1. Метални конструкции - какво трябва да знаете

1.1. Общо за стоманените конструкции

Поради многобройните си предимства, повече от век стоманените конструкции се конкурират с други разпространени строителни материали, особено с бетона. Освен това стоманените конструкции се използват и днес за издигане на по-големи обществени сгради, особено многоетажни сгради и блокове или спортни и други зали и зали с големи покривни отстояния. Поради относително високата цена на стоманата и голямото тегло на гредите, инвестирането в стоманена конструкция е най-добро за сгради с такъв размер, докато за по-малки постройки няма смисъл да се предприема.

1.2. Стоманени или метални конструкции?

Първо трябва да правим разлика между стоманени и метални конструкции. Металните конструкции са тези ​​от алуминий, желязо и стомана. Ако се каже, че сградата е метална конструкция, всъщност все още нищо не е казано за нея, тъй като е необходимо да се уточни кой метал е. Днес железните конструкции са в миналото, защото са заменени от стоманени, а алуминиевите се използват само за определени части от сгради, отново поради много високата си цена, и то много рядко за цялата конструкция.

1.3. Стомана

В допълнение към разликата между термините метал и стоманена конструкция, важно е да се разбере разликата между желязо и стомана. Стоманата е рафинирано желязо. Това е сплав от желязо, към която наред с другите легиращи елементи е добавен въглерод като най-важен елемент. Въпреки че има много малко, обикновено по-малко от 2 %, това количество значително влияе върху свойствата на стоманата.

1.4. История на употребата на стомана

Стоманата започва да се използва широко в края на 19 век, когато технологичният напредък и познанията за обработката на метали позволяват да се намери желязо с по-добри конструктивни свойства - стомана. Преди това стоманени конструкции дори не са съществували, защото всички са били направени от желязо. През 19-ти век стоманата е използвана за първи път в стила Арт Нуво или периода сецесион, където стоманата и желязото са комбинирани по изключително изразителен, декоративен начин. Флоралните и геометричните орнаменти са били много популярни и са служели както като носещи, така и като декоративни елементи. В края на 19-ти век обаче настъпва друга голяма промяна в строителството: откриването на стоманобетон, което всъщност става възможно благодарение на откриването на стоманата. Френският инженер Франсоа Хенебик е един от първите, които изследват възможността за комбиниране на бетон със стоманена армировка и дава насоки за стоманобетонни конструкции. Стоманената армировка, която носи напрежения на опън и линейни деформации на опън в бетона, позволява огромни отстояния на бетонните плочи и греди, което доведе до откриването на свободен етажен план в архитектурата по време на модернизма в началото на 20-ти век.

1.5. Стоманени конструкции в строителството

На строителната площадка стоманените конструкции се сглобяват чрез съединяване на стоманени профили. Следователно това е скелетна структура, съставена от множество независими елементи, свързани в едно цяло. Всички стоманени профили са сглобяеми и се докарват с камион от завода до строителната площадка. Стоманените конструкции се състоят от стоманени греди, колони и носачи.

1.6. Предимства на стоманената конструкция

Стоманените конструкции имат много предимства. Най-голямото предимство на стоманените греди е изключителният обхват, който може да се постигне с тях. Отстоянията, които достигат, са категорично най-големите в сравнение с тези при други строителни материали (стоманобетон, дърво). Друго предимство на стоманените конструкции е броят на различни профили с различни характеристики, което дава възможност за голям избор според дадения дизайн и статични изисквания. Тези две свойства правят стоманата един от най-добрите материали за изграждане на сложни конструкции на големи сгради. Третото предимство на стоманата е, че при подходяща защита конструкцията е практически неразрушима и наистина изключително издръжлива. Четвъртото предимство, което не е за пренебрегване, е процесът на изграждане на стоманени профили, тъй като те са сглобяеми и се докарват директно от производството до строителната площадка готови за сглобяване и монтаж. За разлика от стоманобетона, който се излива на строителната площадка, строителството се извършва много бързо и строителната площадка остава чиста. Благодарение на процеса на монтаж, качеството на стоманените профили също е максимално контролирано. Не на последно място трябва да се отбележи, че противно на общоприетото схващане, стоманата е екологично чист материал, тъй като може да бъде напълно рециклиран.

1.7. Недостатъци на стоманената конструкция

Най-очевидният недостатък на стоманената конструкция е високата цена на стоманените профили. Поради това, от стомана се изграждат само такива обекти, при които други с другите материали не може да се постигне това, което може да се постигне с физическите и механичните свойства на стоманата. Това е особено очевидно при големите съоръжения. Друг важен недостатък на стоманата е нейното тегло, което само по себе си не е проблем, но такова голямо тегло оказва значителен натиск върху другите материали в цялата конструкция. Третата слабост на стоманата е, че въпреки защитата от пожар чрез повърхностни покрития и противно на общоприетото отношение, тя не е огнеупорен материал, тъй като се топи при високи температури, създадени от огъня. Възможността за лош състав на сплавта е недостатък, който се среща само в изключителни случаи, но все пак е недостатък и може да се доведе до срутването на сградата и големи проблеми. Поради това, всички стоманени конструкции се изследват чрез ултразвук или рентгеново лъчение, за да се открият такива потенциални дефекти.

2. Свойства на стоманата

2.1.Общи физични и механични свойства

Стоманата е еластичен материал с модул на еластичност 2,0-2,2 × 105 N / mm². Чистото желязо има стойност на твърдост от само 60 HV, докато стоманата достига стойност до 800 HV поради процеса на обработка (добавяне на въглерод) и дори до 2 000 HV, ако се третира химически. Стоманата има якост на опън от 4000 N/mm², което е 20 пъти повече от якостта на опън на желязото.

2.2. Устойчивост на корозия на стоманата

Устойчивостта на корозия на стоманата може да се адаптира към различни изисквания, както могат да се регулират и технологичните свойства. Обикновено към стоманените сплави за този тип устойчивост се добавя хром 11%.

2.3. Оформяне на стоманата

Стоманата може да се оформя чрез металургична обработка, чрез т.нар. "горещи процеси", т.е. чрез коване, леене, пресоване или валцоване. „Студените процеси“, чрез които се обработва стоманата, са изтегляне, валцуване, пресоване или рязане, но може да се извърши и чрез прахова металургия.

2.4. Закалена стомана

Закалената стомана е подсилена версия, образувана чрез термична обработка. Процесът се осъществява като първо се нагрява стоманата до точката, в която започва да се топи, и след това се охлажда много бързо. Този процес образува много твърда структура, наречена мартензит. Поради много бързото охлаждане по време на процеса на втвърдяване, възникват значителни вътрешни напрежения в материала, което увеличава риска от напукване на предмета, който се закалява. За да се предотврати това, обектът, който се обработва, бързо се „гаси“ в масло, вода или въздух, което му придава определени свойства. Основната цел на закаляването на стоманата е допълнително подобряване на нейните свойства, в този случай преди всичко твърдостта.

3. Стоманени профили

3.1. Стоманените профили са полуготови продукти

Стоманата не може да се използва необработена, така че всички стоманени елементи са полуготови изделия. Това означава, че се произвеждат в завода, а след това се докарват с камион до строителната площадка, където от тях се сглобява дадената конструкция. Полуфабрикатите имат много предимства като високо качество на профилите, тъй като поради контрола на производствения процес и бързината на процеса на производство, всички профили са стандартизирани и точно определени. За един архитект това може да бъде недостатък, тъй като той трябва да адаптира идеите си за външния вид на конструкцията към наличния за него материал, а не обратното.

3.2. Видове стоманени профили

Съществуват редица стандартизирани стоманени профили с определени механични свойства. Стоманените профили се разделят и класифицират според напречното сечение, а именно I и IPE профили, тънки и високи, като напречното им сечение наподобява буквата L. При тези профили височината е значително по-голяма от ширината. Подобни на IPE профилите са профилите HEA, H и HEB, които имат по-малка разлика в пропорциите на височина и ширина. Ако профилите IPE и I са отчетливо правоъгълни, профилите HEA, H и HEB са по-квадратни. IPE профилите имат височина между 8 и 60 cm, H и други профили 10-100 cm. В допълнение към тях има профили, наречени кутии и тръби, както и U и L профили, които могат да бъдат разпознати по типично U- или L-образно напречно сечение. Обикновено строителен инженер специализиран в стоманата, прави избор на профилите.

3.3. Еврокод 3

Всички видове стандартни стоманени профили, техните свойства и изисквания по отношение на размерите и конструкциите, можете да намерите в стандарта "Еврокод 3: Проектиране на стоманени конструкции".

3.4. Свойства на стоманените профили

Стоманените профили имат много добри физико-механични свойства. Благодарение свойствата на желязото, те могат да свързват много отдалечени точки, така че най-често се срещат при изграждането на онези конструкции, които прехвърлят отстояния, каквито има в зали, мостове, стадиони, надлези, халета и подобни съоръжения. Едно от основните предимства на профилите е лесното им комбиниране с други материали, което дава възможност за гъвкавост на конструкцията. От друга страна, много лесно се поддържат, просто трябва да ги предпазите от атмосферните влияния. В противен случай ще започне процесът на корозия (ръждясване) на стоманата.

3.5. Съединяване на стоманени профили

Стоманените профили се сглобяват в скелетна конструкция чрез заваряване или завинтване. Решението за един или друг начин на работа е обусловено от конструктивни изисквания и желания краен вид. При завинтване, винтовете винаги се виждат, освен ако не са покрити с друг материал, а по време на заваряване линията на заварката остава видима, но в крайна сметка може да бъде изгладена, така че на практика да стане невидима. Стоманените профили могат да се съединяват и чрез запояване и занитване.

4. Къща от стоманена конструкция

Поради високата цена на стоманата, фамилни къщи от стомана са относително редки. Стоманените конструкции за къщата са особено редки в нашия регион, където преобладават традиционните строителни материали като тухла и стоманобетон. Къщи със стоманена конструкция обаче се строят още от периода на модернизма, тоест първата половина на 20 век. Предимството на стоманената скелетна конструкция е, че позволява напълно отворен план на етажа с големи диапазони, които потребителите устройват според собствените си предпочитания, желания и нужди. Стоманените елементи може да се заменят напълно за много кратко време, ако има някакви промени или преобразувания на обекта. Какви може да бъдат стоманените къщи най-добре се вижда от примерите на архитектурата като къщата Фарнсуърт Хаус на архитекта Лудвиг Мис ван дер Рое и много къщи от 60-те години на миналия век, от т.нар. период „Case study houses”.

4.1. Комбинация от стомана и дърво

Тъй като стоманените конструкции винаги са скелетни, те трябва да се комбинират с други материали, с помощта на които се разграничава екстериора и урежда интериора. В исторически план стоманата най-често се комбинира със стъкло (пример за това е Фарнсуърт Хаус на архитекта Лудвиг Мис ван дер Рое). Тази комбинация е много модерна и изчистена, колкото естетически, толкова и модно, но може да изглежда и студена. През последните десетилетия стоманата се комбинира много с дървесина, която с топлината си омекотява суровия вид на този материал. Дървото внася топлина в пространството и го омекотява, докато стоманата придава характеристиките на индустриалния стил. В интериора, много често срещана е комбинацията от бели „кнауф“ стени и видими стоманени греди, особено колони.