1. Метални конструкции - што треба да знаете?

1.1. Општо

Челичните конструкции се натпреваруваат со другите вообичаени градежни материјали, особено бетонот, повеќе од еден век поради нивните многубројни предности. Сепак, челичните конструкции и денес се користат главно за изградба на поголеми јавни згради, особено на повеќекатници и еднокатни згради или спортски и други сали, сали со големи распони на покривот. Поради релативно високата цена на челикот и големата тежина на гредите, инвестирањето во челична конструкција е најисплатливо за згради од ваков размер, додека за помалите, често нема смисла.

1.2. Челични или метални конструкции?

Пред сè, треба да се направи разлика помеѓу челични и метални конструкции. Метални конструкции се и оние од алуминиум, железо и челик. Ако се каже дека објектот е од метална конструкција, всушност се уште ништо не е кажано за тоа, бидејќи треба да се прецизира за каков метал се работи. Денеска железните конструкции се минато, бидејќи се заменети со челични, а алуминиумските се користат само за одредени делови од зградите, повторно поради многу високата цена, а многу ретко за целата градба.

1.3. Челик

Покрај разликата помеѓу металната и челичната конструкција, важно е да се разбере разликата помеѓу железото и челикот. Челикот е рафинирано железо. Станува збор за легура на железо на која, покрај другите легури, како најважен елемент има додадено и јаглеродот. Иако е многу малку, обично помалку од 2%, оваа количина значително влијае на својствата на челикот.

1.4. Историја на употребата на челикот

Челикот почнал да се користи нашироко кон крајот на 19 век, кога технолошкиот напредок и познавањето на обработката на метали овозможиле пронаоѓање на железо со подобри градежни својства - челик. Пред тоа време, челичните конструкции всушност не постоеле, бидејќи сите биле направени од железо. Во 19 век, челикот првпат почнал да се користи во стилот на Арт-нуово или во периодот на сецесија, каде што челикот бил комбиниран со железо на исклучително експресивен, декоративен начин. Цветните и геометриските украси биле многу популарни, кои служеле и како потпорни елементи и како украс. Меѓутоа, на крајот на 19 век, се случи уште една голема промена во градежништвото: откривањето на армиран бетон, што всушност беше овозможено со пронајдокот на челик. Францускиот инженер Франсоа Хенебик (François Hennebique) беше еден од првите што ги истражуваше можностите за комбинирање на бетон со челично засилување и даде насоки за армирано-бетонски конструкции. Челичната арматура која носи затегнувачки напрегања и линеарни затегнувачки деформации во бетонот, овозможи огромни распони на бетонски плочи и греди, што доведе до измислување на слободниот план на подот во архитектурата за време на модернизмот, на почетокот на 20 век.

1.5. Челични конструкции во градежништвото

На градилиштето челичните конструкции се склопуваат со спојување на челични профили. Затоа, тоа е скелетна структура составена од многу независни елементи поврзани како целина. Сите челични профили се монтажни и со камион се носат од фабриката до градилиштето. Челичните конструкции се состојат од челични греди, столбови и носачи.

1.6. Предности на челичната конструкција

Челичните конструкции имаат многу предности. Најголемата предност на челичните носачи е исклучителниот домет што може да се постигне со нив. Распонот што се достигнува е апсолутно најголем во споредба со другите градежни материјали (армиран бетон, дрво). Друга предност што ја нудат челичните конструкции е бројот на различни профили со различни карактеристики, што овозможува голем избор според дадените дизајн и статички барања. Овие две својства го прават челикот еден од најдобрите материјали за изградба на сложени конструкции на големи згради. Третата предност на челикот е тоа што, со соодветна заштита, структурата е практично неуништлива и навистина исклучително издржлива. Четвртата предност, која не е занемарлива, е процесот на градба со челични профили, бидејќи тие се монтажни и се носат директно од производство до градилиштето подготвени за монтажа и вградување. За разлика од армиран бетон кој се лие на градилиштето, изградбата се одвива многу брзо, а градилиштето останува чисто. Поради процесот на склопување, максимално се контролира и квалитетот на челичните профили. И последно, но не и најмалку важно, исто така треба да се забележи дека, спротивно на популарното верување, челикот е еколошки материјал, бидејќи може целосно да се рециклира.

1.7. Слабости на челичната конструкција

Најочигледен недостаток на челичната конструкција е високата цена на челичните профили. Поради оваа причина, од челик се изградени само оние предмети каде што другите материјали не можат да го постигнат она што го можат физичките и механичките својства на челикот. Ова е особено видливо на големи предмети. Друг важен недостаток на челикот е неговата тежина, што само по себе не е проблем, но таквата голема тежина врши значителен притисок врз другите материјали низ структурата. Трета слабост на челикот е тоа што, и покрај неговата заштита од пожар со површински облоги и спротивно на популарното верување, тој не е огноотпорен материјал бидејќи се топи на високите температури што ги создава пожарот. Можноста за лош состав на легурата е слабост што се јавува само по исклучок, но сепак е слабост и може да доведе до уривање на зградата и големи проблеми. Затоа сите челични конструкции се проверуваат со ултразвук или рендген за да се откријат такви потенцијални дефекти

2. Својства на челикот

2.1 Општи физички и механички својства

Челикот е еластичен материјал со модул на еластичност од 2,0-2,2×105 N/мм². Чистото железо има вредност на цврстина од само 60 HV, додека челикот достигнува вредност до 800 HV поради процесот на преработка (додавање јаглерод), па дури и до 2.000 HV доколку е хемиски обработен. Челикот има цврстина на истегнување од 4000 N/мм², што е 20 пати поголема од цврстината на затегнување на железото.

2.2. Отпорност на корозија на челик

Отпорноста на челикот на корозија може да се прилагоди на различни барања, исто како што може да се прилагодат технолошките својства. За ваков вид на отпор, обично се додава хром (11%) на легура од челик.

2.3. Обликување на челик

Челикот може да се формира со металуршка обработка, т.н. со „жешки процеси“, односно со ковање, леење, пресување или валање. „Ладните процеси“ со кои се обработува челикот се извлекување, валање, пресување или сечење, но може да се изработи и со металургија на прашок.

2.4. Кален челик

Кален челик е зајакната верзија, формирана со термичка обработка. Процесот се одвива така што челикот прво се загрева до точка каде што почнува да се топи, а потоа многу брзо се лади. Овој процес формира многу тврда структура наречена мартензит. Поради многу брзото ладење за време на процесот на стврднување, во материјалот се јавуваат значителни внатрешни напрегања, што го зголемува ризикот од пукање на предметот што се стврднува. За да се спречи тоа, предметот што се обработува брзо се „гасне“ во масло, вода или во воздух, што му дава одредени својства. Главната цел на стврднувањето на челикот е дополнително подобрување на неговите својства, во овој случај првенствено цврстината.

3. Челични профили

3.1. Челичните профили се полупроизводи

Челикот не може да се користи сиров, така што сите челични елементи се полупроизводи. Тоа значи дека тие се произведуваат во фабрика, а потоа со камион се носат на градилиштето, каде што се склопуваат во дадената структура. Полупроизводите имаат многу предности, како што е висок квалитет на профилот, бидејќи поради контролата на производствениот процес и брзината на градежниот процес, сите профили се стандардизирани и прецизно дефинирани. За архитект, ова може да биде недостаток, бидејќи тој треба да ги приспособи своите идеи за изгледот на структурата на материјалот со кој располага, а не обратно.

3.2. Видови челични профили

Постојат бројни стандардизирани челични профили со одредени механички својства. Челичните профили се делат и се разликуваат според пресекот, имено I и IPE профили, витки и високи, а нивниот пресек наликува на буквата I. Кај овие профили висината е значително поголема од ширината. Слични на IPE профилите се HEA, H и HEB профилите, кои имаат помала разлика во односот на висината и ширината. Ако IPE и I профилите се јасно правоаголни, HEA, H и HEB профилите се повеќе квадратни. IPE профилите имаат висински димензии помеѓу 8-60 цм, H и другите профили 10-100 цм. Покрај овие, постојат и профили наречени кутии и цевки, како и U и L профили, кои може да се препознаат по типичниот пресек во форма на буквата U или L. Обично инженерот по статика и/или градежниот инженер кој е специјализиран за челик учествува во изборот на профили.

3.3. Еврокод 3

Сите типови стандардни челични профили, нивните својства и барања во однос на димензиите и конструкциите, може да се најдат во стандардот „Еврокод 3 - стандард за проектирање челични конструкции“.

3.4. Карактеристики на челичните профили

Челичните профили имаат многу добри физички и механички карактеристики. Поради карактеристиките на железото, тие можат да поврзуваат многу оддалечени точки, па најчесто се среќаваат при изградбата на оние градби кои се премостуваат како што се сали, мостови, стадиони, пешачки мостови, сали и слични објекти. Една од главните предности на профилите е нивната едноставна комбинација со други материјали, што овозможува флексибилност на градбата. Од друга страна, тие се многу лесни за одржување, само треба да се заштитат од надворешни влијанија. Во спротивно, ќе започне процесот на корозија (‘рѓосување) на челик.

3.5. Поврзување на челични профили

Челичните профили се составуваат во структура на конструкцијата со заварување или навртување. Одлуката за едниот или другиот начин на работа е условена од статички барања и посакуваниот конечен изглед. При навртувањето, завртките се секогаш видливи, освен ако не се покриени со некој друг материјал, а при заварување, линијата на варот останува видлива, но на крајот може да се измазни, така што практично ќе стане невидлива. Челичните профили може да се спојат и со лемење и занитување.

4. Куќа од челична конструкција

Поради високата цена на челикот, семејните челични куќи се релативно ретки. Челичните конструкции за куќата се особено ретки во нашиот регион, каде што преовладуваат традиционалните градежни материјали како тули и армиран бетон. Сепак, куќите со челична конструкција се градат уште од периодот на модернизмот, односно првата половина на 20 век. Предноста на челичната скелетна конструкција е што овозможува целосно отворен план со големи распони, кој корисниците го уредуваат според сопствените афинитети, желби и потреби и кој може целосно да се смени за многу кратко време доколку има некакви промени или пренамена на зградата. Какви може да бидат челичните куќи најдобро се гледа во примерите на архитектурата како што се Фарнсворт, архитектот Мис ван дер Рох (Miesa van der Roha) и многу куќи од 1960-тите, од т.н. од периодот „Куќи за студија“ („Case study houses”).

4.1. Комбинација на челик и дрво

Бидејќи челичните конструкции се секогаш скелетни, тие мора да се комбинираат со други материјали, кои го разграничуваат надворешноста и ја организираат внатрешноста. Историски гледано, челикот најчесто се комбинирал со стакло (пример за ова е Farnsworth од Mies van der Roch). Оваа комбинација е многу модерна и чиста, како естетски така и во модна смисла, но може да изгледа ладно. Во последните децении, челикот многу се комбинира со дрво, што со својата топлина го омекнува суровиот изглед на овој материјал. Дрвото внесува топлина во просторот и го омекнува, додека челикот дава карактеристики на индустриски стил. Меѓутоа, во внатрешноста често се среќава комбинација од бели Кнауф ѕидови и видливи челични носачи, особено столбови.