Усиление стальных конструкций: способы и когда какой выбирают

Зачем усиливают

Причин две. Первая: несущая способность упала из-за дефектов и повреждений, и её нужно вернуть к проектной. Вторая: при реконструкции нагрузки выросли, и конструкция должна держать больше, чем закладывал проект. Часто действуют обе сразу, потому что усиливать приходится уже изношенную конструкцию.

Крайний случай усиления — замена элемента. Что выгоднее, усилить или заменить, решает экономика, а главное в ней — простой производства на время работ. Поэтому варианты сравнивают именно с учётом простоя, а не по стоимости металла.

Перед выбором способа нужны результаты обследования: каково фактическое состояние, какие характеристики стали, какие нагрузки действуют. Об этом отдельные статьи: диагностика и оценка состояния и уточнение характеристик стали.

Две группы способов

Всё многообразие решений сводится к двум группам. В первой конструктивная форма и расчётная схема не меняются, к сечению просто добавляют металл. Во второй регулируют усилия в существующих элементах: добавляют опоры, меняют расчётную схему или вводят предварительно напряжённые элементы.

Увеличение сечения

Это самый распространённый способ, и он ближе всего к проектированию новой конструкции, но с существенной разницей. Новые элементы располагают не там, где было бы оптимально, а там, где их можно завести и закрепить в действующем цехе с минимумом демонтажа. Поэтому форма усиленной конструкции обычно не самая выгодная с точки зрения новой.

Существующая конструкция неподвижна, и это диктует узлы. Положение швов, возможность сверлить отверстия и ставить болты приходится учитывать заранее. Основным способом крепления остаётся ручная сварка, и к проекту предъявляют требование: как можно меньше потолочных и вертикальных швов. Высокопрочные болты применяют реже, потому что нужны отверстия в существующей конструкции, а это заметно увеличивает трудоёмкость.

Материал существующего сечения воспринимает постоянную нагрузку или её часть, а эксплуатационные нагрузки дальше работают вместе: существующий металл плюс усиление. Именно поэтому без разгрузки этот способ не работает.

Дополнительные опоры и изменение схемы

Второй путь — не добавлять металл, а уменьшить усилия. Дополнительная опора сокращает пролёт. Шпренгель вводит дополнительные стержни и делает систему статически неопределимой. Замыкание шарниров на опорах превращает разрезную балку в неразрезную: усилия перераспределяются, и пролётный момент снижается.

Эти способы выравнивают эпюры усилий, лучше используют металл существующей конструкции и сосредотачивают усиление на отдельных участках. Как и увеличение сечения, они требуют частичной разгрузки.

Предварительное напряжение

Этот способ считают наиболее перспективным для стальных конструкций. Причин три: в расчётное сечение вводят высокопрочный материал затяжек, существующий металл используют полнее благодаря регулированию напряжений, а работ по креплению усиления минимум.

Есть и цена. Предварительно напряжённые элементы требуют затрат на поддержание заданного усилия в течение всего срока эксплуатации. Отдельный вариант повышает только жёсткость балки, не увеличивая несущую способность: он ограничивает рабочий прогиб и поднимает выносливость верхней зоны.

Пример: подкрановые балки

Подкрановая балка удобна для сравнения: на ней эффективно применяется каждый из способов. В таблице собрано, для каких пролётов и кранов лучше всего подходит каждый вариант.

Что закладывают в расчёт

Усиление рассчитывают по предельным состояниям по действующим нормам. Для первого предельного состояния берут начальную нагрузку, действовавшую до усиления, и дополнительную, приложенную после. Для второго — нормативные значения тех же двух частей.

Дальше логика такая. В растянутых и центрально-сжатых элементах детали усиления воспринимают только прирост усилия от нагрузок, добавленных после усиления. Для сжатых элементов добавляется ещё одно условие: потеря устойчивости происходит уже в стержне с новым сечением, поэтому в расчёт вводят гибкость после усиления. Для предварительного подбора площади усиления коэффициент продольного изгиба сначала принимают по гибкости до усиления, а потом уточняют по фактической гибкости нового сечения.

Внецентренно сжатые элементы усиливают, пока краевые напряжения не превысили определённой доли расчётного сопротивления. Детали усиления крепят к основному сечению сплошными швами малых катетов, обычно 3, 4, 5 или 6 мм. Для растянутых элементов и узлов швы тоже рекомендованы сплошные высотой 3–6 мм.

В балках расчёт имеет свои особенности. Для действующего цеха коэффициент условий работы берут 0,9, учитывая эксплуатационное состояние. Для несимметричного усиления принимают коэффициент асимметрии в пределах 1,1–1,5 и проверяют подобранные пояса по моментам сопротивления. Место теоретического обрыва элементов усиления определяют из условия по моменту, а сами элементы заводят за это место на длину, достаточную для передачи усилия. В месте обрыва дополнительно проверяют прочность по приведённым напряжениям.

В балках со шпренгелем расчётная схема статически неопределима, поэтому жёсткости элементов усиления сначала задают. Если после расчёта они отличаются от принятых более чем на 30 %, расчёт повторяют. Предварительно напряжённую балку рассчитывают так же, как обычную предварительно напряжённую.

Что это значит для изготовления

Элементы усиления — это в основном листовые и полосовые детали, ламели, шпренгели, затяжки. Их изготавливают по чертежам КМД. Особенность в том, что существующая конструкция неподвижна, поэтому чертежи должны учитывать положение швов, места отверстий и доступ сварщика на объекте.

В цехе изготавливаем металлоконструкции по чертежам заказчика, а чертежи КМ и КМД разрабатываем при необходимости: проектирование КМ и КМД, изготовление металлоконструкций. Обследование перед усилением выполняется как отдельная услуга. Монтаж на объекте выполняет партнёрская строительная компания.

Нормативы и действительность

Состояние конструкции перед усилением оценивают по действующему порядку и методике технического обследования (см. статьи об обследовании выше), а расчёт усиления выполняют по действующим нормам проектирования стальных конструкций: ДБН В.2.6-198:2014 «Стальные конструкции. Нормы проектирования» и ДБН В.1.2-14:2018 «Общие принципы обеспечения надёжности и конструктивной безопасности зданий и сооружений». Решения согласовывают с действующими редакциями этих документов.