1. Kovové konstrukce - co potřebujete vědět?

1.1. Obecně o ocelových konstrukcích

Ocelové konstrukce díky svým četným výhodám již více než století konkurují jiným běžným stavebním materiálům, zejména betonu. Ocelové konstrukce se však dodnes používají pro stavbu větších veřejných budov, zejména těch vícepodlažních, dále pak sportovních a průmyslových hal s velkými střechami. Vzhledem k relativně vysoké ceně oceli a vysoké hmotnosti nosníků se investice do ocelové konstrukce nejvíce vyplatí pouze u budov této velikosti.

1.2. Rozdíl mezi ocelovou a kovovou konstrukcí?

Nejprve je třeba rozlišovat ocelové a kovové konstrukce. Kovové konstrukce jsou obecnější pojem. Jedná se o název pro konstrukce z hliníku, železa a oceli. „Kovová“ je tedy poměrně neurčitý přívlastek. Železné konstrukce jsou v podstatě minulostí. Byly plně nahrazeny ocelovými. Hliníkové se používají jen pro určité části budov, a to samozřejmě kvůli velmi vysoké ceně.

1.3. Ocel

Kromě rozdílu mezi pojmy kovová a ocelová konstrukce je důležité pochopit i rozdíl mezi železem a ocelí. Ocel je slitina železa, uhlíku a dalších legujících prvků, která obsahuje méně než 2,14 % uhlíku. Ačkoli je ho velmi málo, toto množství výrazně ovlivňuje její vlastnosti.

1.4. Historie používání oceli

Ocel se začala hojně využívat na konci 19. století, kdy technologický pokrok a znalosti zpracování kovů umožnily vynalézt druh železa s lepšími konstrukčními vlastnostmi - ocel. Do té doby ocelové konstrukce ani neexistovaly, všechny totiž byly ze železa. V 19. století byla ocel poprvé použita během secesního období (art nouveau), kdy se ocel a železo používaly mimořádně expresivně a dekorativně. Velmi populární byly květinové a geometrické ozdoby, které sloužily jako podpůrné prvky i jako ozdoba. Na konci 19. století ale nastal další velký posun ve stavebnictví: objev železobetonu, který byl ve skutečnosti umožněn objevem oceli. Francouzský inženýr François Hennebique byl jedním z prvních, kdo prozkoumal možnosti kombinace betonu s ocelovou výztuží a sepsal základní pokyny pro stavbu železobetonových konstrukcí. Ocelová výztuž, která v betonu nese tahová napětí a lineární tahové deformace, umožnila na počátku 20. století obrovské rozpětí betonových desek a nosníků, což vedlo k objevu volného půdorysu v architektuře během modernismu zpočátku 20. století.

1.5. Ocelové konstrukce ve stavebnictví

Na stavbě se konstrukce montují spojováním ocelových profilů. Jedná se tedy o skeletovou strukturu složenou z mnoha nezávislých prvků spojených do jednoho celku. Všechny ocelové profily jsou z logiky věci prefabrikované a jsou přivezeny kamionem z továrny na staveniště. Ocelové konstrukce se skládají z ocelových nosníků a sloupů.

1.6. Výhody ocelové konstrukce

Ocelové konstrukce mají mnoho výhod. Největší výhodou ocelových nosníků je výjimečné rozpětí, kterého s nimi lze dosáhnout. Nedají se porovnat s jinými stavebními materiály (železobeton, dřevo). Další výhodou, kterou ocelové konstrukce nabízejí, je množství profilů různých charakteristik, což umožňuje velký výběr podle daného konstrukčního a statického požadavku. Díky těmto dvěma vlastnostem je ocel jedním z nejlepších materiálů pro stavbu složitých struktur velkých budov. Třetí výhodou oceli je, že při správné ochraně je konstrukce prakticky nezničitelná a opravdu extrémně odolná. Čtvrtou výhodou, která není zanedbatelná, je postup při instalaci ocelových profilů. Jsou totiž prefabrikované a přímo z továrny se dopravují na staveniště, kde jsou ihned připraveny k montáži. Na rozdíl od železobetonu, který se nalévá na stavbu, stavba za pomoci oceli probíhá velmi rychle a staveniště zůstává čisté a nevíří prach. Díky procesu montáže je také maximálně kontrolována kvalita ocelových profilů. V neposlední řadě je třeba také poznamenat, že je ocel materiál šetrný k životnímu prostředí, protože může být zcela recyklován.

1.7. Nevýhody ocelové konstrukce

Nejviditelnější nevýhodou ocelové konstrukce jsou vysoké náklady na ocelové profily. Proto jsou z oceli stavěny pouze ty objekty, u kterých by jiné materiály nemohly dosáhnout toho, co dovedou fyzikální a mechanické vlastnosti oceli. To je zvláště patrné na velkých objektech. Další důležitou nevýhodou oceli je její hmotnost, která sama o sobě není problémem, nicméně tak velká hmotnost vyvíjí značný tlak na ostatní materiály v celé konstrukci. Třetí slabinou oceli je, že navzdory ochraně proti ohni povrchovými nátěry, nejde o ohnivzdorný materiál, protože se při vysokých teplotách vytvářených ohněm taví. Možnost špatného složení slitiny se vyskytuje jen výjimečně, ale přeci jen se to může stát. Toto může vést ke kolapsu budovy a ztrátách na životech. Proto jsou všechny ocelové konstrukce povinně zkoumány ultrazvukem nebo rentgenovým paprskem za účelem detekce potenciálních vad.

2. Vlastnosti oceli

2.1 Všeobecné fyzikální a mechanické vlastnosti

Ocel je elastický materiál s modulem pružnosti 2,0-2,2 × 105 N / mm². Čisté železo má hodnotu tvrdosti pouze 60 HV, zatímco ocel díky procesu zpracování (přidání uhlíku) dosahuje hodnoty až 800 HV, při chemickém zpracování dokonce až 2 000 HV. Ocel má pevnost v tahu 4000 N / mm², což je 20krát vyšší hodnota, než má železo.

2.2. Odolnost oceli proti korozi

Odolnost oceli proti rzi lze přizpůsobit různým požadavkům, stejně jako lze upravit její technologické vlastnosti. Pro tento typ odolnosti se do slitin oceli obvykle přidává chrom (11%).

2.3. Tvarování oceli

Ocel lze tvářet za tepla kováním, litím, lisováním nebo válcováním. Ocel tvářená za studena může být tvarována tažením, válcováním, lisováním nebo řezáním, ale může být také vyráběna práškovou metalurgií (metoda výroby dílů  - polotovarů i finálních výrobků - z prášků kovů)

2.4. Kalená ocel

Kalená ocel je vyztužená verze, vytvořená tepelným zpracováním. Proces probíhá tak, že se ocel nejprve zahřeje do bodu tavení, a poté se velmi rychle ochladí. Tento proces tvoří velmi tvrdou strukturu zvanou martenzit. Díky velmi rychlému ochlazování během procesu kalení dochází v materiálu k výrazným vnitřním napětím, které zvyšují riziko popraskání tvrzeného předmětu. Aby se tomu zabránilo, zpracovávaný předmět se rychle „uhasí“ v oleji, vodě nebo vzduchu. Hlavním účelem kalení oceli je další zlepšování jejích vlastností, v tomto případě především tvrdosti.

3. Ocelové profily

3.1. Ocelové profily jsou polotovary

Ocel nelze použít surovou. Všechny ocelové prvky jsou vlastně polotovary. To znamená, že jsou vyráběny v továrně, a poté dopraveny kamionem na staveniště, kde je z nich sestavena daná konstrukce. Polotovary mají mnoho výhod, protože díky řízení výrobního procesu a rychlosti stavby jsou všechny profily standardizovány a přesně definovány. Pro architekta to může být nevýhoda, protože musí své představy o vzhledu stavby přizpůsobit materiálu, který má k dispozici, a ne naopak.

3.2. Druhy ocelových profilů

Existuje řada standardizovaných ocelových profilů s určitými mechanickými vlastnostmi. Ocelové profily se dělí a rozlišují podle průřezu, což jsou profily I a IPE, štíhlé a vysoké (jejich průřez připomíná písmeno I). U těchto profilů je výška výrazně větší než šířka. Profily HEA, H a HEB, mají menší rozdíl ve výškových a šířkových poměrech. Pokud jsou profily I a IPE výrazně obdélníkové, profily HEA, H a HEB jsou více čtvercové. Profily IPE mají výškové rozměry mezi 8 - 60cm, H a ostatní profily 10 - 100cm. Profily U a L lze identifikovat podle typického průřezu ve tvaru písmen U nebo L. Obvykle se výběru účastní statik nebo stavební inženýr specializující se na ocel.

3.3. Eurokód 3

Všechny typy standardních ocelových profilů, jejich vlastnosti a požadavky na rozměry a struktury, najdete v normě „Eurokód 3 - navrhování ocelových konstrukcí“, angl. Eurocode 3: Design of steel structures.

3.4. Charakteristika ocelových profilů

Ocelové profily mají velmi dobré fyzikální a mechanické vlastnosti. Díky vlastnostem železa mohou spojovat velmi vzdálené body, takže se nejčastěji nacházejí při stavbě těch struktur, které překlenují velká rozpětí, jako jsou haly, mosty, stadiony a podobných zařízení. Jednou z hlavních výhod profilů je jejich snadná kombinace s jinými materiály, která umožňuje flexibilitu konstrukce. Na druhou stranu se velmi snadno udržují. Pokud je však patřičně neochráníte proti rzi, brzy začnete mít potíže. Ocel bohužel není zcela korozivzdorná.

3.5. Spojování ocelových profilů

Ocelové profily se montují do skeletové konstrukce svařováním nebo šroubováním. Rozhodnutí, zda zvolit to či ono, je podmíněno statickými požadavky a požadovaným konečným vzhledem. Šrouby jsou vždy viditelné, pokud nejsou pokryty jiným materiálem. Po svařování zůstanou viditelné svarové spoje. Nakonec ale mohou být vyhlazeny, takže se prakticky stanou neviditelnými. Ocelové profily lze také spojovat pájením a nýtováním.

4. Dům ocelové konstrukce

Vzhledem k vysoké ceně oceli jsou rodinné ocelové domy poměrně vzácné. V Čechách a na Moravě, kde převládají tradiční stavební materiály jako cihla a železobeton, skoro neexistují. Domy s ocelovou konstrukcí se však od období modernismu, tedy od první poloviny 20. století, stavěly po celé Evropě. Výhodou ocelové skeletové konstrukce je, že umožňuje zcela otevřený půdorys s velkými rozpětími, který si uživatelé uspořádají podle své vlastní představivosti, tužeb a potřeb, a který lze zcela velmi rychle změnit, pokud dojde k nějakým změnám. Co mohou poskytnout ocelové domy, je nejlépe vidět na příkladech jako je dům Farnsworth architekta Ludwiga Miese van der Roha, a mnoho domů ze 60. let 20. století, z tzv. období „Case study houses“.

4.1. Kombinace oceli a dřeva

Protože jsou ocelové konstrukce vždy skeletové, musí být kombinovány s jinými materiály, které slouží k ohraničení exteriéru a uspořádání interiéru. Historicky byla ocel nejčastěji kombinována se sklem (příkladem toho je zmiňovaný Farnsworth). Tato kombinace je velmi moderní a čistá, jak z hlediska estetiky, tak z hlediska módy, ale může někomu působit dost chladně. V posledních desetiletích se ocel hodně kombinuje se dřevem, které svým teplem změkčuje surový vzhled tohoto materiálu. Dřevo přináší do prostoru teplo a zjemňuje ho, zatímco ocel dává charakteristiku industriálního stylu. V interiéru je však kombinace bílých sádrokartonových stěn a viditelných ocelových nosníků, zejména pilířů, velmi běžná.