НИР по договору с ООО «АРКС» на тему «Уточненная оценка проектного и фактического состояний и несущей способности основания и несущих конструкций, выработка рекомендаций по реконструкции возведенного многофункционального жилого комплекса (г. Москва, ул. Минская и ул. Мосфильмовская) на основе математического моделирования с учетом данных геодезического мониторинга».

Постановка задачи

Проводились расчетные исследования построенного многофункционального жилого комплекса с целью уточнения проектного и фактического состояний и выработки рекомендаций по реконструкции.

Площадка строительства сооружения расположена в Западном Административном округе Москвы, на пересечении улиц Минской и Мосфильмовской. Многофункциональный жилой комплекс (МЖК) состоит из двух высотных зданий (36-этажный корпус «А» и 39-этажный корпус «Б», рис. 1) с верхними техническими этажами корпусов, объединенных четырехуровневой встроено-пристроенной подземной стилобатной частью с общими осевыми размерами в плане 135,0×88,4 м. Высота корпуса «А» от подошвы фундамента 153,3 м, высота корпуса «Б» 161,60 м.

Рис. 1. Вид МЖК. (а) разрез, (б) фото по состоянию по состоянию на 3 октября 2014 г.

Конструктивная схема здания – каркасно-стеновая из монолитного железобетона. Пространственная жесткость и устойчивость здания обеспечиваются совместной работой стен и колонн, стен лестнично-лифтовых блоков и плит перекрытий.

В расчетах учитывались весовые нагрузки в том числе снеговая и ветровое давление на фасадные конструкции в соответствии со СНиП 2.01.07-85* и СТУ. 

 

Методика

 

Определение напряженно-деформированного состояния несущих конструкций рассматриваемого объекта было выполнено по верифицированному в РААСН лицензионному программному комплексу (ПК) ANSYS 15.0, реализующему развитые схемы метода конечных элементов и метода суперэлементов для статических и динамических расчетов пространственных комбинированных систем.

Расчёт значений коэффициента постели и соответствующего его распределения под подошвой фундамента выполнялся в многофункциональном программном комплексе «ЛИРА-САПР» предназначенном для расчёта и проектирования строительных конструкций, совместно с модулем «ГРУНТ». При этом учитывалась приложенная с основанию следящая нагрузка, импортированная из программного комплекса «ANSYS 15.0» посредством специального макроса.

Для проверки достаточности проектного армирования в стенах, перекрытиях и фундаментной плите применялась сертифицированная программа «ОМ СНиП Железобетон» – разработка Научно-производственного и конструкторско-технологического бюро по оптимизации в технике ЗАО «НПКТБ ОПТИМИЗАЦИЯ» (руководитель – д.т.н., проф. Краковский М. Б.).

Для проверки армирования в колоннах применялась программа «АРБАТ» (продукт компании SCAD Soft.

В рамках проведенных исследований были выполнены многовариантные геометрически нелинейные расчеты, учитывающие наличие значимых перемещений и стадийность (последовательность) возведения и нагружения объекта (с запоминанием геометрического положения конструкций в процессе монтажа каждого этажа здания).

 

Расчетные КЭ-модели

 

На основании переданных Заказчиком файлов в формате AutoCAD с комплектом чертежей в программном комплексе ANSYS были построены «проектные» оболочечно-стержневые конечноэлементные модели корпусов «А» и «Б» и стилобатной части комплекса высотных зданий (рис. 2-5).

Плиты фундамента, перекрытий, несущие стены моделировались плоскими треугольными и четырехугольными в плане оболочечными КЭ постоянной толщины типа SHELL181. Колонны и балки были замоделированы пространственными стержневыми КЭ, работающими на растяжение-сжатие, изгиб, кручение и сдвиг типа BEAM188. Для моделирования упругого винклеровского основания применялись конечные элементы-пружины COMBIN14.

 

Рис. 2. Общий вид конечноэлементных моделей корпусов «А» и «Б» 

Рис. 3. Общий вид конечноэлементной модели центральной стилобатной части.

 

Рис. 4. КЭ-модель корпуса «А». (а) этаж на уровне -8.500м (-2 этаж); (б) этаж на уровне 69.000м (20-й этаж)

 

 

Рис. 5. КЭ-модель корпуса «А». Верхняя часть и «корона»

Коэффициенты постели винклеровского основания подбирались в ПК «ЛИРА-САПР» (система «ГРУНТ»), куда импортировалась КЭ-модель -4 этажа из программного комплекса «ANSYS 15.0» с сохранением жесткостей несущих элементов и следящей постоянной, временной нагрузкой от отсечённой модели здания, приложенной в местах отсечения. Фундаментной плите назначался расчёт коэффициентов постели С1 (коэффициент жесткости основания на сжатие по вертикальной оси Z) и C2 (коэффициент жесткости основания на сдвиг по осям XY) на основе грунтового основания (рис. 6).

Рис. 6. Общие изополя распределения С1[т/м³] (а) и С2 [т/м] (б) по модели Винклера с учётом взаимовлияния зданий

Также по данным инженерно-геологических изысканий была построена трехмерная КЭ-модель грунтового массива основания (рис. 7). Данная модель включала «стену в грунте» (толщиной 800 мм), являющуюся на начало этапа строительства ограждением котлована. Трехмерный грунтовый массив и «стена в грунте» моделировались объемными КЭ (типа SOLID45). Для учета реального взаимного скольжения грунтового массива и «стены в грунте» использовались контактные поверхностные КЭ (типа TARGE170 и CONTA173). Подробная трехмерная модель основания позволила учесть совместную работу всех зданий входящих в комплекс, а также влияние стены в грунте на жесткостные свойства основания.

На рис. 8 показана единая связанная КЭ-модель сооружения жилого комплекса и трехмерного грунтового основания. Вычислительная размерность этой модели составила: 1 174 678 конечных элементов, 776 893 узлов, 4 455 481 неизвестных.

Рис. 7. Общий вид КЭ-модели грунтового основания. Количество конечных элементов 443 574, количество узлов 90 153

Рис. 8. Общая КЭ модель зданий и грунтового основания. Цветами показаны разные материалы 

Основные результаты

 

Были выполнены расчеты отдельных сооружений (корпуса «А», «Б» и стилобатная часть) на винклеровском основании по одномоментной схеме и с учетом последовательности возведения (поэтажная схема) на собственный вес и 6 основных сочетаний нагрузок (рис. 9, 10). Получены перемещения сооружений жилого комплекса, вычислены относительные разности осадок фундамента для проверки на соответствие требованиям СНиП 2.02.01-83*.

Рис. 9. Перемещения UZ [м] фундаментной плиты корпуса «А». Мин. -0,299 [м], макс. -0,237 [м]. Первое сочетание нагрузок

 

Рис. 10. Перемещения UZ [м] корпуса «А». Первое сочетание нагрузок

 

 

Выполнялось также расчетное исследование связанной модели «грунтовый массив – стена в грунте – комплекс зданий» (ГСК). На рис. 11 показано расчетное распределение интенсивности горизонтального активного давления от собственного веса грунта на ограждающую конструкцию котлована (стена в грунте). Для сопоставления было рассмотрено три варианта расчетных моделей, которые дают принципиально различную картину осадок (рис. 12):

1. расчетная модель ГСК без стены в грунте;

2. расчетная модель ГСК со стеной в грунте с отсутствием скольжения грунта вдоль стены; 

3. расчетная модель ГСК со стеной в грунте с учетом скольжения грунта вдоль стены.

Рис. 11. Давление на стену в грунте, [кПа]

 

Рис. 12. Вертикальные перемещения расчетной модели, [м]: (а) расчет ГСК без стены в грунте; (б) расчета ГСК со стеной в грунте без учета скольжения грунта вдоль стены; (в) расчет со стеной в грунте с учетом скольжения грунта вдоль стены

Подбор арматуры по первому и второму (трещиностойкость) предельному состоянию производился в программном комплексе «ЛИРА-САПР» на основе части математической модели (сетки конечных элементов), экспортированной из программного комплекса ANSYS, с помощью специального макроса. Расчёт железобетонных конструкций выполнялся согласно СНиП 2.03.01-84* и СНиП 52-101-2003. Некоторые результаты представлены на рис. 13-15.

Рис. 13. Карта необходимой площади верхней арматуры по первому предельному состоянию. Корпус «A»

Рис. 14. Карта необходимой площади верхней арматуры по первому предельному состоянию. Корпус «Б»

Рис. 15. Подбор проектного армирования колонны К-1 по осям «17»-»Ж» в программе «Колонна»

В ходе выполненной работы были решены следующие основные задачи и получены значимые результаты:

1. Выполнен анализ и обобщены данные научно-исследовательской, изыскательской и проектной документации по объекту исследований, систематизированы и «отбракованы» данные мониторинга осадок деформационных марок на объекте «МЖК Долина Сетунь» (ООО «Сетунь-Строй»).

2. Разработаны и верифицированы пространственные оболочечно-стержневые конечноэлементные модели системы «винклеровское основание – несущие конструкции» зданий высотного комплекса по проектным данным: модель корпуса «А», модель корпуса «Б», модель центральной стилобатной части.

Для моделей корпусов «А» и «Б» проведены расчетные исследования по «одномоментной» схеме и с учетом последовательности возведения. Грунтовое основание задано эквивалентными коэффициентами постели.

Разработаны и верифицированы пространственные оболочечно-стержневые конечноэлементные модели зданий высотного комплекса с общим трехмерным массивом грунтового основания по проектным данным. Модели «грунтовый массив – стена в грунте – комплекс зданий» (ГСК):

– модель ГСК без учета «стены в грунте»;

– модель ГСК со «стеной в грунте» без учёта скольжения грунта по стене;

– модель ГСК со «стеной в грунте» с учётом скольжения грунта по стене.

Для моделей ГСК проведены расчетные исследования по «одномоментной» схеме.

3. При исследовании проектных моделей корпусов на винклеровском упругом основании было установлено, что распределение осадок фундаментной плиты высотных корпусов имеет близкий качественный и количественный характер для расчетов без учета и с учетом последовательности возведения. 

При исследовании моделей ГСК было установлено, что распределение осадок фундаментной плиты высотных корпусов при расчетах на собственный вес имеет близкий качественный и количественный характер для моделей без «стены в грунте» и со «стеной в грунте» с учётом скольжения грунта по стене.

Стоит также отметить, что модели ГСК оказались очень чувствительны к параметрам учета стены в грунте. Не возможность проскальзывания грунта по стене кардинальным образом меняет характер деформированной модели. 

Характер распределения осадок фундаментных плит корпусов «А» и «Б» не совпадает с данными мониторинга по деформационным маркам. Данный фактор вызван неучтенными параметрами в проектных моделях: актуальная гидрогеология, актуальная геология, учет последовательности строительных работ и др.

4. Максимальные горизонтальные перемещения при нормативных нагрузках (расчетные сочетания 1-3) для корпуса «А» составили 0,181 м и не превысили предельно допустимого горизонтального перемещения равного 0,307 м (согласно СНиП 2.01.07-85* таб. 22, 1/500 от высоты здания [30]). Для корпуса «Б» максимальные горизонтальные перемещения при нормативных нагрузках равны 0,144 м, что также не превышает предельно допустимого значения в 0,323 м (согласно СНиП 2.01.07-85* таб. 22, 1/500 от высоты здания), но сравнивая результаты с СП 126.13330.2012 п.8.8. (1/1000 от высоты здания, соответственно предельные перемещения для корпуса «А» равны 0,153 м, для корпуса «Б» 0,162 м), полученные перемещения корпуса «А» превышают допустимые на 18%.

Для оценки деформационных характеристик фундамента высотных корпусов были проведены расчеты на моделях с виклеровским упругим основанием при нормативных эксплуатационных нагрузках и 30% ветре с учетом коэффициента по ответственности 1.2. Для данных сочетаний (сочетания 1-2) максимальная относительная разность осадок фундамента корпуса «А» составила 0,0015, корпуса «Б» – 0,0012, которые не превышают предельно допустимое значение 0.002 для зданий такого типа.

5. Выполнены многовариантные расчетные исследования НДС и прочности пространственной системы несущих конструкций здания при нормативно регламентированных основных сочетаниях нагрузок на основе проектных конечноэлементных моделей с учетом последовательности возведения на винклеровском упругом основании. Установлено, что расчетные значения армирования фундаментной плиты высотных корпусов малочувствительны от схемы расчета (с учетом и без последовательности возведения).

6 Принятые проектные решения по обеспечению несущей способности железобетонных монолитных конструкций при эксплуатационных нагрузках соответствуют требованиям действующих обязательных к исполнению норм. Для фундаментной плиты корпуса «А», минимальный запас по несущей способности на 14% больше требуемого, для колонны подземной части данного корпуса – в 21 раз больше требуемого. Согласно анализу корпуса «Б», минимальный запас по несущей способности на 17% больше требуемого, для колонны подземной части данного корпуса – в 20 раз больше требуемого. Стоит отметить, что в некоторых локальных участках фундаментных плит, наблюдается низкое значение трещиностойкости, с дефицитом по армированию 43%, что может повлечь существенное снижение коррозионной стойкости арматуры и сплошности конструкции на данных участках.