Ceownik stalowy w konstrukcjach nośnych ? jak dobrać wysokość profilu do obciążenia?
Ceownik należy do tych profili, które projektant wybiera niemal odruchowo ? a potem okazuje się, że przekrój dobrany ?na oko” ugina się bardziej, niż zakładano, albo skręca się w sposób, którego nikt nie przewidział. Problem rzadko leży w samym materiale. Znacznie częściej w tym, że przy doborze patrzy się wyłącznie na wysokość profilu, ignorując dwie inne wielkości, które w przypadku ceownika mają znaczenie krytyczne.
Ceownik hutniczy a zimnogięty ? to nie są zamienniki
Pierwsza decyzja zapada jeszcze przed doborem wymiaru. Ceownik hutniczy, oznaczany jako UPN lub UPE, powstaje przez walcowanie na gorąco. Ma pełne, grube stopki, wyraźne promienie przejścia między środnikiem a stopką i przekrój zaprojektowany pod przenoszenie obciążeń. Ceownik zimnogięty powstaje przez gięcie taśmy stalowej ? ma cienkie, równe ścianki o stałej grubości na całym obwodzie i wyraźnie mniejszą nośność przy tej samej wysokości.
Różnica jest fundamentalna. Ceownik zimnogięty świetnie sprawdza się jako płatew dachowa, element obudowy czy rygiel ścienny, gdzie liczy się stosunek sztywności do masy. W roli podciągu przenoszącego obciążenie ze stropu jest wyborem błędnym. Jeżeli w dokumentacji widnieje oznaczenie UPN, podstawienie profilu zimnogiętego o tej samej wysokości to zmiana konstrukcyjna, a nie oszczędność.
W obrębie profili hutniczych występuje jeszcze podział na UPN i UPE. UPN ma stopki pochyłe, zbieżne ku krawędzi ? to klasyczny, najstarszy kształt. UPE ma stopki równoległe, przez co jest wygodniejszy w łączeniu śrubowym i w opieraniu innych elementów. Przy zbliżonej masie UPE daje zwykle nieco korzystniejsze parametry przy zginaniu.
Co naprawdę oznacza liczba przy oznaczeniu profilu?
Numer w oznaczeniu to wysokość przekroju w milimetrach. UPN 160 ma 160 mm wysokości. Ale wraz z wysokością rosną także szerokość stopki i grubości ścianek, i to właśnie ten wzrost decyduje o nośności ? nie sama wysokość.
Dla orientacji: UPN 100 waży około 10,6 kg na metr bieżący przy szerokości stopki 50 mm, UPN 140 to około 16 kg/m przy stopce 60 mm, UPN 160 ? około 18,8 kg/m przy stopce 65 mm, UPN 180 ? około 22 kg/m, a UPN 200 ? około 25,3 kg/m przy stopce 75 mm. Przejście z UPN 140 na UPN 200 oznacza więc wzrost masy o niecałe 60 procent.
Nośność rośnie w tym samym przejściu znacznie szybciej. Wskaźnik wytrzymałości przekroju na zginanie względem osi mocnej wynosi dla UPN 140 około 86 cm?, dla UPN 160 około 116 cm?, dla UPN 180 około 150 cm?, a dla UPN 200 około 191 cm?. Ta sama zmiana profilu, która podniosła masę o 60 procent, podnosi nośność na zginanie ponad dwukrotnie.
To jest praktyczny wniosek, który warto zapamiętać: przy zginaniu opłaca się iść w górę wysokości, a nie w grubość materiału. Dwa ceowniki o mniejszej wysokości spięte razem prawie nigdy nie dorównają jednemu wyższemu profilowi o tej samej masie łącznej.
Wielkość, o której się zapomina ? skręcanie
Ceownik ma przekrój niesymetryczny względem osi pionowej. Konsekwencja jest taka, że jego środek ścinania leży poza przekrojem, po stronie środnika. Obciążenie przyłożone w osi profilu ? czyli tam, gdzie intuicyjnie się je przykłada ? wywołuje więc dodatkowy moment skręcający.
W praktyce objawia się to tak, że belka pod obciążeniem nie tylko ugina się w dół, ale też obraca. Przy krótkich rozpiętościach i lekkich obciążeniach efekt bywa niezauważalny. Przy większych rozpiętościach potrafi zdominować pracę elementu i doprowadzić do zwichrzenia, czyli utraty stateczności, mimo że sama nośność na zginanie została zachowana z zapasem.
Rozwiązania są trzy i wszystkie są standardowe: stężenie belki co pewien odcinek, zastosowanie dwóch ceowników w układzie skrzynkowym, albo przyłożenie obciążenia bliżej środka ścinania. Wybór należy do konstruktora ? ale świadomość istnienia problemu powinna należeć do wszystkich, którzy stykają się z dokumentacją.
Gdzie ceownik wygrywa z dwuteownikiem?
Skoro dwuteownik jest symetryczny i nie ma problemu ze skręcaniem, dlaczego w ogóle stosuje się ceowniki? Bo mają płaski środnik, do którego można przylegająco przymocować inne elementy, i otwarty przekrój, który daje dostęp od wewnątrz.
Stąd ich naturalne zastosowania: ramy i obudowy maszyn, płatwie i rygle, prowadnice, obramowania otworów, konstrukcje wsporcze pod instalacje, elementy ślusarki budowlanej, a także wszystkie sytuacje, w których profil musi przylegać do ściany lub innego elementu jedną płaską powierzchnią. W układzie dwóch ceowników zwróconych do siebie środnikami powstaje z kolei przekrój skrzynkowy o bardzo dobrej sztywności skrętnej i wygodnej geometrii pod połączenia śrubowe.
Gatunek stali i długości handlowe
Dobór przekroju to jedna decyzja, dobór gatunku stali ? druga, często pomijana. Standardem jest S235JR, w konstrukcjach o wyższych wymaganiach stosuje się S355J2. Różnica w granicy plastyczności wynosi około 50 procent, co przy tym samym przekroju przekłada się na istotnie wyższą nośność. Oznaczenie J2 informuje dodatkowo o gwarantowanej udarności w niższej temperaturze, co ma znaczenie w konstrukcjach zewnętrznych i przy elementach spawanych.
Trzecia kwestia to logistyka. Profile hutnicze dostarcza się w długościach handlowych, najczęściej 6 i 12 metrów, i to właśnie na tym etapie powstają największe straty materiału. Jeżeli projekt zakłada elementy o długości 4,2 metra, z sześciometrowej sztuki zostaje 1,8 metra odpadu ? czyli 30 procent zamówionej stali. Warto więc wcześnie sprawdzić, jakie gatunki, wysokości i długości ma na stanie dostawca, i czy oferuje cięcie na wymiar; hurtownie prowadzące szeroki asortyment, takie jak ceownik stalowy, zwykle realizują cięcie w ramach zamówienia, co pozwala zamówić dokładnie tyle metrów, ile trafi do konstrukcji.
Co ustalić, zanim złożysz zamówienie?
Przed wysłaniem zapytania ofertowego warto mieć zebrane cztery rzeczy: oznaczenie profilu wraz z typem (UPN czy UPE, hutniczy czy zimnogięty), gatunek stali, długości elementów wraz z informacją, czy cięcie ma wykonać dostawca, oraz wymagany dokument kontroli ? najczęściej atest 3.1 według EN 10204.
Brak któregokolwiek z tych elementów to najczęstsza przyczyna rozbieżności między ofertami. Dwie wyceny różniące się o kilkanaście procent bardzo często dotyczą po prostu różnych rzeczy ? innego gatunku, innej długości, oferty z cięciem i bez.
artykuł sponsorowany
