Двутавры: виды профилей и выбор сечения

Двутавр — самый распространённый профиль в строительных металлоконструкциях. Его форма идеально подходит для работы на изгиб: основная масса металла сосредоточена в полках, удалённых от нейтральной оси, а тонкая стенка связывает их и воспринимает поперечную силу. Из двутавров делают балки перекрытий, колонны, ригели рам, подкрановые балки, опоры эстакад и монорельсы.

Однако «двутавр» — это целое семейство профилей с разными пропорциями и назначением. Балочный профиль с узкими полками плохо работает в колонне, а колонный с широкими полками неэкономичен в балке. Ошибка в выборе типа сечения ведёт к перерасходу металла или, наоборот, к недостаточной устойчивости. В этой статье инженеры завода разбирают виды двутавров, их маркировку и правила выбора сечения.

Как работает двутавровое сечение

При изгибе наибольшие напряжения возникают в крайних волокнах сечения. Двутавр размещает металл именно там — в полках, поэтому его момент сопротивления на единицу массы значительно выше, чем у прямоугольного или круглого сплошного сечения. Стенка при этом воспринимает касательные напряжения от поперечной силы и удерживает полки на заданном расстоянии.

Сильная и слабая оси

У двутавра две главные оси. Относительно оси, перпендикулярной стенке, момент инерции велик — это сильная ось, и именно на изгиб относительно неё рассчитаны балочные профили. Относительно оси, параллельной стенке, жёсткость в разы меньше. Поэтому балки из двутавра нуждаются в раскреплении сжатого пояса из плоскости, а колонны — в профилях с широкими полками, уменьшающих разницу между осями.

Потеря устойчивости

Для балок критична потеря устойчивости плоской формы изгиба: незакреплённая сжатая полка выпучивается вбок, а сечение закручивается. Для сжатых элементов — потеря устойчивости относительно слабой оси. Для тонких стенок и широких полок — местная потеря устойчивости. Все эти проверки выполняются по СП 16.13330.

Виды прокатных двутавров

Двутавры с уклоном внутренних граней полок

Классический профиль, обозначаемый числом без буквы: 20, 30, 40. Внутренние грани полок имеют уклон, что упрощает прокатку, но усложняет болтовые соединения — требуются косые шайбы. Полки относительно узкие. Сегодня такие профили применяются реже, в основном для монорельсов и ремонтных работ.

Двутавры с параллельными гранями полок

Современный сортамент по ГОСТ Р 57837 и связанным стандартам содержит профили с параллельными гранями полок, удобные для болтовых соединений и сварки. Они делятся на серии по соотношению ширины полки к высоте.

• Б — нормальные балочные. Узкие полки, высокая стенка. Оптимальны для балок перекрытий и прогонов с раскреплённым сжатым поясом.
• Ш — широкополочные. Полки шире, выше жёсткость из плоскости. Применяются для ригелей рам, балок с большими пролётами без частого раскрепления, лёгких колонн.
• К — колонные. Ширина полки близка к высоте сечения, жёсткости по осям сближаются. Основной профиль для колонн и сжатых элементов.
• Д — дополнительные серии. Профили с промежуточными характеристиками для особых задач.

Как читать маркировку

Обозначение 30Б1 означает: номинальная высота около 30 сантиметров, нормальный балочный, первый вариант толщин. Цифра после буквы указывает номер типоразмера в пределах одной высоты: чем она больше, тем толще стенка и полки, тем больше масса и несущая способность. Так, 30Б2 тяжелее 30Б1 при той же номинальной высоте.

Сравнение серий двутавров

Сварные двутавры

Когда прокатного сортамента недостаточно — по высоте, по несущей способности или по форме, — используют сварные двутавры из трёх листов: двух полок и стенки.

Преимущества

• Высота и толщины подбираются точно под расчётные усилия, без лишнего металла.
• Возможность переменной высоты стенки для ригелей рам, повторяющей эпюру моментов.
• Разные толщины полок для несимметричных нагрузок, например в подкрановых балках.
• Возможность применения разных марок стали для полок и стенки.

Изготовление

На заводе листы для полок и стенок раскраиваются на станках с ЧПУ, кромки для стенок переменной высоты вырезаются по программе с точностью ±0,1 мм. Сборка ведётся на стендах с фиксацией геометрии, поясные швы выполняются полуавтоматической или автоматической сваркой в среде защитных газов по ГОСТ 14771. После сварки контролируется грибовидность полок и серповидность, при необходимости выполняется правка.

Когда сварной выгоднее прокатного

При высоте сечения свыше 60 сантиметров и в ригелях рам пролётом более 18 метров сварной двутавр обычно дешевле прокатного за счёт экономии металла. Для небольших балок и массовых элементов прокат выигрывает благодаря отсутствию сварки.

Как выбрать сечение

Для балки

1. Определить расчётную схему, пролёт и нагрузки, построить эпюры моментов и поперечных сил.
2. Выяснить условия раскрепления сжатого пояса: настил, прогоны, связи.
3. При частом раскреплении выбрать профиль серии Б, при редком — серии Ш.
4. Проверить прочность, устойчивость плоской формы изгиба и прогиб.
5. Проверить местную устойчивость стенки и полок, при необходимости поставить рёбра.
6. Проверить опорные участки на смятие и местные напряжения.

Для колонны

1. Определить расчётные длины в двух плоскостях с учётом связей.
2. Для центрального сжатия с близкими расчётными длинами выбрать серию К.
3. Для внецентренного сжатия с преобладающим моментом в одной плоскости рассмотреть серию Ш или сварной профиль.
4. Проверить общую устойчивость в обеих плоскостях и местную устойчивость элементов сечения.

Типичные ошибки

• Колонна из балочного двутавра серии Б без раскрепления из плоскости.
• Балка серии К, где полки не используются, а масса велика.
• Отсутствие рёбер в местах приложения сосредоточенных нагрузок.
• Неучёт ослабления сечения отверстиями в зоне максимального момента.

Соединения двутавровых элементов

Выбор профиля неотделим от выбора узлов. Параллельные грани полок современных двутавров позволяют выполнять болтовые соединения без косых шайб, а ровные полки упрощают приварку фланцев и опорных столиков.

Шарнирное примыкание балки

Балка крепится к колонне или главной балке через стенку: парной накладкой или односторонней пластиной на болтах. Полки при этом не соединяются, и узел передаёт только поперечную силу. Такие узлы просты и технологичны, но требуют системы связей для обеспечения жёсткости каркаса.

Жёсткий фланцевый узел

К торцу ригеля приваривается фланец, который крепится к колонне высокопрочными болтами с контролируемым натяжением. Узел передаёт момент, но требует точной обработки торца и плоскостности фланца, а в колонне — рёбер жёсткости напротив полок ригеля.

Стыки по длине

Длинные элементы стыкуются фланцами или накладками. Место стыка выбирается в зоне минимальных усилий, а для колонн — на отметке, удобной для монтажа.

Материал двутавров

Прокатные двутавры поставляются из сталей С255 и С345 по ГОСТ 27772, а также из других марок по договорённости с металлургами. Выбор стали определяется группой конструкций и расчётной температурой района. Для сварных двутавров листы для полок и стенки подбираются отдельно, что даёт дополнительную гибкость.

Обработка и защита

После резки в размер двутавры сверлятся под болтовые соединения, к ним привариваются опорные плиты, рёбра и фланцы. Затем выполняется абразивная очистка и нанесение защитного покрытия: грунт-эмали или порошковой краски в соответствии с требованиями СП 28.13330 для заданной агрессивности среды. Готовые элементы маркируются по отправочным маркам и отгружаются с учётом очерёдности монтажа.

Завод изготавливает балки и колонны из прокатных и сварных двутавров любой длины и сложности. Подробнее — в разделе продукции.

Итоги

Двутавр — универсальный профиль, но его эффективность зависит от правильного выбора серии. Балочные профили серии Б подходят для балок с раскреплённым поясом, широкополочные серии Ш — для ригелей и балок с редким раскреплением, колонные серии К — для сжатых элементов. Сварные двутавры позволяют создавать сечения точно под нагрузку и переменной высоты, что даёт экономию на больших пролётах.

Подбор сечения — всегда комплексная задача: прочность, общая и местная устойчивость, прогибы, узлы. Если вам нужен подбор профилей или изготовление балок и колонн по вашим чертежам, обратитесь к нам через раздел контактов.