Stahlbau

Genietetes Fachwerk einer Brücke

Der Stahlbau bezeichnet den Teil des Ingenieurbaus, bei dem für den Bau von Tragwerken in erster Linie Stahl eingesetzt wird. Dabei werden gewalzte Stahlträger, Bleche und Rohre aus Baustahl und seit relativ kurzer Zeit auch Stahlgussteile durch Nieten, Verschweißen oder Verschrauben miteinander zu einem Tragwerk verbunden. Ein weiteres zentrales Konstruktionselement des Stahlbaus ist das Knotenblech, welches die einzelnen Stäbe des Tragwerkes miteinander verbindet. Neben dem reinen Stahlbau gibt es auch den Stahlverbundbau, der Stahlelemente mit Beton verbindet und den Stahl-Skelettbau.

Der Stahlbau verbindet den Vorteil der vergleichsweise kurzen Planungs- und Bauzeit mit einer flexiblen Ausführung des Tragwerkes. Diese Flexibilität ergibt sich beispielsweise durch die Verwendung relativ leichter und schlanker, hochbelastbarer Bauteile und einen hohen wie auch präzisen Vorfertigungsgrad und damit verkürzte Montagezeiten. Nachteile des Stahlbaus sind die relativ hohen Materialkosten (stark schwankende internationale Stahlpreise), ein relativ aufwendiger Korrosions- und Brandschutz, die hohe Schwingungsanfälligkeit wie auch ungünstige Schallübertragung von Stahlbauwerken. Der hohe Kostenfaktor bedingt daher eine sorgfältige ökonomische Prüfung bei der Verwendung von Stahlbaukonstruktionen gegenüber kostengünstigeren Baukonstruktionen aus Holz oder Stahlbeton. Sie erscheinen überall dort sinnvoll eingesetzt, wo überdurchschnittlich hohe Festigkeitsanforderungen an die Konstruktion gestellt werden (extreme Spannweiten von Dachtragwerken, Stahl-Skelettbau im Hochhausbau) oder ästhetische, formale Gestaltungsgründe schlanke Konstruktionen fordern (meistens im Zusammenhang mit transparenten, repräsentativen Stahl-Glas-Architekturen). Der Stahlbau untergliedert sich in

• Stahlfachwerktürme
• Brückenbau einschließlich Verbundbrücken,
• Stahlwasserbau und
• Kranbau

Korrosionsschutz

Hochregallager mit feuerverzinkten Stahlelementen

Ein Nachteil des Stahlbaus ist der relativ aufwändige Korrosionsschutz. Er erfolgt gewöhnlich durch Beschichten des Tragwerks mit Korrosionsschutzfarbe oder durch Verzinken. Der Korrosionsschutz wird in den Normen der Reihe DIN EN ISO 12944 geregelt. Da Stahl eine hohe Affinität zum Sauerstoff hat, kommt es zu Oxidation, also zu einem Übergang von einem energiereichen Metallzustand in einen energiearmen Oxidzustand. Bei anderen Metallen wie beispielsweise Aluminium und Zink wird durch die Bildung einer sehr dichten Oxidschicht das Metall vor weiterer Oxidation geschützt. Bei der atmosphärischen Stahlkorrosion bildet sich in Gegenwart von Sauerstoff und Wasser (bei einer Luftfeuchtigkeit von über 65 %) Rost, chemisch FeOOH, der in aggressiven Atmosphären (Salze, vor allem Chloride oder Säuren) zusätzlich beschleunigt wird. Rost (FeOOH) hat mit 25,37 cm³/mol das 3,6-fache Molvolumen von Eisen (7,1 cm³/mol). Daher steigt das Volumen von Eisen durch Korrosion um mindestens diesen Faktor an, siehe Pilling-Bedworth-Verhältnis. Durch Porosität und Wassereinlagerung kann die Volumenvergrößerung auch wesentlich größer sein. Diese Volumenvergrößerung bewirkt das Abplatzen von Beschichtungswerkstoffen rund um Defektstellen in einer Beschichtung.

Beim Korrosionsschutz unterscheidet man zwei Systeme: a) durch Beschichtung und b) durch Überzüge. Beschichtungen bestehen aus einer Fertigungsbeschichtung, eine Grundbeschichtung (früher meistens Zinkchromat oder Bleimennige, heute meist pigmentierte (Zinkstaub, Zinkphosphat) Kunstharzbeschichtungen) und einer Deckbeschichtung (mindestens 2-schichtiger Auftrag, als Schutz vor Feuchtigkeit und UV-Strahlen), deren Beschichtungsstoffe aus Pigmenten, Bindemitteln und Füllstoffen bestehen. Überzüge bestehen aus einer metallischen Schutzschicht, bei Baustahl meistens in Form einer Feuerverzinkung in Tauchbädern. Hierbei kommt es infolge der hohen Temperaturen von 723 °K (450 °C) oft zu Verformungen der Konstruktionsteile, die dann nachgerichtet werden müssen. Einen sehr guten Korrosionsschutz erhält man beim Nachbehandeln der Feuerverzinkung mit einer Deckschicht, dem so genannten Duplex-System.

Bei Seilen erfolgt der Innenschutz durch Hohlraumverfüllung während des Verseilens mit Leinöl-Bleimennige-Paste, während der Außenschutz durch dickschichtige, elastomere Kunststoffe erfolgt, welche die Relativbewegungen und Biegungen der Einzelglieder nicht behindern.

Zusätzlich sollten die Stahlbauteile bereits durch die Formgebung und Anordnung vor möglicher Korrosion geschützt werden: Verhinderung von Wassersäcken und Schmutzablagerungen, freie Zugänglichkeit der Stahlteile, oder aber luft- und wasserdampfdichtes Verschließen.

Brandschutz

Stahlbauwerke benötigen oft besondere Brandschutzvorkehrungen, da durch die dünnwandigen Querschnitte der Träger und deren gute Wärmeleitfähigkeit diese bei einem Brand schnell erwärmen und sich dadurch deren Festigkeit verringert. Abhängig von der Brandlast und dem vorgesehenen Gebrauch des Bauwerks kann mit einer der geforderten Feuerwiderstandsdauer angepassten Überdimensionierung der Bauteile oder mit speziellen Ummantelungen das Versagen der Konstruktion verhindert werden. Die mechanischen Eigenschaften des Stahls sind temperaturabhängig, so dass beispielsweise die Streckgrenze bei 600 °C um die Hälfte des Wertes bei 20 °C absinkt. Auch der E-Modul nimmt mit zunehmender Stahltemperatur ab. Für den Brandschutz muss eine vom Gesetzgeber für das jeweilige Bauwerk geforderte „Feuerwiderstandsdauer“ eingehalten werden, welche für übliche Gebäude jeweils in den Landesbauordnungen der Bundesländer definiert ist. Diese erforderliche Feuerwiderstandsdauer wird abhängig von dem Bauwerk und der Nutzung in Kategorien eingeteilt, nach deutscher Norm (DIN 4102 - Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen) in F30, F60, F90, F120 oder F180. Die Zahlen nennen den Mindestwert, den die Konstruktion dem Brand standhalten muss, in Minuten angegeben. Der für die Überdimensionierung des Bauteils oder für die Bestimmung der dämmenden Brandschutzmaßnahmen anzunehmende „Normbrand“ ist die Einheitstemperatur-Zeitkurve, auch kurz „ETK“ genannt. Sie beschreibt eine Temperatur-Zeit-Kurve, nach der die Gastemperatur in einer Bauteil-Prüfung erhitzt wird. Die das „geschützte“ Bauteil umgebende Gastemperatur steigt nach der Vorgabe der ETK innerhalb der ersten Minuten steil auf über 600 °C an und nimmt dann langsam, aber stetig weiter bis zum Bauteilversagen zu. Die Zeit bis zum Versagen der Konstruktion wird auf die Feuerwiderstandsdauer-Einteilung der Norm abgerundet. In dieser Art und Weise stellen alle zusätzlichen Maßnahmen, ein Stahlbauteil zu schützen, ihr Leistungsprofil unter Beweis. Die Methodik des Überbemessens (nach der DIN V ENV 1993-1-2) basiert hingegen auf einer rechnerischen Bestimmung. Ausgangsbasis ist die rechnerische Bestimmung der Stahltemperatur in einem ETK-Brand mit der geforderten (Feuerwiderstands-)Dauer. Mit der Bestimmung der Stahltemperatur lassen sich die für die Bemessung notwendigen mechanischen Eigenschaften bestimmen. Die eigentliche Bemessung findet ähnlich der „kalten“ Bemessung mit den wärmebeeinflussten mechanischen Eigenschaften unter dem Brand angepassten Sicherheitswerten statt. Anhand von Versuchen wurde dieses Bemessungsverfahren kalibriert.

Am Stahlbauteil nachträglich angebrachte Brandschutzmaßnahmen haben dämmende, abschirmende oder wärmeabführende Wirkung.

Dämmende Brandschutzmaßnahmen: der Profilform folgende Ummantelungen und Verkleidungen von Stahlprofilen aus zementgebundenen Spritzputzen mit Vermiculite oder Mineralfasern, meistens mit notwendigen Putzträger. Verbundstützensysteme (Bauweise aus dem Verbundbau) erfüllen die Anforderungen meistens ohne zusätzliche Maßnahmen. Ferner kastenförmige Umkleidung (Gipskarton, Dicken und Befestigung laut Zulassung der Hersteller)[ ⇒ F90 möglich] der Stahlprofile mit zusätzlich notwendigem Korrosionsschutzauftrag. Dämmschichtbildner in Form von Beschichtungen (Spritz-/ Streich-/ Rollauftrag) sind mit wirtschaftlich interessanten Schichtdicken (ca. 300 bis 1400 µm entspr. ca. 2-4 Arbeitsgängen) bis F60 realisierbar. Mit Schichtdicken von bis zu mehr als 3 mm (>5 Arbeitsgänge) lassen sich mittlerweile Dämmschichtbildner auch für eine Feuerwiderstandsklasse F90 (siehe Zulassung Z-19.11-1794 des DIBt - Weblinks) aufbringen. Die Festlegung der notwendigen Schichtdicken hängt vom Verhältnis des beflammten Querschnittsumfangs zur Querschnittsfläche (U/A-Wert), der Profilart (offen bzw. geschlossen) sowie der Bauteilart ab. Da Dämmschichtbildnerbeschichtungen wegen der großen Schichtdicken eine orangenhautähnliche Oberfläche ausbilden, muss, wenn eine hohe Oberflächenqualität gefordert wird, zusätzlich eine aufwendige Nachbearbeitung (Schleifen, Spachteln) vorgenommen werden. Durch den Einsatz moderner wasserbasierender Systeme kann die Orangenhaut weitgehend vermieden werden. (siehe Zulassung Z-19.11-1461)

Abschirmende Brandschutzmaßnahmen: meistens schon vorhandene, raumabschließende Systeme wie abgehängte Decken.

Wärmeabführende Brandschutzmaßnahmen: Verfüllung der Stahlprofil-Hohlräume (Stützen) mit pumpenunabhängigem, thermisch frei zirkulierendem Wasser. Besonders im Hochhausbau geeignet.

Jede Brandschutzmaßnahme hat Ihre Vor- und Nachteile. Daher sollten bei der Planung ästhetische, wirtschaftliche, technische und die Sicherheit betreffende Faktoren sorgfältig gegeneinander abgewogen werden.

Bekannte Bauwerke aus Stahl

Killesbergturm in Stuttgart

• Eiffelturm in Paris
• Funkturm und Reichstagskuppel in Berlin
• Müngstener Brücke
• Hohenzollernbrücke in Köln
• Rendsburger Hochbrücke
• Viaduc de Millau in Frankreich mit einem Brückenträger aus Stahl
• Garabit-Viadukt in Frankreich
• Geultal-Viadukt in Belgien
• Forth Bridge in Schottland
• Firth-of-Tay-Brücke in Schottland
• Golden Gate Bridge in den USA
• Bahnsteighalle des Frankfurter Hauptbahnhofs
• Killesbergturm in Stuttgart
• Eden Project in England
• Berlin Hauptbahnhof - Lehrter Bahnhof
• Parkhaus über die BAB A8 der Neuen Messe Stuttgart
• Sydney Harbour Bridge
• Neumayer-Station III

Siehe auch

• Metallbau
• Schlosserei
• Konstruktionsmechaniker

Weblinks

• Deutscher Stahlbauverband DSTV
• Internetportal des Stahl-Zentrums
• Bauaufsichtliche Zulassung Z-19.11-1794 des DIBt (PDF-Datei; 751 kB)
• Bauaufsichtliche Zulassung Z-19.11-1461 des DIBt (PDF-Datei; 476 kB)
• Bauforum Stahl