Т.А. МУХАМЕДИЕВ, д-р техн.наук, А.С. МАХНО, канд.техн.наук (НИИЖБ), РАСЧЕТ НЕСУЩЕЙ СИСТЕМЫ ЗДАНИЯ ЛЕДОВОГО ДВОРЦА В МОСКВЕ С УЧЕТОМ ПОДАТЛИВОСТИ ОСНОВАНИЯ
Построенное в 2006 г. в Москве здание универсального ледового дворца спорта представляет собой круглое в плане сооружение с несущим рамно-связевым каркасом из монолитного железобетона и со стальным большепролетным висячим покрытием диаметром 110 м, перекрывающим основной объем сооружения. По наружному контуру здание огибается двумя входными пандусами, также решенными в монолитном железобетоне и перекрываемыми стальными козырьками и навесами.
Пространственный несущий каркас здания представляет собой систему радиально расположенных рам, связанных горизонтальными дисками из монолитных плит и балок перекрытий и наклонными монолитными плитами и балками трибун. Высота рам увеличивается от границы ледового поля до наружного периметра здания.
Несущий каркас здания разделен сквозным температурным швом замкового типа, воспринимающим сдвиговые усилия от горизонтальных нагрузок.
Пространственная жесткость здания при воздействии горизонтальных нагрузок обеспечивается жесткой связью колонн каркаса с плитами и балками перекрытий и трибун, двумя расположенными по главной оси вертикальными ядрами жесткости (пилонами), а также системой монолитных лестничных клеток, лифтовых шахт и отдельных, расположенных по наружному периметру здания, поэтажных стен жесткости.
Диаметр здания без пандусов по наружной буквенной оси составляет 120 м, высота здания (отметка плиты покрытия) - 38,80 м. Под зданием имеется подвальный (технический) этаж.
Колонны несущего рамно-связевого каркаса здания в плане расставлены в кольцевом и радиальном направлениях от края ледового поля к наружному контуру с переменным шагом, изменяющимся от 3,0 до 9,0 м в радиальном направлении и от 3,5 до 7,85 м в кольцевом направлении. Сечение колонн каркаса в районе высокой части и опорного контура покрытия - квадратное, с размером поперечного сечения по всей высоте 900x900 мм, в районе трибун - также квадратное, с размером 500x500 мм. Кроме того, в пределах ядер жесткости имеются колонны прямоугольного сечения с размерами 1260x600 мм и 1260x400 мм. Входные пандусы опираются частично на наружный ряд колонн основного здания и на систему собственных колонн квадратного сечения размерами 500x500 мм и пилонов с размерами сечения 2300x1000 мм.
Плиты перекрытия - монолитные, толщиной 250 мм (над подвалом - 300 мм.), подкреплены по наружному, а для плит перекрытий с отм. +21,5 и выше - и по внутреннему периметру монолитными балками. Плита покрытия выполняет роль опорного контура для висячего покрытия и имеет толщину 700 мм - в пределах передачи нагрузки от висячего покрытия, и 500 мм на остальной площади. Балки плит перекрытий имеют различную высоту.
Толщина стен главных пилонов на всех этажах составляет 300 мм, а в подвале - 600 и 400 мм. Толщина монолитных поэтажных диафрагм принята равной 200 мм, системы радиальных диафрагм между отметками +11,300 и +15,500 - 160 мм. Толщина стен лифтовых шахт составляет 300, 250 и 200 мм, наружных монолитных стен подвала - 300 мм, а внутренних - 250 мм.
Фундаменты под всем зданием - сплошная монолитная плита переменной толщины. Толщина плиты составляет: 1,5 м - под главными пилонами; 1,2 м - под высокой частью; 1,0 м - под трибунами; 0,6 м - на остальной площади плиты и под пандусами.
Статический расчет несущей системы здания производили методом конечных элементов в пространственной постановке. Разработку расчетной схемы и последующие расчеты осуществляли с использованием программного комплекса Ing+ 2006 и входящей в него программы MicroFe 2006 российской фирмы ТехСофт.
Конечно-элементная модель несущей системы здания (см. рис. 1) была построена по рабочим чертежам проекта, разработанного ООО АРХИНЖ. При создании конечно-элементной модели использовали следующие типы конечных элементов: Изотропные оболочки - для моделирования фундаментной плиты и плит перекрытий, трибун, стальных элементов козырьков и покрытия над пандусами; 3D- стержни - для моделирования железобетонных колонн, балок перекрытий и покрытий, балок трибун, стальных стержневых элементов козырьков и балок покрытия над пандусами.
В расчетной схеме здания было принято жесткое сопряжение изотропных оболочечных элементов плит перекрытия со стержневыми элементами монолитных балок.
Учет различной толщины плит (фундаментной плиты и плиты опорного контура) производили при помощи задания эксцентриситетов между группами конечных элементов различной толщины.
Передачу горизонтальных усилий в температурном шве моделировали путем объединения перемещений в узлах соседних температурных блоков в соответствующих направлениях.
Принятое конструктивное решение здания вызывает неравномерное распределение нагрузки на фундаментную плиту и на основание. В совокупности с развитостью здания в плане и различной изгиб- ной жесткостью фундаментной плиты это влияет на усилия в вышележащих несущих конструкциях здания - особенно в их жестких узлах сопряжения. При этом при расчетах степень этого влияния существенно зависит от принятой для расчета модели основания.
Для выявления степени влияния способа моделирования работы основания на усилия в несущих конструкциях здания рассмотрели две расчетные схемы основания:
- в виде массива грунта под всем зданием и за его пределами, задаваемого при помощи объемных конечных элементов;
- в виде упругого основания Пастернака с учетом работы законтурных элементов основания.
Толщину массива грунта под зданием, учитываемую в расчете, принимали по результатам оценки сжимаемой толщи грунта на основании принятых в нормах расчетных моделей:
- в виде линейно деформируемого полупространства;
- в виде линейно деформируемого слоя.
Кроме того, для оценки степени влияния неравномерных осадок основания на значения усилий в несущих конструкциях надземной части был рассмотрен вариант абсолютно жесткого основания.
Массив грунта основания в расчетной схеме здания задавали через функцию Слоистое основание, позволяющую учесть работу основания при помощи объемных конечных элементов массива грунта под фундаментной плитой. При этом работу законтурного массива грунта учитывали на ширине 20 м от края фундаментной плиты.
Глубина сжимаемой толщи грунта для расчетной схемы основания в виде линейно деформируемого полупространства составила 21,7 м. Для этой расчетной схемы, по данным геологических изысканий, в расчете учитывали пять инженерно-геологических слоев со следующими характеристиками: первый слой песка - Нсл=4,7 м, Е=28 МПа, ц=0,3; второй слой песка - Нсл=3,0 м, Е=25 МПа, ц=0,3; слой глины - Нсл=7,0 м, Е=20 МПа, ц=0,42; слой супесей - Нсл=2,0 м, Е=16 МПа, ц=0,3; слой глины - Нсл=5,0 м, Е=24 МПа, ц=0,42.
Глубина сжимаемой толщи грунта для расчетной схемы основания в виде линейно деформируемого слоя составила 6,7 м. Для нее учитывали два инженерно-геологических слоя - первый и второй слои песка. Кроме того, для данного варианта были проведены расчеты с использованием значения модуля деформаций грунта, определенного путем непосредственных испытаний грунтов на строительной площадке и равного 34 МПа.
Значение коэффициента постели при задании работы основания как упругого основания Пастернака определяли с использованием данных по мониторингу осадки здания.
Анализ результатов расчета показал, что, по сравнению с вариантом абсолютно жесткого основания, при учете податливости основания неравномерные деформирование конструкций несущей системы здания и осадки здания приводят к появлению значительных усилий в отдельных несущих конструкциях, в особенности - в колоннах и в узлах их сопряжений с фундаментной плитой, балками пандусов и трибун. Разность осадок фундаментной плиты под наиболее нагруженной высотной частью здания и под трибунами и входными пандусами приводит к вертикальному смещению системы колонн пандусов и подтрибунно- го пространства относительно колонн высотной части. В этих условиях наклонные монолитные главные балки трибун играют роль подкосов, передающих горизонтальную нагрузку на колонны в местах их сопряжения.
При учете податливости основания значения усилий в конструкциях существенно зависят от выбранной модели работы основания под фундаментной плитой. Наибольшие осадки сооружения и усилия в несущих конструкциях и узлах их сопряжения были получены при учете массива грунта с большой глубиной сжимаемой толщи (21,7 м), определенной по модели линейно деформируемого полупространства. При расчете здания с учетом массива грунта малой толщины (6,7 м), как и при расчете по модели упругого основания, были получены значительно меньшие значения деформаций сооружения и усилий в узлах сопряжения конструкций каркаса. В случае выполнения статического расчета в линейной постановке учет массива грунта малой толщины дает значения усилий в конструкциях, близкие к значениям, полученным при расчете с использованием модели упругого основания Пастернака (разница в полученных усилиях менее 5%).
На рис. 2 и 3 приведен характер эпюр изгибающих моментов и поперечных сил в балках и колоннах фрагмента поперечного сечения здания. В местах передачи на колонны горизонтальной нагрузки через главные балки трибун в колоннах отмечены значительные изгибающие моменты и поперечные силы. Кроме того, неравномерное деформирование фундаментной плиты вызывает появление значительных изгибающих моментов в узлах сопряжения колонн с фундаментной плитой.
В наружных входных пандусах неравномерные осадки фундаментной плиты приводят к появлению значительных изгибающих моментов в радиальных балках, жестко связанных с наружными колоннами каркаса.
Для выбора наиболее корректного из рассмотренных вариантов моделирования основания были проведены расчеты осадок здания на период завершения его строительства. Расчеты проводили на действие нормативных постоянных и длительных нагрузок, действующих во время завершения строительства, и с использованием указанных выше моделей основания. Расчетные значения осадок здания сравнивались с осадками, замеренными в процессе мониторинга строительства здания. Фактические значения осадок здания на период завершения его строительства в сентябре 2006 г. были приняты по данным мониторинга строительства здания Ледового дворца, проводимого специализированными организациями.
Результаты расчета показали, что наиболее близкое совпадение расчетных и фактических значений осадок здания наблюдается при использовании модели массива грунта под зданием из объемных конечных элементов, задаваемых на глубину сжимаемой толщи, определенную из расчетной схемы основания в виде линейно деформируемого слоя (глубина сжимаемой толщи 6,7 м).
Эта расчетная модель основания была принята для окончательных расчетов и анализа напряженно- деформированного состояния несущих конструкций Ледового дворца при действии расчетных нагрузок.
Бетон и железобетон, 2007 №6