Metalle im Bauwesen. Eigenschaften und Anwendungen


Hausarbeit, 2017

19 Seiten, Note: 2,7


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1. Einleitung

2. Eigenschaften und Einsatz von Metallen im Bauwesen
2.1 Eisenmetalle
2.2 Nichteisenmetalle
2.3 Korrosion von Metallen
2.4 Betrachtung des Metalleinsatzes im geschichtlichen Kontext

3. Wirtschaftlichkeitsaspekte von Metallen im Hochbau
3.1 Lebensdauer
3.2 Wiederverwertbarkeit am Beispiel Stahl

4. Stahl im Hochbau
4.1 Die Prozesse der Stahlherstellung
4.1.1 Die Roheisengewinnung
4.1.2 Die Produktion von Stahl
4.2 Arten und Einsatz von Stahlbauteilen im Hochbau
4.3 Vor- und Nachteile beim Einsatz im Bauwesen und Abwägung

5. Zusammenfassung und Ausblick
5.1 Fazit
5.2 Ausblick

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Die Roheisengewinnung

Abbildung 2: Stahlkonstruktion des Berliner Hauptbahnhofs

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Metalleinsatz in der Menschheitsgeschichte

Tabelle 2: Lebensdauer von Metallen

Tabelle 3: Verwertungsmöglichkeiten von Stahlbauteilen gegenüber weiterem Baustoff

1. Einleitung

Die im Bauwesen zum Einsatz kommenden Metalle sind gekennzeichnet durch ihre spezifischen Eigenschaften. Aus diesen Unterschiedlichkeiten, die in der chemischen Zusammensetzung liegen, ergeben sich verschiedene Einsatzgebiete. Fokussiert werden die Ein-satzmöglichkeiten in der Bauwirtschaft. Der Begriff des Tiefbaus soll einführend Erwähnung finden und vom Begriff des Hochbaus abgegrenzt werden. Eine engere Auseinandersetzung mit dem Hochbau wird angestrebt.

Eine vertiefte Auseinandersetzung mit den eingesetzten Metallen ist, aufgrund der Vielseitigkeit und dem häufigen Einsatz in der Bauwirtschaft, erstrebenswert. Stahl ist ein, in der Bauwirtschaft, aktueller Baustoff und zählt zu den jungen Eisenmetallen, der seit seines Einsates durch die industrielle Produktion im 19. Jahrhundert Bekanntheit in den Bausek-toren erlangte. Metalle stellen bei der Erstellung diverser Bauprojekte seit mehr als 200 Jahren eine feste Größe dar und besitzen mehrere Funktionen und Vor- und Nachteile, welche im Kommenden betrachtet werden.

Die Ziele der Arbeit erstrecken sich auf den Gewinn eines Überblicks bezüglich der Nutzbarkeit der verschiedenen Metalle in dem Sektor des Hochbaus und vor allem in der Auswahl der richtigen Baustoffe hinsichtlich der Lebensdauer und Tragfähigkeit. Die Eigenschaften, der Einsatz und die Vor- und Nachteile der Metalle werden nach und nach erläutert und analysiert. Wirtschaftlichkeitsaspekte sollen dahingehend verglichen werden, dass der Einsatz dieser metallischen Baustoffe anhand ausgewählter Kriterien nachvollziehbar wird. Die nähere Betrachtung von Stahl als Baustoff, bildet einen Schwerpunkt der Arbeit. Der Inhalt des zweiten Kapitels fokussiert die Arten und den Einsatz von Metallen im Bauwesen. Zunächst werden die beiden Hauptgruppen der Eisenmetalle und der Nichteisenmetalle betrachtet. Die Eisen- und Nichteisenmetalle und werden anhand ihrer Eigenschaften hin untersucht. Die Kriterien der Abgrenzung werden dazu erläutert und die wesentlichen Eigenschaften herausgestellt. Die Korrosion von Metallen führt die Eigenschaften der Metalle weiter aus. Die Betrachtung des Metalleinsatzes im geschichtlichen Kontext soll Aufschluss über die lange Tradition der Metalle in der menschlichen Geschichte vermitteln und eine Überleitung zur Wichtigkeit im Bausektor verdeutlichen.

Kapitel drei betrachtet die Wirtschaftlichleitsaspekte von Metallen im Hochbau. Unter die Wirtschaftlichkeitsaspekte fallen die Unterkapitel: Lebensdauer und Wiederverwertbarkeit am Beispiel Stahl. Diese Aspekte betrachten den Lebenszyklus der Metalle von ihrem Einsatz hin zu der Materialermüdung und dem Prozess des Recyclings.

Folglich betrachtet Kapitel vier den Einsatz von Stahl im Hochbau. Zunächst wird der Gewinn von Roheisen erläutert. Alle Schritte werden umfangreich dargestellt und es erfolgt damit das Verständnis für den Aufwand dieses Prozesses. Die Produktion von Stahl wird anschließend angeführt.

Die Unterschiede vielfältiger Stahlbauteile und ihre Funktionen werden anschließend angeschaut. Eine Abwägung soll abschließend eine differenzierte Einschätzung über die Verwendung und Eignung von Stahl, hinsichtlich der vorher erläuterten Vor- und Nachteile im Hochbau, zulassen.

Das vierte Kapitel „ Zusammenfassung und Ausblick “ schließt mit einem Fazit ab, welches die erarbeiteten Ergebnisse zentral zusammenfasst und abschließend einen Ausblick über die künftigen Einsatzmöglichkeiten von Metallen im Bausegment des Hochbaus herausstellt.

2. Eigenschaften und Einsatz von Metallen im Bauwesen

Die Beständigkeit gegenüber äußeren Einflüssen unterscheidet unter anderem die Verwendung der Metalle im Bausektor. Fehlerhaft eingesetzte Metallsorten mindern die Lebensdauer der betroffenen Bauteile erheblich. Bereits in der Projektplanung von Bauvorhaben ist somit eine fundierte Abwägung der einzusetzenden Metallbauteile vorzunehmen, um fehlerhaftem Baueinsatz vorzubeugen. Damit können Fehleinschätzungen frühzeitig beseitigt werden.

Im Bauwesen existieren zentral der Hoch- und Tiefbau. Eine Definition eines Architektur-lexikons zur Abgrenzung der Sektoren fasst den Begriff des Hochbaus wie folgt zusammen: „Der Hochbau umfasst im Unterschied zum Tiefbau das Errichten von Wohn-, Geschäfts- und Industriebauten u.a., deren Hauptbestandteile über dem Erdboden liegen.“1

Bauprojekte im Hochbau sind somit im Zentrum der Städtebau und die damit verbundene Errichtung von Bauwerken unterschiedlicher Arten. Metalle stellen nur einen Baustoff in den Bausektoren dar. Die Auswahl der einzusetzenden Metallgruppe ist beim Hochbau ein bedeutender Faktor. Metalle können so im Innenraum von Bauwerken eine deutlich längere Zeit überstehen, als es eine Anbringung in Außenbereichen zulässt, wenn der Aspekt der Korrosion berücksichtigt wird. Korrosion ist in diesem Zusammenhang der primäre Faktor, auf den im weiteren Verlauf Bezug genommen.

Demgegenüber lässt sich der Tiefbau als Bereich des Bauwesens festlegen, der sich mit der Errichtung von Bauten unterhalb der Erdoberfläche befasst. Die Einsatzgebiete sind meist infrastrukturellen Charakters. Als Beispiel ist der Kanal- und Straßenbau, der unterhalb der Erdoberfläche umgesetzt wird, zu nennen. Dieses Beispiel bezieht sich auf die infrastrukturellen Erschließungsmaßnahmen. Auch der Brückenbau wird dem Tiefbau zugeordnet.

Eine generelle Unterscheidung der Metalle, in die Hauptgruppen der Eisenmetalle und Nichteisenmetalle, wird in der führenden wissenschaftlichen Literatur vorgenommen.2 Die Wichtigkeit der Ressource Eisen kommt mit dieser grundlegenden Unterscheidung zum Tragen.

2.1 Eisenmetalle

Zu den Eisenmetallen zählt zentral die Ressource Eisen (Chemisches Symbol: Fe), aus welcher Roheisen und Stahl produziert werden.3 Bei dem Prozess der Stahlgewinnung werden Eisenoxide zusammen mit Schrott, Koks und Kalk in einem Hochofen erhitzt. Dabei entstehen Stahl und Abfallprodukte. Der Vorgang der Stahlgewinnung ist in zahlreiche Schritte unterglierdert und setzt hohe Energieeinsätze voraus. Dieser Kurzüberblick wird in den kommenden Kapiteln zur Gänze erweitert.

Das Produkt Stahl kann auf dieser Basis zu verschiedenen Bauteilen transformiert werden, die durch Formungsverfahren entstehen. Stahl alleine bildet nicht das einzige Produkt, welches durch die unterschiedlichen Hochofenprozesse gewonnen werden kann. Neben Stahl zählen außerdem wetterfester Stahl, Edelstahl und Gußeisen zu den Untergruppen, die durch die Schmelzprozesse aus Roheisen gewonnen werden können.4 Diese sogennanten „Legierungen“ (auch Veredelungen) werden durch eine unterschiedliche Anwendung von Verfahren aus Roheisen gewonnen. Chemisch betrachtet, besitzen Gußeisen und Stahl ein unterschiedliches Niveau an Kohlenstoffteilen; wetterfester Stahl und Edelstahl besitzen weitere Komponenten wie Kupfer und Chrom (wetterfester Stahl), sowie darüber hinaus Wolfram und Vanadium (zusätzliche Bestandteile von Edelstahl), die dem Roheisen beigefügt werden.

Stahl verfügt über eine Zugfestigkeit, also einer Beständigkeit gegenüber Zugkräften, die von 380 bis 1100 N/mm² reicht.5 Stahl kann damit äußerst widerstandsfähig gegenüber dieser Kraftausübung sein. Stahl trägt in einem Tragwerksystem die vertikalen Kräfte ab, wobei derlei Systeme anfällig gegenüber horizontalen Kräften sind. Deswegen empfiehlt sich der Einsatz von Stahlbeton, der diesen Nachteil überwindet. Der Schmelzpunkt von Stahl liegt bei 1460°C.

Im Bauwesen findet Stahl den vorwiegenden Einsatz, wobei die edleren Legierungen zumindest selten eingesetzt werden; deswegen wird im weiteren Kern der Arbeit zentral Stahl und darüber hinaus Edelstahl betrachtet.

2.2 Nichteisenmetalle

Zu den Nichteisenmetallen zählen: Titan, Aluminium, Zink, Zinn, Blei, Kupfer, Silber und Gold. Zu den, für den Bausektor relevanten Nichteisenmetallen gehören Aluminium, Blei Kupfer und Zink. Die restlichen genannten Stoffe finden keinen wesentlichen Einsatz in den Projekten des Bauwesens.6 Sie sollen im weiteren Kern der Arbeit ausgeklammert werden.

Zink (Chemisches Symbol: Zn) wird aus Erzgestein gewonnen.7 Dabei ist Zink ein gebundenes Metall, welches durch ein „Röstverfahren“ und ein „Erhitzungsverfahren“ als reines Metall zu gewinnen ist; Zink ist kostengünstig herstellbar und beständig gegenüber Luft, aufgrund seiner natürlichen Oxidationsschicht. Aufgrund seiner inflexiblen Verformbarkeit ergeben sich nur wenige Einsatzgebiete im Bauwesen.8 Zink verfügt über einen niedrigen Schmelzpunkt, der bei 419°C liegt. Damit ist das Metall nicht sehr hitzebeständig.

Die Verformbarkeit des Stoffes lässt das Gießen, Löten, Schweißen und Walzen zu. Die Verarbeitung von Zink setzt die Anwendung bestimmeter Verfahren voraus. Zink wird im Bauwesen zentral zum Schutz der Bauteile vor Korrosion eingesetzt.9 Dabei wird das zu schützende Metall, meist Stahl, durch eine Beschichtung verzinkt (Duplex-Verfahren). Meist wird Zink in legierter Form als Titanzink in den Bereichen der Fassadenbekleidung und im Bereich der Dachabdeckung, sowie bei Fensterbänken und weiteren äußeren Ein-satzmöglichkeiten verwendet. Titanzink ist weitaus robuster gegenüber äußeren Einflüssen, als reines Zink und kommt häufig zum Einsatz.

Die Gewinnung von Aluminium (Chemisches Symbol: Al) erfolgt aus dem Stoff Bauxid; dabei handelt es sich um eine rötliche Tonerde. Der Prozess der Erzeugung reinen Aluminiums ist aufwändig und benötigt allen Betriebsstoffen voran viel Strom. In dem Verfahren der Elektrolyse wird Sauerstoff und reines Aluminium voneinander getrennt.10 Aluminium findet neben Stahl einen häufigen Einsatz im Hochbau. Die Vorteile liegen in den vielfältigen Verarbeitungoptionen des Baustoffes. Der Schmelzpunkt liegt bei 660°C.11 Durch Legierungen lassen sich unterschiedliche Festigkeiten des Stoffes erzielen. Das sorgt für die individuellen Einsatzmöglichkeiten von Aluminium in den unterschiedlichsten Einsatzge-bieten. Eine weitere Eigenschaft ist die Leichtigkeit des Stoffes, aufgrund seiner niedrigen Dichte von 2,7 kg/dm³. Aluminium ist damit nur in etwa halb so schwer wie Stahl mit einer Dichte von 7,85 kg/dm³. Die Festigkeit dieses Metalls ist gering und liegt bei nur 65 bis 130 N/mm². Es ist ein Stoff der im Kaltzustand leicht verformbar ist, deswegen eignet er sich nicht um primär große Kräfte abzutragen. Aluminium wird so, häufig im Außenbereich der Fensterrahmen und -bänke, der Rolllädensysteme, in der Fassadenbekleidung und auch auf dem Gebiet der Dachdeckung verwendet. Auch Aluminium besitzt einen Korrosionsschutz, wie alle der folgenden Erwähnung findenden Nichteisenmetalle. Das ist der wesentliche Vorteil der Nichteisenmetalle: Die geringe Anfälligkeit gegenüber Korrosions-schäden.12

Kupfer (Chemisches Symbol: Cu) wird aus Kupfererz gewonnen und hat, nach dem späten Einsatz von Eisen, im Bausektor an Bedeutung verloren. Die gute Leitfähigkeit von Strom begründet den Einsatz im Bereich Elektrotechnik, wie z.B. in den Stromkabeln. Kupfer bildet die Möglichkeit zur Veredelung zu Bronze, indem dem Stoff Zinn und Blei hinzugeführt werden. Das Metall hat einen Schmelzpunkt, der bei 1083°C liegt und damit den höchsten der vier Nichteisenmetalle. Verglichen mit Stahl ist dieser etwa 50% niedri-ger. Die Dichte des Stoffes liegt bei 8,9 kg/dm³. Kupfer wird in den Bereichen der Dach-abdeckung und in Form von Rohren, wie etwa bei Heizungsrohren verwendet. Kirchendächer bestehen aus Kupfer und sind dadurch sehr widerstandsfähig gegenüber der Materialermüdung.

Der Gewinn von Blei (Chemisches Symbol: Pb) erfolgt aus Bleierzen. Das Nichteisenmetall ist bei höherer Temparatur biegsam und kann verlötet werden. Blei hat geringe Werte in der Festigkeit gegenüber Zugkräften. Der Schmelzpunkt liegt bei 328°C. Die Dichte leigt bei einem hohen Wert von 11,3 kg/dm³.13 Heutzutage wird dem Nichteisenmetall Blei eine geringere Wichtigkeit im Bausektor zugemessen. Im Bausektor wird Blei heutzutage nur noch selten eingesetzt, da der Stoff zu den Umweltgiften zählt. Bis in die 1970er Jahre fand der Baustoff noch in Form von Bleirohren Verwendung, dies ist mittlerweile auch gesetzlich Verboten; seit Ende des Jahres 2013 gilt die Pflicht alte Bleirohre in Immobilien auszutauschen, um die Umweltbelastung zu senken. Hausbesitzer waren damit angeleitet diese Rohre z. B. durch Kupferrohre zu ersetzen.14

2.3 Korrosion von Metallen

Die DIN 50900-2 definiert die Reaktion eines metallischen Werkstoffs mit seiner Umgebung als Korrosion. Diese löst eine messbare Veränderung des Stoffes aus und führt zu einer Beeinträchtigung der Funktion eines metallischen Bauteils oder sogar eines ganzen Systems.15

Korrosion stellt damit einen Zerfall der metallischen Baustoffe dar, für den mehrere Ursachen vorliegen müssen. Die relative Luftfeuchte muss bei Stahl über 60% liegen; ab dieser Feuchtigkeit bildet sich Rost unmittelbar an den Bauteilen.16 Wasser in Verbindung mit Stahl und einem unedleren Stoff sorgen dafür, dass der unedle Stoff nach und nach zersetzt wird.17 Die Nichteisenmetalle sind widerstandsfähig gegenüber Rost, da sie selbst eine Schutzschicht als Oxidationsschicht gegenüber der Korrosion bilden, deshalb liegt der Fokus der Korrosion auf dem Eisenmetall Stahl.

Bei dem Schutz vor Korrosion wird zwischen aktivem und passivem Korrosionsschutz unterschieden.18 Der aktive Korrosionsschutz sieht eine Ummantelung des Bauteils aus einem weniger edlem Baustoff vor, dadurch wird die Materie des Kernstoffes geschützt; ein Beispiel dafür stellt der Stahlbeton dar. Auf diese Weise wird verhindert, dass das Metall direkt geschädigt wird.

Der passive Korrosionschutz sieht eine direkte Beschichtung des zu schützenden Stoffes vor. Diese wirs auf der Oberfläche des zu schützenden Materials eingearbeitet. Passiver Korrosionschutz bei Stahlbauteilen bietet beispielsweise das Duplex-Verfahren, welches Bauteile mit einer Schicht aus Zink überzieht und somit unanfällig gegenüber Rost macht.19

2.4 Betrachtung des Metalleinsatzes im geschichtlichen Kontext

Tabelle 1: Metalleinsatz in der Menschheitsgeschichte

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Eigene Darstellung

Metalle sind seit jeher in der Zeitgeschichte des Menschen eingesetzt worden.20 Für viele Bereiche, wie etwa der Werkzeugherstellung, dienten Kupfer, Bronze, Blei und Eisen in den nach ihnen benannten Epochen der Vergangenheit.

In der Architektur wurden Metalle, mit Ausnahme von den Römern, nicht vorrangig im Bau von Gebäuden verwendet. Erst mit den Möglichkeiten der kostengünstigeren Stahl-herstellung im 19. Jahrhundert, die nun durch den Kohleeinsatz (früher unwirtschaftliche Waldrodung) weitaus effizienter gestaltbar wurde, ergaben sich die vielfältigen Einsatzbe-reiche in den Bausektoren. Gerade der Hochhausbau mit Stahleinsatz, der 1890 die amerikanische Architektur erreichte, konnte eine große Entwicklung dieses Baustoffes beschleunigen. Aluminium und Zink wurden ebenfalls erst im 19. Jahrhundert industriell erzeugt und im Bau von Gebäuden eingesetzt. Der vorrangige Einsatz von Metallen im Bau, vor allem in Bezug auf Stahl, hat sich also erst kürzlich in der zeitlichen Betrachtung durchgesetzt.

3. Wirtschaftlichkeitsaspekte von Metallen im Hochbau

3.1 Lebensdauer

Die Lebensdauer der Metalle unterscheidet sich stark voneinander; das Einsatzgebiet im Innen- oder Außenbereich hat einen Einfluss auf den Verbrauch bzw. die Abnutzung der Metallstoffe, da die Stoffe meist unmittelbar den zersetzenden Stoffen Wasser und Luft ausgeliefert sind. Besteht kein Korrosionsschutz, tragen die Teile mit der Zeit Schaden davon.

Tabelle 2: Lebensdauer von Metallen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Eigene Darstellung

[...]


1 http://www.architektur-lexikon.de/cms/lexikon/41-lexikon-h/542-hochbau.html, Das Architekturlexikon, 2017.

2 Heger, M., (2012), S. 77.

3 Ebenda.

4 Ebenda.

5 Heger, M., (2012), S. 80.

6 Heger, M., (2012), S. 81.

7 http://www.baustoffwissen.de/wissen-baustoffe/baustoffknowhow/grundstoffe/grundstoffe-des-bauens/rostfrei-bauen-zink-aluminium-kupfer-blei/, Rostfrei Bauen: Zink,(…), Bauwesen, Grimm, 29.01.2015.

8 Heger, M., (2012), S. 78.

9 http://www.baustoffwissen.de/wissen-baustoffe/baustoffknowhow/grundstoffe/grundstoffe-des-bauens/rostfrei-bauen-zink-aluminium-kupfer-blei/, Rostfrei Bauen: Zink,(…), Bauwesen, Grimm, 29.01.2015.

10 Heger, M., (2012), S.81.

11 Scholz, W., (2016), S. 9.15.

12 Heger, M., (2012), S. 78.

13 Scholz, W., (2016), 9.2.

14 https://www.welt.de/print/die_welt/finanzen/article122028635/Rohre-aus-Blei-sind-bald-verboten.html, Stephan Maaß, 19.11.2013, Welt.

15 http://www.bgbau.de/gisbau/lehrgang/a-z/stahlalukorr.htm, Berufsgenossenschaft der Bauwirtschaft, Frankfurt am Main.

16 Bauen mit Stahl, Schäfer, (2008), S. 7.

17 Heger, M., (2012), S. 78.

18 Bauen mit Stahl, Schäfer, (2008), S. 7.

19 Ebenda.

20 Heger, M., (2012), S.77.

Ende der Leseprobe aus 19 Seiten

Details

Titel
Metalle im Bauwesen. Eigenschaften und Anwendungen
Hochschule
EBZ Business School (ehem. Europäisches Bildungszentrum der Wohnungs- und Immobilienwirtschaft)
Note
2,7
Autor
Jahr
2017
Seiten
19
Katalognummer
V366996
ISBN (eBook)
9783668457614
ISBN (Buch)
9783668457621
Dateigröße
933 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Metalle im Bauwesen, Eigenschaften Metalle, Metalle im Hochbau, Stahl im Hochbau, Einsatz verschiedener Metalle, Immobilienwirtschaft, Bautechnik, Architektur
Arbeit zitieren
Sebastian Popanda (Autor), 2017, Metalle im Bauwesen. Eigenschaften und Anwendungen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/366996

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