Швеллеры придают конструкции необходимую прочность, особенно в ситуациях, когда они работают на изгиб. Расчёты на изгиб могут также дополняться оценкой влияния растяжения и сжатия. Также важно учитывать жёсткость П-образного профиля при проектировании зданий, что влияет на его эксплуатационные характеристики.
Все о нагрузке на швеллер
Швеллер представляет собой один из наиболее востребованных видов металлического проката в строительной отрасли. Его главное отличие от других металлических изделий заключается в характерной форме поперечного сечения, напоминающего букву П. Толщина стенки швеллера колеблется от 0,4 до 1,5 см, а высота может достигать значений от 5 до 40 см.
Виды
Основной функцией швеллера является восприятие и распределение различных нагрузок, что обеспечивает как устойчивость, так и долговечность всей конструкции, в которой он используется. Во время эксплуатации одним из наиболее распространенных видов механических деформаций является прогиб, который швеллер испытывает наиболее часто. Однако это далеко не единственный вид воздействия, которому подвергается данный элемент конструкций.
Среди других механических воздействий можно отметить допустимые и критические изгибы. При допустимом изгибе происходит предельное состояние, при котором элемент сохраняет свою форму, тогда как критический изгиб ведет к пластической деформации и разрушению изделия. Проектировщики при работе с металлическими каркасами проводят специальные расчёты, которые позволяют определить несущую способность здания, отдельных конструкций и элементов, что дает возможность выбрать наиболее подходящее поперечное сечение. Для эффективного расчета проектировщики принимают во внимание следующие параметры:
- нормативная нагрузка, действующая на элемент;
- тип швеллера;
- длина пролета, который перекрывает элемент;
- число, а также расположение швеллеров, размещаемых рядом друг с другом;
- модуль упругости;
- размеры швеллера.
Для расчета предельной нагрузки необходимо использовать стандартные математические действия. В механике материалов (сопромат) существует ряд зависимостей, которые позволяют вычислить несущую способность элемента и подобрать его оптимальную конфигурацию.
Номера, литеры и ГОСТы
Швеллеры могут быть двух основных типов: гнутые и горячекатаные. Различия между ними видны даже непрофессионалу — горячекатанный швеллер имеет отчетливо выраженную форму ребра, тогда как у гнутого швеллера это ребро будет мягче, несколько закругленным. Дополнительные характеристики различных типов швеллеров можно определить по их маркировке.
В частности, литеры А, Б и В в марках горячекатанных швеллеров указывают, что прокатка осуществлялась с высокой (А), повышенной (Б) или обычной точностью (В).
Номер швеллера обозначает высоту его сечения в сантиметрах.
Ширина профиля определяется шириной полки и колеблется от 32 до 115 мм. Например, маркировка 10П отражает высоту и тип профиля. Высота сечения швеллера является ключевым параметром его маркировки. Номер швеллера — это его высота, а соседние буквы указывают на возможные характеристики сечения швеллера:
1) С уклоном граней (серии У и С), где У — это уклон, а С или Сб — специальные серии. 2) С параллельными гранями (серии П, Э и Л), где Э свидетельствует о том, что это экономичная серия, а Л — легкая. Литеры С, например — 18С, 20С и т. д., можно встретить в изделиях, предназначенных для автомобильного применения.
Самые востребованные размеры швеллеров
Наибольшим спросом у потребителей пользуются швеллеры с номерами от 8 до 20. Их геометрические параметры в категориях П (т.е. с параллельными гранями) и сериях У (с уклоном внутренних граней) совпадают, разница заключается только в радиусах закругления и углах наклона полок.
Швеллер 8 в основном используется для укрепления конструкций внутри зданий различного назначения, включая как жилые, так и производственные. При его производстве применяют углеродистые стали: полуспокойные (3ПС) и спокойные (3СП), которые известны своей отличной свариваемостью.
Швеллер 10 широко применяется в машиностроении, станкостроении, а также в других секторах промышленности. Он находит свое место при строительстве мостов, стен и несущих опор в процессе создания производственных зданий.
Швеллер 12 по своим характеристикам схож со швеллером 8, однако обладает более высокими прочностными характеристиками и несущей способностью, что дает возможность снижать металлоемкость конструкций, в которых он используется.
Швеллер 14 — один из наиболее популярных типов швеллеров, применяемый в строительных конструкциях для жесткого армирования несущих частей, придавая им высокую прочность и жесткость. Швеллер 14 бывает как обычной, так и повышенной точности.
Швеллер 20 используется как несущий элемент для усиления мостов, для армирования перекрытий (в том числе сложных) многоэтажных зданий, в кровельных прогонах.
Благодаря высоким эксплуатационным показателям, швеллер 20 часто применяется в конструкциях, подверженных высоким статическим и динамическим нагрузкам.
Существуют и нестандартные варианты применений швеллеров. Например, перфорированный швеллер, представляющий собой швеллер с отверстиями, позволяет осуществлять монтаж металлических конструкций без сварки, что существенно сокращает время на установку. Перфорация будет наиболее эффективной для швеллеров с большой высотой полок и широким расстоянием между ними. Такие изделия обозначаются как ШП — Швеллер Перфорированный и довольно часто используются при строительстве временных конструкций, таких как строительные леса или склады.
Сколько может весить швеллер
| Номер швеллера | Масса 1 метра в кг | Метров в тонне |
| 5 | 4,84 | 206,6 |
| 6,5 | 5,9 | 169,5 |
| 8 | 7,05 | 141,8 |
| 10 | 8,59 | 116,4 |
| 12 | 10,4 | 96,2 |
| 14 | 12,3 | 81,3 |
| 16 | 14,2 | 70,4 |
| 18 | 16,3 | 61,3 |
| 20 | 18,4 | 54,3 |
| 22 | 21 | 47,6 |
| 24 | 24 | 41,7 |
| 30 | 31,8 | 31,4 |
Так как основная цель швеллера заключается в его способности выдерживать нагрузку, маркировка изделия должна предоставлять полную информацию о параметрах, необходимых для расчета этой нагрузки, включая состав стали, её прочностные характеристики, а также качество производственного процесса.
Что нам может сообщить маркировка?
К примеру, рассматривая упаковку горячекатанных швеллеров, на которой написано: 30П-В ГОСТ 8240-97/Ст3сп4-1 ГОСТ 535-88
Мы можем сделать вывод, что речь идет о швеллере 30П — то есть с параллельными гранями высотой 30 см. Буква В указывает на обычную точность прокатки, а металл изготовлен из стали Ст3, четвертой категории, первой группы.
В том случае, если этот же швеллер произведен из стали 09Г2С и приставлен с увеличенной точностью прокатки, его маркировка будет выглядеть так: 30П-Б ГОСТ 8240-97/345 ГОСТ 19281-89, где 345 указывает на прочность стали, соответствующей данному виду 09Г2С.
В маркировке А 300х80х6 Б ГОСТ 8278-83/2-Ст3сп ГОСТ 11474-76 буква А обозначает высокую точность профилирования стальной заготовки (штрипсы) из второй категории стали Ст3сп. При этом размер гнутого равнополочного швеллера составляет 300х80х6 (где 300 мм — высота сечения изделия, 80 мм — ширина полок, а 6 мм — толщина полок и стенок).
Типы нагрузок, влияющие на выбор изделия
Нагрузки можно классифицировать на постоянные, переменные и особые.
- Под постоянными подразумевают вес самого швеллера и опорных конструкций, которые используются при строительстве.
- К переменным относят временные нагрузки, такие как перегородки, а также краткосрочные нагрузки от атмосферных условий (ветровые и снеговые).
- Особые нагрузки могут быть вызваны редкими, но разрушительными природными явлениями, такими как землетрясения, и в некоторых случаях могут быть связаны с воздействием взрывов.
Классификация швеллера по нагрузке
Класс А
К этому классу относятся балки с жесткими заделками. Обычно нагрузки распределяются равномерно. Примером могут служить балки, имеющие козырьки над подъездами. Такие конструкции соединяются с помощью сварки. Чаще всего для их изготовления используются два П-образных элемента, которые крепятся к стене, а пространство между ними заполняется железобетонной смесью.
Класс B
Это однопролетный класс швеллеров, в котором нагрузка также распределяется равномерно. К данной категории можно отнести балки междуэтажных перекрытий.
Класс C
Это тип балок, которые расположены снаружи здания за пределами стен. Они необходимы для опор плит для лоджий и представляют собой шарнирно-опертые балки. Нагрузка между ними также распределяется равномерно.
Класс D
В данном классе расположены перекрытия, на которых опираются несколько балок. Эти балки также имеют шарнирные опоры и для них характерен один пролет.
Класс E
Швеллеры данного класса сосредоточены под единственной силой. Чаще всего это дуги перекрытий.
Класс F
Эта категория включает консольные балки и дугообразные конструкции. Обычно они применяются для создания козырьков над входами, при этом вместо заполнения железобетоном используются стальные листы; сверху конструкция обрабатывается кирпичной кладкой.
Перед тем как выбрать конкретный класс и размер швеллера, необходимы предварительные расчёты.
Какую нагрузку выдерживает швеллер 10
Швеллер является наиболее распространённым видом металлического проката. Это металлический элемент в форме балки, имеющий сечение П. К его основным функциям можно отнести повышение устойчивости и жесткости различных конструкций, что позволяет этим конструкциям выдерживать высокие нагрузки.
Изделие изготавливается методом горячей деформации металла на прокатном стане без последующей термической обработки. Все нормы, касающиеся выпуска швеллера 10П, прописаны в стандарте ГОСТ 8240-97.
Швеллер 10 – технические характеристики
В каждом стандарте ГОСТ описаны технические характеристики швеллера 10П в зависимости от типа и способов производства. Однако основные характеристики определяют ширина и длина заготовки.
Длина швеллера 10 варьируется от 4 до 12 метров, но также бывают нестандартные измерения — до 13 метров, которые производятся на заказ. После указания длины изделия следует его обозначение — индекс П, что подтверждает наличие параллельных граней. Ширина между полками указывает на его номер в сортаменте.
В процессе производства швеллеров используется обычная углеродная сталь марок ПС 3 или СП 3, а также низколегированная сталь 09Г2С, которая обеспечивает дополнительную прочность и надежность конструкции благодаря наличию марганца в сплаве. Внешне горячекатанный швеллер можно отличить от холоднокатаного: его углы обычно имеют легкое округление. Масса одного метра изделия составляет 8,59 кг.
Какую нагрузку может выдержать 10 швеллер
Благодаря его техническим характеристикам и конструкции швеллер способен воспринимать осевые нагрузки и демонстрировать высокую устойчивость к изгибу. Небольшая величина толщины швеллера обычно предназначена для возведения перекрытий на коротких пролетах и создания промежуточных конструкций средней длины.
Швеллеры используются для создания опор высоковольтных линий электропередач, краны, нефтяные вышки и прочие конструкции. Они также часто применяются в станкостроении, машиностроении и вагоностроении.
Популярность швеллера 10П в производстве объясняется его высокими прочностными характеристиками, надежностью и умеренной ценой.
Швеллеры могут иметь разные размеры, и поэтому для каждого типа работ необходимо подбирать специализированный металлопрокат. Для этого обязательно нужно знать, на какую нагрузку он может быть рассчитан. Расчет нагрузки швеллера производится в зависимости от типа балки и направления нагрузки. Удобнее всего делать такой расчет, визуализируя схему балки.
Виды нагрузок и швеллеров
Вид A. Этот тип предполагает балки с жесткими заделками. Нагрузка распространяется равномерно. Примерами могут служить козырьки над подъездами, которые изготавливаются с использованием сварки. Они состоят из двух швеллеров, присоединённых к стене, с заполнением пространства железобетонной смесью.
Вид B. Это однопролетные балки, которые также имеют равномерно распределённую нагрузку, например, балки междуэтажных перекрытий.
Вид C. Это шарнирные опертые балки, имеющие две опоры с консолью. Нагрузка равномерно распределена между балками, которые выходят за пределы наружных стен, что необходимо для создания опор для балконных плит.
Вид D. Эти балки имеют два пролета и действуют на них две сосредоточенные силы, обычно представляют собой перемычку, на которую опирается другая пара балок-перекрытий.
Вид E. Это однопролетные шарнирно-опертые балки, на которых сосредоточена одна сила. Примеры — перемычки, которые поддерживают одну балку перекрытия.
Чтобы провести расчет, нужно выполнить следующие шаги:
- Собрать все нагрузки, действующие на балку — как нормативные, так и расчетные, и умножить их на коэффициент надежности нагрузок.
- Умножить полученное значение на шаг балок (это касается швеллеров).
- Вычислить максимальный изгибающий момент. Формула такова: М max равен расчетной нагрузке, умноженной на длину швеллера в квадрате, единица измерения — кНм.
- Перейти к расчету необходимого момента сопротивления балки. Формула: Wтр равен Мmax, умноженному на коэффициенты условий работы, и разделенному на произведение 1с, равное 1,12 (коэффициент для учета пластических деформаций).
Это и будет требуемое сечение в см³. При этом важно удостовериться, что номер швеллера будет больше, чем требуемый момент сечения. Все данные требуется брать из стандартов ГОСТ.
Расчет нагрузки на швеллер (расчет на прочность)
Швеллер часто используется для создания металлоконструкций, таких как крановые мосты, фермы, лестницы, цеховые пролеты и многое другое. Он также находит применение при монтаже быстровозводимых зданий и сооружений, каркасов гаражей, стеллажей складских помещений, перекрытий, основ крыш, а также для армирования и усиления узлов. Главным достоинством представленного проката является его высокая несущая способность, что стало возможным благодаря форме сечения, имеющей П-образный профиль, и относительно небольшому количеству металла.
Методика расчета размеров швеллера, включая таблицы моментов сопротивления швеллера по нормам ГОСТ, доступна в специализированной литературе.
П-образный профиль, будь то горячекатаный или гнутый, чаще всего работает либо только на изгиб, либо на сочетании изгиба с растяжением или сжатием. Расчет швеллера на прогиб (на прочность) является обязательным этапом в проектировании изделий, в состав которых входит данное профилирование. Такой расчет может быть как проверочным, так и проектировочным. Рассмотрим процесс расчета распределенной нагрузки на швеллер, имеющий шарнирное закрепление.
Допустим, у нас имеется швеллер 10П, изготовленный из стали 09Г2С, длиной 10 метров. Чтобы определить предельно допустимое значение нагрузки на швеллер, нам потребуются некоторые справочные данные, которые можно взять из нормальных стандартов и СНиПов.
Предел текучести стали 09Г2С (нормативное сопротивление) равен Rун = 345 МПа. Моменты сопротивления швеллера 10П рассчитаны по ГОСТ 8240-97 и для осей Х и Y составляют: Wx=34,9 см³, Wy=7,37 см³. Максимальный изгибающий момент, возникающий на балке данного типа закрепления и нагружения посередине, определяется по формуле: М = W∙Rун.
Рассчитаем допустимый момент для двух случаев расположения швеллера: 1) если стенка расположена вертикально и 2) если она расположена горизонтально. Тогда:
- М1 = 34,9∙345 = 12040,5 Н∙м
- М2 = 7,37∙345 = 2542,65 Н∙м
Теперь, зная моменты, мы можем определить допустимые значения распределенной нагрузки на швеллер, которые составят:
q1 = 8∙М1/L² = 8∙12040,5/10² = 963,24 Н/м или 96,3 кгс/м
q2 = 8∙М2/L² = 8∙2542,65/10² = 203,4 Н/м или 20,3 кгс/м
Получив значения допустимых распределенных нагрузок, можно сделать вывод, что при данных условиях несущая способность швеллера, расположенного вертикально, в пять раз выше по сравнению с тем, который расположен горизонтально.
Момент сопротивления швеллера при проектировании перекрытий
При проектировании перекрытий и несущих металлоконструкций недостаточно лишь рассчитать прочность нагрузки на швеллер. Для обеспечения надёжности проектируемой конструкции также нужно произвести расчет на жёсткость швеллера. Прогиб не должен превышать предельно допустимое значение. Проверка данного профиля обязательна при проектировании перекрытий для жилых и прочих помещений. К примеру, возьмём швеллер 10П. Распределенная нагрузка, действующая на него, составляет 50 кгс/м или 500 Н/м. Момент инерции швеллера 10П равен 175 см⁴. При проверке балки на жёсткость, определяем её относительный прогиб по следующей формуле:
М — изгибающий момент, Н∙м
L = 1000 см — длина балки
E = 2,1∙105 МПа — модуль упругости стали
Ix = 175 см⁴ — момент инерции сечения швеллера
Изгибающий момент швеллера равен: М = q∙L²/8 = 500∙100²/8 = 6250 Н∙м.
Тогда относительный прогиб швеллера 10П составит: f/L = 6250∙1000/(10∙2,1∙105∙175) = 0,017, что в формате отношения составляет 1/59.
Сравнив полученное значение с допустимыми значениями относительного прогиба согласно СНиПам, можно сделать вывод, что данный швеллер нельзя использовать в межэтажных перекрытиях, так как допустимая величина составит 1/200. Это означает, что, несмотря на достаточную прочность конструкции, необходимо будет выбрать более крупный профиль швеллера и заново проверить его на жёсткость.
Экспериментирование с нагрузками на шпренгельный прогон
