Strengthening of the cross-section of steel i-beams in the tension zone: a review of scientific research

Андрій Река; Тетяна Галінська; Дмитро Овсій; Мухліс Гаджієв

doi:10.26906/znp.2024.63.3871

Автор(и)

Андрій Река Національний унівеситет "Полтавська політехніка імені Юрія Кондратюка" https://orcid.org/0009-0002-7136-8585
Тетяна Галінська Національний унівеситет "Полтавська політехніка імені Юрія Кондратюка" https://orcid.org/0000-0002-6138-2757
Дмитро Овсій Національний унівеситет "Полтавська політехніка імені Юрія Кондратюка" https://orcid.org/0000-0001-7007-1857
Мухліс Гаджієв Азербайджанський архітектурно-будівельний університет https://orcid.org/0000-0001-6782-0941

DOI:

https://doi.org/10.26906/znp.2024.63.3871

Ключові слова:

сталеві балкові конструктивні елементи, ремонт та підсилення, збільшення поперечного перерізу, наукові дослідження, огляд

Анотація

В результаті довготривалої експлуатації сталеві балкові конструкції в існуючих будівлях і спорудах зазнають фізичного зношення, часткового чи повного руйнування під впливом агресивного середовища, статичних і динамічних навантажень вибухового типу. Під впливом агресивного середовища з підвищеною вологістю і перепадом температур, який характеризується циклічним заморожуванням та відтаюванням, наявністю хімічно активних сполук в рідині і повітрі, які безпосередньо контактують з конструкцією, в стальних балкових елементах виникають пошкодження у вигляді: появи і розвитку поверхневої корозії різної глибини на визначених ділянках чи по всій їх поверхні. Випадкова або непередбачена дія позапроектного статичного чи динамічного навантаження вибухового типу, також можуть призвести до перевантаження і появи ознак значного фізичного зносу і зрілої форми видимого руйнування сталевих балкових конструктивних елементів, таких як: залишкові деформації у вигляді прогинів, величина яких перевищує гранично допустиме значення; поява і розвиток тріщин різної орієнтації в полицях і стінці перерізу балки у зонах її згину і зрізу, особливо у місцях поблизу зварних швів чи місць зміни площі перерізу, де виникають локальні зміни структури матеріалу чи додаткові внутрішні напруження різної інтенсивності; наявність загального вигину поздовжньої осі балкового елементу із вертикальної площини, величина якого перевищує гранично допустиме значення; точкові чи локальні вминання (малкування, погнутість) полиці в стиснутій зоні чи вертикальної стінки, ребер жорсткості в перерізі балки на величину, що перевищує гранично допустиме значення. В п. 8.3 норм ДБН Б В.3.1-2:2016 [1] приведені основні методи і способи підсилення сталевих конструкцій, одним із варіантів яких є метод їх підсилення шляхом часткового збільшення площі їх поперечних перерізів. Також при виборі способу підсилення сталевих балок, згідно вимог п. 8.4.2 норм ДБН Б В.3.1-2:2016 [1], необхідно враховувати: умови обпирання на балку елементів перекриттів чи покриттів (по верхньому чи нижньому поясах); можливість збільшення будівельної висоти балки і наявність простору для розміщення елементів підсилення; можливість виконання робіт без зупинки виробництва або під час природних технологічних перерв; технологічні можливості виготовлення і монтажу елементів підсилення. В статті проведено огляд наукових досліджень, які присвячені методам і способам підсилення сталевих балкових конструктивних елементів шляхом збільшення (нарощування) поперечних перерізів за допомогою додаткових елементів із сталевих прокатних профілів, пластин, арматурних стержнів та пластин із полімерних матеріалів. Обгрунтовані основні висновки і напрямки подальших наукових досліджень ефективних методів і способів підсилення сталевих балкових конструктивних елементів, що здійснюються шляхом збільшення (нарощування) їх поперечних перерізів, які маємо можливість застосувати при ремонті та реконструкції будівель і споруд.

Посилання

1. DBN B V.3.1-2:2016. (2017). Structures of buildings and structures. Steel-reinforced concrete structures. Basic provisions. Ministry of Regional Development of Ukraine. Kyiv: Minregion Ukraine. (in Ukrainian)

2. Yang, J., Wadee, M. A., & Gardner, L. (2025). Strengthening of steel I-section beams by wire arc additive manufacturing – Concept and experiments. Engineering Structures, 322, 119113. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2024.119113 DOI: https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2024.119113

3. Yang, J., Wadee, M. A., & Gardner, L. (2025). Residual stresses in steel I-section beams strengthened by wire arc additive manufacturing. Journal of Constructional Steel Research, 232, 109606. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2025.109606 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2025.109606

4. Ghafoori, E., & Motavalli, M. (2015). Lateral-torsional buckling of steel I-beams retrofitted by bonded and un-bonded CFRP laminates with different pre-stress levels: Experimental and numerical study. Construction and Building Materials, 76, 194–206. http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.11.070 DOI: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.11.070

5. AbouEl-Hamd, O. R., Sweedan, A. M. I., El-Ariss, B., & El-Sawy, K. M. (2023). Experimental and numerical investigation of the behavior of steel beams strengthened by bolted hybrid FRP composites. Buildings, 13(3), 824. https://doi.org/10.3390/buildings13030824 DOI: https://doi.org/10.3390/buildings13030824

6. Wang, S., Li, L., Su, Q., Jiang, X., & Ghafoori, E. (2023). Strengthening of steel beams with adhesively bonded memory-steel strips. Thin-Walled Structures, 189, 110901. https://doi.org/10.1016/j.tws.2023.110901 DOI: https://doi.org/10.1016/j.tws.2023.110901

7. Linghoff, D., Al-Emrani, M., & Kliger, R. (2010). Performance of steel beams strengthened with CFRP laminate – Part 1: Laboratory tests. Composites Part B: Engineering, 41(7), 509–515. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2009.05.008 DOI: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2009.05.008

8. Liu, Y., & Gannon, L. (2009). Experimental behavior and strength of steel beams strengthened while under load. Journal of Constructional Steel Research, 65(6), 1346–1354. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2009.01.008 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2009.01.008

9. Ridha, S., Abbood, A., & Atshan, A. (2020). Evaluating the efficiency of strengthening hot-rolled I-sectioned steel beams by using additional plates and inclined stiffeners with various widths. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 870(1). IOP Publishing. https://bit.ly/44S2dT2 DOI: https://doi.org/10.1088/1757-899X/870/1/012102

10. Yossef, N. (2015). Strengthening steel I-beams by welding steel plates before or while loading. International Journal of Engineering Research & Technology, 4(07). https://bit.ly/44XiINw

11. Al-Balhawi, A., Shubber, A. N., Al-Asadi, L. S. M., Ibrahim, S. K., Hacheem, Z. A., Jassem, N. H., Dheyab, L. S., & AL-Ridha, A. S. D. (2022). Assessing the structural behavior of steel beams strengthening with additional plates. Materials Today: Proceedings, 62, 4562–4566. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.05.304 DOI: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.05.304

12. Kushnir, Yu. O. (2012). Experimental studies of the strength of steel beams strengthening with horizontal tightenings. Scientific and Technical Collection of KhNAMG: Municipal Utilities. Series: Technical Sciences and Architecture, 105, 168–179. https://khges.kname.edu.ua/index.php/khges/article/view/837/831

13. Mohammadzadeh, M., & Bhowmick, A. (2022). Behavior of steel I-beams reinforced while under load. In Lecture Notes in Civil Engineering (pp. 67–79). Singapore: Springer Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-19-0656-5_6 DOI: https://doi.org/10.1007/978-981-19-0656-5_6

14. Mohammadzadeh, M. (2022). Behaviour of steel I-beams reinforced while under load (PhD thesis). Concordia University, Montreal, Canada. https://spectrum.library.concordia.ca/id/eprint/991496/1/Mohammadzadeh_PhD_S2023.pdf

15. Taoum, A., Jiao, H., & Holloway, D. (2015). Using locally pre-stressed reinforcing bars to restore the capacity of severely damaged steel beams. International Journal of Steel Structures, 15(1), 125–134. https://doi.org/10.1007/s13296-015-3009-1 DOI: https://doi.org/10.1007/s13296-015-3009-1

16. Taoum, A., Jiao, H., & Holloway, D. (2015). Upgrading steel I-beams using local post-tensioning. Journal of Constructional Steel Research, 113, 127–134. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2015.06.012 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2015.06.012

17. Szewczyk, P., & Szumigała, M. (2021). Optimal design of steel–concrete composite beams strengthened under load. Materials, 14(16), 4715. https://doi.org/10.3390/ma14164715 DOI: https://doi.org/10.3390/ma14164715

18 El-Zohairy, A., & Salim, H. (2017). Parametric study for post-tensioned composite beams with external tendons. Advances in Structural Engineering, 20(10), 1433–1450. https://doi.org/10.1177/1369433216684352 DOI: https://doi.org/10.1177/1369433216684352

19. Izbash, M. (2008). Locally prestressed steel-reinforced concrete structures for new construction and reconstruction (Abstract of the Doctoral thesis). Kharkiv, Ukraine. http://lib.kart.edu.ua/bitstream/123456789/05985/1/aref_Izbash.pdf

20. Shemet, R. (2007). Steel-reinforced concrete continuous locally prestressed beams (Candidate of Technical Sciences thesis). Technical University of Construction and Architecture, Kharkiv, Ukraine. http://lib.kart.edu.ua/handle/123456789/6866

21. Galinska, T., Pents, V., & Kushnir, Y. (2014). Strengthening of steel-concrete beams with prestressed tensioning during the reconstruction of buildings and structures. In Proceedings of the IV International Conference “Construction, Reconstruction and Restoration of Municipal Buildings” (pp. 24–27). https://eprints.kname.edu.ua/38928/1/КНИГА%20по%20конференции2014.pdf