Способ усиления арочных зданий с недостаточной несущей способностью опор для восприятия распора

Полный текст

Введение Одними из широко распространенных конструктивных систем в строительстве являются арочные конструкции. Спектр их применения необычайно широк и включает в себя объемно-планировочные решения как небольших зданий сельскохозяйственных предприятий и малого бизнеса, так и каркасов большепролетных зданиях спортивного или общественного назначения [1-6]. Отличительными особенностями арочных зданий являются возможность быстрого возведения, небольшая масса конструкций, низкая стоимость строительства и необходимость учета при проектировании опор арочных зданий воздействия распорных опорных реакций [7-11]. Проблему восприятия распорных усилий и уменьшения расхода материалов на устройство опор в арочных зданиях решают установкой затяжек между опорами арок [12-19]. Установка затяжек в арочных сооружениях влечет сложности в виде необходимости их скрытой установки в конструкции полов здания, обязательности их преднапряжения при больших размерах пролетов для сохранения рабочего состояния, невозможности традиционной установки затяжек между опорами арок при расположении между ними инженерных коммуникаций, технологических объектов здания. Поэтому при больших пролетах арочные здания часто проектируются без применения затяжек [20-24], что приводит к недостаточной несущей способности их опор из-за погрешностей в процессе проектирования или отклонений от проектных решений, допускаемых из-за ошибок при выполнении и низкого качества строительно-монтажных работ при устройстве фундаментов зданий. Для арочных зданий с недостаточной несущей способностью опор применение затяжек для их усиления - один из наиболее эффективных, но часто трудно конструктивно реализуемых способов усиления. В данной работе рассматриваются способы усиления арочных зданий с нетрадиционными способами установки затяжек с использованием специальных анкерных устройств, позволяющие решить проблемы их установки. Материалы и методы В строительных конструкциях зданий арочные конструкции нашли широкое применение в качестве конструкций покрытия, где затяжки, расположенные над помещениями, являются обязательным элементом, воспринимающим распор. При больших пролетах покрытий естественно применение подвесок, соединяющих арки покрытия и затяжки. При этом расположенные выше эксплуатационных зон зданий затяжки с подвесками «не мешают» функционированию зданий. При возведении арочных зданий, в которых арки опираются непосредственно на фундамент и при этом обеспечивается совмещение функций арочного ограждения как стенового ограждения и покрытия, устройство затяжек при больших пролетах представляет собой сложную инженерную задачу, требующую решения при проектировании здания. Такое решение должно учитывать включение в работу затяжек без применения подвесок при больших пролетах арок, обеспечение долговечности затяжек, которые необходимо размещать ниже уровня пола. Одним из способов включения затяжек в работу при большой длине является их преднапряжение, а для обеспечения рабочего состояния затяжек в полах зданий приходится делать технологические каналы между опорами каждой из арок здания для их размещения. Зачастую решение подобных инженерных задач сталкивается с массой ограничений. Например, при необходимости укладки внутри здания технологических объектов, имеющих габариты ниже уровня пола и исключающих размещение затяжек между опорами арок каркаса. Отсутствие затяжек между арками, как правило, всегда приводит к перерасходу материалов на изготовление опор здания. Для некоторых легких арочных зданий, например бескаркасных [25-26], выполненных из профнастила, совмещающего как ограждающие, так и несущие функции, применение затяжек является одним из обязательных условий их применения при достаточно больших пролетах в районах со значительной снеговой нагрузкой. В Казанском государственном архитектурно-строительном университете предложены конструктивные решения (рис. 1-3), представляющее собой арочное здание, включающее арки, опертые на противоположные с каждой стороны опоры в грунте, между которыми выполнены стержневые затяжки и ограждающие конструкции по аркам. При этом затяжки, выполненные в виде стержневых элементов, соединяют каждую опору с полузаглубленными и заглубленными якорями, расположенными внутри здания, а именно вблизи опор с каждой стороны здания. Рис. 1. Поперечный разрез арочного здания (1) пролетом L с опорами (2) и анкерными устройствами (3), полузаглубленными в пол арочного здания Figure 1. Cross section of an arched building (1) with a span L with supports (2) and anchoring devices (3), half-buried in the floor of an arched building Рис. 2. Поперечный разрез арочного здания (1) пролетом L с опорами (2) и заглубленными анкерными устройствами в виде якорей (4) Figure 2. Cross section of an arched building (1) with span L with supports (2) and buried anchor devices in the form of anchors (4) Рис. 3. Расположение анкерных устройств в виде полузаглубленных анкеров (3) или заглубленных анкеров (4) между арками в плане здания и опорами (2) Figure 3. Location of anchor devices in the form of half-buried anchors (3) or buried anchors (4) between the arches in the plan of the building and the supports (2) Новизна предложенных конструктивных решений арок с опорами с анкерными затяжками (рис. 1-3) подтверждена патентом РФ[15]. Результаты и обсуждение Предложенные конструктивные решения устройства опор арок с креплением их к якорям удобно использовать при усилении арочных зданий. Возможность применения предложенных конструктивных решений при усилении арочных зданий рассмотрим на примере арочного здания, построенного в Казани. Арочный ангар возведен в 2018 г. Это здание длиной 72 м, пролетом 21 м. Ангар рассчитан на расчетную снеговую нагрузку в 240 кг/м2, однопролетный, бескаркасный. Материал несущих конструкций покрытия - сталь 08пс (ГОСТ 14918-80). Конструктивные и проектные решения арочного здания приведены на рис. 4-6. Рис. 4. Бескаркасный арочный ангар пролетом 21 м (фото Д.М. Хусаинова) Figure 4. Frameless arched hangar with a span of 21 m in Kazan (photo by D.M. Khusainov) Рис. 5. Анкерные стойки сечением из квадратной трубы 80×80×5 мм с шагом 1,9 м (фото Д.М. Хусаинова) Figure 5. Anchoring pillar with a section of a square pipe 80×80×5 mm with a step of 1.9 m (photo by D.M. Khusainov) Рис. 6. Ленточный ростверк фундамента здания высотой 0,5 м (фото Д.М. Хусаинова) Figure 6. Capping beam of the building foundation with a height of 0.5 m (photo by D.M. Khusainov) Выполним проверку несущей способности фундамента арочного здания на действие величины распора, который возникает от действия расчетного сочетания нагрузок, состоящего из снеговой и постоянной нагрузок. Также оценим прочность элементов анкеровки фундамента здания в сваях из квадратной трубы 80×80×5 мм, установленной с шагом 1,9 м. Момент от распора в элементе по результатам расчетов равен М = 1,62 тм Рис. 7. Вариант 1. Установка затяжек в ленточном фундаменте арочного здания со свайными стальными анкерами Figure 7. Method 1. Installation of tie-beams in the strip foundation of an arched building with steel pile anchors Проверку прочности для материала стали класса С245 выполним по формуле М/Wx = 162 000 / 35,3 = 4589 кг/см2 ≥ Ryγc = 2400 кг/см2, (1) где Wx = 35,3 см3 - момент сопротивления квадратной трубы. Вывод: прочность анкерных элементов фундамента недостаточна для восприятия расчетной величины распора от расчетной нагрузки. Коэффициент использования сечения анкерных стоек свай ленточного ростверка составляет Ки = 4306 / 2400 = 1,79. С целью усиления ленточного ростверка для данного арочного здания разработаны варианты усиления фундаментов с применением затяжек с анкерами: вариант 1 (рис. 7) и вариант 2 (рис. 8). Анкера затяжек в варианте 1 выполняются из труб сечением Ø219×8 мм, которые на 2,5 м забиваются в грунт и располагаются вдоль ленточного фундамента, их шаг определяется анкерующей способностью свайного якоря. Рис. 8. Вариант 2. Установка затяжек в ленточном фундаменте арочного здания с заглубленными стальными анкерами Figure 8. Method 2. Installation of tie-beams in the strip foundation of an arched building with steel pile anchors Затяжки в варианте 2 анкеровки устанавливаются с шагом 1,5 м с анкеровкой к заглубленным якорям длиной 1 м и сечением из трубы Ø219×8 мм. Анкера помещаются в заранее выкопанную траншею шириной 1,5 м, глубиной 2,5 м. Траншея после установки якорей засыпается песком с объемным весом не менее 1,5 т/м3. Применение анкерных затяжек в арочных зданиях возможно и в случаях необходимости усиления несущих элементов арочных зданий путем изменения их расчетных схем за счет введения преднапряжения устанавливаемых затяжек. Рассмотрим возможность усиления арочного бескаркасного здания, не обладающего достаточной несущей способностью. Приведем расчет несущих конструкций арочного здания на проектные нагрузки, включающие в себя снеговую нагрузку величиной 240 кг/м2 (расчетная снеговая нагрузка для Казани в 2017-2018 гг.). Геометрические характеристики профиля бескаркасного здания определялись по результатам фактических замеров. Основным элементом арки стал холодногнутый профиль из оцинкованного стального листа толщиной 1,2 мм и высотой 123 мм. Материал профиля - сталь 08пс (ГОСТ 14918-80), по данным владельца здания. Несущую способность арочного покрытия из холодногнутого профиля в расчетном сечении для расчетного сочетания нагрузок, включающих в себя постоянную нагрузку и снеговую нагрузку с ее расположением на двух сторонах пролета здания, определим на совместное действие осевой силы и изгибающего момента по формуле N/A + M/Wy = 9800 / 14,31 + 78 900 / 58,6 = 2031 кг/см2 ≤ Ryγc = 2300 кг/см2, (2) где А = 14,31 см2 и Wy = 586 см3 - площадь сечения и момент сопротивления нетто полосы арочного покрытия шириной 0,6 м соответственно; Ry = 2300 кг/см2 - расчетное сопротивление по пределу текучести 08пс по ГОСТ 14918-80; N, М - осевая сила и момент в расчетном сечении арочного покрытия. Вывод: несущая способность арочного покрытия при данном расчетном сочетании нагрузок обеспечивается. Несущую способность арочного покрытия из холодногнутого профиля в расчетном сечении для расчетного сочетания нагрузок, включающих в себя постоянную нагрузку и снеговую нагрузку с односторонним ее расположением на пролете здания, определим на совместное действие осевой силы и изгибающего момента по формуле N/A + M/Wy = 6500 / 14,31 + 129 000/ 58,6 = 2655 кг/см2 > Ryγc = 2300 кг/см2, (3) где А = 14,31 см2 и Wy = 586 см3 - площадь сечения и момент сопротивления нетто полосы арочного покрытия шириной 0,6 м соответственно; Ry = 2300 кг/см2 - расчетное сопротивление по пределу текучести 08пс по ГОСТ 14918-80; N, М - осевая сила и момент в расчетном сечении арочного покрытия. Вывод: при расчетном сочетании нагрузок, когда снег располагается только на одной стороне пролета, несущая способность здания не обеспечивается. При проектировании арочного бескаркасного здания не учтена возможность расположения расчетной снеговой нагрузки только на одной стороне пролета и, соответственно, не выявлена недостаточная несущая способность арочного здания. Рассмотрим возможность использования затяжек с преднапряжением для усиления арочного покрытия. Предусматривается применение затяжек с анкеровкой к заглубленным якорям (рис. 7-8). Для этого в расчетную схему арочного покрытия вводим затяжки, крепящиеся к якорям, и задаем в них предварительное натяжение. По результатам проведенных численных исследований для измененной расчетной схемы арочного покрытия с затяжками установлено, что оптимальное распределения расчетных изгибающих моментов достигается при усилии преднапряжения устанавливаемых затяжек арочного покрытия величиной 440 кг. Несущую способность арочного покрытия из холодногнутого профиля в расчетном сечении (для РСН2) определим на совместное действие осевой силы и изгибающего момента по формуле N/A + M/Wy = 840 / 14,31 + 125 336 / 58,6 = 2197 кг/см < Ryγc = 2300 кг/см2, (4) где А = 14,31 см2 и Wy = 586 см3 - площадь сечения и момент сопротивления нетто полосы арочного покрытия шириной 0,6 м соответственно; Ry = 2300 кг/см2 - расчетное сопротивление по пределу текучести 08пс по ГОСТ 14918-80; N, М - осевая сила и момент в расчетном сечении арочного покрытия. Вывод: при расчетном сочетании нагрузок, когда снег располагается только на одной стороне пролета, несущая способность здания при усилии преднапряжения в затяжке с креплением ее к якорям величиной 440 кг обеспечивается. Данный пример применения анкерных затяжек с анкеровкой их к якорям для усиления конструкций арочных зданий показывает одну из областей использования предлагаемых затяжек опор арочных зданий с креплением их к анкерам-якорям. Для рассматриваемого реализованного арочного здания, обладающего недостаточной несущей способностью из-за ошибок в проектировании, установка усиливающих затяжек для опор арочного покрытия по схемам, приведенным на рис. 7 и 8, может быть оптимальным вариантом его усиления. Заключение На основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что применение для опор арочных зданий затяжек, крепящихся с одной стороны к опорам, а с другой стороны - к анкерам-якорям, является эффективным, обладающим новизной способом повышения несущей способности покрытий и фундаментов арочных зданий в условиях архитектурно-конструктивных решений зданий с наличием зон, препятствующих традиционному размещению затяжек.

Об авторах

Дамир Миннигалеевич Хусаинов

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Email: xdmt@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1671-7546

кандидат технических наук, доцент кафедры металлических конструкций и испытания сооружений

Российская Федерация, 420043, Казань, ул. Зеленая, д. 1

Айдар Фатыхович Салимов

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Email: salimovaf1962@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0295-576X

кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры металлических конструкций и испытания сооружений

Российская Федерация, 420043, Казань, ул. Зеленая, д. 1

Альбина Гомеровна Хабибулина

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: blago2000@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2928-2884

кандидат экономических наук, доцент кафедры архитектуры

Российская Федерация, 420043, Казань, ул. Зеленая, д. 1

Список литературы