Швеллер и двутавровая балка: конструктивные различия, расчетные характеристики и области применения
При проектировании металлических конструкций наиболее часто возникает выбор между двумя базовыми видами прокатных профилей — швеллером и двутавровой балкой. Несмотря на внешнюю схожесть и принадлежность к одному классу несущих элементов, эти профили принципиально отличаются по геометрии, механическим характеристикам и поведению под нагрузкой.
Геометрия и конструкция профилей
Швеллер представляет собой стальной профиль с П-образным поперечным сечением. Он состоит из одной вертикальной стенки и двух параллельных полок, расположенных с одной стороны стенки. Такое сечение делает профиль «открытым» и асимметричным. Исторически термин происходит от немецкого Schweller, что переводится как балка или желоб.
Геометрические параметры швеллеров включают высоту профиля (как правило, от 50 до 400 мм), ширину полок, а также толщину стенки и полок. По технологии изготовления различают горячекатаные и гнутые швеллеры. Горячекатаные получают прокаткой разогретой заготовки при температурах порядка 1150–1200 °C, что обеспечивает высокую прочность и отсутствие остаточных напряжений. Гнутые швеллеры формируются холодным способом из листовой стали, отличаются более точной геометрией и меньшей массой, но уступают горячекатаным по несущей способности.
Двутавровая балка (двутавр) имеет Н- или I-образное сечение. Конструкция включает две горизонтальные полки — верхнюю и нижнюю — соединенные вертикальной стенкой. Сечение симметрично относительно обеих главных осей, а центр тяжести совпадает с геометрическим центром профиля. Именно эта симметрия и вынесение основной массы металла в полки определяют исключительно высокую эффективность двутавра при работе на изгиб.
Высота двутавровых балок традиционно обозначается номером профиля (в сантиметрах) и может варьироваться от 10 до 100 см. Ширина полок, толщина стенки и полок зависят от серии балки. Производство осуществляется горячей прокаткой либо сварной технологией. Сварные двутавры позволяют получать балки высотой до 1,5 м и длиной до 15 м, что особенно востребовано в крупнопролетных и промышленных сооружениях.
Производство и геометрия профилей регламентируются государственными стандартами. Для швеллеров применяются ГОСТ 8240-97 (горячекатаные) и ГОСТ 8278-83 (гнутые). Двутавровые балки изготавливаются в соответствии с ГОСТ 8239-89, ГОСТ 26020-83 (широкополочные серии), а также современным ГОСТ 35087-2024.
Маркировка профиля содержит информацию о типе балки, ее размере, серии и марке стали. Например, обозначение вида «Балка 30Ш1 Ст3» указывает на широкополочный двутавр высотой 300 мм, изготовленный из углеродистой стали марки Ст3.
Сферы применения в строительстве и промышленности
Швеллер широко применяется там, где требуется сочетание достаточной прочности и удобства монтажа. В гражданском строительстве он используется для каркасов малоэтажных зданий, усиления проемов, устройства перемычек над окнами и дверями, изготовления прогонов и второстепенных балок. Открытая форма позволяет легко крепить швеллер к стенам, плитам и другим плоским поверхностям.
В промышленности швеллеры применяются в конструкциях эстакад, обслуживающих площадок, крановых путей, а также в машиностроении — для рам, несущих каркасов, кузовных элементов и опорных конструкций. В энергетике из них изготавливают опоры линий электропередачи и каркасы трубопроводов. Гнутые швеллеры часто используют в менее ответственных конструкциях: лестницах, воротах, перегородках, стеллажах.
Двутавровая балка, напротив, является основным элементом силового каркаса зданий и сооружений. В строительстве она применяется для междуэтажных перекрытий, ригелей, колонн и рам. Широкополочные двутавры эффективно работают в перекрытиях больших пролетов — до 20–24 метров — и широко используются в торговых центрах, спортивных комплексах и производственных цехах. Колонные серии предназначены для восприятия значительных вертикальных нагрузок, а специальные типы двутавров применяются в мостостроении, горнодобывающей отрасли и крановом хозяйстве.
Прочность, жесткость и расчетные характеристики
Основу оценки несущей способности металлических профилей составляют геометрические характеристики сечения. Для швеллера решающими параметрами являются высота стенки и ширина полок, определяющие его моменты инерции относительно главных осей. Увеличение высоты профиля существенно повышает сопротивление изгибу, однако асимметричность сечения ограничивает эффективность такого роста.
Для двутавра критически важным является соотношение высоты к ширине полок. У балок нормальной серии это соотношение оптимизировано под изгиб, у колонных серий — под осевое сжатие и устойчивость.
Момент инерции (Ix, Iy) характеризует жесткость сечения и определяет величину прогиба балки под нагрузкой. Момент сопротивления (Wx, Wy) отражает предельную способность профиля воспринимать изгибающий момент без превышения допустимых напряжений. При одинаковой массе и высоте двутавр имеет моменты инерции и сопротивления в 1,5–3 раза выше, чем швеллер. Это объясняется тем, что основная часть металла у двутавра вынесена максимально далеко от нейтральной оси.
Наглядная аналогия — обычная линейка. Лежа плашмя, она легко гнется; поставленная на ребро — становится значительно жестче. Двутавр работает как «линейка на ребре», тогда как швеллер по своей форме менее оптимален для чистого изгиба.
Влияние формы на характер работы под нагрузкой
Центр тяжести двутавра расположен строго в центре сечения, благодаря чему при вертикальной нагрузке полки работают симметрично — одна на сжатие, другая на растяжение. У швеллера центр тяжести смещен к стенке, что при вертикальной нагрузке может вызывать кручение, но одновременно повышает устойчивость при боковых воздействиях.
При вертикальном изгибе двутавр демонстрирует наибольшую эффективность. При горизонтальных нагрузках и изгибе с кручением швеллер в ряде случаев оказывается более устойчивым. При осевом сжатии преимущество имеют колонные двутавры, тогда как швеллеры требуют обязательного раскрепления и дополнительных связей.
Материал и технология изготовления
Для производства обоих типов профилей используются углеродистые и низколегированные стали. Низколегированные марки (09Г2С, 17Г1С) обеспечивают более высокую прочность и лучшую свариваемость по сравнению с обычными углеродистыми сталями. Горячекатаные профили превосходят гнутые по надежности из-за отсутствия наклепа и остаточных напряжений. Сварные двутавры дают возможность комбинировать различные марки стали в стенке и полках, оптимизируя конструкцию по критерию «прочность — стоимость».
Двутавровая балка является рациональным выбором для основных несущих элементов: балок перекрытий, колонн, рам и мостовых конструкций, особенно при пролетах более 4–5 метров. Она обеспечивает минимальный прогиб и максимальную несущую способность при меньшем собственном весе.
Швеллер предпочтителен для вспомогательных элементов, каркасов, усиления проемов, легких строительных и машиностроительных конструкций, а также там, где важны простота монтажа и экономичность. В ряде случаев швеллер может быть на 15–25 % дешевле двутавра при сопоставимой функциональности.
Выбор между швеллером и двутавровой балкой всегда является инженерной задачей, а не вопросом удобства или привычки. Двутавр — это высокоэффективный специализированный профиль для работы на изгиб и сжатие. Швеллер — универсальный и технологичный элемент, оптимальный для широкого спектра вспомогательных и монтажных решений.
Ключевое правило остается неизменным: замена одного профиля другим недопустима без проверочного расчета. Только расчет по прочности, жесткости и устойчивости с учетом нормативных требований и реальных нагрузок гарантирует безопасность, надежность и долговечность конструкции.
Полная версия статьи доступна на сайте по ссылке:
https://aksvil.by/klientam/materialy-po-prokatu/shveller-vs-dvutavr.html