Двутавровые балки металлические и деревянные: особенности и характеристики

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).

Содержание:

• 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

Свое название балка двутавровая 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.

Благодаря своим эксплуатационным свойствам, двутавровые балки различных конструкций 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.

Балки двутавровые 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

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.

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:

1. На торцевой кромке обоих профилей снимается фаска, обеспечивающая качественный провар. Балки тщательно позиционируют и сваривают по всему периметру.
2. 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.
3. 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:

1. Стыкуемые двутавры соединяются, через накладки, крепежными изделиями, из высокопрочных и легированных марок стали.
2. После установки крепежных изделий свариваются пояса.
3. 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.