Stahlbauer

Genietetes Fachwerk einer Brücke

Der Stahlbau bezeichnet den Teil des Ingenieurbaus bei dem für den Bau von Tragwerken in erster Linie Stahl zum Einsatz kommt. 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 intern. 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

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 (z.Zt. noch Probeaufbau)

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 Metalle eine hohe Affinität zum Sauerstoff haben, kommt es zu Oxidation, also zu einem Übergang von einem energiereichen Metallzustand in einen energiearmen Oxidzustand. Lediglich Gold oxidiert aufgrund seiner negativen Sauerstoffaffinität nur bei Energiezufuhr. Bei Aluminium und Zink wird durch die Bildung einer sehr dichten Oxidschicht das Metall vor weiterer Oxidation geschützt, während bei Eisen die Dichte der Eisenoxidschicht wesentlich geringer als die Dichte des Eisens selbst ist und sie somit keine Schutzschicht gegen weitere Sauerstoffaufnahme bildet.

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 durch weitere Säuren zusätzlich beschleunigt wird. Rost hat mit einer Dichte von 3,5 das doppelte Volumen von Eisen (7,9). Tatsächlich steigt das Volumen des Rostes aber aufgrund der Porösität auf das 7-fache an, wodurch eine große, wasserbindende und damit zusätzlich rostbeschleunigende Oberfläche gebildet wird.

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, für Baustahl meistens die Feuerverzinkung in Tauchbädern (infolge der hohen Temperaturen von 723K (450°C) kommt es zu leichten Verformungen der Konstruktionsteile, die nach dem Tauchbaden 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 die Außenschicht durch dickschichtige, elastomere Kunststoffe, die zusätzlich die Relativbewegungen und Biegungen der Einzelglieder zulassen, erfolgt.

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-/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.

Dem Stahl-Bauteil 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 lt. 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 3mm (>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/geschlossen) sowie der Bauteilart ab. Da Dämmschichtbildnerbeschichtungen wegen der großen Schichtdicken eine orangenhautähnliche Oberfläche ausbilden, muß, wenn eine hohe Oberlächenqualität gefordert wird, zusätzliche eine aufwendige Nachbearbeitung (Schleifen, Spachteln) vorgenommen werden.

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.

Weblinks

• Deutscher Stahlbauverband DSTV
• Internetportal des Stahl-Zentrums
• Bauaufsichtliche Zulassung Z-19.11-1794 des DIBt