Производство стальных двутавровых балок: варианты и технологии

Производство двутавров – важная часть отечественной металлургической отрасли, поскольку такие стальные профили постоянно востребованы в промышленном и гражданском строительстве. Уникальность сечения двутавровых балок заключается в том, что все его характеристики подобраны таким образом, чтобы обеспечивать максимальную прочность при минимальном весе, а это снижает затраты на материалы и комплектующие, а также делает возводимые сооружения легче.

Каталоги компании ЗАО «ТФД «Брок Инвест Сервис и К» всегда содержат значительную информационную базу по видам фасонных металлоконструкций, в том числе, и по двутавровым балкам. Поэтому приводимые далее сведения окажут существенную пользу и помогут покупателям сделать осознанный выбор.

Почему двутавровое поперечное сечение такое выгодное

Двутавровые балки являются важными структурными компонентами, используемыми в широком спектре строительных и инженерных задач. Они популярны потому, что обеспечивают конструкции прочность, силу, стабильность и долговечность. 

Хотя двутавровые балки изготавливаются из различных материалов и с применением разных технологий, наиболее распространенным выбором потребителей из-за исключительной эксплуатационной устойчивости была и остается горячекатаная (углеродистая или низколегированная) сталь ГОСТ 380-2005 и ГОСТ 1050-2013. 

Почему эта форма работает

Стандартный двутавр в поперечном сечении состоит из двух горизонтальных пластин листового металла (полок), которые могут иметь прямые или наклонные плоскости, и соединяющей их стенки.

Горизонтальные пластины устойчивы к изгибу. Когда вектор нагрузки направлен вниз, верхняя часть сечения сжимается, а нижняя растягивается. Размещение в полках преобладающей части материала обеспечивает самую высокую стойкость. 

Стенка двутавра представляет собой вертикальную пластину, которая через радиусные переходы соединяет между собой полки. Стенка действует как прокладка, удерживающая полки. Она также воспринимает возникающие напряжения сдвига – факторы, стремящиеся разрезать балку по вертикальной плоскости.

Поскольку центр балки практически не испытывает нагрузки, никаких отходов материала нет. Удалив тяжелый металл из середины, двутавровая балка достигает около 90% прочности цельного блока, используя при этом на 50% меньше стали. 

• Это обеспечивает двутаврам следующие реальные преимущества: Двутавровые балки могут охватывать большие расстояния (например, широкие помещения или мосты) без необходимости использования промежуточных колонн посередине.
• Прокат характеризуется высокой однонаправленной прочностью и идеально подходит для поддержки вертикальных нагрузок (например, пола или крыши). 
• Данные профили универсальны: их легко сваривать и монтировать совместно с другими строительными элементами.

Существуют определенные свойства формы сечения, которые имеют важное значение. Эти свойства включают в себя способность к сопротивлению напряжениям изгиба и растяжения – насколько балка может согнуться, не потеряв при этом свою структурную целостность, и насколько хорошо она может противостоять силам, которые пытаются ее срезать или разрезать.

Функциональность и варианты сечения

Двутавровая балка, как разновидность фасонного проката, представляет собой конструкционную стальную секцию. Геометрия концентрирует материал возле краев полок, где наибольшие изгибающие напряжения, в то время как стенка сопротивляется сдвигу. При стандартизации двутавровые балки поставляются в различных размерах и классах, что позволяет инженерам адаптировать прочность, жесткость и вес под заданную нагрузку и размах.

Двутавры изготавливаются обычными и широкополочными. Такие конструктивные изменения обусловлены необходимостью наличия эффективных несущих элементов в стальных конструкциях. Характерный профиль возник из рулонных форм, использовавшихся в промышленных сооружениях, а номенклатура отражает геометрию формы, а не изобретение какой-либо отдельной страны. 

Двутавровая балка обычно имеет меньшее соотношение глубины к ширине фланца, что делает ее более эффективной для определенных сценариев изгиба, тогда как широкополочные двутавры отличаются большей боковой устойчивостью. 

Во многих строительных проектах выбор между обычным и широкополочным двутавром зависит от инженерных требований, доступности и стоимости. Обе формы являются неотъемлемой частью современной стальной конструкции, и терминология может различаться в зависимости от поставщика и региона.

Стандартная двутавровая балка определяется меньшей глубиной и более узкими полками. Широкополочные двутавры имеют более крупные размеры и большую общую глубину, обеспечивая более высокие модули сечения и жесткость.

Номенклатура

Отечественные предприятия производят стальные двутавры соответственно техническим требованиям следующих стандартов: 

• ГОСТ 8239-89 (утратил силу в РФ; исторический стандарт для справки). Для горячекатаных двутавров с наклонными полками ранее применялся. В настоящее время действуют ГОСТ 26020-83 и ГОСТ Р 57837-2017; 
• ГОСТ 26020-83 (то же, но для двутавровых балок – обычных, широкополочных и колонных – с параллельными полками);
• ГОСТ Р 57837-2017 (общероссийский стандарт, регламентирующий выпуск катаных двутавровых балок с параллельными полками);
• ГОСТ 19425-74 (двутавры специального применения, используются в горнодобывающей промышленности);
• ГОСТ 35087-2024 (новейший стандарт, уточняющий размеры и исполнение универсальных горячекатаных двутавров).

Используют также ряд отраслевых стандартов и ТУ.

Горячая прокатка цельных двутавров

Получение двутавров – это процесс пластического деформирования металла, включающий прокатку нагретых стальных слитков в роликах прокатного стана. Горячая прокатка делает сталь очень податливой и легко поддающейся формованию. 

Технология предусматривает выполнение следующих стадий обработки:

1. Сырье и нагрев. Процесс начинается со стальных заготовок (блюмов), которые помещаются в нагревательное оборудование. Сталь нагревают примерно до температуры от 1100°C до 1250°C. Эта температура выше точки рекристаллизации стали, при которой сталь может менять свою форму, не разрушаясь и не растрескиваясь.

2. Удаление окалины. Когда раскаленная сталь попадает на открытый воздух, на ее поверхности образуется слой оксида железа. 3. Эта корка называется прокатной окалиной. Производители пропускают горячую сталь через машину для удаления окалины. Струи воды под высоким давлением обдувают поверхность, смывая окалину. В результате получается гладкий конечный продукт.

4. Черновые проходы прокатки. Стальная заготовка проходит через ряд черновых клетей - пар роликов, которые деформируют металл. Каждая пара последовательно обжимает квадратный в сечении слиток, придавая ему необходимую форму, приближающую сталь к окончательному профилю двутавровой балки.

5. Окончательные проходы прокатки. Для этого сталь поступает на универсальный балочный стан. В отличие от обычных валков, такие станы имеют как горизонтальные, так и вертикальные ролики, одновременно деформирующие заготовку. Горизонтальные ролики сплющивают и формируют верхнюю и нижнюю полки, а вертикальные – стенку будущего двутавра. Обычно металл проходит через 12…15 различных пар роликов. Каждая пара медленно подстраивается, делая полки шире, а стенку тоньше.

6. Контролируемое охлаждение и резка. Когда изделие покидает конечные валки, его температура снижается примерно до 900°C. Последующее охлаждение происходит уже на открытом воздухе. Очень важно контролировать скорость охлаждения. Если металлопрокат остывает неравномерно, балка может покоробиться. После охлаждения дисковые пилы разрезают сталь на мерные изделия требуемой длины.

После резки двутавровые балки проходят контроль качества. Затем продукция связывается и отправляется потребителям. 

В результате проведения процесса горячей прокатки получается плотная и однородная структура зерен, что повышает способность продукции выдерживать большие нагрузки. Это делает цельные двутавры идеальными для применения в конструкциях с длинными пролетами и высокими нагрузками.

Горячая прокатка — наиболее экономичный способ производства крупных деталей из стали. Он сочетает в себе структурную прочность с доступными производственными затратами. Чтобы выяснить, насколько хорошо работают двутавры различной формы, используются коэффициенты эффективности. Такие соотношения помогают понять, как процесс прокатки влияет на форму балки и как это, в свою очередь, определяет ее прочность и эксплуатационные характеристики.

Производство сварных двутавров

Сварные двутавровые балки изготавливаются путем соединения трех отдельных листовых пластин в форму стандартного или широкополочного профиля. Вырезают центральную вертикальную пластину (стенку) и две горизонтальные полки. Затем части сваривают вместе с помощью автоматизированных машин. Такая технология позволяет создавать индивидуальные размеры продукции, которая не может быть получена на универсальных прокатных станах. 

Процесс производства электросварной двутавровой балки делится на шесть основных этапов: 

1. Выбор и подготовка материалов. В зависимости от нагрузки выбирают стальные пластины из низкоуглеродистых и низколегированных марок, обеспечивающих хорошую свариваемость и прочность. 

2. Резка. Компьютеризированные плазменные или лазерные резаки проводят раскрой стальных листов по точным размерам чертежа.

3. Подготовка кромок. Машины шлифуют и выполняют скосы на краях там, где пластины будут соприкасаться. Это подготавливает металл к глубокому погружению шва в соединение.

4. Сборка и прихватывание. С помощью гидравлических станков заготовка позиционируется точно под углом 90° в центре двух плоских пластин. Выполняется временная, разнесенная сварка вдоль балки. Это сцепляет детали вместе, чтобы они не смещались во время окончательной сварки.

5. Дуговая сварка. Автоматизированные сварочные машины проходят вдоль соединения. Электрическая дуга плавит сталь. Одновременно насыпается флюсовый порошок, защищающий металл от окисления воздухом, что делает шов очень прочным: станки сваривают верхнюю и нижнюю стороны соединения, по мере готовности поворачивая балку, чтобы сделать все четыре угла идеально. 

6. Выравнивание и коррекция. Высокотемпературная сварка искажает ось заготовки во время ее охлаждения. Это может привести к изгибу, скручиванию или короблению балки. Поэтому изделие помещается в гидравлический выпрямляющий пресс, выполняющий коррекцию оси сварного двутавра. Мощные прессы толкают или катят балку прямо. Это гарантирует, что она полностью соответствует строительным стандартам.

При контроле качества производится проверка вероятных трещин или пузырьков в сварном шве. Далее двутавр обрезается до конечной длины, и на него наносят защитные грунты для предотвращения ржавления металла.

Заключение: сопоставительная таблица характеристик горячекатаных и сварных двутавров

Характеристика	Горячекатаный двутавр	Сварной двутавр
Метод производства.	Предварительно нагретые стальные заготовки проходят через ролики до тех пор, пока они не принимают нужную форму	Три отдельные стальные пластины разрезаются и свариваются вместе, образуя двутавровую форму
Доступные размеры	Ограничены фиксированными стандартными размерами производителя	Бесконечно настраиваются. Вы можете выбрать любую высоту, ширину, толщину или длину элемента сечения
Пользовательское изменение размеров	Невозможно, т.к. соотношения стенки и полок - фиксированные	Возможно. Вы можете создавать асимметричные балки или более толстые участки именно там, где нагрузки наиболее велики
Прочность материала.	Однородный и плотный, с очень небольшим внутренним напряжением	Высокая прочность, но сварка может привести к появлению внутренних напряжений и более слабых мест вблизи зоны нагрева
Стоимость.	Обычно дешевле и экономичнее, поскольку производится массово	Дороже из-за трудозатрат и времени, необходимых для резки и сварки
Время выполнения заказа	Доступно для заказа со склада	Более длительное, поскольку изделия изготавливаются по индивидуальному заказу
Отделка поверхности.	Часто имеет шероховатую, чешуйчатую поверхность из-за окисления	Гладкая и чистая, потому что она определяется плоской, обработанной стальной пластиной
Общее применение.	Стандартные балки перекрытия, основные опоры крыши и повседневное строительство зданий	Длиннопролетные мосты, заводы тяжелой промышленности, высотные здания по индивидуальному заказу, судостроение

Специалисты ЗАО «ТФД «Брок Инвест Сервис и К» помогут подобрать двутавровые балки нужного типоразмера, проконсультируют по вопросам комплектации заказа и организуют доставку по всей России.