CC BY
27
УДК 69.059
НОВИКОВ М. В. САПРИН В. Ю.
Работоспособность системы конструктивных элементов производственного здания при его реконструкции
Новиков Михаил Викторович
кандидат технических наук, доцент кафедры проектирования зданий и сооружений им. Н. В. Троицкого ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»
e-mail: novikov-2005@mail.ru
Саприн
Владислав
Юрьевич
магистрант кафедры проектирования зданий и сооружений им. Н. В. Троицкого ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»
e-mail:
lesnik1945@rambler.ru
Исследуется возможность реконструкции и перепрофилирования существующего производственного здания под объекты социальной сферы. Обобщены основные результаты натурного обследования технического состояния строительных конструкций объекта исследования, позволяющие сделать вывод о возможности надстройки дополнительных этажей и перепрофилирования промздания. Выявлен резерв прочности строительных конструкций, оптимизированы проектируемые нагрузки с учетом фактических геометрических и физических параметров материалов несущего каркаса здания и представлена конечно-элементная модель реконструируемого производственного здания с учетом надстройки дополнительных этажей. Предложенная конечно-элементная модель, в отличие от поэлементного расчета конструкций, позволяет более точно исследовать работу каркаса и рационально запроектировать надстройку, тем самым экономя материальные ресурсы застройщика при реконструкции объекта исследования. По итогам предпроектных исследований над производственным зданием запроектирована надстройка переменной этажности (от одного до пяти этажей) из металлического каркаса с монолитными железобетонными плитами по профилированному листу в качестве несъемной опалубки.
Ключевые слова: реконструкция, здание, обследование, техническое состояние, расчетная схема, метод конечного элемента, модель.
NOVIKOV M. V., SAPRIN V. Y.
OPERABILITY OF SYSTEM OF STRUCTURAL ELEMENTS OF THE PROCESS BUILDING IN CASE OF ITS RECONSTRUCTION
The possibility of reconstruction and reshaping of the existing process building under objects of the social sphere is researched. The main results of on-site investigation of technical condition of building constructions of an object of a research allowing to draw a conclusion on a possibility of a superstructure of additional floors and a reshaping of a promzdaniye are generalized. The allowance of durability of building constructions is revealed, projectible loadings taking into account the actual geometrical and physical parameters of materials of the bearing framework of the building are optimized and the konechnoelementny model of the reconstructed process building taking into account a superstructure of additional floors is provided. The offered konechnoelementny model, unlike bit-by-bit calculation of designs, allows to research more precisely work of a framework and it is rational to design a superstructure, thereby, saving material resources of the builder in case of reconstruction of an object of a research. Following the results of preproject researches over the process building the superstructure of variable number of storeys (from one to five floors) from a metal framework with monolithic steel concrete plates according to the pro-thinned-out leaf as a fixed timbering is designed.
Keywords: reconstruction, building, inspection, technical condition, settlement scheme, method of a final element, model.
Введение
В настоящее время в связи с нехваткой свободных участков для строительства в крупных городах продолжает набирать обороты реконструкция и перепрофилирование бывших производственных объектов под офисы и бизнес-центры, торговые и выставочные центры, склады и ярмарки, спортивные сооружения. Пустующие цеха нефункционирующих предприятий гораздо больше подходят для реконструкции, чем, к примеру, первые этажи жилых зданий, перепланировка которых требует больших затрат и усилий. Зачастую больших затрат требует не перепланировка внутренних помещений, а фасадные работы, призванные придать зданию презентабельный вид, способствующий привлечению клиентов.
Подобное перепрофилирование позволяет освободить центр города от непривлекательных заброшенных промышленных объектов и придать ему современный облик [1-8]. Примером такого решения может служить территория бывшего завода «Энергия», расположенная в центре г. Воронежа, которая подверглась комплексной рекультивации, реконструкции и новой застройке с выносом оставшегося производства на периферию. В настоящей работе представлены результаты предпро-ектных исследований, направленных на обоснование возможности проведения реконструкции здания производственного корпуса № 7 завода «Энергия», на основании которых оптимизированы проектные нагрузки и построена конечно-элементная модель объекта исследования с учетом надстройки дополнительных этажей.
Объемно-планировочное и конструктивное решение реконструируемого здания
Существующее здание 7-го корпуса, 1983 г. постройки, прямоугольное в плане, состоит из двух частей: трехэтажной части с подвалом и размерами по крайним разбивочным осям 114,2 х 27,0 м (производственный цех) и девятиэтажной части размером по крайним разбивочным осям 18,0 х 15,0 м (административно-бытовой корпус).
Производственный цех имеет полный железобетонный каркас с сеткой колонн в продольном направлении 6,0 м, в поперечном направлении — 3 пролета по 9,0 м (Иллюстрация 1). Высота существующих этажей 6,0 м. Колонны каркаса — сборные железобетонные сечением 400 х 600 мм по серии ИИ 22-3/70, на третьем этаже 400 х 400 мм. Ригели пролетом 9,0 м по серии ИИ 23-2/70. Плиты перекрытия ребристые шириной 1,5 м по серии ИИ 24-1/70.
Наружные стены из керамзитобетонных панелей толщиной 240 мм, -у = 1200 кг/м3. Фундаменты в половине корпуса монолитные железобетонные на свайном поле, в остальной части — отдельно стоящие, стаканного типа. Основанием под фундаментами служат пески средней крупности. Пространственная жесткость здания в продольном направлении обеспечивается продольными связями из спаренных прокатных уголков, в поперечном направлении — рамами каркаса и лестничными клетками.
Административно-бытовой корпус (АБК) имеет полный железобетонный каркас с сеткой колонн в продольном направлении 6 + 3 + 6 м, в поперечном направлении — три пролета по 6,0 м. Высота существующих этажей — 3,3 м. Колонны каркаса сборные железобетонные сечением 400 х 400 мм по серии ИИ-04-2. Ригели по серии ИИ-04-3 вып. 3. Междуэтажные перекрытия — сборные многопустотные железобетонные плиты по серии ИИ-04-4. Стеновые панели по серии ИИ-04-5 вып. 4. Лестница по серии ИИ-03-02. Фундаменты мо-
Иллюстрация 1. Поперечный разрез существующего производственного здания. Обследование строительных конструкций зданий корпуса 7, расположенных по пер. Красноармейский, 3а в г. Воронеже. Авторы: М. В. Новиков, В. Ю. Саприн
нолитные железобетонные стаканного типа. Железобетонные фундаментные балки по серии 1.415-1 вып. 1. Пространственная жесткость здания обеспечивается диафрагмами жесткости, расположенными под прямым углом друг к другу, и лестничными клетками. Диафрагмы жесткости по серии ИИ-04-6 вып. 5.
Предпроектное обследование реконструируемого здания
Обследование технического состояния строительных конструкций объекта исследования проводилось ООО «СтройНаука». По итогам данного обследования установлено, что основные конструкции здания, элементы каркаса и перекрытия находились в исправном состоянии и их несущая способность достаточна для восприятия дополнительных нагрузок. Кроме того, на основании расчетных оценок сделан вывод о возможности надстройки трех дополнительных этажей над производственным цехом и не более двух этажей над АБК.
В ходе дальнейшей оптимизации проектируемых нагрузок с учетом фактических геометрических и физических параметров материалов несущего каркаса здания установлена возможность перепрофилирования существующего промздания под объекты социальной сферы с надстройкой до пяти дополнительных этажей (Иллюстрации 2, 3). В среднем резерв прочности существующих конструкций каркаса составлял от 20 до 50 %.
Оценка возможности надстройки дополнительных этажей выполнялась исходя из предположения, что надстраиваемые конструкции выполнены в виде стального каркаса с балочными клетками и монолитными плитами перекрытия, изготовляемыми по профнастилу в качестве несъемной опалубки [9-12]. В итоге над производственным корпусом запроектирована надстройка переменной этажности от двух до пяти этажей. Высота надстраиваемых этажей 4,2 м. Надстраиваемые этажи запроектированы в металлическом каркасе с шагом колонн 6,0 х 9,0 м. Перекрытия и покрытие — монолитные железобетонные плиты с несъемной опалубкой из профнастила по стальным балкам. Главные балки располагались в рамной плоскости и имели жесткие
У 2706.Bx"°"eee:
7 эти жен \ Пг=1
нвсу цмз atoco кость копонны
■ ITU
2 этпмп
Коэффиьнеы ЭЗПВСН ПРОЧНОСТИ
; *
5 лооо I
} гооо
I
£ 1000
У - ' Ш.Лх"™"
7 этажей
- — — — — ■ гилчия нагруэд | №1 дондамрнг
4:
2 атшнп 1—
Коаффи».иен- запаса прочности
Иллюстрация 2. Оптимизация расчетной нагрузки в пересчете на количество надстраиваемых этажей по критерию несущей способности колонны третьего этажа реконструируемого производственного здания. Авторы: М. В. Новиков, В. Ю. Саприн
Иллюстрация 3. Оптимизация расчетной нагрузки в пересчете на количество надстраиваемых этажей по критерию предельно допустимой нагрузки на фундамент реконструируемого производственного здания. Авторы: М. В. Новиков, В. Ю. Саприн
узлы крепления к металлическим колоннам, второстепенные — поперек рамной плоскости и имели шарнирные узлы крепления к главным балкам. Устойчивость и геометрическая неизменяемость каркаса здания обеспечивалась в рамном направлении — жесткими узлами, в направлении из плоскости рамы — системой вертикальных связей и распорок. Крепление металлических колонн к существующим железобетонным — шарнирное.
Над АБК запроектирована надстройка дополнительного этажа высотой 6,0 м до низа покрытия. Каркас надстраиваемого этажа решен из металлических колонн с шагом 6,0 х 6,0 м и ферм пониженной высоты. Наружные стены выполнены из газосиликатных блоков толщиной 250 мм. Опорная база под стойки рам — существующие железобетонные колонны здания. Устойчивость обеспечивалась вертикальными связями по колоннам и жестким диском покрытия (крепления профилированного листа к прогонам покрытия в каждой гофре).
Объемно-планировочным решением предусмотрена замкнутая коридорная схема компоновки офисных помещений, при которой офисы расположены по контуру коридоров. На кровле предусмотрены световые фонари для освещения атриумов с панорамными лифтами и лестничными клетками.
Конечно-элементная модель реконструируемого здания
Расчетная модель здания представляла собой трехмерную конечно-элементную систему, в которой учтена совместная работа основания и конструкций. Компоновка
Иллюстрация 4. Общий вид расчетной схемы реконструируемого здания, построенной в ПК SCAD версия 11.5. Авторы: М. В. Новиков, В. Ю. Саприн
несущих элементов и расчетная схема здания выполнены на основании обмерочных чертежей здания и инженерно-геологического отчета. Конечно-элементные расчеты выполнены в программном комплексе «SCAD» версии 11.5.
Перекрытия смоделированы конечным элементом «оболочка», колонны, балки смоделированы конечным элементом «пространственный стержень». Для всех элементов схемы назначены соответствующие жесткостные
Таблица 1. Результаты расчетов методом конечных элементов
Фактор Расчетные данные Нормативные требования
Производственный корпус:
Горизонтальные перемещения здания 30 мм 1 /200Н = 84 мм
Вертикальное перемещение второстепенных балок 24 мм 1 /200H = 30 мм
Вертикальные перемещения главных балок 37 мм 1 /200L = 45 мм
Осадка фундаментов здания максимальная 5 мм 40 мм
Коэффициент устойчивости >1 1
Административно-бытовой корпус:
Горизонтальные перемещения здания 12 1 /200Н = 40 мм
Вертикальное перемещение 37 мм 1 /200H = 75 мм
Осадка фундаментов здания максимальная 5 40 мм
Коэффициент устойчивости >1 1
Иллюстрация 5. Перемещения в конечно-элементной модели от расчетных нагрузок вдоль оси X, полученные в ПК SCAD версия 11.5. Авторы: М. В. Новиков, В. Ю. Саприн
Иллюстрация 6. Усилия Mу (б) в плите перекрытия на отм. +22,200 , полученные в ПК SCAD версия 11.5. Авторы: М. В. Новиков, В. Ю. Саприн
характеристики, зависящие от геометрии элемента, класса бетона или стали и условий эксплуатации.
Для расчета создавались отдельные модели для стального каркаса и монолитного железобетонного перекрытия (покрытия), отличающиеся характеристиками материалов и граничными условиями, моделирующие различные расчетные ситуации.
Модуль деформации железобетонных элементов принят согласно СП 63.13330.2012 для бетона класса В25 с учетом ползучести для статической модели:
30 000
= 8 570 МПа,
1 + фЬсСГ 1 + 2,5
где Еь — модуль упругости бетона, МПа; Фг>Сг — коэффициент ползучести бетона.
Объемный вес железобетонных элементов 2,5 т / м3 (нормативный), 2,75 т/ м3 (расчетный). Модуль упругости стали принят 2,1 х 106 кг /см2. Объемный вес стальных элементов принят 7,85 т / м3 (нормативный), 8,25 т/м3 (расчетный). Расчетная схема реконструируемого здания представлена на Иллюстрации 4.
Результаты расчетов методом конечных элементов
Результаты расчетов методом конечных элементов представлены в табличном виде (Таблица 1). Перемещения, напряжения и усилия, возникающие в конечно-элементной модели от расчетных нагрузок, частично представлены на Иллюстрациях 5 и 6.
Заключение
В работе проведен анализ работоспособности существующих конструкций производственного здания, оптимизированы проектируемые нагрузки с учетом фактических геометрических и физических параметров материалов несущего каркаса здания и построена конечно-элементная модель объекта реконструкции с учетом надстройки дополнительных этажей. Предложенная конечно-элементная модель, в отличие от поэлементного расчета конструкций, позволяет более точно исследовать работу каркаса и рационально запроектировать надстройку, тем самым экономя материальные ресурсы застройщика при реконструкции объекта исследования. Внедрение данных предложений по надстройке и перепрофилированию объекта поможет инвесторам, проектировщикам и подрядчикам еще на стадии предпроектной подготовки реконструкции здания принять наиболее экономичные решения. Выполнение всего комплекса работ по реконструкции существующего производственного здания обеспечит получение дополнительного фонда, отвечающего современным требованиям,
будет способствовать продлению жизненного цикла здания
и повышению его эксплуатационной надежности.
Список использованной литературы
1 Кантер М. М., Карпенко М. Н. Реконструкция застроенных территорий — главный приоритет в развитии городов // Интернет-журнал Науковедение. 2013. № 3 (16). С. 146.
2 Меркулов С. И. К вопросу о реконструкции и реновации конструктивных систем // Промышленное и гражданское строительство. 2009. № 9. С. 45-47.
3 Назарова М. В. Реконструкция объектов промышленной архитектуры XIX — первой половины XX века под жилую функцию (на примере Санкт-Петербурга) // Вестник гражданских инженеров. 2013. № 3 (38). С. 42-48.
4 Грабовый П. Г., Харитонов В. А. Реконструкция и обновление сложившейся застройки города. М. : АСВ, 2005.
5 Реконструкция промышленных предприятий. Т. 1 / под ред. В. Д. Топчия. М. : Стройиздат, 1990. 591 с.
6 Касьянов В. Ф. Реконструкция жилой застройки городов. М. : АСВ, 2005.
7 Гусев Б. В., Езерский В. А., Монастырев П. В. и др.Тепло-технические особенности проектирования утепленных наружных стен с вентилируемым фасадом. М. : АСВ, 2006.
8 Теличенко В. И., Слесарев М. Ю. Управление экономической безопасностью строительства. Экологическая экспертиза и оценка воздействия на окружающую среду. М. : АСВ, 2005.
9 Морозов А. С., Ремнева В. В., Тонких Г. П. и др. Организация и проведение обследования технического состояния строительных конструкций зданий и сооружений. М., 2001. 212 с.
10 Оценка технического состояния, восстановление и усиление строительных конструкций инженерных сооружений / под ред. В. С. Плевкова. М. : АСВ, 2011. 316 с.
11 Мершеева М. Б., Чечель М. В. Обследование, испытание и реконструкция зданий городской застройки : учеб. пособие / Федеральное агентство по образованию, Гос. образовательное учреждение высш. проф. образования Читинский гос. ун-т. Чита, 2010.
12 Заикин А. И. Проектирование железобетонных конструкций многоэтажных промышленных зданий (примеры расчета). М. : АСВ, 2005.
b
