Сталева балка

Сталеві балки відіграють ключову роль у будівництві – від зведення житлових споруд до масштабних інфраструктурних проєктів. Їхня міцність, надійність і різноманітність типів та розмірів дозволяють інженерам адаптувати їх під специфічні потреби кожного об’єкта. Проте вибір відповідної балки залежить від багатьох факторів: від навантаження до особливостей конструкції.

Одним із найпоширеніших типів є широкофланцеві балки, більш відомі як двотаври. Вони мають характерну форму з двома горизонтальними елементами – фланцями, з’єднаними вертикальним полотном. Така конструкція забезпечує високу стійкість до згину й ідеально підходить для несучих конструкцій у висотному будівництві.

Широкофланцева сталева балка

Вперше двотаврові балки скористались успіхом у 1888 році – в конструкції будівлі Ренда-МакНеллі у Чикаго, яка стала першою у світі сталевою спорудою. Істотно покращив технологію балок англійський інженер Генрі Грей. Перші моделі балок витримували лише будівлі до 20 поверхів, але Грей удосконалив метод прокатки, навчившись контролювати розподіл сталі всередині конструкції. Це дозволило знизити внутрішню напругу та збільшити розміри й міцність двотаврів.

Burnham & Root, Rand-McNally Building, Чикаго, 165 W. Adams Street, 1888.

Починаючи з XX століття, універсальні балки стали невід’ємною частиною індустріального пейзажу – в будівництві хмарочосів, мостів, заводів та інших об’єктів, що потребували надійних та економічно ефективних рішень.

Ідеї, які лягли в основу розрахунків балок, мають глибоке історичне коріння. Ще Леонардо да Вінчі досліджував поведінку балок під навантаженням, а Галілео намагався обчислити їхній опір згину. Та лише у 1826 році інженер Клод-Луї Нав’є опублікував «Міцність матеріалів» – працю, що стала фундаментом сучасної інженерної теорії згину балок.

Історія застосування металевих конструкцій в Україні починається з 1870-х років. Першими прикладами стали житлові будівлі в Інкермані (Крим) і реконструкція Андріївської церкви в Києві (1892), де дерев’яні елементи замінили на металеві.

Інкерман, Крим

Андріївська церква, 1900 рік. 

У другій половині XIX століття метал почали активно використовувати для великих споруд. Тоді ж почали застосовувати чавунні балки та залізні ферми.

Вражаючим прикладом інженерного підходу початку XX століття є Бесарабський ринок у Києві (1912, архітектори Г. Гай та М. Бобрусов). Його конструктивною основою стали сталеві тришарнірні наскрізні арки з прольотом 29,5 м і висотою 18 м. Арки мають просторовий переріз, утворений чотирма гілками, з'єднаними ґратами з легких кутників (у площині арки) і парними планками.

Опори арок – шарнірні та балансирні. Крайні прольоти перекриті легкими металевими фермами з паралельними поясами, що спираються на аркові стійки та цегляні стіни.

Бесарабський ринок, 1912 

Наразі в Україні працюють підприємства, що виготовляють як гарячекатані, так і зварні балки для будівництва та промисловості. 

До прикладу, Метінвест є одним із найбільших виробників металопрокату в Україні. Виготовляє двотаврові балки з вуглецевих і низьколегованих марок сталі для будівництва та машинобудування.  

Сучасним проєктом, котрий втілює повторне використання балок є RE:Ukraine Housing від Balbek Bureau. Він спрямований на створення тимчасового житла для внутрішньо переміщених осіб. Концепція базується на використанні модульних конструкцій, які можна швидко зібрати, адаптувати до різних умов і в разі потреби демонтувати для подальшого використання в іншому місці. Основна конструктивна система – дерев'яно-каркасна, однак у пілотному проєкті передбачено експериментування з іншими типами рішень, зокрема металевими каркасами та збірно-розбірними модулями.

Принцип будівництва. Попередня вартість реалізації проекту становить близько 350-550 доларів/м2. Малюнок: balbek bureau  

У цьому контексті повторне використання металевих елементів, зокрема сталевих балок, набуває особливої актуальності. Це дозволяє не лише пришвидшити процес будівництва, а й знизити екологічне навантаження. 

(інсайт) За даними досліджень, повторне застосування лише однієї тонни сталі дозволяє уникнути викидів парникових газів у межах від приблизно 1410 до 4760 кг CO₂-еквіваленту – що дорівнює поїздці дизельного авто на відстань від 8400 до 28 600 км. Таким чином, використання вже наявних металевих конструктивних елементів може стати вагомою частиною стратегії сталого відновлення житлової інфраструктури.

Іншим прикладом практичного підходу до повторного використання сталевих елементів у сучасному будівництві є проєкт Blue Steel Building у Лідсі, Велика Британія. Проєкт доводить, що повторне використання металевих конструкцій у масштабах цілої будівлі – не лише можливе, а й вигідне як з екологічної, так і з економічної точки зору. Проєкт реалізовано разом з постачальниками, які разом оцінювали якість балок та використовували практиний підхід для підтвердження їхньої придатності.

У межах реконструкції існуючий склад був піднятий на 3 метри за допомогою нових колон, тоді як портальні рами, кріплення, крокви та обрешітка були повторно використані. До будівлі також додали новий офісний блок із композитним металевим настилом.

Сталева рама, яку повторно використовують і розширюють на розподільчому складі в Лідсі. 

Сталеві балки виконують роль основних несучих елементів – вертикальних (як колони) або горизонтальних (як перемички чи балки). Їх застосовують як окремі деталі або як частини більших металевих конструкцій, таких як рами чи каркаси будівель. Підбір і розрахунок балок зазвичай здійснює проєктне бюро, а виготовлення й монтаж – спеціалізований підрядник.

Згинання широкої фланцевої балки

Балки класифікують за різними ознаками, залежно від використання та характеристик.

• Склад. Сучасні балки виготовляються переважно з конструкційної нелегованої сталі – це залізо з вмістом вуглецю до 2% та незначними домішками (марганець, кремній тощо). Їх не слід плутати з чавуном (крихкий), алюмінієм (легший) чи нержавійкою (із вмістом хрому).

• Виробництво. Балки – це продукція металургії, зазвичай сортовий або гарячекатаний прокат. Часто надходять у вигляді готових елементів або як такі, котрі потребують подальшої обробки.

• Вік. Сталь активно застосовують у будівництві з кінця XIX століття. Продукція, виготовлена після 1970-х, зазвичай відповідає сучасним стандартам випробувань (ULS/SLS).

• Форми. Найпоширеніші профілі: IPN, IPE, HEA, HEB, HEM, UPE, UPN – кожен має стандартні розміри та механічні властивості згідно з EN 10365.

1. Малюнок 1. Профіль IPN (The International Performer Number). Похилі фланці зі змінною товщиною.

2. Малюнок 2. Профіль High Edge (або європейський) A. Паралельні фланці.

3. Малюнок 3. Профіль UPN. Швелери європейського стандарту з паралельними фланцями.

Розрізняють також за типом обробки:

• Без обробки: темні, з іржавим нальотом; використовуються в прихованих конструкціях.

• Ґрунтовані: червонувато-коричневе покриття; застосовують у приміщеннях або перед фарбуванням.

• Оцинковані: захищені цинком або цинково-залізним сплавом, мають матову поверхню – підходять для зовнішнього використання.

• Металізовані: покриті металом методом напилення.

• З вогнезахистом: покриті спеціальними складами, зокрема інтумесцентними фарбами чи флоками (деякі можуть містити азбест).

• Органічні фарби та порошкове покриття: декоративні та захисні шари для відкритих інтер'єрних рішень.

Також способи кріплення балок можуть бути різними:

• Механічне: за допомогою болтів, заклепок, шпильок, пластин або шарнірів.

• Зварювання: з'єднання через зварні шви.

• Вмуровування: фіксація в кладці або бетоні.

Сучасні сталеві балки – це стандартизовані вироби, які за належної організації можна демонтувати без суттєвих труднощів. У цьому випадку йдеться про розбір балок окремо, хоча можливе також повторне використання цілих конструкцій чи великих елементів, як-от ферм.

Перед демонтажем сталевих балок необхідно провести попереднє обстеження. Воно дає змогу визначити, які з них придатні для повторного використання, та оцінити доцільність демонтажу з економічної точки зору. У випадках, коли йдеться про окремі елементи (наприклад, перемички), часто достатньо фото чи візиту на об’єкт, аби попередньо оцінити потенціал. Якщо ж планується відновлення всієї конструкції або її частини, потрібно ретельніше вивчити об'єкт – провести заміри, скласти план і зробити технічне обстеження.

Серед важливих критеріїв оцінки:

• стан балок і кількість елементів у партії;

• типи кріплень (болти, зварювання, заклепки), спосіб монтажу й можливості безпечного демонтажу;

• наявність покриттів, пошкоджень, отворів або арматури;

• логістика і терміни – доступ до об'єкта, обсяг робіт, вимоги до безпеки тощо.

Демонтаж балок потребує чіткої організації, особливо якщо роботи проводяться на висоті. Важливо гарантувати не лише безпеку персоналу, але й цілісність самих елементів. Рекомендується індивідуально маркувати балки – наприклад, на сердечнику – за допомогою стійких етикеток або маркерів.

• Болтові з'єднання можна розібрати механічно або зрізати якомога ближче до стиків. Важливо зважати на:

  • деформації болтів під навантаженням, які можуть ускладнити демонтаж;

  • потенційно небезпечне розривання зварних швів – для таких випадків слід обов’язково застосовувати підйомне обладнання;

  • балки не мають падати на землю під час зняття.

Після демонтажу балки сортують за типами і класами. Їх очищують від розчину й демонтують зайві елементи (арматуру, з’єднувачі), які можуть ускладнити подальше транспортування чи обробку. Балки з пошкодженнями або ознаками серйозного зносу вилучають із партій, призначених для повторного використання.

Не рекомендовано повторно використовувати балки, що мають наступні характеристики:

• Механічні пошкодження: елементи, що зазнали сильних ударів, пожеж або надмірного навантаження.

• Ознаки зношення матеріалу: поява тріщин внаслідок багатократних циклів навантаження чи вібрацій (наприклад, у шахтах ліфтів, на мостах, залізничних коліях тощо).

• Екстремальні умови експлуатації: вплив радіації або агресивних середовищ.

• Корозійне руйнування: втрата понад 5% товщини профілю – зазвичай у вологих чи підземних умовах.

• Пластичні деформації: помітне викривлення або нестабільна геометрія.

• Старі балки (до 1970 р.): сталеві елементи, виготовлені до впровадження сучасних стандартів, потребують додаткових випробувань перед повторним використанням.

Балки можна обробити в майстерні відповідно до потреб проекту (різьблення, зварювання, згинання, свердління тощо). Старі зварні з'єднання, ребра жорсткості та кутові планки часто не потребують видалення. Нові отвори для болтів можна робити на відстані не менше 100 мм від існуючих. Всі механічні операції мають відповідати стандартам для нових сталевих балок, наприклад, EN 10034 для двотаврових і тритаврових балок.

• Оригінальні покриття можуть містити небезпечні речовини, як свинець чи азбест.

• Не рекомендується зберігати старе вогнезахисне покриття, оскільки воно чутливе до вологості.

• При нанесенні нового покриття потрібно видалити старе за допомогою піскоструйної або хімічної обробки, дотримуючись відповідних стандартів.

• Якщо старе покриття пошкоджене під час демонтажу, може знадобитись його ремонт, з дотриманням сумісності з новими матеріалами.

Азбестове покриття сталевої балки. Фото: reddit

Через велику вагу сталі (щільність 7850 кг/м³), балки зазвичай транспортуються за допомогою підйомних пристроїв. Для довгих елементів рекомендується використовувати кілька точок підйому, які слід належно захистити.

Зберігати сталеві елементи можна на відкритому повітрі, без захисту від вологи та морозу, але слід уникати:

• прямого контакту з землею, щоб мінімізувати корозію;

• накопичення води на балках;

• деформації через недостатню кількість точок опори.

Сталь є довговічним матеріалом, який зазвичай не втрачає своїх властивостей при нормальних умовах експлуатації. Для оцінки придатності використаних сталевих балок необхідно знати певні характеристики залежно від призначення. Проектна група, зокрема інженери з питань стабільності, визначають, чи потрібні випробування для перевірки механічних властивостей та хімічного складу сталі. Оцінка може включати руйнівні або неруйнівні випробування, з подальшою екстраполяцією результатів на всю партію за допомогою статистичних методів і відбору зразків.

Хорошим прикладом ​​повторного використання окремих партій балок є проєкт архітектурного бюро Baubüro In Situ у Вінтертурі, Швейцарія (2021). Вони інтегрували 70 тонн використаних сталевих балок. Основну частину (60 т) отримали з демонтажу 15-річної будівлі, решту – з інших об’єктів. 

Через відсутність даних про якість сталі інженери передбачили мінімальні характеристики та застосували компенсаційні заходи, наприклад, збільшили кількість другорядних балок. Випробування не проводились, а обробку й ремонт елементів здійснювали лише вибірково. Вогнестійкість забезпечили бетонною заливкою балок. 

Архітектурні рішення значною мірою формувались на основі доступних типів і розмірів балок, а втручання в їхню конструкцію було мінімальним.

1. Лугченко, О., & Рапіна, К. (2012). Конспект лекцій з курсу «Металеві конструкції», 160 c.