Узлы металлических балок: основные способы соединения

Замена швеллерами

На практике при возведении строительных конструкций для получения двутаврового сечения иногда используется сварка швеллеров между собой. Если швеллеры применяются взамен предусмотренных проектом двутавровых балок, такая замена должна согласовываться.

Согласование использования альтернативного материала отражается изменениями, вносимыми в соответствующие разделы рабочего проекта. Возможность замены определяется по результатам поверочных расчётов на прочность, выполняемых проектировщиками.

Способ применяемой сварки швеллеров между собой также определяется расчётом. Это может быть сварка непрерывным или прерывистым швом, либо с применением соединительных накладок.

При сварке швеллеров непрерывным швом, в результате температурных деформаций металла, может произойти скручивание профиля. Избежать этого явления можно, применяя специальные струбцины, а также, накладывая сварочные швы небольшими участками, чередуя при этом стороны соединяемых профилей.

При необходимости удлинить такую конструкцию, осуществляют сварку швеллеров встык. Места стыковых сварочных швов швеллеров, образующих двутавр не должны совпадать друг с другом. Для усиления конструкции сварной шов можно укрепить с помощью накладки.

Дефекты, которые могут возникнуть при сварке

Дефекты в шве и околошовной зоне могут возникать из-за нарушения технологии сварки, несоблюдения правил, небрежности в работе и так далее.Чаще всего дефекты связаны с перекресталлизацией стали, то есть изменения ее структуру под действием высоких температур. Где-то образуются зерна другой фазы стали, которые имеют иные физические свойства. Из-за дефектов может снижаться прочность и жесткость, а также коррозионная устойчивость. Из-за этого эксплуатация такого изделия невозможна. В процессе изготовления все двутавры проверяются на наличие подобных дефектов. Преимущества использования сварных балокПри возведении зданий и сооружений используется большое количество металлоконструкций, в том числе сварныедвутавры. По сравнению с металлопрокатными сварные двутавры имеют большое количество преимуществ:

• Металлопрокатные имеют ограничение по размеру, когда сварная балка таких ограничений не имеет;
• Высокое качество получаемого изделия;
• Отсутствие вредных отходов производства;
• Металлические конструкции, получаемые методом сварки, изготавливаются из различных марок стали. Например в местах, где напряжение минимально можно использовать углеродистую сталь, а в местах, которые в последствии будут подвержены высоким нагрузкам – наоборот легированную высокопрочную. Благодаря такой технологии цена может быть снижена, когда прокатный стан осуществляет прокат только одной марки стали;
• Существует также возможность получения сварной балки переменного сечения, благодаря чему могут быть осуществлены любые архитектурные идеи;
• Также за счет гармоничного и правильного подбора сечения вес может быть снижен примерно на 10 %;
• Балки могут быть выполнены на заказ с заранее заданной длиной.

Особенности выполнения сварных соединений

Надежным способом создания узлов стыковки балок с двутавровым профилем является сварка. При выполнении сварки встык обязательно проводится контроль качества шва. Чаще всего для повышения надежности узла используют усиливающие накладки.

Один из вариантов удлинения двутавровой балки – приварка профильного проката с двух сторон к прокладке по периметру двутаврового профиля. Разделка кромок не требуется.

Второй способ – соединение двутавровых балок встык с последующей наваркой четырех укрепляющих накладок, подбор формы которых зависит от положения двутавра в пространстве. Накладки приваривают на каждую полку и на каждую сторону стенки.

Этапы производства работ:

• На кромках двутавра изготавливают скос, обеспечивающий хороший провар шва.
• Готовят накладки из листовой стали. Укрепляющие элементы прямоугольной формы, привариваемые на полки, должны иметь ширину полок, на стенку – высоту стенки.
• Накладки укладывают на шов, приваривают их по периметру, прижимая с помощью струбцины. Для удобства проведения работ накладки на стенку делают ромбовидными. Главное требование – накладка должна иметь форму, симметричную относительно продольной оси двутавра.

Сварка двутавровых балок с использованием накладок и прокладок применяется для создания конструкций, не подвергаемых значительным нагрузкам. Это связано с тем, что швы, по которым привариваются эти укрепляющие элементы, являются концентраторами напряжений. Еще одна проблема сварных швов – быстрое старение. Для борьбы с этим негативным явлением применяют грунтовочные составы.

Сварку выполняют при зафиксированном положении балок. Для этого их укладывают на жесткие основания, чаще всего – на специализированные стеллажи-фундаменты.

Лежалые балки

Кроме производства металлических балок многие предприятия сегодня предлагают так называемый лежалый прокат. Это изделия, которые в свое время были выпущены, но так и не нашли покупателя. С одной стороны, они не использовались, а следовательно, не подвергались износу. С другой — долгое ожидание оставило на них свои следы: например, в виде коррозии. Использовать такую балку для капитального и монолитного строительства, конечно же, не стоит. Но она может найти десятки способов применения в других, не таких ответственных сооружениях. К тому же современные способы очистки — дробеструйная или пескоструйная обработка — помогут вернуть эти изделиям прежний вид.

Стоимость производства

В рубрике “Стоимость” на этой же странице вы найдете найдете прайс-лист производства сварной балки в нашем цехе. Мы указали в таблице средние цены на услуги. Они складываются из довольно простой формы: стоимость металла плюс стоимость работы наших специалистов. Однако могут корректироваться в зависимости от обстоятельств. Выполнение срочного заказа в предельно сжатые сроки предполагает наценку, а крупный серийный проект — хорошую скидку за тонну.

Технология производства сварных балок двутаврового сечения

Мелкие партии делают с применением электродуговой или аргоновой сварки в зависимости от марки металла, его способности свариваться.

Для изготовления сварных балок промышленным способом применяются специальные сварочные линии. Для защиты ванны расплава от окисления применяют флюсы.

Сварка балки в автоматическом режиме схожа с ручным изготовлением двутавра. Основные технологические этапы:

1. раскрой листового проката на полосы необходимой ширины на терморезке с программным управлением, средняя скорость раскроя 1 м/мин.
2. фрезерование торцов на торцефрезерных станках сокращает зазор стыка между стеной и полкой, улучшает качество сварки;
3. процесс сборки двутавра осуществляется с большой скоростью на специальном станке, ленты металла фиксируют прижимные приспособления с гидравлическими усилителями; сначала делается т-образный стык, затем присоединяется вторая стенка; такую конструкцию удобно сваривать;
4. сварные работы проводятся на автоматах портального типа двух видов: а) наклоненными электродами неглубоко проваривают сразу два шва; б) шов в «лодочку» создается поэтапно: сначала с одной стороны двутавровой перегородки, затем с другой; металл проваривается на большую глубину;
5. завершающий этап – правка двутавровой балки на специальных роликах, устраняются небольшие перекосы, возникшие во время сборки и сварки профиля.

Технология изготовления двутавровых балок

Производительность комплексных линий высокая, швы получаются прочные, процент брака невысокий.

Маркирование и габариты балок

Согласно ГОСТ двутавр широкополочный 8239-89, размер изделия определяется высотой его стенки. Как это понять? Например, если взять профиль номер 14, то его высота (расстояние между полкой) будет составлять 140 мм, значит, балка под номером 55 будет иметь высоту 550 мм. Но это далеко не все параметры, которые прописаны в ГОСТ и характеризуют материал. Каждый номер балки имеет свои размеры, площадь сечения, массу и величины для осей. Балки можно отличить по таким параметрам:

• расположение полок. Изделия бывают параллельными или имеют уклон внутренних граней;
• принцип изготовления. Балки делаются сварными из листов стали, и горячекатаными. Горячекатаные представляют собой монолитную конструкцию из металла;
• точность производства. Маркой «Б» обозначаются двутавры, выполнены с повышенной точностью, а марка «В» указывает на обычную точность.

Для начала рассмотрим параметры горячекатаного двутавра, его размеры и сечение указаны в таблице согласно ГОСТ 8239-72:

Дополнения:

1. Вес 1 м балки и площадь ее поперечного сечения вычислялись по номинальным размерам, при плотности стали в 7850 кг/м3.
2. Значения в таблице, предоставленной выше, определяются так: «І» обозначает момент инерции, «W» говорит о моменте сопротивления, «S» о статическом моменте полусечения. Что касается значения «і», то оно говорит о радиусе инерции.

В ГОСТ также указываются предельные отклонения массы и габаритов. Их можно увидеть на данном фото:

Обозначения расшифровываются так:

• b1 – ширина части, которая укорочена;
• b2 – ширина части, которая удлинена;
• ∆ – уровень перекоса;
• f – уровень прогиба у стенки двутавра.

Нормальными принято считать металлические двутавры, которые имеют уклон граней внутри от 6 до 12%. По своему назначению их можно разделить на два вида: обычные и специальные. Сортамент двутавров указан в ГОСТ 19425-74. Он подходит в качестве балок подвесных путей, а также может быть использован для армирования шахтного ствола. В первом случае это серия «М», во втором серия «С».

ГОСТ 26020-83 указывает на изготовление двутавров с расположением граней внутри параллельного типа. В зависимости от особенностей, можно отметить такие виды изделий:

1. Балочные, высота которых достигает 1 м, а ширина полок составляет 32 см. Обозначаются буквой «Б».
2. Широкополочные изделия, высотой до 1 м, а шириной полок до 30 см. Обозначаются буквой «Ш».
3. Колонные профили, ширина полки которой близка к его высоте. Обозначаются буквой «К».

Обратите внимание! Стандартный металлопрофиль имеет длину 4–12 м. В наличии есть изделия длиной 13 м

Но размер может быть обговорен согласно требованиям заказчика.

Если говорить о размерах и параметрах широкополочных двутавров, то можно обратить внимание на это фото. Двутавр широкополочный ГОСТ 26020-83 таблица

Процесс изготовления

Изготовление сварной балки это достаточно сложная процедура, при выполнении которой необходимо учесть большое количество требований, таких как прочность, жесткость, плотность и другие. Однако самой главной характеристикой любой металлической балки является ее плотность, она должна быть максимально высокой. На данный момент ведутся разработки по созданию металлических балок, которые требуют меньший объем металла при одинаковых характеристиках прочности и жесткости.

Технология производства сварных балок очень проста и весьма экономична, в результате чего способна на конкуренцию с балками, изготовленными прокатным методом. Данная технология включает в себя следующие этапы:

1. В качестве первой операции происходит расчет на прочность и жесткость, проверяются стали, которые идут на изготовление;
2. Подготовка элементов двутавра, а именно резание металла на полосы, примерная скорость резания металлического листа равна 1 метру в минуту;
3. Осуществление процесса фрезерования торцов элементов, входящих в конструкцию. Данная операция проводится для того, чтобы каждый свариваемый элемент легко и эффективно скреплялся с другим, образуя прочное и жесткое соединение, обработка торцов осуществляется на специальном торцфрезерном стане;
4. Далее происходит сборка. Она должна быть очень точной, все детали должны располагаться строго перпендикулярно друг по отношению к другу, а также необходимо соблюдение симметрии стенок. Сборка может осуществляться вручную, если говорить о небольшом производстве, либо же с помощью автоматизированных машин, как это происходит на массовом производстве. В производстве применяется стан для сборки балок модели Z15, который имеет высокую производительность. Сборка в данном агрегате осуществляется в два этапа. Первый представляет собой сборку «Т» -образной балки, а на втором этапе к ней присоединяется дополнительная стенка и получается двутавр.
5. Затем происходит процесс сварки балки. Технология сварки двутавровой балки может быть различна, поэтому на вопрос: «Как правильно сварить двутавровую балку?» существует много ответов. Сущесвуют приемы наложения швов в разной последовательности. Наиболее частыми способами являются:
   • Сварка балки с наклоненным электродом. Данным методом может быть осуществлена одновременная сварка двух швов, однако швы получаются неглубокими;
   • Метод «лодочки». Если сваривать балку этим способом, то будут обеспечены благоприятные условия для формирования глубокого шва, однако времени этот метод занимает гораздо больше, чем предыдущий;
6. Сам процесс осуществляется с помощью промышленного сварочного аппарата, который сваривает детали под высоким давлением, существует некоторое количество вариантов агрегатов для исполнения процесса сварки на производстве. Это могут быть сварочные манипуляторы, отличающиеся высокой степенью автоматизации, самоходные трактора для сварки – самый надежный и простой способ, однако его применение в условиях массового производства нежелательно. На малых производствах сборка и сварка балок может осуществляться вручную, из-за чего их продукция зачастую очень дорогая.
7. 6.После всех вышеописанных процессов происходит корректировка геометрии конструкции. В процессе сварки угол наклона между стенками может измениться, поэтому необходима их правка. Почти готовая металлическая конструкция подается в специальный правочный стан, который похож на прокатный, деталь проходит через систему роликов и на выходе получается готовый товарный продукт.

Процесс изготовления

Технология изготовления сварных двутавровых балок не слишком сложна, однако необходимо строго соблюдать ее требования на каждом этапе обработки. Ошибки неминуемо приводят к снижению жесткости конструкции. Обычно они производятся согласно требованиям ГОСТ. Допускается выпуск их и по техническим условиям предприятия. ТУ на изготовление стальных сварных двутавровых балок предусматривают разбиение процесса на следующие этапы:

1. Проектно-расчетный. На этом этапе следует рассчитать нагрузки, которые должна выдерживать конструкция. По формулам прикладной механики (так любимый студентами сопромат) рассчитывается прочность и жесткость конструкции, определяются ее геометрические размеры и требования к материалу. Строятся рабочие чертежи.
2. Раскрой заготовок. Они нарезаются из металлического листа с помощью установки газовой, плазменной или лазерной резки. Обязательно берутся пробы металла и отправляются в лабораторию для подтверждения химического состава и физико-механических свойств.
3. Фрезеровка заготовок. С продольных торцов снимаются фаски, разделываются кромки сварных швов.
4. Сборочные операции. Детали помещают в специальную оснастку, точно фиксирующую заготовки в правильном положении друг относительно друга и исключающие тепловые деформации изделия. Уникальные по конструкции изделия и малые серии сваривают вручную, при массовом производстве используются сварочные автоматы. Обычно сборку проводят в два этапа: на первом собирают Т- образный профиль, на втором к ней доваривают вторую полосу. Способ ведения электрода выбирают в зависимости от толщины листа, для обеспечения полного провара и качественной геометрии шва. Особо толстые изделия приходится заваривать в несколько проходов.
5. Правочные операции. После завершения всех швов необходимо проверить и поправить в случае необходимости все отклонения полученного изделия от заданных геометрических форм. Для этого применяют горячие или холодные правочные станы с массивными валками, корректирующими все возникшие в ходе сварки балки деформации.

В качестве дополнительной отделки к технологии может быть добавлена дробеструйная обработка. Она сбивает окалину и шлаки и уплотняет приповерхностный слой металла, повышая прочность изделия.

Как самостоятельно сварить?

Браться за эту непростую для домашней мастерской операции имеет смысл тем умельцам, у которых уже есть достаточный опыт сварочных работ. Или же есть возможность привлечь опытного сварщика. В качестве заготовок потребуется стальной лист из высоколегированных прочных сплавов. Лучше, если раскрой проведут на металлобазе с помощью стационарной установки. При раскрое с помощью газового резака потери дорогостоящего металла будут заметными.

Потребуется также оборудование для сварки двутавра под флюсом или в атмосфере защитных газов.

После сборки и правки изделие необходимо будет полностью зачистить и покрыть краской для защиты от коррозии.

Как избежать деформации?

Если просто сварить швы балки, то тепловые деформации практически неизбежны. Изделии поведет, выгнет или закрутит винтом. Чтобы максимально снизить риск возникновения искривлений, следует соблюдать следующее описание технологии:

• сборку проводят на специальном стапеле, наклоненном под углом 45о, это позволяет сформировать ровный шов с правильным катетом;
• сваривают две полосы в Т-образный тавр;
• сначала прихватывают заготовки точечной сваркой через каждые 10-15 см;
• далее проваривают шов с двух сторон с обязательной перекантовкой, так, чтобы гипотенуза шва была горизонтальна;
• проводят правку с помощью ручных или механизированных вальцов;
• повторяют операции для третьей полосы.

Используется также способ проварки швов начиная с торцов навстречу друг другу.

Как сваривать двутавровые балки

Стальные балки, имеющие в поперечном сечении форму двутавра, сконструированы для универсального применения в машиностроении и строительстве. При изучении характера напряжений, возникающих в нагружаемых изделиях, имеющих сплошное сечение, была выявлена неравномерность их распределения.

Были определены участки сечения деталей, имеющие наибольшие значения напряжения. В результате этого возникла идея создания изделия с такой формой сечения, где масса металла сконцентрирована в наиболее нагруженных участках. Так появилось двутавровое сечение.

Изготовление и применение

Благодаря способности выдерживать большие нагрузки на изгиб в разных плоскостях, на сдвиг и кручение, стальные двутавровые балки составляют основу несущих конструкций быстровозводимых каркасных зданий и потолочных перекрытий.

Внутрицеховые грузоподъемные механизмы (кран-балки и мостовые краны) перемещаются по направляющим, изготовленным из балок двутаврового сечения.

Изготовление двутавровых балок осуществляется двумя способами:

• методом проката цельных отливок. Такие двутавровые балки называются горячекатаными;
• электродуговой сваркой предварительно раскроенных листовых заготовок, в результате чего получают сварную сборную двутавровую балку.

Горячекатаные двутавровые балки производятся на прокатных станах металлургических предприятий. Такая технология позволяет получить цельное изделие, не содержащее швов и обладающее высокой прочностью.

Сборку и сварку двутавровой балки осуществляют на автоматических линиях. Такая балка незначительно уступает цельнокатаной по прочности, но может быть выполнена по специальному заказу, с учетом требований конкретного проекта.

Производство горячекатаной двутавровой балки осуществляется в соответствии с ГОСТ 26020-83, сварной двутавр производители выпускают по своим собственным техническим условиям (ТУ).

Технология производства

В типовом варианте, двутавровая балка получают из трех листовых заготовок: стенки и двух полок, привариваемых к её торцам под прямым углом. Изготовление осуществляется на специализированных сборочных линиях, настроенных на выпуск балки определенного размера.

Заготовки перемещаются на специальных катках и предварительно закрепляются в нужном положении зажимными устройствами, оснащенными гидравлическим или пневматическим приводом.

На зафиксированном зажимным устройством участке собираемой балки делаются прихватки сваркой по поясному шву. После этого, балка перемещается по каткам, вновь закрепляется, и сваркой прихватывается следующий ее участок.

Поясной шов проваривается окончательно после того, как вся конструкция оказывается предварительно скреплённой сварными прихватками.

Сварка тавровых соединений стенки с полками осуществляется в автоматическом режиме под слоем флюса. Процесс автоматической сварки может выполняться разными приспособлениями. Это могут быть сварочные манипуляторы, горелки которых варят, перемещаясь по заданным траекториям посредством шарнирных соединений с несколькими степенями свободы.

Способы соединения двутавров

При осуществлении монтажа балочных конструкций выполняются сварные соединения элементов в различных сочетаниях. Среди них можно выделить типовые способы соединение двутавровых балок.

Встык

Для соединения способом «встык» свариваемые фрагменты стыкуют предварительно обработанными торцами. Обработка состоит в том, что на торцевых срезах выполняют угловые скосы для более глубокой проварки соединения.

Учитывая несущие функции двутавровых балок, их соединение не ограничивается выполнением торцевых швов. Для усиления участка стыковки обычно применяют четыре накладки – по одной на каждую из полок, и по одной на каждую из сторон стенки.

Накладки представляют собой прямоугольники из листового металла. Они накладываются поверх соединительного шва, затем привариваются по периметру. Накладки на полки делают на всю ширину полки двутавровой балки, накладки на стенку – на всю высоту стенки.

Под прямым углом

Такое соединение осуществляется между главной и второстепенной несущими двутавровыми балками каркасной конструкции, находящимися на одном уровне. В этом соединении главная балка служит опорой второстепенной.

Сварочные работы выполняются в следующей последовательности. В верхней полке главной двутавровой балки делают вырез в форме равнобедренного треугольника с углом, близким к прямому.

Верхняя полка второстепенного двутавра вырезается под вставку в треугольный вырез главнойдвутавровой балки, а нижняя его полка срезается на величину половины ширины.

В результате должно получиться следующее. Плотное совмещение вырезов верхних полок двутавров, стыковка торца стенки второстепенной двутавровой балки с боковой поверхностью стенки главного двутавра и прилегание среза нижней полки второстепенной двутавровой балки к полке главного двутавра.

Полученное таким образом совместное закрепление заподлицо двух перпендикулярных двутавровых балок усиливается привариваемой снизу листовой накладкой.

Сваривание двутавра со швеллером под прямым углом

Это соединение выполняется, если второстепенной двутавровой балкой служит швеллер. Если стенки двутавра и швеллера одинаковы по высоте, можно поступить следующим образом.

Верхняя полка швеллера срезается род углом 45 °, на верхней полке двутавровой балки делается аналогичный по форме вырез. Нижняя полка швеллера отрезается с таким расчетом, чтобы при стыковке срез совместился с нижней полкой двутавра, а стенка швеллера уперлась в стенку двутавра. Так же, как и в предыдущем случае, соединение укрепляется накладкой снизу.

Инженерная мысль не стоит на месте. Кроме описанных технологий сварки могут применяться вновь созданные, на смену устаревающему сварочному оборудованию приходит обновленное, модернизированное или принципиально новое. Не исключено, что и традиционная сварка когда-нибудь уступит место другой технологии неразъемных соединений.

Возможные проблемы и особенности

Чтобы не сталкиваться с основными проблемами, вы должны обеспечить, чтобы готовое соединение не работало на растяжение. Отсутствие этой ошибки в работе предотвращает нежелательные изменения конструкции во время монтажа. Нельзя варить все части сразу. После соединения первых деталей подождите несколько минут, чтобы избыточное напряжение не накапливалось в металле.

Тавровые соединения сложно выполнить новичку. При работе с ними нужно учесть все нормативные требования, ведь, если балка станет основой непрочной конструкции, безопасность людей будет под угрозой.

Если до этого вы никогда не выполняли тавровые швы, перед началом работы стоит потренироваться на лишних частях стали. Тавровый шов желательно делать за один подход. Так его прочность будет высокой. У новеньких с этим возникают проблемы в виде подрезов, которых нужно избегать. Поэтому практика перед созданием балок для перекрытия — обязательное условие изготовления двутавров.

Варианты таврового соединения разнообразны: оно бывает односторонним со скосом, двусторонним без него и наоборот. Скосы могут идти по кривой линии или быть симметричными. Мастера сварочных работ учитывают всё это, чтобы сформировать шов. Именно поэтому наём сварщика с профильным образованием — разумное решение.

Человек со стажем лучше определит желательный тип соединения, рассчитает уровень нагрузки и давления, параметры самой балки. Балка будет основой для кровли и системы скатной крыши, второго, третьего или даже четвертого этажа дома.

Узлы крепления

Для успешного использования двутавра необходимо правильно сопрягать ее с другими элементами строительных конструкций- стенами, колоннами, перекрытиями. Наиболее важным является сопряжение с опорной поверхностью. Типовые проекты предусматривают следующие сварные соединения балки с колонной:

1. Жестким. Балку приваривают к торцевой пластине, а уже ее крепят к стальной колонне или закладному элементу кирпичной кладки. При этом нет необходимости разделки кромок торцов. Используется для высоконагруженных конструкций.
2. Шарнирным, или подвижным. С двух сторон привариваются накладки в плоскостях, параллельных продольной оси. Накладки обрезают и обваривают косыми швами. Нагрузка, которую может выдержать такое соединение, ниже, чем в случае жесткого сопряжения. Для строительства индивидуального дома ее вполне достаточно.
3. Существует еще один способ шарнирного соединения: на болтах или заклепках, вставленных в просверленные в торце отверстия.

Жесткий: для статических нагрузок

Двутавр опирается на середину опорной колонны. Обеспечивается высокая устойчивость постройки. Возможен вариант с креплением двутавра сбоку. В этом случае колонну придется усилить, чтобы она выдерживала дополнительные нагрузки на изгиб. Если длины имеющихся балок не хватает для перекрытия на пролет 10 м, то две балки соединяют в стык с помощью накладных пластин. Сварка двутавра встык производится так, чтобы между торцами оставался небольшой зазор для компенсации возможного теплового расширения.

Жесткое соединение выполняют сварным или заклепочным.

Шарнирный: для динамических

Шарнирный способ опирания используют там, где возможны переменные, или динамические нагрузки. Это чаще происходит в зданиях промышленного назначения, в частных домах он используется реже. Для такого соединения формируется опорное ребро на опорном столике. Сюда передается вся нагрузка. Столик делают из высокопрочной листовой стали, на 20-30 мм шире, чем ребро двутавра.