Тавр и двутавр: сравнение и особенности конструкций

Что это такое

Наиболее часто в строительстве используется двутавровая балка – это металлическое соединение, состоящее из стенки и верхней и нижней полки, грубо говоря, ее профиль поход на русскую букву «Н», то есть имеется стенка и по обеим сторонам присутствуют две полки. Такой тип металлоконструкции может быть сварным или прокатным, все зависит от способа изготовления.

Прокатная балка изготавливается на прокатных станах из цельного слитка. В процессе прохождения через прокатные плети металл меняет форму и на выходе получается цельный металлический двутавр..

Сварная балка изготавливается путем сварки трех элементов – пояса и двух стенок в единую металлическую конструкцию. Сварные балки чаще всего изготавливаются из стали различных марок.

Основные компоненты эпюры напряжений

Эпюра напряжений – это графическое представление распределения напряжений в тавровом сечении конструкции. Она позволяет инженерам анализировать и оптимизировать конструкцию с точки зрения прочности и надежности.

Основные компоненты, которые можно наблюдать на эпюре напряжений, включают:

Положительное напряжение: представлено через цветовую шкалу или контурными линиями. Чем ярче цвет или плотнее линии, тем выше положительное напряжение. Это напряжение возникает, когда материал находится под нагрузкой и растягивается.
Отрицательное напряжение: также представлено цветовой шкалой или контурными линиями. Чем темнее цвет или плотнее линии, тем больше отрицательное напряжение. Оно возникает, когда материал находится под нагрузкой и сжимается.
Максимальное напряжение: обозначает точки на эпюре, где напряжение достигает критического значения. Это позволяет определить участки, которые могут быть наиболее подвержены разрушению.
Срезовые напряжения: представляют распределение сил среза вдоль сечения конструкции. Они обычно обозначаются стрелками и показывают направление и величину сил среза в каждой точке.
Коэффициенты безопасности: на эпюре могут быть указаны также коэффициенты безопасности, которые позволяют оценить запас прочности конструкции. Они обычно обозначаются численными значениями в соответствующих областях сечения.

По анализу эпюры напряжений инженер может определить участки с повышенным напряжением и принять меры по усилению или изменению конструкции для повышения прочности. Это позволяет снизить вероятность разрушения и повреждения конструкции в эксплуатации.

Технологический процесс производства сварных балок двутаврового сечения

Технология изготовления сварных балок, имеющих двутавровое сечение, состоит из нескольких последовательных процессов, каждый из которых на сегодняшний день уже отлично отработан. Итак, изготовление качественной и надежной сварной балки требуемого сечения состоит из нескольких процедур.

Создание заготовки по чертежу

Для ее изготовления используется оборудование термической резки, на котором листы металла требуемой толщины раскраиваются по заданным размерам. Итогом выполнения такой технологической операции являются штрипсы, имеющие длину и ширину, оговоренные в чертеже. На современных предприятиях для выполнения такой операции используются станки с ЧПУ, на которых раскрой металла может производиться несколькими резаками одновременно.

Для данной операции уже не требуется чертеж и выполняется она на специальном оборудовании (кромкофрезерном станке). Это этап производства необходим для того, чтобы обеспечить лучшую провариваемость стенки балки двутаврового сечения и ее полок.

На этой стадии будущая сварная балка собирается в готовую конструкцию, для чего используются специальные сборочные приспособления, позволяющие увеличить производительность процесса в 2–3 раза по сравнению с ручной сборкой

При осуществлении сборочной операции перед сваркой балки, имеющей двутавровое сечение, важно обеспечить правильное взаимное положение стенки двутавра и его полок (симметричность и взаимная перпендикулярность)

Целесообразнее всего для выполнения этих важных требований использовать специальное сборочное оборудование, оснащенное быстродействующими прижимными элементами. Оно позволяет не только точно позиционировать составные элементы будущего двутавра, но и делать это оперативно и с высокой надежностью. Технология сборки с использованием таких приспособлений состоит из двух основных этапов: сначала собирается только часть балки, составляющая Т-образный профиль, затем собранную конструкцию при помощи приспособления переворачивают на 180 градусов и комплектуют ее второй полкой. На современных предприятиях, как правило, используются сборочные приспособления с гидравлическими прижимными механизмами, что дает возможность сократить время выполнения данного технологического процесса.

На тонкостях данного этапа мы подробнее остановимся в следующем разделе нашей статьи.

Автоматическая сварка элементов двутавровой балки

Производство любых конструкций с использованием сварки предполагает сильный нагрев, что неизбежно приводит к возникновению деформации отдельных составных элементов изделия. Не является исключением и сварная балка, имеющая двутавровое сечение. Как правило, у таких балок после окончания процесса сварки наблюдается эффект «грибовидности», выражающийся в нарушении геометрии полок двутавра. Для того чтобы исправить этот дефект, как раз и необходима операция правки, заключающаяся в прокатывании сварной балки через ролики специального стана. После выполнения такой процедуры получают балку двутаврового сечения, геометрия которой четко соблюдена.

Продольные напряжения

Продольные напряжения — это напряжения, которые возникают в продольной плоскости таврового сечения. Они распределены по всей длине элемента и могут меняться от нуля в одной точке до максимального значения в другой.

Продольные напряжения возникают из-за внешних нагрузок, приложенных к тавру, а также из-за его собственного веса и веса других элементов, которые поддерживаются тавром. Они могут быть сжимающими или растягивающими в зависимости от направления нагрузки.

Для определения значений продольных напряжений необходимо провести анализ тавра с учетом всех внешних нагрузок и граничных условий. Часто используются методы численного моделирования, такие как метод конечных элементов, для более точного определения напряжений в тавровом сечении.

Знание значений продольных напряжений позволяет оценить прочность и нагрузочную способность тавра

При проектировании конструкции с использованием тавра важно выбирать соответствующий размер и материал, чтобы обеспечить достаточную прочность и избежать деформаций и разрушения

Также продольные напряжения могут быть учтены при расчете статичности конструкции и предотвращении изгиба или кручения тавра под воздействием внешних сил.

В целом, понимание и учет продольных напряжений является важным аспектом проектирования и анализа таврового сечения.

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.

Методы расчета прочности изгибаемых элементов

Моменты влияния и напряженности сечения:

Одним из основных методов расчета прочности изгибаемых элементов является метод сведения их работы к работе простого деталя с цилиндрическим сечением. В этом случае основным параметром является напряженность сечения, которая определяется по формуле:

σ = M / S

Где σ — напряженность сечения, M — момент изгиба, S — момент инерции сечения.

Функция полезных нагрузок и нагрузочные коэффициенты:

Для определения прочности изгибаемых элементов также используется функция полезных нагрузок, которая позволяет определить максимально возможные нагрузки, при которых элемент остается прочным и не превышает допустимые значения напряжений.

Для учета различных условий работы и материалов применяются нагрузочные коэффициенты. Они учитывают такие факторы, как длительность нагрузки, влияние окружающей среды и другие. При расчете прочности элемента учитывается максимальная нагрузка, умноженная на соответствующий нагрузочный коэффициент.

Процесс определения прочности:

Определение прочности изгибаемых элементов включает несколько этапов. Первоначально проводится анализ конструкции и определение ее геометрических параметров. Далее расчитывается момент инерции сечения и момент изгиба.

После этого производится определение напряженности сечения и составляется критерий прочности. Путем сравнения полученных значений с допустимыми предельными значениями, определяется прочность изгибаемого элемента. В случае, если прочность не удовлетворяет требованиям, производятся соответствующие изменения в конструкции или выбираются другие материалы с более высокими прочностными характеристиками.

Таблицы и графики:

Для более удобного определения прочности изгибаемых элементов разработаны таблицы и графики, которые содержат значения напряженности сечения и допустимых нагрузок для различных материалов и конструкций. Часто использование таблиц прочности и графиков упрощает и ускоряет процесс расчета и выбора оптимальных параметров элемента.

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:

В качестве первой операции происходит расчет на прочность и жесткость, проверяются стали, которые идут на изготовление;
Подготовка элементов двутавра, а именно резание металла на полосы, примерная скорость резания металлического листа равна 1 метру в минуту;
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;
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.
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;
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.
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.

Тавровое соединение сварка гост

Тавровое соединение в сварке представляет собой букву «T», используется при создании металлоконструкций, где комплектующие должны соприкасаться под прямым углом. Площадь такого соприкосновения, как правило, становится не очень большой, поэтому приходится конструктивно усиливать изделия и обваривать соединение с нескольких сторон, поэтому тавровое соединение может быть с одним швом или двумя.

Такие соединения обладают хорошей прочностью, но если на этот участок планируется высокий уровень нагрузки, то следует сделать так, чтобы второй конец детали, отходящей по перпендикуляру от основной части, также был приварен к основе. Это поможет зафиксировать все и избежать деформации.

Выделяют следующие классы:

Сварной шов Т1 по ГОСТ 5264 80 относится к классификации сварных соединений, которые выполнены при помощи ручной дуговой сварки;
По ГОСТ 14771-76 классифицируются швы, которые были сделаны при помощи сварки в защитных газах;
ГОСТ 14806-80 включает в себя соединения без скоса кромок, которые также создавались в защитных газах.

При сварке таврового соединения тонкого металла с более толстым, необходимо, чтобы угол наклона электрода или сварочной горелки был около 60° к более толстому металлу.

Сварку таврового соединения (и углового в такой же степени) можно значительно упростить, расположив его для сварки «в лодочку». Это позволяет проводить сварку преимущественно в нижнем положении, увеличивая скорость сварки и уменьшая вероятность появления подрезов, которые являются очень частым дефектом таврового сварного соединения, наряду с непроваром. В некоторых случаях одного прохода будет недостаточно, поэтому для заполняющих швов требуется осуществлять колебания горелки.

Кромки стыкуемых деталей могут разделывать в зависимости от толщины свариваемых деталей и количества швов:

толщина металла до 4 мм, шов одинарный — без обработки кромок;
толщина от 4 мм до 8 мм — без обработки кромок шов двойной;
от 4 мм до 12 мм — одинарный шов с разделкой с одной стороны;
от 12 мм кромку спиливают с двух сторон, и шва делают тоже два.

Английское название: Gas-shielded arc welding. Welded joints. Main types, design elements and dimensions

Настоящий стандарт устанавливает основные типы, конструктивные элементы и размеры сварных соединений из сталей, а также сплавов на железоникелевой и никелевой основах, выполняемых дуговой сваркой в защитном газе.

Стандарт не устанавливает основные типы, конструктивные элементы и размеры сварных соединений стальных трубопроводов по ГОСТ 16037-80

Дата издания: 01.12.2006 Дата введения в действие: 01.07.1977

Сварочные стыки в виде буквы «Т», именуемые «тавровые соединения», присутствуют во всех нагружаемых конструкциях. Они представляют собой угловые швы с перпендикулярным расположением заготовок. При небольшой площади соединение должно удерживать расчетную нагрузку. К тавровым соединениям, работающим на кручение, излом, отношение особое — швы проверяют на внутренние дефекты. Избежать их помогает соблюдение технологии. Вид шва указывается на чертеже.

Область применения

Монтаж трубопроводов, создание каркасных конструкций, перекрытий, ограждений предполагает расположение деталей под прямым углом. Перпендикулярно сваркой обычно крепят укрепляющие элементы: балки, швеллеры, профильный прокат. Детали под углом 90° соединяют тавровой сваркой. Начинающие сварщики в бытовых условиях таких стыков стараются избегать из-за сложности фиксации деталей в заданном положении.

На производстве и в строительстве тавровые соединения применяют часто. Все виды соединений регламентированы ГОСТами для различных типов сварки. Они бывают односторонние и двухсторонние, с разделкой кромок и без нее. Все зависит от предполагаемой нагрузки, сплава, толщины свариваемых деталей.

Условное изображение сварных швов на чертежах согласно ГОСТ 2.312-72 «Условные изображения и обозначения швов сварных соединений»

В соответствии со стандартом ГОСТ 2.312-72 для условного изображения сварного шва независимо от способа сварки используется два типа линий: сплошная, если шов видимый или штриховая, если шов невидимый.

На линию шва указывает односторонняя стрелка.

Стрелка может выполняться с полкой для размещения условного обозначения шва и при необходимости вспомогательных знаков. Условное обозначение размещают над полкой, если стрелка указывает на лицевую сторону сварного шва (т.е. если он видимый), или под полкой, когда шов расположен с обратной стороны (т.е. если шов невидим). При этом, за лицевую сторону одностороннего шва сварного соединения принимают сторону, с которой производят сварку. За лицевую сторону двухстороннего шва сварного соединения с несимметрично подготовленными кромками принимают сторону, с которой производят сварку основного шва. За лицевую сторону двухстороннего шва сварного соединения с симметрично подготовленными кромками может быть принята любая сторона.

Вспомогательные знаки.

Вспомогательный знак	Описание	Шов видимый	Шов невидимый
	Шов выполнить при монтаже изделия (монтажный шов).
	Шов по замкнутой линии.
	Шов по незамкнутой линии.
	Шов прерывистый с цепным расположением.
	.
	Снять выпуклость шва.
	Наплывы и неровности шва обработать с плавным переходом к основному металлу.

На приведенной ниже схеме показана структура условного обозначения стандартного сварного шва.

Буквенно–цифровое обозначение шва по соответствующему стандарту представляет собой комбинацию состоящую из буквы определяющей тип сварного соединение и цифры указывающей вид соединения и шва, а также форму разделки кромок. Например: С1, Т4, Н3.

Для обозначения сварных соединений используются следующие буквы:

С – стыковое;
У – угловое;
Т – тавровое;
Н – нахлесточное;
О – особые типы, если форма шва не предусмотрена ГОСТом.

Условные обозначения швов для некоторых способов сварки представлены в таблице:

Стандарт	Соединение	Условные обозначения швов
ГОСТ 5264-80. Швы сварных соединений, ручная дуговая сварка	Стыковое	С1 — С40
Тавровое	Т1 — Т9
Нахлесточное	Н1 — Н2
Угловое	У1 — У10
ГОСТ 14771-76. Швы сварных соединений, сварка в защитных газах	Стыковое	С1 — С27
Тавровое	Т1 — Т10
Нахлесточное	Н1 — Н4
Угловое	У1 — У10

Обозначения способа сварки (А, Г, УП и другие) указывается в стандарте, по которому выполняется указанный на чертеже процесс сварки.

Условные обозначения некоторых способов сварки представлены ниже, например:

А – автоматическая сварка под флюсом без применения подкладок и подушек и подварочного шва;
Аф – автоматическая сварка под флюсом на флюсовой подушке;
ИН – сварка в инертных газах вольфрамовым электродом без присадочного металла;
ИНп – сварка в инертных газах вольфрамовым электродом, но с присадочным металлом;
ИП – сварка в инертных газах плавящимся электродом;
УП – сварка в углекислом газе плавящимся электродом.

Возможности

Помимо преимуществ использование стальных балок, выполненных сварным способом, позволит каждому покупателю:

Увеличить широту пролета здания, так как они имеют большую длину;
Заказывать различные параметры и размеры, существует огромное количество ГОСТов на двутавры, так что каждый заказчик сможет найти подходящие параметры;
Архитектура сооружения, как уже было сказано выше, может быть совершенно разнообразной.

Таким образом, сварная балка имеет огромное количество преимуществ, из-за чего чему нашла широкое применение во всех областях строительства. Использование сварных балок помогло человеку улучшить качество конструкций зданий и различных сооружений, повысить их безопасность, а следовательно, и безопасность для людей.

Источник