Балка стальная: изготовление, виды, особенности и применение

Двутавровая балка – распространенный вид стального фасонного проката. Благодаря характерной Н-образной форме поперечного сечения она отлично противостоит сдвиговым деформациям, инертна к интеграции внутренних напряжений и хорошо выдерживает однонаправленный изгиб. Такие свойства в сочетании с механической прочностью стали делают металлический двотавр универсальным строительным и конструкционным материалом и обусловили его широкое применение в различных сферах экономики и в народном хозяйстве.

Изготовление балки стальной

Современные металлургические комбинаты выпускают двутавры стальные в обширном сортаменте. И в зависимости от целевого назначения их производят из конструкционных углеродистых и низколегированных сталей, а изготавливают одним из нижеописанных способов.

Метод горячей прокатки

Этот способ изготовления основывается на продольной пластической деформации нагретого металла путем обжатия в черновых и чистовых клетях прокатного стана. Для этого стальная заготовка нагревается в методической печи выше 1000°С и, пройдя окалиноломатель, поступает в прокатный передел. Здесь заготовка прокатывается между симметрично вращающимися валками, которые имеют специальную конфигурацию поверхности, увеличивается в длине и постепенно приобретает Н-образную форму. После стальной профиль режется на отрезки заданной длины и направляется на холодильник – специальную зону прокатного стана для охлаждения готовых профилей. Уже в остывшем состоянии балка двутавровая проходит правку геометрии полок и отправляется на склад готовой продукции.

Горячая прокатка – это наиболее эффективный и распространенный метод обработки металлов давлением, минимизирующий внутренние напряжения и наличие скрытых дефектов в толще стального изделия. К тому же он позволяет организовать многоуровневый контроль качества и дефектоскопию. Поэтому горячекатаная стальная балка характеризуется более высокими прочностными показателями и обладает однородной структурой металла в сравнении со сварным вариантом.

Метод автоматической сварки

Этот способ является более дешевой и простой альтернативой горячей прокатке, основанный на использовании автоматической сварки. А заключается этот метод в следующем. Листовой прокат или стальные полосы режутся на отрезки заданной длины и ширины, которые потом собираются в единую балку посредством приварки всех элементов на прихватки. Затем полки окончательно привариваются к стенке, как к основанию, с внутренней стороны и с применением автоматической сварки под слоем флюса (SAW или ESW). Таким образом, двутавр металлический сваривается из трех полос в единую конструкцию, которая на финишном этапе проходит правильную машину. При этом сварной шов равномерно идет вдоль каждого стыка полки и основания, а остывание металла происходит естественным способом. Для удаления технологических следов прокат может подвергаться дополнительной дробеструйной обработке.

Этот метод отличается дешевизной, характеризуется высокой производительностью и позволяет обеспечить довольно высокую точность размеров и широкую номенклатуру выпускаемых изделий. Но при всех плюсах термический перегрев стали в зоне образования сварного шва значительно снижает прочностные показатели металлоизделия. Да и неоднородность металла сварного валика также ограничивает возможности его применения в сильно нагруженных конструкциях и в объектах повышенной опасности.

Типы балки стальной

Исходя из вышенаписанного, становится понятно, что двутавр стальной бывает горячекатаным и сварным. Но это далеко не вся классификация его сортамента. Рассмотрим этот вопрос более детально и определим основные типы профиля с учетом формы и размеров полок.

По форме полок

По геометрической конфигурации полок балка металлическая двутавровая производится с уклоном внутренних граней полок от 6 до 12 процентов и с параллельными гранями полок. Первые бывают только горячекатаными и больше подходят для создания балочных конструкций и горизонтальных перекрытий. Вторые - более универсальны. Они изготавливаются методом горячей прокатки и сварным способом и выпускаются в виде самостоятельных элементов (балок и колонн).

По соотношению размеров

В зависимости от ширины полок, толщины стенки, высоты профиля балка двутавровая стальная с параллельными гранями полок классифицируется на следующие типы:

• колонная (К);
• нормальная (Б);
• узкополочная (У);
• средне- и широкополочная (Д и Ш соответственно).

Балки с уклоном внутренних граней полок специального назначения в зависимости от условий применения классифицируются на следующие типы:

• для подвесных путей (М);
• для армирования шахтных стволов (С).

Длина двутавровой балки может варьироваться от 4 до 12 метров.

Типоразмеры и ГОСТы

Промышленность требует применения типовых и специальных видов профиля, и стальная балка в этом плане не является исключением. При производстве проката из углеродистых сталей обычного качества на них распространяется действие ДСТУ 2651/ГОСТ 380, а при использовании легированных сталей уже действует ДСТУ 8541/ ГОСТ 19281. 

Основные типоразмеры 

При этом стандарты регламентируют также радиусы закругления, угол уклона и симметрию полок. Кривизна стенки и перекос полок не должны превышать параметров допустимых предельных отклонений. ГОСТ 7566 регламентирует процесс упаковки, транспортировки и хранения двотавровых балок.

Особенности и достоинства

Как металлопрокат, балка двутавровая металлическая отлично сваривается всеми видами электродуговой и газовой сварки и хорошо режется автогеном и ленточными пилами. Стойкость к статическим и динамическим нагрузкам позволяет использовать ее для возведения объектов повышенной сложности и в сейсмически опасной зоне.

Механические свойства

Как конструктивный элемент, металлический двутавр отличается невысокой удельной массой и демонстрирует:

• хорошую стойкость к воздействию атмосферной влаги и слабоагрессивных сред;
• высокие и идентичные показатели прочности при работе на изгиб, сжатие и растяжение;
• непроницаемость для жидкой и газовой среды. У стали плотность металла составляет 7,85 т/м³;
• удовлетворительную чувствительность к знакопеременным колебаниям температуры окружающей среды.

Параметры ударной вязкости, временное сопротивление и предел текучести двутавра определяется маркой используемой стали и его толщиной. При проектировании следует учитывать, что при хорошей устойчивости к силам сжимающего и изгибающего характера, Н-образный профиль двутавра чувствителен к скручивающим деформациям.

Преимущества

• Невысокая трудоемкость и металлоемкость.
• Повышенная надежность в эксплуатации вследствие однородности металла.
• Универсальность. Это отдельный вид проката и при необходимости он режется на тавровый профиль, который также может понадобиться при строительстве и выполнении решетчатых конструкций.
• Возможность применения различных видов дуговой и газовой сварки и слесарно-механической обработки.
• Ведение строительных и монтажных работ по сбору металлоконструкций с высокими темпами производства.

Сфера применения балки стальной

Интересные факты. Метод горячей прокатки сплошной стальной заготовки с целью получения Н-образного профиля впервые в мире был запатентован еще в середине XIX века Альфонсом Хэлбоу – представителем американской компании Forges de la Providence. Но основной бум массового производства двутавра совпал не с периодом индустриализации промышленности, а с началом интенсивного строительства небоскребов, где они стали основным конструкционным материалом.

Промышленное строительство

Для создания горизонтальных, наклонных и вертикальных несущих конструкций в современном строительстве применяется много конструкционных материалов, выполненных из дерева или бетона, но стальные балки перекрытия всегда в приоритете. Такая популярность обусловлена не только высокими механическими свойствами, но и отличной технологичностью проката. Он изготавливается на специализированных промышленных мощностях, а резаться, свариваться и собираться в металлоконструкции и закладываться как несущий элемент может непосредственно на площадке. Поэтому из профиля наиболее часто выполняют мачты и монорельсы, а также каркасы зданий и сооружений:

• ангаров и аэродромов;
• пешеходных переходов;
• фабрик, заводов и цехов;
• эстакад и смотровых площадок;
• верфей и доков для морских и речных судов.

При изготовлении резервуаров для хранения горючих жидкостей, бункеров военно-промышленного и аграрного назначения, морских нефтегазодобывающих платформ, временных и быстровозводимых зданий для проживания вахтенных рабочих также используется балка стальная двутавровая. Это один из лучших материалов для армирования стволов метро и шахтных капитальных выработок и для создания сварных конструкций, эксплуатируемых в условиях:

• статической нагрузки с присутствующими растягивающими напряжениями: несущие балки, перекрытия и фермы;
• динамических и подвижных циклических нагрузок: подкрановые и хребтовые балки, подвесные пути и мостовые конструкции;
• сжимающих статических нагрузок. Для этой группы в основном используется колонный и свайный класс профиля.

Гражданское строительство

Балка стальная двотавровая используется при возведении многоэтажных и высотных общественных зданий, многоквартирных жилых домов и быстровозводимых построек. А также при строительстве:

• плавательных и спортивных бассейнов;
• выставочных и торговых павильонов;
• подземных паркингов и гаражей;
• искусственных островов и дамб;
• велотреков и стадионов;
• причалов и пирсов.

Простые обыватели также используют стальной двутавр в собственном хозяйстве. Он в значительной мере упрощает проведение работ по созданию:

• площадок для барбекю;
• погребов, подполов и подвалов;
• гаражей и навесов хозяйственного назначения;
• оснований под плитный фундамент и садовые беседки.

Из него получаются отличные опорные стойки для создания барьерных ограждений и заборов. А также остов для крупногабаритных ворот, шпунтовые сваи и монтажные стойки.

Машиностроение

Из-за Н-образной формы и прочностных характеристик двутавровая балка часто используется в качестве материала для изготовления станин станочного оборудования: металлорежущих и деревообрабатывающих станков, кузнечных прессов, аллигаторных и гильотинных ножниц, установок ультразвуковой обработки, компрессорных и вентиляторных установок.

Также производители предпочитают купить двутавр для производства рам вагонов и железнодорожных платформ, клетей производственного оборудования.