Швелери – один з найпопулярніших видів металопрокату, які використовують у балках перекриттів, ригелях, несучих каркасах та інших конструкціях. Однак у процесі експлуатації або при переплануванні може виникнути ситуація, коли діючі навантаження зростають (додається обладнання, другий поверх, змінюються умови експлуатації). Що робити, якщо швелер, спочатку розрахований на одні навантаження, вже не справляється? Нижче розглянемо основні методи посилення швелерів, їхні технічні особливості та практичні поради.
Визначення проблеми: коли потрібне посилення?
- Збільшення навантаження
- З’являються нові навантаження: додаткове обладнання, перевантажені перекриття, встановлення інженерних систем тощо.
- Зміни в плануванні (пробивання прорізів, перенесення колон) викликають нерівномірний перерозподіл сил.
- Діагностика стану
- Візуально: можливі прогини, тріщини в місцях спирання, ослаблення зварних швів.
- Вимірювання фактичного прогину: якщо він перевищує гранично допустимі (наприклад, L/250 або L/300 залежно від норм), варто задуматися про посилення.
- Розрахункова перевірка: інженери перераховують несучу здатність швелера за нового навантаження і з’ясовують «нестачу» в моменті опору (Wx) або в стійкості стінки і полиць.
Основні методи посилення швелерів: загальний огляд
- Здвоювання (з’єднання двох швелерів)
- Спосіб, коли до наявного швелеру додають другий (такого ж або меншого розміру), монтуючи їх полицями всередину або назовні.
- Між ними ставлять прокладки, або зварюють/скріплюють болтами для спільної роботи.
- Посилення листами (нарощування стінки і полиць)
- До наявного швелеру приварюють металевий лист (або смуги) для збільшення перетину.
- Можна наростити тільки стінку (збільшивши її товщину), полиці або і те, і інше.
- Коробчастий перетин
- Перетворення швелера на замкнуту балку: до полиць приварюється лист або другий швелер (спинками один до одного). У підсумку виходить прямокутний або коробчатий переріз, здатний витримувати великі згинальні моменти.
- Іноді для цього використовують куточки або листи, щоб «закрити» одну сторону швелера.
- Встановлення додаткових ребер жорсткості, підкосів
- Якщо проблема в локальній стійкості полиць або в поздовжньому вигині, можна додати вертикальні/горизонтальні ребра з куточка або смуги.
- У складних конструкціях (фермах, балках) допомагають підкоси, шпренгелі, перестановка опор.
- Попередня напруга
- Рідше застосовується для швелерів, але у великих проєктах можливий варіант із натягом (використовують анкерні стрижні, що дають протизгинальний момент).
- Складний метод, вимагає точного розрахунку і професійного оснащення.
Здвоювання швелерів: деталі та порівняння
Як це робиться
- Полиці всередину: беруть два однакових швелера, розгорнутих полицями один до одного, і зварюють їх між собою по довжині (або ставлять болти через прокладки). Утворюється майже замкнутий перетин, схожий на двотавр.
- Полиці назовні: рідше, але зустрічається, коли важливо розширити поличну частину.
Переваги
- Значно збільшується момент опору (Wx) без «складних» операцій.
- «Фабричний» профіль: у вас виходить форма, близька до двотавра, що дає хорошу жорсткість.
Недоліки
- Потрібно місце для монтажу і підйому другого швелера.
- Маса істотно збільшується (доводиться купувати цілий додатковий швелер), здорожуючи проєкт.
- Можуть бути проблеми з підбором точно такого ж номера швелера, якщо старий прокат уже не випускається.
Порада: Для досягнення спільної роботи швелерів дуже важливо надійно зв’язати їхні стінки та полиці (зварюванням або болтами). Залишення зазорів без кріплення може призвести до розрізненої роботи і меншого ефекту посилення.
Посилення листами (нарощування стінки і полиць)
Суть методу
- До стінки швелера зсередини або зовні приварюють лист (або смугу) сталі, збільшуючи товщину і тим самим підвищуючи момент інерції та опору.
- Полиці можна також посилити смугами, привареними зверху або знизу, якщо проблема – брак міцності полиць на локальне навантаження.
Плюси та мінуси
- Плюси:
- Можна «доточувати» рівно стільки, скільки потрібно за розрахунком, не витрачаючи метал даремно.
- Не потрібно купувати ще один швелер.
- Зручно в місцях обмеженого доступу (смуги можна зварювати поетапно).
- Мінуси:
- Зварювання може бути великим (багато швів по всій довжині).
- Потрібно уважно контролювати якість швів, щоб лист не відшарувався під навантаженням.
- За великої різниці в товщині (наприклад, якщо ви берете товстий лист до тонкої стінки) можливі зварювальні деформації та підрізи.
Порада: Перед зварюванням листа до стінки швелера варто видалити іржу, окалину, забезпечити щільне прилягання. Краще прокласти рівномірні шви по контуру і, можливо, виконати «змійку» або «кроковий» шов по площі, якщо лист дуже широкий.
Формування коробчатого перерізу
Суть і ситуації застосування
- Беруть один швелер (або два), додають листи так, щоб «закрити» порожній простір і отримати замкнутий прямокутник (або короб).
- Застосовується, якщо потрібно істотно підвищити жорсткість і стійкість профілю під час вигину і кручення.
Плюси та мінуси
- Плюси:
- Створюється замкнутий перетин – дуже ефективний для опору крученню.
- Можна досягти великих приростів несучої здатності без гігантських витрат металу (коробчастий профіль працює дуже добре).
- Мінуси:
- Складність монтажу, багато зварювальних швів, ймовірність деформацій під час зварювання.
- Можливе скупчення вологи всередині коробки, що вимагає антикорозійного оброблення і герметизації.
Порада: Обов’язково забезпечте «вентиляційні» або дренажні отвори та покрийте внутрішню поверхню захисною речовиною (якщо доступно), щоб уникнути корозії в замкнутому просторі.
Додаткові заходи: ребра, підкоси, попереднє натягування
Ребра жорсткості
- Якщо полиці швелера «тонкі» і локально прогинаються, можна приварити ребра зі смуги або куточка перпендикулярно стінці.
- Таке доопрацювання підвищує стійкість полиць до місцевого вигину.
Підкоси, розтяжки
- У балках великої пролітної довжини, якщо не можна посилити сам профіль, додають опори-підкоси, шпренгелі, розкоси, зменшуючи ефективний проліт.
- Це простіше, ніж переробляти сам швелер, але вимагає перегляду планування або вільного простору під цими підкосами.
Попередня напруга
- Для довгих балок (мости, перекриття) іноді тягнуть стрижні (тяги), задаючи противигинальний момент.
- Складно в реалізації в побутових умовах, але в промисловому будівництві зустрічається.
Порівняння методів за економічністю та трудомісткістю
Метод | Приріст міцності | Трудомісткість зварювання | Металозатрати | Застосовність |
---|---|---|---|---|
Здвоювання швелерів | Високий (майже 2×) | Середня (треба зварювати 2 швелери по всій довжині) | Високі (другий швелер) | Коли потрібно істотно збільшити навантаження, маючи доступ для монтажу |
Посилення листами | Регульований (можна наростити 20-50% і т. д.) | Висока (приварювати лист або смуги на всю довжину) | Середні (листи можуть бути тоншими, ніж другий швелер) | Зручно, якщо не потрібно 2× збільшення, а лише «додати» міцності |
Коробчастий перетин | Дуже висока | Висока (багато швів, герметизація) | Середні-високі (листи, куточки) | За необхідності збільшити жорсткість на кручення, у серйозних проєктах |
Ребра жорсткості | Локальне посилення | Низька-середня (короткі шви) | Низькі (смуги/куточки) | У разі проблем із полицями, коли основні характеристики профілю влаштовують |
Підкоси, опори | Може радикально знизити прогин | Залежить від конструкції | Низькі (беремо куточок/профіль) | Коли можна зменшити проліт, не змінюючи сам швелер |
Практичні поради зі зварювання та монтажу
- Видаліть іржу та бруд зі швелера в зоні зварювання.
- Використовуйте електроди для низьковуглецевої сталі (УОНИ-13/55, МР-3 тощо) або напівавтомат із дротом у середовищі CO₂.
- Уникайте великих нерівномірних швів – намагайтеся зварювати невеликими ділянками «шаховим» методом, щоб зменшити викривлення.
- Контроль геометрії: після посилення перевірте, чи «не повело» швелер через зварювальні деформації, за необхідності виправте.
- Захист від корозії: після зварювання зачистіть шви, поґрунтуйте і пофарбуйте, особливо якщо швелер у сирому або вуличному приміщенні.
Приклад: як посилити швелер №16 за допомогою листів
Припустимо, у вас є швелер №16 (Wx ~80-90 см³), а розрахунок показує, що потрібно довести його до Wx ~120 см³. Ви вирішили наростити стінку листом завтовшки 4 мм, шириною, що дорівнює висоті швелера, приваривши його по всій довжині.
- Довжина балки: 5 м.
- Вага листа: якщо висота ~160 мм, довжина 5 м, товщина 4 мм → площа 0,16 × 5 = 0,8 м², маса при 1 мм ~7,85 кг/м² → 4 мм ~31,4 кг/м², разом 25,1 кг.
- Зварювання: рекомендується «рядкове» (не суцільний шов, а переривчастий), щоб зменшити деформації і при цьому забезпечити спільну роботу.
- Результат: розрахунок показує, що загальний Wx може збільшитися на 30-40%, що достатньо, щоб витримати оновлене навантаження.
Підсумкові рекомендації
- Проаналізуйте тип нестачі: не вистачає міцності стінки (вигин), стійкості полиць, чи потрібно підвищити жорсткість проти кручення?
- Виберіть метод посилення виходячи з того, наскільки потрібно збільшити несучу здатність. Якщо потрібен великий приріст – розгляньте здвоювання або коробчатий перетин. Якщо невеликий – додайте листи або ребра.
- Плануйте зварювальні роботи: забезпечте доступ, правильну послідовність накладення швів, контроль деформацій.
- Не забувайте про захист: після всіх робіт потрібно обов’язково покрити метал антикорозійними складами.
- У разі серйозних навантажень або відповідальних конструкцій (багатоповерхівки, промислові об’єкти) залучайте сертифікованих інженерів, які зроблять точний розрахунок за СНиП / ДБН / СРП і перевірять всі навантаження і режими експлуатації.
Таким чином, посилити швелер при збільшенні навантажень можна різними способами – від простого додавання листових накладок до створення повноцінного коробчатого профілю. Підсумковий вибір залежить від необхідного приросту міцності, наявних матеріалів, доступного простору і бюджету. За грамотного підходу ви зможете продовжити термін служби конструкції і безпечно витримувати збільшені навантаження.