen. In kälteren Regionen der Welt ist das deutsche Satteldach mit Tonziegeln (Fischschuppen) ideal, da der Regen so am besten abfließen kann. In wärmeren Regionen der Erde werden Flachdächer bevorzugt. Dafür wird weniger Material benötigt. Die Nutzfläche ist größer. Dort, wo sich immer viele Menschen versammeln, wie zum Beispiel auf Flughäfen, in Kirchen, Messehallen, Sportarenen, etc., werden Dachkonstruktionen gebraucht, die riesige Flächen überspannen. Gerade in diesem Bereich gab es in den letzten Jahren die Leichtbauweise, die dafür optimal ist, enorme Entwicklungen.

Beispiele für modernen per Definition Leichtbauweise!

1967 überraschte Frei Otto mit seiner Seilnetz-Membrankonstruktion die Besucher der Expo in Montreal. Diese hatte er für den deutschen Pavillon entwickelt. Das Flächentragewerk ist ziemlich leicht (Spinnennetz). Die Stuttgarter Architekten Behnisch und Partner entwarfen daraufhin die Überdachung des Münchner Olympiastadions. Der riesige Baldachin, der anlässlich der Expo 2000 in Hannover errichtet wurde, wurde komplett aus Holz gefertigt und spannt sich über 16.000 Quadratmeter. Eine beeindruckende Glas-Stahlseil-Konstruktion überdacht die Bahnsteige und Gleisflächen des Berliner Hauptbahnhofs.