Stejné jmenovité číslo, tři různé profily
IPE, HEA, HEB a HEM jsou základní řady evropských za tepla válcovaných profilů tvaru I. Silueta je společná: dvě rovnoběžné pásnice spojené stojinou. Ocel je ale v průřezu rozložena pokaždé jinak. IPE je úzkopřírubová řada: vysoká štíhlá stojina a pásnice zhruba poloviční šířky, než je výška průřezu. HEA, HEB a HEM jsou širokopřírubové profily, půdorysně téměř čtvercové: u HEA a HEB odpovídá šířka pásnice v malých a středních velikostech jmenovitému číslu, HEM je o několik milimetrů širší.
Pozor na častou past: jmenovité číslo odpovídá skutečné výšce jen u HEB. Profil HEA je o něco nižší, HEM naopak znatelně vyšší. Stejnou šířku pásnice sdílejí při dané velikosti jen HEA a HEB; HEM je širší než obě, při jmenovité velikosti 200 o 6 mm a při velikosti 300 o 10 mm. Když v průběhu projektu měníte řadu, vždy si ověřte skutečnou výšku a hmotnost v tabulkách. Nikdy nespoléhejte jen na označení.
Ohyb k silné ose: doména IPE
U stropního nosníku nebo krokve ohýbané k silné ose platíte za moment setrvačnosti Iy a průřezový modul Wel,y, případně plastický Wpl,y. Ohybová tuhost roste s druhou mocninou vzdálenosti materiálu od neutrální osy, takže vysoký lehký průřez poráží nízký a těžký. Přesně na to je IPE optimalizováno: tenká stojina drží dvě pásnice co nejdál od sebe a u neutrální osy se neplýtvá téměř žádnou ocelí.
Profily I a H stejné jmenovité velikosti 4
| Profil | h × b [mm] | G [kg/m] | Iy [cm⁴] | Wel,y [cm³] | Wpl,y [cm³] | Iz [cm⁴] | Iy na kg |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| IPE 200 | 200 × 100 | 22.4 | 1943.0 | 194.3 | 220.6 | 142.4 | 87 |
| HEA 200 | 190 × 200 | 42.3 | 3692.0 | 388.6 | 429.5 | 1336.0 | 87 |
| HEB 200 | 200 × 200 | 61.3 | 5696.0 | 569.6 | 642.5 | 2003.0 | 93 |
| HEM 200 | 220 × 206 | 103.1 | 10640.0 | 967.4 | 1135.0 | 3651.0 | 103 |
Jmenovitá velikost 200. Všimni si, jak šířka pásnice mění poměr tuhostí obou os.
Tabulku si ale přečtěte pozorně: stejné jmenovité číslo je pro toto srovnání špatný základ. Při velikosti 200 nesou širokopřírubové profily na metr podstatně více oceli, jenže jsou zároveň vyšší nebo zavalitější, takže jim tuhost na kilogram vychází o něco vyšší, nikoli nižší: zhruba 87 cm4 na kg/m u IPE 200 i HEA 200, 93 u HEB 200 a 103 u HEM 200.
Nosník ovšem kupujete na požadovanou tuhost nebo požadovanou ohybovou únosnost, a v tom IPE vyhrává jednoznačně: hmotnost ušetřenou na šířce pásnic investuje do výšky. Na moment setrvačnosti Iy profilu IPE 300 o hmotnosti 42,2 kg/m potřebujete HEA 260 o 68,2 kg/m nebo HEB 240 o 83,2 kg/m. Na jeho plastický modul Wpl,y potřebujete HEA 240 o 60,3 kg/m nebo HEB 200 o 61,3 kg/m. Proto jsou vaznice, stropní i spřažené nosníky zajištěné proti klopení téměř vždy IPE. A nezapomeňte: každá konstrukční ocel má stejný modul pružnosti E = 210 000 MPa. Rozhoduje-li průhyb, vyšší pevnostní třída nepomůže. Pomůže jen geometrie.
Sloupy a dvojosý ohyb: argument pro HEA a HEB
Otočte zatížení a pořadí se otočí s ním. Sloup selhává vzpěrem k slabé ose, takže rozhoduje moment setrvačnosti Iz a poloměr setrvačnosti iz, který určuje štíhlost vstupující do křivek vzpěrné pevnosti podle EC3. Úzké pásnice IPE znamenají malé iz, vysokou štíhlost a nemilosrdný součinitel vzpěrnosti χ. Z plné únosnosti Npl = A·fy/γM0 toho po posouzení vzpěru mnoho nezbude. Široké pásnice řady HE drží štíhlost k slabé ose nízko a redukci mírnou.
Profily I a H stejné jmenovité velikosti 4
| Profil | h × b [mm] | G [kg/m] | Iy [cm⁴] | Wel,y [cm³] | Wpl,y [cm³] | Iz [cm⁴] | Iy na kg |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| IPE 300 | 300 × 150 | 42.2 | 8356.0 | 557.1 | 628.4 | 603.8 | 198 |
| HEA 300 | 290 × 300 | 88.3 | 18260.0 | 1260.0 | 1383.0 | 6310.0 | 207 |
| HEB 300 | 300 × 300 | 117.0 | 25170.0 | 1678.0 | 1869.0 | 8563.0 | 215 |
| HEM 300 | 340 × 310 | 237.9 | 59200.0 | 3482.0 | 4078.0 | 19400.0 | 249 |
Jmenovitá velikost 300. Všimni si, jak šířka pásnice mění poměr tuhostí obou os.
V praxi je HEA hospodárnou první volbou pro běžné sloupy pozemních staveb. Moment setrvačnosti Iz má proti HEB nižší zhruba v poměru hmotností, jenže o posudku vzpěru rozhoduje poloměr setrvačnosti, a iz se od HEB stejné velikosti liší asi o dvě procenta. Štíhlost i součinitel vzpěrnosti χ proto vyjdou skoro stejně, a přitom profil váží o 20 až 30 % méně na metr. HEB (třeba HEB 300) si své kilogramy zaslouží tam, kde prut skutečně pracuje dvojose: sloupy nevyztužených rámů přenášející ohyb, jeřábové dráhy s vodorovnými příčnými silami nebo nosníky ohýbané k oběma osám, kde by modul IPE k slabé ose beznadějně nestačil.
Klopení: tichý rozhodčí
Nosník ohýbaný k silné ose má sklon uhnout do strany: tlačená pásnice vybočí a průřez se zkroutí. Tomu říkáme klopení. Pružný kritický moment Mcr roste s momentem setrvačnosti k slabé ose Iz, momentem tuhosti v kroucení It a výsečovým momentem setrvačnosti Iw, tedy přesně s vlastnostmi, které IPE vyměnilo za výšku. Nezajištěné IPE proto klopením ztrácí velkou část ohybové únosnosti a ztráta s délkou mezi podporami rychle roste.
- Je-li tlačená pásnice průběžně držena (spřaženou deskou, trapézovým plechem kotveným k horní pásnici nebo hustými vaznicemi), použijte IPE a užijte si úsporu hmotnosti.
- Je-li podepření řídké (velké vzdálenosti vaznic, konzoly a oblasti záporných momentů, kde se do tlaku dostává dolní pásnice, nebo pruty stojící o samotě při montáži), vyjde širokopřírubové HEA či HEB po aplikaci součinitele χLT často lehčí než IPE, které nahrazuje.
- Vždy posuďte montážní stav: řada nosníků IPE, které v definitivním stavu vyhoví, je kritická, dokud není deska připevněna.
Přípoje a výroba
Rozhodující slovo má často výrobce ocelové konstrukce, a to většinou mluví pro širokopřírubové řady:
- Šroubování. Široká pásnice dává prostor pro běžné rozteče, větší šrouby i dvě řady šroubů; na úzké pásnici IPE je geometrie čelních desek a příložek rychle na hraně.
- Líce sloupů. V šroubovaných momentových přípojích s čelní deskou podle metody komponent EN 1993-1-8 bývá slabým místem ohýbaná pásnice sloupu. Tlusté pásnice HEB nebo HEM často odstraní výztuhy a příložky, které by sloup HEA potřeboval.
- Stojiny. Štíhlá stojina IPE je citlivá na soustředěné příčné síly (reakce, přípoje vaznic, montážní podpory) a podle EN 1993-1-5 mnohdy vyžaduje výztuhy; robustnější stojiny řady HE je potřebují zřídka.
- Manipulace. IPE je při dopravě a zvedání poddajné k slabé ose; širokopřírubové profily leží stabilně, dobře se skladují a snesou hrubší zacházení na stavbě.
Mírně těžší profil, který ušetří tucet přivařovaných výztuh, je často levnější konstrukce.
Kdy sáhnout po HEM
HEM je těžký sourozenec HEB: stejná širokopřírubová geometrie s mnohem tlustší stojinou i pásnicemi a s výškou nad jmenovitým číslem. Hospodárnou odpovědí bývá málokdy, ale v několika situacích je tou správnou:
- Těžce zatížené sloupy, kde dispozice pevně omezuje půdorys sloupu: HEM vměstná do daného obrysu největší plochu, a tedy největší Npl.
- Kapacitní návrh seizmicky odolných rámů, kde záměrně silný a robustní sloup s tlustými pásnicemi splní zásadu silného sloupu a slabého nosníku i požadavky na styčníkový panel bez zdvojujících plechů.
- Vysoké pevnostní třídy. Meze tříd průřezu se mění s ε = √(235/fy), takže části, které jsou v S235 ve třídě 1, mohou v S460 o třídu spadnout. Robustní obrys HEM zůstává plastický i tam, kde štíhlejší řady už ne.
- Požární odolnost. Nízký součinitel průřezu (hodně oceli, málo exponovaného povrchu) znamená pomalé prohřívání a může zmenšit či zjednodušit protipožární ochranu.
Na druhé misce vah leží vysoká cena za metr, delší dodací lhůty méně běžných velikostí a těžší břemena při montáži. HEM předepisujte vědomě, ne jako pohodlné „o řadu výš“ místo HEB.