Frühe Stahlkonstruktionen: Herstellung, Schäden, Reparatur

Revolutionärer Baustoff

Ein Wendepunkt: Seit dem 19. Jahrhundert erhielten Stein und Holz als Baumaterialien ernste Konkurrenz durch Eisenwerkstoffe. Ökonomisch hergestellte Stahl-Halbzeuge machten es möglich, große, weit spannende und leichte Konstruktionen zu errichten.

Hart wie Stahl? Von wegen! Die Härte von Eisenwerkstoffen nimmt mit wachsendem Kohlenstoffgehalt zu – und dieser liegt bei Stahl unter 2 %, das Material ist damit tatsächlich relativ weich. Noch geschmeidiger und leichter zu verformen ist nur reines Eisen. Steigt der Kohlenstoffanteil, steigt allmählich auch die Härte des Materials, während Verformbarkeit und Zugfestigkeit sinken. Ab einem Anteil von über 2 % entsteht dann als Endprodukt ein spröder, nur noch schlecht form- und schmiedbarer Werkstoff von hoher Druckfestigkeit, aber geringer Zugfestigkeit: Gusseisen.

Die industrielle Herstellung schmiedbarer Stähle ist ein aufwendiger, mehrstufiger Prozess, der erst im Laufe des 19. Jahrhunderts technisch und wirtschaftlich bewältigt wurde. In der Natur kommt Eisen lediglich als Oxid vor, etwa in den Eisenerzen Magnetit (Fe3O4), Hämatit (Fe2O3) und Siderit (FeCO3). Um hieraus Stahl zu gewinnen, muss das Material einen mehrstufigen Prozess durchlaufen. Im ersten Schritt wird es durch Brechen, Mischen, Sintern und Klassieren zu einem homogenisierten Ausgangsstoff, dem Möller, aufbereitet. Dieser kann anschließend in einem Hochofen verhüttet werden.

Die ersten modernen Hochöfen wurden im frühen 18. Jahrhundert entwickelt, als in England die Holzkohle zur Befeuerung durch Koks ersetzt wurde. Bei der Beschickung der Öfen wurden schichtweise der Möller und Koks eingebracht. Bei dem Verbrennen des Kohlenstoffs entstehen die nötige Wärme und Kohlenmonoxid, das das Eisenoxid chemisch reduziert. Bei der Verhüttung wird aus dem Ausgangsmaterial Roheisen erzeugt – ein Zwischenprodukt mit hohem Kohlenstoffgehalt und verschiedenen unerwünschten Anteilen, das selbst zunächst noch nicht wirtschaftlich nutzbar ist.

Stahlherstellung

Um aus dem ungefügen Roheisen Stahl zu gewinnen, bereitet man es in einem weiteren Verfahrensschritt, dem »Frischen«, auf. Dabei werden der Kohlenstoffgehalt und weitere unerwünschte Anteile verringert. Ein frühes und wirtschaftlich relevantes Frischverfahren war etwa das 1784 von Henry Cord entwickelte »Puddeln«, bei dem der Luftsauerstoff über die Roheisenschmelze geführt wurde und so der Sauerstoff mit dem Kohlenstoff zu CO2 reagieren konnte. Um die Kontakt- und Reaktionsfläche der Roheisenmasse mit dem Sauerstoff zu maximieren, musste die Schmelze beständig mit Stangen gerührt und gewendet (»gepuddelt«) werden – eine außerordentlich mühsame und unangenehme Arbeit! In den folgenden Jahrzehnten wurde das Puddeln durch effizientere Frischverfahren ergänzt und schließlich abgelöst. 1855 entwickelte Henry Bessemer den nach ihm benannten Konverter (»Bessemer-Birne«), bei dem Sauerstoff von unten durch das aufgeschmolzene Roheisen geblasen wird. Bessemers zunächst nur für phosphorarme Eisenoxide nutzbares Windfrisch-Verfahren wurde in Folge von Sydney Thomas auch für die Bestückung mit den etwa im Rheinland häufigen phosphorreichen Erzen weiterentwickelt. Ab 1864 war das Siemens-Martin-Verfahren (Herdfrischverfahren) nutzbar, das gegenüber Bessemers Konzept eine präzisere Steuerung des Vorganges und damit die Erzeugung höherwertiger Stähle ermöglichte. Bei dieser Form des Frischens erfolgt die Oxidation nicht nur über Luftsauerstoff, sondern auch durch die Zugabe eines Anteils von Schrott oder Kalk, der Sauerstoff an die Schmelze abgibt. Auch konnten bei dem Frischen besonders hohe Temperaturen durch die Vorwärmung des Gasstromes mit Nutzung der entstehenden Abwärme erzielt werden. Das Verfahren gewährleistete eine so hohe Qualität und Effizienz, dass es bis in die Zeit nach dem Zweiten Weltkrieg die Grundlage der Stahlerzeugung bildete.

Aus dem nach dem Frischen gewonnenen Stahl werden in einem letzten Schritt auch für das Bauwesen nutzbare Halbzeuge – Stahlprofile – gewonnen. Der bei dem altertümlichen Puddelverfahren erzeugte Stahl musste zunächst noch einmal beim Schmieden homogenisiert werden; die durch modernere Frischverfahren gewonnenen Werkstoffe ließen sich direkt in die Grobform gießen und walzen (Abb. 1): Eisenbahnschienen wurden bereits ab 1820 gewalzt, aufwendigere Profilformen wie T- oder Z-Profile etwa ab 1830/40.

Konstruktion und Fügung

Zwar ist Stahl im Allgemeinen schmiedbar, doch wäre die handwerkliche Verbindung aller angelieferten Bauteile ökonomisch und logistisch kaum möglich gewesen. Auch die Entwicklung moderner Schweißverfahren, etwa 1891 das Lichtbogenschweißen durch den russischen Ingenieur Nikolai Bernardos, war für den Stahlbau bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts kaum relevant. Als effiziente Fügung für die vorgefertigten und auf die Baustelle angelieferten Halbzeuge setzte sich das Nieten durch. Hierbei werden die Bauteile mit einem plastisch verformten Stahlelement, dem Niet, verbunden (Abb. 2). Es handelt sich dabei um einen zylindrischen Stab, bei dem einseitig ein verdickter Kopf ausgebildet ist. Der Niet wird auf der Baustelle gelbglühend erhitzt, durch die vorgebohrten Öffnungen der zu verbindenden Bauteile gesteckt, und dann das »offene« Ende zu einem Kopf umgeschlagen. Beim Abkühlvorgang zieht sich der Niet zusammen und arretiert die Verbindung damit zusätzlich. Vereinzelt, etwa bei reversiblen Verbindungen, kamen auch Schraubbolzen zum Einsatz.

Die neue Bauweise führte zu entscheidenden Änderungen in der Konstruktions- und Baustellenpraxis: Die Einzelelemente wurden fabrikmäßig vorgefertigt und mussten vor Ort lediglich noch montiert werden. Um mühsame, arbeits- und kostenintensive Anpassungen auf der Baustelle zu vermeiden, wurden detaillierte, präzise Konstruktionszeichnungen erforderlich, bei denen einzelne Details sogar im Maßstab 1:1 dargestellt wurden. Die hohe Planungsgenauigkeit im Vorfeld des Bauprozesses förderte die Entwicklung von Konstruktionsbüros und bildet einen der Ursprünge des modernen Ingenieurbaus.

Die neue Bauweise erwies sich als überaus erfolgreich. Ökonomie und Fertigungsgeschwindigkeit bei gleichzeitig hoher Stabilität ermöglichten sowohl die Errichtung spektakulärer Bauten für Ausstellungen wie auch die Konstruktion von bisher ungekannt weit spannenden Tragwerken für Bahnhöfe, Hallen oder Brücken. Das nicht brennbare Material galt zunächst auch als Alternative zu Holz – das frühe plastische Versagen von Stahl im Brandfall wurde zunächst nicht berücksichtigt. In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts erneuerte man so aus Brandschutzerwägungen eine Reihe mittelalterlicher Dachwerke und Glockenstühle mit Stahl, etwa im Ulmer Münster (Abb. 3). Das neue Stahldach des Kölner Domes (Abb. 4) war sogar eines der größten Stahlgefüge seiner Zeit – ein liegender Eiffelturm!

Schäden

Die ersten industriell, etwa im Puddelverfahren, erzeugten Stahlprofile waren im Materialgefüge noch relativ inhomogen. Kleinste Hohlräume im Material (»Lunker«) oder Schlackeneinschlüsse bildeten zunächst nicht sichtbare Schwachstellen, die die Festigkeit des Materials reduzierten. Wesentliche Schadensursache bei Stahlkonstruktionen ist allerdings das altbekannte Problem aller Automobilbesitzer: Rost, also oxidative Korrosion, bei der durch Ionenwanderung das elementare Eisen mit Sauerstoff und Wasser zu dem bekannten, rostroten Eisen(III)-Hydroxid reagiert. Das Reaktionsmaterial nimmt ein deutlich größeres Volumen ein und kann mit seiner schwammartigen, großen Oberfläche wiederum Nässe speichern und so den Schadensfortschritt beschleunigen.

Rost ist in zweifacher Hinsicht bestandsgefährdend: Einerseits mindert der Materialabtrag den statisch nutzbaren Profilquerschnitt (Abb. 5), andererseits sind die bei der Volumenzunahme entstehenden Kräfte so groß, dass sie die Stahlverbindungen aufsprengen können. Bei der »Spaltkorrosion« dringt beispielsweise Feuchte über die Kapillarwirkung in die Fuge zwischen zwei genieteten Profilen ein. Durch die Volumenzunahme werden die beiden Elemente auseinandergetrieben; es kommt zu starken Verformungen und schließlich zum Ausreißen der Niete (Abb. 6). Die Entstehung von Korrosion wird zusätzlich durch saures Milieu begünstigt, wie auch durch gelöste Salze, die die Ionenleitfähigkeit des Wassers erhöhen. Winterliches Streusalz ist damit für historische Stahlstege und -brücken bestandsgefährdend (Abb. 7)!

Schließlich gilt es zu berücksichtigen, dass Stahlkonstruktionen, die regelmäßig dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, also etwa Glockenstühle oder von schweren Zügen befahrene Eisenbahnbrücken, im Laufe der Zeit ermüden. Nach einer bestimmten Nutzungsdauer kommt es zur Bildung von Anrissen, die sich nach und nach bis zum Bruch aufweiten. Die material- und objektspezifische Ermüdung durch Schwingungsbeanspruchung lässt sich materialwissenschaftlich mit der »Wöhlerkurve« darstellen.

Instandsetzung

Prävention ist besser als Therapie. Die Korrosion von Stahlbauwerken verhindert man am besten mit konstruktivem Bautenschutz – etwa mit der Abdeckung von »Senken« und von Fugen wie auch der Reduktion winterlicher Salzstreuung – aber ebenso mit regelmäßiger Baupflege durch Entrostung lokaler Schadstellen und Erneuerung von Schutzanstrichen.

Ist es bereits zu Korrosion gekommen, muss der Rost entfernt werden. Wenn der erhaltene Restquerschnitt noch ausreicht, genügen die Reinigung des Materials und das anschließende Aufbringen eines Schutzanstriches.

Bauzeitlich wurden die Stahlprofile meist mit einem dreilagigen Schutzanstrich aus Grund-, Zwischen- und Deckbeschichtung versehen. Die Grundbeschichtung gewährleistet dabei im Wesentlichen den Korrosionsschutz, die Deckbeschichtung bestimmt die Erscheinung des Objektes. Als Grundbeschichtung kam meist Bleimennige zum Einsatz, ein leuchtend rotes Bleioxid, das in der Antike und im Mittelalter als Farbpigment geschätzt wurde. Die Mennige ist allerdings giftig – Vorsicht also bei der Abnahme alter Anstriche! Aufgrund ihrer Toxizität sind Vertrieb und Anwendung heute stark reglementiert. In der Restaurierung hat Bleimennige als bestandsverträglicher und langlebiger Rostschutz nach wie vor ihren Platz, doch erfordert die giftige Grundierung eine Abdeckung mit ergänzenden Schichten.

Sind die Stahlprofile zu stark geschädigt, werden sie vollständig oder in Teilen erneuert. Dafür muss man oft auch die Nietverbindungen lösen. Glücklicherweise gibt es noch einige Spezialunternehmen, die Nietverbindungen für historische Stahlbauten herstellen können. Einzelne schadhafte Niete können, etwa an schlecht zugänglichen Stellen, auch durch Schraubbolzen ersetzt werden (Abb. 8).

Der Ermüdung von schwingend beanspruchten Konstruktionen ist – systembedingt – leider wenig entgegenzusetzen. Wenn eine Reduktion der Beanspruchung nicht möglich ist, lässt sich immerhin mit aufwendigen Bestandsuntersuchungen die Restlebensdauer noch etwas präziser bestimmen und damit meist auch strecken: Mit Zugversuchen an den verwendeten Profilen und Verbindungsmitteln, chemischen Untersuchungen und Dünnschliffen zur Erkundung des Materials, Dauerschwingversuchen zur Ermittlung der individuellen Wöhlerlinie und statischen Nachrechnungen kann die Schadensanfälligkeit des jeweiligen Objektes präziser umrissen werden. Mit etwas Geschick ist es möglich, lokale Schwachpunkte zu identifizieren und diese gezielt zu verstärken.

~Christian Kayser


Über den Autor Christian Kayser

1999-2004 Architekturstudium an der TU München und der University of Bath (GB), Schwerpunkt Bauforschung und historische Baukonstruktionen. Seit 2004 Mitarbeit im Ingenieurbüro Barthel & Maus, seit 2012 als Geschäftsführer, seit 2019 als Kayser + Böttges, Barthel + Maus. 2008-11 Akademischer Rat an der TU München, dabei Dissertation. Lehraufträge an TU und LMU München.


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