Прочность двутавров

Популярность двутавра объясняется универсальностью, повышенной прочностью, долгим сроком службы. Конструкции выдерживают статические и динамические нагрузки. Из Н-образного профиля изготавливают горизонтальные перекрытия и вертикальные опоры. На участках, где действуют незначительные нагрузки, двутавры практически не используют.

Заводы выпускают широкий ассортимент металлопроката, предназначенного для возведения жилых, торговых и промышленных объектов. Хорошо отработаны методики расчета нагрузок. Потребители подбирают профили, которые точно соответствует требованиям к прочности.

Если сравнить цельные и двутавровые балки одинакового сечения, сопротивление на разрыв практически не отличается. Конструкции разнятся массой и ценой: вес фасонного проката в 10 раз меньше сплошной опоры.

Как влияет сечение двутавра на надежность?

Прочность изделий зависит от способа изготовления: прокатывание в горячем и холодном состоянии опоры. Важное значение имеет структура: выпускают цельные и сборные — сварные и клепаные — конструкции. Играет роль толщина стенок и расположение полок: с параллельными и наклонными сторонами.

При выполнении профессионального расчета нагрузок рассматривают каждый параметр и взаимное влияние характеристик:

• высоты: профиля (общей) и стенок двутавра;
• размера свеса (ширина от края изделия до одной части полки);
• радиусов: кромок, сопряжения элементов, внутреннего закругления;
• толщины стенки и полки (для изделий с параллельно расположенными гранями);
• длины конструкции;
• ширины каждой полки;
• средней толщины (для двутавра с наклонными внутрь стенками).

От сочетания параметров зависят характеристики и назначение Н-образного профиля. Для каждой группы разработаны свои стандарты. Таблицы нормативов содержат информацию о массе одного метра, моменте сопротивления, радиусе инерции, размерных характеристиках. Параметры используют при расчете проката на прочность, изгиб и прогиб.

Регламент № 8239-89 определяет параметры двутавров с уклоном внутренних граней полок 6-12 %. Профиль применяют на участках, где действуют усилия изгиба.

Особенности работы Н-образных профилей типа «Б», «Ш», «К»

Балки с параллельными полками хорошо работают на сжатие и изгиб. Документ № 26020-83 регламентирует характеристики проката:

• Изделие нормативного профиля противодействуют средним нагрузкам. Параметры сечения изделий группы «Б»: высота (h) — не более 1000 мм. Ширина полок (b) — до 320 мм. Чтобы усилить прочность опоры в 3-4 раза, одну балку укладывают на другую, и сваривают.
• Широкополочный прокат отличаются массивностью: максимальное значение h = 1000 мм, b = 400 мм. Преимущество продукции — универсальность и повышенная прочность: прокат не требует дополнительного усиления. Цельные конструкции устанавливают между несколькими пролетами. При повышенном запасе прочности металлоизделие разрезают вдоль длинной оси. Тавр укладывают между двумя опорами. 
• Колонные устройства применяют при возведении большепролетных сооружений. Изделия отличаются массивностью, выдерживают значительные нагрузки, требовательны к несущей способности фундамента. Сечение профиля отличается пропорциональностью: h/b = 1/1, ширина и толщина больше, чем у опор типа «Б» и «Ш». Максимальный параметр изделия «К» в разрезе: 400 х 400 мм.

Типовые схемы расположения двутавров

Коэффициент прочности

Выбор профиля зависит от материала, типоразмера, характера и величины нагрузок, а также способа изготовления и крепления. Если расчетом занимаются профессионалы, работа включает этапы:

• построение эпюр внутренних напряжений;
• использование таблиц и формул;
• сравнение результатов, полученных разными методами. 

При проектировании объектов используют прилагательные: «номинальный» и «расчетный» параметр. Первое определение означает данные, взятые из нормативных документов. Вторая величина — номинальный размер, умноженный на коэффициент запаса (К).

Множитель зависит от усилий, полученных расчетным путем. Учитывают постоянно действующие нагрузки. Если величина меньше 200 кг/м², К = 1,3. Когда параметр больше 200 кг/м², К = 1,2.

Расчеты прочности: простые и сложные подходы

Чтобы определить усилия без изучения теоретических основ сопромата, выбирают упрощенные способы. Онлайн-программы и готовые таблицы определяют примерные значения параметров.

В интернете представлены калькуляторы для вычисления прочности, устойчивости, прогиба и изгиба. Есть программы для сбора нагрузок на балки перекрытия: результаты зависят от суммарных усилий, действующих на опору.

Разработка серьезных проектов включает раскладывание прилагаемых к двутавру усилий по осям и определение максимального значения крутящих моментов. Используют разные методики, результаты сравнивают.

На первом этапе рассматривают длительные усилия, действующие на двутавр. Численные значения суммируют. Учитывают особенности:

• Полезные (длительные) нагрузки зависят от назначения сооружения: для жилья, выполнения производственных функций. Усилия рассчитывают для конкретного случая.
• Влияние кратковременных напряжений, связанных с непогодой: выпадением осадков, усилением ветров, образованием толстого слоя льда.
• Особые нагрузки, вызванные чрезвычайными ситуациями: взрывами, обрушением сооружений, землетрясениями (для неопасных производственных объектов учитывают редко).

Предел прочности стали зависит от условий работы. Параметр отличается при минусовых, нормальных и повышенных температурах. Сведения берут из нормативов на железоуглеродистые сплавы.

Профессионалы учитывают назначение двутавра, способ опирания и заделки балки, требования профильных стандартов. Для работы используют данные из таблиц нормативов:

• момент инерции по осям (для соответствующего типа двутавра);
• расчетное сопротивление;
• модуль упругости, в зависимости от марки стали.

Расчет предела прочности

При вычислении несущей способности ориентируются на предполагаемую нагрузку. Величина зависит от способа изготовления двутавра. Для сборных конструкций (сварных и клепаных) применяют дополнительный коэффициент прочности (20-30%).

При расчете используют вспомогательные таблицы, где указаны сведения:

• предполагаемая нагрузка на двутавр: 300, 400 или 500 кг/м²;
• величина пролета (L): 3,0: 4,0 или 5,0 м;
• шаг (Ш) между опорами: 1,0 м; 1,1 м; 1,2 м.

Пример определения параметров с помощью таблицы. Максимальная длина пролета для двутавра № 12 — три метра при нагрузке 500 кг/м² и шаге 1,0 м.

Профессиональный расчет включает шаги:

• Определить давления на конструкцию, вес опор (в пересчете на один погонный метр двутавра).
• Умножить результат на коэффициент надежности. Параметр зависит от разновидности конструкции: «Б», «Ш», «К» и другие.
• Найти в таблице стандарта соответствующее значение момента инерции и № профиля. Для подстраховки выбрать типоразмер на один или два номера меньше.

Способы усиления Н-образных профилей

Выбор метода зависит от характера нагрузок, формы сооружения и расположения изделия в пространстве. Применяют разные формулы для расчета опорных балок, решетчатых конструкций, ферм.

При выборе метода усиления учитывают:

• свариваемость стали;
• доступность сечения по всей длине;
• нагрузку на изделие во время ремонта;
• расчетную прочность материала;
• длину и сечение изделия;
• особенности разных технологий сварки;
• требования к гибкости элемента после ремонта.

Когда планируют ремонт по усилению конструкции, рассматривают условия работы. При температуре более 500 ⁰C повышается пластичность металла. Опорные поверхности перестают воспринимать нагрузки. Работать небезопасно.

Скорость распространения нагрева зависит от характеристик:

• сечения и длины Н-образного профиля;
• направления сварных швов;
• режима и способа соединения металлических деталей.

Сваривание колонны вдоль оси снижает прочность изделия на 15%, в поперечном направлении — до 40%.

Цель усиления металлопроката — максимально разгрузить конструкцию и повысить безопасность эксплуатации сооружения. Нагрузки не должны превышать предела текучести стали (R_у).

Чтобы определить максимальное усилие, R_у умножают на запас прочности 20%. Формула расчета: 0,8*R_у.

Основные способы усиления — изменение расчетной схемы конструкций и увеличение поперечного сечения (у основания, в месте фиксации или по всей длине).

Чтобы повысить прочность опор, используют методы:

• предварительного выгиба с последующей сваркой балок;
• устройства шпренгелей;
• электротермический способ;
• установки распорок и предварительно напряженных оттяжек, затяжек, тяжей;
• регулировки опор смещением в пространстве.

Такие подходы используют при расчетах двутавров на прочность.