Die Entwicklung und der Einsatz von Eisen und Stahl in der Konstruktion sind durch kontinuierliche Forschung und Anpassung geprägt, um Sicherheit und Langlebigkeit der Bauwerke zu gewährleisten. Der Umgang mit den Eigenschaften der Materialien und den Herausforderungen, die durch seine Reaktion mit der Umwelt entstehen, bleibt ein zentrales Thema in der Ingenieurwissenschaft. Dieser Beitrag beschäftigt sich mit Eisen, Stahl und deren Anwendungen in der Konstruktion, einschließlich der Herausforderungen, die mit Korrosion, Materialeigenschaften und struktureller Integrität verbunden sind.

 Kurz zur Erinnerung: Eisen oder Ferro kommt in der Natur nicht als Metall, wie Gold oder Silber vor. Die Eisenerze sind Sulfide oder Oxide, aus denen das Eisen gewonnen wird. Durch Reduktion entsteht reines metallisches weiches Eisen, ein weiches helles Metall. Durch Aufnahme von Kohlenstoff und anderen Zuschlagsstoffen erhält das Eisen erst die bekannten Eigenschaften als Stahl. Eisen hat eine Affinität zum Sauerstoff. Als Beispiel, ein Stück reines poliertes Eisen bildet nach kurzer Zeit in Luft mit normaler Feuchtigkeit einen braunen Belag, den sogenannten Flugrost, ein Eisenoxid.

Eisen tritt chemisch zwei- und dreiwertig auf. Folglich sind die chemischen Wege der Rostbildung unterschiedlich. Sie beginnen mit 3Fe+4H20 und enden mit Fe3Q4+4H2. Unter besonderen Bedingungen kann der entstehende Wasserstoff dem Stahl den Kohlenstoff entziehen, was zu einem Festigkeitsverlust des Stahls führt. Auch Methan kann sich bilden, der hierzu benötigte Kohlenstoff wird dem Stahl entzogen. Wasserstoff wird den Stahl immer begleiten, wenn sein Entstehen nicht verhindert wird. Die oben genannten Formeln sind eine grobe Zusammenfassung, genauere Zwischenschritte zur Oxidation des Eisens und der Rostbildung überlassen wir hier mal den Chemikern. Der Rost des Eisens hat aber eine unangenehme Eigenschaft, er löst sich vom Eisen, er bildet keine Schutzschicht, der Prozess des Rostens wird nicht unterbrochen, nur Legierungszuschläge im Eisen oder Schutzschichten, zum Beispiel aus Zinn, Zink oder Mennige können den Prozess stoppen. Es ist zu bedenken, Rost reduziert unter Umständen die tragenden Flächen der Spannelemente.

Rostschutz ist nicht nur eine Aufgabe der Schönheit, er muss kontrolliert und erhalten werden. Stähle für tragende Konstruktionen unterliegen strengen Kontrollen, sie unterliegen nationalen und internationalen Vorschriften und Standards. Staatliche und vom Stahlverbraucher getragene Institutionen bilden ein System der Sicherheit. Dieses gewachsene Kontrollsystem ist über Jahrzehnte entstanden, es begann mit der Baupolizei, der BAM (Bundesanstalt für Materialprüfung) der Reichsbahnprüfung und wird von den Berufsgenossenschaften gepflegt. Tragende Stahlkonstruktionen unterliegen der Abnahmepflicht, sie dürfen nur von zugelassenen Betrieben gefertigt werden, Revisionsprüfungen sind für den Bestand der Bauwerke erforderlich.

Etwa 12 Prozent des in Deutschland eingesetzten Stahls dient als Spannstahl im Stahlbetonbau. Beton kann nur in geringem Umfang Zugkräfte übertragen. Spannelemente und Armierungen müssen die wirkenden Zugkräfte weiterleiten. Es ist zu unterscheiden zwischen vorgespannten und nicht vorgespannten Konstruktionen. Bei nicht Vorspannung übernehmen die eingebauten Stahlteile direkt die auftretenden Zugkräfte. Die auftretenden Dehnungen entsprechen den Werten des Stahlbaus. Es können auch Stähle wie St 37 oder St 52 verwendet werden. Da Stahlbaustähle einen großen elastischen Dehnbereich haben, dürfen dann im Beton Risse auftreten. Diese Risse sind örtlich begrenzt und ihr Auftreten wird kontrolliert. Eisen und Stahl ändern ihre Eigenschaften nicht unabhängig von ihrem Einsatz, die Affinität zum Sauerstoff ändert sich nicht und muss beachtet werden. Bei vorgespannten Konstruktionen werden die tragenden Querschnitte immer unter Druck gehalten, diese stehen immer zur Kraftübertragung zur Verfügung. Das Eigengewicht der Konstruktion und die Verkehrslasten dürfen die Vorspannungen nicht überschreiten, entsprechend hoch müssen Vorspannungen sein. Es liegen andere Kraftverhältnisse vor.

Die Spannelemente haben 3- bis 5-fache Festigkeit im Vergleich zu denen von Massenbaustählen. Es sind hochlegierte und anschließend besonders behandelte Drähte. Diese Bauelemente ähneln den Drähten für hochwertige Seile. Die Reduzierung der Konstruktionsmasse rechtfertigt in besonderen Fällen den hohen Aufwand und die höheren Kosten, die Pflege und Kontrolle hat einen hohen Stellenwert. Die Stahlelemente sind in direktem Kontakt mit dem Beton. Zum Schutz vor Korrosion können legierte Stähle, die wesentlich teurer sind, feuerverzinkte oder mit Epoxidharz beschichtete Teile Verwendung finden. Nur regelmäßige Kontrollen können den Bestand von Stahl und Beton im Verbund sichern. Die Stähle der Spannelemente unterliegen vergleichbaren Kontrollen und Konstruktionsrichtlinien wie Stähle für abnahmepflichtige Bauwerke. Wenn Stahlbetonbauwerke sich ändernden Belastungen, (Brücken) ausgesetzt sind, muss für die Spannelemente auch die Dauer- oder Zeitfestigkeit nachgewiesen werden. Tragende Stahlbetonbauwerke sind abnahme- und revisionspflichtig.

August Wöhler (Bild oben), ein deutscher Eisenbahn-Ingenieur, der die Werkstoffe Stahl und Eisen erforschte, arbeitete von 1858 bis 1870 für eine Bahngesellschaft. Wöhlers  Aufgabe bestand darin, die vielen Brüche bei Radsätzen der Wagen und Lokomotiven zu klären. Ein Radsatz besteht aus einer Achse, die an ihren Enden Zapfen für Lager hat, mittig im Abstand der Spur der Eisenbahnräder angeordnet. Versuche zeigten, dass konstruktive Gestaltungen, Absätze oder Nuten die Festigkeit bei wiederholter Belastung beeinflussen. Die Versuche zeigten, dass sowohl wenige große als auch viele kleine Belastungen zum Bruch führen können. Die Zusammenhänge sind nicht addierbar, sie lassen sich als Problem der Schädigungssammlung deuten. Die Bruchflächen unterscheiden sich, Brüche von wenigen hohen Belastungen zeigen Verformungen, die von vielen geringen Belastungen sind verformungslos. August Wöhler zeichnete Diagramme, die die Zusammenhänge von Bruch, Belastungszahl und Belastungsgröße darstellen. Diese Wöhlerlinien sind die Grundlage für die Bewertung und Gestaltung von Elementen mit sich ändernden Belastungen.

Einige Jahre zurück, im Jahr 1895: Deutschland bezog aus Chile Salpeter, den es für die Herstellung von Ammoniak benötigte. Ammoniak zur Herstellung von Kunstdünger, aber auch zur Produktion von Sprengstoff. In Chile war der natürliche Salpeter so gut wie aufgebraucht. England verhängte auch gegen Deutschland, wie man heute sagen würde, ein Lieferembargo. Die deutschen Wissenschaftler Huber und Bosch entwickelten ein Verfahren, wie man aus Wasser und Luftstickstoff Ammoniak herstellen kann. Sie schufen die sogenannte Ammoniaksynthese, die mit hohem Druck und hohen Temperaturen unter Verwendung von Katalysatoren arbeitet. Das Verfahren sollte nach der  Laborentwicklung zum Großverfahren weiterentwickelt werden. Das Pilotverfahren arbeitete eine gewisse Zeit gut, dann zeigten sich aber Risse in den Stahlteilen und Rostschäden. Der im Rostprozess freigesetzte Wasserstoff hatte aus dem Stahl den Kohlenstoff gezogen, der Stahl wurde zum Weicheisen. Die Wissenschaftler fanden eine kluge Lösung, sie kleideten die Stahlteile von innen mit Weicheisen aus, das keinen Kohlenstoff enthielt. Die äußeren Konstruktionsteile blieben aus normalem Kohlenstoffstahl, sie stützten die Anlage und ertrugen die hohen Temperaturen. Bei der Ammoniaksynthese hatte man den Kreislauf der Oxidation des Eisens und des dabei freigesetzten Wasserstoffs als Ursache des Stahlversagens nicht beachtet oder noch nicht erkannt. Diese Erfahrung kann man als wichtigen Schritt für den Umgang mit Stahl bezeichnen.

In den 1920er Jahren hatte die Bahn die Aufgabe, einen einheitlichen Lokomotivbestand zu schaffen. Für die verschiedenen Aufgaben wurden Einheitslokomotiven entworfen. Als Beispiel für den schweren Güterverkehr die Baureihe 41. Man entschied sich für die Dampfkessel den Kesselstahl St-47-K zu verwenden. Dieser gehörte zu den Stählen der Gruppe St 37 und St 52, mit denen man gute Erfahrungen im Stahlbau gemacht hatte. Leider zeigten sich nach kurzer Zeit Risse und Roststellen außen an den Kesseln. Da im Kessel im allgemeinen Sauerstoffmangel herrscht, konnten die Schäden nur vom Wasserstoff stammen, der dem Stahl den Kohlenstoff entzogen hatte. Aus Gründen der Leistungssteigerung wollte man die Baugruppe 41 mit Kesseldruck  von 20 bar betreiben, auch bei dem üblichen Kesseldruck von 16 bar traten die Schäden auf. Versuche mit Wanddicken von 22 Millimeter statt 20 Millimeter lösten nicht das Problem. Ausweg versprach man sich von geschweißten Kesseln aus Werkstoff Stahl St 34 nach DIN 1737. Die Deutsche Reichsbahn und die Bundesbahn tauschten bei allen 366 Lokomotiven die Kessel aus.

Unabhängig von den Fehlschlägen entstanden weltweit  imposante Stahlbauten. Hier ist unbedingt die 1937 bei San Francisco errichtete Hängebrücke „Golden Gate Bridge” zu nennen. Mit einer Mittelöffnung von 1280 Meter überspannt sie das Goldene Tor von San Francisco. Interessant  hierbei ist die Gestaltung des Hängekabels. Es besteht aus vielen Spanndrähten, die man mit einer mechanischen Vorrichtung zu einem runden Kabel mit einem Durchmesser von 900 Millimeter presste. Das Kabel wurde weiter zweilagig umwickelt, es hat praktisch keine Hohlräume, Wasser kann nicht eindringen, und Rostbildung ist kaum möglich.

Der Stahlbau hat wie jedes Bauen mit Problemen zu leben. Ein Hängebrückeneinsturz ereignete sich im Jahr 1950. Die Tacoma Narrows Bridge (USA) stürzte bei einer relativ geringen Windgeschwindigkeit von 68 km/h ein. Ursache war das Bestreben, eine leichte Brücke zu bauen. Die Brücke hatte eine Hauptöffnung von 853 Metern. Die Besonderheit war eine geringe Bauhöhe des Brückenträgers von 2,4 Meter, bei einer Breite von11,9 Meter. Ihre Steifigkeit gegen Verdrehung war, wie sich später zeigte, zu gering. Es bildeten sich Karmansche Schwingungen. Diese Schwingungen können entstehen, wenn ein gleichmäßiger Luftstrom an einem Hindernis Kräfte aufbaut, z. B. Unterdruck. Überschreiten diese Kräfte einen Grenzwert, brechen sie zusammen, wenn sich der Vorgang wiederholt, können pulsierende Kräfte entstehen, die zu Resonanzen führen. Aus einer statischen Windbelastung. wird dann eine Schwingungsbelastung, die Amplituden können sich addieren, was zum Versagen der Brücke führte. Da das Problem erkannt wurde, sperrte man die Brücke, hat aber Filmaufnahmen gemacht. Die Fahrbahn verformte sich um ca. 15 Grad, es rissen einige Hängestangen und das Mittelfeld stürzte ab. Gut ist in dem Film die Verformbarkeit des schweren Stahlteiles zu sehen.

Autor dieses Beitrages ist Dr.-lng. Lothar Ernst