Исследование устойчивости пространственного стального каркаса покрытия аэровокзального комплекса «Внуково-1» к прогрессирующему обрушению

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО СТАЛЬНОГО КАРКАСА ПОКРЫТИЯ АЭРОВОКЗАЛЬНОГО КОМПЛЕКСА «ВНУКОВО-1» К ПРОГРЕССИРУЮЩЕМУ

ОБРУШЕНИЮ

В статье изложены результаты исследования устойчивости несущих конструкций пространственного стального покрытия аэровокзального комплекса «Внуково-1» по отношению к прогрессирующему обрушению.

The article describes progressive collapse assessment of structural space steelwork of air-terminal complex "Vnukovo-1".

Новый терминал аэровокзального комплекса «Внуково-1» (рнс.1), работы по возведению которого полным ходом идут в настоящий момент, станет не только самым современным аэровокзалом в России, но и одним из самых сложных объектов, реализованных в Москве за последнее время. Помимо необычайной архитектурной выразительности, новый терминал аэропорта «Внуково-1» должен обладать возможностями для суш ^ ивания.

Рис. 1. Архитектурная концепция нового терминала аэровокзального комплекса

«Внуково-1»

В силу уникальности решаемых при возведении комплекса инженерных задач, и планируемого размещения в нем большого количества людей, первостепенную важность при его проектировании приобретает вопрос безопасности сооружения. Причем, вопросы безопасности должны прорабатываться как в условиях эксплуатации, так и в эксплуатации, так и в аварийных ситуациях. Особая ответственность этого сооружения подразумевает проведение комплексных, всеохватывающих расчетов. Особенно

С.И. Трушин, B.C. Парлашкевич, Т.А. Журавлева

МГСУ

ВЕСТНИК МГСУ

4/2010

актуальным становится вопрос исследования поведения несущих конструкции в аварийных ситуациях, когда грамотное и дальновидное проектирование является гарантом обеспечения безопасности эвакуируемых людей.

Ниже представлены результаты исследования устойчивости несущих конструкций металлического покрытия аэровокзального комплекса «Внуково-1» (рис.2) по отношению к прогрессирующему обрушению.

©©©©©©©©©©©©©©©©0 Рис. 2. План покрытия нового терминала

Конструкция покрытия представляет собой двухпоясную сетчатую оболочку, разделенную на 12 температурных отсеков (рис.2). Каждый отсек оболочки состоит из равносторонних или равнобедренных треугольных ячеек с размерами сторон от 7 до 8 м, выполняемых в виде плоских сварных ферм высотой 2,5м из круглых труб. По верхним поясам сетчатой оболочки устанавливаются прогоны из прокатных двутавров или швеллеров с шагом до 3 метров, по которым укладывается профилированный настил. Верхний пояс ферм сетчатых оболочек из плоскости раскреплен прогонами, нижний пояс - распорками. Конструкция покрытия опирается на железобетонные колонны с сеткой 20x25м. Опирание осуществляется через наклонные стойки из круглых труб (рис.3). Для соединения наклонных стоек с железобетонными колоннами, согласно проекту, приняты сферические шарниры. Все остальные соединения элементов в узлах - жёсткие.

Исследования проводились на модели секции К-О 10а/15а. Данная секция выбрана, в связи, со схожестью поведения конструкций покрытия во всех отсеках. Данные для исследований были предоставлены институтом ЦНИИПСК им. Мельникова. Для проведения исследования была разработана компьютерная модель проектируемой секции (рис.3). Расчетная схема секции, созданная на базе вычислительного комплекса

Рис. 3. Опирание двухпоясной сетчатой оболочки на железобетонные колонны

Лира версии 9.4 (ключ №593329206), представляет собой пространственную стержневую систему. В основании колонн для моделирования их податливости были введены упругие связи (по Х=16000 т/м; У=16000 т/м; ОТ=300 000 т-м; Ш=300 000 т-м). В качестве базового выбран конечный элемент пространственного стержня с шестью степенями свободы в каждом узле. Расчетная схема секции представлена на рис. 4.

Рис. 4. Общий вид расчетной схемы секции К-О 10а/15а.

На первом этапе исследования проектируемые конструкции рассчитывались на прочность и деформативность в бездефектном состоянии. Расчет проводился согласно СНИП [1].

На втором этапе исследований выполнялись статические расчеты конструкций сооружения с учетом нескольких вариантов возможного локального разрушения отдельных несущих элементов. Расчет проводился на особое сочетание нагрузок, по МДС 20-2.2008 [3]. В соответствии с [3] в особое сочетание нагрузок включают нормативные постоянные нагрузки и временные нагрузки длительного действия. Величины нагрузок задавались согласно проектной документации, предоставленной ЦНИ-ИПСК им. Мельникова, а также согласно СНиП [2]. Прорабатывалось пять сценариев обрушения (рис.5):

1. удаление угловой колонны К/14а;

ВЕСТНИК 4/2010

2. удаление центральной рядовой колонны М/13а;

3. удаление рядовой крайней колонны 0/12аВ;

4. удаление наиболее нагруженного элемента сетчатой двухпоясной оболочки;

5. удаление одного из элементов опирания оболочки на колонну.

Для каждого варианта локального разрушения производилось построение пространственных эпюр перемещений и усилий в несущих конструкциях здания от проектных нагрузок. Эти результаты сравнивались с результатами расчета несущих конструкций секции в бездефектном состоянии.

секции К-О 10а/15а.

Самым опасным оказался случай с изъятием угловой колонны К/14а (рис.5) Деформированная схема секции представлена на рис. 6. При таком сценарии прогрессирующего обрушения усилия в элементах сетчатой оболочки значительно возрастают. Продольная сила и моментные усилия увеличиваются в 2 раза, а некоторые сжатые элементы сетчатой оболочки, находящиеся вблизи удаленной колонны, теряют устойчивость.

Рис. 6. Вид деформированной расчетной схемы секции К-О 10а/15а при условии локального обрушения угловой колонны К/14а

В остальных случаях исследования после удаления характерных, наиболее нагруженных элементов из расчетной схемы конструкции покрытия секции, происходит перераспределение усилий между оставшимися элементами. При этом максимальные значения напряжений не превышают предельно допустимых СНиП [1].

По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что прочность и жесткость несущих конструкций металлического покрытия аэровокзального комплекса «Внуково-1» при наиболее опасных гипотетических разрушениях достаточна для восприятия дополнительных нагрузок вследствие перераспределения усилий. Анализ напряжений и картин деформаций здания при четырех прорабатываемых вариантах локальных разрушений позволяет судить о достаточной общей устойчивости конструкций сооружения.

Однако при сценарии обрушения угловой колонны К/14а прочности и устойчивости некоторых элементов конструкций сетчатой оболочки оказывается недостаточно. В этом случае необходимо их усиление за счет увеличения площади поперечного сечения трубчатых элементов. Так элемент верхнего пояса фермы Тр. 140x10 согласно расчету необходимо увеличить до Тр.140х16.

Элементы нижних поясов ферм Тр. 121x8 необходимо увеличить до Тр.121х12 и Тр.121х10 в зависимости от месторасположения элемента в оболочке. Элементы нижних поясов ферм Тр. 140x10 необходимо увеличить до Тр.140х16. Сечение самого нагруженного элемента нижнего пояса вблизи изъятой колонны необходимо принять из Тр.140х30.

Литература

1. СНиП II-23-81*. Стальные конструкции. - М.: ОАО «ЦПП», 2007. - 90 с.

2. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия. - М.: ОАО «ЦПП», 2007. - 44 с.

3. Временные рекомендации по обеспечению безопасности большепролетных сооружений от лавинообразного (прогрессирующего) обрушения при аварийных воздействиях. МДС 20-2.2008/ФГУП «НИЦ «Строительство». - М.: ОАО «ЦПП», 2008.- 16 с.

Ключевые слова: двухпоясная сетчатая оболочка, пространственная стержневая система, конечные элементы, напряженно-деформированное состояние, прогрессирующее обрушение, нормативные нагрузки, сложное нагружение

Key words: double layer grid, profiled space framework, finite element, stress-strain state, progressive collapse, design load, complex loading

Почтовый адрес авторов: Москва, Ярославское ш., д. 26 Телефон/факс: 8-916-600-66-18, 8-905-744-54-71 e-mail авторов: tata-zhuravleva@mail.ru, vs91144@mail.ru, trushin2006@yandex.ru

Статья представлена Редакционным советом «Вестник МГСУ»