Stal to stop żelaza z węglem oraz z innymi dodatkami stopowymi, które po skrzepnięciu służą do przeróbki plastycznej, umożliwiającej nadanie im odpowiedniego kształtu. Na twardość danej stali wpływa przede wszystkim ilość zawartego w niej węgla. Konstrukcje stalowe są budowane ze stali walcowanej lub z blachownic o różnym przekroju, która również służy do budowy różnego typu hal, przyrządów, maszyn.
Obecnie wiele budynków opartych jest właśnie na tego typu konstrukcjach, które kojarzą się przede wszystkim z trwałością. Konstrukcje stalowe są podstawą olbrzymich hal sportowych, salonów samochodowych, magazynów przemysłowych. Składają się z belek stropowych oraz słupów. Budynki wykonywane ze stali wykorzystują kształtowniki takie jak celowniki i zetowniki, które są stosowane w szczególności, w halach jako płatwie przymocowane do rygli ścian. Wykorzystanie szerokiego zakresu technologii zaowocowało wyparciem konstrukcji betonowych, a wprowadzeniem konstrukcji stalowych, które są lekkie oraz łatwiejsze w montażu i przede wszystkim można je przetwarzać w zależności od potrzeb. Na konstrukcji stalowej oparty jest cały ciężar budynku. Obecnie cały czas inżynierowie pracują nad tym, aby do zbudowania jak największej budowli potrzebna była stosunkowo jak najmniejsza ilość stali. Stalowe, nowoczesne konstrukcje posiadają bardzo dużo zalet.
Sam montaż konstrukcji jest o wiele szybszy i zajmuje około 20-25% mniej czasu trwania montażu innych, tradycyjnych konstrukcji. Zależy to w szczególności od materiałów, kształtowników oraz pracy ludzi, którzy w tym przypadku muszą znać się na wykonywanej przez siebie pracy. Kolejną ważną zaletą jest fakt, że w każdej chwili konstrukcja może ulec przebudowie, bądź rozbiórce. Konstrukcje ze stali nie są jednak pozbawione wad. Przede wszystkim w czasie pożaru ulegają niezbyt korzystnym zmianom, ponieważ nie są już tak sztywne, a więc ulegają deformacji.
Z czego składa się konstrukcja stalowa
Szkielet stalowego budynku to układ prętów, które razem przenoszą obciążenia na fundamenty. W typowej hali lub budynku przemysłowym są to:
- słupy – przenoszą obciążenia pionowe z dachu i stropów oraz siły od wiatru,
- rygle i dźwigary dachowe – belki pełnościenne lub kratownice, które razem ze słupami tworzą ramy,
- płatwie i rygle ścienne – elementy drugorzędne z kształtowników walcowanych lub giętych na zimno (zetowniki, ceowniki), na których opiera się obudowa dachu i ścian,
- stężenia – połaciowe i ścienne, zapewniają stateczność całego budynku i przenoszą siły poziome,
- belki podsuwnicowe – w halach, w których pracują suwnice,
- stropy – najczęściej belki stalowe z płytą żelbetową lub blachą fałdową współpracującą z betonem.
Elementy łączy się na dwa sposoby. Połączenia spawane wykonuje wytwórnia – w warunkach warsztatowych, pod kontrolą jakości. Połączenia śrubowe (najczęściej śruby klasy 8.8 lub 10.9) wykonuje się na budowie, dzięki czemu montaż przypomina składanie gotowych modułów. Dokładność tej „układanki” zapewniają rysunki warsztatowe, w których każdy element ma swój numer, wymiary i otwory.
Gatunki stali konstrukcyjnej
W budownictwie stosuje się stale konstrukcyjne według normy PN-EN 10025. Najczęściej są to gatunki S235 i S355 – liczba oznacza minimalną granicę plastyczności w MPa. Stal S355 jest droższa w przeliczeniu na tonę, ale pozwala zastosować mniejsze przekroje, więc przy dużych rozpiętościach i obciążeniach często wychodzi taniej. Dobór gatunku to jedna z decyzji, które projektant podejmuje z myślą o koszcie całej konstrukcji, a nie tylko o spełnieniu warunków nośności.
Ochrona przed korozją i ogniem
Dwie słabości stali – korozja i utrata sztywności w wysokiej temperaturze – są dobrze znane i da się je skutecznie ograniczyć już na etapie projektu.
Korozja. Zabezpieczenie dobiera się do środowiska, w którym pracuje konstrukcja: inaczej chroni się stal w suchym magazynie, a inaczej w zakładzie spożywczym z wilgocią i środkami myjącymi czy w pobliżu morza. Norma PN-EN ISO 12944 dzieli środowiska na kategorie korozyjności od C1 do C5 i na tej podstawie określa system powłok malarskich. Alternatywą lub uzupełnieniem jest cynkowanie ogniowe, które zapewnia wieloletnią ochronę bez konserwacji.
Pożar. Stal nie pali się, ale w temperaturze około 500 °C traci znaczną część nośności. Wymaganą odporność ogniową (np. R 30, R 60) określają przepisy techniczno-budowlane w zależności od rodzaju i wielkości budynku. Uzyskuje się ją farbami pęczniejącymi, płytami ogniochronnymi lub obetonowaniem, a czasem – przez odpowiednie przewymiarowanie przekrojów. W wielu parterowych halach magazynowych i produkcyjnych przepisy dopuszczają konstrukcję bez dodatkowych zabezpieczeń.
Stal czy żelbet – porównanie
| Cecha | Konstrukcja stalowa | Konstrukcja żelbetowa |
|---|---|---|
| Ciężar konstrukcji | mały – lżejsze fundamenty | duży |
| Czas budowy | krótki – prefabrykacja w wytwórni, montaż na śruby | dłuższy – deskowanie, zbrojenie, dojrzewanie betonu |
| Rozpiętości bez podpór | duże, także kilkadziesiąt metrów | mniejsze, chyba że prefabrykaty sprężone |
| Przebudowa i rozbudowa | łatwa – elementy można dokładać i wymieniać | trudna |
| Odporność ogniowa | wymaga zabezpieczeń przy wyższych klasach | naturalnie wysoka |
| Ochrona przed korozją | powłoki lub cynkowanie | otulina betonowa |
| Recykling | stal w całości nadaje się do przetopienia | ograniczony |
W praktyce oba materiały często się uzupełniają: fundamenty, posadzki i stropy są żelbetowe, a szkielet i dach – stalowe. Takie konstrukcje mieszane projektujemy w większości obiektów przemysłowych.
Jak projektuje się konstrukcje stalowe
Konstrukcje stalowe w Polsce projektuje się według Eurokodu 3 (PN-EN 1993), a obciążenia – śnieg, wiatr, obciążenia użytkowe i od urządzeń – przyjmuje się według Eurokodu 1 (PN-EN 1991). Projektant sprawdza nośność i stateczność każdego elementu, ugięcia, drgania i połączenia, a w obiektach przemysłowych także zmęczenie od suwnic.
Dokumentacja powstaje etapami: koncepcja układu konstrukcji, projekt budowlany do pozwolenia na budowę, projekt wykonawczy i rysunki warsztatowe dla wytwórni. Już na etapie koncepcji zapada najwięcej decyzji wpływających na koszt – rozstaw ram, rodzaj dźwigarów, gatunek stali. Dlatego dobry projekt to nie tylko konstrukcja, która „przenosi obciążenia”, ale taka, która zużywa jak najmniej stali i daje się sprawnie zmontować. Wszystkie etapy opisujemy w poradniku projekt konstrukcji stalowej krok po kroku, a o tym, jak pracujemy – na stronie projektowanie konstrukcji stalowych.
Najczęstsze pytania
Czy konstrukcja stalowa jest droższa od żelbetowej?
Sama stal jest droższa od betonu, ale koszt budynku zależy od całości: lżejsze fundamenty, krótszy czas budowy i szybsze oddanie obiektu do użytku często sprawiają, że w halach i obiektach przemysłowych konstrukcja stalowa wychodzi korzystniej. O wyniku decyduje przede wszystkim projekt – wskaźnik zużycia stali na metr kwadratowy.
Jak długo wytrzyma konstrukcja stalowa?
Prawidłowo zaprojektowana i zabezpieczona przed korozją konstrukcja stalowa służy dziesięciolecia. Projektowy okres użytkowania typowych budynków według Eurokodów to 50 lat, a konstrukcję można w tym czasie wzmacniać i przebudowywać.
Czy istniejącą konstrukcję stalową można rozbudować?
Tak – to jedna z największych zalet stali. Przed rozbudową, zmianą sposobu użytkowania albo montażem nowych urządzeń czy paneli fotowoltaicznych warto zlecić ekspertyzę, która sprawdzi nośność istniejących elementów. Takie ekspertyzy i projekty wzmocnień wykonujemy m.in. dla zakładów przemysłowych – zobacz wykaz projektów.
Planujesz obiekt w konstrukcji stalowej? Skontaktuj się z nami – tel. 602 250 372.