CC BY
16Научно-технический и производственный журнал
-------ЖИЛИЩНОЕ ---
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 528.482
DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-11-11-18
В.А. ШАШКИН, канд. техн. наук, зам. ген. директора, Н.А. ЕВСЕЕВ, инженер ([email protected])
ООО «ПИ Геореконструкция» (190005, г. Санкт-Петербург, Измайловский пр., 4)
Ретроспективный анализ геотехнической ситуации при диагностике причин развития аварийных
1 о с»
деформаций конструкций стадиона
Расчеты взаимодействия оснований и сооружений с учетом нелинейной работы материалов и грунтов - это перспектива для развития проектного дела в любой стране мира. Сложные инженерно-геологические условия, новые архитектурные формы с неочевидным распределением напряжений в конструкциях, освоение подземного пространства требуют от проектировщиков пространственного анализа работы конструкций вместе с основанием. В особенности выполнение совместных расчетов актуально при анализе причин развития дефектов уже построенных зданий, предупреждении аварийных ситуаций. Именно анализ совместной работы пространственной конструкции с основанием позволяет точно определить причину развития дефектов и предложить адекватные ситуации меры по стабилизации. В статье на примере аварийного здания проиллюстрировано применение численных совместных расчетов как аппарата для ретроспективного анализа развития геотехнической ситуации и основы для принятия технических решений по усилению конструкций или основания.
Ключевые слова: деформация, совместный расчет зданий и оснований, ретроспективный анализ, предупреждение аварийных ситуаций, расчет на температурное воздействие, пространственная работа конструкций, дефект, стабилизация.
Для цитирования: Шашкин В.А., Евсеев Н.А. Ретроспективный анализ геотехнической ситуации при диагностике причин развития аварийных деформаций конструкций стадиона // Жилищное строительство. 2019. № 11. С. 11-18. DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-11-11-18
V.A. SHASHKIN, Candidate of Sciences (Engineering), Deputy General Director, N.A. EVSEEV, Engineer ([email protected]) OOO «PI Georeconstruction» (4, Izmaylovsky Avenue, Saint-Petersburg, 190005, Russian Federation)
Retrospective Analysis of the Geotechnical Situation when Diagnosing Causes of Development of Emergency Deformations of Stadium Structures
Calculations of interaction of the bases and facilities with due regard for nonlinear operation of materials and soils is a prospect for development of design business in any country of the world. Complex engineering and geological conditions, new architectural forms with non-obvious stress distribution in structures, development of underground space require designers to analyze the spatial work of structures together with the base. In particular, the implementation of joint calculations is relevant when analyzing the causes of defects in already built buildings, preventing emergencies. It is the analysis of the joint work of the spatial structure with the base that makes it possible to accurately determine the cause of defects development and offer adequate stabilization measures to the situation. On the example of an emergency building, the article illustrates the use of numerical joint calculations as an apparatus for retrospective analysis of the development of geotechnical situation and the basis for making technical decisions to strengthen structures or foundations.
Keywords: deformation, joint calculation of buildings and foundations, retrospective analysis, emergency prevention, calculation of temperature effect, spatial work of structures, defect, stabilization.
For citation: Shashkin V.A., Evseev N.A. Retrospective analysis of the geotechnical situation when diagnosing causes of development of emergency deformations of stadium structures. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2019. No. 11, pp. 11-18. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0044-4472-2019-11-11-18
Объекты повышенного уровня ответственности согласно российским нормативным документам - это не только уникальные и технически сложные сооружения, но и здания со скоплением большого количества людей. Хоккейный стадион на 10 тыс. зрителей, о котором пойдет речь в статье, оказался уникальным еще и в другом аспекте. Уникальность его состояла в том, что построенный в 2007 г. стадион стал приходить в аварийное состояние вскоре после введения в эксплу-
атацию. Любопытно, что проектирование и строительство выполнялось компаниями из Западной Европы, к которым российские заказчики привыкли относиться с пиететом. Аварии строительных сооружений всегда поучительны. К сожалению, достоверное описание неудач чаще всего не попадает на страницы технических журналов, поскольку эти неудачи обычно связаны с судебными разбирательствами. Авторы статьи имеют редкую возможность познакомить специалистов с са-
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
мой сутью проблемы, но при этом, соблюдая конфиденциальность, официально заявить о том, что «все события являются вымышленными, а любое совпадение с реальными событиями является случайностью».
Конструктивное решение здания
Конструктивное исполнение здания было незатейливым - сборный железобетонный каркас с покрытием из стальных стропильных ферм и балок, объединенных в единую систему при помощи вертикальных и горизонтальных связей. Фундаментом здания служило свайное основание из забивных 12-метровых свай, по которым выполнялись отдельно стоящие ростверки (рис. 1).
С момента строительства стадион не давал покоя службе эксплуатации - дефекты возникали повсюду. С вопросом возможности дальнейшего функционирования пришлось столкнуться в 2018 г., когда при выполнении переоснащения одной из раздевалок клуба, была демонтирована отделка, за которой скрывались регулярные трещины в несущих конструкциях каркаса. Здание было признано аварийным и его эксплуатация была остановлена.
Как водится в таких резонансных случаях, ситуация на стадионе обросла мифами. В качестве возможных причин аварийного состояния конструкций назывались качество строительства, недостаточная глубина свай, негативное влияние строительства жилого квартала в нескольких сотнях метрах от стадиона, влияние могучей реки, протекающей неподалеку, заболоченность территории и прочее...
Анализ предыдущих обследований и поверочных расчетов отдельных несущих конструкций сбивал с
толку: критические дефекты, зафиксированные при обследовании, уживались с декларациями о полном соответствии конструкций условиям прочности и устойчивости.
Для того чтобы разобраться с ситуацией и оценить объем мероприятий, направленных на восстановление эксплуатационной пригодности стадиона, специалисты института «Геореконструкция» выполнили техническое обследование, совместные расчеты конструкций и инженерно-геологические изыскания.
При обследовании конструкций стадиона была обнаружена система трещин в узлах сборных конструкций - в консолях колонн (рис. 2), в ригелях в зоне опирания на колонны (рис. 3), смещение с площадок опирания плит перекрытий и сборных панелей трибун.
Инженерно-геологические условия
Для проверки инженерно-геологических условий площадки были выполнены контрольные изыскания. Бурение и статическое зондирование производились не только снаружи здания, но и с помощью малогабаритных установок внутри стадиона.
Результаты изысканий показали, что с поверхности залегают слабые глинистые грунты с модулями деформации от 6 до 10 МПа и средним сопротивлением по конусу зонда qc порядка 1 МПа (рис. 5). Практически повсеместно с 12-13 м они подстилаются песчаными отложениями мощностью до 9 м.
Предметом особых исследований стал весьма любопытный грунт, не замеченный предыдущими изыскателями (рис. 4). Он залегал прослоем толщиной 1 м на глубине порядка 20 м и содержал 54-74% органического вещества. Несмотря на столь высокое
Рис. 1. Расчетная схема стадиона
1г| ~
Рис. 2. Трещины в консолях колонн
Научно-технический и производственный журнал
содержание органики, статическое зондирование в данном слое показывало лобовое сопротивление погружению конуса зонда порядка 3,7 МПа, что никак не сочеталось с привычным представлением о за-торфованном грунте. Дело в том, что данный слой, погребенный 7 млн лет назад под мощной толщей отложений, испытал за это время под действием давления процессы уплотнения и метаморфизации.
По данным компрессионных испытаний, модуль деформации этого грунта составил 12 МПа, а по данным прессиометрических испытаний, которые свободны от погрешностей, связанных с отбором образцов, - 23 МПа. Было определено, что вскрытый слой является лигнитом - переходной формой между торфом и бурым углем. Таким образом, несмотря на органическое происхождение, лигнит, подстилающий песчаные отложения, не может оказывать сколько-нибудь заметного влияния на осадки основания.
В целом инженерно-геологические изыскания показали, что надежный опорный слой, на котором стоит практически вся застройка в районе стадиона, выдержан и располагается на доступной для любой технологии изготовления свай глубине - 12-13 м.
Таким образом, один из выводов о причинах развития дефектов стадиона лежал на поверхности. Очевидно, что при проектной длине всех свай 12 м они опираются на разнотипные грунты: слабые суглинки, супеси и пески, существенно отличающиеся по механическим характеристиками. До надежного погружения в слой песков некоторым сваям не хватало всего 1 м.
Анализ конструктивных особенностей
Найденная исполнительная съемка по трибунам стадиона и повторный цикл измерений позволили оценить фактическую величину накопленной осадки в зоне трибун (рис. 6). Наибольшие осадки составили 95 мм при допустимых 100 мм, а неравномерности превысили предельные значения - 0,0026 вместо 0,002. Однако исполнительная съемка выполнялась только в зоне трибун, общей картины накопленной осадки здания не имелось, отсутствовали данные по осадке наиболее нагруженной области. Для анализа полной картины деформаций были выполнены совместные численные расчеты здания и основания.
Совместные расчеты здания и основания являются ключевыми для принятия корректного проектного решения [1]. На перспективность совместных расчетов указывали еще основоположники отечественной геотехники [2]. В современных российских нормах расчет взаимодействия конструкций и основания является обязательным требованием. Учет взаимодействия с основанием важен для зданий любого уровня сложности, в том числе для нормального уровня ответствен-
[
с [
... ч ?
НТ13
Рис. 3. Трещины в ригеле в зоне сопряжения с колонной
Рис. 4. Фотофиксация отобранного образца лигнита
ности [3]. Если же проектируется уникальное здание, сооружение повышенного уровня ответственности, если рассматривается сложная реконструкционная ситуация, то без расчетов взаимодействия здания и основания проект не имеет права на существование [4]. Институт «Геореконструкция» на протяжении многих лет развивает теорию и практику расчетов взаимодействия сооружения и основания [5]. При этом применяются нелинейные реологические модели работы основания [6], учитывается нелинейная работа железобетонных конструкций [7-12].
По результатам расчетов было установлено, что картина осадок хорошо коррелирует с данными измерений в зоне, охваченной геодезической съемкой (рис. 7). При этом максимальное значение осадки составило 119 мм в наиболее нагруженной зоне за пределами измерений. Неравномерность осадки на от- 13
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 5. График статического зондирования, изображающий типовые условия участка
дельных участках превысила предельное значение, регламентированное нормативными документами, в четыре раза (рис. 8).
Но не только и не столько в длине свай была причина всех бед. Рассмотрим конструктивную схему стадиона. В здании предусмотрено всего два ядра жесткости, в виде лестнично-лифтовых узлов, расположенных по одну сторону от центральной оси (рис. 9). Ядра жесткости объединены диафрагмами жесткости в виде монолитных железобетонных пере-
крытий «этажерки», в которой находится ресторан и VIP-ложа. Таким образом, основное ядро жесткости располагается асимметрично относительно остальных конструкций здания. Ознакомившись с приведенной на рис. 9 схемой, специалист усомнится в достаточности элементов жесткости.
После строительства стадиона анализом общей пространственной жесткости здания занимался ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, согласно расчетам которого первая частота собственных изгибных коле-
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 7. Изолинии осадок по результатам численного расчета
баний здания в продольном направлении составила 0,97 Гц, что свидетельствовало о пониженной жесткости здания в этом направлении.
При выполнении собственного анализа работы конструкций авторы настоящей статьи получили схожие с ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко результаты. Наиболее низкими расчетными формами колебаний сооружения являлись колебания массивного диска покрытия относительно железобетонной конструктивной системы стадиона. Первая главная форма колебаний соответствовала крутильным колебаниям диска покрытия (рис. 10), вторая главная форма колебаний - поступательным смещениям диска в поперечном направлении здания (рис. 11).
В качестве мероприятий по увеличению пространственной жесткости в отчете ЦНИИСК было предложено установить дополнительные распорки и связи по фермам и колоннам, после установки которых расчетная частота в схеме ЦНИИСК увеличивалась до 1,36 Гц.
На практике рекомендации ЦНИИСК были реализованы не в полной мере, причем с конструктивными ошибками, что в результате никак не отразилось на увеличении пространственной жесткости здания.
Еще одной конструктивной особенностью стадиона было отсутствие деформационных и температур-
Рис. 6. Изолинии накопленных осадок по трибунам, полученные за счет сравнения исполнительной съемки во время строительства и геодезических измерений, выполненных в 2018 г. (м)
Рис. 8. Деформированная схема поперечного сечения каркаса здания
Ядра жесткости (лестнично-лифтовые узлы)
■ ■ f > I 1 <
о-— -о
Я-1 Ш в \ 7 / 1
\ ■ ■ \ 1 ' / У,
L s" .иафрагма жесткости Г /
i —Z
с 1_
> .С Si V
1 ( ) / 1 л \v s.
; ! / ч is л ч
' i / \ ч4
„ J а
Рис. 9. Конструктивная схема здания с указанием элементов жесткости
Рис. 10. Первая главная форма собственных колебаний
Рис. 11. Вторая главная форма собственных колебаний
ных швов. При этом все сборные железобетонные конструкции - колонны, ригели, подтрибунные балки и наборные плиты трибун были соединены друг с другом через закладные детали сваркой. Узел крепления ферм с колоннами также был выполнен непод-
Подземное строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
Рис. 12. Опорный участок железобетонной подтрибунной балки
Рис. 13. Деформированная схема колонн внешнего ряда, демонстрирующая влияние от расширения конструкций покрытия. Максимальная деформация колонн составила 38,3мм
Рис. 14. Изолинии перемещений в результате расширения перекрытия над первым этажом от перепада температуры 40оC
вижным, в результате чего опорные колонны воспринимали от фермы не только вертикальную составляющую нагрузки, но и дополнительные изгибающие моменты, полученные от горизонтальной составляющей реакции.
При выявленной сверхнормативной податливости каркаса и заложенной при проектировании тенденции к развитию неравномерных осадок совершенно очевидно, что зданию противопоказана организация жесткого стыка элементов каркаса. Относительно жесткое, а не шарнирное сопряжение стыков ригелей с колоннами за счет сварки закладных деталей опорных участков привело к возникновению дополнительного изгибающего момента в узлах при неравномерных осадках колонн, которые стандартное изделие не в состоянии было воспринять (рис. 12).
Вклад температурных деформаций в развитие дефектов
Очевидно, что весьма податливая, но при этом жестко связанная сварными соединениями конструк-
Рис. 15. Частичный демонтаж сборных конструкций, устройство монолитных стен рам
Рис. 16. Восстановление демонтированных сборных конструкций в монолитном железобетоне
ция с размерами в плане 159x89,6 м не способна воспринимать и перераспределять усилия, возникающие при изменении температуры.
Температурный режим внутри здания удалось детально проанализировать благодаря системе мони-
Научно-технический и производственный журнал
торинга изменения температуры, установленной на объекте ООО «Геотек». В соответствии с данными мониторинга можно выделить несколько видов температурного воздействия на конструкции.
1. Суточные колебания на 1,5-2оС вследствие естественного изменения температуры в течение суток.
2. Сезонные изменения температуры, связанные с функционированием системы отопления и вентиляции в здании. Характеризуются резким перепадом температуры на 7-8оС за несколько суток.
3. Локальные повышения температуры в течение суток на 3-4оС и во время игр при скоплении зрителей и более высокие колебания температуры порядка 6-7оС во время концертов при отключении ледового поля.
4. Резкое локальное снижение уровня показаний температуры в зимнее время на 8-10оС зафиксировано на датчиках, расположенных на краю здания, что может быть связано с подмораживанием конструкций холодным воздухом, поступающим из окружающей среды вследствие негерметичности утеплителя и низкого качества ограждающих конструкций.
5. Экстремальное воздействие, вызванное монтажом конструкций зимой при морозе -25оС и дальнейшим нагреванием помещений до +15оС, Д1=40°С.
Численные расчеты на температурное воздействие позволили оценить общий характер работы конструкций здания. Расширение/сужение конструкций покрытия, жестко соединенных с колоннами внешнего ряда, приводит к перемещению колонн и возникновению непредусмотренных проектом растягивающих продольных сил в подтрибунных балках, что выражается в трещинах в опорных узлах, воспринимающих непроектные растягивающие усилия.
При экстремальном изменении температуры на 40оС, которое вероятнее всего имело место при строительстве здания и замыкании контура в зимний период, горизонтальное перемещение колонн, по данным расчетов, могло составить до 38 мм (рис. 13).
Температурное расширение/сужение протяженных дисков перекрытий приводит к горизонтальным перемещениям жестко связанных с ними ригелей и вертикальных конструкций. Деформации колонн каркаса и стен стадиона, вызванные перепадом температуры на 40°С, по результатам расчетов могли достигать 20 мм (рис. 14).
О целесообразности усиления конструкций стадиона
По результатам моделирования работы конструкций от разного рода воздействий можно утверждать, что при проектировании была заложена
системная ошибка - не была произведена оценка взаимодействия конструкций здания между собой и с основанием. Податливая каркасная конструктивная схема была не способна справиться с перераспределением возникающих в конструкциях усилий от неравномерной осадки и от температурных воздействий. Относительно жесткие связи в узлах сопряжения элементов не позволяли свободно деформироваться отдельным элементам конструкций, что в результате приводило к образованию реакций в узлах, превышающих несущую способность элементов конструкций.
Разобравшись с причинами возникновения дефектов, нужно было наметить мероприятия, обеспечивающие возможность дальнейшей безопасной эксплуатации стадиона, но здесь возник ряд дополнительных проблем. В соответствии с действующими нормами в здании с массовым пребыванием посетителей должно быть исключено прогрессирующее обрушение конструкций. Очевидно, что каркасное здание из сборного железобетона такому требованию соответствовать не в состоянии. Поэтому требовалось предложить такое конструктивное решение внутри существующего каркаса, которое позволяло бы перераспределить усилия в сооружении с учетом возможного удаления одного из несущих конструктивных элементов. Специалисты института «Геореконструкция» предложили выполнить частичную замену сборных конструкций перекрытий и трибун на монолитные, а также устройство монолитных стен/ рам в уровне первого этажа (рис. 15, 16).
Данное конструктивное решение помимо проблемы прогрессирующего обрушения одновременно позволяло также решить и все остальные проблемы здания, связанные с общей податливостью конструкций. Конструкции стен в уровне первого этажа способствовали бы перераспределению усилий, возникающих в конструкциях от неравномерных осадок, а монолитные конструкции трибун - увеличению общей пространственной жесткости стадиона.
В целом сохранить конструкции стадиона ценой сложных и зачастую неудобных для организации внутреннего пространства решений было возможно. Но помимо конструктивных проблем было множество других, таких как пожарная безопасность (требовались дополнительные эвакуационные выходы), отсутствие видимости с трибун, а также общее моральное старение объемно-планировочного решения. Поэтому целесообразности сохранять каркас, который и без того требовалось существенным образом преобразовать, не было и осенью 2019 г. здание снесли.
Судьба этого стадиона наглядно показывает, насколько важно при проектировании оценивать про- 17
Подземное строительство
Ц M .1
Научно-технический и производственный журнал
странственную работу конструкций и выполнять совместные расчеты с основанием. Учитывая особенности пространственной работы конструкций стадиона и характер деформации на основании, можно было бы избежать критических ошибок при проектировании, предусмотрев дополнительные ядра, диафрагмы жесткости и пересмотрев конструкции узлов сопряжения элементов.
Список литературы
1. Улицкий В.М., Шашкин А.Г., Шашкин К.Г., Шаш-кин В.А. Основы совместных расчетов зданий и оснований. СПб.: Геореконструкция, 2014. 328 с.
2. Горбунов-Посадов М.И. О совместной работе оснований и сооружений // Генеральные доклады VIII Международного конгресса по механике грунтов и фундаментостроению. М.: Стройиздат, 1973. C. 32-82.
3. Шашкин В.А. Эффекты концентрации напряжений в конструкциях здания при взаимодействии с основанием // Жилищное строительство. 2012. № 9. С. 9-14.
4. Катценбах Р. Основные принципы проектирования и мониторинга высотных зданий Франкфурта-на-Майне. Случаи из практики // Реконструкция городов и геотехническое строительство. 2005. № 9. С. 80-99.
5. Улицкий В.М., Шашкин А.Г., Шашкин К.Г. Геотехническое сопровождение развития городов. СПб.: Геореконструкция, 2010. 551 с.
6. Шашкин А.Г. Проектирование зданий и подземных сооружений в сложных инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга. М.: Геомаркетинг, 2014. 352 с.
7. Бабанов В.В., Евсеев Н.А. Назначение жесткост-ных параметров железобетонных конструкций в конечно-элементных расчетах сооружений // Жилищное строительство. 2017. № 12. С. 26-29.
8. Евсеев Н.А. Особенности учета нелинейной работы железобетона в расчетах взаимодействия здания и основания // Геотехника. 2018. № 4. С. 58-69.
9. Несветаев Г.В., Халезин С.В. Деформационные свойства бетонов с каркасной структурой // Науковедение. 2015. № 4. C. 11-13.
10. Евсеев Н.А. Учет физической нелинейности железобетонных конструкций при численных расчетах конструктивных систем // Вестник гражданских инженеров. 2017. № 5. С. 66-70.
11. Salman Mohammed M., The Ratio between Static and Dynamic Modulus of Elasticity in Normal and High Strength Concrete // Journal of Engineering and Development. 2006. Vol. 10. No. 2, pp. 163-174.
18l -
12. Lydon F.D., Balendran R.V. Some Observations on Elastic Proper-ties of Plain Concrete // Cement and Concrete Research. 1986. Vol. 16. No. 3, pp. 312-324.
References
1. Ulitsky V.M., Shashkin A.G., Shashkin K.G, Shash-kin V.A. The basics of soil-structure interaction calculations. Saint-Petersburg: Georeconstructsia. 2014. 328 p.
2. Gorbunov-Posadov M.I. On joint work of foundations and structures. General reports of the VIII International Congress on soil mechanics and Foundation construction. Moscow: Stroizdat. 1973. C. 32-82. (In Russian).
3. Shashkin V.A. Effects of stress concentration in building structures in interaction with the base. Zhilishch-noe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2012. No. 9, pp. 9-14. (In Russian).
4. Katzenbach R. Basic principles of design and monitoring of high-rise buildings in Frankfurt am main. Cases from practice. Rekonstruktsiya gorodov i geotekhnicheskoe stroitel'stvo. 2005. No. 9, pp. 80-99. (In Russian).
5. Ulitsky V.M., Shashkin A.G., Shashkin K.G. Geoteh-nicheskoe soprovogdenie stroitelstva gorodov [Geo-technical support of urban development]. St. Petersburg: Georeconstruction. 2010. 551 p.
6. Shashkin A.G. Proektirovanie zdaniy i podzemnyh sooruzheniy v slozhnyh inzhenerno-geologicheskih usloviyah Sankt-Peterburga [Design of buildings and underground structures in complex engineering and geological conditions of St. Petersburg]. Moscow: Geomarketing. 2014. 352 p.
7. Babanov V.V., Evseev N.A. Appointment of rigidity parameters of reinforced concrete structures in finite element calculations of structures. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2017. No. 12, pp. 26-29. (In Russian).
8. Evseev N.A. Features of the account of nonlinear work of reinforced concrete in calculations of interaction of a building and the basis. Geotehnika. 2018. No. 4, pp. 58-69. (In Russian).
9. Nesvetaev G.V., Khalezin S.V. The deformation properties of concrete with contact structure of coarse aggregate. Naukovedenie. 2015. No. 4, pp. 11-13. (In Russian).
10. Evseev N.A. Accounting of physical nonlinearity of reinforced concrete structures at computation of structural systems. Vestnik grazhdanskikh inzhenerov. 2017. No. 5, pp. 66-70. (In Russian).
11. Salman Mohammed M., The Ratio between Static and Dynamic Modulus of Elasticity in Normal and High Strength Concrete. Journal of Engineering and Development. 2006. Vol. 10. No. 2, pp. 163-174.
12. Lydon F.D., Balendran R.V. Some Observations on Elastic Proper-ties of Plain Concrete. Cement and Concrete Research. 1986. Vol. 16. No. 3, pp. 312-324.
^^^^^^^^^^^^^ |l1'2019
