Как профессионально подобрать двутавр с оптимальным соотношением цены и качества?

В строительной отрасли и на производстве металлический двутавр используют как опору. По сравнению с прямоугольным сечением, изделие выигрывает по жесткости и прочности. Стальные балки применяют при возведении мостов, многоэтажных зданий, тоннелей.

Двутавры ценят за универсальность, долговечность, способность противостоять статическим и динамическим нагрузкам. От надежности профиля зависит здоровье и жизнь людей. Жесткость изделия влияет на безопасность эксплуатации объектов: цехов, магистралей, многоэтажных домов.

Как выбрать двутавр?

Требования к опорам и монтажу перечислены в строительных правилах (СНиП), государственных и отраслевых стандартах. Способ, как подобрать двутавр, зависит от уровня технической подготовки пользователя:

• базовых знаний о строительных конструкциях и технологиях монтажа;
• практики проведения расчетов.

Чем сложнее проект, тем больше времени требует расчет. Чтобы обосновать выбор тех или иных профилей, работает команда профессиональных проектировщиков. 

Существует три метода, как подобрать двутавр:

• сбор и расчет действующих нагрузок по формулам сопромата;
• использование таблиц, где показана взаимосвязь между прочностью, величиной пролета и профилем балки; 
• онлайн-калькулятор: пользователь вводит в ячейки основные параметры и получает приблизительный результат.

Чтобы точно подобрать двутавр, применяют все методы. Дополнительно в лабораториях проводят испытания на прочность. Если результаты примерно одинаковые, приступают к следующему этапу.

Какие исходные данные готовят, чтобы подобрать прочный двутавр?

Надежность эксплуатации зависит от характеристик опор, перекрытий и всего сооружения.

Двутавровые конфигурации отличаются параметрами:

• типом профиля и назначением (выпускают балочные, монорельсовые, колонные, свайные и специальные конструкции);
• соотношением размеров сечения: шеек и полок, радиусов и углов наклона;
• материалом (используют сталь шести классов прочности: от С245Б до С440Б);
• технологией прокатывания и сборки: в строительстве применяют цельнометаллические и сварные изделия.

Какую форму сечения двутавра выбрать?

Размеры и тип профиля определяет характер воспринимаемых нагрузок и назначение конструкции.

Особенность балочных нормальных двутавров «Б» — ширина полок меньше высоты. Минимальная толщина.

Когда рассматривают широкополочные профили, название раскрывает особенность конструкции. У изделий «Ш» высота и ширина приблизительно равны. По сравнению с «Б», прокат «Ш» выдерживает большие нагрузки. Балочные опоры «Б» и «Ш» хорошо работают на изгиб.

Свайный «С» и колонный «К» прокат противостоит нагрузкам:

• сжатию;
• растяжению;
• сжатию с изгибом.

В нормативе № Р 57837-2017 перечислен сортамент горячекатаных двутавров. Стандартная маркировка состоит из последовательно расположенных буквенно-цифровых символов. Первое число — высота профиля (h) в см. Буква — краткое обозначение типа двутавра.

В стандарте указаны профили:

• 10Б1-70Б4;
• 20Ш0-100Ш4;
• 15К1-40К19;
• 13С1-40С3.

Сопротивляемость внешним нагрузкам зависит от высоты сечения, толщины стенки, геометрии. Каждый параметр рассматривают в связке с другой характеристикой.

Например, когда выбирают высоту сечения, учитывают пролет балки, металлоемкость конструкции, требуемую жесткость. Если рассматривают форму среза, сравнивают момент сопротивления и инерции.

Существует много способов определить прочность горячекатаной балки. Как правило, для расчета одного параметра используют несколько методик. На завершающем этапе сравнивают величины, полученные сложными и упрощенными способами.

Для определения толщины стенок используют методы:

• соблюдения прочности шейки на срез;
• эмпирические формулы;
• обеспечения местной устойчивости шейки (без крепежа дополнительных ребер жесткости).

Как подобрать двутавр с учетом схемы закрепления?

При разработке инженерной графики учитывают характеристики строения: высоту колонн, ширину пролетов, количество балок. Чтобы собрать и рассчитать нагрузку на одну опору, подбирают наиболее подходящую стандартную схему закрепления концов.

Влияние внешних силовых факторов

Сбор нагрузок — наиболее ответственная и трудоемкая часть расчета. Проектировщик распределяет усилия по направлению и длительности действия. К постоянным напряжениям относят собственный вес двутавра и массу перекрытия. В предварительном расчете параметры не учитывают.

При расчете на прочность определяющее значение имеют напряжения длительного действия. Это усилия, которые зависят от назначения здания и типа профиля. Балочные, рельсовые и свайные двутавры по-разному воспринимают нагрузки. 

Кратковременные усилия связаны с действием природных сил. Как подобрать двутавр, зависит от характеристик местности:

• Для центральных регионов РФ балки проектируют с учетом силы ветра, массы снега и дождя. Сведения о величине осадков (по годам) публикуют в справочниках, печатных изданиях, интернете.
• Если сооружение строят в зоне сейсмической активности, учитывают вероятность землетрясений, цунами и аналогичных явлений.

К особым нагрузкам относят силы, которые возникают при взрывах и пожарах. Эти факторы учитывают во время проектирования опасных производств. Например, предприятий, которые обслуживают нефтепроводы, строят атомные станции, выпускают химические соединения.

В инженерных расчетах стандартных производств особым нагрузкам не уделяют внимания. 

Как подобрать двутавр и построить эпюру?

Целостность бруса — способность сохранять расстояния между элементарными частицами под действием внешних усилий. Чтобы определить степень деформации, используют метод сечений:

1. балку мысленно разрезают поперек;
2. на месте отброшенной части бруса представляют уравновешивающие нагрузки;
3. рассматривают напряженное состояние, вызванное действием:

• продольных усилий сжатия и напряжения;
• изгибающих и скручивающих (крутящих) моментов;
• поперечных нагрузок.

Для двутавров поперечные силы равны нулю. Конструкции не предназначены сопротивляться таким усилиям.

Чтобы собрать и разложить по осям действующие силы, общий строительный чертеж разделяют на участки, которые подходят под стандартные схемы. Строят эпюры. Распределение внутренних силовых факторов зависит от размеров пролетов и балок, характера и величины нагрузки.

На эпюре показывают направление (с «+» или «-») и численные значения напряжений. Используют формулы сопромата и определяют механические свойства (σ_т, δ_р, σ_в), силы и моменты (I, S, W).

Когда подбирают двутавры, проверяют прочность балок на растяжение и изгиб. После проработки напряжений на отдельных участках строительного плана, составляют сводный отчет.

В таблицах стандарта представлены справочных параметры: крутящие моменты, силы сжатия и растяжения. У каждой характеристики показано направление вдоль оси: «x-x» или «y-y».

Таблицы стандарта содержат численные значения механических свойств, подсчитанные по формулам сопромата.

Как анализировать полученные результаты при выборе двутавра?

Для решения задачи используют метод сравнения: сопоставляют расчетные данные с нормативными параметрами. Если величина не превышает номинальное значение, двутавр выбран правильно.

Когда какой-то параметр больше стандартной характеристики, выбирают способ придать балке дополнительную прочность:

• изменяют тип;
• увеличивают размер поперечного сечения;
• устанавливают в пролете дополнительные опоры;
• подбирают материал, способный противостоять большим нагрузкам;
• изменяют схему нагрузки (строительный чертеж).

Результат инженерных расчетов — несколько вариантов профилей, протокол лабораторных испытаний, обоснование, выводы. Перечисленные методы рассказывают, как подобрать двутавр с лучшим соотношением прочности и цены.