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.
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.
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.