1. Oceľové konštrukcie vo všeobecnosti

1.1 Oceľové konštrukcie

Vďaka svojim početným výhodám oceľové konštrukcie už viac ako storočie konkurujú iným bežným stavebným materiálom, najmä betónu. Oceľové konštrukcie sa však dodnes používajú na výstavbu väčších verejných budov, najmä viacpodlažných budov a mrakodrapov, športových a iných hál ako aj hál s veľkými rozpätiami striech. Vzhľadom na relatívne vysokú cenu ocele a vysokú hmotnosť oceľových nosníkov sa investícia do oceľovej konštrukcie najviac vyplatí pre budovy tejto veľkosti, pričom pre menšie budovy to často nemá zmysel.

1.2. Oceľové konštrukcie alebo kovové konštrukcie?

Najprv treba urobiť rozdiel medzi oceľovými a kovovými konštrukciami. Kovové konštrukcie môžu byť konštrukcie z hliníka, železa a ocele. Ak hovoríme, že budova je príkladom kovovej konštrukcie, v skutočnosti sme ešte nič o nej nepovedali, pretože musíme špecifikovať, o ktorý kov ide. Dnes sú železné konštrukcie minulosťou, pretože boli nahradené oceľovými konštrukciami a hliníkové konštrukcie sa kvôli veľmi vysokej cene hliníka používajú len pre určité časti budovy a veľmi zriedka pre celú konštrukciu.

1.3. Oceľ

Okrem rozdielu medzi pojmami kovová konštrukcia a oceľová konštrukcia je dôležité pochopiť aj rozdiel medzi železom a oceľou. Oceľ je rafinované železo. Ide o zliatinu železa, do ktorej bol okrem iných legujúcich prvkov ako najdôležitejší prvok pridaný uhlík. Aj keď ho je v oceli veľmi málo, spravidla menej ako 2 %, toto množstvo výrazne ovplyvňuje vlastnosti ocele.

1.4. História používania ocele

Oceľ sa začala široko používať koncom 19. storočia, keď technologický pokrok a znalosti spracovania kovov umožnili vynález železa s lepšími stavebnými vlastnosťami – oceľ. Dovtedy všetky konštrukcie boli zo železa. V 19. storočí sa oceľ začala používať najskôr v secesnom štýle alebo v secesnom období, používala sa v kombinácii so železom mimoriadne expresívnym a dekoratívnym spôsobom. Populárne boli kvetinové a geometrické ozdoby, ktoré slúžili ako nosná konštrukcia aj ako obyčajná ozdoba. Koncom 19. storočia však nastal v stavebníctve ďalší veľký posun: objav železobetónu, ktorý bol v skutočnosti umožnený vynálezom ocele. Francúzsky inžinier François Hennebique bol jedným z prvých, kto preskúmal možnosti kombinovania betónu s oceľovou výstužou a napísal pokyny pre železobetónové konštrukcie. Oceľová výstuž umožnila realizáciu betónových dosiek a nosníkov s veľkým rozpätím, čo viedlo k vynájdeniu voľného pôdorysu v architektúre počas modernizmu na začiatku 20. storočia.

1.5 Oceľové konštrukcie v stavebníctve

Na stavbe sa montujú oceľové konštrukcie spájaním oceľových profilov. Ide teda o skeletovú štruktúru stavbu pozostávajúcu z mnohých nezávislých prvkov spojených do celku. Všetky oceľové profily sú prefabrikované a z továrne ich privážajú na stavenisko nákladné autá. Oceľové konštrukcie pozostávajú z oceľových trámov, stĺpov a nosníkov.

1.6. Výhody oceľovej konštrukcie

Oceľové konštrukcie majú mnoho výhod. Najväčšou výhodou oceľových nosníkov je výnimočné rozpätie, na ktoré môžu byť použité. Rozpätia poskytované oceľovými nosníkmi sú absolútne najväčšie v porovnaní s inými stavebnými materiálmi (železobetón, drevo). Ďalšou výhodou, ktorú oceľové konštrukcie ponúkajú, je množstvo rôznych oceľových profilov s rôznymi vlastnosťami, ktoré umožňujú veľa možností výberu podľa rôznych konštrukčných a statických požiadaviek. Tieto dve vlastnosti robia z ocele jeden z najlepších materiálov na stavbu komplexných štruktúr veľkých budov. Treťou výhodou ocele je, že pri správnej ochrane je konštrukcia prakticky nezničiteľná a skutočne extrémne odolná. Štvrtou výhodou, ktorá nie je zanedbateľná, je postup stavby s oceľovými profilmi, ktoré sú prefabrikované a priamo z výroby dovezené na stavenisko v konečnej podobe, a potom sa už len na stavbe navzájom spájajú. Na rozdiel od železobetónu, ktorý sa vyhotovuje na stavbe, výstavba prebieha veľmi rýchlo a stavenisko zostáva čisté. Vďaka procesu prefabrikácie je tiež maximálne kontrolovaná kvalita oceľových profilov. V neposlednom rade tiež treba spomenúť, že na rozdiel od všeobecného presvedčenia je oceľ materiálom šetrným k životnému prostrediu, pretože sa dá úplne recyklovať.

1.7. Nevýhody oceľovej konštrukcie

Najzrejmejšou nevýhodou oceľovej konštrukcie sú vysoké náklady na oceľové profily. Preto sú z ocele postavené iba tie objekty, v ktorých by iné materiály nemohli dosiahnuť to, čo môžu fyzikálne a mechanické vlastnosti ocele. To je obzvlášť zrejmé na veľkých objektoch. Ďalšou zjavnou nevýhodou ocele je jej hmotnosť, ktorá sama o sebe nie je problémom, ale celá konštrukcia je dosť ťažká, a vyvíja značný tlak na ostatné materiály v celej štruktúre. Treťou nevýhodou ocele je, že napriek protipožiarnej ochrane povrchovými nátermi, nie je ohňovzdorným materiálom, pretože sa v prípade požiaru topí pri vysokých teplotách. Nevýhodou, ktorá je zriedkavá, je možnosť porúch v zliatine, ktoré by mohli viesť k zrúteniu budovy a obrovskej katastrofe, preto sa všetky oceľové konštrukcie kontrolujú ultrazvukovým alebo röntgenovým vyšetrením, aby sa zistili prípadné chyby.

2. Vlastnosti ocele

2.1. Všeobecné fyzikálne a mechanické vlastnosti

Oceľ je elastický materiál s modulom pružnosti 2,0 – 2,2 × 105 N/mm². Čisté železo má hodnotu tvrdosti iba 60 HV, zatiaľ čo oceľ dosahuje vďaka procesom obrábania (pridávanie uhlíka) hodnotu až 800 HV, pri chemickom spracovaní dokonca až 2000 HV. Oceľ má pevnosť v ťahu 4000 N/mm², čo je 20-krát vyššia pevnosť v ťahu ako pevnosť v ťahu železa.

2.2. Odolnosť ocele proti korózii

Odolnosť ocele voči korózii je možné prispôsobiť rôznym požiadavkám, rovnako ako je možné prispôsobiť technologické vlastnosti. Na tento typ odolnosti sa do zliatin ocele zvyčajne pridáva chróm (11 %).

2.3. Tvarovanie ocele

Oceľ je možné tvárniť za tepla kovaním, liatím, lisovaním alebo valcovaním. Za studena môže byť oceľ tvárnená ťahaním, valcovaním, lisovaním alebo rezaním, ale môže sa vyrábať aj práškovou metalurgiou.

2.4. Kalená oceľ

Kalená oceľ vzniká tepelným spracovaním. Proces prebieha tak, že sa oceľ najskôr zahreje do bodu, kedy sa začne topiť, a potom sa dostatočne rýchlo ochladí. V tomto procese vzniká druhá najtvrdšia štruktúrna zložka ocele – martenzit, ktorá je však najkrehkejšou zložkou. Množstvo martenzitu určuje tvrdosť ocele, to znamená, čím viac martenzitu, tým tvrdšia je oceľ. Martenzitická štruktúra má veľké vnútorné napätie. Hlavným účelom kalenia ocele je ďalšie vylepšenie jej vlastností, v tomto prípade predovšetkým tvrdosti.

3. Oceľové profily

3.1 Oceľové profily sú prefabrikáty

Ako bolo uvedené vyššie, všetky oceľové prvky sú prefabrikované. To znamená, že sú vyrobené v továrni a potom nákladným autom dovezené na stavbu, kde ich treba spojiť. Prefabrikáty majú mnoho výhod, sú to vysoká kvalita profilov, keďže sú vďaka riadeniu výrobného procesu a rýchlosti stavebného postupu, všetky profily maximálne štandardizované a precízne definované. Pre niektorých architektov to môže byť nevýhoda, pretože musia svoje predstavy o vzhľade stavby prispôsobiť materiálu, ktorý majú k dispozícii.

3.2. Druhy oceľových profilov

Existuje mnoho normalizovaných oceľových profilov s určitými mechanickými vlastnosťami. Oceľové profily sú rozdelené podľa prierezu. Poznáme profily I a IPE, ktoré sú štíhle a vysoké, ich prierez pripomína písmeno I. Tieto profily majú výšku výrazne väčšiu ako šírku. Podobné ako profily IPE sú profily HEA, H a HEB, ktoré majú menší rozdiel v pomere medzi výškou a šírkou profilu. Ak sú profily IPE a I výrazne obdĺžnikové, profily HEA, H a HEB sú viac štvorcové. Profily IPE majú rozmery výšky medzi 80 – 600 mm, H a ďalšie uvedené profily 100 – 1000 mm. Okrem uvedených profilov existujú ešte krabicové profily a rúrky a profily U a L, ktoré možno rozpoznať podľa typického prierezu v tvare písmena U alebo L. Ktorý profil použijeme, závisí od typu stavebného prvku a jeho úlohy v rámci stavebného systému. Na výbere profilov sa spravidla zúčastňuje statik a/alebo stavebný inžinier, ktorý dobre pozná vlastnosti oceľových profilov.

3.3. Eurokód 3

Všetky druhy štandardných oceľových profilov, ich vlastnosti a požiadavky týkajúce sa dimenzovania oceľových profilov a konštrukcií nájdete v norme Eurokód 3 – navrhovanie oceľových konštrukcií.

3.4 Vlastnosti oceľových profilov

Oceľové profily majú veľmi dobré fyzikálne a mechanické vlastnosti. Vzhľadom na vyššie uvedené vlastnosti železa môžu oceľové profily premosťovať veľmi veľké rozpätia, takže sa s nimi najčastejšie stretávame pri stavbe tých štruktúr, ktoré musia preklenúť veľké rozpätia, napr. haly, mosty, štadióny a podobne. Jednou z hlavných výhod profilov je ich jednoduchá kombinácia s inými materiálmi, ktorá umožňuje flexibilitu konštrukcie, len ich treba chrániť pred poveternostnými vplyvmi, v opačnom prípade začne proces korózie (hrdzavenia) ocele.

3.5. Spájanie oceľových profilov

Oceľové profily môžu byť zvárané alebo zaskrutkované do skeletovej oceľovej konštrukcie. Rozhodnutie pre jedno alebo druhé spájanie je podmienené požadovaným konečným vzhľadom a statickými požiadavkami. Pri skrutkovaní sú skrutky vždy viditeľné, pokiaľ nie sú pokryté iným materiálom, a v prípade zvárania zostáva viditeľný zvar, ktorý je možné nakoniec vyhladiť, takže sa prakticky stane neviditeľným. Oceľové profily je možné spájať aj spájkovaním a nitovaním.

4. Dom z oceľovej konštrukcie

Vzhľadom na vysokú cenu ocele sú rodinné domy z oceľovej konštrukcie pomerne zriedkavé. Oceľové konštrukcie domu sú obzvlášť zriedkavé aj preto, že prevládajú tradičné stavebné materiály ako sú tehla a železobetón. Domy z oceľovej konštrukcie sa zjavujú v období modernizmu, teda v prvej polovici 20. storočia. Výhodou oceľovej skeletovej konštrukcie je, že umožňuje úplne otvorený pôdorys s veľkými rozpätiami, ktorý si užívatelia môžu usporiadať podľa vlastných prianí a potrieb a môžu ho úplne zmeniť vo veľmi krátkom čase, ak dôjde k zmenám resp. prestavbe budovy. Príkladom tohto typu domu je „Farnsworth House“ – dom navrhnutý a vyrobený podľa nemeckého architekta Ludwiga Mies van der Rohe a mnoho domov zo 60. rokov minulého storočia, z takzvaného amerického obdobia, ktoré  boli súčasťou projektu „Case study houses“.

4.1. Kombinácia ocele a dreva

Keďže oceľové konštrukcie sú vždy skeletové, musia byť kombinované s inými materiálmi. Najčastejšie sa oceľ kombinovala so sklom (príkladom toho je „Farnsworth House“ Ludwiga Mies van der Rohe). Táto kombinácia je veľmi moderná, čistá, estetická a nadčasová, ale môže pôsobiť trochu chladne. V posledných desaťročiach sa oceľ kombinuje s drevom, ktoré svojim teplom zjemňuje surový vzhľad tohto materiálu. Drevo vnáša do priestoru domácu atmosféru a teplo, zatiaľ čo oceľ prináša nádych priemyselného štýlu. V interiéri je bežná kombinácia bielych stien Knauf a viditeľných oceľových nosníkov, najmä stĺpov.