Швеллер — горячекатаный профиль П-образного сечения, занимающий промежуточное положение между уголком и двутавром по применимости и несущей способности. Используется в качестве балок перекрытий, прогонов, колонн каркаса лёгких зданий, элементов рам и подкрановых путей. Геометрия швеллера с двумя параллельными полками и стенкой даёт асимметрию по двум главным осям — особенность, которую необходимо учитывать в расчётах. Материал разбирает сортамент по ГОСТ 8240 и СТБ EN 10279, принципы применения как балки и колонны, типовые соединения и узлы.
Материал носит справочный и образовательный характер. Расчёт несущих конструкций должен выполняться квалифицированным проектировщиком с учётом конкретных грунтовых условий, климатических нагрузок и эксплуатационных требований. Применение приведённых принципов для самостоятельного проектирования без поверки специалистом не рекомендуется.
Виды швеллеров и сортамент
Швеллеры делятся на две основные группы по геометрии полок. Швеллеры с уклоном внутренних граней полок — традиционный профиль по ГОСТ 8240, основной в постсоветской традиции. Полки имеют небольшой уклон (1:10 или около 5–7°) изнутри, что упрощает прокатное производство. Швеллеры с параллельными гранями полок — современный профиль по ГОСТ 8240 и СТБ EN 10279, удобнее для болтовых соединений (одинаковая толщина по всей полке).
Размеры швеллеров обозначаются номером, равным высоте профиля в сантиметрах. Стандартный диапазон ГОСТ 8240: №5 (высота 50 мм) до №40 (высота 400 мм). Каждый номер имеет фиксированные пропорции полки, стенки и радиусов. Стандартные длины проката — 6, 9, 11,7 м, по заказу до 12 м.
| Номер | Высота, мм | Ширина полки, мм | Площадь, см² | Масса 1 м, кг | Применение |
|---|---|---|---|---|---|
| №10 | 100 | 46 | 10,9 | 8,59 | Прогоны лёгких кровель |
| №14 | 140 | 58 | 15,6 | 12,3 | Балки перекрытий пролётом до 4 м |
| №18 | 180 | 70 | 20,7 | 16,3 | Балки перекрытий пролётом 4–6 м |
| №22 | 220 | 82 | 26,7 | 21,0 | Балки промышленных зданий |
| №27 | 270 | 95 | 35,2 | 27,7 | Тяжёлые балки, колонны каркаса |
| №30 | 300 | 100 | 40,5 | 31,8 | Подкрановые пути лёгких кранов |
| №40 | 400 | 115 | 61,5 | 48,3 | Подкрановые пути, тяжёлые балки |
Маркировка
Маркировка швеллера содержит номер профиля, серию (для современного сортамента) и стандарт. Например, «швеллер 18П ГОСТ 8240» означает швеллер высотой 180 мм с параллельными гранями полок по ГОСТ 8240. Для швеллера с уклоном внутренних граней маркировка «18У» или просто «18». В европейском сортаменте применяются обозначения «UPN 180» (с уклоном) или «UPE 180» (с параллельными полками).
Сертификат поставки содержит: марку стали, плавку, длину прутков в партии, общую массу, геометрические допуски, результаты приёмочных испытаний (механические свойства, ударная вязкость для категорий поставки с этим требованием). Каждый швеллер имеет клеймо производителя.
Стали для швеллеров
Стали для швеллеров общестроительного назначения — те же, что и для уголков: углеродистые Ст3 разных категорий, низколегированные 09Г2С, 10ХСНД, европейские S235, S275, S355. Для подкрановых путей и динамически нагруженных конструкций применяются стали с гарантированной ударной вязкостью при отрицательных температурах (категории C5 по СТБ 1985 или JR/J0/J2 по СТБ EN 10025-2).
Для типовых задач строительства жилых и общественных зданий в Беларуси применяется сталь S235 или Ст3сп5. Для промышленных зданий и тяжёлых конструкций — S355 (09Г2С). Замена сталей в проекте без пересчёта не допускается — разница в расчётном сопротивлении до 50 % между S235 и S355.
Применение как балка
Швеллер в качестве балки воспринимает изгибающий момент относительно оси, параллельной полкам (ось максимальной жёсткости). При нагрузке сверху вниз верхняя полка работает на сжатие, нижняя на растяжение. Главная особенность швеллера — асимметрия сечения относительно вертикальной оси: центр изгиба не совпадает с центром тяжести, что вызывает кручение при изгибе под произвольной нагрузкой.
Для исключения кручения швеллера применяются три типовых решения. Первое — спаренный швеллер «коробочкой» (два швеллера, обращённые открытыми сторонами друг к другу), геометрия становится симметричной. Второе — приложение нагрузки в центре изгиба (специальная конструкция узлов). Третье — учёт кручения в расчёте и проверка прочности по сложному напряжённому состоянию.
Балки перекрытий из швеллеров применяются для пролётов 3–9 м в зависимости от номера профиля и нагрузки. Прогоны кровли — №8 — №14 для лёгких кровель пролётами 3–6 м. Балки промышленных перекрытий с производственными нагрузками — №22 — №40. Для пролётов более 9 м применяются составные сварные балки или двутавры широкополочные.
Применение как колонна
Швеллер в качестве сжатой колонны применяется реже, чем как балка, из-за асимметрии сечения. Одиночный швеллер имеет существенную разницу в радиусе инерции относительно двух главных осей, что снижает устойчивость относительно оси минимальной жёсткости. Расчётная гибкость элемента может быть критичной для одной оси, в то время как другая ось имеет большой запас.
Спаренные швеллеры «коробочкой» дают симметричное составное сечение с близкими радиусами инерции по обеим осям. Это типовое решение для колонн каркаса лёгких зданий, опор навесов, стоек промышленных эстакад. Шаг прокладок (распорок) между двумя швеллерами — 600–1500 мм для обеспечения совместной работы.
Для тяжёлых колонн каркасных зданий швеллеры применяются как составные элементы вместе с листовой сталью или другими профилями. Например, колонна сечением «двутавр плюс два швеллера» обеспечивает большую площадь и высокую жёсткость в обоих направлениях. Конструктивные решения такого рода применяются в специальных проектах.
Принципы подбора
Подбор швеллера-балки выполняется по моменту сопротивления сечения W. Требуемое значение Wтр = Mд / (Rи × γc), где Mд — расчётный изгибающий момент, Rи — расчётное сопротивление стали изгибу. По полученному значению Wтр подбирается швеллер с фактическим W ≥ Wтр.
Проверка прогиба — отдельный этап. Прогиб от нормативной нагрузки не должен превышать предельных значений: 1/250 пролёта для общих случаев, 1/300 для перекрытий жилых зданий, 1/400 для перекрытий, поддерживающих хрупкие отделочные элементы. Для лёгких швеллеров с большими пролётами прогиб часто становится определяющим — требуется больший номер швеллера, чем по прочности.
Подбор сжатой колонны учитывает гибкость λ и коэффициент продольного изгиба φ. Расчётная длина в плоскости каркаса обычно равна высоте этажа, в плоскости стены — расстоянию между связями. Гибкость λmin относительно слабой оси не должна превышать 120 для основных элементов и 150 для вспомогательных.
Соединения швеллеров
Сварные соединения швеллеров с колоннами или соседними балками выполняются угловыми и стыковыми швами. Для опирания балки-швеллера на колонну применяются три основных решения. Шарнирное опирание — сварной шов или болтовое соединение через полку швеллера или через специальное опорное «ребро». Жёсткое защемление — массивная сварная конструкция стыка с расчётом на изгибающий момент. Шарнирно-неподвижное — комбинация.
Болтовые соединения швеллеров — типовые для монтажных стыков. Болты пропускаются через полку или стенку швеллера. При болтах через полку необходима накладка с противоположной стороны (швеллер с открытым сечением не имеет полки изнутри). Применяются болты M16, M20, M24 классом 8.8 или 10.9 в зависимости от расчётного усилия и регламента СТБ EN 1993-1-8.
Стыки швеллеров на болтах: внахлёст с накладками по обеим сторонам, через специальные фасонки в узле. Расстояния между болтами — от 2,2d до 14t (где d — диаметр болта, t — толщина соединяемого элемента). Минимальное число болтов в стыке — обычно 4 (для основных элементов).
Защита от коррозии
Защита швеллеров от коррозии — те же системы, что и для уголков. Лакокрасочные системы 160–200 мкм для категории C3, 240–280 мкм для категории C4. Горячее цинкование 60–100 мкм для долгосрочной защиты. Для внутренних поверхностей швеллеров (открытое П-образное сечение) обязательно нанесение защиты — без этого возникают «карманы» с задержкой влаги и локальной коррозией.
Особенность швеллеров — наличие внутренней полости открытого сечения, где скапливаются пыль и осадки. Регламент СТБ EN ISO 12944-3 рекомендует ориентацию швеллера в конструкции открытой стороной вниз или предусматривать дренажные отверстия в нижней части стенки. Для подкрановых путей и других ответственных конструкций применяется специальная конструкция с защитой от попадания влаги внутрь профиля.
Типовые ошибки
- Игнорирование кручения швеллера при изгибе под произвольной нагрузкой — недонабор прочности
- Применение одиночного швеллера в качестве колонны без проверки устойчивости относительно слабой оси
- Соединение спаренных швеллеров с большим шагом прокладок (свыше 1500 мм) — отсутствие совместной работы, фактическая жёсткость ниже расчётной
- Установка швеллера в качестве прогона кровли открытой стороной вверх — скопление воды и снега в полости
- Болтовые соединения через тонкую полку без накладок — продавливание стенки полки под нагрузкой
- Замена швеллера ГОСТ 8240 на UPE без пересчёта — разные геометрические характеристики при близком номере
- Применение стали S235 для подкрановых путей без проверки на динамические нагрузки — усталостное разрушение в эксплуатации
Часто задаваемые вопросы
Что выгоднее — швеллер или двутавр для балки перекрытия? Двутавр обычно эффективнее по соотношению несущая способность / масса для чистого изгиба. Швеллер выигрывает в узлах, где требуется опирание на полку (плоская верхняя полка позволяет крепить настил без дополнительных подкладок). Для типовых перекрытий жилых зданий применяются оба профиля в зависимости от конкретной геометрии конструкции.
Можно ли применять швеллер 8 для перекрытия частного дома? Швеллер №8 (высота 80 мм) — лёгкий профиль для прогонов кровли пролётом до 3 м с лёгкой нагрузкой. Для перекрытий с эксплуатационной нагрузкой жилого дома (более 1,5–2 кН/м²) и пролётами 4–6 м обычно требуются профили №14 — №18.
Чем «коробочка» из двух швеллеров отличается от прямоугольной трубы? Прямоугольная труба — цельный профиль с замкнутым сечением, изготавливается прокатом или сваркой из листа. «Коробочка» из двух швеллеров — составной элемент с прокладками. Прямоугольная труба легче в монтаже (один элемент вместо составного), но имеет ограничения по сортаменту (не все размеры доступны).
Зачем нужны прокладки между двумя швеллерами в коробочке? Прокладки обеспечивают совместную работу двух элементов как единого целого, передают сдвигающие усилия между ними. Без прокладок каждый швеллер работает самостоятельно, фактическая жёсткость составного элемента ниже расчётной на 30–50 %.
Какой швеллер для рамы автомобильного прицепа? Стандартное решение для лёгких прицепов — №8 — №12. Для тяжёлых прицепов и платформ грузоподъёмностью более 1,5 т — №14 — №18. Точный выбор зависит от длины и базы прицепа, расчётной нагрузки, конструкции опор колёс.
Сокращения и обозначения
- №N — номер швеллера, равен высоте профиля в сантиметрах
- У, П — серии швеллеров: У — с уклоном внутренних граней полок, П — с параллельными гранями
- UPN, UPE — европейские обозначения швеллеров (с уклоном и параллельные)
- Rи — расчётное сопротивление стали изгибу
- Mд — расчётный изгибающий момент
- W — момент сопротивления сечения изгибу
- γc — коэффициент условий работы конструкции
- Центр изгиба — точка приложения поперечной силы, при которой балка работает только на изгиб без кручения
- Спаренный швеллер — два швеллера, соединённых через прокладки для совместной работы
- «Коробочка» — спаренный швеллер с обращёнными открытыми сторонами друг к другу
Материал подготовлен по действующим на дату публикации редакциям ТНПА. Применение рекомендаций должно учитывать актуальность нормативной базы и конкретные условия объекта.