1. Allgemein über Metallbau

1.1 Anwendungsbereiche

Seit über Hundert Jahren konkurrieren Stahlkonstruktionen, dank mehreren Vorteilen, mit anderen gängigen Baustoffen, insbesondere mit Beton. Stahlkonstruktionen werden trotzdem heute noch am häufigsten beim Bau öffentlicher Gebäude, die größer sind, benutzt. Hiermit sind Gebäude mit großen Spannweiten, Sporthallen (und andere Hallen) sowie mehrstöckige Hochhäuser und Wolkenkratzer gemeint. Stahl hat einen relativ hohen Preis und ist auch schwer, also scheint seine Verwendung bei kleineren Konstruktionen oft sinnlos, bei großen Bauwerken lohnt sich die Investition aber oft aus. 

1.2 Stahlbau oder Metallbau?

Zuerst müssen wir den Unterschied zwischen Stahl- und Metallbau klären. Der Begriff Metallbau bezeichnet allgemein die Verarbeitung von Metallen (auch im Verbund mit anderen Werkstoffen) im Bauwesen und ist ein Oberbegriff für Stahlbau. Neben Stahlkonstruktionen sind auch Konstruktionen aus Aluminium und Eisen Metallkonstruktionen. Wenn man etwa sagt, dass ein Gebäude ein gutes Beispiel für Metallbau ist, hat man eigentlich noch gar nichts gesagt, man muss nämlich auch angeben, um welches Metall es sich handelt. Eisenkonstruktionen gehören heute der Vergangenheit an, denn sie wurden von Stahlkonstruktionen verdrängt, und Aluminiumkonstruktionen werden aufgrund der sehr hohen Aluminiumpreise nur für bestimmte Gebäudeteile verwendet, sehr selten für die gesamte Konstruktion.

1.3 Stahl

Neben dem Unterschied zwischen den Begriffen Metallbau und Stahlbau ist es auch wichtig, den Unterschied zwischen Eisen und Stahl zu kennen und zu verstehen. Stahl ist veredeltes Eisen. Es handelt sich um eine Eisenlegierung, der neben anderen Legierungselementen Kohlenstoff als wichtigstes Element beigemischt wurde. Obwohl Kohlenstoff nur in sehr kleinen Mengen enthalten ist – normalerweise besteht Stahl zu weniger als 2 % aus Kohlenstoff – beeinflusst er die Eigenschaften von Stahl ganz erheblich.

1.4 Geschichte der Stahlnutzung

Die umfangreiche Verwendung von Stahl begann Ende des 19. Jahrhunderts, als der technologische Fortschritt und das Wissen über Metallveredelung die Erfindung von Eisen mit besseren Konstruktionseigenschaften ermöglichten. Die neue Legierung wurde Stahl genannt. Davor gab es eigentlich keine Stahlkonstruktionen, denn alle Metallkonstruktionen waren aus Eisen errichtet. Im 19. Jahrhundert begann die Verwendung von Stahl zunächst im Jugendstil (Art nouveau), wobei Stahl in Kombination mit Eisen auf äußerst ausdrucksstarke, dekorative Weise verwendet wurde. Beliebt waren florale und geometrische Motive, die sowohl als tragende Struktur als auch als bloße Dekoration eingesetzt wurden. Das ausgehende des 19. Jahrhundert war jedoch auch die Zeit einer anderen großen baulichen Innovation – der Erfindung von Stahlbeton. Die Erfindung von Stahlbeton wäre ohne die Erfindung von Stahl natürlich nicht möglich gewesen. Der französische Ingenieur Henri Hennebique war einer der ersten, der die Möglichkeiten der Kombination von Beton und Stahlbewehrung erforschte und Richtlinien für Stahlbetonkonstruktionen verfasste. Die Stahlbewehrung nimmt Zugspannungen im Beton auf und ermöglichte dadurch die Herstellung von Betonplatten und –trägern mit riesigen Spannweiten. Dies führte wiederum zu Beginn des 20. Jahrhunderts zur Erfindung des freien Grundrisses in der Architektur der Moderne.

1.5 Stahlkonstruktionen im Bauwesen

Im Bauwesen werden Stahlkonstruktionen durch Zusammenfügen von Stahlprofilen montiert. Es handelt sich also um eine Skelettbauweise, bei der die Konstruktionen aus vielen voneinander unabhängigen Elementen bestehen, die zu einem Ganzen verbunden werden. Alle Stahlprofile werden werkseitig vorgefertigt und per Lkw auf die Baustelle geliefert. Stahlkonstruktionen bestehen aus Stahlträgern, Stützen und Stahlbalken.

1.6 Welche Vorteile bietet Metallbau?

Metallbau bietet zahlreiche Vorteile. Der größte Vorteil von Stahlträgern ist die außergewöhnliche Spannweite, die mit ihrer Verwendung erreicht werden kann. Mit Stahlträgern lassen sich weitaus größere Spannweiten errichten als mit Bauteilen aus anderen Materialien (Stahlbeton oder Holz). Ein weiterer Vorteil von Stahlkonstruktionen liegt in der breiten Auswahl an verschiedenartigen Stahlprofilen mit unterschiedlichen Eigenschaften. Dadurch wird eine breite Auswahl an Lösungen für unterschiedliche konstruktive und statische Anforderungen bereitgestellt. Diese beiden Eigenschaften machen Stahl zu einem der besten Werkstoffe für den Bau von anspruchsvollen Bauwerken großer Ausmaße. Der dritte Vorteil von Stahl besteht darin, dass er die Bauwerke bei entsprechendem Schutz praktisch unzerstörbar und wirklich extrem langlebig macht. Der vierte, nicht zu vernachlässigende Vorteil liegt in der Bauweise selbst: Die vorgefertigten Stahlprofile werden in ihrer endgültigen Form auf die Baustelle gebracht und vor Ort miteinander verbunden. Im Gegensatz zum Bauen mit vor Ort gegossenem Stahlbeton geht der Bau sehr schnell vonstatten und die Baustelle bleibt sauber. Durch den Vorfertigungsprozess kann auch die Qualität der Stahlprofile sehr gut kontrolliert werden. Zu guter Letzt sei noch erwähnt, dass Stahl entgegen der landläufigen Meinung ein umweltfreundliches Material ist, da es vollständig recycelt werden kann.

1.7 Nachteile von Metallbau

Der offensichtlichste Nachteil von Metallbau sind die hohen Kosten für die Stahlprofile. Deshalb werden in der Regel nur jene Bauwerke gänzlich aus Stahl gebaut, deren physikalische und mechanische Eigenschaften die hohen Investitionskosten für Metallbau rechtfertigen, weil die gewünschten Eigenschaften mit anderen Werkstoffen nur schwer zu erreichen wären. Dies ist vor allem bei sehr großen Bauwerken der Fall. Ein weiterer offensichtlicher Nachteil von Stahl ist sein Gewicht, das an sich zwar kein Problem darstellt, aber es macht das gesamte Bauwerk ziemlich schwer, was zu einer größeren Setzung von Baumaterialien führt. Der dritte Nachteil von Stahl besteht darin, dass er trotz Brandschutz mit Oberflächenbeschichtungen entgegen der unter Laien verbreiteten Meinung nicht der absolut feuerfeste Werkstoff ist, für den er oft gehalten wird. Stahl kann im Brandfall bei extrem hohen Temperaturen sehr wohl schmelzen. Ein selten auftretender Nachteil ist die Möglichkeit von Fehlern in der Legierung, die zum Einsturz des Gebäudes und einer großen Katastrophe führen können. Daher werden alle Stahlkonstruktionen mit einer Ultraschall- oder Röntgenuntersuchung geprüft, um solche eventuell vorhandenen Mängel frühzeitig zu erkennen.

2. Eigenschaften von Stahl

2.1 Allgemeine physikalische und mechanische Eigenschaften

Stahl ist ein elastischer Werkstoff mit einem Elastizitätsmodul von 2,0 – 2,2 × 105 N/mm². Reines Eisen besitzt eine Härte von lediglich 60 HV, dagegen erreicht Stahl durch das Verarbeitungsverfahren (Kohlenstoffzugabe) Härten von bis zu 800 HV, bei chemischer Behandlung sogar bis zu 2000 HV. Stahl besitzt eine Zugfestigkeit von 4000 N/mm², das ist das 20-fache der Zugfestigkeit von Eisen.

2.2 Korrosionsbeständigkeit von Stahl

Die Korrosionsbeständigkeit von Stahl lässt sich ebenso an die unterschiedlichsten Anforderungen anpassen wie seine technologischen Eigenschaften. Normalerweise wird für Korrosionsbeständigkeit der Stahllegierung Chrom zugesetzt (11 %).

2.3 Stahlumformung

Stahl kann durch Schmieden, Gießen, Pressen oder Walzen „heiß“ umgeformt werden. Kalte Umformung von Stahl ist durch Ziehen, Walzen, Biegen, Pressen oder Schneiden möglich. Auch pulvermetallurgische Verfahren kommen infrage.

2.4 Gehärteter Stahl

Gehärteter Stahl ist warm behandelter Stahl. Der Prozess wird durchgeführt, indem der Stahl zunächst bis zum Schmelzpunkt erhitzt und dann sehr schnell abgekühlt wird (Abschrecken). Dieses Verfahren ergibt eine sehr harte Struktur namens Martensit. Der Hauptzweck der Stahlhärtung besteht darin, die Eigenschaften des Materials (hauptsächlich seine Härte) weiter zu verfeinern.

3. Stahlprofile - Stahlträger

3.1 Stahlträger sind vorgefertigte Erzeugnisse

Wie oben erwähnt, werden alle Stahlelemente werkseitig vorgefertigt. Das heißt, sie werden im Werk produziert und dann per Lkw auf die Baustelle gebracht, wo sie nur noch zusammengefügt werden müssen. Vorgefertigte Produkte bieten viele Vorteile, wie etwa die hohe Qualität der Stahlprofile, die durch die Kontrolle des Produktionsprozesses (weil er unter kontrollierten Bedingungen im Werk stattfindet) und der Geschwindigkeit des Bauens gewährleistet wird. Außerdem sind Stahlprofile maximal standardisiert und definiert. Für manche Architekten kann dies auch einen Nachteil darstellen, da keine Änderungen oder Sonderanfertigungen möglich sind.

3.2 Arten von Stahlträgern

Es gibt viele unterschiedliche Arten von Profilstahl mit genau bestimmten mechanischen Eigenschaften. Stahlprofile werden nach ihrem Querschnitt unterteilt. So gibt es I- und IPE- Stahlträger e, die schlank und hoch sind und in ihrem Querschnitt dem Buchstaben I ähneln. Bei solchen Stahlträgern ist die Höhe des Profils deutlich größer ist als die Breite. IPE- Stahlträgern ähneln HEA-, H- und HEB- Stahlträger, die ein kleineres Verhältnis zwischen Höhe und Breite des Profils aufweisen. IPE- und I-Stahlträger sind rechteckig, HEA-, H- und HEB-Stahlträger sind dagegen eher quadratisch. IPE- Stahlträger sind zwischen 80 und 600 mm hoch, H-Profile und andere aufgeführte Profile zwischen 100 und 1000 mm. Neben den genannten Profilen gibt es auch Kastenprofile und Rohre sowie U- und L-Profile bzw. Stahlträger, die sich an ihrem typischen U- oder L-förmigen Querschnitt erkennen lassen. Welche Art von Stahlträgern verwendet wird, hängt von der Art des Bauelements und seiner Rolle innerhalb des Bausystems ab. In der Regel werden die geeigneten Stahlträger von einem Tragwerksplaner (Statiker) und/oder einem Bauingenieur bestimmt.

3.3 Eurocode 3

Alle Arten von standardisierten Stahlträgern sowie deren Eigenschaften und Anforderungen an die Bemessung von Stahlprofilen und -konstruktionen finden Sie in der europäischen Norm „Eurocode 3 – Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten“.

3.4 Eigenschaften von Stahlträgern

Stahlträger zeichnen sich durch hervorragende physikalische und mechanische Eigenschaften aus. Aufgrund der oben genannten Eigenschaften von Stahl können mit Stahlträgern sehr große Spannweiten überbrückt werden, weshalb solche Profile am häufigsten beim Bau von Konstruktionen anzutreffen sind, bei denen große Spannweiten überbrückt werden müssen (z. B. Hallen, Brücken, Stege usw.). Einer der Hauptvorteile von Stahlträgern besteht darin, dass sie sich leicht mit anderen Materialien kombinieren lassen, wodurch die Flexibilität des Bauens erhöht wird. Darüber hinaus sind Stahlträger sehr pflegeleicht, sie müssen lediglich vor Witterungseinflüssen geschützt werden, da sonst Korrosion einsetzen kann (der Stahl beginnt zu rosten).

3.5 Verbinden von Stahlträgern

Stahlträger können mit der Stahlskelettkonstruktion verschweißt oder verschraubt werden. Die Entscheidung für die eine oder andere Verbindungsweise wird sowohl durch das gewünschte endgültige Erscheinungsbild als auch durch die statischen Anforderungen bedingt. Beim Verschrauben bleiben die Schrauben immer sichtbar, es sei denn, sie werden mit einem anderen Material überdeckt. Beim Schweißen bleibt die Schweißnaht sichtbar, die am Ende geglättet werden kann, sodass sie praktisch nicht mehr wahrnehmbar ist. Stahlprofile können auch durch Löten und Nieten verbunden werden.

4. Haus in Metallbauweise

Aufgrund des hohen Stahlpreises sind Einfamilienhäuser aus Stahl relativ selten. Stahlkonstruktionen für Wohnhäuser sind auch in Deutschland sehr selten, weil alltäglichere Baumaterialien wie Ziegel und Stahlbeton vorherrschen. Dennoch werden seit der Moderne, also seit der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts, auch Wohnhäuser in Stahlbauweise errichtet. Der Vorteil einer Skelettkonstruktion aus Stahl besteht darin, dass sie einen völlig freien Grundriss mit großen Spannweiten ermöglicht, der von Nutzern nach ihren Wünschen und Bedürfnissen gestaltet und bei veränderten Nutzungsbedingungen schnell umgestaltet werden kann. Wie groß Stahlhäuser sein können, belegen unter anderem Architekturen wie das Farnsworth-Haus des Architekten Ludwig Mies van der Rohe und viele Häuser aus der amerikanischen sog. Case-study-houses-Ära aus den 1960er Jahren.

4.1 Holz-Stahl-Kombination

Weil Stahlkonstruktionen immer in Skelettbauweise errichtet werden, müssen sie mit Bauteilen aus anderen Werkstoffen kombiniert werden, mit denen das Gebäude nach außen abgegrenzt und der Innenbereich in mehrere Räume unterteilt wird. Seit Beginn des Stahlbaus wird Stahl am häufigsten mit Glas kombiniert (ein Beispiel dafür ist das oben erwähnte Farnsworth-Haus von Mies van der Rohe). Die Stahl-Glas-Kombination ist auch heute noch sehr modern, die Bauwerke weisen saubere Linien auf und sind ästhetisch und zeitlos. Andererseits kann ein Bauwerk aus Stahl und Glas etwas kalt wirken. In den letzten Jahrzehnten wird Stahl in zunehmendem Maße mit Holz kombiniert, das mit seiner Wärme das rohe Erscheinungsbild des Metalls aufweicht. Holz bringt Wohnlichkeit und Wärme in den Raum, während Stahl einen Hauch von industriellem Stil mit sich bringt. Eine immer noch übliche Kombination im Innenraum ist auch die Kombination aus weißen Trockenbauwänden und sichtbaren Stahlträgern, vor allem Pfeilern.