Что было на площадке
Аэротенки построены в 1970-х годах в составе городских очистных сооружений Курска и к моменту разработки проекта продолжали работать. Обследование 2022 года признало техническое состояние аварийным: стеновые панели местами разрушены полностью.
Объект — открытая ёмкость 123 × 108,5 м, высотой от днища до верха стен 5,65 м, почти полностью заглублённая в грунт. В рабочем состоянии заполнена сточными водами городской хозяйственно-фекальной канализации на глубину 5 м.
Реконструкция ведётся по проекту «Реконструкция системы биологической очистки на городских очистных сооружениях г. Курска» и меняет не только состояние конструкций, но и саму схему: вместо трёх четырёхкоридорных секций проектируются четыре трёхкоридорные — мощность сооружения растёт.
Технология в двух словах
Сточная вода последовательно проходит четыре зоны, разделённые поперечными перегородками: анаэробную (дефосфотация, 48,0 × 9,0 × 5,0 м), первую аноксидную (32,0 × 9,0 × 5,0 м), вторую аноксидную (80,0 × 9,0 × 5,0 м) и аэробную (нитрификация, 200,0 × 9,0 × 5,0 м). В аноксидных зонах органика окисляется за счёт кислорода нитратов, азот восстанавливается до газообразного и уходит; в аэробной зоне аммонийный азот окисляется до нитритов и нитратов. Нитратная и аноксидная рециркуляция замыкают цикл.
Для расчётчика из этой технологии важно одно: в разных зонах стоит разное оборудование и по-разному распределяется вес жидкости. В аэробной зоне — дисковые аэраторы, в аноксидных и анаэробной — механические мешалки, и всё это висит на строительных конструкциях.
Конструктивные решения
Сборно-монолитные конструкции, потерявшие несущую способность, заменяются цельномонолитными по действующим нормам. Днище одновременно служит фундаментной плитой: толщина 500 мм, бетон B25, двухслойное рабочее армирование — А400 продольное, А240 поперечное. Продольные и поперечные стены той же толщины 500 мм, перегородки 300 и 400 мм; из того же бетона выполнены технологические плиты БМ-1 и БМ-2 и лотки.
Основание — пески средней крупности, средней плотности, с прослоями плотного; с глубины около 4,2 м водонасыщенные. Для такого сооружения это удачное основание, но с оговоркой: в районе осей 2/П–Н ниже подошвы песков залегает линза мягкопластичных суглинков с органикой. Несущие и деформационные характеристики там ниже — и это, как будет видно дальше, определило картину работы плиты.
Уровень грунтовых вод стоит на 0,7–1,2 м выше отметки заложения днища. С учётом сезонного прогнозного подъёма в расчёт заложено превышение до 1,74 м.
Расчётная модель
Конструкции и основание моделировались совместно, как требует п. 5.1.10 СП 22.13330.2016. Характеристики грунтов по материалам изысканий внесены в редактор «Грунт» ПК ЛИРА 10.12, по ним построена объёмная инженерно-геологическая модель.
Сама модель пространственная, на оболочечных КЭ 42 и 44 и универсальных стержневых КЭ 10. Размер — 113 973 узла и 111 532 конечных элемента. Основной шаг триангуляции 0,5 м: компромисс между детализацией конструкций, точностью и временем счёта. В точках стыковки стержневых и пластинчатых элементов применены абсолютно твёрдые тела — они срезают пики краевых напряжений, возникающие при схематизации.
Сооружение длиннее 50 м, поэтому по п. 5.1.5 СП 430.1325800.2018 оно разрезано осадочными швами в продольном и поперечном направлении — иначе неравномерные осадки плиты дадут сверхнормативное раскрытие трещин. Швы делят сооружение на изолированные отсеки, и каждый отсек работает как самостоятельная пространственная система. Механически они друг с другом не связаны: взаимодействие идёт только через общее основание, через напряжения в грунтовых массивах от соседних фундаментов.
Нагрузки и сочетания
Сбор нагрузок выполнен по СП 20.13330.2016, СП 31.13330.2012 (через п. 11.1.10 СП 32.13330.2018), СП 22.13330.2016, СП 296.1325800.2017, СП 43.13330.2012 и СП 35.13330.2010. Итого 20 загружений.
Собственный вес. Железобетон плотностью 2500 кг/м³ даёт 305 000 кН. К нему добавлены композитная решётка (1181 м², 173,8 кН), стальные ограждения и крепления трубопроводов (2762 пог. м, 1197,8 кН) и слой гидроизоляции толщиной 3 мм (39 104 м², 2531,8 кН) — распределёнными нагрузками. Коэффициенты надёжности: 1,1 для железобетона, 1,05 для стали, 1,3 для гидроизоляции. Для проверки на всплытие тот же вес берётся с коэффициентом 0,9 — здесь он работает в запас против выталкивающей силы.
Давление грунта. Заглублённая часть имеет обширную боковую поверхность. Давление от веса грунтов и отмостки определено аналитически в плоской постановке по п. 9.20 СП 22.13330.2016 — как на неподвижное подпорное сооружение, с учётом условной равномерно распределённой нагрузки на поверхности по п. В.18 СП 43.13330.2021. Коэффициент надёжности 1,15, эпюра трапециевидная по всей высоте от планировочной отметки до днища.
Грунтовые воды. Стены попадают в зону гидростатического давления на высоту 1,74 м от днища, днище — целиком. Нормативное давление на боковую поверхность — треугольная эпюра от 0 до 17,4 кН/м², на днище равномерная. Коэффициент надёжности 1,1, удельный вес воды 10 кН/м³.
Опасен здесь не рабочий режим, а обратный: пустая ёмкость. Когда сооружение опорожнено, днище изгибается вверх под отпором грунта и давлением воды. Именно этот случай задаёт плотность верхней зоны армирования днища.
Технологическое оборудование. По заданию инженера-технолога: 52 вертикальные мешалки по 600 кг, восемь шиберных задвижек, насосы аноксидной и нитратной рециркуляции, две системы аэрации на 2046 и 1364 дисковых диффузора, расходомеры, шандоры, воздухопроводы и трубопроводы рециркуляции и возвратного ила. Нагрузки приложены в местах крепления к конструкциям, коэффициент надёжности 1,05 по табл. 8.2 СП 20.13330.2016.
Технологическая жидкость. Рабочее заполнение — 5 м от днища. Дополнительно нормы (табл. 30 СП 31.13330.2021) требуют проверки на аварийный уровень до верха бортика, а п. 15.29 — проверки наиболее невыгодного посекционного заполнения. Поэтому в модели есть загружения, где заполнены только чётные или только нечётные секции: несимметричная загрузка нагружает перегородки иначе, чем полное заполнение.
Ветер. Сооружение поднимается над планировочной отметкой всего на 1,21 м, и ветровые нагрузки здесь не выглядят определяющими. Они добавлены в модель по указанию главного специалиста самарского филиала ФАУ «Главгосэкспертиза» — по четырём фронтальным направлениям: север, юг, запад, восток. Для пульсационной составляющей собственные частоты колебаний определены модальным анализом.
Моделирование выполнено по четырём фронтальным направлениям — ветер приложен к боковым поверхностям сооружения с каждой стороны.
Снег. Ёмкость открытая, на поверхности воды снег не откладывается. Снеговая нагрузка действует только на небольших площадях технологических плит БМ-1 и БМ-2, с учётом ветрового сноса с плоских покрытий. В расчёте участвует в двух взаимоисключающих формах: кратковременная с полным нормативным значением и длительная с пониженным (пп. 4.8 и 10.11 СП 20.13330.2016).
Полезные нагрузки приложены к горизонтальным поверхностям — плитам БМ-1, БМ-2 и ходовым мостикам: 0,7 кПа по п. 9-в табл. 8.3 СП 20.13330.2016, коэффициент надёжности 1,3, пониженное значение 0,245 кПа. Совместно со снегом не учитываются.
Пожарная машина — особая нагрузка. Пожарная нагрузка самого сооружения низкая, но рядом проходит покрытие, пригодное для проезда пожарной техники, и по п. 9.1 СП 296.1325800.2017 это требует учёта в особом сочетании. Ось двухосной тележки ставится в метре от стены — ближе не позволяют габариты техники, — нагрузка 160 кН на ось, по 80 кН на колесо, расстояние между колёсами 1,9 м, площадка передачи 0,2 × 0,6 м. Рассмотрены два варианта: у продольной и у поперечной наружной стены.
Сочетания составлены по разделу 6 СП 20.13330.2016 и п. 15.29 СП 31.13330.2021. Всего 72 расчётных сочетания — столько их набирается из-за четырёх направлений ветра и двух вариантов особого загружения.
Совместная работа с основанием
Нормы предписывают определять усилия с учётом совместной работы конструкций и основания. Для сооружения таких размеров это не формальность: на 123 метрах длины качество подстилающих слоёв заметно меняется. Под линзой мягкопластичных суглинков коэффициент постели ниже, плита проседает сильнее — и, чтобы остаться в равновесии, конструкции перераспределяют усилия, передавая больше нагрузки на жёсткие участки. Напряжённо-деформированное состояние получается несимметричным, и конструкции должны быть к этому готовы: не треснуть в самом неудачном месте под пятиметровым слоем сточных вод.
Технически система «конструкции — основание» считается итерациями: от пяти до десяти прогонов. Смысл каждой итерации — сблизить два параметра, отпор грунта и передаваемую фундаментом нагрузку. По третьему закону Ньютона они обязаны совпадать в каждой точке, но вычисляются из разных, ничем не связанных систем уравнений — отсюда и необходимость пересчёта. Ведётся диаграмма сходимости, и по ней виден шаг, после которого уточнение перестаёт что-либо менять.
Здесь сходимость наступила на девятом шаге. Одна итерация этой модели считается чуть больше десяти минут, с перезапусками полный расчёт занимает до двух часов. И пересчитывать приходится при каждой смене сочетания и при переходе от нормативных нагрузок к расчётным — это надо закладывать в методологию заранее, а не обнаруживать по ходу.
Результаты
Основание
Осадки и разности осадок ограничены СП 22.13330.2016 — и для новых, и для реконструируемых объектов. Деформации считались по схеме линейно деформируемого полупространства (п. 5.6.31) с проверкой по п. 5.6.7 относительно расчётного сопротивления грунта.
Дополнительная осадка фундаментных конструкций от реконструкции составила 0,2–3 мм — намного меньше значений табл. Е.1 приложения Е СП 22.13330.2016. Допустимость общих и дополнительных осадок при этом подтверждается не только сравнением с таблицей, но и пространственным прочностным расчётом конструкций, как указывает примечание 5 к той же таблице.
На пространственной картине осадок хорошо видно то, что задумывалось конструктивно: отсеки между деформационными швами работают самостоятельно. Герметичность и целостность ограждающих конструкций обеспечена самими швами, но механически это независимые тела, связанные только общим основанием.
Деформированная схема
Просмотр деформированной схемы — первая проверка на адекватность. По ней видно и недостатки конструктивного решения, и собственные промахи при моделировании: неверные связи, потерянные стыки, ошибки в задании нагрузок. На видео конструкция словно рассыпается на части — это те самые деформационные блоки, работающие независимо. Реальные перемещения при этом миллиметровые, такой вид даёт масштабирование.
Польза от этой проверки прямо зависит от опыта: нужно понимать, как конструкция должна работать, и иметь насмотренность на подобные модели.
Внутренние усилия
Расчёт ведётся по РСН, а не по РСУ. Это дольше, но даёт полное поле сочетаний: для каждого конструктивного элемента можно выбрать именно то сочетание, которое создаёт наибольшие напряжения в его расчётном сечении. Из ЛИРЫ выгружаются большие таблицы по интересующим группам конечных элементов, дальше группировка и отбор наиболее невыгодных сочетаний средствами Excel.
Отобранные усилия — моменты в двух направлениях, поперечные и нормальные силы — идут на контрольный ручной пересчёт по формулам СП и пособий. Визуализация усилий по РСН попутно даёт понимание работы конструкции: иногда видно, какое загружение определяющее для конкретного элемента, а иногда — как можно улучшить само конструктивное решение.
Армирование и трещиностойкость
Подбор армирования выполнен модулем «Конструирование» ПК ЛИРА 10.12. Расчёты по второй группе предельных состояний — образование и раскрытие трещин по пп. 8.2.4–8.2.14 СП 63.13330.2018 — велись по третьей категории требований к трещиностойкости (табл. Ж.4 СП 28.13330.2017, арматура А400 без предварительного напряжения). Предельная ширина раскрытия для среднеагрессивной среды: 0,15 мм непродолжительного, 0,10 мм продолжительного.
Именно трещиностойкость, а не прочность, стала здесь главным критерием подбора арматуры. Подбор по всем монолитным элементам занял около трёх часов машинного времени.
Нижняя зона днища: фоновое армирование ⌀16 А400 с шагом 200 мм, локальные зоны усиления ⌀22 А400 с шагом 100 мм, а у крайних наружных стен дополнительно ⌀28 А400 с шагом 100 мм. Последнее — прямое следствие особого воздействия от веса пожарной техники.
Поперечное армирование днища: фоновое ⌀10 А240 с шагом 200 мм, с локальными переходами на ⌀18 А240 с тем же шагом.
Все схемы армирования сведены в расчётно-пояснительную записку и переданы смежнику — инженеру, который выпускает чертежи железобетонных конструкций по СП 63.13330.2018.
Устойчивость против всплытия
Заглублённая ёмкость опорожняется по технологическим причинам — и в этот момент на неё действует выталкивающая сила. При недостаточном сопротивлении сооружение сдвигается с проектного положения и повреждается. Проверка обязательна по п. 15.29 СП 31.13330.2021, расчёт выполнен по п. 9.31 СП 22.13330.2016.
В сопротивление идут собственный вес конструкций вместе с набетонками и выравнивающими слоями, специальные пригрузы в виде объёмного омоноличивания углов коридоров и боковое трение грунта по вертикальным поверхностям — поверхность железобетона шероховатая, и вклад трения здесь заметный.
Запаса хватило, дополнительные меры не понадобились. Если бы уровень грунтовых вод оказался выше, следующим шагом были бы удерживающие сваи или грунтовые анкеры.
Результат
Проектная документация по объекту «Реконструкция системы биологической очистки на городских очистных сооружениях г. Курска» (корректировка, д. Ворошнево Курского района Курской области) прошла Главгосэкспертизу России.
Положительное заключение № 46-1-1-3-072962-2024 от 04.12.2024.
