Profily UPN a UPE: rozdíly, střed smyku a použití ve dvojicích

Řady UPN a UPE vypadají na výkresu zaměnitelně: obojí jsou za tepla válcované profily tvaru U se stejnou logikou jmenovitých výšek. Zblízka ale patří ke dvěma generacím válcovací praxe. UPN je klasický evropský U-profil: má skloněné pásnice (vnitřní plochy pásnic mají sklon 8 % do velikosti UPN 300 a 5 % u čtyř největších, UPN 320 až 400), pásnici silnou u kořene a zužující se k zaoblené hraně a velkorysé přechodové rádiusy. UPE je moderní profil s rovnoběžnými pásnicemi: vnitřní i vnější plochy pásnic jsou rovnoběžné, hrany rovně řezané a průřez je hospodárněji vyladěn pro ohyb kolem silné osy.

Pro projektanta z toho plynou dvě věci. Staticky nabízí UPE stejné jmenovité výšky zpravidla srovnatelnou nebo lepší ohybovou únosnost při nižší hmotnosti, protože více materiálu sedí v pásnicích, kde pracuje nejúčinněji. Prakticky mění geometrie pásnic způsob šroubování, a právě to o volbě na stavbě často rozhoduje.

Tabulky níže porovnávají obě řady velikost po velikosti: výšku a šířku (h×b), tloušťku stojiny a pásnice (t_w/t_f), polohu těžiště e_y měřenou od hřbetu stojiny a hmotnost na metr G. Všimněte si, že těžiště každého U-profilu leží blízko stojiny: pásnice je přetáhnou jen kousek do šířky průřezu. Právě tato nesymetrie je kořenem všeho, o čem je následující kapitola.

Stránky jednotlivých profilů, například UPN 200 a UPE 200, uvádějí kompletní průřezové charakteristiky včetně konstant kroucení a deplanace, které jsou pro dále popsané chování rozhodující.

U-profil je jednoose symetrický: má vodorovnou osu symetrie, ale žádnou svislou. Jeho střed smyku (bod, kterým musí procházet příčné zatížení, aby vznikl ohyb bez kroucení) se nekryje s těžištěm. U profilu tvaru U leží dokonce zcela mimo průřez, za stojinou, na opačné straně, než míří pásnice.

Důsledek se snadno podcení. Zatížení působící svisle těžištěm, nebo dokonce rovinou stojiny, je vůči středu smyku stále výstředné. Výstřednost krát zatížení dává krouticí moment a profil na něj odpovídá tím, že se při ohybu současně kroutí. Otevřený tenkostěnný průřez má velmi malou tuhost v kroucení, takže i mírná výstřednost vyvolá viditelné pootočení, deplanační napětí v pásnicích a u štíhlých prutů dřívější ztrátu stability klopením, než by naznačoval samotný posudek na ohyb.

Toto chování je vlastností tvaru, nikoli normy: UPN i UPE jím trpí stejně. Kvalitativní pravidlo je prosté: samostatný U-profil zatížený kdekoli jinde než ve středu smyku se chce pootočit a detail musí tento moment buď odstranit, nebo zachytit.

Existují tři poctivé cesty, jak se s odsazeným středem smyku vypořádat:

1. Přivést zatížení do středu smyku. Občas proveditelné: třeba konzolka nebo příložka vyložená za stojinu tak, aby výslednice procházela středem smyku nebo jeho blízkostí. Funguje to, ale stojí to výrobní práci a je to citlivé na tolerance.
2. Zabránit pootočení. V praxi nejběžnější řešení. Vaznice s plechem krytiny přišroubovaným k horní pásnici, schodnice přivařená k podestě nebo profil přišroubovaný hřbetem stojiny k tuhé podpoře jsou proti kroucení spojitě či bodově drženy. Kroutící moment nezmizí: přenese ho ono držení a přípoj na něj musí být nadimenzován.
3. Použít profily ve dvojici. Dva U-profily stojinami k sobě (s vloženými distančními plechy nebo styčníkovým plechem) tvoří dvojose symetrický složený průřez, jehož střed smyku splývá s těžištěm. Problém kroucení mizí ze symetrie a dvojice navíc nabízí čistý dvojstřižný šroubový přípoj přes stojiny. Dvojice pásnicemi k sobě tvořící uzavřenou skříň jde ještě dál: získá skutečnou tuhost v kroucení, za cenu vnitřku obtížného pro kontrolu a protikorozní ochranu. V obou uspořádáních musí být spojky (příložky, sešívací šrouby nebo svary) dost blízko u sebe, aby oba profily skutečně působily jako jeden prut; rozteče pro složené pruty předepisují návrhové normy.

Dvojice stojinami k sobě jsou standardní odpovědí pro táhla a věšadla, výměny, ztužidla i členěné sloupy a jsou důvodem, proč U-profily zůstávají oblíbené navzdory nepohodlnému středu smyku samostatného průřezu.

O spojovacím materiálu rozhoduje geometrie pásnic. U profilu UPN má vnitřní plocha pásnice sklon 8 % do velikosti UPN 300 a 5 % u UPN 320 až 400, takže matice nebo hlava šroubu dosedající přímo na ni by nesla jen na hraně. Šroubové přípoje přes pásnice proto vyžadují klínové podložky (čtvercové podložky s obrobeným odpovídajícím sklonem), osazené správně natočené tak, aby dosedací plocha vyšla kolmo k ose šroubu. Když se na ně zapomene, nebo se osadí pootočené, šroub je v provozu ohýbán a předpětí je nespolehlivé.

UPE má pásnice rovnoběžné: běžné ploché podložky dosedají správně, obyčejné přípoje s úhelníky fungují bez speciálního materiálu a rovná vnitřní plocha usnadňuje osazování kování, kotvení trapézových plechů i tenkostěnného příslušenství. Hřbet stojiny je rovný u obou řad, takže přípoje šroubované přes stojinu (včetně výše popsaných dvojic) jsou stejně jednoduché u obou. V dílnách, které zpracovávají obě řady, se vyplatí šroubování do pásnic UPN na výkresech výslovně vyznačit: chybějící klínová podložka patří k nejčastějším chybám detailů U-profilů nalézaným při prohlídkách.

U-profily se objevují všude tam, kde se hodí rovný hřbet nebo otevřená strana: vaznice a paždíky lehkých hal, schodnice, kde stojina přirozeně uzavírá rameno schodiště, výměny lemující otvory ve stropech a střechách, okrajové pruty plošin a lávek, rámy strojů a základové skidy nebo překlady osazované ve dvojici kolem stávajícího zdiva.

Dělba mezi řadami je v praxi z velké části historická. Sortiment UPN se válcuje déle než století, takže rekonstrukce na stávající profily UPN narážejí neustále a doplnění stejného se stejným udrží jednoduché přípoje, návaznosti i vzhled. Pro novostavby je obvyklou volbou UPE: lepší poměr únosnosti a hmotnosti, rovnoběžné pásnice zjednodušující každý šroubový detail a žádné klínové podložky, které by bylo třeba předepsat nebo které by se mohly ztratit. Dostupnost se na jednotlivých trzích liší, proto si před uzavřením návrhu přípojů ověřte, kterou řadu váš dodavatel skutečně drží skladem.