Что это за сооружение
Метантенк — вновь возводимый объект в составе проекта «Реконструкция системы биологической очистки на городских очистных сооружениях г. Курска»; таких сооружений в проекте два, они идентичны.
Это монолитный железобетонный резервуар для анаэробного сбраживания осадка сточных вод в термофильном режиме, при +55 °C. В рабочем состоянии он заполнен сбраживаемым осадком на 16 м от днища, а в верхней камере копится выделяющийся метан. Сверху — технологическая площадка для обслуживания оборудования, подъём по наружной стальной лестнице.
Конструктивные решения
Резервуар круглый в плане: наружный диаметр 21,1 м, внутренний 19,5 м, высота 20,5 м. Днище-ростверк заглублено на 5,1 м, то есть часть сооружения сидит в грунте. Сопряжения монолитных элементов жёсткие.
Главная особенность конструкции — днище одновременно работает ростверком. Отсюда переменная толщина: от 0,7 м в центре до 2,2 м под наружными стенами, где сосредоточена основная нагрузка от стен и покрытия.
Фундамент свайный: 160 свай сечением 300 × 300 мм, длиной 10 м, по серии 1.011.1-10. Свайное поле круглое в плане, с радиальным шахматным и рядным расположением.
Стены толщиной 800 мм разбиты по высоте на три зоны с разным армированием. Покрытие — монолитная плита 400 мм в форме усечённого конуса: по краю с наклоном, в центре горизонтальная. По центру плиты устроена горловина с закладными деталями под технологическое оборудование, кроме неё в плите есть технологические отверстия, закладные под трубопроводы и технологическая камера. Все монолитные конструкции — бетон B25, армирование отдельными стержнями и сварными каркасами из стали А400, поперечная арматура А240.
Доступ к оборудованию на покрытии обеспечивают стальные конструкции — лестница и технологические площадки. Лестница стоит на собственных фундаментах и опирается на сооружение только в горизонтальном направлении. Площадки опираются прямо на плиту покрытия и передают на неё и вертикальные, и горизонтальные нагрузки.
Почему сваи
Под днищем залегают сильносжимаемые грунты — суглинки текучепластичные и мягкопластичные. Это и определило выбор: сваи висячие, они прорезают слабые слои и передают нагрузку на плотный водонасыщенный песок средней крупности, кровля которого лежит на 4 м ниже подошвы ростверка.
Второе обстоятельство важнее для расчёта: днище расположено ниже установившегося уровня грунтовых вод и на 4 м ниже максимального прогнозного. Это делает обязательной проверку резервуара на всплытие.
Расчётная модель
Конструкции и свайное основание моделировались совместно — по п. 5.1.10 СП 22.13330.2016 и п. 7.1.2 СП 24.13330.2021. Характеристики грунтов из отчёта по изысканиям внесены в редактор «Грунт» ПК ЛИРА 10.12, по ним построена объёмная инженерно-геологическая модель.
Модель пространственная, на четырёх типах конечных элементов: оболочки КЭ 42 и 44, толстые плиты КЭ 16 и 17 для ростверка, упругие сваи КЭ 57 и универсальные стержни КЭ 10. Размер — 25 555 узлов и 27 467 конечных элементов.
Шаг триангуляции разный по зонам, сетка подстраивалась под фактическое положение конструктивных элементов и условия их сопряжения. Самые насыщенные узлами места — плита покрытия, где на неё опираются стальные площадки, и днище-ростверк, опирающееся на свайное поле. В соединениях стержневых КЭ и одноузловых свай применены абсолютно твёрдые тела: они срезают пиковые усилия, возникающие при схематизации.
Жёсткости назначались так, чтобы схематизация как можно точнее повторяла проектное решение. Днище-ростверк разделено на три зоны по толщине, каждая со своей схемой армирования; стены при постоянной толщине — на три зоны по армированию. Это не формальность: разбиение позволяет подобрать армирование экономно там, где запас есть, и не промахнуться там, где его нет.
Стальные элементы внесены со своими фактическими жёсткостями по выбранным сечениям проката; стойки колпака — сдвоенный равнополочный уголок 75 × 75 × 5 по ГОСТ 8509-86. Конструкция и армирование свай приняты по типовому проекту серии 1.011.1-10.
Нагрузки и сочетания
Сбор нагрузок — 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 17 загружений и 56 расчётных сочетаний.
Собственный вес. ЛИРА учитывает его автоматически по геометрии сечений и материалам. Отдельно добавлены нагрузки от того, что в схему не входит, но по СП 20.13330.2016 относится к весу конструкций: гидроизоляция, теплоизоляция, отделочные слои. Коэффициенты надёжности: 1,1 для железобетона, 1,3 для изоляции и отделки, 1,05 для стали. Для проверки на всплытие — 0,9.
Давление грунта. Нижняя часть стен воспринимает боковое давление засыпки. Оно определено аналитически в плоской постановке по п. 9.20 СП 22.13330.2016 — как на неподвижное подпорное сооружение. Заглубление по боковой поверхности сверху вниз: 1,0 м насыпного грунта, 1,6 м ИГЭ-2а природной влажности, 2,6 м того же грунта в обводнённом состоянии со взвешивающим действием воды. Коэффициент надёжности 1,15, эпюра трапециевидная по всей высоте.
Грунтовые воды. Этот случай важен при опорожнении резервуара по технологическим причинам: вода давит на днище снизу и вызывает обратный изгиб. Здесь эффект не определяющий — фундамент свайный, — но нагрузка есть и в сочетаниях учитывается. Нормативное давление на боковую поверхность: треугольная эпюра от 0 до 40 кН/м², на днище равномерная. Коэффициент надёжности 1,1, удельный вес воды 10 кН/м³.
Технологическое оборудование. По технологическому разделу проекта на конструкции опираются производственный водопровод с греющим кабелем, газопровод низкого давления, трубопроводы смеси сырого осадка и избыточного ила (самотёчный и напорный, с тепловой изоляцией), трубопроводы циркуляции, сброженного осадка и перелива, механическая мешалка и газовое оборудование — всё с содержимым. Нагрузки приложены в местах крепления, коэффициент надёжности 1,05 по табл. 8.2 СП 20.13330.2016.
Технологическая жидкость. По примечанию 3 к табл. 30 СП 31.13330.2021 нормативная нагрузка принимается по гидростатическому давлению при максимальном проектном уровне, а расчётная — при уровне на 100 мм выше кромки перелива либо до верха стен. Проектный уровень 16,5 м от днища, переливной по отметке горловины 18,15 м. Отсюда нормативное длительное давление — переменная нагрузка от 0 до 165 кН/м², расчётное кратковременное — от 0 до 181,5 кН/м².
Ветер. Нагрузка считалась двумя частями: отдельно на резервуар, отдельно на решётчатые стальные конструкции — по разным схемам СП 20.13330.2016. Для круговой поверхности стен и конической поверхности покрытия аэродинамические коэффициенты внешнего давления определены по разделу В.1.12 приложения В, с вычислением числа Рейнольдса по В.1.11, анализом шероховатости по В.1.16 и коэффициента относительного удлинения по В.1.15. Для лестницы и площадок применён раздел В.1.14; ключевым здесь становится коэффициент заполнения решётчатых конструкций, ради которого пришлось делать дополнительные графические построения в плоскостях, перпендикулярных потоку.
Снег. Тоже раздельно — для покрытия резервуара и для стальных площадок, по разным схемам приложения Б СП 20.13330.2016. На горизонтальных поверхностях работает схема Б.1, где существенно влияние коэффициента сноса снега ветром.
Отдельного внимания потребовал вариант 2 для конических круговых покрытий по рис. Б.15 раздела Б.12. Там нагрузка задаётся функцией двух переменных: угла поворота относительно вертикальной оси конуса и расстояния точки от этой оси. Задать её вручную нельзя — загружение описано параметрически, синтаксисом C# в самой ЛИРЕ.
Пожарная машина. Рядом с сооружением есть площадка с твёрдым покрытием, пригодная для проезда пожарной техники, поэтому по СП 296.1325800.2017 её вес учитывается как особая нагрузка. Боковое воздействие на подземную часть стены, обращённую к площадке, определено аналитически по СП 43.13330.2012 с учётом физико-механических характеристик грунтов под зоной проезда.
Итоговый состав: постоянные нагрузки (собственный вес, грунт обратной засыпки, давление грунтовых вод), длительные (нормативный вес жидкости, оборудование, пониженные значения снега и полезной), кратковременные (полные значения снега и полезной, ветер) и особые (пожарная техника). Сочетания составлены по разделу 6 СП 20.13330.2016 и п. 15.29 СП 31.13330.2021.
Первая проверка — деформированная схема
Днище-ростверк здесь самая ответственная конструкция: оно несёт собственный массивный вес, воспринимает давление восемнадцатиметрового столба жидкости и передаёт всё это на свайное поле. При схематизации такой конструкции легко допустить неточность, которая исказит и несущую способность, и подбор арматуры. Поэтому сразу после расчёта оценивается правдоподобность результата, и первый шаг — деформированная схема: по характеру деформаций видно, верно ли введены данные о сооружении.
Расчёт делается несколько раз, с пошаговой отладкой модели. У кругового свайного поля сетка ростверка неизбежно набирается из разноформатных треугольных и четырёхугольных пластин — «правильными» прямоугольниками её не выложить. Точность от этого может падать, поэтому ручной контроль обязателен.
Когда числа вызывают сомнение, правится конечно-элементная сетка — дробится дополнительно, перепроверяются узловые соединения, — и считаются вспомогательные прикидочные модели попроще. Сам расчёт на современном компьютере занимает около двух минут; с отладкой и перепроверкой реально уходит от двух до четырёх часов.
Результаты: свайное основание
Свайное поле проверяется по требованиям СП 24.13330.2021 и СП 22.13330.2016 — по первой группе предельных состояний (прочность свай и ростверка, несущая способность грунта основания сваи) и по второй (максимальная осадка свайного основания, раскрытие трещин в сваях и ростверке).
Начинать удобно с нагрузок, которые сваи получают от ростверка. Их картина сразу даёт три вывода: основание работает равномерно и симметрично, эксцентриситета приложения центра масс нет — значит, опрокидывание исключено; горизонтальные усилия невелики, расчёт на потерю общей устойчивости не требуется; сваи нужно проверять на прочность по внецентренному сжатию. Самые нагруженные и определяющие надёжность всего фундамента — сваи внешнего кольца, прямо под наружными стенами.
Отсюда возникает резонный вопрос: почему бы не проредить недогруженные сваи в центре ростверка, увеличив между ними шаг. Ответ виден дальше: при обеспеченной прочности свай и несущей способности грунта важнее оказывается равномерность осадки свай относительно друг друга — а её как раз даёт плотная расстановка.
Предельная средняя осадка принята по п. 7.1.16 СП 24.13330.2021 и табл. Г.1 СП 22.13330.2016 как для жёсткого сооружения высотой до 100 м — 20 см. Осадка вычислена по п. 7.4.1 СП 24.13330.2021 с моделью условного фундамента на естественном основании и составила максимум 18,5 мм — кратно меньше предельной. Осадка свай однородна, несмотря на разную вертикальную нагрузку на них.
Несущая способность грунта проверена по п. 7.1.11; условие (7.2) проверялось с коэффициентом надёжности по грунту 1,4, поскольку несущая способность одиночной сваи определена по таблицам СП 24.13330.2021 (п. 7.2.4). Наглядно результат читается по коэффициенту использования несущей способности Fd: для выполнения условия он должен быть меньше 1,0 у всех свай. Полученный диапазон — от 0,83 до 0,98.
Это и есть хорошо спроектированный фундамент: избыточных запасов нет, то есть нет лишнего бетона и лишних работ, но при коэффициенте запаса по грунту 1,4 требуемая надёжность обеспечена. Основание отвечает требованиям ГОСТ 27751-2014.
Внутренние усилия в сваях вычисляются как в стержневых элементах. Для проверки прочности и трещиностойкости самих железобетонных свай в модель заложены параметры проектных свай сечением 300 × 300 мм по серии 1.011.1-10 из тяжёлого бетона B25.
Проверка показала достаточные запасы: использование по прочности максимум 92 %, по трещиностойкости 60 %, максимальное продолжительное раскрытие трещин 0,18 мм — в пределах п. 8.2.5 СП 63.13330.2018. Свайный фундамент в целом отвечает СП 24.13330.2021 и ГОСТ 27751-2014.
Внутренние усилия в конструкциях
Расчёт дал полную картину напряжённо-деформированного состояния при всех сочетаниях. Дальше её можно разбирать по элементам — например, посмотреть, как ведёт себя ростверк при разных видах нагрузок.
Практический интерес представляет табличный поиск экстремальных значений: из них потом выбираются расчётные моменты, нормальные и поперечные силы. Тот же выбор можно сделать и по экстремумам главных напряжений в тех же пластинчатых элементах.
При разборе сложных конструкций стоит смотреть не только изополя, но и направление силовых полей. У покрытия метантенка силовые линии показывают направление наибольшего сжатия и растяжения — по ним видно, где и как класть основную и дополнительную арматуру.
Стальные конструкции схематизированы стержнями. Отбор расчётных сочетаний для них устроен иначе, чем для пластин, но по сути так же. Дополнительно из расчёта берутся узловые реакции — без них не обосновать прочность и надёжность соединений.
Конструкционные расчёты
Подбор и проверку армирования монолитных конструкций делает модуль «Конструирование» ПК ЛИРА 10.12. Достоинство машинного метода — скорость: все конструктивные элементы обсчитываются за два-три часа с учётом самых неблагоприятных сочетаний. Прочность нормальных сечений проверяется по нелинейной деформационной модели согласно пп. 8.1.20–8.1.30 СП 63.13330.2018, трещиностойкость — по всем площадям, с зональной картиной ширины раскрытия. Вручную такой объём не посчитать.
Недостаток машинного метода — нет символьного расчёта. Ход решения пошагово не отследить, значит, стопроцентного доверия результат не заслуживает: наиболее ответственные конструкции пересчитываются руками. Особенно это касается прочности по наклонным сечениям и поперечной арматуры. Кроме того, программа до сих пор не считает анкеровку арматуры, закладные детали и не проверяет прочность и жёсткость узлов железобетонных конструкций — это делается в MathCad, где удобно организовать итерационный счёт операторами цикла.
Со сталью дела обстоят лучше: ЛИРА даёт подробный символьный расчёт, где видны все исходные, промежуточные и итоговые величины. Задача инженера — ввести корректные исходные данные, что не всегда очевидно: например, расчётные длины колонн для проверки устойчивости задаются в окне, в котором с первого раза без подсказки разобраться трудно.
Чего ЛИРА не умеет совсем — конструкционных расчётов соединений стальных конструкций. В этом она заметно отстаёт от конкурентов: у отечественного «Скада» под узлы есть с десяток программ-сателлитов, богатый функционал по узлам у IDEA StatiCa. Здесь все проверки узлов выполнены вручную.
Устойчивость против всплытия
Днище лежит на 4 м ниже максимального прогнозного уровня грунтовых вод, поэтому расчёт на всплытие при полном опорожнении обязателен.
Запас оказался кратным: выталкивающая сила при максимальном уровне грунтовых вод составляет 3 497 кН, тогда как один только собственный вес конструкций — 41 627,75 кН. Угрозы всплытия нет даже без учёта трения стен по грунту и сопротивления свай на выдёргивание — эти составляющие идут дополнительно в запас.
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.
