11. Kolloquium Parkbauten - Februar 2024 261 Wirtschaftlicher und nachhaltiger Korrosionsschutz an Parkbauten Dipl.-Ing. (FH) Dietmar Hildebrandt ZINKPOWER Kopf Holding GmbH, Kirchheim unter Teck Zusammenfassung: Eine Feuerverzinkung ist die praxisbewährte und wirtschaftlichste Korrosionsschutzmassnahme bei Parkhäusern in Stahlbauweise. Eine Feuerverzinkung erreicht ohne Wartung und Instandhaltung zumeist eine Schutzdauer von 50 Jahren und mehr. Folge- und Instandhaltungskosten fallen bei einer Feuerverzinkung in der Regel nicht an. Feuerverzinkter Stahl ist äußerst langlebig und nachhaltig , recylingfähig sowie CO 2 sparend und erfüllt die Anforderungen an das zirkuläres Bauen 1. Einleitung Beim Parkhausbau haben sich in den letzten Jahren Stahlkonstruktionen gegenüber Wettbewerbsbaustoffen deutlich durchgesetzt. Dies nicht nur weil Stahl sowohl ein Maximum an Flexibilität und Filigranität bietet sondern auch deutlich nachhaltiger ist Stahl ist leicht, aber sehr fest. Dadurch werden Fundamente leichter, Transport und Montage werden somit vereinfacht. Mit Stahl lassen sich große Spannweiten, bei relativ geringen Gewichten realisieren Der Werkstoff Stahl ermöglicht großen gestalterischen Freiraum bei der Planung von Parkhäusern Stahl erfüllt gleichfalls in idealer Weise die Materialanforderungen, die für das zirkuläre Bauen wichtig sind. Dies wird in einer ständig wachsenden Circular Economy zunehmend an Bedeutung gewinnen. Er ist extrem langlebig, robust und wird bereits heute in vielfältiger Form wiederverwendet. Es sprechen somit viele gute Gründe für den Einsatz von Stahl im Parkhausbau. Hierfür gibt es eine Vielzahl von Beispielen. Abbildung 1: Parkhaus in feuerverzinkter Stahlbauweise 262 11. Kolloquium Parkbauten - Februar 2024 Wirtschaftlicher und nachhaltiger Korrosionsschutz an Parkbauten Abbildung 2: Parkhaus in feuerverzinkter Stahlbauweise Abbildung 3 und 4: Parkhäuser in feuerverzinkter Stahlbauweise 2. Nachhaltigkeit 11 % des verbrauchten Stahls werden auch heute schon nach Nutzung des Primärprojektes wieder verwendet. Die Recylingquote von Stahl liegt bereits heute schon bei 88 %. Abbildung 5: Recyclingpotential von Stahl Dabei kommt dem heute geforderten Nachhaltigkeitsgedanken im Bauwesen ein besonderes Augenmerk zu Stahl kann wieder und wieder verwendet werden, ohne Qualitätsverlust. Durch die optimierte Verwendung des Rohmaterials, benötigt man weniger Ressourcen und es entsteht weniger Abfall. Feuerverzinkter Stahl kann beliebig oft ohne Qualitätsverlust recycelt werden. Durch das Abbeizen und Neuverzinken von feuerverzinkten Stahlbauteilen können diese wieder in einen „Neuzustand“ versetzt werden. Verzinkter Stahl kann problemlos mit anderem Stahlschrott bei der Elektro-Stahlerzeugung eingeschmolzen werden. Zink verdampft schon frühzeitig während dieses Prozesses bei ca. 907 °C und wird im EAF-Staub (Electric Arc Furnaces = Elektrostahlstäube) aufgefangen. Das im EAF-Staub enthaltene Zink wird in speziellen Anlagen recycelt und dann zur Herstellung von Primärzink genutzt. Parkhäuser aus Stahl, sind somit nahezu zu einhundert Prozent wiederverwendbar bzw. recycelbar. Die Grundidee des zirkulären Wirtschaftens ist es, Bauteile oder Produkte möglichst lange in einem funktionsfähigen Zustand zu erhalten. Dies kann durch Reparatur bei Defekten, durch Refurbishing, das heißt Überholung und Instandsetzung oder Aufarbeitung (Remanufacturing) geschehen. Sollte aufgrund einer extrem langen Nutzungsdauer oder aufgrund anderer Einflüsse der durch Feuerverzinken hergestellte Zinküberzug keinen ausreichenden Korrosionsschutz mehr bieten, so ist auch das Neuverzinken von feuerverzinkten Stahlbauteilen möglich. Die Stahlbauteile werden in der Verzinkerei entzinkt und danach neu verzinkt. Durch das Neuverzinken wird dem Stahlbauteil erneut eine Korrosionsschutzdauer für 50 Jahre oder mehr ohne jeglichen Qualitätsverlust verliehen. Hierdurch werden in hohem Maße Ressourcen, Energie und CO 2 eingespart. Feuerverzinkter Stahl ist zunächst sehr dauerhaft, wiederverwendbar und recyclingfähig und damit auch ein idealer Werkstoff für die Zirkularität im Bauwesen Dem Erstkorrosionsschutz Feuerverzinkung nach DIN EN ISO 1461 muss dabei ein besonderes Augenmerk zukommen. Abbildung 6: Zirkularität von feuerverzinktem Stahl 11. Kolloquium Parkbauten - Februar 2024 263 Wirtschaftlicher und nachhaltiger Korrosionsschutz an Parkbauten 3. Korrosionsbelastungen in Parkhäusern Parkhäuser aus Stahl weisen bezüglich des Korrosionsschutzes einige Besonderheiten auf. Die Stahlkonstruktion ist nicht nur der rein atmosphärischen Korrosionsbeanspruchung am Standort ausgesetzt sondern auch weiteren Zusatzbelastungen ausgesetzt, denen ein leistungsfähiger Korrosionsschutz gerecht werden muss. Die atmosphärischen Korrosionsbeanspruchung am Standort werden durch die so genannten Korrosivitätskategorien nach DIN EN ISO 12944 bzw. auch nach DIN EN ISO 14713 beschrieben. Zu den typischen korrosiven Zusatzbelastungen in Parkhäusern gehören vor allem eine regelmäßige, starke Befeuchtung durch Regen und Schnee, da Fahrzeuge zwangsläufig diese Niederschläge in das Parkhaus mit einschleppen. Regen und Schnee vermischen sich mit an den Fahrzeugen anhaftenden Verschmutzungen wie Ölresten und enthalten im Winter vor allen auch Dingen aggressiv wirkende Tausalze. Korrosivitäts- Kategorie Korrosionsbelastung Korrosionsgeschwindigkeit für Zink* Beispiele C 1 unbedeutend ≤ 0,1 μm/ Jahr Innen: Beheizte Räume, z.B. Büros, Schulen C 2 gering 0,1 bis 0,7 μm/ Jahr Innen: Nicht beheizte Räume, z.B. Lagerräume, Sporthallen Außen: ländliche Bereiche C 3 mäßig 0,7 bis 2,1 μm/ Jahr Innen: Lebensmittelverarbeitung, Brauereien, Wäschereien, Molkereien, Leitungswasserbetriebene Schwimmbäder Außen: städtische Bereiche, Küstenbereiche C 4 stark 2,1 bis 4,2 μm/ Jahr Innen: Schwimmbäder, Industrieanlagen Außen: Stark verunreinigte städtische Bereiche, industrielle Bereiche, Küstenbereiche (ohne Versprühen von Salzwasser), starke Tausalzbelastung C 5 sehr stark 4,2 bis 8,4 μm/ Jahr Innen: z.B. Bergwerke, industriell genutzte Kavernen Außen: industrielle Bereiche, Küstenbereiche (mit Versprühen von Salzwasser). Schutzhütten Abbildung 7: Typische atmosphärische Umgebungen bezogen auf die Korrosivitätskategorien in Anlehnung an DIN EN ISO 14713-1; Tabelle 1. Abbildung 8: Korrosionsabtrag Zink in Deutschland nach Untersuchung des Umweltbundesamtes 264 11. Kolloquium Parkbauten - Februar 2024 Wirtschaftlicher und nachhaltiger Korrosionsschutz an Parkbauten Besonders korrosionsgefährdet sind dabei die Verbindungs- und Übergangsbereiche zwischen der Stahlkonstruktion und den Betondecken, da hier der Kontakt mit dem hochkorrosiven Feuchtigkeitsmix unvermeidbar ist. Wie aggressiv diese Mischung wirkt, zeigen Schadensbilder aus Parkhäusern, an denen wenig leistungsfähige Korrosionsschutzsysteme eingesetzt wurden. Bereits nach wenigen Jahren zeigen sich kostspielige und schwer sanierbare Korrosionsschäden. Abbildung 9: Korrosion an rein organisch beschichteten Parkhausdeckenträger ohne Feuerverzinkung Abbildung 10: Auch nach vielen Jahren der Nutzung korrosionsfreie feuerverzinkter Parkhausdeckenträger Typisch für Parkhäuser ist auch, dass es beim Befahren sowie beim Ein- und Ausparken durch Unachtsamkeiten regelmäßig zu mehr oder weniger starken unerwünschten „Rempeleien“ zwischen den Fahrzeugen und den Stützen der Stahlkonstruktion kommt. Eine hohe mechanische Belastbarkeit des Korrosionsschutzes ist deshalb ebenfalls erforderlich. Korrosion ist daher nicht nur aus statisch-konstruktiven Gründen für den Betreiber eines Parkhauses ein großes Problem. Mit Sanierungen sind nämlich neben unnötigen Kosten, auch Einnahmeausfälle verbunden. Rostige Oberflächen wirken zudem unästhetisch und imageschädigend. An parkenden Fahrzeugen kann abtropfendes Rostwasser außerdem kostspielige Lackschäden verursachen. Dies gilt in besonderem Maße für Parkhäuser in denen Fahrzeuge über längere Zeiträume stehen, beispielsweise Flughafen- oder Firmenparkhäuser. Nur ein leistungsfähiger Korrosionsschutz kann die Folgen derartiger Zusatzbelastungen eindämmen. Feuerverzinkung bietet etwa gegenüber herkömmlichen Beschichtungslösungen wesentliche Vorteile, die sich gerade auch mittelbzw. langfristig für den Parkhausbetreiber auszahlen. Stahlelemente sind selbst an unzugänglichen Stellen der Konstruktion verlässlich geschützt. Auch im Fall von mechanischen Belastungen, wie sie in Parkhäusern gelegentlich vorkommen, „verzeiht“ der verzinkte Stahl viel eher als nur beschichtete Stahlkonstruktionen. Durch die Verwendung geeigneter Schutzsysteme kann Korrosion an Parkhäusern aus Stahl sicher vermieden werden. Praxisbewährt hat sich für den Korrosionsschutz von Parkhäusern aus Stahl das Feuerverzinken sowie das sogenannte Duplex-Systeme, welche eine Kombination aus einer Feuerverzinkung mit einer nachfolgenden Farbbeschichtung darstellen. 4. CO 2 Bilanz Vergleicht man den Korrosionsschutz durch Feuerverzinken mit Beschichtungen unter ökobilanziellen Gesichtspunkten, so ist die Feuerverzinkung klar überlegen. Ein Ökobilanzieller Vergleich der Technischen Universität Berlin belegt eindeutig die Stärken der Feuerverzinkung gegenüber Beschichtungen. So zeigt die Studie das durch Beschichten einer Tonne Stahl im Vergleich zum Feuerverzinken beispielsweise 3 Mal mehr Ressourcen verbraucht werden, 2,6 Mal mehr CO 2 erzeugt wird sowie ein 5,5 Mal höherer Beitrag zur Eutrophierung, d.h. zur Überdüngung von Gewässern entsteht. Die Bedeutung des Öko-Vergleiches der TU Berlin wird an folgendem Parkhausbeispiel noch deutlicher. Eine Feuerverzinkung spart im Vergleich zu Beschichtungen bis zu 114 kg CO 2 pro Tonne Stahl ein. Wendet man diese Zahl auf ein reales Bauwerk an, dann kommt folgendes dabei heraus: An einem typischen Parkhaus, an dem rund 500 t Stahl verwendet werden, ergibt sich durch die Anwendung der Feuerverzinkung eine Ersparnis von 57 Tonnen CO 2 im Vergleich zu Farbbeschichtungen. Dies entspricht den CO 2 Emissionen von 20.000 Litern Kraftstoff. Das von der ZINKPOWER - Gruppe verwendete Zink wird durch CO 2 arme Produktionsschritte hergestellt und spart zusätzlich noch etwa 75 % gegenüber des herkömmlich produzierten Zink ein. 11. Kolloquium Parkbauten - Februar 2024 265 Wirtschaftlicher und nachhaltiger Korrosionsschutz an Parkbauten 5. Optimaler Langzeitkorrosionsschutz durch Feuerverzinkung Die im Tauchverfahren hergestellte Feuerverzinkung bietet handfeste Vorteile: Abbildung 11: Verfahrensablauf beim Feuerverzinken Beim Feuerverzinken wird Stahl nach entsprechender Vorbehandlung in eine ca. 450 °C heiße Zinkschmelze getaucht. Dabei reagieren Zink und Stahl miteinander, wodurch sich an der Stahloberfläche eine Eisen-Zink- Legierung bildet. Diese unauflösbare Verbindung von Zink und Stahl bewirkt einen Schutz, der sich von allen anderen Verfahren deutlich unterscheidet. Feuerverzinkte Oberflächen sind nicht nur gegen Wind und Wetter, sondern auch optimal vor mechanischen Belastungen geschützt für Jahrzehnte. Unter normalen Bedingungen sind verzinkte Stahlteile bis zu 50 Jahre vor Korrosion geschützt und selbst bei höherer Belastung beträgt die Schutzdauer in der Regel mehr als 25 Jahre. Hierzu gehören Langzeitschutzohne Wartungszwang für viele Jahrzehnte sowie perfekter Rundum-Schutz selbst an unzugänglichen Stellen. Hohlprofile sind sogar innen gegen Korrosion geschützt. Weitere Stärken der Feuerverzinkung sind hohe Abtrieb- und Schlagfestigkeit, selbst bei starker mechanischer Beanspruchung und Beständigkeit gegen chemische Einflüsse. Durch den ressourcenschonenden Einsatz von Material und Energie ist der langlebige Korrosionsschutz durch Feuerverzinken besonders wirtschaftlich und nachhaltig. Neben der Nachhaltigkeit des Produktes ist auch die Nachhaltigkeit des Herstellungsverfahrens wichtig. Moderne Feuerverzinkereien arbeiten kreislaufwirtschaftlich im Sinne der Circular Economy. Technologien zum Reduzieren, Reinigen, Recyceln und Rückführen von Abluft, Abwasser, Abfällen und Abwärme sind ein Standard. Zink als Hauptverbrauchsmaterial beim Verzinken wird sehr effizient verwendet. Wenn es nicht als Überzug auf dem Stahl haften bleibt, gelangt es in das Zinkbad zurück. Zinkasche und Hartzink als Nebenprodukte beim Verzinken, werden recycelt. Verzinkereien arbeiten abwasserfrei. Produkte der Vorbehandlung wie Säure und Flußmittel werden entweder recycelt oder wieder auf bereitet. Für feuerverzinkten Stahl besteht eine Umweltproduktdeklaration EPD die vom Institut für Bauen und Umwelt erstellt wurde und beispielsweise auch als Nachweis für die Nachhaltigkeit dieses Baustoffes bei Planungen nach den Kriterien der Deutschen Gesellschaft für nachhaltiges Bauen DGNB verwendet werden kann. Abbildung 12: Umweltproduktdeklaration EPD für feuerverzinkten Stahl 266 11. Kolloquium Parkbauten - Februar 2024 Wirtschaftlicher und nachhaltiger Korrosionsschutz an Parkbauten Bei zu erwartenden extrem hohen korrosiven Belastungen oder für den Fall, dass eine farbliche Gestaltung gewünscht wird, empfiehlt sich ein Duplex-System, das eine Feuerverzinkung mit einer Farbbeschichtung kombiniert. Die Schutzdauer eines Duplex-Systems ist deutlich länger als die Summe der jeweiligen Einzelschutzdauer aus Verzinkung und Beschichtung. Der Verlängerungsfaktor liegt je nach System zwischen 1,2 und 2,5. Neben der DIN EN ISO 1461 mit den Anforderungen an den Zinküberzug ist noch die DASt Richtlinie 022 für das Feuerverzinken von tragenden Stahlbauteilen bei Parkhausplanungen in Stahl zu berücksichtigen. Für die Duplex-geschützte Stahlkonstruktion gelten bezüglich des Korrosionsschutzes die Vorgaben der DIN EN ISO 12944 6. Feuerverzinkter Bewehrungsstahl für Fahrbahnen und Stellplatzflächen Nicht nur die Stahlkonstruktion eines Parkhauses ist hohen korrosiven Belastungen ausgesetzt. Auch der Bewehrungsstahl der Fahrbahn und der Stellplatzflächen wird durch Tausalzeinflüsse korrosiv hoch belastet. Feuerverzinkte Betonstähle verbessern die Dauerhaftigkeit von Chlorid belasteten Konstruktionen und Bauteilen. Parkbauten gehören gemäß Eurocode 2 (EN 1992) in die Expositionsklasse XD3 (s. Tabelle in Abbildung 12). Die Verwendung von feuerverzinktem Bewehrungsstahl kann im Parkhausbau deutlich längere Standzeiten der mit Chlorid belasteten Betonflächen gewährleisteten. Feuerverzinkter Bewehrungsstahl ist ein geregeltes Bauprodukt und wird bei der Herstellung fremdüberwacht. Im Zulassungsbescheid des DIBT -Nr.: Z-1.4-165Z ist der feuerverzinkte Bewehrungsstahl bauaufsichtlich geregelt und darf nur in dafür zertifizierten Feuerverzinkungsbetrieben hergestellt werden. Abbildung 14 und 15: Feuerverzinkt: die Stahlkonstruktion und die Bewehrung der Fahrbahn eines im Bau befindlichen Parkhauses Tabelle 1: Expositionsklasse XC nach Eurocode 2 (EN 1992) Expositionsklasse Umgebungsbedingung Beispiele für die Zuordnung (informativ) nach nationalem Anhang DIN EN 1992-1-1/ NA [2011-01] XC: Bewehrungskorrosion, ausgelöst durch Carbonatisierung XC1 Trocken oder ständig nass Bauteile in Innenräumen mit üblicher Luftfeuchte (Küche, Bad in Wohngebäuden o.ä.) XC2 Nass, selten trocken Teile von Wasserbehältern, Gründungsbauteile XC3 Mäßige Feuchte Bauteile mit häufigem o. ständigem Kontakt zur Außenluft (offene Hallen), Innenräume mit hoher Luftfeuchtigkeit, Feuchträume von Hallenbädern und Viehställen XC4 Wechselnd nass und trocken Außenbauteile mit direkter Beregnung, Bauteile in Wasserwechselzonen Abbildung 13: Expositionsklassen XD und XS nach Eurocode 2 (EN 1992) 11. Kolloquium Parkbauten - Februar 2024 267 Wirtschaftlicher und nachhaltiger Korrosionsschutz an Parkbauten In zunehmenden Maße werden auch nicht nur die Stahltragkonstruktionen feuerverzinkt, sondern legt man großen Wert auch auf die Fassadengestaltung von Parkhausbauten. Auch hier ist die Verwendung feuerverzinkter Fassadenbekleidungen ein Trend. Abbildung 16: feuerverzinkte Fassadenelemente an Parkhäusern 7. Brandschutz Üblicherweise bestehen hierzulande gemäß der Garagenverordnung für offene Parkhäuser bis max. 22 Meter über Geländeoberkante keine Brandschutzanforderungen an die tragendenden und aussteifenden Stahlbauteile. Brandschutzanforderungen an eine Parkhauskonstruktion aus Stahl können jedoch in Sonderfällen oder auch in anderen europäischen Ländern gestellt werden . Hierzu gibt es nun aktuell die Möglichkeit den Brandschutz der Stahlkonstruktionen über die Feuerverzinkung nach DIN EN ISO 1461 nachzuweisen. Abbildung 17: Feuerverzinkung als Möglichkeit des Brandschutzes Dies geht auf eine Forschungsarbeit der TU München zurück deren Anlass ein Brand in einem Parkhaus bestehend aus 2 Bauabschnitten , zum einen organisch beschichtet und zum anderen feuerverzinkt war . Es zeigte sich das nach dem Brand die feuerverzinkten Träger ein wesentlich besseres Tragverhalten aufwiesen. Die Verbesserung des Feuerwiderstands basiert auf einer verringerten Emissivität von feuerverzinkten Stählen. Die Emissivität ist ein Maß dafür, wie stark ein Material Wärmestrahlung mit seiner Umgebung austauscht. Gerade in der Anfangsphase eines Brandes führen verringerte Werte der Emissivität zu einer deutlich verzögerten Erwärmung der Bauteile und können insbesondere bei Bauteilen mit einer ausreichenden Massivität wesentlich dazu beitragen, einen geforderten Feuerwiderstand von R30 zu erreichen. Der feuerverzinkte Stahlbau erwärmt sich etwas langsamer. Grund hierfür ist die helle Zinkoberfläche, welche die im Brandfalle auftretende Wärmestrahlung reflektiert. Voraussetzung für die helle Zinkoberfläche sind Stähle mit einer Zusammensetzung der Kategorie A und B nach DIN EN ISO14713- 2 bzw. DIN EN 10025 Bei Stahlbauprofilen kann nun durch eine Heißbemessung nach Eurocode3 die Brandschutzanforderung R 30 rechnerisch nachgewiesen werden, wobei der Profilfaktor U/ A auch einen wichtiger Einflussparameter bei der Berechnung darstellt. Für den neuartigen rechnerischen Nachweis, der nun aktuell in 5 Bundesländern nach einer Musterverwaltungsvorschrift des Deutschen Instituts für Bautechnik in Berlin - DIBT - vom April 2023 in die Landesbauordnung übernommen, wurde ist auch keine Zustimmung im Einzelfalle mehr erforderlich. Quellen: Bildquelle Abbildungen 1-17 Institut Feuerverzinken GmbH Düsseldorf