Кровельные
калькуляторы
Видео
инструкции

Двутавровые балки: обзор основных видов и их технических характеристик

Сегодня строительные технологии настолько напоминают футуристическое будущее, что буквально завтра дома начнут строить из прозрачного бетона при помощи очередного 3D-принтера. Даже опытные профессионалы не всегда успевают следить за всеми новинками. И, хотя некоторые из таких материалов применяются на отечественном рынке давно, узнаваемыми они все еще не стали.

Так, достаточно недооцененной сегодня считается двутавровая балка из дерева или металла. А ведь из нее делают прочные перекрытия и целые стропильные системы! При этом такая балка обладает целым рядом преимуществ перед обычными элементами. Но почему она до сих пор не в каждом доме?

Потому что многих смущает ее хрупкий вид из-за тонкого внутреннего ребра. Хотя на самом деле здесь прекрасно срабатывают законы физики, и в нужном положении двутавр ничуть не уступают куда более массивным и тяжелым брусьям. Как такое может быть? А мы сейчас расскажем!

Содержание

Что такое «двутавр»?

Для многих фирм сегодня первоочередной задачей стоит строительство надежных и недорогих домов, причем в сравнительно короткий срок. А эти задачи решают в большей степени используемые строительные материалы.

Двутавровая балка конкретно в России до недавнего времени применялась только в промышленной сфере, но сегодня становится все популярнее. Появление в последние годы новых видов двутавров позволило успешно задействовать их при строительстве обычных жилых домов.

А «двутавром» в строительстве называют деревянный или металлический профиль, который имеет сечение, похожее на букву «Н». Сам термин произошел от «тавр», что означает «рога быка».

На отечественном рынке сортамент двутавра пока небольшой, т.к. сам продукт еще малоизвестный и немногие производители его представляют. А вот за рубежом применяются достаточно интересные его виды, где сочетаются инженерная мысль и законы физики.

Достоинства и недостатки двутавровых балок

Давайте перечислим основные особенности двутавровые балок. А их немало!

Благодаря особой конструкции, балка в форме «Н» на практике оказывается в 7 раз прочнее стандартной квадратной балки с такой же площадью сечения, и при этом в 30 раз жестче. Удивительно, не правда ли?

В то же время двутавр, обладающий открытым сечением (как уголок или швеллер), имеют малую устойчивость к скручиванию, в 400 раз меньше, чем круглая труба. Поэтому на двутавровую балку, которая будет использоваться, обязательно рассчитывают нагрузку, постоянную и переменную.

Постоянная предполагает вес материала в виде балок, утеплителя, пола и потолка, а переменная – вес людей и оборудования на перекрытии. В результате таких точных просчетов прочность двутаврового основания не вызывает сомнения.

В процессе эксплуатации размеры двутавровых балок остаются стабильными и не подвержены усадке. Несущая способность таких балок – до 500 кг на погонный метр, и при этом один погонный метр весит всего около 6,8 кг.

Благодаря всему этому такие балки подходят для довольно длинных прогонов, до 24 метров, и для их монтажа не нужны специальные грузоподъемные механизмы (хотя с ними, конечно же, все работы идут быстрее).

К слову, от ферм двутавровые балки выгодно отличаются тем, что их легко подрезать при необходимости, тогда как с фермами такого не провернуть.

Балки достаточно легкие и удобные, без проблем транспортируются:

Где применяются двутавровые балки?

Плюс использование таких балок влияет на то, насколько дорогую и тяжелую технику нужно будет привозить на место строительства, при каких температурах разрешено работать и сколько будет весить само перекрытие.

Что касается цены, то отметим, что стандартное перекрытие из досок, конечно же, обходится дешевле. Но стоит учитывать, что для самих досок дополнительно нужны промежуточные опоры, обрешетка и многие другие дополнительные детали. Кроме того, такое основание периодически нуждается в ремонте, ведь речь идет о древесине.

Подведем итог: двутавровые балки отлично подходят в качестве стропил, прогонов и балок перекрытий, а также элементов каркаса в малоэтажном строительстве.

Деревянные двутавры для малоэтажного строительства

Наиболее активно деревянные двутавровые балки сегодня используются в качестве несущих элементов перекрытий и стропильных конструкций для зданий. Деревянные двутавры подходят для кирпичных, брусовых, блочных и бревенчатых домов.

Технические характеристики: прочность и вес

Деревянные двутавры изготавливают из клееных пиломатериалов. Оба пояса – из деревянных брусков, которые скреплены OSB или вставкой из древесного волокна.

За рубежом такие балки изготавливают из OSB и HDF, а в России есть несколько заводов, которые производят такие балки из ОСП и фанерной стенки, к качеству которых, правда, пока еще остаются вопросы.

Давайте рассмотрим внимательнее технические характеристики таких двутавров:

Технические характеристики двутавровых балок

Вот как выглядит стропильная система из двутавровых балок:

Устройство стропильной системы из двутавровых балок

Сама формула «дерево+OSB+дерево» позволяет избежать многих недостатков, без которых не обойтись, когда приходится использовать сплошную деревянную балку.

Сравнение с другими стройматериалами

Давайте перечислим главные преимущества таких балок. Они прямые, т.к. полностью лишены изгибающих моментов, ведь OSB уже не «поведет». При этом балки достаточно прочные и простые в монтаже, т.к. для их установки не нужны специальные навыки.

Вот сравнение деревянного двутавра и обычной обрезной доски по основным показателям:

Главные преимущества двутавровых балок

Далее, по сравнению с древесиной, двутавровые балки намного меньше весят, отлично перекрывают большие пролеты и со временем не меняют своей геометрии.

В тоже время обычные деревянные брусья рискуют покрыться трещинами, кручению и усадке:

Что такое двутавровые балки?

Благодаря особым свойствам деревянный двутавр настолько жесткий, что им можно перекрывать большие пролеты без каких-либо промежуточных опор.

Так, двускатные балки, и балки с параллельными поясами применяют для несущих перекрытий с пролетами от 6 до 15 метров! В таком случае офисные и жилые помещения получаются достаточно просторными, что сегодня особенно модно.

Причем эти преимущества особенно ценны, если их сравнивать с более привычными на российском рынке материалами. И главный плюс здесь – в весе двутавра:

Преимущества двутавровых балок перед другими аналогами

К слову, двутавровые балки не применяют одновременно с обычным брусом, ведь степени их усадки значительно отличаются. В итоге, если все-таки совместить оба вида материала, через год-два перекрытие потеряет свою горизонтальность, а у стен больше не будет ровной опоры.

Материалы изготовления: полки и стены

Верхний и нижний пояса двутавровых балок изготавливают из массивной или специальной модифицированной древесины, а вертикальное заполнение — из OSB или фанеры.

Секрет всех перечисленных преимуществ в том, что при изготовлении двутавровых балок используется древесина с влажностью не более 18%. Для этого используются двухкомпонентный клей и ребра жесткости из качественных ориентированно-стружечных плит, благодаря чему у таких балок нет проблем со скрипом или неровностями пола.

Качественные балки не теряют своих ценных физических свойств при перепадах температуры и влажности, а резать и корректировать двутавровые балки не сложно самыми обычными плотницкими инструментами.

Бруски в такой конструкции нужно применять цельного сечения, а стыки делать с зубчатым шипом, который изготавливают специальной фрезой. Далее стенку на клей вставляют в пазы поясов балок. По торцам балок устанавливают ребра жесткости. Далее балки защищают антисептирующей обмазкой или раствором из краскопульта.

Плита OSB изготавливается из плоской древесной щепы путем прессования, а щепки, обычно из древесины хвойных пород, соединяются синтетическими смолами. Благодаря всему этому у плиты – высокие водостойкие характеристики. Ведь здесь кусочки древесины как бы переплетаются, и создают собой прочный материал без концентраторов напряжений (одним словом, однородный, одинаковый по всей длине).

Материал получается куда более качественным, чем обычная фанера. И при этом даже более эластичный, благодаря чему в нем отлично держатся строительные скобы, гвозди, шурупы и другие элементы.

Применение такой основы имеет свои преимущества. Так, природные пиломатериалы не лишены недостатков, их качество довольно сложно определить на глаз. В то же время искусственные балки максимально надежны и точны.

В них нет дефектов, сучков и деформаций, они не растрескиваются и не гниют. Конструкции, получаемые из таких материалов, называются формостабильными. Они не скрипят, как деревянные, более прочные и жесткие. На их изготовление необходимо меньше натурального сырья, и меньше требований к его качеству.

Вот очень интересное видео по изготовлению деревянных двутавровых балок своими руками:

Также деревянные двутавровые балки выпускают с фанерной стенкой. Полки здесь делают из деревянных брусков прямоугольной формы, с волнообразной стенкой из особой водостойкой фанеры.

Хотя для многих мастеров вообще слово «фанера» в междуэтажном перекрытии вызывает ужас. Ведь речь идет о колоссальной нагрузке! На самом деле тут срабатывают законы физики, а именно принцип давления: попробуйте поставить кусок фанеры на ребро, и убедитесь, насколько прочным может быть такое положение.

Вы наверняка задумывались, а почему нельзя в качестве стенки использовать обычную доску, тем более, что та попрочнее фанеры или OSB?

На самом деле такие материалы в процессе производства подвергаются горячему прессованию, а потому обладают куда большей плотностью, чем обычная древесина. Впрочем, доска действительно иногда используется, но только плотной породы, после профессиональной глубокой пропитки и в более редких случаях.

Серии и виды: современный сортамент

Сортамент двутавра говорит о характеристиках балки: высота, толщина и ширина каждого элемента. Так. деревянные двутавровые балки имеют такие виды:

  • «БДК» — клеенный двутавр с широкой полкой, предназначенный для коротких пролетов.
  • «БДКУ» — усиленная балка с широкой полкой для длинных пролетов.
  • «БДКШ» — широкая балка для стропильных систем, нагруженных конструкций и особо длинных пролетов.
  • «СДКУ» — усиленная балка для стенового каркаса.
  • «СДКШ» — широкая стойка для устройства каркаса стен.

У всех этих вариантов также есть подвиды:

Серии деревянных двутавровых балок

Иногда, для некоторых проектов, двутавровые балки изготавливают спаренными, увеличивая тем самым их жесткость:

Двойные и тройные двутавровые балки

К слову, есть еще одна вариация деревянного двутавра: пояс балки изготавливают из сухой хвойной древесины, а соединяющую перемычку – из оцинкованной высокопрочной стали с особым полимерным покрытием.

Деревянные части балки обязательно обрабатывают огнебиозащитным составом, ведь здесь идет контакт металла с древесиной.

Особенности применения и монтажа

Применение таких балок достаточно просто:

Методы крепления двутавровых балок

В жизни такой монтаж выглядит так:

Крыша из двутавровых деревянных балок

Еще отметим, что у балок OSB высокая прочность и удобная конструкция, которая позволяет проводить нужные инженерные коммуникации прямо в перекрытиях.

Стальные двутавры для мощных построек

Сегодня объемно-планировочные решения бывают настолько сложными, что без несущих стальных балок не обойтись, ведь при пролетах от 7 метров никакие бетонные конструкции не эффективны.

В отличие от деревянной, металлическая двутавровая балка перекрывает пролеты со значительной нагрузкой, не горит и устойчива к биологическому воздействию (плесень, жучки). Правда, при пожаре со временем она способна потерять свою несущую способность, а также корродировать при отсутствии защиты. Кроме того, металлический двутавр тяжелый, и его не установить без специальной техники.

Но стальные балки не используются для строительства перекрытия мансард дома, у фундаментов которых – предельная нагрузка. Также такие балки окажутся достаточно тяжелыми для стен из пористых, ячеистых материалов и профилированного бруса, который со временем дает усадку.

Типы стали для изготовления балок

Двутавровые металлические балки сегодня изготавливают из прокатной стали, алюминиевых сплавов и стального литья. При этом сталь представляет собой сплав железа с углеродом, лишь с небольшими примесями и легирующими добавками. Наиболее популярна в этом плане малоуглеродистая.

Сама сталь может еще и отличаться по способу производства, например, на спокойную, кипящую и полуспокойную. А, в зависимости от свойств стали, ее делают на обычную и с повышенной или высокой прочностью.

Так, малоуглеродистые стали – это стали средней прочности, а низколегированные уже обладают повышенной прочностью. Самая крепкая – среднелегированная.

Сварные и прокатные двутавры: в чем разница?

По типу сечения стальные балки бывают прокатными или составными, соединенными при помощи сварки. Горячую прокатку балки производят на прокатных станках – специальных установках с вращающимися валиками. Для этого берется толстый слиток, который перемещают по рольгангу и балка приобретает форму двутавра.

В процессе прокатки слитки перемещаются по рольгангу и обрабатываются рядом валков, в результате чего длина заготовок сильно возрастает, а поперечное сечение постепенно уменьшается и приобретает форму двутавра. Это достаточно производительный метод, но, из-за применения сложного оборудования, обходится недешево.

А вот сварные двутавры производят на автоматизированных линиях. Для этого нарезаются заготовки, собираются двутавровые профили и варят их под флюсом. После этого профили еще дополнительно будут обработаны прокаткой, чтобы достичь идеальной геометрии полок.

Далее поверхность профиля зачищают и наносят защитное покрытие. Только при помощи сварной технологии можно изготовить балки с максимально точными размерами, тонкостенные и разнополочные двутавры.

Сварные балки более легкие, до 30% легче горячекатаных, и хороши тем, что позволяют применять в одной конструкции разные типы сталей. Например, для полок идет одна, для стенок – другая.

Так, самые напряженные участки в ней изготавливаются из стали повышенной прочности, а менее напряженные – из малоуглеродистой стали. Такой подход снижает стоимость балки на 5%.

Сами балки, в которых одновременно используются несколько разных сталей марки, называются бистальными. Все просто: наименее в балке нагружены стенки, а больше всего – пояса. Вот в поясах и используется сталь более высокой прочности, а это 14Г2, 10Г2С1.

К слову, применение бистальных двутавровых балок наиболее целесообразно при статических нагрузках. А по сравнению с балками из одной стали, такие обойдутся на 5-15% дешевле.

Сам по себе прокат таких профилей производительнее сварки, но сварные балки легче изготовить нужных параметров. Например, только сварным методом получается сделать балки высотой 4 метра и более.

Особенности конструкции стальных двутавров

Металлическую двутавровую балку часто делают разного сечения. Зачем? Дело в том, что у самой балки в процессе ее работы идет разное напряжение по длине, и местами оно значительно ниже допускаемого.

Кроме того, для разных задач допускается определенный изгиб стенок балки. Чего, кстати, не провернуть с деревянным двутавром. Рассчитывают кривизну стенок балки по такой формуле:

Виды двутавровых балок с изогнутыми стенками

Также популярен такой метод, как концентрация металла в ребрах и уменьшение толщины стенок (этот прием дает экономию 10-20%). 

Получается, что в таких местах металла приходится использовать больше, чем необходимо, а это уже перерасход. Поэтому иногда изготавливают профили с переменным сечением, ввиду экономии, хотя большинство балок имеет профиль, который постоянный по всей своей длине.

Серии и номера стальных двутавров

У металлических двутавровых балок разное назначение, а потому могут отличаются характеристики. Так, балки с параллельными полками маркируются так:

  • «Ш» — это двутавры с широкими полками, выдерживающие значительные нагрузки.
  • «У» — балки с узкими полками для жилого строительства.
  • «Д» — двутавровые балки со средними полками.
  • «К» — балки, специально выпускаемые длясооружения колонн, достаточно тяжелые и прочные.

По углу наклона балки делят на такие виды:

  • «М» — балка с наклонными полками, для сооружения подвесных путей. Здесь угол наклона не превышает 12%. При этом 12% и 16% – это максимум для внутреннего угла.
  • «С» — двутавр для укрепления стволов шахт, с углом наклона граней до 16%.

По степени точности двутавры классифицируют так:

  • «Б» —балка обычной точности изготовления. Подходит для большинства строительных задач.
  • «В» — продукция повышенной точности, специально разработанная для сложных задач, где имеют значение мельчайшие погрешности.

По форме полок металлические двутавры изготавливают двух видов – с уклоном внутренних граней полок или с параллельными:

Сортамент стальных двутаровых балок

А вот дополнительные серии таких балок:

Стальные двутавры: технические характеристики

Есть еще такие подвиды:

Виды стальных горячекатанных двутавров

Подбирать стальные балки для строительства дома должен профессионал, который имеет на руках точные расчеты допустимой нагрузки на фундамент и сам проект постройки.

Есть еще такой отдельный вид двутавровых балок, в которых сочетается древесина и металл. Такая, к слову, применяется в Европе еще с 1970 года.

Гофрированные балки: отличная экономия

Хотя гофро0балка и выглядит интересно, в России такую конструкцию начали применять еще в 30-х годах прошлого века. Тогда нечто подобное задействовали в деревянных конструкциях. Сегодня же такие балки варят в нескольких металлургических заводах страны.

Теперь этот вид балки представляет собой сварную легкую конструкцию из профлиста, который приварен к стальным полкам. Причем сами полки здесь из горячего проката, а профлист – холоднокатанный.

Посмотрите, как выглядят такие балки:

Гофрированные двутавровые балки

К идее гофрирования стенок таких балок пришли с целью экономии, если говорить грамотным языком – снижения металлоемкости строительства. Естественно, гофрированная стенка может быть тоньше обычной металлической (всего 1,5-1,8 мм), т.к. у нее уже есть поперечные ребра.

Которые, ко всему, еще и повышают крутильную жесткость самой балки! А, значит, позволяет избавить от главного недостатка, который свойственен двутавру. Здесь напряжение развивается только у поясов, падает почти до нуля, а все касательные напряжения равномерно распределяются по высоте стенок.

Сама гофра может быть как волнистой, так и треугольной (такая считается более технологичной). Еще более прочная балка не с вертикальными гофрами, а горизонтальными.

В общей сложности гофры располагаются к верхнему поясу под углом 45-50°, с расчетом соотношения высоты волны к ее длине от 1/5 до 1/20.

Технические характеристики гофрированных балок

По сравнению с обычными двутавровыми горячекатаными балками гофробалки выходят экономнее на 20-40%. Мало того, что такие балки весят меньше, само профилирование придает большей жесткости при вращении, а потому в монтаже таких балок используется меньше специальных подъемных приспособлений в виде дополнительных уголков и связей. Это значительно упрощает монтаж.

Гофробалки хороши в качестве кровельных прогонов с пролетом от 9 м и как несущее основание в многоэтажках с пролетами до 24 метров.

Единственный существенный недостаток таких конструкций в том, что они довольно трудоемки в изготовлении. Но, благодаря тому, что у таких балок нет ребер жесткости, уменьшается расход металла и длина сварных швов.

Перфорированные балки: увеличенная несущая способность

На конечную стоимость любого изделия напрямую влияет такое понятие, как себестоимость. Еще сначала ХХ века ради экономии инженеры активно разрабатывали и испытывали изгибающие элементы в строительных материалах. Так и пришли к в выводу, что проектирование балок с перфорированной стенкой более целесообразно, чем двутавры со сплошными стенками.

Благодаря увеличению высоты балки и наличию в ней отверстий материал сечения перераспределяется ближе к полкам, а там нормальное напряжение (термин такой) больше. Вот почему само по себе увеличение высоты сечения в полтора раза во столько же повышает его сопротивление и в два раза увеличивает момент инерции.

У деревянных двутавров внутренние отверстия располагают по одиночке, а у стальных зачастую делают с регулярным шагом.

Двутавры с внутренними отверстиями

В таких балках часто изготавливают круглое либо прямоугольное отверстие. Также, чтобы увеличить прочность балки, в прямоугольных отверстиях делают вырезку углов по радиусу. Кроме того, нельзя делать нарезы прямо на полках балки. Само отверстие, обычно диаметром 38 мм, делают в любом месте стойки, кроме как прямо над опорой.

Если же отверстий несколько, тогда соблюдаются определенные рекомендации. Но в стойке балки при этом оставляют зазор 6,5 мм, между границей отверстия с нижней, верхней стороны и полкой.

Далее, придерживаются таких правил изготовления отверстий:

  • длина прямоугольного отверстия не должна быть больше высоты проделанного отверстия более, чем в полтора раза;
  • между краями круглых отверстий расстояние не должно быть больше, чем в 2,5 раза;
  • расстояние между краями прямоугольных отверстий не должно быть больше, чем 5 раз, чем длина самого большого прямоугольного отверстия;
  • между краями прямоугольного и круглого отверстия расстояние должно быть не менее чем в 5 раз, чем длина самого большого прямоугольного отверстия, или больше в 5 раз, чем диаметр самого большого круглого отверстия:
Прочность двутавровых балок на изгиб

Сквозные двутавровые балки

Если говорить техническим языком, перфорированный двутавр – это многократная статически неопредеимая система. Если проще, то такая балка по своей конструкции подобна безраскосной ферме, и даже расчитывается по ее формулах.

Весь секрет в том, что в середине стенок и простенков в местах отверстий находятся точки с нулевыми моментами, а в них – условные шарниры. В такой балке взаимодействуют поперечные и продольные силы. А как именно, зависит от схемы резов стенок.

Необходимы балки с перфорированной стенкой, когда нужно увеличить несущую способность у прокатных двутавров. Здесь попросту увеличивают высоту перфорированной стенки, благодаря чему повышается жесткость и несущая способность самой балки. Иногда также применяют раскосы.

Чтобы изготовить такую балку, ее в процессе производства при помощи газовой резки или мощного процесса разрезают зигзагообразной ломаной линией, с так называемым регулярным шагом. Затем обе половинки соединяют сваркой так, где соприкасаются выступы стенки. Форма ломанной линии и внутренние отверстия бывают самыми разными, в зависимости от расчетов прочности.

В итоге перфорированная балка весит столько же, что и прокатный профиль, но обладает более высокой жесткостью и несущей способностью, а потому применяется на пролетах большей ширины.

Но, хотя в такой балке применение стали экономится до 30%, само изготовление выходит дороже, ведь оно сложнее. А на практике высота сквозного двутавра получается в 1,3-1,5 раз больше, чем обычный, а потому в 1,5-2 раза больше момент инерции сечения. Благодаря этому несущая способность сквозного двутавра, по сравнению с несквозным, получается в 1.3-1,5 раз больше!

Если вам интересно, вот занимательный видео-ролик о том, как на самом деле распределяются силы внутри стальной балки и почему лишний материал там совсем не нужен:

И при этом, если сквозной двутавр изготавливают бистальным (из разных видов стали), то при той же несущей способности балка получается на 34-39% легче и на 16-20% дешевле, чем сплошная горячекатаная или из малоуглеродистой стали. Одним словом, такой двутавр еще более компактен, транспортабелен и изготавливается на заводе при помощи высокоавтоматизированного оборудования.

Так, внутренние резы бывают симметричными и асимметричными, по отношению к вертикальной оси. Для изготовления симметричного реза балку соединяют из двух половинок от разных двутаров.

Так получается два вида балки: со вставками на опорах и без них. А вот при ассиметричном резе производят только один тип балки, у которого один конец остается без вставки, а у другого вставка есть.

Иногда перфорированные двутавры изготавливают из заготовок разных двутавров. Но тогда в сжатой зоне необходимо устанавливать половинку из более крепкого двутавра с более прочной сталью. Так добиваются устойчивости стенок сжатых поясов. Самое наличие отверстий в стенке распределяет нормальные напряжения по всей высоте балки.

Ко всему, сквозные двутавры настолько прочные, что при определенном усилении их верхней части стенки таковые активно применяют в качестве подкрановых балок.

В заключении

Неспроста строительные технологии всегда стремятся достичь уменьшения веса и увеличения прочности используемых материалов. Благодаря всему этому дома получаются крепкими, но не тяжелыми и не требуют «зарывания денег в землю», как любят выражаться каменщики.

И если вы после прочтения статьи убедились в том, что эта технология стоит вашего внимания – применяйте ее смело.

Остались ли у вас еще вопросы? Задавайте!

Поделитесь опытом, оставьте свой комментарий