Stahl eignet sich hervoragend für den Bau im Wasser. Für unsere

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Stahlbau im und mit Wasser
Stahl eignet sich hervoragend für den Bau im Wasser.
Firth of Forth Railway Bridge
Für unsere Entwurfsaufgabe Stadtbad an der Spreuerbrücke war es für mich wichtig, herauszufinden, was zu beachten ist, wenn Stahl und Wasser miteinander in
Berührung kommen. Folgende Fragen lassen sich in diesem Zusammenhang stellen:
Welche Fügungsarten von Stahl eignen sich für den Stahlwasserbau?
Welche Stahlarten eignen sich?
Wie kann man Stahl vor Korrosion schützen?
Fügungsarten
Grundsätzlich wird Stahl heutzutage geschweisst (punktgeschweisst) oder genietet. Das Kleben mit 3M Kleber ist im Aufkommen. Es ist jedoch eher ein heikles
Verfahren. Die Oberflächen müssen sehr sauber und fettfrei sein und die Lufttemperatur muss stimmen.
Schweissbrenner
zwei unterschiedliche Nähte beim Schweissen
Schweissnähte - abgekantete Elemente
Als wasserfeste Fügungsart eignet sich das Schweissen am besten. Die Nähte
werden wasserdicht verschlossen. Bei dickem Blech müssen die Kanten vor dem
Schweissen abgeschrägt werden, damit sich die Teile besser miteinander verbinden (siehe Skizze links).
Von der Wärme, welche beim Schweissen entsteht, verbieget sich der Stahl. Es
muss darauf geachtet werden, dass abwechslungsweise von links und rechts geschweisst wird, damit sich die Stahlteile gleichmässig verbiegen.
Vorteile des Schweissen:
• viele Gestaltungsmöglichkeiten
• kostengünstiges Ausgangsmaterial bei Walzerzeugnissen
• geringes Konstruktionsgewicht
• bei Einzel- und Kleinserienfertigung ist die Schweisskonstruktion am kostengünstigsten
• grosse Elemente können direkt auf Baustelle geschweisst werden
Nachteile des Schweissen:
• Schweissverzug
• Kerben
• hohe Eigenspannung
• Gefügebeeinflussung
• nicht alle Stähle sind schweissbar
• Qualität abhängig vom Schweisser
Diesen Nachteilen kann mittels einer Qualitätssicherung, welche jedoch sehr teuer ist, abgeholfen werden.
Mit dem TIG-Schweissverfahren, bei welchem ein Zusatzdraht von Hand zugegeben wird, lassen sich feine und schöne Schweisnähte herstellen.
TIG-Schweissnaht
Material / Stahlarten
Für den Stahlbau im Wasser braucht es einen Stahl mit einer hohen Korrosionsbeständigkeit. Deshalb eignet sich Chromstahl (Stahl mit einem Chromgehalt
von <17%) sehr gut. Chromstahl wird im sprachlichen Umgang oft für Chromnickelstahl verwendet. Chromstahl gehört zu den korrosionsbeständigen Stahllegierungen, den hochlegierten Edelstählen. Nichtrostende Stähle besitzen eine
besondere Beständigkeit gegen chemisch angreifende Stoffe. Diese haben einen
Chromgehalt von mind. 12% und einen Kohlenstoffanteil von höchstens 1.2%.
Je nach gewünschten Eigenschaften können Zusätze wie Nickel, Molybdän, Titan
1
Schweissen der Chromstahlboje für den Entwurf
Quellen:
Hochschule Luzern. Stahl. Phase 1: Material. Luzern, Architektur, Lehrmittel, 2013.
Würtemberger, Gerold: Fachkunde für Metall Berufe. 42. neubearbeitete Auflage. Wuppertal: Europa-Lehrmittel, 1979.
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oder andere Metalle zugegeben werden. Bei Nickelzusatz schimmert die Oberfläche leicht gelblich, bei reinem Chrom bläulich.
Patina als Schutz: Der Chromgehalt bildet an der Oberfläche des Stahls eine absorptiv gebundene Sauerstoffschicht, welche die drunterliegenden Schichten vor
Korrosion und Säuren schützt. Bei Erhöhung des Chromgehaltes oder bei Zugabe
von Legierungselementen (z.B. Nickel) verbessern sich die Korrosionsbeständigkeit und andere physikalische Eigenschaften.
Chrom
Der alltäglichste Legierungstyp des nichtrostenden Stahls ist der Werkstoff
1.4301 (V2A alt), welcher auch in der Architektur angewendet wird. Er ist ein austenitischer 18/10 Cr-Ni-Stahl (18% Chrom & 10% Nickel) und wird bis zu einer
Temperaturbeanspruchung von 300° zugelassen. Die Schweissbarkeit des Stahls
ist gut und er kann durch Tiefziehen, Abkanten, Rollformen ect. verformt werden.
Eigenschaften
Nickel
• robust
• pflegeleicht (Kratzer und Rillen auf Abde-
• Härte
• Zähigkeit
• hohe Wärme - und Kälteverträglichkeit
• Sprödbruchunempfindlichkeit
• nicht magnetisch (austenitisches Gefüge)
ckungen verlieren nach kurzer Zeit die harten
Konturen und gleichen sich der Oberfläche an)
• hygienisch
• korrosionsbeständig / nichtrostend
• unempfindlich gegen Feuchtigkeit
und die meisten Säuren
Molybdän
unlegierter Baustahl
Legierungselemente ...Chrom
Nickel
Molybdän
Baustahl
Dichte [g/cm3]
Chrom
7.1
Nickel
8.9
Molybdän
10.2
Baustahl
7.8
Dichte [g/cm3]
Schmelzpunkt
[°C]
Schmelzpunkt
[°C]
Zugfestigkeit
[N/mm2]
Zugfestigkeit
[N/mm2] [%]
Dehnung
7.1
1890
8.9
1455
10.2
2623
7.8
1460
1890
687
2623
500 - 900
1460
310 - 680
687
40
1455
392 - 441
700 - 800*
392 - 441
700
- 800*
50 - 40;
2*
500 - 900
10 - 20
310 - 680
18 - 26
Dehnung [%]
E-Modul
[N/mm2]
E-Modul
[N/mm2]
Wärmeausdehnung [mm]
Wärmeausdehnung [mm]
Wärmeleitfähigkeit
Wärmeleitfähig[W/mK]
keit
[W/mK]
* kaltverfestigt
40
279000
50 - 40; 2*
210900
10 - 20
330000
18 - 26
212000
279000
8.4
210900
13.0
330000
5.2
212000
11.5
8.4
13.0
5.2
11.5
94
92
139
48 - 57
94
92
139
48 - 57
*kaltverfestigt
* kaltverfestigt
nichtrostender austenitischer Stahl
... und ihre Auswirkung auf die verschiedenen Stahlarten
Chrom-Stahl
240
Chrom-NickelStahl
Chrom-NickelStahl
440 - 630
ChromMolybdän-Stahl
ChromMolybdän-Stahl
20
240
195
440 - 630
500 - 700
20
45
195
205
500 - 700
510 - 710
45
40
205
510 - 710
40
Chrom-Stahl
Streckgrenze
[N/mm2]
Streckgrenze
[N/mm2]
Zugfestigkeit
[N/mm2]
Zugfestigkeit
[N/mm2] [%]
Dehnung
Verfärbungen von Chromstahl
Dehnung [%]
Quellen:
http://www.materialarchiv.ch/detail/1373/Chrom#/detail/1373/chrom
http://www.rom-metallbau.ch/chromstahl.html
http://www.breschan.ch/ueber-chromstahl/was-ist-chromstahl.html
http://www.swissinox.ch/typo3/uploads/media/Prosp_Uebersicht_d.pdf
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Der E-Modul von Chormnickelstahl ist etwas tiefer als der von Stahl, die Bruchdehnung jedoch ist höher. Die Zugfestigkeit nimmt mit dem Legieren zu.
Nachteil von Chromstahl: Es ist zu beachten, dass Stellen, welche immer abwechslungsweise nass und trocken sind, Verfärbungen bekommen. Diese lassen sich allerdings reinigen.
unterschiedliche Chromstahlbleche
Stahlkorrosion
Korrosionsschutz für Stahl
Stahl korrodiert an der Luft, im Wasser und im Erdboden. Es gibt verschiedene
Verfahren, um hochlegierten bzw. niedriglegierten, nicht korrosionsfesten Stahl
vor Korrosion zu schützen. Am wirksamsten sind Beschichtungssysteme, welche
zudem vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten bieten.
Je nach Anwendungsgebiet gibt es verschiedene Korrosivitätskategorien:
C1
unbedeutend
nur Innen: geheizte Gebäude mit neutralen
Atmosphären
C2
gering
ländliche Bereiche, ungeheizte Gebäude mit
geringer Kondensation
C3
mässig
Stadt- und Industrieatmosphäre, mässige
Verunreinigung, keine Exposition zu Salzen,
Produktionsräume mit hoher Feuchte, z.B.
Anlagen zur Lebensmittelherstellung,
Wäscherei,...
C4
stark
Stadt- und Industrieatmosphäre mit
zusätzlicher chemischer Belastung, z.B. Tausalz,
Strassenausrüstung, Chemieanlagen,
Schwimmbäder, Bootsschuppen über dem
Meerwasser
C5-I
sehr stark
(Industrie)
Industrielle Bereiche mit hoher Feuchte und
aggressiver Atmosphäre, Meeresklima,
tropisches Klima, ständige Kondensation,
starke Verunreinigung
C5-M
sehr stark (Meer)
Küstenbereiche mit hoher Salzbelastung,
Gebäude mit nahezu ständiger Kondensation
Feuerverzinken von Stahl
feuerverzinkter Stahl
galvanisches Verzinken
Es gibt metallische und nicht metallische Überzüge als Schutz vor Korrosion.
Nichtmetallische werden weiter unterteilt in organische und anorganische Überzüge. Organische Überzüge sind beispielsweise Anstriche von Ölfarben, Teerfarben oder Kunstharzlacke. Anorganische Überzüge werden durch Phosphatieren,
Chromatieren oder Anodisieren hergestellt. Es gibt eine breite Auswahl an metallischen Überzüge, z.B. Galvanisieren, Thermisches Spritzen, Diffundieren, Plattieren, nur um ein paar zu nennen. Genauer eingehen werde ich auf die im Stahlbau
häufig angewendeten - Feuerverzinken, Galvanisieren und Duplexieren.
Feuerverzinken
Stahl wird nach der Oberflächenvorbereitung (entfetten, beizen, spühlen) in einem Tauchbad mit schmelzflüssigem Zink bei einer Temperatur von 450°C mit
Zink überzogen. Auf der Oberfläche bildet sich ein Überzug zusammengesetzt
aus Eisen-Zink-Legierungsschichten. Nach dem Bad werden diese Schichten mit
einer glänzenden Reinzinkschicht überzogen. Die verzinkten Elemente werden anschliessend an der Luft abgekühlt.
Die Dicke des Zinküberzuges variiert zwischen 50 - 150 µm. Beim Brandverzinken
liegt sie bei 10 - 40 µm, beim Rohverzinken ist sie grösser als 60 µm. Das Aussehen ist abhängig von der Ausgangstemperatur des Stahlelementes, der Kühlgeschwindigkeit und der chemischen Zusammensetzung des Bades.
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galvanisierter Stahl
Quellen:
http://www.bundesverband-korrosionsschutz.de/fileadmin/user_upload/pdf-Dateien/Korrosionsschutz_durch_Beschichtungen_im_Stahlbau.pdf
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galvanisches Verzinken
Galvanisieren (Metallbeschichtung durch Elektrolyse)
Beim Galvanisieren werden die Werkstücke durch Elektrolyse mit einem Metallüberzug versehen. Beim Verzinken beispielsweise werden die Stücke in eine
Lösung aus Zinksulfat und Wasser getaucht und an die Katode einer Gleichstromquelle angschlossen. Die Anode wird mit einer Zinkplatte verbunden. Durch Einwirkung des elektrischen Stromes wandern die Zn-Ionen zur negativen Elektrode
(Katode) und bilden dort einen Überzug. Der Säurerest SO4 wandert gleichzeitig
gegen den Strom und sorgt für das Lösen weiterer Zn-Atome aus der Zn-Platte.
Es können Metalle wie Chrom, Kupfer, Silber oder Gold auf die gleiche Weise aufgetragen werden.
Duplexieren (Feuerverzinken & Einbrennlackieren)
Beim Duplexieren wird das feuerverzinkte Metall mit einer weiteren, farbigen
Schutzschicht versehen. Der Vorteil des Duplex-Systems liegt bei der deutlich längeren Schutzdauer, im Vergleich zu der Summe der Schutzdauer aus den jeweiligen einzelnen Korrosionsschutzsysteme. Zudem sind den farblichen Gestaltungsmöglichkeiten keine Grenzen gesetzt.
Feuertrepe feuerverzinkt und duplexiert
Einbrennlackierung: breites Farbangebot
Vorgang:
1. Feuerverzinkung
2. Staubstrahlreinigung mit weichem Feinstrahlkorn
3. Zwischenbeschichtung
4. Decklackierung und Aushärtung
Fazit
Die für den Stahlwasserbau am besten geeignete Fügungsvariante ist das
Schweissen, welches die Fugen wasserdicht verschliesst.
Je nach Anwendungsart gibt es verschieden geeignete Stahllegierungen. Chromstahl ist nicht gleich Chromstahl. Je nach gewünschten Eigenschaften gibt es ihn
mit diversen Zusätzen.
Stahl ist anfällig gegen Korrosion. Es gibt sehr viele verschiedene Methoden, je
nach Korrosivitätskategorie und gewünschtem Aussehen, um Stahl vor Korrosion
zu schützen.
Mauchle Metallbau AG - Acquaparco Rivera
Quellen:
http://www.galvaswiss.ch/pdf/NPK-AT-Feuerverzinken-Duplex.pdf
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