Reklama

Ocel pro stavební ocelové konstrukce

doc. Ing. Tomáš Rotter, CSc., ČVUT Praha

Recenzovaný

V několika pojednáních představíme souhrn technických požadavků při specifikaci ocelového materiálu ocelových konstrukcí pozemního stavitelství nebo ocelových mostů. Většinu technických požadavků na materiál stanovuje projektant ocelové konstrukce v jednotlivých stupních projektové dokumentace. Úplná specifikace ocelového materiálu musí být obsažena v dokumentaci pro zadání stavby, která slouží pro výběr zhotovitele ocelové konstrukce. Postupně projdeme všemi etapami v novém, stále se měnícím prostředí pro navrhování, až po kontroly a zkoušení materiálů.

Reklama

1 Úvod

V tomto pojednání je uveden souhrn technických požadavků při specifikaci ocelového materiálu ocelových konstrukcí pozemního stavitelství nebo ocelových mostů.

Většinu technických požadavků na materiál stanovuje projektant ocelové konstrukce v jednotlivých stupních projektové dokumentace. Úplná specifikace ocelového materiálu musí být obsažena v dokumentaci pro zadání stavby, která slouží pro výběr zhotovitele ocelové konstrukce. Výběrové řízení na zakázky placené z veřejných prostředků je povinné, soukromý investor si může zvolit zhotovitele podle vlastního uvážení. V dokumentaci pro zadání stavby musí být uvedeny následující údaje: značka a jakostní stupeň oceli, chemické složení oceli, mechanické vlastnosti oceli, dodací podmínky, technologické vlastnosti, vnitřní jakost, jakost povrchu, požadavky na kontrolu a zkoušení a dokumenty kontroly. Kromě těchto základních požadavků existuje ještě celá řada volitelných požadavků obsažených v objednávce ocelového materiálu, které se uplatní v případě nutnosti. Zhotovitel ocelové konstrukce musí ve své nabídce na dodávku konstrukce tyto požadavky respektovat. Investor potom ve všech fázích přejímek kontroluje, zda technické požadavky na materiál byly skutečně dodrženy. Je zřejmé, že požadavky na ocelový materiál uvedené v objednávce ovlivňují jednotkovou cenu materiálu a tím i jednotkovou cenu ocelové konstrukce.

2 Způsob výroby oceli

Výsledkem metalurgického procesu v ocelárně může být (v závislosti na použitém způsobu desoxidace) ocel neuklidněná (způsob desoxidace označený dle ČSN EN 10025 jako FU), ocel uklidněná (desoxidace FN) nebo ocel plně uklidněná (desoxidace FF). Uklidnění oceli příznivě ovlivňuje svařitelnost oceli. Plně uklidněná ocel, na rozdíl od oceli uklidněné, obsahuje prvky, které vážou dusík, a tím je navíc zabráněno stárnutí oceli. Způsob desoxidace musí být proveden podle tab. 2 ČSN EN 10025.

Na svařované nosné ocelové konstrukce se používají jakostní oceli QS, pro které se převážně požaduje plně uklidněná ocel. Jakostní ocel QS je požadována pro oceli jakostních stupňů J0, J2 a K2. Pro ocel jakostního stupně JR, která se hodí pro podružné konstrukce, stačí ocel obvyklé jakosti BS.

3 Chemické složení

Chemické složení pro jednotlivé druhy konstrukčních ocelí je uvedeno v příslušné části ČSN EN 10025. Chemické složení se stanovuje z rozboru tavby nebo z rozboru hotového výrobku.

Při objednávce ocelového materiálu lze dohodnout dodatečné požadavky na maximální hodnotu uhlíkového ekvivalentu CEV stanovenou z rozboru tavby nebo požadavky na množství legujících prvků. Uhlíkový ekvivalent ovlivňuje svařitelnost konstrukce a jeho maximální hodnotu určuje projektant. Uhlíkový ekvivalent nemá překročit hodnotu 0,4.

4 Mechanické vlastnosti

Ze statického výpočtu vyplývá požadavek na hodnotu meze kluzu f_y a meze pevnosti oceli f_u. Odpovídající volba oceli je vyjádřena značkou oceli, např. S235, S355 atd. Značka oceli je shodná s charakteristickou hodnotou meze kluzu. Projektant při návrhu ocelové konstrukce značku oceli volí a statickým výpočtem prokazuje, že zvolená ocel vyhovuje všem mezním stavům únosnosti a použitelnosti. K dispozici jsou oceli značky S235, S275, S355, S420 a S460. V odůvodněných případech lze využívat i oceli vysokých pevností s mezí kluzu až do 1000 MPa. Při návrhu ocelové konstrukce se v České republice stále ještě používá ocel S235. Nejen v zahraničí se však již delší dobu běžně používají oceli s vyšší mezí kluzu S355 a S420. Použití těchto ocelí je ve většině případů ekonomicky výhodnější, zvláště pokud o návrhu jednotlivých prvků konstrukce nerozhodují stabilitní jevy (vzpěr, boulení, klopení apod.). Ocel S235 se používá pro nenosné a doplňkové konstrukce. Trend pro používání ocelí s vyšší mezí kluzu platí pro konstrukce pozemního stavitelství i pro ocelové mosty. Volba oceli s vyšší mezí kluzu umožňuje navrhovat svařované průřezy z menších tlouštěk plechů, což příznivě ovlivňuje křehkolomové vlastnosti. Mez kluzu a mez pevnosti se ověřuje tahovou zkouškou ve všech případech, kdy je požadováno specifické zkoušení.

Druhou důležitou materiálovou vlastností je vrubová houževnatost oceli, která se zjišťuje zkouškou rázem v ohybu podle ČSN EN 10045-1. Touto zkouškou se měří množství práce na přeražení vzorku při definované zkušební teplotě. Pro běžné stavební ocelové konstrukce postačuje hodnota 27J. Pro konstrukce výrazně dynamicky namáhané se požaduje hodnota 40J. Jak je všeobecně známo, hodnota vrubové houževnatosti se snižuje s klesající teplotou. Proto se požaduje dostačující vrubová houževnatost pro nejnižší provozní teplotu konstrukce. Nejnižší teplota pro ocelové mosty je −35 ºC, pro spřažené ocelobetonové mosty −25 ºC. Vrubová houževnatost oceli se označuje jakostním stupněm na 5. a 6. místě v alfanumerickém znaku oceli, např. SxxxJ0 nebo SxxxK2. Písmeno J označuje ocel, která vykazuje při zkoušce vrubové houževnatosti 27J a písmeno K odpovídá hodnotě 40J. Na 6. místě znaku se udává zkušební teplota při zkoušce vrubové houževnatosti. Písmeno R odpovídá teplotě +20 ºC, číslice 0 odpovídá teplotě 0 ºC, číslice 2 odpovídá teplotě −20 ºC. Nelegované oceli podle ČSN EN 10025-2 jsou dodávány v jakostních stupních JR, J0, J2 a K2. Minimální hodnota nárazové práce 27J resp. 40J platí pro tloušťky materiálu od 10 do 150 mm. Jemnozrnné oceli normalizačně žíhané nebo normalizačně válcované podle ČSN EN 10025-3 jsou dodávány ve stupni N nebo NL. Pro oceli stupně N je minimální hodnota nárazové práce při zkoušce vrubové houževnatosti 40J při zkušební teplotě −20 ºC a pro oceli stupně NL je hodnota 27J při teplotě −50 ºC a 40J při teplotě −30 ºC. Tyto hodnoty nárazové práce platí pro tloušťky do 150 mm, u oceli S460 do tloušťky 100 mm. Stejnou vrubovou houževnatost mají jemnozrnné oceli termomechanicky válcované ve stupni M a ML, které jsou dodávané podle ČSN EN 10025-4. Oceli se zvýšenou odolností proti atmosférické korozi podle ČSN EN 10025-5 jsou dodávané ve stupních J0, J2 a K2. Použití těchto ocelí se předpokládá do tloušťky 100 mm.

Další mechanickou vlastností ocelových výrobků (týká se ocelových plechů, široké oceli a ocelových tvarových tyčí) je lamelární praskavost. Při namáhání kolmo k povrchu (ve směru tloušťky) vykazují tyto výrobky jiné deformační vlastnosti, než při namáhání působícím rovnoběžně s povrchem. V důsledku této anizotropie může docházet u svařovaných konstrukcí k lamelární praskavosti. Vznik lamelární praskavosti závisí hlavně na deformačních vlastnostech ocelového výrobku, dále pak na druhu konstrukce, na druhu svarového spoje a postupu při svařování. Charakteristickou veličinou pro vlastnosti ve směru tloušťky je minimální hodnota kontrakce při zkoušce tahem. Kontrakce je obecným vodítkem pro odolnost proti lamelární praskavosti, protože nebezpeči lamelárního praskání se zmenšuje s přibývající kontrakcí při zkoušce tahem na zkušebních tělesech odebraných kolmo k povrchu výrobku. Vlastnosti ve směru tloušťky je možné zlepšit dodatečnými opatřeními při výrobě oceli. Norma ČSN EN 10164 zavádí tři jakostní třídy: Z15, Z25 a Z35. Číslo ve značce odpovídá minimální kontrakci při zkoušce tahem. U plechů a pásů platí hodnota pro celý výrobek, u tvarových tyčí platí buď pro přírubu nebo stojinu, podle místa odběru zkušebního vzorku. Při specifikaci vlastností ocelového materiálu běžně stačí jakostní třída Z15. Pouze pro důležité prvky namáhané kolmo k povrchu se požaduje jakostní třída Z25. Nebezpečí vzniku lamelární praskavosti lze ve speciálních případech posoudit podle ČSN EN 1993-1-10 ed. 2.

Významnou mechanickou vlastností je lomová houževnatost. Lomová houževnatost není však pouze materiálovou vlastností. Podmínky pro vznik křehkého lomu ovlivňují také: provozní teplota, mez pevnosti, jakostní stupeň, napětí v posuzovaném místě, rychlost deformace od zatížení, tloušťka materiálu a konstrukční detail. Při volbě materiálu ocelové konstrukce je zapotřebí vytvořit takové podmínky, aby vznik křehkého lomu v konstrukci byl vyloučen. K tomu účelu je možné použít normu ČSN EN 1993-1-10, která uvádí maximální použitelné tloušťky materiálu v závislosti na druhu oceli, jakostním stupni, provozní teplotě a na dosaženém napětí. Hodnoty maximálních tlouštěk uvedené v tabulkách vycházejí z určitého konstrukčního detailu (detail kategorie únavové pevnosti 56 dle ČSN EN 1993-1-9 s poloeliptickou trhlinou) a z hodnoty tahového napětí od reziduálního pnutí o velikosti 100 MPa. Konstrukční detail kategorie 56 obsahuje poměrně velkou míru vrubu a většinu konstrukcí lze navrhnout s detaily únavově lepšími. Hodnota reziduálního pnutí závisí na všech technologických postupech výroby základního materiálu, výroby a montáže ocelové konstrukce a při dodržování technologické kázně je hodnotou bezpečnou. Obecně existuje závislost mezi lomovou houževnatostí a vrubovou houževnatostí. I z toho důvodu výše citované tabulky obsahují požadované hodnoty nárazové práce při zkoušce vrubové houževnatosti pro jednotlivé jakostní stupně oceli. Tabulky však nelze použít pro přesnější stanovení zbytkové životnosti konstrukce s existující trhlinou. Pro stanovení rychlosti šíření trhliny a kritické délky trhliny je nutná znalost lomové houževnatosti v závislosti na všech výše uvedených parametrech, přičemž hodnota lomové houževnatosti není všeobecně známá pro všechny výše uvedené parametry. V případě potřeby se stanovuje experimentálně, je to však proces časově a finančně náročný.

V praxi se postupuje tak, že se nejdříve zvolí značka oceli a její jakostní stupeň v závislosti na předpokládané největší tloušťce dle tab. 1. Jak již bylo řečeno, preferují se oceli S355 až S460. Na základě výsledků statického výpočtu se zkontroluje největší navržená tloušťka plechu v závislosti na maximálním dosaženém napětí a provozní teplotě dle tab. 2.1 ČSN EN 1993-1-10 ed. 2. Dle této normy jsou v následujících tab. 2 a 3 sestaveny maximální tloušťky plechu pro nejnižší provozní teploty −25 ºC a −35 ºC.

Tab. 1 Volba druhu oceli pro nejnižší provozní teplotu −30 ºC

Tab. 2 Maximální tloušťka plechu v mm pro nejnižší provozní teplotu −25 ºC
Značka oceli	Jakostní stupeň	Vrubová houževnatost		Maximální napětí `σ`_Ed
Značka oceli	Jakostní stupeň	°C	J_min	0,75 `f`_y	0,50 `f`_y	0,25 `f`_y
S235	J2	−20	27	55	80	125
S 275	J2	−20	27	60	85	135
	N, M	−20	40	70	105	155
	NL, ML	−50	27	100	140	195
S 355	J2	−20	27	45	70	120
	K2, N, M	−20	40	55	85	140
	NL, ML	−50	27	80	120	185
S 420	N, M	−20	40	50	75	130
S 420	NL, ML	−50	27	70	110	170
S 460	Q	−20	27	35	60	105
	N, M	−20	40	45	70	120
	QL	−40	27	55	85	140
	NL, ML	−50	27	65	100	165
	QL1	−60	27	80	120	185
S 690	Q	−20	27	20	40	80
	QL	−40	27	35	60	110
	QL1	−60	27	55	85	150
N ve stavu normalizačně žíhaném nebo normalizačně válcovaném M ve stavu termomechanicky válcovaném L ocel pro nízké teploty Q zušlechtěná ocel

Tab. 3 Maximální tloušťka plechu v mm pro nejnižší provozní teplotu −35 °C
Značka oceli	Jakostní stupeň	Vrubová houževnatost		Maximální napětí `σ`_Ed
Značka oceli	Jakostní stupeň	°C	J_min	0,75 `f`_y	0,50 `f`_y	0,25 `f`_y
S 235	J2	−20	27	55	80	125
S 275	J2	−20	27	50	75	115
	N, M	−20	40	60	85	135
	NL, ML	−50	27	85	120	175
S 355	J2	−20	27	35	60	100
	K2, N, M	−20	40	45	70	120
	NL, ML	−50	27	65	100	160
S 420	N, M	−20	40	40	65	110
S 420	NL, ML	−50	27	60	90	150
S 460	Q	−20	27	25	50	85
	N, M	−20	40	35	60	105
	QL	−40	27	45	70	120
	NL, ML	−50	27	55	85	140
	QL1	−60	27	65	100	165
S 690	Q	−20	27	15	30	65
	QL	−40	27	25	50	90
	QL1	−60	27	45	70	130
N ve stavu normalizačně žíhaném nebo normalizačně válcovaném M ve stavu termomechanicky válcovaném L ocel pro nízké teploty Q zušlechtěná ocel

5 Technologické vlastnosti

Mezi technologické vlastnosti oceli požadované projektem patří svařitelnost a případně vhodnost pro žárové zinkování nebo tváření za tepla nebo za studena. Svařitelnost je základním požadavkem pro všechny moderní ocelové konstrukce. Svařitelnost je ovlivněna druhem materiálu, rozměrem a postupem svařování. Pro svařované nosné ocelové konstrukce se používá plně uklidněná ocel a volí se jakostní ocel QS. Všechny jakostní oceli QS jsou svařitelné. Svařitelnost je závislá na jakostním stupni oceli a vzrůstá od jakostního stupně J0 do stupně K2. Přednostně se volí materiál takové jakosti a tloušťky, aby nebylo nutné při svařování předehřívat. Takové materiály jsou dnes běžně k dispozici. Pokud se použije materiál velké tloušťky nebo vysokopevnostní ocel a bude nutný předehřev, tak je nutno tuto skutečnost projednat s výrobcem ocelové konstrukce.

Pokud má být ocelová konstrukce žárově zinkovaná, tak je nutné v objednávce materiálu doplnit požadavky na chemické složení oceli, které je vhodné pro následné žárové zinkování.

Pokud mají být v ocelové konstrukci použity prvky, které budou při výrobě konstrukce tvářené za tepla a mají být v těchto prvcích i po tváření dodrženy základní materiálové vlastnosti oceli (mez kluzu a vrubová houževnatost), tak je nutné objednat ocelový materiál v normalizačně žíhaném nebo normalizačně válcovaném stavu, označený písmenem N. Tento požadavek není nutný u plechů jakostních stupňů J2G3 nebo K2G3 (viz ČSN EN 10025-2 až 6).

Oceli vhodné pro tváření za studena musí být při objednávce označeny písmenem C nebo GC (viz ČSN EN 10025-2 až 6).

6 Vnitřní vady

Nejběžnější vnitřní vadou je zdvojení plechu. Takový plech se v místě zdvojení chová jako dvouvrstvý, což snižuje jeho ohybovou tuhost a umožňuje rozdvojení plechu. Proto je tato vada nepřípustná v místech namáhání plechu kolmo k jeho povrchu (např. v místě křížového styku) a hlavně v tlačených částech průřezu (tlačené pásnice a tlačené části stěny ohýbaných nosníků, stěny a pásnice tlačených svařovaných prutu), které by v důsledku zdvojení mohly boulit. Zdvojení plechů se kontroluje ultrazvukovou zkouškou podle ČSN EN 10160. Tato norma definuje 5 klasifikačních stupňů při plošném zkoušení plechů a 4 klasifikační stupně při zkoušení okrajů plechů. Číselně vyšší stupeň charakterizuje větší vady. V místech namáhání plechu kolmo k jeho povrchu, tj. např. v místě křížového styku, se vyžaduje alespoň klasifikační stupeň 2. Pro tlačené části průřezu, které by v důsledku zdvojení mohly boulit, se požaduje alespoň klasifikační stupeň 3. V obou případech se tudíž musí v objednávce materiálu předepsat plošná zkouška ultrazvukem, velikost rastru pro zkoušku a požadovaný klasifikační stupeň. Dále se kontrolují ultrazvukovou zkouškou okraje plechů, které jsou určeny ke svařování. V tomto případě se požaduje alespoň klasifikační stupeň 2.

7 Jakost povrchu

Požadavky na jakost povrchu ocelových plechů a široké oceli válcovaných za tepla, a ocelových tyčí tvarovaných za tepla jsou stanoveny v ČSN EN 10163-1 až 3. Jsou zde uvedeny požadavky na druh, dovolenou hloubku a dovolenou velikost ovlivněné povrchové zóny u necelistvostí (nedokonalostí a vad) a v místech, kde byly vady odstraněny (vybroušením nebo zavařením). Podle této normy jsou nedokonalosti takové povrchové necelistvosti, jejichž hloubka a velikost nepřesahuje mezní hodnotu a nemusí se odstraňovat. Naopak vady jsou povrchové necelistvosti, jejichž hloubka a velikost přesahuje mezní hodnotu a proto musí být odstraněny. Norma obsahuje popis nejčastěji se vyskytujících povrchových necelistvostí a způsoby pro odstraňování povrchových vad. V objednávce ocelového materiálu musí být požadavky na jakost povrchu a podmínky pro odstraňování vad vyjádřeny požadovanou třídou a požadovanou podskupinou.

8 ČSN EN 10025

Norma ČSN EN 10025 Výrobky válcované za tepla z konstrukčních ocelí se člení do šesti částí:

Část 1: Všeobecné technické dodací podmínky.
Část 2: Technické dodací podmínky pro nelegované konstrukční oceli.
Část 3: Technické dodací podmínky pro normalizačně žíhané/normalizačně válcované svařitelné jemnozrnné konstrukční oceli.
Část 4: Technické dodací podmínky pro termomechanicky válcované svařitelné jemnozrnné konstrukční oceli.
Část 5: Technické dodací podmínky na konstrukční oceli se zvýšenou odolností proti atmosférické korozi.
Část 6: Technické dodací podmínky na ploché výrobky s vyšší mezí kluzu po zušlechťování.

Norma ČSN EN 10025 stanovuje požadavky na plechy a tvarové tyče vyrobené válcováním za tepla z konstrukčních ocelí, které se používají pro výrobu svařovaných, šroubovaných a nýtovaných konstrukcí.

Pro stavební ocelové konstrukce lze použít oceli podle tab. 4. V prvním sloupci tabulky je uvedena značka a jakostní stupeň oceli podle ČSN EN 10027-1. Značka oceli odpovídá minimální mezi kluzu při jmenovitých tloušťkách menších než 16 mm. Při větších tloušťkách minimální mez kluzu klesá. Jakostní stupeň oceli označuje minimální hodnotu nárazové práce při zkoušce vrubové houževnatosti v závislosti na teplotě.

Tab. 4: Přehled ocelí podle ČSN EN 10025-2 až 10025-6
ČSN EN 10025-2 Nelegované konstrukční oceli	ČSN EN 10025-3 Normalizačně žíhané/válcované jemnozrnné konstrukční oceli	ČSN EN 10025-4 Termomechanicky válcované jemnozrnné konstrukční oceli	ČSN EN 10025-5 Konstrukční oceli se zvýšenou odolností proti atmosférické korozi	ČSN EN 10025-6 Ploché výrobky s vyšší mezí kluzu po zušlechťování
S235JR	S275N	S275M	S235J0W	S460Q
S235JO	S275NL	S275ML	S235J2W	S460QL
S235J2	S355N	S355M	S355J0WP	S460QL1
S275JR	S355NL	S355ML	S355J2WP	S500Q
S275J0	S420N	S420M	S355J0W	S500QL
S275J2	S420NL	S420ML	S355J2W	S500QL1
S355JR	S460N	S460M	S355K2W	S550Q
S355J0	S460NL	S460ML		S550QL
S355J2				S550QL1
S355K2				S620Q
S450J0				S620QL
				S620QL1
				S690Q
				S690QL
				S690QL1
				S890Q
				S890QL
				S890QL1
				S960Q
				S960QL

Nelegované konstrukční oceli podle ČSN EN 10025-2, značky oceli S235, S275, S355, S450, jsou dodávané v jakostních stupních JR, J0, J2 a K2. V tab. 7 v ČSN EN 10025-2 jsou uvedeny hodnoty až do tlouštěk 400 mm. Volba jakostního stupně oceli musí odpovídat nejnižší provozní teplotě stavební konstrukce. Pro běžné stavební ocelové konstrukce se požaduje hodnota nárazové práce 27J, která je zaručena u jakostních stupňů JR, J0 a J2. V tab. 4 až 6 v ČSN EN 10025-2 je uvedeno chemické složení oceli a maximální hodnota uhlíkového ekvivalentu (CEV).

Normalizačně žíhané/normalizačně válcované svařitelné jemnozrnné konstrukční oceli dodávané podle ČSN EN 10025-3 jsou vyráběné buď normalizačním žíháním nebo normalizačním válcováním. Oba tyto výrobní procesy vedou k ekvivalentnímu stavu materiálu a platí pro ně tudíž jedna norma, která specifikuje čtyři značky oceli S275, S355, S420 a S460. Všechny značky oceli mohou být dodány s minimálními hodnotami nárazové práce při teplotách do −20 °C označované jako N nebo do −50 °C označované jako NL. Jemnozrnné konstrukční oceli N a NL podle ČSN EN 10025-3 byly speciálně vyvinuty pro vysoce namáhané svařované konstrukce za nízkých teplot. Jejich výhoda se uplatní zvláště při svařování na montáži při nepříznivých klimatických podmínkách, protože se ve většině případů nemusí provádět předehřev. Ocelové prvky z jemnozrnných ocelí jsou dále méně náchylné na vznik deformací od svařování, čímž lze ušetřit náklady na rovnání. Chemické složení, maximální hodnota uhlíkového ekvivalentu, mechanické vlastnosti a minimální hodnoty nárazové práce jsou uvedeny v tab. 2 až 7 v ČSN EN 20025-3.

Termomechanicky válcované svařitelné jemnozrnné oceli podle ČSN EN 10025-4 jsou vyráběné řízeným procesem válcování. Specifické chemické složení oceli a doválcování za nízké teploty vede na jemnozrnnou strukturu oceli, která má nízký uhlíkový ekvivalent (příznivě ovlivňuje svařitelnost), dobré křehkolomové vlastnosti (umožňuje použití větších tlouštěk materiálu) a má dobré vlastnosti pro následné tváření za studena (ohýbání, lemování apod.). Norma ČSN EN 10025-4 určuje čtyři značky oceli S275, S355, S420 a S460, které mohou být dodány s minimálními hodnotami nárazové práce do −20 °C označované jako M nebo do −50 °C označované jako ML. Obdobně jako u ocelí N a NL jsou všechny důležité hodnoty ocelí M a ML uvedeny v tab.2 až 7 ČSN EN 10025-4.

Konstrukční oceli se zvýšenou odolností proti atmosférické korozi jsou dodávány podle ČSN EN 10025-5. Zvýšené odolnosti oceli proti atmosférické korozi je dosaženo přidáním určitého množství legujících prvků (fosfor, měď, chrom, nikl, molybden aj.). Vlivem těchto legujících prvků a povětrnostních podmínek se vytváří na povrchu základního materiálu ochranná vrstva oxidů, tzv. patina, která brání další korozi. V příloze C v ČSN EN 10025-5 jsou uvedeny konstrukční zásady a podmínky, za kterých je vhodné použití těchto ocelí. Jedná se zejména o takové konstrukční řešení, které vyloučí plochy, na kterých se mohou hromadit nečistoty bránící vytvoření patiny. Komorové nosníky musí být odvětrány. Ocelová konstrukce nesmí být trvale ve vlhku. V případech, kdy nelze splnit tyto a další podmínky, je nutná povrchová protikorozní ochrana. Po svislých nebo šikmých stěnách smáčených deštěm stéká po dobu tvorby patiny rez. Konstrukce nebo plochy pod konstrukcí z patinující oceli je proto nutné chránit před stékající rzí. Norma obsahuje dvě značky oceli S235 a S355, které mohou být dodány v jakostních stupních J0, J2 a K2. Ocel S355 se dále dělí do dvou tříd W a WP, které se liší obsahem uhlíku a fosforu. Vhodnost použití jednotlivých tříd obsahuje tab. 1 v ČSN EN 10025-5. Tab. 2 až 5 v ČSN EN 10025-5 obsahují všechny důležité hodnoty ocelí se zvýšenou odolností proti atmosférické korozi.

Konstrukční oceli s vyšší mezí kluzu po zušlechťování podle ČSN EN 10025-6 jsou legované ušlechtilé oceli. Norma obsahuje sedm značek oceli S460 až S960 s minimální hodnotou meze kluzu 460 až 960 MPa, která platí pro jmenovité tloušťky do 50 mm. Pro větší tloušťky mez kluzu klesá (viz tab. 5 v ČSN EN 10025-6). Všech sedm značek ocelí může být dodáváno ve třech jakostních stupních: s minimálními hodnotami nárazové práce při teplotách do −20 °C (bez označení), do −40 °C (označeno symbolem L) nebo do −60 °C (označeno symbolem L1). Písmeno Q v označení oceli znamená ocel ve stavu zušlechtěném. V tab. 2 až 7 v ČSN EN 10025-6 jsou uvedeny všechny důležité hodnoty ocelí s vyšší mezí kluzu po zušlechťování.

Norma ČSN EN 10025 ve svých jednotlivých částech uvádí nejen mechanické a technologické vlastnosti oceli požité na plechy a na tvarové tyče vyrobené válcováním za tepla, ale obsahuje dále seznam vlastností, které musí nebo mohou být vyžadovány při objednávce hutního materiálu, a dále obsahuje ustanovení o průkazních zkouškách jednotlivých vlastností materiálu, o přípravě vzorků pro zkoušky a zkušebních metodách.

9 Dodací podmínky

Požadavky na konstrukční oceli jsou specifikovány v objednávce plechů nebo tvarových tyčí a v ní musí odběratel uvést následující údaje:

dodávané množství,
tvar výrobku,
číslo příslušné části ČSN EN 10025,
značku oceli nebo číselné označení oceli podle ČSN EN 10025-2 až 6,
jmenovité rozměry a mezní úchylky rozměrů a tolerance tvaru,
všechny požadované volitelné požadavky,
dodatečné požadavky na kontrolu a zkoušení a dokumenty kontroly podle údajů v ČSN EN 10025-2 až 6,
zda výrobky musí být podrobeny specifikované nebo nespecifikované kontrole a zkoušení, a který dokument kontroly je požadován.

V případě nutnosti se použijí následující volitelné požadavky dle ČSN EN 10025-1:

oznámení o způsobu výroby oceli,
provedení chemického rozbor hotového výrobku; počet zkušebních vzorků a prvků se musí dohodnout,
prověření vlastností zkouškou rázem v ohybu při dohodnuté teplotě,
požadavek na zlepšení jedné vlastnosti ve směru kolmé k povrchu výrobku podle ČSN EN 10164 u výrobků odpovídající kvality,
vhodnost výrobku pro žárové zinkování,
prověření nepřítomnosti vnitřních vad podle ČSN EN 10160 u plochých výrobků tlouštěk ≥ 6 mm,
prověření nepřítomnosti vnitřních vad podle ČSN EN 10306 u tyčí průřezu H s rovnoběžnými přírubami a u IPE profilů,
prověření nepřítomnosti vnitřních vad u tyčí podle ČSN EN 10308,
kontrola stavu povrchu a rozměrů musí být ověřena u výrobce odběratelem,
požadovaný druh značení.

Kromě výše uvedených volitelných požadavků se mohou v objednávce hutního materiálu dohodnout další volitelné požadavky uvedené v čl. 13 jednotlivých norem ČSN EN 10025-2 až 6.

Dlouhé nebo kontinuálně válcované ploché výrobky z konstrukční oceli podle ČSN EN 10025-2 mohou být dodány ve stavu +AR, +N nebo +M. Stav +AR (as rolled) znamená dodávku válcovaného výrobku bez jakéhokoliv dalšího zpracování. Stav +N znamená normalizační válcování, které je ekvivalentní s normalizačním žíháním. Avšak u výrobků, u kterých bylo normalizační žíhání nahrazeno ekvivalentním normalizačním válcováním, musí výrobce garantovat dodržení hodnot mechanických vlastností materiálu nejen při dodání, ale i po provedení normalizačního žíhání. Stav +M znamená termomechanické válcování.

10 Mezní úchylky rozměrů a tvarů

Mezní úchylky rozměrů a tolerance tvaru musí být v souladu s předpoklady statického výpočtu a návrhových norem. Pro jednotlivé ocelové výrobky válcované za tepla platí pro dodávku materiálu následující normy:

Pro ocelové plechy a pásy tloušťky ≥ 3 mm válcované za tepla:

ČSN EN 10029, ČSN EN 10048 a ČSN EN 10051.

Pro tyče válcované za tepla průřezu I, H, U, T, nerovnoramenného a rovnoramenného L:

ČSN EN 10024, ČSN EN 10034, ČSN EN 10055, ČSN EN 10056-2 a ČSN EN 10279.

Mezní úchylky rozměrů a tvaru nesmí být překročeny ani po případné opravě povrchu při přejímce základního materiálu nebo při výrobě ocelové konstrukce. Tloušťka materiálu i po provedené opravě musí splňovat výše uvedené mezní úchylky.

11 Kontrola a zkoušení

Výrobky válcované za tepla z konstrukčních ocelí se dodávají buď se specifickou nebo nespecifickou kontrolou a zkoušením podle ČSN EN 10025-2 až 6 s potvrzením o shodě s objednávkou podle ČSN EN 10204. Rozsah průkazních zkoušek se liší podle typu ocelové konstrukce. Pro hlavní nosné části ocelových mostů je průkazních zkoušek více než pro ocelové konstrukce pozemního stavitelství a než pro ostatní částí ocelových mostů.

Zkouška tahem se provádí podle ČSN EN 10002-1 a vyhodnocuje se: minimální mez kluzu, pevnost v tahu a minimální tažnost. Zkouška se provádí na tavbu, u hlavní nosných částí mostů se provádí buď z každého vývalku nebo podle požadavku objednatele z každého plechu.

Zkouškou rázem v ohybu podle Charpyho se vyhodnocuje minimální nárazová práce pro zkušební teplotu pro jmenovité tloušťky od 12 do 100 mm. Pro tloušťky nad 100 mm se musí hodnoty minimální nárazové práce dohodnout v objednávce. Zkouška se provádí na tavbu, pro hlavní nosné části ocelových mostů se provádí z paty vývalku nebo podle požadavku objednávky z každého plechu. Pro výrobky jakosti J2 se předepisuje provádět odběr vzorků vždy z paty vývalku příslušné tavby, pro hlavní nosné části mostů vždy z paty i hlavy vývalku.

Zkouška ohybem podle ČSN EN ISO 7438 se provádí tehdy, pokud se má prokázat schopnost plastické deformace ocelového materiálu při malém poloměru ohybu. Dříve se tato zkouška nazývala zkouškou lámavosti.

Zkouška lamelární praskavosti podle ČSN EN 10164 s předepisuje v případech, kdy se jedná o nosné konstrukční prvky namáhané ve směru kolmém k povrchu materiálu a dále se předepisuje pro oceli se zlepšenými deformačními vlastnostmi kolmo k povrchu výrobku. Jedná se o volitelný požadavek v rámci objednávky plechů.

Zkouška chemického složení se provádí u každé jednotlivé tavby. Analýzou taveniny se prokáže chemické složení a v dokumentu kontroly se uvádí množství prvků, které jsou nutné pro stanovení uhlíkového ekvivalentu, ale i další prvky, které ovlivňují jakost oceli. V objednávce ocelového materiálu může být požadováno chemické složení z rozboru hotového výrobku a dále lze dohodnout na základě dodatečného požadavku maximální hodnotu uhlíkového ekvivalentu CEV. Uhlíkový ekvivalent ovlivňuje svařitelnost konstrukce a jeho maximální hodnota je určena v tabulkách ČSN EN 10025-2 až 6.

Jakost povrchu ocelových plechů a široké oceli válcovaných za tepla, a ocelových tyčí tvarovaných za tepla se hodnotí podle ČSN EN 10163-1 až 3. Jsou zde uvedeny požadavky na druh, dovolenou hloubku a dovolenou velikost ovlivněné povrchové zóny u necelistvostí (nedokonalostí a vad) a v místech, kde byly vady odstraněny (vybroušením nebo zavařením). Podle této normy jsou nedokonalosti takové povrchové necelistvosti, jejichž hloubka a velikost nepřesahuje mezní hodnotu a nemusí se odstraňovat. Naopak vady jsou povrchové necelistvosti, jejichž hloubka a velikost přesahuje mezní hodnotu a proto musí být odstraněny. Norma obsahuje popis nejčastěji se vyskytujících povrchových necelistvostí a způsoby pro odstraňování povrchových vad. Při odstraňování vad broušením nesmí být překročeny tolerance tloušťky základního materiálu. V objednávce ocelového materiálu musí být požadavky na jakost povrchu a podmínky pro odstraňování vad vyjádřeny požadovanou třídou a požadovanou podskupinou. Kromě vad z hlediska dodávky ocelového materiálu existují ještě vady z hlediska provedení protikorozní ochrany. Tyto vady se posuzují až po skončení výroby ocelové konstrukce a odstraňují se před provedením protikorozní ochrany.

Vnitřní jakost se hodnotí ultrazvukovou zkouškou podle ČSN EN 10160. Nejběžnější vnitřní vadou je zdvojení plechu. Takový plech se v místě zdvojení chová jako dvouvrstvý, což snižuje jeho ohybovou tuhost a umožňuje rozdvojení plechu. Proto je tato vada nepřípustná v místech namáhání plechu kolmo k jeho povrchu (např. v místě křížového styku) a hlavně v tlačených částech průřezu (tlačené pásnice a tlačené části stěny ohýbaných nosníků, stěny a pásnice tlačených svařovaných prutu), které by v důsledku zdvojení mohly boulit. Pro hlavní nosné části ocelových mostů musí být plechy při jmenovitých tloušťkách 10 mm a větších objednávány a dodávány zkoušené ultrazvukem pro zjištění vnitřních necelistvostí. Zkoušení se provádí plošně ve čtvercovém rastru s délkou strany 100 nebo 200 mm podle třídy přípustnosti. Pro hlavní nosné části ocelových mostů se požaduje třída S2. V mostárně se dále provádějí zkoušky svarových hran. U svarové hrany musí být dosaženo stejné třídy přípustnosti jako pro kontrolu svarů. Kontrola svarové hrany se provádí dvojitou sondou v šířce 50, 75 nebo 100 mm podle tloušťky zkoušeného plechu.

Norma ČSN EN 10025 ve svých jednotlivých částech obsahuje druhy kontrol, četnost zkoušení, postup při provádění specifické kontroly, přípravu zkušebních vzorků, zkušební metody a postup při reklamaci.

12 Dokumenty kontroly

Druhy dokumentů kontroly jsou uvedeny v tabulce A.1 ČSN EN 10204. Tato norma definuje různé druhy dokumentů kontroly, poskytované odběrateli v souladu s dohodami uzavřenými v objednávce ocelového materiálu. Využívá termínů nespecifické a specifické zkoušení definovaných v čl.3 ČSN EN 10021.

V objednávce ocelových výrobků musí být uveden požadavek na druh dokumentu. Materiál pro hlavní nosné části významných a staticky náročných ocelových konstrukcí pozemního stavitelství a ocelových mostů a příslušný spojovací materiál se objednává se zvýšenými požadavky na jakost. Většinou se vyžaduje dokument 3.1 nebo 3.2. V obou případech se jedná o inspekční certifikát s uvedením výsledků zkoušek provedených na základě specifického zkoušení. Rozdíl je pouze v tom, kdo tento certifikát potvrzuje. Potvrzuje ho buď inspektor nebo oprávněný zástupce výrobce nebo oprávněný zástupce odběratele. Požadované zkoušky materiálu pro hlavní nosné části se předepisují v projektové specifikaci. Pro běžné ocelové konstrukce pozemního stavitelství a pro vedlejší nosné části mostů se požaduje dokument 2.2, tj. zkušební zpráva, s uvedením výsledků zkoušek provedených na základě nespecifického zkoušení potvrzená výrobcem. Zkoušky musí prokázat vlastnosti požadované pro příslušnou ocel dle ČSN EN 10025+A1. Pro podružné a nenosné ocelové konstrukce se vystačí s dokumentem 2.1, tj. s prohlášením o shodě s objednávkou. O druhu dokumentu rozhoduje investor na základě požadavku projektanta.

13 Závěr

Volba vhodné oceli je na projektantovi ocelové konstrukce. Projektant při návrhu a posouzení ocelové konstrukce nejdříve volí značku použité oceli. Pro moderní ocelové konstrukce by neměly být opomenuty oceli vyšších pevností. Doporučují se oceli S355, S420 a S460. Ocel S235 je vhodné používat spíše pro doplňkové a nenosné konstrukce. Důvod je hlavně ekonomický, protože zvýšení meze kluzu je vyšší než zvýšení ceny. Při použití všech značek oceli je nutno respektovat snížení meze kluzu v závislosti na použité tloušťce dle příslušné tabulky v ČSN EN 10025-2 až 6.

Použití legovaných ušlechtilých ocelí s vyšší mezí kluzu dle ČSN EN 10025-6 je technicky možné, praktické použití bývá omezeno dostupností materiálu v požadovaných položkách. Tyto oceli však mají dobré křehkolomové vlastnosti i při nízkých teplotách.

Použití ocelí se zvýšenou odolností proti atmosférické korozi dle ČSN EN 20025-5 je výhodné pouze pro některé typy konstrukcí, u kterých lze zajistit spolehlivé vytvoření patiny po celém povrchu konstrukce. Při tom je nutné respektovat stékání rzi v době, kdy se patina teprve tvoří.

Pro staticky náročné svařované ocelové konstrukce se doporučuje volit jemnozrnné oceli dle ČSN EN 20025-3 nebo ČSN EN 10025-4. Svařování konstrukcí z ocelí M a ML však vyžaduje specifický technologický postup.

V druhém kroku má projektant stanovit všechny vlastnosti použité oceli, které musí být obsaženy v dokumentaci pro zadání stavby a které jsou následně podkladem pro dodací podmínky.

Specifickou vlastností, kterou musí vyžadovat projektant ocelové konstrukce, je vnitřní jakost hutního materiálu. Případné zdvojení plechu snižuje jeho ohybovou tuhost a umožňuje rozdvojení plechu nejen při namáhání kolmo k jeho povrchu, ale i při namáhání plechu tlakem z důvodů boulení.

Norma ČSN EN 10025 stanovuje mechanické a technologické vlastnosti ocelí použitých na plechy a na tvarové tyče vyrobené válcováním za tepla a dále uvádí seznam vlastností, které je možné požadovat při objednávce hutního materiálu.

Jak bylo výše uvedeno, všechny požadované vlastnosti oceli má stanovit projektant v dokumentaci pro zadání stavby. Zhotovitel musí tyto požadavky respektovat a zajistit, aby pro výrobu ocelové konstrukce byl použit odpovídající hutní materiál. Je věcí zhotovitele, jestli si deklarované vlastnosti sám ověří. Investor má právo vyžadovat předložení dokumentu kontroly jakosti o použitém materiálu nebo si nechat provést jeho kontrolní zkoušky.

Výše uvedené požadavky na ocelový materiál platí zvláště pro těžké svařované ocelové konstrukce s tlustými pásnicemi, typické pro mosty, které si objednává stát prostřednictvím svých institucí jako je ŘSD nebo SŽDC. Zde je přirozeně potřeba značné přísnosti i z hlediska použitého materiálu a dodavatel ocelové konstrukce se ke všem vyjmenovaným povinnostem a požadavkům také smluvně zavazuje, jinak zakázku nedostane. Existují ale také (a je jich převaha) jednoduché konstrukce zhotovené převážně z válcovaných profilů, kde jsou požadavky značně mírnější.

Citované normy

ČSN EN 10021	Všeobecné technické dodací podmínky pro ocelové výrobky
ČSN EN 10025-1	Výrobky válcované za tepla z konstrukčních oceli – Část 1: Všeobecné technické dodací podmínky
ČSN EN 10025-2	Výrobky válcované za tepla z konstrukčních oceli – Část 2: Technické dodací podmínky pro nelegované konstrukční oceli
ČSN EN 10025-3	Výrobky válcované za tepla z konstrukčních oceli – Část 3: Technické dodací podmínky pro normalizačně žíhané/normalizačně válcované svařitelné jemnozrnné konstrukční oceli
ČSN EN 10025-4	Výrobky válcované za tepla z konstrukčních oceli – Část 4: Technické dodací podmínky pro termomechanicky válcované svařitelné jemnozrnné konstrukční oceli
ČSN EN 10025-5	Výrobky válcované za tepla z konstrukčních oceli – Část 5: Technické dodací podmínky na konstrukční oceli se zvýšenou odolností proti atmosférické korozi
ČSN EN 10025-6	Výrobky válcované za tepla z konstrukčních oceli – Část 6: Technické dodací podmínky na ploché výrobky s vyšší mezí kluzu po zušlechťování
ČSN EN 10027-1	Systémy označování ocelí – Část 1: Stavba značek oceli
ČSN EN 10029	Plechy ocelové válcované za tepla, tloušťky od 3 mm. Mezní úchylky rozměrů, tvaru a hmotnosti
ČSN EN 10034	Tyče průřezu I a H z konstrukčních ocelí. Mezní úchylky rozměrů a tolerance tvaru
ČSN EN 10048	Ocelové úzké pásy válcované za tepla – Mezní úchylky rozměrů a tolerance tvaru
ČSN EN 10051	Kontinuálně za tepla válcované pásy a plechy stříhané z širokého pásu – Mezní úchylky rozměrů a tolerance tvaru
ČSN EN 10055	Tyče ocelové průřezu T rovnoramenné se zaoblenými hranami a přechody válcované za tepla – Rozměry, mezní úchylky rozměrů a tolerance tvaru
ČSN EN 10056-2	Tyče průřezu rovnoramenného a nerovnoramenného L z konstrukčních ocelí. Část 2: Mezní úchylky rozměrů a tolerance tvaru
ČSN EN 10160	Zkoušení ocelových plochých výrobků o tloušťce 6 mm nebo větší ultrazvukem (odrazová metoda)
ČSN EN 10163-1	Dodací podmínky pro jakost povrchu za tepla válcovaných ocelových plechů, široké oceli a tyčí tvarových – Část 1: Všeobecné požadavky
ČSN EN 10163-2	Dodací podmínky pro jakost povrchu za tepla válcovaných ocelových plechů, široké oceli a tyčí tvarových – Část 2: Plechy a široká ocel
ČSN EN 10163-3	Dodací podmínky pro jakost povrchu za tepla válcovaných ocelových plechů, široké oceli a tyčí tvarových – Část 3: Tyče tvarové
ČSN EN 10164	Výrobky z ocelí se zlepšenými deformačními vlastnostmi kolmo k povrchu výrobku – Technické dodací podmínky
ČSN EN 10204	Kovové výrobky. Druhy dokumentů kontroly
ČSN EN 10279	Tyče ocelové průřezu U válcované za tepla – Úchylky rozměrů, tvaru a hmotnosti
ČSN EN 10306	Železo a ocel – Zkoušení H profilů s rovnoběžnými přírubami a IPE profilů ultrazvukem
ČSN EN 10308	Nedestruktivní zkoušení – Zkoušení ocelových tyčí ultrazvukem
ČSN EN ISO 7438:1	Kovové materiály – Zkouška ohybem
ČSN EN 1993-1-9	Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí – Část 1-9: Únava
ČSN EN 1993-1-10	Eurokód 3: Navrhování ocelových konstrukcí – Část 1-10: Houževnatost materiálu a vlastnosti napříč tloušťkou

English Synopsis

Steel for building structures

The paper will describe the technical requirements for the choice of the material for the steel structures and bridges. They are specified by the steel structures designer in the different deign stages. However, the tender design is the stage, where the full material specification should be given. The paper will be divided to several parts, that will describe all specification for the design, testing and checking of material.