Швеллер: применение в балках и колоннах, сортамент и принципы подбора

Швеллер — рабочий профиль конструктора, когда уголка уже не хватает по жёсткости, а двутавр избыточен по высоте сечения. Это типичный выбор для перемычек, прогонов, ригелей, опорных столиков, лёгких балок и стоек. На практике швеллер часто ставят без поверки на кручение, и именно отсюда вытекают повторяющиеся проблемы — кручение полок, перекосы при монтаже, неучтённое смещение центра изгиба. Этот материал собирает то, что должен знать конструктор и инспектор по приёмке: сортамент по двум основным ГОСТам, разницу горячекатаного и гнутого швеллера, специфику работы в балках и колоннах, и правила компоновки спаренных сечений.

Что такое швеллер и его геометрические особенности

Швеллер — прокатный или гнутый профиль П-образного сечения с двумя полками и стенкой, объединяющей их по одной стороне. Высота сечения (расстояние между внешними кромками полок) — основной габарит профиля, по которому идёт нумерация. Ширина полки и толщина стенки — параметры сортамента, заданные жёстко для каждого номера.

Главная геометрическая особенность — асимметрия относительно вертикальной оси, проходящей через стенку. Центр тяжести смещён внутрь сечения, а центр изгиба (точка, через которую должна проходить плоскость действия нагрузки, чтобы не возникал крутящий момент) находится снаружи от стенки. Если нагрузка приложена к полке или к стенке, а не к точке центра изгиба, в швеллере возникает кручение, и расчёт на прочность по теории чистого изгиба становится неверным.

Сортамент швеллера по ГОСТ 8240-97

ГОСТ 8240-97 регламентирует горячекатаные швеллеры двух типов: с уклоном внутренних граней полок (серия У) и с параллельными гранями (серия П). Серия У — историческая, унаследованная от советского сортамента, с конусной внутренней поверхностью полки. Серия П — современный профиль с прямоугольной полкой, более удобный в сборке и более экономичный в металле.

Номер швеллера	Высота h, мм	Ширина полки b, мм	Толщина стенки s, мм	Типовое применение
5	50	32	4,4	обрамления, лёгкие перемычки
8	80	40	4,5	прогоны, рамы
10	100	46	4,5	лёгкие балки, стойки
14	140	58	4,9	балки перекрытий, прогоны
16	160	64	5,0	балки, ригели
20	200	76	5,2	балки средних пролётов
24	240	90	5,6	балки, колонны
30	300	100	6,5	тяжёлые балки
40	400	115	8,0	тяжёлые балки, эстакады

В сортаменте указываются: высота, ширина полки, толщина стенки, толщина полки (средняя или наименьшая для серии У), площадь сечения, погонная масса, момент инерции и момент сопротивления относительно главных осей. Координата центра изгиба относительно стенки приводится для расчётов на кручение.

Гнутый швеллер по ГОСТ 8278-83

Гнутый швеллер изготавливается из листового проката холодной гибкой. Геометрически отличается от горячекатаного: внутренние углы — радиусные, толщина стенки и полки одинаковая, профиль может быть в широком диапазоне габаритов, не привязанных к стандартному сортаменту горячекатаных серий. Гнутые швеллеры выпускаются по ГОСТ 8278-83.

Преимущества гнутого швеллера: широкий ассортимент сечений (включая нестандартные), меньшая толщина металла при заданной несущей способности, аккуратная геометрия для сборки лёгких каркасов. Ограничения: меньшая прочность стенок в местах гибки, ограничения по толщине металла (обычно до 8 мм), необходимость учёта остаточных напряжений в радиусных зонах. Гнутые швеллеры стандартно применяются в ЛСТК-конструкциях, лёгких каркасах кровли, обрешётке сэндвич-стен, прогонах малопролётных кровель.

Марки стали для швеллеров

Стандартные марки стали по ГОСТ 27772-2015: С245, С255, С345, С355. Для нагруженных и низкотемпературных конструкций — С345 категории 3 и выше с гарантированной ударной вязкостью при -40 °C. Для внутренних элементов малой ответственности — С245. Гнутые швеллеры из листа поставляются преимущественно из марок 09Г2С и С355 (зарубежные аналоги — S355JR, S355J2).

Группа ответственности конструкции определяет требования к ударной вязкости и категории поставки металла. По ТКП 45-5.04-167 для подкрановых балок, конструкций под открытым небом в Беларуси при минимальной температуре -25…-30 °C минимальная категория металла — 3 или 4.

Швеллер как балка: работа на изгиб

В качестве изгибаемой балки швеллер ставится стенкой вертикально, полками наружу от плоскости нагрузки. Расчёт ведётся по моменту сопротивления относительно горизонтальной оси сечения (W_x). Прогиб ограничивается нормой 1/200 или 1/250 пролёта в зависимости от назначения балки.

Главное ограничение работы одиночного швеллера в балке — кручение из-за смещения центра изгиба. Если нагрузка проходит через стенку (например, бетонная плита уложена на полку), возникает крутящий момент относительно центра изгиба. Этот момент приходится воспринимать либо дополнительными элементами (диафрагмами, ограничителями кручения), либо переходить к симметричным сечениям — спаренным швеллерам, двутавру, коробчатым сечениям.

Опорные узлы балки из швеллера обычно выполняются с привариванием к опорной пластине или с креплением болтами через стенку. Опирание на полки недопустимо: полка тонкая, краевая, момент инерции относительно вертикальной оси на порядок меньше, чем относительно горизонтальной.

Швеллер как колонна и стойка

В качестве сжатого стержня одиночный швеллер применяется редко: асимметричное сечение даёт разные радиусы инерции по двум осям, и устойчивость по слабой оси (с малым радиусом инерции относительно вертикальной оси) определяет расчёт. Расчётная гибкость λ = l_ef/i_min сравнивается с предельной гибкостью по нормам — 120 для основных колонн, 150 для второстепенных стоек.

Связи в плоскостях, перпендикулярных слабой оси, могут уменьшить расчётную длину и сделать сечение работоспособным. Без таких связей одиночный швеллер в качестве колонны рационален только в коротких стойках до 2–3 м или в каркасах с близко расположенными прогонами и связями.

Спаренные швеллеры в коробчатые сечения

Самый распространённый способ обойти асимметрию швеллера — собрать сечение из двух швеллеров. Возможны три компоновки:

• швеллеры спина к спине (полками наружу) с зазором, объединённые планками или прокладками — типовое решение для колонн каркасов;
• швеллеры полками внутрь, образующие замкнутое прямоугольное коробчатое сечение со сваркой по двум продольным швам — для нагруженных колонн и подкрановых балок;
• швеллеры стенками вместе, образующие симметричное двутавровое сечение — для балок, где нужно перейти к симметрии без перехода к прокатному двутавру.

Шаг прокладок или планок в составных колоннах назначается по нормам: расчётная длина одного швеллера между прокладками не должна превышать 40 радиусов инерции одиночного профиля по слабой оси. Сварка коробчатых сечений — двусторонняя по продольным швам, с контролем геометрии и сварочных деформаций.

Швеллер в перемычках, ригелях, прогонах

Швеллер — классический профиль для перемычек над оконными и дверными проёмами в кирпичной и блочной кладке. Длина перемычки рассчитывается с запасом 250–300 мм с каждой стороны на опирание. Для проёмов 1,2–1,8 м применяются швеллеры 10–14, для проёмов 1,8–2,5 м — швеллеры 16–20. Для широких проёмов 2,5–3,5 м перемычка собирается из двух швеллеров на расстоянии в стене.

В прогонах малопролётных кровель швеллер ставится полками вниз, стенкой к кровельному покрытию. Часто применяется горячекатаный швеллер 14–20 для прогонов длиной 6–9 м с шагом ферм 6 м. Гнутые швеллеры из листа толщиной 3–5 мм идут на лёгкие каркасы ЛСТК с пролётами до 6 м.

Соединения швеллеров

Сварка по стенкам и полкам — самое распространённое соединение. Швеллер к колонне приваривается по торцу через опорную пластину или через накладки на стенке. Угловые швы по полкам выполняются с подъёмом катета до толщины полки.

Болтовые соединения швеллеров — преимущественно в монтажных стыках балок и в узлах примыкания к колоннам. Болты класса 8.8 ставятся в стенку швеллера на стандартных расстояниях: 1,5 диаметра от края, 2,5 диаметра между болтами. Опорные узлы выполняются на торцевой пластине, привариваемой к швеллеру в заводских условиях, с креплением болтами к колонне на объекте.

Принципы подбора швеллера по нагрузке

1. определить расчётное усилие или момент в элементе по статической схеме;
2. предварительно задать сечение по конструктивным соображениям (минимальные номера для перемычек 8–10, для прогонов 14–16, для балок 16–24);
3. проверить прочность на изгиб (М ≤ W_x · R_y · γ_с);
4. проверить устойчивость общей формы изгибаемого элемента (для длинных балок без раскрепления полок);
5. проверить прогиб (f ≤ f_u = l/200 или l/250);
6. при работе в сжатии проверить устойчивость стержня по гибкости (λ ≤ λ_u);
7. проверить узлы и сварные швы на расчётное усилие.

Типовые ошибки

1. Неучёт кручения одиночного швеллера. Балка прошла по прочности на чистый изгиб, но в эксплуатации скручивается под нагрузкой, потому что нагрузка приложена не через центр изгиба.
2. Подмена серии У на серию П без поверки. Профили имеют разные характеристики по моменту сопротивления и площади. Подмена без расчёта даёт скрытый перерасход или недобор по прочности.
3. Опирание балки из швеллера на полки. Полка тонкая и работает с малым моментом инерции относительно вертикальной оси. Опирание должно идти через стенку или через торцевую пластину.
4. Гнутый швеллер из тонкого листа в основных балках. Гнутые профили 3–5 мм рассчитаны на лёгкие каркасы ЛСТК. В основных балках больших пролётов местная устойчивость стенки становится критичной.
5. Спаренные швеллеры без прокладок. Два швеллера в одной плоскости без объединяющих планок работают как два независимых стержня с локальной потерей устойчивости.
6. Сварка коробчатых сечений односторонним швом. Без сквозной проварки коробчатое сечение не воспринимает крутящие нагрузки как замкнутое — теряет своё главное преимущество.
7. Перемычка без запаса по опиранию. Длина перемычки в проектах часто закладывается «впритык» к проёму. Запас 250–300 мм с каждой стороны критичен для распределения опорной реакции в кладке.

Чек-лист приёмки

• марка стали по сертификату соответствует проекту;
• номер швеллера и серия (У или П) соответствуют спецификации;
• толщины стенки и полки в пределах допусков ГОСТ 8240-97;
• прямолинейность по длине не более 0,2 % длины элемента;
• отсутствие закатов, трещин, расслоений на поверхности;
• сварные швы по продольным стыкам коробчатых сечений — без подрезов, наплывов, пропусков;
• прокладки в составных колоннах установлены на проектном шаге;
• торцевые пластины приварены с двух сторон, катет соответствует чертежу;
• болтовые отверстия в стенке выполнены сверлением или продавкой по ГОСТ;
• защитное покрытие нанесено без сколов, толщина в пределах нормы;
• маркировка элементов соответствует ведомости КМД.

Часто задаваемые вопросы

Можно ли заменить горячекатаный швеллер на гнутый того же номера? Не напрямую. Геометрические характеристики (момент инерции, момент сопротивления) у профилей разной серии отличаются. Замена возможна только после поверочного расчёта с учётом фактического сортамента поставки.

Сколько швеллера идёт на типовую перемычку 1,8 м? Ориентировочно один швеллер 12–14 номера длиной 2,4 м (с запасом по 300 мм на сторону), или два швеллера 10 номера в широкой стене. Точная цифра считается по нагрузке от перекрытия и кладке над проёмом.

Допустимо ли применять швеллер 10 в качестве колонны навеса 3 м? Зависит от нагрузки и связей. На свободно стоящих стойках расчётная гибкость по слабой оси легко выходит за предел 150. С раскреплением по высоте и при умеренных нагрузках — возможно.

В чём разница между серией У и серией П? Серия У имеет внутренний уклон граней полок (форма исторически связана с прокатной технологией), серия П — параллельные грани полок (современный профиль). Серия П удобнее в стыковке болтами и в накладочных узлах, серия У в новых проектах применяется реже.

Что выбрать для прогона кровли 6 метров — швеллер или двутавр? При шаге ферм 3 м и кровельной нагрузке до 1,5 кН/м² обычно достаточно швеллера 14–16. При больших шагах и нагрузках переходят к двутаврам Б14–Б20 или к двум спаренным швеллерам.

Сокращения и обозначения

ТКП — технический кодекс установившейся практики. ТНПА — технический нормативный правовой акт. ГОСТ 8240-97 — сортамент горячекатаных швеллеров. ГОСТ 8278-83 — сортамент гнутых швеллеров. ГОСТ 27772-2015 — прокат для строительных стальных конструкций. ТКП 45-5.04-167 — расчёт стальных конструкций (РБ). W_x — момент сопротивления относительно горизонтальной оси. R_y — расчётное сопротивление стали. γ_с — коэффициент условий работы. λ — гибкость элемента. ЛСТК — лёгкие стальные тонкостенные конструкции. КМД — чертежи конструкций металлических, деталировка.

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