Oceli s vyšší pevností jsou předpokladem udržení konkurenceschopnosti ocelových konstrukcí

Normové postupy v zásadě umožňují používání těchto materiálů. Z praxe lze zatím stále vyčíst zdrženlivost. Vysvětlením může být náklonnost k tradičním přístupům a fakt, že produkce domácích hutních společností se v podstatě zaměřuje na základní materiály (pevnostní třídy S235). Z pohledu efektivity návrhu stavební konstrukce i s ohledem na požadavky na snížení ekologické náročnosti výroby konstrukčních materiálů a konstrukcí je tento přístup dnes již často nevhodný.

SORTIMENT
Jak již bylo zmíněno, dodávky ocelí vyšších pevností v České republice zatím zajišťují výhradně zahraniční firmy. Například lucemburská společnost Arcelor dodává poměrně široký sortiment válcovaných tyčí profilů v jakosti Histar 355, Histar 420 a Histar 460 (obchodní označení s charakteristickou hodnotou meze kluzu). Jde zejména o větší průřezy: IPE500 až 750, HE260A až 1000A, HE260B až 1000B, HE260M až 1000M, HD260 až 400, dále profily HP, HL až do výšky 1.100 mm a další.

SSAB Oxelösund vyrábí systémovou řadu materiálů s obchodním označením Weldox v pevnostních třídách 355, 420, 460, 500, 700, 900, 960 a 1100. Německá Dillinger Hütte se zaměřuje především na produkci plechů až do pevnostní třídy 1100. Výrobou a distribucí prvků z ocelí vyšších a vysokých pevností se zabývají i VoestAlpine, British Steel, Ruukki apod.

Válcované tyče všech průřezů jsou i půdorysně a svisle zakřiveny, plechy mohou být dodány dokonce s proměnnou tloušťkou (např. Dillinger Hütte).

VLASTNOSTI
Vliv technologie výroby
Obecně může být dosaženo vyšší pevnosti oceli více způsoby. Tradiční technologické postupy jsou založeny hlavně na legování. Přísady však nepříznivě ovlivňují některé mechanické vlastnosti (svařitelnost, vrubovou houževnatost a odolnost proti křehkému lomu). Moderní oceli vyšších a vysokých pevností jsou vyráběny postupy, které eliminují nepříznivé druhotné jevy. Vysoké pevnosti je dosaženo například termomechanickým válcováním nebo kalením při válcování s následným temperováním. Chemické složení těchto ocelí přitom zůstává obdobné jako u ocelí běžných pevností.
 

Obr. 1 – Příklad pracovního diagramu oceli Histar 460

Pracovní diagram
Na katedře ocelových a dřevěných konstrukcí Fakulty stavební ČVUT v Praze probíhá výzkum chování a možností použití ocelí vyšších pevností. Na obr. 1 je příklad pracovního diagramu vzorku vytvořeného z pásnice válcovaného profilu HE260A pevnostní třídy Histar 460 od společnosti Arcelor.

Zkoušky byly uskutečněny na vzorcích s kruhovými příčnými řezy o průměru 10 mm. Uvedený příklad velmi dobře charakterizuje pevnostně přetvárné vlastnosti oceli třídy S460. Mez kluzu je méně výrazná než u ocelí nižších nominálních pevností, přesto je většinou patrná. Stanovovány byly i další charakteristiky (modul přetvárnosti v pružné oblasti, tažnost a kontrakce). Hodnoty modulů pružnosti se pohybovaly od 193 do 210 GPa s průměrnou hodnotou asi 197 GPa, tažnost byla v rozmezí 23 a 27 %.

Návrhové předpisy pro použití ocelí vyšších a vysokých pevností
Přednorma pro navrhování ocelových konstrukcí ČSN P ENV 1993-1-1 Navrhování ocelových konstrukcí [1] z roku 1994 je zpracována pro oceli S235, S275 a S355. Změna A1 z roku 1997 [2] ovšem v normativní příloze D – Použití ocelí třídy S460 a S420 – obsahuje dostatečnou informaci pro používání ocelí vyšších pevností (tabulka 1).

Definitivní norma EN 1993-1-1 [3] věnuje ocelím vyšších a vysokých pevností ještě větší pozornost. Tabulka 2 zahrnuje kompletní výčet ocelí obsažených v [3]. Z tabulky je patrný výrazný trend přechodu od ocelí dnes běžných k ocelím vyšších pevností. Základní evropská norma EN 1993-1-1 [3] bude doplněna o další normativní dokument, který je veden pod označením EN 1993-1-12 20xx Additional rules for the extension of EN 1993 up to steel grades S700.

Tento dokument rozšíří použití [3] o materiály jakosti S500 až S700 pro za tepla válcované konstrukční oceli a pro za tepla válcovanou pásovou ocel. V oblasti ocelobetonových konstrukcí je situace ještě příznivější: v roce 2004 byla vydána EN 1994-1-1 Design of composite steel and concrete structures [4], která počítá s ocelemi do pevnostní třídy S460 a letos bude vydán její český ekvivalent.

Obecně lze konstatovat, že zavádění ocelí vyšších a vysokých pevností je celoevropský trend a je jedním z významných předpokladů dalšího rozvoje a udržení konkurenceschopnosti oboru ocelových konstrukcí.
 

Obr. 2 – Konstrukce přiváděcí části
mostu Ø resund.

ODLIŠNOSTI NÁVRHU
Změna A1 [2], příloha D, obsahuje kapitoly popisující odlišnosti návrhu oproti návrhu za použití ocelí běžných pevnostních tříd. Jedná se zejména o výpočet vzpěrné únosnosti, únosnosti při lokálním boulení stojiny a návrh přípoje. Principy obsažené v základní normě [1] se v zásadě nemění. Pro vzpěrnou únosnost tlačených prutů lze obecně používat příznivější křivky vzpěrnosti.

Zejména hodnota modulu pružnosti, shodná s modulem pružnosti běžných ocelí, a nižší míra tažnosti patří mezi hlavní argumenty odpůrců zavádění ocelí vyšších pevností do praxe. Technologie většiny dodavatelů ocelí vyšších a vysokých pevností je ale už dnes dostatečně propracována tak, aby nepříznivé průvodní jevy zvyšování pevnosti byly maximálně eliminovány. Minimální tažnost oceli třídy S460 udává většina výrobců hodnotou 17 % (pro srovnání: tažnost běžných ocelí S235 je okolo 25 %). Ačkoliv plastická rezerva se se zvyšující se pevností materiálů zjevně snižuje, obecně to jejich aplikaci nebrání. Je ale zřejmé, že používání ocelí vyšších pevností nemůže být založeno jen na rutinních postupech navrhování tradičních ocelových konstrukcí, ale musí být podloženo jednak vývojem návrhových postupů, jednak vývojem nových konstrukčních forem, které umožní využití příznivých vlastností těchto materiálů. U cyklicky namáhaných konstrukcí je často limitujícím faktorem návrhu posouzení prvku na únavu. Únavovou pevnost lze v některých případech zvýšit úpravou detailu nebo použitím jiného konstrukčního prvku. Dobrým příkladem je aplikace těžkých válcovaných nosníků místo svařovaných pro konstrukce mostů středních rozpětí.
 

Obr. 4 – Garáže v Lucemburku

PŘÍKLADY POUŽITÍ OCELÍ VYŠŠÍCH PEVNOSTÍ
S ohledem na uvedené lze stanovit druhy konstrukcí a konstrukčních prvků, pro něž je použití ocelí vyšších pevností nejvýhodnější.

Gigantické mosty
Je téměř možné generalizovat, že s rostoucí velikostí stavby roste i efektivita použití kvalitnějších ocelí. U velkých mostů je obvykle snadné eliminovat eventuální průhyb způsobený menšími průřezy konstrukčních prvků výrobním nadvýšením, popřípadě vytvořit konstrukční systém málo náchylný k velkým průhybům. Rovněž většinou odpadají problémy s únavou. Uveďme známé příklady konstrukcí velkých evropských mostů:

• viadukt Millau s použitím 40 000 t oceli S460 M/ML,
• most Ø resund (obr. 2) mezi Švédskem a Dánskem s použitím 25 500 t různých ocelí třídy S460,
• nizozemské mosty Erasmus, Enn¨eus Heerma a Prince Claus, most přes Hollandsch Diep obvykle s kombinací S460 a S355 a další.

Výškové budovy
Významným konstrukčním prvkem, pro který je aplikace oceli vyšší pevnosti velmi výhodná, je sloup. Jak již bylo naznačeno v odstavci 2, dodavatelé se zaměřují převážně na větší průřezy (např. Arcelor dodává válcované profily od výšky 260 mm). Tyto prvky nacházejí velmi výhodné uplatnění pro vzpěrné délky okolo 3,5 m, což dobře koresponduje s obvyklými stavebními výškami podlaží obytných skeletů.

Konstrukce garáží
Méně známým příkladem uplatnění konstrukčních prvků z ocelí vyšších pevností jsou stavby sloužící pro parkování. Parkovací prostory je obvykle nutné dispozičně uspořádat tak, aby vzdálenosti mezi sloupy byly co největší, a přitom nebyla zvyšována konstrukční výška podlaží. Zkušenosti z evropských zemí (zejména z Německa) ukazují, že pro garážové stavby lze výhodně použít válcované nosníky z oceli S460 pro rozpětí 14–17 m (obr. 3). Nosníky jsou nadvýšené a konstruují se buď jako samostatně působící, doplněné o prefabrikovanou betonovou desku, nebo jako spřažené s betonovou deskou. Na obr. 4 je příklad Parkhausu z Lucemburska. Jde o skelet s nadvýšenými nosníky IPE450 z oceli Histar 460 na rozpětí 15,80 m, podpíranými sloupy z profilů HD z oceli Histar 500.

Obr. 5 – Dvoutrámový most přes dálnici ve Francii

Příhradové nosníky
Konstrukce s příhradovými nosníky z ocelí vyšších pevností jsou hospodárné zejména v okamžiku, kdy pro jejich prvky můžeme využít běžně dodávané válcované profily. Takový předpoklad splňují konstrukce velkých rozpětí (válcované tyče HE od výšky 260 mm). Prvky příhradových nosníků nevyžadují obvykle plastickou rezervu a odpadají rovněž problémy s průhybem. Velké rovinné i prostorové příhradové konstrukce je možné uplatnit při stavbách nákupních center a jiných hal velkých rozpětí.

Spřažené mosty středních rozpětí Oceli vyšších pevností lze účelně využít také pro spřažené trámové mosty středních rozpětí (15–35 m), zejména silniční. V západní Evropě (Francie, Německo, Lucembursko) byla postavena řada mostů, kde trámy byly tvořeny válcovanými profily z oceli S460, resp. S420. Výrobci jsou připraveni pro tyto účely dodat nosníky do délky 34 m (v mimořádném případě až 45 m), záleží pouze na přepravních možnostech. Válcované nosníky na takových mostech vypadají velmi elegantně a staticky méně hospodárná symetrie průřezu je obvykle bohatě vynahrazena malou výrobní pracností. Betonovou desku je možné vytvořit z betonu běžné jakosti, může být i prefabrikovaná. Její tloušťku lze ovlivnit počtem hlavních trámových nosníků.

Development in the field of steel constructions is heading to the introduction of steel of high and higher strength. For everyday building constructions the material assortment can be extended mainly by steel of strength class S 420 and S 460. The article gives information about the fact, that this steel should in a short period of time become commonly used material; normative support has already been created. It has been shown that the development of the price of this type of steel is favourable and that in many cases is more economical than using steel of usual quality. The article states that it is suitable mainly for large constructions such as bridges, assembly halls of a large span length, high rise buildings etc. but can be economically used for smaller buildings too. Steel of high strength (over S 500) can be used for special constructions or their parts.

Celý nezkrácený článek včetně všech tabulek naleznete v časopisu KONSTRUKCE číslo 3/2006.

Autor

• doc. Dr. Ing. Dolejš Jakub