Oznaczenia stali konstrukcyjnej

Sposób oznaczania stali oparty jest na symbolach literowych oraz liczbowych, które opisują najważniejsze jej cechy. Według PN-EN 10027-1 pełen symbol stali można podzielić na trzy pola:

  • w pierwszym polu występuje duża litera określająca zastosowanie stali (np. S-stal konstrukcyjna) oraz liczbowe oznaczenie granicy plastyczności w N/mm2  (np. S235);
  • w drugim polu znajdują się symbole opisujące grupę jakościową stali (odporność na pękanie) oraz symbole zawierające dodatkowe informacje o jej przeznaczeniu (odporność na korozję atmosferyczną, do ulepszania cieplnego, do formowania na zimno);
  • trzecie pole to wymagania stawiane wyrobom gotowym i występują one opcjonalnie, poprzedzone znakiem „+”.

Gatunki i rodzaje stali konstrukcyjnej

Gatunki i rodzaje stali konstrukcyjnej silnie zależą od ich składu chemicznego. W odniesieniu do budownictwa powszechnego oraz przemysłowego można wymienić następujące gatunki stali konstrukcyjnej (oznaczonej literą S):

Stale konstrukcyjne niestopowe

Stale niestopowe to takie, w których stężenie masowe poszczególnych pierwiastków nie przekracza pewnych granicznych wartości, które to są określone w normie PN-EN 10020.

Są to gatunki stali konstrukcyjnej oznaczane S235, S275, S355 oraz S460. Zastosowanie stali konstrukcyjnej z tej grupy jest najczęstsze.

Stale konstrukcyjne drobnoziarniste po normalizowaniu lub walcowaniu normalizującym

Gatunki oznaczane jako S275, S355, S420 oraz S460. Wszystkie mogą należeć do grupy z określoną minimalną wartością pracy łamania w temperaturze powyżej -20°C (grupa jakościowa N) lub powyżej -50°C (grupa jakościowa NL). Wyroby z tych stali są dostarczane w stanie normalizowanym osiąganym przez walcowanie z normalizowaniem, a odpowiedni dodatek aluminium gwarantuje pełne uspokojenie tych stali.

Stale konstrukcyjne drobnoziarniste spawalne po walcowaniu termomechanicznym

Gatunki oznaczane jako S275, S355, S420 oraz S460. Wszystkie wyroby mogą należeć do grupy jakościowej M (określona wartość próby łamania w temperaturze powyżej -20°C) lub do grupy ML (powyżej -50°C). Stale te przechodzą proces walcowania termomechanicznego, co pozwala na uzyskanie znacznej wytrzymałości oraz dużej odporności na pękanie (udarność). Ponadto za sprawą składu chemicznego jest to stal łatwospawalna.

Stale konstrukcyjne trudnordzewiejące

Występują w gatunkach S235 oraz S355, w grupach jakościowych J0, J2 i K2 (dotyczą one temperatury, przy której odbywa się praca łamania próbki, która opisuje odporność stali na pękanie). Podwyższona odporność na korozję atmosferyczną zostaje osiągnięta przez zastosowanie dodatków takich pierwiastków jak fosfor (P), chrom (Cr), miedź (Cu), nikiel (Ni) czy molibden (Mo).

Stale o podwyższonej granicy plastyczności

Są to stale, które można określić jako stale konstrukcyjne wyższej jakości. Należą do nich takie gatunki jak: S460, S500, S550, S620, S690, S890 oraz S960 i są opisane w szóstej części Eurokodu PN-EN 10025. Wszystkie są stalami uspokojonymi, co oznacza całkowitą eliminację tlenu z jej składu. Proces ten istotnie wpływa na własności wytrzymałościowe stali. Ponadto dodatki takich pierwiastków jak niob (Nb), wanad (V) czy tytan (Ti) pozwalają na uzyskanie tak znaczących wartości granicy plastyczności.

Stale do kształtowników zamkniętych (rur) walcowanych na gorąco

Do produkcji rur kwadratowych, okrągłych czy prostokątnych walcowanych na gorąco stosuje się stal niestopową oraz drobnoziarnistą po normalizowaniu. Symbolika tych gatunków jest zbliżona do wymienionych wcześniej, z tą różnicą, że na końcu oznaczenia gatunku dodaje się literę „H” (hollow section).

Stale do kształtowników zamkniętych (rur) giętych na zimno

Kształtowniki zamknięte, gięte na zimno, wykonuje się ze stali konstrukcyjnych niestopowych oraz drobnoziarnistych. Gatunki, symbolika oraz grupy jakościowe tych stali są zbliżone do tych wymienionych w pierwszych dwóch punktach. Oznaczenie gatunku stali przeznaczonych do produkcji zamkniętych profili zimnogiętych również zawiera literę „H” na końcu (np. S235JRH). Kształtowniki gięte na zimno są to profile, których ścianki nie przekraczają grubości 30 mm, a tolerancje ich wykonania podaje norma PN-EN 10219.

Stal automatowa

Ze względu na swoje specyficzne cechy znajduje zastosowanie w konstrukcjach stalowych. Poprzez zwiększenie zawartości fosforu (P) i siarki (S) ulegają polepszeniu właściwości stali automatowej, takie jak skrawalność i łamliwość wiórów, które to cechy wykorzystywane są bezpośrednio przy procesie obróbki stali. Łatwość obróbki odbywa się kosztem parametrów mechanicznych. Dlatego stal automatowa wykorzystywana jest do elementów wytwarzanych w bardzo dużych ilościach, które nie podlegają znaczącym oddziaływaniom (pręty ciągnione).

Należy podkreślić, że warunki dostaw wszystkich wyżej wymienionych stali konstrukcyjnych są opisane w PN-EN 10025-1. 

Skład chemiczny stali konstrukcyjnych i właściwości mechaniczne

Terminem „Stal” określa się materiał zawierający masowo więcej żelaza niż jakiegokolwiek innego pierwiastka, a zawartość węgla (C) jest mniejsza niż 2%. I to właśnie wpływ węgla na właściwości mechaniczne stali jest najbardziej widoczny. Wpływa on na kruchość tego materiału, przydatność do spawania czy pękanie.

Własności stali konstrukcyjnych ściśle zależą od ich składu chemicznego. I tak:

  • stale niestopowe to takie stopy, których zawartość poszczególnych pierwiastków określa PN-EN10020. Właściwości stali niestopowych determinuje głównie zawartość węgla oraz ich struktura krystaliczna,
  • stale odporne na korozję zawierają co najmniej 10,5% chromu (Cr) i nie więcej niż 1,2% węgla (C),
  • inne stale stopowe, które nie spełniają wymogów stali niestopowych oraz odpornych na korozję. Wśród nich występuje stal konstrukcyjna niskostopowa, średniostopowa oraz wysokostopowa.

Obok składu chemicznego właściwości i zastosowanie stali określa jej mikrostruktura. Pierwotna budowa krystaliczna ulega zmianie na skutek poddawania wyrobu procesom wytwórczym. Mikrostruktura zależy głównie od obróbki cieplnej (wyżarzanie, hartowanie, odpuszczanie, przesycanie oraz starzenie). Wpływają na nią również właściwości chemiczne stali. Ponadto na zachowanie się i nośność elementów konstrukcji stalowych wpływają główne właściwości mechaniczne: granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie, wydłużalność,  udarowość czy twardość. Ważną rolę odgrywają też stałe materiałowe: moduł Younga, moduł Kirchoffa, liczba Poissona i gęstość objętościowa stali.

Zastosowanie stali konstrukcyjnej

Każdy materiał stosowany w budownictwie i inżynierii lądowej ma swój optymalny zakres stosowania. Zastosowanie stali konstrukcyjnych jest ściśle powiązane z ich podstawowymi cechami, do których należą:

  • wytrzymałość,
  • ciągliwość,
  • odporność na pękanie,
  • właściwości plastyczne,
  • skład chemiczny (wpływa na spawalność stali, odporność na korozję, czy łatwość cynkowania),
  • zdolność do formowania (na zimno i na gorąco)
  • cena.

Właściwości stali i zastosowanie elementów z niej wykonanych są ze sobą ściśle powiązane. Ogólnie rzecz ujmując konstrukcje budowlane można podzielić na trzy grupy w oparciu o zasady ich kształtowania lub ich elementów składowych:

1. Konstrukcje prętowe, których głównymi ustrojami są elementy liniowe w postaci belek, słupów czy łuków. Mogą tworzyć one bardziej złożone płaskie lub przestrzenne układy nośne (kratownice, ramy lub zespoły prętów). Wznosi się z nich:

  • hale produkcyjne i hale magazynowe,
  • hale i pawilony użyteczności publicznej,
  • szkielety budynków kilku lub wielokondygnacyjnych,
  • mosty, wiadukty, kładki dla pieszych,
  • konstrukcje specjalne (wieże, maszty, konstrukcje wsporcze)
  • konstrukcje rozbieralne i tymczasowe.

2. Konstrukcje wiszące, linowo-cięgnowe stosowane do przekryć o dużych rozpiętościach, hal sportowych, pawilonów, mostów wiszących i podwieszonych.

3. Konstrukcje powłokowe z blach stalowych, wykorzystywane do projektowania zbiorników, rurociągów, silosów, kominów.

Stalowe konstrukcje przemysłowe (w tym hale produkcyjne i magazynowe) zaliczamy do pierwszej grupy konstrukcji.