1. Fém és acélszerkezetek gyártása - Mit kell tudni?

1.1. Számos előnyük miatt az acélszerkezeteket már több mint egy évszázada használják

Számos előnye miatt az acélszerkezetek több mint egy évszázada versenyeznek más elterjedt építőanyagokkal, különösen a betonnal. Az acélszerkezeteket azonban ma is főként nagyobb középületek, különösen többszintes és földszintes épületek vagy nagy fesztávolságú tetők sport- és egyéb csarnokok építésére használják. Az acél viszonylag magas ára és az acélgerendák nagy súlya azonban azt jelenti, hogy az acélszerkezetbe való beruházás az ilyen méretű épületeknél térül meg leginkább, míg a kisebbeknél gyakran nincs értelme.

1.2. Acél vagy fémszerkezetek?

Mindenekelőtt tisztázni kell az acél- és a fémszerkezetek közötti különbséget. A fémszerkezetek közé sorolható az alumíniumból, vasból és acélból készült szerkezetek is. Ha azt mondják például, hogy az épület fémszerkezetű, akkor arról még nem mondtak semmit, hiszen pontosítani kell, hogy milyen fémről van szó. A vasszerkezetek ma már a múlté, mivel azokat felváltották az acélszerkezetek, és az alumíniumszerkezeteket csak az épület bizonyos részeinél használják, és nagyon ritkán az egész szerkezetnél, az alumínium nagyon magas ára miatt.

1.3. Az acél is fém (vas)

A vas és acélszerkezet kifejezések közötti különbség mellett fontos megérteni a vas és az acél közötti különbséget. Az acél finomított vas. Ez egy vasötvözet, amelyhez az egyéb ötvözőelemek mellett szént is kerül, ami a legfontosabb elem. Bár nagyon kevés, általában kevesebb, mint 2%-ban, ez a mennyiség jelentősen befolyásolja az acél tulajdonságait.

1.4. Acél története

Az acélt a XIX. század végén kezdték el széles körben használni, amikor a technológiai fejlődés és a fémfeldolgozás ismerete lehetővé tette a jobb szerkezeti tulajdonságokkal rendelkező vas, illetve az acél feltalálását. Azelőtt az acélszerkezetek valójában nem is léteztek, mert mindegyik vasból készült. A XIX. században az acélt először a szecessziós stílusban vagy a szecessziós időszakban alkalmazták, ahol az acélt rendkívül kifejező, dekoratív módon kombinálták a vassal. Nagy népszerűségnek örvendtek a virágos és geometrikus díszítések, amelyek tartóelemként és dekorációként is szolgáltak. A XIX. század végén azonban az építőiparban egy másik jelentős fejlemény következett be: a betonvas felfedezése, amit tulajdonképpen az acél feltalálása tett lehetővé. François Hennebique francia mérnök az elsők között tárta fel a beton és az acél vasalással való kombinálásának lehetőségeit, és iránymutatást adott a vasbeton szerkezetekhez. A betonban lévő húzófeszültségeket felvevő acélbeton megerősítés lehetővé tette a beton födémek és gerendák hatalmas fesztávolságait, ami a XX. század elején, a modernizmus időszakában a szabad alaprajz feltalálásához vezetett az építészetben.

1.5. Acélszerkezetek az építőiparban

Az építőiparban az acélszerkezeteket acélszelvények összekapcsolásával szerelik össze. Ezek tehát olyan vázszerkezetek, amelyek sok egyedi elemből állnak és amelyek egy egészet alkotnak. Az összes acélszelvényt előre gyártják, és a gyárból az építkezés helyszínére szállítják. Az acélszerkezetek acélrudakból, oszlopokból és gerendákból állnak.

1.6. Acélszerkezetek előnyei

Az acélszerkezetek számos előnnyel rendelkeznek. Az acélgerendák legnagyobb előnye az általuk elérhető figyelemre méltó fesztávolság. Az acélgerendák által megengedett fesztávolságok abszolút a legnagyobbak más építőanyagokhoz (vasbeton, fa) képest. Az acélszerkezetek másik előnye a különböző tulajdonságokkal rendelkező acélprofilok széles választéka, amely lehetővé teszi a különböző tervezési és szerkezeti követelményeknek megfelelő széleskörű választékot. Ez a két tulajdonság teszi az acélt az egyik legjobb anyaggá a nagy épületek összetett szerkezeteinek építéséhez. Az acél harmadik előnye, hogy megfelelő védelem esetén a szerkezet gyakorlatilag elpusztíthatatlan, és valóban rendkívül hosszú élettartamú. A negyedik, nem elhanyagolható előny az acélszelvényekkel történő építési folyamat, amelyeket előre gyártanak, és végleges formájukban az építkezés helyszínére szállítanak, majd csak a helyszínen illesztenek össze. A helyszínen öntött vasbetonnal ellentétben az építkezés nagyon gyors, és a helyszín tiszta marad. Az előregyártási folyamat azt is biztosítja, hogy az acélszelvények minőségét a lehető legjobban ellenőrizzék. Végül, de nem utolsósorban, a közhiedelemmel ellentétben az acél környezetbarát anyag, mivel teljes mértékben újrahasznosítható.

1.7. Acélszerkezetek hátrányai

Az acélszerkezetek legnagyobb hátránya az acélszelvények magas ára. Ezért az épületeket általában teljes egészében acélból építik, ahol a szerkezeti anyagba történő magas beruházást az acél fizikai és mechanikai tulajdonságai indokolják, amelyeket más anyagokkal nehéz lenne elérni. Ez különösen a nagyméretű épületek esetében nyilvánvaló. Az acél másik hátránya a nehéz súly, ami önmagában nem jelent problémát, de az egész szerkezetet meglehetősen súlyossá teszi, ami a szerkezeti anyagok fokozott ülepedéséhez vezet. Az acél harmadik hátránya, hogy bár a tűz ellen felületi bevonatokkal van ellátva, és a közhiedelemmel ellentétben a tűzzel szemben nem a legellenállóbb anyag, ugyanis tűz esetén olvadni kezd. Hátránya, ami ritkán fordul elő, az ötvözeti hibák lehetősége, ami az épület összeomlásához és hatalmas katasztrófához vezethet, ezért a használatbavételi engedélyt előtt minden acélszerkezetet ultrahangos vagy röntgenvizsgálattal ellenőriznek az ilyen és hasonló lehetséges hibák időbeni felderítése érdekében.

2. Acél tulajdonságai

2.1. Általános fizikai és mechanikai tulajdonságok

Az acél rugalmas anyag, rugalmassági modulusa 2 - 2,2 × 105 N/mm². A tiszta vas keménysége csak 60 HV, de az acél keménysége a kezelési eljárásoknak (szén hozzáadásának) köszönhetően elérheti a 800 HV-t, sőt kémiai kezeléssel akár a 2000 HV-t is. Az acél szakítószilárdsága 4000 N/mm², ami hússzorosa a vas szakítószilárdságának.

2.2. Acél korrózióállósága

Az acél korrózióállósága a technológiai tulajdonságaihoz hasonlóan különböző követelményekhez igazítható. A korrózió megelőzése érdekében az acélötvözethez általában krómot (11%) adnak.

2.3. Acél formázása

A felhevített acél kovácsolással, fröccsöntéssel, préseléssel vagy hengerléssel formázható. Hidegen az acél húzással, hengerléssel, préseléssel vagy vágással, de porkohászati eljárással is előállítható és alakítható.

2.4. Edzett acél

Az edzett acél hőkezelt acél. A folyamatot úgy végzik, hogy az acélt először olvadási pontig hevitik, majd nagyon gyorsan lehűtik. Ez a folyamat egy nagyon kemény szerkezetet hoz létre, amelyet martenzitnek neveznek. A gyors lehűlés az oltási folyamat során jelentős belső feszültségeket okoz az anyagban, és ezért fennáll a törés veszélye. Ennek megakadályozása érdekében a tárgyat "meg kell lazítani". Az edzés egy olyan folyamat, amely megakadályozza, hogy az edzett tárgy megrepedjen. Az acél edzésének fő célja, hogy az acélnak további tulajdonságokat adjon, ez esetben elsősorban keménységet.

3. Acélprofilok

3.1. Az acélprofilok előre gyártott elemek

Mint fentebb említettük, minden acélelem előre gyártott. Ez azt jelenti, hogy egy gyárban gyártják le őket, majd teherautóval az építkezés helyszínére szállítják, ahol már csak össze kell őket illeszteni. Az előregyártott elemek számos előnnyel rendelkeznek, például a gyártási folyamat ellenőrzésének és az építési folyamat gyorsaságának köszönhetően kiváló minőségű profilok készíthetők. Ezek a profilok a lehető legnagyobb mértékben szabványosítottak és specifikáltak. Egy építész számára ez hátrányt jelenthet, mivel nem teszi lehetővé az utólagos módosítást, és nem testreszabható.

3.2. Milyen típusú acélprofilok léteznek?

Számos szabványosított acélprofil létezik, amelyek bizonyos mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek. Az acélszelvényeket keresztmetszetük szerint osztják fel. Vannak I és IPE profilok, amelyek karcsúak és magasak, keresztmetszetük az I betűre hasonlít. Ezeknek a profiloknak a magassága jelentősen nagyobb, mint a szélessége. Az IPE profilokhoz hasonlóak a HEA, H és HEB profilok, amelyek kisebb magasság-szélesség aránnyal rendelkeznek. Míg az IPE és az I profilok határozottan téglalap alakúak, az utóbbiak sokkal szögletesebbek. Az IPE profilok magassági méretei 80-600 mm között vannak, míg a H és a többi felsorolt profilok 100-1000 mm között vannak. Ezeken a profilokon kívül léteznek még dobozprofilok és csövek, valamint U és L profilok, amelyek jellegzetes U vagy L alakú keresztmetszetük alapján azonosíthatók. Az, hogy melyik profilt kell használni, nagyban függ a szerkezeti elem típusától és a szerkezeti rendszerben betöltött szerepétől. A profilok kiválasztása általában a tulajdonságaikat ismerő statikus és/vagy építőmérnök segítségével és tanácsával történik.

3.3. Eurocode 3

A szabványos acélszelvények valamennyi típusa, tulajdonságaik, valamint az acélszelvények és -szerkezetek méretezésére vonatkozó követelmények megtalálhatók az Eurocode 3 szabványban, amely az acélszerkezetek tervezésére vonatkozik.

3.4. Az acélszelvények tulajdonságai

Az acélprofilok nagyon jó fizikai és mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek. A vas fent említett tulajdonságai miatt az acélprofilok nagyon nagy fesztávok áthidalására képesek, ezért leggyakrabban olyan épületek építésénél alkalmazhatók, amelyeknél nagy fesztávokat kell áthidalniuk, pl. csarnokok, hidak, gyalogos hidak, előcsarnokok stb. A profilok egyik fő előnye, hogy könnyen kombinálhatók más anyagokkal, ami rugalmasságot biztosít az építésben, és nagyon könnyű karbantartani őket, csak megfelelően kell védeni az időjárástól, különben megkezdődik az acél korróziós (rozsdásodási) folyamata.

3.5. Acélszelvények csatlakoztatása

Az acélszelvényeket az acélvázhoz lehet hegeszteni vagy csavarozni. Az egyik vagy a másik használatára vonatkozó döntést a kívánt végső megjelenés és a statikai követelmények egyaránt meghatározzák. Csavarozás esetén a csavarok mindig láthatóak, hacsak nem fedik el őket más anyaggal, míg hegesztés esetén a varrat látható marad, de a végén elsimítható, így gyakorlatilag észrevehetetlenné válik. Az acélszelvények forrasztással és szegecseléssel is összeilleszthetők.

4. Acélszerkezetből készült ház

Az acél magas ára miatt az acélból készült családi házak viszonylag ritkák. Az acélszerkezetes házak építése ritkaságnak számít Magyarországon, ahol például a tégla és a vasbeton számít általánosabb építőanyagnak. Acélházak azonban a modernizmus, azaz a XX. század első fele óta épülnek. Az acélszerkezetek építésének előnye, hogy teljesen szabad, nagy fesztávolságú alaprajzot tesz lehetővé, amely szükség szerint gyorsan átalakítható. Hogy milyen nagyszerűek lehetnek az acélházak, azt többek között olyan építészeti alkotások bizonyítják, mint a Mies van der Rohe által tervezett Farnsworth-ház és számos amerikai korabeli ház. "Esettanulmány házak" az 1960-as évekből.

4.1. Acél-fa kombináció

Mivel az acélszerkezetek mindig vázszerkezetek, más anyagokkal kell kombinálni őket, hogy ellensúlyozzák a külső megjelenést és átalakítsák a ház belterét. Valamikor az acélt leggyakrabban üveggel kombinálták (például Mies van der Rohe Farnsworth-je). Ez a kombináció nagyon modern, kifinomult és esztétikus, időtálló, de egy kicsit hideg is lehet. Az utóbbi évtizedekben az acélt gyakran kombinálták fával, amelynek melegsége lágyítja az anyag nyers megjelenését. A fa otthonosságot és melegséget kölcsönöz a helyiségnek, míg az acél egy kis ipari stílust ad. A belső terekben még mindig gyakoriak az oszlopok és a fehér Knauf falak és a látható acélgerendák kombinációja.