Двутавр или швеллер

У двутавра и швеллера похожие конструкции. Благодаря П-образному сечению балки выдерживают продольные нагрузки, а в других направлениях опоры противостоят меньшим усилиям. Большую часть продукции покупают предприятия, которые возводят сооружения и занимаются машиностроением.

Двутавр прочнее швеллера. «Секрет» повышенной жесткости заключается в конструкции: полки одинаковой высоты, симметричны, выступают с одной и другой стороны. Нагрузка распределяется равномерно, большая часть направлена вдоль длинной оси.

Полки сопротивляются сжимающим усилиям, работают с обеих сторон. Когда зажатая одним концом балка установлена строго вертикально, крутящим моментом пренебрегают (из-за небольшой величины). 

Полки швеллера находятся с одной стороны и работают как два рычага. Металлопрокат испытывает усилия сжатия и скручивания. Если один конец прочно не закреплен, балке не хватает жесткости, чтобы выдержать значительные нагрузки.

Расположение точки действия суммарных сил

Швеллер и двутавр по-разному реагируют на равные боковые нагрузки. Неодинаковое восприятие объясняется расположением центра тяжести.

У швеллера точка приложения сил смещена в сторону торцов полок. Центр тяжести двутавра проходит по стенке, направлен вдоль длинной оси, располагается внутри реального контура.

Назначение обеих конструкций — для восприятия вертикально направленных сил: сжатия и растяжения. По этой причине стержни не противостоят моментам кручения большой величины.

Утверждение справедливо для традиционного применения изделий:

• балки противостоят нагрузкам;
• нижняя часть полок опирается на основание.

Чтобы результат отражал реальность, сравнивают несколько похожих профилей, работающих в равных условиях. Расчет показывает, если нагрузка направлена перпендикулярно продольной оси (сбоку балки), большей прочностью обладает швеллер. Полки расположены по одну сторону. Центр тяжести изделия находится за реальным поперечным сечением.

Чтобы металлопрокат противостоял большим поперечным нагрузкам, изделие укладывают стенкой вниз. Способ применяют для строительных элементов малым весом. Второй вариант расположения швеллера — набок. Если действуют большие усилия, желательно, чтобы торцы полок соприкасались с основанием сооружения или крепкими опорами.

Вывод. Если балка нужна для противостояния вертикальным и поперечным нагрузкам, покупают швеллер. Когда профиль работает в условиях повышенного сопротивления сжатию и растяжению, выбирают двутавра.

Для обеих конструкций в расчет закладывают коэффициент запаса (20-30%).

За и против швеллера и двутавра

Когда сравнивают прочность двух конструкций, используют метод сбора всех действующих сил. По формулам вычисляют значения и направленность напряжений. Учитывают характер, длительность, взаимное влияние моментов. Важно использование двутавра по назначения: для возведения колонн, прокладывания рельсовых путей.

На прочность двух конструкций влияют факторы: 

• особенности сечения: направление полок и соотношение размеров: толщины, ширины, высоты, радиусов закругления элементов;
• длина металлоконструкции с учетом нагрузки;
• марка стали;
• способ закрепления концов;
• специфика работы.

Нормативные документы содержат требования к горячекатаным балкам. Максимальные и минимальные размеры профилей разных типов указаны в таблице.

Из таблицы видно: размеры сечения двутавров больше, чем у швеллеров.

Особенности работы швеллеров

По сравнению с двутавром, опора выдерживает меньшие нагрузки. Но есть много профилей, которые противостоят сопоставимым усилиям.

Швеллер применяют в случаях:

• возведения каркасных зданий;
• сооружения прямых и изогнутых профилей для производственного оборудования и транспорта: автомобилей, судов, железнодорожных вагонов, авиатехники.

К достоинствам швеллерного проката относят удобство использования. Так как полки выступают только с одной стороны, стенку устанавливают вплотную к соседним плоскостям. Металлы сваривают или соединяют метизами. Линия примыкания элементов не имеет зазоров.

Если швеллер подобран правильно, изделие используют как несущую балку. Профиль применяют в местах, где возникают напряжения малой и средней величины. Это сооружения с узкими пролетами, малым шагом и легкими кровлями.

Плюсы и минусы двутавров

По сравнению со швеллером, этот тип проката отличается металлоемкостью. Опоры выдерживают повышенные нагрузки. Профиль устанавливают на значительном расстоянии: шаг и ширина между осями больше, чем у швеллера.

Прокат применяют при возведении спорткомплексов, бассейнов, складов и цехов. Недостаток мощных балок — высокая цена. Продукцию используют на усиленных фундаментах.

Расходы на закупку двутавров оправданы для объектов, работающих при значительных нагрузках. Прокат приобретают для строительства большепролетных сооружений и при планировании расширения производства.

Если профессионально выполненный расчет указывает на малые напряжения, выгоднее купить швеллер.

Как сравнить две нагруженные конструкции?

Чтобы быстро выбрать более прочное изделие и не переплатить деньги, обращаются к стандартам. Кроме масс, размеров и площадей, в таблицах указаны моменты:

• инерции;
• кручения по осям «x» и «y».

Если параметры сечений у швеллера и двутавра примерно одинаковые, а прочности разные, выбирают изделие с большим моментом сопротивления: W_x и W_y.

Во всех стандартах перед таблицей размещены эскизы сечений. На чертежах показаны оси: «x» и «y».

Так как балочный профиль предназначен для работы на сжатие и растяжение, численное значение W_x всегда больше W_y. Утверждение справедливо для швеллера и двутавра.

Что такое «момент сопротивления»?

Характеристику используют при расчетах прочности нагруженных сооружений и конструкций. Физическая величина действует под прямым углом к рассматриваемой линии. Момент силы показывает, как металл в месте разреза сопротивляется кручению или изгибу.

Характеристика зависит от массы, геометрии сечения, прочности. Имеет значение расположение центра тяжести, сопротивление конструкции при сжатии и растяжении.

У швеллера и двутавра ось «x» проходит в плоскости сечения, параллельной полкам. Точка приложения усилий — по центру, перпендикулярно длинной оси сечения.

Когда определяют параметр, учитывают моменты:

• инерции площади сечения;
• полярный;
• сопротивления площади сечения.

Ось «y» проходит в плоскости поперечного сечения, перпендикулярно полкам. В месте схода осей «x» и «y» образуется прямой угол.

У двутавра линия совпадает с вертикальной стенкой и центром тяжести, а у швеллера ось проходит параллельно. Так как полки расположены с одной стороны, центр тяжести смещен относительно реального контура профиля.

Параметр W_x показывает сопротивляемость усилиям, направленным перпендикулярно полкам, вдоль стенки. Величина W_y определяет сопротивляемость конструкций противоположным усилиям. Момент направлен перпендикулярно стенке и вдоль полок.

Распределение нагрузок на двутавр:

• сила давит на стенки;
• противоположная сторона опирается на кромки полок.

Варианты расположения швеллера — с опорой на кромки полок или поверхность стенки. Вне зависимости от способа, W_y направлена в сторону, противоположную опорной поверхности.

Нагруженные конструкции выдерживают максимальные нагрузки при правильном расположении:

• стенки располагаются строго вертикально;
• нагрузка приходится на полки.

Как выбрать более надежную конструкцию?

Чтобы сравнить прочность разных профилей, используют таблицы в стандартах. Из документов выписывают швеллера и двутавры с близкими по значению размерами.

Подбирают несколько профилей разных типов. Сравнивают размерные характеристики и моменты сопротивления.

Самая надежная конструкция имеет больший запас прочности по W_x и W_y.