1. Structuri metalice - ce trebuie să știți?

1.1. În general despre structurile de oțel

Datorită numeroaselor lor avantaje, construcțiile din oțel sunt în competiție cu alte materiale de construcție comune, în special beton, de mai bine de un secol. Cu toate acestea, structurile din oțel sunt folosite și astăzi pentru ridicarea clădirilor publice mai mari, în special a clădirilor cu mai multe etaje, a blocurilor sau a halelor sportive și a altor hale și săli cu deschideri mari de acoperiș. Datorită prețului relativ ridicat al oțelului și a greutății mari a grinzilor, investiția într-o structură din oțel merită cel mai mult pentru clădirile de această dimensiune, în timp ce pentru mai mici nu are sens.

1.2. Structuri din oțel sau metal?

Mai întâi trebuie făcută o distincție între structurile din oțel și cele metalice. Construcții metalice se mai numesc și cele din aluminiu, fier și oțel. Dacă se spune că clădirea este o construcție metalică, de fapt, nu s-a spus încă nimic despre aceasta, deoarece este necesar să se specifice despre ce metal este vorba. Astăzi, construcțiile din fier sunt un lucru al trecutului, deoarece au fost înlocuite cu cele din oțel, iar cele din aluminiu sunt utilizate doar pentru anumite părți ale clădirilor, din nou din cauza prețului foarte ridicat și foarte rar pentru întreaga construcție.

1.3. Oțel

Pe lângă diferența dintre termenii de structură metalică și cea din oțel, este important să înțelegem diferența dintre fier și oțel. Oțelul este fier rafinat. Este un aliaj de fier la care, printre alte elemente de aliere, s-a adăugat carbonul ca cel mai important element. Deși există foarte puțin, de obicei mai puțin de 2%, această cantitate afectează semnificativ proprietățile oțelului.

1.4. Istoria utilizării oțelului

Oțelul a început să fie utilizat pe scară largă la sfârșitul secolului al XIX-lea, când progresul tehnologic și cunoașterea procesării metalelor au făcut posibilă descoperirea fierului cu proprietăți de construcție mai bune - oțelul. Înainte de acea perioadă, structurile din oțel nici măcar nu existau, deoarece toate erau din fier. În secolul al XIX-lea, oțelul a fost folosit pentru prima dată în stilul Art Nouveau sau în perioada de secesiune, unde oțelul și fierul erau combinate într-un mod extrem de expresiv, decorativ. Ornamentele florale și geometrice erau foarte populare și serveau atât ca elemente de susținere, cât și ca ornament. La sfârșitul secolului al XIX-lea, însă, a avut loc o altă mare schimbare în construcții: descoperirea betonului armat, care a fost, de fapt, posibilă prin invenția oțelului. Inginerul francez François Hennebique a fost unul dintre primii care a explorat posibilitățile de combinare a betonului cu armătura din oțel și a oferit linii directoare pentru structurile din beton armat. Armătura din oțel, care suportă tensiuni și deformări liniare la întindere în beton, a permis întinderi uriașe de dale și grinzi de beton, ceea ce a dus la descoperirea unui plan de etaj liber în arhitectură în timpul modernismului, la începutul secolului al XX-lea.

1.5. Structuri din oțel în construcții

La șantier, structurile din oțel sunt asamblate prin îmbinarea profilelor de oțel. Prin urmare, este o structură scheletică compusă din multe elemente independente conectate în ansamblu. Toate profilele din oțel sunt modulare și sunt aduse cu camionul de la fabrică la șantier. Structurile din oțel constă din grinzi, coloane și stâlpi portanți din oțel.

1.6. Avantajele structurii din oțel

Structurile din oțel au multe avantaje. Cel mai mare avantaj al grinzilor din oțel este gama excepțională care poate fi realizată cu ajutorul acestora. Gama pe care le oferă este absolut cea mai mare în comparație cu alte materiale de construcție (beton armat, lemn). Un alt avantaj oferit de structurile din oțel este numărul de profiluri diferite cu variatele caracteristici, care permite o selecție largă în funcție de designul dat și de cerințele statice. Aceste două proprietăți fac din oțel unul dintre cele mai bune materiale pentru construirea structurilor complexe ale clădirilor mari. Al treilea avantaj al oțelului îl reprezintă, cu o protecție adecvată, o construcție care este practic indestructibilă și într-adevăr extrem de durabilă. Al patrulea avantaj, care nu este neglijabil, este procesul de construcție cu profilele din oțel, deoarece acestea sunt modulare și sunt aduse direct de la producție la șantier gata de asamblare și instalare. Spre deosebire de betonul armat care este turnat pe șantier, construirea are loc foarte repede și șantierul rămâne curat. Datorită procesului de asamblare, calitatea profilelor din oțel este, de asemenea, controlată la maxim. Nu în ultimul rând, trebuie remarcat și un alt lucru, contrar credinței populare, că oțelul este un material ecologic, deoarece poate fi complet reciclat.

1.7. Dezavantajele structurii din oțel

Cel mai evident dezavantaj al structurii din oțel este prețul ridicat al profilelor din oțel. Prin urmare, numai acele clădiri sunt construite din oțel, în care alte materiale nu ar putea realiza ceea ce pot proprietățile fizice și mecanice ale oțelului. Acest lucru este evident mai ales la clădirile mari. Un alt dezavantaj important al oțelului este greutatea sa, care în sine nu este o problemă, cu toate acestea, o greutate atât de mare exercită o presiune considerabilă asupra altor materiale din întreaga structură. Al treilea dezavantaj al oțelului este că, în ciuda protecției împotriva focului prin acoperiri de suprafață și contrar atitudinii general acceptate, nu este un material rezistent la foc, deoarece se topește la temperaturi ridicate create de foc. Posibilitatea unei compoziții slabe a aliajului este o slăbiciune care apare doar în mod excepțional, dar totuși este  o slăbiciune și poate duce la colapsul clădirilor și la mari probleme. Prin urmare, toate structurile din oțel sunt examinate cu ultrasunete sau cu raze X pentru a detecta astfel de defecte potențiale.

2. Proprietățile oțelului

2.1.Proprietăți fizice și mecanice generale

Oțelul este un material elastic cu modulul de elasticitate de 2,0-2,2 × 105 N / mm². Fierul pur are o duritate de numai 60 HRC, în timp ce oțelul atinge o valoare de până la 800 HRC datorită procesului de prelucrare (adăugare de carbon) și chiar până la 2.000 HRC dacă este prelucrat chimic. Oțelul are o rezistență la întindere de 4000 N / mm², care este de 20 de ori mai mare decât duritatea la întindere a fierului.

2.2. Rezistența la coroziune a oțelului

Rezistența la coroziune a oțelului poate fi adaptată la diferite cerințe, la fel cum proprietățile tehnologice pot fi ajustate. Pentru acest tip de rezistență de obicei se adaugă cromul (11%) la aliajele de oțel.

2.3. Modelarea oțelului

Oțelul poate fi format prin prelucrarea metalurgică, așa-numitul prin „procesele la cald”, adică prin forjare, turnare, presare sau laminare. „Procesele la rece” prin care se prelucrează oțelul sunt tragere, laminare, presare sau tăiere, dar se poate face și prin metalurgia pulberilor.

2.4. Oțel călit

Oțelul călit este o versiune întărită, formată prin tratament termic. Procesul are loc încălzind mai întâi oțelul până la punctul în care începe să se topească și apoi răcindu-l foarte repede. Acest proces formează o structură foarte dură numită martensită. Datorită răcirii foarte rapide în timpul procesului de întărire, apar forțări interne semnificative în material, ceea ce crește riscul de fisurare a obiectului care trebuie călit. Pentru a preveni acest lucru, obiectul procesat este „stins” rapid în ulei, apă sau aer, ceea ce îi conferă anumite proprietăți. Scopul principal al călirii oțelului este îmbunătățirea proprietăților, în acest caz în primul rând duritatea.

3. Profile din oțel

3.1. Profilele din oțel sunt produse semifabricate

Oțelul nu poate fi utilizat brut așa că toate elementele din oțel sunt semifabricate. Aceasta înseamnă că sunt produse în fabrică și apoi aduse cu camionul la șantier, unde structura dată este asamblată din ele. Semifabricatele au multe avantaje, cum ar fi profilele de înaltă calitate, deoarece, datorită controlului procesului de producție și a vitezei procesului de construcție, toate profilele sunt standardizate și definite cu precizie. Pentru un arhitect, acest lucru poate fi un dezavantaj, deoarece trebuie să își adapteze ideile despre aspectul construcției la materialul de care dispune, și nu invers.

3.2. Tipuri de profile din oțel

Există o serie de profile standardizate din oțel cu anumite proprietăți mecanice. Profilele din oțel sunt împărțite și diferențiate în funcție de secțiunea transversală, care sunt profilele I și IPE, subțiri și înalte, iar secțiunea lor transversală seamănă cu litera I. La aceste profile, înălțimea este semnificativ mai mare decât lățimea. Similar profilurilor IPE sunt profilurile HEA, H și HEB, care au o diferență mai mică între proporțiile de înălțime și lățime. Dacă profilurile IPE și I sunt remarcabil dreptunghiulare, profilurile HEA, H și HEB sunt mai pătrate. Profilurile IPE au dimensiuni de înălțime cuprinse între 8-60 cm, H și alte profile de 10-100 cm. În plus față de acestea, există profile numite cutii și țevi, precum și profile U și L, care pot fi identificate printr-o secțiune transversală tipică în formă de U sau L. La selectarea profilului participă de obicei un inginer static și / sau inginer civil specializat în oțel.

3.3. Eurocode 3

Toate tipurile de profile standard din oțel, proprietățile și cerințele în ceea ce privește dimensiunile și structurile lor, pot fi găsite în standardul "Eurocode 3 - standard pentru proiectarea structurilor din oțel".

3.4. Caracteristicile profilelor din oțel

Profilele din oțel au caracteristici fizice și mecanice foarte bune. Datorită caracteristicilor fierului, acestea pot conecta puncte foarte îndepărtate, deci se găsesc cel mai adesea în construcția acelor structuri care acoperă întinderea holurilor, podurilor, stadioanelor, aleilor, holurilor și facilităților similare. Unul dintre principalele avantaje ale profilelor este combinarea lor ușoară cu alte materiale, ceea ce permite flexibilitatea construcției. Pe de altă parte, sunt foarte ușor de întreținut, trebuie doar să le protejați de influențele externe. În caz contrar, va începe procesul de coroziune (ruginire) a oțelului.

3.5. Îmbinarea profilelor din oțel

Profilele din oțel sunt asamblate într-o structură scheletică prin sudare sau înșurubare. Decizia cu privire la un mod sau altul de operare este condiționată de cerințele statice și de aspectul final dorit. La înșurubare, șuruburile sunt întotdeauna vizibile, cu excepția cazului în care sunt acoperite cu alt material, iar în timpul sudării, linia de sudură rămâne vizibilă, dar în cele din urmă poate fi netezită, astfel încât să devină practic invizibilă. Profilele din oțel pot fi, de asemenea, îmbinate prin laminare și nituire.

4. Casa din structuri din oțel

Datorită prețului ridicat al oțelului, casele familiale din oțel sunt relativ rare. Structurile din oțel pentru casă sunt deosebit de rare în regiunea noastră, unde predomină materialele de construcție tradiționale precum cărămida și betonul armat. Cu toate acestea, casele cu structuri din oțel au fost construite încă din perioada modernismului, adică prima jumătate a secolului XX. Avantajul structurii scheletice din oțel este că permite un plan complet deschis, cu deschideri mari, pe care utilizatorii le aranjează în funcție de afinitățile, dorințele și nevoile proprii și care pot fi complet schimbate într-un timp foarte scurt dacă există modificări sau reutilizări. Cum pot fi casele din oțel este cel mai bine văzut în exemplele din arhitectură, cum ar fi casa Farnsworth, arhitectul Mies van der Roch și multe case din anii 1960, din perioada așa-numită „Case study houses”.

4.1. O combinație din oțel și lemn

Deoarece structurile din oțel sunt întotdeauna scheletice, acestea trebuie combinate cu alte materiale, care sunt utilizate pentru a delimita exteriorul și a aranja interiorul. Din punct de vedere istoric, oțelul a fost cel mai adesea combinat cu sticla (un exemplu în acest sens este Farnsworth Mies van der Roch). Această combinație este foarte modernă și curată, atât din punct de vedere estetic cât și din punct de vedere al modei, dar poate avea și un aspect rece. În ultimele decenii, oțelul a fost combinat foarte mult cu lemnul, care prin căldura sa înmoaie aspectul brut al acestui material. Lemnul aduce căldură spațiului și îl înmoaie, în timp ce oțelul conferă caracteristicile unui stil industrial. Cu toate acestea, în interior, o combinație de pereți Knauf de culoare albă și grinzi din oțel vizibile, în special stâlpi, este foarte frecventă.