Двутавровая балка: преимущества и геометрические характеристики, конструкция, этапы изготовления

Двутавровая балка – «основательный» металлопрокат

В строительстве очень часто применяется двутавровая балка, ГОСТ, технические характеристики, а также особенности изготовления которой и будут рассмотрены в этой статье.

1 Двутавровая балка – описание и назначение

Свое название данный конструктивный элемент получил благодаря специфической конструкции. Просто Т-образный профиль называется тавром, а так как сечение этой балки напоминает две буквы “Т”, соединенных хвостиками, то, соответственно, она называется двутавровой. В принципе, ее сечение также похоже и на букву “Н”. Она отличается повышенной прочностью, так, если сравнивать ее со стандартным прямоугольным профилем, то она будет в 7 раз прочнее и почти в 30 раз жестче. Но о ее преимуществах поговорим более подробно немного ниже.

Благодаря таким отменным характеристикам этот конструкционный материал нашёл свое широкое применение в строительной области, особенно при возведении каркасных домов. Кроме всем известных металлических изделий, существуют еще и деревянные двутавры. По сравнению с иными пиломатериалами такие элементы не будут гнуться даже при воздействии больших нагрузок. Также они совершенно неподвластны деформациям, что позволяет использовать их практически в любой конструкции. Если речь идет о доме, то их применяют для монтажа и пола, и потолка со стенами. Да и цена не сильно велика, можно сказать, даже радует.

В принципе, по конструкции существует три вида двутавра, это обыкновенный, широкополочный и колонный. Первый имеет ребра высотой в пределах от 10 до 60 сантиметров, при этом толщину полок увеличивают, дабы все внешние усилия, которые приходятся на ребра могли компенсироваться. Жесткость данных конструкций относительно невысокая, поэтому их длина не может превышать 19 метров.

Что же насчет широкополочных, то такими называются изделия, имеющие отношение ширины полки к высоте балочного профиля в пределах 0,4–0,6, при этом последний параметр может достигать одного метра. Прочностные характеристики двутавровых балок данного типа значительно выигрывают у первых.

Однако особенно прочными по праву можно назвать колонный вид, так как для его производства используют мощный стальной профиль, что позволяет такой балке выдержать нагрузку, измеряемую тоннами. Правда, данное свойство отразилось и на весе изделия, они значительно тяжелее вышеописанных видов, и поэтому их более целесообразно применять для возведения колонн.

2 Характеристики двутавровых балок и ГОСТ

Так как этот строительный материал применяется в весьма ответственных конструкциях, то и изготовление двутавровых балок осуществляется строго в соответствии с государственными стандартами. Таким образом, учитывается все до мелочей, начиная от допустимого уклона внутренних граней полок, величина которого не должна превышать 12% для горячекатаной продукции и заканчивая такими параметрами, как допустимый момент инерции, сопротивления и т. д. Более подробно с ними можно ознакомиться, открыв ГОСТ 8239-89.

Кроме того, рассчитываются и такие параметры, как допустимый прогиб стенки, он не должен превышать 0,15S, а максимальная кривизна дуги составляет 0,2% от длины изделия. Делаются двутавры обычной и повышенной точности, В и Б класса соответственно. Но это далеко не единственный стандарт, еще существует ГОСТ 19425-74 для горячекатаных специальных двутавровых балок, они делятся на следующие типы:

• для подвесных путей (угол внутренних граней полок не более 12%);
• изделия, используемые при армировании шахтных стволов с углом до 16%;
• и последние, металлические швеллера, нашедшие свое применение в автомобильной промышленности, в этом случае угол не превышает порог 10%.

Существуют и двутавры с параллельным расположением полок, на них также есть свой ГОСТ 26020-83, в котором оговорены все параметры и требования к данной продукции.

Покупая двутавровые балки, обязательно следует обращать внимание на их номер, по нему можно узнать высоту профиля, а также работоспособность изделия. Причем желательно чтобы он был в начале таблицы. Когда характеристики изделия расходятся с расчетными более, чем на 5%, то такой элемент не подходит, так как он попросту может не выдержать нагрузку, что приведет к весьма плачевным последствиям.

3 Изготовление двутавровых балок – особенности техпроцесса и материалы

Производство двутавровой балки осуществляется посредством сварки трех основных элементов. В результате получаются поясные швы. Чтобы изделие имело максимальные значения прочности и было достаточно надежным, сварку проводят с обеих сторон. При этом используются и выходные, а также заходные планки, во время создания сварочного шва. И в обязательном порядке следят за тем, чтобы элементы располагались строго перпендикулярно и достаточно плотно прилегали. Еще один способ изготовления – прокат на специальных станах.

В основном их производство целесообразно осуществлять на крупных предприятиях большими партиями. А все потому, что при изготовлении малых партий приходится покупать относительно дорогую оснастку, это делает себестоимость готового продукта дороже, а, следовательно, и повышает его рыночную цену. Таким образом, если вы решили, что при большом желании у вас получится двутавровая балка своими руками, то лучше распрощаться с этой идеей, так как дома практически невозможно воссоздать все условия, да и проверить ее на прочность.

Итак, как было уже сказано, двутавровые балки могут быть не только металлическими, но и деревянными. Для них используют только лишь калиброванные сухие материалы. Это клееный брус и OSB, а также ориентированно-струженные плиты. Все это является ничем иным, как продуктами древесного происхождения, которые разработаны специально для использования в строительной области. Они обладают достаточной устойчивостью к внешним воздействиям различного характера и механической прочностью.

Металлические двутавры в основном изготавливаются из низколегированных и углеродистых сталей. Первые имеют несколько улучшенные механические свойства, коррозионную стойкость, однако стоимость последних ниже, что определяет их преимущество. Кроме того, углеродистые стали обладают невысоким модулем упругости. И те, и другие являются достаточно жесткими, что позволяет использовать их в силовых элементах различных конструкций.

4 Где и почему применяют двутавровую балку?

Независимо от материала изделия такие балки очень надежные, ведь с их уровнем прочности и жесткости конкурировать достаточно сложно. При этом данный строительный материал относительно легкий, за исключением некоторых видов, и его без труда можно перевозить. Стоимость балок не сильно высокая, что также является значительным плюсом, а работать с ними невероятно легко. Монтаж металлических изделий обычно осуществляется довольно быстро посредством сварки, также для этой цели используются болты и заклепки. Кроме того, при необходимости можно заказать балку, которая будет соответствовать индивидуальным размерам, однако в этом случае нужно, чтобы были соблюдены необходимые соотношения между ее показателями.

Недостатки же могут иметь следующий характер: вероятность возникновения коррозии, правда, существуют разные способы обработки металла, чтобы защитить его от такого дефекта. Если говорить о деревянных изделиях, то они легковозгораемые, но опять-таки, после специальной обработки этот недостаток можно также устранить.

Двутавровые балки имеют ряд преимуществ, что делает их незаменимым элементом в строительстве, особенно при возведении домов, а также промышленных зданий по каркасной технологии. Кроме того, за счет малого веса, такой строительный материал нашел свое широкое применение при монтаже помещений мансардного типа, для стропильных систем, а также при возведении кровли абсолютно любой сложности.

Они участвуют при монтаже несущих конструкций домов, сделанных из натурального дерева, лестничных пролетов. Специальные двутавровые балки колонного типа являются незаменимыми в возведении колонн и мостов. Еще иногда они участвуют при армировании, например, шахтных стволов. Таким образом, видно, что двутавровая балка – металлопрокат, без которого трудно представить современное строительство.

Назначение и применение двутавровой балки

При строительстве дорожных, промышленных, общественных и других крупных объектов необходима надежная арматура. Для обеспечения повышенной прочности в опорных конструкциях применяют стальные двутавровые балки. Они легко справляются с большими нагрузками.

Что такое двутавровая балка

Одним из самых популярных видов фасонного металлопроката признана двутавровая балка, для изготовления которой используется простая углеродистая или низколегированная сталь. Внешне изделие выглядит, как длинномерный профиль из металла со специфическим симметричным сечением – из шейки и двух параллельных полок, напоминающим букву «Н», положенную на бок.

Такая форма придает конструкции дополнительную жесткость и устойчивость, позволяет достичь необходимого распределения нагрузки. Двутавр в несколько раз превосходит по этим параметрам уголки и квадратный профиль. Все параметры производимых балок описаны в государственном стандарте ГОСТ Р 57837-2017.

О производстве балки

Металлургические комбинаты выпускают двутавровые балки в большом сортаменте. По способу изготовления металлоконструкции делятся на две большие группы: горячекатаные и сварные. Каждая из них имеет свои достоинства и недостатки.

Горячекатаное производство

Производственный процесс проводится по ГОСТу на рельсобалочных станах проката. Заключается в деформации стального прямоугольного профиля (блюма), нагретого до температуры 1100-1200 0 С. С помощью обжатия приводными роликами заготовке придают необходимую форму.

Преимущества горячекатаных балок:

• монолитность;
• простой процесс изготовления;
• показатели прочности и жесткости выше, чем у сварных балок.

Недостатками таких изделий считаются не совсем ровная поверхность, остатки следов роликов и окалины на поверхности. Оборудование рассчитано на определенные размеры проката и не имеет возможности быстро перестроиться на специальный заказ.

Автоматическая сварка

Этот метод используют небольшие металлообрабатывающие заводы с мелкосерийным производством. Листовую сталь режут на заготовки. Далее на фрезерном станке обрабатывают кромки. Элементы собирают на прихватки, сваривают на сварочном станке с применением флюса. Проверяют с помощью ультразвука. Сварочное производство двутавра имеет свои преимущества:

• Кроме стандартных изделий по ГОСТ можно делать индивидуальные балки по чертежам заказчика.
• Есть возможность изготавливать изделие с усиленными утолщенными участками по специальным проектам.
• Возможно производство биметаллических двутавров с элементами из разных марок стали.

Сварные балки имеют более товарный вид. У них нет окалины и ржавчины после очищения дробеметной установкой. Металлоемкость сварной конструкции ниже горячекатаных, исходя из чего, их цена тоже ниже.

Классификация стальных двутавров

Кроме различия двутавровых балок по способу производства они классифицируются по другим признакам:

• По форме – с наклоненными гранями внутренних полок (от 6 до 12%) и с параллельными гранями. Области применения обоих типов различны.
• По соотношению размеров – нормальные (Б), узкополочные (У), среднеполочные (Д), широкополочные (Ш), опорно-колонные (К).
• По длине – мерной длины, немерной длины, кратной мерной длины.

Металлоконструкции с наклонными внутренними гранями могут быть изготовлены только горячекатаным способом. Их делят на:

• О – обычные, угол наклона по ГОСТ 8239-89 от 6 до 12%;
• М – монорельсы для подвесных путей с углом не более 12%;
• С – специальные с углом наклона до 16%.

Двутавры с наклонными гранями могут производиться обычной точности (В) и повышенной (Б).

Особенности маркировки

Обозначение металлоконструкции основывается на форме поперечного сечения и соотношения геометрических размеров. Основным размером двутавра считается расстояние между наружными гранями полок, т.е. его высота.

Рассмотрим несколько примеров.

С параллельными полками

В соответствии с гомологическим рядом ГОСТа размеры изменяются:

• высота – от 10 до 100 см;
• ширина от 55 до 400 см.

Пример 1

16Б2 – нормальная балка с высотой 16 см, цифра после буквы – профилеразмер данной серии.

Пример 2

26Ш1 – широкополочная двутавровая балка с высотой 255 мм и профилеразмером серии 1.

С уклоном внутренних граней

Выпускаются такие балки согласно размерному ряду:

• высота – 100-600 мм;
• ширина – 55-190 мм;
• угол наклона – 6-12%.

В маркировке ставится число, обозначающее высоту в см. Далее идет буква, указывающая на точность изготовления.

Пример 1

14В – двутавр с наклонными гранями повышенной точности с высотой 140 мм.

Маркируется изделие на торцах с помощью стойкой краски с указанием номера заказа, чертежа и обозначения балки.

Сфера применения

Так как двутавровая балка является несущим элементом и придает любой конструкции прочность и жесткость, то применяют ее повсеместно при строительстве объектов самого разного назначения.

Незаменима данная арматура везде, где необходимо выносить высокие нагрузки при вертикальном поперечном воздействии. Изделие используют при возведении:

• мостов;
• подвесных путей;
• подземных переходов, паркингов;
• железнодорожных тоннелей;
• подкрановых путей;
• стадионов, спортивных бассейнов;
• эстакад.

Двутавровая балка является частью перекрытий между этажами зданий, кровли, играет важную роль при конструировании тяжело-нагруженных зданий, например, небоскребов. Используется двутавр также при сооружении конструкций стен котлованов, монорельсовых дорог.

Преимущества и недостатки

По сравнению с другими видами металлопроката двутавровая балка обладает самыми высокими прочностными характеристиками, благодаря форме сечения, которая распределяет силовые нагрузки по всей металлоконструкции.

К преимуществам двутавра также можно отнести:

• нечувствительность к механическому и атмосферному воздействию;
• противостояние усадке здания;
• небольшой вес по отношению к тем нагрузкам, которые выдерживает металлоконструкция;
• устойчивость к изгибу и сжатию;
• возможность использования сварки при монтаже, что ускоряет процесс строительства;
• постоянство геометрических параметров;
• экономичность – позволяет обойтись без дополнительных элементов укрепления.

Недостатками двутавровой балки считаются:

• Низкая устойчивость к коррозии.
• Плохое противостояние скручиванию.
• Малая огнестойкость. При пожаре может произойти разрушение здания.
• Невозможность использования на больших пролетах.

Основные критерии выбора двутавра

Для правильного выбора двутавровой балки нужно определиться:

• с материалом изделия – это может быть углеродистая сталь обыкновенного качества, строительная, мостостроительная, низколегированная прокатная сталь или алюминиевые сплавы.
• со способом его изготовления – горячекатаный или сварной;
• с назначением балки – нагружаемые или не нагружаемые конструкции.

Далее нужно определить размеры балки. Для этого используют действующие нормы СНиП и формулы для расчета из сопромата. Также нужно знать и использовать предполагаемые статические и динамические нагрузки, которые должен выдержать объект при его эксплуатации.

Прочность балки зависит от площади поперечного сечения, длины балки, материала, способа фиксации металлоконструкции. Их нужно правильно рассчитать и выбрать.

Двутавр: размеры, характеристики

Двутавровая балка, или в просторечии двутавр, наряду со швеллером и стальным уголком является одним из основных видов металлопроката, используемых в строительстве, изготовлении стальных конструкций как несущих, так и вспомогательного назначения. Благодаря оптимальному соотношению «вес двутавра – продольная жесткость» прокат широко используется в качестве основных конструкционных элементов для мостовых пролетов, ферм, опорных сборок и железобетонных плит перекрытия.

Нормативные документы на двутавр

Двутавр представляет собой композицию из центральной вертикальной плоской балки и двух опорных полок, верхней и нижней. Технология изготовления проката такова, что в ней нет сварных швов, поэтому изначально в конструкции нет остаточных напряжений и пластических деформаций. Поэтому упрощается расчет строительных конструкций на несущую способность, достаточно правильно определить условия приложения нагрузки. Остальные данные, момент сопротивления, длину и массу — из таблицы сортамента.

На сегодня двутавр выпускается в нескольких исполнениях по следующим стандартам:

• Двутавровый пролет общетехнического и специального назначения в соответствии с ГОСТом №19425-74;
• Балки стальные горячекатаные ГОСТу № 8239-89;
• Двутавровые балки стальные специального назначения в определении ГОСТов №535-88 и №19425-74.

К сведению! Кроме государственных стандартов, многие металлургические предприятия выпускают двутавр по собственным техническим СТО, которые могут отличаться от норм, установленных ГОСТом.

Прочность и несущая способность конструкционного элемента зависит от веса проката, размеров полок и взаимных пропорций профиля. Проще всего определить вес 1 метра двутавра из таблицы, приведенной в сортаменте или любых машиностроительных справочниках. Как правило, нормативной считается длина балки, равная 13 м, но на практике длину проката определяют заказчики, поэтому металлобазы и заводы-производители могут для нужд логистики и перевозки реализовать более широкий диапазон размеров. Чаще всего тяжелые двутавровые прогоны покупаются отрезками 10 м и 4 м. Более легкие балки нарезаются отрезками, кратными 4 м.

Масса двутавровой балки

Если планируется закупка проката для малобюджетного строительства, например, эллинга или складского помещения, будет полезным знать массу балки в стандартном отрезке. Сразу стоит оговориться, что специалисты транспортных компаний оперируют тоннами, а проектировщики – длинами двутаврового проката. Поэтому на вопрос, сколько весит двутавр 30 метрический, в первом случае ответ будет — 27 метров в тонне, во втором — 36,5 кг, подразумевая массу одного метра.

Насколько отличаются погонные массы балок соседних размерных рядов? Вес 1 метра двутавра 27 составит всего 31,5 кг. Для следующего размера №33- масса 42 кг, а вес двутавра 40 – уже 57 кг.

Получается, что с увеличением размера прогона масса и момент сопротивления растет значительно быстрее, чем геометрическая высота. Для сравнения приведем соотношение масс и размеров балок, широко используемых в домашнем строительстве:

• Двутавр 12 вес 1 метра составляет 11,5 кг, момент сопротивления – 39,7 см 3 ;
• Двутавр 14 вес 1 метра -13,7 кг, момент – 81,7 см 3 ;
• Двутавр 16 вес 1 метра – 15,9 кг, момент сопротивления составляет 109 см 3 ;
• Двутавр 18 вес 1 метра – 18,4 кг, момент относительно подошвы профиля – 143 см 3 .

Масса двутавровых балок строительной группы, используемых в промышленности, при возведении силовых каркасов, перекрытий многоэтажных зданий и мостов:

• Двутавр 20 вес 1 метра 21кг, момент сопротивления — 184 см 3 ;
• Двутавр 24 вес 1 метра 27 кг, момент сопротивления — 289 см 3 ;
• Двутавр 30 вес 1 метра 36,5 кг, момент сопротивления — 482 см 3 ;
• Двутавр 40 вес 1 метра 57 кг, момент сопротивления — 953 см 3 .

Человек наблюдательный сразу заметит, что номерное обозначение проката фактически соответствует его высоте. Размерный ряд составлен так, что каждый последующий профиль увеличивает момент инерции или момент сопротивления на 10%. Размерный ряд высот двутавровых балок от 10 до 40 идет с шагом в 3 мм, для профиля выше 40 см шаг увеличивается до 5 мм.

Конструкция двутавровой балки и особенности ее устройства

Устройство двутавра приведено на схеме. Для определения свойств и характеристик в ГОСТе и сортаменте используются как минимум четыре дополнительные характеристики:

• Расположение полок – параллельное или с уклоном;
• Размеры горизонтальных полок двутавра относительно вертикальной стойки;
• Вес 1 метра двутавра и нормативная длина проката;
• Класс точности изготовления профиля, повышенная точность маркируется литерой «А», рядовая или обычная – литерой «В».

Кроме того, сортаментом выделена в отдельные категории высота и ширина вертикальной перемычки. На первый взгляд, эти параметры тоже имеют достаточно весомый вклад в прочность и жесткость профиля, на самом деле их приводят только для того, чтобы знать геометрические размеры балки при проектировании конструкции. Существенного дополнения вертикальная перемычка не вносит, мало того, в некоторых заказных марках проката стальные балки изготавливаются с большим количеством отверстий в вертикальной перемычке.

Особенности устройства двутавровой балки

Основным документом, определяющим конструкцию проката, является ГОСТ 19425-74. Государственный стандарт описывает все используемые в строительстве марки двутавровых балок. Понятно, что одну и ту же балку не используют для строительства опор или в качестве подвесных направляющих для шахтного оборудования. В соответствии с требованиями нормативного документа все профили разделяют на несколько категорий:

• Балки нормального исполнения с параллельным расположением полок, в обозначении проката используется литера «Б»;
• Узкополочный профиль, применяется для изготовления составных пролетов большой длины, в обозначении присутствует литера «У»;
• Широкополочные плоскопараллельные балки с увеличенными размерами верхних и нижних полочных элементов, литера «Ш»;
• Специальные виды профиля: «Д» — дополнительные, с шириной, занимающей промежуточное значение между нормальной и широкой серией.

Кроме перечисленных видов, существуют также колонный профиль – «К», с максимальной шириной полки, равной высоте вертикальной перемычки, и «М»- специальные двутавровые балки, используемые в качестве подвесной системы опор вагонеток.

Понятно, что особенности конструкции влияют на такие характеристики, как масса одного метра и момент сопротивления. Для упрощения ситуации сравним изменение в массе двутавровых балок нестандартного исполнения. Например, вес 1 метра двутавра 20б1 равен 21,3 кг, а вес 1 метра двутавра 20ш1 с широкими полками почти на 30% больше- 30,6 кг. Аналогично двутавр 25ш1, вес 1 метра равен 44 кг, а в нормальном исполнении вес 1 метра двутавра 25б1 –всего 25,7 кг. Разница более чем существенная.

Для иллюстрации можно посмотреть нестандартного двутавра категории «М» — двутавр 24м, вес 1 метра составляет 38кг, двутавровая балка аналогичной высоты, но в нормальном исполнении весит всего 27кг.

Что такое прочность двутавра

Двутавровая балка была задумана, как конструкционный или строительный элемент с оптимальным распределением напряжений в профиле. Почему так важно знать все приведенные элементы двутавра? От геометрии, размеров и взаимного расположения горизонтальных и вертикальных элементов зависит основная характеристика двутавра — момент сопротивления. Условно ее можно представить, как площадь сечения двутавра, умноженную на расстояние от основания до геометрического центра Н-образной фигуры.

Понятно, что наибольшим моментом сопротивления будет обладать профиль не с самой большой массой, а тот, у которого площадь сечения отнесена на максимальное расстояние от нижней полки. Вот поэтому двутавровые балки такие разные.

Основной вклад в прочность балки на изгиб принадлежит горизонтальным полкам. Классический способ применения заключается в том, чтобы заставить ее работать на изгиб с максимальным нагружением горизонтальных элементов. Для иллюстрации можно воспользоваться приведенной выше таблицей и сравнить момент сопротивления двутавра в вертикальном и горизонтальном направлении. Можно увидеть, что при изгибе относительно оси X двутавровый прокат оказывает сопротивление почти в два раза сильнее, чем при нагрузке вокруг оси Y.

Исключение составляют профили категории «Ш» и «К». Для широкополочных двутавровых балок момент сопротивления по обеим осям имеет приблизительно сопоставимое значение. Такой профиль устанавливается в конструкциях, где условия нагружения более сложные, чем простой изгиб. Широкополочный двутавр способен воспринимать сложную пространственную нагрузку без потери устойчивости.

Прокат категории «К», или колонные профили вообще выпадают из общего ряда двутавровых балок. Их используют в первую очередь в качестве опорных элементов – свай или колонн, поэтому для оценки несущей способности применяется в первую очередь момент инерции, характеризующий устойчивость профиля при осевой нагрузке. Размеры полок и вертикальной перемычки подобраны так, чтобы при нагрузке по продольной оси профиля двутавровая балка была нагружена равномерно и не выгибалась дугой.

Балки серии «К» могут использоваться в качестве несущих колонн при возведении больших складских помещений, в малоэтажном строительстве, особенно если здание приходится устанавливать на участке со сложным рельефом и большим уклоном. В этом случае колонны связываются напрямую с элементами свайного фундамента.

Отдельно стоит вспомнить двутавр категории «М», один из самых востребованных в частном строительстве. По сути, двутавровая балка применяется в качестве опорного монорельса для подвесного транспорта. Нижняя полка изготавливается увеличенной толщины и с минимальным размером галтелей. Такие балки удобно использовать для сборки любых домашних конструкций, они легче и прочнее двутавра обычного исполнения.

Такой профиль идеально подходит для изготовления потолочного перекрытия в гаражах, сараях, хозяйственных и подсобных помещениях, где требуется высокая прочность потолочной плиты. Двутавровые балки укладываются на стены с шагом 80-100 см, а промежутки между прокатом заполняются бетонными плитами или отрезками асбестоцементных труб.

Заключение

В качестве материалов для изготовления двутавровых балок применяется рядовая конструкционная сталь Ст3-Ст5. Благодаря этому профиль отлично режутся, сверлятся, свариваются электросваркой, не меняя своих основных характеристик. Горячекатаные балки за счет вторичной термообработки обладают более высокой прочностью, чем рядовые, но такой прокат стоит дороже и требует отжига и нормализации перед использованием в ответственных конструкциях.

Применение разных видов двутавровых балок

Двутавровая балка — это строительный элемент в виде горизонтального бруса. При возведении зданий и сооружений, балка выступает незаменимой деталью конструкции, так как на нее оказывается значительное давление. Важно при расчетах выбрать правильные параметры изделия для безопасной эксплуатации постройки.

Особенности двутаврового профиля

Двутавровая балка — разновидность сортового металлопроката. Профиль двутавра характерен Н-образной формой сечения. Такая конструкция используется для перераспределения нагрузки по вертикали и горизонтали. Двутавровые балки различные размеры и весовые категории.

Для обозначения профилей введена специальная нумерация и маркировка, что облегчает выбор конструктивного элемента. Так как при выборе габаритов балки учитываются особенности возводимого объекта и расчетные нагрузки на конструкцию здания.

Балки характеризуются устойчивостью к повышенным нагрузкам и отсутствию реакции на изменения во внешней среде.

Благодаря своим характеристикам двутавр широко используется при возведении каркасных зданий и сооружений.

Помимо металлических двутавровых изделий существуют балки, выполненные из древесины, которые также имеют разнообразный размерный ряд. Использование деревянных профилей снижает нагрузку на основание, ускоряет процесс строительства и уменьшает расходы при устройстве фундамента.

Применение

• эстакады и мосты;
• шахты и метро;
• тоннели для железнодорожного и обычного транспорта;
• конструкции котлованов и устройств укрепления береговой линии;
• производственные цеха, склады;
• грузовые платформы, железнодорожные вагоны и транспортные суда.

Помимо этого строительный элемент довольно популярен при устройстве мансардных помещений. Успешно применяется в стропильных системах и при монтаже кровли.

Балки используются не только в строительстве железобетонных сооружений или металлоконструкций, но и при возведении деревянных домов и лестниц.

Двутавры применяют при пролетах, ширина которых достаточно большая для того, чтобы задействовать бетонные конструкции. Перекрытие в таком случае, в отличие от балки, не сможет выдержать предполагаемую нагрузку.

Независимо от материала двутавры представляют собой надежные строительные. К тому же профили, за исключением некоторых видов, имеют незначительный вес, что позволяет их легко транспортировать на место строительства. Работа с двутаврами не представляет особой сложности: монтаж осуществляется с помощью сварки, а также заклепок и болтов.

Преимущества и недостатки двутавровых балок

• Способность выдерживать нагрузки во всех направлениях;
• удобство при перевозке, возможность рационального хранения и простота монтажа;
• благодаря особой форме при производстве профиля используется меньше материала, при этом двутавр легче сплошных балок;
• возможность использования ручной газосварки или электродуговой сварки при монтаже;
• жесткость конструкции, обеспеченная Н-образным сечением, сводит крутящий момент к нулю;
• устойчивость к влиянию атмосферных осадков и механических разрушений;
• изготовление балки на заказ, учитывая индивидуальные размеры.

• Невысокие показатели огнестойкости, что может привести к разрушению всей конструкции;
• неустойчивость против возникновения коррозии, нужно обрабатывать специальными покрытиями;
• неспособность обеспечить жесткость при больших пролетах.

Несмотря на перечисленные недостатки, двутавровые балки остаются востребованными в разных областях строительства.

Материалы

• железобетонные профили применяют при возведении гражданских и крупнопромышленных зданий, металлоконструкций, перекрытий, подвесных путей и опор мостовых сооружений;
• углеродистая сталь занимает 80% рынка производства двутавров, отличается технологическими и прочностными параметрами;
• низколегированная прокатная сталь характеризуется устойчивостью к динамическим нагрузкам благодаря содержанию кремния, алюминия и марганца;
• сталь, для мостостроения, является самым прочным сплавом, который наделен возможностью сопротивления циклическим нагрузкам;
• алюминиевый сплав применяется, когда необходимо уменьшить вес конструкции, к тому же двутавры из алюминия обладают повышенными коррозийными характеристиками.

Производство двутавровых профилей осуществляется на крупных предприятиях, при этом выпускаются большие партии строительных элементов.

Существует не менее популярный вид двутавра, выполненный из дерева. Его применяют для формирования каркаса построек, устройства перекрытий между этажами или стропильной системы, а также возведения балконов и мансард. Профиль состоит из двух брусьев хвойных пород и плит ОСБ между ними. Конструкция не деформируется при большой нагрузке, имеет гладкую поверхность и не требует специальной техники для монтажа.

Горячекатаные и сварные балки

По способу производства металлические двутавры бывают горячекатаные и сварные.

Горячекатаные двутавры изготавливают путем прокатки при высоких температурах на специальном прокатном стане. Профиль формируется из раскаленной болванки из стали, в результате чего получается монолитная балка без швов. Процесс производства отличается простотой. При этом горячекатаный двутавр отличается надежностью и прочностью.

• монолитность изделия благодаря отсутствию швов;
• наличие типоразмеров, что упрощает расчет конструкции;
• стандартные двутавры всегда доступны на оптовых складах.

• утолщенные стенки приводят к увеличению веса балки и конструкции в целом;
• наличие окалины на поверхности после процесса прокатки;
• ограниченность в размерах, так как на российском рынке представлены двутавры шириной не более 40 см и длиной — 12 м;
• производство осуществляется только на крупных предприятиях, что значительно увеличивает стоимость транспортировки в небольшие населенные пункты.

Помимо горячекатаных изделий производят сварные двутавровые балки. Они довольно широко используются при возведении жилых и общественных зданий, а также промышленных объектов. Процесс изготовления представляет собой соединение металлических полос при помощи сварки. Сварной двутавр переносит большие нагрузки, при этом практически не подвержен скручиванию.

• производство изделий с учетом ширины полки, дополнительных ребер жесткости и перфорации;
• изготовление профилей с составом из разных марок стали;
• ускоренный срок производства и доставки;
• небольшой вес, что значительно уменьшает количество средств, затраченных на возведение фундамента и стен.

Из недостатков сварных изделий можно назвать наличие швов после сварки, что в некоторой степени понижает прочность конструкции. Для укрепления балки приваривают дополнительные ребра жесткости в виде пластин. Использование металлических пластин приводит к лишним затратам и удорожанию проекта.

Параметры конструкции согласно сортаменту

Все металлические двутавровые балки выполняются в соответствии с требованиями нормативных документов. При этом профили имеют определенную регламентом форму и состав.

Исходя из этого, можно легко подобрать параметры балок, необходимых для отдельно взятой конструкции.

• высота (Н) — расстояние от верхней до нижней плоской полки;
• ширина (В) — поперечная длина полок двутавра;
• толщина стенки (S) — толщина плоскости, расположенной между полками;
• средняя толщина стенки (t) — полки к краям сужаются, а к середине — расширяются, поэтому толщина высчитывается по формуле: B-S/4;
• радиус внутреннего закругления — размер закругления полок в месте присоединения к стенке.

При этом длина двутавровой балки — 4-15 метров.

Соотношение массы и размеров двутавра нужны при расчете количества балок и выбора способа перевозки строительных изделий. Сколько весит двутавровая балка можно узнать в таблице.

Классификация двутавровых балок

Двутавровые балки отличаются по нескольким показателям, в связи с этим имеют различную маркировку. Параметры профилей разных марок можно найти в таблице сортаментов изделий. Исходя из конструкции, двутавры делятся на три основных вида: стандартный профиль, широкополочный и колонный. Также существует несколько дополнительных категорий.

Нормальный или стандартный двутавр (Б) используется при средних нагрузках. Применяют в основном при строительстве зданий и сооружений, эстакад, мостов и тоннелей, а также для железнодорожного транспорта.

Широкополочный двутавр (Ш) применяется при повышенных нагрузках. Он обладает долговечностью благодаря форме и расположению полок. Профиль характерен высокими показателями прочности, жесткости и коэффициентом сопротивления при сжатии и изгибе.

Колонный тип двутавра (К) отличается толщиной перемычек и полок, что делает изделие устойчивым к механическим нагрузкам. Местом применения являются колонны и опорные конструкции. Одним из минусов данного типа является мощное сечение балок, что приводит к увеличению веса.

Монорельс (М) имеет специальное назначение. Так как полки двутавра располагаются под наклоном, его используют для создания системы транспортировки на производственных складах.

Специальный двутавр (С) с различными расположениями полок: параллельным или под наклоном. В основном применяется при выполнении армирования шахт.

Узкополочный двутавр (У) характеризуется уменьшенной шириной полок. Используется в качестве опор для слабонагруженных конструкций.

Дополнительный двутавр (Д) не попадает ни в одну из обозначенных категорий. Изготавливают такие балки на заказ по индивидуальным параметрам.

Двутавровая балка имеет различные параметры, что определяет их сферу применения. При этом выпуск двутавров строго регламентируется государственными нормативными документами. Благодаря контролю производства, стандартам и нормам с помощью двутавровых профилей можно обеспечить прочность и долговечность возводимого сооружения.

Двутавр. Виды и применение. Материалы и производство. Особенности

Двутавр, или двутавровая балка – вид металлопроката с Н-образной формой поперечного сечения. Форма изделия делает его устойчивым к высоким нагрузкам. Благодаря этому материал используется в строительной сфере в качестве несущего элемента, к примеру, при укладке перекрытий.

Размеры и свойства

Длина двутавровой балки бывает в пределах 3, 6 и 12 м. На металлобазах и в строительных магазинах возможна порезка на другие ходовые размеры. Двутавры благодаря форме имеют самую высокую удельную прочность среди всего строительного фасонного металлопроката. Это обусловлено наличием двух широких ребер жесткости. Они эффективно работают в обе стороны. Благодаря этому балка из двутавра при одинаковом весе на погонный метр, к примеру, со швеллером, согнется при гораздо большей нагрузке.

Высота балки может составить 100-1000 мм, ширина полок 55-400 мм. Столь широкий диапазон размеров вызван обширностью использования двутавра в строительстве. По уровню жесткости и прочности двутавровая балка может приравниваться к монолитному бруску металла аналогичного размера. При этом ее масса как минимум в 10 раз ниже. Благодаря меньшему весу ее легче транспортировать, укладывать в конструкции, она стоит дешевле.

Сфера применения

Двутавровые балки рассчитаны на нагрузку на изгиб и сжатие. Их применяют как при строительстве металлокаркасных сооружений, так и армирования кладки, бетона. Наличие двутавра предотвращает не равномерную усадку, образование трещин кладки, сдвига здания.

Двутавры нашли применение в каркасной технологии строительства деревянных домов. Балки используются в качестве ростверка под столбчатый фундамент. Они объединяют столбы в единое основание, поверх которого собирается каркасное строение уже из дерева. Двутавр полностью исключает прогиб основания в местах большей нагрузки. Давление строения распределяется равномерно по всем столбам.

Разбор сечения

Промышленностью производятся различные двутавровые балки Н-образного сечения, отличающиеся между собой по ряду параметров. Для оценки из качеств берутся во внимания размерные показатели отдельных поверхностей профиля, а также расчетные данные.

Они обозначаются латинскими буквами:

• h — высота.
• b — ширина.
• s — центральное сечение.
• t — сечение полки.
• r — радиус.
• A — площадь сечения поперечного среза.
• Jx, Jy — моменты инерции.
• Wx, Why — моменты сопротивления.
• is, it — радиусы инерции.

Касаемо размерных показателей и толщины сечения, то эти параметры вполне понятны. Они измеряются в миллиметрах. Естественно чем шире и толще поверхности, тем крепче балка. Однако на жесткость и прочностные параметры влияют не только размеры, но и металл, из которого сделан двутавр. Два одинаковых по размеру изделия из разных сталей поведут себя при нагрузке по-разному. Чтобы их различать, также введены расчетные показатели: момент сопротивления и момент инерции. Эти величины показывают уровень сопротивляемости балки к деформации. То есть, при какой нагрузке та согнется. Оба показателя крайне важны при строительстве. Ориентируясь на них в проекте можно определить количество балок под ту или иную нагрузку.

Виды двутавра по форме сечения

Для разных строительных задач осуществляется производства двутавра с особенными формами торцевой части. По этому критерию балки разделяют на 4 вида:

• С уклоном полок.
• Обычный.
• Широкополочные.
• Колонные.

Балки с уклоном полок имеют внутренний скос на 8-10 градусов. Такое сечение обеспечивает прокат максимальными показателями прочности и жесткости. Он используется при строительстве, где подразумевается многотонная нагрузка.

Обычный двутавр имеет строго параллельные между собой полки. Угол между ними и центральной частью профиля составляется 90 градусов. Это незначительно, но снижает стойкость изделия к нагрузкам, и соответственно стоимость металлопроката. Такой материал принято обозначать в технической документации буквой «Б». Его используют для сооружения менее нагруженных конструкций. Применение нормального двутавра для проектов, где по расчетам должна использоваться балка «А», запрещено с уклоном полок.

Широкополочная двутавровая балка отличается более широкими полками. Их размер больше в 1,5 раза, в сравнении с нормальным прокатом. Это способствует увеличению жесткости и стойкости к нагрузкам на 40%. Широкополочная балка маркируется буквой «Ш».

Колонные двутавры являются самыми прочными, поскольку имеют еще более расширенные полки. Это способствует увеличению их прочности и жесткости на 100%. Материал может использоваться в качестве несущей конструкции перекрытия, так применяться как стоечный профиль при сооружении масштабных металлоконструкций.

Как делается двутавр

Двутавровая балка производится по двум технологиям:

• Горячего проката.
• Сварки.

Сложная форма сечения не позволяет изготавливать двутавровый профиль методом холодного проката. Ни один тип стали при столь сильной деформации не способен сохранить целостность. Большинство балок являются горячекатаными. Стальная заготовка разогревается докрасна и прокатывается через систему вальцов. Как следствие она деформируется, укатываясь до Н-образного сечения.

Производство методом горячего проката делает металл внутри двутавра не напряженным. Его структура изначально не стремится согнуться в сторону. Это во-первых снижает риск его прогиба под нагрузкой, а во вторых, минимизирует перелом при критической перегрузке.

Сварной двутавр составляется из 3-х полос. Они в свою очередь изготавливаются горячим прокатом и подгоняются под строгие размеры. Две узкие полосы используются в качестве полок, а одна широкая применяется как основа. Полосы свариваются между собой электросваркой под флюсом. Это дает очень прочное соединение, но уступающее по крепости горячему прокату, являющемуся полностью монолитным.

Материалы изготовления

Двутавровая балка может изготавливаться из разных типов сталей:

• Углеродистые.
• Строительные.
• Низколегированные.
• Для мостостроения.

Углеродистые стали применяются для изготовления 80% двутавра представленного на рынке. Их популярность обусловлена простотой обработки, и оптимальным соотношением затрат на производство, и получаемой прочностью. Они имеют нормальные показатели стойкости к температурным колебаниям, отличаются умеренной скоростью коррозии.

Строительные стали представлены марками С235, С245 и С255. В них присутствует гораздо меньше примесей, что способствует большей устойчивости к нагрузкам, в частности деформации или слому. Их применяют для строительства тяжелых несущих конструкций.

Низколегированные прокатные стали отличаются большей устойчивостью к динамическим нагрузкам. Это делает возможным их использовать при кораблестроении, для изготовления вертолетных площадок и прочих конструкций, на которые может оказываться резкое давление.

Стали для мостостроения применяются для изготовления двутавра особенно ответственных конструкций. Они выдерживают максимальное количество циклов динамической нагрузки. Кроме мостов, их применяют для армирования небоскребов. Такой двутавр служит долго и надежно. Также для него характерна замедленная коррозия.

Балка двутавровая

Двутавр или двутавровая балка – это вид металлопроката, представляющий собой длинномерный профиль с поперечным сечением в виде буквы «Н». Он образован двумя параллельными полками и соединяющей их стенкой. Такое сечение хорошо работает при воздействии изгибающих нагрузок, поэтому используется в качестве балок и колонн в строительстве.

Характеристики горячекатаного двутавра

В строительстве и машиностроении находят применение несколько видов двутавровых балок. В зависимости от геометрических особенностей их можно разделить на две большие группы:

• двутавр, внутренние грани полок которого наклонены относительно наружных;
• двутавр, изготавливаемый с параллельными гранями полок.

Балка с уклоном полок

Чертеж профиля двутавра с уклоном внутренних граней полок

Этот вид продукции производится по требованиям ГОСТ 8239. Исторически он был освоен первым, поскольку прокатка полок под уклоном 6-12% технологически проще, чем без уклона. Продукция маркируется словом «Двутавр» и номером двутавра, который отображает высоту изделия (размер стенки) в сантиметрах.

Предприятия выпускают двутавровые балки от №10 (высота h=100 мм, ширина полки b = 55 мм, толщина стенки s = 4,5, номинальная толщина полки t = 7,2 мм) до №60 (h=600 мм, b = 190 мм, s = 12 мм, t = 17,8 мм). Длина изделий составляет 4-12 м.

Продукция может быть изготовлена из углеродистых сталей обыкновенного качества типа Ст3сп (технические требования по ГОСТ 535), качественных конструкционных и легированных марок (технические требования к прокату повышенной прочности по ГОСТ 27772 или ГОСТ 19281). Выпускается прокат повышенной (Б) и обычной (В) точности. Для изделия регламентируется отклонение по размерам, прогиб стенки, перекос полки, положение и размеры фланцев, кривизна по длине, притупление кромок и другие параметры.

Кроме того, к категории с уклоном внутренних граней полок продукции относятся двутавры специальной серии по ГОСТ 19425, которые предназначены для армирования ствола шахты (маркируются числом, обозначающим высоту в см, и буквой «С») и для обустройства подвесных путей (обозначаются значением высоты изделия в см и буквой «М»). По указанному стандарту выпускаются следующие типоразмеры балок:

• от 14С (h=140 мм, b = 80 мм, s = 5,5 мм, t = 9,1 мм) до 36 С (h = 360 мм, b = 140 мм, s = 14 мм, t = 15,8 мм);
• от 18М (h = 180 мм, b = 90 мм, s = 7 мм, t = 12 мм) до 45М (h = 450 мм, b = 150 мм, s = 10,5 мм, t = 18 мм).

Балка с параллельными полками

Чертеж профиля двутавра с параллельными гранями полок

Двутавр, имеющий параллельный полки, считается более экономичным с точки зрения соотношения массы и несущей способности изделия. Он производится по требованиям ГОСТ 26020 длиной до 24 м.

Выпускаются три больших группы типоразмеров:

• нормальные двутавры маркируются числом (высотой в см), буквой «Б» и номером типоразмера (могут выпускаться несколько типоразмеров одной высоты, незначительно отличающиеся по размерам полок и стенки). По соотношению высоты к ширине полки (h/b около 2) эта разновидность аналогична балкам с уклоном внутренних граней полок. Выпускаются типоразмеры от 10Б1 (h = 100 мм, b = 55 мм, s = 4,1 мм, t = 5,7 мм) до 100Б4 (h = 1013 мм, b = 320 мм, s = 19,5 мм, t = 32,5 мм);
• широкополочные двутавры маркируются по тому же принципу, но обозначаются буквой «Ш». Эта разновидность имеет соотношение высоты к ширине полки h/b около 1,5, то есть, лучше противостоит скручиванию и является более экономичной при высоких нагрузках на балку. Выпускаются типоразмеры от 20Ш1 (h = 193 мм, b = 150 мм, s = 6 мм, t = 9 мм) до 70Ш5 (h = 718 мм, b = 320 мм, s = 23 мм, t = 36,5 мм);
• колонные двутавры имеют тот же принцип маркировки, но обозначаются буквой «К». Этот вид имеет соотношение высоты к ширине полки h/b около 1 и, как следует из названия, может эффективно применяться для сооружения колонн. Выпускаются типоразмеры от 20К1 (h = 195 мм, b = 200 мм, s = 6,5 мм, t = 10 мм) до 40К5 (h = 431 мм, b = 400 мм, s = 23 мм, t = 35,5 мм);
• двутавры дополнительной серии перед буквенным обозначением типа балки имеют маркировку в виде буквы «Д», например, 27ДБ1 или 40ДШ1.

Следует отметить, что в России также используется стандарт СТО АСЧМ 20-93, выпущенный Ассоциацией Черметинформ. В этом документе приведены практически те же типоразмеры, что и в ГОСТ 26020 с незначительными отличиями по геометрическим параметрам.

Технология производства горячекатаного двутавра

Принцип горячей прокатки

Горячекатаную балку производят методом горячей прокатки, который широко используется для других видов фасонного и сортового проката. Сущность этого метода заключается в постепенной деформации заготовки (обычно это блюм прямоугольного сечения) из прямоугольника в Н-образный профиль путем обжатия парами приводных роликов, объединенных в прокатную клеть. Прокатные клети, в свою очередь, создают технологическую линию прокатного стана, в которой сталь и приобретает конечную форму.

Каждый ролик имеет специальные проточки кольцевого типа, называемые калибрами. В ходе вращения металл затягивается в калибры, сжимается и меняет свою форму. ЗА несколько этапов сталь перераспределяется между полками и стенкой, зерно измельчается, а прочность металла увеличивается. Предварительный нагрев заготовки до 1100-1200°С делает металл пластичным, что позволяет катать его с большим обжатием и, соответственно, обеспечивает высокую производительность процесса и качество прокатки. Из-за нагрева процесс и получил свое название – горячая прокатка.

Схема деформации заготовки в двутавровый профиль

Впервые горячую прокатку двутавра запатентовал Альфонс Хэлбоу (1849 год) из компании Forges de la Providence, которая и стала развивать этот метод. Двутавровый профиль стал особенно популярен во времена активного строительства небоскребов, так как позволял создавать относительно легкие и прочные конструкции. Основным производителем, который продвигал этот вид стройматериалов, стал завод Bethlehem Steel (правопреемником является известная компания ArcelorMittal)

Сейчас процесс ведется на станах рельсобалочного линейного и универсального типа. Среди основных производителей в России можно перечислить следующие предприятия:

Но это не весь список производителей двутавров. Полный список производителей представлен на этой странице.

Характеристики и технология производства сварного двутавра

Внешний вид сварного двутавра переменной высоты

Сварная двутавровая балка по геометрическим характеристикам аналогична двутавру с параллельными гранями полок. Обычно производство такой продукции осуществляют небольшие заводы металлоконструкций и другие металлообрабатывающие предприятия. В качестве заготовки используется листовая сталь, которая сваривается автоматической сваркой под флюсом. Естественно, производство сварного двутавра является мелкосерийным или штучным, что сказывается на его цене.

При этом метод отличается следующими преимуществами:

• кроме изделий с размерами по ГОСТ 26020, может выпускаться любой тип двутавров по чертежам заказчика;
• существуют технологии изготовления двутавра с усиленными элементами, когда на определенных участках стенка или полки утолщаются – это позволяет изготавливать балки под конкретные проекты с просчитанными нагрузками;
• также может производиться биметаллический двутавр, элементы которого изготавливаются из разных марок стали.

Применение двутавра

Памятник строителям небоскребов в Нью-Йорке, обедающая на двутавровой балке.

Двутавр, отличаясь хорошим сопротивлением изгибающим нагрузкам, находит основное применение в строительстве. Он используется для обустройства балок в частных домах, вспомогательных постройках, в конструкции гражданских, промышленных и инфраструктурных объектов, в мостостроении и других сферах. Двутавр играет важную роль при конструировании тяжело-нагруженных зданий и сооружений, например, при строительстве небоскребов и других высотных зданий.

Двутавр в конструкции подвесной кран-балки

Машиностроение является еще одним крупным потребителем двутавровой балки .Специальный вид двутавра находит применение для крепления горных выработок и при обустройстве подвесных путей для лебедок и другого подъемно-транспортного оборудования в заводских помещениях, на автомойках, мастерских и на прочих промышленных участках.