Archivierter Experteninhalt: Der Artikel enthält historische Bezeichnungen, Tabellen und Behauptungen über die Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften von Stahl, ist jedoch keine gültige Norm, Materialspezifikation, Bescheinigung, Strukturberechnung oder Wärmebehandlungs- und Prüfanweisung. Die Konstruktionswerte hängen von der genau identifizierten Stahlsorte und -charge, dem Herstellungszustand, der Dicke, der Temperatur, der Schweißbarkeit, der Zähigkeit, der Ermüdung und der geltenden Norm ab. Der Lagerwerkstoff muss über eine nachvollziehbare Dokumentation verfügen und von einem verantwortlichen Sachverständigen ausgewählt und geprüft werden.
Heute konzentriert sich Savo Kusić auf Holzfenster, Holz-Aluminium-Fenster, kundenspezifische Fenster, Türen und Angebotsanfragen. Dieser Artikel bleibt ein historisches Archiv und stellt kein Angebot zur Herstellung von Bewehrungen, zur Bemessung oder Prüfung von Stahlkonstruktionen dar.
Zusammensetzung und historische Markierungen von Baustahl
Roheisen wird durch das Schmelzen von mit Brennstoffen vermischten Eisenerzen und unter Zugabe von Beimengungen – meist Kalkstein – sowie durch Einleiten von erhitzter Luft unter Druck in den Hochofen gewonnen. Roheisen enthält über 1,7 % Kohlenstoff; Es kann nicht geschmiedet, gewalzt, gemeißelt oder gepresst werden – daher kann es nicht auf verschiedene Arten geformt werden. Schmiedeeisen wird aus Roheisen durch Einblasen von Luft in einem Grundkonverter oder aus Eisenschrott und Roheisen in einem Ofen (Siemens-Martin-Ofen) hergestellt. Durch Walzen, Pressen und Schmieden lassen sich daraus verschiedene Formen herstellen. Alles Schmiedeeisen wird „Stahl“ genannt.
Historische Tabellen: Die alten Stahlbezeichnungen, Normen, Toleranzen und Biegeverfahren in den gezeigten Tabellen dürfen nicht zur Beschaffung, Identifizierung oder Dimensionierung des heutigen Materials verwendet werden. Es gelten ausschließlich das Etikett und die Dokumentation der gelieferten Charge mit einer Prüfung der Gleichwertigkeit gemäß der vereinbarten und gültigen Norm.
Chemische Zusammensetzung von Baustahl
Technisches Eisen ist kein reines Eisen, sondern eine Legierung aus den Grundelementen Eisen und Kohlenstoff, meist unter Zusatz von Mangan, Silizium, Phosphor, Sumbor und Kupfer, seltener auch mit Aluminium, Chrom, Nickel, Molybdän usw. Die wichtigste Beimischung ist Kohlenstoff. Die Streckgrenze und Zugfestigkeit von geschmolzenem Stahl nehmen mit steigendem Kohlenstoffgehalt zu, bis etwa 0,9 % Kohlenstoff erreicht werden; Die Bruchdehnung nimmt mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt ab. Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt muss beim Richten, Biegen, Knicken usw. vorsichtiger behandelt werden.
Baustähle St 37.12 enthalten in der Regel 0,08-0,15 % Kohlenstoff, dann etwa 0,5 % Mangan, bis zu 0,3 % Silizium. Der Gehalt an Phosphor und Schwefel muss gering sein; es beträgt jeweils 0,09 % und 0,05 %. Kupfer hat in der Regel mehr als 0,2 %.
Bei der Auswertung der Ergebnisse chemischer Analysen ist darauf zu achten, ob es sich um Analysen aus Schmelzen oder um Analysen an gültigen Gütern handelt; Für letzteres ist es wichtig, ob sich die Probendaten auf Proben beziehen, die aus dem gesamten Abschnitt stammen, oder auf Proben, die von einer bestimmten Stelle (vom Kern, vom Rand, von einem Ende) entnommen wurden.
Stahlkonstruktion, Härten, Anlassen und Glühen
Die Beobachtung der Struktur erfolgt an ebenen, sorgfältig bearbeiteten, geschliffenen und polierten Oberflächen, die in der Regel durch Säuren korrodiert sind. In bestimmten Fällen (z. B. bei überhitztem Stahl) sind Stahlkörner auf vorbereiteten Proben mit bloßem Auge zu erkennen.
Abbildung 1 zeigt die Struktur von langsam abgekühltem Stahl mit etwa 0,1 % Kohlenstoff und Abbildung 2 zeigt die Struktur von langsam abgekühltem Stahl mit etwa 0,3 % Kohlenstoff. Leichte Körner sind kohlenstofffrei und bestehen hauptsächlich aus reinem Eisen (daher der Name Ferrit); Bei starker Vergrößerung erscheinen die dunklen Bereiche gestreift (Perlit). Unter dem Mikroskop lässt sich erkennen, dass die dunklen Flecken aus härteren und weicheren Schichten bestehen; Bei den härteren Schichten handelt es sich um Eisenkarbid (Fe3C), Zementit genannt, eingebettet in das weichere Ferrit. Lokale Kristalle, die bei hoher Temperatur gebildet werden, zerfallen bei allmählicher Abkühlung. Durch die plötzliche Abkühlung des heißen Stahls wird verhindert, dass die Kristalle zerfallen. Erfolgt hingegen eine plötzliche Abkühlung, bevor die Umwandlung der festen Lösung einsetzt, bleibt die Lösung, die sonst nur bei hohen Temperaturen existieren kann, weiterhin auf Raumtemperatur. In diesem Fall erhalten wir kein Material, dessen Kohlenstoff punktförmig verteilt ist, sondern ein Material mit gleichmäßig verteiltem Kohlenstoff. Stahl in diesem Zustand weist eine weitaus höhere Streckgrenze und höhere Zugfestigkeit auf als langsam abgekühlter Stahl mit derselben chemischen Zusammensetzung, ist aber auch schlechter bearbeitbar; solcher Stahl wird gehärteter Stahl genannt.
Naturgemäß ist die Kühlwirkung an den Oberflächen am stärksten ausgeprägt, während sie zum Inneren hin schwächer wird, was für den Einsatz von Stahl von großer Bedeutung ist. Gehärteter Stahl weist hohe innere Spannungen auf.
Labor- und thermische Prozesse: Metallografisches Säureätzen, Erhitzen, Tempern und Glühen erfordern ein kontrolliertes Labor oder eine kontrollierte Werkstatt, identifiziertes Material, geeignete Ausrüstung und Schutz. Eine unsachgemäße Wärmebehandlung kann zu Rissen, Verformungen, Zähigkeitsverlust und hohen Eigenspannungen führen.
Zugverhalten von Stahl
1. Gewöhnliche Baustähle im gewalzten Zustand
Aus dem Zugversuch kann zunächst der Elastizitätsmodul E sowohl für die Gesamtdehnung als auch für die elastische Dehnung ermittelt werden. Der Elastizitätsmodul von Stahl beträgt 200 GPa.
Bei niedrigen Spannungen treten bleibende Dehnungen auf, die jedoch im Bauwesen keine besondere Bedeutung haben. Gewöhnlicher Stahl beginnt unter Belastungen zu „fließen“, die bei kommerziellem Baustahl St 37 und Betonstahl I meist 0,24 GPa überschreiten, und in großen Abschnitten kann dieser Wert auf 0,18 GPa sinken. Durch die Strömung entstehen große bleibende Verformungen und „Fließlinien“. Die Linie des Stahldehnungsdiagramms (Bild unten) zeigt die Überschreitung der Streckgrenze (bei Zugbelastung wird diese Grenze auch Streckgrenze genannt).
Wenn bei Stahlbetonträgern die Dehngrenze der Bewehrung in der Zugzone überschritten wird, kommt es zu erheblichen Dehnungen im Stahl, wodurch Risse und Biegungen in der Zugzone des Trägers entstehen, die die Tragfähigkeit des Trägers beeinträchtigen. Bei Stählen mit hohem Kohlenstoffgehalt, bei gehärteten Stählen und allgemein bei Nichteisenmetallen tritt die im Bild oben dargestellte charakteristische Streckgrenze nicht auf; Die bleibenden Dehnungen nehmen im Allgemeinen zu und es gibt keine ausgeprägte Streckgrenze. In solchen Fällen wird in der Regel die Streckgrenze gleich der Belastung angenommen, bei der eine bleibende Dehnung von 0,2 % auftritt.
Werte sind keine Konstruktionsdaten: Elastizitätsmodul, Streckgrenze, Festigkeit und Dehnung im Text werden aus einer historischen Quelle übernommen. Für die Berechnung werden die charakteristischen und konstruktiven Werte der genauen modernen Klasse, Dicke und des Lieferzustands sowie die relevanten Teilbeiwerte, Toleranzen und Anforderungen an Zähigkeit, Schweißbarkeit und Ermüdung herangezogen.
2. Kaltgezogene Stähle
In jeder Stahlstange, die gerichtet oder gebogen wird, kommt lokal kaltgezogener Stahl vor. Dabei wird der Stahl lokal über die Streckgrenze hinaus beansprucht; am gezogenen Teil wird die Ziehgrenze erhöht. Wird ein blanker Stahlstab auf Zug belastet, bis die Streckgrenze überschritten wird, stellt man bei erneuter Belastung fest, dass sich der Wert der Streckgrenze erhöht hat. Je länger das „Pause“-Zeitintervall zwischen zwei Belastungen ist, desto stärker steigt die Streckgrenze.
Da beim Kaltrecken außerdem der Durchmesser proportional zur Dehnung des Stabes abnimmt, weist der Stahl, der vor dem Test einer erheblichen Dehnung ausgesetzt wurde, eine deutlich höhere Streckgrenze und Zugfestigkeit auf als Stahl, der nicht gedehnt wurde; gleichzeitig weist es eine geringere Schlagfestigkeit auf.
Das Kaltziehen wird bei der Herstellung der Betonstähle IIb, IIIb und IVb (Tor-Stahl, Stahlbaumatten) sowie bei der Herstellung von Drähten für vorgespannte Bewehrungen und Seilen von Hängebrücken eingesetzt.
Kaltverformung und Verstärkung: Historische Qualitäten und Beschreibungen des Kaltziehens sind kein Hinweis auf ein modernes Produkt. Das Biegen, Richten, erneute Biegen, Schweißen oder Erwärmen der Bewehrung kann die Eigenschaften verändern und ist nur zulässig, wenn dies in der Produktdokumentation, der Konstruktion und der geltenden Norm zulässig ist.
Das Verhalten von Stahl bei Druckprüfungen
Was über die Elastizität und die Streckgrenze der Stahlschmelze unter Zug gesagt wurde, gilt in entsprechendem Sinne auch für die Druckbelastung. Die beim Druckversuch und beim Zugversuch ermittelten Werte der Streckgrenze von Baustahl (bei Druck spricht man von Streckgrenze) unterscheiden sich kaum. Allerdings ist unter Druck eine Belastungssteigerung über die Quetschgrenze hinaus nur bei sehr kurzen Elementen möglich.
Für schlanke Stäbe gelten die Knickgesetze. Dabei sind zunächst entsprechende Annahmen zu berücksichtigen, sei es hinsichtlich der Art und Weise der Abstützung und Einklemmung der Stabenden oder bei Abweichungen der Stabachse von der festgelegten Position.
Gepresste Elemente: Die Festigkeit des Materials allein bestimmt nicht die Tragfähigkeit der Stange. Schlankheit, Anfangskrümmung, Eigenspannungen, lokale und globale Knickung, Auflager, Fugen und Unebenheiten müssen in die Berechnung des Betonelements einbezogen werden.
Das Verhalten von Stahl im Biegeversuch
Was die Streckgrenze anbelangt (die von außen an den großen Durchbiegungen der Stützen oder an den Strecklinien beobachtet wird), ist es wichtig, dass sie während des Biegeversuchs bei etwas niedrigeren, aber höheren Spannungen auftritt, als sie bei der Prüfung der Zugfestigkeit des Prüfstabs erhalten werden. Nach Überschreitung der Streckgrenze des Stahls in den Zugzonen der Träger können die Belastungen erhöht werden, wenn die Träger ausreichend gegen Knicken oder Verdrehen gesichert sind.
Biegetest: Das Foto zeigt das Laborverfahren, nicht die Produktakzeptanzkriterien. Probengeometrie, Auflager, Geschwindigkeit, Temperatur, Walzrichtung und Sortierkriterien müssen mit der angewandten Norm und der genauen Stahlsorte übereinstimmen.
Dauerfestigkeit von Stahl
Festigkeitseigenschaften, die bei gewöhnlichen Zug-, Druck- oder Biegeversuchen ermittelt werden, liefern detaillierte Informationen über das Verhalten von Stahl unter statischer Belastung. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Streckgrenze bei langfristiger statischer Belastung geringfügig unter dem Grenzwert liegt, der bei gewöhnlichen Versuchen bis zum Versagen erreicht wird. Wenn auf statische Belastungen häufige Belastungen folgen (z. B. Brücken, Kranbahnen, Fahrzeuge) oder wenn überhaupt nur häufige Belastungen wirken, können Aussagen über das Material nur anhand seines Verhaltens unter Bedingungen gewonnen werden, die den Praxisbedingungen möglichst nahe kommen. Daher werden Stähle für Bauelemente, die hauptsächlich beweglichen Belastungen ausgesetzt sind, durch häufige Belastung geprüft.
Am häufigsten treten stationäre und bewegte Lasten gleichzeitig auf. Die folgenden Beispiele veranschaulichen den Kern des Problems. Die im Bild 1 gezeigten Stäbe bestehen aus dem gleichen Material und stammen vom gleichen Stab. Die untere Stange wird durch allmähliche Belastung langsam gebogen; Daher könnte es verbogen sein. Der obere Stab wird wiederholt wiederholten Belastungen ausgesetzt, wobei die Belastungen weitaus geringer sind als diejenigen, die im ersten Stab vorherrschen. Nach einiger Zeit brach der obere Stab, ohne dass sich im Bruchbereich eine bleibende Verformung zeigte. Demnach hängt das Versagensverhalten des Materials maßgeblich von der Art der Belastungseinleitung ab. Das angegebene Beispiel, das sich auf Biegebelastungen bezieht, ist auch für andere Belastungsarten charakteristisch. Die Abbildungen 2 und 3 zeigen Beispiele für Zugversuche; Abb. 2 bezieht sich auf ein einfaches Beispiel eines Reißtests und Abb. 3 auf unidirektionale variable Zugtests.
Für die Anwendung dieser Tatsachen ist es wichtig, dass neben dem Verhalten bei der gewöhnlichen Reißprüfung insbesondere auch der Wert des Bauteils beurteilt werden muss, das gebohrt wurde oder dessen Querschnitt andere Änderungen erfahren hat. Der Widerstand eines gebohrten Stabes gegenüber häufigen Belastungen ist viel geringer als der Widerstand eines ungebohrten Stabes, da an den Rändern des Lochs Spannungsschwellen auftreten. Die Spannung am Lochrand liegt bei häufigen Belastungen immer deutlich über der durchschnittlichen Spannung. Die Folge ist, dass gebohrte Bauelemente bei häufiger Belastung eine weitaus geringere Festigkeit aufweisen als ungebohrte Elemente.
Eine letzte Anmerkung zur Ermüdung: Ermüdungsrisse können bei Spannungen auftreten, die niedriger sind als diejenigen, die eine sichtbare plastische Verformung verursachen. Löcher, geschweißte Teile, plötzliche Querschnittsänderungen, Korrosion und Beschädigungen verändern die Kategorie der Teile und die Lebensdauer. Bauwerke unter wiederholter Belastung erfordern eine spezielle Ermüdungsberechnung, einen Prüfplan und eine fachmännische Beurteilung jedes festgestellten Risses.