Методы и особенности усиления металлоконструкций

Усиление конструкций необходимо для зданий и сооружений, которые подвергались различным типам нагрузок и деформаций, ослабившим их структурные компоненты. Эти деформации вызываются факторами окружающей среды или антропогенной деятельностью. Их последствия ставят под угрозу безопасность и устойчивость объекта и прилегающей территории. Для обеспечения долгосрочной надежности строений используются различные способы усиления металлических конструкций.

Зачем нужно усиливать металлоконструкции?

Основная цель усиления металлических конструкций — восстановить их первоначальную прочность и несущую способность для повышения общей стойкости зданий к будущим воздействиям. Благодаря модернизации конструкций сооружение может выдерживать большие нагрузки и напряжения, становится устойчивее к стихийным бедствиям. Укрепление продлевает срок службы постройки, повышает функциональность и производительность. Это экономически эффективная альтернатива сносу и реконструкции строительных объектов.

Техники упрочнения металлических конструкций рекомендуется применять в следующих случаях:

1. Дефекты проектирования или строительства. В проекте или при строительстве могут быть допущены ошибки — недостаточная длина сварного шва, слишком длинные разрезы компонентов. Эти дефекты ослабляют секции и влияют на устойчивость конструкции.
2. Случайные повреждения. Стальные конструкции могут деформироваться или иметь вмятины из-за случайных влияний — столкновений, ударов, скручиваний. Эти деформации снижают прочностные показатели и устойчивость элемента.
3. Коррозия и эрозия. Длительное воздействие агрессивных сред может привести к эрозии и коррозии металлоконструкций, что ослабляет секции и может вызвать развитие коррозионных трещин.
4. Изменения нагрузки. При проектировании конструкции часто не учитываются будущие изменения нагрузки, в результате чего исходная конструкция не сможет выдерживать новые нагрузки. В этом случае укрепление требуется для увеличения несущей способности конструкции.
5. Проблемы с качеством материалов. Использование металла, имеющего недостаточную прочность или дефекты, приводит к снижению общих характеристик конструкции.
6. Стихийные бедствия и аварии. Землетрясения, штормы и аварии могут нанести серьезный ущерб конструкции, что требует ремонта и усиления поврежденных частей.

Укрепление металлоконструкций особенно важно для зданий, расположенных в сейсмоопасных зонах. Необходимость в упрочнении определяется в процессе обследования строения, которое позволяет выявить слабые места конструкции и области, требующие укрепления.

Как усилить металлическую конструкцию?

Методы усиления металлических конструкций можно разделить на две большие группы:

• глобальные, которые рассматривают всю конструкцию как единое целое и служат для снижения нагрузки на все составные части;
• локальные, которые применяются на уровне составляющих для улучшения их определенных характеристик, таких как прочность или пластичность.

На практике часто используется комбинация двух или более методов. Обычно на первом этапе работ применяется глобальный метод, а на втором — локальные, чтобы укрепить отдельные компоненты, которые нуждаются в модернизации.

Сварка

При помощи сварки к верхним и нижним фланцам можно приварить пластины, уголки, швеллер, универсальные балки, универсальные колонны или тавровые профили. Детали, приваренные между верхним и нижним фланцами, образуют коробчатое сечение. Для повышения упрочнения можно соединить железобетонную плиту с балками снизу подходящими соединителями — уголками, тавровыми профилями, стержнями, шпильками, приваренными к верхнему фланцу.

Перед тем, как усилить металлоконструкцию, нужно тщательно продумать соединение между новыми и существующими элементами. При детализации сварки учитываются следующие моменты:

• угловые швы предпочтительнее стыковых, поскольку для их выполнения требуется меньший объем подготовки;
• сварка по возможности выполняется в нижнем положении, чтобы обеспечить легкий доступ к месту обработки и лучшее качество работ;
• сварные швы должны быть параллельны линии напряжения, чтобы избежать сдвига;
• прерывистые сварные швы требуют меньшего подвода тепла, поэтому более экономичны, чем варка по всей длине;
• более толстые секции требуется предварительно подогревать, чтобы снизить скорость охлаждения и гарантировать, что основной металл и металл сварного шва достигнут эквивалентных напряжений;
• необходимо выполнять пробные работы: приварить пластину к секции и проверить ударом молотка пластичность сварного шва и закалку основного металла.

Установка новых элементов

Распространенный способ усиления металлоконструкций — прикрепление дополнительных металлических пластин с помощью сварки или болтов. Они равномерно распределяют вес конструкции, снижая риск структурного отказа и повышая долговечность. Они оптимальны в ситуациях, когда пространство ограничено, поскольку увеличивают прочность детали без изменения размера. В средах, где существует опасность воздействия влаги или коррозионных факторов, пластины изготавливаются из коррозиестойких материалов или обрабатываются специальными составами.

Добавление вертикальных или горизонтальных ребер жесткости позволяет повысить сопротивление сдвигу и изгибу. Защитить конструкцию от прогиба, кручения, бокового прогиба и срыва болтов из-за чрезмерной нагрузки помогает установка моментных балок. Для уменьшения изгибающих моментов и бокового кручения используются диагональные распорки или боковые опоры.

Для создания сжимающих напряжений, которые будут противодействовать растягивающим напряжениям, в металлическую балку вставляются и натягиваются высокопрочные стальные арматурные стержни. Чтобы обеспечить дополнительную поддержку и уменьшить прогиб, снаружи конструкции устанавливаются натяжные тросы или стержни.

Усиление композитными материалами

В случаях, когда использование сварки и механических креплений невозможно из-за малой толщины поперечного сечения, применяется технология усиления металлоконструкций композитными материалами. В строительстве в основном используют композиты из полимерной матрицы, армированной углеродными волокнами. Волокна обеспечивают прочностные параметры композита, а матрица отвечает за передачу напряжения.

Механические свойства углеволокна зависят от многих факторов — процентного содержания и направления углеродных волокон, типа используемого связующего, спецификации смолы, поэтому различаются у разных производителей. Однако такие свойства, как модуль Юнга и предел прочности на разрыв, у композитов в несколько раз выше, чем у стали.

Для углепластиков важно значение температуры стеклования, при которой происходит переход из жидкого состояния в пластичное или стеклообразное состояние. Она зависит от используемой полимерной матрицы и влияет на несущую способность отдельных компонентов и всей конструкции.

Углеволокно обладает следующими преимуществами:

• высокий модуль упругости;
• высокая прочность и жесткость;
• коррозионная стойкость;
• долговечность;
• надежная фиксация на поверхности;
• низкая плотность;
• малые габариты и вес.

Композиты бывают разных форм и размеров. Часто это листы, полосы или стержни, размещаемые в зоне растяжения конструкций для увеличения способности к растяжению. Также их оборачивают вокруг балок. Самые тонкие одинарные слои имеют толщину около 0,165 мм, а в некоторых случаях бывают еще тоньше, что позволяет не утяжелять сооружение.

Как выбрать технологию усиления металлических конструкций?

При выборе метода усиления следует учитывать такие факторы, как текущее состояние балки, тип нагрузок, с которыми она сталкивается, стоимость и простота монтажа. Необходимо провести обследование строения и определить места, в которых не хватает прочности на изгиб, растяжение, сжатие или кручение. Важно учитывать коэффициент расширения металлоконструкции и укрепляющих элементов: поскольку материалы расширяются и сжимаются с разной скоростью, при их неправильном сочетании можно нанести сооружению больше вреда, чем пользы.