Как рассчитать нагрузку на швеллер

Расчёт сводится к трём действиям. Сначала собирают нагрузку на погонный метр балки (q, кг/м или кН/м), затем по схеме опирания находят максимальный изгибающий момент — для однопролётной балки с равномерной нагрузкой это M = q·L²/8, а для сосредоточенной силы посередине M = P·L/4. Дальше вычисляют требуемый момент сопротивления Wтр = M / (Ry·γc) и по сортаменту берут швеллер с ближайшим большим Wx. Последний шаг — проверка прогиба, и именно он чаще всего заставляет увеличить номер профиля на одну-две позиции.

Сбор нагрузок: что суммировать

Нормативную нагрузку делят на постоянную (собственный вес швеллера, настила, стяжки, утеплителя) и временную (люди, оборудование, снег). Каждую составляющую умножают на коэффициент надёжности по нагрузке — для металла это обычно 1,05, для сыпучих и бетонных слоёв 1,3, для полезной нагрузки на перекрытие 1,2–1,3. Если балка работает не одна, а в ряду, нагрузку с площади переводят в линейную: умножают давление на грузовую ширину, то есть на шаг балок.

Собственный вес самого профиля удобно брать из сортамента — например, швеллер №14 весит около 12,3 кг на метр. Такие характеристики вместе с размерами и марками стали сведены на странице каталога металлопроката, где предложения складов собраны по производителям.

Момент сопротивления и проверка прочности

Условие прочности при изгибе: σ = M / Wx ≤ Ry·γc. Здесь Ry — расчётное сопротивление стали по пределу текучести, γc — коэффициент условий работы (для большинства балок принимают 0,9–1,0). Ориентировочно для С255 при толщине проката до 20 мм Ry составляет около 240 МПа, для С345 — порядка 320 МПа; точное значение зависит от толщины и берётся по нормам, а не «на глаз».

Переход на более прочную сталь даёт выигрыш по прочности, но не по жёсткости: модуль упругости у всех углеродистых и низколегированных марок практически одинаков, E ≈ 2,06·10⁵ МПа. Поэтому прогиб от смены С255 на С390 не уменьшится ни на миллиметр — помогает только рост момента инерции, то есть больший номер швеллера.

Таблица: основные характеристики горячекатаных швеллеров

Значения приведены для изгиба в плоскости стенки (ось X), по сортаменту ГОСТ 8240-97, профиль с уклоном внутренних граней полок. Для серии с параллельными гранями цифры отличаются незначительно.

Номер Высота, мм Масса, кг/м Момент инерции Ix, см⁴ Момент сопротивления Wx, см³
10 100 8,59 174 34,8
12 120 10,4 304 50,6
14 140 12,3 491 70,2
16 160 14,2 747 93,4
18 180 16,3 1090 121
20 200 18,4 1520 152
24 240 24,0 2900 242
30 300 31,8 5810 387

Пример подбора и проверка прогиба

Пролёт 4 м, расчётная нагрузка 400 кг/м (4 кН/м), сталь С255, γc = 1. Момент: M = 4·4²/8 = 8 кН·м = 800 кН·см. Требуемый Wтр = 800 / 24 = 33,3 см³ — формально проходит уже швеллер №10 с Wx = 34,8 см³.

Но прогиб считают от нормативной нагрузки по формуле f = 5qL⁴ / (384·E·I). Для №12 (I = 304 см⁴) получается около 2,1 см, тогда как предел для балок перекрытий обычно лежит в диапазоне L/200–L/250, то есть 1,6–2,0 см при четырёхметровом пролёте. Швеллер №14 с I = 491 см⁴ даёт примерно 1,3 см и требование закрывает с запасом. Типичная ситуация: прочности хватает, жёсткости — нет.

Что учитывают дополнительно

Швеллер несимметричен относительно вертикальной оси, и центр изгиба у него вынесен за стенку. Если нагрузка приложена не через эту точку, к изгибу добавляется стеснённое кручение — полки «уводит», фактические напряжения растут. На практике проблему снимают либо спаркой двух швеллеров полками внутрь, либо жёстким креплением настила к верхней полке, которое раскрепляет сжатый пояс от потери устойчивости плоской формы изгиба.

Ещё три момента влияют на исходные данные расчёта. Первое — способ производства: гнутый профиль при равной высоте легче, но тоньше и хуже сопротивляется местной потере устойчивости стенки, чем горячекатаный. Второе — тип граней полок, обозначаемый в маркировке буквами «П» (параллельные) или «У» (с уклоном); специальные швеллеры выпускают по ГОСТ 5267.1-90, обычные — по ГОСТ 8240-97. Третье — среда эксплуатации: для открытых конструкций часто, но не всегда, берут атмосферостойкие марки 10ХСНД, 15ХСНД или 14ХГНДЦ, у которых коррозионная стойкость выше, чем у рядовой С255.

Вопросы и ответы

Какой швеллер выдержит 500 кг?

Без указания пролёта и схемы опирания ответа не существует: одна и та же масса на балке длиной 2 м и 6 м даёт моменты, различающиеся втрое. Для ориентира: сосредоточенный груз 500 кг посередине пролёта 3 м создаёт момент около 3,7 кН·м, под который при стали С255 достаточно швеллера №10 по прочности, но по прогибу практичнее взять №12–14.

Два швеллера вместо одного — как считать?

При спарке моменты сопротивления складываются, поэтому два швеллера №14 по несущей способности примерно равны одному профилю с Wx ≈ 140 см³. Соединять их нужно планками или сваркой с шагом, обеспечивающим совместную работу, иначе каждый элемент будет изгибаться сам по себе.

Можно ли ставить швеллер полками вниз?

Можно, и на перемычках так делают часто: полки внизу удобно опирать на кладку. Но при такой ориентации сжатой оказывается стенка сверху, и без раскрепления настилом устойчивость профиля ниже — при пролётах свыше 3–4 м положение полками вверх с прикреплённым настилом обычно выгоднее.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями: