Rostov-na-Donu, Rostov-on-Don, Russian Federation
Rostov-na-Donu, Rostov-on-Don, Russian Federation
Don State Technical University (student)
Russian Federation
GRNTI 67.23 Архитектурно-строительное проектирование
GRNTI 67.01 Общие вопросы строительства
OKSO 270000 АРХИТЕКТУРА И СТРОИТЕЛЬСТВО
BBK 385 Строительные конструкции
BBK 308 Монтаж, эксплуатация, ремонт машин и промышленного оборудования
TBK 5345 Водные перевозки
TBK 54 Строительство
TBK 5414 Строительные конструкции
The multi-variant loading of the large-span unique steel covering of the stadium under snow load is considered. The spatial finite element model is developed using LIRA software. The analysis of the existing schemes application of snow loading is carried out according to the codes. Four snow load cases on the stadium's covering are assumed for analysis. The analysis of the stress-strain state of the stadium structures, the selection and verification of sections of the steel covering are performed. The results show that it is necessary to simulate behaviour of a structure under all possible load cases.
unique building, multivariate loading, finite element method, finite element model, stress-strain state
В период подготовки к чемпионату мира по футболу 2018 года в России построено и реконструировано двенадцать стадионов. Все эти спортивные сооружения являются уникальными большепролетными зданиями с выразительной архитектурой [1]. Сбор и распределение нагрузок по расчетным моедлям таких сооружений выполняют согласно нормативной документации, однако предложенные схемы приложения кратковременных воздействий не всегда учитывают геометрию уникального большепролетного здания.
В качестве объекта исследования выбрано большепролетное уникальное здание стадиона. Конструктивная схема – железобетонный каркас, выполненный по плитно-стержневой схеме с металлическим покрытием.
Конструкция покрытия – уникальная большепролетная система, состоящая из четырех пространственных стальных ферм пролетами 168 и 192 м. Фермы проектируются из круглых труб, опираются шарнирно на восемь опор. По контуру здания выполнено опорное кольцо, шарнирно опертое на колонны. На фермы опирается структурная балочная конструкция, состоящая из главных и второстепенных балок.
Геометрическое моделирование несущих конструкций выполнено в программном комплексе AutoCAD 2017. Такое решение позволяет снизить количество субъективных ошибок по сравнению с заданием геометрии посредством введения узлов внутри расчетного комплекса [2-3]. Выполнен импорт геометрии здания в ПК «Лира-САПР» с последующим назначением жесткостей, раскреплений, конструктивных групп и типов конечных элементов. Общий вид пространственной конечно-элементной модели приведен на Рис. 1.
Рис.1. Конечно-элементная модель
Распределение снегового покрова на покрытии здания зависит от двух основных факторов: геометрии здания и ветра, перемещающего снег по покрытию [4]. Рассмотрена ситуация при боковом обдуве ветром перпендикулярно продольной поверхности. Условная схема распределения снегового покрова представлена на Рис. 2. Под действием бокового ветра снежный покров перемещается вдоль скатов покрытия.
Рис.2. Схема внешних воздействий
С наветренной стороны в нижней области ската часть снега перемещается к центру, при этом в верхней области ската снег сносит с покрытия. С подветренной стороны снеговые массы перемещаются от верхней точки ската к нижней. На боковых скатах снег перемещается по направлению ветра и от верхней точки к основанию.
Снеговые мешки образуются: с наветренной стороны в середине ската; с подветренной – у основания.
При моделировании такого снегового воздействия принято несколько схем приведенных в нормативной документации для различных по геометрии участков покрытия с учетом принятых расчетных ситуаций (Рис. 3).
Рис.3. Схемы распределения снеговой нагрузки:
а) подветренный скат; б) наветренный скат; в) угловые участки покрытия.
Дополнительно исследовано влияние снеговой нагрузки при частичном загружении покрытия: действие снега на половине пролета в продольном и поперечном направлениях согласно схеме на Рис. 3в [5]. Распределение нагрузок по расчетной модели показаны на Рис.4.
Рис. 4. Распределение снеговой нагрузки на половине пролета:
а) в продольном направлении; б) в поперечном.
Исследование напряженно-деформированного состояния конструкций выполнено по четырем основным сочетаниям [6]. При составлении расчетных сочетаний нагрузок варьируются схемы снегового воздействия при прочих равных условиях:
– первое сочетание нагрузок: снеговая нагрузка учтена как равномерно распределенная согласно схемы приведенной в нормативной документации;
– второе сочетание нагрузок: снеговая нагрузка на половине пролета в продольном направлении;
– третье сочетание нагрузок: снеговая нагрузка на половине пролета в поперечном направлении;
– четвертое сочетание нагрузок: комбинированная схема загружения.
Горизонтальные перемещения конструкций стадиона показаны на Рис. 5-6.
Рис.5. Узловые перемещения вдоль оси X: а) 1-е сочетание нагрузок;
б) 2-е сочетание нагрузок; в) 3-е сочетание нагрузок; г) 4-е сочетание нагрузок
При частичном загружении покрытия в продольном направлении горизонтальные перемещения вдоль оси X на 3,3% превышают значения, полученные при равномерной схеме.
Рис.6. Узловые перемещения вдоль оси Y: а) 1-е сочетание нагрузок;
б) 3-е сочетание нагрузок; в) 4-е сочетание нагрузок
Максимальные горизонтальные перемещения вдоль оси Y получены при комбинированном загружении покрытия снеговой нагрузкой (разница с равномерно распределенной схемой составляет 5%).
Вертикальные перемещения конструкций стадиона от сочетаний нагрузок приведены на Рис. 7. Разность вертикальных перемещений узлов составляет менее 3%.
Рис.7. Узловые перемещения вдоль оси Z, в соответствии с:
а) 1-е сочетание; б) 4-е сочетание
Выполнен анализ усилий в несущих элементах покрытия (рис. 8-9).
Рис.8. Распределение My, в соответствии с:
а) 1-е сочетание; б) 2-е сочетание; в) 3-е сочетание; г) 4-е сочетание.
Учет многовариантности загружений снеговой нагрузкой позволил получить значения изгибающего момента в стержнях конструкции покрытия на 15% превышающий изгибающий момент без учета многовариантности нагрузки.
Исследование продольных усилий в элементах несущих ферм показало отличие максимального значения на 3-5% от усилий по первому сочетанию нагрузок.
Рис.9. Распределение N, в соответствии с:
а) 1-е сочетание нагрузок; б) 4-е сочетание нагрузок
Выполнен подбор и проверка сечений металлических элементов покрытия [7]. Сечения, полученные при подборе с учетом равномерно распределенной схемы снегового воздействия, перестают удовлетворять условиям прочности и деформативности при учете многовариантного загружения. Различия в подборе сечений элементов показаны в Таблице 1.
Таблица . Сечения элементов покрытия
|
№п/п |
Наименование |
Сечения элементов, без учета многовариантного загружения |
Сечения элементов, с учетом многовариантного загружения |
|
1 |
Главные балки |
Составной двутавр 500x22-1500x16 |
Составной двутавр 500x24-1550x16 |
|
2 |
Сжатые связи по нижним поясам несущих ферм |
Труба 180x8 |
Труба 203x12 |
|
3 |
Сжатые раскосы несущих ферм |
Труба 377x10 |
Труба 377x12 |
Анализ результатов расчета показал, что для обеспечения необходимого уровня безопасности здания необходимо учесть максимальное количество факторов, оказывающих влияние на напряженно-деформированное состояние конструкций большепролетных и уникальных зданий и сооружений. Незначительные отличия в перемещениях и усилиях в конструкциях здания, полученные при учете нескольких схем приложения снеговой нагрузки, привели к увеличению сечений несущих конструкций. Учет многовариантного загружения при моделировании работы конструкций позволил принять правильные проектные решения, обеспечив надежность исследуемого объекта.
1. Serpik I.N., Mironenko I.V. Optimization of reinforced concrete frames taking into account the multivariance of loading. Construction and reconstruction, - 2012. - № 1 (39). - p. 33-39.
2. Poryvaev I.A., Semenov A.A., Shigapov R.R., Belyaeva S.V., Kokoreva A.A. Variant design of the “Fisht” stadium in the city of Sochi. Construction of unique buildings and structures, - 2016. - № 6. - p. 7-33.
3. Agakhanov E.K. On the development of complex methods for solving problems of mechanics of a deformable solid. Bulletin of the Dagestan State Technical University. Technical science. - 2013. - № 2. - c. 39-45.
4. Agakhanov E. K., Kravchenko G. M., Osadchy E.V., Trufanova E.V. Calculation of buildings of complex geometric shape for wind effects. Bulletin of the Dagestan State Technical University. Technical science. - 2017. - № 2. - c. 8-17.
5. Agakhanov, E.K., Agakhanov, M.K., Batmanov, E.Z. The stress-strain state due to its own weight in a soil base with a trapezoidal cutout. MATEC Web of Conferences. 193, 03047 (2018) https://doi.org/10.1051/matecconf/201819303047.
6. Kravchenko G.M., Trufanova E.V., Borisov S.V., Kostenko S.S. Dynamic calculation and analysis of the hemispherical shell of the “Winter Garden” object of the Technopark of the Rostov State Construction University (RGSU) // Don Engineering Newsletter, - 2016. - № 1. - access mode: ivdon.ru.
7. Agakhanov, E.K., Kravchenko, G.M., Trufanova, E.V. Regulation of parameters of natural oscillations of the spatial frame of the building // Bulletin of the Dagestan State Technical University. Technical sciences, - 2016. - № 3. - p. 8-15.
