Kupfer für Dach und Wand

Kupfer ist nicht nur ein beständiger Baustoff, der aggressiven Umweltbedingungen standhält, es bringt auch noch weitere Eigenschaften mit, die für Dacheindeckung und Außenwandbekleidung interessant sind.

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Hafen Barcelona. Foto: KME

Im Bauwesen wird ausschließlich Cu-DHP verwendet. Das ist sauerstofffreies phosphordesoxidiertes Kupfer mit einem Reinheitsgrad von mindestens 99,9% Kupfer nach DIN 1787 "Kupfer, Halbzeug". Diese Kupfersorte ist hervorragend verformbar, hat eine hohe Bruchdehnung und ist auch für Verbindungstechniken mit hohen Temperaturen geeignet. Die bei der Wärmedehnung angegebene Temperaturdifferenz von 100 K ist realistisch. Metallflächen können bei Sonneneinstrahlung im Sommer +80°C erreichen und im Winter bis auf-20°C abkühlen. Zwischen Zugfestigkeit und Bruchdehnung besteht ein direkter Zusammenhang. Je geringer die Zugfestigkeit, desto größer die Bruchdehnung. Je größer die Bruchdehnung, desto besser ist das Formänderungsvermögen. Die Zugfestigkeit von Kupfer wird durch wiederholte Verformungen erhöht und kann durch Erwärmen wieder vermindert werden. Kupfer hat die höchste Bruchdehnung von allen Baumetallen und ist deshalb gerade bei komplizierten Anschlüssen, bei denen starke Verformungen erforderlich sind, besonders geeignet. In diesen Bereichen werden deshalb weiche Qualitäten (R220) verwendet, während bei flächigen Dachdeckungen und Außenwandbekleidungen sowie Dachentwässerungen üblicherweise Cu-DHP R240 eingesetzt wird. Das relativ hohe spezifische Gewicht von Kupfer ist bei den in der Stehfalztechnik üblichen geringen Metalldicken von 0,6 bis 0,7 mm für die statische Belastung des Gebäudes von untergeordneter Bedeutung, es handelt sich hier immer um eine leichte Konstruktion. Der hohe Schmelzpunkt von 1083 °C ermöglicht alle Verbindungstechniken bis hin zum Hartlöten und Schweißen und kann andererseits wegen der dadurch bedingten Standfestigkeit bei Hitzestrahlung die Ausbreitung eines Brandes wirksam verhindern.

Verhalten an der Atmosphäre

Kupfer ist auch unter den heutigen aggressiven Umweltbedingungen ein außerordentlich beständiger Bauwerkstoff. Diese Beständigkeit beruht auf seiner Fähigkeit, an der Atmosphäre eine witterungsbeständige, festhaftende und nicht giftige Schutzschicht auszubilden, die Patina. Die Zusammensetzung der Patina kann aufgrund regional unterschiedlicher atmosphärischer Bedingungen verschieden sein, meist besteht sie jedoch heute aus basischem Kupfersulfat. Diese Schutzschicht ist in sich stabil und selbstheilend. Auf ihr beruht die hervorragende Korrosionsbeständigkeit des Kupfers. Kupfer hat außerdem eine gute Beständigkeit gegen Baustoffe wie Gips, Kalk und Zement, darüber hinaus ist es nicht durch Tauwasser gefährdet.

Ablauf der Schichtbildung

Das metallblanke Kupfer bildet an trockener Luft innerhalb weniger Stunden einen Oxidfilm aus Kupfer-0xid, der mit dem bloßen Auge praktisch nicht wahrnehmbar ist. Dieser Film stabilisiert die Oberfläche des Kupfers bereits merklich gegenüber den Einwirkungen der Atmosphäre. Die langsame Weiterbildung der Oxidschicht infolge Reaktion des Kupfers mit Feuchtigkeit, Luftsauerstoff und aggressiven Luftinhaltstoffen läßt allmählich eine gleichmäßige Braunfärbung entstehen; die Oberfläche des Kupfers verliert dabei zunehmend den metallischen Glanz. Das Braun wird immer dunkler und geht im Laufe der Zeit in anthrazitbraun über. Dies ist im allgemeinen der farbliche Endzustand an senkrechten Gebäudeflächen, wie Außenwandbekleidungen. Bei geneigten Dachflächen verändert sich die Schutzschicht farblich weiter, bis das kupfertypische Patinagrün erreicht ist. Die Ursache für diese Weiterentwicklung ist die intensive Einwirkung von Niederschlägen auf geneigten Dachflächen und die damit verbundene verstärkte Bildung basischer Kupferverbindungen. Bei einer Kombination von geneigten und senkrechten Kupferflächen muss deshalb, aber auch aus dehnungstechnischen Gründen, eine Unterbrechung in Form einer Tropfkante angeordnet werden, um eine saubere Trennung zwischen den sich farblich unterschiedlich entwickelnden Oberflächen zu erreichen. Kupfer hat eine gute Beständigkeit gegen alkalische Baustoffe wie Kalk und Zement, darüber hinaus ist es nicht durch Tauwasser gefährdet.

Vorübergehende Abweichungen

Durch Rückstände von Walzemulsionen auf der Kupferoberfläche kann die Oxidschichtbildung vorübergehend verzögert werden. Aggressive Luftinhaltstoffe können bei kondensierendem Nebel oder Sprühregen auf noch metallblanken Kupferflächen eine heftige Bildung von Oxiden auslösen, so daß innerhalb eines kurzen Zeitraumes übergangslos eine Dunkelfärbung entsteht. Untersuchungen haben ergeben, daß solche Abweichungen nur eine vorübergehende optische Erscheinung sind, durch die kein Schaden an der Kupferbekleidung entsteht.

Künstliche Beeinflussung der Patinabildung

Es werden immer wieder von Architekten und Bauherren Überlegungen angestellt, den natürlichen Ablauf der Patinabildung zu beeinflussen. Es gibt zwar eine Reihe chemischer Färbeverfahren, wie sie auch im DKl-Fachbuch "Chemische Färbungen von Kupfer und Kupferlegierungen" angegeben werden. Diese Färbeverfahren sind nur für die Anwendung im Innenbereich und für kleinteilige Gegenstände aus Kupfer, wie Ziergeräte gedacht. Die großflächige Anwendung im Außenbereich ist durch die baustellenbedingten Schwierigkeiten kaum praktikabel, das Ergebnis entspricht mit Sicherheit nicht den Erwartungen. Darüber hinaus sind die künstlich geschaffenen Oxidschichten im allgemeinen nicht witterungsbeständig, so daß die natürliche Patinabildung diese Schichten nach einiger Zeit ablöst und damit den ganzen Aufwand zunichte macht. Dagegen sind bereits werkseitig grünpatinierte Kupfertafeln für die Anwendung im Außenbereich lieferbar, mit denen auch großflächige Dekkungen ausgeführt werden können. Die Oberfläche besteht aus Metallverbindungen, die hinsichtlich Farbton und Beständigkeit der an der Atmosphäre entstehenden grünen Patina vergleichbar ist. Die Erhaltung der walzblanken Kupferoberfläche ist im Außenbereich fragwürdig, weil die dazu verwendeten Klarlacke ebenfalls nur eine begrenzte Lebensdauer haben und im Verlauf der Verwitterung porös werden, so daß hier partiell die Oxidschichtbildung wieder einsetzt, was dann zu besonders häßlichen Verfärbungen führt.

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Outokumpu Nordic Green (TM) 2. Foto: Outokumpu

Zusammenbau mit anderen Metallen

Kupfer ist aufgrund seiner Stellung auf der positiven Seite in der elektrochemischen Spannungsreihe durch andere Metalle nicht gefährdet. Bei falscher Kombination mit anderen Metallen können diese jedoch gefährdet werden. Grundsätzlich ist die beliebige Kombination von Kupfer mit Blei und Edelstahl (Werkstoff-Nrn. 1.4321 und 1.4401) unbedenklich. Ein Zusammenbau von Kupfer und Aluminium ist dann relativ unproblematisch, wenn das Aluminium durch Beschichtung oder Anodisierung eine elektrisch nicht leitende Oberfläche besitzt, sodass kupferhaltiges Wasser kein elektrochemisches Element mit dem Aluminium bilden kann. Eine direkte Berührung zwischen den beiden Metallen ist jedoch durch Anordnen einer Fuge oder durch Zwischenlage von nichtleitenden Stoffen zu verhindern. Zu vermeiden ist die Anordnung von Kupferbauteilen oberhalb von Zink oder verzinktem Stahl, weil durch abfließendes Regenwasser mitgeführte Kupferionen zur Elementbildung auf dem Zink und zu dessen schneller Zerstörung führen. Die umgekehrte Anordnung von Zink oberhalb von Kupfer ist unbedenklich, es dürfen jedoch keine Berührungspunkte zwischen den beiden Metallen vorhanden sein.

Mechanisch-physikalisch-technologische Angaben:

Wärmedehnung: 1,7mm/m (Δt= 100k)

Zugfestigkeit (RM):

R 220 (weich) 220...260 N/mm²

R 240 (halbhart) 240...300 N/mm²

Bruchdehnung (A5)

F22 (weich) ≥ 42%

F24 (halbhart) ≥ 15%

Dichte 8,93 kg/dm³

Schmelzpunkt 1083°C

Letzte Aktualisierung: 06.03.2019