Швеллер

Швеллер — это металлический профиль, имеющий П-образное поперечное сечение. Относится к классу сортового проката и является одним из наиболее распространённых видов фасонного проката, наряду с двутавром, уголком и рельсом. Швеллер используется в строительстве и машиностроении в качестве несущего элемента для восприятия нагрузок, преимущественно работающих на изгиб.

История

История швеллера неразрывно связана с развитием металлургии и строительной индустрии в XIX веке. Потребность в лёгких, но прочных металлических конструкциях возникла с началом массового строительства железных дорог, мостов и промышленных зданий. Первые прокатные станы для производства фасонных профилей, включая швеллер, появились в середине XIX века в Великобритании и Германии.

В России производство швеллеров началось во второй половине XIX века на крупных металлургических заводах, таких как Путиловский (ныне Кировский завод) в Санкт-Петербурге и Юзовский (ныне Донецкий металлургический завод) в Донбассе. Развитие отечественного прокатного производства позволило обеспечить потребности быстрорастущей железнодорожной сети и промышленности. В советский период была разработана и стандартизирована широкая номенклатура швеллеров, что позволило унифицировать строительство и машиностроение.

Классификация

Швеллеры классифицируются по нескольким основным признакам: способу производства, форме поперечного сечения, точности прокатки и назначению.

По способу производства

• Горячекатаные швеллеры — изготавливаются методом горячей прокатки на прокатных станах. Это основной тип, используемый в строительстве и машиностроении. Обладают высокой прочностью и стабильностью геометрии.
• Гнутые швеллеры — изготавливаются из листовой стали методом холодной гибки на профилегибочных станах. Они имеют более тонкие стенки и полки по сравнению с горячекатаными, что делает их более лёгкими и экономичными. Используются в облегчённых конструкциях, ограждениях, каркасах.
• Сварные швеллеры — изготавливаются сваркой двух или трёх листовых заготовок. Применяются в индивидуальном и мелкосерийном производстве, когда требуются нестандартные размеры или толщина металла.

По форме сечения

• С параллельными гранями полок — обозначаются как П (или У для горячекатаных). Полки расположены строго параллельно друг другу. Это наиболее распространённый тип, обеспечивающий удобство монтажа и стыковки.
• С уклоном внутренних граней полок — обозначаются как У (или С для горячекатаных). Внутренние грани полок имеют небольшой уклон (обычно 6-10%). Такая форма улучшает условия выхода профиля из валков при прокатке, но усложняет соединение с другими элементами.
• Специальные — например, швеллеры для вагоностроения, для подвесных путей, для колонн и т.д., имеющие особую геометрию.

По точности прокатки

• Повышенной точности (А) — с более жёсткими допусками на размеры и форму.
• Обычной точности (Б) — стандартные допуски, используемые в большинстве конструкций.

По назначению

• Общего назначения — используются в строительстве, машиностроении, производстве металлоконструкций.
• Специальные — для конкретных отраслей: вагоностроительные, судостроительные, для горно-шахтного оборудования и т.д.

Характеристики и параметры

Основные геометрические параметры швеллера регламентируются государственными стандартами (ГОСТ). В России основными стандартами являются:

• ГОСТ 8240-97 — «Швеллеры стальные горячекатаные. Сортамент».
• ГОСТ 8278-83 — «Швеллеры стальные гнутые равнополочные. Сортамент».
• ГОСТ 8281-80 — «Швеллеры стальные гнутые неравнополочные. Сортамент».

Основные параметры швеллера:

• Высота (h) — расстояние между наружными гранями полок. Обозначается в номере швеллера (например, швеллер №10 имеет высоту 100 мм).
• Ширина полки (b) — ширина каждой полки.
• Толщина стенки (s) — толщина вертикальной части профиля.
• Толщина полки (t) — толщина горизонтальной части полки.
• Радиус закругления (R) — внутренний радиус сопряжения стенки и полки.
• Площадь поперечного сечения (A) — определяет массу и несущую способность.
• Момент инерции (I) — характеризует сопротивление изгибу.
• Момент сопротивления (W) — характеризует прочность при изгибе.
• Масса 1 метра — зависит от размеров и толщины металла.

Пример: швеллер №10 (горячекатаный, с параллельными гранями полок) имеет высоту 100 мм, ширину полки 46 мм, толщину стенки 4,5 мм, толщину полки 7,6 мм, массу около 8,7 кг/м.

Материалы изготовления

Швеллеры изготавливаются из различных марок стали, выбор которых определяется условиями эксплуатации и требованиями к прочности, коррозионной стойкости и свариваемости.

• Углеродистые стали обыкновенного качества (Ст3, Ст5) — наиболее распространённый материал для строительных конструкций. Обеспечивают достаточную прочность и хорошую свариваемость.
• Низколегированные стали (09Г2С, 15ХСНД, 10ХСНД) — обладают повышенной прочностью и хладостойкостью. Используются в ответственных конструкциях, работающих при низких температурах, в мостостроении, судостроении.
• Легированные стали (40Х, 30ХГСА) — применяются в машиностроении для деталей, работающих при высоких нагрузках и в условиях износа.
• Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали (12Х18Н10Т, AISI 304) — используются в агрессивных средах, в пищевой, химической промышленности, в архитектуре.

Применение

Швеллер является одним из основных элементов металлических конструкций благодаря своей высокой несущей способности при относительно небольшой массе.

В строительстве

• Каркасы зданий и сооружений — колонны, балки перекрытий, фермы, прогоны.
• Металлические лестницы — косоуры, ступени, ограждения.
• Ограждения и перила — стойки, поручни.
• Опоры линий электропередач (ЛЭП) — в составе решётчатых конструкций.
• Фундаменты — в качестве закладных деталей.
• Мосты и эстакады — в составе пролётных строений.
• Строительные леса — в качестве несущих элементов.

В машиностроении

• Рамы и каркасы станков, прессов, транспортных средств.
• Кузова вагонов — в вагоностроении.
• Корпуса судов — в судостроении.
• Опоры и кронштейны для оборудования.

В других отраслях

• Сельское хозяйство — каркасы теплиц, ангаров, навесов.
• Энергетика — опоры для трубопроводов, кабельных лотков.
• Торговля и складское хозяйство — стеллажи, консоли, перегородки.
• Автомобилестроение — рамы грузовых автомобилей, прицепов.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Высокая несущая способность при изгибе и сжатии.
• Относительно малая масса по сравнению с балками сплошного сечения.
• Удобство монтажа — возможность соединения сваркой, болтами, заклёпками.
• Широкий сортамент — возможность подбора профиля под конкретную нагрузку.
• Возможность изготовления из различных марок стали.
• Технологичность — легко поддаётся резке, сварке, сверлению.

Недостатки

• Меньшая устойчивость при кручении по сравнению с замкнутыми профилями (трубами).
• Сложность стыковки в некоторых узлах из-за формы сечения.
• Подверженность коррозии — требует защиты (окраска, оцинковка).
• Большая металлоёмкость по сравнению с гнутыми профилями при равной прочности.

Интересные факты

• В СССР швеллеры активно использовались при строительстве типовых панельных домов, где они служили для усиления стен и перекрытий.
• Самый крупный горячекатаный швеллер в России имеет высоту 400 мм (№40) и массу около 60 кг/м.
• В некоторых случаях швеллеры используются как декоративные элементы в архитектуре и дизайне интерьеров.
• Для повышения коррозионной стойкости швеллеры могут подвергаться горячему цинкованию, что значительно увеличивает срок их службы в агрессивных средах.

Источники

1. ГОСТ 8240-97 «Швеллеры стальные горячекатаные. Сортамент».
2. ГОСТ 8278-83 «Швеллеры стальные гнутые равнополочные. Сортамент».
3. Металлические конструкции. Общий курс / Под ред. Е.И. Беленя. — М.: Стройиздат, 1985.
4. Справочник металлиста / Под ред. А.Г. Рахштадта. — М.: Машиностроение, 2001.
5. Материалы сайта «Металлургический бюллетень» (аналитика рынка металлопроката).