Korozivzdorné oceli v nosných konstrukcích
Korozivzdorné (nerezové) oceli v konstrukcích dosahují obecně vysoké životnosti s výrazně nižšími náklady na údržbu. Při navrhování je však nutné zohlednit odlišné chování těchto ocelí. To vedlo k vytvoření doplňujících pravidel v samostatné části evropské normy pro ocelové konstrukce EN 1993-1-4, které se liší zejména u návrhu tlačených průřezů a prutů. Norma uvádí rovněž jednoduchá pravidla pro výběr oceli s ohledem na korozní prostředí.
Nerezové oceli, v technické literatuře nazývané častěji jako korozivzdorné oceli, jsou spjaty spíše s kuchyňským vybavením než s prvky konstrukcí. Nicméně v agresivním korozním prostředí či konstrukcích s vysokými nároky na dlouhou životnost a minimalizaci údržby může být i přes vyšší cenu materiálu použití korozivzdorné oceli výhodné. Statistiky [1] uvádějí, že pro stavebnictví se využívá okolo 14 % světové produkce těchto ocelí, přičemž tento podíl je vyšší v ekonomicky vyspělých zemích, zejména pak v těch s větší pobřežní oblastí.
Hlavní odlišností korozivzdorné oceli oproti běžně používaným ocelím uhlíkovým je přítomnost velmi tenké (do 0,005 μm), ale kompaktní povrchové pasivní vrstvy oxidu chromitého. Tato vrstva se v případě poškození za přítomnosti kyslíku sama obnovuje. Korozivzdorné oceli jsou charakterizovány obsahem chromu alespoň 10,5 %. Mezi další legury patří často molybden a další (titan, niob, dusík). Ve skutečnosti korozivzdorné oceli představují velké množství tříd ocelí s velmi rozdílnou pevností a korozní odolností.
Použití ve stavebnictví
Ve stavebnictví jsou nejběžněji používanými třídami oceli austenitické, které mají austenitickou strukturu, dobrou korozní odolnost, jsou velmi houževnaté, nemagnetické (s výjimkou oblastí tvarovaných za studena) a velmi dobře svařitelné. Oceli austeniticko-feritické (rovněž označované jako duplexní) mají smíšenou austenitickou a feritickou strukturu, vyšší obsah chromu a menší obsah niklu. Tyto oceli jsou navrhovány zejména pro jejich vyšší pevnost, případně vyšší korozní odolnost. Dále se ve stavebnictví používají oceli feritické, které mají feritickou strukturu, jsou méně odolné korozi, ale jejich cena je nižší. Uplatňují se například u tenkostěnných profilů tvarovaných za studena jako alternativa k běžným pozinkovaným ocelovým plechům. Porovnání typických pracovních diagramů korozivzdorných ocelí je na obr. 1.
Ve stavebních konstrukcích je důvodem pro návrh korozivzdorné oceli zpravidla atraktivní metalický povrch a vysoká korozní odolnost, která při správné volbě třídy oceli vede k dlouhé životnosti konstrukce v řadě průmyslových prostředí, úpravnách vod či bazénových halách. Často se korozivzdorné oceli navrhují i kvůli vysoké otěruvzdornosti či absorpci velkého množství energie při nárazu nebo při vysokých nárocích na hygienu prostředí v potravinářském průmyslu či výrobě léčiv. V ČR je dobře známa prostorová příhradová konstrukce oranžerie Pražského hradu z konce devadesátých let (obr. 2), navržená ateliérem architektky Evy Jiřičné. Pro tuto konstrukci byla použita základní austenitická ocel 1.4301.
Pro konstrukce, kde je výhodná vyšší pevnost materiálu a kde se využívá k výrobě průřezů svařováním z plechů (např. mostní konstrukce), jsou často používány austeniticko-feritické (duplexní) oceli, běžně třídy 1.4462. Prvním mostem s hlavní nosnou konstrukcí z korozivzdorné oceli je silniční most Cala Galdana s ocelovým obloukem o rozpětí 45 m a výšce 6 m na ostrově Menorca. Most byl uveden do provozu roku 2005 a byl v Evropě i Asii následován dalšími realizacemi lávek a mostů. Spolu s třídou 1.4462 se v současnosti využívá novějších nízkolegovaných austeniticko-feritických (lean-duplex) ocelí, zejména 1.4162 (např. zavěšená lávka v Sieně z roku 2006). Ze současných projektů je na obr. 3 ukázána výroba a montáž při rekonstrukcí železničního mostu ve Stockholmu o délce 174 m. Nosník s výškou 1 m z korozivzdorné oceli 1.4662 (mírně nižší obsah niklu a molybdenu než u oceli 1.4462) nahradí stávající nosník z běžné uhlíkové oceli právě díky nižším nárokům na údržbu. Konstrukce (600 t oceli) bude dokončena v roce 2018. Z probíhajících realizací je možné ještě na okraj zmínit výrobu první lávky kompletně vytvořené z korozivzdorné oceli technologií 3D tisku. Dvanáctimetrová lávka futuristického tvaru bude letos uvedena do provozu v Amsterdamu. Při návrhu může být omezením menší sortiment běžně vyráběných profilů. Typické jsou zejména uzavřené kruhové a čtverhranné profily. Projektanty ocelových konstrukcí často používané otevřené válcované profily (I, H, U, L apod.) nejsou u korozivzdorných ocelí zdalekatak běžné, i když jistou alternativou mohou být průřezy svařované laserem. Obr. 4 ukazuje kopulovou konstrukci střechy polské továrny na výrobu průmyslových hnojiv v průběhu výstavby. Konstrukce (95 t) je ze 144 zakřivených nosníků (rozpon 15 m) tvořených laserem svařovanými profily IPE 270 z oceli 1.4404. V konstrukci jsou použity i laserem svařované U profily a za tepla válcované úhelníky.
Návrhové postupy a normy
K používání korozivzdorných ocelí v Evropě jistě přispělo i zavedení návrhových evropských norem. První předběžná evropská norma ENV 1993-1-4 byla publikována již v roce 1996 (v ČR pak v roce 1998 [2]) a pro projektanty znamenala seznámení se s hlavními odlišnostmi chování korozivzdorných ocelí a podporu pro návrh prvků nosných konstrukcí. Jedná se o poměrně stručnou normu doplňující pravidla pro návrh běžných ocelových konstrukcí podle skupiny norem EN 1993 s ohledem na nejdůležitější odlišnosti korozivzdorných ocelí (zakřivený pracovní diagram materiálu, viz obr. 5, a specifická pravidla s ohledem na trvanlivost). V roce 2006 pak norma vyšla rozšířená jako EN 1993-1-4, v českém překladu jako ČSN EN 1993-1-4 o dva roky později [3]. V roce 2015 se norma dočkala Změny A1, které se věnuje i text níže. Významnější úpravy se očekávají spolu s dalšími částmi norem pro ocelové konstrukce po roce 2020. Řada z nich byla zapracována do Příručky pro navrhování konstrukcí z korozivzdorné oceli [4] připravované již od roku 1993 a nyní ve svém čtvrtém vydání v roce 2017 přeložené rovněž do češtiny (obr. 6). Jedná se například o zpřesnění křivek vzpěrnosti a interakce tlaku s ohybem, zavedení postupů pro stanovení zvýšené pevnosti za studena tvářených profilů a zcela nové metody návrhu Continuous Strength Method. Český překlad příručky byl představen veřejnosti v rámci odborného semináře 27. září 2017 na Fakultě stavební ČVUT v Praze. Publikace je spolu s dalšími výstupy projektu PUREST dostupná na webu http://www.steel-stainless.org/designmanual. Pro projektanty nosných konstrukcí je klíčové stanovení únosnosti konstrukčních prvků. Postupy výpočtu únosnosti jsou však v principu totožné s postupy pro běžné ocelové konstrukce a liší se spíše jen v jejich parametrech. Nelinearita pracovního diagramu ovlivňuje zejména stanovení únosnosti tlačených průřezů a prutů.
Celý článek naleznete v archivu čísel 04/2018.