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Die Eigenschaften von Baustahl ergeben sich sowohl aus seiner chemischen Zusammensetzung als auch aus seiner Herstellungsmethode, einschließlich der Verarbeitung während der Fertigung. Produktnormen definieren die Grenzwerte für Zusammensetzung, Qualität und Leistung, und diese Grenzwerte werden von Konstrukteuren verwendet oder vorausgesetzt. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die wichtigsten Eigenschaften, die für den Konstrukteur von Interesse sind, und nennt die relevanten Normen für bestimmte Produkte. Die Spezifikation von Stahlkonstruktionen wird in einem separaten Artikel behandelt.

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Für die Bemessung erforderliche Materialeigenschaften

Die Eigenschaften, die von Konstrukteuren bei der Festlegung von Stahlbauprodukten berücksichtigt werden müssen, sind:

• Festigkeit
• Zähigkeit
• Duktilität
• Schweißbarkeit
• Dauerhaftigkeit.

Für die Bemessung werden die mechanischen Eigenschaften aus den in der jeweiligen Produktnorm angegebenen Mindestwerten abgeleitet. Die Schweißbarkeit wird durch den chemischen Gehalt der Legierung bestimmt, der durch Grenzwerte in der Produktnorm geregelt ist. Die Dauerhaftigkeit hängt von der jeweiligen Legierungsart ab – gewöhnlicher Kohlenstoffstahl, wetterfester Stahl oder Edelstahl.

Faktoren, die die mechanischen Eigenschaften beeinflussen

Stahl erhält seine mechanischen Eigenschaften aus einer Kombination von chemischer Zusammensetzung, Wärmebehandlung und Herstellungsverfahren. Während der Hauptbestandteil von Stahl Eisen ist, kann die Zugabe von sehr kleinen Mengen anderer Elemente einen deutlichen Einfluss auf die Eigenschaften des Stahls haben. Die Festigkeit von Stahl kann durch den Zusatz von Legierungen wie Mangan, Niob und Vanadium erhöht werden. Allerdings können diese Legierungszusätze auch andere Eigenschaften wie Duktilität, Zähigkeit und Schweißbarkeit negativ beeinflussen.

Eine Minimierung des Schwefelgehalts kann die Duktilität erhöhen, und die Zähigkeit kann durch den Zusatz von Nickel verbessert werden. Die chemische Zusammensetzung für jede Stahlspezifikation wird daher sorgfältig abgestimmt und während der Produktion getestet, um sicherzustellen, dass die entsprechenden Eigenschaften erreicht werden.

Die Legierungselemente bewirken auch eine unterschiedliche Reaktion, wenn das Material Wärmebehandlungen unterzogen wird, die eine Abkühlung mit einer vorgeschriebenen Geschwindigkeit von einer bestimmten Spitzentemperatur beinhalten. Der Herstellungsprozess kann Kombinationen von Wärmebehandlung und mechanischer Bearbeitung beinhalten, die für die Leistung des Stahls von entscheidender Bedeutung sind.

Die mechanische Bearbeitung findet statt, wenn der Stahl gewalzt oder geformt wird. Je mehr der Stahl gewalzt wird, desto fester wird er. Dieser Effekt ist in den Werkstoffnormen ersichtlich, die dazu neigen, mit zunehmender Materialdicke abnehmende Werte für die Streckgrenze festzulegen.

Die Auswirkung der Wärmebehandlung lässt sich am besten anhand der verschiedenen Produktionsverfahren erklären, die bei der Stahlherstellung eingesetzt werden können, wobei die wichtigsten sind:

• Ausgewalzter Stahl
• Normalisierter Stahl
• Normalisiert-gewalzter Stahl
• Thermomechanisch gewalzter Stahl (TMR)
• Vergüteter Stahl (Q&T).

Stahl kühlt während des Walzens ab, mit einer typischen Fertigwalztemperatur von etwa 750°C. Stahl, der dann auf natürliche Weise abkühlen darf, wird als „walzblank“ bezeichnet. Das Normalisieren findet statt, wenn das walzfertige Material wieder auf ca. 900°C erhitzt und für eine bestimmte Zeit auf dieser Temperatur gehalten wird, bevor man es natürlich abkühlen lässt. Dieser Prozess verfeinert die Korngröße und verbessert die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Zähigkeit. Normalisiertes Walzen ist ein Verfahren, bei dem die Temperatur nach dem Walzen über 900°C liegt. Dies hat einen ähnlichen Effekt auf die Eigenschaften wie das Normalisieren, aber es entfällt der zusätzliche Prozess der Wiedererwärmung des Materials. Normalisierte und normalisierend gewalzte Stähle haben die Bezeichnung „N“.

Die Verwendung von hochfestem Stahl kann das benötigte Stahlvolumen reduzieren, aber der Stahl muss bei Betriebstemperaturen zäh sein, und er sollte auch eine ausreichende Duktilität aufweisen, um einer duktilen Rissausbreitung zu widerstehen. Daher erfordern höherfeste Stähle eine verbesserte Zähigkeit und Duktilität, die nur mit kohlenstoffarmen reinen Stählen und durch Maximierung der Kornfeinung erreicht werden kann. Die Implementierung des thermomechanischen Walzprozesses (TMR) ist ein effizienter Weg, dies zu erreichen.

Thermomechanisch gewalzter Stahl nutzt eine besondere Chemie des Stahls, um eine niedrigere Walzendtemperatur von etwa 700°C zu ermöglichen. Zum Walzen des Stahls bei diesen niedrigeren Temperaturen ist eine größere Kraft erforderlich, und die Eigenschaften bleiben erhalten, wenn er nicht über 650 °C wieder erwärmt wird. Thermomechanisch gewalzter Stahl hat die Bezeichnung „M“.

Der Prozess für vergüteten Stahl beginnt mit einem normalisierten Material bei 900°C. Es wird schnell abgekühlt oder „abgeschreckt“, um Stahl mit hoher Festigkeit und Härte, aber geringer Zähigkeit zu erzeugen. Die Zähigkeit wird wiederhergestellt, indem man ihn auf 600°C erwärmt, die Temperatur für eine bestimmte Zeit hält und ihn dann natürlich abkühlen lässt (Anlassen). Vergütungsstähle haben die Bezeichnung „Q“.

Beim Abschrecken wird ein Produkt schnell abgekühlt, indem es direkt in Wasser oder Öl getaucht wird. Es wird häufig in Verbindung mit Anlassen verwendet, das eine zweite Stufe der Wärmebehandlung auf Temperaturen unterhalb des Austenitisierungsbereichs ist. Der Effekt des Anlassens ist, dass zuvor gehärtete Strukturen erweicht und zäher und duktiler gemacht werden.

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Festigkeit

Streckgrenze

Die Streckgrenze ist die häufigste Eigenschaft, die der Konstrukteur benötigt, da sie die Grundlage für die meisten Regeln in Konstruktionscodes ist. In den Europäischen Normen für Kohlenstoffbaustähle (einschließlich wetterfester Stähle ) bezieht sich die primäre Bezeichnung auf die Streckgrenze, z. B. ist der Stahl S355 ein Baustahl mit einer spezifizierten Mindeststreckgrenze von 355 N/mm².

Die Produktnormen geben auch den zulässigen Wertebereich für die Bruchfestigkeit (UTS) an. Die minimale UTS ist für einige Aspekte der Konstruktion relevant.

Warmgewalzte Stähle

Für warmgewalzte Kohlenstoffstähle ist die in der Bezeichnung angegebene Zahl der Wert der Streckgrenze für Material bis zu einer Dicke von 16 mm. Konstrukteure sollten beachten, dass die Streckgrenze mit zunehmender Blech- oder Profildicke abnimmt (dünneres Material wird stärker bearbeitet als dickes Material und die Bearbeitung erhöht die Festigkeit). Für die beiden gängigsten Stahlsorten, die in Großbritannien verwendet werden, sind die spezifizierten Mindeststreckgrenzen und die Mindestzugfestigkeit in der folgenden Tabelle für Stähle nach BS EN 10025-2 aufgeführt.

Der nationale britische Anhang zu BS EN 1993-1-1 erlaubt es, die Mindeststreckgrenze für die jeweilige Dicke als nominelle (charakteristische) Streckgrenze fy und die Mindestzugfestigkeit fu als nominelle (charakteristische) Bruchfestigkeit zu verwenden.

Ähnliche Werte werden für andere Güten in anderen Teilen von BS EN 10025 und für Hohlprofile nach BS EN 10210-1 angegeben.

Kaltumgeformte Stähle

Es gibt eine große Auswahl an Stahlsorten für Bandstähle, die sich zum Kaltumformen eignen. Mindestwerte für Streckgrenze und Zugfestigkeit sind in der entsprechenden Produktnorm BS EN 10346 festgelegt.

In der BS EN 1993-1-3 sind Werte für die Grundstreckgrenze fyb und die Zugfestigkeit fu tabellarisch aufgeführt, die als charakteristische Werte bei der Bemessung zu verwenden sind.

Edelstahl

Stahlsorten aus nichtrostendem Stahl werden mit einer numerischen „Stahlnummer“ (z. B. 1.4401 für einen typischen austenitischen Stahl) und nicht mit dem „S“-Bezeichnungssystem für Kohlenstoffstähle bezeichnet. Die Spannungs-Dehnungs-Beziehung hat keine klare Unterscheidung einer Streckgrenze und die „Streckgrenzen“ für rostfreien Stahl werden im Allgemeinen in Form einer Dehngrenze angegeben, die für eine bestimmte versetzte Dauerdehnung definiert ist (üblicherweise die 0,2 % Dehnung).

Die Festigkeiten der gebräuchlichen nichtrostenden Baustähle reichen von 170 bis 450 N/mm². Austenitische Stähle haben eine niedrigere Streckgrenze als übliche Kohlenstoffstähle; Duplexstähle haben eine höhere Streckgrenze als übliche Kohlenstoffstähle. Sowohl bei austenitischen als auch bei Duplexstählen ist das Verhältnis von Bruchfestigkeit zu Streckgrenze größer als bei Kohlenstoffstählen.

BS EN 1993-1-4 tabelliert die nominalen (charakteristischen) Werte der Streckgrenze fy und der Mindestzugfestigkeit fu für Stähle nach BS EN 10088-1 zur Verwendung bei der Auslegung.

Zähigkeit

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Es liegt in der Natur aller Werkstoffe, dass sie einige Unvollkommenheiten enthalten. Bei Stahl treten diese Unvollkommenheiten in Form von sehr kleinen Rissen auf. Wenn der Stahl nicht ausreichend zäh ist, kann sich der „Riss“ schnell und ohne plastische Verformung ausbreiten und zu einem „Sprödbruch“ führen. Das Risiko eines Sprödbruchs steigt mit der Dicke, Zugspannung, Spannungserhöhungen und bei kälteren Temperaturen. Die Zähigkeit von Stahl und seine Fähigkeit, Sprödbrüchen zu widerstehen, hängen von einer Reihe von Faktoren ab, die in der Spezifikationsphase berücksichtigt werden sollten. Ein geeignetes Maß für die Zähigkeit ist der Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy – siehe Bild rechts. Dieser Test misst die Kerbschlagarbeit, die erforderlich ist, um eine kleine gekerbte Probe bei einer bestimmten Temperatur durch einen einzigen Schlag mit einem Pendel zu brechen.

Die verschiedenen Produktnormen geben Mindestwerte für die Kerbschlagarbeit für verschiedene Untergruppen jeder Festigkeitsklasse an. Für unlegierte Baustähle lauten die Hauptbezeichnungen der Untergüteklassen JR, J0, J2 und K2. Für Feinkornstähle und vergütete Stähle (die im Allgemeinen zäher sind, mit höherer Kerbschlagarbeit) werden andere Bezeichnungen verwendet. Eine Zusammenfassung der Zähigkeitsbezeichnungen finden Sie in der folgenden Tabelle.

Für dünnwandige Stähle zum Kaltumformen, sind für Material mit einer Dicke von weniger als 6 mm keine Anforderungen an die Kerbschlagarbeit festgelegt.

Die Auswahl einer geeigneten Unterlage, um eine ausreichende Zähigkeit in Bemessungssituationen zu gewährleisten, ist in BS EN 1993-1-10 und der zugehörigen UK NA angegeben. Die Regeln beziehen die Belastungstemperatur, das Spannungsniveau usw. auf eine „Grenzdicke“ für jede Untergüte von Stahl. PD 6695-1-10 enthält nützliche Nachschlagetabellen und eine Anleitung zur Auswahl einer geeigneten Untergüte ist in ED007 enthalten.

Diese Bemessungsregeln wurden für Strukturen entwickelt, die Ermüdung ausgesetzt sind, wie z. B. Brücken und Kranstützkonstruktionen, und es wird anerkannt, dass ihre Verwendung für Gebäude, bei denen Ermüdung eine untergeordnete Rolle spielt, äußerst sicherheitsrelevant ist.

Die SCI-Publikation P419 stellt modifizierte Stahldickengrenzwerte vor, die für Gebäude verwendet werden können, bei denen Ermüdung keine Rolle spielt. Diese neuen Grenzwerte wurden mit genau dem gleichen Ansatz abgeleitet, der hinter den Eurocode-Bemessungsregeln steht, reduzieren aber entscheidend das Risswachstum infolge Ermüdung. Das Wort „reduzieren“ wird verwendet, da die Annahme, dass überhaupt kein Wachstum stattfindet, bedeuten würde, dass der Effekt der Ermüdung gänzlich eliminiert wird. Ein gewisses Maß an Ermüdung (20.000 Zyklen) wird auf der Grundlage von Richtwerten aus einer DIN-Norm berücksichtigt.

Der Begriff „quasi-statisch“ würde solche Strukturen abdecken – in der Realität kann es einige begrenzte Lastwechsel geben, die aber normalerweise nicht berücksichtigt werden – der Bemessungsansatz ist, alle Lasten als statisch zu betrachten. Der Schlüssel zum neuen Ansatz ist die Formel, um das Risswachstum unter 20.000 Zyklen auszudrücken. Experten der Universität Aachen (die an der Entwicklung des Eurocodes beteiligt waren) lieferten diesen wichtigen Ausdruck.

Weitere Hintergründe finden Sie in einem technischen Artikel in der September 2017-Ausgabe des NSC-Magazins.

Edelstähle sind im Allgemeinen viel zäher als Kohlenstoffstähle; Mindestwerte sind in BS EN 10088-4 festgelegt. BS EN 1993-1-4 besagt, dass austenitische und Duplex-Stähle ausreichend zäh und nicht sprödbruchanfällig für Betriebstemperaturen bis zu -40 °C sind.

Duktilität

Duktilität ist ein Maß für das Ausmaß, in dem sich ein Material zwischen dem Beginn der Dehnung und dem letztendlichen Bruch unter Zugbelastung dehnen oder strecken kann, wie in der Abbildung unten dargestellt. Der Konstrukteur verlässt sich bei einer Reihe von Aspekten der Konstruktion auf die Duktilität, z. B. bei der Umverteilung der Spannung im Grenzzustand der Tragfähigkeit, bei der Auslegung von Schraubengruppen, bei der Verringerung des Risikos der Ausbreitung von Ermüdungsrissen und bei den Fertigungsprozessen Schweißen, Biegen und Richten. Die verschiedenen Normen für die Stahlsorten in der obigen Tabelle bestehen auf einem Mindestwert für die Duktilität, so dass die Konstruktionsannahmen gültig sind und der Konstrukteur bei korrekter Spezifikation sicher sein kann, dass diese angemessen ist.

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Schweißbarkeit

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Alle Baustähle sind grundsätzlich schweißbar. Beim Schweißen wird der Stahl jedoch lokal aufgeschmolzen und kühlt anschließend ab. Die Abkühlung kann recht schnell erfolgen, da das umgebende Material, z. B. der Träger, eine große „Wärmesenke“ bietet und die Schweißstelle (und die eingebrachte Wärme) meist relativ klein ist. Dies kann zu einer Verhärtung der „Wärmeeinflusszone“ (WEZ) und zu einer reduzierten Zähigkeit führen. Je größer die Materialdicke ist, desto größer ist die Reduzierung der Zähigkeit.

Die Versprödungsanfälligkeit hängt auch von den Legierungselementen ab, hauptsächlich, aber nicht ausschließlich, vom Kohlenstoffgehalt. Diese Anfälligkeit kann als „Kohlenstoffäquivalentwert“ (CEV) ausgedrückt werden, und die verschiedenen Produktnormen für Kohlenstoffstähle geben Ausdrücke zur Bestimmung dieses Wertes an.

BS EN 10025 legt verbindliche Grenzwerte für CEV für alle erfassten Baustahlprodukte fest, und es ist eine einfache Aufgabe für diejenigen, die das Schweißen kontrollieren, sicherzustellen, dass die verwendeten Schweißverfahrensspezifikationen für die entsprechende Stahlsorte und den CEV qualifiziert sind.

Andere mechanische Eigenschaften von Stahl

Andere mechanische Eigenschaften von Baustahl, die für den Konstrukteur wichtig sind, sind:

• Elastizitätsmodul, E = 210.000 N/mm²
• Schermodul, G = E/ N/mm², oft als 81.000 N/mm² angenommen
• Poissonzahl, ν = 0,3
• Wärmeausdehnungskoeffizient, α = 12 x 10-6/°C (im Umgebungstemperaturbereich).

Beständigkeit

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Eine weitere wichtige Eigenschaft ist die des Korrosionsschutzes. Obwohl es spezielle korrosionsbeständige Stähle gibt, werden diese normalerweise nicht im Hochbau eingesetzt. Die Ausnahme ist wetterfester Stahl .

Die gebräuchlichste Art des Korrosionsschutzes von Baustahl ist das Streichen oder Verzinken. Die Art und der Grad des erforderlichen Beschichtungsschutzes hängen vom Grad der Exposition, dem Standort, der Lebensdauer usw. ab. In vielen Fällen sind bei innerer Trockenheit außer einem geeigneten Brandschutz keine weiteren Korrosionsschutzbeschichtungen erforderlich. Detaillierte Informationen über den Korrosionsschutz von Baustahl sind verfügbar.

Witterungsbeständiger Stahl

Witterungsbeständiger Stahl ist ein hochfester, niedrig legierter Stahl, der der Korrosion widersteht, indem er eine anhaftende schützende Rost-„Patina“ bildet, die eine weitere Korrosion verhindert. Eine Schutzschicht ist nicht erforderlich. Er wird in Großbritannien in großem Umfang für Brücken und im Außenbereich für einige Gebäude verwendet. Es wird auch für architektonische Merkmale und skulpturale Strukturen wie den „Angel of the North“ verwendet.

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Edelstahl

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Edelstahl ist ein hochkorrosionsbeständiger Werkstoff, der konstruktiv eingesetzt werden kann, insbesondere dort, wo eine hohe Oberflächengüte gefordert ist. Geeignete Sorten für die Beanspruchung in typischen Umgebungen sind unten aufgeführt.

Das Spannungs-Dehnungs-Verhalten von nichtrostenden Stählen unterscheidet sich von dem von Kohlenstoffstählen in einer Reihe von Aspekten. Der wichtigste Unterschied liegt in der Form der Spannungs-Dehnungskurve. Während Kohlenstoffstahl typischerweise ein lineares elastisches Verhalten bis zur Fließspannung und ein Plateau vor der Verfestigung aufweist, hat nichtrostender Stahl ein runderes Verhalten ohne klar definierte Fließspannung. Daher werden die „Streckgrenzen“ von nichtrostendem Stahl im Allgemeinen für eine bestimmte versetzte Dauerdehnung (üblicherweise 0,2 % Dehnung) definiert, wie in der Abbildung rechts dargestellt, die typische experimentelle Spannungs-Dehnungs-Kurven für gängige austenitische und Duplex-Edelstähle zeigt. Die gezeigten Kurven sind repräsentativ für den Bereich des wahrscheinlich zu liefernden Materials und sollten nicht für die Konstruktion verwendet werden.

Die mechanischen Eigenschaften gelten für warmgewalztes Blech. Für kaltgewalztes und warmgewalztes Band sind die angegebenen Festigkeiten um 10-17% höher.

Werkstoffe, die für eine höhere Klasse geeignet sind, können für niedrigere Klassen verwendet werden, sind aber möglicherweise nicht kosteneffektiv. Materialien innerhalb der Klammern können in Betracht gezogen werden, wenn eine mäßige Korrosion akzeptabel ist. Die Anreicherung von korrosiven Schadstoffen und Chloriden wird an geschützten Standorten höher sein; daher kann es notwendig sein, eine empfohlene Sorte aus der nächsthöheren Korrosionsklasse zu wählen.

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2. NA+A1:2014 zu BS EN 1993-1-1:2005+A1:2014, UK National Annex to Eurocode 3: Design of steel structures General rules and rules for buildings, BSI
3. 3.0 3.1 BS EN 10210-1:2006 Warmgefertigte Hohlprofile für den Hochbau aus unlegierten und Feinkornstählen. Technische Lieferbedingungen, BSI.
4. BS EN 10346:2015 Kontinuierlich schmelztauchveredelte Flacherzeugnisse aus Stahl zum Kaltumformen. Technische Lieferbedingungen. BSI
5. BS EN 1993-1-3:2006 Eurocode 3: Bemessung von Stahlbauten. Allgemeine Regeln – Ergänzende Regeln für kaltgeformte Bauteile und Bleche, BSI.
6. 6.0 6.1 BS EN 1993-1-4:2006+A1:2015 Eurocode 3. Bemessung von Stahlbauten. Allgemeine Regeln. Ergänzende Regeln für nichtrostende Stähle, BSI
7. BS EN 10088-1:2014Stainless steels. Liste der nichtrostenden Stähle, BSI
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9. BS EN 10025-4: 2019, Warmgewalzte Erzeugnisse aus Baustählen, Teil 4: Technische Lieferbedingungen für thermomechanisch gewalzte schweißbare Feinkornbaustähle, BSI
10. BS EN 10025-5: 2019, Warmgewalzte Erzeugnisse aus Baustählen, Teil 5: Technische Lieferbedingungen für Baustähle mit verbesserter atmosphärischer Korrosionsbeständigkeit, BSI
11. BS EN 10025-6: 2019, Warmgewalzte Erzeugnisse aus Baustählen, Teil 6: Technische Lieferbedingungen für Flacherzeugnisse aus hochfesten Baustählen im vergüteten Zustand, BSI
12. BS EN 1993-1-10:2005 Eurocode 3. Design of steel structures. Materialzähigkeit und Eigenschaften durch die Dicke, BSI.
13. NA zu BS EN 1993-1-10: 2005, UK Nationaler Anhang zu Eurocode 3: Bemessung von Stahlbauten. Materialzähigkeit und Eigenschaften der Durchgangsdicke. BSI
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15. 15.0 15.1 BS EN 10088-4:2009 Nichtrostende Stähle. Technische Lieferbedingungen für Bleche und Bänder aus korrosionsbeständigen Stählen für Bauzwecke, BSI.
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