Швеллер

Швеллер: конструкция, стандарты, применение в электротехнике и энергетике

Швеллер представляет собой металлический профиль с П-образным сечением, состоящим из стенки (полки) и двух параллельных направленных внутрь полок. Данная форма обеспечивает высокое сопротивление изгибу и кручению при относительно малой массе, что делает его универсальным конструкционным элементом в промышленном и гражданском строительстве, машиностроении, а также в электротехнической и энергетической отраслях. В контексте энергетики швеллер используется преимущественно для монтажа силового оборудования, прокладки кабельных трасс, сооружения опорных конструкций и каркасов распределительных устройств.

Классификация и способы производства

Швеллеры классифицируются по нескольким ключевым параметрам: способу производства, точности прокатки, геометрии полок и материалу.

По способу производства:

• Горячекатаный стальной швеллер. Изготавливается методом горячей прокатки на сортовых станах. Обладает высокой прочностью и широким диапазоном типоразмеров. Является наиболее распространенным типом для несущих конструкций.
• Гнутый стальной швеллер. Производится на профилегибочных агрегатах методом холодного формования из листовой или рулонной стали. Имеет скругленный внутренний угол. Часто применяется для менее нагруженных конструкций, в том числе для кабельных лотков и коробов.
• Алюминиевый швеллер (гнутый или прессованный). Изготавливается из сплавов алюминия (например, АД31, 6060, 6063). Обладает малым весом, коррозионной стойкостью и применяется в электротехнике для конструкций, не подвергающихся высоким механическим нагрузкам, а также в средах с агрессивной атмосферой.

По геометрии полок:

• С параллельными гранями полок (У). Полки расположены строго параллельно друг другу. Это основной тип по современным стандартам (ГОСТ 8240-97).
• С уклоном внутренних граней полок (Э). Внутренние грани полок имеют уклон (обычно 4-10%). Производство по устаревшему, но еще встречающемуся стандарту ГОСТ 8240-89.

По точности прокатки:

• Высокой точности (А).
• Обычной точности (В).

Основные стандарты и сортамент

В Российской Федерации основным нормативным документом для стальных горячекатаных швеллеров является ГОСТ 8240-97. Сортамент включает широкий ряд профилей с высотой стенки от 50 до 400 мм. Обозначение швеллера включает его номер (примерно соответствующий высоте в мм) и тип полок. Например, Швеллер 20П – профиль высотой 200 мм с параллельными гранями полок.

Для гнутых равнополочных швеллеров из стали применяется ГОСТ 8278-83, а для неравнополочных – ГОСТ 8281-80. Алюминиевые профили регламентируются ГОСТ 8617-81 (прессованные) и другими отраслевыми стандартами.

В международной практике распространены стандарты DIN, EN, ASTM. Например, профили типа UPE (европейский стандарт с параллельными полками) и UPN (европейский стандарт с уклоном полок).

Таблица 1. Пример сортамента горячекатаного швеллера по ГОСТ 8240-97 (выборочно)

Номер швеллера (высота h, мм)	Ширина полки b, мм	Толщина стенки s, мм	Средняя толщина полки t, мм	Площадь сечения, см²	Масса 1 м, кг	Момент сопротивления Wx, см³
10 (100)	46	4.5	7.6	10.9	8.59	34.8
14 (140)	58	4.9	8.1	17.4	13.7	75.3
20 (200)	76	5.2	9.0	28.8	22.6	184
30 (300)	100	6.5	10.5	49.9	39.2	481
40 (400)	115	8.0	13.5	71.4	56.1	953

Материалы и защитные покрытия

Для изготовления швеллеров применяются следующие основные материалы:

• Углеродистые стали обыкновенного качества (Ст3сп/пс5 по ГОСТ 535-2005, S235 по EN 10025-2). Наиболее распространенный материал для несущих конструкций внутри помещений.
• Низколегированные стали (09Г2С, S355). Применяются для конструкций, работающих при низких температурах или испытывающих повышенные нагрузки.
• Оцинкованная сталь. Горячее или гальваническое цинкование обеспечивает защиту от коррозии, что критически важно для наружных установок (опоры, кронштейны на фасадах), а также для помещений с повышенной влажностью (трансформаторные подстанции, насосные станции).
• Алюминиевые сплавы (АД31, 6060-T6, 6063-T5). Используются там, где требуется сочетание легкости, коррозионной стойкости и достаточной прочности. Типичное применение – каркасы для слаботочных систем, кабельные лотки в химически агрессивных средах, конструкции в зонах с жесткими требованиями по электромагнитной совместимости (немагнитный материал).
• Нержавеющие стали (AISI 304, 316). Применяются в особо агрессивных средах (приморские зоны, химические производства, пищевая промышленность), а также в помещениях с высокими требованиями к чистоте.

Применение швеллера в электротехнике и энергетике

В электротехнической и энергетической отраслях швеллер является базовым элементом для создания монтажных и несущих конструкций. Его применение можно систематизировать по следующим направлениям.

1. Каркасы и стойки распределительных устройств (РУ) и комплектных распределительных устройств (КРУ)

Швеллеры используются для сборки силовых каркасов, на которые монтируются панели, шкафы, изоляторы, шинные мосты и другое тяжелое оборудование. Обычно применяются горячекатаные швеллеры номеров от 10 до 20 из стали Ст3 или оцинкованной стали. Каркас должен обеспечивать жесткость, устойчивость и точное позиционирование оборудования.

2. Конструкции для прокладки кабельных трасс

• Кабельные эстакады и галереи: Швеллер (часто сварной в виде продольных балок) служит основным несущим элементом для крепления кабельных лотков, коробов или прямого крепления силовых кабелей большого сечения. Используются профили номеров 14, 16, 20 и выше, в зависимости от пролета и нагрузки.
• Консольные кронштейны и траверсы: Гнутый или горячекатаный швеллер меньшего номера (8, 10) применяется для изготовления кронштейнов, крепящихся к стенам или колоннам для поддержки кабельных лотков, трубопроводов.
• Кабельные лотки и короба: П-образный гнутый швеллер из оцинкованной или нержавеющей стали является основным профилем для бортов (боковых стенок) перфорированных и неперфорированных лотков.

3. Опорные конструкции для силового оборудования

Швеллер используется для изготовления:

• Фундаментных рам под трансформаторы, дизель-генераторные установки, мощные выпрямители.
• Креплений и поддерживающих систем для шинопроводов, трубных шин.
• Кронштейнов для подвеса осветительных приборов прожекторного типа в машинных залах и на открытых площадках.
• Лестниц, площадок обслуживания и ограждений в электроустановках (т.н. технологические металлоконструкции).

4. Монтаж систем заземления

Стальной горячекатаный швеллер, особенно из черной стали, может использоваться в качестве горизонтального заземлителя (полосы) в контурах заземления подстанций и промышленных объектов. Однако чаще для этих целей применяется специальная полоса, но швеллер, благодаря развитой поверхности, может быть эффективен в сложных грунтовых условиях.

Расчет и проектирование конструкций из швеллера

При проектировании несущих конструкций из швеллера в энергетике необходимо выполнять прочностные расчеты, учитывающие:

• Собственный вес конструкции.
• Вес монтируемого оборудования, кабелей (с учетом возможного обледенения для наружных трасс).
• Динамические и ветровые нагрузки (для наружных эстакад и опор).
• Сейсмические нагрузки (для сейсмоопасных районов).
• Температурные деформации (особенно для протяженных трасс).
• Коррозионный износ (запас по толщине металла).

Ключевыми геометрическими характеристиками для расчета являются:

• Площадь поперечного сечения (A, см²).
• Момент инерции (Ix, Iy, см⁴) – определяет жесткость профиля при изгибе.
• Момент сопротивления (Wx, Wy, см³) – определяет прочность при изгибе.
• Радиус инерции (ix, iy, см) – важен для расчета на устойчивость.
• Статический момент (Sx, см³) – для расчета сдвиговых напряжений.

Все эти параметры приводятся в таблицах сортамента ГОСТ 8240-97 и справочниках по металлопрокату.

Таблица 2. Сравнение характеристик швеллеров из разных материалов (пример для условного профиля 100x50x5 мм)

Материал	Предел текучести σт, МПа (Н/мм²)	Модуль упругости E, ГПа	Плотность, кг/м³	Коррозионная стойкость	Типовое применение в энергетике
Сталь Ст3	235	200	7850	Низкая (требует покраски)	Внутренние каркасы РУ, несущие балки внутри помещений
Сталь S355 оцинкованная	355	200	7850	Высокая (за счет цинка)	Наружные эстакады, кронштейны, опорные конструкции на улице
Алюминиевый сплав 6063-T5	110-160	69-71	~2700	Очень высокая (пассивация оксидом)	Кабельные лотки в агрессивных средах, легкие монтажные конструкции, зоны с ЭМС
Нержавеющая сталь AISI 304	>205	200	~7900	Исключительная	Помещения с высокой влажностью и агрессивными парами, пищевая промышленность

Монтаж и соединение швеллеров

В электротехническом монтаже применяются следующие основные способы соединения швеллеров:

• Болтовое соединение. Наиболее распространенный метод сборки каркасов и кронштейнов. Обеспечивает разборность конструкции. Для крепления используются высокопрочные болты класса 8.8, 10.9. Важно предусматривать антикоррозионную обработку мест контакта разнородных металлов (например, алюминий-сталь).
• Сварка (ручная дуговая, полуавтоматическая в среде защитных газов). Применяется для создания неразъемных, жестких соединений в фундаментных рамах, несущих каркасах. Требует квалификации сварщика и последующей антикоррозионной обработки шва, особенно для оцинкованных изделий.
• Соединение на специальных фасонных элементах (уголки, косынки, хомуты). Используется для усиления узлов, крепления к стенам и другим конструкциям.

При монтаже кабельных трасс необходимо соблюдать требования по заземлению всех металлических элементов. Швеллеры, используемые в качестве несущих конструкций трасс, должны быть объединены в непрерывную электрическую цепь и присоединены к главной заземляющей шине (ГЗШ).

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Как правильно выбрать номер швеллера для кабельной эстакады пролетом 6 метров?

Выбор зависит от расчетной нагрузки (вес кабелей, лотков, снега, ветра). Для предварительной оценки при средних нагрузках может подойти швеллер №20-24. Однако обязателен расчет на прочность и прогиб по СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции». Прогиб для эстакад обычно ограничивается величиной L/200 (30 мм для пролета 6 м). Точный расчет должен выполнять проектировщик.

2. Что лучше для наружной кабельной трассы: горячекатаный черный швеллер с покраской или оцинкованный гнутый?

Оцинкованный гнутый швеллер предпочтительнее по коррозионной стойкости, так как цинковое покрытие обеспечивает катодную защиту и не требует регулярного подкрашивания. Горячекатаный оцинкованный – еще более надежный, но и более дорогой вариант. Черный швеллер с заводской окраской потребует постоянного контроля и восстановления лакокрасочного покрытия в агрессивной атмосферной среде, что увеличивает затраты на эксплуатацию.

3. Можно ли использовать алюминиевый швеллер для крепления тяжелого силового трансформатора?

Нет, это не рекомендуется. Алюминиевые сплавы имеют значительно более низкий предел текучести и модуль упругости по сравнению со сталью. Для крепления тяжелого и вибрирующего оборудования (трансформаторы, дизель-генераторы) необходимо применять стальные горячекатаные швеллеры, рассчитанные на соответствующие динамические нагрузки.

4. Как отличить горячекатаный швеллер от гнутого?

Визуально и тактильно: у горячекатаного швеллера внутренние углы между стенкой и полкой острые (или с небольшим технологическим скруглением), поверхность может иметь окалину. У гнутого швеллера внутренний угол всегда имеет четко выраженное радиальное скругление, равное толщине металла, а поверхность гладкая, без окалины.

5. Нужно ли заземлять швеллер, используемый в качестве каркаса для монтажа шкафов КРУ?

Да, обязательно. Все металлические нетоковедущие части электроустановки, которые могут оказаться под напряжением в случае повреждения изоляции, должны быть заземлены в соответствии с ПУЭ (Глава 1.7). Каркас из швеллера должен быть электрически непрерывным и присоединен к контуру защитного заземления не менее чем в двух точках.

6. Каковы главные преимущества швеллера перед двутавровой балкой в электротехническом монтаже?

Швеллер, по сравнению с двутавром той же высоты, обладает несколько меньшей несущей способностью при изгибе в плоскости стенки. Однако его ключевое преимущество – наличие двух параллельных полок, удобных для крепления оборудования, кабельных лотков или стеновых панелей с любой стороны. Двутавр менее удобен для бокового крепления из-за односторонней ориентации полок. Швеллер также проще в монтаже и соединении в пространственных конструкциях.

Заключение

Швеллер является фундаментальным элементом в арсенале конструкционных материалов для электротехники и энергетики. Его правильный выбор, основанный на понимании сортамента, механических свойств, материалов и условий эксплуатации, напрямую влияет на надежность, долговечность и безопасность энергоустановок. Применение швеллера – от силового каркаса подстанции до кабельной эстакады – требует строгого соблюдения нормативов проектирования (СП, ПУЭ) и правил монтажа. Грамотное использование этого вида металлопроката позволяет создавать эффективные, технологичные и экономически обоснованные решения для инфраструктуры энергетического комплекса.