Słup stalowy - jaki profil dobrać i jak sprawdzić wyboczenie

1. Co to jest słup stalowy?

Słup stalowy to pionowy element konstrukcji, który przenosi obciążenia ściskające z dachu, stropu lub podwieszonych elementów na fundament. W wiatach, carportach, halach i antresolach pracuje na ściskanie osiowe, a przy wietrze i obciążeniach bocznych także na zginanie.

O doborze nie decyduje sama wytrzymałość stali, tylko smukłość słupa, czyli stosunek jego długości wyboczeniowej do promienia bezwładności przekroju. Smukły słup z dobrej stali traci nośność wcześniej niż krępy słup z gorszej.

Słupy stalowe wykonuje się z czterech grup przekrojów: profilu zamkniętego kwadratowego, profilu prostokątnego, rury okrągłej i dwuteownika HEA. Każdy z nich inaczej rozkłada materiał wokół osi, co przy tej samej masie daje różną nośność.

2. Jaki profil wybrać na słup stalowy?

Na słup stalowy najlepiej pracują przekroje zamknięte, czyli profil kwadratowy i rura okrągła, bo mają jednakową sztywność w obu osiach. Dwuteownik HEA wybiera się wtedy, gdy słup przenosi duży moment zginający w jednej płaszczyźnie albo gdy do jego środnika mocuje się belki śrubami. Poniższa tabela zestawia cztery grupy z przekrojami z magazynu.

Rozwinięcie o grubości ścianki profili zamkniętych znajduje się w artykule Profil zamknięty - jak dobrać przekrój i grubość ścianki, a porównanie dwuteowników w tekście Dwuteownik HEA, HEB czy IPE.

3. Czym jest wyboczenie i jak liczy się długość wyboczeniową słupa?

Wyboczenie to nagłe wygięcie ściskanego słupa w bok, zanim stal osiągnie granicę plastyczności. Długość wyboczeniowa Lcr to długość zastępcza słupa, równa jego wysokości pomnożonej przez współczynnik zależny od sposobu podparcia obu końców.

Poniższa tabela podaje współczynniki teoretyczne dla słupa o wysokości 3,0 m. Rzeczywista podstawa na kotwach nie jest idealnym utwierdzeniem, dlatego projektant przyjmuje wartość z analizy węzła i całej ramy.

Słup wiaty stojący w fundamencie i niepodparty u góry pracuje jako wspornik. Jego Lcr jest dwa razy większa od wysokości, a smukłość rośnie dwukrotnie, więc nośność spada o więcej niż połowę.

4. Jak sprawdzić nośność słupa stalowego na wyboczenie?

Nośność słupa na wyboczenie oblicza się ze wzoru N_b,Rd = χ · A · f_y / γ_M1 według PN-EN 1993-1-1, gdzie χ to współczynnik wyboczeniowy zależny od smukłości. Dla stali S235 granica plastyczności wynosi f_y = 235 MPa, a smukłość porównawcza λ₁ = 93,9.

Przykład dla profilu 100x100x4 ze stali S235, pracującego jako wspornik o wysokości 3,0 m (Lcr = 6,0 m), krzywa wyboczeniowa c (przyjęta także dla pozostałych przekrojów w tabeli niżej):

A = 14,95 cm², i = 3,89 cm, f_y = 23,5 kN/cm², γ_M1 = 1,0
λ = 600 / 3,89 = 154,2 → λ̄ = 154,2 / 93,9 = 1,64
Φ = 0,5 · [1 + 0,49 · (1,64 - 0,2) + 1,64²] = 2,20 → χ = 0,272
N_b,Rd = 0,272 · 14,95 · 23,5 = 96 kN

Ten sam rachunek dla czterech przekrojów z magazynu przy dwóch wysokościach obliczeniowych daje poniższe nośności (stal S235, tylko ściskanie osiowe).

Wniosek z tabeli: przy Lcr 6,0 m rura 108x4,0 jest wykorzystana najsłabiej, a HEA 120, cięższy o 9,6 kg/m od rury, przenosi zaledwie o 30 kN więcej. Przy ściskaniu liczy się kształt i promień bezwładności, nie sama masa.

5. Co zwiększa nośność słupa: wyższy gatunek stali czy większy przekrój?

Większy przekrój podnosi nośność smukłego słupa wyraźnie bardziej niż wyższy gatunek stali. Dla wspornika z przykładu (Lcr = 6,0 m) zamiana S235 na S355 zwiększa nośność profilu 100x100x4 z 96 kN do 102 kN, czyli o 7%. Przejście na profil 120x120x4 daje 156 kN, czyli o 63% więcej, przy wzroście masy o 2,5 kg/m.

Powód jest prosty: przy smukłości λ̄ powyżej 1,5 o nośności rządzi sztywność stali, a moduł sprężystości E = 210 GPa jest taki sam dla S235 i S355. Wyższy gatunek opłaca się w słupach krępych, gdzie decyduje granica plastyczności. Wybór między gatunkami opisuje artykuł S235, S275 czy S355 - który gatunek stali wybrać.

Grubość ścianki profilu zamkniętego sprawdza się osobno. Dla 100x100x4 smukłość ścianki wynosi c/t = (100 - 3 · 4) / 4 = 22, poniżej granicy 42 klasy 3 dla ściskanych ścianek wewnętrznych (S235), więc wyboczenie miejscowe nie ogranicza nośności.

6. Jak zakończyć słup stalowy u dołu i u góry?

Słup stalowy kończy się u dołu blachą podstawy z kotwami, a u góry głowicą lub węzłem z belką albo płatwią. Blachę podstawy wykonuje się z blachy S235, a jej grubość, rozstaw otworów i średnicę kotew podaje projekt. Spoina łącząca słup z blachą jest elementem nośnym, więc spawanie konstrukcji nośnych wymaga wykonawcy z systemem według PN-EN 1090-1, tak jak opisuje artykuł Klasa wykonania EXC2 w carporcie stalowym.

Wybór kotew i wykonanie fundamentu omawia tekst Fundament pod carport - jak dobrać rozwiązanie. Strefę śniegu i wiatru, od których zależy obciążenie słupa, wyjaśnia artykuł Strefa śniegowa carportu - jak dobrać konstrukcję.

Co mamy w magazynie w Zawadzie

Magazyn Ulamex w Zawadzie 144 (97-200 Tomaszów Mazowiecki, woj. łódzkie) prowadzi stały asortyment profili na słupy: profile stalowe kwadratowe (m.in. 80x80x4, 100x100x4, 120x120x4 i 150x150x4 mm w kategorii profile stalowe zamknięte S235), rury stalowe konstrukcyjne (m.in. 108x4,0 i 159x4,0 mm) oraz dwuteowniki HEA od HEA 100 do HEA 300 w wariantach standardowych i w gatunku S355. Na blachy podstawy dostępna jest blacha ze stali S235.

Odbiór własny jest możliwy w magazynie w Zawadzie od poniedziałku do piątku w godzinach 7:00-16:00, a wysyłka realizowana jest naszym transportem lub spedycją. Cały asortyment wydajemy z jednego magazynu.

Co sprawdzić przed zamówieniem - 3 sytuacje

• Obliczenia statyczne. Dobór przekroju do wysokości, śniegu i wiatru należy do projektanta. Hurtownia dostarcza materiał zgodny ze specyfikacją i nie wykonuje obliczeń, a tabele w tym artykule są poglądowe.
• Pojedyncze sztuki i cięcie detaliczne. Prowadzimy sprzedaż hurtową w długościach handlowych i nie docinamy profili na wymiar dla pojedynczych sztuk.
• Montaż pod klucz. Dostarczamy materiał, a nie ustawiamy słupów u inwestora. Montaż wiaty zleca się wykonawcy konstrukcji.

Jak zamówić profile na słupy - 4 kroki

1. Specyfikacja z projektu. Z projektu wypisuje się przekrój, gatunek stali, długość słupa i liczbę sztuk, a do długości doliczą się naddatki na blachę podstawy i głowicę.
2. Długość handlowa. Profile i rury dostarczamy w długościach handlowych, więc ilość liczy się w sztukach pełnych długości, z uwzględnieniem odpadu przy cięciu słupów na wysokość.
3. Telefon. Dostępność i wycenę potwierdza opiekun handlowy. Dane kontaktowe: kontakt i dane firmy
4. Odbiór lub wysyłka. Odbiór własny w Zawadzie albo wysyłka pod wskazany adres.

Najczęstsze pytania o słup stalowy

Jakie słupy na wiatę stalową wybrać?

W wiatach stosuje się słupy z profilu kwadratowego, np. 100x100x4 lub 120x120x4 mm, albo z rury okrągłej. Przekrój wynika ze smukłości słupa, śniegu i wiatru, a wiata z utwierdzonymi, niepodpartymi u góry słupami liczy się jak wspornik z Lcr równą dwukrotnej wysokości.

Jaki beton pod słupy wiaty?

Klasę betonu stopy fundamentowej (np. C20/25 lub C25/30) i jej wymiary podaje projekt konstrukcyjny. Stopa pod słup wiaty przenosi moment od wiatru, dlatego jej wymiary wynikają z obliczeń, a nie z jednego wymiaru stosowanego do wszystkich wiat.

Jak zabetonować kotwy pod słup stalowy?

Kotwy ustawia się w szablonie z płaskownika lub deski, w którym otwory odpowiadają otworom w blasze podstawy. Szablon mocuje się do deskowania przed betonowaniem, a beton zagęszcza wokół kotew bez ich przesuwania. Po związaniu betonu rozstaw sprawdza się przymiarem blachy podstawy.

Jak wypoziomować słup stalowy na fundamencie?

Blachę podstawy poziomuje się na nakrętkach kotew: dolna para ustawia wysokość, górna dociska blachę. Pod blachą zostaje szczelina 20-40 mm, którą wypełnia się bezskurczową zaprawą podlewową. Pion słupa kontroluje się poziomicą w dwóch płaszczyznach przed dokręceniem nakrętek.