Все многообразие видов двутавровой балки в тезисах

Двутавровая балка в представлении не нуждается: она уже давно и широко применяется в строительстве. Однако еще недавно использование ее было ограничено сферой промышленного строительства, где альтернативы стальной двутавровой балке практически не было. В последние годы ситуация кардинально изменилась, появились новые виды двутавровых балок, благодаря чему данный конструктивный элемент несущих конструкций зданий стал применяться более широко.

1. Металл

1.1. Двутавровая стальная балка

Современные дизайнерские и объемно-планировочные решения требуют применения в качестве несущего каркаса стальных балок, поскольку при больших пролетах от 7 м и выше бетонные конструкции становятся не эффективными.

Стальные балки применяются главным образом для перекрытия больших пролетов промышленных и гражданских зданий (длиной 4-18 м). В качестве сырья при производстве может использоваться как низколегированная, так и углеродистая сталь. Прочность и качество должен гарантировать производитель, при этом двутавровая балка должна изготавливаться в соответствии со всеми имеющимися ГОСТами и быть сертифицирована.

По типу сечения балки могут быть прокатными либо сварными (составными). Применение сварной балки позволяет снизить массу конструкций до 30%, по сравнению с горячекатаными, за счет оптимального подбора составного сечения. Кроме того, появляется возможность применения в сечении балки разных типов сталей для полок и стенок, изготовления асимметричных сечений, а также минимизации отходов за счет изготовления балки требуемой длины.

Двутавровая металлическая балка перекрытий обладает рядом неоспоримых достоинств: такой балкой можно перекрыть большие пролеты со значительной нагрузкой, она не горит (хотя и теряет несущую способность при нагревании до высоких температур) и устойчива к биологическим воздействиям. Однако металлическая балка может корродировать при отсутствии защитного покрытия и наличия в помещении агрессивных сред, ее установка невозможна без применения специальной техники.

В настоящее время основным производителем прокатных двутавровых балок в России является Нижнетагильский металлургический комбинат (НТМК). Помимо него в стране еще насчитывается множество производителей сварных балок.

Стальная экономия

Стальная двутавровая балка
в малоэтажном строительстве

В своем развитии металлоконструкции имеют тенденцию к уменьшению их металлоемкости. Несмотря на то, что прокат двутавровых профилей производительнее сварки, только сварные конструкции могут быть изготовлены с желаемыми соотношениями размеров, что в результате, за счет снижения расхода металла, делает их более рентабельными по стоимости и решает проблему уменьшения массы несущих конструкций.

Благодаря применению сварки удается создавать балки разнообразных размеров — высотой до 3–4 м и более, что при современной технологии производства невозможно реализовать в горячекатаных балках. Кроме того, сварка позволяет наиболее рациональным образом сочетать размеры полок с вертикальной стенкой. Варьирование разных толщин стенок и полок позволяет подобрать оптимальную площадь сечения балки и тем самым уменьшить общий вес как самой балки, так и всей металлоконструкции, где она применяется.

Балки переменного сечения позволяют лучше использовать несущую способность металла по всей их длине. Они дают экономию металла в сравнении с балками постоянного профиля, значительная часть которых работает при напряжениях, значительно меньших допускаемых. В технологическом отношении изготовление балок переменного профиля несколько сложнее. Вопрос выбора конструкций решается с экономических позиций, а иногда и с учетом общей компоновки и эстетики. Большинство типовых балок имеет профиль, постоянный по длине.

Уменьшить металлоемкость конструкций позволяет и применение в одной сварной балке различных марок стали (бистальная балка), когда наиболее напряженные участки балки изготавливаются из стали повышенной прочности, а наименее напряженные — из малоуглеродистой стали. Это позволяет снизить стоимость балки на 5%.

1.2. Гофробалка

Гофробалка (балка с гофрированной стенкой) представляет собой легкую сварную металлоконструкцию из черного холоднокатаного профлиста, приваренного к стальным полкам из горячего проката.

Идея гофрирования стенок балок появилась еще в середине 30-х годов XX в. как один из путей снижения металлоемкости строительства. В обычных балках толщина стенок, как правило, определяется не условием прочности, а требованиями устойчивости. Постановка поперечных ребер смягчает ситуацию, позволяя уменьшить толщину стенок и одновременно повышая крутильную жесткость балок. Уже первые испытания балок с гофрированными стенками выявили особенности напряженного состояния стенок и поясов: нормальные напряжения развиваются в стенках лишь у поясов и быстро падают практически до нуля, поскольку жесткость тонкой стенки поперек гофров очень мала; касательные же напряжения распределяются по высоте стенки почти равномерно. Жестко связанные с поясом гофры передают на него усилия, вызывая в поясе переменный по величине и направлению изгиб в его плоскости.

Толщину гофрированных стенок принимают в пределах 1,5–8 мм. При выборе конструктивного решения балки с гофрированной стенкой приходится учитывать не только особенности напряженно- деформированного состояния балки под нагрузкой, но и требования технологичности. Наиболее просты и технологичны в изготовлении стенки с треугольными гофрами, но стенки с волнистыми гофрами более устойчивы. Практикуется и применение полос из готового профнастила.

Балки с гофрированными стенками проектируют обычно двутаврового сечения с поясами из листов, причем здесь не требуется повышенная жесткость поясов на изгиб и кручение. Свойства гофра определяются толщиной стенки и геометрическими параметрами гофрирования — длиной и высотой волны. Местная устойчивость гофрированных стенок балок может быть повышена, если вместо вертикального гофрирования применить наклонное с нисходящими гофрами. Оптимальный угол наклона гофров к верхнему поясу равен 45–50°. Однако изготовление таких стенок усложняется, и, как следствие, балки с наклонно гофрированными стенками широкого применения не нашли.

В изготовлении стенок появляется дополнительная технологическая операция (гофрирование) и несколько осложняется сварка поясных швов. Но уменьшение толщины стенки и исключение значительного числа ребер жесткости приводят, в конечном счете, к снижению трудозатрат на изготовление балок на 15–25%.

Изготовление гофробалок требует меньше сырья, а значит, снижается общая металлоемкость здания – экономия составляет около 20-40% в сравнении с двутавровыми горячекатаными балками.

Гофробалки обеспечивают высокое соотношение прочности и веса, снижают глубину балки, уменьшая к тому же себестоимость и увеличивая ширину безопорных пролетов. Профилирование стенки обеспечивает большую жесткость при изгибе и вращении, поэтому не требуются дополнительные подъемные приспособления при разгрузке и монтаже гофробалок. Это же сопротивление силам вращения позволяет обходиться без дополнительных уголков и прочих связей, что тоже снижает затраты и время монтажа строительных конструкций.

Максимальный пролет здания с использованием гофробалок зависит от нагрузок. Например, при снеговой нагрузке 80 кг/м2 рекомендуемый пролет составляет 40–45 м при шаге между колоннами 6 м или более, при снеговой нагрузке 200 кг/м2 – 30 м . Наиболее эффективно использовать гофробалку в небольших пролетах до 24 м и в многоэтажных конструкциях. В качестве кровельных прогонов с пролетами от 9 м и более гофробалке практически нет альтернативы.

Однако гофробалка наряду со своими достоинствами обладает и некоторыми недостатками. Гофрированная стенка требует дополнительных затрат на изготовление, в связи с этим усложняется применение автоматической сварки поясных швов (хотя на сегодняшний день существуют автоматические линии, справляющиеся с этими сложными задачами). Также довольно трудоемким получается процесс изготовления гофробалки переменного сечения (однако при малом весе стенки переменное сечение носит лишь эстетический характер, в отличие от сварных балок переменного сечения, где этим добиваются экономии металла).

1.3. Перфорированные балки

Перфорированные балки получают путем разрезания двутаврового горячекатаного профиля ломаной линией в продольном направлении. Затем обе части сдвигают до соединения гребней впритык, после чего их сваривают. В зависимости от длины и высоты профиля, а также от формы ломаной линии можно получать различные отверстия и различную высоту перфорированной балки.

Перфорированные балки имеют ту же массу, что и прокатные профили. При этом их несущая способность и жесткость значительно выше, чем у исходного профиля, а следовательно, они могут быть применены при большем пролете и большей нагрузке. Лучше всего использовать такие балки при больших пролетах и малых нагрузках. В этом случае влияние поперечных сил на напряжения в вертикальной стенке незначительно. Проектирование перфорированных балок позволяет получить экономию стали до 20-30%. Однако, учитывая более высокую стоимость изготовления, их применение должно быть экономически оправдано.

Андрей Герасимов, директор компании DOMMA System

Двутавровая деревянная балка применяется в жилищном малоэтажном строительстве не только в каркасных, но и кирпичных, блочных, брусовых, бревенчатых домах, а также в монолитных домах с несъемной опалубкой.

Начиная с 2008 г. компания DOMMA System начала производство в России (по собственному ТУ) двутавровой деревянной балки перекрытия и стропил под маркой BALKI DOMMA со стойкой из OSB-3. С конца 2009 г. налажено производство полностью композитной деревянной двутавровой балки серии DJH с полками из LVL-бруса длиной до 13 м. Балки с использованием OSB имеют высокую прочность, обеспечивают отличные условия эксплуатации, позволяют проводить инженерные коммуникации в перекрытиях и при этом имеют низкую цену.

2. Дерево + металл (балка ХТС)

Балка ХТС известна в Европе с 1970 г., когда было открыто первое производство данного продукта, и в настоящее время в странах ЕС работают 36 заводов по ее производству. В России только в этом году было создано первое и единственное предприятие такого рода. И если в Европе балка ХТС получила большое распространение, то в нашей стране она совершенно незнакома ни потребителю, ни даже специалистам.

Пояса балок ХТС изготовлены из сухой строганой древесины хвойных пород, а соединяющая их перемычка – из высокопрочной оцинкованной стали с полимерным покрытием. Пояса балок обрабатываются специальным огнебиозащитным составом.

Балки ХТС применяются как в качестве стропил и прогонов, так и в качестве балок перекрытий, колонн, элементов каркаса в малоэтажном домостроении.

В числе преимуществ балки – высокая прочность и стабильность размеров (не подвержена деформации и усадке). Балки ХТС позволяют экономить средства по сравнению с традиционными материалами при строительстве как производственных сооружений (ангары, склады, коровники и т.д.), так и малоэтажного жилья благодаря высокой несущей способности (до 500 кг/ пог. м), значительной длине возможных прогонов (до 24 м), небольшой массе (один погонный метр балки – от 6,8 кг), отсутствию клеевых соединений и высокой экологичности. Небольшая масса балок позволяет сократить расходы на монтаж и во многих случаях отказаться от применения грузоподъемных механизмов.

Дмитрий Кропивницкий, маркетинг-директор «Steelbuildings.ru Больше ЛМК в России»

Тема строительства с применением различного вида балок сейчас актуальна как никогда – клиент обычно не видит разницы между продукцией различных производителей. Меж тем, выбор приходиться делать именно ему. Многие производства стальной балки сейчас простаивают, некоторые производители переключились на так называемую «солому» (небольшие рядовые стальные конструкции, которые невозможно поставить на конвейер). Пропагандой же стального строительства фактически никто не занимается, и это приводит зачастую к непродуманным, а иногда и глупым решениям в использовании стальных конструкций, что в итоге калечит развитие всего нашего рынка. Особенно хорошо это видно на примере рынка гофробалки: он умирает, оборудование распродается. Причина проста: горе-маркетологи пытались противопоставить гофробалку балке переменного сечения, а это был заведомо проигрышный шаг.

3. Дерево

Деревянные двутавровые балки перекрытий изготавливаются с использованием клееных пиломатериалов: два пояса из деревянных брусков (полки тавров) скрепляются в одной плоскости стенкой из ориентированно-стружечной плиты (ОСП / OSB) или из древесного волокна. Отдельные части изделий соединяются друг с другом при помощи специальных клеев.

Мировыми производителями деревянных двутавровых балок являются компании GP, Nascor (со стенкой из ОСП) и Steico (стенка из древесного волокна HDF / ХДФ).

В России есть производства деревянных двутавровых балок со стенкой из ОСП. Впрочем, здесь есть несколько нюансов. Во-первых, стоит отметить, что на основании ТУ 5366-001-49828710-2001 допускается применением в качестве стенки помимо ОСП и фанерной стенки (это уже исключительно русская «адаптация»). А во-вторых, нигде в упомянутом ТУ нет указаний на то, что ОСП должна быть влагостойкой (ОСП «ходит» от влаги, и сильно). Учитывая высокую стоимость плит OSB-3 (ОСП-3), которые в России пока не производятся, вряд ли стоит рассчитывать на то, что производители будут идти на увеличение себестоимости, используя импортную продукцию.

Двутавровая деревянная балка применяется в жилищном малоэтажном каркасном домостроении, где не требуется большая несущая способность, и, как правило, балки имеют длину до 6 м.

Применение деревянных двутавровых балок в перекрытиях в каркасном домостроении позволяет значительно снизить общий вес здания, а соответственно и сократить затраты на устройство фундаментов, ускорить сроки строительства. По сравнению с традиционными деревянными балками двутавровые балки позволяют избежать таких проблем, как усадка, усушка, сдвиги, трещины, скрип готового изделия и пр. 4.

Эволюция балки

За десятилетия применения в строительстве конструкция двутавровой балки доказала свою эффективность. В поисках альтернативных решений тяжелой и дорогостоящей стальной балке были разработаны разнообразные инженерные решения

Пройдя длительный путь развития, двутавровая балка перестала быть исключительно элементом индустриального домостроения, завоевав новые ниши в строительной отрасли.

Статья подготовлена при участии компаний: «Евроангар», ПСК «Пулково», Steico, «ХТС-русланд», «Астрон Билдингс С.А. Представительство в России», «Канадский домостроительный комбинат», Магнитогорский завод сварных конструкций, DOMMA, Nascor

Дайнюс Петронис, торговый представитель компании Steico в странах Прибалтики и России Использовать тяжелые железобетонные и дорогостоящие металлические перекрытия невозможно в целом ряде случаев:

• при возведении мансард на последних этажах зданий, фундаменты которых имеют предельную нагрузку;

• при возведении стен из ячеистых и пористых материалов, несущая способность которых значительно уступает железобетону и кирпичу;

• в домах из профилированного бруса;

• при ремонте старых строений.

При этом современные тенденции ведут к увеличению внутреннего пространства помещений, что вызывает некоторые затруднения на этапе проектирования. Казалось бы, единственным материалом в обозначенных ситуациях могут служить перекрытия из деревянного бруса. Однако есть и другие технологические решения.

При расчете нагрузки на используемую балку учитывают постоянную и переменную составляющие. Постоянная нагрузка – это вес фактически используемого при устройстве перекрытия материала (балки, утеплитель, полы, потолки); переменная – вес находящихся на перекрытии людей и оборудования. Ниже приведена таблица сечений деревянных балок перекрытия в зависимости от пролета и шага установки, при нагрузке 400 кг/м2.

Сечения деревянных балок перекрытия, мм, в зависимости от пролета и шага установки при нагрузке 400 кг/м2

Если планируется возведение не нагружаемых перекрытий (например — неэксплуатируемый, неутепленный чердак), то можно использовать таблицу для меньших нагрузок деревянных балок перекрытий.

Таблица минимальных сечений деревянных балок перекрытия, мм, в зависимости от длины пролета и нагрузки

Из таблиц видно: чтобы перекрыть больший пролет, применяют брус большего сечения. Однако в настоящее время найти брус сечением выше 180 мм становится все более и более затруднительно. При этом возрастает удельный вес материала и соответственно постоянная нагрузка на перекрытие. Необходимо отметить, что цена на этот материал за 1 м3 при увеличении размера возрастает в несколько раз.

Уйти от использования бруса из массива дерева можно, применяя деревянную двутавровую балку с основой из твердой древесно-волоконной плиты HDF / ХДФ. При минимальной удельной массе материала постоянная составляющая нагрузки на эту балку может быть снижена до 200 кг/м2, как в случае не нагружаемого перекрытия при использовании массивного деревянного бруса, а это, в свою очередь, увеличивает ее несущую способность. Таким образом, появляется возможность перекрывать пролеты до 8 м без промежуточных опор, создавая просторные жилые и офисные помещения. Такая двутавровая балка может быть изготовлена длиной до 16 м. Результат: те же свойства при меньшем весе, при меньших затратах первичной энергии и при лучшей ее эффективности.