Двутавра, также известный как H-балки (для универсальной колонки, UC), W-балки (для «широкой полки»), универсальные балки ( УБ), стальной прокат подхвата ( RSJ), или двойной Т (особенно в Польский, болгарский, испанский, итальянский и немецкий ), является пучок с I или H -образные поперечное сечение. Горизонтальные элементы I являются фланцами, а вертикальный элемент - «стенкой». Двутавры обычно изготавливаются из конструкционной стали и используются в строительстве и гражданском строительстве.
Перегородка противостоит силам сдвига, в то время как полки выдерживают большую часть изгибающего момента, испытываемого балкой. Уравнение балки Эйлера – Бернулли показывает, что двутавровое сечение является очень эффективной формой для восприятия как изгибающих, так и поперечных нагрузок в плоскости стенки. С другой стороны, поперечное сечение имеет пониженную способность в поперечном направлении, а также неэффективно выдерживает скручивание, для чего часто предпочтительны полые структурные секции.
Метод изготовления двутавровой балки из цельного куска стали был запатентован Альфонсом Хальбу из компании Forges de la Providence в 1849 году.
Bethlehem Steel была ведущим поставщиком стального проката различного сечения для строительства мостов и небоскребов Америки в середине двадцатого века. Сегодня прокатанные поперечные сечения в такой работе частично вытеснены изготовленными поперечными профилями.
Есть две стандартные формы двутавровой балки:
Двутавровые балки обычно изготавливаются из конструкционной стали, но также могут изготавливаться из алюминия или других материалов. Распространенным типом двутавровой балки является рулонная стальная балка (RSJ), иногда неправильно отображаемая как армированная стальная балка. Британские и европейские стандарты также определяют универсальные балки (UB) и универсальные колонны (UC). Эти секции имеют параллельные фланцы, в отличие от фланцев RSJ различной толщины, которые сейчас редко прокатываются в Великобритании. Параллельные фланцы легче подсоединять и избавляют от необходимости использовать конические шайбы. UC имеют равную или почти равную ширину и глубину и больше подходят для вертикальной ориентации для несения осевой нагрузки, например, колонны в многоэтажной конструкции, в то время как UB значительно глубже, чем ширина, и больше подходят для несения изгибающей нагрузки, такой как балка элементы в полах.
Двутавровые балки - двутавровые балки, изготовленные из дерева с ДВП и / или клееного бруса, - также становятся все более популярными в строительстве, особенно в жилых домах, поскольку они легче и менее подвержены деформации, чем массивные деревянные балки. Однако были некоторые опасения по поводу их быстрой потери прочности в результате пожара, если они не были защищены.
Двутавровые балки широко используются в строительной отрасли и доступны во множестве стандартных размеров. Имеются таблицы, позволяющие легко выбрать подходящий размер стальной двутавровой балки для заданной приложенной нагрузки. Двутавры могут использоваться как в качестве балок, так и в качестве колонн.
Двутавровые балки могут быть использованы как сами по себе, или действуя композитно с другим материалом, обычно бетоном. Дизайн может регулироваться любым из следующих критериев:
Изгибаемая балка испытывает высокие напряжения вдоль осевых волокон, наиболее удаленных от нейтральной оси. Чтобы предотвратить выход из строя, большая часть материала балки должна располагаться в этих областях. В области, близкой к нейтральной оси, требуется сравнительно немного материала. Это наблюдение является основой поперечного сечения двутавровой балки; нейтральная ось проходит по центру перемычки, которая может быть относительно тонкой, и большая часть материала может быть сосредоточена во фланцах.
Идеальная балка - это балка с наименьшей площадью поперечного сечения (и, следовательно, требующей наименьшего количества материала), необходимой для достижения заданного модуля упругости. Поскольку модуль упругости сечения зависит от значения момента инерции, большая часть материала эффективной балки должна располагаться как можно дальше от нейтральной оси. Чем дальше заданное количество материала находится от нейтральной оси, тем больше модуль упругости сечения и, следовательно, можно противостоять большему изгибающему моменту.
При проектировании симметричной двутавровой балки для сопротивления нагрузкам из-за изгиба обычной отправной точкой является требуемый модуль упругости сечения. Если допустимое напряжение равно, а максимальный ожидаемый изгибающий момент равен, то требуемый модуль упругости сечения определяется выражением
где - момент инерции поперечного сечения балки, а - расстояние от верха балки до нейтральной оси ( более подробную информацию см. в теории балки ).
Для балки с площадью поперечного сечения и высотой идеальное поперечное сечение будет иметь половину площади на расстоянии выше поперечного сечения, а другую половину на расстоянии ниже поперечного сечения. Для этого сечения
Однако эти идеальные условия никогда не могут быть достигнуты, потому что материал необходим в полотне по физическим причинам, в том числе для предотвращения коробления. Для широкополочных балок модуль упругости составляет примерно
что превосходит то, что достигается с помощью прямоугольных и круглых балок.
Хотя двутавровые балки отлично подходят для однонаправленной гибки в плоскости, параллельной стенке, они не так хорошо работают при двунаправленной гибке. Эти балки также мало сопротивляются скручиванию и подвергаются поперечной деформации под действием крутильной нагрузки. Для решения проблем с преобладанием кручения используются балки коробчатого сечения и другие типы жестких профилей, а не двутавровые балки.
В Соединенных Штатах чаще всего упоминается двутавровая балка с широкими полками (W). Эти балки имеют фланцы, внутренние поверхности которых параллельны на большей части своей площади. Другие двутавровые балки включают американские стандартные (обозначенные S) формы, в которых внутренние поверхности полок не параллельны, и H-образные сваи (обозначенные HP), которые обычно используются в качестве свайных оснований. Формы с широкими фланцами доступны в классе ASTM A992, который, как правило, заменил старые классы ASTM A572 и A36. Диапазоны предела текучести:
Как и большинство стальных изделий, двутавровые балки часто содержат переработанный материал.
Следующие стандарты определяют форму и допуски стальных профилей двутавровых балок:
Американский институт стальных конструкций (МАКО) публикует стальные конструкции Руководства по проектированию конструкций различных форм. В нем описаны общие подходы, расчет допустимой прочности (ASD) и расчет факторов нагрузки и сопротивления (LRFD) (начиная с 13-го изд.) Для создания таких конструкций.
Ячеистые балки - это современная версия традиционной « зубчатой балки », в результате которой балка получается примерно на 40–60% глубже, чем ее родительская секция. Точная глубина обработки, диаметр ячеек и расстояние между ячейками можно изменять. Ячеистая балка до 1,5 раз прочнее своей родительской секции и поэтому используется для создания эффективных крупнопролетных конструкций.