Właściwości stali i jej zastosowanie w budownictwie przemysłowym

W halach przemysłowych najczęściej wykorzystuje się szkieletowe ustroje konstrukcyjne. Główną konstrukcję nośną budynku stanowią dźwigary dachowe oparte na słupach, które z kolei mocowane są do stóp fundamentowych. Z uwagi na materiał, z jakiego wykonywane są te elementy, hale przemysłowe możemy podzielić na stalowe, żelbetowe oraz hybrydowe.

Jakiej stali używa się do produkcji elementów nośnych hal przemysłowych?

Oznaczenie stali. Co znaczą poszczególne symbole?

Sposób oznaczania stali oparty jest na symbolach literowych oraz liczbowych, które określają najważniejsze jej cechy.

Według PN-EN 10027-1 pełen symbol stali podzielony jest na trzy pola:

• w pierwszym polu duża litera określa zastosowanie stali (np. S-stal konstrukcyjna), znajdziemy też liczbowe oznaczenie granicy plastyczności w N/mm2  (np. S235);
• w polu drugim znajdują się symbole, które opisują  grupę jakościową stali (odporność na pękanie), a także symbole zawierające informacje o jej przeznaczeniu (odporność na korozję atmosferyczną, do ulepszania cieplnego, do formowania na zimno);
• trzecie pole występuje opcjonalnie i dotyczy wymagań stawianych stalowym wyrobom gotowym, poprzedzone jest znakiem „+”.

Stal konstrukcyjna – gatunki i rodzaje

Stal jest stopem żelaza z węglem oraz innymi pierwiastkami, które dodawane są w celu nadania jej określonych właściwości. Według World Steel Association istnieje ponad 3500 różnych gatunków stali, z których każdy posiada unikalne właściwości fizyczne, chemiczne oraz środowiskowe.

Gatunki i rodzaje stali konstrukcyjnej silnie zależą od jej składu chemicznego. W odniesieniu do budownictwa przemysłowego można wymienić następujące gatunki stali konstrukcyjnej, których oznaczenie rozpoczyna się literą s.

Stale konstrukcyjne niestopowe

To te, w których stężenie masowe zawartych w nich pierwiastków nie przekracza pewnych granicznych wartości, określonych w normie PN-EN 10020. Są to gatunki stali konstrukcyjnej oznaczane S235, S275, S355 oraz S460 – te stosuje się najczęściej.

Stale konstrukcyjne drobnoziarniste po normalizowaniu lub walcowaniu normalizującym

Gatunki oznaczane jako S275, S355, S420 oraz S460. Wszystkie mogą należeć do grupy z określoną minimalną wartością pracy łamania w temperaturze powyżej -20°C (grupa jakościowa N) lub powyżej -50°C (grupa jakościowa NL). Elementy wykonane z tych gatunków stali są dostarczane w stanie normalizowanym osiąganym przez walcowanie z normalizowaniem, a odpowiedni dodatek aluminium gwarantuje pełne uspokojenie tych stali.

Stale konstrukcyjne drobnoziarniste spawalne po walcowaniu termomechanicznym

Gatunki oznaczane jako S275, S355, S420 oraz S460. Wszystkie wyroby mogą należeć do grupy jakościowej M (określona wartość próby łamania w temperaturze powyżej -20°C) lub do grupy ML (powyżej -50°C). Stale te poddawane są procesowi walcowania termomechanicznego, co pozwala na uzyskanie znacznej wytrzymałości oraz dużej odporności na pękanie (udarność). Ponadto za sprawą składu chemicznego jest to stal łatwospawalna.

Stale konstrukcyjne trudnordzewiejące

Występują w gatunkach S235 oraz S355, w grupach jakościowych J0, J2 i K2 (oznaczenia te dotyczą temperatury, przy której odbywa się praca łamania próbki, która opisuje odporność stali na pękanie). Podwyższoną odporność na korozję atmosferyczną uzyskuje się poprzez dodanie takich pierwiastków jak fosfor (P), chrom (Cr), miedź (Cu), nikiel (Ni) czy molibden (Mo).

Stale o podwyższonej granicy plastyczności

Te gatunki można określić jako stale konstrukcyjne wyższej jakości. Należą do nich: S460, S500, S550, S620, S690, S890 oraz S960 i są opisane w szóstej części Eurokodu PN-EN 10025. Wszystkie są stalami uspokojonymi, co oznacza całkowitą eliminację tlenu z ich składu – proces ten znacząco wpływa na własności wytrzymałościowe stali. Co więcej, dodatki pierwiastków takich jak: niob (Nb), wanad (V) czy tytan (Ti) pozwalają na uzyskanie tak znaczących wartości granicy plastyczności.

Stale do kształtowników zamkniętych (rur) walcowanych na gorąco

Do produkcji rur o przekroju kwadratowym, okrągłym czy prostokątnym, walcowanych na gorąco, wykorzystuje się stal niestopową oraz drobnoziarnistą po normalizowaniu. Oznaczenia tych gatunków są  zbliżone do wymienionych wcześniej, z taką różnicą, że na końcu dodaje się literę „H” (hollow section).

Stale do kształtowników zamkniętych (rur) giętych na zimno

Do produkcji kształtowników zamkniętych, giętych na zimno, wykorzystuje się stal konstrukcyjną niestopową oraz drobnoziarnistą. Gatunki, symbolika oraz grupy jakościowe tych stali zbliżone są do tych wymienionych w pierwszych dwóch punktach, a do oznaczenia gatunku stali przeznaczonych do produkcji zamkniętych profili zimnogiętych także podaje się literę „H” na końcu (np. S235JRH).

Mówiąc o kształtownikach giętych na zimno mamy na myśli profile, których ścianki nie przekraczają grubości 30 mm – tolerancje ich wykonania podaje norma PN-EN 10219.

Stal automatowa

Specyficzne cechy tego rodzaju stali sprawiają, że znajduje ona zastosowanie w konstrukcjach stalowych w budownictwie. Zwiększając w niej zawartość fosforu (P) oraz siarki (S) polepsza się jej właściwości – skrawalność i łamliwość wiórów, które to cechy wykorzystywane są bezpośrednio w procesie obróbki stali.

Warto jednak zdawać sobie sprawę, że łatwość obróbki odbywa się kosztem parametrów mechanicznych. Dlatego stal automatowa wykorzystywana jest do elementów wytwarzanych w bardzo dużych ilościach, które nie podlegają znaczącym oddziaływaniom (pręty ciągnione).

Należy podkreślić, że warunki dostaw wszystkich wyżej wymienionych stali konstrukcyjnych są opisane w PN-EN 10025-1.

Skład chemiczny i właściwości mechaniczne stali konstrukcyjnych

Jak już powiedzieliśmy, stal jest stopem żelaza z węglem oraz innymi pierwiastkami, przy czym żelaza zawiera masowo więcej niż jakiegokolwiek innego pierwiastka. Zawartość węgla (C) jest natomiast mniejsza niż 2%, ale na właściwości mechaniczne stali to właśnie jego wpływ jest największy – wpływa na kruchość materiału, przydatność do spawania czy pękanie.

Własności mechaniczne stali konstrukcyjnych ściśle zależą od ich składu chemicznego. I tak:

• stale niestopowe to takie stopy, których zawartość poszczególnych pierwiastków określa PN-EN10020. Właściwości stali niestopowych determinuje głównie zawartość węgla oraz ich struktura krystaliczna
• stale odporne na korozję zawierają co najmniej 10,5% chromu (Cr) i nie więcej niż 1,2% węgla (C)
• inne stale stopowe, które nie spełniają wymogów stali niestopowych oraz odpornych na korozję. Wśród nich występuje stal konstrukcyjna niskostopowa, średniostopowa oraz wysokostopowa.

Obok składu chemicznego, właściwości mechaniczne oraz zastosowanie stali określa jej mikrostruktura. Pierwotna budowa krystaliczna ulega zmianie na skutek poddawania stali procesom wytwórczym. Mikrostruktura zależy w głównej mierze od obróbki cieplnej (wyżarzanie, hartowanie, odpuszczanie, przesycanie oraz starzenie), choć wpływają na nią także właściwości chemiczne stali.

Ponadto, o nośności elementów konstrukcji stalowych oraz ich zachowaniu się w czasie decydują główne właściwości mechaniczne: granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie, wydłużalność,  udarowość czy twardość. Ważną rolę odgrywają też stałe materiałowe: moduł Younga, moduł Kirchoffa, liczba Poissona i gęstość objętościowa stali.

Stal konstrukcyjna – w jakich obszarach znajduje zastosowanie?

Każdy materiał stosowany w budownictwie oraz inżynierii lądowej ma swój optymalny zakres stosowania. Zastosowanie stali konstrukcyjnych jest ściśle powiązane z jej podstawowymi właściwościami, do których należą:

• wytrzymałość,
• ciągliwość,
• odporność na pękanie,
• właściwości plastyczne,
• skład chemiczny (wpływa na spawalność stali, odporność na korozję, czy łatwość cynkowania),
• zdolność do formowania (na zimno i na gorąco)

Właściwości te decydują, jakie elementy można wykonać ze stali bez obawy o ich późniejszą wytrzymałość, a co za tym idzie – bezpieczeństwo. Konstrukcje budowlane można podzielić na trzy grupy w oparciu o zasady ich kształtowania lub w oparciu o ich elementy składowe:

1. Konstrukcje prętowe, których głównymi ustrojami są elementy liniowe w postaci belek, słupów czy łuków. Mogą tworzyć one bardziej złożone płaskie lub przestrzenne układy nośne (kratownice, ramy lub zespoły prętów). To właśnie z nich wznosi się wielkopowierzchniowe hale produkcyjne i magazynowe, ale nie tylko. Z ich wykorzystaniem powstają także:

• szkielety budynków kilku lub wielokondygnacyjnych,
• hale i pawilony użyteczności publicznej,
• mosty, wiadukty, kładki dla pieszych,
• konstrukcje specjalne (wieże, maszty, konstrukcje wsporcze)
• konstrukcje rozbieralne i tymczasowe.

2. Konstrukcje wiszące, linowo-cięgnowe stosowane do przekryć o dużych rozpiętościach hal sportowych, pawilonów, mostów wiszących i podwieszonych.

3. Konstrukcje powłokowe z blach stalowych wykorzystywane do projektowania zbiorników, rurociągów, silosów, kominów.

Bibliografia:

Goczek J. „Belki z kształtowników giętych stężone poszyciem z blach fałdowych.” Politechnika Łódzka, 2013
Kozłowski A. :Konstrukcje stalowe. Przykłady obliczeń według PN-EN 1993-1-1.” Politechnika Rzeszowska, 2010.