Stavební ocel ve vodohospodářských stavbách: Komplexní přehled

Konstrukční ocel je oblíbeným stavebním materiálem, který se často používá spolu s betonem k vytváření působivých staveb s dlouhou životností. Mezi hlavní důvody jejího použití patří její všestrannost, udržitelnost a flexibilita, stejně jako fakt, že se jedná o cenově dostupný materiál. Díky vysokému poměru pevnosti a hmotnosti může ocel být ideálním řešením tam, kde jsou jiné materiály nevhodné. V následujících pojednáních představíme souhrn technických požadavků při specifikaci ocelového materiálu ocelových konstrukcí pozemního stavitelství nebo ocelových mostů. Zaměříme se na vlastnosti a specifika stavební oceli pro vodohospodářské stavby, včetně betonářské oceli, která je nezbytná pro stabilitu a odolnost těchto konstrukcí.

Výhody použití oceli ve stavebnictví

České stavebnictví je specifické tím, že jednoznačně dává přednost betonovým a železobetonovým konstrukcím před konstrukcemi z oceli. Nicméně, ocel jako stavební materiál má řadu výhod, které je vhodné zdůraznit:

• Rychlost výstavby: Ocelové konstrukce umožňují rychlou výstavbu, což přispívá ke zkrácení doby mezi zahájením stavby a uvedením do provozu a k hospodárnosti celé stavby. Jelikož je ocel vyrobena podle přesných rozměrů, je montáž poměrně jednoduchým procesem spojování konstrukčních prvků na staveništi. Minimalizací dopadu na místní oblast a urychlením procesu výstavby lze dosáhnout mnoha úspor nákladů.
• Nízká hmotnost: Díky nízké hmotnosti tohoto materiálu, která má příznivý vliv na velikost stálého zatížení základů a podloží, může ocel snižovat i nároky na zakládání.
• Flexibilita a přizpůsobivost: Ocelové profily s dlouhým rozpětím lze použít k vytvoření velkých otevřených prostor, které lze snadno přizpůsobit, což je činí velmi flexibilními z hlediska využití. Tyto prostory lze snadno rozdělit pomocí dočasných nebo flexibilních příček a později je měnit podle požadavků budovy s minimálními náklady, demolicí a narušením. Ocel se také dodává v různých velikostech a hmotnostech, díky nimž je vhodná pro širokou škálu použití ve stavebnictví v závislosti na zatížení a požadovaném výsledku.
• Estetický vzhled: Z vizuální stránky nelze opomenout příznivý vzhled detailů ocelové konstrukce ve spojení s dalšími oblíbenými a moderními konstrukčními materiály, jako jsou sklo, hliník a dřevo.
• Udržitelnost a recyklovatelnost: Ocel je přírodní materiál (surovinovým zdrojem je železná ruda) a nezatěžuje životní prostředí škodlivými vlivy. Ve srovnání s jinými konstrukčními materiály je energetická náročnost poměrně nízká. Neobyčejnou silnou zbraní oceli ve světě soudobých, neustále se zpřísňujících ekologických požadavků je bezkonkurenční recyklace, která probíhá v nekonečném koloběhu. Prefabrikované a vysoce přesné ocelové konstrukce také umožňují snadnou a bezodpadovou montáž na staveništi, čímž se zkracuje doba výstavby i množství materiálů ukládaných na skládky.
• Adaptabilita na změny: Ocelová konstrukce je lépe než ostatní materiály připravena splnit i požadavky na úpravy v průběhu výstavby, které jsou často vyvolány změněnými či zvýšenými požadavky stavebních profesí nebo objednatele.

Specifikace ocelového materiálu

Většinu technických požadavků na materiál stanovuje projektant ocelové konstrukce v jednotlivých stupních projektové dokumentace. Úplná specifikace ocelového materiálu musí být obsažena v dokumentaci pro zadání stavby, která slouží pro výběr zhotovitele ocelové konstrukce. V dokumentaci pro zadání stavby musí být uvedeny následující údaje:

• Značka a jakostní stupeň oceli
• Chemické složení oceli
• Mechanické vlastnosti oceli
• Dodací podmínky
• Technologické vlastnosti
• Vnitřní jakost
• Jakost povrchu
• Požadavky na kontrolu a zkoušení a dokumenty kontroly

Kromě těchto základních požadavků existuje ještě celá řada volitelných požadavků obsažených v objednávce ocelového materiálu, které se uplatní v případě nutnosti. Zhotovitel ocelové konstrukce musí ve své nabídce na dodávku konstrukce tyto požadavky respektovat. Investor potom ve všech fázích přejímek kontroluje, zda technické požadavky na materiál byly skutečně dodrženy.

Druhy ocelí a jejich vlastnosti

Uklidnění oceli

Výsledkem metalurgického procesu v ocelárně může být (v závislosti na použitém způsobu desoxidace) ocel neuklidněná (způsob desoxidace označený dle ČSN EN 10025 jako FU), ocel uklidněná (desoxidace FN) nebo ocel plně uklidněná (desoxidace FF). Uklidnění oceli příznivě ovlivňuje svařitelnost oceli. Plně uklidněná ocel, na rozdíl od oceli uklidněné, obsahuje prvky, které vážou dusík, a tím je navíc zabráněno stárnutí oceli. Na svařované nosné ocelové konstrukce se používají jakostní oceli QS, pro které se převážně požaduje plně uklidněná ocel. Jakostní ocel QS je požadována pro oceli jakostních stupňů J0, J2 a K2.

Čtěte také: Vlastnosti modřínového stavebního dřeva

Chemické složení

Chemické složení pro jednotlivé druhy konstrukčních ocelí je uvedeno v příslušné části ČSN EN 10025. Při objednávce ocelového materiálu lze dohodnout dodatečné požadavky na maximální hodnotu uhlíkového ekvivalentu CEV stanovenou z rozboru tavby nebo požadavky na množství legujících prvků. Uhlíkový ekvivalent ovlivňuje svařitelnost konstrukce a jeho maximální hodnotu určuje projektant.

Mechanické vlastnosti

Mez kluzu a mez pevnosti

Ze statického výpočtu vyplývá požadavek na hodnotu meze kluzu fy a meze pevnosti oceli fu. Odpovídající volba oceli je vyjádřena značkou oceli, např. S235, S355 atd. Značka oceli je shodná s charakteristickou hodnotou meze kluzu. Projektant při návrhu ocelové konstrukce značku oceli volí a statickým výpočtem prokazuje, že zvolená ocel vyhovuje všem mezním stavům únosnosti a použitelnosti. K dispozici jsou oceli značky S235, S275, S355, S420 a S460. V odůvodněných případech lze využívat i oceli vysokých pevností s mezí kluzu až do 1000 MPa. Při návrhu ocelové konstrukce se v České republice stále ještě používá ocel S235. Nejen v zahraničí se však již delší dobu běžně používají oceli s vyšší mezí kluzu S355 a S420. Použití těchto ocelí je ve většině případů ekonomicky výhodnější, zvláště pokud o návrhu jednotlivých prvků konstrukce nerozhodují stabilitní jevy (vzpěr, boulení, klopení apod.). Ocel S235 se používá pro nenosné a doplňkové konstrukce. Trend pro používání ocelí s vyšší mezí kluzu platí pro konstrukce pozemního stavitelství i pro ocelové mosty. Volba oceli s vyšší mezí kluzu umožňuje navrhovat svařované průřezy z menších tlouštěk plechů, což příznivě ovlivňuje křehkolomové vlastnosti.

Vrubová houževnatost

Druhou důležitou materiálovou vlastností je vrubová houževnatost oceli, která se zjišťuje zkouškou rázem v ohybu podle ČSN EN 10045-1. Touto zkouškou se měří množství práce na přeražení vzorku při definované zkušební teplotě. Pro běžné stavební ocelové konstrukce postačuje hodnota 27J. Pro konstrukce výrazně dynamicky namáhané se požaduje hodnota 40J. Jak je všeobecně známo, hodnota vrubové houževnatosti se snižuje s klesající teplotou. Proto se požaduje dostačující vrubová houževnatost pro nejnižší provozní teplotu konstrukce. Nejnižší teplota pro ocelové mosty je −35 ºC, pro spřažené ocelobetonové mosty −25 ºC. Vrubová houževnatost oceli se označuje jakostním stupněm na 5. a 6. místě v alfanumerickém znaku oceli, např. SxxxJ0 nebo SxxxK2. Písmeno J označuje ocel, která vykazuje při zkoušce vrubové houževnatosti 27J a písmeno K odpovídá hodnotě 40J. Na 6. místě znaku se udává zkušební teplota při zkoušce vrubové houževnatosti. Písmeno R odpovídá teplotě +20 ºC, číslice 0 odpovídá teplotě 0 ºC, číslice 2 odpovídá teplotě −20 ºC. Minimální hodnota nárazové práce 27J resp. 40J platí pro tloušťky materiálu od 10 do 150 mm.

Nelegované oceli podle ČSN EN 10025-2 jsou dodávány v jakostních stupních JR, J0, J2 a K2. Pro běžné stavební ocelové konstrukce se požaduje hodnota nárazové práce 27J, která je zaručena u jakostních stupňů JR, J0 a J2.

Jemnozrnné oceli normalizačně žíhané nebo normalizačně válcované podle ČSN EN 10025-3 jsou dodávány ve stupni N nebo NL. Pro oceli stupně N je minimální hodnota nárazové práce při zkoušce vrubové houževnatosti 40J při zkušební teplotě −20 ºC a pro oceli stupně NL je hodnota 27J při teplotě −50 ºC a 40J při teplotě −30 ºC. Tyto hodnoty nárazové práce platí pro tloušťky do 150 mm, u oceli S460 do tloušťky 100 mm. Normalizačně žíhané/normalizačně válcované svařitelné jemnozrnné konstrukční oceli dodávané podle ČSN EN 10025-3 jsou vyráběné buď normalizačním žíháním nebo normalizačním válcováním. Oba tyto výrobní procesy vedou k ekvivalentnímu stavu materiálu a platí pro ně tudíž jedna norma, která specifikuje čtyři značky oceli S275, S355, S420 a S460. Všechny značky oceli mohou být dodány s minimálními hodnotami nárazové práce při teplotách do −20 °C označované jako N nebo do −50 °C označované jako NL. Jemnozrnné konstrukční oceli N a NL podle ČSN EN 10025-3 byly speciálně vyvinuty pro vysoce namáhané svařované konstrukce za nízkých teplot. Jejich výhoda se uplatní zvláště při svařování na montáži při nepříznivých klimatických podmínkách, protože se ve většině případů nemusí provádět předehřev. Ocelové prvky z jemnozrnných ocelí jsou dále méně náchylné na vznik deformací od svařování, čímž lze ušetřit náklady na rovnání.

Čtěte také: Žádost o stavební povolení

Stejnou vrubovou houževnatost mají jemnozrnné oceli termomechanicky válcované ve stupni M a ML, které jsou dodávané podle ČSN EN 10025-4. Termomechanicky válcované svařitelné jemnozrnné oceli podle ČSN EN 10025-4 jsou vyráběné řízeným procesem válcování. Specifické chemické složení oceli a doválcování za nízké teploty vede na jemnozrnnou strukturu oceli, která má nízký uhlíkový ekvivalent (příznivě ovlivňuje svařitelnost), dobré křehkolomové vlastnosti (umožňuje použití větších tlouštěk materiálu) a má dobré vlastnosti pro následné tváření za studena (ohýbání, lemování apod.). Norma ČSN EN 10025-4 určuje čtyři značky oceli S275, S355, S420 a S460, které mohou být dodány s minimálními hodnotami nárazové práce do −20 °C označované jako M nebo do −50 °C označované jako ML.

Oceli se zvýšenou odolností proti atmosférické korozi podle ČSN EN 10025-5 jsou dodávané ve stupních J0, J2 a K2. Zvýšené odolnosti oceli proti atmosférické korozi je dosaženo přidáním určitého množství legujících prvků (fosfor, měď, chrom, nikl, molybden aj.). Vlivem těchto legujících prvků a povětrnostních podmínek se vytváří na povrchu základního materiálu ochranná vrstva oxidů, tzv. patina, která brání další korozi.

Lamelární praskavost

Další mechanickou vlastností ocelových výrobků (týká se ocelových plechů, široké oceli a ocelových tvarových tyčí) je lamelární praskavost. Při namáhání kolmo k povrchu (ve směru tloušťky) vykazují tyto výrobky jiné deformační vlastnosti, než při namáhání působícím rovnoběžně s povrchem. V důsledku této anizotropie může docházet u svařovaných konstrukcí k lamelární praskavosti. Vznik lamelární praskavosti závisí hlavně na deformačních vlastnostech ocelového výrobku, dále pak na druhu konstrukce, na druhu svarového spoje a postupu při svařování. Charakteristickou veličinou pro vlastnosti ve směru tloušťky je minimální hodnota kontrakce při zkoušce tahem. Kontrakce je obecným vodítkem pro odolnost proti lamelární praskavosti, protože nebezpečí lamelárního praskání se zmenšuje s přibývající kontrakcí při zkoušce tahem na zkušebních tělesech odebraných kolmo k povrchu výrobku. Vlastnosti ve směru tloušťky je možné zlepšit dodatečnými opatřeními při výrobě oceli. Norma ČSN EN 10164 zavádí tři jakostní třídy: Z15, Z25 a Z35. Číslo ve značce odpovídá minimální kontrakci při zkoušce tahem. U plechů a pásů platí hodnota pro celý výrobek, u tvarových tyčí platí buď pro přírubu nebo stojinu, podle místa odběru zkušebního vzorku. Při specifikaci vlastností ocelového materiálu běžně stačí jakostní třída Z15. Pouze pro důležité prvky namáhané kolmo k povrchu se požaduje jakostní třída Z25.

Lomová houževnatost

Významnou mechanickou vlastností je lomová houževnatost. Lomová houževnatost není však pouze materiálovou vlastností. Podmínky pro vznik křehkého lomu ovlivňují také: provozní teplota, mez pevnosti, jakostní stupeň, napětí v posuzovaném místě, rychlost deformace od zatížení, tloušťka materiálu a konstrukční detail. Při volbě materiálu ocelové konstrukce je zapotřebí vytvořit takové podmínky, aby vznik křehkého lomu v konstrukci byl vyloučen. K tomu účelu je možné použít normu ČSN EN 1993-1-10, která uvádí maximální použitelné tloušťky materiálu v závislosti na druhu oceli, jakostním stupni, provozní teplotě a na dosaženém napětí. Hodnoty maximálních tlouštěk uvedené v tabulkách vycházejí z určitého konstrukčního detailu (detail kategorie únavové pevnosti 56 dle ČSN EN 1993-1-9 s poloeliptickou trhlinou) a z hodnoty tahového napětí od reziduálního pnutí o velikosti 100 MPa. Obecně existuje závislost mezi lomovou houževnatostí a vrubovou houževnatostí. I z toho důvodu výše citované tabulky obsahují požadované hodnoty nárazové práce při zkoušce vrubové houževnatosti pro jednotlivé jakostní stupně oceli. Pro stanovení rychlosti šíření trhliny a kritické délky trhliny je nutná znalost lomové houževnatosti v závislosti na všech výše uvedených parametrech, přičemž hodnota lomové houževnatosti není všeobecně známá pro všechny výše uvedené parametry. V praxi se postupuje tak, že se nejdříve zvolí značka oceli a její jakostní stupeň v závislosti na předpokládané největší tloušťce. Na základě výsledků statického výpočtu se zkontroluje největší navržená tloušťka plechu v závislosti na maximálním dosaženém napětí a provozní teplotě dle tab. 2.1 ČSN EN 1993-1-10 ed. 2.

Technologické vlastnosti

Mezi technologické vlastnosti oceli požadované projektem patří svařitelnost a případně vhodnost pro žárové zinkování nebo tváření za tepla nebo za studena. Svařitelnost je základním požadavkem pro všechny moderní ocelové konstrukce. Svařitelnost je ovlivněna druhem materiálu, rozměrem a postupem svařování. Pro svařované nosné ocelové konstrukce se používá plně uklidněná ocel a volí se jakostní ocel QS. Všechny jakostní oceli QS jsou svařitelné. Svařitelnost je závislá na jakostním stupni oceli a vzrůstá od jakostního stupně J0 do stupně K2. Přednostně se volí materiál takové jakosti a tloušťky, aby nebylo nutné při svařování předehřívat. Takové materiály jsou dnes běžně k dispozici. Pokud mají být v ocelové konstrukci použity prvky, které budou při výrobě konstrukce tvářené za tepla a mají být v těchto prvcích i po tváření dodrženy základní materiálové vlastnosti oceli (mez kluzu a vrubová houževnatost), tak je nutné objednat ocelový materiál v normalizačně žíhaném nebo normalizačně válcovaném stavu, označený písmenem N.

Čtěte také: Stavební řezivo Brno: Průvodce

Vnitřní jakost

Nejběžnější vnitřní vadou je zdvojení plechu. Takový plech se v místě zdvojení chová jako dvouvrstvý, což snižuje jeho ohybovou tuhost a umožňuje rozdvojení plechu. Proto je tato vada nepřípustná v místech namáhání plechu kolmo k jeho povrchu (např. v místě křížového styku) a hlavně v tlačených částech průřezu (tlačené pásnice a tlačené části stěny ohýbaných nosníků, stěny a pásnice tlačených svařovaných prutu), které by v důsledku zdvojení mohly boulit. Zdvojení plechů se kontroluje ultrazvukovou zkouškou podle ČSN EN 10160. Tato norma definuje 5 klasifikačních stupňů při plošném zkoušení plechů a 4 klasifikační stupně při zkoušení okrajů plechů. Číselně vyšší stupeň charakterizuje větší vady. V místech namáhání plechu kolmo k jeho povrchu, tj. např. v místě křížového styku, se vyžaduje alespoň klasifikační stupeň 2. Pro tlačené části průřezu, které by v důsledku zdvojení mohly boulit, se požaduje alespoň klasifikační stupeň 3. V obou případech se tudíž musí v objednávce materiálu předepsat plošná zkouška ultrazvukem, velikost rastru pro zkoušku a požadovaný klasifikační stupeň. Dále se kontrolují ultrazvukovou zkouškou okraje plechů, které jsou určeny ke svařování.

Jakost povrchu

Požadavky na jakost povrchu ocelových plechů a široké oceli válcovaných za tepla, a ocelových tyčí tvarovaných za tepla jsou stanoveny v ČSN EN 10163-1 až 3. Jsou zde uvedeny požadavky na druh, dovolenou hloubku a dovolenou velikost ovlivněné povrchové zóny u necelistvostí (nedokonalostí a vad) a v místech, kde byly vady odstraněny (vybroušením nebo zavařením). Podle této normy jsou nedokonalosti takové povrchové necelistvosti, jejichž hloubka a velikost nepřesahuje mezní hodnotu a nemusí se odstraňovat. Naopak vady jsou povrchové necelistvosti, jejichž hloubka a velikost přesahuje mezní hodnotu a proto musí být odstraněny. Norma obsahuje popis nejčastěji se vyskytujících povrchových necelistvostí a způsoby pro odstraňování povrchových vad.

Betonářská ocel ve vodohospodářských stavbách

Zjednodušeně lze říci, že betonářská ocel se používá u všech staveb, které mají betonovou konstrukci. Moderní stavebnictví bez tohoto materiálu se neobejde. U mostů betonářská ocel zvyšuje odolnost mostní konstrukce proti dynamickým silám a velkému zatížení. U výškových budov se betonářská ocel používá pro výztuž nosných konstrukcí, jako jsou sloupy, desky a stěny. Stejné účely betonářská ocel plní i v tunelech, kde musí, mimo jiné, zajišťovat stabilitu a odolnost proti působení okolního prostředí. Výztuže z betonářské oceli se používají i při stavbě přehrad, nádrží a dalších vodních staveb, kde musí odolávat působení vody a dalších vnějších vlivů, které působí na tyto stavby.

Evropská unie se snaží již delší dobu v rámci odstranění překážek volného obchodu na jednotném trhu EU o sjednocení norem pro betonářskou výztuž a o unifikaci vyráběných betonářských ocelí. V současné době se v rámci Evropské unie vyrábí více než 40 druhů betonářské výztuže. Proto snaha o unifikaci vyráběných betonářských výztuží naráží na odpor výrobců, kteří jsou ochotni přistoupit na změny až po dožití stávajících zařízení. Díky vstřícné spolupráci odborů sektorové expertízy a průmyslové politiky a stavebnictví a stavebních hmot MPO a TZÚS Praha (Technický a zkušební ústav) došlo po dohodě všech zainteresovaných stran k řešení. Zmíněný TZÚS byl ministerstvem pověřen k činnostem nezbytným pro zajišťování označování výrobců betonářské oceli a jejich evidenci.

K certifikaci a označování betonářských ocelí dochází následujícími způsoby:

• Certifikace konkrétních výrobků z betonářských ocelí: je prováděna akreditovanými zkušebnami, které výrobek zkoumají z pohledu souladu mechanických a dalších vlastností s požadavky příslušných výrobkových norem, případně požadavků odběratelů, které jsou součástí hospodářských smluv. Výsledkem procesu je certifikát výrobku s omezenou dobou platnosti (většinou na tři roky), který výrobce na konkrétní výrobek dostane.
• Označování výrobku (identifikační znak výrobny): slouží pro identifikaci konkrétního výrobce, který dodává na trh. Je možno dodávat na trh i bez tohoto značení, pouze s vydaným certifikátem výrobku. V případě havárie konstrukce nebo jiné mimořádné události neexistence tohoto označení neumožňuje identifikovat výrobce, a tím i možného viníka této havárie.

V současné době jsou na trh v České republice dodávány výrobky z betonářských ocelí, které mají certifikát výrobku podle normy ČSN 42 0139, případně na základě stavebně technického osvědčení (STO).

Zatížení a stabilita ve vodohospodářských konstrukcích

Vodohospodářské konstrukce, jako jsou přehrady a nádrže, jsou vystaveny specifickým zatížením a vyžadují zvláštní pozornost při návrhu ocelových prvků. Kromě statického zatížení vodou je nutné zohlednit dynamické síly, kroucení a stabilitu průřezů namáhaných ohybem a tlakem, zejména boulení stěny. Pro tyto konstrukce je klíčové správné navrhování nosných systémů hradících konstrukcí a řešení detailů spojů a výztuh. Důležité je také volit ocelové prvky, které odolají agresivnímu prostředí vody a dalším vnějším vlivům. Při návrhu je nutné dbát na profily a minimální rozměry, spoje a stabilitu průřezů namáhaných ohybem a tlakem.

tags: #stavebni #ocel #u #vodohospodarskych #staveb #informace

Oblíbené příspěvky:

• Jak si vyrobit betonové dekorace doma
• Údržba mramorové dlažby
• Výhody betonových garáží na klíč
• Průvodce pokládkou dlažby krok za krokem
• Vše o stylových podlahách Wineo Supellex zde