Wetterfester Baustahl

Brücke über den Hudson River aus wetterfestem Baustahl

Als Wetterfester Baustahl wird eine Gruppe von Baustählen bezeichnet, die durch die Zulegierung geringer Anteile von Chrom, Kupfer, Nickel oder Phosphor eine witterungsbeständige Patina bilden.

Begriffsbestimmung und Einteilung

Nach der chemischen Zusammensetzung ähneln die zur Zeit marktüblichen wetterfesten Stähle den Baustählen, weshalb diese in EN 10025-5 „Warmgewalzte Erzeugnisse aus Baustahl“ mit erfasst sind. Die Bezeichnung der wetterfesten Baustähle, die wegen ihrer geringen Verunreinigung mit unerwünschte Elementen, wie beispielsweise Schwefel gemäß EN 10020 zu den Edelstählen gehören, wird dort analog zu den unlegierten Baustählen vorgenommen. Als letzter Buchstabe wird ein W für wetterfest bzw. WP für phosphorlegierte wetterfeste Stähle angehängt: S235J2W ist folgerichtig ein wetterfester Baustahl mit 235 N/mm² Streckgrenze. In Deutschland sind allerdings gemäß Bauregelliste A nur solche Stähle bauaufsichtlich zugelassen, die nicht phosphorlegiert sind. Die phosphorlegierten Stähle sind zwar grundsätzlich auch schweißgeeignet, allerdings müssten bei ihnen besondere Vorsichtsmaßnahmen beachtet werden.^[1]

Geschichte

Wetterfester Stahl wurde erstmals 1926 von den Vereinigte Stahlwerke AG in Düsseldorf patentiert, im Werk Dortmund produziert und weltweit unter dem Namen Union-Stahl vertrieben. Im und unmittelbar nach dem Zweiten Weltkrieg wurde die Konstruktion mit diesem Baustahl nicht weiterverfolgt, da die Legierungselemente Kupfer und Chrom wertvoll und nur in unzureichenden Mengen vorhanden waren. In den USA wurde der Werkstoff Anfang der 1960er Jahre neu entdeckt und kam unter der Handelsbezeichnung „COR-TEN-Stahl“ wieder zum Einsatz und von dort aus zurück auf den europäischen Markt.

Siehe Hauptartikel: COR-TEN-Stahl

Nach anfänglicher Euphorie kam die Verwendung in Europa Anfang der 1980er Jahren zum Stillstand. Bei den ersten Konstruktionen hatte man die Grenzen und konstruktiven Besonderheiten des Werkstoffs nicht ausreichend berücksichtigt. Dies hatte zur Folge, dass erhebliche Korrosionserscheinungen beobachtet wurden, die aus dem – in der Regel – deutlich trockeneren Nordamerika so nicht bekannt waren. Notwendige Materialdickenzuschläge wegen Abrostung waren nicht ausreichend berücksichtigt worden. Außerdem hatten sich Zweifel an der Dauerfestigkeit der wetterfesten Stähle eingestellt, die die Verwendung des Werkstoffs bei tragenden Teilen, vor allem im Stahlbrückenbau, praktisch zum Erliegen brachte. Diese Bedenken haben sich als nicht gerechtfertigt herausgestellt, so dass das Material seit den 1990er Jahren unter Berücksichtigung seiner Besonderheiten wieder verstärkt zum Einsatz kommt.^[2]

Anwendung von wetterfesten Baustählen und Wirtschaftlichkeit

Kunstobjekt von René de Boer, aufgestellt in Groningen-Niederlande

Wetterfeste Baustähle werden in allen Bereichen des Hochbaus, in der Industrie und vor allem auch im Stahlbrückenbau verwendet. Im Hochbau steht häufig die Verwendung als Fassadenelemente wie der Außenbekleidung von Gebäuden im Vordergrund. Die rostbraune Patina wird vielfach als ästhetisch empfunden und häufig als hervorstechendes architektonisches Merkmal eines Bauwerks eingesetzt. Eine ähnliche Motivation ist bei Künstlern anzunehmen, da eine Vielzahl von Kunstobjekten aus wetterfesten Stählen hergestellt werden.

Bei Brückenbauwerken, Masten oder Industriebauten wie zum Beispiel Behältern, steht der wirtschaftliche Aspekt im Vordergrund. Wetterfeste Stähle benötigen keinen oder nur partiellen Korrosionsschutz. Wie Wirtschaftlichkeitsanalysen zeigen, ist trotz des höheren Materialwertes, bereits bei der Herstellung ein deutlicher Kostenvorteil gegeben. Die größeren Materialkosten entstehen durch den höheren Materialgrundpreis und höhere Einsatzmassen, welche durch notwendigen Materialdickenzuschläge verursacht werden. Berücksichtigt man die Folgekosten durch den erhaltenden Korrosionsschutz mit, so können sich nach Stand der Technik 2009 Wirtschaftlichkeitsvorteile im zweistelligen Prozentbereich ergeben.^[3]

Korrosionsmechanismus bei unlegierten Stählen

Unlegierte Stähle bilden innerhalb kurzer Zeit unter Witterungseinfluss Rost. Chemisch ist Rost das wasserhaltige Oxid des Eisens, welches durch Oxidation mit dem Luftsauerstoff unter Wasserbenetzung entsteht. Der Einfluss von schwefeligen oder anderen Säuren, beispielsweise in Folge von Luftverunreinigungen, beschleunigt die Rostbildung.

Siehe Hauptartikel: Rost

Rost bildet unter Masseerhöhung und erheblicher Volumenzunahme eine lockere Deckschicht, die durch ihre Eigenspannungen von der Oberfläche abplatzt. Die darunter liegende Oberfläche ist der Witterung dann wiederum schutzlos ausgeliefert. Stahlbauten müssen deshalb mit einem Außenschutz vor weiterer Korrosion geschützt werden.

Korrosionsmechanismus bei wetterfesten Baustählen

Unter der Mitwirkung von Schwefeloxiden bildet sich unter Bewitterung eine Sperrschicht aus festhaftenden Sulfaten oder Phosphaten. Diese Schicht ist allerdings von Mikrorissen durchzogen. Diese Mikrorisse bleiben elektrochemisch passiv, so lange die Oberfläche immer wieder abtrocknen kann. Bei Dauerfeuchte werden sie jedoch chemisch aktiv und die Fehlstellen vergrößern sich. Deshalb ist der Wechsel von Feuchte und Trockenheit der Bauteile von höchster Bedeutung. Eine dauerhafte Sperrschicht bildet sich nur aus, wenn das Bauteil nicht unter dauerhafter Feuchtebenetzung steht. Auch bei Flächen, die nicht unmittelbar der Bewitterung ausgesetzt sind, bildet sich durch die Luftfeuchte und Kondensation an der Oberfläche eine Passivschicht. Diese ist weniger dicht, jedoch ist die Korrosionsbelastung durch die fehlende Bewitterung auch geringer. Allerdings ist auch hier die Korrosionsbeständigkeit von ausreichender Belüftung abhängig, damit kein dauerhafte Befeuchtung der Oberflächen entstehen kann.^[4]

Anders als in den ersten Jahren der Anwendung vermutet, kommt die Abrostung, vor allem im relativ feuchten mittel- und nordeuropäischen Klima nicht vollständig zum Stillstand. Abhängig vom Klima und der Schadstoffbelastung der Atmosphäre, sowie der konstruktiven Gestaltung von Bauteilen muss mit zum Teil erheblichen Abrostraten gerechnet werden, wobei die Abrostung in den ersten 10 Jahren am stärksten ist. Diese Abrostung muss konstruktiv durch Wanddickenzuschläge berücksichtigt werden. Das Merkblatt MB434 des Stahl-Informations-Zentrum ordnet die Korrosionsbelastung in insgesamt fünf Korrosionskategorien C1 bis C5 ein. Hierbei bedeutet die Zuordnung in

• C1: keine nennenswerten Korrosionsbelastungen
• C5: sehr hohe Korrosionsbelastung: Verwendung wetterfester Baustähle nicht empfohlen

Bei vorwiegend feuchtem Klima, wie in Mitteleuropa, unter geringer bis mittlerer Schadstoffbelastung der Luft durch Schwefeloxide und Chloride ergibt sich bei Einstufung in Korrosionskategorie C4, bei einer angenommen Nutzungsdauer von 100 Jahren, eine Abrostrate von etwa 1 mm pro bewitterter Seite. Der Einsatz dieser Stähle in Meeresnähe, wird erst ab einem Mindestabstand von 1 km empfohlen, da wegen der Feuchte- und Cloridbelastung eine Einstufung in Klasse C5 notwendig wäre.^[5]

Konstruieren und Fertigen mit wetterfesten Stählen

Fassade aus wetterfestem Baustahl am Landgericht Mannheim

Grundsätzlich verhalten sich wetterfeste Baustähle bezüglich ihrer fertigungstechnischen Verarbeitung wie die allgemeinen Baustähle. Die DIN 18800-1 Stahlbauten „Bemessung und Konstruktion“ und DIN 18800-7 „Ausführung und Herstellerqualifikation“ gelten uneingeschränkt auch für wetterfeste Baustähle. Bei der statischen Auslegung der Konstruktion sind die Wanddickenzuschläge wegen der Abrostung mit zu berücksichtigen. Vor allem bei dünnerwandigen Bauteilen, wie zum Beispiel Fassadenelementen, kann dies auch zu erheblicher Gewichtszunahme des Bauteils und wiederum zur Verstärkung von Befestigungselementen führen.

Konstruktive Maßnahmen

Das Bauteil ist so zu konstruieren, dass sich keine Wassernester bilden können. Diese würden durch anstehendes Wasser die Trocknung behindern. Hohlprofile sind so zu konstruieren, das eventuell eindringendes Wasser wieder ablaufen kann und der Hohlkörper gut belüftet wird. Alternativ wäre ein vollständiger Luftabschluss sicherzustellen, da hier wegen der Abwesenheit von Feuchte kein korrosiver Angriff erfolgen kann. Im Wasser stehend, zum Beispiel bei Wasserbauwerken, sind wetterfeste Stähle nicht korrosionsbeständig. Wenn Bauteile partiell im Wasser oder feuchter Umgebung stehen, wie beispielsweise im Erdreich, muss für zusätzlichen Korrosionsschutz an den feuchteberührten Oberflächen gesorgt werden.

Schweißen

Es wird empfohlen im unmittelbaren Schweißbereich die Patina zu entfernen, um Heißrissgefahr durch Kupfer und Chrom an der Oberfläche zu begegnen. Selbstverständlich muss auch das Schweißgut aus wetterfestem Stahl bestehen. Da sich wetterfeste mit nicht-wetterfesten Baustählen jedoch problemlos verschweißen lassen, reicht es bei mehrlagigen Schweißungen aus, nur die der Bewitterung zugänglichen Decklagen mit dem teureren, witterungsbeständigen Material zu schweißen. Die phosphorlegierten Baustähle sind im bauaufsichlichen Bereich nicht zugelassen. Sie wären, wegen ihrer Versprödungsneigung, nur mit zusätzlichen schweißtechnischen Maßnahmen sicher schweißbar.^[6]

Schraubstöße

Schraubenabstände an Schraubstößen sind klein zu halten. Es wird empfohlen, die Abstände nicht kleiner als sieben mal Bohrlochdurchmesser bzw. nicht mehr als 14 mal Blechstärke zu wählen. Grund ist die mögliche abhebende Unterrostung der Schraubstöße, da durch Spalte zwischen den Platten der Stöße Luft oder Wasser eindringen könnte. Da sich wetterfeste Baustähle mit allen üblichen Verfahren beschichten lassen, wird ein Korrosionsschutz der Kontaktstellen empfohlen, sofern dies, wie bei gleitfesten Verbindungen, nicht ohnehin vorgeschrieben ist. Geschweißte Stöße haben diese Nachteile nicht und sind deshalb vorzuziehen. Für die Schrauben können solche aus wetterfestem Stahl verwendet werden. Diese sind auf dem Markt aber nur schwer zu beziehen. Deshalb können auch handelsübliche Schrauben aus Baustahl eingesetzt werden, sofern diese mit einem Korrosionsschutz versehen werden. Wenn eine direkte Benetzung vorliegt, wird eine Verwendung nicht zusätzlich beschichteter, verzinkter Schrauben nicht empfohlen. Es würde, wie bei unlegierten Baustählen auch, durch Kontaktkorrosion zu einem Abtrag des Zinks und dann Rost führen.^[7]

Konstruktion im architektonischen Hochbau

Da der Stahl dauerhaft – besonders jedoch in den ersten Jahren – rostet, ist bei der Konstruktion zu beachten, dass rostbelastetes Wasser abtropfen kann, ohne dass es zu unerwünschte Verunreinigen des Bauwerks, zum Beispiel an lackierten Flächen, Aluminiumprofilen oder an Fensterflächen kommt. Deshalb ist für eine gezielte Abführung des Wasser zu sorgen. Bauwerke aus wetterfesten Stählen sind häufig von Kiesbetten oder ähnlichem umsäumt, damit die Rostschlieren die an der Fassade ablaufen, gezielt und ästhetisch vertretbar beseitigt werden können. Zur Erzeugung eines homogenen Aussehens, durch eine gleichmäßige Abrostrate, wird das Entfernen der Verunreinigen der Oberfläche wie der Walzhaut, durch beispielsweise das einmalige Sandstrahlen der Oberfläche empfohlen. ^{[8] [9]}

Einzelnachweise

1. ↑ Stahl-Informations-Zentrum: Merkblatt MB434, Wetterfester Baustahl, Absatz 2.1.1: Europäische Norm, Seite 6 u.f.
2. ↑ Ausführung von Stahlbauten - Erläuterungen zu DIN 18800-7, Bär, L., Schmidt, H., Schulte, U., Zwätz, R., Beuth-Verlag, ISBN: 978-3-410-15919-3
3. ↑ Stahl-Informations-Zentrum: Merkblatt MB434, Wetterfester Baustahl, Absatz 6: Wirtschaftlichkeit, Seite 31 u.f., Seite 34 Tabelle 8
4. ↑ Stahl-Informations-Zentrum: Merkblatt MB434, Wetterfester Baustahl, Absatz 2.2: Deckschichtbildung, Seite 7 u.f.
5. ↑ Stahl-Informations-Zentrum: Merkblatt MB434, Wetterfester Baustahl, Absatz 2.4.2: Einstufung Seite 9 u.f.
6. ↑ Stahl-Informations-Zentrum: Merkblatt MB434, Wetterfester Baustahl, Absatz 3.2.2 Schweißen, Seite 12 u.f.
7. ↑ Stahl-Informations-Zentrum: Merkblatt MB434, Wetterfester Baustahl, Absatz 3.2.3 Schrauben und Absatz 3.2.4 Verbindungstechnik, Seite 13 u.f.
8. ↑ HSR Hochschule für Technik Rapperswil: Abteilung Landschaftsarchitektur, Skripte: Materialbericht - Corten und weitere wetterfeste Baustähle - Annalina Wegelin, Ursina Büchel
9. ↑ Stahl-Informations-Zentrum: Merkblatt MB434, Wetterfester Baustahl, Absatz 5: Inspektion und Wartung, Seite 30 u.f.

Weblinks

• WECOBIS*: Forschungsprojekt der Bayerischen Architektenkammer im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Bau- und Stadtentwicklung (BMVBS)