Двутавр: серии Б, Ш, К по ГОСТ 26020-83, применение в балках и колоннах

Двутавр — основной рабочий профиль балок и колонн в стальных каркасах. Его кладут в проект там, где швеллер уже неоптимален по симметрии, а сварное сечение из листа экономически не оправданно. На практике конструктор выбирает не просто номер двутавра, а его серию: балочную, широкополочную или колонную — и от этого выбора зависит расход металла на десятки процентов при равной несущей способности. Этот материал собирает то, что должен знать конструктор и инспектор: что такое серии Б, Ш, К по ГОСТ 26020-83, как двутавр работает на изгиб и на сжатие, какие ограничения накладывает местная устойчивость стенки и какие узлы стандартны для опирания и стыкования.

Что такое двутавр и принципы его работы

Двутавр — прокатный или сварной профиль I-образного сечения с двумя горизонтальными полками и вертикальной стенкой. Сечение симметрично относительно обеих главных осей, и это его главное преимущество перед швеллером и уголком: при изгибе нагрузка передаётся через ось симметрии без паразитного кручения.

Двутавровое сечение оптимизировано под работу на изгиб: полки воспринимают изгибающий момент через продольные нормальные напряжения, стенка — поперечную силу через касательные напряжения. Распределение материала по полкам даёт высокий момент сопротивления при малом расходе стали. Именно поэтому двутавр стал универсальным профилем балок и универсальным элементом колонн каркасов.

Сортамент по ГОСТ 26020-83: серии Б, Ш, К

ГОСТ 26020-83 делит горячекатаные двутавры с параллельными гранями полок на три серии:

• серия Б — балочные двутавры. Высота сечения значительно больше ширины полки. Применяются преимущественно как балки изгиба;
• серия Ш — широкополочные двутавры. Соотношение высоты к ширине полки около 1,2–1,5. Применяются и как балки, и как колонны;
• серия К — колонные двутавры. Высота и ширина полки практически равны. Применяются преимущественно как сжатые элементы с равной устойчивостью по обеим осям.

Серия	Номер	Высота h, мм	Ширина полки b, мм	Типовое применение
Б	10Б1	100	55	прогоны, лёгкие балки
Б	20Б1	200	100	балки перекрытий
Б	30Б1	300	140	балки средних пролётов
Б	40Б1	400	165	балки больших пролётов
Ш	20Ш1	193	150	универсальные балки и стойки
Ш	30Ш1	291	200	универсальные балки и стойки
К	20К1	196	200	колонны средней нагрузки
К	30К1	296	300	колонны промышленных зданий
К	40К3	419	400	колонны тяжёлых каркасов

Внутри каждой серии номера различаются ещё толщинами стенки и полки — обозначаются индексами 1, 2, 3, 4. Например, 30К1 и 30К3 имеют одинаковую высоту и ширину полки, но разную толщину стенки и полки, что даёт разную площадь сечения и разную несущую способность.

Помимо ГОСТ 26020-83 в проектах встречаются двутавры по старому ГОСТ 8239-89 с уклоном внутренних граней полок. Эти профили унаследованы от советского сортамента, постепенно вытесняются современной серией с параллельными гранями. В новых проектах их применять не рекомендуется.

Сварной двутавр: когда применяется

Сварной двутавр изготавливается из трёх листов: двух полок и стенки, объединённых угловыми сварными швами. Применяется в случаях, когда стандартный сортамент не покрывает требуемое сечение по высоте или ширине полки: пролёты свыше 12 м, подкрановые балки тяжёлого режима работы, ригели многопролётных рам, балки с особыми требованиями к моменту инерции.

Преимущества сварного двутавра: свобода компоновки сечения (можно делать полки разной ширины или толщины, делать переменное сечение по длине), экономия металла за счёт оптимизации сечения под эпюру моментов. Ограничения: трудоёмкость изготовления, требования к качеству продольных сварных швов, необходимость контроля сварочных деформаций.

Марки стали для двутавров

По ГОСТ 27772-2015 стандартные марки стали для двутавров: С245, С255, С345, С355, С390, С440. Чем выше класс прочности — тем большую расчётную нагрузку воспринимает то же геометрическое сечение. Применение С345 вместо С245 даёт прирост несущей способности около 40 % при росте цены металла около 10–15 %.

Группа ответственности конструкции и эксплуатационная температура определяют требования по ударной вязкости. Для двутавров в каркасах под открытым небом в Беларуси с минимальной температурой воздуха -25 °C минимальная категория металла — 3 (для несущих элементов II группы). Подкрановые балки, элементы с динамическими нагрузками — категория 4 или 5 с гарантированной ударной вязкостью при -40 °C.

Двутавр как балка

Балочные применения двутавра охватывают всю строительную практику: балки перекрытий, прогоны, ригели, подкрановые балки, эстакады, мостовые конструкции. Расчёт ведётся по моменту сопротивления W_x относительно горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести.

Местная устойчивость полок и стенки

При больших изгибающих моментах сжатая полка двутавра может терять местную устойчивость — выпучиваться из плоскости сечения. Стенка может терять устойчивость в зоне действия касательных напряжений (около опор) и в зоне действия нормальных напряжений (под сжатой полкой). Расчёт на местную устойчивость выполняется по предельным гибкостям элементов: для полок — отношение свеса полки к её толщине, для стенки — отношение высоты стенки к её толщине.

Если расчётные гибкости превышают допустимые, в зону потери устойчивости ставятся рёбра жёсткости — поперечные пластины, привариваемые к стенке между полками. Шаг рёбер назначается по нормам в зависимости от уровня касательных напряжений в стенке.

Общая устойчивость изгибаемого элемента

Длинные балки без раскрепления сжатой полки могут терять общую устойчивость — выпучиваться боком из плоскости изгиба. Это явление называется потерей устойчивости плоской формы изгиба. Расчёт выполняется по коэффициенту φ_b, зависящему от пролёта, нагрузки, сечения и условий раскрепления. Раскрепление верхней полки балки прогонами или жёстким настилом снижает расчётную длину и повышает несущую способность.

Двутавр как колонна

В колоннах применяются преимущественно двутавры серий Ш и К. Серия К — оптимальный выбор: равные радиусы инерции по обеим осям дают одинаковую расчётную гибкость и равную несущую способность во всех плоскостях. Серия Б как колонна работает хуже: при равной площади сечения колонна из 30Б имеет в 1,5–2 раза меньшую устойчивость по слабой оси, чем 30К.

Расчётная гибкость колонны — отношение расчётной длины к радиусу инерции. Расчётная длина зависит от условий закрепления верха и низа колонны. Для шарнирно-шарнирной колонны расчётная длина равна геометрической. Для защемлённой внизу и шарнирно опёртой вверху — около 0,7 геометрической. Для свободно стоящих колонн с консолью — 2,0 геометрической. Предельная гибкость колонн I группы ответственности — 120, II–III группы — 150.

Опирание балок на колонны

Стандартные узлы опирания балок из двутавра на колонны делятся на три типа:

• шарнирный узел через опорный столик из уголка или фасонной пластины. Балка опирается верхней полкой на консольный столик, прикреплённый к колонне сваркой. Передаёт только вертикальную реакцию;
• шарнирный узел с креплением болтами через стенку. Применяется в полужёстких рамах и в монтажных стыках;
• жёсткий узел через фланцевое соединение. Балка приваривается к торцевой пластине в заводе, на объекте пластина крепится к колонне болтами или сваркой. Передаёт момент и вертикальную реакцию.

Жёсткие узлы требуют отдельного расчёта на момент: проверяются болты на растяжение, фланцы на изгиб, сварные швы на полное усилие. Для тяжёлых жёстких узлов применяются высокопрочные болты класса 10.9 с натяжением на расчётное усилие.

Усиление двутавров

Существующие двутавры в эксплуатируемых конструкциях усиливают, не разбирая. Стандартные приёмы:

• приварка дополнительных листов или полос к полкам — увеличивает момент сопротивления;
• приварка дополнительных полос к стенке снизу или сверху — точечное усиление в зоне максимальных моментов;
• приварка диагональных раскосов снизу балки — превращение балки в шпренгельную систему с уменьшением рабочего пролёта;
• приварка рёбер жёсткости в зонах концентрации напряжений и в опорных узлах.

Усиление выполняется только после поверочного расчёта существующего сечения, учёта его фактического состояния (коррозия, дефекты сварных швов) и проектирования усиливающих элементов на расчётную нагрузку. Усиление сваркой требует учёта остаточных напряжений и сварочных деформаций.

Соединения двутавров: фланцевые и накладочные

Фланцевое соединение — стандартное решение для монтажных стыков балок и колонн. Торцевая пластина (фланец) приваривается к торцу профиля в заводских условиях, на объекте фланцы стыкуются болтами через резьбовые отверстия. Болты класса 8.8 или 10.9 ставятся в стандартной геометрии — над полками и в средней части стенки.

Накладочное соединение — альтернативный вариант с парами накладок на полках и стенке. Накладки соединяются болтами с двух сторон от стыка. Применяется в монтажных стыках балок, где требуется передать момент и нет возможности использовать фланцы (например, при высоте балки больше высоты транспортной нормы).

Типовые ошибки

1. Применение серии Б как колонны. Балочный двутавр в качестве колонны даёт неоптимальное распределение материала: устойчивость по слабой оси на порядок ниже, чем по сильной. Расход металла на 30–50 % выше, чем у эквивалентной серии К.
2. Отсутствие рёбер жёсткости в опорных узлах. При сосредоточенной нагрузке стенка в опорном узле работает на смятие и местную потерю устойчивости. Без рёбер жёсткости узел разрушается раньше расчётного предела.
3. Подмена сортамента ГОСТ 26020-83 на ГОСТ 8239-89. Двутавры с уклоном граней полок имеют другую геометрию и другую несущую способность. Подмена без поверки даёт ошибку расчёта.
4. Балка без раскрепления сжатой полки. Длинная балка из двутавра без прогонов или настила на верхней полке теряет общую устойчивость задолго до достижения расчётной нагрузки на изгиб.
5. Колонна серии К с малой толщиной полки. Тонкая полка теряет местную устойчивость раньше, чем достигается расчётное усилие. Серии К1 и К2 — для лёгких нагрузок, К3 и К4 — для тяжёлых.
6. Сварной двутавр с неполной проваркой стенки. Угловой сварной шов «стенка – полка» должен иметь катет, обеспечивающий передачу полной поперечной силы. Недопровар даёт скрытый дефект, выявляемый только при перегрузке.
7. Фланцевый узел с болтами одного диаметра по всему периметру. Болты в зоне растянутой полки нагружены сильнее, чем в зоне нейтральной оси. Расчёт должен дифференцировать диаметр или количество болтов по эпюре растяжения.

Чек-лист приёмки

• марка стали по сертификату соответствует проекту;
• серия и номер двутавра (Б, Ш, К с индексом) соответствуют спецификации;
• геометрические размеры в пределах допусков ГОСТ 26020-83;
• прямолинейность по длине не более 0,15 % длины элемента;
• отсутствие закатов, трещин, расслоений на поверхности полок и стенки;
• сварные швы продольные (для сварного двутавра) — без подрезов, наплывов, пропусков;
• рёбра жёсткости в опорных узлах установлены и приварены по проекту;
• торцевые фланцы перпендикулярны оси профиля в пределах допусков;
• отверстия в фланцах — соосны, без эксцентриситета относительно проектной геометрии;
• сварные швы рёбер — двусторонние, катет соответствует чертежу;
• защитное покрытие нанесено без сколов;
• маркировка элементов соответствует ведомости КМД.

Часто задаваемые вопросы

Можно ли заменить 30Б1 на 30Ш1 в проекте? Не напрямую. Профили разной серии имеют разные характеристики по моменту инерции, моменту сопротивления, площади сечения. Замена возможна только после поверочного расчёта с учётом фактической геометрии.

Какой двутавр выбрать для прогона кровли 9 метров? Ориентировочно 20Б1–25Б1 в зависимости от кровельной нагрузки и шага ферм. Для тяжёлых утеплённых кровель — 25Б2–30Б1. Точная цифра рассчитывается по нагрузке и прогибу.

Сколько весит двутавр 30К1 на погонный метр? Около 84 кг/м. Для 30Б1 — около 32 кг/м, для 30Ш1 — около 63 кг/м. Точные значения — в сортаменте по ГОСТ 26020-83.

Допустимо ли применять старый сортамент по ГОСТ 8239-89 в новом проекте? Допустимо, но не рекомендуется. Сортамент действует, профили выпускаются, но современные серии Б, Ш, К дают лучшее распределение материала и проще в монтаже. В новых проектах закладывается ГОСТ 26020-83.

Когда переходить от прокатного двутавра к сварному? Когда сортамент перестаёт покрывать требуемое сечение (высота свыше 600 мм, нестандартная ширина полки, переменное сечение по длине), или когда сварной вариант даёт экономию металла свыше 15–20 % при сопоставимой трудоёмкости изготовления.

Сокращения и обозначения

ТКП — технический кодекс установившейся практики. ТНПА — технический нормативный правовой акт. ГОСТ 26020-83 — сортамент двутавров с параллельными гранями полок. ГОСТ 8239-89 — сортамент двутавров с уклоном внутренних граней полок. ГОСТ 27772-2015 — прокат для строительных стальных конструкций. ТКП 45-5.04-167 — расчёт стальных конструкций (РБ). W_x — момент сопротивления. φ_b — коэффициент устойчивости плоской формы изгиба. λ — гибкость. КМД — чертежи конструкций металлических, деталировка. Серия Б — балочные двутавры. Серия Ш — широкополочные. Серия К — колонные.

Материал подготовлен по действующим на дату публикации редакциям ТНПА. Применение рекомендаций должно учитывать актуальность нормативной базы и конкретные условия объекта.