Нагрузка на металлический двутавр

Основная функция двутавра при проектировании различных зданий и сооружений – создание надежной и эффективной несущей конструкции. В отличии от бетонных вариантов несущих конструкций, использование двутавровой балки позволяет добиться увеличения ширины пролетов жилых или коммерческих зданий и уменьшить массу основных несущих конструкций. Таким образом, существенно повышается рентабельность строительства.

Двутавровый швеллер выбирается, исходя из длины и веса. Балки могут быть горячекатаными стандартными или специальными и иметь параллельные или наклонные грани полок. Они изготавливаются из низкоуглеродистой стали различных марок и используются в разных сферах строительства. Согласно нормам ГОСТ 823989, длина двутаврового швеллера может быть от 3 до 12 метров. По типу использования такие балки могут быть балочными, колонными, широкополочными или монорельсными, которые используются для строительства подвесных мостов. Определить тип балки можно по буквенной маркировке в таблице сортамента.

Масса двутавра рассчитывается согласно таблице сортамента, в которой указан конкретный номер и маркировка двутавровой балки, а также показатели ширины, высоты, толщины полок и средняя толщина стенок профиля. Таким образом, для определения массы, согласно таблице, необходимо знать нормативный вес одного погонного метра. Например, балка с номером 45, при весе погонного метра 66,5 кг, имеет длину 15,05 метров.

Помимо расчета массы, который можно провести, используя простой калькулятор, в процессе проектирования необходимо рассчитать максимальную и минимальную нагрузку на изгиб и прогиб (деформацию), чтобы выбрать подходящую под конкретные цели строительства двутавровую балку. Данные расчеты основаны на таких параметрах металлического профиля, как:

• минимальное и максимальное расстояние между полками (стенками) балки с учетом их толщины;
• максимальная нагрузка на будущую конструкцию перекрытия;
• тип и форма конструкции, метод крепления;
• площадь поперечного сечения.

В некоторых случаях для проведения расчетов может понадобиться и шаг укладки, то есть расстояние, через которое балки укладываются параллельно друг другу.

Расчет двутавровой балки, как правило, производится на прочность и прогиб. Для максимально точных расчетов в таблице сортамента и нормах ГОСТ прописаны и такие необходимые параметры, как момент сопротивления, который делится на статистический и осевые моменты. Помимо этого, иногда необходимо знать величину расчетного сопротивления, которая зависит от типа и марки стали, из которой изготовлена двутавровая балка, а также от типа производства (сварная или прокатная). В случае сварного профиля при расчете прочности прибавляется до 30 процентов к вычисленной несущей нагрузке профиля.

Классификация двутавровых балок по ГОСТу

Для двутавровых балок разработаны ГОСТы на основе теоретических и экспериментальных исследований по выявлению наиболее рациональных типов фасонных профилей и частоты их градации.

С возрастанием ширины пролета увеличивается высота стальных балок:

• прочность при шестиметровом пролете обеспечивает двутавр № 20 с высотой профиля 200 мм;
• при уменьшенном до 4 м расстоянии между стенами можно использовать двутавр № 16 с высотой 160 мм.

Двутавр ГОСТ 8239-89	Двутавр нормальный (Б)	Двутавр широкополочный (Ш)	Двутавр колонный (К)

Классический двутавр с уклоном внутренних граней полок 6-12% (ГОСТ 8239-89) применяются главным образом в качестве элементов, работающих на изгиб, а также в составных сечениях колонн. Работа в качестве сжатых элементов (стоек, колонн) не эффективна ввиду малого момента инерции. Балки обозначаются в сортаменте по номерам, соответствующим высоте профиля в сантиметрах.

Двутавры с параллельными гранями полок (ГОСТ 26020-83, СТО АСЧМ 20-93) выпускаются трех основных типоразмеров:

• Нормальные балочные двутавры (Б), выпускаются высотой до 1000 мм, с шириной полок до 320 мм. Применяются для эксплуатация под средними нагрузками;
• Широкополочные двутавры (Ш), имеют высоту также до 1000 мм при максимальной ширине полок 400 мм. Могут использоваться для разрезки по продольной оси для получения таврогово профиля. Тавр укладывается на один пролет. Целый двутавровый профиль – на один или несколько пролетов. Эти металлоизделия очень массивны. Плюсом их использования является возможность использования в качестве самостоятельного элемента без применения усиливающих деталей;
• Колонные двутавры (К), их использование эффективно в колоннах зданий. Они имеют соотношение высоты к ширине полок 1:1 и максимальные размеры 400х400 мм. Это наиболее массивные профили. Имеют широкие, утолщенные полки и стенки. Применяются при устройстве большепролетных конструкций.

Несущая способность ↑

Среди всех типов балок двутавровая имеет наибольшую прочность, более того, она устойчива к температурным перепадам. Допустимая нагрузка на двутавр бывает указана на маркировке, как размер. Чем больше число, указанное в его наименовании, тем большую нагрузку может воспринимать балка.

Любой расчет предполагает изначальное знание размеров прокатного или сварного профиля, его длины и ширины. Проясним смысл значения ширины на примере самой популярной балочной опоры – колонны.

После определения ширины переходят к выбору профиля и расчету нагрузки, воздействующей на профиль. Она представляет собой совокупность воздействий от перекрытия, а также воздействий временного и постоянного характера.

Но, расчет несущей способности двутавровой балки предполагает учет другого воздействия. Чтобы получить расчетную нагрузку, рассчитанное нормативное воздействие умножается на так называемый коэффициент прочности по нагрузке. Остается к результату прибавить уже подсчитанную массу изделия и найти его момент сопротивления.

Полученных данных достаточно, чтобы из сортамента подобрать профиль, необходимый для изготовления сварного профиля. Как правило, с учетом прогиба конструкции рекомендуется выбирать профиль выше на два порядка.

Выбор номера профиля (примеры)

Согласно таблице, по которой осуществляется выбор номера по предполагаемой нагрузке, величины пролета и шага, выбираются следующие модели профилей:

• Номер 16 (при нагрузке 300 кг/м. п., пролет 6 м, шаг 1 м);
• Номер 20 (при нагрузке 400 и 500 кг/м. п., пролет 6 м, шаг 1,1 м и 1,2 м);
• Номер профиля 10 (при нагрузке 300 кг/м. п., пролет 4 м и 3 м, шаг 1 м).

Расчетная нагрузка на двутавровую балку вычисляется так:

1. 1. Давление на перекрытие, включая вес самого перекрытия, пересчитывается на 1 погонный метр балки.
2. 2. Полученное число умножается на коэффициент надежности согласно ГОСТ 8239-89.
3. 3. На основании нагрузки находят момент сопротивления (по таблице основных расчетных значений ГОСТ 8239-89).
4. 4. По моменту сопротивления определяют номер профиля из сортамента согласно ГОСТ 8239-89. При этом лучше выбирать номер на 2 значения выше.

Следует отметить, что несущая способность учитывает именно расчетную нагрузку, но не нормативную. Также несущая способность берется при расчете на изгиб.

Основные характеристики швеллера

Этот вид металлопроката производится способами горячей прокатки и гибки полосовых заготовок. В соответствии с таблицами ГОСТа 8240, высота стенки стального швеллера – 50-400 мм. Горячекатаные изделия с наклонными внутренними гранями полок имеют увеличенную площадь сечения и по прочностным характеристикам приближаются к аналогам с двутавровым профилем. Для повышения прочности и устойчивости к низким температурам прокат изготавливают из качественных углеродистых и низколегированных марок стали.

Швеллер удобен для монтажа на плоских поверхностях. Прокат используется для армирования бетонных конструкций, создания каркасных строений, при производстве легких машин и механизмов. В частном строительстве лучшим выбором является швеллер, а не двутавр, что объясняется сочетанием достаточной прочности и доступной стоимости П-образного профиля. Двутавровая балка, благодаря массивности и высоким прочностным характеристикам, в основном применяется в крупномасштабном промышленном и гражданском строительстве.

Расчет

Чтобы произвести выбор металлического бруса для той или иной конструкции, которая будет нести определённую нагрузку, необходимо произвести расчёт балки на прочность при изгибе. Это можно сделать, рассчитав все параметры самостоятельно по известной методике или воспользоваться онлайн-калькулятором.

Для выбора балки перекрытия, делают проверку из условия на прочность, где максимальная прочность стали должна быть больше суммы отношений максимального изгибающего момента в точке действия той или иной нагрузки к осевому моменту, и поперечных сил и площади поперечного сечения в максимально нагруженной точке.

Для определения всех неизвестных параметров этого условия, вычисления проводят поочерёдно.

Сначала определяют максимально нагруженный участок балки. Для этого, строят эпюру поперечных сил и изгибающих моментов. Чтобы построить эпюру, необходимо вычислить все суммарные изгибающие моменты и поперечные силы, действующие на балку, по участкам.

Как правило, в случае металлического бруса перекрытия, расчётную схему заменяют балкой, лежащей на двух шарнирных опорах. В этих опорах возникают реакции сопротивления, у которых необходимо определить их условия:

Когда реакции определены, балку разбивают на участки по опорам. Первый участок находится от одного конца балки до опоры, второй участок располагается между опорами, третий за последней опорой и так далее. Необходимо знать, что если на одном участке имеется точка изменения нагрузки, то её нужно выделить в отдельный участок.

После того, как участки определены, строятся эпюры поперечных сил и изгибающий моментов, и определяется нагруженный участок. Далее, вычисляется осевой момент сопротивления сечения:

По вычисленному параметру производят выбор номера двутавра из сортамента. На этом расчёт балки считается оконченным.

Онлайн

Рассчитывать металлическую балку и производить её выбор вручную довольно трудоёмко и занимает время, которое не всегда можно выделить занятому человеку. Поэтому, стоит довериться расчётам профессионалов.

Но, если заказчик строительства сомневается в экономической целесообразности произведённого строителями расчёта, можно произвести быстрый автоматический расчёт при помощи сайтов, предлагающих данный товар.

Одним из примеров такого калькулятора может быть портал http://svoydomtoday.ru/building-onlayn-calculators/111-raschet-metallicheskoy-balki-perekritiya.html, который предлагает, находясь на сайте, рассчитать расход материала и выбрать балку из сортамента.

Данный калькулятор требует введения следующих исходных данных:

1. Сначала нужно ввести условия эксплуатации металлической балки.
2. После этого характеристики предварительно выбранной металлической балки.
3. Указать нормативную и расчётную нагрузку на балку и произвести расчёт.

В результате, получается минимально возможный при заданных условиях момент сопротивления балки. Из полученного момента можно выбрать балку по таблице сортамента.

Выбор металлической балки по номеру и примеры расчета

В реестре металлопроката все номера двутавровых швеллеров указаны по всем требованиям ГОСТ стандарта. Таким образом, подбор номера обязан производиться, учитывая рабочую нагрузку, расстояние пролетов и вес продукции. К примеру, если наибольшая нагрузка на двутавр равняется 300 кг/м.п, из таблицы берется двутавровая балка под цифрой 16, при этом промежуточная дистанция равняется шести метрам при укладочном шаге от 1 до 1,2 метров. При подборе 20 металлопрофиля нагрузка на двутавр сильнее – до 500 кг/ м.п, а шаг соответственно до 1,5 метра. Изделие с порядковой нумерацией 10 либо 12 обозначает предельно установленную нагрузку до 300 кг/м.п и уменьшение пролета.

Таким образом, расчетные действия, какую нагрузку может выдержать металлическое изделие, осуществляются так:

• Высчитывается единица нагрузки на двутавр, давящая на опорное основание с учетом массы металлопрофиля, которая рассматривается на один погонный метр изделия.
• Полученная величина, согласно нормативным документам, перемножается на коэффициент прочности стали, указанным в ГОСТ.
• Пользуясь данными расчетных величин, требуется вычислить значение сопротивляющегося момента.
• Далее из полученного результата, выбираем нужный элемент из реестра металлопроката.
• Делая расчеты опорной физической нагрузки при определении профиля, советуем подбирать числа на пару строк больше имеющегося значения. Несущая особенность металлопрофиля определяется при вычислении двутавра на сгибание.

Расчет прочности двутавровых балок с помощью онлайн-калькуляторов

Онлайн-калькуляторы по результатам вычислений предлагают прокат: с уклоном полок (ГОСТ 8239) или с параллельными внутренними гранями полок (ГОСТ 26020 или СТО АСЧМ 20-93). При расчете сварной балки двутаврового сечения учитывают, что изделие в реальных условиях эксплуатации должно подвергаться прогибу, составляющему не более 80% от расчетного.

Для определения сортамента двутаврового профиля с помощью калькулятора требуется введение исходных данных:

• характеристик предварительно выбранной металлической балки;
• условий эксплуатации профиля;
• длины пролета.

В результате вычислений получают момент сопротивления, минимально возможный в заданных условиях. Расчеты могут быть упрощенными (формальными), произведенными с использованием укрупненных коэффициентов, и уточненными. Используя полученный момент сопротивления, по таблицам, имеющимся в ГОСТах, выбирают номер профиля.

Точность прокатки

В соответствии со стандартом, выпуск двутавровых балок осуществляется с обычной и повышенной точностью.

Имеется целый ряд отклонений от эталона, по которым замеряется качество профиля. В ГОСТ 8239—89 указаны не только все характеристики, но и требования к качеству изготовления профиля, вне зависимости от серии. Кроме того, там можно ознакомиться со существующими методами замера показателей двутавров. Двутавровые балки представляют собой незаменимый тип металлоконструкций в строительной отрасли и являются широко применимыми в строительстве долговечных конструкций.