Klasifikace průřezů podle Eurokódu 3 (třídy 1–4) srozumitelně

Ocelový průřez je soustava tenkých stěn: pásnic a stojin. Tlačená stěna může vyboulit: zvlní se ze své roviny dávno předtím, než se vyčerpá únosnost celého prutu. Klasifikace odpovídá na jedinou fyzikální otázku: jak hluboko do plastické oblasti lze průřez zatlačit, než proces předčasně ukončí lokální boulení?

• Třída 1 (plastická): průřez vytvoří plnohodnotný plastický kloub a dokáže se v něm dále natáčet při plastickém momentu. Právě tato rotační kapacita umožňuje plastickou globální analýzu s redistribucí momentů.
• Třída 2 (kompaktní): průřez ještě dosáhne plného plastického momentu, ale boulení omezuje rotační kapacitu. Plastická únosnost ano, plastická analýza ne.
• Třída 3 (polokompaktní): krajní tlačené vlákno právě dosáhne meze kluzu, ale boulení zabrání rozvinutí plastických bloků napětí po výšce průřezu. Únosnost končí prvním dosažením meze kluzu.
• Třída 4 (štíhlá): boulení nastane dříve, než se kdekoli dosáhne meze kluzu. Část tlačené stěny se z přenosu vyřadí a spolehnout se lze jen na účinnou část průřezu.

Číslo třídy je tedy ve skutečnosti mírou deformační kapacity: od tvárného chování s kloubem (třída 1) po pružné vyboulení štíhlé stěny (třída 4).

Klasifikace porovnává poměr šířky k tloušťce c/t každé tlačené (nebo částečně tlačené) stěny s mezními hodnotami z tabulky 5.2 normy EN 1993-1-1. Šířka c je rovná část stěny: měří se mezi výkružky nebo zaoblenými rohy, ne přes celou šířku. Rozlišují se dva druhy částí:

• Vnitřní části jsou podepřené podél obou podélných okrajů: stojina IPE nebo HEA, případně stěny RHS/SHS. Dva podepřené okraje boulení účinně brání, mezní hodnoty jsou proto benevolentní.
• Přečnívající části jsou podepřené jen podél jednoho okraje a druhý mají volný: polovina pásnice průřezu I či H nebo rameno úhelníku. Volný okraj boulí snadno, limity jsou proto výrazně přísnější.

Mezní hodnoty se násobí materiálovým součinitelem ε = √(235/f_y). Vyšší mez kluzu znamená menší ε, a tedy přísnější limity: stejná geometrie může při přechodu na pevnější ocel spadnout o třídu níže, protože dosažení meze kluzu se oddálí, zatímco kritické napětí stěny při boulení zůstává stejné.

Kruhové trubky (CHS) jsou zvláštní případ: celá stěna trubky je jediná zakřivená část a klasifikuje se poměrem d/t proti limitům v ε², nikoli v ε (častá past při přechodu mezi typy průřezů).

Každá tlačená část dostane vlastní třídu; třída průřezu je nejméně příznivá (nejvyšší) z tříd jeho částí. Průřez s pásnicemi třídy 1 a stojinou třídy 3 je průřez třídy 3 (s jednou užitečnou výjimkou popsanou níže).

Třída rozhoduje o tom, který průřezový modul vstoupí do posudku (s γ_M0 = 1.0 ve většině národních příloh):

1. Třídy 1 a 2 používají plastický průřezový modul W_pl: ohybová únosnost je plný plastický moment M_pl,Rd = W_pl·f_y/γ_M0. Obdélníkové plastické bloky napětí se rozvinou v celém průřezu.
2. Třída 3 používá pružný průřezový modul W_el: únosnost je pružný moment M_el,Rd = W_el·f_y/γ_M0, dosažený při prvním zplastizování krajního vlákna. Rozdíl mezi W_pl a W_el (tvarový součinitel) se jednoduše zahodí.
3. Třída 4 používá účinné průřezové charakteristiky (A_eff, W_eff) podle metody účinných šířek z EN 1993-1-5: vyboulené střední oblasti štíhlých tlačených stěn se z průřezu vypustí a počítá se jen s pruhy u podepřených okrajů. U tlačeného prutu se tím navíc může posunout těžiště účinného průřezu, což vyvolá přídavný ohybový moment, který je nutné do posudku přičíst.

Právě proto stojí klasifikace na začátku každého posudku podle EC3: nevybírá jen součinitel, ale celý model únosnosti.

Mezní poměry c/t závisejí na průběhu napětí ve stěně, takže průřez nemá jednu třídu: má třídu pro každou vnitřní sílu. Nejnázornější je stojina průřezu I:

• Při ohybu je tlačená jen polovina stojiny a napětí se mění lineárně, limit pro vnitřní část v ohybu je proto benevolentní (řádek 72ε / 83ε / 124ε v tabulce).
• Při prostém tlaku je celá stojina rovnoměrně tlačená a limity spadnou na výrazně přísnější řádek 33ε / 38ε / 42ε.

Typický štíhlý válcovaný nosník tak může být v ohybu třídy 1, ale jako sloup třídy 4. Při kombinaci tlaku a ohybu se klasifikuje pro skutečný průběh napětí (přes parametry α nebo ψ z tabulky 5.2); rychlou konzervativní zkratkou je klasifikace jako pro prostý tlak.

Za zapamatování stojí i důsledky: třída se může lišit mezi ohybem k silné a slabé ose (tlačené jsou pokaždé jiné části) a průřez, který při interakci N+M mění třídu, je nutné posoudit pravidly nejhorší použitelné třídy.

• Za studena tvářené duté profily jsou v tlaku často třídy 4. Tenkostěnné SHS/RHS šetří hmotnost velkými poměry c/t a limity pro rovnoměrný tlak jsou přísné. Kdykoli se pěkný „nosníkový“ průřez použije jako tlačený pás nebo sloup, třídu vždy přepočítejte.
• Přenesení třídy z ohybu do posudku na tlak. Jak je vidět výše, řádek tabulky pro stojinu se mezi ohybem a rovnoměrným tlakem zcela mění: klasifikuje se pro každý zatěžovací stav, ne jednou pro profil.
• Použití celkové šířky místo rovné šířky c. U válcovaných profilů se z c vylučuje výkružek, u trubek tvářených za studena zaoblené rohy. Celá šířka je pro klasifikaci konzervativní, ale nesprávná; opačná chyba (příliš malé c) je nebezpečná.
• Zapomenutý součinitel ε při změně jakosti oceli. Vyšší jakost zvýší f_y, zmenší ε a může průřez potichu přeřadit o třídu níže: na papíře více pevnosti, ale slabší model únosnosti.
• Použití ε místo ε² u CHS. Limity trubek jsou psané pro d/t v ε², takže změna jakosti dopadá na kruhové průřezy dvojnásob.
• Opomenutá výjimka pro stojinu. EN 1993-1-1 dovoluje průřez s pásnicemi třídy 1 nebo 2 a stojinou třídy 3 posoudit jako účinnou třídu 2 s redukovanou účinnou stojinou. Plastická ohybová únosnost se tak často zachrání.

Na crosssections.app nemusíte tabulku procházet ručně: každá stránka profilu (například v řadách IPE, HEB, SHS nebo CHS) obsahuje kalkulačku, která pro zvolenou jakost oceli zobrazí třídu průřezu zvlášť pro ohyb a zvlášť pro tlak.