От прочности и выносливости несущих конструкций зависит не только срок службы постройки, но и безопасность людей. Именно поэтому при проектировании зданий и сооружений особое внимание уделяется расчету балочных систем.
В силу своих конструктивных особенностей, двутавровая балка обладает высокой прочностью и может эффективно противостоять изгибу, скручиванию и осевым нагрузкам (растяжение, сжатие).
- Преимущественная особенность двутавровой конструкции
- Виды и применение
- Преимущества и недостатки
- Технические характеристики
- Особенности стыковки двутавровых балок с накладками
В данной статье будут подробно рассмотрены материалы, виды и технические характеристики двутавров. Поскольку расчет и проектирование любой металлоконструкции требуют знания справочных данных, в статье также приводятся таблица размеров и весов стальных и деревянных двутавровых балок, со ссылкой на соответствующие ГОСТы.
Особенности и преимущества двутавровой конструкции
Двутавровая балка свое название получила благодаря «Н»-образному поперечному сечению. В отличие от таврового проката, она имеет две параллельных плоскости, что более чем в два раза повышает ее сопротивление изгибу, крутящим моментам и осевым нагрузкам. Помимо этого, «Н»-образный профиль обладает высокой жесткостью и устойчивостью к деформации.
Еще одним преимуществом двутавровых профилей является то, что при укладке одного на другой несущая способность сборной балки увеличивается в 3-4 раза.
Двутавровые балки благодаря своим эксплуатационным свойствам получили самое широкое распространение в строительстве, машиностроении и других отраслях промышленности. Использование изделия позволяет существенно снизить вес конструкции и увеличить ее несущую способность.
Важно! Временное сопротивление при разрыве двутавров и цельнометаллического профиля соответствующих размеров практически не различаются, в то время как вес двутавровой балки в 10 раз меньше.
Виды и применение
Существует несколько разновидностей двутавра, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. Область применения той или иной модификации определяется конструктивными особенностями, способом изготовления и используемым материалом.
Двутавровые балки горячекатаные
Стальной двутавровый покат разделяется на две разновидности: балки, полки которых имеют параллельные грани (ГОСТ 26020-83) и балки, имеющие на внутренних гранях уклон от 12 до 16% (ГОСТ 8239-89и ГОСТ 19425-74).
Двутавровые балки с уклоном внутренних граней
Балки с уклоном внутренних граней, согласно ГОСТ 8239-89, выпускаются в двух исполнениях:
- «Б» - повышенной точности;
- «В» - обычной точности.
Область применения специальных балок с уклоном внутренних граней регламентируется ГОСТом 19425-74 и имеют соответствующую маркировку:
- «М» - Наклон внутренней грани не превышает 12%. Применяются при устройстве подвесных рельсовых путей для мостовых кранов;
- «С» - Наклон до 16%. Чаще всего применяются для укрепления стволов шахт и изготовления особо ответственных конструкций.
Балка с параллельными гранями полок
Согласно ГОСТ 26020-83, высота горячекатаной стальной балки с параллельными гранями полок может составлять от 100 до 1000 мм, а ширина полки – от 55 до 400 мм. Согласно тому же стандарту, в зависимости от области использования различают балки:
- «Б» - нормальные. Такие балки используются при возведении колон решетчатого типа;
- «Ш» - с широкими полками. У такого проката высота балки равна ширине полки. Такая конфигурация способствует восприятию сжимающих усилий в поддерживающих колоннах;
- «К» - колонные. Используются при монтаже несущих колонн;
- «Д» - двутавровые балки дополнительной серии. Применяются в промышленном строительстве, тяжелом машиностроении и т.д.
Эксплуатационные свойства
Для рассматриваемого профиля характерна высокая прочность при изгибе и сжатии, именно поэтому двутавры часто используются в качестве основных несущих элементов. Применение двутавровых балок практически полностью исключает сдвиг и усадку в процессе эксплуатации металлоконструкции.
Основными преимуществами горячей прокатки являются высокая производительность и приемлемая точность, однако в процессе прокатывания на поверхности изделий образуется окалина.
Основными факторами, влияющими на несущую способность двутавровых горячекатаных балок, являются:
- используемый материал. В некоторых случаях конструкционные стали могут быть заменены низколегированными сталями. Такая замена целесообразна при монтаже металлоконструкций, работающих в условиях крайнего севера и особо ответственных конструкций;
- габаритные размеры. При увеличении пролета несущая способность двутавровой балки заметно снижается;
- наличие уклона на внутренней грани полки. Балки с параллельными гранями полок выдерживают меньшую нагрузку;
- цикличность нагрузки и метод крепления балок. Предел выносливости при знакопеременных нагрузках существенно меньше чем при воздействии статических нагрузок.
Балка сварная двутавровая
Самое широкое распространение сварные двутавровые балки получили в строительстве и машиностроении. Учитывая тот факт, что прочность сварных конструкций практически не отличается от прочности горячекатаного двутавра, в некоторых случаях выгоднее использовать сварные изделия.
Производство сварной двутавровой балки
Технологический процесс изготовления сварного двутавра включает в себя следующие этапы:
- заготовка металлических полос необходимой толщины;
- снятие фаски на свариваемых кромках (наличие соответствующей фаски значительно увеличивает качество сварных швов);
- установка и фиксация элементов на специальном сборочном стане;
- автоматическое сваривание элементов в защитной среде специальными комплектами сварочных головок;
- отпуск, устранение дефектов и обработка торцов готовых изделий;
- дробеструйная обработка сварной конструкции.
Важно! Современная технология сваривания балок предусматривает лазерный контроль качества сварного шва и своевременное устранение возможных дефектов сварки.
По желанию заказчика, за дополнительную плату, возможно нанесение грунтовки и лакокрасочного покрытия.
Модификации сварных двутавров
Модельный ряд сварных двутавровых балок включает в себя, прежде всего, конструкции, соответствующие горячекатаным профилям с параллельными гранями полок (ГОСТ 26020-83) «Б», «Ш», «К» и «Д» модификаций. Кроме того, различают:
- нестандартные изделия, изготавливаемые согласно специально оформленным техническим заданиям;
- облегченный двутавровый профиль, имеющий специальные отверстия в стенке, наличие которых позволяет существенно снизить вес балки, не утрачивая прочности. Такие конструкции получили широкое распространение в авиационной промышленности;
- модификации с переменным сечением;
- двутавры, полки которых имеют различную ширину;
- двутавровые балки имеющие ребра жесткости. Изделия применяются в металлоконструкциях, работающих в условиях знакопеременных и циклических нагрузок.
Маркировка
Для расшифровки обозначения «Н»-образного профиля необходимо знать следующее:
- первыми двумя цифрами обозначается высота профиля, измеренная в сантиметрах (см);
- следующие далее буквы «Б», «Ш», «К» или «Д» обозначают тип профиля в соответствии с шириной полки;
При маркировании сварных двутавров должны быть указаны:
- код изготовителя;
- габаритные размеры профиля в миллиметрах (мм): высота стенки х толщина стенки; ширина полок х толщина полок;
- размер катета в миллиметрах (мм) и буквы «О», «Д» и «П» обозначают параметры сварного шва:
«О» - односторонний;
«Д» - двусторонний
«П» - полный провар стенки;
- наименование соответствующей технической документации.
В скобках может быть указано наименование аналогичного горячекатаного профиля.
Материалы, применяемые при изготовлении
Согласно ГОСТу 8239-89 и ГОСТу 26020-83 для производства двутавров могут использоваться:
- углеродистая конструкционная сталь (ГОСТ 380-2005). Материал отличается доступной стоимостью и высокими прочностными характеристиками;
- сталь строительная (ГОСТ 27772-88). Содержит минимальное количество вредных примесей;
- алюминиевые сплавы (ГОСТ 4784-97). Обладает высокими антикоррозионными и эстетическими свойствами. Широко применяется в авиации, автомобилестроении, декорировании фасадов и т.д.;
- высокопрочные стали, применяемые при строительстве мостов (ГОСТ 4784-97). Используется при монтаже металлоконструкций, работающих экстремальных климатических условиях, устойчив к воздействию циклических и знакопеременных нагрузок.
Деревянные двутавровые балки
Самое широкое распространение двутавровые деревянные балки получили в частном строительстве. В зависимости от модификации изделия могут применяться на самых разных участках строительных работ.
Особенности конструкции
В качестве полок используется строганый брус из хвойной породы, роль полки выполняет ОСБ плита, отличающаяся высокими прочностными характеристиками и влагостойкостью. Конструктивные особенности деревянного клееного двутавра позволяют, не деформируясь, выдерживать значительные изгибающие нагрузки без дополнительных укрепляющих элементов.
Особенности технологии изготовления позволяют избежать растрескивания и деформации, а дополнительная обработка специальными пропитками для древесины полностью исключает биологическое разрушение балки. К главным достоинствам деревянных двутавров относятся:
- длительный срок службы;
- прочность;
- высокая нагрузочная способность;
- доступная цена.
Кроме того, деревянные двутавровые балки отличаются относительно небольшим весом.
Ровная и гладкая поверхность полок позволяет использовать деревянные балки при устройстве кровли, укладке лаг, монтаже подвесных потолков, перегородок и т.д. Установка производится без использования специального оборудования и инструмента, что позволяет произвести монтаж самостоятельно, сэкономив значительные средства.
Классификация деревянных двутавровых балок
В зависимости от назначения и конструктивных особенностей различают следующие модификации деревянных двутавров:
- БДК - балка деревянная клееная. Элементы конструкции склеиваются синтетическими смолами в условиях повышенного давления. Используется в пролетах небольшой длины;
- БДКУ - балка деревянная клееная усиленная. Ширина полки увеличена до 64 мм, чего достаточно для использования гвоздей в качестве крепежных элементов. Усиленные балки могут использоваться в средних и длинных пролетах;
- БДКШ - балка деревянная клееная широкая. Ширина полки такой балки составляет 89 мм, что позволяет использовать изделие в конструкциях, подверженных максимальным статическим нагрузкам;
- СДКУ - стеновая деревянная клееная усиленная. Изделие может служить основным элементом при монтаже каркаса легкой постройки;
- СДКШ - стеновая деревянная клееная широкая. Чаще всего применяется при обшивке перегородок стеновыми панелями.
Литера «Л» в обозначении говорит о том, что полки двутавра выполнены из высокопрочных брусьев, что существенно увеличивает прочность изделия.
Стандартная длина деревянной двутавровой балки - 6м. В зависимости от несущей способности, высота полки может быть составлять 457; 406; 356; 302 и 241 мм.
Преимущества и недостатки
Применение двутавров обеспечивает следующие преимущества:
- оптимальная геометрия сечения позволяет обеспечить минимальный расход материала при максимальной несущей способности, что значительно облегчает конструкцию;
- для металлоконструкций изделии характерны длительный период эксплуатации и высокие прочностные характеристики;
- эксплуатационные характеристики четко определены соответствующими ГОСТами, что облегчает проектирование несущих металлоконструкций;
- конструктивные особенности горячекатаных изделии обеспечивают возможность их применения в металлоконструкциях повышенной сложности, работающих в экстремальных условиях;
- при равной несущей способности, удельный вес двутавра значительно меньше, чем удельный вес любого равнопрочного профиля.
На фоне таких достоинств, недостатки двутавров выглядят не убедительно:
- двутавровые балки плохо переносят скручивание;
- горячекатаный прокат имеет ограниченное количество габаритных размеров;
- сварные балки нередко нуждаются в дополнительном армировании;
- двутавры из конструкционных углеродистых сталей легко поддаются коррозии, что вынуждает прибегать к дополнительной обработке металлоконструкций.
Технические характеристики двутавров
При проектировании и расчете металлоконструкций не обойтись без справочной информации, характеризующей размеры и вес двутавровых балок.
Металлические двутавры: размеры и вес
Горячекатаные двутавровые балки с параллельными гранями полок ГОСТ 26020-83
Обозначение двутавра |
Размеры, мм |
Масса 1 м балки, |
|||
h |
b |
S |
t |
||
Нормальные двутавры |
|||||
10Б1 |
100 |
55 |
4,1 |
5,7 |
8,104 |
12Б1 |
117,6 |
64 |
3,8 |
5,1 |
8,658 |
12Б2 |
120 |
64 |
4,4 |
6,3 |
10,37 |
14Б1 |
137,4 |
73 |
3,8 |
5,6 |
10,51 |
14Б2 |
140 |
73 |
4,7 |
6,9 |
12,89 |
16Б1 |
157 |
82 |
4 |
5,9 |
12,70 |
16Б2 |
160 |
82 |
5 |
7,4 |
15,77 |
18Б1 |
177 |
91 |
4,3 |
6,5 |
15,37 |
18Б2 |
180 |
91 |
5,3 |
8 |
18,80 |
20Б1 |
200 |
100 |
5,6 |
8,5 |
22,36 |
23Б1 |
230 |
110 |
5,6 |
9 |
25,83 |
26Б1 |
258 |
120 |
5,8 |
8,5 |
27,96 |
26Б2 |
261 |
120 |
6 |
10 |
31,16 |
30Б1 |
296 |
140 |
5,8 |
8,5 |
32,90 |
30Б2 |
299 |
140 |
6 |
10 |
36,64 |
35Б1 |
346 |
155 |
6,2 |
8,5 |
38,88 |
35Б2 |
349 |
155 |
6,5 |
10 |
43,31 |
40Б1 |
392 |
165 |
7 |
9,5 |
48,08 |
40Б2 |
396 |
165 |
7,5 |
11,5 |
54,72 |
45Б1 |
443 |
180 |
7,8 |
11 |
59,84 |
45Б2 |
447 |
180 |
8,4 |
13 |
67,47 |
50Б1 |
492 |
200 |
8,8 |
12 |
72,98 |
50Б2 |
496 |
200 |
9,2 |
14 |
80,73 |
55Б1 |
543 |
220 |
9,5 |
13,5 |
88,99 |
55Б2 |
547 |
220 |
10 |
15,5 |
97,92 |
60Б1 |
593 |
230 |
10,5 |
15,5 |
106,2 |
60Б2 |
597 |
230 |
11 |
17,5 |
115,6 |
70Б1 |
691 |
260 |
12 |
15,5 |
129,3 |
70Б2 |
697 |
260 |
12,5 |
18,5 |
144,2 |
80Б1 |
791 |
280 |
13,5 |
17 |
159,5 |
80Б2 |
798 |
280 |
14 |
20,5 |
177,9 |
90Б1 |
893 |
300 |
15 |
18,5 |
194,0 |
90Б2 |
900 |
300 |
15,5 |
22 |
213,8 |
100Б1 |
990 |
320 |
16 |
21 |
230,6 |
100Б2 |
998 |
320 |
17 |
25 |
258,2 |
100Б3 |
1006 |
320 |
18 |
29 |
285,7 |
100Б4 |
1013 |
320 |
19,5 |
32,5 |
314,5 |
Деревянные двутавры: размеры и вес
Благодаря небольшому удельному весу и высокой несущей способности, деревянные двутавры получили самое широкое распространение, особенно часто изделия применяются в частном строительстве. Размеры и вес деревянных двутавровых балок «BALKI DOMMA» приведены в таблице.
Наименование балки |
Размер бруса, axh, мм |
Высота балки, мм |
Масса 1 м балки, кг |
Серия DJS |
|||
DJS-240 |
64х40
|
240 |
3,7 |
DJS-300 |
300 |
4 |
|
DJS-360 |
360 |
4,8 |
|
Серия DJU |
|||
DJU-360 |
90х40 |
360 |
6,1 |
DJU-400 |
400 |
6,3 |
|
DJU-460 |
460 |
7,9 |
|
Серия DJН |
|||
DJН-400 |
90х39 |
400 |
6,5 |
DJН-460 |
460 |
8,3 |
|
Примечание: балки серии DJН полностью изготовлены из композитных материалов |
Особенности стыковки
В процессе монтажных работах нередко возникает необходимость стыковки двутавров. Соединение двутавровых балок может быть выполнено с помощью сварки, болтового соединения или комбинированным методом.
Стыковка с помощью сварки
Этот метод является наиболее распространенным, поскольку обеспечивает сохранение несущей способности конструкции и требует минимальных трудозатрат.
Способ 1
Торцы двутавров свариваются с металлической прокладкой. При таком способе стыковки разделка сварочных швов, как правило, не производится.
Способ 2
Второй способ предусматривает использование четырех накладок, которые привариваются к наружной плоскости полок и с обеих сторон стенки двутавра. Работы производятся в следующей последовательности:
- На торцевой кромке обоих профилей снимается фаска, обеспечивающая качественный провар. Балки тщательно позиционируют и сваривают по всему периметру.
- Далее следует заготовить усиливающие накладки, материалом для которых служит конструкционная листовая сталь. Ширина накладок привариваемых к полкам балок должна соответствовать ширине полки. Боковые накладки выкраивают таким образом, чтобы их высота не превышала высоту стенки.
- Готовые накладки укладываются непосредственно на сварной шов, фиксируются с помощью струбцин и привариваются со всех сторон. Накладки на стенки двутавра часто изготавливаются в форме ромба, это существенно упрощает проведение сварочных работ.
Поскольку сварные швы являются концентраторами напряжений, соединение двутавровых балок с помощью сварки применяется для балок, работающих в режиме умеренных нагрузок. Кроме, того, катет шва быстро стареет, что приводит к преждевременному разрушению конструкции. Чтобы этого избежать, места стыковки двутавров обрабатываются специальным грунтовочным составом.
Стыковка стальных двутавровых балок с помощью болтов
Этот метод стыковки особенно эффективен при монтаже мобильных конструкций, элементы которых приходится демонтировать и собирать вновь. К преимуществам разъемной стыковки можно отнести следующие факторы:
- сборка разъемных конструкций не требует высокой квалификации обслуживающего персонала;
- болтовое соединение не вызывает остаточной деформации профиля, нередко возникающей при проведении сварочных работ;
- контролировать качество стыковки существенно проще, чем проверять качество сварных швов;
- болтовые соединения удовлетворительно переносят ударные и вибрационные нагрузки.
К недостаткам такого соединения относятся:
- необходимость использования дополнительных укрепляющих элементов, что значительно увеличивает трудоемкость и металлоемкость работ;
- для обеспечения безопасности в процессе эксплуатации необходим постоянный контроль затяжки болтов, в противном случае, крепление может ослабнуть;
крепежные изделия, изготовленные из углеродистых сталей, довольно быстро поддаются коррозионному разрушению.
Комбинированный метод стыковки
Для создания длинномерных двутавровых балок практикуется сочетание болтовых и сварочных соединений. Стыковка проводится в следующем порядке:
- Стыкуемые двутавры соединяются, через накладки, крепежными изделиями, из высокопрочных и легированных марок стали.
- После установки крепежных изделий свариваются пояса.
- Технологические окна закрываются накладками и прокладками из листовой стали.
Для соединения деревянных двутавров могут использоваться металлические, деревянные и композитные накладки на стенки, размещаемые с обеих сторон балки. В роли крепежа применяются болты и винты, реже – саморезы или гвозди.
Принимая во внимание изложенные выше факты, можно сказать, что двутавровая балка является одним из самых востребованных профилей при возведении металлоконструкций. Способность выдерживать значительные механические нагрузки и малый удельный вес двутавра позволяют существенно повысить прочность и снизить металлоемкость конструкции.