Что это за объект
Один из самых нестандартных расчётов в практике мастерской. Это не здание и не сооружение в привычном смысле, а крупнейшая в России вантово-мачтовая защитная ограждающая конструкция — ЗОК, защищающая производственный комплекс в Московской области от атак беспилотников. Объём расчётной документации — четыре тома. Воздействия в них разные до несопоставимости: от обычного ветра и гололёда до прямого удара БПЛА массой 250 кг на скорости 200 км/ч и разрыва несущих стальных канатов от взрыва.
Норматив для такого проектирования — СП 542.1325800.2024 «Защитные ограждающие конструкции от беспилотных летательных аппаратов» — введён в действие только в 2024 году. Свод правил молодой, знакомых с ним мало, первые объекты по нему только появляются.
Расчётный «противник» — БПЛА самолётного типа класса Ан-196 массой 250 кг со скоростью в момент удара 200 км/ч; дальность полёта такого аппарата превышает 1000 км, поэтому угроза для площадки реальна. Защита строится на бесконтактном подрыве: сеть должна уловить или разрушить аппарат до того, как он дойдёт до конструкций здания. Требование «безопасного удаления» — минимального расстояния от улавливающей сетки до фасадов — и задало все габариты сооружения.
Пятнадцать вариантов до итогового
Конструктивная система не была очевидна. До принятого решения последовательно рассмотрены и просчитаны 15 вариантов компоновки. Отклонены варианты без оттяжек, с одноуровневыми оттяжками, с продольными стальными балками. Отдельная история — вариант с выносом анкерных узлов за границу земельного участка: по усилиям он был выгоднее, но заказчик отклонил его по административно-земельным причинам.
Итог — вогнутая двухпоясная вантово-мачтовая система с шагом основных несущих пар 10 м. Основные провисающие канаты образуют верхнее полотно и несут основную часть нагрузки от веса сетки, ветра и гололёда; пролёт между опорными точками 155 м. Стабилизирующие канаты идут выпуклостью вверх и образуют с основными антагонистическую пару — именно двухпоясность предотвращает аэродинамическую неустойчивость. Боковые и торцевые оттяжки воспринимают горизонтальный распор. Всего в системе 41 группа канатных элементов с разными усилиями преднатяжения.
Скелет сооружения — 30 сталежелезобетонных колонн высотой около 28 м с шагом 10 м: стальные трубы-оболочки диаметром 426 мм с толщиной стенки 16 мм, заполненные бетоном. Основные несущие канаты опираются на отметке +28,0 м, стабилизирующие — на +15,0 м.
Улавливающая сетка — полиамидная, с ячейкой 118 × 118 мм из нити 4 мм. Удельный вес всего 180 г/м², почти в десять раз легче стальной рабицы. Сеть не накапливает снег и не задерживает электромагнитные волны — мобильная связь на территории предприятия продолжает работать.
Основание
Площадка — зона с высоким уровнем грунтовых вод. Верх разреза сложен насыпными грунтами и аллювиальными пылеватыми песками, ниже идут мягкопластичные суглинки водно-ледниковых отложений, и с глубины 3,6–5,5 м — полутвёрдые суглинки московской морены. Уровень грунтовых вод на момент изысканий 0,4–2,2 м от поверхности.
Это сразу закрыло путь к массивным гравитационным фундаментам оттяжек: взвешивающее действие воды сделало бы их неэффективными. Выбраны грунтовые анкеры. Климатические условия: снеговой район IV с нормативным весом покрова 2,4 кПа, гололёдный район II, ветровой район I.
Нагрузки
Снег не учитывается вовсе. Сеть с ячейкой 118 × 118 мм физически не удерживает снег на поверхности — при снеговом районе IV это принципиально меняет картину нагрузок.
Гололёд учитывается. Для тросовых элементов принимается расчётное обледенелое сечение, а это заметно увеличивает площадь, на которую давит ветер.
Ветер — самая трудоёмкая часть. Для вантово-мачтовой системы стандартный подход к пульсационной составляющей неприменим: конструкция геометрически нелинейна, тросы меняют форму под нагрузкой, а расчёт пульсации требует линейной модели для модального анализа. Применена методика линеаризации Перельмутера и Сливкера из монографии «Расчётные модели сооружений и возможность их анализа»: нелинейные элементы-нити заменяются линейными стержнями с приведёнными жёсткостными характеристиками. По линеаризованной модели для сбора пульсации учтены 98 форм колебаний; средневзвешенный по модальной массе коэффициент динамичности ξ = 1,95.
Температура рассмотрена в трёх сценариях монтажа и эксплуатации: «летнее замыкание» при −5 °C и при −25 °C для зимней эксплуатации, «зимнее замыкание» при +20 °C для летней. Итого 14 основных расчётных сочетаний.
Пять расчётных моделей
Задача такой сложности не решается одной моделью. Их пять, и каждая отвечает за своё.
Основная нелинейная пространственная — геометрически нелинейные КЭ-нити (тип 304) для канатов и специальные КЭ преднатяжения (тип 308) для устройств натяжения.
Линеаризованная для пульсации — модальный анализ и пульсационная составляющая ветра.
Линеаризованная для устойчивости колонн — тросы удалены и заменены эквивалентными упругими опорами, жёсткость которых определена из нелинейного расчёта основной модели методом секущих.
Модель ленточного фундамента и нелинейная модель свайного фундамента — под опоры и анкерные устройства.
Результаты по основным сочетаниям
Канаты
По результатам многовариантного подбора сечений все группы канатов удовлетворяют требованиям по несущей способности при всех 14 сочетаниях. Усилия преднатяжения подобраны индивидуально для каждой из 41 группы — от 0,1 до 10,69 тс — так, чтобы максимально использовать сечение колонн при любых направлениях ветра.
Устойчивость колонн
Расчёт выполнен по линеаризованной модели для пяти форм потери устойчивости при каждом сочетании. Минимальный коэффициент запаса — 3,49; при наиболее тяжёлых боковых ветрах запас достигает 17,4–19,9. Нормируемый минимум — 1,0, то есть фактический запас превышает нормативный в три с половиной раза и более.
Поясню, почему это важно. Устойчивость — способность конструкции вернуться в исходное положение после малого отклонения. Для высоких сжатых стержней потеря устойчивости, продольный изгиб, — одно из самых опасных предельных состояний. Задача боковых оттяжек как раз в том, чтобы раскрепить колонны в горизонтальном направлении и тем самым сократить их расчётную свободную длину.
Прочность колонн и фундаменты
Коэффициент использования несущей способности сталежелезобетонных колонн на косое внецентренное сжатие — от 0,08 до 0,99 в зависимости от участка колонны и сочетания.
Осадки и напряжения под подошвой ленточного фундамента не превышают нормируемых, прочность армирования и трещиностойкость обеспечены. Под часть колонн приняты буронабивные сваи, прорезающие слабые суглинки и опирающиеся на полутвёрдые суглинки морены. Грунтовые анкеры передают вырывающие усилия от оттяжек на несущие суглинки в обход слабых верхних слоёв.
Удар БПЛА
Кинетическое воздействие рассмотрено в 10 расчётных сценариях в динамической постановке: удары в основной канат, в продольный трос, в боковую оттяжку и в оголовок колонны — вертикальные и горизонтальные. Считалось в ПК ЛИРА 10 (2024) модулями «Нелинейность» и «Динамика+», прямым интегрированием уравнений движения.
Ударный импульс определён по СП 413.1325800.2018, продолжительность действия — по монографии А. Н. Бирбраера «Экстремальные воздействия на сооружения».
Результат. Во всех десяти сценариях происходят локальные разрывы тросов, непосредственно принявших удар. Но обрушения колонн не прогнозируется ни в одном сценарии — включая прямой удар в оголовок. Конструкция восстанавливается заменой повреждённых тросов, а не капитальным ремонтом: это прямо отвечает требованию ремонтопригодности по п. 5.4 СП 542.1325800.2024.
Прогрессирующее обрушение при разрыве каната
Расчёт по методике СП 385.1325800.2018 в квазистатической постановке. Рассмотрены четыре самых опасных сценария: обрыв верхней боковой оттяжки (усилие 27 тс), обрыв основного каната (14,4 тс), обрыв боковой оттяжки в торцевой зоне (22,6 тс) и обрыв жёсткого продольного троса (4,36 тс).
Колонны моделировались физически нелинейными КЭ типа 510 с реальными диаграммами работы бетона и арматуры, с учётом динамического увеличения прочности материалов при ударном нагружении, коэффициент φ = 1,15.
Результат. Во всех четырёх сценариях деформации сжатого бетона не превышают предельных (ε_b ≤ 0,0035), деформации растянутой арматуры — предельных (ε_s ≤ 0,033). В сценарии обрыва верхней боковой оттяжки максимальный коэффициент использования колонн составил 99,18 % — предельно допустимое, но не превышающее нормируемого значения. Прогрессирующего обрушения не прогнозируется ни в одном сценарии.
О методологии
Этот проект показывает, насколько разнородным бывает расчётное обоснование одного сооружения. В одном отчёте сошлись: геометрически нелинейный расчёт вантовой системы с преднатяжением; линеаризация нелинейной модели по методу Перельмутера — Сливкера для динамического анализа; расчёт устойчивости методом эквивалентных упругих опор; физически нелинейный расчёт железобетона по реальным диаграммам деформирования; динамический расчёт во временной области на импульсное ударное воздействие; геотехнические расчёты грунтовых анкеров по СП 381.1325800.2018.
Итог
Защитная ограждающая конструкция обеспечивает защиту производственного комплекса от атак БПЛА всех рассмотренных классов, включая аппараты самолётного типа. Расчётами подтверждены несущая способность всех групп канатов; устойчивость колонн с запасом не менее 3,5; их прочность с коэффициентом использования до 0,99; работоспособность ленточных и свайных фундаментов; надёжность анкерных устройств; ремонтопригодность сооружения при кинетическом ударе; устойчивость к прогрессирующему обрушению при разрыве несущего каната.
