Стальные балки: конструкция, типы

Стальная балка — базовый наклонный или горизонтальный элемент конструкций, работающий на изгиб. Она закрепляется на двух или нескольких опорах и служит поддержкой настилам, полу, кровле, используется при формировании пролетов, строительстве мостов.

В зависимости от проекта роль балки может выполнять металлический профиль или даже деревянный брус. В строительной отрасли используют металлоизделия, выдерживающие значительные нагрузки по эксплуатации и имеющие длительный запас прочности.

Стальные балки классифицируют по способу производства:

• Прокатная;
• Сварная.

Сортамент прокатных балок объединяет изделия, полученные следующими методами:

• По технологии горячей прокатки;
• Гнутьем листовой стали.

Г/к прокат формируют из заготовки (прямоугольный блюм) с одновременным воздействием температуры и обжатия роликами, объединенными в прокатную клеть. В зависимости от используемой стали для улучшения механических свойств в производственный цикл включают термообработку. Таким способом получают двутавры с сечением в виде буквы “H”.

Холоднокатаные полуфабрикаты изготавливают из металлического листа, придавая им любую форму. Это легкий строительный материал:

• для каркасных строений;
• перегородок из гипсокартона и других листовых материалов (OSB, ДВП, ДСП и др.);
• обустройства дверных и оконных проемов;
• их используют в машиностроении, судостроении и других отраслях.

Для увеличения коррозионной стойкости поверхность металла покрывают цинком. 

Затраты на производство прокатной продукции снижаются за счет оптимизации мощностей и унификации сортамента. Единственный недостаток: ограниченность размеров. Изготовление габаритного металлопроката экономически не выгодно, поэтому для создания сооружений по индивидуальным проектам с большим числом специальных требований (мостов, эстакад, зданий с большими пролетами) применяют сварной тип.

Сваркой можно получить как штучный экземпляр, так и мелкосерийную партию. В процессе могут использоваться разные сплавы, отвечающие задачам проекта. После подбора марки, листовую сталь режут на полосы, обрабатывают торцы и сваривают из 2-3 составных частей в зависимости от конфигурации.

В сравнении с горячекатаным способом, у балок, изготовленных сваркой может быть:

• увеличена несущая способность или снижена металлоемкость;
• получены нетиповые размеры;
• конструирование элементов с переменным сечением.

Так как запас стойкости предусмотрен для максимального сопротивления деформации, а на отдельных участках этого не требуется, уменьшение толщины стенки снижает металлоемкость.

Типы стальных балок по форме сечения

Для выполнения одной и той же задачи можно использовать разные профили и таким образом нивелировать затраты на металлический каркас. В промышленном и гражданском строительстве применяются следующие типы:

• Тавровые (в виде “Т”). Они обладают меньшей прочностью в сравнении с Н-образными, имеющими два ребра жесткости. Однотавры применяют только в целях снижения металлоемкости: при формировании легких конструктивных элементов (балконов, ферм). Они также служат для укрепления ответственных узлов в конструкции, отлично противостоят сейсмическим воздействиям.
• Двутавровые (в форме “Н”) — основной конструкционный материал с высокими параметрами прочности, устойчивостью к изгибающим и растягивающим нагрузкам, высокой несущей способностью.
• Швеллер (П-образный) — лучше, чем двутавр, воспринимает сжатие, но хуже выдерживает изгибание, используется в каркасах крыш, прогонов. Удобная форма позволяет приспосабливать полуфабрикаты для нужд промышленности и машиностроения.

ГОСТ Р 57837-2017 с сортаментом горячекатаных равнополочных двутавровых профилей предусматривает обозначение по сфере применения.

Для балочных типов:

• Б — нормальные;
• Ш — широкополочные.

Кроме этого стандарт регулирует нормативные параметры следующих видов полуфабрикатов:

• К- колонные;
• С — свайные;
• ДБ, ДК — дополнительные серии.

Колонный тип имеет увеличенную толщину стенок и полок, обладает большей жесткостью, используется в качестве колонн и опор. Свайная серия предназначена для обвязки фундамента, то есть объединения всех свай в ростверк приварным способом.

[include_post id=»7134″]

Маркировка приближена к высоте в сантиметрах, например у 16Б1 — 157 мм, а у 45Ш1 — 440 мм. Типоразмеры с разной толщиной стенок и полок, указываются с разными значениями последних цифр: 25Б1, 25Б2, 25Б3, 25Б4.

По ТУ 14-2Р-477-2015 производят сварные двутавры для строительных конструкций. Регламент относится к нормальным (Б), широкополочным (Ш) и колонным (К) с аналогичной маркировкой. 

ГОСТ 19425-74 предусматривает классификацию швеллеров и балок, которые необходимы для подвесных путей и автопрома, с внутренним уклоном полок:

• М- 12%;
• С — 16%.

Прокат маркируют по высоте в сантиметрах и уклону внутренних граней: 22С (220 мм, уклон С- 16%), 30М (300 мм, со скатом 12%). Стандартом предусмотрены типоразмеры разной толстостенности: 18С и 18Са имеют ширину перемычки 7 и 9 мм.

Швеллеры по ГОСТ 8240-97 выпускаются в нескольких вариантах исполнения:

• У — с уклоном;
• П — с параллельно расположенными полками;
• Э — экономичные;
• Л — легкие с параллельными гранями;
• С — специальные.

Маркировки обозначают серию и высоту (h). Дополнительно введены типоразмеры для проката с увеличенной толщиной или длиной полки — 27У (270 мм, исполнение У), 24П, 16Л, 26С, 26Са и т.д.

Преимущества балок из металла

Металлопрофили, благодаря ребрам жесткости, обладают:

• высокой несущей способностью;
• устойчивостью к кручению, изгибанию;
• производятся из марок стали, легко поддающихся сварке;
• подходят для сварных, клепаных и болтовых конструкций.

Достоинства:

• Равномерное распределение давления;
• Надежность, высокая прочность;
• Снижение расхода металла;
• Экономичность (в сравнении с использованием арматуры для той же цели);
• Стойкость к воздействиям различных направлений;
• Упругость позволяет длительно сохранять форму;
• Устойчивость к вибрации;
• Удобство транспортировки;
• Возможность использования специальных марок стали (хладостойких, коррозионно-стойких).

Двутавровая балка используется во всех направлениях строительства: монолитном, каркасном, для сооружений, которые требуют мало затрат по времени. Прочностные характеристики позволяют расширить архитектурные возможности: обустраивать большие пролеты, получать больше полезной площади в промышленных зданиях.

Особенности:

• Возможность штучного производства;
• Трансформация архитектуры и повышение рентабельности проектов;
• Дополнительное снижение расхода сырья благодаря конструированию изделий с переменной толщиной стенки;
• Легко усилить в местах концентраторов напряжений: для этого приваривают полосы, увеличивая площадь сечения.

Двутавры нашли применение:

• в шахтной промышленности;
• мостостроении;
• строительстве подземных сооружений и тоннелей;
• организации подвесных путей;
• организации опор для трубопроводов;
• качестве элементов подъемных кранов и иного оборудования.

Преимуществом двутавровых профилей, изготовленных сваркой, является неограниченный размер. Конструирование осуществляется индивидуально, что позволяет выполнить нестандартные задачи, одновременно снижая расход металла.

Швеллеры используют для усиления ж/б конструкций, быстрого обустройства проемов, плинтусов, пандусов, для организации конвейерных линий, вагоностроения.

Особенности:

• Устойчивость к вертикальным и осевым нагрузкам;
• Удобство монтажа;
• Х/к производятся гнутьем и не имеют недостатков соединения сваркой.

Швеллер может применяться там, где двутавр оказывается невыгодным. В случаях с рекламным оборудованием, складами и ангарами. Однако возведение зданий более одного этажа на швеллерном каркасе невозможно. Швеллерные металлопрофили выполняют функции корсоуров лестниц в объектах индивидуальной застройки. Так как вес каркаса ниже, чем у изготовленного из дерева, материал не подвержен рассыханию и гниению, экологичен.

Тавровые профили просты в производстве и применяются для легких конструкций. Например, для изготовления перил, промышленных стеллажей, тепличных блоков, крепления панелей. Но из-за снижения спроса, их изготовление практически прекратилось. Однотавры заменяют уголками и профильными трубами.

[include_post id=»5826″]

Возможные дефекты балок из стали

Как все стальные изделия, балочная продукция подвержена коррозии, а при длительных динамических нагрузках — усталостным напряжениям. Дефекты могут появиться при нарушении технологий производства или монтажа. Перечислим наиболее популярные:

• Отклонения от нормативных параметров качества приводят к несоответствию прочностных характеристик, искажению геометрии;
• Трещины в теле металла, в сварных швах, околошовной зоне ведут к уменьшению проектной площади сечений;
• Локальные искривления и вмятины, прогиб элемента, как следствие — неточности при монтаже;
• Коррозионный и абразивный износ из-за неправильного хранения или у бывших в употреблении полуфабрикатов;
• Перекосы, грибовидность, выпучивание перемычки сверх установленных допусков могут появиться при неправильном складировании, например при укладке продукции в штабели более 3 метров в высоту.

Погрешности при изготовлении осложняют работы на строительной площадке. В местах стыков появляются зазоры. Как правило, такой брак отсеивает отдел ОТК. Прокат проходит испытания в зависимости от условий эксплуатации: климатические зоны, воздействия агрессивных сред (на промышленных предприятиях и в близлежащих районах), возможности изменения нагрузок и др. Согласно строительным нормам, допускается ремонт балочных элементов, но при этом они подвергаются дополнительному контролю.