Ein Stahl für jedes Klima

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Extremwetter und unsere Werkstoffe

Früher hieß es gerne: „Wer nichts zu sagen hat, der redet über das Wetter.“ Aber früher waren Gummistiefel bekanntlich noch aus Holz und wer heute über das Wetter redet, denkt dabei meist an den Klimawandel und die sich mit ihm mehrenden Extremwetterereignisse.

Sintflutartige Niederschläge, arktische Temperaturen und tropische Hitzerekorde wurden allerdings nicht nur in den letzten Jahren gemessen. So lag laut dem Deutschen Wetterdienst die höchste jemals in Deutschland registrierte Windgeschwindigkeit bei 335 Kilometern pro Stunde (Zugspitze, 1985), die maximale Temperatur bei 41,2 °Celsius (Duisburg, 2019) und die größte Niederschlagshöhe bei 312 Millimetern innerhalb von 24 Stunden (Zinnwald, 2002).

Nun befindet sich auf der Zugspitze bekanntlich eine Bergstation inklusive einer Seilbahn, Zinnwald hat immerhin 417 Einwohner und Duisburg noch ein paar mehr – was wiederum bedeutet, dass neben den Menschen selbst natürlich auch die von ihnen errichteten Gebäude immer wieder extremen Wetterereignissen ausgesetzt sind.

Dass diese bei einem Orkan oder starken Temperaturschwankungen nicht wie ein Kartenhaus in sich zusammenfallen, sondern für Jahrzehnte sicher und stabil stehen, liegt natürlich auch am Werkstoff Stahl. In diesem Beitrag möchten wir daher einen Blick auf Wind, Temperatur und Wetter werfen, Ihnen zeigen, welchen Belastungen viele Konstruktionen dabei ausgesetzt sind und erklären, wie Stähle diese Extreme aushalten.

 

Hitze: Schmelzender Stahl und tropfender Schweiß

Beginnen wir am oberen Ende der Temperaturskala: Die höchste jemals registrierte Lufttemperatur beträgt 56,7 °Celsius und wurde im berühmten Death Valley in den USA gemessen. Darüber kann Stahl natürlich nur lachen; sein Schmelzpunkt liegt je nach Legierung schließlich im hohen drei- bis vierstelligen Bereich. Oder?

Tatsächlich ist es nicht die Verflüssigung, die Architekten und Ingenieuren ihre Aufmerksamkeit abverlangt – es sei denn, sie konstruieren gerade eine Turbine – sondern vielmehr die räumliche Ausdehnung eines Werkstoffes bei steigenden Temperaturen.

Denn wie Ihnen sicher bekannt ist, expandieren physikalische Stoffe bei Wärmezufuhr und ziehen sich bei Temperaturabfall wieder zusammen. Die dazugehörige Formel für die Längenausdehnung lautet:

𝑙0 . 𝛼 . Δ𝑇 = Δ𝑙

 

Dabei ist:

𝑙0

die Ausgangslänge in Metern

𝛼

der stoffabhängige Längenausdehnungskoeffizient in 1/Kelvin (bei Stahl je nach Legierung circa 12×10-6 bis 16×10-6)

Δ𝑇

die Temperaturänderung in Kelvin

Δ𝑙

die Längenänderung in Metern

Das bedeutet, dass sich die Stahlkonstruktion (α=12×10-6) einer 100 Meter langen Brücke bei einer Temperaturänderung von 70 Grad um 8,5 Zentimeter ausdehnt. Der aus Eisen (α=11,8×10-6) gebaute Eiffelturm mit seiner Länge von 330 Metern wiederum ist an heißen Sommertagen um bis zu 30 Zentimeter höher als an kalten Wintertagen.

In der Praxis ist diesem physikalischen Phänomen allerdings leicht Herr zu werden: Stahlbauer, Hoch- und Tiefbauer, sogar Fliesen- und Parkettleger installieren in ihren Konstruktionen immer sogenannte Dehnungsfugen. Diese bestehen aus einem elastischen Material und kompensieren neben der Ausdehnung und Kontraktion der einzelnen Bauteile auch andere Einflüsse wie zum Beispiel seismische Aktivitäten.

Kälte: Spröde Werkstoffe und schlotternde Knie

Kommen wir zum gegenüberliegenden Ende der Temperaturskala: Die tiefste jemals gemessene Temperatur in natürlicher Umgebung wurde in der Antarktis erreicht. Am 21.07.1983 meldete die Forschungsstation Vostock -89,2 °Celsius.

Solche extremen Minusgrade können selbst Stähle auf die Zerreißprobe stellen – und zwar im wahrsten Sinne des Wortes. Denn mit fallenden Temperaturen nimmt die Zähigkeit eines Werkstoffes immer weiter ab; das Material wird spröder. Gemessen wird seine Zähigkeit im sogenannten Kerbschlagbiegeversuch.

Dabei trifft ein Pendelhammer mit einer bestimmten kinetischen Energie auf die Rückseite einer gekerbten Probe. Die Art des Bruches und vor allem der Rückschwungwinkel des Hammers erlauben Rückschlüsse auf die beim Aufprall absorbierte Energie und damit die Zähigkeit eines Materials.

Die Formel dazu lautet:

𝑚×𝑔×(ℎ′−ℎ)=𝑊

 

Dabei ist:

𝑚

die Masse des Pendelhammers in Kilogramm

𝑔

die Fallbeschleunigung (auf der Erde 9,81 m/s2)

(ℎ′−ℎ)

die Fallhöhe minus die Steighöhe des Pendelhammers

𝑊

die Kerbschlagarbeit in Joule

Besonders wichtig für Werkstoffe ist bei diesem Experiment die Grenze des Steilabfalls – also jene Temperatur, bei der seine Zähigkeit rapide abnimmt.

Austentitische Stähle besitzen dabei tatsächlichen keinen Steilabfall. Sie bleiben auch bei Temperaturen bis zu -196 °Celsius zuverlässig zäh und nehmen Südpoltemperaturen achselzuckend hin.

-196 °Celsius ist übrigens auch die Temperatur, bei der flüssiger Stickstoff gelagert wird. Austentitische Werkstoffe, vor allem solche auf Nickelbasis oder Aluminiumlegierungen, eignen sich daher auch für den Einsatz in der Chemieindustrie. Allerdings geht es noch kälter:

Der absolute Nullpunkt liegt bekanntlich bei -273,15 °Celsius. Mit -253 °Celsius kommt flüssiger Wasserstoff diesem Wert schon sehr nahe. Helium verflüssigt sich sogar erst bei einer Temperatur von -270 °Celsius.

Da gerade Wasserstoff als Energieträger der Zukunft gilt, stellt sich natürlich die Frage, ob Stahl auch solche Minusgrade aushalten kann. Und tatsächlich kann er: Hochlegierte austentitische Edelstähle mit Chromanteilen von bis zu 21 Prozent und Nickelanteilen von bis zu 14 Prozent widerstehen selbst Temperaturen von annähernd 20 °Kelvin.

Wind: Schwankende Bauten und zerzauste Haare

Neben der Temperatur gehört zu einem handelsüblichen Wetterbericht bekanntlich auch immer der Wind. Von Hurrikans, die ganze Landstriche verwüsten, bleiben wir bislang zwar verschont aber auch

hierzulande kann es zu Orkanen mit Windgeschwindigkeiten von über 160 Kilometern pro Stunde kommen. Die größte jemals gemessene Windgeschwindigkeit in unseren Breiten beträgt sogar 335 Kilometer pro Stunde.

Allerdings müssen es nicht gleich 10 Beaufort sein, damit Wind Einfluss auf Gebäude nimmt. Bereits die alltägliche Luftzirkulation reicht aus, um Gebäude ins Schwanken zu bringen. In den windgeplagten USA etwa gilt daher die Vorschrift, dass sich ein Haus um maximal 0,5 Prozent seiner Höhe seitlich verschieben darf.

Bei einem durchschnittlichen Einfamilienhaus von zehn Metern Höhe wären das immerhin schon fünf Zentimeter. Ein echter Wolkenkratzer wie das Burj Khalifa in Dubai (mit 828 Metern immer noch das höchste Gebäude der Welt) dagegen dürfte an seiner Spitze um deutlich sichtbare 4,14 Meter schwanken.

Solch extremen Schwankungen versuchen Ingenieure und Architekten natürlich vorzubeugen. Zum Beispiel, indem sie die Aerodynamik ihrer Konstruktionen entsprechend anpassen. Oder durch Maßnahmen wir im Taipei 101 (508 Meter Höhe, 1,3 Meter effektive Schwankung): Dort schwebt zwischen dem 87. und 92. Stockwerk eine an Trossen aufgehängte gewaltige Stahlkugel, die die Schwankungen absorbiert und das Gebäude auch vor Erdbeben schützen soll.

Was uns direkt wieder zum Werkstoff Stahl führt. Denn egal, wie findig die Konstrukteure auch sind, vollständig kompensieren lässt der Einfluss des Windes sich nicht. Deshalb ist für ihre Arbeit die Auswahl der richtigen Stahlsorten von entscheidender Bedeutung:

Geeignete Stähle für den Hochbau sind in einschlägigen Regelwerken, wie etwa der Bauprodukteverordnung (BauPV), der bauaufsichtlichen Zulassung des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBt) oder der Euronorm mit ihrem CE-Zeichen exakt genormt. Dabei spielen gleich zwei Werkstoffeigenschaften eine wichtige Rolle: Zum einen der Übergang von der Elastizität (ein Material kehrt nach einer Belastung in seinen Ursprungszustand zurück) zur Plastizität (ein Material verbleibt nach einer Belastung im verformten Zustand); zum anderen seine Steifigkeit – also der Widerstand eines Körpers gegen äußere Belastungen.

Welche Werte ein Werkstoff erreichen muss, um sich für einen bestimmten Einsatzzweck zu eignen, ist in den entsprechenden Vorschriften exakt geregelt. Sollten Sie es sich also zur Aufgabe gemacht haben, dem Burj Khalifa den Rang abzulaufen, können Sie dort nachschlagen – oder für Ihr Projekt einfach unser Anfrage-Tool nutzen und sich Rat von unseren Experten einholen.

Regen: Rostendes Metall und nasse Kleidung

Zuletzt gehört zum Wetter natürlich immer auch der Regen. Wie gefährlich große Mengen Niederschlages sein können, hat uns in der jüngsten Vergangenheit die Katastrophe im Ahrtal vor Augen geführt. Bleibt der Regen dagegen aus, stockt die Schifffahrt auf deutschen Kanälen und Landwirte kämpfen gegen Missernten.

Bei Wasser und Stahl allerdings denken Menschen meist an ein ganz anderes Problem, nämlich Rost. Im Beitrag zu unseren Onlinetools haben wir uns bereits ausführlich mit der Thematik beschäftigt. Dort erklären wir Ihnen im Detail, was es mit der PREN eines Werkstoffes auf sich hat, wie die Korrosionsbeständigkeitsklassen (CRC) zu verstehen sind und warum Rost nicht die einzige Form von Korrosion ist. An dieser Stelle möchten wir uns daher auf die Korrosion durch Regenwasser beschränken.

Regen lässt Eisen, und damit auch manche Stahlsorten, als Folge einer elektrochemischen Reaktion in Verbindung mit Sauerstoff rosten. Grob vereinfacht passiert folgendes:

Sauerstoff alleine schadet Eisen nicht, ansonsten würde das Metall bereits an der trockenen Luft rosten. Trifft Sauerstoff auf Eisen wandern pro Molekül lediglich zwei Elektronen vom Metall ins Gas. Durch diesen Vorgang bildet sich eine dünne Schicht aus Eisen-II-Oxid, welche das Eisen vor weiterer Zerstörung schützt.

Kommt allerdings Wasser mit ins Spiel, verbindet sich der Sauerstoff nicht mit dem Eisen, sondern reagiert mit den Wassermolekülen auf der Metalloberfläche und nimmt diesen die Elektronen ab. Das Eisen wiederum möchte diesen Verlust ausgleichen und reagiert seinerseits mit dem Wasser.

In dieser Redoxreaktion entstehen so zunächst Hydroxid-Ionen. Diese wiederum reagieren mit den Eisen-Ionen im Metall und bilden Eisen(II)-hydroxid – diese Oxidation wird umgangssprachlich auch Rost genannt. Meerwasser beschleunigt den Vorgang aufgrund seiner höheren elektrischen Leitfähigkeit übrigens noch.

Rostfreie Stähle verhindern die Oxidation durch ihre Legierung: Ihnen wird Nickel und vor allem Chrom mit einem Anteil von mindestens zehn Prozent hinzulegiert. Der Chromanteil des Werkstoffes bildet an seiner Oberfläche eine schützende Passivschicht aus Chromoxiden aus, welche nicht weiter mit Wasser und Sauerstoff reagiert.

Einfach gesprochen: In der richtigen Legierung sind Stähle vor Korrosion sicher geschützt. Selbst Meerwasser kann ihnen nichts anhaben. Die Träger einer Windturbine in der Nordsee bestehen ebenso aus Stahl, wie die Plattform einer Bohrinsel im Pazifik und weggerostet ist dort bislang nichts.

Jeder Wetterlage ihren Stahl

Unsere Werkstoffe sind also problemlos in der Lage, starker Hitze und eisiger Kälte standzuhalten und selbst größte Temperaturschwankungen mühelos zu überstehen. Auch gegen die Kräfte des Windes sind sie gefeit; von Korrosion durch Wasser und Sauerstoff ganz zu schweigen.

Entscheiden ist vor allem die Auswahl der richtigen Stahlsorte. Dass wir Sie dabei nicht alleine lassen versteht sich von selbst. Gerne beantworten wir Ihnen alle Fragen rund um die Wetterbeständigkeit unserer Produkte oder nehmen direkt Ihre Bestellung auf. Kontaktieren Sie uns einfach.

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