Анализ устойчивости сетчатой оболочки к прогрессирующему обрушению

АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ СЕТЧАТОЙ ОБОЛОЧКИ К ПРОГРЕССИРУЮЩЕМУ ОБРУШЕНИЮ

А.В. Михайлов

МГСУ

Вопросы устойчивости сетчатой оболочки к прогрессирующему разрушению рассматриваются на примере расчета секций покрытия здания аэровокзального комплекса «Внуково-1» (АВК). Аэровокзальный комплекс представляет собой единое здание, имеющее в плане Т-образную форму, вытянутое вглубь стоянки самолетов. Здание АВК имеет плавные, обтекаемые формы, напоминающие фюзеляж самолета, нос которого обращен к летному полю, а хвостовая часть поднимается в сторону привокзальной площади, открываясь на нее фасадом.

Покрытие здания аэровокзала представляет собой двухпоясную сетчатую оболочку, разделенную на 13 температурных отсеков (рис. 1). Каждый отсек оболочки состоит из треугольных ячеек с размерами сторон от 7 до 8 метров, выполняемых в виде плоских сварных ферм из круглых труб высотой 2,5м. Конструкция покрытия опирается на железобетонные колонны с сеткой 20х25м через трехгранные пирамиды («рюмки») из круглых труб с вершинами в узлах сетчатой оболочки и на колонне.

Рис. 1. Сетчатая оболочка покрытия

В целом покрытие представляет собой систему из 7-ми типов сочлененных оболочек положительной, нулевой и отрицательной гауссовой кривизны. Срединная поверхность основной части двухпоясной сетчатой оболочки является поверхностью вращения относительно оси, лежащей в плоскости симметрии сооружения.

Узлы на верхнем и нижнем поясах оболочек, объединяющие 6 ферм смежных ячеек, состоят из центрального круглого стержня с приваренными к нему вертикальными фасонками, к которым на болтах с помощью накладных пластин крепятся фасонки поясов ферм. 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 развязан прогонами, нижний пояс - распорками. Размеры покрытия в осях 530х340 м.

Конструкция покрытия аэровокзального комплекса анализировалась на возможность сопротивления лавинообразному обрушению в программных комплексах Nastran NX и Lira 9.4.

2/2009 ВЕСТНИК

Можно выделить следующие подходы к обеспечению несущей способности пространственных конструкций при аварийных воздействиях:

- обеспечение несущей способности конструкций сооружения по первому предельному состоянию при разрушении отдельных элементов. Этот подход подразумевает удаление одного любого элемента вне зависимости от его расположения. Далее, возможна одна из двух ситуаций: сохранение несущей способности здания без разрушения или разрушение незначительной части конструкций без распространения разрушения на все сооружение. Данный подход можно рассматривать как оценку живучести здания. Он наиболее распространен в современной расчетной практике. Расчеты в этом случае могут выполняться в линейной статической постановке, в линейной динамической постановке, в нелинейной статической постановке и в нелинейной динамической постановке. Разумеется, выбор необходимой точности расчета должен определяться и обосновываться для каждого объекта.

- обеспечение несущей способности основных элементов по первому предельному состоянию при дополнительном аварийном воздействии (дополнительные горизонтальные и вертикальные воздействия на несущие конструкции), без непосредственного исключения отдельных частей конструкции из работы.

- комбинированный подход, требующий выделения ключевых элементов, при удаление которых представляется невозможным обеспечить устойчивость конструкции без дублирования элемента или кардинального изменения архитектурно-планировочного решения. В этом случае необходимо предусмотреть превентивные меры безопасности, включающие в себя увеличение запаса прочности, расчет на детерминированное аварийное воздействие, конструктивную защиту (например, использование трубобетона). Необходимо также обеспечить неконструктивные меры безопасности: размещение вблизи ключевых элементов служебных помещений, куда затруднено попадание посторонних, организацию системы контроля доступа, видеонаблюдения, безопасности, постоянного мониторинга.

При анализе возможности конструкций аэровокзального комплекса сопротивляться прогрессирующему обрушению были рассмотрены и проанализированы все три подхода применительно к одной из секций покрытия (рис. 2):

Рис. 2. Секция оболочки покрытия

1) Проверка всех несущих элементов на возможность сопротивления аварийному воздействию: для стержневых элементов - в виде дополнительных сосредоточенных сил величиной 35 кН; для оболочечных элементов - в виде равномерно распределенной нагрузки интенсивностью 10 кН/м2.

2) Комбинированный подход, обеспечивающий большую надежность и учитывающий возможность разрушения отдельных элементов. При этом определяется ряд элементов, разрушение которых признается недопустимым. Безопасность этих ключевых элементов обеспечивается дополнительными конструктивными и организационными мерами.

3) Оценка проектной живучести здания, обеспечивающая наибольшую надежность сооружения. Данный подход используется в нормах проектирования атомных электростанций. Использование этого метода затруднено при оценке возможности сопротивления прогрессирующему разрушению ряда большепролетных конструкций.

При расчете и анализе конструкций покрытия аэровокзального комплекса в основу был положен подход, связанный с оценкой проектной живучести конструкций. При этом были выделены 2 категории элементов:

1) Разрушение элементов 1-го типа не приводит к обрушению конструкции, как в целом, так и отдельных ее частей. Несущая способность покрытия по первому предельному состоянию обеспечивается.

2) Разрушение элементов 2-го типа приводит к обрушению части покрытия, соразмерной с грузовой площадью, приходящейся на данный конструктивный элемент. При этом не происходит прогрессирующего обрушения. Для осуществления предполагаемого механизма обрушения необходимо вводить дополнительные элементы разрушающиеся при смене знака продольной силы в элементе, либо при возрастании поперечной силы (например, фланцевые соединения, пластичные вставки). При проектировании должны быть четко определены элементы, относящиеся ко 2-му типу. К ним в данном случае относится ряд угловых колонн в каждом блоке.

Проанализированы следующие варианты расчетов:

1. НДС исходной бездефектной схемы в линейной постановке.

2. НДС исходной бездефектной схемы в нелинейной постановке.

3. НДС схемы при удалении одной средней колонны в статической линейной постановке.

4. НДС схемы при удалении одной угловой колонны в статической линейной постановке.

5.НДС схемы при удалении одной средней колонны в геометрически нелинейной постановке.

В табл.1 приведены результаты анализа проектной живучести и безопасности от прогрессирующего обрушения секции покрытия (рис.2).

В ходе работы был проведен анализ влияния динамической составляющей при расчете схемы с локальным разрушением. В динамической постановке исследовалось НДС конструкции при разрушении средней колонны. Рассматривались различные промежутки времени удаления колонны. Зависимость перемещений от времени (по узлу над разрушенной средней колонной) приведены в табл.2 (Т-период первой формы собственных колебаний).

2/2009 ВЕСТНИК

Таблица 1

Наименование показателя Номер варианта расчета

1 2 3 4 5

Максимальное перемещение, мм 48 48.2 81.7 880 82.2

Перемещение над колонной, мм 9 - 73 772 -

Максимальная продольная сила N -181.1 - -182.3 -

по колоннам, т

Минимальная продольная сила N -269.6 - -346.7 -

по колоннам, т

Максимальная продольная сила N -56.6 - 2.3 -

по «рюмкам», т

Минимальная продольная сила N -76.2 - -202.6 -

по «рюмкам», т

Коэффициент запаса по 2.61 - 2.04 -

устойчивости

1-я частота собственных 3.72 - 3.71 -

колебаний, Гц

2-я частота собственных 3.91 - 3.86 -

колебаний, Гц

3-я частота собственных 4.49 - 4.46 -

колебаний, Гц

Максимальные нормальные 227 - 263 523 -

напряжения в элементах, МПа

Минимальные нормальные -242 - -274 -540 -

напряжения в элементах, МПа

Таблица 2

Длительность разрушения элемента 5Т Т 0.5 Т 0.25 Т 0.1 Т 0.05Т

Перемещение, мм 76 79.3 91 102 108 108

Выводы по расчету

По результатам расчета несущих конструкций покрытия аэровокзального комплекса «Внуково-1» можно сделать следующие выводы:

1) Анализ различных вариантов локальных разрушений конструкций покрытия показал, как и следовало ожидать, что наибольшее влияние на НДС конструкции оказывает разрушение колонн.

2) Разрушение средних колонн не приводит к обрушении покрытия. Максимальные напряжения не превышают пределов текучести.

3) Разрушение угловых колонн приводит к обрушению части покрытия (максимальные напряжения в элементах покрытия превышают предельно допустимые в 1.5 раза), однако перенапряжения в соседних колоннах не наблюдаются. Прогрессирующего обрушения покрытия не происходит.

4) Анализ нелинейных эффектов показал, что значительного влияния на НДС конструкции учет геометрической нелинейности не оказывает, причем как в бездефектном состоянии, так и при локальных разрушениях.

5) Анализ общей устойчивости конструкции показал достаточный коэффициент запаса.

6) Динамический анализ конструкций покрытия показал незначительное влияние на динамические характеристики локальных разрушений. Собственные формы и частоты сооружения изменяются незначительно.

7) В зависимости от времени удаления колонны наблюдались динамические эффекты, колебания конструкции. Выявлено, что наибольшие напряжения и перемещения в конструкции наблюдаются при удалении колонны за время равное 0,1 от периода первой формы собственных колебаний.

Литература:

1) МДС 20-2.2008 Временные рекомендации по обеспечению безопасности большепролетных сооружений от лавинообразного (прогрессирующего) обрушения при аварийных воздействиях. М., ОАО «ЦПП», 2008.

2) Перельмутер А.В. Избранные проблемы надежности и безопасности строительных конструкций. М., Издательство АСВ, 2007.

Ключевые слова: прогрессирующее обрушение, надежность, аварийные воздействия, сетчатые оболочки, геометрическая нелинейность, динамические воздействия

Рецензент: заместитель руководителя Центра исследований сейсмостойкости сооружений ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, к.т.н., Аюнц Владимир Азатович