Основные характеристики швеллера
Швеллер – это металлический профиль с двумя параллельными горизонтальными полками и вертикальной стойкой, соединяющей их. Полки придают ему форму буквы «П», что увеличивает его момент инерции и способность противостоять изгибным нагрузкам. Она также обеспечивает отличные технические характеристики при сравнительно небольшом весе конструкции (двутавр тяжелее).
Швеллеры производятся в различных размерах и конфигурациях – стандартными считаются полки с углом 90 градусов, но существуют и косые, характеризующиеся более толстым основанием полки и её острым окончанием. Есть также и несимметричный швеллер, одна полка которого короче другой. Другие виды: швеллер широкополочный и с закругленными углами. Наличие этих разновидностей обусловлено требованием той или иной отрасли. Например, для армирования стен подойдет стандартный швеллерный профиль, а вот для изготовления спецмашин, оборудования или прокладки инженерных коммуникаций может понадобится с швеллер с закругленными углами или косыми полками.
Швеллерные балки изготавливаются методом горячей прокатки или холодной деформации. Первый способ предполагает прокатывание нагретой заготовки на сортовом станке (ГОСТ 8240-89). Вторым способом производят равнополочный (ГОСТ 8278-83) или неравнополочный гнутый швеллер (ГОСТ 8281-80) – заготовку в виде полосы деформируют до нужной формы на станке для сгибания профилей.
Основные характеристики двутавровой балки
Двутавр – это один из типов стальных балок с двумя горизонтальными полками и вертикальной стойкой между ними, образующих срез в виде буквы «Н». Этот профиль часто используется в строительстве для создания несущих конструкций в связи с тем, что он может выдерживать высокий момент инерции (мера распределения материала относительно оси вращения). Большой момент инерции делает профиль более устойчивым к крутящим моментам – он выше, чем у швеллера. Также он выиграет у швеллера и по показателю сопротивления профиля изгибу (прочность на изгиб).
Существуют разные виды двутавров, но стандартными считаются конструкции, имеющими равные по длине и толщине полки относительно центральной оси. Двутавры с уклоном имеют утолщении в местах соединения полок с осью. К этой разновидности также относится мостовой двутавр, имеющий уклон и более толстый материал профиля. Обычные двутавры без уклона могут быть широкополочными (профиль сам по себе толще, а полки длиннее) и колонными (полки имеют ту же длину, что и соединяющая ось, при этом профиль имеют толстые стенки).
Двутавровый профиль изготавливается методом горячей прокатки, предполагающей высокотемпературную обработку заготовки под высоким давлением на станке. Симметричность конструкции (полок) обеспечивается приводными роликами, которые могут дополнительно оснащаться кольцевыми проточками для создания уклона полок.
Химические и механические свойства
Швеллерные и двутавровые балки обычно изготавливаются из стали с низким содержанием углерода (чаще всего, стали марок S235, S275, S355 или их эквивалентов). В зависимости от конкретного стандарта, типичный химический состав может включать углерод (С), марганец (Mn), кремний (Si), серу (S), и фосфор (P).
Механические свойства швеллеров:
- Прочность на разрыв – зависит от стали и конфигурации профиля, но обычно находится в пределах от 360 до 510 МПа;
- Предел текучести – примерно 235 МПа для стали S235, но может быть выше для более прочных сплавов;
- Удлинение при разрыве – в пределах 20-25%.
Механические свойства двутавров:
- Прочность на разрыв – в диапазоне от 410 до 680 МПа;
- Предел текучести – обычно от 275 до 420 МПа;
- Удлинение при разрыве – до 15-25%.
Эти значения служат общей ориентировкой и могут изменяться в зависимости от существующих стандартов. При проектировании и выборе материала для конкретного проекта важно учитывать его требования, чтобы обеспечить соответствие конструкции параметрам безопасности.
Расположение точки действия суммарных сил
Расположение точки действия суммарных сил для двутавров и швеллеров зависит от конкретной геометрии и распределения материала в этих элементах. Однако, в общем случае, точка приложения результирующей силы может быть определена как центр массы или центр тяжести конструкции.
Двутавры:
- Центр массы двутавра обычно находится посередине между верхней и нижней полками, если они имеют одинаковую толщину;
- Если форма двутавра несимметрична, центр массы будет смещен в сторону более массивной части.
Швеллеры:
- В профилях формы буквы «П» центр массы находится ближе к торцам полок;
- Опять же, если швеллер несимметричен, центр массы будет смещен еще сильнее.
Из этого всего можно сделать вывод, что оба профиля лучше противостоят продольным нагрузкам и хуже моментам кручения большой величины. Швеллер хорошо выдерживает вертикальное и поперечное давление. Двутавр выиграет в условиях высокого сопротивления сжатию и растяжению.
Что такое момент сопротивления
Момент сопротивления (сопротивление изгибу) является важным параметром при рассмотрении прогиба балки под воздействием изгибающего момента и зависит от геометрии профиля и распределения материала внутри нее.
Для двутавра выражается формулой W=1/6b умноженное на h2, где b – это ширина балки (верхней и нижней полки), а h – её высота. Для двутавра с симметричными полками W будет равен моменту инерции относительно одной из осей симметрии умноженному на расстояние от центра до края (так как это прямоугольник).
Для швеллера момент сопротивления также зависит от его геометрии. Если швеллерная балка имеет симметричные полки, то момент сопротивления может быть рассчитан аналогично двутавру. Для профилей с несимметричными полками это значение будет зависеть от конкретной формы и размеров балки, и расчеты будут более сложными. Общая идея заключается в том, что момент сопротивления измеряет распределение материала относительно оси изгиба и влияет на способность балки сопротивляться изгибающим моментам. Сопротивление выше, если больше материала распределено дальше от оси изгиба.
Сравнение двутавра и швеллера на прочность в зависимости от прилагаемой нагрузки
Прочность двутавра и швеллера зависит от нескольких факторов, включая геометрию, прочность сплава и условия эксплуатации. Оба типа балок спроектированы для различных условий использования, и выбор между ними зависит от конкретных требований конструкции.
В соответствии с нормативными документами, предоставляющими сравнение прочности строительных конструкций на изгиб, можно составить следующий рейтинг:
- 1 место – двутавр;
- 2 место – швеллер;
- 3 место – труба прямоугольная;
- 4 место – труба круглая;
- 5 место – квадрат полый;
- 6 место – уголок.
Выбор между двутавром и швеллером зависит от поставленных задач, требований к прочности, условий эксплуатации, стандартов и бюджетных ограничений. Двутавры часто используются в тяжелых строениях, таких как мосты, высотные здания и другие конструкции, где требуется высокая прочность в изгибе. Швеллеры используются в конструкциях, где прочность в изгибе либо не является основным фактором, например, в каркасах зданий или металлических конструкциях, либо является достаточной для применения швеллерного профиля.
Сравнение основных параметров в разных условиях использования
Швеллерные и двутавровые балки представляют собой два различных вида металлических профилей, которые нашли широкое применение в строительстве и других инженерных областях. Отличия между ними связаны прежде всего с геометрией, структурой и, следовательно, их характеристиками.
Главное отличие между швеллерными и двутавровыми балками заключается в форме сечения. Двутавры имеют форму буквы «Н» с двумя параллельными полками и вертикальной стойкой, образуя жесткую и прочную конструкцию. В свою очередь, швеллеры имеют форму «П», она более компактная и легкая. Условно можно сравнить прочностные характеристики двух балок – на один двутавр приходится два швеллера.
Двутавровые балки предпочтительны в тех случаях, когда требуется высокая прочность и жесткость, устойчивость к изгибу, например, в строительстве высотных зданий, мостов и прокладывании рельс. Швеллеры, с другой стороны, находят свое применение в тех же отраслях, но лучше противостоят вертикальным и поперечным нагрузкам (перекрытия зданий, каркасы металлоконструкций), в то время как двутавры нагрузкам сжатия и растяжения (железнодорожные пути, колонны).
Области применения швеллера и двутавра
Оба вида профиля широко используются в тяжелой промышленности, в частности в строительстве – двутавры наиболее востребованы при возведении перекрытий в зданиях, поскольку имеют больший запас прочности на изгиб. С помощью них сооружаются несущие конструкции, колонны и фермы. Двутавровые балки нашли свое применение и в мостостроении в качестве несущих элементов. Стоит также отметить их использование в судостроительной и железнодорожной сфере. В первом случае из них создаются различные части корпуса судна. Во втором – железнодорожные мосты, тоннели, колонны и рельсовые пути.
Швеллеры могут применяться в тех же отраслях, что и двутавры, если конструкция не предполагает высоконагруженную эксплуатацию. При этом, они чаще используются для частного строительства небольших сооружения в целях личного пользования. Но в основном из них возводят каркасы зданий, мостов и платформ различных металлических конструкций. Швеллерный профиль используются при производстве транспортных средств, в том числе и поездов. Они находят применение в энергетике при строительстве энергетических объектов, таких как электростанции, подстанции и другие сооружения. В машиностроении швеллеры востребованы для создания рам, поддерживающих элементов и других деталей.
Оба типа профилей успешно применяются в индустрии строительства и машиностроения благодаря своей прочности и способности выдерживать значительные нагрузки. Выбор между швеллером и двутавром зависит от конкретных числовых требований и условий применения.
