Frost 3D в вузахВыбрать язык:

Расчет тепловых режимов многолетнемерзлых грунтов в основании школы с проветриваемым подпольемЗдание с проветриваемым подпольем

Введение

При строительстве зданий на многолетнемерзлых грунтах (ММГ) по I принципу (с сохранением грунтов в мерзлом состоянии) важнейшей задачей является поддержание необходимой отрицательной температуры в процессе эксплуатации здания, обеспечивающей устойчивость основания. В области распространения ММГ в зоне застройки встречаются как талые, так и многолетнемерзлые грунты с температурой, близкой к температуре оттаивания.

3D-модель основания школы с проветриваемым подпольем на многолетнемерзлых грунтах, построенная в программном комплексе Frost  3D

3D-модель основания школы с проветриваемым подпольем на многолетнемерзлых грунтах, построенная в программном комплексе Frost 3D

Для минимизации теплового воздействия зданий и сооружений на грунты основания в процессе эксплуатации верх свай, ростверки и балочную клетку зданий и сооружений располагают выше планировочной отметки земли. Пространство между планировочной поверхностью грунта и балочной клеткой первого/цокольного этажа называется проветриваемым или вентилируемым подпольем. Проветриваемое подполье может быть как открытого типа, так и закрытого с устройством продух. Проветриваемое подполье обеспечивает температурную устойчивость грунтов основания к отепляющему воздействию сооружения, а также может создавать условия, при которых температура ММГ понижается и происходит промерзание талых грунтов.

За счет того, что в пределах открытого вентилируемого подполья в зимний период движется холодный воздух и при этом практически не скапливается снег, происходит постепенное промерзание грунта, и в процессе эксплуатации здания под таким подпольем образуется мерзлое ядро.

Применения только лишь одного проветриваемого подполья может быть недостаточно для достижения в пределах заложения свайного основания расчетного температурного режима грунтов. В таком случае дополнительно производится установка термостабилизаторов в непосредственной близости от свай, количество и схема установки которых определяется расчетом на основании вариативной проработки.

Требования нормативной документации к прогнозу температурного режима основания

В данном примере грунты основания здания используются по I принципу (СП 25.13330.2020), т.е. в мерзлом состоянии, сохраняемом в процессе строительства и в течение всего периода эксплуатации. В таком случае при устройстве проветриваемого подполья необходимо руководствоваться требованиями п. 6.3.1, 6.3.2 и приложением Д СП 25.13330.2020.

Постановка задачи

Рассматриваемое сооружение – отапливаемое административное здание П-образной формы, с габаритными размерами в плане 16,0 х 34,0 м + 21,0 х 30,0 м + 16,0 х 34,0 м. По конструктивной схеме – каркасное, с устройством открытого проветриваемого подполья высотой 1,2 м. Фундамент здания – буронабивные сваи диаметром 650 и 800 мм, из бетона класса В25, с заглублением в грунт на 8 и 10 м.

По периметру здания располагается внутриплощадочный проезд, который в зимний период расчищается от снега, что обеспечивает промерзание этого участка в зимний период. В летний период на грунты в пределах внутриплощадного проезда будут влиять 2 разнонаправленных фактора: из-за воздействия солнечной радиации будет происходить нагрев поверхности, а за счет испарения поверхность начнет охлаждаться. Результирующая температурная добавка для поверхности будет равняться сумме влияния от обозначенных выше факторов.

Инженерно-геологическое строение участка застройки неоднородное, разрез представлен переслаиванием песков, супесей, суглинков, глин и гравийно-галечных грунтов. ММГ несливающегося типа, кровля ММГ залегает на глубине от 4,5 м и более. Среднегодовая температура ММГ высокая, близкая к температуре начала замерзания, что требует специальных мер по охлаждению и поддержанию требуемого температурного режима грунтов основания сооружения. Для обеспечения устойчивости грунтов основания здания, помимо конструктивно-технического и объемно-планировочного решения в виде устройства открытого вентилируемого подполья, предусмотрена установка в пределах подполья отдельностоящих вертикальных термостабилизаторов у каждой сваи.

Сложное инженерно-геологическое строение участка застройки требует использования специализированного ПО, способного его качественно воспроизводить и дискретизировать. Сегодня такие модели создаются только в ПО Frost 3D. Как показали результаты расчета, сложное мерзлотно-геологическое строение основания обусловливает большую изменчивость температурного режима в пределах участка застройки. Frost 3D позволяет учитывать максимальное количество параметров и прогнозировать динамику температурного режима как в естественных условиях, так и на этапе строительства и эксплуатации.

Расположение инженерно-геологических скважин в пространстве модели во Frost  3D

Расположение инженерно-геологических скважин в пространстве модели

Дискретизированная 3D-модель основания школы с проветриваемым подпольем

Сваи и термостабилизаторы, расположенные в вентилируемом подполье школы

Особенности моделирования температурного режима грунтов основания здания с проветриваемым подпольем

Моделирование температурного режима грунтов оснований зданий и сооружений на проветриваемом подполье следует производить в 3 этапа:

  1. 1.На начальном этапе постановки задачи производится адаптация естественных условий модели, без учета объектов нового строительства. Также на данном этапе производится расчет температуры грунтов на момент начала строительства.
  2. 2.Затем производится моделирование этапа строительно-монтажных работ (СМР). На этапе СМР балочная клетка отсутствует и, соответственно, вентилируемое подполье еще не работает. В этом случае в области, где расположены сваи, необходимо задавать граничное условие, соответствующее естественным условиям снегонакопления. В некоторых случаях, например, при предпостроечном промораживании грунтов, когда в пределах сооружения в зимний период не будут проводиться СМР, рекомендуется учитывать повышенное снегонакопление вблизи свай.
Граничные условия в модели во Frost  3D на этапе строительно-монтажных работ

Граничные условия в модели на этапе строительно-монтажных работ

На этапе СМР производится:

  • Построение модели сооружения и всех объектов в его составе, назначение граничных условий с учетом объемно-планировочных решений в пределах расчетной области проектируемого объекта, осуществляется этап построения расчетной сетки.
  • Моделирование отсыпки общепланировочной насыпи. В условиях данного примера отсыпку насыпи необходимо производить при отрицательной температуре воздуха на мерзлое основание в соответствии с п. 6.1.27 СП 45.13330.2017.

Начальное распределение температур в 3D-модели (в разрезе)

  • Моделирование погружения свай. В данном примере применены буронабивные сваи из бетона класса В25 диаметром 650 и 800 мм, которые при гидратации бетона будут оказывать сильное отепляющее воздействие на грунты основания. Frost.Термо позволяет учитывать отепляющее воздействие свай при гидратации бетона, при этом возможно моделировать для свай как одномоментное погружение, так и указывать время погружения для каждой сваи отдельно.

Моделирование отепляющего воздействия при гидратации бетона свай

  • Моделирование погружения термостабилизаторов.
На этапе постановки задачи необходимо корректно рассчитывать размеры испарительной и конденсаторной частей термостабилизаторов. Термостабилизаторы, устанавливаемые в пределах проветриваемого подполья, должны иметь надземную часть, соответствующую высоте проветриваемого подполья – в таком случае вся поверхность оребренной конденсаторной части термостабилизаторов будет хорошо обдуваться. Расположение оребрения термостабилизаторов внутри балочной клетки зданий может ухудшить обдув оребрения и, соответственно, эффективность работы термостабилизаторов. После подбора высоты конденсаторной части необходимо определить длину испарительной части термостабилизатора, учитывая, что абсолютное большинство термостабилизаторов, представленных на российском рынке, имеют длину, кратную 1 м.
Термостабилизаторы, устанавливаемые в проветриваемом подполье

Термостабилизаторы, устанавливаемые в проветриваемом подполье

Моделирование работы СОУ

3. По окончании периода строительства наступает период эксплуатации, когда начинается воздействие от проветриваемого подполья. В рассматриваемом примере длительность периода эксплуатации составляет 50 лет. Для корректного учета работы проветриваемого подполья необходимо рассчитать температуру в пределах проветриваемого подполья в соответствии с приложением Д СП 25.13330.2020. Во Frost.Термо имеется специальный модуль для проведения этого расчета.

Граничные условия в модели на этапе эксплуатации

Граничные условия в модели на этапе эксплуатации

Моделирование периода эксплуатации:

Динамика температурного распределения в конце летнего периода (на момент максимального оттаивания грунтов основания)

Динамика температурного распределения в конце зимнего периода (на момент максимального промерзания грунтов основания)

Выводы по результатам расчета

Результаты моделирования во Frost.Термо приводятся на 3D-модели, цветовое распределение которой соответствует полю температур, полученному в расчетную итерацию. Также результаты отображаются в виде двухмерных сечений с изотермами и бергштрихами. В дополнение Frost.Термо позволяет снимать температурные данные в произвольных точках модели с помощью установки термометрических скважин, с возможностью построения графиков распределения температур по глубине или экспорта данных в табличный процессор.

По результатам моделирования здания на открытом проветриваемом подполье в рассматриваемых мерзлотно-геологических условиях, с учетом работы СОУ, можно отметить, что в интервале заложения свайного основания грунты находятся в мерзлом состоянии на всех этапах жизненного цикла сооружения, а температурное состояние грунтов соответствует расчетному. Принятые конструктивные решения обеспечивают надежность эксплуатации здания на весь моделируемый период.

Отметим, что в составе программного комплекса Frost 3D поставляется модуль Frost.Свая. С его помощью можно произвести расчет несущей способности свай, учитывая полученное во Frost.Термо трехмерное распределение температур.