Главная|Контакты
ПОСЛЕДНИЕ ЗАПИСИ
Памятники культуры могут разрешить передавать между учебными заведениями

Памятники культуры могут разрешить передавать между учебными заведениями

Учебные заведения, находящиеся в признанных культурным наследием зданиях, возможно смогут...

06.09.16  В Королеве в октябре будет открыта пешеходная зона в технологическом стиле

31.08.16  Корпорация Технониколь открыла новый завод по производству минваты в Хабаровске

31.08.16  Отреставрированный корпус РЭУ им. Плеханова открыт

29.08.16  На строительство нового терминала аэропорта на Камчатке претендуют 4 инвестора

29.08.16  ЦАГИ включен в список объектов культурного наследия

28.08.16  На Северном Кавказе к 2017 году будет введен в экусплуатацию индустриальный комплекс

26.08.16  Жилой комплекс со спортивной инфраструктурой будет построен в Казани

26.08.16  В усадьбе "Константиново" откроется детский хоспис

25.08.16  Перинатальный центр на северо-западе Москвы в скоро времени будет построен

24.08.16  В ходе реставрации метро "Сокол" будут восстановлены исторические элементы

ТОП СТАТЕЙ
Опубликовано : 10.02.15 | Категория: Современные стальные конструкции
Конструктивное решение покрытия над трибунами, учитывающее уникальность сооружения, высокие архитектурные требования, оптимальное использование прочностных свойств применяемых материалов, индустриальность изготовления и технологичность монтажа конструкций, обосновано комплексными исследованиями, включающими:
- разработку вариантов проектных решений и выбор наиболее рационального, обеспечивающего прочность, устойчивость и надежность конструкций на основе анализа напряженно-деформированного состояния покрытия с учетом особенностей работы системы на стадии ее монтажа и эксплуатации (моделирование этапов монтажа, учет всевозможных сочетаний нагрузок и воздействий, архитектурно-планировочные требования и т. п.);
- разработку рекомендаций по величинам и схемам распределения снеговых и ветровых нагрузок на покрытие (с учетом результатов исследования модели сооружения в аэродинамической трубе), гололедных нагрузок, температурных воздействий, сочетаний нагрузок и т. п.;
- разработку и обоснование методики расчета и расчетных схем;
- проведение многовариантных численных оптимизационных расчетов;
- оценку динамических воздействий ветровой нагрузки и рекомендации по их учету и регулированию.
Нагрузки и воздействия

Аэродинамические испытания модели покрытия над трибунами. Стадион имеет сложную форму, для которой в нормативных документах отсутствуют данные об аэродинамических коэффициентах и распределении снеговых нагрузок. В связи с этим в институте механики МГУ им. Ломоносова проведены исследования модели сооружения в аэродинамической трубе, которая имеет замкнутый контур и открытую рабочую часть эллиптического сечения с размерами осей 2,34 и 4,0 м. Длина рабочей части трубы — 4 м; максимальная скорость потока достигает 45 м/с. Отметим, что если экспериментальное определение распределения ветровых нагрузок достаточно часто используется в практике проектирования, то модельные исследования и прогнозирование снеговых нагрузок на покрытии сложной формы открывают новые возможности при проектировании подобных сооружений.
Модель стадиона изготовлена в масштабе 1:200 (рис. 3.9). Покрытие дренировано в 76 точках, датчики давления были установлены с учетом симметрии на половине модели навеса в 16 сечениях. Дополнительно шесть датчиков (по три с каждой стороны ) были размещены на внешнем навесе. Угол а набегающего потока изменялся с шагом, равным 15°.
Научно-техническое сопровождение проектирования покрытия над трибунами стадиона «Локоматив»

Суммарные аэродинамические коэффициенты давления ср в каждой точке покрытия определялись как разность коэффициентов внешнего се и внутреннего сі, давлений. Направления воздействий, соответствующие положительным значениям коэффициентов ср, показаны на рис. 3.10. Некоторые результаты модельных испытаний по распределению аэродинамических коэффициентов давления ср показаны на рис. 3.11, а, б, в. В табл. 3.1 приведены максимальные и минимальные значения коэффициентов ср. Эти данные были рекомендованы как расчетные при проектировании несущих конструкций стадиона.
Научно-техническое сопровождение проектирования покрытия над трибунами стадиона «Локоматив»
Научно-техническое сопровождение проектирования покрытия над трибунами стадиона «Локоматив»

Специальные исследования были проведены для вариантов модели, у которых изменялся угол β между навесом и набегающим потоком (рис. 3.12) для оценки вероятности возбуждения аэродинамически неустойчивых колебаний. Эти же результаты позволили оценить ветровую нагрузку на стадии монтажа сооружения.
Наряду с продувкой сооружения в аэродинамической трубе были выполнены численные исследования обтекания потоком воздуха стадиона «Локомотив». Основной целью работы являлась оценка нестационарных нагрузок, действующих на покрытие трибун стадиона. Кроме того, проведенные исследования позволили получить общие закономерности обтекания сооружения, которые были использованы для понимания вопросов вентиляции внутренних объемов стадиона.
Научно-техническое сопровождение проектирования покрытия над трибунами стадиона «Локоматив»

Снеговые нагрузки на покрытие над трибунами. Нормативное значение снеговой нагрузки было рекомендовано принять в соответствии со СНиП 2.01.07-85 (издание 1996 г.) равным 1,0 кПа (100 кгс/м2), а коэффициент надежности по снеговой нагрузке γf = 1,6. Были проанализированы результаты многолетних (от девятнадцати до тридцати четырех лет) измерений максимальных величин веса снегового покрова на пяти метеостанциях (в ближайших к Москве окрестностях) на участках земли, защищенных от прямого воздействия ветра. Использованы также результаты работ ЦНИИСК им. Кучеренко по районированию расчетных значений веса снега для новой редакции СНиП 2.01.07-85, установившие целесообразность повышения расчетных значений веса снегового покрова для Московского региона до 1,8 кПа (180 кгс/м2), превышаемого один раз в 25 лет. Для обеспечения повышенной надежности конструкций было рекомендовано учесть в расчетах коэффициент надежности по ответственности γn = 1,2, т. е. принять в качестве расчетного значения снеговую нагрузку 1,6*1,2 = 1,92 кПа (192 кгс/м2). Отметим, что такая нагрузка соответствует количеству снега, выпадающего в районе Москвы один раз в 100 лет, с учетом 15 % сноса с покрытий малых уклонов (фактический снос составляет 30÷40 %).
Так как поперечное сечение покрытия над трибунами имеет небольшие уклоны, в качестве симметрично распределенной снеговой нагрузки рекомендовано принять значение коэффициента μ1 = 1,0 (рис. 3.13, схема I). Это значение коэффициента определяет нагрузку в условиях малых скоростей ветра с минимальным сносом снега с покрытия. Моделирование переноса снега в аэродинамической трубе выявило наиболее неблагоприятные условия «снегоотложений» (рис. 3.14).
Ориентация модели по отношению к направлениям «ветра» выбиралась с учетом наиболее вероятных ветровых потоков в зимнее время. С учетом вышеуказанного было проанализировано возможное перемещение «снега» при потоках воздуха по трем направлениям. При направлении потока вдоль продольной оси стадиона (рис. 3.13, схема II) сложилась типичная несимметричная схема загружения покрытия, при которой на наветренной стороне «снега» мало, а на заветренной — он остался в значительном объеме. Вторая продувка проведена поперек продольной оси покрытия (рис. 3.13, схема III), а третья — под углом 45° (рис. 3.13, схема IV).
Научно-техническое сопровождение проектирования покрытия над трибунами стадиона «Локоматив»

Во всех продувках выявлено неравномерное отложение «снега» по ширине покрытия. Схемы загружения и коэффициенты ц для поперечного профиля покрытия приведены на рис. 3.15. При направлении потока воздуха поперек стадиона и особенно под углом 45° к продольной оси сносимый с покрытия над трибунами «снег» откладывался на выступающих частях козырька над проходной галереей. Поэтому в расчетах этих конструкций была предусмотрена повышенная снеговая нагрузка (рис. 3.16). Отметим, что собственный вес несущих и ограждающих конструкций козырька оказался меньше снеговой нагрузки примерно в два раза.
Научно-техническое сопровождение проектирования покрытия над трибунами стадиона «Локоматив»

Покрытие над трибунами имеет уклон порядка 10 градусов во внешнюю сторону и гладкую поверхность с низким коэффициентом трения (менее 0,02) в паре снег — светопрозрачное покрытие, при оттепелях этот коэффициент снижается до нуля. Сползание снега с покрытия (обратный скат имеет малую длину, равную 5,5 м) может создать угрозу для находящихся вблизи стадиона людей. В связи с этим было рекомендовано устройство низкопрофильного барьера в ендове покрытия высотой порядка 0,3 м, с устройством просвета 7-10 см между барьером и кровлей. Сдвигающая сила Fd на 1 п. м барьера определялась по данным Eurocode, часть 2.3 «Снеговые нагрузки» по формуле Fb = Sbsinαk, где: S — снеговая нагрузка на покрытие; b — расстояние (в плане) от края покрытия до ендовы, за исключением длины участка с обратным уклоном; α — угол уклона покрытия в градусах; k = 0,7 — коэффициент, учитывающий таяние снега.
Fs = 1,92 (27,5 - 5,5)*0,15*0,7 = 4,5 кН/п.м.

Гололедные нагрузки. На элементах висячей системы предусматривалась возможность образования гололедных отложений и падения на кровлю кусков льда. В соответствии со СНиП 2.01.07-85 для г. Москвы при периметре каната порядка 50 см возможный вес одного отваливающегося «куска» гололедных отложений составил 31,5 кг. Учитывая приближенность указанных выше оценок, было рекомендовано провести натурные наблюдения в период первых лет эксплуатации стадиона с выполнением дополнительных страховочных мероприятий в случае их необходимости.
Температурные климатические воздействия. Неблагоприятная температура конструкций козырька определялась в соответствии с требованиями СНиП 2.01.07-85. Возможная экстремальная температура конструкций козырька составила: в зимнее время -34 °C; в летнее время +64 °С. Диапазон изменений температуры (при неизвестной температуре замыкания): понижение температуры от +64 °C до -4°С (-68 °С); а повышение от -34 °C до + 14 °C (+48 °С).
Статическая схема работы комбинированной пространственной конструкции козырька над трибунами

Вся временная нагрузка на конструкцию передается через светопрозрачные панели покрытия на кольцевые прогоны. Кольцевые прогоны, жестко сопряженные с радиальными фермами, работают на изгиб, как многопролетные неразрезные балки на упруго проседающих опорах. Кроме того, кольцевые прогоны включаются в пространственную работу стержневой системы покрытия. В связи с этим в них возникают дополнительные изгибающие моменты в двух плоскостях от неравномерных перемещений смежных радиальных ферм и продольные усилия, как в кольцевых ребрах купольной системы. Продольные усилия в прогонах меняют знак — от растяжения в наружных к сжатию во внутренних кольцах.
Радиальные элементы работают, как однопролетная балка с двумя консолями. Они опираются одним концом на железобетонные конструкции трибун, а другим на кольцевую коробчатую балку. Для восприятия изгибающих моментов от нагрузки, передающейся от прогонов, пролетная часть балки подкреплена шпренгелем. В верхнем поясе радиальных элементов, к которым крепятся вантовые подвески, возникают дополнительное сжатие от подвесок и изгиб от эксцентричного их крепления. Дополнительные усилия в радиальных шпренгельных фермах возникают и от их участия в работе пространственной стержневой купольной системы. Таким образом, верхний пояс шпренгельных ферм работает на сжатие и изгиб в двух плоскостях. Элементы решетки шпренгельных ферм испытывают как сжимающие, так и растягивающие продольные усилия. Их устойчивость из плоскости ферм обеспечивается системой кольцевых тяжей и соответствующих вертикальных связей.
Наиболее нагруженным элементом пространственной стержневой конструкции покрытия является кольцевая коробчатая балка. В вертикальной плоскости она работает на изгиб, как неразрезная балка на упругоподатливых опорах, в местах сопряжения с подвесками вантовой системы. Кроме того, в ней, как во внутреннем кольце купола, возникает сжатие. Форма кольца в виде сплюснутого депланированного овала является причиной возникновения в кольцевой балке горизонтальных изгибающих моментов и кручения, даже при равномерном нагружении покрытия. Неравномерные вертикальные перемещения кольцевой балки вызывают в ней дополнительные изгибающие моменты. С целью их уменьшения в процессе монтажа был предусмотрен обратный строительный подъем кольцевой балки.
В пространственную работу системы включаются также диагональные связи, расположенные в плоскости покрытия, в основном в угловых зонах. Общая устойчивость пространственной системы покрытия обеспечивается треугольной решеткой связей, расположенных по периметру конструкции между наклонными железобетонными консольными стойками каркаса трибун, на которые опирается козырек. Ветровой отсос воспринимается пространственной работой покрытия с учетом его собственного веса.
Элементы вантовой системы работают на растяжение. При определении расчетного сопротивления стальных канатов принимались: коэффициент надежности γm = 1,6, коэффициент условия работы γc = 0,8 и дополнительный коэффициент условия работы γcl = 0,95, учитывающий закрепление каната в концевых анкерах заливкой конической полости сплавом цветных металлов. Кроме того, учитывалась продольная и поперечная ползучесть канатов. Коэффициент условия работы каната в местах его перегиба в сжимах принимался равным γc2 = 1 — желоб в сжимах выполнен криволинейным по круговой кривой радиусом более R ≥ 4 м (выполнено условие R ≥26ds, где d, = 140 мм — диаметр троса).
При проектировании точно рассчитывалась геометрия всех элементов вантовой системы с последующей их корректировкой по результатам натурной геодезической съемки фактических отклонений узловых точек от проекта. В ряде подвесок было принято дополнительное предварительное натяжение (за счет соответствующего уменьшения их расчетных длин), обеспечивающее их динамическую устойчивость при ветровых воздействиях. Усилия в основных тросах воспринимаются угловыми пилонами, работающими на сжатие с изгибом в двух плоскостях, и растянутыми оттяжками от пилонов.
Существенное влияние на работу элементов системы (в ряде случаев вплоть до изменения знака усилий) оказывают неравномерные схемы загружения козырька и температурные воздействия. Так как стальные конструкции козырька оперты на железобетонный каркас трибун, то его перемещения (различные варианты загружения, температурные воздействия, осадка фундаментов и т. д.) также влияют на напряженно-деформированное состояние металлической комбинированной конструкции покрытия. Для частичного уменьшения этих перемещений, консольные стойки каркаса трибун, на которые опирается стальной козырек, приняты наклонными внутрь сооружения. В этом случае горизонтальные перемещения от распора козырька компенсируются перемещениями от вертикальных нагрузок.
Численные исследования работы конструкций покрытия

Геометрические и жесткостные параметры висячей системы оптимизировались на основе многовариантных численных исследований. При этом ставилась задача минимизировать горизонтальные и вертикальные перемещения конструкции для уменьшения изгибающих моментов в элементах козырька (в первую очередь в кольцевой балке) и продольных усилий в связях. В расчетах варьировались различные параметры и исследовалось их влияние на работу конструкции покрытия: жесткость пилона и оттяжек и их наклон; стрела провиса вант по короткой и длинной сторонам покрытия; варианты отклонения плоскости вант от вертикали; схемы расположения подвесок от вант к консольным балкам; форма поверхности консольного навеса; конструкция сопряжения консольных балок с периметральными стойками (рамный или шарнирные узлы) и т. д.
Исследования показали необходимость отклонения от вертикали плоскости вант, расположенных вдоль длинной стороны покрытия. В противном случае эти ванты (и соответственно конструкции козырька) имели значительные вертикальные и горизонтальные перемещения. Оптимальные их значения оказались при отклонении плоскости длинных вант от вертикали на угол 27,9°. Увеличение этого угла ограничивалось взаиморасположением центра провисающих вант и оси кольцевой коробчатой балки. Это ограничение определялось длиной центральных подвесок (по конструктивным соображениям они не могли быть меньше 1,5 м) и углами наклона подвесок, которые не могли превышать 90°. Кроме того, касательная к очертанию указанных вант в плане совпадает с линией, определяющей расположение в плане одной из оттяжек пилона. Вторая оттяжка от пилона располагается в плоскости провисания коротких вант. При указанной компоновке распоры с вант максимально воспринимаются оттяжками от пилонов, не вызывая в них дополнительные усилия.
С целью минимизации перемещений системы варьировалась форма провисания вант, которая принималась в виде полинома (многочлена) разной степени — от кубической и ниже. Оптимальные значения получились при очертании коротких вант заданных полиномом в степени 1,5, а длинных вант — в степени 1,8. Проектное очертание вант, отличающееся от естественной цепной линии провиса тросов под собственным весом, достигалось подбором длин подвесок, определяющих положение тросов в пространстве.
В качестве основного метода расчета принят МКЭ. Расчеты выполнялись в упругой стадии с учетом геометрической нелинейности. Конструкция рассматривалась как единая пространственная система, включающая все элементы покрытия над трибунами, висячую вантовую систему, угловые пилоны с оттяжками, элементы, моделирующие работу каркаса трибун, на которые опирается козырек. В узлах сопряжения стержней использовались конечные элементы, позволяющие учесть (в случае необходимости) фактические эксцентриситеты.
Основным расчетам предшествовали численные исследования работы системы при варьировании расчетной схемы, жесткостных и геометрических характеристик несущих элементов. Для выявления наиболее рационального распределения усилий с целью обеспечения равнопрочности элементов конструкции, повышения ее несущей способности и устойчивости, минимизации расхода металла было проанализировано более 40 вариантов расчетных схем. На этой же стадии выполнены исследования по сходимости результатов нелинейного расчета и оценке их погрешности. Надежность расчетов обеспечивалась также тщательным контролем и анализом как исходной информации, так и получаемых результатов.
Основной поверочный расчет выполнялся на 10 вариантах сочетания нагрузок, включающих собственный вес несущих и ограждающих конструкций, технологическую нагрузку, снег (4 схемы), ветер (3 схемы) и температурные воздействия (2 варианта). Кроме того, были выполнены расчеты, моделирующие процесс натяжения основных канатов и раскружаливания покрытия. Для этого в основную расчетную схему дополнительно включались односторонние связи, аппроксимирующие временные монтажные опоры. Во всех расчетах учитывался коэффициент надежности по ответственности сооружения γn = 1,2.
Проверка сечений по прочности и устойчивости показала, что при принятых сечениях максимальные расчетные напряжения не превышают: 180 МПа (1800 кг/см2) при допускаемых напряжениях Ry = 230 МПа (2300 кг/см2) для стали С20; 280 МПа (2800 кг/см2) при допускаемых расчетных напряжениях Ry = 300+330 МПа (3000+3300 кг/см2) для стали С345 в зависимости от толщины проката, 300 МПа (3000 кг/см2) при допускаемых напряжениях Ry = 385 МПа (3850 кг/см2) для стали С390.
Анализ результатов расчетов по перемещениям показал следующее. Максимальные вертикальные перемещения внутреннего кольца от полной расчетной нагрузки с учетом коэффициента по ответственности сооружения составили: w = 85-130 см. В соответствии с п. 10.4 СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия» прогибы наклонных козырьков нормами не ограничиваются. В то же время в соответствии с поз. 2 табл. 19 СНиП 2.01.07-85 для ригелей покрытий при вылете консоли 27,5 м вертикальные предельные прогибы не должны превышать fu ≤ l/250, где l — удвоенный вылет консоли. Для определения вертикальных прогибов учитывались только временные длительные нагрузки с коэффициентом надежности по нагрузке уf = 1 (постоянная нагрузка исключалась за счет строительного подъема наклонного козырька). Это требование СНиП по второй группе предельных состояний для козырька выполняется.
Поверочный расчет по комплексной расчетной схеме выполнен сотрудниками ООО «ЕВРОСОФТ» и ОАО «ЦНИИпроект» по уточненной пространственной расчетной схеме с учетом взаимодействия упругого основания, несущих конструкций трибун и покрытия.
Расчеты выполнялись на нагрузки от собственного веса конструкций, предварительного натяжения вантовой системы, длительные нагрузки (полы, мостики и площадки на козырьке и т. д.), различные варианты полезных нагрузок (заполнение трибун и подтрибунных помещений), снеговые и ветровые нагрузки, температурные воздействия. Все расчеты (в том числе и определение динамических свойств системы) выполнялись с учетом геометрической нелинейности для заданных сочетаний воздействий. Расчет по комплексной пространственной схеме позволил более полно учесть свойства системы, уточнить некоторые конструктивные решения.
Анализ динамической работы навеса над трибунами и оттяжек пилонов. В гибких элементах висячей системы покрытия (тросах и оттяжках пилонов) при определенных ситуациях могут возникать резонансные и неустойчивые колебания. Условия появления таких колебаний зависят от демпфирующих свойств сооружения, его собственных частот и форм, которые определялись численно по нелинейной расчетной схеме с учетом различных сочетаний статических нагрузок.
Рассматривались следующие типы интенсивных и аэродинамических неустойчивых колебаний: резонансное вихревое возбуждение навеса при действии гармонической нагрузки, обусловленное срывом вихрей с ограждающих конструкций козырька; аэродинамические неустойчивые колебания типа галопирования (дивергенции); колебания, связанные с внутренним резонансным взаимодействием отдельных конструктивных элементов вантовой системы; резонансное вихревое возбуждение основных вант на высших собственных частотах; резонансное вихревое возбуждение и галопирование оттяжек пилона.
Анализ динамической работы основных конструктивных элементов проводился в два этапа. Результаты, полученные на первом этапе, показали, что вторые от пилона подвески имеют достаточно низкие собственные частоты (порядка 1,3 Гц), заметно отличающиеся от частот остальных подвесок. В этом случае нельзя было исключить возможность их интенсивных колебаний, связанных с действием пульсационной составляющей расчетной ветровой нагрузки. В связи с этим было рекомендовано увеличить предварительное натяжение этих элементов для повышения их собственных частот и, соответственно, понижения расчетной амплитуды колебаний.
Ниже приведен анализ динамической работы рассматриваемого сооружения с использованием результатов поверочного расчета покрытия и расчета обтекания стадиона потоком воздуха. Основные собственные частоты вант, подвесок, оттяжек пилона и самого пилона приведены в табл. 3.2. Выявлено, что резонансное вихревое возбуждение навеса, обусловленное срывом вихрей с ограждающих конструкций козырька, невозможно при реальных скоростях ветра. Критические скорости ветра, при которых происходит резонансное вихревое возбуждение на основных собственных частотах, для вант диаметром 140 мм не превышают (1-2) м/с, а для подвесок диаметром 50 мм — (1,5-2) м/с. Это воздействие не вызывает заметных усилий и перемещений как в самих тросах, так и в основных несущих элементах сооружения.
Научно-техническое сопровождение проектирования покрытия над трибунами стадиона «Локоматив»

Аэродинамические неустойчивые колебания типа галопирования возникают в случае, если скорость ветра превышает некоторое критическое его значение. Возбуждение подобных колебаний козырька может быть связано с небольшими изменениями угла его наклона, при колебаниях, обусловленных действием пульсации ветровой нагрузки. С учетом данных модельных аэродинамических испытаний показано, что появление подобных колебаний козырька невозможно.
При учете пульсационной составляющей ветровой нагрузки в сжимах, объединяющих основные тросы с подвесками, возникают переменные напряжения. Амплитуда этих напряжений, зависящая от величины и направления средней скорости ветра, изменяется в процессе эксплуатации сооружения. Минимальная амплитуда напряжений, вызывающая усталостные повреждения сжимов, не превышает 5 МПа (50 кг/см2), с учетом требования СНиП П-23-81 и результатов расчета вантовой системы. Эти динамические напряжения достигаются при скоростях ветра, близких к расчетным для метеоусловий г. Москвы. Период их повторения 25-30 лет. При сроке эксплуатации сооружения 100 лет общее число циклов нагружения не превышает 4*10в4, что меньше предельного числа циклов, равного 10в5, регламентируемого СНиП П-23-81 для проведения проверки усталостной прочности стальных элементов.
Похожие новости