Abgesehen vom Brückenbau, vom Hochhausbau, bei großen Spannweiten oder im Industriebau steht der Stahlbau gegenüber dem Betonbau alleine aufgrund der hohen Kosten, die der Baustahl verursacht, weitgehend im Hintergrund. Das so genannte „konventionelle Bauen“ tendiert aber auch aus reiner Gewohnheit und aufgrund der geringsten Widerstände häufig in Richtung Betonbau. Auch ökologische Aspekte sowie die energieintensive Herstellung von Stahl spielen mit, wenngleich Stahl fast gänzlich rezyklierbar ist, was ein ökologischer Vorteil ist. Hinzu kommt die Problematik mit dem Brandschutz sowie der notwendige Korrosionsschutz, der ein Instandhaltungsprogramm voraussetzt.
Bauen mit Stahl ist folglich eine komplexe Angelegenheit.
Insofern nicht besondere Tragwerksanforderungen, etwa filigrane Tragstrukturen oder hohe Spannungen die Verwendung von Stahl erforderlich machen, kommt Stahl folglich nur sehr begrenzt und im Bereich von Detaillösungen, auch im Holzbau, zur Anwendung.
Das elastisch isotrope Verhalten, die hohe Steifigkeit sowie die hohe Festigkeit bei ausgeprägter Duktilität machen Stahl zum prädestinierten Werkstoff für hohe Spannweiten, große Zug- und Druckkräfte sowie Biegemomente. Die Isotropie sowie das Verwenden von Querschnitten aus einem einzigen Werkstoff vereinfachen das Konstruieren wesentlich und markieren den Übergang in freie Formen, die computergestützt modelliert werden können. Die Möglichkeit des Schweißens sowie von Gussknoten sind ein eklatanter Vorteil gegenüber dem Ingenieurholzbau, aber auch Potentiale im Sinne hybrider Anwendung von Stahlbauknoten im Holthybridbau.
Darüber hinaus macht Stahl aufgrund der Leichtigkeit in Relation zu Steifigkeit und Festigkeit gezielte Strategien gegen Schwingungen und Dynamik sowie zur Aussteifung notwendig. Grundsätzlich erwachsen aus dem Leichtbau folglich besondere statische und dynamische Herausforderungen, bei Missachtung der Werkstoffeigenheiten folglich auch hohe potentielle Schadensfälle. Demgegenüber sind Beton und Mauerwerk – scheinbar – „gütiger“ und resilienter, weil die Masse und die Trägheit bis zu einem bestimmten Punkt besondere Vorkehrungen zur Aussteifung entbehrlich machen.
Stahlbau mag folglich komplex und kompliziert wirken. Es entstehen aber auch zahlreiche Vorteile. Weil Stahl ein isotropes elastisches Material ist, ist die Bemessung um ein Vielfaches detaillierter und genauer möglich. Folglich ist es im Stahlbau möglich, das Material bis an die Grenzen auszulasten und bis ins kleinmaßstäbliche Detail zu berechnen, was beim Beton eher abstrakt erfolgt.
In Erinnerung bleibt der Merksatz von Professor Josef Fink an der Technischen Universität Wien, wonach Stahlbau „einfach“ sei, was man als Student kaum glauben mag. Stahlbau gehört im Rahmen eines Bauingenieur-Studiums zu den komplexesten und anspruchsvollsten Angelegenheiten, weil es mit „groben“ Lösungen nicht getan ist. Die „Einfachheit“ war eher als eine konstruktive Klarheit gemeint. Die gröberen Lösungen machen aber auch nicht den Grundbau einfacher, ganz im Gegenteil.
Von Josef Fink kommt dann auch der Satz, dass ein Bauingenieur „immer“ in der Lage sein müsse, für ein gegebenes mechanisches Problem die Gleichgewichtsbedingungen aufzustellen. Immer. Im Nachhinein stellt sich der Satz im Rahmen der beruflichen Praxis als eine der wichtigsten Lehren im Bauingenieurwesen dar. Egal, wie das statische oder dynamische Problem aussieht, egal, welche Werkstoffe zur Anwendung kommen, egal, welche Einwirkungen theoretisch und praktisch denkbar sind, es muss für den Bauingenieur möglich und machbar sein, die Gleichgewichtszustände daraus abzuleiten und folglich eine Tragstruktur grob zu bemessen. Auch die persönlichen Gleichgewichtslagen.
Wenn es also darum geht, spektakulär zu bauen, kommen wir am Stahl kaum vorbei. Stahlbau ermöglicht eine Ästhetik, die losgelöst von der Schwerkraft erscheint.
Die Plastizitätstheorie im Stahlbau hat grundsätzlich die Potenzialität des Werkstoffes Stahl um ein Vielfaches erhöht. Dass sich bei Überschreiten des Elastizitätsbereiches Spannungsumlagerungen einstellen, die sich auf Kristallebene vollziehen, und der Querschnitt folglich weit über die elastische Grenzen hinaus belastbar ist, weil nicht nur die eine Faser, sondern der ganze Querschnitt lokal die Streckgrenze erreicht, bedeutete einen wesentlichen Fortschritt für das Bauen mit Stahl und die effiziente Berechnung.
Daraus entwickelte sich mit der Fließgelenktheorie auch eine statische Methode, um derartige Tragstrukturen berechenbar zu machen. Es können sich genau so viele Fließgelenke ausbilden bis das System instabil wird und eine kimematische Kette erreicht ist. Freilich muss das System dazu statisch unbestimmt sein. Bereiche mit plastischer Beanspruchung fallen aus und verhalten sich biegeweich wie Gelenke. Allerdings müssen die entsprechenden Querschnitte aufgrund des Breiten-/Dicken-Verhältnis in der Lage sein, die Druckbeanspruchungen im Querschnitt ohne Ausbeulen aufzubehmen.
Ähnlich wie beim Bauen mit Holz besticht beim Werkstoff Stahl der hohe Vorfertigungsgrad mit exakter Werkstattplanung und Montage vor Ort, sodass Bauwerke schnell und präzise ausfallen. Die Genauigkeit umfasst den Millimeterbereich. Im Gegensatz zum Stahlbeton ist mit keinen Langzeitverformungen zu rechnen.
Da Stahl ein isotroper Werkstoff mit extrem hohen mechanischen Eigenschaften ist, sind die konstruktiven Möglichkeiten enorm. Die Formgebung ist folglich nahezu unbegrenzt möglich. Neben Biegeträgern sind zug- und druckbeanspruchte Tragelemente wie Stützen und Seile, vektoraktive Strukturen wie Fachwerkträger und formaktive Strukturen wie Gitterschalen effizient ausführbar. Durch die relative Filigranität kann sich die Stahlstruktur bei Seil- und Fassadenkonstruktionen in den Hintergrund stellen und die Membran oder das Glas glänzen lassen.
Verbindungen werden typisch durch Schraubverbindungen und Schweißverbindungen hergestellt und sind je nach Steifigkeit als gelenkig, eingespannt oder -meistens- dazwischen einzuordnen. Bei komplexen dreidimensionalen Strukturen sind die Knoten entsprechend komplex. Es ist Teil einer effizienten Tragwerksplanung, effiziente und einfache Knotenverbindungen herzustellen, die mitunter als Schweißknoten, Gussknoten oder Schraubknoten ausgeführt sind, eine effiziente Befestigung vor Ort ermöglichen sowie Kräfte und Bewegungen übertragen müssen, die nicht immer nur aus statischen Berechnungen resultieren, sondern Temperaturverhalten, dynamische Belastungen sowie die Gebrauchstauglichkeit berücksichtigen.
Stahl – oder nicht – ist dann eine Geschmacksfrage. Dort, wo Stahl unbedingt notwendig ist, ist dieser ohnehin alternativlos, wenngleich Stahl-Beton-Verbundbau, Holz-Hybrid-Bau sowie Laubholzbau zusätzliche Konkurrenz verschaffen. Stahl ist allerdings ebenso wie Glas ein „modernes“ Material, das weit weg ist von der Natur und ihren Baustoffen. Die Frage ist folglich eher, ob man im Glas-Stahl-Palast leben will oder das natürliche Bauen vorzieht? Stahlbau ist vor allem dort sinnvoll, wo er alternativlos ist. Und wo es leichter, weiter, dünner, effizienter und hochtechnologischer sein muss.
Literatur:
[1] Christian Petersen: „Stahlbau“, Vieweg-Verlag, Braunschweig 1988
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