Gegen den Rost

Die Anforderungen an Untergestelle für Freiflächenanlagen sind vielfältig im Hinblick auf die statische Bemessung, die konstruktive Gestaltung, die Montage und Dauerhaftigkeit. Vor dem Hintergrund des hohen Kostendrucks werden die in den letzten Jahren etablierten Standards einer kritischen Überprüfung hinsichtlich Kosten und Nutzen unterzogen. Im Hinblick auf die Dauerhaftigkeit sollten bei der Planung frühzeitig die verschiedenen Einflüsse, die im Laufe des Anlagenlebens eine Rolle spielen, berücksichtigt werden, um auf Basis einer ganzheitlichen Betrachtung eine in Summe qualitativ hochwertige, dauerhafte sowie kostenseitig wettbewerbsfähige Anlage zu konzipieren.

Basierend auf der Verwendung des im Vergleich zu Aluminium und Edelstahl deutlich kostengünstigeren Grundwerkstoffs Stahl bietet die Stückverzinkungsschicht einen langwirkenden, sicheren und wartungsfreien Schutz gegenüber Korrosion und mechanischen Belastungen. Die Applikation von Zink auf Stahl als Schutzschicht vor einer Rostbildung erfolgt schon seit dem 19. Jahrhundert. Mittlerweile werden in Deutschland jährlich circa zwei Millionen Tonnen Stahl stückverzinkt, vornehmlich aus den Bereichen des Metall- und Stahlbaus, der Verkehrs- und Infrastruktureinrichtungen und des Nutzfahrzeugbaus.

Passiver und aktiver Schutz

Die breite Anwendung basiert vor allem auf der einmaligen Kombination aus einer Barrierewirkung der Deckschicht und der kathodischen Schutzwirkung von Zink. Erstere führt dazu, dass die sehr robuste Zinkschicht die angreifenden Medien, beispielsweise salzhaltige Luft, davon abhält, mit dem Stahl direkt in Kontakt zu kommen und diesen anzugreifen (passiver Korrosionsschutz). Der Kathodenschutz bedeutet, dass bei einer Oberflächenverletzung des Stahls nicht dieser korrodiert, sondern dass das unedlere Metall Zink stattdessen angegriffen wird. Das Zink opfert sich somit auf und schützt den Stahl (aktiver Korrosionsschutz).

Prozessseitig werden beim Stückverzinkungsverfahren Stahlteile in einem Tauchverfahren mit Zink überzogen. Hierbei werden zunächst die vollständig gefertigten Bauteile oder Halbzeuge einer Oberflächenvorbehandlung (Reinigung) unterzogen und anschließend in eine circa 450 Grad Celsius heiße Zinkschmelze eingetaucht. In der Zinkschmelze wird das Bauteil vollständig mit Zink umschlossen, die Schmelze reagiert mit dem Stahl und bildet eine unlösbare metallurgische Verbindung zwischen Zink und Stahl. Nach dem Herausziehen aus der Schmelze bleibt ein vollständiger Überzug auf dem Bauteil.

Planbare Lebensdauer

Die Beständigkeit von Zinkschichten ist vor allem im Hinblick auf die atmosphärische Korrosion von Interesse. Da die Belastungen der Luft regional sehr unterschiedlich sein können, wurde eine Klassifizierung der Umweltbedingungen in Korrosivitätskategorien vorgenommen, basierend auf der Luftbelastung mit Chloriden und Sulfiden. Die aus den verschiedenen Belastungen resultierenden Abtragsraten sind für Zink aus langjährigen, jedoch mittlerweile veralteten Untersuchungen in der Norm DIN EN ISO 12944-2 festgelegt.

Das Vorgehen zur Abschätzung der Dauerhaftigkeit einer verzinkten Unterkonstruktion ist nun denkbar einfach: Aus der Division der Zinkschichtdicke durch die zu erwartende Abtragsrate resultiert die Lebenserwartung der Struktur. Für eine übliche Zinkschichtdicke von 85 Mikrometern ergibt sich somit zum Beispiel für eine C4-Belastung von 4,2 Mikrometern pro Jahr eine wartungsfreie Standdauer von über 20 Jahren.

Anwenderseitig resultiert aus dieser Art der normbasierten Dauerhaftigkeitsbestimmung ein hohes Maß an Planungssicherheit, da die Mindest-Zinkschichtdicke in der Verzinkungsnorm vorgegeben und kontrollierbar ist und mit den mittlerweile als Maximalwerte anzusehenden Abtragsraten eine konservative Abschätzung der wartungsfreien Standdauer ermöglicht.

Ein weiterer Grund für die hohe Dauerhaftigkeit einer Zinkschicht ist deren Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Belastungen. Der Hintergrund hierfür liegt in der Reaktion der Zinkschmelze mit dem Stahlgrundwerkstoff und den damit einhergehenden Diffusionsprozessen, als deren Folge sich eine unlösbare Eisen-Zink-Legierungsschicht bildet. Die stahlnahe Phase beinhaltet einen relativ hohen Eisengehalt von circa sieben bis zwölf Prozent, was zur Folge hat, dass diese Phase mit einer Härte von circa 250 HV (Härteprüfung nach Vickers) diejenige des Grundmaterials Stahl teilweise übertrifft.

Dadurch ist stückverzinkter Stahl extrem widerstandsfähig gegenüber mechanischen Belastungen, die insbesondere beim Transport und bei der Montage, zum Beispiel beim Rammen in Böden, bei der Verschraubung oder Richtarbeiten, aber auch während der Nutzungsphase auftreten können. Es sind also keine besonderen Schutzmaßnahmen erforderlich beziehungsweise es fallen keine Reparatur- oder Instandhaltungsarbeiten an Beschädigungen an, die dann wieder entsprechende häufig zunächst nicht berücksichtigte Kosten verursachen würden. Durch die Robustheit der Zinkschicht gegenüber korrosivem und mechanischem Angriff stellt stückverzinkter Stahl somit eine interessante Alternative zu Aluminium dar. Denn auch wenn Aluminium durch die Ausbildung einer stabilen und widerstandsfähigen Passivschicht seinem Nicht-Eisen-Metallkollegen Zink korrosionsschutzseitig überlegen ist, sollte bei der Werkstoffauswahl beachtet werden, dass auch Aluminium korrosiv angegriffen wird und geschädigt werden kann.

Diesem Umstand wird dadurch Rechnung getragen, dass die verschiedenen Aluminium-Legierungen in Beständigkeitsklassen eingeteilt werden und je nach Einstufung verschiedene Maßnahmen zum Korrosionsschutz des Aluminiums erforderlich sind. In der Norm EN 1999-1-1 D.3.2 wird ausgeführt, dass die Notwendigkeit eines Korrosionsschutzes zwischen Planer, Hersteller und gegebenenfalls einem Korrosionsfachmann abgestimmt werden sollte unter Berücksichtigung der vorgesehenen Lebensdauer des Tragwerkes und der Möglichkeit von Inspektionen und Instandhaltungsmaßnahmen. Als zusätzlicher Schutz werden Aluminiumprofile deshalb in der Regel eloxiert. Im Hinblick auf Korrosionsprobleme, die im Kontakt zwischen verschiedenen Materialien auftreten können, zeigt sich, dass bei Zink in Kombination mit Aluminium oder Edelstahl keine oder nur geringe Kon-taktkorrosion auftritt, die in der Regel zugelassen werden kann. Insbesondere in Bereichen mit einer hohen Wahrscheinlichkeit eines dauerhaften Elektrolytvorliegens, insbesondere im direkten Küstenbereich, ist jedoch eine Isolierung zwischen Zinkschicht und Aluminium oder Edelstahl zu empfehlen.

Definierte Schwachstellen

Durch das Eintauchen der gesamten Konstruktion nach deren Fertigung in die Zinkschmelze wird diese auch vollständig mit Zink überzogen. Insbesondere die Kanten, die unter korrosiver Belastung stets einen exponierten und damit besonders stark angegriffenen Bereich darstellen, sind durch das umfassende Aufwachsen der dendritischen Zink-Eisen-Phasen sehr gut geschützt. Demgegenüber steht die Fertigung von Unterkonstruktionen unter Verwendung von vorverzinktem Material. Fertigungsbedingt liegen hierbei unverzinkte Stellen an den Trennschnitten des Materials sowie an Bohrungen und Stanzungen vor. Trotz des vorliegenden kathodischen Schutzes des Zinks handelt es sich hier um definierte Schwachstellen, die einen geringeren Korrosionsschutz aufweisen.

Stückverzinkter Stahl hat sich in der Vergangenheit als sehr gute Lösung bewährt und ist auch im Bereich der Solartechnik für Unterkonstruktionen von Freiflächenanlagen bestens geeignet. Die Stückverzinkung zeichnet sich insbesondere durch ihren sehr guten Schutz vor Korrosion und mechanischer Beschädigung aus, wodurch der Werterhalt der verzinkten Konstruktionen über Jahrzehnte gewährleistet wird. Zudem sind stückverzinkte Systeme über den Lebenszyklus sehr kostengünstig und nachhaltig.

Regelungen für die Stückverzinkung

• DIN EN ISO 1461: Durch Feuerverzinken auf Stahl aufgebrachte Zinküberzüge (Stückverzinken) – Anforderungen und Prüfungen, Oktober 2009;
• DASt-Richtlinie 022: Feuerverzinken von tragenden Stahlbauteilen, Deutscher Ausschuss für Stahlbau, Stahlbau Verlags- und Service GmbH, Düsseldorf, August 2009;
• DIN EN ISO 14713: Zinküberzüge – Leitfäden und Empfehlungen zum Schutz von Eisen- und Stahlkonstruktionen vor Korrosion, Mai 2010

Dr.-Ing. Thomas Pinger

ist verantwortlich für den Bereich Nachhaltigkeit und Innovationsmanagement bei Voigt & Schweitzer, einem Dienstleister auf dem Gebiet des Feuerverzinkens.

Was gefragt werden sollte

• Wo steht die Anlage? Welchen atmosphärischen Belastungen ist die Anlage ausgesetzt?
• Welchen sonstigen Belastungen unterliegen die Komponenten während des Transports und der Montage? Können hierbei Beschädigungen auftreten?
• Welche Betriebsdauer ist geplant? Ist eine Verlängerungsoption angedacht?
• Welche Wartungsarbeiten können beziehungsweise sollen geleistet werden? Welche Kosten sind hierfür einzuplanen?
• Welche Kosten können entstehen, wenn eine Unterkonstruktion nicht mehr tragfähig ist und ausgetauscht werden muss?

Stückverzinkter Stahl kann eine sehr gute technische Lösung und wirtschaftlich interessante Alternative sein.