Atlas Moderner Stahlbau by DETAIL

Atlas Moderner Stahlbau

Edition â&#x2C6;&#x201A;

MATERIAL TRAGWERKSENTWURF NACHHALTIGKEIT

BOLLINGER GROHMANN FELDMANN

GIEBELER PFANNER ZEUMER

Autoren

Fachbeiträge:

Klaus Bollinger, Prof. Dr.-Ing. Professur für Tragkonstruktionen, Institut für Architektur, Universität für angewandte Kunst Wien

Francisco Cardoso, Prof. Eng. J. Michael Davies, Prof. Dr. Dr. FREng. Gerard O’Sullivan, FRICS, FICS, FIArb Francis Rambert, Direktor Institut Français d’Architecture (IFA) Philip A. Reed, IEng AMIStructE ASE Alexander Reichel, Prof. Dipl.-Ing. Architekt Christiane Sauer, Dipl.-Ing. Architektin Gerald Schnell, Dipl.-Ing. Llewellyn van Wyk, B. Arch., Architekt

Manfred Grohmann, Prof. Dipl.-Ing. Professur für Tragwerkslehre, Fachbereich Architektur, Universität Gesamthochschule Kassel Markus Feldmann, Prof. Dr.-Ing. Institut und Lehrstuhl für Stahlbau und Leichtmetallbau, RWTH Aachen Georg Giebeler, Prof. Dipl.-Ing. Architekt Fachgebiet Baukonstruktion, Hochschule Wismar Daniel Pfanner, Dr.-Ing. Bollinger + Grohmann Ingenieure, Frankfurt/M. Martin Zeumer, Dipl.-Ing. Fachgebiet Entwerfen und Energieeffizientes Bauen, TU Darmstadt

Fachliche Beratung: Christoph Radermacher, Dipl.-Ing./MBA, ArcelorMittal Koautoren: Tomà Berlanda, Ph. D.; Andrea Bruno, Architekt; Pierre Engel, Prof. Dr. Eng.; Arne Hofmann, Dipl.-Ing. Architekt; Federico M. Mazzolani, Prof. Dr. Eng.; Clemens Preisinger, Dipl.-Ing. Dr. techn.; Christoph Radermacher, Dipl.-Ing./MBA; Oliver Tessmann, Dr.-Ing. Architekt; Agnes Weilandt, Prof. Dr.-Ing.

Redaktion Redaktion und Lektorat: Steffi Lenzen, Dipl.-Ing. Architektin; Cornelia Hellstern, Dipl.-Ing.; Melanie Weber, Dipl.-Ing. Architektin; Redaktionelle Mitarbeit: Johanna Billhardt, Dipl.-Ing.; Carola Jacob-Ritz, M. A.; Sandra Leitte, Dipl.-Ing.; Roland Pawlitschko, Dipl.-Ing. Architekt; Eva Schönbrunner, Dipl.-Ing. Zeichnungen: Ralph Donhauser, Dipl.-Ing.; Martin Hämmel, Dipl.-Ing.; Simon Kramer, Dipl.-Ing.; Elisabeth Krammer, Dipl.-Ing; Dejanira Ornelas, Dipl.-Ing.

Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechts.

Herstellung /DTP: Simone Soesters Repro: Repro Ludwig Prepress & Multimedia GmbH, Zell am See (A) Druck und Bindung: Firmengruppe APPL, aprinta druck, Wemding

Die vorliegende Publikation basiert in Teilen auf der Übersetzung des Titels »featuring steel – resources, architecture, reflections«, der in Kooperation mit ArcelorMittal entstanden und 2009 in englischer Sprache beim Institut für internationale Architektur-Dokumentation erschienen ist.

ArcelorMittal S.A., 19, avenue de la Liberté, 2930 Luxembourg www.arcelormittal.com; www.constructalia.com

Inhalt

Impressum Vorwort

Teil A

Einführung

1 Stahl – zwischen Identität und Materialität Francis Rambert

Teil B

62 66 92 102

126

140 154

Gebaute Beispiele im Detail

Projektbeispiele 1 bis 27 Teil E

Grundlagen II

1 Stahl und Nachhaltigkeit Martin Zeumer, Llewellyn van Wyk, Francisco Cardoso 2 Stahl und Wirtschaft(lichkeit) Gerard O’Sullivan 3 Stahl in der Sanierung Georg Giebeler

Teil D

Grundlagen I

1 Konzipierung von Stahltragwerken Klaus Bollinger, Manfred Grohmann, Daniel Pfanner 2 Materialität Christiane Sauer 3 Stahl – Herstellung und Produkte Alexander Reichel, Gerald Schnell 4 Bauteile aus kaltgeformtem Stahl Philip A. Reed, J. Michael Davies 5 Tragverhalten und Ausbildung von Stahlbauten, Aspekte der Bauphysik Markus Feldmann

Teil C

4 6

165

Anhang

Verordnungen, Richtlinien, Normen Verbände Links Literatur Abbildungsnachweis Autoren Sachwortregister Personenregister

264 265 265 266 267 268 269 272

Vorwort

Eisen und Stahl haben die Architektur der vergangenen zwei Jahrhunderte geprägt wie kaum ein anderer Baustoff. Was wäre diese ohne den Londoner Kristallpalast, die großen Bahnhofshallen des 19. Jahrhunderts oder die frühen Hochhäuser und Wolkenkratzer in Amerika? Bis heute ist das Material nahezu unverzichtbar, wenn es darum geht, große Spannweiten zu überbrücken oder geometrisch komplexe Formen und Tragwerke zu realisieren. Doch auch beim alltäglichen Bauen gewinnt Stahl an Einfluss – und das nicht zuletzt aus Gründen der Ressourcenschonung, denn Stahl besteht heute bereits zu einem großen Prozentsatz aus recyceltem Material. Gleichzeitig eignet sich der Baustoff in besonderem Maß für vorgefertigte Konstruktionen, die am Ende ihrer Nutzung demontiert und andernorts komplett oder in Teilen wiederverwendet werden können. In der Reihe der Konstruktionsatlanten der Edition DETAIL nimmt deshalb auch der »Stahlbau Atlas« von Schulitz, Sobek, Habermann einen festen Platz ein. Neben einer ausführlichen geschichtlichen Einführung und einem umfassenden Grundlagenteil steht dort vor allem die Einheit von Entwurf und Konstruktion im klassischen Sinn im Mittelpunkt. Der vorliegende »Atlas Moderner Stahlbau« baut darauf auf und behandelt ganz bewusst jedoch auch Tragwerke mit freien Formen, wie sie heute immer häufiger anzutreffen sind, und bietet Einblicke in moderne Entwurfsmethodiken für Stahltragwerke. Die Publikation diskutiert ergänzend zum existierenden »Stahlbau Atlas« auch Themen wie Stahl und Nachhaltigkeit oder Wirtschaftlichkeit, das Material in Zusammenhang mit Bestand und Sanierung oder die ästhetischen Qualitäten seiner Oberflächen. Selbstverständlich werden auch im vorliegenden Band zunächst ausführlich die Grundlagen dargelegt, beginnend bei den Herstellungsprozessen über die Verarbeitung, präzise Materialbeschreibungen zu Halbzeugen, Optik und Haptik bis hin zur praxisbezogenen Anwendung.

Der ausführliche Projektbeispielteil ist geprägt von der Vielfalt an Bauaufgaben rund um den Globus, die vom kleinen Wohnhaus zum Stadion oder vom Ausstellungspavillon bis zum Hochhaus reicht – aber ganz bewusst auch von unterschiedlichen architektonischen und konstruktiven Haltungen. Der »Atlas Moderner Stahlbau« baut in Teilen auf dem Werk »Featuring Steel – Resources, Architecture, Reflections« auf, das die Edition DETAIL 2009 in Kooperation mit ArcelorMittal in englischer Sprache realisiert hat. Ebenso wie die anderen Bände aus der Reihe der Konstruktionsatlanten erhebt auch der vorliegende Atlas den Anspruch, ein umfassendes Lehrbuch und Nachschlagewerk für den aktuellen Stahlhochbau zu sein. Es wendet sich gleichfalls an den praktizierenden Architekten oder Ingenieur wie an den Studierenden und zeigt neben den Grundlagen und vertiefendem Wissen zu einzelnen Aspekten herausragende aktuelle Lösungen. Der besondere Dank von Redaktion und Verlag gilt allen, die zur Entstehung dieses Werks beigetragen haben, den Autoren, den Lektoren und nicht zuletzt auch den Herren Pierre Bourrier, Patrick Le Pense, Pierre Engel und Christoph Radermacher von ArcelorMittal, ohne deren Initiative und fachliche Begleitung das Werk nicht zustande gekommen wäre. Verlag und Redaktion im Juli 2011

Teil A

Einführung

Stahl – zwischen Identität und Materialität Großmaßstäbliche Projekte und Schaffung neuer »Territorien« Architektur als Skulptur Stadt als Landschaft Gebäudehüllen – offener Dialog zwischen innen und außen Architektur als Landmarke Neue Verbindungen Umgang mit der Vergangenheit Wolkeneffekt – mehr als nur Ästhetik

Abb. A

10 11 13 15 16 17 18 18 19

Appartementgebäude Passeig de Gràcia, Barcelona (E) 2009, Toyo Ito & Associates

Stahl – zwischen Identität und Materialität Francis Rambert

A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8

Guggenheim-Museum, Bilbao (E) 1997, Frank O. Gehry Mercedes-Benz Museum, Stuttgart (D) 2006, UNStudio Gas Natural Bürogebäude, Barcelona (E) 2008, Miralle/Tagliabue – EMBT Centre Pompidou, Paris (F) 1977, Studio Piano & Rogers Architects Terminal 3, Beijing Capital International Airport, Peking (CN) 2008, Foster + Partners Turning Torso, Malmö (S) 2005, Santiago Calatrava Hearst Tower, New York (USA) 2006, Foster + Partners Freitag Flagship Store, Zürich (CH) 2006, spillmann echsle

»L’image n’est pas tout« – Das Bild ist nicht alles, sagte der französische Philosoph Roland Barthes, und dennoch hat die Bildhaftigkeit einen festen Platz in unserer Welt erobert – und damit auch in der Architektur. Von Shanghai bis Dubai, in London oder Barcelona – »bildhafte Architektur« und »Architektur als Skulptur« finden sich inzwischen an vielen Orten. Das 1997 eröffnete Guggenheim-Museum in Bilbao prägte den Begriff der ikonischen Architektur (Abb. A 1). Das Bauwerk von Frank O. Gehry im Baskenland gilt als ein Meilenstein der Architektur der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts, ebenso wie das Centre Pompidou in Paris (Abb. A 4). Richard Rogers und Renzo Piano erdachten ein »Anti-Monument«, eine kulturelle Anlage, die seit 1977 durch Flexibilität besticht, während sich Frank O. Gehry weiterhin der Erkundung freier Formen widmet. Unter der Außenhaut aus Titan – der ersten weltweit – stellt das Stahltragwerk des Museums in Bilbao das Ergebnis eines weiteren Experiments dar: Bei der Gestaltung des Gebäudes wurde die ursprünglich für den Flugzeugbau entwickelte Software CATIA erstmals genutzt. Seit dieser Zeit ist die Vielzahl der Möglichkeiten, die der Einsatz von Computern mit den Optionen des »Morphing« und »Lofting« bietet, enorm gestiegen – Falten, Verdrehen, Spannen und die Realisierung von Verwindungen und Verzerrungen sind jetzt durchführbar. Das zeigen heute viele Hochhäuser durch ihre gewundenen Formen. Der Turning Torso, das von Santiago Calatrava entworfene Wohngebäude und Wahrzeichen der Stadt Malmö (Abb. A 6), oder die sich noch im Bau befindlichen Türme von Daniel Libeskind und Zaha Hadid in Mailand sind Beispiele für diesen Trend. Stahl hat Eisen als bevorzugten Baustoff bei vertikalen Herausforderungen abgelöst. Durch seine mechanischen Eigenschaften eignet sich das Material bestens für den Hochhausbau, auch weil mit dem Streben nach einer möglichst stromlinienförmigen Gestaltung die Suche nach immer schlankeren Designs einhergeht. Um den aktuellen Anforderungen an Nachhaltigkeit zu entsprechen, müssen Hochhäuser heute eine größere Grundfläche besit-

zen. Während in New York der Hearst Tower von Norman Foster den Umgang mit dem Bestand im großen Maßstab demonstriert (Abb. A 7), berücksichtigt der New York Times Tower von Renzo Piano (siehe S. 226ff.) sowohl die klimatischen Bedingungen als auch den städtischen Kontext. Das erste Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts zeichnet sich durch die Suche nach neuen Formen der Urbanisation und die Omnipräsenz architektonischer Ikonen aus, bei denen Stahl zum Teil sichtbar, zum Teil verborgen eingesetzt wird. Der Werkstoff bietet viele konstruktive Möglichkeiten: große Spannweiten, Höhen und Kragarme, Hängedächer, organische Formen und außenliegende Tragstrukturen. Das Zeitalter der Hightech-Architektur wie es das HSBC Hochhaus von Norman Foster in Hongkong und der gleichzeitig fertiggestellte Hauptsitz von Lloyd’s in London von Richard Rogers symbolisieren, erscheint heute vielleicht überholt. Jedoch ist der Ausdruck einer Unternehmenskultur durch expressive Architektur auch zu Beginn des 21. Jahrhunderts weiterhin typisch. Besonders die Markendarstellung, das sogenannte Branding, gewinnt an Bedeutung. Das zeigen Projekte z. B. von Herzog & de Meuron (Prada Epicenter in Tokio, Abb. A 19, S. 16), Foster + Partners (30 St Mary Axe in London, siehe S. 218ff.), Massimiliano Fuksas (Ferrari Forschungs- und Entwicklungszentrum in Maranello), UNStudio (Mercedes-Benz Museum in Stuttgart, Abb. A 2), Miralle/Tagliabue – EMBT (Gas Natural Bürogebäude in Barcelona, Abb. A 3), Coop Himmelb(l)au (BMW Welt in München, siehe S. 214ff.), OMA (CCTV in Peking, Abb. A 17, S. 15), Frank O. Gehry (Ciudad del Vino in Elciego) und schließlich der Flagship Store der Marke Freitag in Zürich – einem von spillmann echsle entworfenen Turm aus Containern, der den Recycling-Gedanken vollständig transportiert (Abb. A 8). Im öffentlichen Sektor wird ebenfalls deutlich, dass der Übertragung des Markenimages einer Stadt in eine sinnbildliche Architektur eine große Kraft innewohnt. Besonders überzeugend stellt Peking dieses »City Branding« mit dem Stadion von Herzog & de Meuron – dem »Vogelnest« mit beeindruckender Gitterstruktur

Stahl – zwischen Identität und Materialität

aus sich kreuzenden Stahlelementen (Abb. A 9 und A 10, S. 12) – unter Beweis. Das National Grand Theatre of China von Paul Andreu mit einem Stahltragwerk und der Außenhaut aus Titan ist ein weiteres Beispiel. In Europa soll diese Tendenz ihren Ausdruck zukünftig z. B. in der von Jean Nouvel entworfenen Philharmonie de Paris, im Projekt »Cloud« von Massimiliano Fuksas in Rom, im freitragenden »Musée des Confluences« in Lyon von Coop Himmelb(l)au oder im monumentalen Ring des Science Centre in Hamburg von UNStudio finden. All diese Projekte mit bildhaftem Charakter – bei denen Stahl eine wichtige Rolle spielt – führen zur Abkehr von Louis Henri Sullivans bekannter These »form follows function«. Heute folgt die Form eher der Ambition des Projekts. Abgesehen von der technischen Leistungsfähigkeit des Werkstoffs geht es beim Einsatz von Stahl um Stadtplanung und die Gestaltung einer modernen Stadtlandschaft.

Der Crystal Palace, dessen Länge von 1851 Fuß auf das Veranstaltungsjahr der ersten Weltausstellung in London verweist, war das erste große Gebäude aus Stahl. Heute dienen Bauwerke mit großen Abmessungen als Orte der Zusammenkunft der modernen Welt, wie z. B. Stadien, Drehkreuze des intermodalen Verkehrs und Handelszentren. Bahnhöfe und Flughäfen erfüllen komplexe Raumprogramme, die das Ende der Monofunktionalität zur Folge haben, zudem sind sie zu Einkaufszentren geworden. Auch bei Kulturstätten ist diese Art des Wandels festzustellen. Architekten greifen bei diesen großmaßstäblichen Bauaufgaben weiterhin auf Stahl zurück. Neben dem konstruktiven Grundgedanken ist dabei vor allem das Streben nach einem hohen Maß an Präzi-

sion ausschlaggebend, das erforderlich ist, um geometrische Vorgaben, die sich aus neuen Qualitätsprüfungen ergeben, zu erfüllen. Die Geometrie ist das allgegenwärtige Element in den Bauten von Dominique Perrault. In Berlin schafft der olympische Komplex seine eigene Geografie durch den riesigen begrünten Betonsockel mit der eingebetteten Schwimm- und Radsporthalle. Bei diesem Entwurf, der interessante räumliche Aspekte aufweist und minimalistische Züge trägt, setzt Perrault Stahl im Sinne eines ganzheitlichen Konzepts ein, in dem zwischen Tragwerk und Außenhaut eine vollständige Kohärenz herrscht. Bereits in seinen ersten Arbeiten (z. B. dem Unisor-Sacilor Konferenzzentrum in Saint Germain en Laye, Paris) nutzte Perrault Stahl für seine Konstruktionen. Seine jüngsten Projekte zeigen, wie sich große Abmessungen durch das Experimentieren mit den konstruktiven

Großmaßstäbliche Projekte und Schaffung neuer »Territorien«

Teil B

Abb. B

Nationalstadion in Peking (CN) 2008, Herzog & de Meuron mit Ai Weiwei

Grundlagen I

Konzipierung von Stahltragwerken Entwurfsrahmen Entwurfsprozess Tragwerkssysteme und -typologien Funktionen der Bauteile im Gebäude Computer in der Tragwerksplanung

22 22 29 36 45 54

Materialität Oberfläche Transparenz Formbarkeit

62 62 63 64

Stahl – Herstellung und Produkte Rohstahlproduktion Rohstahlverarbeitung – Umformen und Walzen Bandbeschichtungen – Korrosionsschutz vor der Verarbeitung Halbzeuge aus Flacherzeugnissen Halbzeuge – Warmwalzprofile Gewebe und Geflechte Verzinken, Anstriche und Lacke – Korrosionsschutz nach der Bearbeitung Spezialbeschichtungen und Oberflächenbehandlungen Bearbeiten und Fügen Bausysteme Stahllieferkette

66 66 71 74 75 78 81 82 84 86 89 90

Bauteile aus kaltgeformtem Stahl 92 Eigenschaften kaltgefomter Profile 92 Pfetten und Riegel 93 Tragwerkssysteme für niedrige Gebäude 95 Verkleidungssysteme 99 Verbindungen im Stahlleichtbau 100

Tragverhalten und Ausbildung von Stahlbauten, Aspekte der Bauphysik Grundlagen Werkstoffeigenschaften Elastisches und plastisches Verhalten von Profilen aus Stahl Stabilität Anschlüsse und Verbindungen Stahlverbundbau Schwingungen Stahlbauten unter Erdbebenbelastung Explosionseinwirkung Brandschutz im Stahlbau Korrosionsschutz Wärmeschutz Bauakustik und Schallschutz

102 102 103 105 107 108 113 114 115 116 118 119 121 122

Konzipierung von Stahltragwerken

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Faltwerk als weit gespannte Decke, Yokohama International Port Terminal, Yokohama (J) 2002, Foreign Office Architects flächenaktive Tragsysteme a Einfeldscheiben b einachsiges Faltwerk c einfach gekrümmte Schalen d hyperbolisches Paraboloid MyZeil, Frankfurt /M. (D) 2010, Massimiliano Fuksas, Schweißknoten, bestehend aus dicken Blechen, die mit Rechteckrohren verschweißt werden Expohalle, Hannover (D) 1997, Ackermann und Partner, Gussknoten mit angeschweißten Rundrohren Westfield, London (GB) 2008, Buchan Group International, Knoten mit verdeckter Schraubverbindung im Innern des Hohlprofils MyZeil, Frankfurt /M. (D), Isometrie des Schweißknotens Expohalle, Hannover (D), Isometrie des Gussknotens Westfield, London (GB), Isometrie des Schraubknotens

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Scheibentragwirkung. Wirkt die Kraft senkrecht zur Fläche spricht man von einer Platte mit Biegetragwirkung. Die Platte ist ein schnittaktives Tragsystem, das zum horizontalen Überspannen von Räumen genutzt wird (Abb. B 1.37). Scheiben Eine auf Zug belastete Scheibe kann Kräfte in einer oder zwei Achsrichtungen aufnehmen. Dabei entstehen ungleichmäßige Spannungsverteilungen innerhalb des Bauteils. Zugbeanspruchte Bleche finden sich in Kastenträgern oder als Stegbleche von Trägern. Häufiger eingesetzt wird jedoch die auch auf Druck belastete Scheibe, die mit Tragbalken verglichen werden kann. Allerdings liegen die Resultierende der Zugkräfte wie auch Nulllinie deutlich tiefer als beim Balken. Dabei nimmt der obere Teil der Scheibe in der Regel keine Druckkräfte auf, außerdem zeigt die Spannungsverteilung nicht mehr nur bogenförmige Linien, sondern auch einen beinahe vertikalen Kraftfluss zu den Auflagern. Wie bei linearen druckbeanspruchten Tragelementen gibt es auch bei druckbeanspruchten Scheiben Stabilitätsprobleme, da bei Überschreiten der kritischen Spannungen Beulversagen auftreten kann. Im Stahlbau wäre die Vergrößerung der Bauteildicke jedoch eine unwirtschaftliche Antwort auf dieses Problem. Stattdessen leisten netz- oder rippenförmig angeordnete aufgeschweißte Streifen den gewünschten statischen Effekt einer Erhöhung der Beulsteifigkeit. Ein interessanter Ansatz zur Erlangung zusätzlicher Stabilität, der gestalterische und tragwerksrelevante Aspekte vereint, ist das gezielte Falten von Blechen parallel zur Druckbeanspruchung. Diese in unterschiedlichsten Maßstäben verwendbare Technik vergrößert die statische Höhe eines Bauteils und kann den Widerspruch von Ornament und Funktion auflösen (Abb B 1.36). Well- oder Trapezbleche erfüllen die Stabilitätsanforderung auf vergleichbar profane Weise, jedoch nur in eine Richtung.

Rahmentragwerke Platten und Scheiben sind typische Bauteile aus dem Massivbau und erfahren im Stahlbau d

B 1.37

stets eine Auflösung in lokal differenzierte Bauteile, die den Materialverbrauch reduzieren und der Leistungsfähigkeit des Baustoffs Rechnung tragen. Der zweidimensionale Rahmen als Einheit von lastabtragenden Stützen und horizontal spannendem Träger erfüllt eine Vielzahl von Tragwerksfunktionen, die sich in Scheiben, Stützen und Trägern wiederfinden. Im Stahlbau werden Rahmen häufig für eingeschossige Hallen, aber auch für mehrgeschossige Konstruktionen verwendet. Der Tragwerksentwurf muss dabei den Rahmen und sein Verhalten als Gesamtsystem genauso behandeln wie das seiner einzelnen Elemente. Rahmen können mit einem, zwei oder drei Gelenken ausgeführt werden. Je mehr Gelenke ein Rahmen besitzt, umso größer ist die Möglichkeit der Verformung unter dem Einfluss der äußeren Kräfte. Gelenke können am Anschluss zwischen Stütze und Träger und /oder an den Fußpunkten der Stützen angeordnet werden. Jedes Gelenk verhindert die Weiterleitung von Momenten in das angeschlossene Bauteil. So befindet sich das maximale Moment des gelenkig angeschlossenen Trägers in der Mitte der überspannten Distanz. Gegebenenfalls für die horizontale Stabilität benötigte zugbeanspruchte Auskreuzungen innerhalb der Rahmenebene führen dann zu einem System, das jenem der Scheibe ähnelt. Diese Auskreuzungen behindern mitunter die Nutzung des eingeschlossenen Raums, der nun in Achsrichtung der Rahmen unterteilt ist. Die biegesteife Verbindung zwischen Stütze und Träger ermöglicht die Aufnahme horizontaler Lasten durch das Rahmensystem sowie eine Reduzierung der Trägerhöhe. Ein solcher Portalrahmen dient nicht nur dem vertikalen Lastabtrag, sondern auch der Aussteifung eines Gesamtsystems. Die dabei auftretenden Biegebeanspruchungen führen allerdings zu großen Stützenquerschnitten. Biegesteife Rahmen sind weniger tolerant gegenüber konstruktiven Ungenauigkeiten und thermischen Verformungen als gelenkige Systeme. Faltwerke Faltwerke kombinieren die Tragwirkung von Platte und Scheibe. Eine einfach gefaltete Platte stellt bereits eine Mischform von verschiedenen

Konzipierung von Stahltragwerken

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Tragmechanismen dar (Abb. B 1.37 b). Im Schnitt entsteht ein Fachwerk, wobei die Faltungen mit den Diagonalen in einem Fachwerkträger vergleichbar sind. Die obere Faltkante bildet ein neues Auflager, das die Spannweite der Platte verringert – die Platte spannt nun diagonal vom unteren Auflager zur oberen Faltung und erzielt durch diese Orientierung zur einwirkenden Kraft gleichzeitig eine Scheibentragwirkung. Einerseits führt die Faltung zu einer signifikanten Vergrößerung der Konstruktionshöhe, andererseits entstehen an den Auflagerpunkten aber auch Horizontalkräfte. Flächige Faltwerke werden im Stahlbau aus linearen Bauteilen – also vektoraktiven Systemen – zusammengesetzt. Blechbeplankungen tragen zur Scheibenwirkung bei und bilden eine durchgängig geschlossene Oberfläche (Abb. B 1.36) [4].

gewünschten Freiheitsgrade in einem Knoten bestimmt seine konstruktive Ausbildung. Ein gelenkiger Knoten erlaubt das Verdrehen um eine bestimmte Achse, sodass Biegebeanspruchungen nicht auftreten können. Ein horizontal verschiebliches Auflager kann thermische Verformungen aufnehmen und damit Zwängungen im System vermeiden. Solche statischen Anforderungen, aber auch fertigungstechnische Rahmenbedingungen haben einen großen Einfluss auf die Gestaltung eines Knotens. Natürlich hat auch ein als linear bezeichnetes Bauelement drei Dimensionen. An einem Knotenpunkt treffen also Profile aus verschiedenen Richtungen aufeinander, um dort miteinander verbunden zu werden. Rundrohrquerschnitte ermöglichen eine vergleichsweise einfache Fügung, komplexere Querschnitte hingegen erfordern häufig die Verwendung eines separaten Knotenbauteils. Der Knoten wird damit gestalterisch und technisch zu einem wichtigen Entwurfsthema. Knotenverbindungen treten an verschiedenen Punkten eines Tragwerks auf und werden je nach Materialeigenschaften, Gestaltungsanspruch und Lasten unterschiedlich gestaltet.

Knotenverbindungen

Alle dreidimensionalen, vektoraktiven Tragwerke erfordern das Verbinden von mehr als zwei Stabelementen, die aus drei Richtungen an einem Punkt aufeinandertreffen (Abb. B 1.38 – B 1.43). Aus tragwerksplanerischer Sicht besitzt das Ende eines linearen Elements sechs Freiheitsgrade: Drei Translationsfreiheitsgrade ermöglichen eine Positionsänderung in X-, Y- und Z-Richtung bei Lasteinwirkung. Hinzu kommen drei Rotationsfreiheitsgrade um die Achsen des kartesischen Koordinatensystems. Die Anzahl der

B 1.41

Auflager Auflagerpunkte lassen sich steif, gelenkig oder verschieblich ausbilden. Häufig erfolgt am Auflager auch ein Materialwechsel, z. B. trifft hier eine Stahlstütze auf eine Stahlbetonplatte. Zur Verteilung der punktuell eingeleiteten Last

B 1.42

B 1.40

kommen – parallel zum lastaufnehmenden Bauteil – Kopfplatten zum Einsatz, die über Verankerungspunkte gelenkig oder starr ausgebildet sind. In Abhängigkeit von ihrer Dicke und der Intensität der Auflagerreaktion kann die Kopfplatte durch zusätzliche Knotenbleche verstärkt werden. Ein gelenkiger Anschluss lässt sich auch oberhalb der Kopfplatte konstruktiv gestalten, um damit die Wirkungsweise des Tragwerks zu visualisieren. Stützenstoß Die Verbindung von zwei in einer Achse verlaufenden Stützen bezeichnet man als Stoß. Dieser lässt sich als Schweiß- oder Schraubverbindung ausführen. Großflächig aufeinanderliegende Stoßflächen können verschweißt werden (Kontaktstoß). Um die Stoßfugen zu überbrücken, kommen – alternativ oder zusätzlich – aber auch geschraubte Stahllaschen zum Einsatz. Eine weitere Möglichkeit ist das Verbinden zweier Stützen durch am Stützenende angeschweißte und miteinander verschraubte Stirnplatten. Ein Stützenstoß muss die durchgängige Lastabtragung sowie eine Formänderung ermöglichen und sollte am Ende der Stützenknicklänge positioniert werden. Ist dies nicht möglich oder treten neben Druck- auch Biegebeanspruchungen auf, ist ein Vollstoß auszuführen. Dieser Stoß ist konstruktiv in der Lage, alle in Steg und Flanschen auftretenden Kräfte vollständig zu übertragen.

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Materialität Christiane Sauer

B 2.1

Dank seiner Festigkeit, Präzision und industriellen Fertigungsmöglichkeiten avancierte Stahl Mitte des 19. Jahrhunderts zur Materialikone des Zeitalters der Industrialisierung. Als Baumaterial erlebte die hochwertige Eisen-Kohlenstoff-Legierung Anfang des 20. Jahrhunderts ihren Durchbruch. Architekten wie Mies van der Rohe und Jean Prouvé entwickelten eine dem Material entsprechende moderne Formensprache, die seine Eigenschaften und Verarbeitungsmöglichkeiten gestalterisch nutzt und zur Geltung bringt. Wie definiert sich Stahlästhetik heute? Welche neuen Technologien stehen zur Verfügung und prägen das Gestaltungsvokabular? Das Spektrum an Möglichkeiten zur Bearbeitung von Stahl – von der Strukturierung bis hin zur Farbgebung – ist enorm. Traditionelle Halbzeuge wie gewalzte Profile, Bleche, Bänder und Tafeln herrschen zwar noch immer vor, doch neue Materialformen wie Gewebe aus Stahldraht, dreidimensional verformte Bleche, Echtmetallfliesen oder hochfeste und zugleich leichte Metallschäume sowie Mikrosandwichplatten, wie sie im Automobilbau entwickelt werden, eröffnen neue architektonische Gestaltungsmöglichkeiten mit dem »traditionellen« Werkstoff.

Oberfläche

B 2.1

rostfreier Edelstahl mit spiegelpolierter Oberfläche, mit Fluidtechnik tiefgezogen B 2.2 wetterfester Baustahl während des Korrosionsprozesses, Kirche Santa Mónica, RivasVaciamadrid (E) 2009, VICENS+RAMOS B 2.3 mikrogelochte Oberfläche, tiefgezogen und weiß lackiert B 2.4 Echtmetallbeschichtung auf Holzuntergrund B 2.5 Möbeloberfläche aus gebeiztem und geöltem Stahl. Design: Face Design + Fabrication

Metalloberflächen zeichnen sich vor allem dadurch aus, dass sie hochwertig, langlebig und widerstandsfähig sind. Für große zusammenhängende Flächen im Außen- oder Innenbereich bieten sich Blechbahnen, Blechtafeln oder Paneelverkleidungen an. Hierbei beeinflusst die Größe der Elemente sowie die Art der Unterkonstruktion und Befestigung das Fugenbild. Paneele ergeben ein gerastertes Fugenbild, während Blechbahnen an den Längsseiten mit Falzen verbunden werden und so eine streifenartige Optik erzeugen. Im Innenraum lassen sich homogene Metallflächen auch durch Metallfliesen erzeugen. Von großen Abmessungen für Wand und Boden bis hin zu kleinformatigen Mosaikfliesen, die sich auch frei geformten Untergründen optimal anpassen, sind hier unterschiedlichste Produkte auf dem Markt, die eine edle Atmosphäre mit industrieller Anmu-

tung kombinieren und wie herkömmliche Keramik- oder Glasfliesen zu verlegen sind. Doch Stahl kann auch als flüssiger Werkstoff aufgetragen werden. Besonders zur Beschichtung komplexer, kleinteiliger oder gerundeter Untergründe aus Holz, Keramik oder Kunststoff eignen sich Echtmetallpartikel (Abb. B 2.4). Diese werden mit einer geringen Menge Bindemittel gemischt, durch einen Sprühvorgang aufgebracht und lassen sich anschließend zu unterschiedlichen Glanzgraden polieren oder schleifen. Da es sich um echte Metallpigmente handelt, bildet die Oberfläche mit der Zeit auch eine entsprechende Patina. Diese Art der Beschichtung eignet sich jedoch nur für Möbelobjekte oder Wandflächen im Innenraum. Für stärkere Beanspruchung stehen begeh- und befahrbare metallische Beschichtungen aus Kunstharz mit eingestreuten Edelstahlpartikeln zur Verfügung. Das Material ist dauerhaft abriebfest und auch für Außenanwendungen geeignet, die Oberflächenrauheit lässt sich auf den Einsatzbereich abstimmen. Die technischen Eigenschaften des Werkstoffs Stahl werden bereits bei der Herstellung festgelegt. Durch unterschiedliche Legierungen entstehen über tausend verschiedene Stahlsorten (siehe Legierungselemente, S. 68f.). Edelstahl beispielsweise wird mit Chrom versetzt und bildet dadurch an der Oberfläche eine chromreiche Oxidschicht, die sogenannte Passivschicht, die sich bei mechanischen Beschädigungen unter dem Einfluss von Sauerstoff spontan neu bildet und das Metall dauerhaft vor Korrosion schützt (siehe Nicht rostender Stahl, S. 69f.). Edelstahl eignet sich daher besonders für Anwendungen im Außenbereich, etwa als Fassadenverkleidung oder für Bereiche, die dauerhaft Feuchtigkeit ausgesetzt sind, beispielsweise Bäder. Selbst Schwimmbecken können als wasserdichte Konstruktion bei gleichzeitig haltbarer und hochwertiger Fertigoberfläche komplett aus Edelstahl geschweißt werden. Edelstahl ist gut zu reinigen und sehr widerstandsfähig. Korrosionsschutz ist bei Stahloberflächen stets ein zentrales Thema. Neben Edelstahl als korrosionsbeständiger Legierung bietet wetterfester Baustahl mit seiner intensiven rostroten

Materialität

Farbigkeit eine gestalterisch interessante Alternative vor allem für frei bewitterte Fassaden (siehe Legierungsbildung von wetterfesten Stählen, S. 69). Das Rohmaterial bildet im eingebauten Zustand eine fest haftende Rostschicht aus, die als Sperrschicht gegen weitere Korrosion fungiert und das Material langfristig witterungsbeständig macht (Abb. B 2.2). Zum Schutz angrenzender Bauteile gegen Verfärbungen sollte die ausgebildete Rostschicht mit einem transparenten Schutzlack versehen werden. Eine kostengünstige Alternative mit industriellem Charakter stellt das Verzinken der Oberfläche dar. Zink ist ein sehr witterungsbeständiges Metall. Gebräuchliche Verfahren sind das Feuerverzinken oder das galvanische Verzinken (siehe Metallische Bandbeschichtungen, S. 74f. und Feuerverzinken von Bauteilen, S. 83f.). Beim Feuerverzinken entsteht eine Schutzschicht mit der typischen stark kristallinen Optik (Abb. B 3.42, S. 83), bei der galvanischen Verzinkung ist die kristalline Struktur wesentlich feiner. Auch mit Säuren oder Laugen lässt sich Stahl korrosionsbeständig behandeln. Bei Verfahren wie dem Brünieren oder Beizen reagiert das Material chemisch und bildet eine korrosionsbeständige, leicht changierende schwarzbraune Patina an der Oberfläche. Die ursprüngliche Materialstruktur wird nicht abgedeckt, sondern behält ihre lebendige, natürlich wirkende Optik und sollte für einen dauerhaften Korrosionsschutz zusätzlich geölt oder gewachst werden (Abb. B 2.5). Stahloberflächen lassen sich – dem jeweiligen Einsatzzweck entsprechend – durch mechanische Verfahren auf vielfältige Weise optisch veredeln. Eine solche Veredelung beeinflusst neben dem Reflexionsgrad des Metalls auch seine Anfälligkeit für Verschmutzung und damit den Pflegebedarf sowie die Instandhaltungskosten. Spezielle optische oder haptische Strukturierungen sind durch abtragende Verfahren wie Schleifen, Bürsten, Strahlen oder Ätzen möglich. Bei geschliffenen Oberflächen hängt das Schleifbild von der verwendeten Korngröße und der Bewegungsrichtung ab. Durch zunehmend feinere Schleifmittel wird die Oberfläche poliert, und es entsteht eine homogene, hochglänzende Fläche. Mithilfe spezieller Textilien und Polituren lässt sich Edelstahl sogar spiegelnd polieren, sodass die Oberfläche ihre Umgebung reflektiert (Abb. B 2.1). Das Material kann in durch Vandalismus gefährdeten Bereichen als splitterfreier Ersatz für Spiegelglas Verwendung finden. Für eine fein mattierte, sehr edel anmutende Oberfläche eignet sich das Strahlen, bei dem ein Strahlmittel mit Druckluft auf die Oberfläche geblasen wird und die oberste Materialschicht gleichmäßig abträgt. Als Strahlmittel kommen verschiedene Materialien wie z. B. Edelstahloder Aluminiumgranulat, Keramik- oder Glasperlen zum Einsatz, die jeweils unterschiedliche Effekte erzielen. Auch chemisches Ätzen

trägt eine dünne Schicht des Materials ab und lässt eine mattierte Oberfläche entstehen. Durch partielles Abdecken ist es möglich, selektiv zu strahlen oder im Siebdruckverfahren partiell zu ätzen und so Bildmotive oder Grafiken auf die Oberflächen zu übertragen. Eine kaum reflektierende Oberfläche, die unempfindlich gegen sichtbare Kratzer, Flecken und Fingerabdrücke ist, entsteht durch sogenanntes Dessinieren. Hierbei strukturieren Musterwalzen ein Blech einseitig mit einer feinen Struktur. Durch Walzen von beiden Seiten wird die Struktur durchgeprägt, was zugleich versteifend wirkt und eine Reduzierung der eingesetzten Materialstärke ermöglicht. Zur farbigen Gestaltung von Metalloberflächen stehen verschiedene Verfahren wie das Nasslackieren oder das Pulverbeschichten zur Auswahl (Abb. B 2.3). Lackierungen sind mit verschiedenen Glanzgraden von stumpf bis hochglänzend möglich, ihre Aufbringung geschieht meist im Spritzverfahren. Beim Pulverbeschichten werden winzige farbige Kunststoffpartikel durch elektrostatische Aufladung mit der Stahloberfläche dauerhaft verbunden (siehe Pulverbeschichtungen, S. 85). Mittels Druckverfahren wie dem Digitaltransferdruck lassen sich individuelle Motive und Grafiken auf Stahl übertragen. Bedruckte Fassadentafeln sind derzeit in einer Länge von bis zu 6 m realisierbar. Eine intensive Farbigkeit kombiniert mit sehr guter mechanischer Resistenz entsteht durch Emaillierung (siehe Emaillierung, S. 85). Dabei wird das Metall mit einem glasartigen Überzug versehen, der sich bei hohen Temperaturen dauerhaft in die Oberfläche einbrennt. Eine Emaillierung ist extrem kratzfest, beständig gegenüber Säuren und Laugen und wirkt elektrisch isolierend. Die elektrolytische Färbung, die bei Edelstahl möglich ist, nutzt die Chromoxidoberflächenschicht des Materials zur Farbgebung. Dabei treten an dieser farblosen Schicht Interferenzeffekte auf, die je nach Dicke der Passivschicht als unterschiedliche Farbtöne wahrgenommen werden. Der große Vorteil hierbei ist die Beständigkeit der Färbung, die unter UV-Einfluss nicht ausbleichen kann, da sie keine Farbstoffe oder Pigmente enthält. Auch eine nachträgliche Umformung des Materials ist möglich, ohne dass die Farboberfläche dadurch beeinträchtigt wird. Der ursprüngliche Edelstahlcharakter und die Struktur der Oberfläche bleiben bei diesem Verfahren erhalten – von spiegelnd bis mattiert. Auf Edelstahl lassen sich durch die Beschichtung mit Titannitrid zudem golden getönte Oberflächen von hoher mechanischer Abriebfestigkeit herstellen.

B 2.2

B 2.3

B 2.4

Transparenz Stahl steht im Allgemeinen für Festigkeit und Präzision. Eine faszinierende neue Ambivalenz bekommt das Material durch semitransparente Oberflächen, die als Gewebe, Lochblech oder B 2.5

Stahl – Herstellung und Produkte Alexander Reichel, Gerald Schnell

B 3.1

Der Markt bietet eine Fülle von Stahlprodukten an, von denen im Bauwesen nur ein Teil zum Einsatz kommt. Um sich ein Bild über die zahllosen Nuancen der Stahleigenschaften, die Möglichkeiten des Werkstoffs, seine Grenzen sowie die Verfügbarkeit am Markt machen zu können, sind Kenntnisse der Stahlherstellung sowie der Herstellung von Stahlprodukten unabdingbar. Ausgangspunkt ist die Produktion von Roheisen und seine Weiterverarbeitung zu nutzbarem Eisen und Stahl. Dabei werden aus dem Rohmaterial entsprechende Halbzeuge bis hin zu Systemlösungen vorgestellt und deren Fügungen und Eigenschaften beschrieben. Die modularen und seriellen Normprodukte des Stahls werden heute durch digital erzeugte, individuelle Formen ergänzt. So können durch die Nutzung von CNC-Technologien maßgeschneiderte Lösungen realisiert werden, die sowohl individuell als auch kostengünstig sind.

Rohstahlproduktion Eisen ist eines der am häufigsten in der Erdkruste vorkommenden Elemente. Als unedles Metall liegt es allerdings nicht in Reinform vor, sondern üblicherweise als Eisenoxid, Eisencarbonat und Eisensulfid. Gesteine, die eine wirtschaftliche Gewinnung von Eisen erlauben, werden Eisenerz genannt. Sie weisen einen Eisengehalt von mehr als 20 % auf. Die meisten genutzten Eisenerze haben einen Eisengehalt zwischen 30 und 65 %. Der übrige Gesteinsanteil wird Gangart genannt. Der Hochofenprozess, Roheisen und Gusseisen

Im Hochofen (Abb. B 3.2) wird Eisenoxid mit aus Kohlenstoff gewonnenem Kohlenmonoxid zu Eisen reduziert. Bei dieser Reaktion oxidieren Kohlenstoff und Kohlenmonoxid teilweise zu Kohlendioxid (CO2). Der Hochofen wird oben mit einem Gemisch aus Erz und Koks, dem Möller, beschickt, während unten über Ringleitungen heiße Luft, der »Wind«, zugeführt wird. Koks ist Kohle, der durch Erhitzung unter Luftabschluss Bestandteile wie Teer, Benzol, Schwefel und Ammoniak entzogen wurden. Um die Luftzufuhr zum Erz zu gewährleisten,

werden Koks und Erz auf eine gleichmäßige Stückgröße zerkleinert und mit Kalk gesintert, d. h. zu einem Konglomerat »zusammengebacken«. Durch die richtige Vorbereitung des Möllers lässt sich der Reduktionsmittelverbrauch und damit auch der CO2-Ausstoß verringern. Alternativ zum Sintern kann das Erz in Form von Pellets, einem Granulat aus kleinen Kugeln mit ca. 10 –15 mm Durchmesser, geliefert werden. Der Kohlenstoff reagiert im unteren Bereich des Hochofens mit dem im Wind enthaltenen Sauerstoff und erzeugt heiße Gase mit Temperaturen von über 2000 °C, die zum Großteil aus Kohlenmonoxid und Stickstoff bestehen. Dieses heiße Gas, das über ein großes Reduktionspotenzial verfügt, steigt durch den Möller nach oben, heizt die von oben eingebrachten Feststoffe bis zur Schmelztemperatur auf und reduziert das Eisenoxid zu metallischem Eisen. Das während der Reduktion des Eisenoxids entstehende Kohlendioxid wird im unteren Bereich des Hochofens teilweise regeneriert, d. h. es reagiert mit dem molekularen Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid. Diese Reaktion wird als Boudouard-Reaktion bezeichnet. Der Prozess lässt sich wie folgt ausdrücken: 1. C + 0,5 O2 ∫ CO stark exotherme Reaktion von Kohlenstoff und Wind 2.1 3 Fe2O3 + CO ∫ 2 Fe3O4 + CO2 Reduktion von Hämatit zu Magnetit 2.2 x Fe3O4 + CO ∫ 3 FexO + (2x - 1) CO2 Reduktion von Magnetit zu Wüstit 2.3 FexO + CO ∫ x Fe + CO2 Reduktion von Wüstit zu metallischem Eisen 3. CO2 + C ∫ 2 CO Regeneration von Kohlenstoffdioxid (Boudouard-Reaktion) Die ersten beiden Schritte der Reduktion von Eisenerz (2.1, 2.2) finden vor allem im oberen Bereich des Ofens statt, während der letzte Schritt (2.3) im Wesentlichen im unteren Bereich des Hochofens erfolgt (Abb. B 3.3). Beide Kohlenstoffoxide treten am oberen Teil des Hochofenschachts als sogenanntes Gichtgas aus. Kohlenmonoxid ist brennbar und wird zum Vorwärmen in den Winderhitzern genutzt.

Stahl – Herstellung und Produkte

Beschickung Gichtgas

200°

Vorwärmzone indirekte Reduktion

B 3.2 B 3.3 B 3.4

400°

MöllerKoks-Säule

900°

Wasserkühlung Ringleitung Roheisenabstich

1400° Rast 1600° 2000° 1600° 1400°

B 3.1

Reduktionszone direkte Reduktion

Kohlungszone Schmelzzone B 3.5 B 3.6

B 3.2

B 3.3

Das Roheisen kann alle zwei bis vier Stunden im unteren Bereich des Hochofens abgestochen werden (Abb. B 3.5). Der dabei anfallende, als Schlacke bezeichnete Sekundärstoff entsteht aus dem Kalk des Möllers, der Gangart des Erzes und den anderen im Koks enthaltenen Elementen, hauptsächlich Kalziumund Siliziumoxide. Aufgrund ihres geringeren Gewichts schwimmt die Schlacke auf dem flüssigen Roheisen. Sie wird an einem höher liegenden Punkt abgestochen und dient vielen Industriezweigen als wertvolles Ausgangsmaterial, wie z. B. für die Zementherstellung (CEM III, sogenannte Hüttensandzemente) oder für den Straßenbau. In der Eisenherstellung hat die Schlacke die Aufgabe, einen Teil des durch den Koks eingebrachten und höchst unerwünschten Schwefels zu binden. Bezogen auf das Gewicht des erzeugten Roheisens fällt etwa ein Drittel Schlacke an. Ein Hochofen erreicht eine durchschnittliche Betriebsdauer von zehn bis fünfzehn Jahren, bevor die Ausmauerung aus Schamottsteinen erneuert werden muss. Ein moderner Hochofen produziert bis zu 20 000 t Roheisen pro Tag. Entsprechend große Mengen an Ausgangsstoffen und Reduktionsmittel sind täglich nötig. Aufgrund der anderen im Erz auftretenden Oxide ist das im Hochofen erzeugte Roheisen kein reines Eisen. Neben großen Mengen Kohlenstoff enthält es noch weitere unerwünschte Begleitelemente wie beispielsweise Silizium, Mangan, Phosphor und Schwefel. Der Kohlenstoffgehalt liegt bei ca. 3,5 – 4,7 %, weshalb Roheisen spröde ist, eine geringe Zugfestigkeit aufweist und bei ungleichmäßiger Erwärmung zur Rissbildung neigt. Es ist weder warm noch kalt verformbar.

sich bei frühen Gusseisenkonstruktionen zunutze machte. Typisch für diese Konstruktionen sind daher druckbeanspruchte Formen wie etwa Bögen. Für Biege- oder Zugbelastungen ist dieses Material jedoch nur sehr eingeschränkt geeignet. Gusseisen ist als Eisenlegierung mit einem Gehalt von mehr als 2 % Kohlenstoff als Hauptlegierungselement definiert und wird durch Umschmelzen von Roheisen unter Zugabe von Stahl- und Gussschrott erzeugt. Ein höherer Stahlanteil führt dabei zu einem geringeren Kohlenstoffgehalt. Der Schmelzpunkt des Gusseisens ist durch den höheren Kohlenstoffanteil niedrig, wodurch es gut vergießbar ist. Aufgrund seiner Sprödigkeit kann es jedoch nicht plastisch, z. B. durch Walzen, verformt werden – möglich sind ausschließlich Bearbeitungen durch spanende Verfahren. Die Eigenschaften von Gusseisen werden maßgeblich von der Form der Grafit-Einschlüsse bestimmt. Man unterscheidet grundsätzlich drei Arten von Gusseisen: Gusseisen mit Lamellengrafit (GJL), mit Kugelgrafit (GJS) sowie Temperguss (GJM). Gusseisen mit Lamellengrafit hat eingelagerte Grafitlamellen und entspricht dem historischen Gusseisen. Seine Vorteile sind eine durch die Gusshaut bedingte hohe Korrosionsbeständigkeit und niedrigere Kosten. Typisch für diesen Werkstoff ist seine geringe Zugfestigkeit. Temperguss hingegen kann durch seine flocken- bzw. kugelförmigen Grafiteinschlüsse Eigenschaften aufweisen, die mit jenen von Stahl vergleichbar sind. Zur Herstellung von Temperguss wird Grafit durch Wärmebehandlung (tempern) ausgeschieden. Einige Tempergussarten sind schweißgeeignet.

Verfahren zur Eisenherstellung gibt es seit der Antike. Eisen in größeren Mengen zu produzieren wurde jedoch erst möglich, nachdem Steinkohle im 18. Jahrhundert die vorher zur Verhüttung verwendete Holzkohle ablöste. Allerdings war das so entstandene Roheisen durch den Kohlenstoffgehalt nicht schmiedbar. Kohlenstoff wurde daher in Frischfeuern ausoxidiert, um schmiedbaren Stahl zu erzeugen. Die Druckfestigkeit von Roheisen ist sehr hoch – etwa 100-mal größer als bei Stein –, was man

Neben dem Hochofenprozess erlangt auch das Direktreduktionsverfahren bei der Eisenherstellung immer größere Bedeutung. Die gängigen Direktreduktionsverfahren, bei denen Erz im festen Zustand zu Roheisen reduziert wird, verwenden als Reduktionsmittel Wasserstoff und Kohlenmonoxid, die meist aus Erdgas gewonnen werden. Als Produkt erhält man »Eisenschwamm« (Direct Reduced Iron – DRI), der im Elektrolichtbogenofen zu Stahl weiterverarbeitet werden kann (Abb. B 3.4).

Eisenerzlager in Rotterdam. Eisenerze unterschiedlicher Herkunft weisen verschiedene Färbungen auf. Hochofen in einem Stahlwerk der Hochofenprozess Eisenschwamm (DRI – direct reduced iron): Die Reduktion von Eisenerz durch die Gase Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff ergibt ein schwammartiges Produkt mit großem Porenvolumen. Eisenschwamm wird im Elektrolichtbogenofen weiterverarbeitet. Da das Erz im festen Zustand reduziert wird, behält es die ursprüngliche Form (hier Pellets) bei. Abstich des Roheisens Schmelzen von Schrott im Elektrolichtbogenofen

B 3.4

B 3.5

B 3.6

Stahl – Herstellung und Produkte

Lochblechen sind Streckmetalle kostengünstiger. Gegenüber den Geweben haben sie noch den Vorteil der Eigenstabilität. Sie werden vor allem als luftdurchlässige Fassadenbekleidungen und als Sicht- und Sonnenschutzelemente, sowie als Geländerfüllungen und auch als gering belastete Roste und Treppenstufen eingesetzt.

Halbzeuge – Warmwalzprofile Insgesamt gibt es ca. 70 000 verschiedene Walzstahlerzeugnisse. Profile sind nach ihren Querschnitten genormt. Sonderprofile können in den meisten Fällen nur in großen Mengen wirtschaftlich hergestellt werden. Neben europäischen Profilreihen (Abb. B 3.33) sind Profile amerikanischer, britischer, japanischer und russischer Profilnormen die am weitesten verbreiteten Formen. Bei genormten Profilen treten trotz hoher Herstellungsgenauigkeit von den Normen zugelassene Toleranzen auf, was bei der Planung einzupassender Teile berücksichtigt werden sollte. B 3.31

B 3.32 B 3.33

Konstruktion aus geschweißten HEB-Profilen, Umnutzung eines Bergbau-Gebäudes in ein Bürgerhaus und Bergbaumuseum, Peißenberg (D) 2004, Reichel Architekten Konstruktion mit Lochstegträgern Überblick über gebräuchliche Standard-Stahlprofile nach europäischer Norm (Formen und Anwendungen, Abmessungen und Gewicht)

B 3.31

Offene Profile

Als Ausgangsmaterial für warmgewalzte Profile dienen vor allem sogenannte Knüppel, Vorblöcke oder Trägerrohlinge, die im Stranggussverfahren hergestellt werden, wobei der hierfür verwendete Flüssigstahl in erster Linie aus Elektrolichtbogenöfen stammt. Das Material kommt entweder direkt aus einer nahegelegenen Gießerei, um die Energiekosten zu reduzieren, oder aus einem Zwischenlager, um die Gieß- und Walzprozesse zu entkoppeln. Im Hubbalkenofen wird es auf eine Temperatur von ca. 1350 °C erhitzt. Die heißen Stahlblöcke werden anschließend durch mehrere Walzgerüste geführt, um dort ihre endgültige Form zu erhalten. Die Größe des Walzspalts im FertigstellungsWalzgerüst bestimmt die Abmessungen des Profils. Durch Variationen der Walzenabstände für Flansche und Stege können unterschiedliche Profiltypen einer Serie im selben Walzspalt gewalzt werden. Dadurch erklären sich auch die kleinen Unterschiede in den Abmessungen der HEA-, HEAA-, HEB- und HEM-Breitflanschträger beispielsweise der 300er-Reihe. Lediglich der HEB 300 verfügt über eine Höhe und Breite von exakt 300 mm, die abgeleiteten Profile weisen hingegen Flansch- und Stegdicken auf, die geringfügig von diesen Grundabmessungen abweichen. Nach dem Ablängen im warmen oder kalten Zustand und dem anschließenden Abkühlen werden die Träger gerichtet und ausgeliefert. Grundsätzlich können Breitflanschträger (HE) mit quadratischem Querschnitt zur Aufnahme großer Lasten als Stützen und Träger eingesetzt werden. Hierbei stehen die Bezeichnungen HEA oder HEAA für Profile leichter Ausführung, HEB bezeichnet die normale Reihe,

B 3.32

HEM die verstärkte. HD-Profile werden hauptsächlich als Stützen eingesetzt, HL-Profile mit besonders breiten Flanschen (ohne quadratischen Querschnitt) für hohe Biegebeanspruchungen und HP-Profile in erster Linie für Gründungen und Pfahlanwendungen. Zu beachten ist, dass nur bei der HEB-Reihe die tatsächliche Profilhöhe mit der Bezeichnung übereinstimmt. Normalprofile IPN und U/UPN entsprechen den IPE- und UPE-Profilen und haben geneigte Innenflansche, was für verschraubtes Konstruieren nachteilig ist. Sie sind kostengünstiger als Profile mit parallelen Flanschen, für Verschraubungen gibt es dabei spezielle konische Unterlegscheiben. Die schlanken IPE-Profile eignen sich vor allem für Biegebeanspruchungen, etwa als Träger. Bei Druckbelastung sind sie entlang ihrer schwächeren Achse knickgefährdet, weshalb sie eher selten als Stützen zum Einsatz kommen, insbesondere wenn es keine seitliche Stabilisierung gibt. U-Profile werden wegen ihres asymmetrischen Querschnitts meist paarweise angeordnet, während halbierte IPE-Profile als T-Profile Verwendung finden. Das größte genormte warmgewalzte Profil, das derzeit erhältlich ist, hat eine Profiltiefe von 1118 mm. Die Längen werden in erster Linie durch transportbedingte Faktoren begrenzt. Die üblichen Längen reichen in Schritten von je 2 m von 12 bis 18 m. Sofern die Bestellung ein Mindestgewicht übersteigt, bieten bestimmte Kataloge aber auch Sonderlängen von bis zu 33 m an. Auf Sonderbestellung sind sogar noch längere Produkte erhältlich. Aus den Profiltabellen gehen nicht nur die Abmessungen der Querschnitte hervor, sondern auch Informationen über das Gewicht (z. B. für Lastberechnungen und Kostenschätzungen) sowie über die Oberfläche in m2/m (etwa zur Berechnung der zu lackierenden Fläche). Ein weiterer querschnittsbezogener Parameter ist das U/A-Verhältnis – U bezeichnet dabei den erwärmten Umfang (also die bei einem Brand der Hitze ausgesetzte Fläche) und A die Querschnittsfläche des Profils. Ein kleiner U/A-Wert erlaubt Einsparungen bei den Lackierkosten und weist auf eine langsamere Erwärmung des gesamten Querschnitts im Brandfall hin. Warmgewalzte Profile dienen auch als Ausgangsmaterial für verschiedene hiervon abgeleitete Standardträger. So wird etwa für die Fertigung von Lochstegträgern das gewalzte Profil entlang des Stegs mit besonderer Schnittführung in zwei Hälften geschnitten, die dann in Längsrichtung zueinander verschoben wieder miteinander verschweißt werden. Ergebnis ist ein hoher Träger mit sechseckigen, runden oder auch linsenförmigen Öffnungen im Steg (Abb. B 3.32). Ein Lochstegträger weist im Vergleich zum ursprünglichen Trägerprofil beim gleichen Gewicht pro Meter eine deutlich höhere Steifigkeit und ca. die 1,5-fache Höhe

Stahl – Herstellung und Produkte

Bezeichnung

mind./max. Abmessungen (H x B)

Gewicht [kg/m]

Euronorm EN

6,0 kg/m 122,0 kg/m 5,9 kg/m 199,0 kg/m

EN 10 025-2: 2004 EN 10 025-4: 2004 EN 10 025-2: 2004 EN 10 225: 2001

Profile mit parallelen Flanschen • IPE I-Profile mit parallelen Innenflächen der Flansche • IPN I-Profile mit geneigten Innenflächen der Flansche

IPE

IPE 80 IPE 600 IPN 80 IPN 600

(80 ≈ 46 mm) (600 ≈ 220 mm) (80 ≈ 42 mm) (600 ≈ 215 mm)

IPE-Profile sind schlanke, leichtere Profile für geringe Lasten. Durch die begrenzte Flanschbreite besteht eine Knickneigung, daher werden sie hauptsächlich als Träger genutzt und sind als Streben oder Stützen weniger geeignet. Kommen häufig bei mehrgeschossigen Bauten zum Einsatz. Wegen der geneigten Innenflächen der Flansche werden bei diesen Profilen nur selten Schraubverbindungen genutzt. Sie sind im Allgemeinen geschweißt und können als Querträger wie z. B. Pfetten eingesetzt werden. Standardprofile sind günstiger als Profile mit parallelen Flanschen, finden heute jedoch nur selten Verwendung.

IPN

Breitflanschträger • HEA Breitflanschträger, leichte Ausführung • HEB Breitflanschträger, Normalausführung • HEM schwere Ausführung Breitflanschträger, schwere Ausführung • HD Breitflansch-Stützenprofile • HL Träger mit besonders breiten Flanschen und großen Höhen

HEA

HEB

HEM

HEA 100 HEA 1000 HEB 100 HEB 1000 HEM 100 HEM 1000 HD 260 HD 400 HL 920 HL 1100

(96 ≈ 100 mm) (990 ≈ 300 mm) (100 ≈ 100 mm) (1000 ≈ 300 mm) (120 ≈ 106 mm) (1008 ≈ 302 mm) (260 ≈ 260 mm) (399 ≈ 401 mm) (921 ≈ 420 mm) (1100 ≈ 400 mm)

16,7 kg/m 272,0 kg/m 20,4 kg/m 314,0 kg/m 41,8 kg/m 349,0 kg/m 93,0 kg/m 314,0 kg/m 387,0 kg/m 390,0 kg/m

EN 10 034 EN 10 034 EN 10 034 EN 10 025-2: 2004 EN 10 025-4: 2004 EN 10 025-2: 2004 EN 10 025-4: 2004

Breitflanschträger sind für hohe Traglasten (Stützen, Träger) angelegt. Die Flansche haben parallele Innenflächen und abgerundete Ecken. Durch die breiten Flansche weisen sie eine hohe Knickstabilität auf und sind daher geeignet zur Aufnahme von Querkräften. Sie haben einen kompakten, quadratischen Querschnitt, insbesondere die HD-Reihe. Achtung: Die Profilbezeichnung stimmt nur bei der HEB-Reihe exakt mit der Profilbreite überein, z. B. HEB 200. In der HEB-Reihe sind Höhe und Breite für die Profile von 100 bis 300 mm identisch; darüber bleibt die Breite konstant bei 300 mm.

Standardprofile (geneigte Innenflächen der Flansche) • U geneigte Innenflächen der Flansche • UPE parallele Innenflächen der Flansche • UPN geneigte Innenflächen der Flansche

U 40 U 65 UPE 80 UPE 400 UPN 50 UPN 400

(40 ≈ 20 mm) (65 ≈ 42 mm) (80 ≈ 50 mm) (400 ≈ 115 mm) (50 ≈ 38 mm) (400 ≈ 110 mm)

2,65 kg/m 7,09 kg/m 7,90 kg/m 72,20 kg/m 5,59 kg/m 71,80 kg/m

EN 10 025-2: 2004 EN 10 025-2: 2004 EN 10 025-2: 2004

Wegen der geneigten Innenflächen der Flansche werden diese Profile nur selten für Schraubverbindungen genutzt. Sie sind im Allgemeinen geschweißt und können als Querträger wie z. B. Pfetten eingesetzt werden. Standardprofile sind günstiger als Profile mit parallelen Flanschen, werden heute jedoch nur selten verwendet. U

UPE

UPN

Übersicht über gebräuchliche britische Profilreihen – Formen und Anwendungen, Abmessungen und Gewicht • UB Universalträger • UC Universalstützen • J I-Profile mit geneigten Innenflächen der Flansche

UB 127 ≈ 76 ≈ 13 UB 914 ≈ 419 ≈ 388 UC 152 ≈ 152 ≈ 23 UC 356 ≈ 406 ≈ 634 J 76 ≈ 76 ≈ 13 J 254 ≈ 114 ≈ 37

(127 ≈ 76 mm) (921 ≈ 420 mm) (152,4 ≈ 152,2 mm) (474,6 ≈ 424,0 mm) (76,2 ≈ 76,2 mm) (254 ≈ 114,3 mm)

13,0 kg/m 388,0 kg/m 23,0 kg/m 634,0 kg/m 12,8 kg/m 37,2 kg/m

EN 10 025-2: 2004 EN 10 025-4: 2004 EN 10 025-2: 2004 EN 10 225: 2001 EN 10 025-2: 2004 EN 10 025-2: 2004

Übersicht über gebräuchliche amerikanische Profilreihen – Formen und Anwendungen, Abmessungen und Gewicht S 75 ≈ 8,5 S 610 ≈ 180 W 100 ≈ 100 ≈ 19.3 W 1100 ≈ 400 ≈ 499 HP 200 ≈ 43 HP 360 ≈ 174

• S (metrisch) Standardträger • W Breitflanschträger • HP Breitflanschpfähle

(76 ≈ 59 mm) (622 ≈ 204 mm) (106 ≈ 103 mm) (1118 ≈ 405 mm) (200 ≈ 205 mm) (361 ≈ 378 mm)

8,5 kg/m 180,0 kg/m 19,3 kg/m 499,0 kg/m 43,0 kg/m 174,0 kg/m

A572/A709/A992 A572/A709/A992 A572/A709/A992 A913

HP B 3.33

Bauteile aus kaltgeformtem Stahl Philip A. Reed, J. Michael Davies

B 4.1

Im Stahlleichtbau kommen Stahlbauelemente mit relativ geringen Wandstärken zum Einsatz, die durch Kaltverformung hergestellt werden (siehe Kaltumformung, S. 73). Stahlblech in Form von Coils oder gespaltenen Coils bildet die Grundlage zur Fertigung kaltgeformter, dünnwandiger Bauteile (Abb. B 4.6 und Abb. B 3.21, S. 74). Diese lassen sich generell in flächige Profilbleche und axiale Tragwerksprofile klassifizieren.

Eigenschaften kaltgefomter Profile Tragwerksprofile werden gewöhnlich aus verzinktem Bandstahl hergestellt, Profiltafeln hingegen – sei es für die Gebäudehülle oder als Bestandteil des Tragwerks – aus verzinktem und zusätzlich organisch beschichtetem Bandstahl verschiedener Dicke. Bei der Fertigung dieser kaltgeformten oder kaltgewalzten Profile muss besonders darauf geachtet werden, dass die Beschichtung des Bandstahls nicht beschädigt wird. Entsprechend den ästhetischen und funktionalen Anforderungen sowie in Abhängigkeit des geforderten Finish und der Aggressivität der Umgebung kann aus der Vielzahl verfügbarer Beschichtungen die gewünschte gewählt werden (siehe Bandbeschichtungen – Korrosionsschutz vor der Verarbeitung, S. 74ff.) Herstellung

B 4.1

Stahlleichtbauskelett, Wohnhaus in Saint-Jean-deVédas (F) 2009, Frederic Jauvion B 4.2 fertiges Gebäude in Stahlleichtbauweise mit Holzverkleidung und Putz, Wohnhaus in SaintJean-de-Védas B 4.3 idealisierte Darstellung von lokalem Beulen und dem Prinzip der effektiven Breite eines seitlich gehaltenen druckbeanspruchten Blechs L Länge der Knickwelle σreal reale Spannung beff effektive Breite σeff äquivalente Ersatzspannung B 4.4 einfache kaltgeformte Z- und C-Profile B 4.5 a, b stark versteiftes Deckenprofil B 4.6 verzinkter Bandstahl

Das hier beschriebene Kaltverformen bezieht sich im Wesentlichen auf das Bearbeiten von flachem Stahlblech zu einer gewünschten Endform unter Einsatz kontinuierlicher Anlagensysteme, die das Stahlband durch eine Serie von verschiedenen Formwerkzeugen führen. Jeder Durchlauf der aufeinanderfolgenden Rollformwerkzeuge bewirkt eine schrittweise Verformung des Stahlblechs bis zum Erreichen der finalen Form. Dieser Prozess ist im Allgemeinen als Rollformen bekannt. Andere mechanische Formgebungsverfahren wie Pressen, Stanzen, Prägen, Ziehen oder Kanten können ebenfalls zur Herstellung eines gewünschten Profils verwendet werden. Jedoch ist deren Anwendung für gewöhnlich auf kleine, maßgeschneiderte Produktionsserien beschränkt und eher selten

in der Massenherstellung von Tragwerksprofilen und Profilblechen zu finden. Konstruktive Eigenschaften

Kaltgeformte Profilbleche können eine Dicke von 0,63 mm bis zu üblicherweise 1,50 mm aufweisen, kaltgeformte Tragwerksprofile von ca. 1,00 mm bis maximal 4,00 mm. Die üblichen Streckgrenzen liegen mit fy = 280 N/mm2 bis fy = 350 N/mm2 für Profilbleche und fy = 280 N/mm2 bis fy = 390 N/mm2 für Tragwerksprofile normalerweise in einem vergleichbaren Rahmen wie bei warmgewalzten Profilen. Für besondere Anwendungen sind auch einige extrem hochfeste Stahlgüten erhältlich. Allerdings sind dann wegen begrenzter Möglichkeiten im Prozess der Kaltverformung nur reduzierte Blechdicken einsetzbar. Beulen und Knicken

Aufgrund der geringen Materialstärken sind kaltgeformte Elemente wesentlich anfälliger für alle Arten des Knickens oder Beulens als entsprechende warmgewalzte Profile. Dieser Umstand ist insbesondere während des Planungsprozesses und bei der Bemessung von großer Bedeutung. Mehr oder weniger spezifisch für solche Profile ist das lokale Beulen flacher Querschnittsbereiche der Elemente, die durch eine Reihe von Knickwellen gekennzeichnet ist (Abb. B 4.3, siehe Örtliche Stabilität, S. 107f.). Lokales Beulen kann schon bei relativ geringen Beanspruchungen auftreten. Für eine wirtschaftliche Bemessung ist es daher im Allgemeinen notwendig, eine Auslegung für den überkritischen Zustand (»gebeult«) zu wählen. Dies führt zu den Konzepten der »wirksamen Breite« und des »wirksamen Querschnitts«, bei denen die überkritischen Querschnittsbereiche nicht mehr zur Lastabtragung angesetzt werden und die verbleibende, reduzierte Breite mit einer gleichmäßig verteilten, effektiven Spannung beaufschlagt wird. Bei der Wahl von Profilen mit einem großen Verhältnis von Breite zu Blechdicke kann es daher unter großen Verkehrslasten zu lokalen Beuleffekten kommen, die Planer in der Gesamtbeurteilung entsprechend berücksichtigen sollten. Das Einwalzen von Zwischenaussteifungen in Form einer Sicke oder eines Versatzes unter-

Bauteile aus kaltgeformtem Stahl

tatsächliche Verteilung der Beanspruchung

vereinfachte äquivalente Beanspruchung

beff b beff σreal

σreal

B 4.2

bindet lokales Beulen im Steg oder im Flansch eines Stahlleichtbauelements. Sie verzögern zu vernachlässigbar geringen Kosten den Beginn des lokalen Beulens und steigern so die Tragfähigkeit des Profils. Profiltypen

Typische, relativ einfache kaltgeformte Profile, die vielfältig eingesetzt werden, sind C- und Z-Profile (Abb. B 4.4). Die Lippen verstärken die Flansche gegen vorzeitiges Knicken respektive Beulen ungefähr auf die gleiche Weise wie die oben erwähnten Sicken und Versätze. Aufgrund seiner Bedeutung im Stahlleichtbau ist das lippenverstärkte C-Profil in der Regel in vielen verschiedenen Versionen ab Lager erhältlich. Weiterentwicklungen des ursprünglichen C-Profils und der Z-Profile sind in Form von Pfetten und Riegeln Gegenstand einer Massenfertigung für einen spezialisierten Markt. Die großen Produktionsmengen rechtfertigen die teureren Werkzeuge, die erforderlich sind, um die für die Optimierung der Auslegung notwendigen zusätzlichen Lippen und Sicken einzuwalzen. C-Profile mit einfacher Lippe bilden häufig die Wandstützen bzw. die -pfosten einer Leichtbauwand. Eine neuerliche Entwicklung ist das Einbringen von kurzen, versetzten Schlitzen in den Steg während des Walzprozesses, um das thermische Verhalten des Profils zu verbessern und Wärmebrücken in diesem Bereich der Wand zu reduzieren.

σeff

B 4.3

Als besondere Form des lippenverstärkten C-Profils besitzen Kassettenprofile einen breiten, versteiften Untergurt und versteifte Stege, die mit ein- oder auskragenden Lippen versehen sind. Kombiniert mit einem Verkleidungsprofil können sie eine zweischalige Wand- oder Dachkonstruktion bilden (siehe Lastabtragende Konstruktionen aus Kassettenprofilen, S. 96f.). Profile für Dach- und Wandverkleidungen sowie für Deckenkonstruktionen haben sich von ursprünglich einfachen Trapezformen zu immer komplexeren Querschnitten weiterentwickelt. Tragschalenprofile für Dächer mit großen Spannweiten werden meist sowohl an den Flanschen als auch am Steg durch entsprechende Profilierung gegen Ausbeulen versteift (Abb. B 4.5 a). Quer verlaufende Prägungen des breiten Obergurts bewirken zusätzliche Versteifungen (Abb. B 4.5 b). Hochregalsysteme und andere Systeme für die Paletten- und Massenlagerung sind ein weiterer Bereich, in dem kaltgeformte Profile in großem Umfang zum Einsatz kommen. Neben der Funktion als Regale, sind sie meist direkter Bestandteil des Tragwerks. Die typische Regalstütze hat einen sehr spezifischen Querschnitt mit speziell angeordneten Löchern, die mithilfe von Klemmverbindungen den fast beliebigen Anschluss von Querträgern und Traversen aus kaltgeformten Profilen ermöglichen. Wie bei all diesen Beispielen wird die Stütze auch hier zusammen mit den Löchern in einem einzigen, kontinuierlichen Walz- bzw. Arbeits-

vorgang geformt und auf Länge geschnitten. Wie sich herausgestellt hat, können kaltgeformte Profile häufig dann optimale Leistung entwickeln, wenn sie mit anderen Materialien oder Komponenten interagieren.

Pfetten und Riegel Pfetten und Riegel stellen die häufigste Einsatzart kaltgeformter Profile dar; in vielen Ländern sind warmgewalzte Pfetten praktisch unbekannt. Demzufolge haben heutige Pfettenkonstruktionen ein relativ hohes Niveau erreicht und sind überaus wettbewerbsfähig. Die folgenden Beschreibungen für Pfetten gelten auch für Riegel. Pfetten sind in der Regel lineare Lastabtragungselemente von Dachkonstruktionen, wohingegen Riegel meist in Wandaufbauten auftreten. Pfetten werden als Linienauflager für beliebige Verkleidungen genutzt, wobei sie deren flächige Lasten in eine punktförminge Lastabtragung überführen. Dabei sichert die Verkleidung die Pfette sowohl gegen das Kippen als auch gegen das Biegedrillknicken. Für eine wirtschaftliche Pfettenkonstruktion ist es daher erforderlich, die Vorteile der Interaktion zwischen der Pfette und der zu unterstützenden Verkleidung oder anderen zu stützenden Bauteilen auszunutzen. Hierbei ist die Vielzahl verschiedener Verkleidungssysteme zu berücksichtigen, die alle ein unterschiedliches Maß

B 4.4

B 4.5

B 4.6

Tragverhalten und Ausbildung von Stahlbauten, Aspekte der Bauphysik Markus Feldmann

B 5.1

Bei Entwurf und Bemessung moderner Bauwerke aus Stahl ist technischen Aspekten und Anforderungen Beachtung zu schenken, die unterschiedlich stark in verschiedene ingenieur- und naturwissenschaftliche Bereiche hineinreichen.

Grundlagen Die in der Planung angesprochenen Disziplinen erstrecken sich von den Bereichen Statik, Material und Fertigung über Fragen der Gebrauchstauglichkeit, Bauphysik, Komfort und Behaglichkeit bis hin zu Sondergebieten wie z. B. die Auslegung gegen Erdbeben oder Explosionen. Die besonderen Eigenschaften von Baustahl wie Festigkeit, Zähigkeit, Robustheit oder auch seine Möglichkeiten der Gestaltfindung erlauben es, für viele Bauaufgaben architektonischtechnisch optimierte und eigenständige Stahlbaulösungen zu finden. B 5.1 B 5.2

B 5.3

B 5.4

B 5.5

102

Skulptur »Orbit«, London (GB) im Bau, Anish Kapoor, Cecil Balmond Sicherheitsbeiwerte γ und Kombinationsbeiwerte ψ für verschiedene permanente und veränderliche Einwirkungen sowie für Tragfähigkeiten (Widerstände) von Querschnitten, Bauteilen und Anschlüssen Verlauf des Biegemoments M, der Querkraft V und der Normalkraft N in einem abgewinkelten, eingespannten Balken unter vertikaler Gleichlast pv und horizontaler Einzellast PH. Zu erkennen sind auch die inneren Kräfte und Momente (Schnittgrößen) nach (gedanklichem) Aufschneiden an der Einspannstelle sowie die Auflagerreaktionen MA, HA und NA Stockwerkrahmen als Rahmensystem mit zugehörigen Biege- und Momentenlinien (links) sowie als ausgesteifte Träger-Stützen-Konstruktion mit Durchlaufträgern (rechts) mit Auswahl an Normalkraft-, Biege- und Verformungsverläufen w Windlast s Schneelast g Eigengewicht v Verkehrslast δ Verformung M Moment N Normalkraft ebenes Fachwerk mit dazwischen auflagernden Nebenträgern (links) sowie räumliches Fachwerk mit gleicher Haupttragwirkung sowohl in x- als auch in y-Richtung (rechts)

Grundlagen der Bemessung

Belastungen wie Eigengewicht, Wind- und Schnee- oder Verkehrslasten erzeugen in den einzelnen Elementen von Bauwerken Beanspruchungen (E) in Form von inneren Kräften und Momenten, den sogenannten Schnittgrößen (Abb. B 5.3). Alle Kräfte und Momente, die an einem Baukörper angreifen (Belastungen und Auflagerreaktionen), müssen im Gleichgewicht stehen (äußeres Gleichgewicht). Gleiches gilt für die inneren Schnittgrößen und die Belastungen der am Schnitt getrennten Teilsysteme (inneres Gleichgewicht). Das Gleichgewicht wird erreicht, wenn alle anzutragenden Kräfte und Momente in der Summe null ergeben, z. B. für ebene Systeme (Gleichgewichtsbedingungen):

kein inneres Gleichgewicht, das Bauteil versagt. Es ist somit die Grundanforderung zu erheben, dass die Beanspruchungen (Einwirkungen) kleiner sein müssen als die Beanspruchbarkeiten (Widerstände), jeweils für Biegung, Normalkraft und Querkraft: E ≤1 R Grundprinzip jeder Bemessung ist also, die Einwirkungen E infolge der verschiedenen Belastungen und die Widerstände R aufgrund der Bauteil-, Querschnitts- und Baustoffwahl abzuschätzen und miteinander zu vergleichen. Hierzu müssen charakteristische Größen der Einwirkung Ek und des Widerstands Rk zur Berücksichtigung von Unwägbarkeiten um einen Teilsicherheitsbeiwert entweder erhöht (γE für die Einwirkungen) oder erniedrigt werden (γM für die Widerstände). Damit definiert sich das Bemessungsniveau (Abb. B 5.2) für Einwirkung und Widerstand: Ed γ E = E k ≤1 Rk Rd

γM Es sind so verschiedene Belastungsszenarien auf ein Bauwerk zu untersuchen, bei denen das Eigengewicht ständig, die veränderlichen Belastungen jedoch entweder einzeln oder kombiniert auftreten können (Abb. B 5.4). Sind mehrere veränderliche Belastungen gleichzeitig zu berücksichtigen, können die Sicherheitsbeiwerte wegen geringerer Auftretenswahrscheinlichkeit durch Kombinationsbeiwerte ψ mit ψ < 1 von γE zu ψ ∙ γE abgemindert werden. Außergewöhnliche Belastungen wie beispielsweise Erdbeben, Anprall etc. werden in der Regel ohne Sicherheitsbeiwerte gerechnet. Ebenso finden sie bei der Berechnung der zu erwartenden Verformungen δ keine Berücksichtigung.

∑ H = 0, ∑ V = 0 und ∑ M = 0 Tragwerksentwurf

H horizontale Kräfte V vertikale Kräfte M Momente Überschreiten die Beanspruchungen E die Beanspruchbarkeit R des Bauteils, so besteht

Tragwerke werden entsprechend der angestrebten Funktion, Architektur, Bauweise, Montageart und Wirtschaftlichkeit bemessen und konstruiert. Dabei ist zu beachten, dass Bauwerke große räumliche Gebilde sind. Ganze Bauwerksabschnitte oder einzelne Bauteile

Tragverhalten und Ausbildung von Stahlbauten, Aspekte der Bauphysik

Art

γE

Eigengewicht

1,35

veränderlich Verkehr

1,50

Schnee

1,50

Wind

1,50

Einwir- permanent kungen E

Widerstände R

γM

pvb2 2

pv hR

M h

1,00 (1,10)

Anschlüsse

1,25

pvb sin α

≤ 1,00

Bauteile und Querschnitte

pvb cos α

PH·h+pvb 2

V M

p vb

s g

können auf zwei unterschiedliche Arten entworfen werden: Entweder sie lassen sich nach Zerlegung in Haupt- und Nebenstrukturen als ebene Systeme behandeln oder sie müssen als räumliche Struktur betrachtet werden (Abb. B 5.5). Für die einzelnen Baugruppen (Decken-, Träger-, Stützen-, Rahmensysteme) ist ferner das Konzept der Lastabtragung festzulegen, was sich in der Ausbildung der Träger (Biegequerschnitt, Verbundquerschnitt, Fachwerk etc.) der Lagerungen, der Stützen- und Fußanschlüsse (gelenkig oder eingespannt, Abb. B 5.6, S. 104), der Spannrichtung, der Aussteifungssysteme etc. äußert (Abb. B 5.4). Diese Randbedingungen sind bei der Zerlegung in Einzelbauteile zu berücksichtigen, sie sind maßgebend für die anschließende Bemessung und Konstruktion.

v g

B 5.3

s g

v g

h1 b1

δw

δg

s v

Werkstoffeigenschaften Stahl unterscheidet sich von Eisen (Fe) durch Hinzugabe des Legierungselements Kohlenstoff (C) in Höhe von bis ca. 2 %. Baustähle weisen Kohlenstoffgehalte von ca. 0,2 % sowie weitere Legierungselemente wie beispielsweise Mangan (Mn) auf. Sie werden hauptsächlich über ihre Festigkeiten charakterisiert. Weitere Eigenschaften, die die Einsatzfähigkeit von Baustählen im Bauwesen beschreiben, resultieren aus den Sicherheits- und Herstellungsanforderungen. Neben der Festigkeit kennzeichnen die Elastizität, Duktilität, Zähigkeit und die Verarbeitbarkeit den Baustoff. Hier liegt ein großer Vorteil von Baustahl, der im Vergleich zu anderen Baustoffen in diesen Eigenschaften wesentlich höhere Werte erreicht. Dies begründet seinen hohen Stellenwert im Bauwesen. Die Erfassung der einzelnen Eigenschaften erfolgt anhand von standardmäßigen Prüfungen an Kleinproben. Festigkeit, Elastizität und Duktilität werden mit dem einachsigen Zugversuch, die Zähigkeit mit dem Kerbschlagbiegeversuch und die Verarbeitbarkeit mithilfe der chemischen Analyse geprüft. Im Folgenden werden die Begriffe einschließlich ihrer Kleinprobenversuche erläutert.

B 5.2

B 5.4

y x

B 5.5

103

Teil C

Abb. C

Grundlagen II

Stahl und Nachhaltigkeit Entwicklung einer materialbezogenen Nachhaltigkeitsbetrachtung Beeinflussung der Nachhaltigkeit im Lebenszyklus von Metallen

126 127 131

Stahl und Wirtschaft(lichkeit) 140 Entwicklung der wirtschaftlichen 140 Bedeutung des Baustoffs Stahl Die globale Betrachtung – Lebenszykluskosten (Life Cycle Costs – LCC) 141 Lebenszykluskosten – Kostenzuweisung einschließlich Kostenplanung 143 Lebenszykluskosten – Stahlskelette und Stahlprodukte 146 Wirtschaftlichkeit von Stahl als Baumaterial 151

Stahl in der Sanierung Sanierung von historischen Eisen- und Stahlkonstruktionen Sanierungen mit Stahl

154 154 161

Dokumentationszentrum in Hinzert (D) 2005, Wandel Hoefer Lorch + Hirsch

125

Stahl und Nachhaltigkeit Martin Zeumer, Llewellyn van Wyk, Francisco Cardoso

C 1.1

Nachhaltige Entwicklung ist als wichtiges gesellschaftliches Ziel mittlerweile anerkannt. Und gerade das Bauwesen nimmt in diesem Zusammenhang eine bedeutende Rolle ein, wie die vielfältigen Möglichkeiten der Effizienzsteigerung sowohl im Bau als auch im Betrieb sowie die Reduzierung von Emissionen und Ressourcenverbrauch für Gebäude zeigen. Derzeit ist der Baubereich für erhebliche Umweltwirkungen verantwortlich [1]: • 50 % der globalen Ressourcennutzung • 45 % des globalen Verbrauchs der erzeugten Energie für die Beheizung, Beleuchtung und Belüftung von Gebäuden sowie 5 % für die Errichtung von Gebäuden • 40 % des globalen Wasserverbrauchs • 60 % des Verlusts von Ackerland • Nutzung von 70 % des globalen Holzertrags

C 1.1

C 1.2 C 1.3

126

IBA Dock, CO2-neutrales, schwimmendes Containerhaus aus Stahl, Hamburg (D) 2010, Slawik Architekten schematische Darstellung von beispielhaften Wertschöpfungsketten bei Stahl ausgewählte Ereignisse bezüglich Energieeffizienz und Nachhaltigkeit, die das weltweite Bewusstsein weckten, und ihr Bezug zur Bauindustrie

Diese Zahlen belegen, dass gerade das Bauwesen Strategien zum Klimaschutz und zur Anpassung an den Klimawandel benötigt. Dabei steht besonders die Reduktion der Energiebedarfe und CO2-Emissionen von Gebäuden im Fokus. Deutschland strebt z. B. bis 2020 eine Reduzierung des Wärmebedarfs um 20 % und bis 2050 eine Minderung des Primärenergiebedarfs von ca. 80 % an. Damit soll im Jahr 2050 der deutsche Gebäudebestand nahezu klimaneutral sein [2]. Wie in Europa werden sich in fast allen Nationen die Anforderungen an Energieeffizienz und Nachhaltigkeit weiter verschärfen. Entsprechend der Zielsetzung der »European Energy Performance of Buildings Directive« (EPBD) ist für die Zukunft anzunehmen, dass Neubauten über eine Zeitspanne von 50 Jahren in Mitteleuropa etwa soviel Energie im Betrieb wie in der Herstellung verbrauchen werden. Neubauten in wachsenden Gesellschaften weisen zurzeit aber noch einen Energiebedarf für einen 60-jährigen Betrieb auf, der in der Regel um den Faktor 4 –10 über dem ihrer Herstellung liegt (Abb. C 1.4, S. 128). Auf Materialebene werden bei Stahl spezifische Zusammenhänge deutlich, die bei der Bewältigung des Klimawandels entstehen. Denn Stahl ist ein Werkstoff, der sowohl für hochindustrialisierte Gesellschaften als auch für aufkommende Schwellenländer einen wichtigen Baustein in der Entwicklung darstellt. Durch den

globalen Stahlhandel – von Rohstoffen bis zu Fertigprodukten – stehen gesellschaftliche Entwicklungen weltweit im direkten Zusammenhang. Als Bilanz aus Import und Export waren z. B. im Jahr 2007 China (54 Mio. t), die GUSStaaten (50 Mio. t) und Japan (31 Mio. t) weltweit die größten Nettoexporteure. Die EU, die nordamerikanische NAFTA sowie der Nahe und Mittlere Osten zählten mit je 20 – 30 Mio. t hingegen zu den Nettoimporteuren. Hier verzeichnet insbesondere die EU einen Anstieg der Importe und damit einer internationalen Abhängigkeit [3]. In der deutschen Außenhandelsbilanz lag 2009 hingegen die Ausfuhr von Stahlerzeugnissen 8 % höher als die Einfuhr [4]. Entlang der sich global entwickelnden Wertschöpfungskette erzwingt Stahl neben einem ressourcenschonenden Umgang vor Ort auch eine Berücksichtigung der dadurch möglicherweise in anderen Ländern entstehenden Einflüsse (Abb. C 1.2). Damit sich auch in weniger entwickelten Ländern in Zukunft das Verhältnis von Herstellungs- und Betriebsenergie in Richtung der Herstellungsenergie verschieben kann, dürfen gerade die breitgefächerten und vielschichtig greifenden Aspekte der Nachhaltigkeit nicht außer Acht gelassen, sondern müssen durch Planer und Industrie schon heute für eine langfristige Nutzung angelegt werden. Der erste Teil des Beitrags versucht hierzu, die Anforderungen auf Materialebene unter Nachhaltigkeitsgesichtspunkten darzustellen. Metalle zeigen dabei beispielhaft wie ein Materiallebenszyklus gestaltet werden kann. Die Industrie, in der sie entstehen, ist zwar energieintensiv, Effizienzsteigerungen in der Produktion sind jedoch an vielen Stellen erfolgt. Stahl bietet vielfältige Möglichkeiten, effiziente Konstruktionen zu bauen und wirtschaftlich zu betreiben. Nach seiner Nutzung lässt er sich umfassend recyceln, was z. B. dazu führt, dass im Gegensatz zur Energiewirtschaft oder der Kunststoffindustrie in der Metall verarbeitenden Industrie von Materialgebrauch und nicht von Verbrauch gesprochen wird. Die lebenszyklusorientierte Cradle-to-Cradle-Betrachtung bietet eine zentrale Grundlage für einen nachhaltigen Materialumgang. Der zweite Teil des Beitrags stellt entsprechende Optimierungsstrategien im Lebenszyklus dar.

Stahl und Nachhaltigkeit

Entwicklung einer materialbezogenen Nachhaltigkeitsbetrachtung Nachhaltigkeit ist kein Konzept , das aus einer Fachgruppe entstanden ist, sondern basiert auf der Integration vielfältiger Betrachtungswinkel. Ideen einer Vielzahl gesellschaftlicher Strömungen tragen das heutige Nachhaltigkeitsverständnis (Abb. C 1.3). Federführend war zunächst die Politik. So entstammt die erste zeitgenössische Beschreibung der Nachhaltigkeit dem BrundtlandBericht der Weltkommission für Umwelt und Entwicklung (WCED) aus dem Jahr 1987: Er prägte den Ausdruck der »nachhaltigen Entwicklung« und seine Definition als die »einer sozialen, wirtschaftlichen und politischen Entwicklung, die den Bedürfnissen der heutigen Generation entspricht, ohne die Möglichkeiten künftiger Generationen zu gefährden, ihre eigenen Bedürfnisse zu befriedigen und ihren Lebensstil zu wählen« [5]. Auf den Bericht folgt die Einberufung des Weltgipfels in Rio de Janeiro im Jahr 1992. Die auf dem Gipfel beschlossene »Agenda 21« beschreibt einen Fahrplan für nachhaltige Entwicklung und stellt damit erstmals eine systematisierte Verbindungen zwischen dem globalen Konzept und seiner lokalen Lösung her [6]. 1996 unternimmt die zweite UN-Konferenz über menschliche Siedlungen (HABITAT II) in Istanbul den Versuch, Ziele der nachhaltigen Entwicklung auf einen urbanen Maßstab zu übertragen. Auch bezogen auf die Materialebene definiert die Konferenz wichtige Ziele: Verhinderung der Umweltzerstörung, Umgang mit begrenzten Ressourcen und Schutz im Hinblick auf die erhöhte Anfälligkeit für Naturkatastrophen, aber auch die notwendige Abkehr von undifferenzierten Planungsmethoden [7]. Der »Stern-Report« erläutert 2006 erstmals die Zusammenhänge von Ökonomie und Klimawandel [8]. Er folgert, dass die Vorteile eines entschiedenen und frühzeitigen Handelns die Kosten eines Nichthandelns aus volkswirtschaftlicher Sicht bei Weitem übersteigen. Der Bericht fokussiert dabei Energieeffizienz als wichtigen Bestandteil der Nachhaltigkeit und leitet hin zu weiteren maßgeblichen internationalen Veröffentlichungen. Diese empfehlen z. B. die Aufstellung von weltweiten Vergleichsmaßstäben für energieeffiziente Gebäude [9] oder stellen fest, dass es mithilfe von heute verfügbaren Technologien und Kenntnissen möglich wie auch nötig ist, Energiebedarf und CO2-Emissionen unverzüglich signifikant zu reduzieren [10]. Innerhalb der EU entsteht als eine Antwort auf diese globalen Zieldefinitionen 2010 die Novelle der »European Energy Performance of Buildings Directive« (EPBD). Sie definiert die zukünftige energetische Qualität von Neubauten in der EU: Ab dem Stichtag 31. Dezember 2020 müssen alle Neubauten das Prädikat Nahezu-Nullenergiehaus einhalten [11]. Zwar ist noch nicht national definiert, was unter solchen Gebäuden im Detail zu verstehen ist, jedoch verschiebt sich mit Sicherheit der

Produktentwicklung

Produktion

Nutzung

Fertigung, Montage: Reinigen, Schleifen, Fräsen, Schneiden, Schweißen, Kleben

produktbegleitende Dienstleistung, Instandhaltung: Verbessern, Zustand überwachen, Inspizieren, Qualifizieren, Warten

Verwertung, Entsorgung

Kreislaufführung Demontage, Modifikation: Reinigen, Zerlegen, Funktion ändern

C 1.2 Ereignisse im Zusammenhang mit dem Bauwesen

allgemeine Ereignisse 1962 Publikation »Silent Spring« von Rachel Carson

1970 1972 erste Ölkrise 1972 Publikation »The Limits of Growth« von Dennis L. Meadows

1979 zweite Ölkrise

1980

1984 Giftgaskatastrophe in Bhopal, Indien 1986 Atomunfall in Tschernobyl, Ukraine (damals UdSSR) »Unsere gemeinsame Zukunft«, Brundtland-Bericht 1987 Definition der Nachhaltigkeit

BREEAM-Zertifizierung in Großbritannien 1990 Transfer der Nachhaltigkeitsbetrachtung auf Gebäude, Integration des Lebenszyklusgedankens z. B. über Recycling als Materialthema erstes Passivhaus in Deutschland 1991 Minergie-Label in der Schweiz 1991

1990

Weltgipfel Rio de Janeiro, Agenda 21 1992 Kommission der UN für Nachhaltige Entwicklung 1992 Gründung des United States Green Building Council 1993 LEED Einführung in den USA Einführung des MIPS-Konzepts Stoffstromanalyse zur Bewertung von Materialnutzung Gründung der HQE-Association in Frankreich HABITAT II in Istanbul Transfer der Nachhaltigkeit auf die Stadt

1994 1994 1996 1996 1997 Beschluss des Kyoto-Protokolls 1997 El Niño und die Südliche Oszillation

Einführung der Ökobilanz Démarche HQE, Einführung in Frankreich Gründung von CASBEE in Japan Gründung des Runden Tischs Nachhaltiges Bauen in Deutschland Green Building Council in Australien

2000 2001 2001 2001 2002

FDES in Frankreich gesetzliche Einführung von TYP III Umwelterklärungen DGNB in Deutschland Ökobilanzierung auf Gebäudeebene als Instrument der Nachhaltigkeitsbewertung Code for Sustainable Homes in Großbritannien Transfer der Nachhaltigkeit auf einen nationalen Gebäudebestand Einführung der Environmental Product Declaration (EPD) Novelle der European Energy Performance of Buildings Directive Energiekonzept der deutschen Bundesregierung Projektion von Themen der Nachhaltigkeit in gesamtgesellschaftliche Entwicklungen

2006

2000

2000 Milleniums-Erklärung der UN

2002 Weltgipfel in Johannesburg 2005 Hurrikan Katrina 2006 Veröffentlichung des Stern-Reports über die Zusammenhänge von Ökonomie und Klimawandel 2007 Nobelpreis für Al Gore

2007

2007 2007 2010 2010

2010

2011

2011 Atomunfall in Fukushima, Japan

C 1.3

127

C 1.4

Nachhaltigkeitsbetrachtung auf Materialebene

Ein weiterer Ansatz auf dem Weg zum heutigen Nachhaltigkeitsverständnis ist die Analyse des Materiallebenszyklus. Die Stadien der Rohstoffgewinnung, Herstellung, Verarbeitung über Transport, Nutzung, Nachnutzung und Entsorgung ergeben dabei ein Betrachtungssystem, das die Optimierung vieler Prozesse bei der Materialverwendung ermöglicht. Ein erster Durchbruch erfolgt durch das »Material-Input-pro-Serviceeinheit-Konzept« (MIPS) im Jahr 1994 [12]. Es summiert den Materialaufwand, der zur Herstellung und Nutzung eines Bauteils nötig ist in Form von »Materialintensitäten« (Abb. C 1.7). Erstmals sind nun die erforderlichen Prozesse, unterteilt nach den Quellen abiotische Ressourcen [kg], biotische Ressourcen [kg], Boden [kg], Wasser [l] und Luft [m3] offensichtlich. Der GesamtmaterialInput, auch »ökologischer Rucksack« genannt, ergibt sich aus dem Eigengewicht des Produkts und dessen Materialintensitäten. Das Konzept, das die Stoffströme abbildet, definierte damit als erstes den Betrachtungsrahmen, in dem materialbezogene Optimierung sinnvoll und möglich ist. Es verfügte allerdings nur begrenzt über Möglichkeiten, nachteilige Umweltwirkungen einzelner Prozesse auszuweisen, da es besonders auf die Materialmasse abhebt. In der Folge entwickelte sich vor allem die Kommunikation über Umwelteigenschaften eines Produkts weiter. Definiert in der Normenreihe DIN EN ISO 14 020, erfolgt sie über drei Typen von Umweltkennzeichnungen. Diejenigen des Typ I wie das Gütesiegel »Blauer Engel« sind in der Stahlindustrie jedoch nicht geläufig. Und auch Umweltkennzeichnungen Typ II – eigenverantwortliche, herstellerseitige Beschreibungen der Umwelteigenschaften eines Produkts – kamen bisher kaum in Umlauf. Trotzdem lässt sich in der Stahlindustrie die umwelttechnische Optimierung der Produktion nachweisen. So konnte sie ihre CO2-Emissionen in den westlichen Nationen im Verlauf der letzten 30 Jahre um 50 % senken. Die wirkenden Aspekte sind z. B. für die kanadische

2006

2002

1998

1994

30 1990

Verminderungsziel 1990 – 2012

1986

1990

1962 1982 2002

1942 1982

1922

1902

1882

1842 1862

Stahlfertigerzeugung = warmgewalzte Lang-, Flacherzeugnisse, nahtlose Stahlrohre und Schmiedefertigerzeugnisse

1982

USA

Energieverbrauch zunehmend vom Betrieb der Gebäude auf deren Herstellung, Instandhaltung und Rückbau.

ΔCO2 = -22 %

-11,3 %

Verhältnis Schrotteinsatz/ Rohstahlerzeugung [%]

ehemalige UdSSR 5 000

C 1.6

C 1.5

Stahlindustrie umfassend beschrieben [13]: • Reduzierung der Kohlendioxidemissionen (CO2) seit 1990 um mehr als 20 % • Reduzierung der Schwefeldioxidemissionen (SO2) seit 1990 um 77 % • Reduzierung der Stickoxidemissionen (NOX) seit 1990 um 24 % • Reduzierung der Emissionen von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAH) seit 1993 um 74 % • Steigerung der Energieeffizienz der Stahlproduktion zwischen 1990 und 2001 um 25,4 % • Reduzierung der deponierten Abfälle zwischen 1994 und 2002 um 52 % Die deutsche Stahlindustrie beteiligt sich durch freiwillige Selbstverpflichtung seit 1990 an der nationalen Klimavorsorgepolitik zur Reduktion der CO2-Emissionen. Ein entsprechendes Dokument von 2001 besagt, dass der spezifische rohstoff- und energiebedingte CO2-Ausstoß (Referenzjahr 1990) bis 2012 um 22 % gemindert werden soll (Abb. C 1.5 und C 1.6) [14]. Ökobilanzierung Die in den Jahren 1997–2000 in DIN EN ISO 14 040 –14 044 eingeführte Methodik der Ökobilanzierung »Life Cycle Assessment« (LCA) legte dann den Grundstein für die heutige Bewertung der Umweltwirkungen von Produkten. Eine Ökobilanz analysiert dabei wie das MIPS-Konzept den Lebensweg eines Produkts über die Stadien Rohstoffgewinnung, Herstellung, Verarbeitung und Transport, sowie gegebenenfalls Gebrauch, Nachnutzung und Entsorgung. Sie definiert weitergehend auf Basis der notwendigen Materialströme die Berechnung der umweltbezogenen Auswirkungen (z. B. Emissionen) und liefert eine Grundlage zur Beschreibung der auftretenden Effekte. Eine Ökobilanz umfasst dazu vier Teile: Festlegung von Ziel und Untersuchungsrahmen, Sachbilanz, Wirkungsbilanz und Auswertung. Die Grenzen des Untersuchungsrahmens einer Bilanz – sogenannte Abschneidekriterien – werden in der Regel bei maximal 1 % der untersuchten Stoffmasse, des Primärenergieinhalts und der Umweltrelevanz gesetzt [15], wobei die Gesamtsumme der vernachlässigten Stoffmas-

sen maximal 5 % der untersuchten Gesamtmasse betragen darf [16]. Auf jeden Fall sind ökologisch bedenkliche Stoffe (z. B. Schwermetalle) zu berücksichtigen. Alle Stoffströme der Bilanz werden dann mittels festgelegter Faktoren in spezifische Wirkungskategorien umgerechnet und zusammengefasst. So lassen sich Hunderte Emissionen mit wenigen Stoffäquivalenten beschreiben. Im Gebäudebereich werden üblicherweise folgende Wirkungskategorien betrachtet: • Treibhauspotenzial (GWP) 100 [kg CO2-Äquivalent] • Ozonabbaupotenzial in der Stratosphäre (ODP) [kg R11-Äquivalent] • Versauerungspotenzial (AP) [kg SO2-Äquivalent] • photochemisches Oxidantienbildungspotenzial (POCP) [kg C2H4-Äquivalent] • Eutrophierungspotenzial (EP) [kg PO43--Äquivalent] • Primärenergieinhalt (PEI) [MJ]

1 : 0,65 10 Mrd. t Sand und Kies

1 : 1,2

1:6

Natursteine

Steinkohle

1000 Mio. t

1 : 0,1 Erdöl

1 : 11

BraunZement kohle

1:2 1:14

1 : 0,3 Phosphat 1:34 Bauxit

1 : 10

Eisen Steinsalz

Gips

Tonsteine, Lehme

100 Mio. t

1 : 0,9 Schwefel Kalisalze

Produktion [t] im Jahr 1983

China

bezogen auf Stahlfertigerzeugung1)

2015

10 000

-20%

2010

15 000

100

2005

Kanada Indien Japan

2000

20 000

bezogen auf Rohstahlerzeugung

1995

25 000

Index der spez. primärenergiebedingten CO2-Emission [%]

CO2-Emission [Mio. t]

Stahl und Nachhaltigkeit

Manganerz Kaolin 1 : 420

10 Mio. t Chromit Zink Bentonit Asbest

Magnesit Kupfer Baryt

Talk, Pyrophyllit

Blei 1:19

Fluorit Titandioxid

Feldspat

1 Mio. t

Silber Gold Platin

1 : 7500

Rohstoffe Rucksäcke 1 : 350 000

C 1.7

128

Stahl und Nachhaltigkeit

C 1.4 C 1.5

C 1.6 C 1.7 C 1.8

CO2-Emissionen nach Ländern, vom Beginn der Industriellen Revolution bis heute Klimavorsorge der Stahlindustrie in Deutschland, freiwillige Selbstverpflichtung im Rahmen der Vereinbarung der Bundesregierung und der deutschen Wirtschaft vom 09.11.2000 Schrottanteil an der Gesamtrohstahlerzeugung in Deutschland »ökologische Rucksäcke« (durch Material erzeugte Stoffströme) verschiedener Materialien Ökobilanzdaten verschiedener Metalle und Metallbeschichtungen für Deutschland; Bilanzrahmen »Cradle-to-Gate« zuzüglich Recyclingpotenziale von Materialien

Aus den Ergebnissen werden Schlussfolgerungen und Empfehlungen für die Produktnutzung abgeleitet und in einem Bericht zusammengefasst. Er dokumentiert – durch unabhängige Firmen in der Regel im Auftrag von Herstellern erstellt – alle Umweltwirkungen eines Produkts, ohne eine Bewertung vorzunehmen. Environmental Product Declaration (EPD) Eine Möglichkeit für Hersteller, die Umwelteigenschaften ihrer Produkte Planern zu vermitteln, basiert auf ISO 21 930. Wird ein Bericht und die zugrunde liegende Ökobilanz einer Gruppe unabhängiger Experten zur Prüfung vorgelegt, so entsteht eine Umweltproduktdeklaration (Environmental Product Declaration – EPD) und damit eine Umweltkennzeichnung des Typ III. Die Prüfer untersuchen dabei nicht das einzelne Messergebnis, sondern ob für das Produkt die Regeln der auf Produktgruppen bezogenen, gleichwertigen Beschreibung nach prEN 15 804 (Product Category Rules – PCR) eingehalten sind. Unterschieden wird dabei unter anderem zwischen sogenannten Cradle-to-Grave-Betrach-

tungen, die den gesamten Lebenszyklus eines Produkts untersuchen, und Cradle-to-GateBetrachtungen, bei denen nur die Herstellung des Produkts (bis zum Werkstor) Gegenstand der Untersuchung ist. Mittlerweile sind bei der Mehrzahl der EPDs sowohl die Cradle-to-GateBetrachtung, das Lebensende (End of Life) und eine Gesamtsumme über beide Faktoren zusammengeführt. Obwohl die Bilanzierung und der Nachweis dauerhaft getrennt nach Phasen erfolgen wird, ist gerade bei Metallen als Materialgruppe, bei der schon heute ein umfassendes Recyclingsystem praktiziert wird, die aggregierte Bewertung beider Daten durchaus sinnvoll. In Zukunft ermöglicht das Modul D der pr EN15 804 (supplementary information beyond the building life cycle) die Berücksichtigung von Effekten, die durch speziell auf Wiederverwendung, Recycling und Rückgewinnung optimierte Produkte entstehen. Die Datensätze stehen Planern in verschiedenen öffentlichen Datenbanken zur Verfügung. Die Erstellung und Ausweisung von Umweltproduktdeklarationen vom Typ III koordinieren in Deutschland das Institut Bauen und Umwelt (IBU) sowie das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS). Das IBU betreut dabei die Erarbeitung von PCRs für einzelne Produktgruppen und weist diese aus. Das BMVBS stellt über die Ökobau.dat Datensätze zur Verfügung, die speziell für die Bilanzierung im Gebäudesektor ausgelegt sind. Die Datenbank basiert, soweit vorhanden, auf konkreten Produktökobilanzdaten einzelner Hersteller oder auf Durchschnittsdatensätzen für bestimmte Produktgruppen. Bisher ist sie auf etwa 800 Datensätze angelegt und damit eine sehr umfassende frei zugängliche Datenbank. Die Kooperation mit dem IBU garantiert ständige Aktualisierungen. Auch die EU veröffentlicht über die »European Platform on Life Cycle Assessment« (ELCD) PEI Primärenergie n. e. [MJ]

PEI GWP 100 Primärenergie Klimagase e. [MJ] [kg CO2 eq]

Datensätze und Hintergrundinformationen zu Produktökobilanzen. Bei der Verwendung ist zu beachten, dass die Informationen teilweise über zehn Jahre alt sind und unterschiedliche regionale Bezugsgrößen (z. B. Deutschland, Europa) haben. Dies kann deutliche Unterschiede der Ergebnisse nach sich ziehen. Auch diese Datenbank wird laufend ergänzt. Vergleich von EPD-Daten Unterschiedliche physikalische Eigenschaften lassen einen Vergleich von Baustoffen auf Basis von Masse oder Volumen in der Regel nicht zu. Erst über technisch und bauphysikalisch gleichwertige Konstruktionen entstehen vergleichbare Bilanzen, die als Grundlage einer nachhaltigen Planung dienen können. Eine Gegenüberstellung muss analog zur Ökobilanzmethodik auf einer gleichwertigen funktionellen Einheit basieren. Dies ist z. B. 1 m2 Fassadenbekleidung oder das Tragsystem eines Gebäudes. Aufgrund der Vielfältigkeit möglicher Stahlanwendungen sind Rohdaten für solche Bilanzen in Abb. C 1.8 dargestellt, die über Massen- oder Flächenermittlungen eigene Bilanzen funktioneller Einheiten ermöglichen. Dabei sollten planungsbegleitende Vergleiche auf EPDs beruhen, die auf einem Branchenmittel basieren. Später kann die Produktauswahl über herstellerspezifische EPDs erfolgen. Nachhaltigkeitsbetrachtung auf Gebäudeebene

Ebenso wie sich aus dem Materiallebenszyklus eine konsistente Sicht auf den Materialumgang ergibt, entsteht eine solche auch, wenn man gesamte Gebäude unter Lebenszyklusgesichtspunkten analysiert. Hierzu erarbeiteten Teams in vielen Ländern Kataloge von Anforderungen, Indikatoren und Kriterien für die Beurteilung des Umwelteinflusses eines Gebäudes und damit letztlich für die nachhaltige Gestaltung eines Projekts. Zu ihnen zählen z. B.:

ODP Ozonabbau

AP Versauerung

EP Überdüngung

POCP Sommersmog

[kg R11 eq]

[kg SO2 eq]

[kg PO4 eq]

[kg C2H4 eq]

Material

Bezugseinheit

Bewehrungsstahl Stahl, warmgewalzte Profile (I/U/T/H/L) Stahl, warmgewalzte Bleche (2 – 20 mm) wetterfester Stahl WT St 37-2 (Kaltband 2 mm) Stahl, Feinblech (0,3 – 3,0 mm) Stahl, Feinblech (20 μm bandverzinkt) Grauguss Bauteil Gusseisen Guss GLJ (GG20; sekundär) Stahl, Schmiedebauteil Edelstahl X5CrNi 18-10 (V2A) Edelstahlblech Edelstahlrohr

1 kg 1 kg 1 kg 1 kg 1 kg 1 kg 1 kg 1 kg 1 kg 1 kg 1 kg 1 kg

12,4 23,2 25,9 26,2 26,9 32,4 20,3 10,1 30,9 53,8 66,7 67,9

0,985 0,963 0,858 0,560 0,905 1,320 0,864 0,490 1,260 6,290 8,390 8,460

0,874 1,710 1,920 1,980 2,025 2,360 2,067 0,970 2,220 4,840 4,980 5,062

7,85E-8 3,87E-8 7,36E-9 8,30E-8 1,33E-8 5,11E-8 9,91E-8 4,26E-8 9,31E-8 4,41E-7 4,14E-7 4,27E-7

0,00164 0,00482 0,00529 0,005693 0,00551 0,00669 0,00292 0,001309 0,00601 0,037115 0,028 0,0282

0,000139 0,000457 0,000501 0,000457 0,000517 0,000583 0,000271 0,000113 0,000535 0,012225 0,0131 0,0131

0,000274 0,000738 0,000839 0,000877 0,000871 0,000956 0,00033 0,000175 0,000886 0,002611 0,00166 0,00167

Applikation Metallbeschichtung (LM-basiert) Applikation Metallbeschichtung (H2O-basiert) Metall-Pulverbeschichtung Feuerverzinken (Stückgut)

1 m2 1 m2 1 m2 1 m2

24,3 19,6 69,7 40,2

0,411 0,420 1,750 2,960

1,320 1,210 4,082 2,250

8,3E-8 8,43E-8 3,57E-7 4,12E-7

0,00527 0,00608 0,0206 0,00916

0,000208 0,000195 0,00112 0,000598

0,029 0,00241 0,001 0,000574

Recyclingpotenzial Stahlblech, Warmband Recyclingpot. Stahlprofil, warmgewalzt Recyclingpot. Stahl Feinblech, verzinkt Recyclingpot. Stahl Feinblech Recyclingpot. wetterfester Stahl WT St 37-2 Recyclingpot. Edelstahl X5CrNi 18-10 (25 % prim.) Recyclingpot. Edelstahlblech

1 kg 1 kg 1 kg 1 kg 1 kg 1 kg 1 kg

-11,70 -7,92 -12,70 -11,90 -12.89 -13,09 -2,27

-0,0548 0,284 -0,0592 -0,0554 -0,250 -1,160 -0,147

-0,874 -0,567 -0,946 -0,885 -0,770 -0,990 -0,235

2,81E-8 2,78E-8 3,036E-8 2,84E-8 1,60E-8 4,30E-8 9,81E-9

-0,003 -0,00201 -0,00325 -0,00304 -0,003384 -0,020626 0,000101

-0,000277 -0,000193 -0,0003 -0,00028 -0,000251 -0,007143 -0,00146

-0,000463 -0,000331 -0,000501 -0,000468 -0,000525 -0,001154 -3,53E-5 C 1.8

129

Stahl und Wirtschaft(lichkeit) Gerard O’Sullivan

C 2.1

Beim Entwurf einer Konstruktion spielt die Materialwahl eine signifikante Rolle, hat sie doch einen entscheidenden Einfluss auf die Verwirklichung der architektonischen Vorstellungen des Planers. In der Vergangenheit bestimmten lokale Gegebenheiten wie Tektonik und Bodenbeschaffenheit sowie die Verfügbarkeit des Materials, seine physikalischen Eigenschaften und die Produktions- und Installationskosten maßgeblich den Entwurf. Die vor Ort gewonnenen Rohstoffe oder erzeugten Materialien spiegelten sich häufig im Charakter der Gebäude in einer bestimmten Gegend wider. Das hatte wiederum einen direkten Einfluss auf die lokal verfügbaren Handwerkerleistungen zur Bearbeitung eines Materials. Die Kosten stiegen, je weiter die Wege zur Beschaffung des Materials und qualifizierter Arbeitskräfte waren. Mit dem Beginn der Industrialisierung führten andere Faktoren wie optimierte Prozesse und bessere Montageverfahren dazu, dass ein vielfältigeres Angebot und eine größere Menge von Baustoffen verfügbar war. Die Massenproduktion hatte eine erhöhte Nachfrage nach Rohstoffen zur Folge und führte zu insgesamt niedrigeren Produktionskosten. Die daraus resultierenden Gewinne wurden wieder investiert, um ein noch größeres Angebot an Produkten mit verschiedenen Leistungsmerkmalen herzustellen, zugeschnitten auf die Anforderungen und das Budget der Kunden. Mit den verbesserten technischen Verfahren ging die Entwicklung einer Reihe von Materialien einher, die im Vergleich zu den damals herkömmlichen Baustoffen größere Festigkeiten und Haltbarkeiten aufwiesen. Diese waren oft kompakter oder formbarer und ermöglichten so eine größere Vielfalt an konstruktiven Formen. Beispielhaft lässt sich dies an Skelettsystemen zeigen, für die lange ausschließlich Holz zum Einsatz kam. Mit der Industrialisierung jedoch wurde es aus praktischen und wirtschaftlichen Gründen häufig durch Stahl und Stahlbeton ersetzt.

C 2.1 C 2.2 C 2.3

140

Montage einer Stahlkonstruktion Lebenszyklusvollkosten (Whole Life Costs – WLC) nach ISO 15 686-5 Berücksichtigung der Lebenszykluskosten (Life Cycle Costs – LCC) im Planungsprozess

Entwicklung der wirtschaftlichen Bedeutung des Baustoffs Stahl Stahl als Baustoff spielt in der Geschichte des Bauens erst seit relativ kurzer Zeit eine Rolle.

In seinem Rohzustand als Eisenerz ist es das zweithäufigste Metall auf unserem Planeten, doch sein Einsatz in Gebäuden war lange »auf die Herstellung von Nägeln, Scharnieren, Stangen, Toren, Bolzen für Befestigungen und solcherlei Arbeiten« beschränkt [1]. Das änderte sich erst zum Ende des 18. Jahrhunderts, als die Industrialisierung der Eisenproduktion in England die Qualität des Eisens drastisch steigerte und die Produktionskosten senkte. Es eröffneten sich neue Märkte in der Bau- und Maschinenbauindustrie. Die industrielle Revolution trieb den Bedarf durch die Konstruktion von Brücken und Werkshallen aus diesem neuen Material voran. Das erste Gebäude mit einem Metallskelett war 1797 eine Flachsspinnerei in Shrewsbury in England, die heute noch existiert. Im 19. Jahrhundert machte die Entwicklung von Eisen und Stahl spektakuläre Fortschritte. Der Londoner Kristallpalast von Joseph Paxton war ein deutlicher Beleg für die Geschwindigkeit und Effizienz, mit der sich ein Gebäude aus fachgerecht vorgefertigten Gusseisenkomponenten errichten ließ. Er wurde als Veranstaltungsort für die Londoner Weltausstellung von 1851 mit einer Fläche von 6,4 ha im Hyde Park erbaut. Dank der Glas- und Metallrahmenbauweise, die schon für das große Gewächshaus von Chatsworth House in Derbyshire Verwendung fand, wurde die Halle in nur fünf Monaten errichtet. Eine Bauzeit, die damals mit keinem anderen Material erreicht worden wäre. Das Projekt gilt damit als wichtiger Ausgangspunkt zur Entwicklung von Stahl- und Glasarchitektur, baulicher Vorfertigung und hoher Baugeschwindigkeit im heutigen Stahlbau. Allerdings zeigten technologische Forschungen auch die Grenzen des Einsatzes von Gusseisen für Tragwerke auf (siehe Gusseisen, S. 155). Und nach dem Versagen einiger Brücken sahen Ingenieure in Stahl die geeignete Alternative. Die hohen Herstellungskosten beschränkten dessen Nutzung jedoch bis zur Einführung des Bessemer-Verfahrens, gefolgt vom Siemens-Martin-Verfahren in der Mitte des 19. Jahrhunderts. Sie bildeten die Grundlage für die heutigen Stahlerzeugungsprozesse. Mit der Weiterentwicklung der technischen Prozesse stiegen auch die Langlebigkeit und

Lebenszyklusvollkosten (Whole Life Costs, WLC)

externe Kosten (Externalities)

Bau (Construction)

keine direkten Baukosten (Nonconstruction Costs)

Lebenszykluskosten (Life Cycle Costs, LCC)

Betrieb (Operation)

Wartung (Maintenance)

Ertrag (Income)

Lebensende (End of Life)

umweltbezogene Kosten (Environment Costs) C 2.2

Festigkeit des neuen Materials, während gleichzeitig das erhöhte Produktionsvolumen, mit dem der wachsende Bedarf gedeckt werden sollte, zu einer Senkung der Stückkosten führte. Die Entwicklung von Breitflansch- und DoppelT-Profilen für Metallrahmenteile, die standardmäßig in modernen Stahltragwerken Verwendung finden, rationalisierte gleichzeitig die Produktion (siehe auch Halbzeuge – Warmwalzprofile, S. 78ff.). Das älteste mehrgeschossige Gebäude in Metallskelettbauweise von 1860, das vierstöckige Sheerness Boat House, zeigt erstmalig eine Bauweise, die noch heute bei modernen Bürogebäuden gebräuchlich ist. In Nordamerika, wo große Eisenerzvorkommen zu finden sind, entwickelt sich Stahl zum wichtigsten Material für den Bau der Wolkenkratzer und Fabriken. Albert Kahn lässt in den 1920erund 1930er-Jahren eingeschossige Fabrikgebäude aus im Werk geschweißten und vor Ort verbolzten Stahlrahmen bauen; ein Konzept, das selbst heute noch für viele Industriegebäude angewendet wird. Hierbei wurden Gebäudeabschnitte auf Basis eines wirtschaftlichen Rasters von 12 ≈ 18 m geschaffen. Eine größere Bauhöhe ermöglicht die Unterbringung von Verwaltungsräumen in der oberen Ebene und hält große Flächen für die Produktionsabläufe frei. Stahl hat einen entscheidenden Beitrag zur Geschichte der Skelettbauweise geleistet. Ingenieure und Architekten haben seine Eigenschaften als festes und verhältnismäßig einfach zu bearbeitendes Material genutzt, um anspruchsvolle Architekturkonzepte umzusetzen. Verbesserungen in der Stahlbautechnik konnten nachteilige Eigenschaften von Stahl mindern, wie beispielsweise sein Korrosionsverhalten und – auch wenn Stahl selbst nicht brennbar ist – seine Festigkeitseinbußen im Brandfall. So ließen sich mit der Zeit immer bessere und wirtschaftlichere Lösungen erzielen (siehe Verzinken, Anstriche und Lacke – Korrosionsschutz nach der Bearbeitung, S. 82ff. sowie Brandschutzbeschichtungen, S. 85). Darüber hinaus bietet Stahl im Bauwesen viele Optionen, was trotz der zusätzlich entstehenden Kosten für zum Teil notwendige Maßnahmen wie Korrosionsschutz nicht außer Acht gelassen werden darf.

potenzielle Verringerung der Lebenszykluskosten

Stahl und Wirtschaft(lichkeit)

Ergebnis

Aufwand

Ergebnis Aufwand Konzipierung → Planung → Errichtung → Inbetriebnahme → Betrieb Zeit und Aufwand C 2.3

Aufgrund der fortlaufenden Optimierungen von Stahl und Stahlprodukten kommt das Material nicht mehr nur bei Großbauten und Tragwerken zum Einsatz, sondern wird heute unter anderem auch im Innenausbau sowie für Verkleidungen und Bedachungen genutzt.

Die globale Betrachtung – Lebenszykluskosten (Life Cycle Costs – LCC) Wenn es um die Auswahl von Materialien und Konstruktionsmöglichkeiten für ein Gebäude geht, sind die Kosten nur ein Faktor, obwohl gerade dieser für den Bauherrn sehr wichtig ist. Seine Vorstellung davon, was er benötigt, und die Interpretation dieser Bedürfnisse durch den Architekten sind für die Umsetzung des Bauvorhabens entscheidend. Dabei müssen folgende Punkte berücksichtigt werden: • lokale Umgebung, Klima • Funktionen des Gebäudes, Raumprogramm • notwendige Nutzungsflexibilität • gestalterische Aspekte • konstruktive Anforderungen • Zeitplanung • Energieeffizienz • Ver- und Entsorgung, Erschließung • Ortsgegebenheiten (z. B. Bodenbeschaffenheit), Himmelsrichtungen • Regulierungen (z. B. im Bereich Gesundheit und Sicherheit) • Erfahrungen der zur Verfügung stehenden Bauleistungserbringer, Ausführungsqualität • möglicher Mehrwert der Immobilie durch Materialwahl und Ausstattung • Kostenrahmen Die Zeitplanung ist besonders dann von Bedeutung, wenn beispielsweise in der Industrie das Gebäude ein wichtiger Teil eines Geschäftsplans des Bauherrn ist, z. B. als Bestandteil einer Produktionsausweitung, der komplett neuen Produktionslinie eines Unternehmens oder wenn öffentliche Einrichtungen untergebracht werden sollen. In solchen Fällen kann die Auswahl des Materials darüber mitentscheiden, ob dem Bauherrn die Fertigstellung innerhalb eines gegebenen Zeitrahmens gelingt und er so z. B. eine zeitlich terminierte Geschäfts-

gelegenheit ausnutzen kann. Die Vorteile, die sich dann aus der Einhaltung des Zeitplans ergeben, gleichen eventuelle zusätzliche Investitionskosten aus. Im Bereich der Verfahrenstechnik sind Bauherren eher bereit, einen Aufschlag für das Einhalten der Zieldaten zu zahlen, als einen verspäteten Start der Herstellung eines neuen Produkts hinzunehmen. Wenn der Bauherr ausschließlich baut, um die Immobilie zu vermieten oder zu verkaufen, lassen sich mit der richtigen Zeitplanung Vorleistungen und Darlehen reduzieren. Gleichzeitig sollte das Gebäude den Markt dann erreichen, wenn die Möglichkeit besteht, den Miet- oder Verkaufspreis zur Deckung der Investitionskosten zu maximieren. Ein sich daraus ergebender größerer Investitionsaufwand für eine Bauweise, die Ziele eines zeitkritischen Projekts einzuhalten vermag, können sich für diesen Bauherrn bezahlt machen und ihm höhere Gewinne einbringen. Das Konzept, alle Aspekte zu betrachten, die das Projekt mit sich bringt, stimmt mit dem Ziel des Gesamtergebnisses überein, das das Unternehmen erzielt, das dieses Gebäude nutzt [2]. Ein ähnlicher Ansatz kann auch für öffentliche Gebäude von Nutzen sein. Ansatz der Lebenszykluskosten

Der allgemeine Trend im Bau bestand lange Zeit darin, sich auf die Erstkosten bzw. die Investitionskosten zu konzentrieren, ohne die Kosten zu berücksichtigen, die sich über die Lebensdauer eines Gebäudes ergeben. Mit der zunehmenden Nutzung von Beschaffungsvereinbarungen wie der öffentlich-privaten Partnerschaft (ÖPP oder Public Private Partnership – PPP), der Private Finance Initiative (PFI) und der zunehmenden Relevanz von Ökobilanzen (siehe Ökobilanzierung, S. 128ff.) sowohl im öffentlichen als auch im privaten Sektor sind die Lebenszykluskosten stärker in den Mittelpunkt des Interesses gerückt. Darüber hinaus ziehen es die anspruchsvolleren Investoren im Immobilienbereich vor, in Gebäude zu investieren oder solche zu mieten, die niedrigere Betriebs- und Instandhaltungskosten nachweisen und über einen langen Zeitraum mit einem ansprechenden ästhetischen Erscheinungsbild aufwarten können oder über spezifische Quali-

141

Stahl in der Sanierung Georg Giebeler

C 3.1

Seit einigen Jahrzehnten spielen Sanierung und Umbau bestehender Gebäude eine immer wichtigere Rolle. Der Baustoff Stahl ist dabei in zweierlei Hinsicht von Bedeutung: einerseits als zu sanierendes Bauteil, andererseits als hochtragfähiges neues Bauteil zur Lastabtragung bei strukturellen Eingriffen in Massivbauten oder zur Verstärkung von Holzbauteilen. Das Verhältnis von Baumaßnahmen am Bestand zu Neubauten wird sich in Zukunft noch weiter zugunsten der Sanierung verschieben, denn nach Angaben des statistischen Bundesamts sind gerade einmal 11 % des deutschen Wohnungsbestands jünger als 20 Jahre. Dies bedeutet im Umkehrschluss, dass 89 % älter und unter Umständen sanierungsbedürftig oder bereits saniert sind. Bei diesen Gebäuden fällt das Alter kaum ins Gewicht, denn letzlich lohnt sich ein Abbruch zugunsten eines Neubaus nur bei grundlegend verbrauchter Bausubstanz. Grundsätzlich kann man davon ausgehen, dass ein Umbau einem Neubau vorgezogen wird, wenn folgende drei Faktoren gegeben sind: • Die Rohbaustrukturen sind intakt. Dies bezieht sich sowohl auf die Fundamentierung, die Tragfähigkeit und den Zustand der vertikalen und horizontalen Tragglieder als auch auf eine der neuen Nutzung konforme Struktur des Gebäudes. • Eine Nutzungsintensivierung ist am jeweiligen Standort z. B. aufgrund baugesetzlicher Restriktionen nicht möglich. • Ein Neubau ist trotz einer deutlichen Nutzungsverbesserung wirtschaftlich nicht angeraten.

C 3.1

C 3.2 C 3.3

154

in den Altbau eingestellte neue Stahlkonstruktion, Besucherzentrum, Criewen (D) 2000, Anderhalten Architekten Kohlenstoffgehalt historischer Eisenprodukte, um 1900 Entwicklungslinien der Herstellung von Eisen und Stahl

Hinsichtlich des ersten der drei Punkte sind bei historischen Stahlbauten einige Dinge besonders zu beachten. Kritisch sind vor allem fehlende oder asbesthaltige Brandschutzmaßnahmen, insbesondere bei denkmalgeschützten Objekten. Die Überprüfung von Schweißverbindungen kann kostentreibend sein, ebenso die Entfernung alter Beschichtungen. Rost, also Eisenkorrosion, tritt in substanzgefährdender Weise selten auf und stellt bezüglich der Tragfähigkeit weniger ein Problem dar. Auch die Tragfähigkeit selbst – bezogen auf bleibende Lasten – ist meist gegeben. Allerdings bringen

Nutzungsänderungen oder -intensivierungen fast immer schall- und brandschutztechnische Sanierungen mit sich, die mit Lasterhöhungen verbunden sind. Da die Tragfähigkeit vieler Tragglieder von skelettierten Stahlbauten jedoch ausgelastet ist, müssen sie verstärkt werden. Im Grunde ist das unkritisch, lassen sich bestehende Tragwerke doch theoretisch einfach durch weitere Bleche oder Profile ergänzen. Scheitern kann dies jedoch am Fehlen einer geeigneten Verbindungstechnik: Historische Stähle lassen sich aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung kaum oder überhaupt nicht verschweißen, insbesondere nicht zusammen mit Stählen aus heutiger Produktion. Stahlbauwerke aus Baujahren vor 1980 sollten also schon zu Beginn der Planung auf derartige Probleme hin untersucht werden. Ist die Sanierung des Stahlbaus technisch und ökonomisch möglich, sind ausreichende Kenntnisse über historische Eisenerzeugnisse sowie deren Konstruktion, Verwendung und Eigenschaften wichtig.

Sanierung von historischen Eisen- und Stahlkonstruktionen Schon im ersten deutschsprachigen Standardwerk zur Baukonstruktion, einer vierbändigen, von Gustav A. Breymann herausgegebenen Reihe, stellt der Autor des Stahlbaubands, Otto Königer, klar, dass die Verwendung von Eisen im Bauwesen entscheidend von seiner Herstellung und den daraus resultierenden Eigenschaften abhängt. Dies gilt im gleichen Maß für die Sanierung, weshalb sich der Planer mit diesem Thema eingehend beschäftigen muss. »Von den […] Eisengattungen kommt für die Hochbauausführungen zurzeit fast ausschließlich das graue Gusseisen und das Schmiedeeisen in Betracht. Stahl eignet sich vermöge seiner großen Härte und schwierigen Verarbeitung nur zu solchen Konstruktionsteilen, welche einer bedeutenden Abnutzung unterworfen sind, wie Maschinenteile, Räder, Schienen usw. Bei den ruhenden Konstruktionen verdient das Schmiedeeisen den Vorzug; auch hat die Erfahrung gelehrt, dass Stahl eine geringere Widerstandsfähigkeit gegen Erschütterungen,

Stahl in der Sanierung

Kupolofen

Gusseisen

Puddelofen

Schweißstahl

Eisenerz Hochofen Roheisen

Stöße und Frost besitzt. Stahl kommt hiernach bei den Hochbaukonstruktionen nur als untergeordnetes Nebenmaterial zu Bolzen, Keilen und Lagerrollen usw. in Anwendung.« [1] Historische Stahlkonstruktionen unterscheiden sich in ihrer grundsätzlichen Struktur kaum von heutigen: zum Skelett verbundene Walzprofile, aufgelöste Träger (z. B. Fachwerkträger) sowie Verbundkonstruktionen mit Stahlbeton. Es ist also nicht die Konstruktion an sich, die bei einer Sanierung Probleme bereiten kann, sondern die Andersartigkeit der vorhandenen Baustoffe und deren Verbindungen sowie die neu aufzubringenden Beschichtungen gegen Korrosion oder Brandbelastung. Somit gilt es, folgende Fragen zu klären, bevor ein Sanierungskonzept erarbeitet werden kann: • Um welche Stahlsorte handelt es sich? Historische Stahlerzeugnisse weisen teilweise andere Festigkeitswerte auf, lassen sich nicht oder kaum schweißen und neigen zum Sprödbruch. Diese Aspekte sind zur Bewertung der Standsicherheit wichtig. • Gibt es Schwachstellen bei Verbindungen? Niete, das bevorzugte Verbindungsmittel bis in die Nachkriegszeit, müssen auf festen Sitz überprüft werden. Verschweißungen können schlecht ausgeführt oder, z. B. durch Bewegungen, beschädigt sein. • Woraus besteht die Beschichtung? Frühere Beschichtungssysteme enthalten häufig Bestandteile wie Blei oder Asbest. Problematisch wird dies vorrangig beim Entfernen der Beschichtung, denn der anfallende Staub ist hoch toxisch. Das vorliegende Kapitel soll bei der Beurteilung alter Stahlbauwerke eine Hilfestellung geben. Deren Ertüchtigung erstreckt sich vorrangig auf die folgenden Bereiche: • Tragfähigkeit: Lasterhöhungen, z. B. durch erhöhte Eigenlasten aus sekundären Sanierungsmaßnahmen zum verbesserten Wärmeund Schallschutz, müssen im alten Tragwerk nachgewiesen werden. Ausgetauschte Tragglieder bzw. deren Verstärkung sind mit der alten Konstruktion zu verbinden. • Korrosion: Vorhandene Korrosion muss entfernt werden, eventuell einschließlich der alten Schutzanstriche. Neue Beschichtungen

Konverter

Windfrischstahl

SiemensMartin-Ofen

SiemensMartin-Stahl

Elektroofen

Elektrostahl

Walzstahl Stahlguss Schmiedestahl

C 3.2

C 3.3

sind auf Verträglichkeit mit dem alten System zu untersuchen. • Brandschutz: Die deutlich verschärften Bauvorschriften – Stahl galt früher noch als brandsicher – bedingen die nachträgliche Verkleidung oder Beschichtung der Stahlbauteile. Das hierfür bis in die 1980er-Jahre bevorzugt eingesetzte Asbest muss entfernt werden.

• Die Wandstärke der Hohlkörper soll zwischen 1 und 8 cm liegen. • Die Wandstärke soll möglichst gleichmäßig sein. • Der Hohlkörper, meist aus Holz, muss nach dem Gießen leicht aus dem Bauteil zu entfernen sein. • Scharfe Innenecken sind zu vermeiden, Außenecken sind abzurunden. • Die Länge soll 5 m nicht überschreiten. [2]

Historische Eisenerzeugnisse

Die Eigenschaften historischer Eisenerzeugnisse stehen in direktem Zusammenhang mit ihrer Herstellung. Wichtig ist es, diese zu kennen, denn jedes Material bedarf einer eigenen Sanierungsstrategie (Abb. C 3.4, S. 156). Gusseisen Bei Gusseisen handelt es sich im Grunde um Roheisen, das zur Jahrhundertwende auch als solches bezeichnet wird. Dem im Bauwesen verwendeten »grauen Gusseisen« wurde im Gegensatz zum »weißen Gusseisen« im Herstellungsprozess Kohlenstoff zugesetzt, der das Material elastischer machte. Heute findet Gusseisen im Bauwesen kaum noch Verwendung. Lediglich große und besonders gestaltete Formteile wie beispielsweise jene des Centre Pompidou in Paris werden in Ausnahmefällen noch aus Gusseisen hergestellt. Ein Nachteil von Gusseisen ist die kaum vorhandene Zugfestigkeit, weshalb es ausschließlich bei Stützen zum Einsatz kam, die zudem nur mittig beansprucht werden durften. Dies gilt es im Umbau beizubehalten. Außerdem ließ sich Gusseisen nicht ohne Fehler wie Hohlräume (sogenannte Lunker) und Schlackeeinschlüsse herstellen. Dieser Inhomogenität wurde auch schon in der Gründerzeit durch höhere Sicherheiten, z. B. größere Wandstärken der Hohlprofile Rechnung getragen. Für die Verwendung von Gusseisen sprach im 19. Jahrhundert vor allem die Möglichkeit, auch verwinkelte bzw. stark verzierte Formteile herstellen zu können. Schmiedbar war historisches Gusseisen jedoch nicht, denn dafür hätte sein Kohlenstoffgehalt unter 2 % liegen müssen. Der gebräuchlichste Einsatz von Gusseisen waren sichtbare, druckbelastete Säulen geringer Höhe. Nach historischen Quellen galten folgende Fertigungsregeln:

Gusseisenstützen wurden meist liegend und nur selten in einem Stück gegossen. In Schaft, Fuß und Kopf geteilt, erfolgte das Ineinanderstecken erst bei der Montage. Die Wandstärken eingeschossiger Säulen betrugen in der Regel 20 – 40 mm. Aufwendige Verzierungen aus Gusseisen oder Bronze wurden häufig als gesonderte Bauteile mittels Stiftschrauben an der rohen Säule unsichtbar befestigt. Neben frei stehenden, verzierten Säulen kamen noch sogenannte gusseiserne Wände, bestehend aus zwei Rechteckrohren mit einem meist unterbrochenen Verbindungssteg, zur Ausführung. Sie dienten in tragenden Außenwänden als Stützen, beispielsweise für die erdgeschossigen Schaufenster von Geschäftshäusern. Schmiedeeisen und historischer Stahl Schmiedeeisen hat einen Kohlenstoffgehalt von 0,03 bis 0,4 %. Es ist nicht härtbar, jedoch leicht schmied- und schweißbar. Unterschieden wird es in Schweißeisen (hergestellt im sogenannten Puddelverfahren) und Flusseisen (hergestellt in den sogenannten Windfrischverfahren). Historischer Stahl hat einen Kohlenstoffgehalt von 0,4 bis 2 % (Abb. C 3.2). Er war zwar härtbar, jedoch weniger gut schmied- und kaum schweißbar. Auch hier unterscheidet man je nach Verfahren in Schweißstahl und Flussstahl. Das 1784 vom Engländer Henry Cort entwickelte Puddelverfahren stellte einen Durchbruch in der Stahlherstellung dar. Die Trennung von Brennkammer und Schmelztiegel sowie das Zuführen von sauerstoffhaltiger, heißer Luft reduzierten den Kohlenstoffgehalt soweit, dass schmied- und schweißbarer Stahl gewonnen werden konnte. Die Zuführung von Luft geschah durch manuelles Umrühren der Schmelze. Die Qualität des Stahls hing also

155

Stahl in der Sanierung

Flusseisen (Windfrischverfahren) [kg/cm2]

Hochbau zul. σ [kg/cm2]

Flussstahl (Windfrischverfahren) [kg/cm2]

Brückenbau zul. σ [kg/cm2]

St 37 Streckgrenze σs

2400

3800

Lastfall Hauptlasten σzul

1400

Lastfall Haupt- und Zusatzlasten σzul

1600

Scherspannung τzul

Biegung und Zug

1200

1000

2200

Schub

1560

1120

2500

St 48 Biegung und Zug

1400

1820

Schub

1300

1456

0,8 σs C 3.9

Enge an den Anschluss- und Knotenpunkten das Bohren der Bestandskonstruktion überhaupt durchführbar ist. Brandschutz

Ähnlich wie heute erstreckte sich der Brandschutz um 1900 auf die tragende Struktur aus Wänden, Stützen und Geschossdecken. Dabei unterschied man bei Vorkriegsbauten zwischen feuerhemmend, was in etwa F 15 A entspricht, und feuerbeständig ohne genaue Festlegung der Brandwiderstandsdauer. Die geringere Anforderung feuerhemmend galt in Berlin 1929 beispielsweise für Kleinhäuser und Treppenläufe. An Dächer wurden, ausgenommen der Eindeckung, keine Anforderungen gestellt. Das erklärt die ungeschützten Tragwerke von erdgeschossigen Hallen. DIN 4102 aus dem Jahr 1940 stellte erstmals Anforderungen an Stahlbauteile, die mit den heutigen vergleichbar sind. Dies gilt jedoch nicht unbedingt für Industriebauwerke, für die aufgrund kompensatorsicher Maßnahmen, wie den verpflichtenden Stockwerkshydranten, regelmäßig Ausnahmen genehmigt wurden. Graues Gusseisen Gusseiserne Säulen galten bis Mitte des 19. Jahrhunderts im Vergleich zu Holzbauteilen als brandsicher. Zum Ende des 19. Jahrhunderts wurden aufgrund vorhergegangener Brände, die das Gegenteil bewiesen, die Baugesetze verschärft und entsprechende Schutzmaßnahmen vorgeschrieben. Ein Beispiel hierfür war das Aufbringen einer Putzschicht aus Kalk- oder Zementputz auf einem Drahtgewebe, wobei zwischen der Gusseisensäule und dem Drahtgewebe eine dünne Luftschicht verblieb [7]. Nach heutigen Maßstäben gelten unverkleidete Gusseisenstützen allenfalls als brandhemmend (F 30 A). Dies ist vorrangig der großen Wandstärke geschuldet, die sich während des Löschens jedoch auch negativ auswirken kann: Gusseisenstützen können schlagartig bersten. Dies gilt insbesondere auch für den Sanierungsversuch des Ausbetonierens von Hohlstützen, da sich das im Beton gebundene Wasser im Brandfall ausdehnen kann und die Stütze von innen sprengt.

160

Jahr 1890 1)

Einheit Jahr ca. [kg/m2] [kN/m2] 2006 2)

Einheit [kN/m2]

Decken von 250 2,5 Wohnräume 1,5/2,0 Wohngebäuden Geschäfts400 4,0 Verkaufs2,0/5,0 bauten räume Versammlungs400 4,0 Versamm- 4,0/5,0 stätten lungsräume Treppen, 400 4,0 Treppen 3,0/5,0 Treppenpodeste 1) Quelle: Belastungsannahmen des Preußischen Ministeriums der öffentlichen Arbeiten von 1890, Königer, Anhang, S. 10, Tabelle 5 d 2) DIN 1025-3

C 3.10

C 3.11

Stahl Schmiedeeisen der Jahrhundertwende verhält sich im Brandfall nicht wesentlich anders als heutiger Stahl. Der Schmelzpunkt liegt zwar knapp oberhalb heutiger Stahlsorten, jedoch noch weit unter den Temperaturen im Brandfall, woraus sich also keine höhere Brandsicherheit ergibt. Bis in die Nachkriegszeit schützte häufig eine Zementschicht die Stahlprofile, entweder durch Verputz (mit und ohne Putzträger), Einbetonieren von offenen Profilen oder Ausbetonieren von Hohlprofilen. Stützen wurden auch vollständig eingemauert oder mit speziellen Formsteinen ummantelt. Feuerbeständige Beschichtungen auf Asbestbasis waren in den 1920er-Jahren zwar noch selten, kamen aber durchaus schon zum Einsatz. Stand der Technik – und demnach auch bei verkleideten Stützen zu vermuten – sind Asbestverkleidungen in Gebäuden aus Baujahren zwischen 1940 und 1980.

Bei der Sanierung denkmalgeschützer Stahlbauwerke mit Bauteilen, die sichtbar bleiben sollen, eignet sich jedoch je nach Brandwiderstandsanforderung weder die erste, noch die zweite Methode. So sind die aufschäumenden Beschichtungen bei Brandschutzklassen über F 30 so dick aufzutragen und schwierig zu verarbeiten, dass sie die denkmalpflegerisch entscheidenden Details, beispielsweise von Gusseisenkonstruktionen, verdecken würden. Auch bei nicht denkmalgeschützten Bauteilen ist eine Verbesserung des Brandschutzes durch Beschichtungen technisch schwierig und häufig unwirtschaftlich, da die Altanstriche vorher vollständig entfernt werden müssen. Wenn auch eine Verkleidung aus formalen Gründen ausgeschlossen ist, verbleiben nur noch baubehördliche Verhandlungen mit dem Ziel einer Ausnahmegenehmigung. Dabei ist der Einbau von Kompensationsmaßnahmen wie Rauchabzug und Frühwarnanlagen oder sogar selbsttätige Löschanlagen (Sprinkler) in die Überlegungen einzubeziehen.

Brandschutztechnische Sanierung Die im Laufe der Jahrzehnte immer wieder erhöhten Anforderungen an den Brandschutz stellen ein ernsthaftes Problem bei der Sanierung dar, denn früher zulässige, ungeschützte Bauteile müssen heute einen Brandwiderstand von F 30 oder sogar F 90 erreichen. Hier muss der Planer umdenken: Bei Sanierungen von Massivbauten lassen sich die Holzbalkendecken meist relativ leicht nachrüsten. Mauerwerk und – eingeschränkt – auch Stahlbetonbauteile können meist unverändert übernommen werden. Dies gilt jedoch nicht bei der Sanierung historischer Stahlbauwerke. Diese sind schon zu Beginn der Planung auf Widersprüchlichkeiten zur heutigen Bauordnung bzw. Industriebaurichtlinie zu untersuchen, da die notwendigen Brandschutzmaßnahmen einen hohen Einfluss auf die ökonomische Sanierungsfähigkeit des gesamten Gebäudes haben. Mögliche Verbesserungen des Brandschutzes lassen sich auf zweierlei Weise realisieren (Abb. B 5.58 und B 5.59, S. 119): • durch nachträgliche Ummantelung mit Feuerschutzplatten oder Beton • durch neu aufgebrachte, profilfolgende, im Brandfall aufschäumende Beschichtungen

Korrosion

Die Korrosion nicht bewitterter Stahlbauteile stellt im Sanierungsfall meist kein großes Problem dar. Während Gusseisen einen hohen natürlichen Korrosionsschutz aufweist, wurden Stahlbauteile seit dem 20. Jahrhundert durch Beschichtungen geschützt. Besonders zu untersuchen sind Stahlbauteile in Kellern (Kappendecken) und bewitterte Bauteile. Probleme drohen zudem bei alten, häufig giftigen Beschichtungssystemen. Graues Gusseisen Gusseiserne Stützen kamen bevorzugt bei offenen Hallen, z. B. Markthallen, oder Überdachungen zum Einsatz, da der Korrosionsschutz von Gusseisenstützen ohne weitere Behandlung hervorragend ist. Die Gusshaut enthält hohe Bestandteile von Grafit und Korrosionsprodukten, weshalb sie das Bauteil vor weiterer Korrosion schützt, solange sie unverletzt bleibt. Das Entfernen der Gusshaut, beispielsweise durch Sandstrahlen, ist daher sowohl aus denkmalpflegerischen als auch unter technischen Aspekten nicht zu empfehlen.

Stahl in der Sanierung

Die großen Wandstärken der Gussstützen lassen außerdem vermuten, dass die Standfestigkeit bei lediglich oberflächlich oder lokal korrodierten Stützen nicht gefährdet ist. Historische Beschichtungen Rostschutz spielte zu Beginn der Anwendung von Eisen im Bauwesen eine untergeordnete Rolle, da die Bauteile im Gegensatz zu Verkehrsbauwerken nicht der Witterung ausgesetzt waren. Stahl im Hochbau wurde daher im 19. Jahrhundert meist gar nicht oder nur mit eher einfachen Behandlungen geschützt: • Teeranstrich: Beschichtungen mit Steinkohleteer waren nicht mit Ölfarben überstreichbar, fanden also nur bei nicht sichtbaren Bauteilen Verwendung. • Brünieren: Einreiben mit einem Teil Brüniersalz und drei Teilen Olivenöl • Schwarzbrennen: Einreiben mit Leinöl und anschließendes Erwärmen Spätestens seit den 1920er-Jahren war ein zwei- bis dreilagiger Schutzanstrich der gebräuchlichste Korrosionsschutz bei Schmiedeund Flussstahl. Den Rostschutz bildeten dann entweder Eisenoxid im Eisenglimmer oder Bleioxid in der Bleimennige. Als Bindemittel diente anfangs meist Leinölfirnis, später auch Kunstharz. Das Entfernen der bleihaltigen, auch Bleiweiß genannten, Beschichtungen ist nicht zu empfehlen, da das hierfür nötige Sandstrahlen giftiges Blei freisetzt, das im gebundenen Zustand keine Gefahr darstellt und daher noch als unkritisch gilt. Aus diesem Grund werden gut haftende Beschichtungen meist durch weitere Anstriche ergänzt. Dabei sind die Verarbeitungsrichtlinien der Neubeschichtung unbedingt auf die Verträglichkeit mit den damals üblichen bleihaltigen Ölfarben zu untersuchen. Unverträglichkeit kann zu dauerhafter Klebrigkeit der Oberfläche oder zum Ablösen der Altbeschichtung führen. Steinkohleteerbeschichtungen sind auch im abgebundenen Zustand gefährlich, denn sie können bei Kontakt mit Wasser möglicherweise krebserregende polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) freisetzen. Solche Beschichtungen müssen in jedem Fall entfernt werden. Sind Stahlbauten bereits sehr stark korrodiert, ist mit großer Wahrscheinlichkeit die Tragfähigkeit zumindest eingeschränkt, oft jedoch gar nicht mehr gegeben. Da das einzusetzende Material im konstruktiven Stahlbau schon immer nach Gewicht kalkuliert wurde, ist jedes Bauteil meist rechnerisch ausgelastet, also in den Dimensionen so weit wie möglich minimiert. Eine Schwächung durch großflächige und fortgeschrittene Korrosion bedeutet daher, dass die Konstruktion insgesamt oder in Teilen nicht sanierbar ist und ausgetauscht werden muss. Im Fall des Ersatzes einzelner Tragglieder ist zu prüfen, ob die Stahlsorten sich untereinander verschweißen lassen. Ausgeschlossen ist dies in jedem Fall bei Konstruktionen aus Puddel- oder Bessemerstahl, die auch im

Sanierungsfall genietet werden müssen. Die Schweißbarkeit anderer Stahlsorten ist insbesondere bei Konstruktionen der Vorkriegszeit im Zweifel durch Probenentnahme und Laboruntersuchung zu klären.

Sanierungen mit Stahl Der Baustoff Stahl ist aus vielen Gründen ideal für Sanierungs- und Umbauaufgaben geeignet: • Stahlprofile sind verhältnismäßig leicht. Sie können daher im Inneren von Gebäuden von Hand oder mit leichten Hebewerkzeugen eingebracht und verbaut werden. • Stahlbauteile lassen sich biegesteif verbinden. Sie erlauben also die Trennung in handliche Einzelteile und späteres, kraftschlüssiges Zusammenfügen am Einbauort. Auch Rahmenecken, beispielsweise als Konsolträger, sind im Umbau nur in Stahl realisierbar. • Stahlbau ist Trockenbau und verändert den Feuchtigkeitshaushalt des Bestands nicht. • Geschraubte Stahlverbindungen lassen sich wieder demontieren. Gerade in denkmalgeschützten Gebäuden spielt die Rückbaufähigkeit von Einbauten eine wesentliche Rolle. Stahl ist hierfür ideal geeignet, auch weil er sich hervorragend weiterverwenden (Direktrecycling) oder wiederverwerten (Recycling) lässt. Diesen Vorteilen stehen nur wenige Nachteile gegenüber. Stahlbauteile müssen vor Brand geschützt werden, als sichtbare Träger scheiden sie daher häufig aus. Sie sind zudem hoch wärmeleitend und dementsprechend für Durchdringungen der Außenhaut, z. B. für Auskragungen, nicht geeignet.

C 3.9 1922 in Deutschland festgelegte Berechnungswerte C 3.10 erste Ausgabe der DIN 1612 von 1925 (neue Bezeichnungen, neue Kennwerte) C 3.11 Vergleich zwischen anzunehmenden Verkehrslasten um 1890 und 2006 C 3.12 neue Galerie als Ergänzung, eingeschoben in historische Stahlkonstruktion (Farbton Kölner Grün), Büro einer Agentur, Köln (D) 2006, 4000architekten C 3.13 neu ergänzter Träger für Galerie und zugehörige Treppe, Büro einer Agentur C 3.14 Einzelbüro mit historischer Stütze, Büro einer Agentur

C 3.12

Statische Veränderungen im Massivbau

Aus dem Umbau von Massivbauten sind Stahlbauteile heute nicht mehr wegzudenken. Abfangungen tragender Wände und nachträgliche Verstärkungen und Sanierungen von Holzbalkendecken oder Dachstühlen sind oftmals nur durch Stahlbauteile möglich, verfügen diese doch über eine hohe Tragfähigkeit und lassen sich auch im Inneren von Gebäuden relativ leicht transportieren. Im Gegensatz zu Stahlbeton bringen sie keine Feuchtigkeit in das Gebäude und sind – wichtig im Sinne des Denkmalschutzes – wieder demontierbar.

C 3.13

Neue Durchbrüche im Mauerwerk Um Ausbrucharbeiten an tragenden Bauteilen durchführen zu können, müssen zuerst die vorhandenen Lasten abgefangen werden. Bei mehr als 100 cm breiten Wanddurchbrüchen sind zwei Lasten von Interesse: die Deckenlasten und das Gewicht des Mauerwerks oberhalb der geplanten Öffnung. Bei Durchbrüchen unterhalb dieses Maßes ist durch die natürliche Bogenwirkung des Mauerwerks während des Ausbruchs meist eine ausreichende Tragfähigkeit gegeben, sodass auf Abfangungen verC 3.14

161

Teil D

Abb. D

Neue Olympia-Skisprungschanze, GarmischPartenkirchen (D) 2009, terrain: loenhart&mayr architekten und landschaftsarchitekten

Gebaute Beispiele im Detail

Architektur & Landschaft, Aussichtsturm in Senftenberg (D)

166

Heatherwick Studio, Café und Restaurant in Littlehampton (GB)

169

BIG – Bjarke Ingels Group, Dänischer Pavillon auf der EXPO 2010 in Shanghai (CN)

172

Herzog & de Meuron, CaixaForum in Madrid (E)

178

SANAA/Kazuyo Sejima + Ryue Nishizawa, New Museum of Contemporary Art in New York (USA)

182

Jakob + MacFarlane Architekten, Kulturzentrum in Paris (F)

185

Nieto Sobejano Arquitectos, Umbau und Erweiterung Kunstmuseum Moritzburg in Halle (D)

188

Sou Fujimoto Architects, Wohnhaus in Utsunomiya (J)

193

Berranger & Vincent * architectes, Einfamilienhaus in Montbert (F)

196

Studio Paralelo, Wochenendhaus in São Francisco de Paula (BR)

198

OTH Ontwerpgroep Trude Hooykaas, Bürogebäude Kraanspoor in Amsterdam (NL)

200

Richard Rogers Partnership, Justizgebäude in Antwerpen (B)

204

METRA & Associés, Büro- und Produktionsgebäude in Besançon (F)

208

Ackermann und Partner, Produktionsgebäude in Bietigheim-Bissingen (D)

210

COOP HIMMELB(L)AU, BMW Welt in München (D)

214

Foster + Partners, Bürohochhaus in London (GB)

218

Kohn Pedersen Fox Associates, Multifunktionales Hochhaus in Shanghai (CN)

221

ENKA Structural and Architectural Design Group, Bürohochhaus in Moskau (RUS)

224

Renzo Piano Building Workshop, Bürohochhaus in New York (USA)

226

Mecanoo architecten, Wohnhochhaus und Bürogebäude in Rotterdam (NL)

230

SNCF/DAAB; Jean-Marie Duthilleul & François Bonnefille, Bahnhof in Straßburg (F)

234

Richard Rogers Partnership, Flughafenterminal in Madrid (E)

238

Santiago Calatrava LLC, Bahnhof in Lüttich (B)

242

Heinisch.Lembach.Huber Architekten, Sporthalle in Hardthausen am Kocher (D)

249

gmp – von Gerkan, Marg und Partner, Fußballstadion in Kapstadt (ZA)

252

terrain: loenhart&mayr architekten und landschaftsarchitekten, Neue Olympia-Skisprungschanze in Garmisch-Partenkirchen (D)

256

von Gerkan, Marg und Partner, Olympiastadion in Berlin (D)

261

165

Beispiel 03

Dänischer Pavillon auf der EXPO 2010 Shanghai, CN 2010 Architekten: BIG – Bjarke Ingels Group, Kopenhagen Bjarke Ingels, Finn Norkjaer Mitarbeiter: Tobias Hjortdahl, Jan Magasanik, Claus Tversted, Henrick Poulsen Tragwerksplanung: 2+1, Kopenhagen Arup AGU, London Arup Shanghai, Shanghai Tongji Design Institute, Tongji

Im Zeichen eines kontinuierlichen Bewegungsflusses zeigt sich der dänische Pavillon auf der Weltausstellung 2010 in Shanghai als Doppelspirale. Die Ausstellung im Inneren des Pavillons ist fließend mit dem Außenraum auf der Dachterrasse verbunden. Das Land präsentiert sich mit seiner »Kleinen Meerjungfrau« – extra eingeflogen aus Kopenhagen – im Zentrum eines Wasserbeckens und 1500 Stadtfahrrädern, die dazu einladen, auf den speziell angelegten Fahrradwegen und Rampen die Schleife zu erkunden. Ein Aufzugskern verbindet als einziges starres, vertikales Bauglied den tiefsten und höchsten Punkt der Schleife. Nach einer 90° Kurve erhebt sich die Konstruktion vom Boden und kragt frei aus, bis sie den Kern auf einer Höhe von 7,50 m erneut erreicht und dann in einem kleineren Radius wieder nach unten führt. Genau gegenüber dem Kern befinden sich innerer und äußerer Ring auf einer Höhe, und ihre Primärstruktur aus radial angebrachten Rahmen verschmilzt zur Stabilisierung. Eine weitere Verbindung besteht an den beiden Stellen, an denen die obere Trägerlage eines Rings mit der unteren des anderen auf einer Höhe liegt. Ab hier ist die mit Stahlblech verkleidete Fachwerkstruktur auf den Boden abgeführt und unterstützt so die große Auskragung. In diesem Bereich kann eine maximale Bewegung der Konstruktion um 158,30 mm auftreten. Die radialen Rahmen sind durch Träger zu einer Röhre verbunden, die in Form einer Endlosschleife die Struktur bildet. Diagonalen kreuzen die entstehenden Felder aus. Lediglich die Rampen, die Innen- und Außenraum verbinden, durchbrechen die Struktur. Die äußere Fassade ist aus steifem, 8 mm starkem Stahlblech gebogen, die innere hat eine Stärke von 4 mm. Für die gewünschten Blickbeziehungen und eine natürliche Belüftung ist das Blech der Außenfassade perforiert. Die insgesamt 3641 Löcher variieren von 106 bis 266 mm je nach Beanspruchung der Stahlkonstruktion. Stark belastete Bereiche bleiben geschlossen. • radiale Stahlrahmen verbinden sich mit Trägern und Fassade zur steifen Röhre • Perforation im Stahlblech zeigt Belastung der Konstruktion

172

lineare Ausstellung

rotierende Ausstellung

fortlaufende Ausstellung

Dachterrasse, Fahrradstellplätze und Empfangsbereich

verbundene Schleifen bilden Zusammenhang zwischen innen und außen

Pavillon als Brücke über dem Boden und aufgeständerter Spazierweg

Dänischer Pavillon auf der EXPO 2010

b 5 c

11 c 11 1

d e a

11 5

11 6

Dachaufsicht

Schnitte • Grundrisse Maßstab 1:800 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Wasserbecken mit der »Kleinen Meerjungfrau« Konferenzraum Küche Technik Zugang Bar/Empfang Ausstellungsbereich Fahrradrampe Verkaufsfläche Projektionsraum Fahrradstellplätze Springbrunnen

173

Beispiel 13

Büro- und Produktionsgebäude Besançon, F 2007 Architekten: METRA & Associés, Paris Mitarbeiter: Olivier Foucher, Gaelle Lenouenne Tragwerksplanung: Frachon-Soder, Dole RFR, Paris

In dem neuen Fertigungszentrum im französischem Besançon, ca. 160 km nördlich von Genf, produziert das Unternehmen Sophysa neurologische Implantate für die Medizinbranche. Das zwei-, in Teilen dreigeschossige Gebäude misst 75 ≈ 27 m und ist an einen leicht nach Südwest abfallenden Hang gebaut. Man betritt es über die Eingangshalle auf dem unteren Geländeniveau. Hier befinden sich Sitzungssäle und Büroräume, während im Obergeschoss neben Produktionsbereichen im hinteren Gebäudeteil der 400 m2 große Reinraum mit umlaufender Galerie das Zentrum bildet. Über dem untersten Geschoss aus Stahlbeton erhebt sich das Stahltragwerk als Träger-Stützenkonstruktion. Die Stützenreihen verlaufen entlang der Fassade und in der Gebäudemitte. Hierauf liegt ein IPE 550 Längsträger zur Stabilisierung. Die übrigen Träger fallen als IPE 360 und IPE 400 kleiner aus. Aufgrund der Empfindlichkeit der Implantate herrscht in den Innenräumen eine kühle, reine Atmosphäre, die durch die verwendeten glatten, beständigen Materialien wie Edelstahl und Glas unterstrichen wird. Die Gebäudehülle ist ebenfalls von diesen Eigenschaften geprägt. Umlaufende Fassadenbänder in Edelstahl mit einer Aluminium-Zink-Beschichtung verleihen dem Gebäude mit seiner klaren, geradlinigen Silhouette eine besondere Identität. Die Bänder liegen im Dachbereich flach am Gebäude an und sind komplett geschlossen. Im unteren Fassadenbereich stehen die Lamellen in verschiedenen Winkeln zur Fassade und sind teilweise gelocht. Ihre Neigung richtet sich nach der Funktion der dahinterliegenden Räume, um eine angemessene Belichtung, Ausblicke und einen ausreichenden Schutz zu gewährleisten. Eine Unterkonstruktion aus verzinkten Stahlrohren trägt die Sonnenschutzlamellen in einem Raster von 90 cm. Da die Bänder das komplette Gebäude umhüllen, entsteht ein Spiel mit wechselnden Ausblicken und Reflexionen und einer besonderen Beziehung zwischen Innen- und Außenraum. • Edelstahlbänder als Sonnenschutzlamellen • bewegte Fassade durch unterschiedliche Neigung der Lamellen • Stahlstützen und -träger auf Stahlbetonsockel

208

9 a

Schnitt Grundrisse Maßstab 1:750

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Eingangshalle Restaurant Besprechungsraum Umkleiden Büroräume Reinraum Produktionsbereich Lager Technik

Büro- und Produktionsgebäude

Vertikalschnitt Maßstab 1:20 10 11 11 12 10

13 14

Dachaufbau: Abdichtung Kunststoffbahn 2 mm Wärmedämmung 70 mm Dampfsperre, Trapezblech 40 mm Stahlblech gebogen grau pulverbeschichtet 1 mm Fassadenaufbau: Edelstahlblech gekantet mit AluminiumZink-Beschichtung 240/5400/1 mm Hinterlüftung 20 mm Unterkonstruktion Z-Profile Aluminium Feuchtigkeitssperre Wärmedämmung zweilagig 110 mm Verkleidung Stahlblech gekantet 450/5400 mm Stahlprofil HEA 100 Stütze Stahlprofil IPE 400 Aussteifung Stahlrohr

15 16 17 18 19 20

21 22 23

| 100/100/5 mm Träger Stahlprofil IPE 360 Queraussteifung Stahlrohr ¡ 150/100/5 mm Fassadenschwert Stahlblech 70/10/2680 mm Isolierverglasung Stahlblech zweilagig verzinkt 195/20/3 mm Verschattungslamellen Edelstahlblech mit Aluminum-Zink-Beschichtung 240/5400/1 mm Unterkonstruktion Stahlrohr verzinkt ¡ 50/30 mm Verblendung Wellblech 76/18/0,75 mm Bodenaufbau: Bodenbelag Linoleum Estrich 80 mm, Trennlage Hohldecke Stahlbeton 200 mm

12 13

209

Beispiel 26

Neue Olympia-Skisprungschanze 1

Garmisch-Partenkirchen, D 2009 Architekten: terrain: loenhart&mayr architekten und landschaftsarchitekten, München (Skisprungschanze, Aufsprungbauwerk, Außenanlagen) Mitarbeiter: Florian Sattler, Björn Rhode, Dana Steins, Swen Neubauer, Wibke Dehnert, Monika Schüller Sieber + Renn, Sonthofen (Sprungrichtergebäude, Schanzentechnik) Tragwerksplanung: Mayr Ludescher Partner, München Aufgrund sich wandelnder Sprungtechniken entsprach das Profil der Großen Olympiaschanze am Gudiberg nicht mehr den Anforderungen des Internationalen Skiverbands FIS. Der aus der Dynamik des Skispringens abgeleitete Entwurf der neuen Schanze setzt nicht nur eine augenfällige Landmarke im GarmischPartenkirchener Talkessel, er zeichnet auch die Topografie der sanft auslaufenden Bergkette nach und erscheint als eine Art gebautes Segment der Landschaft. Daher sollte keine Vertikale unterhalb des Schanzenkopfs die weit auskragende Gesamtform stören. Das Aufsprungbauwerk – eine Stahlbrücke, die die Kurve des Aufsprunghangs nach oben verlängert – verzahnt die Schanze zusätzlich mit dem Hang. Darunter eingeschoben ist ein Flachbau mit Athleten- und Nebenräumen. Da diese Funktionen am Boden verbleiben, konnte das eigentliche Schanzenbauwerk schlanker dimensioniert werden. Ein Schrägaufzug entlang einer »Himmelsleiter« durch das Anlaufbauwerk sichert ein rasches Erreichen des Schanzenkopfs. Die Tragstruktur des Schanzenkörpers besteht aus einem viergurtigen Fachwerk mit 400 mm großen Doppel-T-Profilen; Querrahmen steifen den trapezförmigen, sich kontinuierlich wandelnden Querschnitt aus. Transluzente Polycarbonat-Stegplatten bekleiden die Flanken der Stahlkonstruktion und binden sie so zu einer dynamischen Gesamtform zusammen. Nach oben hin nimmt ihre Transparenz kaum merklich kontinuierlich ab, sodass man im unteren Bereich die Stahlstruktur erahnen kann, der Schanzenkopf mit Räumen für Springer und Besucher jedoch körperhaft geschlossen wirkt. Je nach Tageszeit und Belichtungssituation verändert sich der Charakter des Baukörpers: Tagsüber und vor allem bei geschlossener Schneedecke erscheint die weißgraue Hülle sanft in die Landschaft eingebettet, nachts löst sich die von innen erleuchtete Schanze als Lichtskulptur aus den umgebenden Hängen. • viergurtiges trapezförmiges Fachwerk • weite Auskragung ohne Vertikale • transluzente Polycarbonat-Stegplatten lassen Stahlstruktur durchscheinen

256

2 5

4 3

Neue Olympia-Skisprungschanze

8 2 a

7 1

Schnitt • Lageplan 1 2 3 4 5 6

Maßstab 1:2500

Anlaufbauwerk Trainerpodest Infrastrukturgebäude /Athleten- und Nebenräume Aufsprungbauwerk Flugkurve Sprungrichtergebäude

7 8 9

Aufsprunghang Zuschauertribünen Übungsschanzen

B C

Schema Montageablauf A

Montage der Anlaufkonstruktion inklusive Ausbau und Verkleidung in Bodennähe

Herunterspannen des Schanzentischs zum Lagerpunkt und Fixieren der Gesamtkonstruktion Der Fachwerkkörper lagert »gelenkig« auf den beiden Drucklagern an den Fußpunkten der Untergurte auf und wird am Schanzentisch mit einem zugfesten Lager im Gleichgewicht gehalten; die darunterliegenden Gebäude werden als Ballast genutzt.

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