1. Jeklene konstrukcije na splošno

1.1 Jeklene konstrukcije zaradi svojih številnih prednosti že več kot stoletje

konkurirajo drugim pogostim gradbenim materialom, predvsem betonu. Vseeno pa se jeklene konstrukcije še danes uporabljajo pretežno za gradnjo večjih javnih objektov, predvsem večnadstropnih stolpnic in nebotičnikov in športnih ali drugih hal in dvoran z velikimi razponi. Zaradi relativno visoke cene jekla in velike teže jeklenih nosilcev se investicija v jekleno konstrukcijo pač najbolj povrne pri objektih takšnega merila, medtem ko pri manjših pogosto ni smiselna.

1.2 Jeklene konstrukcije ali konvinske konstrukcije?

Najprej moramo razčistit razliko med jeklenimi in kovinskimi konstrukcijami. Kovinske konstrukcije so nadpomenka jeklenim in zajemajo konstrukcije iz aluminija, železa in jekla. Če rečemo, da je neka stavba primer kovinske konstrukcije, nismo pravzaprav povedali še nič, saj moramo specificirati, za katero kovino gre. Železne konstrukcije so danes stvar preteklosti, saj so jih nadomestile jeklene konstrukcije, aluminijaste konstrukcije pa se zaradi zelo visoke cene aluminija uporabljajo le za določene dele objekta, zelo redko pa za celotno konstrukcijo.

1.3 Jeklo

Poleg razlike med besedama kovinske konstrukcije in jeklene konstrukcije je pomembno razumeti razliko med železom in jeklom. Jeklo je oplemeniteno železo. Je železova zlitina, ki mu je poleg drugih legirnih elementov kot najpomembnejši element dodan ogljik. Čeprav ga je v jeklu zelo malo, običajno manj kot 2%, ta količina pomembno vpliva na lastnosti jekla.

1.4 Zgodovina uporabe jekla

Jeklo se je na veliko začelo uporabljati konec 19. stoletju, ko sta tehnološki napredek in poznavanje plemenitenja kovin omogočila izum železa z boljšimi konstrukcijskimi lastnostmi – jekla. Pred tem stoletjem jeklene konstrukcije dejansko ne obstajajo, saj so bile vse železne konstrukcije. V 19. stoletju se je začelo jeklo uporabljati najprej v secesijskem oziroma art nouveau stilu, kjer so jeklo v kombinaciji z železom uporabljali na izjemno ekspresiven, okrasen način. Popularni so bili floralni in geometrični vzroci, ki so nastopali tako kot nosilna konstrukcija kot zgolj okrasje. Konec 19. stoletja pa se zgodi še en velik premik v gradbeništvu: odkritje armiranega betona, ki ga je prav tako omogočil izum jekla. Francoski inženir Henri Hennebique je bil eden prvih, ki so raziskali možnosti kombinacije betona z jekleno armaturo in napisali smernice za armiranobetonske konstrukcije. Jeklena armatura, ki v betonu prevzema natezne napetosti, je omogočila ogromne razpone betonskih plošč in nosilcev, kar je botrovalo izumu prostega tlorisa v arhitekturi v času modernizma v začetku 20. stoletja.

1.5 Jeklene konstrukcije v gradbeništvu

V gradbeništvu so jeklene konstrukcije sestavljene s spajanjem jeklenih profilov. Gre torej za skeletne konstrukcije, zgrajene iz mnogo samostojnih elementov, spojenih v celoto. Vsi jekleni profili so prefabricirani in iz tovarne s tovornjaki pripeljani na gradbišče. Jeklene konstrukcije sestavljajo jeklene grede, stebri in nosilci.

1.6 Prednosti jeklene konstrukcije

Jeklene konstrukcije imajo številne prednosti. Največja prednost jeklenih nosilcev je izjemen razpon, ki ga lahko z njimi dosežemo. Razponi, ki jih omogočajo jekleni nosilci, so v primerjavi z ostalimi gradbenimi materiali (armiran beton, les) absolutno največji. Druga prednost, ki jo ponujajo jeklene konstrukcije, je široko nabor različnih jeklenih profilov z različnimi lastnostmi, kar omogoča veliko možnosti izbire glede na različne projektne in statične zahteve. Ti dve lastnosti delata jeklo za enega najboljših materialov za gradnjo zahtevnih konstrukcij velikih objektov. Tretja prednost jekla je, da je ob pravilni zaščiti konstrukcije praktično neuničljivo in resnično izjemno dolgotrajno. Četrta prednost, ki ni zanemarljiva, je postopek gradnje z jeklenimi profili, ki so prefabricirani in na gradbišče pripeljani v svoji končni obliki, nato pa se na mestu gradnje le še spojijo med seboj. Za razliko od armiranega betona, vlitega na mestu, gradnja poteka zelo hitro, gradbišče pa ostaja čisto. Zaradi procesa prefabrikacije je kvaliteta jeklenih profilov tudi maksimalno kontrolirana. Nenazadnje moramo omeniti tudi, da je v nasprotju s splošnim prepričanjem jeklo okolju prijazen material, saj ga je mogoče v celoti reciklirati.

1.7 Slabosti jeklene konstrukcije

Najbolj očitna slabost jeklene konstrukcije je visoka cena jeklenih profilov. Zaradi tega se iz jekla v celoti običajno gradijo objekti, kjer visok vložen za konstrukcijski material opravičujejo fizikalne in mehanske lastnosti jekla, ki bi jih z drugimi materiali le stežka dosegli. To je še posebej očitno pri objektih velikega merila. Druga očitna slabost jekla je njegova teža, ki sama po sebi sicer ni problem, je pa zato celotna konstrukcija precej težka, kar vodi v večje posedanje konstrukcijskih materialov. Tretja slabost jekla je, da kljub protipožarni zaščiti s premazi površine in v nasprotju s splošnim prepričanjem ni najbolj ognjevaren material, saj se začne v primeru požara taliti. Slabost, ki pa je sicer redka, je možnost napak v zlitini, kar bi lahko vodilo v porušitev objekta in ogromno katastrofo, zato se vse jeklene konstrukcije pred pridobitvijo uporabnega dovoljenja pregledajo z ultrazvočno ali rentgensko preiskavo, ki detektira takšne potencialne napake.

2. Lastnosti jekla

2.1 Splošne fizikalne in mehanske lastnosti

Jeklo je elastičen material z modulom elastičnosti  2,0 - 2,2×105 N/mm². Čisto železo je trdno le 60 HV, jeklo pa zaradi postopkov obdelave (dodajanje ogljika) dosega stopnjo trdote do 800 HV, s kemično obdelavo pa celo do 2000 HV. Jeklo ima natezno trdnost 4000 N/mm², kar je kar 20x več kot znaša natezna trdnost železa.

2.2 Korozijska obstojnost jekla

Korozijska obstojnost jekla se lahko prilagaja raznoraznim zahtevam, prav tako kot se lahko prilagajajo tudi tehnološke lastnosti. Običajno se zlitini jekla za preprečevanje korozije doda krom (11%).

2.3 Oblikovanje jekla

Jeklo je »v vročem« mogoče oblikovati s kovanjem, vlivanjem, stiskanjem ali valjanjem. V hladnem je jeklo mogoče oblikovati z vlečenjem, valjanjem, stiskanjem ali z odrezovanjem, lahko pa ga izdelujemo tudi na način prašne metalurgije.

2.4 Kaljeno jeklo

Kaljeno jeklo je toplotno obdelano jeklo. Postopek poteka tako, da jeklo najprej segrejemo do točke, ko se začne taliti, nato pa ga zelo hitro ohladimo. S tem postopkom dobimo zelo trdo strukturo, ki jo imenujemo martenzit. Zaradi zelo hitrega ohlajanja pri postopku kaljenja se v materialu pojavijo precejšnje notranje napetosti, s tem pa nevarnost, da objekt poči. Za preprečevanje tega moramo objekt »popustiti«. Popuščanje je postopek, ki prepreči pokanje kaljenega objekta. Glavni namen kaljenja jekla je, da dodano oplemenitimo njegove lastnosti, v tem primeru predvsem trdoto.  

3. Jekleni profili

3.1 Jekleni profili so prefabrikati

Kot smo omenili že zgoraj, so vsi jekleni elementi prefabricirani. To pomeni, da so proizvedeni v tovarni in nato s tovornjaki pripeljani na gradbišče, kjer jih je potrebno le še spojiti skupaj. Prefabrikati imajo številne prednosti, kot je možnost visoke kvalitete profilov zaradi nadzora postopka proizvodnje in hitrost procesa gradnje, prav tako so njihovi profili maksimalno standardizirani in določeni. Za kakšnega arhitekta je to morda slabost, saj ne dopuščajo spreminjanja in ne morejo biti custom-made.

3.2 Katerih vrst so jekleni profili

Poznamo mnogo standardiziranih jeklenih profilov z določenimi mehanskimi lastnostmi. Jekleni profili se delijo glede na prerez. Poznamo I in IPE profile, ki so vitki in visoki in s svojim prerezom spominjajo na črko I. Ti profili imajo višino občutno večjo kot širino. Podobni IPE profilom so HEA, H in HEB profili, ki pa imajo manjše razmerje med višino in širino profila. Če so IPE in I profili izrazito pravokotni, so slednji precej bolj kvadratni. IPE profili imajo dimenzije višine med 80 – 600 mm, H in drugi našteti profili pa 100 – 1000 mm. Poleg omenjenih profilov obstajajo še škatlasti profili in cevi ter U in L profili, ki jih prepoznamo po tipičnem prerezu v obliki črke U oziroma L. Kateri profil bomo uporabili, je zelo odvisno od tipa konstrukcijskega elementa in njegove vloge znotraj konstrukcijskega sistema. Običajno pri izbiri profilov sodeluje in svetuje statik in/ali gradbeni inženir, ki se na njihove lastnosti dobro spozna.

3.3 Eurokod 3

Vse vrste standardnih jeklenih profilov, njihove lastnosti in zahteve glede dimenzioniranja jeklenih profilov in konstrukcij najdemo v standardu »Eurokod 3 - standard za projektiranje jeklenih konstrukcij«.

3.4 Lastnosti jeklenih profilov

Jekleni profili imajo zelo dobre fizikalne in mehanske lastnosti. Jekleni profili lahko zaradi lastnosti železa, ki smo jih omenili že zgoraj, premoščajo zelo velike razpone, zato jih največkrat srečamo pri gradnji tistih objektov, ki morajo premoščati velike razpone, npr. dvorane, mostovi, brvi, hale... Ena izmed glavnih prednosti profilov je njihova enostavna kombinacija z drugimi materiali, kar omogoča fleksibilnost gradnje, prav tako pa so sila enostavni za vzdrževanje, le primerno jih moramo zaščiti pred vremenskimi vplivi, saj se sicer prične proces korozije (rjavenja) jekla.

3.5 Spajanje jeklenih profilov

Jekleni profili se lahko v skeletno jekleno konstrukcijo varijo ali vijačijo. Odločitev za eno ali drugo spajanje pogojuje tako željen končni izgled kot statične zahteve. V primeru vijačenja so vijaki vedno vidni, razen če se jih prekrije s kakšnim drugim materialom, v primeru varjenja pa ostane viden var, ki pa ga je na koncu mogoče zgladiti, tako da postane praktično nezaznaven. Jekleni profili se lahko spajajo tudi z lotanjem in kovičenjem.

4. Hiša iz jeklene konstrukcije

Zaradi visoke cene jekla so enodružinske hiše iz jekla relativno redke. Jeklene konstrukcije za hišo so še posebej redke v Sloveniji, kjer prevladujejo bolj vsakdanji konstrukcijski materiali kot sta opeka in armiran beton. Vseeno se hiše iz jeklene konstrukcije gradijo že od modernizma, torej prve polovice 20. stoletja naprej. Prednost skeletne konstrukcije iz jekla je, da omogoča popolnoma prost tloris z velikimi razponi, ki ga lahko lahko uporabnih naseli po svojih željah in potrebah ter ga hitro preobrazi, ko se spremenijo. Kako super so lahko hiše iz jekla, med drugim dokazujejo arhitekture kot so hiša Farnsworth arhitekta Miesa van der Roha in mnogo hiš z ameriškega obdobja ti. »Case study houses« iz 60. let 20. stoletja.

4.1 Kombinacija jeklo-les

Ker so jeklene konstrukcije vedno skeletne, jih je treba kombinirati z drugimi materiali, s katerimi se zamejimo od zunanjosti in hišo predelimo v interierju. Najpogosteje se je jeklo že zgodovinsko gledano kombiniralo s steklom (primer tega je npr. Farnsworth Miesa van der Roha). Ta kombinacija je zelo moderna, izčiščena in estetska in brezčasna, lahko pa deluje nekoliko hladno. Zadnja desetletja se jeklo veliko kombinira z lesom, ki s svojo toplino ublaži surov videz tega materiala. Les v prostor prinese domačnost in toplino, jeklo pa pridih industrijskega sloga. Še vedno pogosta kombinacija v interierju pa je kombinacija belih knauf sten in vidnih jeklenih nosilcev, predvsem stebrov.