Baustoff Stahl

Stahl besteht als Werkstoff vorwiegend aus Eisen. Die Produktion des beliebten Baustoffes übertrifft jene aller anderen metallischen Werkstoffe zusammen um das Zehnfache. Vorteile von Stahl sind seine gute Verarbeitungsfähigkeit, die Veränderung der Eigenschaften durch Legierungen und Wärmeeinfluss sowie seine hohe Festigkeit. Im Bauwesen werden zudem vor allem Steifheit und Bruchdehnung bei den gleichzeitig geringen Materialkosten geschätzt.

Herstellung von Stahl

Im Herstellungsprozess reinigt man das Roheisen durch die Zugabe von Sauerstoff und dem dadurch einsetzenden Verbrennungsprozess von unliebsamen Begleitelementen. Hierfür ist aktuell das Linz-Donawitz-Verfahren (LD-Verfahren) weltweit am weitesten verbreitet, bei dem das Roheisen in großen, schwenkbaren Behältern, den sogenannten Konvertern, zu Stahl wird. Entsprechend der Güteklassen nach EN 10020 unterscheidet man drei Typen:

  • unlegierter Stahl (auch Kohlenstoff- oder Carbonstahl genannt), der wiederum unterteilt wird nach Stoffen, die zur späteren Wärmebehandlung vorgesehen sind oder nicht,
  • nicht rostender Stahl mit einem vergleichsweise hohen Chromanteil,
  • andere legierte Stähle und Edelstähle.

Baustahl ist in der Regel der ersten oder dritten Gruppe zuzuordnen, wobei eine Differenzierung zwischen Bau- und Qualitätsstahl in der Regel inzwischen entfällt und vielmehr nach Verwendungszweck und Zusammensetzung unterschieden wird. So kommen unter anderem auch legierte Edelstähle als Baustahl zum Einsatz.

Besonders hochwertige Stahlsorten werden als Edelstähle bezeichnet, wobei dies umgangssprachlich oft mit einer Korrosionsfreiheit einhergeht, was physikalisch nicht korrekt ist und nicht auf alle Edelstähle zutrifft.

Physikalische Eigenschaften von Stahl

 

Stahl verfügt über eine hohe Dichte von 7,85-7,87 g/cm³ und somit auch über ein hohes Eigengewicht. Liegt der Schmelzpunkt von reinem Eisen noch bei 1.536°C, verringert sich dieser durch die Legierungselemente in der Regel bedeutend.

Stahl zeichnet sich durch eine hohe Festigkeit  zwischen 180 und 350 N/mm² und damit ein großes Kraftübertragungspotenzial aus, d. h. die auf den Querschnitt bezogene Kraft, die der Werkstoff ertragen kann, bevor er bricht oder reißt. Die Festigkeit nimmt dabei mit steigendem Anteil von Kohlenstoff und Legierungselementen zu, sodass hochfester Stahl eine Festigkeit von 1.000 N/mm² und mehr aufweisen kann.

Gleichzeitig gilt Stahl als weicher Werkstoff, der sich verformt, bevor er bricht und damit über hohe Sicherheitsreserven verfügt- womit er sich beispielsweise von Gusseisen unterscheidet. Der Härtegrad von Stahl variiert zwischen 80 und 940 HV.

 
Zusammengefasst gelten für Baustahl die folgenden Kennwerte:

Streckgrenze (Dehngrenze): 185–355 N/mm²

Zugfestigkeit: 340–510 N/mm²

Bruchdehnung: 18–26,1 %

Schubmodul: 81000 N/mm²

Querdehnzahl: 0,28

Rohdichte: 7856 kg/m³

Elastizitätsmodul: 215 kN/mm², auch: GPa (Giga Pascal)

Wärmeleitfähigkeit: 40 bis 68 W/(m·K)

Spez. Wärmekapazität: 0,46 bis 0,59 kJ/(kg·K)

Wärmespeicherzahl: 3811 kJ/(m³·K)

Wärmeausdehnungskoeffizient: 12 · 10⁻⁶/K

Dampfdiffusionswiderstandszahl: 5

Brennbarkeitsklasse: A1

 

 

Stahl im Bauwesen

Gewalzte Stahlträger, Bleche und Rohre werden im Stahlbau miteinander verschraubt, verschweißt oder genietet, wobei ein Knotenblech einzelne Elemente miteinander verbindet. Im Stahlverbundbau kommen Stahl-Beton-Kombinationen zum Einsatz. Im Stahl-Skelettbau beschränkt sich die Konstruktion auf tragende Stahlstützen und -träger, was erstmals 1796 umgesetzt wurde und sich in den USA vor allem bei den ersten Hochhäusern als beliebte Bauweise etabliert hat.

Im Bauwesen ist Stahl heute ein nicht mehr wegzudenkender Baustoff - ein Viertel des in Deutschland genutzten Stahls entfällt auf das Bauwesen, weitere 8 Prozent auf den Stahlbau. Als Bewehrung erhöhen Stahlelemente die Zugfestigkeit in tragenden Betonbauteilen (wobei Betonstahl per Definition nicht zu den Baustählen zählt), Stahlträger dienen als Wand- und Deckenstützen oder als Tragkonstruktionen für Anbauten oder Brücken. So gibt es weltweit zahlreiche berühmte Stahlbauten wie den Hauptbahnhof in Berlin, die Golden Gate Bridge ebenso wie die Sydney Harbor Bridge.

Technologische Eigenschaften von Baustahl

Baustahl zeichnet sich vor allem durch eine geringe Fließspannung - die Kraft, die aufgebracht werden muss, um den Baustoff umzuformen - und eine hohe Bruchdehnung aus. Je fester der Stahl ist, desto geringer ist dabei in der Regel die Bruchdehnung.

Daneben ist für das Baugewerbe die Zerspanbarkeit - die Eignung zur Bearbeitung durch Fräsen und Bohren - relevant. Die Güte ist hier abhängig von Kohlenstoffgehalt, Legierungselementen und dem Wärmebehandlungszustand: Führt die Bearbeitung von Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt zu Problemen hinsichtlich der Oberflächen, steigt deren Qualität mit dem Kohlenstoffgehalt an - gleichzeitig jedoch auch der Verschleiß der Werkzeuge.

Schließlich ist die Schweißneigung zu nennen. Diese ist vor allem bei unlegierten und niedrig legierten Baustählen gut - was zu deren großer Verbreitung im Baugewerbe beiträgt, da Schweißen eine kostengünstige Verbindungsform ist. Besonders gut geeignet ist hier Feinkornbaustahl, der sich neben dem feineren Korn durch eine höhere Streckgrenze auszeichnet.

Ästhetik

Durch den Einsatz von Stahl sind zahlreiche Konstruktionen überhaupt erst möglich, sodass der Baustoff das Bild der Architektur maßgeblich geprägt hat und schon im 19. Jahrhundert als Symbol des technischen Fortschritts galt. Ein berühmtes Beispiel ist hier der Pariser Eiffelturm, der 1889 anlässlich der Weltausstellung erbaut wurde und die Spitzenposition Frankreichs im industriellen Wettlauf symbolisierte.

Mit der steigenden Bedeutung des Stahls im Baugewerbe einher formierte sich der Stahlbau als spezielle Variante des Ingenieurbaus, bei dem Tragwerke aus Stahl im Fokus stehen. Diese punkten mit einem geringen Gewicht, da eine Stahlkonstruktion vergleichsweise hohe Lasten aufnehmen kann und damit besonders schlanke Konstruktionen möglich sind, die vor allem im Zusammenhang mit Glas stets modern wirken.

Eine Vielfalt an verschiedenen Oberflächenveredelungen bietet dabei auch für funktionale Gebäude individuelle Designs, die zum Unternehmen passen und ein repräsentatives Firmenbild abgeben.

Stahlbau vs. Massivbauweise

Vorteile des Stahlbaus sind dabei gegenüber der Massivbauweise kurze Planungs- und Bauzeiten durch einen hohen Vorfertigungsgrad und verkürzte Montagezeiten. Brand- und Korrosionsschutz schützen die Elemente dabei vor Hitze- und Feuchtigkeitseinwirkung.

Ein weiterer Vorteil von Stahl ist seine Recyclingfähigkeit. Nach dem Rückbau von Gebäuden lassen sich Bauelemente einfach wiederverwerten, was Stahl zu einem nachhaltigen Baustoff macht.

So amortisieren sich die etwas höheren Kosten im Stahlbau insgesamt durch die kürzere Bauphase, große Spannweiten und Baustrukturen, die eine flexible Innenraumgestaltung zulassen. Gleichzeitig ist die Bauweise durch variable Wand- und Dachkonstruktionen mit verschiedenen Dämmmaterialien nicht nur für einfache Lagerhallen sondern sogar Büro- und Verwaltungsgebäude geeignet.

Vorteile von Stahlbau

  • kosteneffizient bei gleichzeitig exakter Kalkulation
  • individuelle Maße für ein Höchstmaß an Flexibilität
  • zahlreiche Kombinationsmöglichkeiten mit Türen, Fenster und Toren erfüllen persönliche Ansprüche und Bedürfnisse
  • modernes Design
  • große Spannweiten ohne störende Stützen
  • verschiedene Wand- und Dachmaterialien für alle Hallenarten
  • Erweiterungsmöglichkeiten
  • kurze Bauzeiten
  • nachhaltiger Baustoff durch Recyclingfähigkeit ohne Qualitätsverluste
  • Umzug kompletter Hallen ist möglich
  • Produktionskontrollen garantieren Materialqualität

Als Nachteile lassen sich hingegen die Korrosionsanfälligkeit und der geringe Brandwiderstand nennen. Hierfür gibt es jedoch spezielle Legierungen, die die Stahleigenschaften dahingehend verbessern. So bietet der Stahlbau vor allem im Industrie- und Gewerbebau zahlreiche Vorteile gegenüber der Massivbauweise.

 

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