Швеллер или двутавр: сравнение, расчет прочности и применение

Отличия швеллера от двутавра по геометрии и ГОСТам

Швеллер — это металлический профиль с П-образным сечением, состоящий из вертикальной стенки и двух горизонтальных полок. Название происходит от немецкого слова «Schweller», что означает «балка» или «желоб».

Основные геометрические параметры включают высоту профиля (от 50 до 400 мм), ширину полки (от 32 до 115 мм), толщину стенки и полок. По способу изготовления различают горячекатаные швеллеры (получаемые прокаткой разогретой до 1150-1200 °С заготовки) и гнутые швеллеры (формируемые холодным гнутьем стальных полос). Горячекатаные изделия характеризуются повышенной устойчивостью к изгибу и сжатию, тогда как гнутые имеют более точную геометрию и меньший вес.

Двутавровая балка (двутавр) — это металлический профиль с Н-образным сечением, напоминающим букву «Н» или «I».

Конструкция состоит из верхнего и нижнего поясов (полок), соединенных вертикальной стенкой. Такая форма обеспечивает оптимальное распределение материала относительно нейтральной оси сечения, что делает двутавр исключительно эффективным для восприятия изгибающих моментов.

Основные параметры включают номер балки (обозначающий высоту в сантиметрах — от 10 до 100 см), ширину полок (от 55 до 400 мм), толщину стенки и полок. Двутавры производятся преимущественно методом горячей прокатки (прокатка разогретой до 1100-1200 °С заготовки) или сварной технологией (сборка из отдельных элементов). Сварные балки позволяют достигать высоты до 1,5 м и длины до 15 м, что превышает возможности прокатного производства.

Нормативные документы, регламентирующие производство и параметры этих профилей: для швеллеров — ГОСТ 8240-97 (горячекатаные) и ГОСТ 8278-83 (гнутые); для двутавров — ГОСТ 8239-89, ГОСТ 35087-2024 (нормальные балки) и ГОСТ 26020-83 (широкополочные балки). Маркировка изделий содержит информацию о типе профиля, размерах, классе точности и марке стали. Например, обозначение «Балка №30Ш1 ст3 ГОСТ 8239-89» расшифровывается как двутавр высотой 30 см, широкополочный, изготовленный из стали марки Ст3.

Области применения двутавра и швеллера в строительстве и промышленности

Швеллер находит применение в тех случаях, когда требуется сочетание несущей способности с удобством крепления к плоским поверхностям. В строительстве его используют для создания каркасов малоэтажных зданий, гаражей, ангаров, усиления проемов, устройства перемычек над окнами и дверями. Благодаря открытой П-образной форме швеллер легко монтируется к стенам и другим конструкциям, служит основой для крепления облицовочных материалов. В промышленном строительстве швеллер применяется для создания опорных конструкций мостовых кранов, эстакад, переходов. В машиностроении и вагоностроении швеллер используется для изготовления рам, каркасов, элементов подвески, кузовных деталей. В энергетике из швеллеров изготавливают опоры ЛЭП и каркасы для трубопроводов. Гнутые швеллеры часто применяются в неответственных конструкциях — перегородках, лестницах, воротах, стеллажах благодаря более низкой стоимости и меньшему весу.

Двутавровая балка является основным несущим элементом в ответственных конструкциях, где требуются максимальные показатели прочности при минимальном весе. В гражданском и промышленном строительстве двутавры служат основой для междуэтажных перекрытий, колонн, ригелей, ферм. Широкополочные балки (серия «Ш») особенно эффективны для перекрытий больших пролетов (до 24 метров) в торговых центрах, спортивных сооружениях, производственных цехах. Колонные двутавры (серия «К») с практически равными высотой и шириной профиля используются в качестве вертикальных несущих элементов, выдерживающих значительные сжимающие нагрузки. В мостостроении и транспортной инфраструктуре двутавры применяются при создании опор мостов, эстакад, путепроводов. В горнодобывающей промышленности специальные двутавры с уклоном внутренних граней (серия «С») служат для армирования шахтных стволов. Монорельсовые балки (серия «М») предназначены для подвесных путей кранового оборудования.

Практические наблюдения показывают, что швеллер чаще применяется в вспомогательных и монтажных конструкциях, где важна простота крепления и адаптивность. Двутавр доминирует в основных несущих системах, где определяющими являются требования к несущей способности и жесткости.

Параметры оценки прочности и жесткости двутавра и швеллера

Геометрические характеристики сечения являются первичными факторами, определяющими прочность профиля. Для швеллера ключевыми параметрами являются высота стенки и ширина полок, поскольку они определяют момент инерции сечения относительно главных осей. Увеличение высоты профиля при неизменной площади сечения существенно повышает его несущую способность на изгиб. Для двутавра критически важным параметром является соотношение высоты балки к ширине полок: у нормальных балок (серия «Б») это соотношение обеспечивает оптимальную работу на изгиб, у колонных балок (серия «К») практически равные высота и ширина полок максимизируют устойчивость к продольному сжатию.

Моменты инерции и сопротивления — расчетные характеристики, непосредственно определяющие несущую способность профиля при изгибе. Момент инерции (Ix, Iy) характеризует способность сечения сопротивляться изгибу, момент сопротивления (Wx, Wy) определяет максимальные напряжения при заданном изгибающем моменте. У двутавра при равной площади сечения значения этих параметров в 2-3 раза превышают аналогичные показатели швеллера, что объясняется оптимальным распределением материала относительно нейтральной оси. Например, двутавр №20 имеет момент сопротивления Wx примерно 184 см³, тогда как у швеллера №20П этот показатель составляет около 152 см³ при сопоставимых габаритах.

Представьте обычную пластиковую линейку длиной 30 см, лежащую плашмя на столе так, что её деления смотрят вверх. Если надавить на её середину — она легко согнется. Это аналог швеллера, работающего «не в ту сторону».

Теперь переверните эту же линейку на ребро, чтобы она стояла на своей узкой стороне. Надавите на середину сверху. Согнуть её теперь гораздо труднее, хотя это та же самая линейка из того же материала. Почему?

Момент инерции (Ix, Iy) — это как раз численная мера той самой «сопротивляемости к изгибу», которую вы почувствовали, когда перевернули линейку. Он характеризует жесткость формы профиля. Чем больше значение момента инерции, тем меньше будет прогибаться балка под одной и той же нагрузкой.

• Ix — это сопротивление изгибу, когда сила давит сверху (как на линейку, стоящую на ребре).
• Iy — сопротивление изгибу, когда сила давит сбоку (как на линейку, лежащую плашмя).

У двутавра, благодаря его Н-образной форме, материал (металл) «отодвинут» как можно дальше от центра, как у линейки на ребре. Поэтому его Ix очень велик. У швеллера П-образной формы часть материала сосредоточена в одной стенке, поэтому его Ix всегда меньше, чем у двутавра той же высоты и веса.

От жесткости к прочности: когда дело доходит до предела

Теперь представим, что мы не просто сгибаем линейку, а давим на неё изо всех сил, пока она не сломается. Какое максимальное напряжение она выдержит?

Момент сопротивления (Wx, Wy) — это ключевой параметр, который говорит о предельной прочности. Он определяет, какой максимальный изгибающий момент (грубо говоря, какую максимальную нагрузку на определенном пролете) может выдержать балка, прежде чем в её материале возникнут опасные напряжения, ведущие к разрушению.

Если I (момент инерции) отвечает на вопрос «Насколько она прогнется?», то W (момент сопротивления) отвечает на вопрос «Какую максимальную нагрузку она выдержит, не сломавшись?».

Моменты инерции Ix, Iy и моменты сопротивления Wx, Wy двутавра (тип Б1) по ГОСТ 35087-2024

Моменты инерции Ix, Iy и моменты сопротивления Wx, Wy швеллера (серии У и П) по ГОСТ 8240-97

Почему двутавр эффективнее?

Секрет — в гениальном распределении металла. Главная задача при изгибе — противостоять растяжению и сжатию. Самыми нагруженными являются верхняя и нижняя части балки.

• Двутавр концентрирует основную массу металла далеко от центра, в мощных верхней и нижней полках, которые идеально работают на растяжение/сжатие. Стенка между ними лишь соединяет их и борется со сдвигом. Это похоже на две мощные линейки, поставленные на ребро и соединенные перемычкой.
• Швеллер имеет только одну полноценную полку с одной стороны стенки, поэтому его конструкция менее оптимальна для сопротивления чистому изгибу. Это похоже на одну такую же линейку, но с дополнительным бортиком для устойчивости.

Простая математика: Прочность на изгиб растет не линейно с высотой, а пропорционально ее квадрату и кубу. Увеличив высоту профиля или «разнеся» материал дальше от центра (как это делает двутавр), мы получаем колоссальный выигрыш в прочности при том же количестве металла.

Именно поэтому в вашем примере двутавр №20 (Wx ≈ 184 см³) примерно на 20% прочнее на изгиб, чем швеллер №20П (Wx ≈ 152 см³) при схожих габаритах. На практике для некоторых типоразмеров эта разница может достигать 2–3 раз.

Практический вывод для выбора

• Если вам нужна балка для перекрытия (основная нагрузка — изгиб сверху), и важны максимальная прочность и минимальный прогиб — выбор очевиден: двутавр. Его высокие Wx и Ix решат задачу с минимальным расходом металла.
• Если вам нужен универсальный элемент для каркаса, стойки или конструкции, где есть нагрузки с разных сторон, или важна простота крепления к стене — часто выгоднее и удобнее использовать швеллер. Хотя его Wx меньше, он может лучше работать в других условиях и проще монтируется.

Таким образом, I и W — это «паспортные данные» балки, которые говорят инженеру, как она поведет себя под нагрузкой, не заставляя его каждый раз мысленно представлять распределение металла в сечении.

Расположение центра тяжести принципиально различается у двух типов профилей и существенно влияет на их поведение под нагрузкой. У двутавра центр тяжести находится в геометрическом центре сечения, что обеспечивает симметричную работу полок при изгибе в вертикальной плоскости. У швеллера центр тяжести смещен в сторону стенки, что создает дополнительные крутильные напряжения при вертикальной нагрузке, но улучшает сопротивление боковым нагрузкам. Это принципиальное различие определяет сферы преимущественного применения каждого профиля.

Качество материала и технология изготовления непосредственно влияют на прочностные характеристики. Для производства обоих типов профилей применяются углеродистые стали (Ст3, Ст5) и низколегированные стали (09Г2С, 17Г1С). Низколегированные стали обеспечивают повышенную прочность (до 345 МПа против 235–245 МПа у углеродистых сталей) и лучшую свариваемость. Горячекатаные профили имеют более высокую прочность по сравнению с гнутыми из-за отсутствия остаточных напряжений и наклепа. Сварные двутавры позволяют комбинировать разные марки стали в одном профиле (например, более прочную сталь в полках), достигая оптимизации по критерию «прочность/стоимость».

Сравнительный анализ прочности двутавра и швеллера при различных типах нагрузок

Вертикальная нагрузка на изгиб — это основной вид нагружения для горизонтальных несущих элементов (балок перекрытий, прогонов). При равных геометрических параметрах (высоте, ширине полок, толщине стенки) двутавр демонстрирует в 1,5-2 раза большую несущую способность, чем швеллер. Такое превосходство объясняется симметричной структурой двутавра: обе полки равноудалены от нейтральной оси и эффективно работают на растяжение и сжатие. У швеллера же одна сторона стенки не поддерживается полкой, что снижает общую жесткость сечения. Например, при использовании в качестве балки перекрытия пролетом 6 метров под равномерно распределенной нагрузкой двутавр №20 выдержит примерно на 40% большую нагрузку, чем швеллер №20П при одинаковом максимальном прогибе.

Боковая (горизонтальная) нагрузка и устойчивость к кручению — в этих условиях швеллер часто проявляет себя лучше, чем двутавр. Смещенный центр тяжести швеллера создает дополнительное сопротивление скручиванию при боковых воздействиях. В конструкциях, где возможны горизонтальные нагрузки (ветровые воздействия на колонны, динамические нагрузки в мостовых конструкциях), швеллер может оказаться более эффективным. Двутавр же при боковой нагрузке на стенку работает преимущественно за счет собственной жесткости стенки, без существенного участия полок.

Осевое сжатие — при продольном сжатии колонные двутавры (серия «К») имеют явное преимущество благодаря практически квадратному сечению и равным моментам инерции относительно обеих главных осей. Швеллеры в качестве сжатых элементов требуют дополнительных мер по обеспечению устойчивости (связи, раскрепления) из-за существенной разницы в моментах инерции относительно разных осей. На практике швеллеры редко применяются в качестве центрально-сжатых колонн значительной длины без дополнительного усиления.

Комбинированные нагрузки (изгиб с кручением, внецентренное сжатие) — здесь выбор зависит от конкретного соотношения силовых факторов. Двутавр лучше сопротивляется чистому изгибу, швеллер — изгибу с кручением. При проектировании конструкций, работающих на сложное сопротивление, требуется детальный расчет обоих вариантов с последующим технико-экономическим сравнением.

Подход к выбору для конкретного применения

Выбор в пользу двутавровой балки обоснован в следующих случаях:

• Основные несущие балки перекрытий в гражданском и промышленном строительстве, особенно при пролетах более 4-5 метров. Двутавр обеспечивает минимальный прогиб и максимальную несущую способность при меньшем собственном весе по сравнению с альтернативами.
• Колонны и стойки, воспринимающие значительные вертикальные нагрузки. Колонные двутавры (серия «К») специально разработаны для этих целей.
• Мостовые конструкции, эстакады, путепроводы — везде, где требуются максимальные показатели прочности при минимальной массе.
• Подвесные пути для кранового оборудования — здесь применяются специальные монорельсовые двутавры (серия «М»), рассчитанные на динамические нагрузки.
• Каркасы быстровозводимых зданий большой площади (ангары, склады, производственные цеха), где основными требованиями являются скорость монтажа и надежность.

Выбор в пользу швеллера целесообразен в следующих ситуациях:

• Вспомогательные элементы конструкций — связи, распорки, элементы каркасов, где важна простота крепления к плоским поверхностям.
• Обрамление проемов, перемычки над окнами и дверями — благодаря П-образной форме швеллер удобно монтируется в стеновые конструкции.
• Каркасы машин, станков, транспортных средств — где требуется сочетание прочности с возможностью удобного крепления накладных элементов.
• Легкие строительные конструкции — навесы, козырьки, каркасы гаражей и других малых архитектурных форм, где не требуются максимальные несущие способности.
• Случаи, когда важна экономия материала — при сопоставимой функциональности в некоторых применениях швеллер может быть на 15-25% дешевле двутавра аналогичной несущей способности.

Ситуации взаимозаменяемости возникают при:

• Небольших пролетах (до 3-4 метров) и умеренных нагрузках — в каркасах малоэтажных зданий, вспомогательных конструкциях.
• Комбинированных системах, где разные элементы работают на различные виды нагрузок.
• Временных и вспомогательных сооружениях, где требования к несущей способности не являются критическими.

При принятии окончательного решения необходимо учитывать не только прочностные характеристики, но и экономические факторы: стоимость самого профиля, затраты на транспортировку (швеллер обычно легче), сложность монтажа (швеллер проще крепить к плоским поверхностям), необходимость дополнительной обработки. В ряде случаев использование двух швеллеров, соединенных вместе, может создать конструкцию, приближающуюся по характеристикам к двутавру, но такое решение требует квалифицированного расчета и качественного исполнения сварных соединений.

Выбор между швеллером и двутавровой балкой представляет собой инженерную задачу, требующую комплексного анализа условий эксплуатации, нагрузок, экономических факторов и требований нормативных документов. Двутавр обладает неоспоримым преимуществом как основной несущий элемент в ответственных конструкциях благодаря оптимальному распределению материала и симметричности сечения. Швеллер проявляет себя как универсальный и технологичный профиль в широком спектре вспомогательных и монтажных конструкций, где важны простота крепления и адаптивность.

Ключевым принципом при выборе должно стать соответствие характеристик профиля конкретным условиям работы конструкции. Недопустима простая замена одного профиля другим без пересчета несущей способности, даже если они имеют схожие геометрические размеры. Профессиональный подход предполагает выполнение расчетов по предельным состояниям (по прочности и жесткости) с учетом всех действующих нагрузок и коэффициентов надежности, что гарантирует безопасность и долговечность возводимых конструкций.

Сравнительная таблица двутавр vs швеллер: применение, особенности, прочность

Пошаговый алгоритм выбора для конкретной задачи

Чтобы принять обоснованное решение, последовательно ответьте на следующие вопросы.

Шаг 1: Определите основной тип нагрузки

• Чистый изгиб (балка перекрытия, прогон) → Двутавр. Его форма создана для максимального сопротивления именно этой нагрузке.
• Осевое сжатие (центрально нагруженная колонна) → Колонный двутавр (серия «К»). Обладает близкими моментами инерции по обеим осям.
• Комбинированные нагрузки, кручение или необходимость простого крепления → Швеллер. Лучше работает в сложных условиях и технологичнее.

Шаг 2: Оцените пролёт элемента

• Более 4–6 метров → Двутавр. Он обеспечит необходимую жёсткость при минимальном собственном весе и прогибе.
• Менее 4 метров → Швеллер становится конкурентоспособным вариантом, особенно для вспомогательных конструкций.

Шаг 3: Учтите требования к весу и экономике

• Критична минимизация веса и расхода металла (крупный объект) → Двутавр. Долгосрочная экономия на материале и фундаментах перекрывает первоначальные затраты.
• Важна низкая стартовая стоимость и простота (малая форма, частное строительство) → Швеллер. Часто дешевле и проще в обработке подручными средствами.

Шаг 4: Проанализируйте условия монтажа и сопряжения

• Множественные соединения с плоскими поверхностями (стены, плиты), необходимость быстрой сборки → Швеллер. Его плоская стенка идеальна для этого.
• Узлы соединяются сваркой или через стандартные фасонные детали → Двутавр. Его монтажные особенности не являются критичным недостатком.

Выводы:

• Для устройства межэтажных перекрытий, длинных пролётов, колонн в многоэтажных каркасах и любых других ответственных несущих элементов, где доминирует изгиб, — выбор однозначен: двутавровая балка. Это специализированный, наиболее эффективный по критерию «прочность/вес» инструмент.
• Для создания каркасов машин, усиления проёмов, монтажа лестниц, устройства связей между основными элементами, строительства лёгких навесов — швеллер является оптимальным, а часто и незаменимым решением. Его универсальность, технологичность и удобство монтажа в данных сценариях перевешивают относительный проигрыш в абсолютной прочности на изгиб.

Важнейшее заключительное правило: Представленный алгоритм служит для первичного, предварительного выбора. Окончательное решение по конкретному типоразмеру профиля (например, «двутавр 20Б1» или «швеллер 20П») всегда должно быть подтверждено проверочным расчётом на прочность, жёсткость и устойчивость, выполненным в соответствии с действующими строительными нормами (СП 16.13330.2017). Это гарантирует безопасность и надёжность вашей конструкции.

Смотрите также материалы:

• Сортамент двутавров
• Балка двутавровая стальная: виды и применение
• Фасонный металлопрокат
• Металлический профиль
• Двутавровая балка - механические и технические характеристики
• Размеры двутавровой балки
• Таблица размеров швеллера
• Сортамент и маркировка швеллеров
• Швеллер для откатных ворот: выбор размера, установка в фундамент
• Швеллер - механические и технические характеристики
• Расчет нагрузок и несущей способности швеллера