1. Općenito o čeličnim konstrukcijama

1.1.Čelične konstrukcije već stoljećima odolijevaju konkurentnim materijalima

Čelične konstrukcije zbog svojih brojnih prednosti već više od jednog stoljeća uspješno konkuriraju drugim građevinskim materijalima, prije svega betonu. No čelične konstrukcije se i danas upotrebljavaju uglavnom za izgradnju većih javnih objekata, posebice višekatnih zgrada i nebodera, te sportskih ili drugih dvorana velikih raspona. Zbog relativno visoke cijene čelika i velike težine čeličnih nosača, ulaganje u čeličnu konstrukciju se najviše isplati za objekte većih dimenzija, dok njegova upotreba za manje objekte često nije financijski opravdana.

1.2. Čelične ili metalne konstrukcije?

Prvo trebaobjasniti razliku između čeličnih i metalnih konstrukcija. Metalne konstrukcije često se izjednačuju s čelikom, međutim, metalne konstrukcije uključuju konstrukcije izrađene od aluminija, željeza i čelika. Ako kažemo da je objekt metalne konstrukcije, zapravo još nismo ništa rekli jer trebamo precizirati o kojem je metalu riječ – o čeliku, željezu ili aluminiju. Danas su željezne konstrukcije prošlost, jer su ih u potpunosti zamijenile čelične konstrukcije. Aluminijske konstrukcije se zbog vrlo visoke cijene aluminija upotrebljavaju samo za pojedine dijelove građevine, a vrlo rijetko za cijelu konstrukciju.

1.3. Čelik

Osim razumijevanja razlike između riječi metalna konstrukcija i čelična konstrukcija, važno je razumjetiirazliku između željeza i čelika. Čelik je zapravooplemenjeno željezo. Riječ je o leguri željeza kojoj je, uz ostale elemente, dodan ugljik, kao najvažniji element. Iako gaima vrlo malo u čeliku, obično manje od 2%, ta količina uvelike utječe na svojstva čelika.

1.4. Povijest uporabe čelika

Čelik se počeo masovno upotrebljavati krajem 19. stoljeća, kada su tehnološki napredak i poznavanje postupka oplemenjivanja metala omogućili izum željeza s boljim konstrukcijskim svojstvima – čelika. Prije ovog stoljeća čelične konstrukcije zapravo nisu postojale, jer su sve konstrukcije bile željezne. U 19. stoljeću čelik se počeo upotrebljavati prvo u secesijskom stilu odnosno art nouveau, gdje se čelik u kombinaciji sa željezom upotrebljavao na izrazito ekspresivan, dekorativan način. Popularni su bili floralni i geometrijski uzroci, koji su se pojavljivali i kao nosiva konstrukcija i kao ukrasi. No krajem 19. stoljeća dogodio se još jedan veliki pomak u graditeljstvu: otkriće armiranog betona, štoje također omogućio izum čelika. Francuski inženjer Henri Hennebique bio je jedan od prvih stručnjaka, koji su istražili mogućnosti kombiniranja betona s čeličnom armaturom i napisali smjernice za armirano betonske konstrukcije. Čelična armatura, koja preuzima vlačna naprezanja u betonu, omogućila je velike raspone betonskih ploča i nosača, što je pridonijelo pronalasku slobodnog tlocrta u arhitekturi tijekom modernizma početkom 20. stoljeća.

1.5. Čelične konstrukcije u građevinarstvu

U građevinarstvu se čelične konstrukcije sastavljaju spajanjem čeličnih profila. Radi se, dakle o skeletnim konstrukcijama, građenima od mnogih neovisnih elemenata povezanih u cjelinu. Svi čelični profili su tvornički izrađeni,odnosno montažni i iz tvornice se kamionima dovoze na gradilište. Čelične konstrukcije se sastoje od čeličnih greda, stupova i nosača.

1.6. Prednosti čeličnih konstrukcija

Čelične konstrukcije imaju mnoge prednosti. Najveća prednost je izniman raspon koji se s njima može postići. Rasponi koje osiguravaju apsolutno su najveći u usporedbi s drugim građevinskim materijalima (armirani beton, drvo). Još jedna prednost koju nude čelične konstrukcije je širok raspon različitih čeličnih profila s različitim svojstvima, što omogućuje velik izbor u skladu s različitim projektnim i statičkim zahtjevima. Ova dva svojstva čine čelik jednim od najboljih materijala za gradnju složenih konstrukcija velikih objekata. Treća prednost čelika je i što je, uz odgovarajuću zaštitu, konstrukcija praktički neuništiva i uistinu izrazito izdržljiva. Četvrta prednost, koja nije zanemariva, je da je sam proces gradnje čeličnim profilima brži i čišći. Čelični profili su tvornički izrađenii dovoze se na gradilište usvom konačnom obliku, a potomse na mjestu gradnje međusobno spajaju. Za razliku od armiranog betona izlivenog nagradilištu, gradnja se odvija vrlo brzo, a gradilište ostaje čisto. Zbog procesa tvorničke izrade, samakvaliteta čeličnih profila je maksimalno kontrolirana. Na kraju, ali ne i najmanje važno, valja spomenuti i to da je, suprotno uvriježenom mišljenju, čelik ekološki prihvatljiv materijal jer se može u potpunosti reciklirati.

1.7. Nedostaci čelične konstrukcije

Najočitiji nedostatak čelične konstrukcije je visoka cijena čeličnih profila, stoga seod čelika obično u cijelosti grade objekti, gdje visoko ulaganje u konstrukcijski materijal opravdavaju fizikalna i mehanička svojstva čelika, koje bi bilo inače teško izvesti drugim materijalima. To je posebno vidljivo u velikim objektima. Drugi nedostatak čelika je njegova težina, koja sama po sebi inače nije problem, ali je cijela konstrukcija prilično teška, što vodi do slijeganja konstrukcijskih materijala. Treći nedostatak čelika je što unatoč protupožarnoj zaštiti s površinskim premazima i suprotno uvriježenom mišljenju, nije vatrootporan materijal, jer se u slučaju požara počinje topiti. Nedostatak, koji je rijedak u praksi, ali nije nemoguć, je moguća greška u leguri, što bi moglo dovesti do urušavanja objekta i ogromne katastrofe, stoga se sve čelične konstrukcije prije ishođenja uporabne dozvole pregledavaju ultrazvučnim ili rendgenskim pregledom kako bi se otkrili takvi potencijalni nedostaci.

2. Svojstva čelika

2.1. Opća fizikalna i mehanička svojstva

Čelik je elastični materijal s modulom elastičnosti od 2,0 - 2,2 × 105 N / mm². Čisto željezo je tvrdo samo 60 HV, dok čelik zbog postupaka obrade (dodavanje ugljika) postiže stupanj tvrdoće do 800 HV, pa čak i do 2000 HV uz kemijsku obradu. Čelik ima vlačnu čvrstoću od 4000 N / mm², što je 20 puta više od vlačne čvrstoće željeza.

2.2. Otpornost čelika na koroziju

Otpornost čelika na koroziju može se prilagođavati raznim zahtjevima, kao što se mogu prilagoditi tehnološka svojstva. Obično se leguri čelika dodaje krom (11%) kako bi se spriječila korozija.

2.3. Oblikovanje čelika

Čelik se vrućim procesimamože oblikovati kovanjem, lijevanjem, stiskanjem ili valjanjem. A hladnima se može oblikovati izvlačenjem, valjanjem, stiskanjem ili rezanjem, ali se može izrađivati i metalurgijom praha.

2.4. Kaljeni čelik

Kaljeni čelik je toplinski obrađen čelik. Proces teče tako što se čelik najprije zagrijava do točke gdje se počinje topiti, a zatim se vrlo brzo ohladi. Ovim postupkom dobivamo vrlo tvrdu strukturu, zvanu martenzit. Zbog vrlo brzog hlađenja, tijekom procesa kaljenja može doći do velikihunutarnjih naprezanja u materijalu, a samim time i do pucanja predmeta obrade. Da bismo to spriječili, moramo primijeniti odgovarajući postupak odnosno takozvano popuštanje, kojim se sprječava pucanje kaljenog predmeta. Glavna svrha kaljenja čelika je dodatno oplemenjivanje njegovih svojstava, u ovom slučaju prije svega njegove tvrdoće.

3. Čelični profili

3.1. Čelični profili su modularni odnosno poluproizvodi

Kao što je već spomenuto, svi čelični elementi su modularni. To znači da se proizvode u tvornici, a zatim kamionima dovoze na gradilište, gdje ih samo treba spojiti. Tvornički izrađeniprofili imaju brojne prednosti, a prije svega visokukvalitetu zbog visoke kontrole procesa proizvodnje, zbog čega su maksimalno standardizirani i definirani. Za nekog arhitekta to može bitinedostatak jer ne dopuštaju izmjene i ne mogu biti rađeni po mjeri. Njihova prednost je svakako i brz proces gradnje.

3.2. Vrste čeličnih profila

Poznajemo mnoge standardizirane čelične profile s određenim mehaničkim svojstvima. Čelični profili se dijele prema poprečnom presjeku. PostojeI i IPE profili, koji su vitki i visoki te svojim presjekom podsjećaju na slovo I. Tiprofili imaju visinu znatno veću od širine. Slični IPE profilima su HEA, H i HEB profili, koji imaju manji omjer između visine i širine profila. Ako su IPE i I profili izrazito pravokutni, HEA, H i HEB profili su više kvadratnog oblika. IPE profili imaju dimenzije visine između 80 i600 mm, H i ostali navedeni profili 100 i1000 mm. Uz spomenute profile postoje i kutijasti profili i cijevi, te U i L profili, koji se mogu prepoznati po tipičnom presjeku u obliku slova U ili L. Koje ćemo profile upotrijebiti, ovisi o vrsti konstrukcijskog elementa i njegovoj ulozi unutar konstrukcijskog sustava. Obično u odabiru profila sudjeluje i savjetuje nas statičar i/ili građevinski inženjer koji dobro poznaje njihova svojstva.

3.3. Eurokod 3

Sve vrste standardnih čeličnih profila, njihova svojstva i zahtjeve u vezi sdimenzijama čeličnih profila i konstrukcija mogu se naći u standardu „Eurokod 3 – standard za projektiranje čeličnih konstrukcija”.

3.4. Svojstva čeličnih profila

Čelični profili imaju vrlo dobra fizikalna i mehanička svojstva. Zbog navedenih svojstava željeza, čelični profili mogu premostiti vrlo velike raspone, pa se najčešće susreću u izgradnji objekata koji moraju premostiti velike raspone (dvorane, hale, mostovi, stadioni itd). Jedna od glavnih prednosti profila je njihova jednostavna kombinacija s drugim materijalima, što omogućuje fleksibilnost gradnje. Također, jednostavno ih je održavati, samo ih treba prikladno zaštititi od vremenskih utjecaja, jer u protivnom može doći do procesa korozije (hrđanja) čelika.

3.5. Spajanje čeličnih profila

Čelični profili se mogu zavariti ili pričvrstiti vijcimau skeletnu čeličnu konstrukciju. Odlukuza jedno ili drugo spajanje uvjetujei željeni konačni izgled i statički zahtjevi. Vijci su uvijek vidljivi, osim ako nisu prekriveni nekim drugim materijalom, a kod zavarivanja ostaje vidljiv var, koji se na kraju može zagladiti tako da postaje praktički neprimjetan. Čelični profili se također mogu spajati lemljenjem i zakivanjem.

4. Kuća od čelične konstrukcije

Zbog visoke cijene čelika, obiteljske kuće od čelika su relativno rijetke. Ipak, kuće od čelične konstrukcije se grade još od modernizma, odnosno prve polovice 20. stoljeća. Prednost čelične skeletne konstrukcije je što omogućuje potpuno slobodan tlocrt s velikim rasponima koji korisnik možeprilagoditi prema svojim željama i potrebama i brzo izmijenitikada se želje i potrebe promijene. Koliko čelične kuće mogu biti sjajne, pokazuju, između ostalog, arhitekture poput kuće Farnsworth arhitekta Miesa van der Roha i puno kuća iz takozvanog američkog razdoblja Case study houses iz 60-ih godina 20.stoljeća.

4.1. Kombinacija čelika i drva

Budući da su čelične konstrukcije uvijek skeletne, moraju se kombinirati s drugim materijalima, pomoću kojih se izvana ograđujemo, a uunutrašnjosti doma pregrađujemo. Najčešće se čelik povijesno kombinirao sa staklom (primjer za to je Farnsworth od Miesa van der Roha). Ova kombinacija je vrlo moderna, čista i estetska i bezvremenska, ali može djelovati pomalo hladno. Posljednjih desetljeća čelik se dosta kombinira s drvom, koje svojom toplinom ublažava sirovi izgled ovog materijala. Drvo unosi udobnosti toplinu u prostor, dok čelik unosi dašak industrijskog stila. Ipak, uobičajena kombinacija u interijeru je kombinacija bijelih knauf zidova i vidljivih čeličnih nosača, prije svega stupova.