Stal wysokiej wytrzymałości – zastosowanie w konstrukcjach budowlanych

Postęp w dziedzinie metalurgii żelaza na przestrzeni ubiegłych lat umożliwił produkcję stali o coraz wyższych parametrach wytrzymałościowych. Współczesna technologia produkcji stali umożliwia uzyskanie stali spawalnych o granicy plastyczności osiągającej nawet 1100 MPa (tab. 1).

Tab. 1. Parametry wytrzymałościowe stali ultrawysokiej wytrzymałości

Rozwój technologii produkcji stali spowodował, że wraz z nim zmieniała się graniczna wartość parametrów wytrzymałościowych, powyżej której stal określano mianem stali wysokiej wytrzymałości (SWW). Jeszcze dwadzieścia lat temu nazywano tak stal S355 o granicy plastyczności f_y = 355 MPa, natomiast obecnie jest ona jedną z najpopularniejszych stali konstrukcyjnych, coraz częściej stosuje się również stale S420 i S460. Współcześnie produkowane gatunki stali można zatem klasyfikować jako stale zwykłej (SZW), wysokiej (SWW) i ultrawysokiej (SUWW) wytrzymałości, przy czym granicą podziału jest wartość granicy plastyczności f_y = 460 MPa i 700 MPa, odpowiednio (tab. 2).

Tab. 2. Klasyfikacja stali ze względu na wartość granicy plastyczności f_y

Wytwarzanie stali wysokiej wytrzymałości

Parametry materiałowe stali, takie jak wytrzymałość, plastyczność, udarność, zależą zarówno od składu chemicznego stopu, jak i technologii produkcji. Od współczesnych konstrukcji stalowych wymaga się wysokiej granicy plastyczności, dobrej spawalności, dużej ciągliwości i udarności, przy jednocześnie niskiej cenie. Uzyskanie tych pożądanych cech jedynie za pomocą modyfikacji składu chemicznego nie jest jednak możliwe. We współczesnej metalurgii wykorzystuje się w tym celu dodatkowo metody pozwalające na zmniejszanie rozmiarów ziaren, sterowanie przemianami fazowymi oraz umacnianie wydzieleniowe (rys. 1).

Rys. 1. Rozwój procesów technologicznych produkcji stali [3]

Konstrukcyjne SWW są najczęściej wytwarzane w wyniku zastosowania dwóch ze wspomnianych zabiegów polegających na:

• zwiększeniu ilości Cu, Ni, Cr, Mo, a następnie poddaniu stali procesowi ulepszania cieplnego;
• zmniejszeniu ilości C i zanieczyszczeń, a następnie poddaniu stali procesowi walcowania termomechanicznego.

Obydwie wymienione technologie produkcji SWW sprawiają, że charakteryzują się one parametrami mechanicznymi ilościowo i jakościowo różnymi od parametrów stali zwykłej wytrzymałości:

• granice plastyczności SWW zawierają się w zakresie 500-700 MPa;
• krzywa naprężenie-odkształcenie nie posiada wyraźnej dolnej i górnej granicy plastyczności;
• granicę plastyczności ustala się na podstawie kryterium osiągnięcia 0,2% odkształcenia trwałego w próbie statycznego rozciągania;
• wydłużalność przy zniszczeniu A₅ osiąga wartości 14-17% dla stali ulepszonych cieplnie i 10-14% dla stali walcowanych termomechanicznie przeznaczonych do formowania na zimno;
• stosunek wytrzymałości na rozciąganie f_u do granicy plastyczności f_y zawiera się w granicach 1,07-1,23.

Obecnie znormalizowane zostały warunki dostawy następujących rodzajów wyrobów stalowych:

• walcowanych na gorąco wykonanych ze stali o granicy plastyczności do 960 MPa, przy czym dla gatunków powyżej S460 warunki te dotyczą jedynie blach;
• kształtowników zamkniętych wykonanych ze stali o granicy plastyczności do 460 MPa, przy czym planowane jest uaktualnienie rozszerzające warunki dostawy kształtowników zamkniętych na stale gatunków do S960 włącznie.

Fot. Przykład zastosowania SWW w budownictwie – Mapfre Tower, Barcelona (stock.adobe / Lia Aramburu)

Zalety i wady stosowania stali wysokiej wytrzymałości w konstrukcjach budowlanych

Stosowanie SWW w konstrukcjach budowlanych ma, podobnie jak w przypadku innych materiałów budowlanych, swoje zalety i wady. Do niewątpliwych korzyści wynikających ze stosowania tego typu stali należy mniejsze zużycie materiału wynikające z podwyższonej – w stosunku do stali zwykłych – wartości granicy plastyczności, umożliwiające zmniejszenie przekrojów poprzecznych, a co za tym idzie zredukowanie ciężaru konstrukcji. W konsekwencji pozwala to również na zmniejszenie gabarytów fundamentów oraz kosztów transportu i montażu. Redukcja zużycia materiału pozwala na obniżenie emisji dwutlenku węgla w procesie produkcji, co ma korzystny wpływ na środowisko, a zmniejszone gabaryty elementów obniżają koszt zabezpieczeń antykorozyjnych i przeciwpożarowych. Elementy konstrukcyjne ze stali wysokiej wytrzymałości charakteryzują się zazwyczaj większą smukłością niż elementy ze stali zwykłej, co pozwala na uzyskanie większej atrakcyjności wizualnej i lepszych właściwości użytkowych konstrukcji. Dodatkowo koszt wytworzenia racjonalnie zaprojektowanej konstrukcji z SWW może być mniejszy niż konstrukcji ze stali zwykłej, jeśli przyrost nośności jest większy niż różnica cen obydwu tych materiałów. Ciągliwość stali wysokiej wytrzymałości może być prawie dwukrotnie mniejsza niż stali zwykłych (tab. 2), co w pewnych sytuacjach projektowych może być poważną wadą. Większa smukłość przekrojów i elementów z SWW powoduje, że są one bardziej podatne na utratę stateczności. Zmniejszenie gabarytów elementów i w konsekwencji mniejszy ciężar konstrukcji z SWW powoduje, że charakteryzują się większymi przemieszczeniami i amplitudami drgań, są również bardziej podatne na utratę stateczności położenia na skutek podnoszenia/przesunięcia.
 

Rolą projektanta jest zaproponowanie takich rozwiązań konstrukcyjnych wraz z odpowiednim doborem materiału, aby korzyści wynikające z zastosowania stali wysokiej wytrzymałości przewyższyły niedogodności z tym związane. Wymaga to uwzględnienia w analizie konstrukcji ograniczeń wynikających ze specyfiki cech fizykomechanicznych stali wysokiej wytrzymałości, które w wybranym zakresie omówiono w dalszej części artykułu.

Podstawy stosowania SWW w konstrukcjach budowlanych

Warunkiem umożliwiającym wykorzystanie SWW w budownictwie jest nie tylko opanowanie technologii wytwarzania elementów z tego typu stali czy technologii ich spawania, lecz również opracowanie i wprowadzenie do stosowania dokumentów normalizacyjnych umożliwiających projektowanie układów konstrukcyjnych z tego typu stali.

Obecnie norma PN-EN 1993-1-1 [7] umożliwia projektowanie konstrukcji budowlanych ze stali o granicy plastyczności w zakresie 235-460 MPa, a norma PN-EN 1993-1-12 [8] rozszerza ten zakres do 700 MPa. Algorytm projektowania konstrukcji ze stali wysokiej wytrzymałości jest zasadniczo analogiczny jak w przypadku stali zwykłej wytrzymałości, zmiany i uzupełnienia w stosunku do zaleceń podstawowych Eurokodu 3 podano w [8].
 

Warunki stosowania SWW w konstrukcjach budowlanych podano w postaci wymagań dotyczących:

• ciągliwości materiału, tj. f_u/f_y  ≥ 1,05;
• wydłużenia przy zniszczeniu, które nie powinno być mniejsze niż 10%;
• odkształcenia przy zmęczeniu, tj.  ε_u ≥ 15 f_y/E.

Norma [8] zawiera również wykaz gatunków stali wysokiej wytrzymałości zalecanych do stosowania w konstrukcjach budowlanych wraz ich nominalnymi wartościami granicy plastyczności i wytrzymałości na rozciąganie, wykaz przedstawiono w tab. 3 i 4.
 

Tab. 3. Nominalne wartości f_y oraz f_u dla wyrobów ze stali konstrukcyjnej walcowanej na gorąco [8]

Tab. 4. Nominalne wartości f_y oraz f_u dla blach walcowanych na gorąco [8]

Należy zwrócić uwagę na fakt, że norma [8] została wprowadzona w 2007 r. i odzwierciedla wyniki badań oraz stan wiedzy sprzed ponad 10 lat. W międzyczasie prowadzone były badania mające na celu pozyskanie dodatkowych informacji na temat zachowania elementów ze stali wysokiej wytrzymałości i ich połączeń, które mogłyby być podstawą do uaktualnienia dotychczasowych zaleceń normowych, np. [2, 4, 6, 10]. Uzyskane wyniki są podstawą toczącej się obecnie dyskusji nad włączeniem do nowej wersji normy EN 1993-1-1 zasad projektowania konstrukcji ze stali wysokiej wytrzymałości aż do gatunku S960 włącznie.

Zobacz też:

• Słupy elektroenergetyczne – normy, trwałość
• O czasie życia kratowych wież stalowych

Aspekty konstrukcyjne stosowania stali wysokiej wytrzymałości

Najbardziej efektywnym sposobem konstrukcyjnego wykorzystania zalet stali wysokiej wytrzymałości jest zastosowanie jej do kształtowania elementów rozciąganych, ponieważ ich nośność odpowiada nośności przekroju, jest więc liniowo rosnącą funkcją granicy plastyczności.

W przypadku elementów ściskanych lub zginanych z SWW należy wziąć dodatkowo pod uwagę wpływ naprężeń własnych oraz możliwość utraty stateczności lokalnej i globalnej.

Korzystniejszy rozkład naprężeń rezydualnych w przekrojach profili walcowanych na gorąco wykonanych z SWW został uwzględniony w normowej [8] procedurze wymiarowania elementów ściskanych, nie został natomiast uwzględniony w procedurze wymiarowania elementów zginanych [5].

Możliwości utraty stateczności miejscowej stalowych ścianek ściskanych najprościej można uwzględnić przez wprowadzenie współczynnika redukcyjnego ρ, którego wartość zmniejsza się wraz ze wzrostem granicy plastyczności [8]. Można stwierdzić, że wzrost nośności przekrojów z SWW wrażliwych na utratę stateczności może być nawet o ponad 60% mniejszy, niż wynikałoby to z różnicy granic plastyczności stali zwykłej i wysokiej wytrzymałości [5]. Nośność stalowych elementów ściskanych N_bRd można w uproszczeniu wyrazić jako iloczyn nośności przekroju na ściskanie N_Rc oraz współczynnika wyboczeniowego χ. Pierwszy z tych czynników rośnie, a drugi maleje wraz ze wzrostem granicy plastyczności stali [7]. Efektywny przyrost nośności elementu ściskanego N_bRd,z, wynikający z zastosowania SWW, występuje jedynie w przypadku elementów o stosunkowo małych smukłościach prętowych λ (rys. 2).

Rys. 2. Nośność obliczeniowa przy ściskaniu przykładowych słupów dwuprzegubowych [5]

Wzrost granicy plastyczności ma korzystny wpływ na nośność przekroju przy zginaniu M_bRd i negatywny na współczynnik zwichrzenia X_LT, ocena nośności elementu zginanego wymaga zatem jednoczesnego uwzględnienia tych dwóch wpływów. Wyniki przeprowadzonych analiz wskazują, że zastosowanie stali wysokiej wytrzymałości potencjalnie może mieć korzystny wpływ na nośność elementów zginanych, jest to jednak uzależnione od rozpiętości belki i rozstawu stężeń przeciwzwichrzeniowych L_cr,LT (rys. 3).

Rys. 3. Nośność obliczeniowa zginanej belki jednoprzęsłowej [5]

W przypadku elementów zginanych należy pamiętać, że wartość modułu sprężystości jest jednakowa dla stali zwykłej i wysokiej wytrzymałości, więc gdy o wymiarowaniu decyduje sztywność, a nie nośność elementu, zastosowanie SSW nie jest uzasadnione [5].

Aspekty ekonomiczne oraz przykłady stosowania stali wysokiej wytrzymałości

Rozpoczynając proces inwestycyjny, należy podjąć m.in. decyzje dotyczące rodzaju i gatunku zastosowanych materiałów konstrukcyjnych. Wybierając między stalą zwykłej i wysokiej wytrzymałości trzeba mieć na względzie całkowity koszt inwestycji, a nie tylko cenę materiału (rys. 4).

Rys. 4. Orientacyjna struktura kosztów wykonania konstrukcji stalowej [1]

Mimo że stal wysokiej wytrzymałości jest droższa od stali zwykłej, to zwiększony koszt zakupu może być rekompensowany przez inne korzyści wynikające ze stosowania tego typu stali, w tym zwiększoną wytrzymałość skutkującą zmniejszeniem gabarytów przekrojów i związanych z nimi kosztów, m.in. zabezpieczeń antykorozyjnych czy transportu. Mniejsze gabaryty przekrojów pozwalają również efektywniej wykorzystać dostępną przestrzeń wewnętrzną, co ma istotne znaczenie w przypadku budynków komercyjnych. Analiza ekonomiczna efektywności stosowania stali wysokiej wytrzymałości powinna uwzględniać wspomniane w niniejszym artykule specyficzne właściwości stali tego typu i ich wpływ na parametry statyczno-wytrzymałościowe konstrukcji – w literaturze można znaleźć stosowne porównania. Przykładowo, granica plastyczności f_y stali S460 w porównaniu ze stalą S355 wzrasta o 30% przy jedynie 10-proc. wzroście ceny, natomiast w przypadku stali S690 wzrost wartości f_y to prawie 95%, ale przy 30-70-proc. wzroście ceny [1].

W przypadku dwuprzegubowego słupa ściskanego osiowo o wysokości 3,5 m podwyższenie granicy plastyczności stali z 355 MPa na 460 MPa umożliwiło zmniejszenie gabarytów potrzebnego przekroju poprzecznego z HEB320 na HEA300, a w konsekwencji obniżenie ciężaru elementu o 30% i zwiększenie kosztu materiału o 25% [3].
 

Stale wysokiej wytrzymałości są najczęściej stosowane w elementach silnie obciążonych, które w przypadku wykonania ze stali zwykłej wytrzymałości byłyby dość masywne, np. słupy budynków wysokich (powyżej 4-7 kondygnacji) lub elementy konstrukcji dużych rozpiętości [1,2, 3, 9]. Przykładami zastosowania tego typu stali w konstrukcjach budowlanych może być wieżowiec Mapfre Tower (wysokość 154 m), którego słupy wykonano ze stali HISTAR460, lub kratownice główne (rozpiętość 162 m) zadaszenia stadionu Friends Arena – stal S460, S690 i S900.

Stal wysokiej wytrzymałości w budownictwie. Podsumowanie

Stal, której granica plastyczności znacznie przekracza wartość 355 MPa, nie jest w budownictwie materiałem nowym. Jednak dopiero rozwój metalurgii żelaza w ostatnim półwieczu umożliwił uzyskanie wysokowytrzymałych spawalnych stali konstrukcyjnych o granicy plastyczności sięgającej 1100 MPa. Wprowadzenie tego typu stali do szerszego stosowania wymaga jednak dodatkowo opanowania efektywnych metod łączenia oraz opracowania dokumentów umożliwiających ich projektowanie i wykonanie. Specyfika właściwości mechanicznych SWW w połączeniu z jej obecnie wyższą ceną wymaga racjonalnego kształtowania przekrojów i ustrojów konstrukcyjnych, tak aby możliwe było uzyskanie korzyści ekonomicznych lub użytkowych wynikających ze zwiększonej wartości granicy plastyczności. Efektywność stosowania SWW maleje albo nawet zanika w przypadkach, w których o gabarytach elementu decyduje warunek sztywności lub stateczności konstrukcji.

Właściwy dobór gatunku SWW umożliwia osiągnięcie trzech istotnych korzyści: zmniejszenie masy konstrukcji, redukcję gabarytów przekroju i grubości ich ścianek. Nieprawidłowe ukształtowanie przekrojów prętów i układów konstrukcyjnych z SWW może jednak skutkować niepożądanym zwiększeniem kosztów bez osiągnięcia oczekiwanego przyrostu nośności, ponieważ stal wysokiej wytrzymałości może być nawet 70% droższa od stali zwykłej wytrzymałości.

Bibliografia

1. N. Baddoo, Properties and specification of higher strength steels, www.news-sci.com > 2015/07 > 4-hillong-nancy-baddoo.
2. N. Baddoo i in., High Strength Long Span Structures (HILONG). Final Report, European Commission Research Fund for Coal and Steel, Publications Office of the European Union, Luxembourg 2017.
3. D. Dubina, Performance and benefits od using high strength steels, ECCS Annual Meeting Aalesund, Technical Meeting, 18 September 2008.
4. M. Gajewski, M. Giżejowski, R. Szczerba, O modelowaniu nośności na wybocze- nie spawanych slupów ze stali S690, 65. Konferencja Naukowa KILiW PAN oraz Komitetu Nauki PZITB, Krynica-Zdrój wrzesień 2019.
5. K. Kuchta, I. Tylek, Efektywność stosowania stali wysokiej wytrzymałości w budowlanych konstrukcjach prętowych, „Materiały Budowlane” nr 5/2017.
6. J.-L. Ma, T.-M. Chan, B. Young, Tests on high-strength steel hollow sections: a review, Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Structures and Buildings, Vol. 170, Issue 9, 2017.
7. PN-EN 1993-1-1 Eurokod 3 Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków.
8. PN-EN 1993-1-12 Eurokod 3 Projektowanie konstrukcji stalowych. Część 1-12: Reguły dodatkowe rozszerzające zakres stosowania EN 1993 o gatunki stali wysokiej wytrzymałości do S700 włącznie.
9. W. Wciślik, Wybrane zagadnienia zastosowania stali wysokowytrzymałych w budownictwie, „Inżynieria i Budownictwo” nr 7-8/2019.
10. Ch.Yang, J. Yang, M. Su, Y. Li, Residual stress in high-strength-steel welded circular tube, Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Structures and Buildings, Vol. 170, Issue 9, 2017.

dr inż. Izabela Tylek Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki

dr inż. Krzysztof Kuchta Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie