Ograniczenia stosowania stali S235 w dzisiejszym przemyśle
Stal S235 od dziesięcioleci jest jednym z podstawowych gatunków stali konstrukcyjnej
stosowanych w budownictwie stalowym, przemyśle maszynowym i konstrukcjach pomocniczych.
Nie oznacza to jednak, że jest obecnie materiałem optymalnym dla każdego zastosowania.
Rosnące wymagania dotyczące nośności, trwałości, masy konstrukcji, bezpieczeństwa,
kosztów transportu i montażu oraz efektywności produkcji powodują, że ograniczenia
S235 stają się coraz bardziej widoczne.
Poniższy artykuł przedstawia techniczne i ekonomiczne konsekwencje stosowania S235
oraz porównuje ten gatunek przede wszystkim ze stalą S355.
1. Streszczenie zarządcze
S235 nie jest gatunkiem stali wycofanym ani zakazanym. Nadal może być stosowana
w konstrukcjach stalowych, pod warunkiem spełnienia wymagań projektowych,
materiałowych i wykonawczych.
Problem polega na czymś innym: przy rosnących wymaganiach konstrukcyjnych S235
coraz częściej prowadzi do zwiększania przekrojów, grubości blach i masy całego
obiektu. W wielu przypadkach stal S355 pozwala osiągnąć wymaganą nośność przy
mniejszym przekroju.
Podstawową różnicą jest granica plastyczności. Dla typowych zakresów grubości
nominalna granica plastyczności S235 wynosi około 235 MPa, natomiast dla S355
około 355 MPa. Nie oznacza to jednak, że S355 jest automatycznie lepszym
materiałem w każdym zastosowaniu.
Przy wyborze gatunku należy uwzględniać między innymi:
- nośność przekroju,
- stateczność elementów,
- smukłość ścianek,
- zmęczenie,
- odporność na kruche pękanie,
- spawalność,
- grubość elementów,
- warunki temperaturowe,
- odporność ogniową,
- korozję i trwałość powłok,
- masę konstrukcji,
- koszt produkcji, transportu i montażu.
2. Czym jest stal S235?
S235 jest stalą konstrukcyjną należącą do grupy gatunków określanych według
europejskiego systemu oznaczeń. Podstawowe wymagania dotyczące wyrobów
walcowanych na gorąco określa norma PN-EN 10025-2.
W praktyce można spotkać między innymi odmiany S235JR, S235J0 oraz S235J2.
Litery i oznaczenia dodatkowe odnoszą się między innymi do wymaganej udarności
w określonej temperaturze.
Sama nazwa S235 wskazuje na nominalną wartość granicy plastyczności
w określonym zakresie grubości. Nie należy więc traktować wartości 235 MPa
jako uniwersalnej wartości obowiązującej dla każdego elementu S235,
niezależnie od jego grubości.
3. Niska granica plastyczności
Najbardziej oczywistym ograniczeniem S235 jest stosunkowo niska granica
plastyczności w porównaniu z bardziej wytrzymałymi gatunkami stali konstrukcyjnej.
Dla przykładowego elementu pracującego na rozciąganie można w pierwszym
przybliżeniu przyjąć:
NRd ≈ A · fy
gdzie A oznacza pole przekroju, a fy granicę plastyczności.
Jeżeli pozostałe warunki są identyczne, wyższa granica plastyczności pozwala
osiągnąć tę samą nośność przy mniejszym polu przekroju.
W rzeczywistym projekcie zależność jest bardziej złożona, ponieważ o wymiarach
konstrukcji decydują również wyboczenie, klasy przekrojów, zmęczenie,
połączenia i inne warunki stanu granicznego.
4. S235 a S355
S355 jest naturalnym punktem odniesienia dla S235 w wielu współczesnych
konstrukcjach stalowych.
| Parametr | S235 | S355 |
|---|---|---|
| Nominalna granica plastyczności | około 235 MPa | około 355 MPa |
| Moduł Younga | około 210 GPa | około 210 GPa |
| Sztywność materiałowa | porównywalna | porównywalna |
| Nośność plastyczna przekroju | niższa | wyższa |
| Potencjał redukcji przekroju | mniejszy | większy |
W idealizowanym przypadku elementu rozciąganego, przy pominięciu innych
ograniczeń projektowych, stosunek wymaganych pól przekroju wynosi:
AS355 / AS235 ≈ 235 / 355 ≈ 0,66
Oznacza to teoretycznie możliwość zmniejszenia pola przekroju o około 34%.
Nie należy jednak utożsamiać tej wartości z rzeczywistą redukcją masy całej
konstrukcji. W konstrukcji rzeczywistej często decydujące są stateczność,
ugięcia, geometria przekroju, połączenia oraz wymagania wykonawcze.
5. Moduł Younga — ważne ograniczenie
Jednym z najważniejszych nieporozumień dotyczących stali S235 i S355 jest
przekonanie, że wyższa granica plastyczności automatycznie oznacza większą
sztywność konstrukcji.
Dla obu gatunków moduł sprężystości stali konstrukcyjnej jest praktycznie
taki sam i przy obliczeniach konstrukcyjnych przyjmuje się około 210 GPa.
Oznacza to, że zmiana S235 na S355 sama w sobie nie rozwiązuje problemu
nadmiernych ugięć.
Jeżeli konstrukcja jest ograniczona przez kryterium użytkowalności,
konieczne może być zachowanie odpowiedniego momentu bezwładności przekroju,
niezależnie od zastosowanego gatunku stali.
6. Większe przekroje konstrukcyjne
W przypadku S235 niższa granica plastyczności może prowadzić do konieczności
zastosowania większych przekrojów.
Dotyczy to szczególnie:
- słupów,
- belek o dużych rozpiętościach,
- rygli,
- kratownic,
- konstrukcji wsporczych,
- elementów dźwigarowych,
- konstrukcji narażonych na duże obciążenia skupione.
Większy przekrój może z kolei zwiększyć masę konstrukcji, powierzchnię
zabezpieczenia antykorozyjnego, liczbę operacji produkcyjnych oraz wymagania
dotyczące transportu.
7. Wpływ grubości materiału
Granica plastyczności stali konstrukcyjnej nie jest stała dla wszystkich
grubości wyrobu.
Wraz ze wzrostem grubości mogą obowiązywać niższe wartości granicy plastyczności.
Dlatego projektant powinien zawsze sprawdzać wartość fy odpowiednią
dla rzeczywistej grubości oraz konkretnego wyrobu.
Przykładowo dla S235JR można spotkać wartości rzędu 235 MPa dla mniejszych
grubości, a następnie niższe wartości dla większych zakresów grubości.
W praktyce oznacza to, że nie należy wykonywać obliczeń na podstawie samego
symbolu S235 bez sprawdzenia tabel materiałowych właściwej normy.
8. Udarność i odporność na kruche pękanie
Oznaczenia JR, J0 i J2 odnoszą się do wymagań dotyczących udarności Charpy’ego
w określonej temperaturze badania.
| Odmiana | Temperatura badania udarności |
|---|---|
| S235JR | +20°C |
| S235J0 | 0°C |
| S235J2 | -20°C |
Wybór odmiany ma znaczenie zwłaszcza w konstrukcjach pracujących w niskich
temperaturach, przy dużych grubościach oraz w sytuacjach, w których konsekwencje
kruchego pękania mogą być poważne.
9. Kruche pękanie
Kruche pękanie jest jednym z istotnych zagadnień projektowania konstrukcji
stalowych. Ryzyko zależy między innymi od temperatury, grubości materiału,
stanu naprężenia, jakości materiału, karbów geometrycznych oraz obecności
wad i pęknięć.
W praktyce oznacza to, że sam zapis „S235” nie jest wystarczającą informacją
do oceny przydatności materiału w każdej konstrukcji.
Szczególnej uwagi wymagają elementy grubościenne, konstrukcje eksploatowane
w niskich temperaturach oraz miejsca koncentracji naprężeń.
10. Spawalność
S235 jest generalnie materiałem dobrze spawalnym. Nie oznacza to jednak,
że każdy sposób spawania dowolnego elementu jest automatycznie bezpieczny
i zgodny z wymaganiami wykonawczymi.
W procesie spawania należy uwzględniać między innymi:
- skład chemiczny materiału,
- grubość elementu,
- rodzaj złącza,
- technologię spawania,
- parametry cieplne procesu,
- temperaturę podgrzewania, jeżeli jest wymagana,
- warunki chłodzenia,
- wymagania norm wykonawczych.
Przy zmianie gatunku stali należy również ponownie zweryfikować technologię
spawania, materiały dodatkowe oraz wymagania jakościowe.
11. Zmęczenie materiału
W konstrukcjach poddanych wielokrotnym zmianom obciążenia sama wyższa
granica plastyczności nie przesądza o odporności zmęczeniowej.
W projektowaniu zmęczeniowym ogromne znaczenie mają między innymi:
- geometria detalu,
- karby,
- jakość spoin,
- kategoria detalu,
- zakres zmian naprężeń,
- liczba cykli,
- warunki eksploatacji.
Dlatego zamiana S235 na S355 nie powinna być traktowana jako uniwersalne
rozwiązanie problemów konstrukcji zmęczeniowych.
12. Połączenia śrubowe i spawane
Niższa nośność materiału może wpływać na wymagania dotyczące połączeń.
W zależności od rodzaju obciążenia może być konieczne zastosowanie większej
liczby śrub, większych średnic, grubszych blach węzłowych lub większych
długości spoin.
Dotyczy to szczególnie połączeń, w których wykorzystuje się nośność
przekroju elementu lub blachy.
Jednocześnie zmiana gatunku materiału nie zawsze pozwala proporcjonalnie
zmniejszyć całego węzła. O wymiarach połączenia mogą decydować także
wymagania dotyczące śrub, spoin, docisku, poślizgu, wyboczenia lokalnego
oraz geometrii połączenia.
13. Smukłość elementów
W elementach cienkościennych ograniczeniem może być nie nośność plastyczna,
lecz lokalne wyboczenie ścianek.
Oznacza to, że zastosowanie S355 nie zawsze umożliwi pełne wykorzystanie
wyższej granicy plastyczności. Jeżeli element ma zbyt smukłe ścianki,
wcześniej może dojść do utraty stateczności lokalnej.
W takich przypadkach projektant musi uwzględniać klasę przekroju oraz
odpowiednie zasady Eurokodu 3.
14. Elementy ściskane i wyboczenie
W przypadku słupów i innych elementów ściskanych sytuacja jest jeszcze bardziej
złożona. Nośność elementu może być ograniczona przez wyboczenie globalne,
a nie przez samą granicę plastyczności materiału.
W takich przypadkach zwiększenie fy może przynieść mniejszy efekt,
niż wynikałoby z prostego porównania 235 i 355 MPa.
Ostateczny rezultat zależy między innymi od:
- długości wyboczeniowej,
- momentu bezwładności,
- promienia bezwładności,
- smukłości względnej,
- krzywej wyboczeniowej,
- warunków podparcia.
15. Masa konstrukcji
Jednym z najczęściej wskazywanych argumentów za stosowaniem stali o wyższej
wytrzymałości jest możliwość ograniczenia masy konstrukcji.
W przypadku dobrze zoptymalizowanych elementów różnica może być znacząca.
Nie można jednak zakładać, że masa konstrukcji zmniejszy się dokładnie
w proporcji do stosunku granic plastyczności.
W praktyce wpływ mają również dostępne profile, ograniczenia geometryczne,
ugięcia, wyboczenie, połączenia, wymagania architektoniczne i technologiczne.
16. Transport i montaż
Masa konstrukcji wpływa nie tylko na zużycie stali. Oddziałuje również
na logistykę całego przedsięwzięcia.
Cięższa konstrukcja może oznaczać:
- większą liczbę transportów,
- większe obciążenie środków transportowych,
- większe wymagania dotyczące dźwigów,
- większą liczbę operacji montażowych,
- wyższe koszty robocizny montażowej.
Dlatego materiał powinien być analizowany z perspektywy całego procesu,
a nie wyłącznie ceny zakupu za kilogram.
17. Odporność ogniowa
Stal konstrukcyjna w podwyższonej temperaturze traci część swoich właściwości
mechanicznych. Dotyczy to zarówno S235, jak i S355.
Wymagana odporność ogniowa może prowadzić do konieczności stosowania:
- farb pęczniejących,
- obudów ogniochronnych,
- natrysków,
- zwiększenia przekrojów lub innych rozwiązań projektowych.
Dobór gatunku stali powinien więc być rozpatrywany razem z wymaganiami
pożarowymi całego obiektu.
18. Korozja
Z punktu widzenia podstawowej odporności na korozję S235 i S355 nie należy
traktować jako materiałów zasadniczo różniących się w sposób, który eliminuje
konieczność zabezpieczenia konstrukcji.
O trwałości decydują przede wszystkim środowisko, system powłokowy,
przygotowanie powierzchni, geometria detalu, odprowadzanie wody oraz
prawidłowe wykonanie i utrzymanie zabezpieczenia.
W przypadku konstrukcji o dużej powierzchni zastosowanie większej ilości
stali może oznaczać również większą powierzchnię wymagającą przygotowania
i zabezpieczenia.
19. Aspekty środowiskowe
Zmniejszenie masy konstrukcji może ograniczać zużycie surowców oraz wpływ
transportu i montażu na środowisko.
Nie oznacza to jednak, że sam wybór S355 automatycznie daje niższy ślad
środowiskowy. Należy uwzględnić cały cykl życia produktu, w tym produkcję
stali, transport, wykonanie, eksploatację, zabezpieczenia i możliwość
ponownego wykorzystania lub recyklingu.
Współczesne wymagania środowiskowe coraz częściej powodują, że masa materiału
jest jednym z parametrów analizowanych już na etapie projektowania.
20. S235 a współczesny Eurokod 3
S235 pozostaje materiałem objętym zakresem projektowania konstrukcji stalowych
według Eurokodu 3. Nie można więc mówić o ogólnym zakazie stosowania tego gatunku.
Współczesne projektowanie wymaga jednak znacznie bardziej kompleksowej analizy
niż proste sprawdzenie naprężeń.
W zależności od konstrukcji należy uwzględniać między innymi:
- nośność przekrojów,
- stateczność elementów,
- połączenia,
- zmęczenie,
- odporność ogniową,
- odporność na kruche pękanie,
- wymagania wykonawcze.
Dlatego pytanie „czy można zastosować S235?” powinno być zastępowane pytaniem:
„czy S235 jest optymalnym materiałem dla tego konkretnego elementu i całej konstrukcji?”.
21. Gdzie S235 nadal ma uzasadnienie?
S235 nadal może być racjonalnym wyborem w wielu konstrukcjach.
- prostych konstrukcjach pomocniczych,
- lekkich konstrukcjach stalowych,
- elementach o niewielkich obciążeniach,
- elementach, w których decydują względy technologiczne,
- konstrukcjach, w których większy przekrój nie powoduje istotnych problemów,
- projektach, gdzie dostępność i cena materiału mają szczególne znaczenie.
Zastosowanie S235 nie jest więc błędem projektowym samo w sobie. O poprawności
decyzji decyduje zgodność rozwiązania z wymaganiami konstrukcyjnymi i ekonomicznymi.
22. Kiedy S235 zaczyna być problemem?
Ograniczenia S235 stają się szczególnie widoczne, gdy konstrukcja wymaga
wysokiej nośności przy jednoczesnym ograniczeniu masy i wymiarów.
Dotyczy to przede wszystkim:
- dużych rozpiętości,
- dużych obciążeń,
- wysokich słupów,
- elementów transportowanych w dużych gabarytach,
- konstrukcji modułowych,
- konstrukcji wymagających szybkiego montażu,
- elementów, w których masa jest istotnym parametrem kosztowym.
W takich przypadkach analiza S355 lub innych gatunków wyższej wytrzymałości
może być uzasadniona już na wczesnym etapie projektu.
23. Paradoks taniej stali
Cena kilograma S235 może być atrakcyjna, ale cena kilograma nie jest pełnym
kosztem konstrukcji.
W analizie należy uwzględnić:
- cenę materiału,
- masę konstrukcji,
- cięcie,
- spawanie,
- obróbkę,
- zabezpieczenie antykorozyjne,
- transport,
- montaż,
- czas produkcji,
- koszty eksploatacyjne.
W efekcie materiał o niższej cenie jednostkowej może w konkretnym projekcie
prowadzić do wyższego kosztu całkowitego.
24. Przykład obliczeniowy S235 vs S355
Załóżmy element rozciągany, dla którego wymagana nośność jest taka sama,
a jedynym rozpatrywanym ograniczeniem jest osiągnięcie wymaganej nośności
plastycznej przekroju.
Dla S235:
AS235 = N / 235
Dla S355:
AS355 = N / 355
Stosunek pól:
AS355 / AS235 = 235 / 355 ≈ 0,662
Teoretycznie oznacza to około 33,8% mniejsze wymagane pole przekroju.
W rzeczywistym projekcie rezultat może być znacząco inny. Jeżeli ograniczeniem
jest ugięcie, wyboczenie lub geometria przekroju, uzyskana redukcja może być
mniejsza.
25. Podejście projektowe i produkcyjne
Dla przedsiębiorstwa wykonującego konstrukcje stalowe decyzja o stosowaniu
S235 lub S355 powinna być analizowana nie tylko przez projektanta, ale również
przez dział produkcji i zarządzanie kosztami.
Warto przeanalizować:
- dostępność materiału u dostawców,
- standardowe grubości i profile,
- czas oczekiwania na materiał,
- koszty cięcia,
- czas spawania,
- masę konstrukcji,
- koszty transportu,
- koszty montażu.
W dobrze zarządzanej firmie gatunek stali powinien być elementem optymalizacji
całego procesu, a nie wyłącznie decyzją zakupową.
26. Macierz decyzyjna
| Kryterium | S235 | S355 |
|---|---|---|
| Cena materiału za kg | często korzystna | często wyższa |
| Granica plastyczności | niższa | wyższa |
| Potencjał redukcji masy | mniejszy | większy |
| Sztywność materiału | porównywalna | porównywalna |
| Proste konstrukcje | często wystarczająca | możliwa, ale nie zawsze konieczna |
| Konstrukcje wysoko obciążone | częściej wymagają większych przekrojów | częściej pozwalają na optymalizację przekroju |
Tabela ma charakter ogólny. Ostateczny wybór powinien wynikać z obliczeń
konkretnej konstrukcji i dostępności materiału.
27. Najczęstsze błędne założenia
„S235 jest przestarzała i nie wolno jej już stosować”
Nie jest to prawidłowe stwierdzenie. S235 nadal może być stosowana, jeśli
spełnia wymagania projektowe i wykonawcze.
„S355 zawsze jest lepsza”
Wyższa granica plastyczności nie oznacza automatycznie optymalności.
Przy ugięciach, wyboczeniu, zmęczeniu lub wymaganiach geometrycznych
korzyść może być ograniczona.
„Zmiana S235 na S355 zmniejszy masę dokładnie o 34%”
Jest to jedynie wynik prostego modelu elementu rozciąganego.
Nie można go bezpośrednio przenosić na całą konstrukcję.
„Wytrzymalsza stal oznacza sztywniejszą konstrukcję”
Nie. Moduł Younga obu materiałów jest zbliżony, dlatego sama zmiana gatunku
nie powoduje proporcjonalnego wzrostu sztywności sprężystej.
28. Strategia przedsiębiorstwa konstrukcyjnego
Dla firmy produkującej konstrukcje stalowe racjonalnym rozwiązaniem może być
utrzymywanie kilku standardowych gatunków materiału zamiast automatycznego
stosowania jednego gatunku do wszystkich projektów.
Przy każdym większym projekcie można analizować trzy poziomy:
- Poziom konstrukcyjny — czy materiał spełnia wymagania nośności,
stateczności, zmęczenia i trwałości? - Poziom produkcyjny — jaki wpływ ma materiał na cięcie,
spawanie, obróbkę i kontrolę jakości? - Poziom ekonomiczny — jaki jest całkowity koszt konstrukcji,
transportu i montażu?
Takie podejście pozwala uniknąć sytuacji, w której pozornie tańszy materiał
generuje większe koszty w kolejnych etapach realizacji.
29. Wnioski
S235 nadal jest pełnoprawną stalą konstrukcyjną i w wielu zastosowaniach
pozostaje technicznie uzasadnionym materiałem.
Jej podstawowym ograniczeniem w porównaniu z S355 jest niższa granica
plastyczności, która w konstrukcjach o wysokich wymaganiach może prowadzić
do konieczności stosowania większych przekrojów.
Konsekwencje tego wyboru mogą wykraczać poza same obliczenia konstrukcyjne.
Większa masa może wpływać na produkcję, zabezpieczenie antykorozyjne,
transport i montaż.
Jednocześnie nie należy traktować S355 jako uniwersalnego zamiennika S235.
W wielu przypadkach o wymiarach konstrukcji decydują ugięcia, stateczność,
geometria przekroju, połączenia lub wymagania zmęczeniowe, a nie sama
granica plastyczności.
Najbardziej racjonalne podejście polega więc na doborze gatunku stali
na podstawie całego cyklu projektowania i wykonania konstrukcji.
W praktyce pytanie nie powinno brzmieć:
„Czy S235 jest jeszcze dobra?”,
lecz:
„Czy w tej konkretnej konstrukcji S235 zapewnia wymagane parametry
przy najkorzystniejszym całkowitym koszcie realizacji?”
30. Źródła i normy
- PN-EN 10025-2 — Wyroby walcowane na gorąco ze stali konstrukcyjnych — Część 2: Warunki techniczne dostawy stali niestopowych konstrukcyjnych.
- PN-EN 1993-1-1 — Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych — Reguły ogólne i reguły dla budynków.
- PN-EN 1993-1-8 — Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych — Projektowanie węzłów.
- PN-EN 1993-1-9 — Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych — Zmęczenie.
- PN-EN 1993-1-10 — Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych — Dobór materiału ze względu na odporność na kruche pękanie i właściwości w kierunku grubości.
- PN-EN 1993-1-2 — Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych — Reguły ogólne — Projektowanie konstrukcji z uwagi na warunki pożarowe.
- EN 1090-2 — Wykonanie konstrukcji stalowych i aluminiowych — Wymagania techniczne dotyczące konstrukcji stalowych.
- Materiały techniczne producentów stali konstrukcyjnych.
- Materiały informacyjne European Steel Construction Institute (SCI).
- Publikacje i dokumenty Komisji Europejskiej dotyczące wyrobów budowlanych oraz wymagań środowiskowych.
Przy projektowaniu konkretnej konstrukcji należy zawsze korzystać z aktualnego
wydania właściwej normy oraz sprawdzać wymagania dotyczące konkretnego wyrobu,
jego grubości, warunków dostawy i przeznaczenia.