Капитальное и малоэтажное строительство постоянно ищет баланс между прочностью, долговечностью, экономической эффективностью, а также скоростью возведения конструкций. Решить вопрос помогают конструкционные стали. Среди них особое место занимает двутавровая балка — Н-образный элемент, который десятилетиями служит основой для мостов, высотных зданий, промышленных цехов.
Традиционный литой или горячекатаный прокат не всегда способен удовлетворить специфические требования проектов, особенно если нужны нестандартные, оптимизированные по весу и высоте профилей.
Здесь на первый план выходит сварной двутавр — высокотехнологичный продукт, изготовленный методом контролируемой автоматической сварки из листовой стали.
Рассмотрим конструктивные особенности сварных двутавров, преимущества перед горячекатаными аналогами, методику расчета и интеграции в современные строительные системы.
Новая технология частного домостроения: переосмысление каркаса
В последние годы наблюдается устойчивый тренд на укрупнение индивидуальных жилых домов, а также на применение индустриальных технологий в малоэтажном строительстве. Заказчики и девелоперы требуют больших открытых пространств, минимального количества внутренних опор, а также высокой сейсмоустойчивости, огнестойкости.
Традиционные деревянные перекрытия или стандартные горячекатаные профили накладывают ограничения на длину пролетов и высоту здания.
С помощью сварного двутавра стало возможным перенести достижения высотного строительства в сегмент частного домостроения. Стальной профиль имеет следующие характеристики:
- Оптимальная высота. Профиль проектируют так, чтобы вписываться в заданные архитектурные габариты, не съедая полезную высоту этажа.
- Гибкость в пролетах. Размеры сварной двутавровой балки кастомизируют: подбирают толщину полок и стенки. Поэтому профиль перекрывает пролеты до 12–15 м в частном домостроении реально; до 20 м — для промышленных объектов.
- Ускорение монтажа. Изготовленные на заводе и доставленные на площадку готовыми секциями, балки значительно сокращают сроки монтажа каркаса.
Технология открывает возможности в проектировании, делая частный дом более прочным, долговечным, архитектурно свободным.
Что собой представляет сварной двутавр
Сварной двутавр — это профиль, который не прокатывают на прокатном стане, а собирают из отдельных плоских элементов (листовой стали) путем их автоматической сварки.
Конструкция
Конструктивно балка состоит из трех основных элементов, изготовленных из листового проката высокого качества:
Полки (верхняя, нижняя). Горизонтальные элементы, воспринимающие растягивающие и сжимающие усилия. Их габариты определяют способность профиля сопротивляться изгибу и смятию.
Стенка (вертикальная). Центральный элемент, воспринимающий поперечные сдвигающие усилия и связывающий полки. Толщина стенки критична для устойчивости к потере формы, а также местному смятию.
Типы двутавров по геометрии
Главное отличие сварного двутавра от стандартного горячекатаного, например, по ГОСТ 26020, заключается в том, что геометрия сварного сечения не ограничена возможностями прокатного стана.
- С постоянным сечением (аналоги горячекатаным). Используют для замены стандартных профилей, когда нужны большие размеры или более точные характеристики. Например, для повышенной огнестойкости при меньшем весе.
- С переменным сечением (балка переменного сечения, БПС). Наиболее востребованный тип. В зависимости от эпюры изгибающих моментов в конструкции, толщина полок или стенки меняется по длине балки.
- С изменяющейся высотой стенки. Используют там, где нагрузки распределены неравномерно. Высота балки увеличивается в местах максимальных изгибающих моментов (обычно вблизи опор), и уменьшается в середине пролета. Это дает максимальную экономию металла без ущерба несущей способности.
- С изменяющейся толщиной полок. Применяют, когда нужно усилить полку в зонах концентрации напряжений, например, под местами примыкания колонн или других балок.
Преимущества сварки
Переход от литого проката к сварной технологии удобен при работе с крупногабаритными конструкциями или проектами, для которых оптимизируют вес материалов.
1. Оптимизация расхода металла
При использовании горячекатаного профиля его характеристики рассчитывают на максимальное усилие, действующее на всю длину балки. В сварном же двутавре сечение оптимизируется локально.
За счет уменьшения толщины стенок или полок в зонах с низкими нагрузками, общий вес конструкции снижается на 15–30% по сравнению с использованием стандартного горячекатаного профиля аналогичной несущей способности.
2. Свобода проектирования
При помощи сварки создают профили, которые невозможно получить прокатом.
- Большая высота. Возможно изготовление двутавров высотой до 3 метров.
- Тонкие стенки при большой высоте. В горячекатаном прокате есть ограничения по соотношению высоты и толщины стенки. При этом из-за сварки для высоких балок используют более тонкие стенки. Это также ведет к экономии веса.
- Сложные сечения. Легко создавать косые срезы, пазухи для прохода коммуникаций, а также асимметричные сечения, не предусмотренные сортаментами.
3. Повышенная точность геометрии
Сварные конструкции изготавливают на высокоточном оборудовании с использованием ЧПУ. Точность технологии гарантирует минимальные допуски по прямолинейности и плоскостности, что крайне важно для быстрой сборки сложных узлов.
4. Использование качественного сырья
Северсталь Стальные Решения поставляет для изготовления сварных балок листовой прокат, в том числе, высокопрочные марки С345, С390 и выше. Из-за гарантированных механических свойств по всей площади листа готовые конструкции ведут себя предсказуемо.
Узлы крепления
Эффективность двутавра зависит не только от способности нести нагрузку, но и от того, как он соединяется с другими элементами — колоннами, ригелями, плитами перекрытия.
В строительстве применяют три основных типа узлов крепления сварных двутавров:
1. Фланцевое соединение (болтовое)
Наиболее распространенный быстрый метод. Полки профиля крепят к полкам колонны или другого элемента с помощью высокопрочных болтов класса не ниже 10,9
- Преимущество. Высокая скорость монтажа, возможность демонтажа и регулировки.
- Особенности. В местах крепления учитывают передачу усилий через стенку, что требует ее местного усиления для предотвращения смятия: наварки дополнительных накладок или пластин.
2. На сварке (сварные планки, фасынки)
Метод применяют, когда нужна максимальную жесткость и неразъемность соединения. Часто используют в большепролетных промышленных сооружениях.
- Усиление стенки. При сварном соединении изгибающих моментов, стенку Н-образного профиля усиливают. Для этого в местах примыкания к смежному элементу приваривают дополнительные вертикальные пластины (усиление стенки) или наклонные элементы (фасонки).
- Передача срезающих усилий. Срезывающие усилия передаются через швы, приложенные к стенке. Качество этих швов с полным проваром — критический параметр контроля.
Дополнительные функции
Профили выполняют не только основную несущую функцию, но также решают дополнительные инженерные задачи, повышая общую функциональность здания.
1. Каналы для коммуникаций
Из-за возможности изменять высоту стенки, двутавры проектируют так, чтобы верхняя полка балки располагалась строго на уровне потолка или пола. При этом в теле стенки оставляют пространство для прокладки воздуховодов, кабельных лотков или труб отопления, чтобы не монтировать фальшполы и подвесные потолки.
2. Повышение огнестойкости
В отличие от горячекатаных профилей, где расчетная толщина стенки ограничена сортаментом, в сварной конструкции увеличивают толщину полки или стенки только в зонах наибольшего напряжения. Таким образом достигают нужного предела огнестойкости при минимальном увеличении общего веса.
3. Устойчивость
В каркасах с большими пролетами, где балки работают на сжатие или подвержены риску бокового изгиба, профиль изготавливают с полками, значительно превышающими по ширине стандартные. Широкие полки увеличивают момент инерции относительно слабой оси, а также повышают общую жесткость конструкции.
Расчет: от проекта до готового изделия
Этапы расчета
Расчет сварного двутавра начинают с определения эксплуатационных нагрузок и архитектурных ограничений.
- Определение расчетных усилий. Инженер-конструктор определяет максимальные изгибающие моменты (M max) и поперечные силы (Q max) в каждой точке по длине элемента, исходя из снеговых, полезных нагрузок, а также собственного веса.
- Выбор геометрии. На основе эпюр усилий задают необходимую высоту и толщину стенки и полок. Если используют БПС, размеры меняют по длине.
- Проверка узлов. Детальный расчет фланцевых или сварных узлов крепления, расчет на смятие торца стенки в местах приложения нагрузки.
Изготовление
Производят профили по строгому технологическому регламенту:
- Раскрой металла. Листовой прокат, соответствующий требованиям по качеству и свариваемости, например, марки С255, С345, С390, разрезают на гидравлических прессах или машинах плазменной или газовой резки с ЧПУ точно по заданным размерам полок и стенок.
- Сборка. Элементы собирают в единый профиль на специальных сборочных столах. Следят за точным совпадением кромок для качественного шва.
- Сварка. Процесс выполняют автоматизированным способом, чаще всего методом электрошлаковой сварки (ЭШС) или высокопроизводительной сварки под слоем флюса. Автоматизация дает равномерную тепловую проработку и гарантирует полный провар по всему сечению.
- Контроль. Готовые изделия проходят обязательную неразрушающую проверку, включая ультразвуковой тест швов на наличие внутренних дефектов, и геометрический контроль.
- Механическая обработка. При необходимости сверлят отверстия под болты, нарезают фаски или фрезеруют торцы.
Пример применения сварного двутавра
Рассмотрим типовую задачу в строительстве многофункционального здания: создание мезонина с пролетом 18 метров, где требуется максимально сохранить высоту потолка под ним.
Задача. Перекрыть 18 м. Горячекатаный двутавр 50Ш1 (H=500 мм) имеет вес около 140 кг/пог. м.
Решение сварным двутавром. Проектировщик определяет, что максимальный изгибающий момент приходится на центр пролета, а высота не превышает 550 мм из-за архитектурных ограничений.
- Расчет. Определено, что в центре пролета требуется стенка толщиной 12 мм и полки 20х300 мм. У опор, где изгибающий момент меньше, достаточно толщины до 8 мм.
- Результат. Изготовлен сварной двутавр с переменным сечением, высотой 550 мм. Общий вес профиля составил всего 115 кг/пог. м, что сэкономило 25 кг/м или 17.8%.
Такая оптимизация сэкономила значительное количество стали и снизила нагрузку на фундаменты. При этом у конструкции сохранился необходимый запас прочности.
Заключение
Сегодня строить из сварных двутавров выгодно, быстро и надежно. С их помощью инженеры и архитекторы выходят за рамки ограничений традиционного проката, предлагая индивидуально спроектированные, легкие и высокопрочные элементы.
Использование листового проката Северстали Стальных Решений гарантирует, что двутавровые балки, будь то стандартный или сложный профиль переменного сечения, будет обладать предсказуемыми механическими характеристиками и идеальной свариваемостью.
Напишите