Двутавровая балка: расчет прочности

Двутавровая балка считается одним из самых прочных видов металлопроката. Именно поэтому она востребована и при производстве металлоконструкций, и в строительной отрасли. Двутавр часто используют и в ИЖС. С его помощью укрепляют дверные своды, оконные проёмы. При строительстве монолитных многоквартирных домов балка применяется как элемент межэтажных перекрытий.

Расчёт на прочность любого здания и сооружения – это обязательный этап подготовительных работ. Ведь именно от правильно подобранного проката и профиля зависит и долговечность строения, и его безопасность.

Технические характеристики двутавровой балки

Двутавры классифицируются в зависимости от соотношения размеров и условий работы. Двутавровые балки подразделяются на нормальные, маркируемые буквой «Б», и широкополочные, обозначаемые буквой «С». По способу производства они в, в свою очередь, подразделяются на: горячекатаные – ГК и двутавры контролируемой прокатки – КП. При изготовлении последних применяется ускоренное охлаждение стали.

Основными параметрами двутавровых балок являются:

• общая высота;
• высота стенки;
• ширина полки;
• свес полки;
• радиус сопряжения;
• толщина стенки;
• толщина полки.

Кроме того, существуют и предельные отклонения. Они нормируются национальным стандартом РФ ГОСТ Р 58837-2017.

Особенности двутавровых балок

Главным отличием двутавра от других видов металлопроката является профиль поперечного сечения. Он сравним с буквой «Н», положенной на бок. Параллельные ножки называют «полками», а сопряжение между ними – «стенкой».

За счёт подобного сечения достигается высокая жёсткость балки при малой массе. Двутавр способен переносить нагрузки, многократно превышающие расчётные. За счёт использования двутавровых балок можно существенно сократить себестоимость строительства конструкции или здания, обеспечив необходимую устойчивость и безопасность. 

Современные производители металлопроката предлагают широкий выбор двутавровых балок, отличающихся массой, длиной, толщиной стенки и шириной полок. По индивидуальным заказам производятся и специальные двутавровые балки: широкополочные, колонные, монорельсовые. Они востребованы при строительстве важных инфраструктурных объектов.

Расчёт нагрузки на двутавровую балку

Профиль двутавра всегда выбирается из расчёта эксплуатационных нагрузок. Сечения и размеры имеют первостепенное значение. При расчёте нагрузки на конструкцию учитываются:

• высота двутавровой балки, включая толщину полок;
• высота стенки;
• ширина каждой полки;
• длина балки;
• толщина шейки;
• средняя толщина сечения с учётом параллельно расположенных граней и их углом наклона;
• радиус скругления полок;
• радиус скругления перехода.

Также берётся во внимание и технические характеристики будущего объекта или металлоконструкции. Двутавровую балку всегда используют при возведении высоконагруженных и несущих конструкций. В ненагруженных сооружениях она не используется, т.к. её применение не имеет смысла.

Монтаж двутавровых балок при строительстве здания или изготовлении металлоконструкции выполняется на строго определённом расстоянии. Оно называется шагом. Места, на которые устанавливаются балки, называются точками опоры. Расстояние между ними называется пролётом конструкции.

Регламентированные осевые значения

Все расчёты на прочность выполняются строго согласно требованиям государственных стандартов. Справочные значения, содержащиеся в документах, являются обязательными для исполнения и контролируются соответствующими органами, дающими разрешение на ввод объекта в эксплуатацию.

Основными параметрами осевых значений двутавровых балок служат:

• Момент инерции – табличное значение, определяющееся по сортаменту металлопроката;
• Центробежный момент. Его значение по умолчанию принимается равным нулю. В стандартах такой параметр отсутствует;
• Инерция двутавровой балки определяется радиусом относительно центральной оси, осевым моментом и статическим моментом полусечения.

Большое значение при расчётах имеет и параметр сопротивления двутавровой балки, обозначаемый как Ry. Он зависит и от марки сплава, и от размеров двутавра.

Модуль упругости двутавровых балок определяется характеристиками стали, из которой она изготовлена. Для фасонного и чёрного металлопроката модуль упругости принимается равным 200×10³ МПа. 

Нагрузка на двутавр и несущая способность

Номер двутавра является табличным параметром и выбирается исходя из:

• расчётной нагрузки, измеряемой в кг/м.п.;
• величины пролёта, измеряемой в метрах;
• шага, рассчитываемого в метрах.

Номером двутавра считается высота профиля, измеренная в сантиметрах: от 10 до 100 по действующим нормативным документам.

Допустимая нагрузка рассчитывается исходя из несущей способности металлоконструкции или здания. Важно учитывать и технологию производства двутавровой балки. Горячекатаная двутавровая балки имеет несколько иные характеристики, чем изготавливаемая иными методами. 

Непосредственно расчётная нагрузка определяется поэтапно:

• высчитывается номинальное статическое давление на конструкцию;
• рассчитывается вес конструкции в перерасчёте на 1 м.п. двутавровой балки;
• полученное значение умножается на расчётный коэффициент надёжности;
• на основании полученного результата выбирается момент инерции и сопротивления.

По моменту инерции и сопротивления подбирается профиль двутавра по актуальному сортаменту. Обычно инженеры «подстраховываются» и выбирают двутавр на 1-2 номера больше. За счёт этого обеспечивается запас устойчивости здания и металлоконструкции.

Можно ли обойтись без расчётов двутавровой балки на прогиб?

Расчёт на прогиб выполняется при проектировании практически всех конструкций. Он включает в себя построение эпюр внутренних напряжений. Это сложная и кропотливая работа. При расчёте прогиба учитываются:

— статическая нагрузка на один погонный метр балки;

— расстояние между опорными точками;

— расчётное сопротивление.

К примеру, если двутавровая балка используется для монтажа межэтажных перекрытий, прогиб не должен превышать 1/250. Если речь идёт о перемычках и кровельных опорах, то параметр должен находиться в пределах 1/200.

Формул расчёта прогиба для двутавровой балки множество. Различные НИИ и подрядные организации считают данный параметр по-разному. Многое зависит и от нагрузки, и от вектора её действия. Пренебрегать расчётами двутавровой балки на прогиб ни в коем случае нельзя. Пренебрежение может привести к катастрофическим последствиям. 

Открыть попап