Wirtschaftliche Optimierung von Verbindungen durch die Wahl der richtigen Stahllegierung

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1 Wirtschaftliche Optimierung von Verbindungen durch die Wahl der richtigen Stahllegierung B. Lauber 1 Wirtschaftliche Optimierung von Verbindungen durch die Wahl der richtigen Stahllegierung Beat Lauber Lauber Ingenieure für Holzbau & Bauwerkserhalt CH-Luzern

2 2 Wirtschaftliche Optimierung von Verbindungen durch die Wahl der richtigen Stahllegierung B. Lauber 2. Internationale Holzbrückentage 12

3 Wirtschaftliche Optimierung von Verbindungen durch die Wahl der richtigen Stahllegierung B. Lauber 3 Wirtschaftliche Optimierung von Verbindungen durch die Wahl der richtigen Stahllegierung 1. Einleitung Im Innenbereich wird bei einer Schlitzblechverbindung oder einem Stützenfuss selten eine Stahllegierung eingesetzt. Doch sobald eine aggressive Umgebung vorhanden ist, kann man dem Korrosionsschutz auf verschiedene Arten begegnen. Als passiver Korrosionsschutz sind Beschichtungen, metallische Überzüge oder Kombinationen daraus bekannt. Der aktive Korrosionsschutz umfasst das Beeinflussen des Korrosionsvorgangs (Belastung verändern), konstruktive Massnahmen ähnlich wie auch im Holzbau oder die anforderungsgerechte Werkstoffauswahl. Auf diese Werkstoffwahl soll in den nachfolgenden Seiten eingegangen werden. 2. Werkstoffe Dieser Abschnitt befasst sich mit einer kurzen Einführung zum Werkstoff Stahl. Zudem werden einige Stahllegierungen mit ihren Eigenschaften erläutert Stahl Stahl ist ein metallischer Werkstoff, der hauptsächlich aus Eisen und höchstens 2% Kohlenstoff besteht. Dieser Stahl kann weiterverarbeitet werden zu weiteren Legierungen. Durch Zugabe von verschiedenen Elementen können die Werkstoffeigenschaften verändert und den Anforderungen angepasst werden. Die nachfolgende Abbildung zeigt die Unterteilung der Stahlgruppen. Darunter zeigt eine Tabelle einige Legierungselemente mit ihrer qualitativen Wirkung auf bestimmte Eigenschaften. Stahl Unlegiert Legiert Grundstähle 1.00 / 1.90 Qualitätsstähle / Edelstähle Qualitätsstähle / Edelstahl Abbildung 1: Einteilung verschiedener Stahlgruppen Eigenschaft C Si Mn Cr Al Ti Mo Ni V W Nb Festigkeit Streckgrenze Härte Verformungsvermögen Kaltverformbarkeit Schweissbarkeit Korrosionsbeständigkeit C Kohlenstoff Al Aluminium V Vanadium + Positiver Einfluss Si Silizium Ti Titan W Wolfram - Negativer Einfluss Mn Mangan Mo Molybdän Nb Niob Kein Einfluss Cr Chrom Ni Nickel

4 4 Wirtschaftliche Optimierung von Verbindungen durch die Wahl der richtigen Stahllegierung B. Lauber 2. Internationale Holzbrückentage Edelstahl Irrtümlicherweise wird Edelstahl als Synonym für rostfreien Stahl benutzt. Dies ist jedoch nicht ganz richtig. In der Abbildung ist ersichtlich, dass legierte wie auch unlegierte Edelstähle produziert werden. Dies sind Stähle mit besonders hoher Reinheit. Sie sind legiert in den Stahlgruppennummern und unlegiert in zu finden. Edelstähle weisen hohe Korrosionsbeständigkeiten und Festigkeiten auf. Sie sind ebenfalls gut schweissbar. Im Maschinen-, Nutzfahrzeug-, Möbelbau und in der Medizintechnik ist Edelstahl besonders häufig anzutreffen Nicht rostender Stahl Nicht rostender Stahl gehört zu der Gruppe der Edelstähle und ist mit rund 11 % Chrom legiert, er wird deshalb oft auch Chromstahl genannt. Dieses Metall bildet eine schützende Chromoxid-Schicht auf der Oberfläche und schützt den Werkstoff vor Korrosion und Säuren. Die nicht rostenden Stähle sind im Bereich der Werkstoffnummern 1.41 bis 1.45 angeordnet. Die Anwendungsgebiete umfassen Geschirr, Fahrzeugbau und Schrauben im Bauwesen Wetterfester Baustahl Diese Baustähle gehören in die Stahlgruppe 1.89 und werden als legierte Edelstähle bezeichnet, die zudem hochfest und schweissgeeignet sind. Die Legierung besteht aus % Chrom, % Kupfer und eventuell bis zu 0.15 % Phosphor. Diese geringen Legierungsanteile ermöglichen die Bildung einer kompakten, fest haftenden Rostschicht auf der bewitterten und unbehandelten Oberfläche. Diese schützt vor weiterer Korrosion und hat eine charakteristische Farbe. Bedingung für diese Deckschichtbildung ist, dass kein dauerfeuchtes Klima herrscht, das heisst die Konstruktion nicht mehr als 60% der Zeit feucht bleibt. Auch der Feucht-Trocken Zyklus muss eingehalten sein, da nach höchstens 8 Tagen die Konstruktion wieder getrocknet sein muss. Wenn diese Anforderungen nicht erfüllt sind, rostet er wie normaler Baustahl. Weitere Anwendungsgrenzen bilden ungenügender Abstand zum Erdreich (<1.0m), zu stehendem (<2.5m) und zu fliessendem Wasser (<3.0m). Wetterfester Baustahl ist unter verschiedenen Markennamen bekannt, wie zum Beispiel Allwesta von Salzgitter, CORTEN von Thyssen Krupp Stahl, Indaten von Arcelor und Docol von SSAB. Diese Stähle werden oft bei Brücken und für Fassaden eingesetzt. Abbildung 2: Langensand Strassenbrücke in Luzern aus wetterfestem Baustahl

5 Wirtschaftliche Optimierung von Verbindungen durch die Wahl der richtigen Stahllegierung B. Lauber 5 3. Kontaktkorrosion Die Kontaktkorrosion ist eine wichtige Eigenschaft von Metallen, die besonders beachtet werden muss. Beim Kontakt zweier Metalle mit unterschiedlichem elektrochemischem Potential besteht bei Anwesenheit eines Elektrolyts (meist Wasser) die Gefahr der elektrochemischen Beeinflussung der Korrosionsreaktion. Das bedeutet, dass das edlere Metall die Korrosion am unedleren Metall fördert, da ein schwacher Strom fliessen kann. Diesem Problem kann mit konsequenter Trennung der unterschiedlichen Metalle begegnet werden. Je nach Einsatzgebiet kann schon eine dünne Fettschicht zur Trennung reichen. In den häufigsten Fällen ist eine Trennung mittels Abstandhaltern zu empfehlen. Abbildung 3: Abstandhalter zwischen zwei Metallen 4. Spreuerbrücke Das Ingenieurbüro Lauber hat im Frühling 2011 die Gesamtsanierung der rund 450 Jahre alten Holzbrücke als Holzbauingenieur begleitet. Die Spreuerbrücke gehört zu den ältesten erhaltenen Brücken der Schweiz. Die Brücke, welche aus vier Brückenfeldern besteht, bestand ursprünglich aus zwei Brücken. Im Norden, von der Luzerner Altstadt her, verband der Mühlesteg die Stadt mit den Stadtmühlen. Dieser erste Steg entstand im 13. Jahrhundert. Im 14. Jahrhundert wurde der südliche Teil der Brücke errichtet. Dieser Brückenteil, welcher der Brücke heute ihren Namen gibt, die Spreuerbrücke, wurde 1408 erstmalig explizit im Zusammenhang mit der Stadtmauer erwähnt. Er war ursprünglich als Wehrgang gedacht, der den Befestigungsring um die Stadt schloss. Dies ist heute noch am höher liegenden unterwasserseitigen Brüstungsriegel erkennbar wurde die Brücke durch ein anhaltendes Hochwasser so stark beschädigt, dass ein Teil einstürzte / 69 wurden die drei südlichen Brückenfelder neu errichtet / 86 wurde das mittlere der südlichen Brückenfelder neu gebaut folgte schliesslich der Neubau des nördlichen Brückenfeldes. Abbildung 4: Spreuerbrücke in Luzern, Bogenbrücke und 3 Hängewerke (v.l.) saniert im Frühjahr 2011

6 6 Wirtschaftliche Optimierung von Verbindungen durch die Wahl der richtigen Stahllegierung B. Lauber 2. Internationale Holzbrückentage 12 Abbildung 5: zu verstärkender Strebenanschluss Anhand der verstärkten Strebenanschlüsse in den Hängewerken soll das Auswahlverfahren für den richtigen Werkstoff aufgezeigt werden. Es handelt sich um ein Schlitzblech mit einer Dicke von 12 mm. Die Dimension des Blechs beträgt rund 280 x 2000 mm, das die Verbindung und die Kraftumlagerung der Strebe und dem Zuggurt sicherstellt. Abbildung 6: Betrachtetes Schlitzblech für Strebenverstärkung 5. Auswahlkriterien Das vorgängig gezeigte Schlitzblech muss verschiedenen Anforderungen genügen. Dieses Kapitel beschreibt verschiedene Auswahlkriterien und begründet in den einzelnen Abschnitten, wie und warum das Blech eingeteilt wurde Klimabedingungen Metallische Werkstoffe in Verbindung mit Wettereinflüssen müssen besonders gut betrachtet werden. Da diese bekanntlich rosten oder genauer korrodieren können. Je nach Einsatzort und Exposition wirken verschiedene Bedingungen auf das Teil ein. Dazu

7 Wirtschaftliche Optimierung von Verbindungen durch die Wahl der richtigen Stahllegierung B. Lauber 7 zählen die Benetzung und Wasserfilmbildung durch Luftfeuchte, Nebel oder Regen. Feuchtigkeit ist eine Grundvoraussetzung für Korrosion. Durch erhöhte Temperaturen wie zum Beispiel Sonnenexposition spielen sich diese chemischen und physikalischen Vorgänge bekanntlich schneller ab. Bestimmte Stahlsorten setzen ein Verhältnis der Feucht- Trockenzyklen voraus. Das bedeutet dass eine bestimmte Zeit zwischen Befeuchtung und vollständiger Trocknung des Stahlteiles vorhanden sein muss. Beim wetterfesten Baustahl sind das rund 8 Tage Korrosivitätskategorien Je nach Einbauort wirken verschiedene Einflüsse auf das Stahlbauteil ein. Seien es Tauwasser, Streusalz, Regen oder Tierkot um nur einige zu nennen. Diese Einflüsse greifen die Metalle an und rufen Korrosion hervor. Die EN ISO teilt diese Umgebungsbedingungen in Kategorien von C1 bis C5 ein. Die untenstehende Tabelle zeigt diese Kategorien mit zugehörigen typischen Umgebungen innen und aussen. Typische Umgebungen Kategorie Aussen Innen C1 Unbedeutend Geheizte Räume C2 Gering Ländliche Gebiete, Vordächer, Ungeheizte Räume offene Hallen C3 Mässig Städtische Gebiete, Verunreinigungen Hohe Feuchte C4 Stark Starke Verunreinigungen Hohe Feuchte oder Luftverunreinigung C5-I Sehr stark Industrielle Bereiche, aggressive Starke Luftverunreinigung (Industrie) Atmosphäre C5-M Sehr stark (Meer) Belastung durch Meersalz Die Spreuerbrücke befindet sich in einem städtischen Gebiet und es muss mit mässigen Verunreinigungen der Atmosphäre gerechnet werden. Durch Spritzwasser und Nebel können höhere Luftfeuchten und Taubildungen auftreten. Deshalb wurden die sanierten Verbindungen in die Kategorie C3 eingeteilt Widerstandsklasse Eine einheitliche Bewertung des Korrosionswiderstands von Stählen ist leider nicht bekannt. Bestimmte Werkstoffe in den Stahlgruppen 1.40, 1.43, 1.44 und 1.45 bilden in diesem Fall aber eine Ausnahme. Dies umfasst rund zwei Duzend nicht rostende Stähle. Das Stahlbau Zentrum Schweiz beziffert in ihrer Publikation Konstruktionstabellen C5/05 diese mit Widerstandsklassen von gering (I) bis stark (IV). Die nachfolgende Tabelle zeigt einen Auszug daraus. Klasse Eignung I Gering In trockenen Innenräumen II Mässig Zugängliche Konstruktionen ohne Belastung durch Chloride und SO2 III Mittel Mässige Belastung durch Chloride und SO2 und unzugängliche Konstruktionen IV stark Hohe Belastung durch Chlor, Chloride und SO2 mit hoher Luftfeuchtigkeit Die Belastungen sind ähnlich wie für die Einteilung in die Korrosivitätskategorien. Das Schlitzblech der Strebenverbindung befindet sich im Bodenbereich und kann somit nur durch von Fussgängern eingetragenes Streusalz angegriffen werden. Die Luftfeuchtigkeit kann durch Nebel erhöht sein und Tierausscheidungen greifen die Verbindungsmittel zusätzlich an. Aus diesen Gründen müssen die Bleche wenn sie in nicht rostendem Stahl ausgeführt werden in die mittlere Widerstandsklasse III eingeteilt werden.

8 8 Wirtschaftliche Optimierung von Verbindungen durch die Wahl der richtigen Stahllegierung B. Lauber 2. Internationale Holzbrückentage Ästhetik Sobald ein Stahlteil sichtbar ist, wird sich die Frage des Aussehens stellen. Die verschiedenen Stahllegierungen unterscheiden sich teilweise beträchtlich. Ein wetterfester Baustahl wird innert weniger Monate von einer schützenden Rostschicht überzogen und verleiht ihm eine typische rostrote Oberfläche. Wenn eine dauerhaft metallisch glänzende Oberfläche gewünscht wird, ist ein nicht rostender Stahl die richtige Wahl. Es können auch viele Farben benutzt werden mit verschiedenen Beschichtungssystemen, die jedoch in diesem Thema der Werkstoffwahl nicht behandelt werden. Das Thema eines ansprechenden Aussehens ist sehr individuell und kann ein grosses Diskussionsthema sein oder werden. Die Sanierung der Verbindungen der Spreuerbrücke musste deshalb eingehend mit der Denkmalpflege besprochen werden. Sichtbare Stahlteile waren von vornherein unerwünscht, da Eingriffe in die bestehende Bausubstanz so klein wie möglich gehalten werden sollten. Im Rahmen der Verbindungsentwicklung stellten sich eingeschlitzte Stahlbleche mit Stabdübeln als gute Möglichkeit heraus. Diese Verbindungsart kann mit kleinem Aufwand sogar nicht sichtbar ausgeführt werden und konnte so allen Anforderungen gerecht werden Statik Ein weiteres Kriterium bilden die statischen Anforderungen. Der beste säurebeständige Stahl kann aus der engeren Wahl fallen, wenn er nicht geeignet ist, bestimmte Kräfte aufzunehmen. Auch die Robustheit gegen Spannungsrisskorrosion muss beachtet werden. Spannungsrisskorrosion entsteht, wenn ein Bauteil auf Zug belastet wird und ein korrosives Medium meist Chloride einwirkt Kosten und Verfügbarkeit Der Preis hängt unter anderem von der zu bestellenden Menge ab. Aber auch die Verfügbarkeit des Grundmaterials wie auch der Legierungselemente kann die Kosten für Verbindungen in die Höhe treiben, wenn es sich um Spezialware handelt. In verschiedenen Richtlinien wird bei Einsatz in einer korrosiven Umgebung ein Dickenzuschlag verlangt. Die Grösse bewegt sich im Bereich von 1 2 mm was zusätzlich zu einer gewissen Preissteigerung führt. Die Kosten sind nicht einfach zu erhalten, da nicht direkt von Richtpreisen gesprochen werden kann. Er muss oft projektspezifisch ermittelt werden. Die nachfolgende Tabelle zeigt die Einsatzgebiete in Umgebungsbedingungen C1 bis C5 von ausgewählten Stahllegierungen. Die Korrosivitätskategorie C5 kann nur durch eine Kombination von Stahl und Beschichtungssystemen sichergestellt werden. Einsatzgebiet WNr. Beschreibung, geläufiger Name C1 C2 C3 C4 C Allgemeiner Baustahl, unbehandelt (S235) X Baustahl, feuerverzinkt 2K-100 μm X X X X Nicht rostender Stahl, säurebeständig X X X Wetterfester Stahl (z.b. COR-TEN) X X X Nicht rostender Stahl, säurebeständig X X X X 6. Auswahl Praktisch alle Stahlteile, die bei der Spreuerbrücke verwendet wurden, sind entweder ganz im Holz oder durch Passteile aus Holz geschützt verbaut. Durch diese versteckte Montage konnten die ästhetischen Ansprüche problemlos erfüllt werden. Da die Brücke überdacht ist und die Seiten bis auf die halbe Höhe durch eine getäfelte Wand ebenfalls geschützt sind, muss nicht damit gerechnet werden, dass grössere Schneemengen auf die Gehfläche geraten. Eine grosse Chloridbelastung durch Streusalzeinsatz kann also ausgeschlossen werden. Der geringe Abstand vom fliessenden Wasser und die entstehende Gischt geben weitere Einschränkungen. Die wetterfesten Baustähle sind für dieses Einsatzgebiet nicht geeignet, da ein Mindestabstand von 3 Metern zu fliessendem Wasser

9 Wirtschaftliche Optimierung von Verbindungen durch die Wahl der richtigen Stahllegierung B. Lauber 9 eingehalten werden muss. Die Bauteile sind regelmässig Sonnenstrahlung ausgesetzt und durch die entstehende Wärme können sie wieder gut austrocknen. Dauerfeuchtigkeit kann so beim grössten Teil der Brücke ausgeschlossen werden. Die genannten Einschränkungen ermöglichten noch die Wahl von 2-3 verschiedenen Stahllegierungen. Aus diesen Gründen wurde der rostfreie Stahl mit der Werkstoffnummer gewählt für die Sanierung der Spreuerbrücke. 7. Zusammenfassung In diesem Beitrag wurde die Auswahl der Stahllegierung aufgezeigt, die für die Sanierung der Spreuerbrücke zum Einsatz kam. Es ist sehr wichtig die Anforderungen an das Material frühzeitig genau zu kennen und zu definieren. Dies bezieht sich vor allem auf die Klimabedingungen. Je nach Beanspruchung der Bleche ergeben sich andere Auswahlmöglichkeiten, die durch diese Kriterien dezimiert werden. Sobald diese Beanspruchungen und Anforderungen festgelegt und die Liste an Auswahlmöglichkeiten reduziert sind, können in Zusammenarbeit mit dem Stahlwerk die Kosten der verbleibenden Legierungen untereinander verglichen werden und das wirtschaftlichste Angebot genutzt werden. 8. Literatur [1] Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein: Merkblatt 2022, Oberflächenschutz von Stahlkonstruktionen, 2003 [2] Stahlbau Zentrum Schweiz: Konstruktionstabellen C5/05, 2007 [3] Stahlbau Zentrum Schweiz: steeldoc 03/05, Wetterfester Stahl, 2005 [4] Nürnberger, Ulf: Ingenieurholzbau Karlsruher Tage 2008, Korrosionsverhalten der Baumetalle in der Atmosphäre und beim Kontakt mit Holz, 2008 [5] Stahl-Informations-Zentrum: Merkblatt 405, Korrosionsschutz von Stahlkonstruktionen durch Beschichtungssysteme, 2006 [6] ArcelorMittal: Edelstahl Rostfrei im Bauwesen, 2008 [7] DIN: DIN EN , Bezeichnungssysteme für Stähle Teil 2, 1992 [8] Gfeller, Balz: Werkstoffkundeskript Teil 4 Metalle, 2007 [9] Schweizerische Zentralstelle für Stahlbau: Oberflächenschutz von Stahlkonstruktionen, 1993 [10] Eidgenössische Materialprüfungsanstalt: Hallenbäder 15 Jahre nach Uster, 2000