Металлические балки двутавровые
Кроме повсеместно ведущегося строительства многоэтажных зданий с большим числом квартир, широкое распространение получило сооружение частных домов, причем не только небольших одноэтажных, но и довольно крупных, с двумя и более этажами, иногда и с мансардой наверху или обитаемым чердаком. Для таких домов уже не подходит каркасный метод; материалом часто служит, вместо дерева, кирпич или железобетон. Возведение крупных частных домов должно вестись по всем правилам строительной науки, так как ошибки при проектировании или воплощении проекта могут привести к нежелательным последствиям.
Если строящийся дом представляет собой капитальное здание – из бетона, кирпича, шлакоблока, то для потолочных перекрытий, межэтажных и чердачных, целесообразно применить железобетонные плиты. Наиболее подходящий тип каркаса, способный выдержать вес таких перекрытий, – это каркас, элементом которого является металлическая балка двутаврового профиля.
Именно этот вид проката, установленный своей стенкой вертикально, обладает наибольшей несущей способностью. Естественно, фундамент и стены дома при этом должны быть достаточной прочности, чтобы выдерживать дополнительный вес от 0,5 до 1 тонны – столько металла, в зависимости от количества балок и номера профиля может понадобиться для потолочного перекрытия.
Чтобы избежать лишних затрат и лишнего веса каркаса потолка, а также не допустить обрушения или значительного прогиба балок, необходимо заранее рассчитать их параметры и по результатам расчета подобрать нужный прокат. Расчет сводится к вычислению следующих величин: требуемого момента сопротивления и минимального момента инерции сечения балки, а исходя из последнего – максимального относительного прогиба.
Примечание Расчет ведется по двум характеристикам – на прочность и на жесткость. По полученным значениям момента сопротивления и момента инерции в таблицах ГОСТ находят требуемый номер проката.
Исходные данные для расчетов
Для каркаса потолочных перекрытий малогабаритных частных домов обычно используется двутавр 10 – 20 номеров. Характеристики этих профилей приводятся в ГОСТ 8239-72 – их линейные размеры, площади сечения, максимальные моменты сопротивления по вертикали Wy и минимальные моменты инерции Jy.
Необходимо знать тип плит, которые будут опираться на балочный каркас, а также размеры несущего периметра дома. Можно применить пустотные железобетонные плиты ПК-12-10-8 (1180 х 990 мм, масса 380 кг), а размеры дома взять 4,5 х 6 м. Балки укладываются вдоль короткой стены; шаг укладки при таком размере плит равен 1000 мм (стыки плит совпадают с продольными осями балок, при минимальном зазоре 1 см). Это потребуется для расчета распределенной нагрузки, и исходя из нее – линейной нагрузки на балку, вес самой балки по сравнению с распределенной нагрузкой мал, и при вычислении линейной нагрузки им можно пренебречь.
Распределенная нагрузка при таком типе плит будет равна 325 кгс / м2. К этому надо добавить нагрузку возможных перегородок на верхней стороне перекрытия (75 кгс / м2) и возможную временную нагрузку (200 кгс / м2). В итоге нагрузка, распределенная по площади:
Q = 325 + 75 + 200 = 600 кгс / м2,
а линейная нагрузка
q = Q * p = 600 кгс / м = 6 кгс / см.
Эта величина используется в дальнейших расчетах.
Номера, литеры и ГОСТы
По способу производства швеллер бывает гнутый и горячекатаный профиль. Различить их легко даже не специалисту — горячекатанный швеллер имеет четко выраженное ребро, а гнутого швеллера оно будет несколько закругленным. Прочие особенности различных видов швеллера определяются уже по их маркировке.
В частности, литеры А,Б и В в отношении партий горячекатанных швеллеров будут обозначать, что прокатка производилась с высокой (А), повышенной (Б) или обычной точностью (В).
Номер швеллера обозначает высоту его сечения, выраженную в сантиметрах.
Ширина профиля соответствует ширине полки и может колебаться в промежутке от 32 до 115 мм. Маркировка швеллера, например 10П, отражает его высоту и тип профиля. Высота сечения швеллера — это вообще главный параметр в его маркировке. Номер швеллера — это его высота с сантиметрах, а соседствующие с ним буквы обозначают, что сечение швеллера может быть:
1) с уклоном граней (серии У и С), где У — это уклон, а С или Сб — специальные серии. 2) с параллельными гранями (серии П, Э и Л), где Э означает экономичную серию, а Л — легкую. Литеры С (например — 18С, 20С и т.д.), можно встретить в изделиях, предназначенных для автомобильной промышленности или для строительства железнодорожных вагонов (ГОСТ 5267.1-90). Встречаются еще иногда и экзотические виды швеллеров. Например, ГОСТ 21026-75 определяют параметры швеллеров с отогнутой полкой (их используют при производстве вагонеток для шахт и рудников).
Самые востребованные размеры швеллеров
Наибольшей популярностью у потребителей пользуются швеллеры с номерами от 8 до 20 Их геометрические параметры в категориях П (то есть с параллельными гранями) и сериях У (с уклоном внутренних граней) совпадают, разница наблюдается только в радиусах закругления и углах наклона полок.
применяется в основном для укрепления конструкций внутри зданий бытового и производственного назначения. При его производстве используются полуспокойные (3ПС) и спокойные (3СП) углеродистые стали, для которой характерна отличная свариваемость.
широко используется в машиностроении, станкостроении и в других областях промышленности. Он также успешно используется при возведении мостов, стен и несущих опор при строительстве корпусов производственных зданий.
очень схож со швеллером «восьмеркой», но имеет более высокие прочностные характеристики и несущую способность, что позволяет снижать металлоемкость конструкций, возводимых с его участием.
— один из наиболее востребованных типов швеллеров. используется в строительных конструкциях для жесткого армирования несущих деталей, придавая им металлоконструкции особую прочность и жесткость. Швеллер 14 бывает обычной точности и повышенной.
Швеллер 20 выступает как несущий элемент при усилении мостов, при армировании перекрытий (в том числе и сложном) многоэтажных домов, в кровельных прогонах.
Благодаря высоким эксплуатационным качествам, «двадцатка» часто применяется в конструкциях с высокими нагрузками — как динамическими, так и статическими.
Встречаются и нестандартные применения швеллеров. Перфорированный (то есть «дырчатый») швеллер позволяет, к примеру, монтировать металлические конструкции без проведения сварочных работ, что значительно сокращает время монтажа. Для перфорации лучше всего подходят швеллеры с большой высотой полок и широким расстоянием между ними. Такие изделия обозначаются буквами ШП — «Швеллер Перфорированный» и чаще всего применяются при строительстве временных конструкций (например — строительных лесов) или складских стеллажей.
Для создания таких сооружений лучше подходят швеллеры с малыми номерами, поскольку вес стеллажа (а значит и швеллера, из которого он собран) не должен быть слишком большим.
При внутренней отделке помещений швеллеры используются в качестве «охранного» каркаса при прокладке проводов электросетей высокого напряжения.
Иногда швеллеры используют еще в качестве направляющего грузоподъемного устройства, в том числе, как пандусы для колясок и тележек.
В общем, применение швеллеров может быть разнообразным, но все-таки главное их назначение — это укрепление конструкций и способность выдерживать длительные нагрузки.
Расчет на прогиб
Изгибающий момент для каждой балки вычисляется, исходя из величины линейной нагрузки q, шага укладки балок p и длины перекрываемого пролета L. Так как балки укладываются вдоль короткой стороны, то L = 4,5 м = 450 см (конечно, сами балки длиннее – около 5 м, так как опираются на стены, но шарнирными опорами для них служат именно внутренние края стен).
Искомая величина момента, в таком случае:
My = (q * L2) / 8 = 6 * 4502 / 8 = 151875 кгс * см.
Максимальный момент сопротивления сечения балки можно рассчитать, разделив изгибающий момент на расчетное сопротивление стали – например, марки С235, равное 2150 кгс / см2:
Wy = 151875 / 2150 = 70,6 см3.
Это полученное значение надо сравнить с величиной момента сопротивления сечения двутавровой балки. Из таблицы ГОСТ 8239-72 видно, что вычисленный показатель примерно соответствует (с запасом) моменту сопротивления для профиля 14 (81,7 см3). Следовательно, этот номер проката будет удовлетворять требованиям к прочности балок.
Требования
Все требования, предъявляемые к балкам из металла, четко обозначены в ГОСТах и СНиПах. Основными требованиями являются:
- Прочность. В зависимости от типа материала, используемого при изготовлении изделия, показатели прочности могут отличаться, но они должны соответствовать значениям, указанным в нормативных документах.
- Период эксплуатации. Металлические конструкции, согласно ГОСТ, должны прослужить минимум 80 лет.
- Устойчивость к коррозии. Готовые элементы должны быть дополнительно обработаны составами, предотвращающими образование коррозии.
Расчет на жесткость
Жесткость балок характеризуется максимальной величиной прогиба при заданных исходных параметрах. В случае распределенной нагрузки прогиб вычисляется по формуле:
f = 5 * q * L4 / (384 * E * Jy), где
- q – линейная нагрузка на балку;
- L – длина пролета;
- E – модуль упругости материала, для стали С235 равный 2,1 * 106 кгс / см2;
- Jy – минимальный момент инерции для данного профиля.
Для принятых ранее исходных данных, с учетом того, что из расчета на прочность наиболее подходящим профилем оказался № 14, для которого Jy, по табличным значениям ГОСТ, равен 572 см4, можно получить:
f = 2,6 см,
а в относительной мере, с учетом того, что длина пролета 450 см – 1 / 172. Это превышает максимально допустимый прогиб, принятый равным 1 / 250.
Поэтому расчет приходится повторить и вычислить прогиб для другого номера проката. Для № 16, у которого момент инерции равен 873 см4, абсолютный прогиб получается 1,74 см, а относительный – 1 / 256, что является приемлемым.
Условные обозначения в маркировке швеллера — как в них разобраться?
А поскольку главное назначение швеллера состоит в том, чтобы выдерживать нагрузки, то из его маркировки прежде всего требуется узнать параметры, которые позволят эту нагрузку рассчитать, а именно — состав стали, ее прочность, качество прокатки и так далее.
Что же можно узнать из маркировки?
К примеру, перед нами упаковка горячекатанных швеллеров, на которой написано: 30П-В ГОСТ 8240-97/Ст3сп4-1 ГОСТ 535-88
Это значит, что перед нами швеллер 30П — то есть с параллельными гранями и высотой сечения 30 см. Буква В указывает на обычную точности прокатки В, выполненный из стали Ст3, четвертой категории, первой группы.
Тот же швеллер, но только из стали 09Г2С повышенной точности прокатки получит обозначение 30П-Б ГОСТ 8240-97/345 ГОСТ 19281-89
, в котором 345 будет означать прочность стали, соответствующую сорту 09Г2С.
А вот в маркировке А 300х80х6 Б ГОСТ 8278-83/2-Ст3сп ГОСТ 11474-76
буква А будет обозначать высокую точность профилирования стальной заготовки (штрипсы) из второй категории стали Ст3сп, из которой изготовлен гнутый равнополочный швеллер размерами 300х80х6 (где 300 мм — высота сечения изделия, 80 мм — ширина полок, а 6 мм — толщина полок и стенок)
Итоги расчета
Итак, для помещения размером 4,5 х 6 м каркас потолочного перекрытия из железобетонных плит ПК-12-10-8 с распределенной нагрузкой 600 кгс / м2 может быть устроен из двутавровых балок профиля № 16 стали марки С235, расположенных вдоль короткой стороны с шагом 1 м. Можно рассчитать, что для такого здания понадобится 7 таких балок длиной по 5 м, и, зная массу и цену погонного метра, вычислить общую массу балочного каркаса и его стоимость.
Так, для приведенного примера общее количество погонных метров – 35; масса балочного каркаса из профиля № 16 – 525 кг.
Описание и виды швеллеров
Швеллер – П-образный фасонный профиль
Швеллер – вид фасонного профиля. Это изделие с П-образной конфигурацией, состоит из стенки и полочек. Последние могут быть параллельными друг другу, с уклоном внутрь, разной длины. Конфигурация и габариты изделия определяют его назначения.
Различают горячекатаный швеллер и гнутый.
Горячекатаный – изготавливается методом горячей прокатки. Полосу стали прогревают до температуры в +1000°С и подают на стан. Валки придают заготовке П-образную форму. У такой балки полки точно параллельны друг другу. Углы жесткие. Такие конструкции чаще всего используются для армирования, так как способны выносить очень высокие несущие нагрузки.
Различают 5 видов горячекатаного швеллера:
- П – элемент с параллельными полочками;
- У – внешние углы граней достигают 90 градусов, а внутри создают уклон за счет разной толщины. Величина наклона не превышает 10%;
- Э – за счет скругления параллельных полочек изделие, в целом, меньше весит, при таких же прочностных характеристиках;
- Л – облегченный вариант с меньшей толщиной стенки и граней;
- С – специальный профиль с конфигурацией, определяемой потребностями промышленной отрасли.
Гнутый профиль отличается скругленными углами внутри и снаружи. Его изготавливают холодным методом. Стальную полосу сгибают на валках без предварительного прогрева. Такая технология дороже, но получаемый швеллер намного прочнее и долговечнее. Его можно использовать для напрягаемого каркаса. Различают 4 варианта:
- В – с наклоненными внутрь гранями;
- П – с параллельными полочками;
- Л – вариант меньшей толщины и массы при других стандартных размерах;
- С – специальный.
Гнутый профиль выносит меньшую несущую нагрузку, однако гораздо устойчивее к кручению, сжатию и растяжению.
Примеры расчетного сопротивления
Для расчета двутавровой балки может потребоваться такая величина, как расчетное сопротивление (Ry). Она зависит от марки стали, из которой произведена балка. Например, приведены готовые величины:
- С 235 — 230 МПа;
- С 345 — 335 МПа;
- С 255 — 250 МПа.
Модуль упругости берут одной величиной, равной для стали: Е = 200 000 МПа. Расчет нагрузки двутавровой балки осуществляется на основе вычислений несущей способности. К этой цифре прибавляют 30% на прочность (это относится лишь к сварным профилям).
Учет марки стали при определении прочности
Когда выполняется вычисление прочности, учитывается марка стали. Для сложных климатических условий двутавровая балка изготавливается из не хрупкой стали. Лучше выбирать максимально прочные марки. Здесь следует учитывать, что изделие более высокой прочности может иметь габариты меньше и, значит, величина допустимого давления будет меньше.
Именно поэтому грамотный расчет прочности выполняется в нескольких разных вариантах, затем параметры сравнивают. Для определения прочности надо разложить прилагаемую силу по осям и определить максимальные моменты вокруг этих осей.
