Підсилення сталевих конструкцій: способи й коли який обирають

Навіщо підсилюють

Причин дві. Перша: несуча здатність впала через дефекти й пошкодження, і її треба повернути до проєктної. Друга: при реконструкції навантаження зросли, і конструкція має витримувати більше, ніж закладав проєкт. Часто діють обидві одразу, бо підсилювати доводиться вже зношену конструкцію.

Крайній випадок підсилення — заміна елемента. Що вигідніше, підсилити чи замінити, вирішує економіка, і головне в ній простій виробництва на час робіт. Тому варіанти порівнюють саме з урахуванням простою, а не за вартістю металу.

Перед вибором способу потрібні результати обстеження: який фактичний стан, які характеристики сталі, які навантаження діють. Про це окремі статті: діагностика й оцінка стану і уточнення характеристик сталі.

Дві групи способів

Усе різноманіття рішень зводиться до двох груп. У першій конструктивна форма й розрахункова схема не міняються, до перерізу просто додають метал. У другій регулюють зусилля в існуючих елементах: додають опори, змінюють розрахункову схему або вводять попередньо напружені елементи.

Збільшення перерізу

Це найпоширеніший спосіб, і він найближчий до проєктування нової конструкції, але з суттєвою різницею. Нові елементи розташовують не там, де було б найкраще, а там, де їх можна завести й закріпити в діючому цеху з мінімумом демонтажу. Тому форма підсиленої конструкції зазвичай не найвигідніша з погляду нової.

Існуюча конструкція нерухома, і це диктує вузли. Положення швів, можливість свердлити отвори й ставити болти доводиться враховувати заздалегідь. Основним способом кріплення лишається ручне зварювання, і до проєкту ставлять вимогу: якомога менше стельових і вертикальних швів. Високоміцні болти застосовують рідше, бо потрібні отвори в існуючій конструкції, а це помітно збільшує трудомісткість.

Матеріал існуючого перерізу сприймає постійне навантаження або його частину, а експлуатаційні навантаження далі працюють разом: існуючий метал плюс підсилення. Саме тому без розвантаження цей спосіб не працює.

Додаткові опори й зміна схеми

Другий шлях — не додавати метал, а зменшити зусилля. Додаткова опора скорочує проліт. Шпренгель вводить додаткові стержні й робить систему статично невизначеною. Замикання шарнірів на опорах перетворює розрізну балку на нерозрізну: зусилля перерозподіляються, і пролітний момент знижується.

Ці способи вирівнюють епюри зусиль, краще використовують метал існуючої конструкції й зосереджують підсилення на окремих ділянках. Як і збільшення перерізу, вони вимагають часткового розвантаження.

Попереднє напруження

Цей спосіб вважають найперспективнішим для сталевих конструкцій. Причини три: у розрахунковий переріз вводять високоміцний матеріал затяжок, існуючий метал використовують повніше завдяки регулюванню напружень, а робіт із кріплення підсилення мінімум.

Є й ціна. Попередньо напружені елементи потребують витрат на підтримання заданого зусилля протягом усього терміну експлуатації. Окремий варіант підвищує лише жорсткість балки, не збільшуючи несучу здатність: він обмежує робочий прогин і піднімає витривалість верхньої зони.

Приклад: підкранові балки

Підкранова балка зручна для порівняння: на ній добре працює кожен зі способів. У таблиці зібрано, для яких прольотів і кранів найкраще підходить кожен варіант.

Що закладають у розрахунок

Підсилення розраховують за граничними станами за чинними нормами. Для першого граничного стану беруть початкове навантаження, що діяло до підсилення, і додаткове, прикладене після. Для другого — нормативні значення тих самих двох частин.

Далі логіка така. У розтягнутих і центрально-стиснутих елементах деталі підсилення сприймають лише приріст зусилля від навантажень, доданих після підсилення. Для стиснутих елементів додається ще одна умова: втрата стійкості відбувається вже в стрижні з новим перерізом, тому в розрахунок вводять гнучкість після підсилення. Для попереднього підбору площі підсилення коефіцієнт поздовжнього згину спершу приймають за гнучкістю до підсилення, а потім уточнюють за фактичною гнучкістю нового перерізу.

Позацентрово стиснуті елементи підсилюють, поки крайові напруження не перевищили певної частки розрахункового опору. Деталі підсилення кріплять до основного перерізу суцільними швами малих катетів, зазвичай 3, 4, 5 або 6 мм. Для розтягнутих елементів і вузлів шви теж рекомендовано суцільні заввишки 3–6 мм.

У балках розрахунок має свої особливості. Для діючого цеху коефіцієнт умов роботи беруть 0,9, враховуючи експлуатаційний стан. Для несиметричного підсилення приймають коефіцієнт асиметрії в межах 1,1–1,5 і перевіряють підібрані пояси за моментами опору. Місце теоретичного обриву елементів підсилення визначають з умови за моментом, а самі елементи заводять за це місце на довжину, достатню для передачі зусилля. У місці обриву додатково перевіряють міцність за зведеними напруженнями.

У балках зі шпренгелем розрахункова схема статично невизначена, тому жорсткості елементів підсилення спершу задають. Якщо після розрахунку вони відрізняються від прийнятих більш ніж на 30 %, розрахунок повторюють. Попередньо напружену балку розраховують так само, як звичайну попередньо напружену.

Що це означає для виготовлення

Елементи підсилення — це здебільшого листові й смугові деталі, ламелі, шпренгелі, затяжки. Їх виготовляють за кресленнями КМД. Особливість у тому, що існуюча конструкція нерухома, тому креслення мають враховувати положення швів, місця отворів і доступ зварника на об’єкті.

У цеху виготовляємо металоконструкції за кресленнями замовника, а креслення КМ і КМД розробляємо за потреби: проєктування КМ і КМД, виготовлення металоконструкцій. Обстеження перед підсиленням виконується як окрема послуга. Монтаж на об’єкті виконує партнерська будівельна компанія.

Нормативи й чинність

Стан конструкції перед підсиленням оцінюють за чинним порядком і методикою технічного обстеження (див. статті про обстеження вище), а розрахунок підсилення виконують за чинними нормами проєктування сталевих конструкцій: ДБН В.2.6-198:2014 «Сталеві конструкції. Норми проектування» і ДБН В.1.2-14:2018 «Загальні принципи забезпечення надійності та конструктивної безпеки будівель і споруд». Рішення узгоджують із чинними редакціями цих документів.