Stahlgüten im Hallenbau

Walzprofile in S235 oder S355?

„Es wäre alles viel einfacher, wenn Walzprofile in S235 gänzlich vom Markt genommen und stattdessen in S355 und in S460M angeboten würden“, meint der Schweizer Bernhard von Mühlenen, Bereichsleiter Stahlbau bei der Senn AG. In Deutschland wird für den Hallenbau vielfach noch die Güte S235 verarbeitet, Unternehmer Egon Haist sagt: „S355 nutzen wir für Hallen häufig, wenn es um den Preis geht.“

Stahlbau Haist in Baiersbronn-Mitteltal verfügt über ein eigenes Statik- und Konstruktionsbüro. Erstellt das Unternehmen eine Ausschreibung mit Statik, beispielsweise für eine schlüsselfertige Halle, dann greift es meist zu Walzprofilen in S355. Im Vergleich zu S235 reduziert sich der Materialverbrauch deutlich. „In der Werkstatt bereitet S355 zwar mehr Aufwand, weil wir die Profile beim Schweißen vorwärmen, die Kalkulation jedoch fällt günstiger aus“, erklärt Egon Haist. Für die Fassadenbauer als nachfolgendes Gewerk ist die höherfeste Güte etwas misslich: Bei S235 können sie selbstfurchende Schrauben einsetzen, bei S355 nicht.„Vorbohrungen gestalten die Befestigung zeitaufwändiger.“
Gleichwohl, die Kalkulation mit S355 spricht für sich und Metallbaumeister Haist wundert sich, weshalb viele Architekten und Statiker den Bau von Hallen nicht in S355 ausschreiben. „Gibt die Ausschreibung S235 vor, führen wir die Halle in dieser Sorte aus.“ Würde Haist auf eigene Initiative S355 verwenden, müsste sein Statikbüro einen neuen Nachweis erstellen. „Wegen der zusätzlichen Kosten machen wir das nicht.“ Das Unternehmen erwirtschaftet ca. 60 Prozent des Jahresumsatzes im Ha
llen- und allgemeinen Stahlbau.

Statik & Stahlgüte

„Für die Wahl der Stahlgüte sind die statischen Gegebenheiten des Bauwerks ausschlaggebend“, stellt der Österreicher Rudolf Rauch fest. Er war Jahrzehnte lang als Fachbereichsleiter Schweißtechnik-Warmband im Bereich der Forschung & Entwicklung für voestalpine tätig. „Passt die Statik, ist der Einsatz von S355 sinnvoll und vielfach eine wirtschaftliche Lösung, da sich die Wanddicken sowie das Gewicht der Konstruktion reduzieren und die oftmals wenig beachteten Fertigungskosten für die Schweißarbeiten durch geringere Nahtquerschnitte deutlich sinken.“ Im Nachsatz präzisiert er: „Als Substitutionswerkstoff für den S235Jx würde ich allerdings nicht den allgemeinen Baustahl S355Jx nach EN 10025-2 empfehlen, sondern die thermomechanisch gewalzten Stahlgüten S355M/ML oder S460M/ML nach EN 10025-4.“

Vorwärmen nicht in jedem Fall

Erfahrungsgemäß weisen real angebotene M-Stähle bis zur Stahlsorte S460M/ML C-Gehalte von C ≤ 0,1% auf. Bei C-Gehalten ≤ 0,1% liegt die Aufhärtung in Schweißnähten selbst unter ungünstigen Bedingungen bei ≤ 380 HV10. Probleme mit der in der EN 1090-2 (Technische Regeln für die Ausführung von Stahltragwerken) für Schneid- und Schweißprozesse eingezogenen Aufhärtungsobergrenze (Härte ≤ 380 HV10) sind daher nicht zu erwarten, wie Rauch hervorhebt.

Eine Vorwärmung zum Schweißen ist für die Schweißprozesse E-Hand bzw. MAG bei Verwendung von Standard-Schweißzusätzen, der Einhaltung der vom Lieferanten vorgegebenen Handhabungsvorschriften und Bauteiltemperaturen ≥ RT bis zu 60 (90) mm Blechdicke nicht erforderlich. Was den Gehalt von Kohlenstoff betrifft, liegen M-Stähle auf dem Niveau des S235Jx.

M-Sorten S355 sehr gut schweißbar

Die M-Stahlsorten werden von allen namhaften Walzprofilherstellern angeboten, „Vorteil ist die exzellente Schweißeignung“. Rauch erläutert: „Da diese M-Stähle ihre Festigkeit überwiegend über den Verfestigungsmechanismus Kornfeinung durch thermomechanisches Walzen erhalten, ist ihr Legierungsgehalt sehr niedrig.“

Das Kohlenstoffäquivalent (CEV nach EN 1011-2) der M-Stähle liegt aufgrund der diesen Stählen eigenen sehr feinen Gefüge-Mikrostruktur normativ bezüglich der CEV-Obergrenze bei der Stahlsorte S355M (CEV ≤ 0,39 für Nenndicken ≤ 40 mm) unterhalb des CEV von S355Jx (CEV ≤ 0,47 für Nenndicken >30 mm bis ≤ 40 mm) und nicht wesentlich höher als die Vorgabe für S235Jx (CEV ≤ 0,35 für Nenndicken > 30 mm bis ≤ 40 mm). Erfahrungsgemäß werden von Stahlproduzenten, die M-Stähle anbieten und auf dem Stand der Technik produzieren, jedoch CEV-Werte ≤ 0,26 − 0,27 für Stähle bis S460 angeboten.
Zu beachten ist vor allem die normative Einschränkung des Kohlenstoff(C)-Gehaltes (Cmax = 0,24 bei S355J0-K2 bzw. Cmax = 0,16 bei S355M/ML). Diese Werte bestimmen die Aufhärtung und darüber hinaus die Vorwärmtemperatur, die nach den in der EN 1011-2 festgelegten Methoden bestimmt wird.

S355Jx nach EN 10025-2

Betriebe, die die Stahlsorten vom Typ S355Jx nach EN 10025-2 bevorzugen, rät Rauch, stattdessen mikrolegierte Feinkornbaustähle mit möglichst niedrigem CEV zu verwenden.  „Das CEV solcher mikrolegierten Stahlsorten ist im Vergleich zu Standard-S355Jx-Stahlsorten immer niedriger, da diese mit dem Ziel einer optimierten Schweißeignung entwickelt wurden.“

Der Stahlexperte betont, dass Walzprofile S355 nicht per se vorgewärmt werden müssen und diese Güte für einen erfahrenen Stahlbauer nicht „wirklich schwierig“ in der Verarbeitung ist. „Feinkornbaustähle und S460 im Übrigen auch nicht“, ergänzt er.

Informationslücken im Markt

Die Fachkenntnisse von Rauch seien im deutschsprachigen Markt wohl noch nicht auf breiter Linie angekommen, bedauert Dr.-Ing. Dennis Rademacher SFI/IWE von ArcelorMittal Europe – Long Products. Sein Hauptargument für den Einsatz von S355: Die Mehrkosten für Walzprofile in S355 im Vergleich zu S235 werden mit einer durchschnittlichen Materialeinsparung von bis zu 20 Prozent mehr als ausgeglichen. Das heißt, bereits bei einer Reduktion des benötigten Walzprofils um nur eine Profilstufe ist der Einsatz von S355 gegenüber S235 wirtschaftlich. Zusätzliche Kostenersparnisse in der Fertigung, etwa durch geringere Schweißnahtdicken, kämen hinzu. Darüber hinaus lassen sich mit den höherfesten Trägern größere Spannweiten erzielen.

Erfahrungen von Krings & Sieger

Das Unternehmen Krings & Sieger in Düren ist mit 30 Mitarbeitern im Hallen-, Stahl- und Industriebau tätig. Auf der Baustelle sind die Mitarbeiter zur Hälfte ihrer Arbeitszeit mit Schweißen beschäftigt. So ist gewährleistet, dass jeder Schweißer genügend Routine hat. „Bei uns können alle Schweißfachkräfte S355 verarbeiten, auch wenn der Anteil dieser Walzprofile nur bei rund zehn Prozent liegt,“ berichtet Heinz Jörres. Der Grund: Im Schweißkurs lernen die Teilnehmer beide Verfahren. Aufträge mit S460, „wie sie nur alle fünf, sechs Jahre angefragt werden“, lehnen die Dürener dagegen ab.

Teilweise sind ausführende Unternehmen noch nicht darüber informiert, dass die DIN EN ISO 9606-1 die Gültigkeit der Schweißerprüfung nach dem verwendeten Schweißzusatzwerkstoff und nicht mehr nach dem verwendeten Grundmaterial regelt. In Konsequenz gilt die Prüfung inzwischen für S235, S355 sowie S460.

Der Fachmann für Schweißaufsicht und Materialprüfung vermutet, dass die heutigen Vorbehalte gegenüber S355 aus den 1980-er-Jahren herrühren. Jörres erinnert sich, dass es vor etwa 40 Jahren beim Einsatz dieser Walzprofile im Schiffs- und Brückenbau zu Rissen und Brüchen kam. „Das Problem lag seinerzeit in der falschen Verarbeitung und nicht am Stahl“, stellt Jörres klar. Heute jedoch ist die Verarbeitung von S355 im Brückenbau Standard. Nichtsdestotrotz meint er, dass dem Qualitätsstahl S355, der früher St52 hieß, ein schlechtes Image anhaftet.

Der Schweißfachmann weiß, bei bestimmten Typen von S355 müssen die Profile wegen des Kohlenstoffäquivalents der Legierungselemente im Stahl vor dem Schweißen temperiert werden, damit das Material seine duktilen Eigenschaften voll behält. Wird der zu schweißende Stahl im Bereich der Verbindungsstelle erwärmt, reduziert sich das Risiko einer Aufhärtung des Gefüges. Diese kann entstehen, wenn die Schweißstelle allzu schnell abkühlt. Die Vorwärmtemperatur, die spätere Kaltrisse vermeiden soll, hängt im Wesentlichen von der Dicke der Bleche, der Wärmeableitung, der Legierung und von der Wärmeeinbringung beim Schweißen ab.

Zum Kaltriss bei S355

Eines der größten Probleme bei der schweißtechnischen Verarbeitung von hochfesten Feinkornstählen wie S355 stellt der Kaltriss dar, so Dipl.-Ing./SFI Martin Erl, Geschäftsführer von Erl Schweißen + Schneiden in Landau/Isar. „Im Allgemeinen ist die Kaltrissneigung von mikrolegierten Feinkornstählen gering. Sind jedoch höhere Kohlenstoffäquivalente vorhanden, kann es zu wasserstoffbegünstigten Kaltrissen in der Wärmeeinflusszone (WEZ) kommen.“ Dabei sei das Kaltrissverhalten von Schweißverbindungen hauptsächlich von der chemischen Zusammensetzung, der Werkstückdicke im Nahtbereich, dem Wasserstoffgehalt des Schweißgutes, der Wärmeeinbringung beim Schweißen, dem Eigenspannungsniveau der Konstruktion und der Vorwärm- oder Zwischenlagentemperatur abhängig.

„Der Wasserstoff im Schweißgut und in der Wärmeeinflusszone stammt im Wesentlichen aus wasserstoffhaltigen Bestandteilen der Schweißzusätze und Schweißhilfsstoffe“, sagt Erl. Außerdem könne Wasserstoff durch an den Werkstücken vorhandene Feuchtigkeit, z.B. Schwitzwasser, in das Schweißgut gelangen. Das Abkühlen nach dem Vorwärmen und Schweißen des Nahtbereichs gibt dem Wasserstoff die Gelegenheit zur Rekombination, so die verfahrenstechnische Begründung. Effusion kann beschleunigt stattfinden, wenn die Schweißstelle nicht direkt abgekühlt wird, sondern die Temperatur bei 150 - 200° für 1 bis 2 Stunden gehalten wird.
Vor allem bei dickwandigen Werkstücken empfehlen die Fachleute, die Verbindung in einer Hitze zu schweißen. Bei unvermeidbaren Unterbrechungen sei verzögert abzukühlen und erneut vorzuwärmen. Bei mehrlagigem Schweißen gewinne dagegen die Zwischenlagentemperatur anstelle der Vorwärmtemperatur an Bedeutung. „Auf das Vorwärmen vor dem Schweißen der ersten Raupe könne verzichtet werden“, so Erl, „wenn die Folgeraupe in die Wärme der ersten Raupe geschweißt wird, sodass die Zwischenlagentemperatur nicht unter die für kaltrisssicheres Schweißen erforderliche Vorwärmtemperatur abfällt“.

Empfehlungen von Dr.-Ing Dennis Rademacher SFI/IWE zum
Schweißen von S355M/ML mit und ohne Vorwärmen

Thermomechanische Feinkornbaustähle sind bei Beachtung der allgemeinen Anforderungen an das Schweißen von Stählen gemäß DIN EN 1011-2 vergleichbar oder besser als unlegierte Baustähle zum Schweißen geeignet. Aufgrund ihrer besonderen Reinheit besteht keine oder nur eine sehr geringe Empfindlichkeit zu Terrassenbrüchen.

Wie bei jedem Stahl wird angeraten, etwaig zu schneidende Bereiche auf 50°C vorzuwärmen, sofern das Produkt nass ist oder die Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts liegt. Eine zu hohe Wärmeeinbringung ist zu vermeiden, da daraus möglicherweise Eigenschaftsverschlechterungen in der Wärmeeinflusszone (WEZ) folgen können. Vor Beginn der nachfolgenden Schweißarbeiten ist der Nahtbereich zu säubern. Schneidschlacke, Zunder und Rost sind dabei durch Bürsten, Schleifen oder am besten durch Strahlen zu entfernen.

Vorwärmen nicht in jedem Fall

Fertigungstechnisch sind vor allem Baustähle großer Dicken vor dem Schweißen in der Regel vorzuwärmen. Die Kontrolle der Vorwärm- und Zwischenlagentemperatur kann mit Temperaturmessstiften, Magnet-Haftthermometer, digitalen Temperaturmessgeräten oder Pyrometer erfolgen. Durch Trocknen oder Vorwärmen ist außerdem sicherzustellen, dass der Nahtbereich feuchtigkeitsfrei ist.

Bei Verwendung von speziell endbehandelten warmgewalzten Profilen kann auf das Vorwärmen im Allgemeinen komplett verzichtet werden. Bei Anwendung des sogenannten QST-Verfahrens (Quenching and Self-Tempering = Abschrecken und Selbstanlassen) am Ende der Walzstraße wird ein feinkörnigeres Gefüge mit besonders hoher Festigkeit und Duktilität bei gleichzeitig extrem niedrigem Kohlenstoffäquivalent erreicht. Dies geschieht durch Abkühlen der Profiloberfläche mit einem Wasserstrahl. Da die Abkühlung den Kern nicht erreicht, heizt das Profil die Oberfläche von innen her wieder auf, was dem Selbstanlassen entspricht.

Stähle dieser Sondergüte, wie zum Beispiel der von ArcelorMittal unter dem Markennamen Histar produzierte, sind mit einer Europäischen Technischen Bewertung (ETA) verwendbar. Die ETA -10/0156 [4] regelt beispielsweise Produkteigenschaften in Ergänzung zu DIN EN 10025-4 und gibt zusätzlich zu beachtende Hinweise zur Verarbeitung ohne Vorwärmen.

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