Symbiose in Stahl: der richtige Stahlhersteller für Ihr Projekt

Immer höher hinauf: Es gibt kaum eine Metropole, deren Skyline heutzutage nicht durch himmelstrebende Türme und Wolkenkratzer geprägt ist. Die Wurzeln dieser Entwicklung reichen bis in das 19. Jahrhundert zurück, wo in den USA am Lake Michigan, genauer in Chicago, die ersten Hochhäuser entstanden. Dies war einem entscheidenden Material zu verdanken: Stahl. Stahlskelette bildeten erstmals im Hauptgeschäftsbezirk von Chicago, dem sogenannten Loop, das Grundgerüst neuer Gebäude.

Die neue Bauweise bot jedoch mehr als nur eine hohe Stabilität und Tragfähigkeit: Sie ermöglichte es auch, die Außengestaltung gänzlich unabhängig vom Rohbau auszuführen. Dies nutzten die Architekten der damaligen Zeit für prunkvolle Fassaden mit beispielsweise Kacheloptik (wie beim Reliance Building des Architekturbüros Burnham Root) oder Backsteinelementen (wie beim Tacoma Building des Architekturbüros Holabird & Roche). Mit der Zeit wurden die Stahlkonstruktionen stetig komplexer und auch in der Fassadengestaltung lassen sich heutzutage mit Stahl eindrucksvolle Gebilde erschaffen – von extravagant und verspielt bis nüchtern und klar sind der Kreativität kaum noch Grenzen gesetzt.

Aus struktureller Sicht ist Stahl eines der vielseitigsten Baumaterialien und nicht zuletzt aus diesem Grund auch Bestandteil zahlreicher Großbauten für Handel, Lehre, Industrie, Öffentlichkeit und Wohnen. Doch spielt Stahl seine Stärken vor allem dort aus, wo es auf hohe und lang anhaltende Stabilität auf großer Fläche ankommt: bei Stadien, Fabriken, Betriebsanlagen in der Landwirtschaft und Lagereinrichtungen. Gerade wegen dieser Vielseitigkeit ist die frühzeitige Einbindung des beauftragten Stahlbauunternehmens so wichtig, damit die erforderlichen Stahlelemente frühzeitig ihrer Zweckbestimmung gemäß konzeptioniert und gefertigt werden können.

Nach der grundlegenden Erzeugung gelangt der Stahl in länglichen, halbfertigen Strängen (dem Halbzeug) in den Fertigungsbereich. Das Halbzeug kann verschiedentlich vorgeformt sein: Vorblockprofile ähneln einem Hundeknochen (wie bei typischen I-Profilen), während Knüppel einen quadratischen und Brammen einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.

Für die Weiterverarbeitung wird das Halbzeug anschließend durch Erhitzen wieder formbar gemacht und dem ersten Nachbearbeitungsprozess zugeführt: dem Walzen. Dieser Prozess umfasst in der Regel mehrere Schritte: Im Vorwalzwerk wird das Stahlhalbzeug entsprechend der vorgesehenen Endform grob vorgepresst, ehe in der Endwalze die Feinformung erfolgt.

Die Bezeichnung von Stahlträgern richtet sich üblicherweise nach der Form ihres Querschnitts, die wiederum dem jeweiligen Anwendungszweck entspricht. Das vertraute I-Profil (auch I-Träger oder Doppel-T-Träger) ist gegenüber seitlich einwirkenden Kräften widerstandsfähig und wird deshalb sowohl horizontal als auch vertikal eingesetzt, während U-Profile häufig bei Fenster- und Türöffnungen als Zargen Verwendung finden. Rundhohlprofile wiederum eignen sich als Profilelemente, wenn eine hohe Torsionsbeanspruchung vorliegt.

Nachdem die Stahlträger zugeschnitten und abgekühlt sind, können bei Bedarf weitere Schritte erfolgen – etwa das Fräsen, Brennen, Umformen, Drehen oder Schweißen oder die mechanische Montage. Beim Drehen wird Material mithilfe einer Drehmaschine oder eines Bohrers abgetragen, bis das Werkstück die gewünschte Form aufweist. Mit speziellen Schneidewerkzeugen wie Lasern, Plasmaschneidern oder Wasserstrahlschneidemaschinen lassen sich zudem selbst dünnere Materialbereiche in hochkomplexe Formen bringen. Diese Schneidevorgänge erfolgen häufig CNC-gesteuert mit einer Erhitzung des Metalls auf über 1.300 °C. Die Montage der finalen Stahlelemente kann schließlich mittels Verschweißens oder aber Bolzen oder Nieten durchgeführt werden.

Elegant geschwungene Stahlelemente, die zum Teil modernen Fassaden ihre Ästhetik verleihen, erfordern zusätzliche Arbeitsschritte sowie komplizierte Algorithmen, die für die korrekte Anordnung der einzelnen Teile am Gebäude zuständig sind. Den Stahlexperten von Zahner gelingt hierbei anhand unterschiedlicher Methoden eine Streckung und Ausdünnung des Stahls in solchem Maße, dass mit den resultierenden Blechen anmutige Bögen und geschwungene, sich hin- und herwindende Freiformen gestaltet werden können, die nahezu der Natur entsprungen sein könnten und Architekten wie Frank Gehry zu Ruhm verholfen haben. Anstatt sich jedoch auf seinen Lorbeeren auszuruhen, forscht Zahner weiter an Verfahren, die noch effizienter und kostengünstiger sind und zudem weniger Investitionen in Pressen und Formwerkzeuge erfordern.

So hat das Unternehmen die Rollenstreckmaschine, die seit mehr als einem Jahrhundert in der Metallbearbeitung genutzt wird, weiterentwickelt und damit eine einzigartige Hybridmethode geschaffen, mit der Bleche in zwei Richtungen gewölbt werden können. Das Grundmodell besteht aus einem Stahlrahmen und zwei Druck ausübenden Formwalzen, durch die das Blech per Hand vor- und zurückbewegt wird. Dabei wird das Material gestreckt und kann so nach und nach in die gewünschte Richtung gewölbt werden. Was hier normalerweise manuell erfolgt, übernimmt bei Zahner jedoch ein Roboter, der zudem mittels maschinellen Lernens den optimalen Bewegungspfad zum Erreichen der Zielrundung ermittelt.

Aufgrund seines hohen Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht und seiner hohen Duktilität (d. h. seiner Verformbarkeit) erfreut sich Stahl als Baustoff großer Beliebtheit. Historisch betrachtet war Stahl darüber hinaus die Grundlage für die Vorfertigung von Bauelementen für die Architektur – da er auf so vielfältige Art und Weise passgenau gefertigt und verbaut werden kann, sind an der Baustelle selbst keine Änderungen mehr notwendig. Genau aus diesem Grund ist Stahl auch das Material der Wahl für vollmodulare Konstruktionen und Projekte, die auf vorgefertigten Passteilen aufbauen. Schließlich ist es weit effizienter, einzelne Elemente direkt anschweißen oder vernieten zu können, statt vor Ort erst Beton anmischen oder Teile zusägen zu müssen.

Natürlich ist die Stahlerzeugung überaus energieaufwendig, doch gibt es mehrere Faktoren, die den ökologischen Fußabdruck abmildern. Zum Beispiel ist Stahl gegenüber den Elementen (Wind, Regen, Salz) ausgesprochen widerstandsfähig und bietet Schimmel und Ungeziefer keinen Nährboden. Entscheidend ist aber etwas anderes: Stahl büßt bei der Wiederverwertung kaum an Qualität ein und lässt sich somit im Prinzip vollständig recyceln, sodass das Rohmaterial für neuen Stahl nur noch in begrenztem Ausmaß aus der Natur abgebaut werden muss. Selbst früher nicht nutzbare Nebenprodukte (Verunreinigungen, die dem geschmolzenen Stahl entzogen werden) haben mittlerweile ihre Verwendungsmöglichkeiten, so etwa die Schlacke. Diese kann, zu feinem Pulver (dem Hüttensand) zermahlen, Portlandzement als Ersatzstoff beigemischt werden.

Die meisten Stahlbauunternehmen sind auf einen bestimmten Bereich spezialisiert (Automobilbau, Industrie oder Architektur), weshalb es sich empfiehlt, den Anbieter passend zum Einsatzzweck zu wählen. Er sollte die erforderlichen Elemente mit der vorgesehenen Komplexität und Metallzusammensetzung herstellen können, seien es einfache Knüppel oder Maßanfertigungen.

Digitalisierung und Automatisierung halten auch in die Prozesse der Stahlfertigung zunehmend Einzug, sodass die digitalen Modelle des jeweiligen Herstellers möglichst mit den von den Konstrukteuren und Handwerkern verwendeten Software-Lösungen kompatibel sein oder sich zumindest ohne größeren Aufwand in das entsprechende Format umwandeln lassen sollten. Davon abgesehen ist eine ausgeprägte Automatisierung in der gesamten Produktionskette auch häufig ein Anzeichen dafür, dass auch die Qualitätskontrolle beim jeweiligen Stahlproduzenten hohen Ansprüchen genügt.

Falls es sich um ein komplexes Projekt handelt, ist des Weiteren wichtig, dass der Hersteller kurzfristig in Personal, Anlagen und Fertigungstechnik investieren kann. Entsprechende Firmen stehen normalerweise finanziell auf sicheren Beinen, zahlen angemessene Löhne, werden nicht von einem Schuldenberg erdrückt und sind im Hinblick auf ihre Infrastruktur gut aufgestellt. Komplexe Bauvorhaben können jedoch auch von einem lokalen Stahlbauunternehmen profitieren, das mit den behördlichen Vorgaben vertraut ist und zudem den logistischen Aufwand reduziert. In Anbetracht der Lieferprobleme, die sich im Laufe der aktuellen Pandemie eingestellt haben, kann es sich zudem lohnen, sich für einen Anbieter mit gesicherter Rohstoff-Lieferkette zu entscheiden.

Ebenfalls zu empfehlen: das Gespräch mit aktuellen und ehemaligen Kunden der Stahlbaufirma – und zwar jenen, die ihnen von der Firma nicht ausdrücklich genannt wurden. So können Sie in Erfahrung bringen, wie es um den Kundendienst und die Zuverlässigkeit bei der Produktlieferung bestellt ist. Außer Frage steht natürlich auch – wie bei allen komplexen Großprojekten –, dass der Stahlhersteller Fristen und Vorgaben einhalten muss. Vermutlich ist dies sogar der wichtigste Faktor für eine erfolgreiche Zusammenarbeit.

Seit zwanzig Jahren erstellt Bart Rohal mit seiner im Westen der USA ansässigen Firma Steel Detailing Online, Inc. Pläne, Zeichnungen und Dokumente für die Fertigung von Stahlelementen, wobei der aktuelle Schwerpunkt auf Produktionszeichnungen und der 3D-Modellierungstechnologie BIM liegt. Rohal ist ebenfalls der Ansicht, dass eine möglichst frühe Einbindung von Stahlexperten in die Architektur- und Entwicklungsprozesse einiges an Zeit und Kosten sparen kann.

Aus seiner Sicht fehlt hier jedoch noch ein Bindeglied – eine Person, die zwischen Stahlherstellern, Architekten und Ingenieuren vermittelt: „Ich würde Projektauftraggebern aus dem Architektur- und Ingenieurwesen empfehlen, einen qualifizierten – wie ich es nenne – ,Quality Control Steel Detailer‘ oder kurz QCSD zu beauftragen, also eine Person, die sowohl im Bereich von technischen Zeichnungen und Bauzeichnungen als auch im Bereich der Qualitätskontrolle ausgebildet und erfahren ist und das Stahlprojekt von der Planungsphase bis zur Erstellung der Ausführungsdokumente überwacht“, erklärt er. „Dieser müsste nicht zwingend die Erstellung der Pläne, Zeichnungen und zugehörigen Dokumente übernehmen, sondern eher im Vorfeld der Projektausschreibung eine beratende Funktion in Stahlfragen ausüben. Die damit verbundene Kosten- und Zeitersparnis wäre beträchtlich. Gleichzeitig stünde den Architektur- und Ingenieurteams ein kompetenter Ansprechpartner zur Verfügung, der auch für zukünftige Projekte hilfreiche Empfehlungen zu Stahlelementen bereitstellen kann.“

Neben der Schaffung der QCSD-Position gibt es noch einen weiteren Faktor, der einer reibungslosen Zusammenarbeit zuträglich wäre, nämlich die konsequente Einhaltung von Branchenstandards bei der Projektdokumentation. In den USA zum Beispiel gibt das American Institute of Steel Construction (AISC) solche Standards vor und verlangt unter anderem bei Ausführungszeichnungen für Stahlelemente eine Toleranzgenauigkeit von 1/16 Zoll (ca. 1,6 mm) und 4 Dezimalgraden. Derartige Vorgaben werden jedoch nicht immer befolgt, woraufhin die Zeichner gezwungen sind, die Informationen zur grundlegenden Gestaltung des jeweiligen Stahlelements nachzufordern. Rohal verdeutlicht das Dilemma: „Wenn die 2D-Entwürfe und 3D-Modelle zu Projektbeginn nicht nach AISC-Standards erstellt wurden, befassen sich die technischen Zeichner oder Bauzeichner gar nicht erst mit dem Software-Modell, sondern fangen lieber gleich noch einmal ganz von vorne an.“

Hinzu kommt, dass die meisten Fachleute ein Projekt nach dem anderen abwickeln ohne zurückzublicken, obwohl sich nach Ansicht von Rohal eine strukturierte retrospektive Analyse empfehlen würde, um mit etwas Abstand die erfolgten Informationsanfragen auszuwerten und positive sowie negative Aspekte herauszuarbeiten. „Ich denke, Architektur- und Ingenieurbüros sollten bei Projekten mit stahlspezifischen Informationsanfragen gegebenenfalls auch eine interne Projektnachbereitung einplanen“, so Rohal weiter. „Dies böte auch die Chance, Ideen für zukünftige Projekte zu sammeln, Standardvorgehensweisen zu hinterfragen und darauf aufbauend die Prozesse hinsichtlich Kosten und Effizienz immer weiter zu optimieren.“