Evolucija dizajna greda, u materijalima dostupnim za upotrebu i napredak u razumijevanju njihovog ponašanja i fizičkih svojstava, omogućila je izgradnju današnjih arhitektonskih remek-djela. Da bi cijenio ova postignuća, inženjer mora imati temeljno razumijevanje izbora materijala, uključujući profil poprečnog presjeka grede i fizičke karakteristike, značaj nosača grede, kao i sposobnost razumijevanja i izvođenja osnovnih proračuna otklona grede, smičućih naprezanja i momenta savijanja.

Izbor materijala

U konačnici izbor materijala određuje čvrstoću grede, to jest koliko opterećenja može podnijeti prije nego što se dogodi kvar i općenito se odnosi na njegov Youngov modul (E). Međutim, većina materijala pokazuje različito ponašanje kada je izložena kompresiji i zatezanju, što se mora uzeti u obzir u njegovom dizajnu.

Tri najznačajnija materijala koja se koriste u dizajnu greda, a koja će se ovdje dalje ispitati su: lijevano željezo, čelik i beton. Drugi uključuju kompozitne materijale.

Lijevano željezo

Lijevano željezo prepoznato je kao građevinski materijal krajem 1700-ih kada je tokom industrijske revolucije razvijen način proizvodnje (pomoću visoke peći), koji je istovremeno bio ekonomičan i praktičan. Lijevano željezo je generalno otporno na tlaku, ali ne i na napetosti, pa su početne primjene bile u obliku mostova i drugih konstrukcija koje zahtijevaju kratke elemente.

Youngov modul lijevanog željeza: E? 211 Gpa znači da je relativno jako, ali istovremeno krhko po prirodi. Ova nepoželjna karakteristika dovela je do brojnih katastrofalnih urušavanja ranih mostova i ograničila njegovu upotrebu kao građevinskog materijala, uprkos mogućnosti oblikovanja greda različitih oblika i složenog dizajna. Uprkos tim negativnim konotacijama, na njega se gledalo kao na revolucionarni građevinski materijal, jer je omogućio zamjenu tradicionalno zidanih vrata glatkim, vitkim gvozdenim gredama.

Čelik

Krajem 1880-ih, Henry Bessemer razvio je metodu za masovnu proizvodnju čelika – potez koji je označio zoru nebodera. Ovaj snažni materijal s Youngovim modulom: E? 800 Gpa, sada bi se mogao izvedivo oblikovati u dvostruke grede i čelične stubove. Kombinacijom niza ovih dvostrukih greda i čeličnih stubova bilo je moguće konstruisati strukturno čelično jezgro velike visine na koje su se mogli pričvrstiti podovi, krov i zidovi zgrade, rađajući neboder. Ova metoda korištena je za izgradnju Empire State Buildinga u New Yorku, koji je ostao najviša zgrada na svijetu više od četrdeset godina.

Korištenje čelika kao građevinskog materijala nije bez nedostataka, dobar i u kompresiji i u zatezanju zbog sposobnosti diktiranja određenog profila poprečnog presjeka, omekšava na visokim temperaturama kako bi spriječio urušavanje zgrada u slučaju požara.

Još jedna prednost čelika je sposobnost promjene sastava, a time i promjena fizičkih svojstava. Leguri željeza i ugljika, čiji je sadržaj ugljika obično između 0,2% i 2,14%, dodavanje mangana omogućit će značajno povećanje čvrstoće uz skromne troškove. Slično tome, dodatak hroma ili nikla stvrdnut će čelik i povećati njegovu sposobnost da se odupre koroziji. U skladu s tim mogu se dodati i druge legure za poboljšanje određenih fizičkih svojstava ili karakteristika.

Beton

I Stari Egipćani i Rimljani koristili su beton u svojim zgradama, međutim nakon propasti Rimskog carstva njegove tajne su skoro izgubljene do ponovnog otkrivanja u novije vrijeme. Primjena patenta za proizvodnju portland cementa 1824. godine predstavlja jednu od važnih prekretnica u historiji betona i od tada su napravljeni značajni pomaci u razvoju prednapetih betonskih greda.

Beton sadrži vodu, agregat i cement. Agregat ima tendenciju da bude šljunak (koji se sastoji od drobljenog kamena i pijeska) koji čine zapreminu betona. Cement, obično portlandski cement, povezuje sastojke pružajući čvrstoću i trajnost betona.

Beton ima širok spektar funkcija i posebno je pogodan za primjene u kojima je izložen tlačnim silama, poput integralnih stubova građevine, no s armaturom se ovaj raspon može proširiti.

Prednapeti beton sadrži tetive (obično izrađene od čelika), jer je beton uglavnom dobar samo u kompresiji, te tetive kompenziraju vlačno naprezanje koje bi beton inače imao kada je izložen opterećenju.