11. Kolloquium Parkbauten - Februar 2024 269 Korrosionsschutz von Stahlkonstruktionen/ Stahlbauteilen Heiner Stahl Koch Carbon Consult GmbH Zusammenfassung Nachfolgend wird beschrieben, welche Herausforderungen im Hinblick auf den Korrosionsschutz bei Parkbauten bestehen. Es wird verdeutlicht, dass eine dauerhafte Lösung bereits mit der richtigen Konstruktion beginnt und nicht allein durch Verzinkung oder Beschichtung erreicht werden kann. Als Fazit bleibt festzustellen, dass Stahlverbund-Parkhäuser eine optimiere und wirtschaftliche Bauweise darstellen. Durch vorbeugende Maßnahmen wie Monitoring und präventiven KKS kann die Dauerhaftigkeit erhöht werden und der Instandsetzungsbedarf vermieden oder zumindest frühzeitig erkannt werden. 1. Einführung Wo Stahl verbaut wird, kommt es früher oder später zu Korrosion. Diese traurige Erkenntnis muss man akzeptieren. Laut Innovationsreport [1] beträgt in Deutschland der Schaden durch Korrosion etwa 3-4 % des Bruttoinlandsproduktes und damit eine Größenordnung von 110 bis 140 Milliarden Euro pro Jahr. Berechnungen des Deutschen Lackinstitut zur Folge „verschwinden“ in Deutschland täglich 16 Tonnen Stahl durch Korrosion [2]. Weiterhin schätzt man dort das Einsparpotenzial durch bessere Korrosions-Schutzmaßnahmen auf 25 bis 30 % des Gesamtschaden. Dieser Wert ist etwa doppelt so hoch wie die gesamte Leistung der Maler- und Lackierer-Branche in Deutschland. Bild 1: Volumenvergrößerung durch die Bildung von Blattrost An diesem Betrag ist zu erkennen, dass es sich lohnt in guten und nachhaltigen Korrosionsschutz zu investieren. Dies betrifft bereits die Konstruktion an Reißbrett bzw. im CAD-Programm, den industriell hergestellten Erstschutz und auch die Auswahl geeigneter Materialien und Materialkombinationen. Wenn Korrosion erkennbar ist, hat der Substanzabbau bereits begonnen. 2. Korrosionsursachen 2.1 Arten von Korrosion Es gibt viele mögliche Ursachen, warum es zu Korrosionserscheinungen kommt. Grundsätzlich ist das „Rosten“ ein elektrochemischer Vorgang für welchen bestimmte Voraussetzungen erfüllt sein müssen. Unterbindet man mindestens eine schadenauslösende Komponente, kann man die Entstehung von Korrosion stoppen oder zumindest so lange verzögern, wie die Barriere funktioniert. Die einfachste und bekannteste Form von Korrosion ist das Rosten von niedrig legiertem Stahl durch die Reaktion mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft in Verbindung mit Feuchtigkeit. Dieser Vorgang startet bei, in Deutschland üblicher Luftfeuchtigkeit und würde nur bei sehr trockener Luft nicht beginnen. Eine weitere häufig zu findende Ursache ist die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen verschieden edlen Metallen. Bei der Verbindung von Zink und Stahl will man sich diesen Effekt zu Nutze machen indem sich die Zinkschicht „opfert“ um das Substrat, den Stahl, vor Korrosion zu schützen. Verbindet man hingegen hochlegierten Stahl (z. B. ein Geländer aus Edelstahl) mit einer normalen Baustahlkonstruktion, so wird es ohne weitere Schutzmaßnahmen zu Korrosion an der Konstruktion kommen. Bild 2: Beispiel für Bimetall-Korrosion 270 11. Kolloquium Parkbauten - Februar 2024 Korrosionsschutz von Stahlkonstruktionen/ Stahlbauteilen Dieser Effekt nimmt an Korrosionsgeschwindigkeit zu, je ungünstiger das Größenverhältnis zwischen edlem und unedlerem Metall ist (Bi-Metall-Korrosion). Ein weiterer Auslöser von Korrosion ist im Bereich der Parkhaus- und Tiefgaragen-Instandsetzung weithin bekannt. Chloride de-passivieren einbetonierte Bewehrung und führen zu Lochfraß auch in nicht carbonatisiertem Beton. Eine ähnliche Wirkung kann tausalzhaltiges Wasser auch bei Stahlkonstruktionen entfalten, wenn diese nicht ausreichend gut gegen solche Einflüsse geschützt sind. Dabei sollte bedacht werden, dass Zink nur eine sehr eingeschränkte Beständigkeit gegen Salzangriffe aufweist. Es gibt weitere Ursachen für Korrosionserscheinungen, die jedoch bei üblichen Parkhauskonstruktionen keine oder nur eine untergeordnete Rolle spielen. Hingegen findet man an Einbauteilen wie z. B. Brandschutztüren nahezu immer Korrosion im Fußbereich. Solche Türen haben eine bauaufsichtliche Zulassung, in der auch der entsprechende Korrosionsschutz geregelt ist. Dieser Standard ist in der Regel jedoch nicht „Parkhaustauglich“. Hier sollte auf mögliche Außen-Qualität geachtet werden. 2.2 Auf die Konstruktion kommt es an Moderne Parkhäuser die als Stahlverbund-konstruktionen errichtet werden, haben große Vorteile in der Flexibilität der Konstruktion und in der wirtschaftlichen Montage sowie bei der Gestaltung der Parkflächen, um nur einige Vorteile zu nennen. Auch bei Brücken kombiniert man immer häufiger die Vorteile einer Konstruktion aus Stahlbauteilen mit Baukörpern aus Beton. Im Detail kommt es jedoch darauf an, dauerhafte Lösungen zu konstruieren und auch im Bau umzusetzen. Konstruktionen, wo sich Feuchtigkeit sammeln kann, z. B. wegen fehlendem oder zu geringem Gefälle sind ebenso gefährdet wie Bereiche, in denen sich Fugen oder Spalte bilden können. Dies kann z. B. Im Bereich von Dopplungen oder an Knotenblechen geschehen. Bild 3: Knotenverbindung, geschraubte Kopfplatten ergeben Dopplungen. Ein nachträglicher Korrosionsschutz ist nur sehr schwer applizierbar Weiterhin sind schwer zugängliche Bereich unbedingt zu vermeiden. Bild 4: Beispiel für zu engen Bauteilabstand, strahlen und gleichmäßig Beschichten der Innenseiten ist nicht möglich Bereiche, in denen mit Bewegung zu rechnen ist, sollten entsprechend als Fugenlösung ausgebildet werden, sodass auch die entsprechenden Bewegungen aufgenommen werden kann. Durch undichte Fugen tritt Feuchtigkeit in den Baukörper ein und führt zu Korrosion der Bewehrung und der Stahlkonstruktion. Bild 5: nicht ausreichend dimensionierte Bauteilübergang und daraus resultierende Korrosion im Übergangsbereich Ist mit Rissbildung zu rechnen, sollten diese Zonen entsprechend armiert werden oder es sind entsprechende rissüberbrückende Maßnahmen vorzusehen. Für diese planmäßigen „kritischen Punkte“ gibt es entsprechende konstruktive Lösungen der Systemanbieter. Es ist wichtig, dass diese bei der Errichtung ordnungsgemäß umgesetzt werden. 11. Kolloquium Parkbauten - Februar 2024 271 Korrosionsschutz von Stahlkonstruktionen/ Stahlbauteilen Bild 6: Der Rissverlauf ist an dem Erscheinungsbild der Korrosionsspuren klar erkennbar Bild 7: Beispiel für ein nicht durchgeschweißtes Fußblech führt zu Korrosion und Feuchtigkeitsdurchtritt in der Ansetzfuge Im Bereich von Materialübergängen muss die entsprechende Abdichtung sichergestellt sein, z. B. von einer betonierten Fläche zu einem, als Entwässerungsrinne vorgesehenen U-Profil. Es muss bereits planerisch berücksichtig sein, dass innerhalb dieser U-Profil-Rinne eine höhere Korrosionsbelastung herrscht als an der frei bewitterten Konstruktion, die nicht wasserführend ist. Geeignete Beschichtungs-systeme werden in der DIN EN ISO 12944 Teil 5 definiert [4] Bild 8: U-Profil als Entwässerungsrinne mit entsprechender Beschichtung Bei der Verwendung von Additiv-Decken sollte unbedingt darauf geachtet werden, dass kein (tausalzbelastetes) Wasser in den Baukörper eindringt. Wo und wie sich diese Feuchtigkeit auf der Oberseite der Rippenbleche verteilt bzw. ansammelt ist von außen nicht kontrollierbar. Diese Bleche haben eine Stärke zwischen 1,00 und 1,5 mm. Wenn sich an der Luftseite dieser Bleche Korrosionserscheinungen zeigen ist es für den Erhalt dieser Bereiche in der Regel bereits zu spät. Bild 9: Korrosionserscheinungen an der Blechunterseite: 272 11. Kolloquium Parkbauten - Februar 2024 Korrosionsschutz von Stahlkonstruktionen/ Stahlbauteilen Bild 10: Korrosion nach Ausbau des Blechs Sollte es bei einer Mehrfelddecke über einem Unterzug zur Rissbildung kommen und Feuchtigkeit eindringen, die im Bereich der Kopf bolzen Korrosion auslöst, so sind auch diese Bereiche nur mit sehr großem Aufwand zu reparieren. Bild 11: Freigelegte Obergurte von Deckenträgern Ganz generell sollte bei der Konstruktion des Stahltragwerkes darauf geachtet werden, dass sich keine Staumöglichkeiten für Wasser bilden. Die Erfahrung zeigt, dass Ausklinkungen in Eckbereichen oft nicht als Ablauf ausreichen, weil solche Öffnungen häufig durch Laub und Schmutz verstopft sind. Bild 12: Beispiel für eine ungünstige Konstruktion 3. Korrosionsschutz 3.1 Übersicht möglicher Systeme Bei der Kombination von Stahl und Beton im Parkhausbau kommen meist mehrere Korrosions-schutzsysteme zum Einsatz. Die Bleche von Additivdecken haben üblicherweise eine Bandverzinke und beschichtete Oberfläche. [5] Dabei liegt die Dicke der Zinkschicht zwischen 5 und 25 µm. [6] Die Dicke des Beschichtungsfilms liegt bei etwa 50-µm und ist damit dünner als eine Autolackierung. Die eigentliche Tragkonstruktion erhält ihren Korrosionsschutz entweder durch eine Feuerverzinkung nach DIN 1461 [7] oder durch eine Beschichtung mittels flüssiger Korrosionsschutzbeschichtung nach DIN EN ISO 12944-5 [4]. Es gibt auch die Möglichkeit der Duplex- Beschichtung, bei diesem Verfahren werden die Bauteile nach der Stückverzinkung zusätzlich beschichtet. So werden die technischen Vorteile beider Systeme kombiniert und die zu erwartende Schutzdauer liegt über der Summe der Schutzdauern der einzelnen Systeme. Zusätzlich besteht die Möglichkeit der farblichen Gestaltung. Duplexbeschichtungen werden seit Jahrzehnten bei Freileitungsmasten in unserem Stromverteilnetz angewendet. Die Beschichtung durch Pulverlackierungen spielt aktuell keine wesentliche Rolle im Bereich des Parkhausbaues. Stahlflächen, die im direkten Kontakt mit Beton sind, haben durch die hohe Alkalität des Betons eine Passivierung. Um diese dauerhaft zu erhalten, sollte sichergestellt sein, dass keine Chloride in Form von Tausalzen in den Baukörper eindringen können. 11. Kolloquium Parkbauten - Februar 2024 273 Korrosionsschutz von Stahlkonstruktionen/ Stahlbauteilen 3.2 Bewertung der Systeme Im Winter befahren erwärmte Fahrzeuge in die Parkhäuser, diese transportieren Feuchtigkeit in Form von anhaftendem Wasser und Schneematsch in das Gebäude. Bedingt durch die wesentlich geringere Temperatur des Baukörpers ist bei solchen Wetterlagen mit einer Tauwasserbeanspruchung zu rechnen, diese stellt eine sehr hohe Korrosionsbelastung dar. Zudem wird dann chloridhaltiges Wasser über das Entwässerungssystem abgeleitet. Die Belastung ist gemäß DIN EN ISO 12944 - 2 [8] in die Kategorie C4 bis C5 einzuordnen, für die Wasserführenden Bereiche ist sogar eine IM-Kategorie anzuwenden. Die Feuer-Verzinkung der Stahlkonstruktion ist eine gängige Bauweise. Nach Verzinkungsnorm [7] beträgt die Mindest-Zinkschichtdicke 85 µm, in der Regel baut sich durch die Eintauchzeit sogar eine Dicke von über 100 µm auf. Bei einem zu erwartenden Zinkabtrag von 1-4 µm pro Jahr ergibt sich so eine zu erwartende Schutzdauer von 20 bis 100 Jahren. [9] zumindest an den nicht direkt wasserführenden Flächen. Tabelle 1: Auszug aus der Stahlbau Arbeitshilfe 1.4 Korrosionsschutz - Feuerverzinkung [9] Korrosivitätskategorie Dickenverlust von Zink [μm) C 1 unbed. ≥ 0,1 C 2 gering > 0,1-0,7 C 3 mäßig > 0,7-2,1 C 4 stark > 2,1-4,2 C 5 sehr stark I > 4,2-8,4 C 5 sehr stark M > 4,2-8,4 Dickenverlust von Zink in Abhängigkeit von der Korrosionsbelastung nach DIN EN ISO 12944-2 Das diese Annahmen in der Realität eher dem Maximum entspricht ist daran zu erkennen, dass in der Praxis bei solchen Konstruktionen bereits nach weniger als 20 Jahren an neuralgischen Punkten „Rotrost“ zu erkennen ist, also keine Zink-Korrosionsprodukte, sondern Korrosion an den Stahl selbst. Dies ist ein sicheres Zeichen dafür, dass die Schutzdauer der Zinkschicht überschritten wird. Aus Nachhaltigkeitsgesichtspunkten sollte bedacht werden, dass auf einer Oberfläche von 1.000 m² also etwa 50-60 to Stahlbau ein Abbau von 4 µm Zink bedeutet, dass etwa 28 kg Zink in die Umgebung bzw. in das abfließende Wasser abgegeben werden. Hat sich erst einmal Rost auf dem Stahl gebildet, ist ab diesem Zeitpunkt die Erneuerung des Korrosions-schutzes wesentlich aufwändiger und teuer. Bevor sich Stahl- Korrosion bildet, kann auch eine alte, Zinkoberfläche mit einfachen Mitteln gereinigt und mit einer geeigneten Beschichtung überarbeitet werden. Entsprechende Systeme sind in DIN EN ISO 12944-5 [4] definiert. Ist keine Zinkschicht mehr vorhanden sieht die Norm vor, dass das Substrat im Normreinheitsgrad Sa 2 ½ (DIN EN ISO 12944-4 [10] zu strahlen ist und dann ein neues Beschichtungssystem aufgebaut werden kann. Das Auftragen einer Korrosionsschutz-beschichtung auf einer handentrosteten Fläche stellt keinen normgerechten Korrosionsschutz dar und sollte lediglich als temporäre Maßnahme bewertet werden. Beim Erstschutz einer Konstruktion mit einer Beschichtung nach DIN EN ISO 12944 - 5 [4] geht die Norm von einer zu erwartenden Schutzdauer von mehr als 25 Jahren aus. Dabei kann der wesentliche Teil der Beschichtung auch in einer geeigneten Strahl- und Beschichtungsanlage stationär, wirtschaftlich und nachhaltig ausgeführt werden. Nach der Montage sind lediglich Transport- und Montageschäden auszubessern. Bei hohen optischen Ansprüchen sollte die letzte Deckbeschichtung nach der Montage erfolgen. Alle vorrangehenden Beschichtungen können im Werk ausgeführt werden. Möchte man möglichst für die zu erwartende Nutzungszeit des Parkhauses keine Korrosionsschutzmaßnahmen an der Konstruktion durchführen, ist die schon erwähnte Kombination aus Feuerverzinkung und Beschichtung (Duplex-System) die beste Wahl. Sofern das Parkhaus mit Additiv-Decken und entsprechenden Blechen errichtet wurde, muss auch der dauerhafte Korrosionsschutz dieser dünnwandigen Bleche sichergestellt sein. Hierbei müssen die beiden Blechseiten getrennt betrachtet werden. Wie unter 2.2 ausgeführt, haben die Bleche eine Dicke von 1 bis 1, 5 und eine Kombination aus Bandverzinkung und Beschichtung welches zusammen weniger als 100 µm Schichtdicke ergibt. Es ist daher zu befürchten das dieser Schutz nach dem Einbau der Bewehrung und der Betonage deutliche Beschädigungen aufweist. Da diese Flächen jedoch durch den hochalkalischen Beton passiviert sind, können solche Beschädigungen toleriert werden. Kritisch wird diese Situation erst dann, wenn chloridhaltige Feuchtigkeit in den Baukörper eindringt und sich an der Oberseite der Bleche ansammelt. In solchen Fällen führt dies zur sofortigen Korrosion der ungeschützten Blechoberseite (Rochfraß). Dies ist erst dann zu erkennen, wenn an der Blechunterseite Korrosion sichtbar wird. Ist dies der Fall, ist eine Reparatur nach heutigem Stand nur sehr aufwändig möglich. Diese Bleche sind zu dünn, um Ersatz auf- oder anzuschweißen. Ein Austausch der Bleche funktioniert nur, indem der Auf boten entfernt wird und neue Bleche und neue Knaggen eingebaut werden. Dazu bedarf es weitere stahlbaulicher Maßnahmen. Durch die, über den Blechen liegende Bewehrung ist es nicht möglich deren Korrosionswahrscheinlichkeit mittels Potenzialfeldmessung zu ermitteln. Um eine geeignete Messmethode zu entwickeln, führt die TU München Untersuchungen durch. Hier wird auch an möglichen Instandsetzungsvarianten geforscht. Nach bisherigen Erfahrungen führte Schäden, die von der Betonseite her rühren zu Handlungsbedarf, bevor die Luftseite das Ende der Schutzdauer erreicht hat. Somit bewähren sich diese Bleche an Parkhausdecken genau so wie im Fassadenbau. 274 11. Kolloquium Parkbauten - Februar 2024 Korrosionsschutz von Stahlkonstruktionen/ Stahlbauteilen 4. Fazit Für den dauerhaften Korrosionsschutz an Parkhaus- Bauten in Stahl-Verbundbauweise ist es nicht nur wichtig einen hochwertigen Korrosionsschutz auszuwählen und ein qualifiziertes Unternehmen zu beauftragen. Vielmehr ist es wichtig, bereits bei der Konstruktion geeignete Maßnahmen zu planen und ordnungsgemäß auszuführen, um eine dauerhafte Lösung sicherzustellen. Diese Bauweise ist durch die wiederholte Anwendung immer weiter optimiert worden und damit in einzelnen Bereichen auch an die bautechnischen Grenzen gelangt. Somit erhöhen vorbeugende Maßnahmen wie Monitoring und präventives KKS die Dauerhaftigkeit und Standsicherheit des gesamten Gebäudes und helfen, sehr aufwändige und teure Instandsetzungen zu vermeiden. Muss der Korrosionsschutz an tragenden Bauteilen erneuert werden sind hierzu in der Regel auch Betonierarbeiten erforderlich. Dies sollte bei der Auswahl der Bieter für Instandsetzungsmaßnahmen Berücksichtigung finden. Literatur [1] Weit mehr als „Rost“: Korrosion geht alle an - Innovations Report (innovations-report.de) [2] Deutsches Lackinstitut - Korrosionsschutz - Werterhaltung im großen Stil (lacke-und-farben.de). [3] 73397_01-4_Korrosionsschutz.qxp bauforumstahl. de) [4] DIN EN ISO 12944 Beschichtungsstoffe - Korrosionsschutz von Stahlbauten durch Beschichtungssysteme - Teil 5: Beschichtungssysteme [5] Allgemeine Bauaufsichtliche Zulassung Nr. Z-26.1-44. [6] Bandverzinken (kontinuierliches Verzinken) | Initiative ZINK [7] DIN EN ISO 1461 Durch Feuerverzinken auf Stahl aufgebrachte Zinküberzüge (Stückverzinken) - Anforderungen und Prüfung. [8] DIN EN ISO 12944-2 Beschichtungsstoffe - Korrosionsschutz von Stahlbauten durch Beschichtungssysteme - Teil 2: Einteilung der Umgebungsbedingungen [9] 73397_01-4_Korrosionsschutz.qxp (bauforumstahl.de) [10] DIN EN ISO 12944-4 Beschichtungsstoffe - Korrosionsschutz von Stahlbauten durch Beschichtungssysteme - Teil 4: Arten von Oberflächen und Oberflächenvorbereitung