1. Metalne konstrukcije - šta sve treba da znate?

1.1. Uopšteno o čeličnim konstrukcijama

Čelične konstrukcije se zbog svojih brojnih prednosti više od jednog veka takmiče sa drugim uobičajenim građevinskim materijalima, posebno sa betonom. Međutim, čelične konstrukcije se i danas koriste uglavnom za podizanje većih javnih zgrada, naročito višespratnih zgrada i solitera ili sportskih i drugih hala i dvorana sa velikim krovnim rasponima. Zbog relativno visoke cene čelika i velike težine greda, ulaganje u čeličnu konstrukciju se najviše isplati za objekte ovakvih razmera, dok za manje često nema smisla.

1.2. Čelične ili metalne konstrukcije?

Treba najpre napraviti razliku između čeličnih i metalnih konstrukcija. Metalnim konstrukcijama se nazivaju i one od aluminijuma, gvožđa i čelika. Ako se kaže da je zgrada metalne konstrukcije, o njoj, zapravo, još ništa nije rečeno, pošto treba precizirati o kom se metalu radi. Danas su gvozdene konstrukcije stvar prošlosti, jer su zamenjene čeličnim, a aluminijumske se koriste samo za određene delove zgrada, opet zbog vrlo visoke cene, a vrlo retko za celu konstrukciju.

1.3. Čelik

Pored razlike između pojmova metalna i čelična konstrukcija, važno je razumeti i razliku između gvožđa i čelika. Čelik je rafinisano gvožđe. To je legura gvožđa kojoj je, pored ostalih legirajućih elemenata, dodat ugljenik kao najvažniji element. Iako ga ima vrlo malo, obično manje od 2%, ova količina znatno utiče na svojstva čelika.

1.4. Istorija upotrebe čelika

Čelik je počeo da se široko koristi krajem 19. veka, kada su tehnološki napredak i poznavanje prerade metala omogućili pronalazak gvožđa sa boljim građevinskim svojstvima - čelika. Pre tog vremena čelične konstrukcije u stvari nisu ni postojale, jer su sve bile gvozdene. U 19. veku se čelik počeo prvo koristiti u art-nuvo stilu ili periodu secesije, gde se čelik sa gvožđem kombinovao na izuzetno izražajan, dekorativan način. Floralni i geometrijski ukrasi su bili jako popularni, a služili su i kao noseći elementi i kao ukras. Krajem 19. veka, međutim, dogodio se još jedan veliki pomak u građevinarstvu: otkriće armiranog betona koje je, zapravo, omogućeno pronalaskom čelika. Francuski inženjer Fransoa Henebiku (François Hennebique) bio je jedan od prvih koji je istražio mogućnosti kombinovanja betona sa čeličnom armaturom i dao smernice za armirano-betonske konstrukcije. Čelična armatura, koja nosi vučna naprezanja i linijske vučne deformacije u betonu, omogućila je ogromne raspone betonskih ploča i greda, što je dovelo do pronalaska slobodnog tlocrta u arhitekturi tokom modernizma, početkom 20. veka.

1.5. Čelične konstrukcije u građevinarstvu

Na gradilištu se čelične konstrukcije sastavljaju spajanjem čeličnih profila. Stoga je to skeletna struktura sklopljena od mnogih nezavisnih elemenata povezanih u celinu. Svi čelični profili su montažni i kamionima se dovoze iz fabrike na gradilište. Čelične konstrukcije se sastoje od čeličnih greda, stubova i nosača.

1.6. Prednosti čelične konstrukcije

Čelične konstrukcije imaju mnoge prednosti. Najveća prednost čeličnih nosača je izuzetan domet koji se s njima može postići. Rasponi koje dosežu apsolutno su najveći u poređenju sa drugim građevinskim materijalima (armirani beton, drvo). Još jedna prednost koju nude čelične konstrukcije je broj različitih profila raznih karakteristika, što omogućava i veliki izbor prema datim dizajnerskim i statičkim zahtevima. Ova dva svojstva čine čelik jednim od najboljih materijala za izgradnju složenih konstrukcija velikih zgrada. Treća prednost čelika je to što je, uz odgovarajuću zaštitu, konstrukcija praktično neuništiva i zaista izuzetno izdržljiva. Četvrta prednost, koja nije zanemarljiva, je proces izgradnje čeličnim profilima, budući da su montažni i da se direktno iz proizvodnje dovoze na gradilište spremni za sastavljanje i ugradnju. Za razliku od armiranog betona koji se izliva na gradilištu, gradnja se odvija vrlo brzo, a gradilište ostaje čisto. Zbog procesa montaže, kvalitet čeličnih profila je takođe maksimalno kontrolisan. I na kraju, ali ne i najmanje važno, takođe treba napomenuti da je, suprotno uvreženom mišljenju, čelik ekološki prihvatljiv materijal, jer se može u potpunosti reciklirati.

1.7. Slabosti čelične konstrukcije

Najočigledniji nedostatak čelične konstrukcije je visoka cena čeličnih profila. Zbog toga se od čelika grade samo oni objekti kod kojih se drugim materijalima ne bi moglo postići ono što fizička i mehanička svojstva čelika mogu. Ovo je posebno evidentno na velikim objektima. Još jedan bitan nedostatak čelika je njegova težina, što samo po sebi ne predstavlja problem, međutim, tako velika težina vrši znatan pritisak na druge materijale u celoj konstrukciji. Treća slabost čelika je to što, uprkos zaštiti od požara površinskim premazima i suprotno opšteprihvaćenom stavu, on nije vatrootporan materijal jer se topi na visokim temperaturama koje stvara požar. Mogućnost lošeg sastava legure je slabost koja se javlja samo po izuzetku ali ipak jeste slabost, a može dovesti do urušavanja zgrade i velike nevolje. Zato se sve čelične konstrukcije pregledaju ultrazvukom ili rentgenom kako bi se otkrile takve potencijalne manjkavosti.

2. Osobine čelika

2.1.Opšta fizička i mehanička svojstva

Čelik je elastičan materijal sa modulom elastičnosti 2,0-2,2×105 N/mm². Čisto gvožđe ima vrednost tvrdoće samo 60 HV, dok čelik dostiže vrednost do 800 HV zbog procesa obrade (dodavanje ugljenika), pa čak i do 2.000 HV ako se hemijski obradi. Čelik ima zateznu čvrstinu od 4000 N/mm², što je 20 puta više od vučne tvrdoće gvožđa.

2.2. Otpornost čelika na koroziju

Otpornost čelika na koroziju može se prilagoditi različitim zahtevima, baš kao što se mogu prilagoditi i tehnološka svojstva. Obično se leguri čelika za ovu vrstu otpornosti dodaje hrom (11%).

2.3. Oblikovanje čelika

Čelik se može formirati metalurškom obradom, tzv. "vrućim postupcima", odnosno, kovanjem, livenjem, presovanjem ili valjanjem. „Hladni postupci“ kojima se čelik obrađuje su izvlačenje, valjanje, presovanje ili sečenje, ali se može napraviti i metalurgijom praha.

2.4. Kaljeni čelik

Kaljeni čelik je ojačana verzija, formirana termičkom obradom. Proces se odvija tako što se čelik prvo zagreje do tačke na kojoj počinje da se topi, a zatim se vrlo brzo ohladi. Ovaj proces formira veoma tvrdu strukturu zvanu martenzit. Zbog vrlo brzog hlađenja tokom procesa očvršćavanja, u materijalu se javljaju znatna unutrašnja naprezanja, čime se povećava i opasnost od pucanja predmeta koji se kali. Da bi se to sprečilo, predmet koji se obrađuje se brzo „gasi“ u ulju, vodi ili na vazduhu čime dobija i određena svojstva. Glavna svrha kaljenja čelika je dodatno poboljšanje njegovih svojstava, u ovom slučaju prvenstveno tvrdoće.

3. Čelični profili

3.1. Čelični profili su poluproizvodi

Čelik ne može da se koristi sirov te su svi čelični elementi polufabrikati. To znači da se proizvode u fabrici, a zatim kamionima dovoze na gradilište, gde se od njih sklapa zadata struktura. Poluproizvodi imaju mnoge prednosti kakve su visok kvalitet profila, budući da su, zbog kontrole procesa proizvodnje i brzine procesa gradnje, svi profili standardizovani i precizno definisani. Za nekog arhitektu ovo može biti nedostatak, budući da svoje ideje o izgledu konstrukcije mora prilagoditi materijalu koji mu je na raspolaganju, a ne obrnuto.

3.2. Vrste čeličnih profila

Postoje brojni standardizovani čelični profili s određenim mehaničkim svojstvima. Čelični profili se dele i razlikuju prema poprečnom preseku, a to su I i IPE profili, vitki i visoki, a njihov poprečni presek nalikuje slovu I. Ovim profilima visina je znatno veća od širine. Slični IPE profilima su HEA, H i HEB profili, koji imaju manju razliku proporcije visine i širine. Ako su IPE i I profili izrazito pravougaoni, HEA, H i HEB profili su kockastiji. IPE profili imaju dimenzije visine između 8-60 cm, H i drugi profili 10-100 cm. Pored ovih, postoje i profili zvani kutije i cevi kao i U i L profili, koji se mogu prepoznati po tipičnom preseku u obliku slova U ili L. Obično statičar i/ili građevinski inženjer kome je čelik specijalnost, učestvuje u izboru profila.

3.3. Eurokod 3

Sve vrste standardnih čeličnih profila, njihova svojstva i zahtevi u vezi sa dimenzijama i konstrukcijama, mogu se naći u standardu "Eurokod 3 - standard za projektovanje čeličnih konstrukcija".

3.4. Karakteristike čeličnih profila

Čelični profili imaju vrlo dobre fizičke i mehaničke karakteristike. Zbog karakteristika koje ima gvožđe, mogu spojiti vrlo udaljene tačke, pa se najčešće sreću pri gradnji onih konstrukcija koje premošćavaju raspone kakve imaju dvorane, mostovi, stadioni, pasarele, hale i slični objekti. Jedna od glavnih prednosti profila je njihovo jednostavno kombinovanje sa drugim materijalima, što omogućava fleksibilnost konstrukcije. S druge strane, vrlo lako se i održavaju, samo ih treba zaštititi od spoljnih uticaja. U suprotnom, započeće proces korozije (rđanja) čelika.

3.5. Spajanje čeličnih profila

Čelični profili se sastavljaju u skeletnu konstrukciju varenjem ili šrafljenjem. Odluka o jednom ili drugom načinu rada uslovljena je statičkim zahtevima i željenim konačnim izgledom. Kada se radi šrafljenje, zavrtnji su uvek vidljivi, osim ako nisu prekriveni nekim drugim materijalom, a kod zavarivanja, linija vara ostaje vidljiva, ali se na kraju može zagladiti, tako da praktično postane neprimetna. Čelični profili se takođe mogu spojiti lemljenjem i zakivanjem.

4. Kuća od čelične konstrukcije

Zbog visoke cene čelika, porodične čelične kuće su relativno retke. Čelične konstrukcije za kuću posebno su retke u našim krajevima, gde prevladavaju tradicionalni građevinski materijali poput opeke i armiranog betona. Ipak, kuće sa čeličnom konstrukcijom grade se od perioda modernizma, odnosno, prve polovine 20. veka. Prednost čelične skeletne konstrukcije je ta što omogućava potpuno otvoren tlocrt s velikim rasponima, koji korisnici sređuju prema vlastitim afinitetima, željama i potrebama, a koje mogu potpuno promeniti u vrlo kratkom roku ako dođe do nekih promena ili prenamene objekta. Kakve mogu biti kuće od čelika najbolje se vidi na primerima arhitekture poput kuće Farnsvorth, arhitekte Miesa van der Roha i mnogih kuća iz 1960-ih, iz tzv. perioda „Case study houses”.

4.1. Kombinacija čelika i drveta

Budući da su čelične konstrukcije uvek skeletne, moraju se kombinovati s drugim materijalima, pomoću kojih se razgraničava eksterijer i sređuje enterijer. Čelik se, istorijski gledano, najčešće kombinovao sa staklom (primer za to je Farnsvorth Miesa van der Roha). Ova kombinacija je veoma moderna i čista, koliko u estetskom toliko i u modnom smislu, ali može delovati i hladno. Poslednjih decenija čelik se mnogo kombinuje sa drvetom koje svojom toplinom ublažava sirovi izgled ovog materijala. Drvo unosi toplinu u prostor i umekšava ga, dok čelik daje odlike industrijskog stila. Ipak, u enterijeru se vrlo često sreće kombinacija belih zidova od knaufa i vidljivih čeličnih nosača, posebno stubova.