Zunächst einmal: Was sind die Eigenschaften von Stahlkonstruktionen?
1. Hohe Materialfestigkeit und geringes Gewicht. Stahl zeichnet sich durch hohe Festigkeit und einen hohen Elastizitätsmodul aus. Im Vergleich zu Beton und Holz ist sein Verhältnis von Dichte zu Streckgrenze relativ gering. Daher weist die Stahlkonstruktion unter gleichen Belastungsbedingungen einen kleinen Querschnitt auf, ist leicht, einfach zu transportieren und zu montieren und eignet sich für Konstruktionen mit großen Spannweiten, großen Höhen und hohen Lasten.
2. Stahl zeichnet sich durch gute Zähigkeit, Plastizität, Homogenität und hohe strukturelle Zuverlässigkeit aus. Er eignet sich zur Aufnahme von Stoß- und dynamischen Belastungen und bietet eine gute Erdbebenbeständigkeit. Die innere Struktur von Stahl ist homogen und ähnelt der eines isotropen Körpers. Das tatsächliche Verhalten von Stahlkonstruktionen entspricht weitgehend den theoretischen Berechnungen. Daher weisen Stahlkonstruktionen eine hohe Zuverlässigkeit auf.
3. Der Mechanisierungsgrad der Stahlkonstruktionsfertigung und -montage ist hoch. Stahlbauteile lassen sich problemlos im Werk herstellen und vor Ort montieren. Die fertigen, mechanisiert im Werk hergestellten Stahlbauteile zeichnen sich durch hohe Präzision, hohe Produktionseffizienz, schnelle Montage vor Ort und kurze Bauzeiten aus. Stahlkonstruktionen weisen den höchsten Industrialisierungsgrad im Bauwesen auf.
4. Stahlkonstruktionen weisen eine gute Dichtungsleistung auf. Da die Schweißkonstruktion vollständig abgedichtet werden kann, eignet sie sich für die Herstellung von Hochdruckbehältern, großen Ölbecken, Druckleitungen usw. mit guter Luft- und Wasserdichtheit.
5. Stahlkonstruktionen sind hitzebeständig, aber nicht feuerbeständig. Bei Temperaturen unter 150 °C verändern sich die Eigenschaften von Stahl kaum. Daher eignen sich Stahlkonstruktionen für heiße Werkstätten. Wird die Oberfläche der Konstruktion jedoch einer Wärmestrahlung von etwa 150 °C ausgesetzt, muss sie durch Wärmedämmplatten geschützt werden. Bei Temperaturen zwischen 300 °C und 400 °C nehmen Festigkeit und Elastizitätsmodul von Stahl deutlich ab. Bei Temperaturen um 600 °C geht die Festigkeit von Stahl gegen null. In Gebäuden mit besonderen Brandschutzanforderungen müssen Stahlkonstruktionen mit feuerfesten Materialien geschützt werden, um die Feuerbeständigkeit zu verbessern.
6. Stahlkonstruktionen weisen eine geringe Korrosionsbeständigkeit auf, insbesondere in feuchten und korrosiven Umgebungen, und neigen zu Rost. Im Allgemeinen müssen Stahlkonstruktionen rostgeschützt, verzinkt oder lackiert und regelmäßig gewartet werden. Für Offshore-Plattformstrukturen im Meerwasser sind spezielle Maßnahmen wie der Zinkblockanodenschutz erforderlich, um Korrosion zu verhindern.
7. CO₂-arm, energiesparend, umweltfreundlich und wiederverwendbar. Beim Abriss von Stahlkonstruktionen entsteht kaum Bauschutt, und Stahl kann recycelt und wiederverwendet werden.
Zweitens, Materialanforderungen für Stahlkonstruktionen:
1. Festigkeit: Die Festigkeitskennwerte von Stahl setzen sich aus der Elastizitätsgrenze σe, der Streckgrenze σy und der Zugfestigkeit σu zusammen. Die Bemessung basiert auf der Streckgrenze des Stahls. Eine hohe Streckgrenze reduziert das Gewicht der Konstruktion, spart Stahl und senkt die Baukosten. Die Zugfestigkeit σu ist die maximale Spannung, der der Stahl standhält, bevor er versagt. Bei Überschreitung dieser Spannung verliert die Konstruktion aufgrund starker plastischer Verformung ihre Nutzbarkeit. Sie verformt sich jedoch stark, ohne einzustürzen, und sollte daher den Anforderungen an die Erdbebensicherheit genügen.
2. Plastizität: Die Plastizität von Stahl bezeichnet allgemein die Eigenschaft, nach Überschreiten der Streckgrenze eine signifikante plastische Verformung ohne Bruch zuzulassen. Die wichtigsten Indikatoren zur Messung der plastischen Verformbarkeit von Stahl sind die Bruchdehnung δ und die Querschnittsschrumpfung ψ.
3. Kaltbiegeverhalten: Das Kaltbiegeverhalten von Stahl misst dessen Widerstandsfähigkeit gegen Rissbildung bei plastischer Verformung durch Biegeprozesse bei Raumtemperatur. Zur Bestimmung des Kaltbiegeverhaltens von Stahl werden Kaltbiegeversuche durchgeführt, um die Verformungseigenschaften des Stahls unter einem festgelegten Biegegrad zu prüfen.
4. Schlagzähigkeit: Die Schlagzähigkeit von Stahl beschreibt dessen Fähigkeit, unter Stoßbelastung während des Bruchvorgangs mechanische Energie zu absorbieren. Sie ist eine mechanische Eigenschaft, die den Widerstand des Stahls gegen Stoßbelastung misst und bei der es aufgrund niedriger Temperaturen und Spannungskonzentrationen zu Sprödbrüchen kommen kann. Der Schlagzähigkeitsindex von Stahl wird üblicherweise durch Schlagversuche an Standardproben ermittelt.
5. Schweißleistung: Die Schweißleistung von Stahl beschreibt die Fähigkeit, unter bestimmten Schweißprozessbedingungen eine Schweißverbindung mit guten Eigenschaften zu erzielen. Sie lässt sich in Schweißleistung während des Schweißprozesses und Schweißleistung im Hinblick auf die Gebrauchstauglichkeit unterteilen. Die Schweißleistung während des Schweißprozesses bezieht sich auf die Empfindlichkeit der Schweißnaht und des angrenzenden Werkstoffs gegenüber der Entstehung von thermischen Rissen oder Schwindrissen während des Schweißens. Eine gute Schweißleistung bedeutet, dass unter bestimmten Schweißprozessbedingungen keine Risse im Schweißgut und im angrenzenden Grundwerkstoff entstehen. Die Schweißleistung im Hinblick auf die Gebrauchstauglichkeit beschreibt die Kerbschlagzähigkeit der Schweißnaht und die Duktilität in der Wärmeeinflusszone. Die mechanischen Eigenschaften des Stahls in der Schweißnaht und der Wärmeeinflusszone dürfen nicht geringer sein als die des Grundwerkstoffs. In meinem Land werden sowohl Prüfverfahren zur Bestimmung der Schweißleistung während des Schweißprozesses als auch Prüfverfahren zur Bestimmung der Schweißleistung im Hinblick auf die Gebrauchstauglichkeit angewendet.
6. Dauerhaftigkeit: Viele Faktoren beeinflussen die Dauerhaftigkeit von Stahl. Zunächst einmal ist Stahl korrosionsbeständig, weshalb Schutzmaßnahmen gegen Korrosion und Rostbildung erforderlich sind. Zu diesen Schutzmaßnahmen gehören die regelmäßige Instandhaltung der Stahlfarbe, die Verwendung von verzinktem Stahl und spezielle Schutzmaßnahmen bei Kontakt mit stark korrosiven Medien wie Säuren, Laugen und Salzen. Beispielsweise wird bei Offshore-Plattformen der sogenannte „anodische Korrosionsschutz“ angewendet, um die Korrosion des Mantels zu verhindern. Dabei werden Zinkbarren am Mantel befestigt, die vom Meerwasserelektrolyten zunächst korrodiert werden und so den Stahlmantel schützen. Da die Bruchfestigkeit von Stahl deutlich geringer ist als seine Kurzzeitfestigkeit unter hohen Temperaturen und Langzeitbelastung, sollte die Dauerfestigkeit unter dauerhaft hohen Temperaturen gemessen werden. Stahl wird mit der Zeit automatisch hart und spröde – ein Phänomen, das als „Alterung“ bekannt ist. Daher sollte die Schlagzähigkeit von Stahl unter Tieftemperaturbelastung geprüft werden.
Veröffentlichungsdatum: 22. Januar 2025