Сравнение двутавра и швеллера – какой профиль прочнее и что лучше

Швеллер или двутавр – этот вопрос озадачивает не только людей, решивших самостоятельно возвести дом либо гараж, но порой и профессионалов своего дела. Что будет рациональнее использовать? Чтобы определиться, профессионалы делают расчеты и анализ конструкции и материалов, из которых она будет изготовлена. Людям, не разбирающимся в данных вопросах, следует обратиться к специалистам, которые сделают нужный объем проектных работ и предоставят несколько вариантов с использованием швеллера и/или двутавра разных типоразмеров – тогда будет ясно, что лучше.

1 Какой профиль прочнее?

Конечно, двутавр. Он жестче и прочнее швеллера. Это обеспечивается за счет того, что у двутавра полки выступают с обоих сторон стенки и на одинаковое расстояние от нее. Благодаря чему нагрузка, воспринимаемая полками, воздействует на профиль в основном вертикально и его стенка работает практически только на противодействие сжатию. Силы, стремящиеся скрутить двутавр, малы или отсутствуют. В швеллере такие усилия, как правило, возникают, и значительной величины, так как полки выступают в роли односторонних рычагов. Многое, конечно, зависит от того, как ляжет и распределится по ним нагрузка. В то же время у двутавра полки обеспечивают жесткость стенки не с одной ее стороны, как у швеллера, а с двух.

Сравнивать, разумеется, следует изделия с одинаковыми типоразмерами (номерами профиля). То есть, чтобы у сравниваемых швеллера и двутавра была одна и та же высота стенки. Кроме того, у них должны быть одинаковые или хотя бы сопоставимые толщина полок и стенки. Это же условие распространяется и на ширину полок. И тогда сравниваемый со швеллером двутавр окажется прочнее его. Но это только если эти изделия используются в качестве несущей балки, установленной, как и положено, вертикально – поверхностью нижней полки на опоры (несущие стены сооружения).

Какой профиль прочнее?
Швеллер и двутавр

Если на сравниваемые профили одного типоразмера и с одинаковыми либо сопоставимыми толщиной стенки и размерами полок нагрузка (усилие) воздействует сбоку (перпендикулярно их вертикальной оси в плоскости поперечного сечения), то прочнее швеллер. Например, когда изделия уложены набок (торцами полок на опорную поверхность или швеллер еще можно положить на его стенку) и выступают в роли поддерживающего элемента для конструкции с небольшим весом. Дело в том, что и швеллер, и двутавр не рассчитаны на большие нагрузки, направленные перпендикулярно плоскости их стенки.

Преимущество швеллера в более высоком сопротивлении боковым нагрузкам обусловлено следующим. Его полки расположены по одну сторону стенки. У двутавра они выступают с обоих его боков, причем на одинаковое расстояние. За счет этого у швеллера центр тяжести находится вне его поперечного сечения. Он смещен относительно стенки в сторону торцов полок. А у двутавра центр тяжести находится точно в центре его поперечного сечения (стенки).

Именно из-за такой разницы в расположении центра тяжести сопротивляемость нагрузкам у этих изделий отличается. Когда речь идет о боковых воздействиях, то прочнее швеллер. Чтобы сравнить какие-либо двутавр и швеллер, в каждом отдельном случае надо принимать во внимание не только типоразмер (высоту стенки), но и основные размерные характеристики поперечного сечения профиля, указанные в таблицах ГОСТов на сортамент этих изделий. Как отмечалось выше, в первую очередь – это толщины стенки и полок изделий. Не меньшее значение имеет и ширина полок. Также на прочность оказывает влияние радиус закругления между стенкой и полками.

2 Как быстро сравнить швеллер и двутавр

Чтобы быстро выяснить, что прочнее, надо в таблицах с размерами ГОСТов сортамента сравниваемых швеллера и двутавра найти величины их моментов сопротивления относительно осей X и Y (Wx и Wy). Изделие, у которого значения этих характеристик выше, и будет прочнее.

Момент сопротивления – геометрический параметр поперечного сечения какого-либо изделия, который характеризует сопротивляемость в рассматриваемом разрезе (сечении) кручению или изгибу относительно выбранной оси. Его используют для последующего расчета сопротивления материалов и в формулах строительной и конструкционной механики.

Для швеллера и двутавра согласно их ГОСТам ось X проходит в плоскости поперечного сечения через середину стенки, перпендикулярно ей и параллельно полкам. Момент сопротивления перпендикулярен оси, относительно которой рассчитывается. Соответственно, Wx двутавра и швеллера определяет их сопротивляемость нагрузкам и усилиям, направленным перпендикулярно полкам и вдоль стенки. То есть, когда эти изделия выполняют роль несущих элементов конструкции и установлены в своем основном положении – на нижнюю полку.

Как быстро сравнить швеллер и двутавр
Сопротивляемость двутавра нагрузкам

Ось Y проходит в плоскости поперечного сечения через центр тяжести и перпендикулярно полкам, пересекая при этом осевую линию X и образуя с ней прямой угол. Собственно, в точке пересечения Y с X и находится центр тяжести. Таким образом, у двутавра осевая линия Y располагается точно на вертикальной оси стенки, а у швеллера – параллельна последней и вынесена за ее пределы между полками, так как это изделие имеет смещенный центр тяжести. Смещение обусловлено тем, что у швеллера полки выступают только с одной стороны относительно стенки.

Соответственно, момент сопротивления относительно оси Y (Wy) характеризует сопротивляемость этих изделий усилиям, направленным перпендикулярно стенке и вдоль полок. Для двутавра, когда он опирается на кромки полок с одной своей стороны, а нагрузка давит на противоположные и/или на поверхность стенки. У швеллера может быть два положения. Когда он опирается на поверхность стенки либо, как и двутавр – на кромки полок. Его Wy в обоих случаях одинаковый и противостоит усилиям, направленным со стороны, противоположной опорной поверхности.

Как отмечалось выше, и у двутавра, и у швеллера Wx всегда больше Wy.

Это обусловлено тем, что эти изделия конструктивно рассчитаны на более высокое сопротивление нагрузкам, направленным под прямым углом к полкам и вдоль стенки, то есть перпендикулярно оси X. Поэтому, когда двутавр или швеллер используются в качестве несущих элементов конструкции, они должны монтироваться таким образом, чтобы их стенка располагалась вертикально, а нагрузка воспринималась поверхностью полок.

3 Сравнение некоторых типоразмеров швеллеров и двутавров

На примере нескольких типоразмеров швеллера и двутавра сравним прочность этих изделий. Заодно выясним как она зависит от основных размеров поперечного сечения, о которых шла речь выше.

Сравнение швеллеров и двутавров с одинаковыми типоразмерами придется делать между изделиями с наиболее близкими по значению размерами поперечного сечения, так как часть этих параметров всегда отличается. Эти профили выпускают в таком ассортименте, чтобы они друг друга дополняли, а не замещали.

По приведенной ниже таблице можно сопоставить характеристики (включая моменты сопротивлений) профилей указанных типоразмеров соответствующих ГОСТов.

Характеристики

Вид изделия

Двутавр

Швеллер

20 (ГОСТ 8239)

20С (ГОСТ 19425)

20Са (ГОСТ 19425)

20С (ГОСТ 8240)

20Сб (ГОСТ 8240

22У (ГОСТ 8240)

24Э (ГОСТ 8240)

30Л (ГОСТ 8240)

200x100x6 (ГОСТ 8278)

200x180x6 (ГОСТ 8278)

Размеры стенки, мм

высота

200

200

200

200

200

220

240

300

200

200

толщина

5,2

7

9

7

8

5,4

5,3

4,8

6

6

Размеры полки,

мм

ширина

100

100

102

73

100

82

90

65

100

180

толщина

8,4

11,4

11,4

11

11

9,5

10

7,8

6

6

Радиус закругления между стенкой и полками с внутренней стороны, мм

9,5

9

9

11

11

10

13

11

9

9

Площадь сечения, см2

26,8

35,6

39,6

28,8

36,58

26,7

30,19

24,31

22,66

32,26

Масса 1 м, кг

21

27,9

31,1

22,6

28,71

21

23,69

19,07

17,79

25,33

Wx, см3

184

237

250

178

236

192

244

212

140

230

Wy, см3

23,1

31,8

33,3

24,2

46,3

25,1

40,1

17,8

31,14

94,58

Сравним сначала по моменту сопротивления Wx. Двутавровая балка 20 прочнее швеллера 20С. У нее больше Wx, несмотря на то что тоньше стенка и полки. Правда, у швеллера меньше ширина полок.

Рассмотрим швеллерное изделие 20Сб. Ширина его полки такая же, как у представленных двутавров. За счет этого и благодаря большей толщине стенки 20Сб превосходит балку 20 по прочности. Однако этот швеллер уступает двутаврам 20С незначительно и 20Са прилично. Толщина полок у всех этих изделий сопоставима, а стенки – разная. Значение этого размера у швеллера 20Сб промежуточное между величинами для балок 20С и 20Сб. Из этого можно сделать однозначный вывод, что в случае испытания вертикальными нагрузками двутавр прочнее.

Сравнение некоторых типоразмеров швеллеров и двутавров
Швеллерное изделие 20Сб

Если сравнивать по моменту сопротивления Wy, то здесь все более очевидно. У швеллеров к боковым нагрузкам сопротивляемость выше, чем у двутавров. При этом прослеживается рост Wy по мере увеличения ширины полки у обоих этих изделий. Примечательно, что из представленных профилей самый большой Wy у гнутого швеллера 200x180x6 (все остальные профили, кроме его соседа по столбцу, являются горячекатаными изделиями) с полкой 180 мм.

Сравнив швеллеры 24Э, 22У и 30Л с представленными балками, можно убедиться, что типоразмер (номер профиля) решает не все. Главное, какие размеры поперечного сечения соответствуют рассматриваемому (выбранному) изделию. Увеличение высоты стенки (больший типоразмер) повышает прочность. Так, швеллер 30Л предпочтительнее двутавра 20 (если судить по Wx). Однако двум другим представленным балкам он уступает по прочности из-за более меньших толщин стенки и полок, а также ширины последних.

Сравнение гнутого швеллера 200x100x6 с балкой 20 не в пользу вообще этого вида проката. Оно показывает, что гнутые профили слабее горячекатаных. Это следует из первого сравнения – балки 20 со швеллером 20С.

4 Какой профиль лучше или что выбрать?

Двутавры больше ориентированы на использование в качестве несущих балок строительных конструкций. Их и изготавливают в основном больших типоразмеров: по ГОСТ 8239 с высотой стенки 100–600 мм и по ГОСТ 26020 – 100–1000 мм. Выпускают еще специальные по стандарту 19425 с номерами профилей 14–45 (высота стенки 140–450 мм).

Швеллеры – это универсальные изделия. Спектр их применения очень широк – от разнообразного использования в строительстве до установки в качестве деталей различной техники (от автомобильной до судов и так далее). Они очень удобны для изготовления различных металлических и прочих конструкций, так как полки у них выступают только с одной стороны. Поэтому швеллер легко можно крепить стенкой к другим элементам, обеспечив при этом плотное примыкание между ними.

Какой профиль лучше или что выбрать?
Металлическая конструкция из швеллера

Швеллер тоже прекрасно подойдет в качестве несущей балки. Надо только чтобы его прочность соответствовала предполагаемой нагрузке. Разумеется, с запасом, впрочем, как и для двутавра. Однако для больших сооружений с протяженными пролетами между несущими балками и высокой нагрузкой на последние лучше подходят двутавры. Они устойчивей, все-таки прочней и жестче, а также на них лучше и удобней укладывать элементы перекрытия. Например, те же стандартные железобетонные плиты. На одну половину полки профиля ложится одна плита, а на другую – следующего пролета. Нагрузка при этом распределяется на двутавровой балке равномерно.

Швеллеры предназначены для использования в более легких конструкциях. Поэтому и выпускают их: горячекатаные с высотой стенки 50–400 мм (номера профилей 5–40) и гнутые – 25–410 мм.

Так что, какой из профилей лучше в конкретной ситуации, зависит в первую очередь от способа его применения, то есть для чего он нужен, а также от возможностей приобрести тот или иной вид (швеллер либо двутавр) и типоразмер. Ну и, конечно, нельзя забывать о требуемой прочности. Если последнее условие позволяет, то всегда можно заменить двутавр на подходящий швеллер и наоборот.

Рекомендуемые организации
ООО ПКФ «Сармат» ООО ПКФ «Сармат»
Россия, Ижевск, улица Гольянский поселок, 1 А
ООО «МТСК» ООО «МТСК»
Россия, Москва, Северный, Чермянский проезд, 7, строение 1
Обзор товаров
Трубогиб ручной ТР и другие марки – рассматриваем типы этого приспособленияТрубогиб ручной ТР и другие марки – рассматриваем типы этого приспособления

В этой статье мы рассмотрим различные механические трубогибы, которые можно использовать руками, применяя только мускульную ...

Смотреть
Виды сварочных аппаратов – обзор популярных моделейВиды сварочных аппаратов – обзор популярных моделей

Статья подскажет вам, какое специальное оборудование имеет смысл приобрести, если вы планируете производить работы по ...

Смотреть