Расчет распорных систем котлованов из стальных б/у труб

Инженерно-технический подход к подбору диаметров и толщины стенки

Устройство глубоких котлованов в условиях плотной городской застройки или на нестабильных грунтах требует создания жестких ограждающих конструкций. При глубине выемки более 4–5 метров силы защемления шпунтового ограждения (будь то шпунт Ларсена, буросекущие сваи или «стена в грунте») часто оказываются недостаточны для компенсации опрокидывающего момента от бокового давления грунта и гидростатического напора. В таких условиях проектными решениями предусматривается устройство дополнительных удерживающих элементов — распределительных поясов и распорных систем.

Распорная система представляет собой горизонтальную или наклонную пространственную металлоконструкцию, воспринимающую сжимающие усилия от ограждения котлована и передающую их на противоположные стены или на специальные опорные конструкции (фундаментные плиты, промежуточные сваи-стойки). Основным элементом распорной системы являются расчалки (распорки).

Использование новых стальных труб для этих целей в большинстве случаев экономически нецелесообразно. Распорная система — это временная конструкция, которая демонтируется после возведения подземной части здания до нулевой отметки. Именно поэтому в современном промышленно-гражданском строительстве широко применяется трубный прокат повторного использования (б/у). Однако использование вторичного металла накладывает на инженера-проектировщика особую ответственность при проведении расчетов и подборе сортамента.

1. Нормативная база и специфика сбора нагрузок

Расчет распорных систем выполняется в соответствии с требованиями действующих нормативных документов, среди которых ключевыми являются:

• СП 22.13330.2016 «Основания зданий и сооружений»;
• СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции»;
• СП 45.13330.2017 «Земляные сооружения, основания и фундаменты».

Основная специфика сбора нагрузок на распорную систему заключается в определении эпюры бокового давления грунта. На распределительный обвязочный пояс, который монтируется по периметру шпунтового ограждения, действуют:

• активное давление грунта, зависящее от физических и механических характеристик слоя: удельного веса (γ), угла внутреннего трения (φ), удельного сцепления (c);
• гидростатическое давление (при высоком уровне грунтовых вод);
• временные нагрузки на бровке котлована (от складирования материалов, работ строительной техники, веса проезжающих автомобилей по прилегающим дорогам).

Усилия от обвязочного пояса передаются на торцы трубных распорок в виде сосредоточенных сжимающих сил. При этом расчетная схема одной распорки рассматривается как шарнирно-опертый стержень, подверженный осевому сжатию. При значительной длине пролета (более 6–8 метров) к осевому сжатию добавляется изгибающий момент от собственного веса трубы, что превращает расчет из чисто сжатого в расчет внецентренно сжатого элемента.

2. Особенности дефектовки и входного контроля б/у труб для распорок

Главное отличие проектирования из б/у труб от проектирования из нового проката — необходимость учета снижения прочностных характеристик материала из-за эксплуатационного износа и коррозии. Не допускается закладывать в проект теоретические характеристики труб по ГОСТу без поправочных коэффициентов.

При подборе партии труб на складе поставщика для распорных систем отбирается прокат из-под газовых магистралей высокого давления или нефтепроводов. Такие трубы изначально обладают высокими прочностными характеристиками (стали марок 17Г1С, 09Г2С, Ст3сп). Однако перед расчетом инженер должен учесть следующие факторы:

• равномерная и язвенная коррозия: в процессе эксплуатации и нахождения в грунте металл теряет в толщине. При расчетах геометрических характеристик сечения (площади A, момента инерции I, момента сопротивления W) за основу берется не номинальная толщина стенки по ГОСТу, а фактическая, уменьшенная на величину коррозионного износа. В инженерной практике вводится коэффициент надежности по материалу для б/у труб (γм = 1.1–1.15), либо расчетная толщина стенки принимается на 1–2 мм меньше фактических замеров ультразвуковым толщиномером.
• эллипсность и геометрические дефекты: демонтаж и транспортировка б/у труб зачастую приводят к появлению локальных вмятин или общей овальности сечения. Наличие эллипсности создает начальный эксцентриситет приложения сжимающей нагрузки. Это резко снижает критическую силу потери устойчивости стержня. Трубы с овальностью более 1–2% от диаметра или с вмятинами глубиной более 10% от толщины стенки отбраковываются и не допускаются к использованию в качестве распорок.
• сварные швы: системы большой длины монтируются из нескольких стыкуемых элементов посредством сварки. Качество продольных заводских швов б/у труб и новых поперечных монтажных стыков должно жестко контролироваться визуально-измерительным методом (ВИК).

3. Методика расчета трубных распорок на прочность и устойчивость

Расчет трубного элемента распорной системы ведется по двум группам предельных состояний (ПС).

Расчет на прочность при осевом сжатии

Если длина распорки невелика и изгибом от собственного веса можно пренебречь, проверка прочности выполняется по формуле:

где:

• N — расчетное продольное сжимающее усилие, полученное из статического расчета ограждения котлована;
• An​ — площадь сечения трубы нетто (учитывая фактическую толщину стенки и за вычетом возможных дефектов);
• Ry​ — расчетное сопротивление стали по СП 16.13330 с учетом понижающего коэффициента для б/у металла;
• yc​ — коэффициент условий работы конструкции (обычно равен 0,9 или 1,0).

Расчет на общую устойчивость

Для длинных труб главная опасность — потеря устойчивости (продольный изгиб). Проверка ведется по формуле:

где:

• Ag​ — площадь сечения по брутто;
• fi​ — коэффициент устойчивости при центральном сжатии, выбираемый по таблицам СП 16.13330 в зависимости от условной гибкости стержня (yλ​).

Коэффициент условной гибкости рассчитывается так:

Из этих зависимостей очевидно, что при увеличении диаметра трубы радиус инерции возрастает, гибкость уменьшается, и возрастает коэффициент устойчивости fi​. Это делает трубы большего диаметра более предпочтительными для длинных пролетов.

Учет внецентренного сжатия от собственного веса

4. Практические рекомендации по выбору сортамента б/у труб

В зависимости от габаритов котлована, шага расстановки распорок и нагрузок на рынке сформировалась устойчивый практика применения определенных типов б/у труб:

• Диаметром 219–377 мм
  Сфера применения: котлованы малой ширины (до 10–12 м), траншеи под инженерные сети, коллекторы. Часто используют в качестве угловых раскосов (подкосов), передающих нагрузки от распределительного пояса на фундаментную плиту или промежуточные сваи.
  Рекомендуемая стенка: 8–10 мм. Трубы меньшей толщины в данном диапазоне обладают высокой гибкостью и легко теряют устойчивость.

• Диаметром 426–630 мм
  Сфера применения: наиболее востребованный диапазон для устройства линейных горизонтальных распорок на средних и крупных котлованах. Позволяют перекрывать пролет до 15–18 м без установки промежуточных опор.
  Рекомендуемая стенка: для диаметров 530 и 630 мм — 8, 10 или 12 мм. Предпочтительнее из-под газа — прямошовные трубы, так как они имеют контролируемую геометрию и стабильные свойства по всей длине.

• Диаметром 720–1020 мм и более
  Сфера применения: крупные строительные объекты, метро, глубокие котлованы со сложными гидрогеологическими условиями (например, при многоярусных распорных системах).
  Рекомендуемая стенка: 10–14 мм. Значительный диаметр обеспечивает высокую жесткость и возможность перекрывать пролеты до 24–30 м при условии наличия промежуточных опор.

5. Конструктивные узлы и требования к монтажу

Надежность распорной системы напрямую зависит от качества узлов сопряжения:

• Узел опирания на обвязочный пояс:
  Торцы б/у труб должны быть ровно обрезаны. Передача усилий осуществляется через стальную опорную пластину (оголовок) толщиной не менее 16–20 мм с ребрами жесткости.

• Обеспечение натяжения (преднапряжения):
  Для запуска системы без деформаций шпунтовой стены в узлах предусматриваются клиновые замки или гидравлические домкраты. Распорки заклиниваются с расчетным усилием, составляющим 50–70% от проектной нагрузки.

• Защита от температурных деформаций:
  Длинные трубы подвержены тепловому расширению и сжатию. В расчет вводятся дополнительные температурные нагрузки, особенно при переходных сезонах, чтобы избежать резких деформаций и разрушений.

Поставка стального проката для шпунтовых и распорных систем

Компания «ТрансломМаркет» осуществляет комплексные поставки б/у и лежалых стальных труб для сооружения удерживающих конструкций любой сложности. Собственная производственно-техническая база позволяет проводить дефектовку, очистку и подготовку труб к отгрузке.

В наличии:

• Трубы круглого сечения диаметром от 219 до 630 мм для распорных и угловых элементов.
• Крупногабаритный прокат диаметром 720, 820, 1020 и 1420 мм толщиной стенки до 14 мм — для тяжелых систем.

Также предлагаем услуги по точной резке, торцовке, наварке фланцев и оголовков. Весь металл проходит контроль геометрии и ультразвуковое исследование толщины стенки, что обеспечивает точное выполнение расчетов и безопасность.

Для получения актуального прайс-листа и консультации технического инженера обращайтесь в наш каталог б/у труб или используйте форму заявки на консультацию.