Стальной швеллер П — фасонный прокат с параллельными гранями полок. По отношению к центральному отрезку, внешние и внутренние стороны расположены под прямым углом. В стандарте № 8240-97 перечислен сортамент и требования к изделиям.
Применение стальных профилей П
Металлопрокат предназначен для придания жесткости и устойчивости опорам сооружений. Конструкция противостоит изгибу и комбинированным нагрузкам: изгибу с растяжением или сжатием.
Изделия располагаются в пространстве:
- горизонтально (перекрытия, балки, перемычки);
- вертикально и под углом (лестничные пролеты, колонны).
Прокат малого размера покупают для сборки каркасов малонагруженных зданий, усиления оконных и дверных проемов. Массивные изделия задействуют при возведении крупных объектов: мостовых сооружений, кровельных прогонов, большепролетных ферм коммерческих и производственных помещений.
Основное назначение конструкций — сопротивляться изгибу без разрушения. Критерий прочности швеллера — способность выдерживать изгибающий момент.
Надежность сооружения зависит от характера нагрузок, механических свойств стали, связей между опорами и остальными конструкциями. Если во вновь возводимом сооружении будут жить или работать люди, прокат обязательно проверяют на временное сопротивление разрушению.
Расчет нагрузок начинают с выбора стандартной модели. При проектировании балок перекрытия с выступающими за границы стен концами, применяют схему заделки — «шарнирно-опертая балка». Условно считают: на деталь действуют равномерно распределенные нагрузки.
Второй пример использования профильного проката. Из двух ГК изделий П планируют соорудить козырек, установленный над входной дверью. Способ крепления железобетонной плиты — к стене. При расчете нагрузок выбирают схему, которая соответствует условиям:
- балка консольного типа;
- жесткая заделка;
- нагрузки распределены равномерно.
Фасонные изделия с параллельными гранями применяют для создания перекрытий между этажами, чердаком и помещениями, подвалом и цокольной частью. Способ установки стальной балки — на ребро:
- полки находятся вверху и внизу;
- перемычка — вертикально;
- поперечный разрез выглядит как буква «С»
Менее надежный вариант — расположение фасонного проката перемычкой вверх («П»). Если сравнить два способа, стойкость сопротивлению нагрузке в первом случае выше. Момент сопротивления балки в схеме «С» больше, чем «П».
Преимущество стальных швеллеров П
Перемычка и две полки обеспечивает плотное прилегание металла и сопрягаемых строительных материалов соответствующего размера: деревянных брусьев, силикатных кирпичей.
Чаще опорные поверхности соприкасаются с внутренними гранями стального швеллера. Чтобы усилить жесткость сборных конструкций, детали сваривают или соединяют болтами.
По сравнению с двутавром, у ГК профиля цена и прочность ниже. При сопоставлении подбирают изделия с равной толщиной и высотой стенки.
Чтобы усилить П-образную опору, выбирают способ:
- фасонный профиль с большим сечением;
- сборную конструкцию: к стальному швеллеру присоединяют дополнительную опору;
- перераспределения нагрузки во всей системе, в том числе, за счет применения первых двух методов.
Перечисленные технологии увеличивают пограничное статическое напряжение опоры (σВ).
Покупатели фасонного профиля П получают выгоды:
- Повышают прочность опорных конструкций на изгиб.
- Уменьшают металлоемкость всего сооружения.
- Сокращают затраты на строительство: не возводят массивные опоры, балки, колонны.
- Экономят на устройстве фундамента и всех несущих конструкций.
Кроме горячекатаных конструкций, стальной швеллер П производят на листогибочном оборудовании. Деталь, изготовленная методом прокатки с нагревом, имеет преимущества:
- утолщение на внешнем радиусе;
- стенки без прогиба;
- строгое соблюдение угла 900.
Когда фасонный профиль противостоит усилиям на изгиб, наплыв металла придает опоре дополнительную прочность.
При изготовлении ХК фасонного проката, изделие подвергается значительным нагрузкам, которые ухудшают структуру. Это еще одна причина, по которой у ГК конструкций прочность выше.
Маркировка стальных швеллеров
Горячекатаные профили выпускают трех категорий точности: В — обычной, Б — повышенной и А — высокой. Согласно требованиям стандарта, параметр указывают в маркировке.
Примеры обозначений.
1. 40П-В ГОСТ 8240-97/345 ГОСТ 19281-89:
- условное наименование формы сечения профиля — П;
- стенка высотой 400 мм (40 см);
- точность соблюдения размеров соответствует обычному перекатыванию;
- материал — сталь повышенной прочности с низким содержанием углерода и легированных добавок. Предел текучести сплава σT = 345 МПа. Применяют два варианта обозначения: по международному стандарту С345 и российскому стандарту — 09Г2С.
2. 18П-Б ГОСТ 8240-97/Ст3сп4-1 ГОСТ 535-88:
- высота опорной поверхности (стенки) — 180 мм;
- параллельные грани полок;
- погрешность размеров отвечают требованиям к обычной точности прокатывания;
- углеродистая сталь обыкновенного качества — Ст3;
- степень раскисления — спокойная (сп).
Как рассчитать предельные нагрузки?
Максимальное усилие зависит от характеристик материала, размеров сечения, способа заделки края. Чтобы подобрать надежный стальной швеллер, используют три подхода: примерный (теоретический), углубленный и упрощенный.
Стальной прокат П-образного профиля рассчитывают на жесткость и прочность. Для вычислений используют типовые схемы заделки балок, характеристики металлов и рекомендованные формулы.
Пример. Исходные данные:
- профиль — 10П;
- материал — низколегированная конструкционная сталь 09Г2С (σT = 345 МПа);
- длина — 10 м;
- заделка балки — шарнирное крепление;
- момент сопротивления вдоль оси Y и X.
Каждому типоразмеру соответствует своя нормативная нагрузка. Численные значения указаны в стандарте. Изделию 10П соответствуют показатели: Wy=7,37 см3 и Wx=34,9 см3.
Формула расчета на прочность
Чтобы определить максимальную нагрузку балки, используют формулу: M max = σT х W. Расчет: М = 345 х 34,9 = 12 040,5 Н*м. Уточнение: равенство применяют для смонтированных на ребро изделий.
Чтобы вычислить предельную распределенную нагрузку, применяют формулу: q = 8∙М1/L2 = 8 х 12 040,5/102 = 963,24 Н/м или 96,3 кгс/м, где 1 кНм = 102 кг*см.
Аналогичным образом определяют усилия, если средняя часть сечения находится вверху. Результат доказывает: при втором варианте расположения несущая способность швеллера в пять раз ниже.
Расчет на изгиб
Для определения жесткости несущей конструкции используют две формулы.
Исходные данные:
- типоразмер 10П;
- характер нагрузки — распределенная величиной 500 Н/м;
- длина стального швеллера: L = 1000 см;
- способность металла сопротивляться деформации: E = 2,1∙105 МПа;
- момент инерции сечения: Ix = 175 см4.
Сопротивление конструкции на изгиб: М = q∙L2/8 = 500∙102/8 = 6250 Н∙м.
Когда на стальной швеллер 10П действует нагрузка, изделие изгибается. Отклонение от оси вычисляют по формуле: f/L = 6250 х∙1000/(10∙2,1∙105∙175) = 0,017. Согласно строительным правилам и нормам, минимальный параметр — 1/200. Величина 0,017 в виде пропорции: 1/59.
В этом примене полученный результат меньше допустимого значения. Профиль 10П для заданных условий не подходит из-за малой стойкости прогибу. Сечение обеспечивает требуемую прочность, а жесткость — нет.
Дальнейшие действия:
- выбирают фасонный прокат большего сечения;
- повторяют расчеты.
Когда проектируют сложные проекты, оперируют большим количеством данных. Сначала рассчитывают прочность на отдельных участках, постепенно переходят на более высокий уровень. Результат сравнивают с теоретическими выкладками.
Упрощенный вариант проверки — онлайн-калькуляторы. Пользователь указывает материал и выбирает схему заделки, стандартную информацию программа берет из базы. Виджет показывает стальные швеллеры, которые обеспечивают достаточный запас прочности и жесткости.
