Ocelové konstrukce – materiály a prostorová tuhost

Použití oceli jako stavebního materiálu má více než stopadesátiletou tradici. Za tuto dobu se změnila nejen technologie výroby tohoto stavebního materiálu, ale i pohled na zajištění prostorové tuhosti konstrukčních systémů, na jejich montáž a koncepci detailů. Při rekonstrukci ocelové konstrukce musíme stanovit její materiálovou charakteristiku a pečlivě zvážit zásahy do její nosné části.

Vlastnosti ocelí, technologie výroby
Ocel a litina pro stavební praxi
Oceli jsou slitiny s převahou železa; obsahují většinou uhlík v množství do 2 % . Podle obsahu jednotlivých legujících (slitinových) prvků se dělí na legované a nelegované. Podle celkového obsahu legujících prvků se pak oceli dělí na:

• nízkolegované (do 2,5 %),
• středně legované (2,5 až 5 %),
• výše legované (5 až 10 %),
• vysoce legované (nad 10 %).

Oceli jsou podle ČSN EN 10027-1 a ČSN EN 10027-2 označovány kódy vyjadřujícími mechanické a fyzikální vlastnosti, chemické složení, případně i způsob výroby.

Litiny jsou slitiny s převahou železa; obsahují více jak 2,1 % uhlíku a dále mangan, křemík a další prvky. Uhlík je v nich přítomen nejen ve formě tuhého roztoku uhlíku v železe (tzv. austenit), ale i jako vyloučeniny grafitu různého charakteru.

Litiny jako nosný materiál se poprvé uplatnily v mostním stavitelství, například v Anglii v hrabství Shropshire stojí od roku 1779 silniční most Ironbridge (obr. 1), v Německu je vybudovaný železný most z roku 1796. Uplatnění ocelí v pozemním stavitelství se datuje až od druhé poloviny 19. století.

Druhy oceli podle způsobu výroby
Původně se železo vyrábělo přímo z rud v různých typech pecí vytápěných dřevěným uhlím. Vyredukované železo ve formě tzv. železné houby bylo pórovité a nebylo dobře oddělené od strusky, díky menšímu obsahu uhlíku ale bylo kujné. Tato svářková ocel obsahovala až 99,8 % železa a 0,004 až 0,006 % uhlíku. Je značně prostoupená struskou, protaženou válcováním do délky, a je proto vrstevnatá. Vyráběla se s malým obsahem uhlíku, pevnost této oceli je 330 až 400 MPa a tažnost je cca 12 až 25 %. V příčném směru je pevnost i tažnost podstatně nižší. Ve stavebnictví se s použitím těchto ocelí setkáváme u staveb realizovaných přibližně do roku 1900.

Jednou z nejoriginálnějších staveb tohoto druhu byl Křišťálový palác v Londýnském Hyde Parku. Jednalo se o výstavní palác, který byl jako první postaven ze skla a svářkové oceli, a to při příležitosti Velké výstavy v roce 1851. Dne 30. listopadu 1936 vypukl v tamní umývárně požár, který se přes veškerou snahu nepodařilo zastavit, a ocelová konstrukce byla zcela zničená.

Od roku 1895 se začínají používat tzv. plávkové oceli. Plávková ocel je souborný název všech ocelí vyrobených v tekutém stavu. Má vysokou pevnost v tahu i tlaku, velkou houževnatost a na rozdíl od svářkové oceli má téměř stejné vlastnosti ve všech směrech namáhání. Zavedením Martinských pecí do hutní výroby na přelomu 19. a 20. století dochází k postupnému nahrazení dříve používaných svářkových ocelí. Tekutá ocel se z Martinských pecí odlévá pomocí licích pánví do kokil (ocelových forem) (obr. 2), a dále je ve formě ingotů (odlitků) zpracovávána ve válcovnách na válcované profily. Stavební oceli obsahují cca 0,1 až 0,2 % uhlíku, 0,5 až 1,5 % manganu a 0,3 až 0,55 % křemíku – v závislosti na třídě oceli. Tažnost je 20 až 30 %, pevnost v tahu 370 až 520 MPa.

Rekonstrukce ocelových konstrukcí – stanovení materiálových charakteristik
Při rekonstrukcích ocelových konstrukcí se tedy můžeme setkat s různými druhy materiálů, které se výrazně liší svými vlastnostmi. Pokud dochází k zásahům do nosné konstrukce – ať již formou změny zatížení, změny geometrie konstrukce, přidáním nebo ubráním nosných prvků – je statik povinen v souladu s ČSN 73 00 38 a ČSN ISO 13822 provést přepočet konstrukce. Přepočet a vlastní posouzení ocelové konstrukce musí odpovídat současně platným normám a celý koncept výpočtu musí být proveden podle jednotné metodiky (např. určení zatížení podle ČSN 73 00 35 a posudek ocelové konstrukce podle ČSN 73 14 01:1998
nebo zatížení podle ČSN EN 1991-1- x a posudek podle ČSN EN 1993-1- x).

Minimální znalostí projektanta o ocelové konstrukci musí být doba jejího vzniku, potom lze při určení materiálových vlastností postupovat v souladu s ČSN ISO 13822. Podle této normy se u konstrukcí postavených do konce roku 1894 vždy předpokládá, že byly zhotoveny ze svářkového železa nebo litiny. U konstrukcí postavených od počátku roku 1895 až do konce roku 1905 je nutno zjistit, zda bylo použito svářkové nebo plávkové železo nebo litina. Musejí se provést materiálové zkoušky a jejich vyhodnocení podle ČSN ISO 13822. U konstrukcí postavených po roce 1906 se předpokládá, že byly postaveny z plávkové oceli nebo litiny.

Pro orientační materiálové charakteristiky lze použít tabulku ND. 1 z normy ČSN ISO 13822 (dovolená namáhání materiálu) pro ocelové konstrukce, případně tabulku ND. 2 pro litinu. Podle tabulky ND. 1 je například možno uvažovat pro konstrukce realizované do roku 1900 orientační návrhovou pevnost 180 MPa. Pro konstrukce realizované v období 1905 až 1929 orientační návrhovou pevnost 200 MPa. Mez kluzu je nutno ověřit na vzorcích.

Stanovení svařitelnosti konstrukce závisí na rozboru chemického složení oceli. Svářkové oceli s nízkým obsahem uhlíku jsou obtížně svařitelné, nehledě na nízkou pevnost v příčném směru, kde je především požadavek kolmého svarového přípoje.

Příkladem může být rekonstrukce (nástavba a změna účelu využití) přádelny postavené v roce 1890. Nosnou konstrukci tvořil ocelový skelet s litinovými sloupy a ocelovými průvlaky. Nové přípoje na stávající průvlaky byly v projektu navrženy jako šroubované. Požadavkem prováděcí firmy bylo prověření svařitelnosti materiálu, protože svarové přípoje by výrazně snížily staveništní pracnost. Z chemického rozboru provedeného ve Strojírenském zkušebním ústavu na souboru deseti vzorků vyplynulo, že obsah uhlíku ve vzorcích je nižší než 0,06 %, tedy že se jedná o svářkové železo. Projektant svarové přípoje na základě chemického rozboru nedoporučil (obr. 3).

Prostorová tuhost ocelových konstrukcí
Ocelové vícepodlažní skelety
Nosné konstrukce vícepodlažních budov provedených jako ocelové skelety musejí přenášet zatížení působící ve svislém směru (vlastní váha, ostatní stálé zatížení, nahodilé užitné zatížení) a ve vodorovném směru (vítr, technická nebo přírodní seismicita, technologické zatížení). V současné době se ocelové skelety navrhují:

• s kloubovými přípoji styčníků a s příhradovými ztužidly,
• s rámovými styčníky,
• s kloubovými styčníky a betonovým výztužným jádrem.

U novostavby je volba ztužujícího systému součástí koncepce návrhu. U systémů se ztužidly se vychází při rozmístění ztužidel z požadavků statických (symetrie uspořádání, zajištění tuhosti ve dvou kolmých směrech, dimenze profilů s ohledem na přenášení tahových nebo i tlakových sil v diagonálách). Konečné tvarové a dispoziční uspořádání ztužidel je vždy kompromisem s ostatními stavebními profesemi. Pravidelný tvar ztužidel je často narušený požadavky na dveřní, okenní nebo technologické prostupy, které však nesmějí snižovat účinnost ztužidel (obr. 4).

Rámová ztužidla jsou náročnější na detaily. Rámový styčník je zpravidla předem připravený v dílně a na stavbě je provedený pouze montážní přípoj mimo tento styčník. Pozice montážního přípoje se volí do místa minimálních vnitřních sil (ohybový moment od rozhodujícího zatížení). Rámová ztužidla vzhledem k nutnosti přenášet normálové síly i ohybové momenty jsou ve srovnání s příhradovými masivnější. Používají se hlavně tam, kde z dispozičních důvodů není možný jiný způsob zavětrování (obr. 5).

Obr. 4: Ocelová konstrukce před opláštěním. Podélný sloupec ztužidel s nepravidelným uspořádáním v místě napojení potrubního mostu v posledním podlaží a vjezdovými vraty v přízemí	Obr. 5: Rámové ztužení v podélném směru u vícepodlažní technologické konstrukce

U historických ocelových skeletů se set­káváme se zajištěním prostorové tuhosti pomocí obvodových masivních zděných stěn. Vnitřní nosný skelet má kloubové styčníky, obvodové sloupy jsou nahrazeny zděnými stěnami. Při rekonstrukcích a zásazích do takovýchto vícepodlažních skeletů je nutno posoudit, jakým způsobem se změní namáhání nosných prvků.

Při rekonstrukci bývalého cukrovaru z kon­ce 19. století byl požadavek na odstranění části vnitřního skeletu z důvodů umístění válcového sila do budovy. Ocelový skelet zajišťoval stabilitu obvodových stěn, které tvořily sloupce zdiva oslabené velkými okenními otvory. Vzpěrná délka obvodových stěn se po odstranění části skeletu změnila a obvodové stěny nebyly schopny jako volné konzoly přenášet vodorovná zatížení. Z tohoto důvodu byla ocelová konstrukce doplněna pomocnými vzpěrami. Odstraněním části ocelového skeletu se změnily i vzpěrné délky ocelové konstrukce a zvýšilo se riziko vybočení zbývajících ocelových sloupů. Stabilita vestavěného skeletu byla zajištěná vestavbou ocelové konstrukce pro potrubní most (obr. 6 až 8).

Obr. 6: Odstraněná část vestavěného ocelového skeletu	Obr. 7: Vzpěry k zajištění stability obvodových stěn	Obr. 8: Zajištění podélné stability stávajícího ocelového skeletu vestavbou pro potrubní most

Halové konstrukce
Prostorová tuhost musí být zajištěná i u halových staveb. Rozmístění a tvar ztužidel je daný volbou statického schématu celé haly. Obecně platí, že ztužení musí být situováno v rovině střešní a ve dvou kolmých svislých rovinách. Ztužení v rovině střechy zajišťuje spolupůsobení jednotlivých příčných vazeb. V odůvodněných případech je možné tuhou střešní rovinu vytvořit střešním pláštěm. U těžkých betonových prefabrikovných plášťů je nutné zajistit smykové spolupůsobení jednotlivých panelů. Častějším případem u ocelových hal je použití trapézových plechů. Pokud jsou spoje plechů navrženy jako smykové, je možné i jejich využití pro vytvoření tuhé střešní roviny (obr. 9).

K zajištění stability tlačených pásů příhradových vazníků, ale i dalších typů prvků příčných vazeb, se často užívá svislých střešních ztužidel, buď vzpěrkové konstrukce nebo příhradoviny. Posudek vybočení z roviny je nezanedbatelnou součástí statického výpočtu.

Názorným příkladem způsobu porušení velkorozponových konstrukcí jsou zatěžovací zkoušky modelů, které se staly již tradiční soutěží pořádanou katedrou konstrukcí pozemních staveb pod záštitou děkana stavební fakulty ČVUT v Praze a ČKAIT. Zatěžovací zkoušky modelů jsou v prvním kole prováděny na předem definované zatížení, které musejí modely přenést. Ve druhém kole jsou modely zatěžovány až do porušení. Porušení modelů je ve velké většině způsobeno právě ztrátou stability z roviny konstrukce (obr. 10 a 11).

S ohledem na statické působení rozdělujeme halové konstrukce na:

• převážně ohýbané (vazníkové haly s pros­tě uloženými vazníky na sloupy nebo rámové haly),
• převážně tlačené (obloukové konstrukce),
• převážně tažené (visuté lanové konstruk­ce bez ohybové tuhosti nosných lan).

Návrh ztužení ve svislé rovině se liší u halových systémů nejen podle statického schématu příčné vazby, ale i podle použití ztužujících prvků. U rámových a většiny tlačených (obloukových) konstrukcí funkci příčného ztužení přebírá samotná příčná vazba (obr. 12).

Vazníkové haly s kloubovým napojením vazníku na sloup musí mít ztužení i v příčném směru. Funkci příčného ztužení často přebírají štítové konstrukce (vyzdívky, obvodový plášť), které musejí být součástí nosného systému haly, a nelze je, např. při rekonstrukcích, odstranit bez náhrady. V podélném směru je svislé ztužení nutné u všech typů konstrukčních systémů. Jeho pozice odpovídá zpravidla pokračování příčného střešního ztužidla.

Některé úsporné konstrukce ocelových hal využívají k zajištění tuhosti i v podélném směru prvků obvodového pláště. I v tomto případě platí, že plášť se stává nedílnou součástí nosného systému a musí být dimenzovaný na účinky vodorovných sil působících v podélném směru. Tento typ obvodového pláště není možné bez staticky adekvátní náhrady v budoucnu odstranit.

Závěr
Rekonstrukce starších ocelových konstrukcí vyžaduje dostatečné znalosti o použitých materiálech, které je v mnoha případech možné získat pouze odzkoušením vzorků ve zkušebně. Je nutno pečlivě uvážit i zásahy do nosných konstrukcí, a to jak z hlediska řešení přípojů, tak z hlediska celkové stability konstrukce. Při návrhu nových konstrukcí je nutno postupovat podle současně platných norem.

doc. Ing. Hana Gattermayerová, CSc.
Foto: archiv autorky

Autorka působí na Katedře konstrukcí pozemních staveb Fakulty stavební ČVUT v Praze.

Literatura
1. Gattermayerová, H.: Syllaby přednášek Building Structures 3. Praha: Stavební fakulta ČVUT v Praze, 2009.
2. Hala roku 2005, 2008 – studentské soutěže pořádané Katedrou konstrukcí pozemních staveb Stavební fakulty ČVUT v Praze.
3. Projekční firmy Atelier PHA a Chemoprag – dokumentace a fotografie z realizací staveb.
4. Wikipedia, otevřená encyklopedie.

Článek byl uveřejněn v časopisu Realizace staveb.