Балки перекрытий — швеллер или двутавр?

Металлические балки перекрытий могут иметь в сечении двутавр или швеллер. Это объясняется механическими характеристиками этих открытых незамкнутых профилей, отлично подходящими для восприятия локальных и распределенных нагрузок, и отработанным технологическим процессом их производства.

Форма геометрического сечения двутавра и швеллера имеет большую площадь, расположенную в полках. А области возникновения максимальных напряжений в двутаврах и швеллерах от изгибающей нагрузки сосредоточены именно в полках. Рациональность этих профилей объясняется наиболее эффективным использованием материала и снижением веса конструкции.

Основным отличием свойств швеллера и двутавра является различная реакция на скручивающую силу, которая может возникнуть даже в симметричном относительно двух плоскостей двутавровом профиле при определенном распределении нагрузки на перекрытие.

Двутавры

Максимальный объем металла в двутавровом профиле распределен в полках. Именно в них и возникают напряжения от приложенных нагрузок (в том числе, сжимающих, скручивающих и изгибающих). Кроме того, полки двутавра разнесены на такое расстояние, при котором момент инерции становится максимальным. Этим объясняется высокая величина момента инерции этого профиля, который для двутаврового профиля 16 достигает 2,6 т/м (при изгибе).

Несмотря на симметричность профиля, двутавровая балка может испытывать деформацию кручения, например, при опирании на нее перекрытия, неравномерно загруженного полезной нагрузкой.

Недостатком двутавра является его более высокая стоимость, чем у швеллера. Поэтому применять его целесообразно в гражданском, промышленном или другом масштабном строительстве, а также для перекрытий, работающих под значительной нагрузкой.

Швеллеры

Геометрическая форма швеллерного профиля обусловливает несовпадение его главной оси инерции со стенкой. Поэтому момент инерции П-образного сечения превышает момент инерции Н-образного сечения, что предпочтительнее для косого изгиба.

При восприятии опирающейся нагрузки швеллер испытывает скручивание, поскольку ось симметрии только одна и она не совпадает с осью нагружения. В результате центр изгиба располагается за стенкой несимметричного швеллерного профиля. При этом кручение является стесненным и имеет бимомент, который следует учитывать в проектных расчетах. Также необходимо учитывать секториальную жесткость швеллера, которая в 1,5 – 2 раза выше, чем у двутавра (при одинаковых высоте стенки и ширине полки).

Из двух швеллеров можно изготовить конструкцию, механически более прочную (изгибные жесткости в разных направлениям распределены более рационально), чем двутавр таких же размеров. Эта конструкция имеет квадратное сечение (пространственная форма является коробом), образуемое свариванием швеллеров по конечным граням полок и усиленное металлическими пластинами. В результате моменты инерции относительно центральных моментов инерции такого короба выравниваются. Однако подобное решение отличается трудоемким изготовлением.

Главное преимущество швеллера перед двутавром – меньшая стоимость при аналогичных механических и геометрических параметрах. Его целесообразно использовать в легких конструкциях: частных одно- или двухэтажных домах, гаражах, дачах и т. д.

Однако применение в перекрытии швеллера потребует крепления, чтобы обеспечить устойчивость этого профиля (при расположении стенки в вертикальной плоскости). Противодействие неустойчивости швеллера под изгибающей нагрузкой можно обеспечить привариванием поперечных жестких элементов, бетонированием или кирпичной кладкой.