Merkmale der Verwendung von Cortenstahl im Bauwesen

Atmosphärisch korrosionsbeständige Stähle sind herkömmliche Baustähle, die mit Kupfer und Phosphor legiert sind. Dieser Stahl bildet eine schützende Oxidschicht, die den Korrosionsprozess verlangsamt, wenn der Stahl frei befeuchtet und an der Luft getrocknet werden kann. Bisher wurden diese Stahlsorten hauptsächlich im Industriebau eingesetzt. In letzter Zeit hat ihre Popularität jedoch bei Fassadenlösungen und Landschaftsgestaltung stark zugenommen, Architekten finden die Farbe Corten sehr attraktiv. Darüber hinaus ist Cortenstahl ein umweltfreundliches Material, da es keiner separaten Korrosionsschutzbehandlung bedarf.

Allgemeine Informationen zu Cortenstahl

Die Entstehungsgeschichte von Cortenstahl

Wetterbeständige Stähle wurden in den Vereinigten Staaten im frühen 20. Jahrhundert entwickelt, als es festgestellt wurde, dass kupferlegiertes Stahlblech viel widerstandsfähiger gegen atmosphärische Korrosion war als herkömmliches Kohlenstoffstahlblech. Unternehmen „U.S. Steel“ führte umfangreiche Forschungen durch und testete die physikalischen Eigenschaften und die Beständigkeit gegen atmosphärische Korrosion einer Vielzahl von Blechen mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen, was zur Entwicklung von Cortenstahl und einem Patent im Jahr 1933 führte.

Ursprünglich wurde Cortenstahl als Material für Bunkerkonstruktionen in Kohlenwagen verwendet, da er widerstandsfähiger gegen mechanische Beanspruchung und Korrosion ist als herkömmlicher Kohlenstoffstahl.

Später fand Cortenstahl breite Verwendung in Stahlkonstruktionen, wo normaler Kohlenstoffstahl aufgrund der kombinierten Auswirkungen von Wetter, Wasser und Verunreinigungen aus der industriellen Produktion einer vorzeitigen Korrosion erlag.

Brücke Shanks Millennium, Großbritannien

Heute wird Corten in Schiffscontainern, Brückenkonstruktionen und verschiedenen Prozessanlagen in der chemischen und petrochemischen Industrie verwendet. Cortenstahl wird auch häufig in Stromleitungsmasten, Beleuchtungsmasten oder Flurförderzeugen, LKW-Chassisstrukturen, Wassertanks, Schornsteinen und in der Bauindustrie verwendet.

Je nach Anwendung kann Cortenstahl pur oder lackiert verwendet werden. Unbehandelter Cortenstahl entwickelt bei richtiger Anwendung schnell eine dichte und zähe Oxidschicht, die ein fortschreitendes Rosten verhindert. Auf der anderen Seite haben Corten-lackierte Strukturen längere Wartungsintervalle, da sich auf beschädigten Stellen des Lacks eine harte Oxidschicht bildet und die Korrosion unter der Farbe nicht fortschreiten kann, wie dies normalerweise bei lackiertem Kohlenstoffstahl der Fall ist.

Eigenschaften von Cortenstahl

Kohlenstoffstahl ist ein hochreaktives Metall im Vergleich zu beispielsweise Edelstahl und Kupfer. Aus diesem Grund verursacht Feuchtigkeit oder Luftsauerstoff, der an die Oberfläche von unlackiertem Kohlenstoffstahl gelangt, schnell eine Oxidation und die Bildung von Eisenhydroxid. Dieser Vorgang wird allgemein als Korrosion bezeichnet. Da die Oberfläche des Stahls wiederholt befeuchtet wird, tritt Rost auf, was die Eigenschaften der Stahlkonstruktion erheblich verschlechtern kann. Corten oxidiert auch, wenn es Luft und Feuchtigkeit ausgesetzt wird. Der Mechanismus der Oxidation in Cortenstählen unterscheidet sich jedoch vom Rosten von Baustählen. Wenn Cortenstahl wiederholt befeuchtet und getrocknet wird, bildet sich auf seiner Oberfläche eine dichte und sehr harte Oxidschicht. Diese Schicht verhindert die Entstehung von Korrosion unter normalen Witterungsbedingungen, weshalb Cortenstähle als witterungsbeständig bezeichnet werden.

Textur aus Cortenstahl

Seit der Patentierung von Cor-Ten wurden mehr als 30 000 Tests durchgeführt, um die chemische Zusammensetzung des Stahls zu optimieren und die beste Witterungsbeständigkeit zu erreichen. Je nach Sorte kann Cor-Ten Stahl bis zu 10 Legierungselemente enthalten. Chrom, Nickel, Kupfer und Phosphor verbessern die Beständigkeit von Stahl gegen atmosphärische Korrosion. Silizium, Titan, Molybdän und Vanadium erhöhen zusätzlich die Dichte der Oxidschicht, indem sie mit Kupfer und Chrom wechselwirken. Heute gibt es eine Reihe von Stahlsorten, die unter dem gemeinsamen patentierten Namen Cor-Ten vereint sind.

Chemische Zusammensetzung von Cortenstählen, %

Der Korrosionsprozess an der Stahloberfläche lässt sich durch elektrochemische Reaktionen beschreiben. Wenn der Stahl nass wird, entstehen kleine örtliche Vertiefungen auf der Oberfläche. Die Oxidation von Eisen findet am Anodenpunkt (-) und die Reduktion am Kathodenpunkt (+) statt:

Fe -> Fe₂ + 2e (1)

½O₂ + H₂O + 2e  -> 2OH (2)

Die Gesamtreaktion der Eisenoxidation ist die Summe der Teilreaktionen:

Fe + ½O₂ + H₂O -> Fe (OH)₂ (3)

Eisenhydroxid wird weiter zu Eisenoxyhydroxid oxidiert, das als der häufigste Rostzustand gilt:

2Fe (OH)₂ + ½O₂ -> 2FeO(OH) + H₂O (4)

In der Praxis wechseln sich an der Oberfläche des Stahls die Nassphase und die Trockenphase ab. Während der Nassphase wird Rost zu Eisenoxid (II, III), Magnetit (5) und während der Trockenphase wird Magnetit zu Eisenoxyhydroxid, Goethit, Lipidcrossit (6) reduziert:

Fe₂ + 8FeO (OH) + 2e -> 3Fe₃O₄ + 4H₂O (5)

2Fe₃O₄ + 3H₂O + ½O₂ -> 6FeO(OH) (6)

Die an der Stahloberfläche herrschenden reduzierenden Bedingungen entstehen, wenn sich die Poren des Rostes mit Wasser füllen. Oxidation tritt auf, wenn die äußere Oberfläche des Rosts austrocknet. Dies bedeutet, dass atmosphärischer Rost aus mehreren Eisenzuständen besteht, hauptsächlich Magnetit Fe₃O₄ und Eisenoxyhydroxid FeO(OH).

Die atmosphärische Korrosion von Stahl wird auch durch Luftverunreinigungen, einschließlich Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid, beeinflusst. Wenn die Lufttemperatur unter dem Säuretaupunkt liegt, lösen sich die Oxide im kondensierenden Wasser auf und es entsteht Schwefelsäure, H₂SO₄:

SO₂ + H₂O + ½O₂ -> H₂SO₄ (7)

SO₃ + H₂O -> H₂SO₄ (8)

Eisenoxid (Rost) katalysiert die Umwandlung von SO₂ in Schwefelsäure. Schwefelsäure reagiert mit Stahl zu Eisensulfat (FeSO₄), das weiter zu Eisensulfat, Fe₂(SO₄)₃ und Eisenoxohydroxid, FeO(OH) oxidiert werden kann:

H₂SO₄ + Fe + ½O₂ -> FeSO₄ + H₂O (9)

12 FeSO₄ + 2H₂O + 3O₂ -> 4Fe₂(SO₄)₃ + 4FeO(OH) (10)

Eisensulfat kann weiter zu Eisenoxyhydroxid und Schwefelsäure hydrolysiert werden:

Fe₂(SO₄) + 4H₂O -> 2FeO(OH) + 3H₂SO₄ (11)

Theoretisch kann Schwefelsäure in Oxidationsreaktionen wieder auftreten. Dies wird auch dadurch bestätigt, dass es in Gegenwart von säurebildenden Oxiden relativ schnell zu Stahlkorrosion kommt. Solche Bedingungen treten am ehesten in industriellen und städtischen Umgebungen auf.

Viele Korrosionstests, die über mehr als drei Jahrzehnte durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass die Beständigkeit von Cortenstahl gegenüber atmosphärischer Korrosion deutlich höher ist als die von herkömmlichen Kohlenstoffstählen. Corten weist eine besonders hohe Korrosionsbeständigkeit in Industrieumgebungen auf, in denen die Korrosionsrate nur ein Fünftel, der von Kohlenstoffstahl oder sogar weniger beträgt. Ein signifikanter Unterschied in den Korrosionsraten macht sich am deutlichsten nach 5-10 Betriebsjahren bemerkbar, wenn sich eine dichte und sehr harte Oxidschicht auf der Stahloberfläche gebildet hat, die sie vor Korrosion schützt. Die Korrosionsgeschwindigkeit hängt stark von den Umgebungsbedingungen ab. Als Richtwerte können folgende Korrosionsraten herangezogen werden, berechnet aus der Gewichtsänderung der Proben nach zehn Jahren Betrieb:

Die Farbe der Oxidschicht variiert je nach Umgebungsbedingungen von Rotbraun bis Dunkelviolett. Die Farbe von Cortenstahl variiert von samtigen Bronzetönen bis hin zu tiefem Braun.

Farbveränderungen der Oxidschicht auf Cortenstahl im Laufe der Zeit in ländlicher Umgebung

Farbveränderungen der Oxidschicht auf Cortenstahl im Laufe der Zeit in industrieller Umgebung

Lackierung aus Cortenstahl

Cortenstahl kann mit jeder Farbe lackiert werden, die für die Korrosionsschutzbehandlung von Stahl vorgesehen ist. Studien haben gezeigt, dass die Haltbarkeit einer Alkyd-Lackbeschichtung auf Cortenstahl 1,5-2 Mal länger ist als auf Kohlenstoffstahl. Die Abbildung unten (links) zeigt das Aussehen von lackierten Mustern aus Corten- und Kohlenstoffstahl nach 15-jährigem Probeeinsatz in Meeresklima. Die rechte Seite der Abbildung zeigt lackierte Proben, die mehrere Jahre einer industriellen Umgebung ausgesetzt waren. Cortenstahl zeigt unter einer Zink-Chromat-Grundierung und einer Vinyl-Lackierung keine Anzeichen von Rost.

Die längere Lebensdauer der Lackbeschichtung auf Cortenstahl erklärt sich aus der Tatsache, dass sich beim Auftreten eines Kratzers auf der Oberfläche der Beschichtung eine dichte Oxidschicht bildet, die keinen Rost unter die Farbe eindringen lässt, wie dies bei gewöhnlichem Kohlenstoffstahl der Fall ist.

Bearbeitung und Patinierung von Cortenstahl

Produkten aus Cortenstahl müssen sehr sorgfältig behandelt werden. Oberflächenbeschädigungen sind zu vermeiden und Schweißspritzer und andere Oberflächenverunreinigungen zu entfernen. Cortenstähle können im Freien gelagert werden, solange zwischen den Platten einen freien Luftumlauf besteht, damit Oberflächen, die nass werden könnten, schnell trocknen können. Für die langfristige Lagerung von Produkten im Freien sollten sie unter einer Abdeckung platziert werden, und Blätter und andere Komponenten sollten voneinander getrennt werden, um einen gleichmäßigen Luftumlauf zwischen ihnen zu gewährleisten. Dies garantiert eine gleichmäßige Patinierung und vermeidet die Bildung von Korrosionsflecken.

Durch die Bildung einer gleichmäßigen Schutzschicht (Patina) auf der Oberfläche können Cortenstähle unlackiert bleiben. Um eine gleichmäßige Patina zu bilden, müssen Oberflächen bei kritischen Optiken sorgfältig durch Beizen, Sandstrahlen oder Schleifen vorgereinigt werden.   In diesem Fall müssen zunächst Fett- und Schutzölflecken, Schlacke und Zunder entfernt werden. Nach dem Sandstrahlen gilt die Oberfläche als ausreichend sauber, wenn ihre Rauheit gleichmäßig ist.

Wenn es notwendig ist, die Dauer der Patinabildung zu verkürzen, kann Cortenstahl einem beschleunigten Oxidationsprozess unterzogen werden, der in mehreren Stufen durchgeführt wird:

1. Entfetten.
2. Entfernung der Oxidschicht.
3. Anwendung eines Oxidationsaktivators.
4. Anwenden einer fixierenden Waschung.
    

Der Corten-beschleunigte Patinierungsprozess ermöglicht es Ihnen, den gewünschten Stahlton in nur wenigen Tagen zu kriegen.

Wenn es notwendig ist, die Farbe zu fixieren und den natürlichen Patinierungsprozess auszusetzen, kann Cortenstahl mit einem glänzenden oder matten Schutzlack überzogen werden. Gleichzeitig sollte berücksichtigt werden, dass die Lebensdauer einer solchen Lackbeschichtung nur wenige Jahre beträgt, was zu einer anschließenden periodischen Erneuerung führt.

Schweißverunreinigungen wie Krätze und Spritzer verlangsamen den Patinierungsprozess. Die Norm ISO 8501-1 definiert den Verrostungsgrad zur Bewertung der Oberflächenbeschaffenheit. Der Reinigungsgrad der zu lackierenden Oberfläche von normalem Kohlenstoffstahl sollte mindestens Sa 2 1/2, St 2 betragen, während für die Patinierung von Cortenstahl Sa 2/St 2 ausreichend ist.

Schweißen von Cortenstahl

Cortenstahl kann mit allen gängigen Verfahren geschweißt werden: Schmelz- oder Fülldrahtschweißen, Unterpulverschweißen, MIG/MAG-Schweißen und Widerstandsschweißen.

Schweißen von Cortenstahl

Um die Witterungsbeständigkeit der Schweißnaht zu gewährleisten, muss diese die gleiche Metalllegierung wie der Grundwerkstoff enthalten.

Die am häufigsten verwendeten Schweißmetalllegierungen enthalten Nickel und Kupfer. Unlegiertes Schweißgut kann verwendet werden, wenn die Schweißnaht in Form einer Kehle oder Hohlkehle ausgeführt wird, und beim UP-Schweißen sorgt der Diffusionsprozess für eine hohe Legierung des Schweißmaterials mit dem Grundwerkstoff. Bei der Herstellung von mehrlagigen Schweißnähten an den Randbereichen witterungsbeständiger Stähle ist witterungsbeständiges Schweißgut zu verwenden.

Empfohlene Schweißzusätze für COR-TEN A und COR-TEN B Stähle

Schweißen in Aktivgasatmosphäre (Massivdraht)

Lichtbogenschweißen mit Fülldraht

Lichtbogenschweißen mit umhüllten Elektroden

Unterpulverschweißen

Geschraubte Verbindungen

Schraubverbindungen in witterungsbeständigen Stählen müssen ausreichend fest sein, um Spaltkorrosion innerhalb der Verbindung und Korrosion der zu verbindenden Materialien zu verhindern. Der Abstand zwischen den Bolzen entlang der Fugenkante sollte nicht mehr als 14 Dicken des dünnsten zu verbindenden Elements und nicht mehr als 20 cm betragen Der Abstand zwischen den Bolzen und der Fugenkante sollte nicht mehr als 8 Dicken von betragen das dünnste anzuschließende Element und darf 15 cm nicht überschreiten.

Es wird es empfohlen, Cor-Ten X-Stahl als Schraubenmaterial zu verwenden, da seine Korrosionsbeständigkeit der Korrosionsbeständigkeit der verbundenen Stähle entspricht und die Farbe der patinierten Schrauben identisch mit dem Grundmaterial ist. Zink- oder kadmiumbeschichtete Schrauben können ebenfalls verwendet werden, werden jedoch im Allgemeinen nicht empfohlen, da die Beschichtung aufgrund elektrochemischer Reaktionen zwischen der Schraubenbeschichtung und Cortenstahl relativ schnell verschleißt. Kleine Befestigungselemente, Schrauben usw. können aus Cor-Ten A-Stahl oder nicht oxidierenden Metallen wie Messing oder Bronze hergestellt werden. In diesem Fall tritt keine elektrochemische Korrosion auf, da die Fläche des Edelmetalls viel kleiner als die Fläche von Cortenstahl ist.

Anwendung von Cortenstahl

Cortenstahl als einzigartiges Material eignet sich hervorragend für Anwendungen, bei denen Beständigkeit gegen atmosphärische Korrosion oder ein unverwechselbares Erscheinungsbild von größter Bedeutung sind. Die dichte, selbstheilende Oxid-Patina auf Cortenstahl sorgt für lange Lebensdauer und das einzigartige Design. Cortenstahl eignet sich hervorragend zum Verkleiden von Fassaden oder Gebäuderahmen, architektonischen Kompositionen, Zäunen, Brücken, Containern, Tanks, Schornsteinen usw.

Universität Leeds Beckett, Großbritannien

Cortenstahl ist relativ widerstandsfähig gegen Abrieb, der durch Be- und Entladen verursacht wird. Längerer Abrieb des Materials kann jedoch dessen Lebensdauer verkürzen.

Die hervorragende Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit von Cortenstahl bleibt auch bei erhöhten Betriebstemperaturen erhalten. Gleichzeitig bietet Corten bessere Eigenschaften, beispielsweise eine höhere Zunderbeständigkeit als herkömmliche Baustähle. Cortenstahl kann in weniger kritischen Druckbehälteranwendungen verwendet werden, bei denen gehärtete Cr-Mo-Stähle nicht erforderlich sind. Die maximale Betriebstemperatur von Cor-Ten A-Stahl beträgt +540 °C. Bei höheren Temperaturen verschlechtern sich die Fließ- und Zugfestigkeit sowie die Zähigkeit dieser Stahlsorte deutlich. Die Stahlsorte Cor-Ten B wird nicht für die Verwendung als tragende Konstruktionen empfohlen, wenn die Betriebstemperatur +425 °C übersteigt.

Konzertsaal im Freien mit Cortenverkleidung, Crystal Palace Park, Großbritannien

Die hervorragende Haltbarkeit der Farbbeschichtung auf Cortenstahl ermöglicht erhebliche Einsparungen bei den Betriebskosten, da die Intervalle zwischen der Lackierung für die Wartung von Cortenstahl länger sind als die von Kohlenstoffstahl.

Dies liegt an der Fähigkeit von Cortenstahl, eine dichte und zähe Oxidschicht über Lackschäden zu bilden, die eine Korrosion des Stahls unter der endgültigen Lackierung verhindert. Laut einem der größten Containervermieter sind beispielsweise die Wartungs- und Reparaturkosten für Container aus lackiertem Kohlenstoffstahl viermal höher als für Container aus Cortenstahl.

Skulptur LOVE, USA

Die Verwendung von Cortenstahl in der Architektur

Bei der Auswahl von Corten als Verkleidungsmaterial sollte berücksichtigt werden, dass Wasser, das mit Cortenstahl in Kontakt kommt, durch den Patinierungsprozess innerhalb der ersten zwei Jahre rostig wird. “Rostiges” Wasser muss so aufgefangen und entsorgt werden, dass andere verwendete Materialien nicht verunreinigt werden. Unten die Liste von Materialien, die, wenn sie leicht mit “rostigem” Wasser verunreinigt sind, leicht gereinigt werden können:

• Halbmattes oder glänzendes Emaille-Finish.
• Luft- oder hitzegehärtete, abwaschbare organische Beschichtung.
• Eloxiertes oder glattes Aluminium.
• Edelstahl.
• Neopren.
• Keramik und glasierte Fliesen.
• Glas.

Einige Materialien verschmutzen leicht, was die Reinigung erschwert oder unmöglich macht. Aus diesem Grund ist es wichtig, die Angemessenheit der Verwendung von folgenden Materialien mit Cortenstahl sorgfältig abzuwägen:

• Beton und Zementmörtel.
• Unlackierter feuerverzinkter Stahl.
• Unglasierter Ziegel.
• Matter Emaille.
• Stein.
• Holz.

Bei der Verwendung von Cortenstahl mit anderen Werkstoffen ist darauf zu achten, dass an der Verbindungsstelle der Metalle keine Spaltkorrosion auftritt und sich kein Wasser oder Schmutz ansammelt.

Verzinkte Stahlbleche oder andere verzinkte Materialien sollten nicht in direkten Kontakt mit unlackiertem Cortenstahl kommen, da Zink, das das reaktivere Metall ist, galvanischer Korrosion ausgesetzt ist.

Fugen zwischen verschiedenen Materialien und Cortenstahl müssen mit Dichtmittel gefüllt werden. Besonders zu beachten ist, dass viele Dichtstoffe, wie z.B. Polyurethanschäume und andere Flammschutzmittel enthaltende Stoffe, Wasser aufnehmen. Daher kann die Verwendung solcher Stoffe zusammen mit Cortenstahl zu schweren Korrosionsschäden führen.

Befestigung der horizontalen Naht der Fassadenkassette mit säurebeständigen Befestigungsmitteln

Architektonische Elemente

Bauprodukte aus Cortenstahl

Cortenstahl ist ein natürliches Material, das seine Farbe und schützende Oberflächenschicht durch einen Oxidationsprozess erhält. Die Veränderungen der Oberfläche des Stahls durch Licht, Luftfeuchtigkeit und Zeit machen ihn zu einem noch interessanteren Material. Die Patina verleiht Corten einen ausdrucksstarken Bronzeton, der Ziegeloberflächen perfekt ergänzt.

Corten zeichnet sich durch eine matte Oberfläche aus, die die für andere Metalle typischen Reflexionen reduziert und mögliche Oberflächenunregelmäßigkeiten kaschiert.

Corten ist ein wirtschaftliches Material, das nur 20-25% mehr kostet als herkömmlicher Kohlenstoffstahl. Und da Corten keine Oberflächenbehandlung erfordert, sind die Gesamtkosten für die Herstellung von Corten-Produkten äußerst attraktiv.

Darüber hinaus ist Cortenstahl ein umweltfreundliches Material, da es vollständig recycelbar ist und nicht beschichtet werden muss. Daher ist die Gesamtumweltbelastung über den gesamten Lebenszyklus äußerst gering.

Einfamilienhaus, Tschechische Republik

Oberflächenfarbe und Glanz

Cortenstahl bildet auf der Oberfläche eine harte Oxidschicht, die Korrosion verhindert. Lokale klimatische Bedingungen sowie die Dauer der Patinierungszeit beeinflussen die Farbe der Oberfläche. Die Farbe wechselt von warmem Orangebraun über Rotbraun bis hin zu Dunkelbraun.

Die Fähigkeit, die Farbe im Laufe der Zeit zu ändern, macht Cortenstahl zu einem der einzigartigsten und einprägsamsten Materialien.

Vor Anlieferung auf die Baustelle wird es empfohlen, Cortenstahl-Elemente zu patinieren, wenn die Oberfläche eine gleichmäßige Farbe ohne Rostflecke erhält.

Ist der gewünschte Farbton erreicht, kann die Verfärbung von Cortenstahl durch chemische Oberflächenbehandlung oder Lackierung gestoppt werden. In diesem Fall ist zu berücksichtigen, dass die Oberfläche nach dem Auftragen des Lacks ihr spezifisches Aussehen und ihre Glanzlosigkeit verlieren kann.

Hinterlüftete Corten-Fassaden können auch vor dem Patinierungsprozess installiert werden. Kurze Bauzeiten machen dies oft zur einzigen Option, da die Materialauswahl so spät im Projekt erfolgt, dass keine Zeit für das Vorpatinieren bleibt.

Bei der Verwendung von nicht patinierten Corten-Fassaden muss man sich auf die anfängliche Fleckenbildung der Oberfläche und das rostige Erscheinungsbild des Gebäudes einstellen.

Einfamilienhaus, Slowakei

Merkmale der Anwendung von Cortenstahl

Corten ist ein aktives Material an sich. Es ist zu beachten, dass es durch den Patinierungsprozess dünner wird, daher sollte die Verwendung von Material mit einer Dicke von weniger als 0,5 mm vermieden werden. Gleichzeitig ist eine hohe Maßgenauigkeit äußerst wichtig, um eine hohe Qualität bei der Herstellung von Profilen zu gewährleisten.

Zwingende Voraussetzung für den Patinierungsprozess ist das zyklische Benetzen und Trocknen der Oberfläche. Wenn die Oberfläche längere Zeit nass bleibt, rostet sie. Die anfälligsten Teile sind die horizontalen Oberflächen von Strukturen sowie Oberflächen, die zu nahe beieinander liegen. Zu Beginn des Patinierungsprozesses kann herabfließendes Wasser sich an der Struktur auf horizontalen Flächen ansammeln. In diesem Fall hält der im Wasser enthaltene Rost die Oberfläche feucht und der Korrosionsprozess stoppt nicht. Wenn die beiden Oberflächen zu dicht beieinander liegen, bleibt Feuchtigkeit zwischen den Materialien, was zu Spaltkorrosion führen kann.

Daher ist bei der Gestaltung von Fassaden aus Cortenstahl auf einen kontrollierten Wasserabfluss sowie eine ausreichende Belüftung der Konstruktionen zu achten. Auf keinen Fall darf Wasser auf der Oberfläche stehen bleiben. Der Lüftungsspalt muss breit genug sein, mindestens 30 mm. Alle Anschlüsse an den Sockel, Unebenheiten sowie angrenzende Aufbauten (Balkone, Vordächer usw.) sind so auszuführen, dass der Lüftungsspalt offen bleibt. Geneigte lange Bleche an der Verbindungsstelle sollten verhindern, dass Wasser, das an der Fassadenstruktur herunterfließt, auf die Oberflächen anderer Materialien fällt. Traufen und Dächer sollten möglichst zentral entwässert werden, am besten mit einem verdeckt liegenden Entwässerungssystem, um Verunreinigungen durch fließendes Wasser zu vermeiden.

Bei der Patinierung sollte der Einbau großflächiger Überhänge vermieden werden, da im Schatten nach der Fassadenmontage die Patinabildung langsamer erfolgt.

Elektrochemische Inkompatibilitäten sowie Fließwassereigenschaften sind Faktoren, die die Materialauswahl in Verbindung mit Cortenstahl einschränken. In diesem Fall empfiehlt sich die Verwendung von Edelstahl als Befestigungsmaterial. Bei der Kombination unterschiedlicher Materialien ist immer auf eine sorgfältige Isolierung der Stoßstellen zu achten. Die sicherste Wahl für angrenzende Materialien sind Materialien mit einer glatten und harten Oberfläche sowie elektrochemisch kompatible Materialien und Materialien, die sich nicht mit der Farbe von Wasser verfärben, das über Cortenstahlkonstruktionen fließt.

Vorpatinierter Corten

Bei Verwendung einer Fassade aus Cortenstahl mit Außenverglasung oder unter Bedingungen, bei denen keine zyklische Befeuchtung-Trocknung möglich ist, wird es empfohlen, eine Vorpatinierung zu verwenden.

Die Vorpatinierung ermöglicht ein Material mit einem ästhetisch vollendeten Aussehen und vermeidet die meisten Probleme, die mit dem Abfließen von Wasser von der Corten-Struktur zu angrenzenden Materialien verbunden sind.

Wenn es nicht möglich ist, eine Vorpatinierung  zu organisieren, muss Korten-Stahl gründlich von Zunder, Öl und anderen Verunreinigungen gereinigt werden, und nach der Installation sollte Korten gewaschen werden, damit der Patinierungsprozess gleichmäßig beginnt.

Bürogebäude Baltic Square, Finnland

Umweltaspekte

Der ökologische Wert von Cortenstahl wird in Zukunft weiter betont, da die Umweltklassifizierungskriterien strenger werden. Einige Beschichtungsmaterialien können als Baumaterialien vollständig verboten sein und Probleme verursachen, wenn die Oberflächenbehandlung aufgefrischt oder gewartet werden muss. Dieses Risiko gilt für Corten nicht. Da es keine Beschichtung erforderlich ist, kann Corten eingeschmolzen und wiederverwendet werden.

Cortenstahltechnik

Allgemeine Anforderungen

Die besonderen Eigenschaften von Cortenstahl können in Bauwerken genutzt werden, die eine lange Lebensdauer haben und nahezu wartungsfrei sind. Bei der Planung müssen jedoch die besonderen Anforderungen dieses Stahls berücksichtigt werden. Auf die Gestaltung von Fugen und Knoten sollte geachtet werden, um den Prozess der Patinierung von Cortenstahl zu erleichtern und das Auftreten von elektrochemischer Korrosion und Spaltkorrosion zu vermeiden. Es ist auch wichtig, die richtige Corten-Stahlsorte auszuwählen, die für die jeweilige Anwendung am besten geeignet ist, da es erhebliche Unterschiede zwischen den Eigenschaften verschiedener Sorten gibt.

Planungsbesonderheiten

Horizontale Flächen sollten bei der Konstruktion und Montage vermieden werden, da sich abblätternde Oxidationsprodukte, insbesondere auf der Blechrückseite, leicht in den Falzen ansammeln, wo sie Feuchtigkeit zurückhalten, was zu unkontrollierter Korrosion führen kann. Lässt sich das Auftreten von horizontalen Flächen nicht vermeiden, muss für eine effektive Wasserableitung gesorgt werden, z. B. durch Entwässerungslöcher. Außerdem müssen Verbindungsstellen so gestaltet sein, dass sie keine Oberflächen bilden, die Wasser ansammeln können.

Das Hauptmerkmal der Verbindung von Elementen ist die sorgfältige Vermeidung von Spalt- und elektrochemischer Korrosion. Ein Abstand von mindestens 1 mm zwischen den zu verbindenden Platten verhindert Spaltkorrosion durch kapillares Wassersaugen. Bei einem kleineren Spalt können Kapillarkräfte Wasser in den Spalt ziehen und Korrosion verursachen. Der einfachste Weg, die Bildung elektrochemischer Kopplungen zu verhindern, besteht darin, Abstandsplatten zwischen den Teilen der verbundenen Elemente zu verwenden.

Bei der Verwendung von Cortenstahlkonstruktionen unter Fassadenverkleidungen muss für eine ausreichende Belüftung des Patinierungsprozesses, der auf einer zyklischen Benetzung und Trocknung des Stahls basiert, gesorgt werden. Der hinterlüftete Spalt muss über die gesamte Länge der Fassade angeordnet sein und eine Breite von mindestens 30 mm haben.

Schlagfestigkeit

Die Art der Stahlzerstörung ist ein wichtiger Faktor bei tragenden Konstruktionen, insbesondere im Außenbereich. Eine ausreichende Schlagfestigkeit des Materials sorgt für einen duktilen Bruch anstelle von Sprödigkeit.

Die Verwendung von Phosphor als Legierungselement erhöht die Witterungsbeständigkeit von Stahl, jedoch kann keine hohe Zähigkeit erreicht werden, wenn der Phosphorgehalt 0,025% oder der Schwefelgehalt 0,020% übersteigt.

Der Phosphorgehalt in allen Cortenstahlsorten, mit Ausnahme von Cor-Ten B-D, beträgt 0,07-0,15%. Aus diesem Grund erfüllt COR-TEN B-D die Mindestanforderungen an Schlagzähigkeit nach EN 10025.

Der Projektant bestimmt die Schlagzähigkeit (Qualitätsklasse) des Stahls gemäß Eurocode ENV 1993-1-1:1992, Anhang C. Die Stahlsorte D (J2) wird üblicherweise in tragenden Konstruktionen für Außenanwendungen verwendet. Zu den Faktoren, die zum Sprödbruch beitragen, gehören niedrige Temperaturen und Stoßbelastung.

Schweißen

Die Schlagzähigkeit von Schweißverbindungen in Außentragwerken muss nachgewiesen werden.

Die Streckgrenze von Corten-Stählen übersteigt 350 N/mm² nicht, daher sind keine besonderen Maßnahmen erforderlich, um die Schweißbarkeit zu gewährleisten. Übersteigt die zu schweißende Blechdicke jedoch 25 mm, ist eine Überprüfung erforderlich.

Die Schweißbarkeit von Cortenstählen ist der Schweißbarkeit von Baustählen gleicher Festigkeitsklasse praktisch ähnlich. Cortenstähle (sowohl Corten zu Corten als auch Corten zu anderen Baustählen) können mit allen gängigen Verfahren geschweißt werden: Metall-Lichtbogenschweißen mit umhüllter Elektrode oder Pulverelektrode, Unterpulverschweißen, MIG/MAG-Schweißen und Widerstandsschweißen.

Empfohlener Schweißdraht und Elektroden (ESAB)

* enthält kein Kupfer

Vor dem Schweißen muss ein 10-20 mm breiter Oxidfilm von der Blechoberfläche entfernt werden. Beim Durchlauf- und Punktschweißen muss die Naht mit Lackkitt gefüllt werden.

Korrosionsbeständigkeit wird durch die Verwendung einer witterungsbeständigen Schweißmetallbasis bereitgestellt, deren Zusammensetzung ähnlich der des Basismetalls ist, wie z. B. Drähte und Elektroden, die eine Kupfer-Nickel-Legierung enthalten. Die Streckgrenze des Schweißgutes sollte normalerweise 5% über der des Grundwerkstoffes liegen. Bei Kehlnähten mit Schenkelnähten bis 4 mm sowie Stumpfnähten unter 4 mm Breite wird das Schweißgut in der Regel ausreichend mit dem Grundwerkstoff legiert und Legierungszusätze sind nicht erforderlich. Mehrlagige Schweißnähte können teilweise mit Schweißzusätzen aus Kohlenstoffstahl hergestellt und mit Elektroden aus niedrig legiertem Stahl mit witterungsbeständigen Eigenschaften ergänzt werden.

Witterungsbeständige Stähle enthalten Legierungselemente wie Chrom, Kupfer und Nickel, die die Festigkeit des Stahls erhöhen. Aus diesem Grund müssen dickere Bleche etwas mehr vorgewärmt werden als herkömmliche Baustähle. Die Betriebstemperatur und die Vorwärmanforderung werden basierend auf der Gesamtdicke des Blechs eingestellt, die als Gesamtdicke des Verbundblechs definiert ist. Schweißverbindungen müssen nach EN 3834 und unter der Einhaltung von in den Zeichnungen vorgegebenen Anforderungen geprüft werden.

Vorwärmbedarf/Betriebstemperatur für Cor-Ten B und B-D

Formbarkeit

Cortenstahl lässt sich ähnlich schneiden und biegen wie herkömmliche Baustähle. Wetterfester Stahl mit besserer Biegefähigkeit – Cor-Ten AF. Der Biegeradius offener Profile beträgt je nach Dicke (2-3) x Blechdicke. Die Mindestbreite des zu biegenden Werkstücks beträgt 50 mm. Der Biegeradius von Rohrprofilen beträgt 2,5 x Wandstärke. Es ist jedoch zu beachten, dass es bei einem kleinen Verhältnis von Durchmesser zu Wandstärke (D/t < 10) zu Schwierigkeiten bei der Herstellung von Rohren kommen kann.

Kleinster zulässiger innerer Biegeradius von Corten-Stählen in Abhängigkeit von der Blechdicke, mm

Fußgängerbrücke, USA

Festigkeitseigenschaften

Mechanische Eigenschaften von Cortenstählen

Die untere Streckgrenze von Corten-Stählen liegt bei Rel = 345 N/mm², die Endfestigkeit bei Rm = 485 N/mm². In diesem Fall kann Korrosion Bleche mit geringer Dicke erheblich beeinträchtigen. In einer industriellen Umgebung reduziert Korrosion die Dicke von Cor-Ten B in zehn Jahren um etwa 0,16 mm und von Cor-Ten A um 0,12 mm. Dadurch wird die Festigkeit dünner Bleche deutlich reduziert, insbesondere wenn beide Blechseiten korrosionsanfällig sind.

Aus diesem Grund wird es empfohlen, den Korrosionszuschlag der Nenndicke des Materials zu berücksichtigen. Die gute Witterungsbeständigkeit von Cor-Ten Stahl wird durch das Material selbst bei wechselnder Benetzung und Trocknung erreicht. Wenn dies nicht möglich ist, muss die Struktur einer Korrosionsschutzbehandlung unterzogen werden, z. B. Lackierung.

Berechenbare Korrosionstoleranz von Cortenstahl für den Außeneinsatz

Werkstoffzeugnisse für wetterfeste Stähle werden gemäß den Anforderungen der EN 10204 ausgestellt.

Wärmebehandlung

Cor-Ten Stahl erfordert im Allgemeinen keine zusätzliche Wärmebehandlung nach dem Schweißen. Bei der Herstellung von besonders kritischen Tragwerken aus dicken Blechen wird bei Einleitung der Wärmebehandlung durch den Kunden empfohlen:

• Spannungsarmglühen bei einer Temperatur von +550…+600 °C (Sollwert +580 °C) mit einer Haltezeit von 2 Minuten pro 1 mm Dicke, jedoch nicht weniger als 30 Minuten, und langsamer Abkühlung im Ofen.
• Normalisierung bei einer Temperatur von +860…+940°C (Sollwert +910°C) mit einer Haltezeit von 1 Minute pro 1 mm Dicke, jedoch nicht weniger als 15 Minuten, und Abkühlung an der Luft.
   

Befestigungsmaterial für Corten

Säurebeständiger Stahl ist in der Regel das zuverlässigste Material zur Befestigung von Cortenstahl. Edelstahl AISI 304 kann auch für selbstschneidende Schrauben verwendet werden, sofern eine Gummidichtung verwendet wird. Sie können Verbindungselemente mit einer reibungs- und korrosionsmindernden Beschichtung wie Ruspert verwenden. Auch für Schraubverbindungen wurde Cor-Ten X Stahl entwickelt.

Bei Schraubverbindungen sollten Lücken zwischen der Schraube und dem zu verbindenden Element vermieden werden. Die Dichtheit der Fuge kann durch die Verwendung eines geeigneten Dichtmittels sichergestellt werden. Als solches Material wird Neopren mit einer Härte von mindestens 65 Shore A und einer Zugfestigkeit von mindestens 6 N/mm² empfohlen. Neopren ist sehr beständig gegen Ozon, UV, Chemikalien und Abrieb. Neoprenplatten sind in der Regel in Dicken von 0,5 – 30 mm sowie als Zuschnitt und selbstklebend erhältlich. Wenn Gasdichtheit erforderlich ist, sollte Butylkautschuk als Dichtungsmittel verwendet werden. An Verbindungsstellen mit Axialspiel sollte Teflonband (Polytetrafluorid, PTFE) verwendet werden.

Für kleine Befestigungselemente, wie z. B. selbstschneidende Schrauben, werden EPDM-Gummidichtungen zwischen dem Kopf und der Unterlegscheibe verwendet. Hülsen können als Abstandshalter verwendet werden, um den Raum zwischen dem Blech und dem Befestigungselement auszufüllen. Diese Buchsen drücken auf beiden Seiten des vorgebohrten Lochs zusammen und verhindern auch, dass sich das Befestigungselement dreht.

Auch bei anderen Werkstoffen sollten Abstandshalter verwendet werden, da alle Metalle gleichermaßen für Spaltkorrosion anfällig sind. Darüber hinaus besteht beim Verbinden verschiedener Metalle die Möglichkeit einer elektrochemischen Korrosion. In diesem Fall sollte die empfohlene Dicke der Dichtung mindestens 1,0 mm betragen.

Arten von Materialien, die zwischen Corten-Stählen verwendet werden können

Befestigung von Rahmenkonstruktionen aus Cortenstahl

Feuerfester Corten

Im Brandfall verhält sich Cortenstahl wie normaler Baustahl. Corten-Brandschutz ist normalerweise nicht erforderlich, da wetterfester Stahl hauptsächlich im Außenbereich verwendet wird.

Bei der Verwendung von Corten in tragenden Säulen gilt die Verwendung einer Verbundkonstruktion aus mit Stahlbeton gefüllten Stahlrohren als am besten geeignete Brandschutzmethode. Die Abmessungen des Bauwerks sind so anzupassen, dass auf jeglichen Brandschutz verzichtet werden kann. Stützen und Unterzüge können ohne Brandschutz verwendet werden, wenn sie in ausreichendem Abstand von Fenstern angeordnet oder anderweitig vor Hitze geschützt sind. In diesen Fällen ist jedoch häufig eine gesonderte Prüfung erforderlich.

Färben von Corten

Eine Cortenstahl-Lackierung empfiehlt sich, wenn die baulichen Gegebenheiten die Ausbildung einer natürlichen Patina-Schicht in keiner Weise verhindern oder die Konstruktion längere Zeit nass bleibt. Die Lebensdauer von lackierten Cortenstählen ist etwa doppelt so hoch wie bei herkömmlichen Kohlenstoffstählen.

Konstruktive Lösungen

Dieser Abschnitt zeigt ein Beispiel für den Einsatz von Corten-Stahlblech in der Fassadenkonstruktion des Bürogebäudes Baltic Square in Finnland. Das Hauptkonstruktionsprinzip besteht darin, einen freien Prozess des aufeinanderfolgenden Befeuchtens und Trocknens bereitzustellen.

Bleibt die Oberfläche längere Zeit nass, schreitet der Korrosionsprozess voran und das Material kann schließlich durchrosten. Das in die Fuge zwischen den Fügeflächen eindringendes Wasser kann zu Spaltkorrosion führen.

Die Trocknung von Corten-Oberflächen und die Minimierung von Fleckenbildung durch Rostwasserablauf von der Außenverkleidung wurden durch die Anwendung der folgenden Konstruktionsprinzipien sichergestellt:

• Alle horizontalen Flächen sind geneigt, um die Ansammlung von Wasser auf ihnen auszuschließen.
• Alle Elemente aus Cortenstahl sind durch Neopren oder ähnliche Isoliermaterialien voneinander und von anderen Metallteilen getrennt. Dadurch wird ein Luftstrom von jeder Seite gewährleistet.
• Alle Befestigungselemente sind aus säurebeständigem Stahl. Isolierhülsen werden zwischen Verbindungselementen und Produkten aus Cortenstahl verwendet.
• Minimierung der Verwendung von Cortenstahl in unmittelbarer Nähe von Wanderwegen aufgrund der Möglichkeit, dass rostiges Wasser von den Stahloberflächen abläuft. Geordnete und organisierte Entfernung von Rostwasser von den Oberflächen.
• Technische Unterstützung auf der Baustelle für die Umsetzung der geplanten Designlösungen.

Die Abbildungen 1-3 zeigen die Lösungen, die bei der Kassetten-Außenwandverkleidung verwendet werden, um sicherzustellen, dass Metalloberflächen trocknen.  Abbildung 4 zeigt Lösungen für den Einsatz eines Designprofils an einer hinterlüfteten Fassade. Die Verglasung der Doppelfassade des Bürogebäudes Baltic Square erfolgte erst nach Erreichen der partiellen Patinierung des Cortenstahls. Abbildung 5 zeigt falsche Lösungen, die ein Austrocknen des Stahls verhindern, was zu Korrosion durch das dünne Stahlblech führen kann.

Abb. 1 Horizontaler Stoß von Corten-Fassadenkassetten, Vertikalschnitt (links). Vertikale Fuge von Corten-Fassadenkassetten, Horizontalschnitt (rechts).

Abb. 2 Unterkante des Fassadenaufbaus mit Cortenkassette, Anschluss an Sockel und Entwässerung (links). Angrenzen der Fassadenkonstruktion mit der Corten-Kassette an das Fenster, Vertikalschnitt entlang der Fensterunterseite (rechts).

Abb. 4 Fassadenverkleidung mit Design-Cortenstahlprofil, nicht bewittert (z. B. hinter einer Doppelfassade), Vertikalschnitt am Fensteranschluss (links) und Vertikalschnitt entlang der Wand (rechts)

Abb. 5 Falsche Unterkonstruktion und horizontaler Stoß von Cortenstahlkassetten.

1. Kassette aus 1,5 mm Cor-Ten A-Stahl. Kurven eliminieren das Erscheinungsbild horizontaler Flächen.

2. Unterkonstruktion aus 1,0 mm Cor-Ten A-Stahl. Die tragende Unterkonstruktion der offenen Fuge bildet die Dachrinne. Die Anschlüsse der Dachrinnen werden beispielsweise mit einer Butylmasse abgedichtet, und das Wasser kann am Boden der Wandkonstruktion frei abgeführt werden.

3А. Befestigungsschraube AISI 316 (z. B. Spedec Sx 3/10 – S16 – 5,5×28) + Chloropren-Gummischeibe.

3B. Befestigungsschraube AISI 316 (z. B. Spedec Sx 3/15 – S16 – 5,5×38) + Chloropren-Gummischeibe.

4. Buchse unter der Schraube (z. B. Teknikum 738 720, schwarz). Im Falle seiner Abwesenheit stoppt die freie Belüftung.

5. Gegebenenfalls wird zwischen Führung und tragender Unterkonstruktion Butylband als Abstandslage verwendet.

6. Unterkonstruktion (z. B. windfeste Gipskartonplatten).

7. Äußeres Abdeckblech aus 1,0 mm Cortenstahl.

8. An den Fugen unter der äußeren Fensterbank werden Trägerelemente aus mit Hiarc beschichtetem Stahlblech und Butylband (RR 32, dunkelbraun) montiert.

9. Die dunkle Farbe des Sockels verbirgt Flecken vor dem Abfluss von rostigem Wasser. Die Entwässerung muss regelmäßig erfolgen.

10. Brüstungsstreifen aus Cortenstahl 1,0 mm stark, Mindestgefälle 1:20. Die Befestigung erfolgt an feuchtigkeitsbeständigem Sperrholz mit selbstschneidenden Schrauben in einer vertikalen Ebene. Gesimsstreifen sind mit Butylband isoliert.

11. Tropfer aus Hiarc-beschichtetem Stahl.

12. Lüftungsgitter aus Cortenstahl.

13. Designprofil aus 1,0 mm Cor-Ten A-Stahl. Designprofile werden mit Isolierung überlappt.

14. Unterkonstruktion aus 1,0 mm Cor-Ten A-Stahl.

15. Befestigungsschraube AISI 316 (z. B. Spedec Sx 3/10 – S16 – 5,5×28) + Chloropren-Gummischeibe.

16. Gegebenenfalls wird zwischen Unterkonstruktion und tragender Wand Butyl-Distanzband verwendet.

17. Unterkonstruktion (z. B. windfeste Gipskartonplatten).

18. Chloroprenkautschukband zwischen Designprofil und Unterkonstruktion.