Osobliwości stosowania stali Cor-ten w budowie

Stale, odporne na korozję atmosferyczną, – to zwykłe stale konstrukcyjne, stopowe z miedzią i fosforem. Taka stal tworzy odporną warstwę tlenku, spowalniającą proces korozji w warunkach, gdy stal może swobodnie nawilżać się oraz suszyć się na świeżym powietrzu. Wcześniej te gatunki stali stosowały się przeważnie w konstrukcjach przemysłowych. Jednakże ostatnio ich popularność znacznie wyrosła w rozwiązaniach fasadowych oraz w architekturze krajobrazu, architekci uważają kolor Cor-ten bardzo atrakcyjnym. Oprócz tego, stal Cor-ten jest materiałem trwałym przez to, że ona nie potrzebuje oddzielnej obróbki antykorozyjnej.

Ogólne informacje o stali Cor-ten

Historia stworzenia stali Cor-ten

Stale odporne na warunki atmosferyczne zostały opracowane w Stanach Zjednoczonych na początku XX stulecia, gdy ludzi zwrócili uwagę na to, że blacha stalowa, stopowa z miedzią, jest o wiele bardziej odporna na korozję, niż zwykła blacha ze stali węglowej. Kompania U.S. Steel przeprowadziła szerokie badania, sprawdzając właściwości fizyczne oraz odporność na korozję atmosferyczną wielu blach o różnych składach chemicznych, w wyniku stal Cor-ten została opracowana oraz opatentowana w 1933 roku.

Od początku stal Cor-ten była stosowana jako materiał dla konstrukcji węglarek dlatego, że jest bardziej odporną na obciążenia mechaniczne oraz korozję, niż zwykła stal węglowa.

Później stal Cor-ten uzyskała szerokie stosowanie w konstrukcjach stalowych, w których zwykła stal węglowa została poddana przedwczesnej korozji dzięki połączonemu wpływu pogody, wody, oraz domieszek, pojawiających się podczas produkcji przemysłowej.

Most Shanks Millennium, Wielka Brytania

Dzisiaj Cor-ten jest stosowana w kontenerach transportowych, konstrukcjach mostowych, oraz różnym sprzęcie technologicznym w przemysłu chemicznym oraz petrochemicznym. Stal Cor-ten także jest często stosowana na słupach linii elektroenergetycznych, latarniach albo urządzeniu do załadunku i rozładunku, konstrukcjach podwozia ciężarówek, zbiorników na wodę, kominach oraz przemysłu budowlanym.

Zależnie od stosowania, stal Cor-ten może być wykorzystana sama po sobie albo farbowana. W razie prawidłowego użytkowania nieprzetworzona stal Cor-ten szybko tworzy gęstą i twardą warstwę tlenku, zapobiegającego progresywnemu rdzewieniu.  Z innej strony, farbowane konstrukcje Cor-ten mają bardziej trwałe odstępy farbowania w ciągu utrzymania dlatego, że warstwa twardego tlenku pojawia się na jakichkolwiek uszkodzonych powierzchniach o powłoce lakierowanej lub farbowanej, przy tym korozja nie może rozwijać się pod farbą, jak to zwykle odbywa się z farbowaną stalą węglową.

Właściwości stali Cor-ten

Stal węglowa jest bardzo aktywnym metalem w porównaniu z, na przykład, stalą nierdzewną i miedzią. Z tej przyczyny jakakolwiek wilgoć oraz tlen atmosferyczny, którego wpływowi jest poddana powierzchnia niefarbowanej stali węglowej, szybko powoduje utlenianie oraz tworzenie wodorotlenku żelaza. Ten proces zwykle nazywają korozją. Jak tylko powierzchnia stali nawilża się wielokrotnie, prowadzi się rdzewienie, które może istotnie pogorszyć właściwości konstrukcji stalowej. Cor-ten także utlenia się w ciągu kontaktu z powietrzem i wilgocią. Jednak sposób utleniania w stalach Cor-ten jest innym, niż rdzewienie stali konstrukcyjnych. Gdy Cor-ten nawilża się oraz wysycha, na jego powierzchni tworzy się gęsta i bardzo twarda warstwa tlenku. Ta warstwa przeszkadza rozwoju korozji w zwykłych warunkach pogodowych, dlatego stale Cor-ten nazywają odpornymi na warunki atmosferyczne.

Tekstura stali Cor-ten

Od momentu opatentowania Cor-ten zostało dokonano ponad 30 000 badań w celu optymizacji składu chemicznego stali oraz osiągnięcia najlepszych wskaźników odporności na warunki pogodowe. Zależnie od gatunku, stal Cor-ten może zawierać do 10 pierwiastków stopowych. Chrom, nikiel, miedź oraz fosfor zwiększają odporność stali na korozję atmosferyczną. Krzem, tytan, molibden oraz wanad jeszcze bardziej zwiększają gęstość warstwy tlenku, współdziałając z miedzią oraz chromem. Dzisiaj istnieje szereg gatunków stali, połączonych wspólną opatentowaną nazwą Cor-ten.

Skład chemiczny stali Cor-ten, %

Proces korozji na powierzchni stali można opisać przy pomocy reakcji elektrochemicznych. Kiedy stal nawilża się, na powierzchni tworzą się małe ogniska lokalne. Utlenianie żelaza odbywa się na anodzie (-), a redukcja – na katodzie (+):

Fe -> Fe₂ + 2e (1)

½O₂ + H₂O + 2e -> 2OH (2)

Ogólna reakcja utleniania żelaza – to suma sub-reakcji:

Fe + ½O₂ + H₂O -> Fe (OH)₂ (3)

Wodorotlenek żelaza dalej utlenia się w tlenowodorotlenek żelaza, który jest najbardziej rozpowszechnionym stanem rdzy:

2Fe (OH)₂ + ½O₂ -> 2FeO(OH) + H₂O (4)

W praktyce faza wilgotna oraz faza sucha na powierzchni stali zastępują jedna drugą po kolei.  Podczas fazy wilgotnej rdza redukuje się w tlenek żelaza (II, III), magnetyt (5), a podczas fazy suchej magnetyt redukuje się w tlenowodorotlenek żelaza, goethyt, lepidokrokit (6):

Fe₂ + 8FeO (OH) + 2e -> 3Fe₃O₄ + 4H₂O (5)

2Fe₃O₄ + 3H₂O + ½ O₂ -> 6FeO(OH) (6)

Warunki redukcji, przeważające na powierzchni stali, mają miejsce, gdy pory rdzy są napełnione wodą. Utlenianie odbywa się, gdy zewnętrzna powierzchnia rdzy wysycha. To znaczy, że rdza, tworzona warunkami atmosferycznymi, składa się z kilku stanów żelaza, głównie magnetytu Fe₃O₄ oraz tlenowodorotlenku żelaza FeO(OH).

Na korozję atmosferyczną także wpływają domieszki, w tym dwutlenek siarki oraz trójtlenek siarki. Gdy temperatura powietrza jest niższa od kwasowego punktu rosy, tlenki rozczyniają się w skondensowanej wodzie, tworząc kwas siarkowy, H₂SO₄:

SO₂ + H₂O + ½O₂ -> H₂SO₄ (7)

SO₃ + H₂O -> H₂SO₄ (8)

Tlenek żelaza (rdza) katalizuje przetworzenie SO₂ na kwas siarczany. Kwas siarczany reaguje ze stalą, tworząc siarczan żelaza (FeSO₄), który może dodatkowo utlenić się do siarczanu żelaza (III) Fe₂(SO₄)₃ oraz tlenowodorotlenku żelaza FeO(OH):

H₂SO₄ + Fe + ½O₂ -> FeSO₄ + H₂O (9)

12 FeSO₄ + 2H₂O + 3O₂ -> 4Fe₂(SO₄)₃ + 4FeO(OH) (10)

Siarczan żelaza może być dodatkowo hidrolizowany w tlenowodorotlenek żelaza oraz kwas siarczany:

Fe₂(SO₄) + 4H₂O -> 2FeO(OH) + 3H₂SO₄ (11)

Teoretycznie kwas siarczany może znowu pojawić się w reakcjach utleniania. To jest także potwierdzone tym, że w obecności tlenków, tworzących kwas, korozja stali prowadzi się stosunkowo szybko. Takie warunki są najbardziej wiarygodne w środowiskach przemysłowym oraz miejskim.

Dużo badań na odporność korozyjną, prowadzonych w ciągu ponad trzech dziesięcioleci, dowiodły, że odporność stali Cor-ten na korozję atmosferyczną jest znacznie wyższą, niż odporność zwykłych stali węglowych. Cor-ten wykazuje szczególnie wysoką odporność na korozję w środowisku przemysłowym, gdzie szybkość przebiegu korozji stanowi tylko jedną piątą od szybkości korozji stali węglowej albo nawet mniej. Znaczna różnica w szybkości korozji jest najbardziej widoczną po 5-10 latach eksploatacji, gdy na powierzchni stali utworzyła się gęsta i bardzo twarda warstwa tlenku, chroniąca ją przed korozję. Szybkość korozji dużo zależy od warunków środowiska zewnętrznego. Jako wartości etalonowe, można użytkować następne szybkości korozji, obliczane na podstawie zmiany wagi prób po dziesięciu lat eksploatacji:

Kolor warstwy tlenku różni się od czerwonawo-brązowego do ciemno-fioletowego, zależnie od warunków środowiska zewnętrznego. Kolor stali Cor-ten zmienia się od odcieni aksamitowo-brązowych do nasycono-brunatnego.

Zmiany koloru warstwy tlenku na stali Cor-ten z czasem w środowisku wiejskim

Zmiany koloru warstwy tlenku na stali Cor-ten z czasem w środowisku przemysłowym

Farbowanie stali Cor-ten

Stal Cor-ten może być farbowana jakąkolwiek farbą, przeznaczoną dla antykorozyjnej obróbki stali. Badania wskazały, że długotrwałość powłoki z lakieru i farby alkidowej na stali Cor-ten jest w 1,5-2 razy więcej, niż na stali węglowej. Na rysunku niżej (po lewej stronie) jest pokazany wygląd zewnętrzny farbowanych prób Cor-ten i stali węglowej po próbnym użytkowaniu w ciągu 15 lat w warunkach klimatu morskiego. W prawej stronie rysunku są pokazane próby farbowane, poddane wpływowi środowiska przemysłowego w ciągu kilku lat. Stal Cor-ten nie pokazuje cech rdzy pod powłoką lakierową-farbową, składającej się z podkładu z chromianu cynku oraz farby winylowej.

Dłuższy zakres użytkowania powłoki lakiero-farbowej na stali Cor-ten wyjaśnia się tym, że w razie pojawy zadrapania na powierzchni powłoki tworzy się gęsta warstwa tlenku, która nie pozwala rdze przenikać pod farbę, jak to odbywa się ze zwykłą stalą węglową.

Obróbka oraz patynowanie stali Cor-ten

Wyroby ze stali Cor-ten potrzebują bardzo ostrożnego obchodzenia. Trzeba unikać uszkodzeń powierzchni, a bryzgi od spawania, jak i inne zanieczyszczenia powierzchni, powinny być usunięte. Stale Cor-ten mogą przechowywać się na świeżym powietrzu, pod warunkiem swobodnej cyrkulacji powietrza między blachami, żeby powierzchnie, mogące namoknąć, mogły szybko wyschnąć. W razie długotrwałego otwartego przechowywania wyrobów ich należy nakryć, a blachy oraz inne składniki muszą być oddzielone jedna od drugiej, żeby zabezpieczyć równomierną cyrkulację powietrza między nimi. To gwarantuje równomierne patynowanie oraz brak plam korozyjnych.

Dzięki stworzeniu jednorodnej odpornej warstwy (patyny) na powierzchni stale Cor-ten mogą zostawać się niefarbowanymi. Dla tworzenia równomiernej patyny, gdy wygląd zewnętrzny ma znaczenie decydujące, koniecznym jest przeprowadzić rzetelne pierwotne czyszczenie powierzchni – trawienie, piaskowanie albo szlifowanie.   Przy tym plamy smaru oraz odpornego oleju, żużel oraz łuska powinny być poprzednio usunięte. Po piaskowaniu powierzchnia uważa się dostatecznie czystą, gdy jej szorstkość jest równomierną.

Gdy niezbędnym jest zmniejszyć zakres tworzenia patyny, stal Cor-ten może być poddana procesu przyśpieszonego utleniania, który prowadzi się w kilka etapów:

1. Odtłuszczanie.
2. Usunięcie warstwy tlenku.
3. Naniesienie aktywatora utleniania.
4. Naniesienie fiksującej substancji dla usuwania farby.

Proces przyśpieszonego patynowania Cor-ten pozwala uzyskać żądane odcienie stali w ciągu tylko kilku dni.

Gdy niezbędnym jest fiksacja koloru oraz zastanowienie naturalnego procesu patynowania, stal Cor-ten może zostać powlekana lśniącym albo matowym lakierem odpornym. Przy tym warto uwzględnić, że zakres użytkowania takiej powłoki lakierowej stanowi tylko kilka lat, dlatego niezbędnie jest okresowo ją odnawiać.

Zanieczyszczenia podczas spawania, takie jak łuska i bryzgi, spowalniają proces patynowania. Standard ISO 8501-1 określa stopień rdzy dla oceny czystości powierzchni. Stopień oczyszczenia powierzchni zwykłej stali węglowej do farbowania powinna stanowić nie mniej niż Sa 2 1/2, St 2, natomiast dla patynowania stali Cor-ten za dostateczny stopień oczyszczenia uważa się Sa 2 / St 2.

Spawanie stali Cor-ten

Wszystkie zwykłe metody mogą stosować dla spawania stali Cor-ten: spawanie łukiem topiącą się elektrodą metalową albo topnikową, spawanie łukiem krytym, spawanie MIG/MAG oraz zgrzewanie oporowe.

Spawanie stali Cor-ten

Dla zapewnienia odporności połączeń spawanych na wpływy atmosferyczne takie połączenia powinny zawierać ten samy stop metalu, że metal bazowy.

Najbardziej często używane stopy spoiny zawierają nikiel oraz miedź. Niestopowy metal spawany może użytkować się w tym razie, gdy spoina ma formę wąwozu albo zaokrąglenia, oraz przy wykorzystaniu spawania łukiem krytym proces dyfuzji zapewnia wysokie stopowanie materiału spoinowego metalem bazowym. Metal spawany, odporny na wpływy atmosferyczne, powinien stosować się w razie dokonania spoin wielościegowych na dzielnicach powierzchniowych stali atmosferycznych.

Polecane materiały spawane dla stali COR-TEN A oraz COR-TEN B

Spawanie w osłonie gazów aktywnych (drut jednolity)

Spawanie łukiem elektrycznym o rdzeniu topnikowym

Spawanie łukiem elektrodami otulonymi

Spawanie łukiem krytym

Połączenia śrubowe

Połączenia śrubowe stali odpornych na warunki atmosferyczne powinny być dostatecznie mocnymi, żeby przeszkadzać korozji szczelinowej we wnętrzu połączenia oraz korozję materiałów połączonych. Odległość między śrubami wzdłuż krawędzi połączenia nie powinna być więcej niż 14 grubości najcieńszego połączonego elementu oraz nie powinna przekraczać 20 cm. Odległość między śrubą a krawędzią połączenia nie powinna być więcej niż 8 grubości najcieńszego połączonego elementu oraz nie powinna przekraczać 15 cm.

Jako materiał śruby zaleca się użytkować stal Cor-ten X dlatego, że jej odporność na korozję jest równa odporności na korozję połączonych stali, a kolor śrub patynowanych będzie identycznym materiałowi bazowemu. Także mogą być użytkowane śruby o powłoce cynkowej albo kadmowej, ale zwykle tak nie zaleca się robić dlatego, że powłoka będzie ścierać się stosunkowo szybko w wyniku reakcji elektrochemicznych między powłoką a stalą Cor-ten. Małe łączniki, wkręty itp. mogą być wyprodukowane ze stali Cor-ten A albo takich nieutleniających metalów, jak mosiądz lub brąz. W takim razie korozja elektrochemiczna nie pojawi się przez to, że powierzchnia metalu szlachetnego będzie o dużo mniej, niż powierzchnia stali Cor-ten.

Stosowanie stali Cor-ten

Stal Cor-ten jako materiał unikalny, jest doskonale przydatna dla warunków, gdy odporność na korozję atmosferyczną albo ekspresywny wygląd zewnętrzny są najbardziej ważnymi. Gęsta patyna tlenku na stali Cor-ten, zdolna do odnawiania, zapewnia trwały zakres użytkowania oraz unikalny design konstrukcji. Stal Cor-ten jest doskonale przydatną dla okładziny fasad albo tworzenia szkieletów gmachów, kompozycji architektonicznych, ogrodzeń, budowy mostów, kontenerów, zbiorników, kominów itp.

Uniwersytet Leeds Beckett, Wielka Brytania

Stal Cor-ten jest stosunkowo odporną na zużycie ścierne, spowodowane załadunkiem i rozładunkiem. Jednak długotrwałe zużycie ścierne materiału może zmniejszyć zakres jego użytkowania.

Doskonała odporność na korozję oraz wytrzymałość stali Cor-ten także zachowują się w warunkach powiększonych temperatur pracy. Przy tym Cor-ten zapewnia najlepsze właściwości, na przykład, większą odporność na łuskę, niż zwykłe stale konstrukcyjne. Stal Cor-ten może być użytkowana w mniej krytycznych warunkach dla pojemników wysokiego ciśnienia, gdy nie wymaga się wykorzystanie stali hartowanej Cr-Mo. Maksymalna temperatura pracy stali gatunku Cor-Ten A wynosi +540°C. W razie wyższych temperatur płynięcie oraz wytrzymałość na rozdarcie, a również udarność tego gatunku stali znacznie pogarszają się. Stal gatunku Cor-Ten B nie zaleca się do użytkowania jako konstrukcje nośne, gdy temperatura pracy przekracza +425°C.

Otwarty plac koncertowy o okładzinie Cor-ten Crystal Palace Park, Wielka Brytania

Doskonała odporność powłoki lakierowo-farbowej na stali Cor-ten pozwala istotnie oszczędzać straty na eksploatację przez to, że odstępy między farbowaniami dla utrzymania stali Cor-ten są bardziej trwałe, niż dla stali węglowej.

To jest dzięki zdolności stali Cor-ten tworzyć gęstą i twardą warstwę tlenku nad jakimikolwiek ogniskami uszkodzenia powłoki farbowej, ta warstwa zapobiega korozji stali pod powłoką farbową wykończeniową. Na przykład, według jednej z największych kompanii, zajmującej się wynajęciem kontenerów, straty na utrzymanie i naprawę kontenerów farbowanych ze stali węglowej są w cztery razy wyższe, niż dla kontenerów ze stali Cor-ten.

Rzeźba “LOVE”, Stany Zjednoczone

Stosowanie Cor-ten w architekturze

Podczas wybory Cor-ten jako materiał okładziny, warto uwzględniać, że w wyniku procesu patynowania woda, kontaktująca ze stalą Cor-ten, będzie stawała zardzewiałą w ciągu pierwszych dwu lat. “Zardzewiałą” wodę trzeba zbierać oraz odprowadzać tak, żeby ona nie zanieczyszczała inne użytkowane materiały. Materiały, które w razie słabego zanieczyszczenia “zardzewiałą” wodą mogą łatwo czyścić się:

• Półmatowa lub lśniąca się powłoka emaliowa.
• Powłoka organiczna myjąca się, zestalona w powietrzu albo termicznie.
• Aluminium anodowany lub zwykły.
• Stal nierdzewna.
• Neopren.
• Płytka ceramiczna oraz szkliwiona.
• Szkło.

Niektóre materiały farbują się łatwo, dlatego ich czyszczenie jest trudnym albo niemożliwym. Z tej przyczyny ważnym jest dokładnie rozważyć celowość użytkowania następujących materiałów ze stalą Cor-ten:

• Beton oraz zaprawa cementowa.
• Niefarbowana stal cynkowana na gorąco.
• Cegła szkliwiona.
• Emalia matowa.
• Kamień.
• Drzewo.

W razie użytkowania stali Cor-ten z innymi materiałami niezbędnym jest zapewnić, żeby na połączeniach metalów nie pojawiała się korozja szczelinowa oraz nie gromadziły się woda i zanieczyszczenie.

Blachy stalowe o powłoce cynkowej oraz inne materiały o powłoce cynkowej nie powinny mieć kontaktu bezpośredniego z niefarbowaną stalą Cor-ten dlatego, że cynk, który jest bardziej aktywnym metalem, będzie poddany wpływowi korozji elektrochemicznej.

Spoiny pionowe między różnymi materiałami oraz stalą Cor-ten powinny być wypełnione hermetykiem. Szczególną uwagę warto zwrócić na to, że dużo hermetyków, takich jak pianki poliuretanowe oraz inne substancje, zawierające antypireny, wchłaniają wodę. Dlatego użytkowanie takich substancji razem ze stalą Cor-ten może spowodować poważne uszkodzenia korozyjne.

Łączenie spoiny pionowej kasetonu fasadowego przy użytkowaniu łączników, odpornych na kwasy

Elementy architektoniczne

Wyroby budowlane ze stali Cor-ten

Stal Cor-ten – to materiał naturalny, uzyskujący swój kolor oraz odporną warstwę powierzchniową w wyniku procesu utleniania. Zmiany na powierzchni stali pod wpływem światła, wilgotności powietrza oraz z płynem czasu robią taką stal jeszcze bardziej atrakcyjnym materiałem. Patyna zapewnia ekspresywne odcienie brązowe dla Cor-ten, które idealnie pasuje do powierzchni ceglanej.

Cor-ten charakteryzuje się powierzchnią matową, zmniejszającą odblask, charakterystyczny dla innych metalów, i skrywa możliwą nierówność powierzchni.

Cor-ten jest materiałem ekonomicznym i kosztuje tylko na 20-25% więcej od zwykłej stali węglowej. A przez to, że Cor-ten nie potrzebuje obróbki wykończeniowej powierzchni, ogólna wartość wyrobów z Cor-ten jest niezwykle atrakcyjną.

Oprócz tego, stal Cor-ten jest materiałem ekologicznym dlatego, że jest całkiem przydatna dla wykorzystania powtórnego i nie potrzebuje powłoki. Z tego względu jej wpływ na środowisko zewnętrzne jest niezwykle mały w ciągu całego cyklu użytkowania.

Domek, Czechy

Kolor i blask powierzchni

Stal Cor-ten tworzy na powierzchni warstwę twardego tlenku, zapobiegającego korozji. Miejscowe warunki klimatyczne, a również okres czasu patynowania wpływają na kolor powierzchni. Kolor zmienia się od ciepłego pomarańczowo-brązowego do czerwonawo-brązowego, i, wreszcie, ciemno-brązowego.

Zdolność zmieniać kolor z płynem czasu robią Cor-ten jednym z najbardziej unikalnych oraz niezapomnianych materiałów.

Przed dostawą na plac budowy elementy ze stali Cor-ten zaleca się wytrzymać dla utworzenia patyny, gdy powierzchnia stanie jednorodną stosownie koloru, bez plam rdzy.

Po osiągnięciu żądanej odcieni możliwe jest zastanowić zmianę koloru stali Cor-ten przy pomocy obróbki chemicznej powierzchni albo naniesienia powłoki lakierowej. Przy tym warto uwzględnić, że po naniesieniu lakieru powierzchnia może stracić swój charakterystyczny wygląd oraz matowość.

Fasady wentylowane Cor-ten mogą być zmontowane także przed początkiem procesu patynowania. Dzięki napiętemu zakresu budowy to często jest jedynym możliwym wariantem dlatego, że materiały są dobierane na takim późnym etapie projektu, że zostaje się czasu na poprzednie patynowanie.

W razie użytkowania fasad niepatynowanych Cor-ten niezbędnym jest być gotowym do początkowych plam na powierzchni oraz zardzewiałego wyglądu zewnętrznego budynku.

Domek, Słowacja

Osobliwości stosowania stali Cor-ten

Cor-ten jest materiałem aktywnym według swoich właściwości. Warto uwzględnić, że proces patynowania robi go jeszcze cieńszym, dlatego koniecznym jest unikać stosowania materiału o grubości mniej niż 0,5 mm.

Przy tym, żeby zapewnić wysoką jakość podczas produkcji profilów niezwykle ważną jest wysoka precyzyjność wymiarów.

Obowiązkową wymogą do procesu patynowania jest cykliczne nawilżanie oraz wysychanie powierzchni. Gdy powierzchnia zostaje się nawilżoną trwały czas, ona będzie rdzewieć. Najbardziej wrażliwe części – to horyzontalne powierzchni konstrukcji, a również powierzchnie, umieszczone zbyt blisko jedna do drugiej. Na początku procesu woda patynowana, spływająca po konstrukcji, może gromadzić się na powierzchniach horyzontalnych.  Przy tym rdza, zawarta w wodzie, będzie utrzymywać powierzchnię wilgotną, i proces korozji nie zastanowi się. Jeżeli dwie powierzchni są umieszczone zbyt blisko jedna do innej, to wilgoć zostanie między materiałami, co może spowodować korozję szczelinową.

Dlatego podczas projektowania fasad ze stali Cor-ten koniecznym jest zapewnić kontrolowane odprowadzenie wody, a także dostateczną wentylację konstrukcji. W żadnym wypadku woda nie powinna zatrzymywać się na powierzchni. Szczelina wentylacyjna powinna być dostatecznie szeroką, co najmniej 30 mm. Wszystkie przylegania do cokołu, nierównościom, a również do przyległych konstrukcji (balkonów, sklepieni itp.) powinny być dokonane tak, żeby szczelina zostawała się otwartą. Pochyłe długie listwy w miejscach przylegania nie powinny pozwalać wodzie, płynącej po konstrukcji fasady, dostać się do powierzchni innych materiałów. Z gzymsu oraz dachu woda powinna odprowadzać się maksymalnie centralizowano, najlepiej przy pomocy zachowanego systemu odprowadzania wody w celu zapobiegania zanieczyszczeń, spowodowanych płynącą wodą.

W ciągu patynowania niezbędnym jest unikać tworzenia szerokich zawieszonych konstrukcji dlatego, że w cieni po montażu fasady patyna tworzy się wolniej.

Niezgodność elektrochemiczna, a również osobliwości, związane z wodą płynącą, są czynnikami, ograniczającymi wybór materiałów do stosowania razem ze stalą Cor-ten. Przy tym, stal nierdzewna jest zalecana jako materiał dla łączników. W razie połączenia różnych materiałów zawsze powinna być zapewniona rzetelna izolacja miejsc ich połączenia. Najbardziej bezpieczny wybór stosownie materiałów przylegających – to materiały o powierzchni gładkiej i twardej, a również elektrochemicznie zgodne materiały oraz materiały, nie farbujące dzięki koloru wody, płynącej po konstrukcjach ze stali Cor-ten.

Pierwotne patynowanie Cor-ten

W razie stosowania fasady ze stali Cor-ten o oszkleniu zewnętrznym albo w warunkach braku możliwości cyklicznego nawilżania-wysychania zaleca się stosować pierwotne patynowanie.

Pierwotne patynowanie pozwala uzyskać materiał o estetycznie wykończonym wyglądzie zewnętrznym, a także uniknąć większości trudności, powiązanych z płynem wody z konstrukcji Cor-ten na przylegające materiały.

Gdy jest niemożliwym organizować patynowanie pierwotne, stal Cor-ten powinna być rzetelnie oczyszczony od łuski, oleju oraz innych zanieczyszczeń, a po montażu Cor-ten należy wymyć, żeby proces patynowania zaczął się równomiernie.

Baltic Square Office Building, Finlandia

Aspekty ekologiczne

Walor ekologiczny stali Cor-ten zostanie jeszcze bardziej podkreślony w przyszłości przez to, że kryteria klasyfikacji środowiska zewnętrznego staną surowsze. Niektóre materiały dla powłoki mogą zostać wcale wzbronione jako materiały budowlane, co będzie spowodowało problemy, gdy obróbka powierzchni wymaga odnowienia albo utrzymania. To ryzyko nie dotyczy Cor-ten. Dlatego, że tutaj powłoka nie jest potrzebna, Cor-ten może być stopiony oraz wykorzystany ponownie.

Projektowanie ze stali Cor-ten

Wymogi ogólne

Szczególne właściwości stali Cor-ten mogą być wykorzystane w konstrukcjach o trwałym zakresie użytkowania, prawie nie potrzebujących utrzymania. Niestety, warto uwzględniać szczególne wymogi tej stali podczas projektowania. Warto zwrócić uwagę na konstrukcję miejsc połączeń oraz zespołów, żeby załatwić proces patynowania stali Cor-ten oraz uniknąć pojawy korozji elektrochemicznej oraz szczelinowej. Także ważnym jest prawidłowo wybrać gatunek stali Cor-ten, najbardziej przydatny dla rozpatrywanego stosowania dlatego, że istnieją znaczne rozbieżności między właściwościami różnych gatunków.

Osobliwości projektowania

Potrzebnie unikać utworzenia powierzchni horyzontalnych podczas projektowania i montażu dlatego, że oddzielające się warstwą produkty utleniania, szczególnie z tylnej strony, łatwo gromadzą się w miejscach gięcia, gdzie one utrzymują wilgoć, co może spowodować korozją niekontrolowaną. Jeżeli nie jest możliwe uniknąć pojawy powierzchni horyzontalnych, niezbędnym jest zapewnić efektywne odprowadzenie wody, na przykład, przy pomocy tworzenia otworów drenażowych. Także zespoły połączenia powinny być zaprojektowane w taki sposób, żeby nie tworzyć powierzchni, mogących gromadzić wodę.

Główną osobliwością połączenia elementów jest rzetelne uniknięcie korozji szczelinowej oraz elektrochemicznej. Tworzenie szczeliny o szerokości co najmniej 1 mm między połączonymi płytami przeszkadza korozję szczelinową, spowodowaną podciąganiem kapilarnym. W razie mniejszej szczeliny siły kapilarne mogą podciągać wodę do szczeliny oraz spowodować korozję. Najprostszy sposób uniknąć tworzenia par elektrochemicznych polega w wykorzystaniu tablic odległościowych między częściami połączonych elementów.

W razie wykorzystania konstrukcji ze stali Cor-ten pod okładziną fasadową niezbędnym jest zapewnić dostateczną wentylację dla procesu patynowania, podstawą którego jest cykliczne nawilżanie oraz wysychanie stali. Wentylowana szczelina powinna być stworzona wzdłuż całej długości fasady oraz mieć szerokość co najmniej 30 mm.

Udarność

Charakter zniszczenia stali jest ważnym czynnikiem w konstrukcjach nośnych, szczególnie w razie zewnętrznego stosowania. Dostateczna udarność materiału zapewnia zniszczenie ciągliwe zamiast kruchego.

Wykorzystanie fosforu jako pierwiastku stopowego, zwiększa odporność stali na warunki pogodowe, lecz wysoka udarność nie może być osiągnięta, gdy zawarcie fosforu przekracza 0,025% albo zawarcie siarki przekracza 0,020%.

Zawarcie fosforu we wszystkich gatunkach stali Cor-ten, oprócz Cor-ten B-D, wynosi 0,07-0,15%. Z tej przyczyny COR-TEN B-D odpowiada minimalnym wymogam udarności według EN 10025.

Projektant określa udarność (klasę jakości) stali zgodnie z Eurocode ENV 1993-1-1:1992, Załącznikiem C. Stal gatunku D (J2) zwykle stosuje się w konstrukcjach nośnych zewnętrznych. Do czynników powodujących zniszczenie kruche, należy niskie temperatury oraz obciążenie udarowe.

Spawanie

Udarność spoin w zewnętrznych konstrukcjach nośnych powinna być potwierdzona.

Granica płynięcia stali Cor-ten nie przekracza 350 N/mm2, dlatego żeby zapewnić spawalność, szczególne działania nie wymagają się. Jednak, gdy grubość spawanej blachy przekracza 25 mm, konieczną jest sprawdzanie.

Spawalność stali Cor-ten jest prawie podobna do spawalności stali konstrukcyjnych tej samej klasy wytrzymałości. Dla spawania stali Cor-ten (jak Cor-ten z Cor-ten, tak i Cor-ten z innymi stalami konstrukcyjnymi) mogą stosować wszystkie zwykłe metody: spawanie łukowe elektrodą otuloną albo topnikową, spawanie łukiem krytym, spawanie MIG/MAG oraz zgrzewanie oporowe.

Zalecane drut spawany oraz elektrody (ESAB)

* nie zawiera miedz

Przed spawaniem koniecznym jest usunąć z powierzchni blachy warstwę  tlenku o szerokości 10-20 mm. W razie wykorzystania ciągłego oraz punktowego spawania spoina powinna być wypełniona wypełniaczem lakierowym.

Odporność na korozję zapewnia się przy pomocy stosowania podstawy atmosferycznej metalu spawanego, którego skład jest podobnym do składu metalu bazowego, na przykład, drutu oraz elektrod, zawierających stop miedzio-nikielowy. Granica płynięcia metalu spawanego zwykle powinna być na 5% wyżej od granicy płynięcia metalu bazowego. W kątowych spoinach o przyprostokątnej spoiny do 4 mm, a także w razie spoin łącznych o szerokości mniej 4 mm, metal spoiny zwykle staje dostatecznie stopowym przy pomocy metalu bazowego, i przyprawy stopowe nie wymagają się. Spoiny wielościegowe mogą częściowo być dokonane z węglowych materiałów spawalnych oraz wykończone przy pomocy elektrod z nisko stopowej stali, mających charakterystyki odporności atmosferycznej.

Stale o odporności atmosferycznej zawierają pierwiastki stopowe, takie jak chrom, miedź oraz nikiel, powiększające wytrzymałość stali. Z tej przyczyny, w razie większej grubości blachy niezbędnym jest trocha większe nagrzewanie, w porównaniu ze zwykłą stalą konstrukcyjną. Temperatura pracy oraz potrzeba w nagrzewaniu wstępnym jest ustalona na podstawie ogólnej grubości blachy, która jest określona jako ogólna grubość blachy złożonej. Połączenia spawalne powinny być sprawdzone zgodnie ze standardem EN 3834 przy dotrzymaniu wymóg, wymienionych w rysunkach.

Potrzeba w nagrzewaniu wstępnym / temperatura pracy stali Cor-ten B oraz B-D

Kształtowanie

Stal Cor-ten poddaje się cięciu oraz gięciu podobnie do zwykłych stali konstrukcyjnych. Cor-ten AF jest stalą, odporną na warunki atmosferyczne, o najlepszej zdolności do gięcia. Promień gięcia profilów stanowi (2-3) x grubość blachy, zależnie od grubości. Minimalna szerokość półwyrobu, który może być gięty, stanowi 50 mm. Promień gięcia profilów rurowych stanowi 2,5 x grubość ścianki. Jednak, warto zauważyć, że mogą pojawić się trudność podczas produkcji rur, gdy stosunek średnicy do grubości ścianki jest małym (D / t < 10).

Minimalnie dopuszczalny wewnętrzny promień stali Cor-ten, zależnie od grubości blachy, mm

Most dla pieszych, Stany Zjednoczone

Charakterystyki wytrzymałościowe

Właściwości mechaniczne stali Cor-ten

Dolna granica płynięcia stali Cor-ten jest równym Rel = 345 N/mm², a granica wytrzymałości stanowi Rm = 485 N/mm². Przy tym korozja może znacznie wpływać na blachy o małej grubości. W środowisku przemysłowym korozja zmniejsza grubość blachy Cor-Ten B na około 0,16 mm w ciągu dziesięciu lat, a Cor-Ten A – na 0,12 mm. To znaczy, że wytrzymałość cienkich blach znacznie zmniejsza się, szczególnie gdy obie strony blachy są poddane korozji.

Z tej przyczyny zaleca się uwzględniać naddatek korozyjny nominalnej grubości materiału. Dobra odporność stali Cor-ten na warunki atmosferyczne zapewnia się przez sam materiał w razie jego nawilżania oraz wysychania na zmianę. Gdy to jest niemożliwym, konstrukcja potrzebuje obróbki antykorozyjnej, na przykład, farbowania.

Przewidywana tolerancja korozyjna stali Cor-ten w razie stosowania zewnętrznego

Certyfikaty na materiały stali odpornych na warunki atmosferyczne są wydawane według wymóg standardu EN 10204.

Obróbka termiczna

Zwykle stal Cor-ten nie wymaga dodatkowej obróbki termicznej po spawaniu. W razie produkcji szczególnie odpowiedzialnych konstrukcji nośnych z grubych blach, gdy obróbka termiczna jest inicjowana przez klienta, zaleca się prowadzić:

• Wyżarzanie dla usunięcia naprężenia szczątkowego w temperaturze +550…+600°С (docelowa +580°С), przy wytrzymaniu w ciągu 2 minut na 1 mm grubości, ale co najmniej 30 minut, oraz wolnym ochłodzeniem w piecu.
• Normalizacja w temperaturze +860…+940°С (docelowa +910°С), przy wytrzymaniu w ciągu 1 minuty na 1 mm grubości, ale co najmniej 15 minut, oraz wolnym ochłodzeniem na powietrzu.

Materiały łączników dla Cor-ten

Zwykle stal, odporna na wpływ kwasu, jest najbardziej niezawodnym materiałem dla łączników stali Cor-ten. Stal nierdzewna gatunku AISI 304 także może stosować się dla blachowkrętów w razie wykorzystania uszczelki gumowej. Można użytkować łączniki o powłoce, zmniejszającej tarcie oraz korozję, na przykład, Ruspert. Dla połączeń śrubowych także została opracowana stal gatunku Cor-ten X.

W połączeniach śrubowych warto unikać szczelin między śrubą a łączonym elementem. Hermetyczność połączenia może być zapewniona przy pomocy stosowania przydatnej uszczelki. Jako taki materiał, zalecany jest neopren o twardości co najmniej 65 jednostek według skali Shora A oraz granice wytrzymałości na rozdarcie co najmniej 6 N/mm2. Neopren ma wysoką odporność na ozon, promieniowanie ultrafioletowe, chemikalia, oraz zużycie. Arkuszy neoprenu są zwykle obecne o grubości 0,5-30 mm, a również o możliwości cięcia na długość oraz samoprzylepnej powłoce. Gdy niezbędnym jest zapewnić szczelność dla gazu, kauczuk butylowy warto stosować jako uszczelniacz.

W miejscach połączeń o szczelinie osiowej warto stosować taśmę teflonową (politetrafluoryd, PTFE).

Dla małych łączników, takich jak blachowkręty, między łbem a podkładką wykorzystają się gumowe uszczelki z EPDM. Jako element dystansujący dla wypełnienia przestrzeni między arkuszem a łącznikiem, mogą stosować się tuleje. Takie tuleje ściskają się z obu stron poprzednio wywierconego otworu, a także przeszkadzają okręcenie łącznika.

Elementy dystansujące warto wykorzystać razem z innymi materiałami dlatego, że wszystkie metale są jednakowo poddane korozji szczelinowej. Oprócz tego, przy połączeniu różnych metali prawdopodobnym jest pojaw korozji elektrochemicznej.  Przy tym zalecana grubość uszczelki powinna być co najmniej 1,0 mm.

Typy materiałów, które mogą być stosowane między stali Cor-ten

Łączenie konstrukcji szkieletu ze stali Cor-ten

Odporność ogniowa Cor-ten

Podczas pożaru stal Cor-ten zachowuje się tak samo, jak zwykła stal konstrukcyjna. Zwykle stal Cor-ten nie potrzebuje ochrony ogniowej dlatego, że stal atmosferyczna przeważnie stosuje się w konstrukcjach zewnętrznych.

W razie wykorzystania Cor-ten w kolumnach nośnych najbardziej celowym sposobem ochrony ogniowej jest stosowanie konstrukcji kompozytowej z rury stalowej, wypełnionej żelbetem. Wymiary konstrukcji powinny być dobrane, żeby wyłączyć konieczność stosowania jakiegokolwiek rodzaju ochrony ogniowej. Kolumny i belki mogą stosować się bez jakiejkolwiek ochrony ogniowej, gdy one są umieszczone na dostatecznej odległości od okien albo są w jakikolwiek inny sposób ochronione od nagrzewania. Jednak w tych przypadkach często koniecznym jest oddzielne sprawdzanie.

Farbowanie Cor-ten

Zalecano jest farbować stal Cor-ten, jeżeli warunki eksploatacji konstrukcji mogą w jakikolwiek sposób przeszkadzać rozwoju naturalnego tworzenia patyny albo konstrukcja zostaje się nawilżoną w ciągu trwałego czasu. Zakres użytkowania farbowanych stali Cor-ten w około dwa razy przekracza zakres użytkowania zwykłych stali węglowych.

Rozwiązania konstrukcyjne

W tym rozdziału jest pokazany przykład stosowania cienkiej blachy ze stali Cor-ten podczas montażu konstrukcji fasadowych w Baltic Square Office Building w Finlandii.

Podstawową zasadą projektowania jest zachowanie wolnego procesu konsekwentnego nawilżania oraz wysychania.

Jeżeli powierzchnia trwały czas będzie zostawać się nawilżoną, proces korozji zacznie postępować, i materiał w końcu może przerdzewieć na wylot. Woda, która trafia do szczeliny między połączonymi powierzchniami, może przeprowadzić do pojawu korozji szczelinowej.

Wysychanie powierzchni Cor-ten oraz minimalizacja farbowania, spowodowanego płynięciem wody zardzewiałej od okładziny zewnętrznej, zostały zachowane dzięki stosowaniu następujących zasad podczas projektowania:

• Wszystkie powierzchnie horyzontalne są pochylone w celu wykluczenia możliwości gromadzenia wody na nich.
• Wszystkie elementy ze stali Cor-ten są oddzielone jeden od drugiego oraz od innych części metalowych przy pomocy neoprenowych albo podobnych materiałów izolacyjnych. To zapewnia napływ powietrza z każdej strony.
• Wszystkie łączniki są wyprodukowane ze stali, odpornej na kwasy. Stosują się tuleje izolacyjne między łącznikiem a wyrobami ze stali Cor-ten.
• Minimalizowanym jest stosowanie stali Cor-ten w bezpośredniej bliskości od dróg dla pieszych dlatego, że woda zardzewiała może płynąć z powierzchni stalowych.
• Stworzono organizowane odprowadzenie wody zardzewiałej z powierzchni.
• Został zapewniony nadzór techniczny na placu budowy w celu realizacji przewidzianych rozwiązań projektowych.

Na rysunkach 1-3 są pokazane rozwiązania, stosowane w razie okładziny zewnętrznej ściany w celu zapewnienia wysychania powierzchni metalowych.  Na rysunku 4 jest pokazane rozwiązanie ze stosowania profili design na fasadzie wentylowanej. Oszklenie podwójnej fasady gmachu Baltic Square Office Building nie prowadziło się, póki nie zostało osiągnięte częściowe patynowanie stali Cor-ten. Na rysunku 5 są pokazane rozwiązania nieprawidłowe, nie pozwalające stali wysychać, w wyniku czego korozja na wylot może pojawić się w cienkiej blasze stalowej.

Rys. 1 Horyzontalne połączenie kasetonów fasadowych Cor-ten, przekrój wertykalny (po lewej stronie). Wertykalne połączenie kasetonów fasadowych Cor-ten, przekrój horyzontalny (po prawej stronie).

Rys. 2 Dolna krawędź konstrukcji fasadowej o kasetonie Cor-ten, przyleganie do cokołu oraz odprowadzenie wody (po lewej stronie). Przyleganie konstrukcji fasadowej o kasetonie Cor-ten do okna, przekrój wertykalny przez dół okna (po prawej stronie).

Rys. 3 Przyleganie konstrukcji fasadowej o kasetonie Cor-ten do okna, przekrój wertykalny przez górę okna (po lewej stronie). Listwa parapetowa fasady z kasetonów Cor-ten, przekrój wertykalny (po prawej stronie).

Rys. 4 Okładzina fasady profilem design ze stali Cor-ten, nie poddana wpływowi atmosferycznemu (na przykład, z tyłu fasady podwójnej), przekrój wertykalny przez przyleganie do okna (po lewej stronie) oraz przekrój wertykalny przez ścianę (po prawej stronie).

Rys. 5 Nieprawidłowa podkonstrukcja oraz połączenie horyzontalne kasetonów ze stali Cor-ten.

1. Kaseton ze stali gatunku Cor-ten A o grubości 1,5 mm. Gięcia wykluczają pojaw powierzchni horyzontalnych.

2. Podkonstrukcja ze stali gatunku Cor-ten A o grubości 1,0 mm. Podkonstrukcja nośna otwartej spoiny formuje ściek na wodę. Połączenia ścieków hermetyzują się, na przykład, składem butylowym, i woda jest swobodnie odprowadzana w dolnej części konstrukcji ścianowej.

3A. Łączny blachowkręt AISI 316 (na przykład, Spedec Sx 3/10 — S16 — 5.5×28) + chloroprenowa kauczukowa podkładka.

3B. Łączny blachowkręt AISI 316 (na przykład, Spedec Sx 3/15 — S16 — 5.5×38) + chloroprenowa kauczukowa podkładka.

4. Tuleja pod blachowkrętem (na przykład, Teknikum 738 720, czarna). W razie jej braku swobodna wentylacja zastanawia się.

5. W razie konieczności, taśma butylowa jest stosowana między szyną oraz nośną podkonstrukcją jako warstwa dystansująca.

6. Podkonstrukcja (na przykład, wiatroochronna płyta hipsokartonowa).

7. Zewnętrzny parapet okienny ze stali Cor-ten o grubości 1,0 mm.

8. W miejscach połączenia pod zewnętrznym parapetem okiennym montują się elementy oporowe z blachy stalowej o powłoce Hiarc oraz taśmą butylową (kolor RR 32, ciemno-brązowy).

9. Ciemny kolor cokołu zachowuje plamy od płynięcia wody zardzewiałej. Odprowadzanie wody musi być organizowane.

10. Listwa parapetowa ze stali Cor-ten o grubości 1,0 mm, minimalne nachylenie 1:20. Łączenie prowadzi się do forniru, odpornego na wilgoć, przy pomocy blachowkrętów w płaszczyznę wertykalną. Listwy gzymsowe izolują się taśmą butylową.

11. Okapnik ze stali o powłoce Hiarc.

12. Kratka wentylacyjna ze stali Cor-ten.

13. Profil design ze stali gatunku Cor-ten A o grubości 1,0 mm. Profile Cor-ten są połączone, nakładając się na izolację.

14. Podkonstrukcja ze stali gatunku Cor-ten A o grubości 1,0 mm.

15. Łączny blachowkręt AISI 316 (na przykład, Spedec Sx 3/10 — S16 — 5.5×28) + chloroprenowa kauczukowa podkładka.

16. W razie konieczności dystansująca taśma butylowa jest wykorzystana między podkonstrukcją a ścianą nośną.

17. Podkonstrukcja (na przykład, wiatroochronna płyta hipsokartonowa).

18. Chloroprenowa kauczukowa taśma między profilem design a podkonstrukcją.