Как рассчитать нагрузку на двутавр

Двутавр – вид фасонного металлопроката, способный принимать большие нагрузки, по сравнению с уголком и швеллером. В частном строительстве металлопрокат с сечением Н-образного профиля используется только при создании крупногабаритных строений. Для выбора подходящего номера двутавровой балки производят профессиональные расчеты на прочность и прогиб с помощью формул или с использованием онлайн-калькулятора. Исходными данными являются: длина пролета, тип закрепления балки, характер нагрузки, планируемый шаг размещения профильного проката, наличие или отсутствие дополнительных опор, марку стали.

Выбор типа балки, в зависимости от запланированных нагрузок

Производители предлагают металлические двутавры с несколькими типами поперечного сечения, предназначенные для различных эксплуатационных условий. Такая продукция, в зависимости от типа сечения, может применяться в крупногабаритном жилищном строительстве, при возведении зданий промышленного и гражданского назначения, в мостостроении. Для каждого из них в соответствующем стандарте имеется таблица, в которой указаны размерные параметры, масса 1 м, момент и радиус инерции, момент сопротивления. Эти характеристики используются в расчетах на прогиб и прочность.

С уклоном внутренних граней полок 6-12 %

Производство этого металлопроката регламентируется ГОСТом 8239-89. Благодаря скруглению внутренних граней около стенки, обладают высокой прочностью и устойчивостью к прилагаемым усилиям.

С параллельными внутренними гранями полок

Эта продукция выпускается в соответствии с ГОСТом 26020-83, выделяют следующие типы:

• Б – нормальный. Применяется для эксплуатации под средними нагрузками.
• Ш – широкополочный. Может использоваться для разрезки по продольной оси для получения таврового профиля. Тавр укладывается на один пролет. Целый двутавровый профиль – на один или несколько пролетов. Эти металлоизделия очень массивны. Плюсом их использования является возможность использования в качестве самостоятельного элемента без применения усиливающих деталей.
• К – колонный. Это наиболее массивные профили. Имеют широкие, утолщенные полки и стенки. Применяются при устройстве большепролетных конструкций.

Типовые схемы расположения двутавра

Один из исходных параметров, учитываемых в расчетах, – схема закрепления балки и вид прилагаемой нагрузки. Большинство вариантов сводится к основным схемам:

• шарнирно-опертая балка с равномерно приложенной нагрузкой;
• с жесткой заделкой одного конца, сила распределена равномерно;
• однопролетная с консолью с одной стороны, с дополнительной опорой, нагрузка равномерно распределена;
• шарнирно-опертая, сила сосредоточенная;
• шарнирно-опертая, с двумя приложенными силами;
• консоль с жесткой заделкой, приложена сосредоточенная сила.

Сбор нагрузок

Перед началом расчета производят сбор сил, действующих на двутавровую балку. В зависимости от продолжительности воздействия,их разделяют на временные и постоянные.

Таблица нагрузок на двутавровые балки

Нагрузки разделяют на нормативные и расчетные. Нормативные устанавливаются строительными нормами и правилами. Расчетные равны нормативной величине, умноженной на коэффициент надежности. При усилии менее 200 кг/м 2 коэффициент обычно принимают равным 1,3, при более 200 кг/м 2 – 1,2. Шаг между балками принимают равным 1 м. В некоторых случаях, если это допустимо в конкретных эксплуатационных условиях, в целях экономии материалов его принимают равным 1,1 или 1,2 м.

При расчетах принимают во внимание марку стали. Для использования в условиях высоких нагрузок и при минусовых температурах востребованы двутавровые балки, изготовленные из низколегированных сталей.

Способы выбора оптимального размера сечения профиля

Наиболее точным вариантом подбора номера и типа двутаврового профиля является проведение профессиональных расчетов. Именно этот способ применяется при проектировании ответственных крупногабаритных объектов. При строительстве небольших зданий можно воспользоваться онлайн-калькулятором.

Для примерного определения размера профиля можно воспользоваться таблицей соответствия номера двутавровой балки максимально допустимой нагрузке:

Из этой таблицы видно, что для двутавровой балки номер 10 максимальная длина пролета составляет 4 м при шаге 1,2 м, нагрузка – 400 кг/м 2 , для номера 16 длина пролета может достигать 6 м, нагрузка, которую он может выдержать, – 300 кг/м 2 , для профиля 20 – 6 м и нагрузка 400 кг/м 2 .

Двутавровая балка, как одна из разновидностей фасонного черного и цветного металлопроката, отличается широким сортаментом изделий. Поэтому в ходе проектирования и дальнейшего возведения конструкций с использованием двутавра надо сделать верный выбор. Он должен основываться на правильных расчетах. О том, как выполнить расчет нагрузки на двутавр читайте в нашей статье.

Сразу отметим что для расчетов понадобятся формулы, таблицы и знания. А если их нет, то лучше доверить все опытному и квалифицированному инженеру. Особенно если речь идет о двутавровой балке, которая применяется в нагружаемых конструкциях.

От этого напрямую зависит как качество строительства, так и безопасность эксплуатации возводимых объектов. Все параметры должны соответствовать действующим нормативным документам, обеспечивать рабочие расчетные характеристики металлоконструкции. Это обусловлено, прежде всего, сферой применения двутавровой балки, например, в качестве элемента перекрытий.

Расчет нагрузки на двутавр – основные параметры выбора

Эксплуатационные характеристики двутавра напрямую зависят от его профиля сечения и габаритов. Это во многом связано с особенностями самого металлопроката. Напомним, что двутавровая балка — это вид металлоизделий, состоящая из двух полок, соединенных стенкой. Стенку зачастую называют шейкой. Оттого так важны такие значения как:

• общая высота профиля (включая длину шейки и толщину двух полок);
• высота стенки двутавра;
• общая ширина каждой из полок;
• ширина одной части полки от шейки к краю (свесу);
• общая длина двутавра;
• толщина шейки (стенки);
• толщина полки с гранями, расположенными параллельно;
• средняя толщина проката с уклоном внутренних граней;
• радиус закругления перехода от полки к шейке (радиус сопряжения, внутреннего закругления);
• радиус закругления полки (ее кромки).

Помимо этого, следует учитывать и характеристики самого объекта. Все напрямую зависит от специфики применения двутавра. Но в основном это такой параметр как расчетная нагрузка. В ненагружаемых конструкциях используется двутавровая балка гораздо реже. Нужно еще учитывать шаг. Шаг – определенное расстояние, через него производится монтаж двутавровых балок параллельно друг к другу. И еще большое значение имеет расстояние между точками опоры, на которые укладывается двутавровая балка. Этот параметр называется пролетом.

Регламентированные значения по осям

Все расчеты выполняются на основании справочных значений нескольких важных параметров. Обозначим кратко основные. Начнем с момента инерции. Интересует его значение относительно пары центральных осей. Табличное значение, определяется таблицей сортамента, указанной в ГОСТах. Например, на территории России действует ГОСТ Р 57837-2017 для двутавра с параллельными гранями поломок. В других государствах СНГ есть ГОСТ 8239-89 для проката с уклоном внутренних граней. Существует и ряд других нормативных документов.

Порой необходимо учитывать и центробежный момент. В таблицах он отсутствует. Оттого что по умолчанию центробежный момент равняется 0 по обеим из осей. Используются параметры, определяющие инерцию, ее:

• радиус относительно одной из центральных осей;
• статический момент полусечения относительно оси;
• осевой момент.

Большое влияние на расчеты имеет такой параметр как расчетное сопротивление, обозначается Ry. Это тоже табличный параметр, он зависит напрямую от марки стали, которая используется при производстве двутавра. Например, углеродистая марка стали С235 имеет расчетное сопротивление 230 МПа. У других марок стали этот параметр будет отличаться.

Следующий важный параметр – модуль упругости. Тут все зависит от характеристик материала, из которого изготовлена двутавровая балка. Забыли отметить, но и расчетное сопротивление тоже зависит от этой характеристики. В классическом понимании – фасонный черный металлопрокат. А это значит, что модуль упругости E берется для стали. Он в таком случае равен 200000 МПа. Но может быть, например, по ГОСТ 13621-90 цветной металлопрокат. Плюс еще различные породы древесины. Там момент инерции будет другой. Такие особенности надо учитывать, когда выполняется расчет нагрузки на двутавровую балку.

В зависимости от конструкционных особенностей объекта порой возникает необходимость использования и других расчетных параметров. Берутся, как правило, табличные значения.

Рекомендуем к прочтению:

Расчет нагрузки на двутавр и несущая способность

Разработаны специальные таблицы. В них номер двутавра выбирается исходя из трех основных параметров:

• предполагаемой нагрузки, кг/м.п. (килограмм на метр погонный);
• величины пролета, о нем отмечали выше, м (метров);
• шага, с которым уложен двутавр, м (метров).

Под номером подразумевается высота профиля в сантиметрах (от 10 до 100 по действующей нормативной базе).

Предполагаемая нагрузка рассчитывается исходя из несущей способности изделий. Важно учитывать при этом технологию производства двутавра. Напомним, что он бывает горячекатаным, сварным, клепаным (если используется металл). Горячекатаный получается путем прокатки заготовки, сварной путем приваривания полок к стенке. В клепаной балке для соединения элементов применяются заклепки. Так вот если это сварной двутавр. В таком случае при расчете текущей несущей способности необходимо прибавлять порядка 30% дополнительно на прочность.

Саму расчетную нагрузку определяют следующим образом. Высчитывают такой параметр как давление на конструкцию. Учитывается при этом вес конструкции в пересчете на один погонный метр двутавровой балки. Затем полученное значение умножается на коэффициент надежности (напрямую зависит от разновидности двутавра и используемого ГОСТа). После этого на основании полученного значения из таблицы подбирают момент сопротивления. А уже по моменту сопротивления определяется номер профиля исходя из текущего сортамента. Рекомендуем перестраховаться и выбрать на два номера выше.

Важный момент. Несущая способность двутавровой балки устанавливается только и исключительно исходя из расчетной нагрузки. Использовать только одну нормативную нагрузку нельзя. Она выполнена без учета специфики возводимых металлоконструкций, их конструкционных особенностей и эксплуатационных параметров.

И последнее. Несущая способность учитывается при выполнении расчета в двутавре нагрузок на изгиб.

Прочность и прогиб двутавровой балки

Прочность двутавра определяется с учетом нормативных напряжений. В ходе этого выполняется построение так называемых эпюр внутренних усилий, кроме этого напряжений, а еще и перемещений. Они основываются на такие параметры как воздействие сил в продольной и поперечной плоскости, моментов (имеются в виду изгибающие и крутящие).

Как уже отмечали выше, большое значение имеют характеристики материала. Если речь о черном стальном прокате, то основополагающий критерий – марка стали. Если это древесина, то ее порода. Именно характеристики материала учитываются при расчете прочности. Лучше выбирать материалы с повышенной прочностью. Это в полной мере касается и марок стали. Учитывайте, что чем прочнее материал, тем меньше габариты двутавра. Такое положение вещей обозначает что снижается нагрузка на конструкцию в целом. Значение допустимого давления становится меньше. И последнее. Опытный и квалифицированный инженер всегда использует несколько способов определения прочности материала. Ведь надо прилагаемую силу обязательно разложить по осям. После установить максимальные моменты вокруг каждой из осей. На заключительном этапе полученные расчетным путем значения сравниваются.

Прогиб двутавра рассчитывается исходя из таких параметров как:

• нагрузка в кг/м (килограммах на метр), берется и расчетная, и нормативная нагрузка;
• пролет (расстояние между опорными точками в м (метрах);
• расчетное сопротивление (измеряется в МПа (мегапаскалях)).

Важный момент. Предельное значение прогиба определяется исходя из конструкционного предназначения двутавровой балки. Так, если двутавр применяется в межэтажных перекрытиях, то прогиб менее 1/250. А если это кровельные конструкции и перемычки, то 1/200. У других конструкционных элементов значения будут соответственно другие. Уменьшить величину прогиба можно только путем изменения исходных параметров. То есть использовать облегченные конструкции и уменьшить нагрузку. Второй вариант – уменьшить расстояние между двумя опорными точками, например, использовав дополнительную (промежуточную).

Можно ли обойтись без расчета прогиба?

Варианты ответа зависят от характеристик объекта и его функционального предназначения. Например, если это небольшая по высоте одноуровневая конструкция, особенно хозяйственного предназначения, то есть варианты. Первый – рассчитывать прогиб двутавра, второй – высчитывать несущую способность возводимых конструкций. Но многое зависит от отделочных материалов, используемых при финишной отделке, и их массы. Поэтому расчет прогиба лучше выполнять даже при индивидуальном строительстве частных домовладений, хозяйственных построек.

Важно понимать факт того что прогиб формируется и в углах поворота. Многое находится в зависимости от конструкции, ее:

• функционального предназначения;
• основных габаритов;
• характеристик используемых материалов, той же марки стали, как частный случай;
• физических параметров.

Формул расчета прогиба множество. На них подробно останавливаться в рамках нашей статьи смысла нет. Лишь отметим что многое зависит от разновидности нагрузки. Речь о направлении ее действия. Все дело в том, что на двутавр могут воздействовать разнонаправленные нагрузки. Как правило, это прогиб, направленный вниз, но бывают и другие. Причем иногда это совокупность разнонаправленных нагрузок. Тогда прогиб определяется по каждой из них отдельно.

Методики расчета прогиба могут быть использованы различные, например, с применением метода начальных параметров.

Расчет нагрузки на двутавр – ключевой параметр выбора этого вида изделий. Любая ошибка в расчетах или их игнорирование может привести к трагическим последствиям. Оттого к вопросу надо подходить ответственно, а выбор делать с запасом. Когда все расчеты будут сделаны и перепроверены – обращайтесь. У нас представлен широкий сортамент двутавровой балки. Поможем подобрать именно тот двутавр что нужен.

Двутавр довольно редко применяется в частном строительстве в силу своей формы. Поэтому используется он лишь тогда, когда невозможно применение других профилей, например, уголка или швеллера. Связано это с тем, что двутавр может воспринимать гораздо большую нагрузку, чем перечисленные профили.

Если Вам нужна именно мощная балка и двутавр рассматривается в качестве одного из основных вариантов, то в подборе профиля данный калькулятор будет не лишним. С его помощью Вы можете рассчитать двутавр не только на изгиб (по несущей способности), но и на прогиб (по деформациям).

Калькулятор устроен таким образом, чтобы Вы одновременно могли рассчитывать сразу несколько видов двутавров. Это позволит Вам за одно действие выбрать наиболее подходящий профиль между следующими двутаврами: колонным (ГОСТ 26020-83), с уклоном полок (ГОСТ 8239-89), дополнительной серии (ГОСТ 26020-83), нормальным (26020-83), широкополочным (ГОСТ 26020-83) и специальной серии (19425-74*).

Расчет двутавра на прогиб и изгиб можно производить для следующих типов балок:

• Тип 1 – однопролетная балка с приложенной на нее равномерно распределенной нагрузкой, которая шарнирно оперта.

• Тип 2 – консоль с жесткой заделкой на одном из концов, на которую приложена равномерно распределенная нагрузка.

• Тип 3 – однопролетная балка с консолью с одной стороны, на которую также приложена равномерно распределенная нагрузка.

• Тип 4 – однопролетная шарнирно опертая балка с приложенной на нее сосредоточенной силой.

• Тип 5 – то же самое, что и тип 4 только с двумя сосредоточенными силами.

• Тип 6 – консоль с жесткой заделкой, на которую приложена сосредоточенная сила.

Примечание: в случае, если Вам необходимо еще рассчитать вес двутавра и затраты на его покупку, на данном сайте есть калькулятор и для этого.