Швелер – один з найважливіших видів металопрокату, що застосовуються в будівництві та машинобудуванні. Його «П»-подібний перетин дає хорошу жорсткість і зручність під час складання каркасів, балок перекриттів і опорних конструкцій. При виборі конкретного швелера часто орієнтуються на «номер», який умовно вказує висоту перетину (наприклад, №14, №16, №20). Але далеко не всі враховують, що в одного і того ж «номера» може бути різна товщина стінки (і полиць), а це критично впливає на несучу здатність. Нижче розглянемо, у чому конкретно проявляється цей вплив, до чого може призвести недооцінка товщини і як правильно підійти до вибору.
Що таке товщина стінки швелера і чому вона важлива
- Основна геометрія: Швелер – профіль із висотою (або «номером») і полицями. Товщина стінки – це товщина «вертикальної» частини. У гарячекатаних швелерів вона буває однією з декількох типових величин (залежить від серії «Б», «П», «В»). У гнутих швелерів її можуть зробити «під замовлення» (наприклад, 4 мм, 5 мм, 6 мм).
- Роль у міцності: Товщина стінки багато в чому визначає площу поперечного перерізу і жорсткість профілю під час вигину. Чим товща стінка, тим вища здатність швелера чинити опір вигину і не «прогинатися» під навантаженням.
- Вплив на стійкість: Якщо стінка дуже тонка (за великої висоти), з’являється ризик, що вона втратить стійкість, почне «випинатися» під час стиснення. Товщина стінки здатна вберегти від цього ефекту і зберегти надійність конструкції під високими навантаженнями.
Різниця між різними серіями і гнутими профілями
- Гарячекатаний прокат: У сортаменті є серії (наприклад, «Б», «В», «П») одного і того ж «номера» швелера (припустимо, №16). Серія «В» або «П» може мати товстішу стінку, ніж «легка» серія. Це підвищує масу 1 м профілю, але й дає помітний приріст несучих параметрів.
- Гнуті швелери: Роблять із рулонної або листової сталі методом холодного згинання. Тут товщина може бути обрана ширшою (часто 3-6 мм), що дає інженеру можливість гнучко підлаштовувати міцність під потрібні розрахунки.
- Різниця в міцності: За однієї й тієї самої висоти, але більш товстої стінки (наприклад, приріст лише 1-1,5 мм), швелер може витримувати на 10-30% більші згинальні моменти, що критично важливо в балках і ригелях.
Вплив товщини на моменти опору і прогин
- Момент опору: Цей параметр в інженерних розрахунках показує, яке навантаження (у вигляді згинального моменту) може взяти балка, перш ніж досягти неприпустимого напруження. Товщина стінки безпосередньо підвищує цей показник: чим вона більша, тим краще швелер протистоїть вигину.
- Зниження прогину: Жорсткість профілю зростає зі зростанням товщини. Якщо хочеться, щоб балка або перекриття «не гуляло» і не провисало, потрібно орієнтуватися не тільки на висоту, а й на товщину.
- Приклади: Різниця між «легкою» серією і «посиленою» за одного і того ж номера швелера іноді досягає 20-30% за жорсткістю і міцністю. Це означає, що «легкий» варіант може виявитися недостатнім під задане навантаження, а «посилений» (з більшою товщиною) працюватиме з достатнім запасом.
Локальна стійкість і критичні ефекти при тонких стінках
- «Опучування”: Під час високих навантажень, особливо на стиск або на ділянках, де швелер зазнає великих розтягнень на одній стороні, тонка стінка може згинатися всередину. Це називається «локальною втратою стійкості».
- Подовжені швелери: Якщо балка довга, а стінка тонка, виходить велике відношення висоти до товщини. Це сильно підвищує ризик нестабільної роботи і вібрацій.
- Корекція:
-
- У гарячекатаному прокаті треба вибирати серію з товстою стінкою.
- У гнутому – замовляти профіль із більшою товщиною.
- За необхідності додавати ребра жорсткості або підкоси, якщо вже є профіль із «тонкими» стінками, але потрібно виключити деформації.
Приклад на практиці: «один номер – різні серії»
- Однакова висота, різна товщина: Скажімо, швелер №16 (висота приблизно 160 мм) може мати товщину близько 5 мм у «легкій» серії та 6-6,5 мм у «посиленій». Начебто різниця «всього» 1-1,5 мм, але цього достатньо, щоб несуча здатність зросла до 20-30%.
- Застосування:
- «Легкий» варіант підійде, якщо навантаження помірні і хочеться зменшити масу конструкції (і її вартість).
- «Посилений» (товстіший) беруть, коли розрахунок показує більш високі згинальні моменти або потрібні менші прогини.
- Ціна і вага: Потовщення стінки підвищує масу на метр погонний. Вартість зростає пропорційно вазі. Однак за великих проєктів невеликий приріст вартості металу може бути виправданий заради зниження ризиків перевантаження або провисання.
Критична роль корозії при тонких стінках
- Іржа «з’їдає» товщину: В агресивному середовищі, за поганого фарбування або контакту з вологою, метал окислюється. За кілька років може зникнути 0,5 мм і більше. Якщо стінка спочатку тонка (3-4 мм), це сильніше позначиться на залишковій міцності.
- Захист:
- Ґрунтування і фарбування мінімум у два шари (особливо важлива кромка).
- Регулярний огляд, оновлення лакофарбового покриття.
- Іноді доцільна гаряча оцинковка, якщо конструкція зовнішня.
Що робити, якщо вже поставили «тонкий» швелер, а навантаження зростає?
- Посилення листами: До стінки швелера можна приварити смугу або лист, фактично збільшуючи її товщину і підвищуючи момент опору.
- Здвоювання: Поставити другий швелер поруч або «спинками» (залежить від конфігурації), отримуючи більш потужну балку.
- Додавання ребер: Якщо проблема в локальному «прогині» полиць або стінки, можна ставити ребра жорсткості, короткі додаткові елементи.
Усі ці методи вимагають зварювальних робіт і акуратних розрахунків. Але вони дають змогу компенсувати помилку, коли спочатку вибрали тонкостінний профіль.
Практичний приклад вибору
Представим, что для балки длиной 4 м требуется несущая способность, соответствующая определенному уровню нагрузки, и, просматривая сортамент, мы видим:
- Швелер 14 «легкої» серії: момент опору, скажімо, умовно 50 одиниць.
- Швелер 14 «посиленої» серії: 60 одиниць (на 20% вищий), а товщина стінки і полиць у другого варіанта більша на 1-1,5 мм.
Якщо розрахунок показує, що нам потрібно хоча б 56 одиниць, «легка» серія не підійде: балка буде перевантажена. Отже, вибираємо «посилений» варіант – нехай дорожчий, але зате підходить під навантаження. Та сама добавка товщини дає необхідний резерв міцності і не дає швелеру надмірно прогинатися під вагою.
Поради інженерів і будівельників
- Завжди дивіться не тільки на номер швелера, а й на його серію або фактичні параметри товщини, які вказані в сортаментних таблицях.
- Порівнюйте масу і момент опору (і/або приблизні свідчення в технічному описі). Якщо в одного варіанта товщина стінки більша, то, найімовірніше, і міцність, і жорсткість у нього вища.
- Не скупіться на запас міцності: іноді розумніше взяти швелер із трохи більшою товщиною, щоб уникнути проблем із вібраціями, прогином або можливими переплануваннями в майбутньому.
- Звертайте увагу на корозійне середовище: тонкі стінки потребують ретельнішого догляду, адже навіть невелика іржа може сильно знизити їхню робочу товщину.
- Якщо вже стоїть швелер і навантаження зростають: продумайте методи посилення (листи, накладки, здвоювання), не чекаючи, поки виникне аварійна ситуація.
Яке навантаження витримує швелер?
Товщина стінки швелера – ключовий параметр, що визначає, наскільки він буде міцним, жорстким і стійким. За однакової висоти і «номера» профілю різниця в 1-2 мм за товщиною здатна дати 10-30% приросту несучої здатності. Вибираючи швелер, важливо враховувати саме цей момент, щоб конструкція задовольняла вимогам щодо прогину, міцності і не втрачала стійкості під час експлуатації. Якщо товщина стінки занижена, можуть виникнути підвищені вібрації, провиси і ризик локального пошкодження. Правильний підбір «серії» швелера або гнутого профілю, а також регулярний антикорозійний захист – запорука довговічної та безпечної роботи всієї конструкції.