Stahlbau

Obwohl die Eisenzeit die Bronzezeit erst um 800 v.u.Z. ablöste, gibt es Funde von systematischer Eisenverhüttung schon aus der Zeit 3000 v.u.Z. Dies waren Einzelstücke, hergestellt aus seltenem Meteoreisen, welches sozusagen vom Himmel fiel. Es gibt aber auch einzelne Gegenstände, aus dem frühen 3. Jahrtausend v.u.Z., die aus terrestrischem Eisen hergestellt wurden. Erst sehr viel später, im 14. Jahrhundert, gelang es in Europa die notwendigen hohen Temperaturen zu erzeugen und Eisen zu gießen. Man erhielt nicht schmiedbares, kohlenstoffhaltiges Roheisen. Durch das Verbrennen von Kohlenstoff gelang es, Stahl herzustellen. Die Technik wurde in den nächsten Jahrhunderten weiterentwickelt, bis 1835 die ersten Eisenbahnschienen in Deutschland im Walzwerk hergestellt wurden. 1852 wurde der erste I-Träger gewalzt. Seit Ende der 1920er Jahre spricht man von Stahlbau. Davor sagte man Eisen- oder Schmiedeeisenkonstruktion. Weitere technische Fortschritte wie das Thomas-Verfahren oder elektrische Stahlschmelzöfen, machten es möglich, Stahl in großen Mengen zu günstigen Preisen herzustellen.

In England wurde Stahl zum ersten Mal als Baumaterial genutzt. Von 1775 bis 1779 wurde in Coalbrookdale die gusseiserne Bogenbrücke über den Severn erbaut. Später folgten kleinere Brücken, unter anderem in Niederschlesien und 1803 in Frankreich. Ende des 18. und Anfang des 19. Jahrhunderts wurden schließlich Hängebrücken mit schmiedeeisernen Ketten, gusseiserene Säulen für Fabrikationsgebäude und auch Domkuppeln aus gusseisernen Rippen errichtet. 1872 wurde der erste Stahlskelettbau errichtet. In den USA entstanden Stahlhochhäuser. In Deutschland hatte der Stahlskelettbau erst nach dem 1. Weltkrieg Bedeutung.

Deutschland ist der größte Rohstahlproduzent der EU und liegt Weltweit hinter China, Japan, USA, Russland, Indien und Südkorea auf Platz 7. Trotz der immensen Kosten ist die Nachfrage nach Stahl ungebrochen.

Herstellung und Einteilung von Stählen

Als Ausgangsstoffe für die Roheisengewinnung benötigt man Eisenerz, Kalkstein und Koks. Aus dem siliciumhaltigen grauen Roheisen, welches bei hohen Temperaturen entsteht, wird Grauguss hergestellt. Er ist spröde, hat eine hohe Druckfestigkeit, geringe Rostneigung und lässt sich nicht schmieden. Grauguss ist Ausgangsmaterial für z.B. Entwässerungsrohre, Bodeneinläufe oder Schachtabdeckungen. Weißes Roheisen hingegen wird bei niedrigen Temperaturen erzeugt und enthält Mangan. Daraus wird Stahl produziert. Stahl ist zäh, dehnbar, verformbar und hat eine hohe Zugfestigkeit. Durch Legierungen werden die Eigenschaften des Stahls verbessert. Silicium erhöht die Elastizität, Mangan die Festigkeit. Chrom und Nickel verhindern das Rosten während Wolfram die Härte erhöht.

Stahl besteht also aus Eisen, Kohlenstoff, Eisenbegleitern und Legierungselementen. Der Kohlenstoffgehalt ist enorm wichtig. Unter 2 % Kohlenstoffanteil macht den Eisenwerkstoff zu Stahl. Baustahl hat ca. 0,2 % Kohlenstoff um die Schweißbarkeit nicht zu beeinträchtigen. Stahl wird nach Anforderungen, chemischer Zusammensetzung, Formgebungsverfahren und Form und Abmessung unterschieden.

  • Chemische Zusammensetzung
    • unlegierte Stähle
    • legierte Stähle
  • Herstellung/Formgebung
    • Erschmelzungsverfahren
    • Vergießen: Kokillen oder Strangguss
    • Kalt- oder Warmverformung
    • Nachbehandlung: Desoxidation (Bindung des Sauerstoffanteils im Stahl. Es gibt unberuhigten (U), beruhigten (R) und besonders beruhigten (RR) Stahl)
  • Gebrauchsanforderungen
    • Grundstahl: unlegiert
    • Qualitätsstahl: legiert, unlegiert
    • Edelstahl: legiert, unlegiert
  • Form und Abmessung
    • Profilerzeugnisse: Stab-, Form- und Betonstahl, Walzdraht, Spundwände, Rohre, runde und eckige Hohlprofile
    • Flacherzeugnisse: Bleche, Flachstahl
    • Kaltprofilierte Erzeugnisse

Baustähle

Die Bezeichnungen für Baustahl sind in den letzten Jahren verändert worden. Im Kürzel der Bezeichnung der Stähle wurde früher die Zugfestigkeit angegeben. St 37 hat eine Zugfestigkeit von 370 N/mm². Bei der neueren Bezeichnung S235 hat der Stahl eine Mindeststreckgrenze von 275 N/mm². Die Zahlen 2 bzw. 3 gaben Hinweise auf die Güte des Stahls und die Sprödbruchempfindlichkeit. Wetterfeste Stähle tragen z.B. die Bezeichnung `S235J2W` (alt: WTSt 37-3). Ein Beispiel zu neuen und älteren Bezeichnungen von einem Baustahl:

  • nach DIN EN 10025-2 (02-2005) `S235JR`
  • nach DIN EN 10025 (03-1994): `S235JRG2`
  • nach DIN 17100 (01-1980): `RSt. 37-2`
  • Außerdem gibt es für den Stahl noch eine Werkstoffnummer: 1.0038

Verbindungsmittel im Stahlbau

Um Einzelquerschnitte zusammenzufassen und einen sicheren Lastabtrag zu gewährleisten benötigt man Verbindungsmittel. Im Stahlbau unterscheidet man `lösbare` und `unlösbare` Verbindungen. Unlösbare Verbindungen wie Niet- und Schweißverbindungen können im Gegensatz zu den lösbaren Schraubverbindungen nur durch Zerstören gelöst werden. Nietverbindungen haben aus Kostengründen nur noch wenig Bedeutung.

Schraubverbindungen

In der DIN 18800-1 sind Rand- und Lochabstände sowie die Anordnung der Schrauben festgelegt. In Kraftrichtung dürfen maximal 6 Schrauben hintereinander angeordnet werden. Um die Montage zu erleichtern sollten aber mindestens 2 Schrauben gewählt werden. Bei einigen Stahlkonstruktionen sind nur Schrauben mit einer bestimmten Festigkeit zugelassen. Für Schraubverbindungen sind rechnerische Nachweise (z.B. für das Abscheren) zu führen.

  • Schraubenarten
    • Rohe Schrauben (R)
    • Passschrauben (P)
    • Hochfeste Schrauben (HR)
    • Hochfeste Passschrauben (HP)
  • Festigkeitsklassen
    • 4.6, Zugfestigkeit 400 N/mm², R und P Schrauben
    • 5.6, Zugfestigkeit 500 N/mm², R und P Schrauben
    • 10.9, Zugfestigkeit 1000 N/mm², HR und HP Schrauben
  • Schraubenverbindungstypen
    • SL-Verbindung: Scher-Lochleibungsverbindung mit Lochspiel
      • Die SL-Verbindung ist eine Standard Verbindungsart. Hier sind alle Schraubenarten und Festigkeitsklassen zugelassen. Das Bohrloch darf 2 mm mehr betragen als der Schaftdurchmesser der Schraube. Die Differenz zwischen den beiden Maßen ist das Lochspiel. Ein großes Lochspiel vereinfacht die Montage und senkt die Kosten ist aber auch verformungsanfällig. Wird diese Verbindung belastet, wird der Schraubenschaft an die Bohrlochwandung gedrückt. Dabei entsteht ein Lochleibungsdruck. Die Schraube wird dabei Scherkräften ausgesetzt. Es gibt ein-, zwei- und mehrschnittige Verbindungen.
    • SLP-Verbindung: Scher-Lochleibungsverbindung ohne Lochspiel
      • In der SLP-Verbindung werden nur Passschrauben eingesetzt. Das Bohrloch darf nur 0,3 mm größer sein als der Schaft der Schraube. Da das Bohrloch erst vor der Montage auf die richtige Größe getrieben wird, sind die Montagekosten bei dieser Verbindungsart erheblich. Hier wird die Schraube senkrecht zu ihrer Achse beansprucht. Da die Schraube ohne Lochspiel im Bohrloch sitzt, ist der Lochleibungsdruck höher als bei SL-Verbindungen. Durch die hohen Montagekosten werden SLP-Verbindungen nur in Sonderfällen eingesetzt.
    • GV-Verbindung: Gleitfeste, vorgespannte Verbindung mit Lochspiel
      • Bei der GV-Verbindung dürfen nur hochfeste Schrauben eingesetzt werden. Das Bohrloch darf 2 mm (3 mm bei verminderter anliegender Kraft) größer als der Schraubenschaft sein. In den SL- und SLP-Verbindungen werden die Schrauben auf Abscheren und das Anschlussmaterial auf Lochleibung beansprucht. Die GV-Verbindung hingegen überträgt entstehende Kräfte über die Reibung der Kontaktflächen. Die Schrauben werden mit Drehmoment vorgespannt. Die Kontaktflächen der Anschlussbauteile sind im Vorfeld zu behandeln, z.B. durch Sandstrahlen oder Flammstrahlen. Wenn Kräfte senkrecht und parallel zur Schraubenachse abgetragen werden, ist die GV-Verbindung der SL-Verbindung vorzuziehen.
    • GVP-Verbindung: Gleitfeste, vorgespannte Verbindung ohne Lochspiel
      • Hier dürfen nur hochfeste Passschrauben verwendet werden. Der Bohrlochdurchmesser darf nur 0,3 mm größer sein als der Schraubenschaft. Das Bohrloch muss erst auf seine endgültige Größe aufgetrieben werden. Die Schraube wird in Achsrichtung vorgespannt und die Kraftübertragung erfolgt über Reibung an den Kontaktflächen. Wegen des geringen Lochspiels wird auch Kraft über die Lochleibung übertragen. Mit dieser Art der Verbindung kann am meisten Kraft übertragen werden. Die GVP-Verbindung ist nur in Sonderfällen auszuführen, da das Auftreiben der Bohrlöcher und das Vorbehandeln der Kontaktflächen (wie auch bei der GV-Verbindung) die Montagekosten erhöhen. Sinnvoll ist die Verbindung, wenn große Kräfte angeschlossen werden müssen und die Verformung gering gehalten werden soll.
    • Z-Verbindung: Zugfeste Verbindung ohne Vorspannung
      • Hier sind alle Schrauben zugelassen. Da die Schraube in Achsrichtung belastet wird, verlängert sich der Schraubenschaft. Dadurch kommt es zu einer klaffenden Fuge zwischen den Anschlussbauteilen. Es kann auch eine Kombination mit SL- oder SLP-Verbindungen eingesetzt werden. Die Z-Verbindung wird bspw. bei der Verankerung von Stützen eingesetzt.
    • ZV-Verbindung: Zugfeste Verbindung mit planmäßiger Vorspannung
      • Für die planmäßig vorgespannte Verbindung sind nur hochfeste Schrauben zugelassen. Auch hier verlängert sich der Schraubenschaft bei der Zugbelastung in Achsrichtung der Schraube und die Klemmkraft lässt nach. Die Verbindung wird benutzt, wenn auftretende Zugkräfte hoch sind und Formänderungen gering gehalten werden müssen. Zum Beispiel bei biegesteifen Stößen mit Stirnplatte.

Schweißverbindungen

Die unlösbaren Schweißverbindungen sind für die Werkstattfertigung besonders geeignet. Wenn eine Konstruktion Verbunden werden soll, erfolgt das in der Werkstatt mit Schweißverbindungen und in der Endmontage mit Schraubenverbindungen auf der Baustelle. Auch Schweißnähte sind - wie die Schraubverbindungen - rechnerisch nachzuweisen. Schweißlehrgänge kann man auch ohne Ausbildung bspw. bei der IHK belegen.

Schweißverfahren

  • Pressschweißen
    • Die zu verbindenden Werkstücke werden erwärmt, bis sie teigig werden und durch zusammenpressen verschweißt werden. Dieses Verfahren ist ungeeignet für kraftschlüssige Verbindungen.
  • Schmelzschweißen
    • Verfahren hier sind das Lichtbogenschweißen, das Schutzgasschweißen oder das Unterpulver-Schweißen. Die Werkstücke werden bis in den flüssigen Zustand erwärmt und durch Schweißmaterial verschweißt. Diese Verbindung ist nach dem Abkühlen kraftschlüssig und tragfähig.

Schweißnahtausbildung

  • Stumpfnähte
    • Wenn zwei Werkstücke in einer Ebene liegend stumpf gestoßen werden, werden sie mit einer Stumpfnaht verbunden. Die Nähte müssen durch Brennschneiden, Fräsen oder Schleifen vorbereitet werden. Nahtformen sind die I-, U-, V-, X-, Y-Naht.
  • Kehlnähte
    • Winklig zueinander stehende Werkstücke werden mit einer Kehlnaht verbunden. Diese Nähte werden in verschiedenen Lagen (Wurzel-, Füll-, und Decklagen) geschweißt. Je nach Form der Werkstücke unterscheidet man Hohl-, Flach-, Wölbnaht bzw. Doppelkehlnaht, Doppel HV-Naht, HV-Naht mit Klapplage, HY-Naht oder den Überlapp- und Eckstoß.

Stahlbaukonstruktion

Wie überall im Baubereich geht es in der Konstruktion um das Abtragen von Kräften. Wichtige Konstruktionselemente im Stahlbau sind Stützen, Vollwandträger, Verbundträger, Fachwerkträger, Rahmen und Verbände. Die einzelnen Elemente nehmen bestimmte Kräfte im Tragwerk auf. Stützen bspw. tragen vertikale Lasten ab und werden in der Regel nur druckbeansprucht. Die oft anspruchsvollen rechnerischen Nachweise über das Tragwerk führt ein Bauingenieur.





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