Как выбрать двутавр

Двутавровые балки являются одним из наиболее популярных видов металлопроката, который широко применяется в строительстве, машиностроении. Их уникальная форма обеспечивает высокую прочность при относительно низком весе, что делает их незаменимыми для создания несущих частей, мостовых сооружений, каркасов зданий и других инженерных решений.

Подробно о видах и характеристиках двутавровых балок рассказали в этой статье: https://steelradar.ru/article/dvutavr-chto-eto/

Рассмотрим, на какие характеристики и особенности следует обратить внимание при выборе стального двутавра.

Ключевые характеристики для выбора двутавра

Геометрические параметры — ширина и высота — определяют несущую способность, а также область, в которой изделие может быть применено:

1. Высота двутавровой балки (обозначается как h) — это расстояние между верхней/нижней полками, измеряемое по вертикали. Ширина (обозначается как b) — это ширина полок, измеряемая по горизонтали. Ширина (b) и высота двутавров (h) регламентируются межгосударственным стандартом ГОСТ 35087-2024. Высота двутавра оказывает влияние на его способность выдерживать изгибающие силы. Чем больше высота профиля, тем выше его инерционность и, соответственно, тем большую силу он может выдерживать без значительных деформаций.
2. Ширина полок двутавровой балки также оказывает влияние на выбор типа профилей. Широкополочные двутавры лучше распределяют внешнее влияние.

Величина стенок изделия

Толщина стенок (обозначается как s) и толщина полок (t) являются важными параметрами, определяющими прочность на сжатие, растяжение. Толщина стенок (s) и толщина полок (t), прокатных двутавров, также регламентируются межгосударственным стандартом ГОСТ 35087-2024. Стенка двутавра соединяет его верхнюю и нижнюю полки, принимая на себя значительную часть вертикальной нагрузки.

Чем больше толщина стенки, тем выше устойчивость конструкций к продольным изгибающим силам. Однако чрезмерное увеличение толщины может привести к избыточному весу, что нежелательно с точки зрения экономии сырья, упрощения монтажа. Например, если на двутавровую балку оказывается давление в местах опоры или крепления оборудования, полки должны быть достаточно прочными, чтобы избежать деформации.

Какие материалы применяются

Механические свойства, срок службы во многом зависят от сырья, из которого профиль изготовлен. Чаще всего для производства используют углеродистую или низколегированную сталь. Углеродистая сталь чаще всего соответствует маркам стали С255 и С245, а также Ст3 и Ст5. Низколегированная сталь соответствует маркам С355, С345, 09Г2С.  Эти виды стали характеризуются высокой прочностью, хорошей пластичностью и способностью противостоять механическим повреждениям.
Для более специфических условий эксплуатации могут использоваться другие материалы:

1. Стальные двутавровые балки чаще всего применяются в тех случаях, когда эксплуатация изделия будет производиться в условиях повышенной влажности или при влиянии агрессивных химических сред.
2. Алюминиевые сплавы — используются там, где важен легкий вес при сохранении достаточной прочности.
3. Высоколегированные стали — обеспечивают повышенную устойчивость к коррозии, температурным перепадам. Такие материалы часто используются в мостостроении или при создании конструкций в сейсмоопасных зонах.

Как подобрать двутавровую балку

В современном производстве двутавровых балок применяются два основных метода:

1. Горячекатаные — изготавливаются путем прокатки цельной металлической заготовки при высоких контролируемых температурах.
2. Сварные — создаются путем соединения отдельных металлических листов или полос с помощью сварки, формируя заданный профиль.

Оба способа имеют свои особенности, однако двутавры, изготовленные методом горячего проката, обладают рядом значительных преимуществ, которые делают их наиболее востребованными для решения множества инженерных задач.

1. Горячекатаная двутавровая балка изготавливается из цельного металлического заготовочного материала, что исключает наличие швов. Отсутствие швов является ключевым преимуществом, поскольку соединения являются потенциальными зонами слабости. Швы подвержены дефектам (например, пористости или трещинам), которые могут снижать общую прочность.
2. Благодаря однородной структуре материала они устойчивы к деформациям. В отличие от них, сварные же могут испытывать локальные деформации в зонах сварки из-за неоднородности сырья, остаточных напряжений, возникающих в процессе сварки.
3. Процесс горячей прокатки сопровождается термомеханической обработкой металла, которая снимает внутренние напряжения. Это делает двутавровые балки, изготовленные методом горячего проката, более стабильными в эксплуатации. Сварные, напротив, подвержены возникновению остаточных напряжений в зоне шва. Эти напряжения могут проявляться в виде деформаций или даже трещин при неблагоприятных условиях эксплуатации.
4. Горячекатаные двутавровые балки обладают высокой коррозионной стойкостью благодаря равномерной плотности и химического состава металла. Для повышения коррозийной стойкости могут применятся защитные покрытия (цинкование, окраска). В сварных двутаврах — зоны швов часто становятся очагами коррозии из-за различий в химическом составе, структуре металла между основным материалом и сварочным швом.
5. Двутавровые балки горячего проката выпускаются в строгом соответствии с государственными, международными стандартами (например, ГОСТ, EN или ASTM). Это позволяет инженерам легко подобрать необходимый профиль для конкретной задачи без необходимости изготовления нестандартных изделий. Сварные чаще всего изготавливаются под заказ, что увеличивает сроки производства и стоимость изделия.
6. Несмотря на то, что стоимость двутавровых горячекатаных балок может быть несколько выше по сравнению с аналогичными изделиями, их применение оказывается более выгодным в долгосрочной перспективе.

Когда выбирать двутавровые балки сварного типа?

Несмотря на очевидные преимущества балок горячего проката, существуют ситуации, когда использование сварных профилей оправдано:

• Когда требуется изготовление нестандартного профиля с особыми геометрическими параметрами.
• При необходимости создания сверхгабаритных конструкций, которые невозможно изготовить методом горячей прокатки.
• В случае ограниченного бюджета на этапе закупки сырья (при условии грамотного контроля качества швов).
• Для сварных конструкций теперь рекомендуется использовать СТБ 2450-2023 (для Беларуси) или ГОСТ Р 58970-2020 (для РФ).

Однако даже в таких случаях необходимо учитывать все риски, связанные с эксплуатацией, принимать меры по их минимизации.

Условия эксплуатации

Определение подходящего типа изделия обуславливается особенностями эксплуатации, предъявляемыми требованиями. Перед тем как принять решение, важно проанализировать следующие характеристики условий использования:

Расчетные нагрузки на сооружение:

• Постоянные (статические): собственный вес, оборудование, перекрытия.
• Переменные (динамические): транспортные потоки, вибрации, ветровые, сейсмические эффекты.

Климатические условия:

• Температурные перепады.
• Длительное действие критично высоких или низких температур.
• Уровень влажности, вероятность коррозии.

Вероятное влияние агрессивной окружающей среды:

• Реакции с участием химических веществ или солей.
• Эксплуатация в морской воде или промышленных зонах с повышенной коррозионной активностью.

Требования к сроку службы:

• Долговечность без необходимости частого обслуживания.
• Устойчивость к деградации со временем.

Экономическая эффективность:

• Стоимость сырья.

Подбор двутавра с учетом параметров нагрузки

Это важнейший этап проектирования. Неправильный выбор типа или некорректный расчет может привести к деформациям, снижению надежности конструкции или даже к ее разрушению. Все силы, действующие на изделие, делятся на два основных типа: постоянные и временные.

Постоянные

В качестве постоянных следует учитывать:

1. Собственный вес. Он является первой, неизбежной нагрузкой, которую необходимо закладывать при проектировании. Горячекатаные имеют более однородную структуру металла, что позволяет снизить вероятность локальных деформаций под действием собственного веса. В сварных - зоны швов могут стать «слабыми местами», особенно при длительной эксплуатации.
2. Массу перекрытий, общий вес. Горячекатаные - лучше справляются с такими воздействиями благодаря отсутствию швов, которые могут ослаблять конструкцию. Кроме того, горячекатаный профиль имеет более точные геометрические параметры, что упрощает расчет нагрузок, монтаж.
3. Оборудование, инженерные системы. Постоянные нагрузки также включают вес оборудования, инженерных систем (трубопроводов, вентиляции) или других стационарных элементов. Горячекатаные - демонстрируют высокую устойчивость к длительным статическим воздействиям без риска возникновения остаточных деформаций.

Временные

Временные нагрузки — возникают на определенный период времени и способное изменяться под действием внешних условий или эксплуатационного режима. Они включают:

1. Динамические. Возникают при движении транспортных средств, работе оборудования, вибрациях или ударах.
2. Снеговые. Зависят от климатических условий, сезона. Например, зимой на крыши зданий может оказывать значительное давление слой снега.
3. Ветровые. Воздействие ветра на здания и сооружения может быть как постоянным, так и переменным в зависимости от силы, направления ветра.
4. Эксплуатационные. От людей, техники, грузов или материалов, находящихся на конструкциях.
5. Сейсмические. Кратковременные, возникающие при землетрясениях.

Учет динамических нагрузок

Вот основные шаги, которые помогут сделать правильный выбор:

1. Определение характера динамических нагрузок (по типу, частоте, амплитуде, продолжительности, а также массе и скорости движущихся объектов).
2. Расчет динамического коэффициента. Динамическая сила всегда больше статической из-за инерционных эффектов. Для учета этого используется динамический коэффициент Kd. Динамический коэффициент (Kd) зависит от типа нагрузки и может быть найден в нормативных документах (СНиП, СП).
3. Проверка на усталостную прочность. Если влияние носит циклический характер (например, многократные повторяющиеся усилия), необходимо учитывать усталостную прочность элемента.
4. Анализ собственных частот. Динамические силы могут вызвать резонанс, если частота внешнего воздействия совпадает с собственной частотой.
5. Выбор материала, сечения.
6. Проверка на вибрации. Если конструкция подвержена вибрациям, необходимо проверить уровень амплитуд колебаний, их влияние на работу конструкции.
7. Обязательно следует учесть местные нормы, правила, установленные на законодательном уровне (например, СНиП, СП или Eurocode).
8. Для сложных конструкций рекомендуется выполнить численное моделирование методом конечных элементов (FEM).

Учет строительных норм

Правильный выбор двутавровых балок требует не только технических расчетов, но и строгого соблюдения строительных норм (СНиП, ГОСТ, СП). Эти документы определяют:

1. Прочностные характеристики элементов. Нормы указывают минимальные значения прочности, жесткости и устойчивости, которые должна обеспечивать балка.
2. Допустимые нагрузки. СНиП, СП регламентируют расчетные значения постоянных и временных сил, включая эксплуатационные, ветровые, снеговые и сейсмические действия.
3. Геометрические параметры профиля. Стандарты определяют размеры двутавровых балок, их форму, толщину стенок, полок.
4. Устойчивость конструкции. Учитываются требования к устойчивости против прогиба, кручения или потери устойчивости.

Также необходимо учитывать следующие нормативные документы:

1. СП 16.13330.2017 (Сталежелезобетонные конструкции). Содержит требования к проектированию стальных балок, включая расчет на прочность, устойчивость и долговечность.
2. СНиП 2.01.07-85. Устанавливает расчетные значения нагрузок (постоянных, временных, климатических) для различных типов сооружений.
3. СП 20.13330.2016. Обновленный документ, заменяющий СНиП 2.01.07-85, с уточненными расчетными значениями.

Подберите подходящий для вашей задачи двутавр в каталоге STEEL RADAR: https://steelradar.ru/catalog/balka-dvutavrovaya/