VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Представлено численное исследование работы сетчатого купола в условиях отказа отдельных несущих элементов. Проведён анализ живучести конструкции при удалении тех или иных опорных узлов и элементов, даны заключения по необходимости увеличения первоначальных жесткостных характеристик.  

Ключевые слова: сетчатый звездчатый купол, перемещения, продольные усилия, живучесть, динамическое разрушение.

В данной работе представлено численное исследование работы сетчатого купола среднего диаметра в условиях отказа отдельных несущих элементов покрытия. Такой расчет оценивает свойства живучести конструкции. Под «живучестью» понимается свойство конструкции сохранять общую несущую способность при локальных разрушениях. Если в условиях отказа отдельных несущих элементов конструкция обладает способность перераспределять усилия на соседние элементы, то можно считать, что она обладает потенциальной живучестью [2]. Живучесть позволяет системе сохраняться как целому в экстремальных для нее условиях. Существует незначительное количество научных работ, затрагивающих вопрос живучести большепролетных конструкций.

Приведенные ниже примеры аварий купольных больше-пролётных сооружений говорят об актуальности и важности выбранной темы исследования:

1. Катастрофа "Трансвааль Парка". Падению купола московского "Трансвааль Парка" предшествовало разрушение одной из колонн, поддерживающих бетонную опорную конструкцию. Эксперты полагают, что опора могла переломиться из-за деформации лежащего под ней фундамента или воздействия точечного заряда: за секунду до катастрофы видеокамера наружного наблюдения зарегистрировала появление облака пыли у основания колонны.

2. Обрушение конструкций купола строящегося Центра гимнастики в г. Казани (Республика Татарстан). Пространственные металлические конструкции купола рухнули вниз после того, как несущие железобетонные колонны потеряли устойчивость. По предварительной версии, имело место нарушение техники безопасности.

3. Обрушение крыши павильона «Юбилейного» рынка в г. Светлогорск (Гомельская область. Беларусь). Металлический каркас с натянутой на него поливинилхлоридной материей не выдержал веса скопившегося снега. Общая площадь обрушившейся конструкции 300 кв.метров.

В данной работе был произведен статический расчет сетчатого звезчатого купола диаметром 48 метров и высотой 16 метров по действующим нормам для IV снегового района [1]. Расчёт выполнялся методом конечных элементов, с применением пакета прикладных программ «SCAD Office». В качестве модели покрытия принята пространственная КЭ-модель, учитывающая геометрические параметры и характер распределения нагрузок (собственный вес, вес покрытия, 3 вида снеговой нагрузки). Ветровая нагрузка в данной работе не учитывалась, т.к. она разгружает конструкцию.

Далее из конструкции поочередно удалялись некоторые несущие элементы: одна колонна, один узел сетчатого покрытия, элемент опорного кольца и т.д. Затем исследовалась картина распределения усилий в элементах купола и картина полученных деформаций узлов.

На рис.1 представлены результаты статического расчета с удаленным ключевым узлом сетки купола при невыгодном сочетании нагрузок.

Рис.1 Вариант перераспределения усилий при разрушении части сетчатого покрытия

На рис.2 представлены результаты статического расчета конструкции с удаленной колонной. Из рисунка видно, что в элементах купола, соседних с зоной обрушения, происходит увеличение усилий в 1,5 раза, по сравнению с расчётными.

Так же были рассмотрены другие варианты отказов несущих элементов купола: удаление ключевого узла, разрушение колонны и дальнейшее разрушение части сетчатого покрытия (удаление части элементов и опорного узла ). Результаты данного расчёта представлены в таблице 1.

Рис.2 Вариант перераспределения усилий при аварийной ситуации – разрушении колонны

Таблица 1. Варианты усилий в элементах купола

Вариант распределения усилий при нормально эксплуатации купола, кН	Вариант перераспределения усилий при разрушении колонны, кН	Вариант перераспределения усилий при разрушении части сетчатого покрытия, кН	Вариант перераспределения усилий при разрушении колонны и дальнейшего разрушения сетчатого покрытия, кН
-477,27	-690,66	-727,52	-867,41
-434,85	-624,42	-653,21	-781,66
-392,43	-558,18	-578,91	-695,91
-350,01	-491,95	-504,6	-610,15
-307,59	-425,71	-403,3	524,4
-265,17	-359,47	-355,99	-438,64
-222,75	-293,24	-281,69	-352,89
-180,33	-227,0	-207,38	-267,13
-137,91	-160,76	-133,08	-181,38
-95,49	-94,52	-58,77	-95,63
-53,06	-28,29	15,53	-9,87
-10,64	37,95	89,84	75,88
31,78	104,19	164,14	161,64
74,2	170,42	238,45	247,39
116,62	236,66	312,75	333,15

На основании полученных результатов, можно сделать вывод о большом количестве вариантов распределения усилий в элементах купола, в зависимости от аварийной ситуации, которая повлекла за собой тот или иной вид разрушения. Анализируя полученные результаты, а именно увеличение продольных усилий, при аварийных ситуациях, можно прийти к выводу что при проектировании конструкции подбор сечений необходимо проводить при многовариативной постановке задачи. Так в нашем случае потребовалось произвести корректировку сечений – увеличить их в 1,5 раза по сравнению и исходными.

Невозможно одним лишь статическим расчётом предположить изменения распределения усилий и осуществить подбор жесткостных характеристик элементов, не учитывая динамического разрушения конструкции.

Таким образом, внедрение интуитивно простого и понятного алгоритма расчёта купольных покрытий на живучесть крайне необходимо при нынешних темпах внедрения большепролётных, сетчатых конструкций, типа купольных.

Список литературы:

1. Самохвалов И.А. Трянина Н.Ю.. Сравнительный анализ работы сетчатых куполов среднего диаметра в зависимости от их формы. Современные тенденции развития науки и технологий//сборник научных трудов по материалам III Международной научно-практической конференции 30 сентября 2015 г.: в 10 ч. – Белгород : ИП Ткачева Е.П., 2015. – Часть VI. – с.101-104

2. Трянина Н.Ю., Тестоедов П.С. Исследование вопроса живучести стальных сетчатых покрытий.//Приволжский научный журнал, №1(33). -2015.- С. 9-15.

Код для цитирования: Скопировать