Способы соединения двутавровых балок

Горизонтальный стальной брус с сечением в виде буквы «Н» называют двутавровой балкой. Его делают преимущественно из углеродистой или низколегированной стали. Прочное и устойчивое к нагрузкам изделие обеспечивает конструкциям стабильность и долговечность.

Двутавровые балки используются в строительстве жилых, общественных или промышленных зданий, сооружении ферм, перекрытий, элементов кровли, несущих конструкций. Двутавр характеризуется высокими показателями жесткости и несущей способности, удобен при транспортировке, устойчив к деформации, скручиванию, ударным нагрузкам

Соединение горячекатаных и сварных двутавровых балок — сложный процесс, от которого напрямую зависит прочность будущих сооружений. Рассказываем, какие типы соединения двутавров существуют, в чем их преимущества и особенности, что лучше — сварка или болтовой крепеж.

Виды соединения балок

Один из ключевых методов изготовления двутавра — метод горячей прокатки. Заготовку в виде прямоугольного профиля разогревают до температуры в 1200 градусов и прокатывают на станах, чтобы придать нужную «Н»-образную форму. Интенсивный нагрев делает металл пластичным, что повышает скорость производства. После прокатки, которая выполняется в несколько этапов, болванка приобретает требуемый размер.

Для дальнейшего использования балок может потребоваться их соединение. Кроме того, иногда требуется соединить вместе двутавры, сделанные из различных стальных сплавов, что придает готовому изделию дополнительную прочность.

Совмещение двух балок выполняют двумя основными способами — это сварка и болтовое соединение. Далее рассмотрим типовые решения по соединению двутавровых балок.

Сварное соединение

Двутавровый профиль применяют при строительстве многоэтажных жилых и общественных заданий, а также объектов производственных назначений. Иногда проекты требуют соединения двух балок в единое целое. Сборные конструкции будут прочными лишь в том случае, если строго соблюдать технологические нормативы, касающиеся совмещения изделий, регламентированные в том числе требованиями ГОСТ.

Даже небольшие ошибки при выполнении сварочных работ могут вызвать серьезные нарушения прочности и устойчивости всей конструкции. Инженеры и сварщики прекрасно знают, что каждый сварочный шов — это потенциальное снижение прочности металлоконструкции на 5-7%. При этом сам металл шва более прочен, чем основной материал. Уязвимой становится околошовная зона.

Соблюдение технологии заключается не только в аккуратной работе со сварочным оборудованием, но и в грамотном предварительном разогреве балки. Значение имеет опыт сварщика и его знания. В процессе сваривания необходимо выбрать правильный шов — если сварщик допустит ошибку, узлы соединения потеряют до 20% прочности. По этой причине исполнителю категорически не рекомендуется пренебрегать нормативами строительных ГОСТ.

Для соединения металлических балок применяется в основном электродуговая сварка. Этот вариант считается более предпочтительным, чем газовая сварка, поскольку у мастера есть возможность выбора электродов в соответствии с требованиями к готовой конструкции. Важный этап процесса — предварительный прогрев электродов и тщательная подготовка металла.

Для сварки двутавра рекомендуется использовать короткую дугу умеренной мощности. Варить лучше при прямой полярности, поскольку в этом случае электрод горит медленнее. Оптимальная скорость — 20 м/ч, но конкретные показатели зависят от вида соединения.

Преимущества сварки:

• Надежность. Квалифицированные качественные работы гарантируют долговечность шва и его устойчивость к механическим нагрузкам.
• Экономия материалов. Сварка позволяет создавать более компактные и разнообразные конструкции, чем это позволяют стандартные решения.
• Универсальность. С помощью сварки можно соединять не только двутавры между собой, но и сварить балки с другими элементами (например, швеллером), тем самым расширяя сферы их применения.
• Высокая скорость работ. При правильной организации сварка на стройплощадке не займет много времени.
• Простое обслуживания. Сварочные швы не нуждаются в столь частой проверке, как болтовой крепеж.
• Эстетичность. Профессионально выполненные сварные соединения аккуратно выглядят, что имеет значение для видимых частей здания. 

Далее рассмотрим наиболее распространенные способы сварного соединения двутавров.

Встык

Если двутавр нужно удлинить, применяют соединение встык. Предварительно подготавливают стыкуемые кромки — их надо обработать фрезой и снять с поверхности фаску. Фрезеровка выравнивает монтажный стык, обеспечивает равномерный зазор и полный провар шва.

Применяют два варианта сварки встык — через прокладку либо с помощью накладок. В первом случае мастер вырезает прямоугольную прокладку из листа стали, по толщине сопоставимого с полками. По ширине и высоте прокладка должна на несколько миллиметров превышать показатели сечения балки.

Далее алгоритм действий следующий:

1. Соединяемые балки укладывают на ровное основание в одном уровне, обеспечивающее идеальную соосность свариваемых частей.
2. Торцы двутавров выравнивают торцовкой.
3. На кромках балок нарезают фаски под углом в 45º, чтобы сформировать более глубокий и надежный шов.
4. Детали и прокладку прочно закрепляют на станине струбцинами, а потом приваривают обе части к прокладке. После прихватки сначала соединяют полки, затем стенки.

Практикуют метод без снятия фаски — сначала элементы соединяют точечной сваркой с зазорами в два диаметра используемого электрода, проверяют геометрию стыка, после чего заполняют зазоры.

Плюсы сварки через прокладку — простота метода, невысокие трудозатраты. Тщательная и длительная подготовка кромок не требуется.

Сварка с применением накладок. Такое соединение более прочное, поэтому применяется на объектах строительства в обязательном порядке. Оно позволяет получить равнопрочный стык с основным металлом. Для одного соединения понадобится четыре накладки прямоугольного сечения — две на стенку, по одной на каждую полку.

Технология следующая:

1. Балки торцуют, зачищают кромки по каждой плоскости, затем нарезают фаски под углом в 45°, чтобы получить максимально прочный шов.
2. Элементы скрепляют торцами без зазора на станине, прихватывают сваркой и проверяют соблюдение осевой геометрии.
3. Сваривают последовательно полки и стенки.
4. Далее зачищают сварные швы шлифмашинкой, снова ставят балки на станину, закрепляют накладки струбцинами.
5. Каждую из четырех накладок обваривают по контуру.

Преимущество стыковки двутавра накладками в том, что общая длина шва будет больше, чем при использовании прокладки. По этой причине технология с накладками более надежна — полученные в результате сварки конструкции выдерживают высокие деформационные нагрузки и обеспечивают сооружениям стабильность.

Тем не менее сварка встык с прокладками и накладками применяется лишь том случае, если конструкции не будут в процессе эксплуатации подвергаться значительным нагрузками. Использовать соединенные встык балки в качестве основания кровли или несущих перекрытий недопустимо.

Под прямым углом

При соединении балка-балка под углом в 90° соблюдается следующая технология:

1. В верхней полке основной балки вырезают равнобедренный треугольник, стороны которого проходят от края полки до стенки.
2. На присоединяемой балке верхнюю полку обрезают таким образом, чтобы форма выреза соответствовала углу основного элемента.
3. Нижнюю полку присоединяемой балки срезают так, чтобы стенки обоих элементов стыковались под прямым углом.
4. Все торцы зачищают шлифмашинкой, снимают фаску.
5. Детали закрепляют струбцинами так, чтобы просвет между ними был минимальным.
6. Прихватывают сваркой, проверяют геометрию, сваривают контуры сначала полок, затем стенок.

Аналогичный тип сопряжения балок используется для сварки элементов под другими углами с поправкой на форму вырезов.

После сварки элементов рекомендуется на нижнюю часть стыковой поверхности приварить листовую накладку для усиления конструкции и повышения прочности. Важно не перегревать металл на стыках, иначе он станет хрупким и менее устойчивым к влажности и механическому воздействию.

Болтовое соединение

Болтовой крепеж используют для соединения двутавра встык. Такой способ стыковки двутавровых балок выбирают, когда соединение должно быть разборным. Сборка с помощью болтов выполняется по оригинальным чертежам или эскизам. Используются болты особой прочности либо обычные, если конструкция не будет подвергаться значительным нагрузкам.

При этом отверстия нужно располагать друг от друга на расстоянии не более трех болтовых диаметров. Важно также, чтобы к соединениям был открытый доступ, и у пользователя не возникло сложностей с монтажом и демонтажом конструкций.

Требуется фрезеровка торцов каждого элемента, чтобы обеспечить прилегание без зазоров. Понадобятся также прямоугольные накладки, которые закроют стыковые соединения на полках и с обеих сторон стенки. После этого в накладках в сборе с балками сверлят отверстия, вставляют болты и прочно закручивают гайки.

В отличие от сварки болтовое соединение разъемное, поэтому его применяют для сооружений, которым в будущем может потребоваться демонтаж. Если в процессе эксплуатации будут преобладать вибрационные нагрузки, болтовой способ совмещения двутавровых балок будет более предпочтительным. При этом уровень прочности проще контролировать, чем при сварочном соединении.   

В некоторых конструкциях вместо болтов используют заклепки. В этом случае демонтаж потребует деконструкции крепежа.

Преимущества болтового способа:

• простая сборка — не потребуется квалифицированный сварщик;
• в узлах совмещения балок нет остаточного напряжения, как при сварном шве;
• проверить качество соединения проще, чем при сварке;
• стойкость к ударным нагрузкам, тряске и вибрации.

Есть и минусы:

• периодически качество крепления придется проверять и подтягивать болты, что не во всех случаях сделать непросто, а в некоторых случаях невозможно;
• работы могут быть более длительными и трудоемкими, чем сварка;
• стандартные болты постепенно изнашиваются по причине коррозии.

Чтобы избежать последствий указанных минусов, необходимо заранее продумывать целесообразность болтового крепежа. Если конструкции установлены на высоте или доступ к соединениям затруднен, лучше использовать сварку. Выбирайте усиленный крепеж из нержавеющей стали с антикоррозийной защитой.

При выборе способа крепления в первую очередь обращают внимание на условия эксплуатации объекта и требования к прочности, обозначенные в проектной документации, например, необходимость выбора жесткого рамного узла.

Особенности соединения двутавровых балок

Будут полезны несколько экспертных рекомендаций:

• Привлекайте к работе квалифицированных сварщиков, которые в полной мере осведомлены о профильных нормативах, нормалях и требованиях ГОСТ к сварке двутавра. Для обработки кромок желательно использовать фрезерный станок с фаскоснимателем. Поверхности получатся более аккуратными и ровными по всей длине.
• Для фиксации тяжелых двутавров перед сваркой в условиях цеха стоит применять гидравлические механизмы.
• Используйте специальные кондукторы с зажимами — они снижают разбрызгивание расплавленного металла, что упрощает процесс соединения.

При соблюдении базовых правил и рекомендаций потери металла снижаются, а качестве швов повышается. 

Стыковка двутавровых балок — сложная инженерная задача. Выполнять ее можно только по чертежам или под контролем специалистов. Основой для выбора технологии соединения служат требования к надежности конструкции и условия ее использования.