Wärmeleitfähigkeit von Stahl

Was ist die Wärmeleitfähigkeit?

Die Wärmeleitfähigkeit λ ist ein Maß dafür, wie gut ein Material Wärme (also thermische Energie) mittels Wärmeleitung transportiert. Je niedriger der Wert der Wärmeleitfähigkeit ist, desto besser ist die Wärmedämmung. Die Wärmeleitfähigkeit hat im SI-System die Einheit Watt pro Meter und Kelvin (W/m⋅K). Tendenziell haben Materialien mit hoher elektrischer Leitfähigkeit auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit und umgekehrt. Ausnahmen bestätigen wie immer die Regel: Diamant hat z.B. ein sehr große Wärmeleitfähigkeit von λ=2000 W/m⋅K (im Vergleich: Baustahl hat eine Wärmeleitfähigkeit von "nur" 50 W/m⋅K und ist trotzdem ein hervorragender elektrischer Isolator.

Wofür ist die Wärmeleitfähigkeit im Bauwesen wichtig?

Im Bauwesen ist die Wärmeleitfähigkeit im Bereich "normaler" Umgebungstemperaturen insbesondere für die Wärmedämmung von Gebäuden wichtig, bei der natürlich vorzugsweise schlecht leitende, also isolierende Materialien für die Gebäudehülle gewählt werden. So bestehen bei Industriehallen, in denen gearbeitet wird und die demzufolge nicht zu kühl sein dürfen, die Dach- und Wandkonstruktion oft aus Sandwichprofilen. Diese bestehen aus einem isolierenden Kern (z.B. aus Polyurethanschaum oder Mineralwolle) und zwei metallischen Deckschichten.

Auch im konstruktiven Brandschutz ist die Wärmeleitfähigkeit von großer Bedeutung, wobei hier z.B. mit einer Heißbemessung üblicherweise der Temperaturbereich von 20°C bis 1200°C untersucht werden muss. Hintergrund ist, dass der ausreichende Brandschutz (der sog. Feuerwiderstandsdauer) auf einer bestimmten Brandraumkurve basiert, der sog. Einheits-Temperaturzeitkurve (ETK).

Anforderungen an die Betondeckung im Brandfall.
Temperaturfeld nach einer 60-minütigen, allseitigen Brandbeanspruchung eines Stahl- und eines Holzquerschnittes mit der Einheits-Temperaturzeitkurve.

Warum ist die hohe Wärmeleitfähigkeit von Stahl im Brandfall ein Nachteil?

Sowohl im Brandfall als auch bei der Wärmedämmung von Gebäuden zum Einsparen von Energie schneidet Stahl ohne weitere Maßnahmen schlecht ab. Dies liegt an seiner hohen thermischen Wärmeleitfähigkeit von ca. λ=50 W/m⋅K. Zum Vergleich: die Wärmeleitfähigkeit von Holz beträgt ca. λ=0,13 W/m⋅K. Dies hat zur Folge, dass stählerne Konstruktionen bei normalen Temperaturen Wärmebrücken darstellen. Und im Brandfall durchwärmt Stahl sehr schnell und verliert somit an Festigkeit und Elastizität. In der Abbildung ist eine thermische Analyse von Stahl und Holz im Brandfall zu sehen. Die beiden Querschnitte wurden für 60 Minuten allseitig mit der Einheits-Temperaturzeitkurve (ETK) beflammt. Es ist deutlich zu erkennen, dass der Stahlquerschnitt nahezu einheitliche Temperaturen im sehr hohen Bereich aufweist, während der Holzquerschnitt noch von vielen kühlen Bereich profitiert.

Nicht unerwähnt bleiben soll, dass Edelstähle ein deutlich günstigeres Materialverhalten im Brandfall aufweisen, da z.B. die Wärmeleitfähigkeit von Edelstahl deutlich geringer ist als die von Baustahl.

Wo wird die Wärmeleitfähigkeit von Stahl normativ geregelt?

Die thermischen und mechanischen Materialkennwerte von brandbeanspruchtem Baustahl finden sich in EN 1993-1-2. Eine Auswertung der entsprechenden Gleichungen von 20°C bis 1200°C finden Sie hier.

Diese Materialgesetze sind in speziellen Programmen für den Brandschutznachweis von Bauteilen (auch Heißbemessung genannt) hinterlegt. Die Programme greifen dabei in der thermischen Analyse auf die thermischen Materialkennwerte zurück, während sie für die mechanische Analyse die mechanischen Materialkennwerte verwenden.

Können ungeschützte Stahlkonstruktionen dennoch brandsicher ausgebildet werden?

Unter bestimmten Umständen ist es möglich auch ungeschützte Stahlkonstruktionen brandsicher zu bauen. Dazu bieten wir Ihnen eine kurzfristige Heißbemessung. Die Dokumentation enthält die wesentlichen Informationen zur Erwärmung des Querschnittes, der Feuerwiderstandsdauer des Bauteils sowie den Verformungen. Weitere Leistungen können natürlich in Abstimmung mit Ihnen erbracht werden.

Was sind Ihre Vorteile?

Die Heißbemessung erspart dem Bauherrn oft Kosten. Bei Neubauten können schlankere und somit wirtschaftlichere Konstruktionen ausgeführt werden. Beim Bauen im Bestand können umfangreiche Ertüchtigungsmaßnahmen durch einen genauen rechnerischen Nachweis oftmals vermieden werden.

Unsere Erstberatung für Ihr Vorhaben

Um Ihre konkrete Aufgabenstellung zu klären, rufen Sie uns am besten an. Oder Sie schicken uns eine E-Mail mit ein paar Eckdaten. Auf dieser Grundlage können wir die Rahmenbedingungen besprechen und Ihnen ein attraktives Angebot erstellen.