1. Konstrukcje metalowe - co trzeba wiedzieć?

1.1. Ogólnie o konstrukcjach stalowych

Ze względu na swoje liczne zalety konstrukcje stalowe od ponad wieku konkurują z innymi powszechnymi materiałami budowlanymi, zwłaszcza betonem. Jednak konstrukcje stalowe są nadal używane głównie do wznoszenia większych budynków użyteczności publicznej, zwłaszcza wielopiętrowych budynków i wieżowców lub hal sportowych i innych o dużych rozpiętościach dachowych. Ze względu na stosunkowo wysoką cenę stali i dużą wagę belek, inwestycja w konstrukcję stalową najbardziej opłaca się w przypadku budynków tej wielkości, natomiast w przypadku mniejszych, często nie ma sensu.

1.2. Konstrukcje stalowe czy metalowe?

Najpierw należy dokonać rozróżnienia między konstrukcjami stalowymi i metalowymi. Konstrukcje metalowe nazywane są również konstrukcjami aluminiowymi, żelaznymi i stalowymi. Jeśli mówi się, że budynek jest konstrukcją metalową, w rzeczywistości nic nie jest powiedziane, ponieważ konieczne jest określenie, jakiego rodzaju metalu użyto. Dziś konstrukcje żelazne to już przeszłość, ponieważ zostały zastąpione stalowymi, a aluminiowe, ze względu na bardzo wysoką cenę stosuje się tylko do niektórych części budynków, a bardzo rzadko na całą konstrukcję.

1.3. Stal

Oprócz różnicy między terminami konstrukcja metalowa i stalowa, ważne jest zrozumienie różnicy między żelazem a stalą. Stal to rafinowane żelazo. Jest to stop żelaza, do którego oprócz innych pierwiastków stopowych dodano węgiel jako najważniejszy pierwiastek. Choć jest go bardzo niewiele, zwykle poniżej 2%, ilość ta znacząco wpływa na właściwości stali.

1.4. Historia użytkowania stali

Stal zaczęła być powszechnie stosowana pod koniec XIX wieku, kiedy postęp technologiczny i znajomość obróbki metali umożliwiły znalezienie żelaza o lepszych właściwościach konstrukcyjnych – stali. Wcześniej konstrukcje stalowe nie istniały. W XIX wieku po raz pierwszy zastosowano stal w okresie secesji, gdzie stal i żelazo łączono w niezwykle ekspresyjny, dekoracyjny sposób. Dużym zainteresowaniem cieszyły się ornamenty roślinne i geometryczne, które służyły zarówno jako elementy podtrzymujące, jak i ozdobne. Jednak pod koniec XIX wieku w budownictwie nastąpiła kolejna wielka zmiana: odkrycie żelbetu, co w rzeczywistości było możliwe dzięki wynalezieniu stali. Francuski inżynier François Hennebique jako jeden z pierwszych zbadał możliwości łączenia betonu ze zbrojeniem stalowym i dał wytyczne dla konstrukcji żelbetowych. Zbrojenie stalowe, przenoszące naprężenia rozciągające i liniowe odkształcenia rozciągające w betonie, umożliwiło powstanie ogromnych rozpiętości płyt i belek betonowych, co doprowadziło do odkrycia swobodnego rzutu w architekturze okresu modernizmu na początku XX wieku.

1.5. Konstrukcje stalowe w budownictwie

Na placu budowy konstrukcje stalowe montuje się poprzez łączenie profili stalowych. Jest to więc konstrukcja szkieletowa złożona z wielu niezależnych elementów połączonych w całość. Wszystkie profile stalowe są prefabrykowane i  ciężarówkami przywożone z fabryki na plac budowy. Konstrukcje stalowe składają się z belek stalowych, słupów i dźwigarów.

1.6. Zalety konstrukcji stalowych

Konstrukcje stalowe mają wiele zalet. Największą zaletą dźwigarów stalowych jest wyjątkowy zasięg, jaki można dzięki nim osiągnąć. Rozpiętości jakie osiągają są absolutnie największe w porównaniu z innymi materiałami budowlanymi (żelbet, drewno). Kolejną zaletą oferowaną przez konstrukcje stalowe jest ilość różnych profili o różnych właściwościach, co pozwala na duży wybór pod daną konstrukcję i wymagania statyczne. Te dwie właściwości sprawiają, że stal jest jednym z najlepszych materiałów do budowy skomplikowanych konstrukcji dużych budynków. Trzecią zaletą stali jest to, że przy odpowiednim zabezpieczeniu konstrukcja jest praktycznie niezniszczalna i naprawdę niezwykle wytrzymała. Czwartą zaletą, nie bez znaczenia, jest proces budowy z profili stalowych, ponieważ są one prefabrykowane i dostarczane bezpośrednio z produkcji na plac budowy gotowe do montażu i instalacji. W przeciwieństwie do żelbetu, który jest wylewany na placu budowy, budowa przebiega bardzo szybko, a plac budowy pozostaje czysty. Dzięki procesowi montażu w maksymalnym stopniu kontrolowana jest również jakość profili stalowych. Na koniec należy również zauważyć, że wbrew powszechnemu przekonaniu stal jest materiałem przyjaznym dla środowiska, ponieważ można ją w całości poddać recyklingowi.

1.7. Wady konstrukcji stalowych

Najbardziej oczywistą wadą konstrukcji stalowych jest wysoki koszt profili stalowych. Dlatego ze stali budowane są tylko te obiekty, w których inne materiały nie mogą osiągnąć tego, co mogą właściwości fizyczne i mechaniczne stali. Jest to szczególnie widoczne na dużych obiektach. Kolejną istotną wadą stali jest jej waga, która sama w sobie nie stanowi problemu, jednak tak duża waga wywiera duży nacisk na inne materiały w całej konstrukcji. Trzecią słabością stali jest to, że pomimo ochrony przed ogniem powłokami powierzchniowymi i wbrew ogólnie przyjętemu nastawieniu, nie jest materiałem ognioodpornym, ponieważ topi się w wysokich temperaturach wytworzonych przez ogień. Możliwość złego składu stopu jest słabością, która występuje tylko wyjątkowo, ale nadal jest słabością i może prowadzić do zawalenia się budynku i poważnych problemów. Dlatego wszystkie konstrukcje stalowe są badane za pomocą ultradźwięków lub promieni rentgenowskich w celu wykrycia takich potencjalnych wad.

2. Właściwości stali

2.1.Ogólne właściwości fizyczne i mechaniczne

Stal to elastyczny materiał o module sprężystości 2,0-2,2 × 105 N/mm².Czyste żelazo ma wartość twardości zaledwie 60 HV, podczas gdy stal osiąga wartość do 800 HV w wyniku procesu obróbki (dodatku węgla), a nawet do 2000 HV w przypadku obróbki chemicznej. Stal ma wytrzymałość na rozciąganie 4000 N/mm², czyli 20 razy większą niż twardość żelaza.

2.2. Odporność stali na korozję 

Odporność stali na korozję można dostosować do różnych wymagań, podobnie jak można dostosować właściwości technologiczne. Chrom (11%) jest zwykle dodawany do stopów stali w celu uzyskania tego typu odporności.

2.3. Kształtowanie stali

Stal można formować poprzez obróbkę metalurgiczną, przez tzw. „procesy na gorąco”, tj. kucie, odlewanie, prasowanie lub walcowanie. „Procesy na zimno”, za pomocą których obrabia się stal, to ciągnienie, walcowanie, prasowanie lub cięcie, ale można to również wykonać za pomocą metalurgii proszku.

2.4. Stal hartowana

Stal hartowana to wersja wzmocniona, uformowana przez obróbkę cieplną. Proces odbywa się najpierw przez podgrzanie stali do punktu, w którym zaczyna się topić, a następnie bardzo szybkie schłodzenie. Proces ten tworzy bardzo twardą strukturę zwaną martenzytem. Ze względu na bardzo szybkie chłodzenie podczas procesu hartowania w materiale powstają znaczne naprężenia wewnętrzne, co zwiększa ryzyko pękania hartowanego przedmiotu. Aby temu zapobiec, obrabiany przedmiot szybko „gasi” się w oleju, wodzie lub powietrzu, co nadaje mu określone właściwości. Głównym celem hartowania stali jest dalsze poprawianie jej właściwości, w tym przypadku przede wszystkim twardości.

3. Profile stalowe

3.1. Profile stalowe to półprodukty

Wszystkie elementy stalowe są półproduktami. Oznacza to, że są one produkowane w fabryce, a następnie przywożone ciężarówką na plac budowy, gdzie montowana jest z nich dana konstrukcja. Półfabrykaty mają wiele zalet, takich jak wysoka jakość profili, ponieważ dzięki kontroli procesu produkcyjnego i szybkości procesu budowy wszystkie profile są znormalizowane i precyzyjnie zdefiniowane. Dla architekta może to być wadą, ponieważ musi dostosować swoje wyobrażenia o wyglądzie konstrukcji do dostępnego mu materiału, a nie odwrotnie.

3.2. Rodzaje profili stalowych

Istnieje szereg znormalizowanych profili stalowych o określonych właściwościach mechanicznych. Profile stalowe są podzielone i zróżnicowane ze względu na przekroje, którymi są profile I i IPE, smukłe i wysokie, a ich przekrój przypomina literę I. W tych profilach wysokość jest znacznie wyższa niż szerokość. Podobne do profili IPE są profile HEA, H i HEB, które mają mniejszą różnicę w proporcjach wysokości i szerokości. Jeśli profile IPE i I są wyraźnie prostokątne, profile HEA, H i HEB są bardziej kwadratowe. Profile IPE mają wysokość pomiędzy 8 a 60 cm, H i pozostałe profile pomiędzy 10 a 100 cm. Oprócz tego istnieją profile zwane skrzynkami i rurami oraz profile U i L, które można rozpoznać po typowym przekroju w kształcie litery U lub L. Zazwyczaj statyk i/lub inżynier budowlany specjalizujący się w stali, uczestniczą w wyborze rodzaju profili.

3.3. Euro kod 3

Wszystkie rodzaje standardowych profili stalowych, ich właściwości oraz wymagania dotyczące wymiarów i konstrukcji można znaleźć w normie „Euro kod 3 – norma projektowania konstrukcji stalowych”.

3.4. Charakterystyka profili stalowych

Profile stalowe mają bardzo dobre właściwości fizyczne i mechaniczne. Ze względu na właściwości jakie posiada żelazo, mogą łączyć bardzo odległe punkty, dlatego najczęściej spotyka się je przy budowie tych konstrukcji, które łączą przęsła hal, mostów, stadionów, wiaduktów, hal i podobnych obiektów. Jedną z głównych zalet profili jest ich łatwe łączenie z innymi materiałami, co zapewnia elastyczność konstrukcji. Przy tym są bardzo łatwe w utrzymaniu, wystarczy je chronić przed wpływami zewnętrznymi. W przeciwnym razie rozpocznie się proces korozji (rdzewienia) stali.

3.5. Łączenie profili stalowych

Profile stalowe są montowane w konstrukcję szkieletową poprzez spawanie lub skręcanie. Decyzja o jednym lub drugim trybie pracy jest uwarunkowana wymaganiami statycznymi i pożądanym wyglądem końcowym. Podczas skręcania wkręty są zawsze widoczne, chyba że są pokryte jakimś innym materiałem, a podczas spawania linia spoiny pozostaje widoczna, ale w końcu można ją wygładzić tak, aby praktycznie stała się niewidoczna. Profile stalowe można również łączyć poprzez lutowanie i nitowanie.

4. Dom o konstrukcji stalowej

Ze względu na wysoką cenę stali, domy stalowe jednorodzinne są stosunkowo rzadkie. Konstrukcje stalowe domu są szczególnie rzadkie w naszym regionie, gdzie dominują tradycyjne materiały budowlane, takie jak cegła i żelbet. Jednak domy o konstrukcji stalowej powstawały od okresu modernizmu, czyli pierwszej połowy XX wieku. Zaletą konstrukcji szkieletowej ze stali jest to, że pozwala na całkowicie otwarty plan piętra o dużych rozpiętościach, który użytkownicy aranżują według własnych upodobań, pragnień i potrzeb, i który można całkowicie zmienić w bardzo krótkim czasie, jeśli nastąpią jakieś zmiany związane z przeznaczeniem budynku. Czym mogą być domy stalowe najlepiej widać na przykładach architektury, takich jak dom Farnswortha, architekta Miesa van der Rocha oraz wielu domów z lat 60. XX wieku, z tzw. okresu „Case study houses”.

4.1. Połączenie stali i drewna

Ponieważ konstrukcje stalowe są zawsze szkieletowe, należy je łączyć z innymi materiałami, które służą do wytyczenia zewnętrza i aranżacji wnętrza. Historycznie najczęściej łączono stal ze szkłem (przykładem tego jest Farnsworth Mies van der Roch). To połączenie jest bardzo nowoczesne i czyste, zarówno pod względem estetycznym, jak i modnym, ale może też wyglądać chłodno. W ostatnich dziesięcioleciach bardzo często łączono stal z drewnem, które swoim ciepłem zmiękcza surowy wygląd stali. Drewno wnosi do przestrzeni ciepło i zmiękcza ją, a stal nadaje mu cech stylu industrialnego. We wnętrzu bardzo powszechne jest połączenie białych ścian knauf i widocznych stalowych dźwigarów, zwłaszcza filarów.