Анализ сопротивления пространственной стержневой системы покрытия прогрессирующему обрушению

Analysis of spatial rod resistance of the coating system of progressive collapse

Ruslan Luptakov

master, Academy of Civil Engineering and Architecture Don State Technical University, Russia, Rostov-on-Don

Аннотация. В настоящее время строится большое количество спортивных сооружений с использованием большепролетных покрытий. В статье анализируются сопротивление большепролетной пространственной конструкции прогрессирующему обрушению.

Abstract. Currently under construction, a large number of sports facilities with the use of the fabric coatings. The article analyzes the resistance of long-span spatial structures progressive collapse.

Ключевые слова: прогрессирующее обрушение, стальные конструкции, расчет прогрессирующего обрушение, сопротивления, отказ.

Keywords: progressive collapse, steel constructions, structural analysis of progressive collapse, structural failure.

Вопрос надежности строительных конструкций, является главной задачей для инженера. В практике проектирования сооружений для того, чтобы учесть непроектные воздействия (пожар, террористические акты, чрезвычайные ситуации и так далее) и минимизировать разрушения, можно воспользоваться расчетом на прогрессирующее обрушение [3; 18].

Стоит отметить, что расчет на прогрессирующее обрушение в современной практике не является новым, однако ситуацию усугубляет отсутствие четких требований в строительных нормах к методике расчета пространственных стальных конструкций на прогрессирующее разрушение [4; 21].

В рамках анализа выполнялся расчет большепролетного стержневого покрытия пролетом 49 м и длиной 54 м. Термин большепролетная конструкция в нормах отсутствует, есть определение уникального сооружения – это конструкция пролетом более 100 м [1; 122]. Однако в [2; 14] сказано, что к большепролетным системам относятся конструкции с пролетом свыше 36 м. Отметим, что под такие параметры попадают не только уникальные здания, но и большое количество рядовых сооружения (спортивные, торгово-развлекательные и т.д.).

Расчет сопротивляемости прогрессирующему обрушению проводился по прямому методу, суть которого заключается в изъятии из расчетной схемы одного или нескольких элементов, связей и анализе оставшейся конструкции к ее способности перераспределять дополнительно возникающие усилия [5; 91]. Этот метод позволяет получить количественную оценку внутренних усилий в конструкции и путей развития цепочки отказов, спровоцированных первоначальным повреждением. Тем самым выполняется задача оценки подверженности конкретной конструкции прогрессирующему обрушению, а также к оценке напряженно-деформированного состояния, достигнутого в результате удаления одного или нескольких элементов, связей.

Была создана конечно-элементная модель большепролетного стального покрытия в программном комплексе STARK_ES (рис. 1). Учтены единичные нагрузки равномерно распределенные по узлам верхних поясов ферм.

Конечными элементами были выбраны объемные стержни (3D – элементы).

Результаты расчета на прогрессирующее обрушение.

Из модели удалялись элементы усилия в которых достигли предельных значений, их объединяли в группы по типу. На первом этапе из схемы исключены элементы нижнего пояса фермы под номером 432 при Nmin = – 93,55*Pвнеш. Первая группа элементы нижнего пояса. Вторая группа элементы верхнего пояса. Третья группа второстепенные элементы (связи).

Рисунок 1. Конечно-элементная модель покрытия

В последующем из конструкции последовательно выбывали элементы верхнего пояса покрытия, что привело к резкому увеличению усилий и перемещений конструкции от внешней нагрузки (рис. 2): 311 при Nmin = – 324,92; 381 при Nmin = – 348,91; 451 при Nmin = – 370,8 и связи под номерами: 1035 при Nmin = – 364,1; 1046 при Nmin = – 375,4; 1059 при Nmin = – 444,87.

На диаграмме (рис. 3) представлена зависимость изменения деформации (ƒмм) конструкции от числа (n) выбывших из системы элементов.

Рисунок 2. Перемещение конструкции при полном исчерпании несущей способности

Рисунок 3. Диаграмма зависимости деформации от количества выбывших элементов

Вывод:

Последовательное развитие процесса разрушения конструкции покрытия рассмотрено на всех этапах расчета, критерием оценки является усилия, напряжения в элементах конструкции и деформации всей системы. Следует учитывать, что при нарастании деформации системы появляются искривления отдельных стрежней, что приводит к появлению дополнительных усилий, в том числе местных изгибающих моментов. Стоит отметить значимость связевых элементов, так как при отказе нижнего или верхнего поясов, они обеспечивают восприятие нагрузки.