Swedsteel vékonyfalú acél szelvények

Alkalmazási területek

A vékonyfalú hidegen alakított acél szelvények alkalmazása régóta elterjedt a magasépítésben. A „vékonyfalú” elnevezés a kis lemezvastagságra (t<4mm), a „hidegen alakítás” a gyártástechnológiára utal. A kis lemezvastagságok miatt kulcskérdés az acél megfelelő korrózióvédelmének, tartósságának biztosítása, ennek érdekében igen gyakori a tűzihorganyzott acél alapanyagok használata. A vékonyfalú acél szelvények lehetnek felületszerkezeti elemek (pl. trapézlemez, falkazetta) vagy rúdszerkezeti elemek (pl. nyitott vagy zárt szelvények). A továbbiakban csak a Z-/C-/U- alakú nyitott szelvényű rúdszerkezetekkel foglalkozunk.

A vékonyfalú Z- és C-profilok leggyakoribb alkalmazási területét a síkbeli főtartó keretekből álló csarnokszerkezetek másodlagos teherviselő elemei jelentik: tetőszelemen, falvázgerenda és falvázoszlop funkcióban. Feladatuk ilyenkor a tető- és falburkolat közvetlen alátámasztása, és a terhek továbbítása a főtartó keretállásokra, az elsődleges teherviselő elemekre. Mivel ezen szerkezeti elemek fő igénybevétele egytengelyű hajlítás, a gyakorlatban előforduló gyártmányok profilalakja általában az erős tengely körüli hajlítási merevség szempontjából optimális, magas gerincű Z- vagy C-szelvény.

Alkalmazhatók még ezek az acél profilok közbenső födémekben fióktartóként, vagy belső elválasztó falak vázszerkezeteként. Bizonyos esetekben akár főtartó szerkezetek elemeként is alkalmazhatók (pl. portálkeretek vagy rácsostartók). Az említett tartószerkezeti funkciók főként az ipari, mezőgazdasági épületek, csarnokok esetén fordulnak elő, ritkábban (legalábbis hazánkban, térségünkben ritkábban) lakóházak könnyűszerkezetes vázszerkezeteként is előfordul. Egyéb különleges felhasználási területei is léteznek a vékonyfalú horganyzott szelvényeknek, mint például egyedi lakatos szerkezetekként (lépcsők, pódiumok), vagy a szemes anyagok tárolására szolgáló hengeres silók merevítőgerendáiként való alkalmazás.

Felhasznált alapanyag

A vékonyfalú szelvények gyártásához felhasznált alapanyagok a szerkezeti acéloknak egy speciális csoportját képezik. Külön szabvány [1] határozza meg ezen anyagminőségek jelölését, amely nemcsak az acél anyag mechanikai jellemzőit (folyáshatár, szakítószilárdság, szakadó nyúlás) határozza meg, hanem az alkalmazott korróziógátló felületi bevonat anyagát és rétegvastagságát is. A Swedsteel-Metecno által alkalmazott anyagminőség pl. az „S350GD+Z275”, amelyben az „S350GD” jelölés az acél hengerlési irányban értelmezett egyezményes folyáshatárának karakterisztikus értékét jelenti „MPa” mértékegységben, míg a „Z275” definiálja a kétoldali tűzihorganyzott felületi korrózióvédelmet 275 g/m2 mennyiségben, amely megfelel 20+20 mikron cinkréteg-vastagságnak mindkét oldalon. Fontos tudni, hogy ezeknél az anyagoknál a névleges lemezvastagság tartalmazza a korrózióvédelmi réteget is, tehát az acél mag tényleges vastagsága a korróziógátló réteggel kevesebb! Ennek például a statikai számításoknál van jelentősége.

A hidegalakításra alkalmas tűzihorganyzott acél alapanyagot a gyártók tipikusan többszáz méter hosszú széles tekercslemez formájában biztosítják a profilozó üzemek számára. A széles tekercseket a gyártandó szelvény méretének megfelelően, kisebb kiterített szélességekre kell vágni, ez az ún. hasítás. Magasabb minőségű korróziógátlás érhető el, ha a széles tekercsek hasítása után történik meg a tűzihorganyzás. Ilyen élhorganyzott tekercslemezeket használ a profilgyártáshoz a Swedsteel-Metecno Kft. is, a minél hosszabb élettartam érdekében.

Gyártástechnológia

A hidegen alakítással történő lemezmegmunkálás lehet élhajlítás, sajtolás vagy hengerlés. Ezek közül a hidegenhengerlés számít a nagyüzemi ipari termelés céljára leggazdaságosabb, leghatékonyabb termelési eljárásnak, a Swedsteel Z-/C-/U-szelvények is ezzel a technológiával készülnek. A profilozó sor részei: lecsévélő egység, egyengető, lyukasztó egység, kicsípő egység, görgő sorok, profilvágó kés és ledobó asztal. A gyártott szelvények megfelelő mérettűrését, alaktartását elsősorban az egyengető és a görgő sorok biztosítják. Meg kell említeni a Swedsteel gyártósor speciális, ún. „repülő” lyukasztó egységét, amely rendkívüli szabadságfokot biztosít a csavarozott szerkezeti kapcsolatok gyári támogatásához, és nem befolyásolja kedvezőtlenül a gyártási sebességet sem. A teljes gépsor számítógépes vezérléssel és adatbevitellel működik, szintén a gyors és hibátlan gyártási folyamat biztosítása céljából. A gyártott mérettartomány igen széles: a szelvények profilmagassága 100mm-től 400mm-ig terjed, a hengerelhető lemezvastagság 1,0mm-től egészen 4,0mm-ig választható.

A hidegenhengerléses gyártástechnológiának néhány fontos következménye van a késztermékre nézve, amelyet tervezéskor és kivitelezéskor figyelembe kell venni:

• a gyártott termékek állandó keresztmetszettel és lemezvastagsággal rendelkeznek a teljes hossz mentén (prizmatikusak);
• az elemek végeinek vágása általában merőleges a hossztengelyre;
• a szelvénygeometria megengedett tűrése nagyobb, mint melegenhengerelt szelvényeknél;
• a szelvények sarkai nem élesek, kerekítési sugárral rendelkeznek (R=4mm);
• az acél anyag a sarkok környezetében felkeményedik, azaz szilárdsága növekszik, képlékeny alakváltozási képessége (duktilitása) csökken;

Késztermékre vonatkozó előírások

Az acél tartószerkezeti építési termékek, gyártmányok harmonizált európai szabvány [2] hatálya alá tartoznak, azaz kötelezően CE jelöléssel hozhatók forgalomba az Európai Unión belül. A építési termékek forgalmazására vonatkozó európai jogszabály, az ún. CPR rendelet szerint a gyártóknak Teljesítmény-nyilatkozatot kell kiállítani a harmonizált termékszabványban pontosan meghatározott műszaki jellemzők értékéről, osztályától, azaz teljesítményéről. A teljesítményállandóság értékelésének és ellenőrzésének alkalmazott rendszere 2+, ami azt jelenti, hogy bejelentett üzemi gyártásellenőrző tanúsító szerv által kiállított Tanúsítvánnyal kell a gyártóknak rendelkezniük.

Konstrukciós megoldások

Ahogy már utaltunk rá, a vékonyfalú tűzihorganyzott elemek konstrukciós, azaz szerkezeti megoldásainál figyelembe kell venni az alapanyag és a gyártott késztermékek specialitásait. A kapcsolatok kialakítása tipikusan mechanikus kötőelemekkel (önfúró csavarok, hatlapfejű metrikus, anyás csavarok, szegecsek) történik, a tűzihorganyzott alapanyag és a kis lemezvastagság miatt a hegesztés az építőipari gyakorlatban egyelőre nem alkalmazott, bár meg kell jegyezni, hogy már folynak ígéretes kutatások ponthegesztéses kapcsolatokkal.

A leggyakoribb alkalmazási területen, szelemen és falváz funkcióban a hajlított gerendatartók konstrukciós kialakítására a gyakorlatban már jól bevált megoldások állnak rendelkezésre. Statikai vázak szerint a kéttámaszú és folytatólagos többtámaszú gerendatartók tekinthetők tipikusnak. A hosszú csarnokoknál a sok fesztávolságot, azaz sok főtartót is áthidaló gerendák többtámaszúsítására legelterjedtebb megoldás az átfedéses-átlapolásos toldás a támaszok felett (Z-szelvények esetén) és a toldóelemes illesztés (C-profilok esetén). Meg kell ugyanakkor jegyezni, hogy éppen ez utóbbi 2 speciális többtámaszú elrendezésben a teherbírás számítása közel sem tekinthető egyértelműnek, az igen összetett, bonyolult erőtani viselkedés miatt.

A Z- és C-szelvények támaszainak kialakításnál fontos, hogy fel kell venni a gerinc síkjában és arra merőlegesen ható reakcióerőket is, továbbá a vékonyfalú profil oldalirányú megtámasztásáról is gondoskodni kell. Erre a gyakorlatban tipikus megoldás a főtartókhoz rögzített (hegesztett vagy talplemezzel lecsavarozott) szelementartó konzolokkal (bakokkal) történik, a Z-/C- szelvények gerinclemezének nyírt csavaros kapcsolásával.

Statikai méretezés

A vékonyfalú szelvények a kis lemezvastagság, illetve az abból származó nagy lemezkarcsúságok miatt statikai szempontból speciális viselkedésűek, a rúdszerű és héjszerű erőjáték is megjelenik benne. A melegenhengerelt, vastagabb falú acél szelvényekhez képest többféle tönkremeneteli mód, azon belül stabilitásvesztési mód jelenik meg, amelyet figyelembe kell venni a helyes tervezéskor [4]. Ezek a speciális stabilitásvesztési lehetőségek az alábbiak:

• hosszirányú nyomófeszültségek hatására bekövetkező lokális (lemezhorpadás), torzulásos és globális (kihajlás, kifordulás) módok;
• keresztirányú nyomófeszültségek hatására kialakuló lokális horpadás (beroppanás, gyűrődés);
• nyírás hatására történő nyírási horpadás;
• az előzőek kombinációi.

A teherbírás meghatározásánál azt is tudni kell, hogy a vékonyfalú szelvények érzékenyek a gyártási pontatlanságokra, az imperfekciókra, és nagyon fontos jelentőségű az oldalirányú megtámasztások kialakítása. Utóbbi esetre a gyakorlatban tipikus példa, amikor a Z- illetve C-szelvényű tartó egyik övére csavarozott burkolat folytonos oldalirányú megtámasztást biztosít, viszont a másik öv szabad, nem megtámasztott. A rendkívül összetett viselkedést a számításokban úgy lehet modellezni, hogy a szabad övet egy rugalmasan ágyazott hajlított-nyomott gerendával helyettesítjük, ahol a rugalmas ágyazás rugómerevségével vesszük figyelembe a felső/külső övre csavarozott burkolati lemez által nyújtott megtámasztó hatást.

Az Európai Unión belül az Eurocode méretezési szabványokat kötelező alkalmazni, a tagállamokban érvényes Nemzeti Mellékletekkel együtt. A vékonyfalú tartószerkezeti elemek méretezésére külön kötet vonatkozik az Eurocode-ban [3], amely részletes számítási módszert ír elő. Lehetőség van alternatív eljárások alkalmazására, pl. laboratóriumi kísérletek alapján meghatározott teherbírás meghatározásra, de nagyon fontos, hogy a tervezési értékeket az Eurocode keretszabvány által megkövetelt biztonsági szintet igazolni kell. Ezt azért is fontos hangsúlyozni, mert az említett hatályos Eurocode kötetnél régebbi vagy teljesen más (pl. DIN német vagy StBK svéd) szabványok alapján készített gyártói méretezési eszközök, táblázatok már nem használhatók! Ennek ellenőrzése a statikus tervező szakmai feladata és jogi felelőssége.

A Swedsteel gyártmányú Z- és C-szelvények Eurocode [3] szerint készített statikai táblázatai és online kalkulátora megtalálható a cég internetes szakmai oldalán [6].

Tűzvédelmi szempontok

A tartószerkezeti elemek esetén kétféle tűzvédelmi jellemző bír jelentőséggel:

• az éghetőséget kifejező tűzvédelmi osztály és
• a tűzhatás alatt mutatott viselkedés, a tűzállósági teljesítmény.

Az acél és a tűzihorganyzott acél anyagok, így a belőlük készült bármilyen profil, szerkezet külön vizsgálat nélkül „A1”, azaz neméghető tűzvédelmi osztályba sorolható. Ezt Európai Uniós Bizottsági Határozat deklarálja hivatalosan.

A tűzállósági teljesítmény acél rúdszerkezeti elemek esetén „csak” a teherbírásra vonatkozhat, amelynek jelölése „R” és utána perc mértékegységben kifejezett tűzállósági teljesítmény (pl. R15 vagy R30), amely azt fejezi ki, hogy a vonatkozó szabványok által meghatározott feltételek szerint az adott acél szerkezeti elem tűz hatására teherbírási határállapotba kerülhet. Közismert tény, hogy az acél anyag magas hőmérsékleten, pl. tűzhatás esetén a normál hőmérsékleten mérhető szilárdsági értékei jelentősen lecsökkennek, ezért a tűzállósági követelmények ismerete kulcskérdés minden acél szerkezet tervezésekor, építésekor. A tűzállósági teljesítmény meghatározása történhet akkreditált laboratórium által végzett szabványos vizsgálattal, vagy Eurocode szerint rendkívüli határállapotban végzett számítással, vagy bizonyos esetekben az előző kettő kombinációja alapján is. Fontos, hogy a tűzállósági teljesítmény sok tényezőtől (pl. a szelvény alakjától, statikai váztól, szerkezeti kialakítástól, tűzzel egyidejű terhektől, ezáltal a teherbírási kihasználtságtól, az esetlegesen alkalmazott tűzgátló védelemtől) függő komplex szerkezeti jellemző, ezért megfelelő tervezéssel a tűzvédelmi követelményeknek biztonsággal megfelelő, gazdaságos acél szerkezetek hozhatók létre.

Az acél szerkezetek tűzállósági teljesítménye és a hazai követelmény-rendszer (OTSZ, [5]) alapján 3 fő esetet érdemes elkülöníteni:

• Nincsen tűzállósági követelmény: az OTSZ [5] bizonyos feltételek mellett az alacsony kockázati osztályba sorolt ipari, mezőgazdasági épületek szerkezeteivel szemben nem támaszt tűzállósági követelményt.
• R15 tűzállósági követelmény van: ilyenkor Eurocode szerinti számítással reális esély van rá, hogy külön tűzvédelem nélkül kimutatható legyen a megfelelőség. Ez lemezvastagságtól függetlenül igaz valamennyi acél szelvényre, nincs különbség vékony- vagy vastagfalú szelvény között, mint a korábbi szabályozásokban.
• R30 vagy annál magasabb tűzállósági követelmény gazdaságosan általában már csak valamilyen passzív tűzvédelemmel biztosítható (pl. hőre habosodó tűzgátló festéssel, tűzgátló lapokkal).

A Swedsteel vékonyfalú acél szelemenek R15 tűzállósági teljesítményre Eurocode szerinti egyedi számítással igazolhatók. A cég mérnökei az elküldött geometriai és terhelési adatok alapján számítással határozzák meg a szükséges szelvényeket, amelyek normál és rendkívüli tervezési állapotban, tűzhatásra is megfelelőek.

 

Hivatkozások

[1]     MSZ EN 10346:2015, Folytatólagos tűzi-mártó eljárással bevont acél lapostermékek hidegalakításra. Műszaki szállítási feltételek

[2]     MSZ EN 1090-1:2009+A1:2012, Acél- és alumíniumszerkezetek kivitelezése. 1. rész: Szerkezeti elemek megfelelőségértékelésének követelményei

[3]     MSZ EN 1993-1-3:2007, Eurocode 3: Acélszerkezetek tervezése, 1-3. rész: Általános szabályok. Kiegészítő szabályok hidegen alakított elemekre.

[4]     Ádány S., Dulácska E., Dunai L., Fernezely S., Horváth L., Kövesdi B.: Acélszerkezetek, Tervezés az Eurocode alapján (Artifex Kiadó Kft., 2. bővített kiadás, 2016. szeptember)

[5]     54/2014. (XII. 5.) BM rendelet az Országos Tűzvédelmi Szabályzatról

[6]     Swedsteel Szakmai Tudástár: http://tudastar.swedsteel-metecno.com/hu