Когда требуется усиление металлоконструкций каркаса здания
Усиление каркаса здания необходимо при увеличении эксплуатационных нагрузок — установка мостового крана грузоподъёмностью 20–50 т вместо расчётных 10 т, монтаж тяжёлого технологического оборудования, надстройка второго этажа или антресолей, изменение пролётов со сносом колонн. Усиление балок и ферм каркаса также требуется при выявлении дефектов по результатам обследования — потеря сечения металла от коррозии на 15–30 %, трещины в сварных швах, деформации элементов от механических ударов или перегрузок. Для усиления балок и ферм каркаса пролётом 12–24 м применяется установка дополнительных раскосов или замена поясов на усиленные. Усиление каркаса здания цена зависит от объёма работ и способа усиления: наращивание сечения колонн сварными накладками — 3000–6000 руб./п.м, усиление ферм устройством дополнительных раскосов — 5000–10000 руб./узел.
Ремонт металлокаркаса требуется при локальных повреждениях — вырезка дефектных участков балок или поясов ферм с заменой на новые, правка погнутых элементов, усиление повреждённых сварных швов. Усиление металлических колонн необходимо при увеличении высоты здания — при надстройке второго этажа нагрузка на колонны первого этажа возрастает на 40–60 %, требуется увеличение сечения колонн или установка стальных обойм с анкеровкой в фундамент. Восстановление стального каркаса после аварийных воздействий — пожар, удар краном, снеговая перегрузка — включает дефектоскопию всех несущих элементов, замену или усиление деформированных узлов и восстановление проектной геометрии каркаса.
ПРОБЛЕМА: С какими рисками сталкивается заказчик при усилении металлоконструкций каркаса
Основная проблема — найти подрядчика с адекватной ценой усиления каркаса здания, который выполнит работы без демонтажа кровли и стенового ограждения. Усиление балок и ферм каркаса под крановую нагрузку — усиление ферм устройством дополнительных раскосов или замена нижнего пояса на усиленный — требует доступа к узлам ферм на высоте 8–12 м, сварки и сверления на весу. Если работы ведутся на действующем кране или над работающим оборудованием — каждый час простоя цеха обходится в 50–200 тыс. руб., и график усиления должен быть сжат до ночных смен или выходных. Усиление металлических колонн в зоне крановых путей — колонны в крановом пролёте несут и крановые, и снеговые нагрузки, их усиление под работающим краном требует снятия крана с рельсов на время сварочных работ, что возможно только в плановый останов производства на 2–5 дней.
Вторая проблема — неправильный выбор технологии усиления без конечно-элементного расчёта. Ремонт металлокаркаса с наращиванием сечения колонн без расчёта жёсткости узлов — увеличение сечения колонны в 1,5–2 раза увеличивает её жёсткость, при этом жёсткость примыкающих балок остаётся прежней. Изменение соотношения жёсткостей в узле «колонна–балка» перераспределяет изгибающие моменты — в усиленной колонне момент уменьшается, в неусиленных примыкающих балках растёт на 30–50 %, и разрушение может произойти в неожиданном месте. Восстановление стального каркаса с усилением только видимых дефектов, без расчёта всей схемы, даёт перегруз на смежные элементы — типичная ошибка, после которой через 3–6 месяцев трещина появляется в соседней балке или узле сопряжения.
НЕОЧЕВИДНЫЕ РИСКИ: О чём заказчик может не знать на этапе планирования усиления металлоконструкций
Первый скрытый риск — сварка нагруженных элементов без разгрузки. Усиление балок и ферм каркаса под нагрузкой — приварка накладок и усиливающих элементов к балке или ферме, находящейся под нагрузкой от собственного веса кровли (100–200 кг/м²), снега (100–200 кг/м² в сезон) и крановых нагрузок. Сварка создаёт местный нагрев металла до 1200–1500 °C в зоне шва, металл расширяется, и в усиляемом элементе возникают температурные напряжения, которые суммируются с рабочими. При неблагоприятном стечении обстоятельств — мороз (–20 °C), высокое содержание углерода в стали (Ст3сп с 0,2 % углерода при сварке в зоне прихваток без подогрева даёт трещины) — в зоне сварки образуются трещины длиной 50–150 мм, которые при дальнейшей эксплуатации развиваются до полного разрушения элемента. Сварка усиливающих элементов на нагруженных конструкциях допускается только с предварительным расчётом сварочных напряжений и строгим соблюдением режима — предварительный подогрев до 100–150 °C, пониженная сила тока, применение электродов с пониженным содержанием водорода (УОНИ 13/55).
Второй скрытый риск — потеря устойчивости усиленного элемента из плоскости. Усиление металлических колонн наращиванием сечения накладками только в плоскости рамы — колонна работает на продольный изгиб в двух плоскостях. Усиление в плоскости рамы (относительно оси Х) без усиления из плоскости (относительно оси Y) — при увеличении радиуса инерции только в плоскости Х гибкость относительно оси Y становится больше расчётной, и колонна может потерять устойчивость из плоскости с прогибом 50–100 мм при незначительном превышении нагрузки. Усиление каркаса здания должно предусматривать симметричное наращивание сечения всех колонн (в обеих плоскостях) или проверку каждой колонны по двум осям — игнорирование этого требования ведёт к внезапной потере устойчивости колонн при первом же снегопаде с нагрузкой 150–200 кг/м².
Третий неочевидный момент — коррозия в зоне контакта старого и нового металла. Восстановление стального каркаса с усилением колонн и балок стальными накладками — между существующим металлом и новой накладкой образуется зазор 0,5–2 мм. В этот зазор проникает влага и конденсат, создавая условия для щелевой коррозии, скорость которой в 3–5 раз выше атмосферной. Через 3–5 лет после усиления зона контакта старой колонны и накладки корродирует на глубину 1–2 мм, снижая сечение накладки на 10–15 % и сводя эффект усиления к нулю. Ремонт металлокаркаса с усилением накладками должен предусматривать герметизацию кромок накладок эпоксидным герметиком или нанесение цинконаполненного покрытия на внутреннюю поверхность накладки перед монтажом — эти работы включаются в проект, но часто игнорируются на стройплощадке.
РЕШЕНИЕ ОТ ВОЗВЕДЕНИЕ: Как наш опыт устраняет все перечисленные риски
ООО «ВОЗВЕДЕНИЕ» выполняет усиление металлоконструкций каркаса здания под ключ из ЛСТК и ЛМК в Тольятти, Самарской области и ЦФО. Специализируемся на быстровозводимых конструкциях с 2018 года — для каждого объекта разрабатываем конечно-элементную модель в SCAD с расчётом перераспределения усилий, сварочных напряжений и потери устойчивости. Начинаем с инструментального обследования — ультразвуковая дефектоскопия сварных швов и основного металла, замер толщины металла на коррозию, геодезический контроль прогибов балок и отклонений колонн от вертикали.
Усиление каркаса здания включает наращивание сечения колонн сварными накладками с симметричным усилением в обеих плоскостях, установку стальных обойм с последующим бетонированием зазора, замену или усиление связей и раскосов. Усиление балок и ферм каркаса — приварка дополнительных поясов и рёбер жёсткости, устройство дополнительных раскосов в фермах, замена нижнего пояса на усиленный с разгрузкой домкратами на время сварки. Усиление металлических колонн — с герметизацией кромок накладок эпоксидным герметиком и подогревом металла перед сваркой. Ремонт металлокаркаса — вырезка дефектных участков с заменой, правка погнутых элементов домкратами с подогревом, восстановление сварных швов. Восстановление стального каркаса после коррозии — с зачисткой до чистого металла, усилением поясов ферм уголками и антикоррозионной защитой усиленных участков.
Имеем лицензию МЧС № 63-06-2021-026584 и допуск СРО рег. № СС-СЧ-6324093743-1585-18. Являемся резидентом технопарка «Жигулёвская долина» (запись № ЖД.0279.2018). Выступаем генподрядчиком усиления под ключ либо субподрядчиком по сварке и монтажу усиливающих элементов. Цена усиления каркаса здания фиксируется после обследования и расчёта. Гарантии фиксируем в договоре.
