Сортамент двутавров

Что такое двутавр / двутавровая балка?

Двутавровая балка или просто двутавр – это один из видов металлического профиля,  имеющий поперечное сечение в форме латинской буквы «H», широко используемый в строительстве.

Двутавр состоит из:

• Полок — это две параллельные пластины, расположенные горизонтально. Они обеспечивают основную несущую способность балки.
• Стенки — вертикальная пластина, соединяющая полки. Стенка обеспечивает жесткость балки и помогает ей сопротивляться изгибу.

Двутавровая балка называется так из-за формы своего поперечного сечения, которая напоминает две соединенные буквы «Т», образующие «двойной тавр». В русском языке слово «тавровый» указывает на схожесть формы с буквой «Т», а приставка «дву-» подчеркивает, что таких «Т» формируют две зеркальные полки, соединенные вертикальной стенкой.

Название двутавровой балки аналогично в других языках и всегда связано с её формой:

• Английский язык: «I-beam» — из-за сходства с буквой «I».
• Французский язык: «poutrelle en I» — также означает «I-балка».
• Немецкий язык: «Doppel-T-Träger» — что переводится как «двойной T-носитель».

Преимущества двутавров

• Высокая прочность — благодаря своей форме двутавр обладает высокой прочностью при изгибе, что делает его идеальным для использования в несущих конструкциях.
• Экономичность — двутавр позволяет создавать прочные конструкции при относительно небольшом расходе металла.
• Универсальность — двутавры применяются в самых разных областях строительства: от возведения зданий и сооружений до производства металлоконструкций.
• Простота монтажа — двутавры легко соединяются между собой с помощью сварки, болтов или других крепежных элементов.

Применение двутавров

• Несущие конструкции — колонны, балки перекрытий, стропильные системы.
• Мосты и эстакады — двутавры используются для создания пролетных строений.
• Промышленные здания — каркасы цехов, складов и других производственных помещений.
• Металлические конструкции — фермы, рамы, опоры.

Механические свойства двутавра

Двутавровая балка обладает уникальными механическими свойствами, которые делают её одним из самых эффективных строительных материалов для конструкций, требующих
высокой прочности и устойчивости к нагрузкам. Эти свойства достигаются благодаря специфической форме поперечного сечения, распределению материала и физическим характеристикам стали или других материалов, из которых она изготавливается.

Высокая прочность на изгиб

Двутавровая балка устойчива к изгибающим нагрузкам, которые возникают при вертикальном давлении на горизонтальную балку, например, при размещении тяжёлых предметов на перекрытии.

Изгиб происходит, когда верхняя часть балки подвергается сжатию, а нижняя – растяжению. Двутавровая форма с двумя полками (верхней и нижней) позволяет распределить эти силы: верхняя полка принимает на себя сжимающее усилие, а нижняя — растягивающее. Это распределение позволяет избежать деформации.

Удаление лишнего материала из середины (по вертикальной оси) и концентрация материала на полках создают распределение материала вдоль внешней линии балки, где напряжение от изгиба максимально. Вертикальная стенка служит связующим элементом и распределяет напряжение между полками, что даёт балке жесткость и прочность на изгиб.

Жесткость и устойчивость к деформации

Жесткость – это способность балки сохранять форму при нагрузке, а устойчивость – это способность противостоять прогибу и другим деформациям.

Конструкция двутавра со стенкой и полками увеличивает момент инерции сечения (или площадь, участвующую в сопротивлении деформации), что повышает жесткость и предотвращает изгиб даже при больших нагрузках.

Момент инерции напрямую связан с распределением материала относительно центральной оси. У двутавра большой момент инерции, так как большая часть материала находится на краях (в полках). Это обеспечивает высокий коэффициент жесткости, особенно по сравнению с швеллерами или профилями другой формы.

Прочность на сжатие и растяжение

Двутавр эффективно противостоит нагрузкам как на сжатие, так и на растяжение, что делает его идеальным для вертикальных колонн, опор и горизонтальных балок в условиях многократных или долговременных нагрузок.

При изгибе верхняя полка двутавра сжимается, а нижняя растягивается. Конструкция позволяет эффективно распределять эти противоположные силы, что препятствует разрыву или разрушению материала.

Прочность на сжатие достигается за счет толстой и широкой полки, которая противостоит нагрузкам. Прочность на растяжение обеспечивается нижней полкой, которая принимает растягивающее напряжение, делая конструкцию сбалансированной по прочности и долговечности.

Оптимальное распределение массы

Двутавр эффективен с точки зрения расхода материала, поскольку его форма позволяет оптимально использовать сталь для создания максимальной прочности при минимальной массе.

В конструкции двутавра материал сконцентрирован в полках, где напряжение от нагрузок максимально. Вертикальная стенка лишь связывает полки и не требует значительного количества материала.

При равной нагрузке двутавровая балка будет легче других типов балок (например, сплошной балки), так как материал сосредоточен там, где это необходимо для обеспечения прочности. Такое распределение массы уменьшает общий вес конструкции, экономит материал и снижает затраты на строительство.

Устойчивость к боковым нагрузкам и скручиванию

Двутавровая балка устойчива к боковым сдвигам и скручивающим моментам благодаря своей форме и симметричности, что важно для горизонтальных и вертикальных конструкций.

Симметричное распределение полок вокруг центральной стенки делает двутавр устойчивым к неравномерным нагрузкам и скручиванию. Полки препятствуют боковым сдвигам, и нагрузка распределяется по всей длине балки.

Благодаря своей геометрии двутавр хорошо справляется с динамическими нагрузками и изменяющимися условиями (например, ветровыми нагрузками на мостах или вибрацией в промышленных зданиях).

Механические свойства двутавровой балки определяются её моментом инерции I, который рассчитывается относительно горизонтальной оси. Чем больше расстояние от центральной оси до полок (где сосредоточен материал), тем выше момент инерции, и тем эффективнее балка противостоит изгибу и деформациям.

Момент инерции для двутавра можно рассчитать по формуле:

I = ( 1/12 ) х bh³ – ( 1/12 ) x b₀h₀³

где:

• b и  h — ширина и высота всей балки,
• b₀ и  h₀ — ширина и высота центральной стенки.

Эти параметры показывают, как материалы, размещенные далеко от центральной оси, в полках, значительно увеличивают сопротивление изгибу и деформации.

Виды балок

По форме профиля и толщине стенок

• Обычные двутавровые балки (тип «Н») — эти балки имеют симметричную форму с равномерной толщиной полок и стенок. Они применяются в конструкциях с относительно стандартными нагрузками, таких как перекрытия и каркасы зданий.
• Широкополочные двутавровые балки (тип «Ш») — такие балки имеют увеличенную ширину полок по сравнению с обычными двутаврами, что повышает их устойчивость к нагрузкам и делает их подходящими для горизонтальных конструкций, таких как мосты и несущие перекрытия. Широкие полки также дают дополнительную площадь для распределения нагрузки, что уменьшает прогиб балки.
• Узкополочные двутавровые балки (тип «У») — отличаются меньшей шириной полок. Их применяют в случаях, когда нагрузка невелика, или в вертикальных конструкциях, таких как колонны и опорные столбы. Узкие полки делают их более лёгкими и экономичными.
• Колонные двутавры (тип «К») —  имеют более толстые стенки и полки, что делает их особенно устойчивыми к вертикальным нагрузкам. Они подходят для использования в колоннах и опорах, где важна прочность и устойчивость к сжатию.

По способу производства

• Горячекатаные двутавровые балки — производятся методом горячей прокатки, что делает их цельными и более прочными. Это стандартные балки, используемые в строительстве. Они обладают высокой прочностью и надёжностью, но имеют ограниченные размеры из-за технических ограничений прокатного оборудования.
• Сварные двутавровые балки — состоят из отдельных элементов (двух полок и стенки), которые свариваются вместе. Сварные двутавры можно изготовить с нестандартными размерами, что делает их идеальными для специфических проектов, требующих индивидуальных решений.

По назначению и особенностям применения

• Балка нормального проката — это базовый тип двутавра, предназначенный для стандартных строительных конструкций. Применяется в зданиях и сооружениях с обычной нагрузкой. Такие балки производятся из стали средней прочности и легко доступны по стоимости.
• Балка усиленного проката —  имеют увеличенные размеры полок и стенок, что позволяет выдерживать большие нагрузки. Их применяют в промышленных и инфраструктурных объектах, где требуется высокая прочность и долговечность. Чаще всего производятся из высокопрочной стали.
• Сварные двутавровые балки — в отличие от прокатных балок, сварные изготавливаются путем сварки отдельных элементов (полок и стенок). Это позволяет создавать балки нестандартных размеров и адаптировать их под конкретные задачи. Такие балки особенно востребованы в случае крупных строительных проектов, где требуются балки с нестандартными параметрами.

Основные ГОСТы на двутавровые балки

В России и странах СНГ производство двутавровых балок строго регламентируется государственными стандартами (ГОСТ), которые определяют размеры, свойства, виды и допустимые отклонения для двутавровых балок, используемых в строительстве и промышленности. Эти стандарты важны для обеспечения качества и надёжности конструкций, а также для унификации размеров и свойств двутавров, что упрощает проектирование и расчёт строительных конструкций.

ГОСТ 8239-89 — «Прокат стальной двутавровый. Сортамент»

Стандарт регулирует размеры и характеристики стандартных двутавровых балок с высотой от 100 до 600 мм. Основное применение этих балок — в строительных и несущих конструкциях, для которых требуются стандартные нагрузки и небольшие размеры.

Типы балок: Нормальные двутавровые балки (тип «Н»).

Допуски: Предусматривает допуски на отклонения в размерах полок и стенок двутавров, а также допуски по массе, которые обеспечивают точное соответствие балки расчётным параметрам. Например, допустимое отклонение по толщине полок составляет ±0,5 мм, а по массе — ±3%.

ГОСТ 26020-83 — «Прокат стальной широкополочный. Сортамент»

ГОСТ определяет параметры широкополочных двутавровых балок с высотой от 100 до 1000 мм, которые предназначены для несущих конструкций с высокими нагрузками (например, для мостов, перекрытий в многоэтажных зданиях).

Типы балок: Широкополочные балки (тип «Ш») и колонные балки (тип «К»).

Допуски: Допускает меньшие отклонения по толщине полок и стенок по сравнению с ГОСТ 8239-89, чтобы обеспечить надёжность конструкций с высокой нагрузкой. Максимальное отклонение по толщине полок, например, составляет ±0,4 мм для более крупных балок.

ГОСТ 19425-74 — «Прокат стальной двутавровый. Специальные балки»

Стандарт охватывает специальные типы двутавровых балок, включая нестандартные по форме и размерам балки, которые могут использоваться в различных промышленных и машиностроительных отраслях, где требуются особые характеристики.

Типы балок: Специальные балки, которые могут отличаться от стандартных типов («Н», «Ш», «К») и иметь нестандартные полки или изменённые пропорции стенки.

Допуски: Предусматривает допуски, соответствующие специальным требованиям заказчика. Например, отклонения по массе и размерам могут корректироваться в зависимости от области применения балок.

ГОСТ 535-2005 — «Сталь углеродистая обыкновенного качества. Общие технические условия»

ГОСТ 535-2005 регулирует требования к качеству углеродистой стали, из которой производят двутавровые балки. Этот стандарт определяет химический состав, механические свойства и особенности проката стали.

Допуски: Допустимые отклонения по химическому составу и механическим характеристикам стали также нормированы, что гарантирует стабильность характеристик металла.

ГОСТ 23118-2012 — «Конструкции стальные строительные. Общие технические условия»

ГОСТ охватывает общие требования к изготовлению стальных строительных конструкций, в том числе и с использованием двутавровых балок. Регламентируются требования к сварке, коррозионной защите, допускам и проверке качества конструкции.

Качество сварки: Для двутавровых балок, сваренных из нескольких элементов, этот ГОСТ предусматривает высокие требования к качеству сварных швов и антикоррозийной обработке.

Допуски: Устанавливает допустимые отклонения по длине и геометрическим параметрам, а также к сварным соединениям, которые не должны нарушать целостность и прочность конструкции.

ГОСТы обеспечивают единые стандарты для производителей и потребителей, что помогает:

• Гарантировать качество — четкие требования по допускам и качеству стали обеспечивают надежность конструкций, рассчитанных на долговечность и безопасность.
• Унифицировать размеры и свойства — единые размеры и формы позволяют архитекторам и инженерам точно рассчитывать нагрузку и разрабатывать конструкции с предсказуемыми характеристиками.

Важные параметры, регулируемые ГОСТами

•  Геометрические размеры: Высота, ширина полок, толщина стенки и полок, радиусы закругления.
•  Вес одного метра погонного профиля.
•  Моменты сопротивления: Характеризуют прочность профиля на изгиб.
•  Моменты инерции: Определяют жесткость профиля.
•  Механические свойства стали: Предел прочности, предел текучести, относительное удлинение.
•  Допуски на отклонения: Устанавливают допустимые отклонения размеров и формы профиля от номинальных значений.

Сортамент двутавровых балок – это перечень типоразмеров, форм и характеристик балок, произведённых по стандартам. Сортамент описывает точные параметры каждого типа балки, включая высоту, ширину, толщину стенки и полок, а также вес на метр длины.

Это своего рода «паспортизация» стандартных двутавровых балок, что помогает инженерам и архитекторам выбирать нужные изделия для различных строительных и промышленных проектов.

Основные параметры сортамента двутавровых балок

• Высота балки (h) — измеряется как расстояние между внешними краями полок. Высота напрямую влияет на прочность и жёсткость балки, чем выше балка, тем большую нагрузку она может выдерживать. Высота стандартных балок варьируется, обычно от 100 до 1000 мм, в зависимости от типа балки и её назначения.
• Ширина полок (b). Полки – это горизонтальные элементы балки, которые принимают нагрузку и распределяют её по всей длине балки. Широкополочные балки более устойчивы к изгибу, чем узкополочные, за счёт увеличенной ширины полок. Ширина полок может составлять от 50 до 400 мм.
• Толщина стенки (s). Стенка – это вертикальная часть балки, соединяющая полки и распределяющая нагрузку между ними. Чем толще стенка, тем больше балка сопротивляется продольному изгибу и сжатию.  Толщина стенок обычно колеблется от 3 до 15 мм, в зависимости от типа балки.
• Толщина полок (t). Толщина полок определяет, какую нагрузку балка может выдерживать при сжатии и растяжении. У колонных и усиленных балок полки обычно толще, так как такие балки предназначены для высоких нагрузок.  Толщина полок может быть от 4 до 40 мм.
• Вес 1 метра погонного (кг/м) — один из ключевых параметров, поскольку он влияет на расчёт общих нагрузок на конструкции. Вес балки определяет удобство транспортировки и установки. Масса на метр зависит от всех вышеперечисленных параметров и типа стали.

Зачем нужен сортамент?

• Сортамент позволяет выбрать нужные двутавры для конкретных условий. Например, балки большего размера и массы подходят для мостов и промышленных зданий, а меньшие и лёгкие — для обычных перекрытий.
• Сортамент обеспечивает универсальные размеры и свойства балок, что облегчает проектирование и расчёт конструкций. Все элементы конструкций рассчитываются на основе одного и того же набора параметров.
• Параметры и допуски, определённые сортаментом, позволяют контролировать точность и качество продукции. Если балка не соответствует заявленным размерам и допускам, она считается бракованной.

Сортамент двутавровых балок формируется с учетом следующих факторов:

• Требований строительных норм и правил — ГОСТы, СНиПы и другие нормативные документы устанавливают минимальные требования к прочности и геометрическим характеристикам профилей.
• Производственные возможности — сортамент должен соответствовать технологическим возможностям металлургических предприятий.
• Потребности рынка — сортамент формируется с учетом спроса на профили различных размеров и характеристик.

Балка выпускается длинной 3, 6 или 12 метров.  При заказе больших партий возможно производство двутавров под размер клиента.

По сравнению с другими видами металлопроката двутавровая балка имеет наибольшую степень удельной прочности и жесткости. Связано это с формой поперечного сечения проката, она способствует наиболее правильному распределению напряжения по площади балки, что позволяет существенно снизить объем используемого материала. Так сопротивление на разрыв двутавра и цельного бруска металла  аналогичного размера практически одинакова, но при этом масса Н-образного профиля ниже более чем в 10 раз.

Марки сталей и сплавов, используемых для производства двутавров

Помимо формы поперечного сечения регламентируемый ГОСТами сортамент определяет допустимые виды сталей, из которых изготавливают двутавровые балки. Наиболее применяемыми из них являются:

Углеродистые стали обыкновенного качества. Механические свойства и химический состав соответствуют ГОСТ 380-2005. По степени раскисления подразделяются на спокойные, кипящие и полуспокойные. Восемьдесят процентов рынка представлены именно этими сталями в силу их оптимального соотношения цены, технологических и прочностных характеристик.

Строительные стали ГОСТ 27772-88. Отличаются более высокими требованиями по отношению к содержанию вредных примесей. Основной сортамент данных сталей представлен такими марками как С235, С245 и С255.

Низколегированные прокатные стали. Характеристики указаны в таблице ГОСТа 19281-89. Эти сплавы дополнительно легированы марганцем, кремнием и алюминием, что делает их более устойчивыми по отношению к динамическим нагрузкам.

Стали для мостостроения ГОСТ 4784-97. Еще более прочный сплав. Обладает повышенным сопротивлением к воздействию циклических нагрузок. Применяется в особо ответственных конструкциях.

Алюминиевые сплавы ГОСТ 4784-97. Сюда входят различные их марки: Амг5, Д16 и прочие. Применяются в тех случаях, когда приоритетом для конструкции является легкость. Также сортамент двутавров из данного материала отличается более высокими эстетическими и коррозионностойкими свойствами.

Параметры и характеристики

На значение жесткости двутавров наибольшее влияние оказывает размеры и форма сечения двутавровой балки, которые характеризуются такими параметрами как:

• h — высота двутаврового профиля;
• b — ширина двутаврового профиля;
• s — толщина стенки двутавра;
• t — толщина полки двутавра;
• r — радиус скругления.
• A — площадь поперечного сечения;
• Jx, Jy — моменты инерции сечения;
• Wx, Wy — моменты сопротивления сечения;
• ix, iy — радиусы инерции сечения.

Момент сопротивления и момент инерции — величины, определяющие сопротивляемость профиля к деформации. Их значение можно найти в таблицах приведенных ниже.

Значения данных параметров при изготовлении конструкций подбирается исходя из следующих технических условий:

• Расстояние между опорными концами;
• Тип нагрузки;
• Усилие на балку сконцентрировано в одной точке или распределено по ее поверхности;
• Значение нагрузки;
• Тип материала, из которого изготовлена балка.

Маркировка, размеры и характеристики двутавров по ГОСТ 8239-89 и ГОСТ 26020-83

Таблица 1. Маркировка, размеры и характеристики двутавров стальных горячекатаных

Таблица 2. Маркировка, размеры и характеристики двутавров с параллельными гранями полок

Таблица 3. Маркировка, размеры и характеристики широкополочных двутавров

Таблица 4. Маркировка, размеры и характеристики колонных двутавров

Смотрите также:

• Оптовая и розничная продажа металлической двутавровой балки.
• ГОСТы и ТУ на фасонный прокат.
• Онлайн-калькулятор расчета веса и длинны двутавра.
• Таблица расчета веса двутавра.
• Справочник металлопроката.