W naszym Serwisie używamy plików cookies. Korzystając dalej z Serwisu, wyrażasz zgodę na stosowanie plików cookies zgodnie z Polityką prywatności. Wyrażenie zgody jest dobrowolne, w każdej chwili można ją cofnąć poprzez zmianę ustawień dotyczących plików „cookies” w używanej przeglądarce internetowej. Kliknij „Akceptuję”, aby ta informacja nie wyświetlała się więcej.

 

Zastosowanie stali do budowy i wzmacniania konstrukcji, od stosunkowo niewielkich stanowisk do ustawiania maszyn, przez rozległe budynki przemysłowe i pierwsze wysokościowce, aż po potężne mosty było jedną z największych zmian technologicznych wpływających na codzienne życie w niemal wszystkich dziedzinach. Stal zastąpiła używane wcześniej żeliwo, którego właściwości – przede wszystkim duża kruchość, wysoka cena oraz duży ciężar – sprawiały, że niezbyt dobrze nadawało się do zastosowań inżynieryjnych i architektonicznych. Odkrycie efektywnego i taniego sposobu wytopu stali, tzw. procesu Bessemera pozwoliło na jej masową produkcję i bardzo wszechstronne wykorzystanie. To dzięki stali mógł powstać pierwszy wysokościowiec – zbudowany w latach 1884–1885 Home Insurance Building, liczący 42 m wysokości czy wiszący Most Brookliński. Dość szybko jednak okazało się, że kolejną barierą rozwoju projektowania i montażu konstrukcji stalowych jest „odziedziczona” po żeliwie technologia łączenia elementów, czyli nitowanie. Zobaczmy, jak wyglądała zmiana technologiczna związana z przejściem z technologii nitowania do spawania.

Pierwsze konstrukcje stalowe i połączenia nitowane

Łączenie metalu za pomocą nitów ma bardzo długą tradycję. Pierwsze zastosowania elementów o podobnej funkcjonalności odkryto już w wykopaliskach z epoki brązu. W czasach nam bliższych łączenie dwóch materiałów za pomocą nitu umieszczonego w wywierconych otworach stosowano dość powszechnie w średniowieczu przy wytwarzaniu zbroi, a z czasem także w szkutnictwie. Stosowane wówczas nity odbiegały nieco konstrukcją od tych, które są stosowane dzisiaj, jednak zasada ich działania była identyczna. Przez łączone blachy przekładano tulejkę zakończoną główką zabezpieczającą nit przed wypadnięciem, a od drugiej strony wsuwano główkę z rdzeniem. Wytworzone połączenie utrzymywało się dzięki tarciu między wnętrzem trzonu a rdzeniem.

Nity stały się również podstawą dla połączeń pierwszych konstrukcji stalowych. Używano ich w elementach nośnych, ale również np. do przytwierdzania poszycia podczas budowy statków. Za najbardziej spektakularne przykłady wykorzystywania technologii nitowania mogą być uznane zarówno konstrukcje z początku jej stosowania, takie jak wieża Eiffla, czy Galerie des Machines, przygotowane z okazji Wystawy Światowej w 1889 roku, z okresu największego rozkwitu związku stali i nitów w pierwszych latach XX wieku, np. Titanic, jak i pochodzące z czasu jej wolnego schyłku w latach 40. XX wieku jak most Golden Gate.

Największymi mankamentami nitowania były wpływ stosowania nitów na wytrzymałość konstrukcji, a zarazem jej ciężar i rozmiary, waga samych nitów oraz bardzo pracochłonny sposób ich montowania. By wykonać połączenie za pomocą nitów, w elemencie stalowym trzeba było wywiercić wiele otworów, co przekładało się to na zmniejszenie wytrzymałości mechanicznej. Aby zapewnić jej odpowiedni poziom, konieczne było więc zwiększenie rozmiarów i ciężaru. Wielka liczba instalowanych nitów powiększała masę obiektu i znacząco wpływała na nacisk, jaki wywierał on na podłoże. Posadowienie nitowanej konstrukcji stalowej wymagało bardziej masywnych, a zarazem drogich fundamentów. Jeszcze więcej problemów przysparzało samo instalowanie nitów.

Choć na przestrzeni całego okresu stosowania technologii nitowania wykorzystywano różne rozwiązania – od wbijania nitów ręcznymi młotami aż po specjalne narzędzia pneumatyczne, to przy większych konstrukcjach musiały one być łączone na gorąco. Wymagało to dostępu do urządzenia do rozgrzewania nitów, najczęściej specjalnego pieca. Rozgrzane elementy nitu musiały być następnie bardzo szybko dostarczone do miejsca, w którym miały zostać zainstalowane. Tam wbijano najpierw część zawierającą tuleję, a następnie z drugiej strony umieszczano główkę z rdzeniem. Stygnący nit kurczył się, dzięki czemu połączenie stawało się bardzo trwałe.

Sposób instalacji nitów wiązał się z ograniczeniami co do ich wytrzymałości. Ze względu na to, że podczas osadzania nitu musi on zostać odkształcony, czy to za sprawą oddziaływania termicznego, czy jedynie mechanicznego, nie można go wykonać z materiału ulepszonego, np. hartowanego. Oznacza to konieczność zastosowania ich większej ilości i dodatkowo zwiększa masę obiektu.

Początki rozwoju technologii spawania

Rozwiązaniem większości problemów, jakie powodowało nitowanie, stała się technologia spawania. Choć różne metody obróbki cieplnej były znane od dawna jako niezbędne do samego wytworzenia metalu, to ich stosowanie przy wykonywaniu większych konstrukcji nie było możliwe ze względu na ograniczenia techniczne. Rozgrzanie metalu wymaga użycia odpowiedniego pieca, a następnie całego procesu kucia. Choć podejmowano tego typu próby, to kończyły się one niepowodzeniem, zarówno ze względu na trudności z samym procesem, jak i na niezadowalające efekty. Dopiero rozwój metalurgii i inżynierii chemicznej pozwoliły na odkrycie efektywnej i taniej metody spawania.

Podobnie jak w przypadku wielu odkryć wskazanie wszystkich elementów, które przyczyniły się do powstania technologii spawania gazowego, a następnie spawania łukiem elektrycznym, jest niezwykle trudne. Do najważniejszych można jednak z pewnością zaliczyć odkrycie karbidu umożliwiające pozyskiwanie acetylenu, znalezienie sposobu na jego przemysłową produkcję oraz łatwe i bezpieczne przechowywanie, a także skroplenie tlenu przez profesorów Uniwersytetu Jagiellońskiego Karola Olszewskiego i Zygmunta Wróblewskiego, co pozwoliło Charlesowi Picardowi i Edmondowi Fouché na opracowanie w 1901 palnika acetyleno-tlenowego.

Spawanie łukiem elektrycznym, jest możliwe dzięki jego odkryciu i wytworzeniu w 1800 roku przez Humpreya Davyego, a także opracowaniu i wprowadzeniu prądnicy prądu stałego, której pierwowzór powstawał dzięki połączeniu prądnicy prądu zmiennego zbudowanej przez Hippolyta Pixii i połączonej z komutatorem stworzonym przez André Ampère’a. Korzystając z tych osiągnięć, w 1885 roku inżynier Stanisław Olszewski wraz z Rosjaninem Mikołajem Benardos opatentowali pierwszą metodę spawania łukowego elektrodą węglową. Dalszy rozwój technologii spawania to m.in. wprowadzenie elektrody metalowej, otulonej, a wreszcie odkrycie w 1926 roku spawania w atmosferze gazów ochronnych.

Pierwsze konstrukcje spawane w Polsce

Perspektywa łączenia konstrukcji stalowych bez użycia drogiego i skomplikowanego technologicznie nitowania była niezwykle kusząca, zarówno ze względu na przyspieszenie tempa prac, jak i znaczne obniżenie kosztów oraz możliwości swobodniejszego kształtowania konstrukcji. Największym osiągnięciem technologii budowy konstrukcji stalowych stał się zaprojektowany przez profesora Politechniki Warszawskiej inżyniera Stefana Bryłę i wzniesiony w 1929 roku pierwszy na świecie most drogowy wykonany dzięki spawaniu łukowemu. Konstrukcja mostu dzięki wyeliminowaniu potrzeby nitowania została „odchudzona” z niemal 70 do zaledwie 56 ton. Stojący w Maurzycach na rzece Słudwi most Bryły zyskał ogromną sławę i stał się inspiracją dla inżynierów i architektów z całego świata. Most w Maurzycach istnieje do dziś, a do niedawna był wykorzystywany jako element drogi krajowej. Obiekt został uznany za zabytek klasy „0”, a obecnie jest w całości udostępniony zwiedzającym.

Inżynier Bryła był także twórcą pierwszych w Europie spawanych szkieletów budynków. W ten sposób powstał gmach Pocztowej Kasy Oszczędności odbudowany po zniszczeniach wojennych i stojący do dziś. Spawaną konstrukcję stalowego szkieletu miał również najwyższy budynek przedwojennej Polski siedziba Towarzystwa Ubezpieczeniowego „Prudential” przy ówczesnym placu Napoleona. Obiekt miał aż wysokość 66 metrów, a jego stalowa konstrukcja wytrzymała zarówno ostrzał artyleryjski podczas oblężenia Warszawy w 1939 roku, jak i wielokrotne trafienia pociskami moździerzowymi w czasie Powstania Warszawskiego w sierpniu 1944 roku. Gmach został odbudowany po wojnie, a dziś mieści się w nim luksusowy hotel.

Od czasów powstania pierwszych konstrukcji inżyniera Bryły aż do dziś technologia spawania jest podstawową metodą łączenia konstrukcji stalowych. Jest ona wykorzystywana zarówno przy budowie największych obiektów – kopuł przykrywających stadiony, masztów radiowo-telewizyjnych, mostów czy najwyższych budynków, jak i przy tworzeniu elementów hal stalowych czy budowie różnych urządzeń przemysłowych.