Объект: «Модернизация береговых производственных объектов и сооружений (реконструкция обстановочной базы флота Ангарского района водных путей и судоходства в г. Иркутск)».
Решаемая задача
При монтаже стальных колонн были допущены отклонения от проектного положения сверх допусков СП 70.13330.2012. Горизонтальные и вертикальные смещения характерных точек колонн зафиксированы исполнительной геодезической съёмкой ответственных конструкций. Госстройнадзор Иркутской области поставил перед генеральным подрядчиком задачу дополнительно обосновать механическую надёжность и безопасность фактически возведённых конструкций. Сверхнормативные погрешности монтажа неизбежно создают дополнительные, непроектные эксцентриситеты приложения нагрузок на несущие элементы каркаса — а значит, условия для снижения расчётных запасов прочности, общей и местной устойчивости.
Наибольшие фактические смещения осей колонн в опорном сечении достигают 15 мм при допуске 5 мм (табл. 4.9 СП 70.13330.2012). В верхнем сечении — до 36 мм по буквенной оси, из плоскости рам, при допуске 12 мм для колонн высотой 14,4 м. Наибольшие отклонения высотных отметок опорных поверхностей колонн — 7 мм при допуске 5 мм.
Конструктивные решения
Здание каркасное, четырёхэтажное, с подвалом. Несущий каркас — стальные двутавровые колонны прокатного сечения 35К1 по ГОСТ Р 57837-2017; сечения части колонн усилены накладками из листовой стали на всю высоту. Сопряжение колонн с фундаментами вдоль цифровых осей и с главными балками жёсткое; вдоль буквенных осей — шарнирное. Главные балки — 40Б2, второстепенные — 30Б1 по ГОСТ Р 57837-2017, сопряжение второстепенных балок с главными шарнирное.
Устойчивость каркаса вдоль цифровых осей обеспечена поперечными рамами (жёсткие узлы главных балок с колоннами), в продольном направлении — вертикальными связями из гнутосварного профиля 160 × 6 по ГОСТ 30245-2003 и монолитными лестничными клетками, работающими как ядра жёсткости. Ядра сопряжены с каркасом жёстко через закладные детали и балки увеличенных сечений 40Ш1, 60Ш1, 35Ш2.
Покрытие — по прогонам из швеллера 22П по ГОСТ 8240-97, шарнирно уложенным на главные балки; горизонтальные связи покрытия — профиль 100 × 5, распорки в связевых блоках — 160 × 6. Все стальные конструкции из сталей С245 и С345. Перекрытия 1–3 этажей — монолитные по профлисту с гибкими упорами в виде арматурных петель. Покрытие с минераловатным утеплителем по профлисту, фасады — сэндвич-панели по стеновым ригелям 160 × 6. Фундамент — монолитная железобетонная плита, на которую колонны опираются через монолитные железобетонные столбы.
Расчётные модели
По поставленной задаче требовалось сравнить проектные усилия и запасы прочности, общей и местной устойчивости с фактическими. Поэтому все расчёты выполнены в двух постановках: с проектным положением осей колонн и с моделированием смещений осей и опорных узлов в пространстве. Всё моделирование — в ПК ЛИРА 10 (ООО «ЛИРА Софт») версии 2024 года.
Вспомогательная модель для уточнения схемы приложения нагрузок. Сталежелезобетонные плиты по профлисту с гибкими упорами работают как неразрезные, поэтому опорные реакции — и нагрузка на второстепенные балки — определяются с учётом неразрезности. Распределение только по грузовым площадям ошибочно: оно недооценивает нагрузку на вторые в ряду балки, где реакции неразрезной плиты имеют пик. Все загружения от плит пересчитаны через модель неразрезной шарнирно опёртой балки с опорами по проектному шагу второстепенных балок.
Передача нагрузок от неразрезных плит на второстепенные балки 
Вспомогательная модель: неразрезная шарнирно опёртая балка Расчётная модель грунтового основания. Характеристики грунтов приняты по техническому отчёту об инженерно-геологических изысканиях и внесены в редактор «Грунт» с абсолютными отметками залегания слоёв для построения объёмной инженерно-геологической модели; координаты и отметки устьев скважин — с точностью до 0,1 м.
Ввод данных скважин в редактор «Грунт» 
Характеристики грунтов основания 
Разрез по скважинам № 1 и № 2 модели грунта Линейная пространственная модель здания на КЭ 10 (универсальный пространственный стержень) и КЭ 42, 44 (тонкая оболочка) — для линейных расчётов на основные сочетания нагрузок.
Расчётная модель здания в пространственной линейной постановке Пространственная модель с конденсацией масс на основные узлы каркаса — для линейно-спектрального расчёта на особые сочетания с сейсмическими нагрузками в квазистатической постановке; проверка на расчётное землетрясение (РЗ).
Модель с конденсацией масс на узлы каркаса — для линейно-спектрального расчёта Геометрически нелинейная пространственная модель с КЭ 310 — проверка влияния смещения осей колонн в условиях геометрической нелинейности на основные и особые сочетания.
Геометрически нелинейная модель (КЭ 310) Динамическая модель здания с модулем «Динамика+» — расчёт на особые сочетания во временной области; проверка на контрольное землетрясение (КЗ).
Динамическая модель: узловые силы по акселерограммам, модуль «Динамика+» Плоская модель поперечной рамы — расчёт на устойчивость и определение расчётных длин колонн, в том числе с отклонениями осей от проектного положения.
Плоская модель поперечной рамы: первая форма потери устойчивости
Модели 3–6 выполнены в двух постановках: с проектным положением колонн и с фактическими отклонениями. Отклонения смоделированы введением поправочных смещений узлов колонн по всей длине по координатам X, Y, Z согласно материалам геодезической съёмки; связность узлов обеспечена функционалом твёрдых тел. Верификационные расчёты показали, что такой способ передаёт на конструкции дополнительные нагрузки, связанные с внецентренной передачей усилий на колонны и отклонением их осей и сечений от проектного положения.
Нагрузки и воздействия
Сбор нагрузок выполнен по СП 20.13330.2016 (с изменениями 1–6) и СП 14.13330.2018 (с изменениями 2–4).
| Нагрузка | Принято | γf |
|---|---|---|
| Собственный вес ж/б и сталежелезобетонных конструкций | тяжёлый бетон 24,5 кН/м³; перекрытия 1–3 этажей по профлисту | 1,1 |
| Собственный вес стальных конструкций | прокат 76,982 кН/м³, сечения 35К1, 40Б2, 20Б1, 40Ш1, 60Ш1, 35Ш2 | 1,05 |
| Вес перегородок (длительная) | 0,5 кПа по п. 8.2.2 СП 20 с учётом неразрезности плит | 1,2 |
| Полы | линолеум 5 мм / керамическая плитка 12 мм по стяжке | — |
| Фасад | сэндвич-панели ПМСМ-200, средневзвешенный коэффициент | 1,07 |
| Кровля | мембрана Logicroof V-RP 1,5 мм, утеплитель Техноруф, пароизоляция; 0,78 кН/м² на прогоны | — |
| Полезная | 2,0 кПа помещения, 3,0 кПа лестницы (табл. 8.3 СП 20) | 1,2 |
| Снег | II район, 1,05 кН/м²; мешки у парапета 1,05–1,2 кПа, у выходов на кровлю 2,1 кПа, у вентшахт 1,58 кПа; +1,1 на локальную неравномерность | 1,4 |
| Ветер | III район, 0,38 кПа, местность А; средняя составляющая 0,215–0,433 кПа; пульсация по собственным частотам каркаса | 1,4 |
Пульсационная составляющая ветровой нагрузки определена с учётом собственных частот колебаний каркаса: по п. 11.1.10 вычислена предельная частота, отобраны формы с динамическим вкладом (первые формы по обоим направлениям), для них определён коэффициент динамичности.
Сейсмические нагрузки
Площадка расположена в сейсмическом районе: по карте А ОСР-2015 — 8 баллов, грунты II категории по сейсмическим свойствам, расчётная сейсмичность площадки 8 баллов. Выполнена проверка по двум расчётным ситуациям п. 5.2 СП 14.13330.2018: на расчётное землетрясение (РЗ) и на контрольное землетрясение (КЗ); коэффициент надёжности K₀ = 1,0 в обоих случаях, коэффициенты сочетаний — по табл. 5.1.
Расчётное землетрясение. Воздействия по осям X и Y в составе особых сочетаний; массы сосредоточены в узлах поперечных рам в уровне перекрытий, учтены только нагрузки, создающие инерционные силы (п. 5.5); K₁ = 0,22 по табл. 5.2; ускорение основания 2,0 м/с²; Kψ = 1,0 по табл. 5.3; суммирование форм по формуле 5.9. Учтены все формы с эффективной модальной массой более 5 %, общая сумма — не менее 90 % массы системы: существенными оказались десять форм.
Контрольное землетрясение. Расчёт во временной области модулем «Динамика+» по акселерограммам из материалов микросейсморайонирования. При вводе применены повышающие поправки для достижения амплитуды ускорений не менее 2,0 м/с² (п. 5.2.2); K₁ = 1,0. Каждый узел модели нагружен динамической нагрузкой в трёх компонентах X, Y, Z.
Результаты расчёта
Главная задача этого расчёта нестандартна: нужно было не просто подтвердить несущую способность запроектированных конструкций, а доказать, что фактически смонтированные конструкции — с реальными отклонениями от проектного положения — остаются механически безопасными.
Все расчёты выполнены в двух параллельных вариантах: с проектным расположением осей колонн и с их фактическим смещением по исполнительной съёмке; результаты сопоставлены попарно по каждому типу силового фактора. Когда колонна смонтирована с отклонением, вертикальная нагрузка от перекрытий и покрытия перестаёт передаваться строго вдоль её оси. Возникает эксцентриситет — небольшой рычаг, который добавляет к сжатию дополнительный изгибающий момент и снижает запас несущей способности. Вопрос в том, насколько существенно — и остаётся ли у фактического состояния конструкций достаточный запас по всем нормируемым характеристикам. Именно на этот вопрос отвечает попарное сопоставление в отчёте.
Проектное и фактическое положение колонн
По результатам сравнительного анализа установлено: фактические смещения колонн увеличивают нормальные усилия и изгибающие моменты в элементах каркаса на 1–2 %. При имеющихся проектных запасах прочности такой прирост некритичен. По всем трём основным сочетаниям — с ветром по X, с ветром по Y и без ветра — требуемые запасы прочности, общей и местной устойчивости и прогибов обеспечены и в проектном, и в фактическом положении колонн.
Сопоставлялись нормальные усилия в колоннах, изгибающие моменты в плоскости поперечных рам и из плоскости, нормальные усилия и моменты в главных балках — в каждом из трёх сочетаний. Показательнее всего поперечные рамы по оси 6: там зафиксированы наибольшие фактические смещения колонн, и именно на них сосредоточено влияние монтажных погрешностей.
Собственные частоты
Сопоставление динамических характеристик дало однозначный результат: фактические отклонения не изменили ни формы, ни частоты собственных колебаний каркаса. Первые три частоты — 1,42 Гц (период 0,703 с), 1,51 Гц (0,661 с) и 1,52 Гц (0,660 с) — совпадают в обоих вариантах.
Вывод из этого важнее, чем кажется: раз жёсткость системы не изменилась, сейсмические нагрузки, вычисленные по динамическим параметрам проектного каркаса, остаются корректными и для фактически возведённого.
Расчётное землетрясение
Сейсмические нагрузки прикладывались по двум независимым направлениям, вдоль осей X и Y. Использован линейно-спектральный метод: инерционные силы определены по формам собственных колебаний с коэффициентами динамичности β по СП 14.13330.2018. Коэффициент допускаемых повреждений K₁ = 0,22 при нормальном уровне ответственности, ускорение основания 2,0 м/с². Для суммарного воздействия учтены все формы, суммарная эффективная модальная масса которых достигает не менее 90 % — требование п. 5.9 СП 14.13330.2018.
Картина та же, что и при основных сочетаниях: прирост усилий в пределах 1–2 %, запасы по прочности, общей и местной устойчивости, гибкости и прогибам обеспечены.
Геометрически нелинейный расчёт
Расчёт по деформированной схеме обязателен по п. 4.2.6 СП 16.13330.2017 для металлических каркасов, у которых смещения узлов дополнительно влияют на внутренние усилия — эффект второго порядка.
Смысл в следующем. При линейном расчёте конструкция считается неподвижной: нагрузка приложена к недеформированной схеме. В действительности нагрузка деформирует конструкцию, а сама деформация создаёт дополнительные усилия. При начальных отклонениях осей колонн от вертикали этот эффект усиливается — поэтому здесь нелинейный расчёт был принципиален.
Результат: лавинообразного нарастания перемещений узлов нет ни при статических, ни при динамических нагрузках. Риска потери устойчивости от возникших эксцентриситетов нет, запасы по прочности, устойчивости и прогибам обеспечены.
Контрольное землетрясение
Контрольное землетрясение — самое сильное из возможных воздействий для района. В отличие от расчётного, где нормы допускают некоторые повреждения, при контрольном требуется исключить обрушение. Для уровня ответственности КС-2 этот расчёт не обязателен — он выполнен добровольно, как дополнительное подтверждение механической безопасности.
Считалось во временной области модулем «Динамика+» по трёхкомпонентным акселерограммам из материалов микросейсморайонирования площадки. Чтобы выйти на требуемую максимальную амплитуду ускорений не менее 2,0 м/с², применены поправочные коэффициенты: 1,89 по X, 1,53 по Y, 2,51 по Z. Коэффициент допускаемых повреждений K₁ = 1,0 — повреждения не допускаются вовсе.
Расчёт охватил 9001 момент времени — полную историю воздействия. По графикам перемещений контрольных узлов поперечных рам по осям 4 и 6 видно, что максимальные отклонения от положения равновесия при всех трёх компонентах не превышают 10 мм. Это упругая работа стали: пластических деформаций не возникает, каркас полностью сохраняет несущую способность. Коэффициенты использования сечений по прочности, общей и местной устойчивости при контрольном землетрясении не превышают допустимых.
Итог
По совокупности расчётов — линейных в основных и особых сочетаниях, геометрически нелинейного и динамического во временной области — установлено следующее.
Фактические отклонения стальных колонн от проектного положения (до 36 мм в верхнем сечении из плоскости рам и до 15 мм в опорном сечении) влияют на напряжённо-деформированное состояние каркаса незначительно: прирост внутренних усилий составляет 1–2 %. С учётом проектных запасов несущей способности это значение некритично. Механическая безопасность административно-бытового корпуса обеспечена при фактическом положении конструкций под воздействием всех проектных нагрузок, включая сейсмические.
