Эффективное усиление строительных конструкций металлическими обоймами

Усиление несущих строительных конструкций — одна из наиболее востребованных задач при реконструкции и восстановлении зданий. Со временем под воздействием нагрузок и природных факторов прочностные характеристики конструкций снижаются, что требует мер по их усилению. 

Одним из распространенных и эффективных методов усиления является применение металлических обойм. Они позволяют в разы повысить несущую способность ослабленных конструктивных элементов зданий при относительно невысоких затратах.

В данной статье мы подробно разберем, что представляют собой металлические обоймы, рассмотрим их разновидности и особенности применения для усиления железобетонных, каменных и металлических конструкций. Опишем, как правильно подобрать обоймы и смонтировать их на разных объектах. А также ответим на вопрос, в каких случаях использование обойм дает наибольший эффект по сравнению с другими методами.

Рассчитываем, что информация будет полезна как проектировщикам и инженерам, выбирающим оптимальные решения по восстановлению конструкций, так и строителям, непосредственно выполняющим усиление обоймами.

Содержание:

  1. Что такое усиление конструкций и зачем это нужно?
  2. Какие бывают способы усиления конструкций?
  3. Что представляют собой металлические обоймы?
  4. Классификация металлических обойм для усиления строительных конструкций.
  5. Особенности работы и преимущества металлических обойм.
  6. Как правильно подобрать обоймы под конкретную конструкцию?
  7. Как монтируются металлические обоймы на разные типы конструкций?
  8. Нюансы технологического процесса усиления некоторых конструктивных элементов.
  9. Какие преимущества даёт использование металлических обойм по сравнению с другими видами усиления конструкций?
  10. Какие ошибки чаще всего допускают при усилении металлическими обоймами?

 

 

Что такое усиление конструкций и зачем это нужно?

Усиление конструкций - это комплекс работ по повышению несущей способности и восстановлению эксплуатационных характеристик строительных конструктивных элементов. Целями усиления являются предотвращение обрушений, обеспечение длительной безопасной эксплуатации, а также расширение функциональных возмож ностей зданий при реконструкции.

Какие бывают способы усиления конструкций?

К основным способам усиления относятся:

  • Устройство металлических обойм, рассматриваемых в данной статье. Они эффективны для усиления разных материалов конструкций.
  • Установка дополнительных стоек, распорок и рам. Применяются чаще при усилении каркасных зданий.
  • Бетонирование дополнительных элементов, таких как обоймы, шпоны, корсеты. Используется для железобетонных и каменных стен, колонн, балок.
  • Инъецирование трещин специальными составами. Применяется как самостоятельный метод или с другими видами усиления.
  • Композитное усиление с использованием углеродного волокна. Эффективно, но дороже традиционных методов.

Каждый из методов имеет свои плюсы, минусы и области применения.


Что представляют собой металлические обоймы?

Металлические обоймы — это замкнутые контуры из стальных элементов, охватывающие усиливаемые конструкции. Они позволяют перераспределить часть нагрузки на себя, тем самым снижая напряжения в ослабленной конструкции.

Основными целями применения металлических обойм являются:

  • Восстановление или увеличение несущей способности конструкций, поврежденных или ослабленных в процессе эксплуатации, после аварий или при изменении условий работы.
  • Обеспечение возможности дальнейшей безопасной эксплуатации конструкций или всего здания в целом.
  • Усиление конструкций перед проведением работ по реконструкции или перепланировке зданий, когда предусмотрено изменение расчетной схемы и увеличение нагрузок.
  • Компенсация недостатков первоначального проектирования конструкций, а также ошибок при изготовлении и монтаже.

 

Таким образом, применение металлических обойм позволяет оперативно и эффективно решить задачи по обеспечению безопасности и продлению срока службы зданий при дефектах конструкций или изменении условий их работы.


Классификация металлических обойм для усиления строительных конструкций

Металлические обоймы классифицируют по следующим основным признакам:

1. По материалу изготовления:

- Композитные (стеклопластик, углепластик, сталефибробетон и др.).
- Из алюминиевых сплавов.
- Стальные.

2. По способу изготовления:

- Сварные (собранные из стальных элементов).
- Цельнокатаные (из цельного проката).
- Монолитные (замоноличенные бетоном).

3. По форме поперечного сечения:

- Из двутавра. 
- Из швеллера.
- Из уголка и полосы.
- Прямоугольные обоймы.
 
4. По характеру работы:

- Внешние (охватывающие усиливаемый элемент).
- Внутренние (встраиваемые в каменные или кирпичные конструкции).

 

Выбор типа и конструкции обоймы зависит от многих факторов: материала и габаритов усиливаемого элемента, величины и характера нагрузок, требований архитектурно-планировочного характера и т.д.


Особенности работы и преимущества металлических обойм

Принцип работы металлических обойм основан на перераспределении усилий между ослабленной конструкцией и установленной обоймой. За счёт этого снижаются внутренние напряжения в усиливаемом элементе, позволяя избежать разрушения.

Основные преимущества металлических обойм:

  • Высокая прочность и способность воспринимать значительные нагрузки.
  • Технологичность изготовления и монтажа.
  • Возможность многократно усиливать несущую способность конструкций.
  • Сравнительно невысокие затраты.
  • Применимость для широкого круга задач усиления.
  • Обратимость - возможность демонтажа после выработки срока службы.

Благодаря этим качествам, металлические обоймы пользуются высоким спросом при реализации проектов по усилению конструкций зданий и сооружений.


Как правильно подобрать обоймы под конкретную конструкцию?

Для обеспечения эффективного усиления обоймы должны удовлетворять расчётным параметрам: 

  • по несущей способности с учётом снижения характеристик конструкции;
  • по жёсткости исходя из требуемого ограничения прогибов и деформаций;
  • по устойчивости - во избежание потери местной устойчивости обоймы. 

Расчёт ведётся по действующим нормам проектирования стальных конструкций.

Также учитываются особенности геометрии усиливаемого элемента, технологичность конкретного решения и другие факторы. Необходимо провести обследование и расчёт нагрузок, а также подобрать сортамент, сечения элементов и детали конструктивных решений усиления с учетом действующих нормативов.


Как монтируются металлические обоймы на разные типы конструкций?

Технологический процесс усиления конструкций обоймами включает следующие основные этапы:

  • Обследование технического состояния конструкции, выявление дефектов и повреждений.
  • Проектирование усиления с подбором эффективной конструкции металлической обоймы, расчетом её параметров.
  • Изготовление обоймы в заводских условиях или непосредственно на строительной площадке.
  • Подготовка поверхности конструкции перед монтажом обоймы.
  • Установка и закрепление обойм на элементах конструкции в проектном положении.
  • Контроль качества выполненных работ, приемка результатов усиления.

 

Рассмотрим технологии монтажа обойм на бетонные, каменные и металлические конструкции. Особое внимание требуется уделить креплению и обеспечению совместной работы обойм с усиливаемыми элементами.

Монтаж обойм на бетонные и железобетонные конструкции: 

  • Подготовка поверхности - очистка, снятие ослабленного слоя бетона, обработка антикоррозионным составом.
  • Установка анкерных болтов в проектное положение (сверление отверстий, заделка сквозняков).
  • Установка и выверка обоймы.
  • Окончательная затяжка крепежа с проектным моментом.
  • Заполнение зазоров между обоймой и бетоном раствором.
  • Антикоррозионная обработка наружных поверхностей. 

Монтаж обойм на каменные конструкции имеет свои особенности: 

  • Предварительно удаляются дефектные участки кладки и расшиваются трещины.
  • Крепление осуществляется с помощью анкеров, забиваемых в шпуры, просверленные в кладке.
  • Пустоты также заполняются раствором для совместной работы с кладкой. 

Монтаж обойм на металлические конструкции: 

  • Тщательная подготовка поверхностей металла - очистка от ржавчины, обезжиривание.
  • Установка обойм в проектное положение и временное закрепление.
  • Сварка обоймы с элементами металлоконструкций. Используют ручную или механизированную сварку.
  • Контроль качества соединительных швов методами неразрушающего контроля.
  • Дополнительная антикоррозионная защита наружных поверхностей.
 

Особого внимания заслуживает обеспечение полноценного сопряжения обоймы с металлоконструкцией. Это ключевой момент, позволяющий им эффективно работать совместно. Также отметим, что возможно комбинированное закрепление, включающее элементы сварки и болтовых соединений.


Нюансы технологического процесса усиления некоторых конструктивных элементов.

Усиление фундаментов:

- При устройстве стальных обойм для усиления фундаментов важно обеспечить надежную заделку их нижней части в грунт или скальное основание. Для этого производится инъекционное закрепление выступающей части анкерных болтов или специальных удлиняющих стержней.

Усиление колонн:

- Монтаж обоймы на колонну и её соединение с опорным нижним узлом должно обеспечить передачу как вертикальных, так и горизонтальных усилий. В противном случае эффект усиления будет неполным.

Усиление балок:

- При наличии существенных прогибов балок помимо установки обойм также производят домкратное выравнивание пролетов для вывода из-под нагрузки с последующей подтяжкой узловых соединений.

Усиление стен:

- Для каменных и кирпичных стен могут применяться сквозные внутренние обоймы, вставляемые в специально образованные штрабы. А внешние обоймы монтируются с устройством локальных опор на перекрытия или фундамент.

Усиление деревянных конструкций:

- Металлические обоймы позволяют передать часть усилий с древесины на более прочный материал, компенсируя анизотропию древесных элементов. Установка производится с использованием болтовых или винтовых соединений.

Усиление при реконструкции зданий:

- Когда по проекту реконструкции предусмотрен демонтаж стен или перегородок, усиление обоймами позволяет обеспечить устойчивость конструкций на период проведения работ, а затем при новой расчетной схеме.

Усиление перекрытий:

- При недостаточной несущей способности плит перекрытий их усиливают снизу стальными обоймами в виде швеллеров или двутавров, объединенных в единую систему. Обойма монтируется на опорные конструкции и обеспечивает дополнительную опору для плит.

Усиление лестниц:

- Для лестничных конструкций широко применяют обоймы из стальных труб или швеллеров, охватывающие несущие элементы маршей и площадок. Они компенсируют потерю местной устойчивости от ползучести бетона.

Усиление подкрановых балок:

- Подвесные подкрановые пути усиливают сверху двутавровыми или коробчатыми обоймами, перераспределяющими нагрузки от крана. Крепятся обоймы с помощью болтовых или сварных узловых соединений.

Усиление резервуаров:

- Для резервуаров, газгольдеров и других емкостных сооружений актуальна проблема коррозионного износа и накопления повреждений от циклических нагрузок. Установка внешних обойм из листовой стали или профиля позволяет значительно продлить срок службы таких объектов.

Усиление башен и мачт:

- Металлические башни радиосвязи, опоры ЛЭП и другие подобные конструкции усиливают поясными внешними обоймами. Их устанавливают по периметру на отметках ослабленных сечений для компенсации потери устойчивости.

Усиление трубопроводов:

- Для магистральных трубопроводов применяют цилиндрические обоймы, монтируемые непосредственно на трубу в зоне дефекта. Они восстанавливают прочность и герметичность трубы, позволяя избежать замены большого участка.

Какие преимущества даёт использование металлических обойм по сравнению с другими видами усиления конструкций?

К основным преимуществам использования металлических обойм для усиления строительных конструкций относятся:

  1. Высокая надежность и эффективность усиления. Металлические обоймы способны воспринимать большие нагрузки, существенно увеличивая несущую способность конструкций.
  2. Технологичность. Относительная простота изготовления и монтажа обойм позволяет оперативно выполнить работы по усилению.
  3. Универсальность применения. Обоймы могут использовать усиления железобетонных, каменных, кирпичных и металлических конструкций.
  4. Сохранение геометрии усиливаемых элементов. Обоймы не увеличивают габариты сечения, что важно при ограниченном пространстве.
  5. Демонтажность конструкций. В отличие от бетонирования, металлические обоймы при необходимости могут быть демонтированы.
  6. Сравнительно невысокая стоимость по сравнению с применением композитных материалов.
  7. Еще одним плюсом металлических обойм является возможность их демонтажа и повторного использования после выработки срока службы или в случае изменения назначения усиливаемых конструкций.
 

Сравнение металлических обойм с другими распространёнными методами усиления по ряду параметров: 

  1. По технологичности:

- металлические обоймы более технологичны в изготовлении и монтаже по сравнению с бетонированием дополнительных элементов жёсткости;

- но уступают по трудоёмкости установке внешних композитных ламелей или углепластиковых обойм. 

  1. По экономичности:

- стоимость металлических обойм ниже применения композитных материалов и инъекционного усиления;

- но выше, чем при бетонировании или использовании домкратных устройств. 

  1. По быстродействию:

- монтаж металлоконструкций обойм осуществляется оперативнее, чем бетонирование или инъекционное усиление;

- но медленнее композитного усиления, не требующего подготовки поверхности. 

  1. По долговечности:

- срок службы стальных обойм выше бетонных или инъекционных, но ниже композитных и углепластиковых аналогов.

 

Таким образом, по большинству ключевых критериев металлические обоймы являются эффективным решением для усиления.


Какие ошибки чаще всего допускают при усилении металлическими обоймами?

  • Некорректный расчет сечений элементов обойм, без учета фактического состояния материалов конструкции.
  • Недооценка сложности монтажа, особенно при больших высотах и массе конструкций.
  • Недостаточные анкеровки и пропуск крепежа в опорных зонах обоймы.
  • Нарушения технологии монтажа, снижающие качество сопряжения обойм с конструкциями. 

Данные ошибки могут привести к снижению эффективности усиления, а в ряде случаев даже к обрушению конструкций.

Таким образом, тщательное соблюдение требований на всех этапах - от проектирования до реализации работ - является залогом эффективного и надёжного усиления строительных конструкций с применением металлических обойм.

 

Заключение

Итак, мы рассмотрели основные аспекты и вопросы, связанные с применением металлических обойм для усиления строительных конструкций различного типа и назначения. 

На основе приведенных данных можно сделать вывод, что усиление обоймами является эффективным, технологичным и востребованным на практике методом. Использование современных подходов при проектировании и строгом соблюдении технологии на этапе производства работ позволяет надежно восстановить или существенно увеличить несущую способность конструктивных элементов зданий и сооружений. 

Резюмируя изложенное, отметим, что грамотное и своевременное усиление ослабленных конструкций обоймами является эффективным способом продления срока службы объектов, обеспечения безопасной эксплуатации и снижения риска дорогостоящего капитального ремонта или полного демонтажа в будущем.