Різниця між швелером і двотавром: що краще вибрати?

У статті ми порівнюємо швелер та зварний двотавр за кількома параметрами: ціна, призначення і сфери застосування, способи виготовлення, і стійкість до деформації. У статті ми дослідимо питання, які характеристики і показники формують ці параметри, і коли який виріб треба обирати.

Будівництво неможливе без використання профільних елементів. Найбільш популярні групи серед них — швелера та двотаври. Обидва профілі виконують функцію несучих елементів. Найчастіше вони використовуються у перекритті споруд. Проте мають відмінності у формі та міцності.

Що таке швелер?

Швелер — це металевий профіль U-подібної форми. Він складається зі стінки та двох паралельних полок. Завдяки формі та матеріалу швелер має високу жорсткість і здатний ефективно розподіляти навантаження.

Що таке двотавр?

Двотавр (двотаврова балка) — це металевий профіль 工-подібної форми. Він складається з вертикальної стінки та двох горизонтальних паралельних полок. Завдяки формі та матеріалу він має високу жорсткість та рівномірно розподіляє навантаження.

У чому різниця між швелером і двотавром?

Порівняймо ці профілі за параметрами і характеристиками, які визначають їх міцність та економічну ефективність:

• спосіб виготовлення;
• вага;
• матеріал;
• геометричні розміри (висота стінки, товщина стінки, ширина полок, товщина полок, форма перерізу, радіус заокруглення між стінкою та полками);
• розподіл навантаження;
• опір вигину.

Порівняння швелеру і двотавра відбувається порівнянням двох виробів, що мають однакову геометрію. Тобто, однакові висоту й товщину стінок, та однакову суму геометрії полок (ширина і товщина), та використовуються однаково за призначенням.

Спосіб виготовлення

Швелер і двотаврову балку виготовляють трьома основними способами.

• Гарячим катанням - класичний метод, коли профіль формується безпосередньо при прокатуванні.
• Гнуттям - методом холодного гнуття холоднокатаного або гарячекатаного листа чи смуги.
• Зварюванням - зварювання окремих листових смуг у готовий профіль.

Способи виготовлення швелера (від найпоширенішого до рідкісного)

• Гарячекатаний швелер — виготовляється шляхом прокатування сталі на прокатних станах. Має найвищі показники міцності, у порівнянні з аналогічними швелерами, що виготовлені іншими способами.
• Гнутий швелер — виготовляється методом холодного гнуття сталевого листа. Легший та економічніший, проте найменш стійкий до скручування, з поміж швелерів, виготовлених цими трьома способами.
• Зварний швелер — формується зварюванням окремих сталевих смуг, Виготовляється за потреби мати швелер унікального розміру. Найменш розповсюджений спосіб виготовлення швелерів.

Способи виготовлення двотавра (від найпоширенішого до рідкісного)

• Гарячекатаний двотавр — виготовляється шляхом прокатування сталі на прокатних станах. Має найвищі показники міцності, у порівнянні з аналогічними двотаврами, що виготовлені іншими способами. Найбільш розповсюджений варіант виготовлення двотавра.
• Зварний двотавр — формується зварюванням окремих сталевих смуг.
• Гнутий двотавр — виготовляється методом холодного гнуття сталевих смуг. Найбільш легкий та найбільш економічно вигідний вид продукту серед трьох способів виготовлення. Проте, найменш міцний серед них. Використовується в легких каркасних конструкціях. Рідкісний варіант виготовлення двотавра.

Вага

Вага виробу залежить від його металоємності .

Швелер менш металоємний, ніж двотавр. Відповідно, має меншу вагу, ніж двотавр.

Двотавр більш металоємний, ніж швелер. Відповідно, має більшу вагу, ніж швелер.

Матеріал

Обидва металеві вироби, відповідно до українських стандартів ДСТУ та європейських стандартів гармонізації EN, мають виготовлятися зі сталі.

Матеріал швелера

• Гарячекатаний швелер — чорна вуглецева або чорна низьколегована сталь
• Гнутий швелер — рулонна чорна або рулонна оцинкована сталь
• Зварний швелер — чорна вуглецева або чорна низьколегована сталь

Матеріал двотаврової балки

• Гарячекатана двотаврова балка — чорна вуглецева або чорна низьколегована сталь
• Гнута двотаврова балка — рулонна чорна або рулонна оцинкована сталь
• Зварна двотаврова балка — чорна вуглецева або чорна низьколегована сталь

Геометричні розміри

Геометричні розміри виробів - це: висота стінки, товщина стінки, ширина полок, товщина полок, форма перерізу, радіус заокруглення між стінкою та полками.

Чим більша висота стінки, тим більший опір вигину.

Чим більша товщина стінки, тим вища стійкість до стиску і місцевих деформацій.

Чим ширші полки, тим краща стійкість до скручування.

Чим товщі полки, тим кращий розподіл навантажень.

Швелер — U-подібний, асиметричний.

Двотавр — 工-подібний, симетричний.

Малий радіус заокруглення (гостріший кут між стінкою і полками) підходить для точних конструкцій, де важливе щільне стикування деталей

При цьому він призводить до підвищеного ризику утворення тріщин, меншої довговічності під навантаженням.

Великий радіус заокруглення (плавний перехід між стінкою і полками) зменшує ризик тріщиноутворення, підвищує міцність і надійність виробу.

Розподіл навантаження і жорсткість

Розподіл навантаження і жорсткість визначаються геометричними розмірами виробу.

Швелер за геометрією несиметричний.

Центр ваги швелера зміщений й виходить за межі перетину.

Отже, швелер забезпечує нерівномірний розподіл навантаження. Він менш жорсткий у порівнянні з двотавром.

Двотавр за геометрією симетричний. Центр ваги двотавру доводиться строго посередині його поперечного перерізу. Отже, двотавр забезпечує більш рівномірний розподіл навантаження. Він має вищі характеристики жорсткості, ніж швелер.

Опірність впливу навантажень і стійкість до деформацій

Стійкість до деформацій визначається опорністю впливу навантажень. Вплив навантажень, в свою чергу, визначається опором вигину в двох площинах, вертикальній (опір на скручування) та горизонтальній (опір на згин).

Опір вигину в двох площинах: вертикальній (опір на скручування) та горизонтальній (опір на згин)

Швелер краще працює на опір згину у вертикальній площині (опір на скручування), ніж у горизонтальній (опір на згин). Він може вимагати додаткового підсилення по горизонталі.

Двотавр, у протилежність до швелера, краще працює в опорі у горизонтальній площині (опір на згин), ніж в опорі згину у вертикальній площині (опір на скручування).

Стійкість до деформацій

Швелер менш стійкий до деформацій, ніж двотавр.

У порівнянні з двотавром він сильніший в опорі на скручування, але слабший в опорі на згин.

Двотавр стійкіший до деформацій, ніж швелер.

У порівнянні зі швелером він краще працює в опір на згин, але слабший в опорі на скручування.

Маркування та стандарти

В Україні швелери та двотаври повинні відповідати державним стандартам ДСТУ. Це потрібно для забезпечення надійності, безпеки та довговічності конструкцій, а також для їхньої сумісності з проєктною документацією та європейськими нормами.

Стандарти для швелера

ДСТУ 3436:1996 «Прокат фасонний сталевий. Швелери гарячекатані»

ДСТУ 8808:2018 «Профілі сталеві гнуті. Технічні умови»

Стандарти для двотавра

ДСТУ 2033:1993 «Прокат фасонний сталевий. Балки двотаврові гарячекатані»

ДСТУ Б В.2.6-199:2014 «Конструкції сталеві будівельні. Загальні технічні умови»

Європейські стандарти для гармонізації

EN 10034 “Двотаврові балки. Вимоги до геометрії”

EN 10162 “Профілі сталеві холодногнуті. Технічні умови”

EN 1090 «Виконання сталевих та алюмінієвих конструкцій»

Що жорсткіше і міцніше – швелер або двотавр?

Основний показник обидвох виробів, який враховують інженери і технологи, – міцність.

На міцність обох виробів, крім перелічених вище параметрів і характеристик (спосіб виготовлення, вага, матеріал, геометричні розміри, розподіл навантаження і жорсткість, опірності впливу навантажень і стійкості до деформацій), впливають також умови експлуатації (вектор навантаження, яке докладається) та спосіб використання і встановлення.

Порівняння швелеру і двотавра відбувається порівнянням двох виробів:

що мають однакову геометрію. В них однакові висота й товщина стінок і однакова сума геометрії полок (ширина і товщина);

що використовуються однаково за призначенням;

що мають рівні умови експлуатації.

У кожному випадку проводиться розрахунок міцності першого і другого виробу.

Підбір виробів проводиться за даними стандартів на ці види виробів.

Використання в якості горизонтальної (несучої) балки

Вироби використовуються в якості несучої балки.

Вироби зафіксовані строго ортогонально.

При цьому двотавр більш жорсткий та міцний, ніж швелер.

Це пов'язано з тим, що центр ваги двотавру доводиться строго посередині його поперечного перерізу, а у швелера ця точка зміщена й виходить за межі перетину.

Використання в якості вертикальної (підпірної) балки

Вироби використовуються в якості підпірної балки.

Вироби зафіксовані строго вертикально.

Оцінюється вплив бічних навантажень в перпендикулярному векторі до їх ортогональної вісі (площини поперечного перерізу).

При цьому швелер більш жорсткий та міцний, ніж двотавр.

Це пов'язано з тим, що центр ваги двотавру доводиться строго посередині його поперечного перерізу, а у швелера ця точка зміщена й виходить за межі перетину.

Показники величин моментів опору щодо вісі абсцис й вісі ординат швелера і двотавра (відповідно до ДСТУ)

Для порівняння виробів, виготовлених за ДСТУ, можна використати дані державних стандартів України, що наведені нижче в таблиці.

Міцніше той профіль, у якого показник моменту опору більший.