Najdroższy błąd przy konstrukcji stalowej często powstaje jeszcze przed uruchomieniem produkcji. Projektant wpisuje „S355”, wykonawca przyjmuje „EXC2”, zamawiający widzi certyfikat EN 1090 i uznaje temat za zamknięty. Tymczasem gatunek stali i klasa wykonania EXC odpowiadają za dwie różne rzeczy. Pierwszy określa właściwości materiału potrzebne w obliczeniach i w określonych warunkach pracy. Druga narzuca wymagania dotyczące wykonania, spawania, kontroli, identyfikowalności, tolerancji oraz dokumentacji.
W polskich realizacjach punktem odniesienia dla wykonania konstrukcji stalowych jest obecnie PN-EN 1090-2+A1:2024-10, wprowadzająca EN 1090-2:2018+A1:2024. Norma obejmuje m.in. konstrukcje wykonywane z walcowanych na gorąco stali konstrukcyjnych do gatunku S700; dla stali o jeszcze wyższej wytrzymałości wymagane są dodatkowe ustalenia wykonawcze.
Nie oznacza to jednak, że w typowej hali automatycznie należy stosować możliwie najwyższy gatunek stali i najwyższą klasę EXC. To częsty i kosztowny skrót myślowy. S355 nie zawsze jest lepsza od S235, a EXC3 nie jest „bezpieczniejszą wersją EXC2”, którą warto zamówić na zapas. Każde zaostrzenie wymagań powinno wynikać z projektu, warunków użytkowania i konsekwencji ewentualnego uszkodzenia.
S235 czy S355? Sama granica plastyczności nie rozstrzyga wyboru
Oznaczenia S235, S275, S355 czy S460 nie są nazwami handlowymi określającymi ogólną „jakość” stali. Liczba odnosi się do nominalnego poziomu minimalnej granicy plastyczności dla określonego zakresu grubości wyrobu. W przypadku popularnych wyrobów według PN-EN 10025-2 stal S235 ma dla małych grubości nominalną granicę plastyczności 235 MPa, a S355 – 355 MPa. Aktualnym polskim wydaniem normy dla niestopowych stali konstrukcyjnych walcowanych na gorąco jest PN-EN 10025-2:2019-11.
Różnica 120 MPa wygląda imponująco, ale nie oznacza, że zastosowanie S355 pozwoli zmniejszyć każdy element konstrukcji o około jedną trzecią. W rzeczywistym projekcie przekrój może być ograniczony nie wytrzymałością materiału, lecz:
-
ugięciem belki,
-
wyboczeniem słupa,
-
zwichrzeniem belki,
-
statecznością miejscową ścianek,
-
podatnością połączenia,
-
zmęczeniem,
-
drganiami,
-
odpornością ogniową,
-
wymaganiami technologicznymi dotyczącymi spawania lub montażu.
Przykład jest prosty. Jeżeli belka IPE ma już odpowiedni zapas nośności, ale jej wysokość wynika z dopuszczalnego ugięcia stropu, przejście z S235 na S355 może nie pozwolić na praktyczne zmniejszenie przekroju. Moduł Younga stali pozostaje w przybliżeniu taki sam niezależnie od tego, czy projektujemy z S235, czy z S355, dlatego przy tym samym przekroju sztywność elementu nie wzrośnie proporcjonalnie do granicy plastyczności.
S355 daje największy efekt tam, gdzie projekt rzeczywiście ogranicza nośność przekroju. Dotyczy to między innymi mocno obciążonych słupów, kratownic, dźwigarów oraz elementów, w których redukcja masy stali przynosi również oszczędności na transporcie, fundamentach i montażu.
Nie wolno przy tym patrzeć wyłącznie na oznaczenie „355”. Pełne oznaczenie materiału może wyglądać np. S355JR, S355J0 albo S355J2. Litery określają wymagania związane z udarnością materiału. Dla typowych odmian:
-
JR – wymagana praca łamania 27 J przy +20°C,
-
J0 – 27 J przy 0°C,
-
J2 – 27 J przy -20°C.
Dla S235JR producent deklaruje m.in. minimum 27 J w próbie udarności przy +20°C.
W praktyce właśnie końcówka oznaczenia bywa ważniejsza niż inwestor zakłada. Konstrukcja wewnątrz ogrzewanego obiektu pracuje w innych warunkach niż nieosłonięta konstrukcja zewnętrzna w północno-wschodniej Polsce, element mostu czy dźwigar pracujący dynamicznie. Odporność na kruche pękanie dobiera się z uwzględnieniem m.in. temperatury obliczeniowej, grubości elementu, stanu naprężenia i szczegółu konstrukcyjnego, a zagadnienie to jest objęte regułami Eurokodu 3 dotyczącymi ciągliwości materiału i właściwości w kierunku grubości.
Druga pułapka to grubość wyrobu. Liczba w nazwie gatunku nie oznacza, że przykładowe 355 MPa jest gwarantowane dla każdej grubości blachy czy profilu. Wraz ze wzrostem grubości minimalna wartość granicy plastyczności według odpowiedniej normy wyrobu może spadać. Dlatego w obliczeniach trzeba korzystać z wartości odpowiadającej konkretnemu produktowi i zakresowi grubości, a nie przepisywać „355 MPa” do całego modelu.
Trzecia sprawa to spawalność. Wyższa wytrzymałość nie oznacza automatycznie problemów spawalniczych, ale wraz ze wzrostem gatunku, grubości elementu, stopnia skrępowania złącza i zawartości pierwiastków stopowych rośnie znaczenie technologii spawania. W praktyce należy kontrolować między innymi równoważnik węgla, energię liniową, temperaturę materiału oraz ewentualną potrzebę podgrzewania wstępnego.
Dlatego decyzja materiałowa powinna przebiegać w następującej kolejności:
-
określić wymagania obliczeniowe elementu,
-
sprawdzić temperaturę i charakter jego pracy,
-
dobrać właściwą klasę udarności,
-
zweryfikować rzeczywisty zakres grubości,
-
sprawdzić dostępność odpowiednich profili lub blach,
-
dopiero później porównać masę, cenę i koszty wykonania wariantów.
Sam zapis „stal S355” jest za mało precyzyjny, jeżeli wykonawca ma na jego podstawie zamówić materiał do odpowiedzialnej konstrukcji.
EXC1, EXC2, EXC3 i EXC4 – co naprawdę zmienia klasa wykonania
Klasa wykonania EXC nie jest klasą wytrzymałości konstrukcji. Nie oznacza też, że element wykonany w EXC3 przeniesie większe obciążenie niż identyczny element wykonany w EXC2. EXC określa poziom wymagań, który trzeba zachować podczas wytwarzania i montażu konstrukcji.
PN-EN 1090-2 przewiduje cztery klasy: EXC1, EXC2, EXC3 i EXC4. Rygor wymagań rośnie wraz z klasą; EXC4 opiera się na wymaganiach EXC3 uzupełnionych wymaganiami indywidualnie określonymi dla danego przedsięwzięcia.
W uproszczeniu:
EXC1 dotyczy konstrukcji o najmniejszych konsekwencjach ewentualnej awarii i relatywnie prostych wymaganiach wykonawczych.
EXC2 jest klasą spotykaną przy znacznej części typowych konstrukcji budynków. Nie należy jednak wpisywać jej automatycznie tylko dlatego, że obiekt jest halą magazynową lub przemysłową.
EXC3 wiąże się z podwyższonym poziomem wymagań, stosowanym przy konstrukcjach, dla których konsekwencje awarii, charakter obciążeń albo znaczenie odpowiednich elementów uzasadniają bardziej rygorystyczne wykonanie i kontrolę.
EXC4 jest przeznaczona dla szczególnych przypadków o bardzo wysokich konsekwencjach uszkodzenia i wymaga dodatkowych ustaleń projektowych.
Istotny niuans: w starszych materiałach technicznych nadal można znaleźć metodę wyznaczania EXC za pomocą kombinacji klasy konsekwencji CC, kategorii użytkowania SC i kategorii produkcji PC z dawnego załącznika B wcześniejszego wydania EN 1090-2. Nie należy bezrefleksyjnie kopiować tej procedury do aktualnej specyfikacji. W wydaniu EN 1090-2:2018 tę dawną metodę usunięto z normy wykonawczej, a dobór EXC powiązano z zasadami projektowymi Eurokodu 3. To ważna różnica, ponieważ spora część internetowych poradników nadal opisuje układ obowiązujący w wydaniu 2008+A1:2011.
Najważniejsza zasada praktyczna brzmi więc: klasę EXC powinien określić projektant/specyfikujący, a nie warsztat po otrzymaniu rysunków.
EXC można przypisać całej konstrukcji, ale w uzasadnionych przypadkach różne elementy lub szczegóły tego samego obiektu mogą mieć różne wymagania. Nie ma sensu podnosić całej kilkusettonowej hali do EXC3 tylko dlatego, że kilka szczególnie odpowiedzialnych detali wymaga ostrzejszego reżimu wykonania.
Co zmienia wyższa EXC w zakładzie? W zależności od elementu i zastosowanych technologii rosną wymagania dotyczące między innymi:
-
identyfikacji i identyfikowalności materiałów,
-
dokumentów kontroli wyrobów,
-
kwalifikowania technologii spawania,
-
kwalifikacji spawaczy,
-
nadzoru spawalniczego,
-
przygotowania powierzchni i krawędzi,
-
wykonywania otworów i cięcia,
-
kryteriów akceptacji spoin,
-
zakresu kontroli oraz badań,
-
wykonywania i kontroli połączeń śrubowych sprężanych,
-
tolerancji geometrycznych,
-
dokumentowania niezgodności oraz napraw.
I właśnie tutaj pojawia się częsty błąd inwestora: wymaganie EXC3 „dla świętego spokoju”. Taki zapis może ograniczyć liczbę dostępnych wykonawców, zwiększyć zakres dokumentacji oraz badań i podnieść koszt produkcji, a nie poprawi parametrów konstrukcji, jeżeli EXC3 nie wynika z projektu.
Równie ryzykowna jest sytuacja odwrotna. Jeżeli dokumentacja wymaga EXC3, nie można zlecić konstrukcji zakładowi, którego certyfikowany zakres kończy się na EXC2, a później „nadrobić” różnicy kilkoma dodatkowymi badaniami spoin. Klasa wykonania dotyczy całego systemu wytwarzania, a nie pojedynczego badania końcowego.
Od projektu do odbioru: co trzeba wpisać w dokumentacji i sprawdzić u wykonawcy
Dobra dokumentacja nie może kończyć się na oznaczeniu „S355, EXC2”. W praktyce wykonawca powinien dostać informacje pozwalające jednoznacznie zamówić materiał, przygotować technologię i przeprowadzić kontrolę.
W specyfikacji konstrukcji trzeba przede wszystkim określić pełne oznaczenia wymaganych materiałów. Dla profili walcowanych może to być przykładowo S355J2 według PN-EN 10025-2, natomiast przy profilach zamkniętych należy stosować oznaczenia właściwe dla norm dotyczących takich wyrobów, np. EN 10210 lub EN 10219. Nie należy zakładać, że profil RHS oznaczony handlowo jako „S355” jest automatycznie odpowiednikiem dowolnego profilu walcowanego z S355J2.
Drugim punktem jest klasa wykonania EXC wpisana jednoznacznie do dokumentacji wykonawczej. PN-EN 1090-2 wymaga, aby specyfikacja wykonania wskazywała właściwą klasę lub klasy wykonania. Jeżeli pozostawi się tę decyzję na etapie wyceny, oferty różnych zakładów mogą dotyczyć faktycznie różnych standardów jakości.
Następnie trzeba sprawdzić wykonawcę.
Przy elementach konstrukcyjnych objętych EN 1090-1 istotny jest system Zakładowej Kontroli Produkcji – ZKP/FPC. Znak CE oznacza, że wyrób objęty odpowiednią zharmonizowaną specyfikacją został oceniony zgodnie z zasadami właściwymi dla wyrobu i deklarowanych właściwości; producent sporządza również odpowiednią deklarację właściwości użytkowych.
Nie należy przy tym przyjmować, że każdy stalowy produkt lub każda spawana balustrada automatycznie podlega EN 1090-1. Komisja Europejska wskazuje przykładowo, że zwykła balustrada bez funkcji konstrukcyjnej nie podlega znakowaniu CE na podstawie EN 1090-1, natomiast balustrada pełniąca funkcję konstrukcyjną może już wchodzić w zakres tej normy.
Przed podpisaniem zamówienia na konstrukcję warto więc zweryfikować co najmniej:
-
czy zakres certyfikacji ZKP obejmuje wymaganą klasę EXC,
-
czy certyfikat jest aktualny,
-
czy zakres obejmuje rzeczywiście wykonywany rodzaj konstrukcji i technologii,
-
jakie materiały i procesy spawalnicze może stosować zakład,
-
kto odpowiada za koordynację spawania,
-
jakie dokumenty materiałowe będą przekazywane,
-
jaki zakres kontroli spoin przewiduje specyfikacja,
-
w jaki sposób elementy będą znakowane i identyfikowane podczas produkcji,
-
jakie tolerancje geometryczne obowiązują przy odbiorze,
-
jak udokumentowane zostaną ewentualne naprawy.
Samo pokazanie logotypu CE na stronie internetowej wytwórni nie jest weryfikacją. Trzeba czytać zakres certyfikatu.
To samo dotyczy materiału. Jeżeli projekt wymaga S355J2, odbieranie dostawy na podstawie faktury z pozycją „blacha S355” jest słabą praktyką. W dokumentach materiałowych trzeba potwierdzić, że konkretny wyrób odpowiada wymaganej specyfikacji.
Dużo problemów wychodzi również dopiero podczas montażu. Kilkumilimetrowa różnica położenia blachy czołowej, niewłaściwie wykonane otwory albo skumulowane odchyłki kilku elementów potrafią sprawić, że konstrukcja policzona poprawnie nie daje się normalnie skręcić. Wtedy na budowie zaczyna się rozwiercanie, palenie otworów, podcinanie blach i spawanie „żeby pasowało”. To dokładnie ten moment, w którym formalnie poprawny projekt może zostać zepsuty wykonawczo.
Modyfikacji elementów nośnych na montażu nie należy wykonywać bez kontroli projektanta i wymaganej procedury naprawczej. Szczególnie ryzykowne jest samowolne powiększanie otworów, wycinanie fragmentów środnika, prostowanie płomieniowe czy dospawywanie elementów bez sprawdzenia technologii. Aktualna PN-EN 1090-2+A1:2024-10 zawiera wymagania dotyczące między innymi procesów cięcia, prostowania, spawania, montażu, tolerancji oraz kontroli.
Jeszcze przed produkcją trzeba też rozwiązać ochronę antykorozyjną. Gatunek S355J2 nie oznacza większej odporności na korozję atmosferyczną niż S235 tylko dlatego, że jest wytrzymalszy. System zabezpieczenia dobiera się do środowiska, projektowanej trwałości i sposobu eksploatacji, a nie do samej granicy plastyczności.
Na koniec pozostaje ekonomia. Najtańsza konstrukcja nie zawsze powstaje z najtańszej stali. S355 może zmniejszyć masę konstrukcji, ale oszczędność trzeba zestawić z dostępnością profili, ceną konkretnego gatunku, kosztami spawania, liczbą połączeń i robocizną. Podobnie z EXC: podnoszenie klasy na zapas potrafi zwiększyć koszty badań i dokumentowania bez sensownego efektu technicznego.
Najpierw optymalizuje się schemat statyczny i przekroje, później materiał, a dopiero na końcu cenę kilograma stali. Odwrócenie tej kolejności zwykle prowadzi do pozornych oszczędności.
FAQ
Czy S355 jest zawsze lepsza od S235?
Nie. Ma wyższą granicę plastyczności, ale nie rozwiąże problemu elementu ograniczonego ugięciem, statecznością, zmęczeniem albo geometrią połączenia. S355 ma największy sens tam, gdzie wyższa wytrzymałość rzeczywiście pozwala zmniejszyć przekrój lub masę konstrukcji.
Czy S355J2 i S355JR to ta sama stal?
Nie. Mają ten sam poziom nominalnej granicy plastyczności dla odpowiedniego zakresu grubości, ale różnią się wymaganiami dotyczącymi udarności. Dla JR wymagana jest praca łamania 27 J przy +20°C, a dla J2 – 27 J przy -20°C.
Czy każdą halę stalową wykonuje się w EXC2?
Nie. EXC2 jest bardzo częsta w typowym budownictwie kubaturowym, ale klasę wykonania należy ustalić dla konkretnej konstrukcji na podstawie wymagań projektowych. Nie powinien jej samodzielnie „dobierać” zakład produkcyjny podczas wyceny.
Czy można wpisać EXC3 zamiast EXC2 na wszelki wypadek?
Technicznie można postawić bardziej rygorystyczne wymagania, ale bez uzasadnienia zwykle zwiększy to koszt wykonania, kontroli i dokumentacji oraz ograniczy liczbę potencjalnych wykonawców. Nie jest to zamiennik prawidłowego projektu.
Czy firma z certyfikatem EXC2 może wykonać konstrukcję wymaganą w EXC3?
Nie należy zlecać jej takiej konstrukcji, jeżeli jej certyfikowany zakres nie obejmuje wymaganej klasy. Dodatkowe badanie gotowych spoin nie zastępuje systemu wykonania właściwego dla EXC3.
Czy znak CE oznacza, że każda konstrukcja została indywidualnie przebadana?
Nie. Oznakowanie CE nie jest protokołem indywidualnego „testu bezpieczeństwa” całej konstrukcji. Jest elementem systemu oceny i deklarowania właściwości wyrobu zgodnie z właściwą specyfikacją techniczną.
Czy sama informacja „S355” wystarcza do zamówienia stali?
Zwykle nie. Trzeba określić co najmniej właściwą normę wyrobu oraz pełny gatunek, np. S355J2, a następnie zweryfikować grubość, wymagania dotyczące udarności i dokumentów materiałowych.
Czy klasa EXC dotyczy tylko jakości spoin?
Nie. Spawanie jest istotną częścią wymagań, ale EXC wpływa również na identyfikowalność materiałów, kwalifikacje personelu, przygotowanie elementów, połączenia śrubowe, kontrolę, dokumentację, tolerancje i sposób postępowania z niezgodnościami.
Czy EXC4 oznacza po prostu bardzo dokładne spawanie?
Nie. EXC4 jest klasą przeznaczoną do szczególnych konstrukcji o bardzo wysokich wymaganiach. Bazuje na wymaganiach EXC3 i wymaga dodatkowych ustaleń właściwych dla danego przedsięwzięcia.
Od czego zacząć przed zamówieniem konstrukcji stalowej?
Najpierw usuń z dokumentacji dwa nieprecyzyjne zapisy: samo „S355” oraz samo „wykonanie zgodne z EN 1090”. Projekt powinien wskazywać pełną specyfikację materiału oraz wymaganą klasę EXC. Dopiero z taką dokumentacją sprawdzaj wykonawcę, jego certyfikat ZKP, zakres EXC i technologię spawania. To jest pierwszy filtr. Cena za kilogram stali powinna pojawić się dopiero później.
Więcej informacji na: klasa wykonania EXC2, konstrukcje stalowe
