Усиления швеллеров при увеличении нагрузок

Швеллеры – один из самых популярных видов металлопроката, которые используют в балках перекрытий, ригелях, несущих каркасах и прочих конструкциях. Однако в процессе эксплуатации или при перепланировке может возникнуть ситуация, когда действующие нагрузки растут (добавляется оборудование, второй этаж, изменяются условия эксплуатации). Что делать, если швеллер, изначально рассчитанный на одни нагрузки, уже не справляется? Ниже рассмотрим основные методы усиления швеллеров, их технические особенности и практические советы.

Определение проблемы: когда требуется усиление?

1. Увеличение нагрузки
   • Появляются новые нагрузки: дополнительное оборудование, перегруженные перекрытия, установка инженерных систем и т. д.
   • Изменения в планировке (пробивка проёмов, перенос колонн) вызывают неравномерное перераспределение сил.
2. Диагностика состояния
   • Визуально: возможны прогибы, трещины в местах опирания, ослабление сварных швов.
   • Измерение фактического прогиба: если он превышает предельно допустимые (например, L/250 или L/300 в зависимости от норм), стоит задуматься об усилении.
   • Расчётная проверка: инженеры пересчитывают несущую способность швеллера при новой нагрузке и выясняют «недостаток» в моменте сопротивления (Wx) или в устойчивости стенки и полок.

Основные методы усиления швеллеров: общий обзор

1. Сдваивание (соединение двух швеллеров)
   • Способ, когда к существующему швеллеру добавляют второй (такого же или меньшего размера), монтируя их полками внутрь или наружу.
   • Между ними ставят прокладки, или сваривают/скрепляют болтами для совместной работы.
2. Усиление листами (наращивание стенки и полок)
   • К существующему швеллеру приваривают металлический лист (или полосы) для увеличения сечения.
   • Можно нарастить только стенку (увеличив её толщину), полки или и то, и другое.
3. Коробчатое сечение
   • Превращение швеллера в замкнутую балку: к полкам приваривается лист или второй швеллер (спинками друг к другу). В итоге получается прямоугольное или коробчатое сечение, способное выдерживать большие изгибающие моменты.
   • Иногда для этого используют уголки или листы, чтобы «закрыть» одну сторону швеллера.
4. Установка дополнительных рёбер жёсткости, подкосов
   • Если проблема в локальной устойчивости полок или в продольном изгибе, можно добавить вертикальные/горизонтальные рёбра из уголка или полосы.
   • В сложных конструкциях (фермах, балках) помогают подкосы, шпренгели, перестановка опор.
5. Предварительное напряжение
   • Реже применяется для швеллеров, но в крупных проектах возможен вариант с натягом (используют анкерные стержни, дающие противоизгибающий момент).
   • Сложный метод, требует точного расчёта и профессионального оснащения.

Сдваивание швеллеров: детали и сравнения

Как это делается

• Полки внутрь: берут два одинаковых швеллера, развёрнутых полками друг к другу, и сваривают их между собой по длине (либо ставят болты через прокладки). Образуется почти замкнутое сечение, похожее на двутавр.
• Полки наружу: реже, но встречается, когда важно расширить полочную часть.

Преимущества

• Значительно увеличивается момент сопротивления (Wx) без «сложных» операций.
• «Фабричный» профиль: у вас получается форма, близкая к двутавру, что даёт хорошую жёсткость.

Недостатки

• Нужно место для монтажа и подъёма второго швеллера.
• Масса существенно увеличивается (приходится покупать целый дополнительный швеллер), удорожая проект.
• Могут быть проблемы с подбором точно такого же номера швеллера, если старый прокат уже не выпускается.

Совет: Для достижения совместной работы швеллеров очень важно надёжно связать их стенки и полки (сваркой или болтами). Оставление зазоров без крепления может привести к разрозненной работе и меньшему эффекту усиления.

Усиление листами (наращивание стенки и полок)

Суть метода

• К стенке швеллера изнутри или снаружи приваривают лист (или полосу) стали, увеличивая толщину и тем самым повышая момент инерции и сопротивления.
• Полки можно также усилить полосами, приваренными сверху или снизу, если проблема – недостаток прочности полок на локальную нагрузку.

Плюсы и минусы

• Плюсы:
  • Можно «дотачивать» ровно столько, сколько нужно по расчёту, не тратя металл зря.
  • Не нужно покупать ещё один швеллер.
  • Удобно в местах ограниченного доступа (полосы можно сваривать поэтапно).
• Минусы:
  • Сварка может быть обширной (много швов по всей длине).
  • Нужно внимательно контролировать качество швов, чтобы лист не отслоился под нагрузкой.
  • При большой разнице в толщинах (например, если вы берёте толстый лист к тонкой стенке) возможны сварочные деформации и подрезы.

Совет: Перед сваркой листа к стенке швеллера стоит удалить ржавчину, окалину, обеспечить плотное прилегание. Лучше проложить равномерные швы по контуру и, возможно, выполнить «змейку» или «шаговый» шов по площади, если лист очень широкий.

Формирование коробчатого сечения

Суть и ситуации применения

• Берут один швеллер (или два), добавляют листы так, чтобы «закрыть» пустое пространство и получить замкнутый прямоугольник (или короб).
• Применяется, если требуется существенно повысить жёсткость и устойчивость профиля при изгибе и кручении.

Плюсы и минусы

• Плюсы:
  • Создаётся замкнутое сечение – очень эффективное для сопротивления кручению.
  • Можно достичь больших приростов несущей способности без гигантских затрат металла (коробчатый профиль работает очень хорошо).
• Минусы:
  • Сложность монтажа, много сварочных швов, вероятность деформаций при сварке.
  • Возможно скопление влаги внутри коробки, что требует антикоррозионной обработки и герметизации.

Совет: Обязательно обеспечьте «вентиляционные» или дренажные отверстия и покройте внутреннюю поверхность защитным составом (если доступно), чтобы избежать коррозии в замкнутом пространстве.

Дополнительные меры: рёбра, подкосы, предварительный натяг

Рёбра жёсткости

• Если полки швеллера «тонкие» и локально прогибаются, можно приварить рёбра из полосы или уголка перпендикулярно стенке.
• Такая доработка повышает устойчивость полок к местному изгибу.

Подкосы, растяжки

• В балках большой пролётной длины, если нельзя усилить сам профиль, добавляют опоры-подкосы, шпренгели, раскосы, уменьшая эффективный пролёт.
• Это проще, чем переделывать сам швеллер, но требует пересмотра планировки или свободного пространства под этими подкосами.

Предварительное напряжение

• Для длинных балок (мосты, перекрытия) иногда тянут стержни (тяги), задавая противоизгибающий момент.
• Сложно в реализации в бытовых условиях, но в промышленном строительстве встречается.

Сравнение методов по экономичности и трудоёмкости

Практические советы по сварке и монтажу

1. Удалите ржавчину и грязь со швеллера в зоне сварки.
2. Используйте электроды для низкоуглеродистой стали (УОНИ-13/55, МР-3 и т. п.) или полуавтомат с проволокой в среде CO₂.
3. Избегайте больших неравномерных швов – старайтесь сваривать небольшими участками «шахматным» методом, чтобы уменьшить коробление.
4. Контроль геометрии: после усиления проверьте «не повело ли» швеллер из-за сварочных деформаций, при необходимости правьте.
5. Защита от коррозии: после сварки зачистите швы, прогрунтуйте и покрасьте, особенно если швеллер в сыром или уличном помещении.

Пример: как усилить швеллер №16 с помощью листов

Предположим, у вас есть швеллер №16 (Wx ~80–90 см³), а расчёт показывает, что нужно довести его до Wx ~120 см³. Вы решили нарастить стенку листом толщиной 4 мм, шириной равной высоте швеллера, приварив его по всей длине.

• Длина балки: 5 м.
• Вес листа: если высота ~160 мм, длина 5 м, толщина 4 мм → площадь 0,16 × 5 = 0,8 м², масса при 1 мм ~7,85 кг/м² → 4 мм ~31,4 кг/м², итого 25,1 кг.
• Сварка: рекомендуется «строчечная» (не сплошной шов, а прерывистый), чтобы уменьшить деформации и при этом обеспечить совместную работу.
• Результат: расчёт показывает, что общий Wx может увеличиться на 30–40%, что достаточно, чтобы выдержать обновлённую нагрузку.

Итоговые рекомендации

1. Проанализируйте тип недостатка: не хватает прочности стенки (изгиб), устойчивости полок, или нужно повысить жёсткость против кручения?
2. Выберите метод усиления исходя из того, насколько нужно увеличить несущую способность. Если нужен большой прирост – рассмотрите сдваивание или коробчатое сечение. Если небольшой – добавьте листы или рёбра.
3. Планируйте сварочные работы: обеспечьте доступ, правильную последовательность наложения швов, контроль деформаций.
4. Не забывайте о защите: после всех работ нужно обязательно покрыть металл антикоррозионными составами.
5. При серьёзных нагрузках или ответственных конструкциях (многоэтажки, промышленные объекты) привлекайте сертифицированных инженеров, которые сделают точный расчёт по СНиП/ДБН/СП и проверят все нагрузки и режимы эксплуатации.

Таким образом, усилить швеллер при увеличении нагрузок можно разными способами – от простого добавления листовых накладок до создания полноценного коробчатого профиля. Итоговый выбор зависит от требуемого прироста прочности, имеющихся материалов, доступного пространства и бюджета. При грамотном подходе вы сможете продлить срок службы конструкции и безопасно выдерживать возросшие нагрузки.