Заказчик обратился к нашему партнёру-проектировщику с запросом на перепроектирование. Первоначальный вариант стального каркаса не устраивал сложностью заложенных решений и высокой металлоёмкостью.
В этом проекте сложились все факторы, присущие реальному проектированию: сложность геометрии здания, сжатые сроки проектирования и реализации, сейсмическая активность и стеснённые условия строительной площадки.
Проект
Трёхэтажное здание частной школы в г. Новокузнецке расположено в районе с расчётной сейсмичностью 7 баллов. Проект был отмечен как «Лучший реализованный архитектурный проект 2024 года» по признанию РААСН.
Рисунок 1 — Фасад школы
Рисунок 2 — План здания
Исходная ситуация
На входе мы получили готовый проект со следующими характеристиками:
- Конструктив: сложный (малый шаг балок перекрытия, жёсткие узлы), с многопролётными жёсткими рамами.
- Соединения: все узлы стального каркаса предполагали использование монтажной сварки.
- Масса металлокаркаса: 825 тонн.
Сложная геометрия здания была обусловлена конфигурацией земельного участка и требованиями по инсоляции.
Рисунок 3 — Балочная клетка в исходном проекте
Рисунок 4 — Узлы на монтажной сварке в исходном проекте
Задача
Перед инженерной командой стояли три ключевые задачи:
- Снизить вес стального каркаса, обеспечив при этом его надежность.
- Исключить монтажную сварку для упрощения работ на площадке.
- Сократить сроки монтажа несущего каркаса.
Предложенное решение
Мы полностью переработали конструктивную схему здания, применив современные подходы к проектированию стальных каркасов в сейсмических районах.
Ключевые изменения в конструктиве:
- Новая схема. Вместо сложного конструктива с узлами на монтажной сварке заложили простую и надёжную схему с болтовыми соединениями.
По сути, вопрос «что крепче — сварка или болтовое соединение» в данном проекте не возникал — монтажная сварка была исключена априори в соответствии со второй и третьей задачами, где ключевыми являлись сроки и технологичность монтажа.
- Тип узлов. Основную часть узлов выполнили шарнирными на болтах, а количество жёстких узлов свели к минимуму.
Рисунок 5 — Предложенная конструктивная схема здания
Рисунок 6 — Жёсткие узлы
Рисунок 7 — Шарнирные болтовые узлы
Для повышения несущей способности каркаса при сейсмическом воздействии и одновременного снижения его массы мы применили следующие принципы и технологии:
- Эффективные материалы и профили. Использование стали повышенной прочности (С390 вместо С255) и прокатных двутавров, которые хорошо работают при сейсмических нагрузках и позволяют образовываться пластическим шарнирам в сечении (в отличие от сварных аналогов локальная устойчивость стенок и поясов у них обеспечена).
Рисунок 8 — Прокат БАЛМАКС
- Использование вутов и локальных усилений.
Рисунок 9 — Демонстрация вута
- Создание дисков жесткости. Моделирование жестких дисков покрытия и перекрытия для повышения общей устойчивости каркаса.
Рисунок 10 — Расчётная схема здания с продольными и поперечными диафрагмами
- Сталежелезобетонные конструкции. Интеграция железобетонной плиты перекрытия в работу стальных балок в качестве верхнего сжатого пояса, что позволяет сэкономить около 30% массы балок (в этом проекте не использовалось ввиду сжатых сроков, учитывалось только раскрепление верхнего пояса балок плитой).
- Принцип концентрации материалов. Использование максимальных шагов рам и балок для оптимизации распределения материала.
- Статически неопределимые схемы. Применение таких схем создает запас прочности и позволяет каркасу перераспределять усилия за счет развития пластических деформаций во время сейсмического воздействия.
Рисунок 11 — Переход от шарнирной рамы к жёсткой
При этом проектировщикам пришлось учесть сложные архитектурные требования: например, из-за планировки было недопустимо устройство вертикальных связей стального каркаса в поперечном направлении. Поэтому использованы многоэтажные П-образные рамы в качестве «ядра» жесткости:
Рисунок 12 — Обеспечение пространственной жёсткости здания П-образными рамами
- Эксцентриситеты крепления для создания возможности развития пластических деформаций в определённых зонах для диссипации энергии.
Рисунок 13 — Эксцентричное крепление элементов для диссипации сейсмической энергии
Результаты
Благодаря комплексному подходу и переработке проекта, удалось добиться существенного эффекта:
- Масса каркаса снижена в 2 раза: с 825 тонн до 415 тонн.
- Отказ от монтажной сварки: переход на преимущественно болтовые соединения позволил выполнить требование заказчика.
- Сжатые сроки проектирования: разработка проекта КМ (конструкции металлические) была завершена за 1 месяц.
- Успешное прохождение экспертизы: обновленный проект получил положительное заключение экспертизы.
Этот кейс демонстрирует, как грамотный инжиниринг и применение современных методов расчёта позволяют не только значительно оптимизировать проект по металлоемкости и срокам, но и обеспечить высокую надёжность здания в сложных сейсмических условиях.
