автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Живучесть большепролетных металлических покрытий

На правах рукописи

Дробот Дмитрий Юрьевич

ЖИВУЧЕСТЬ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

Специальность: 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2010

111111111111111111

___004600540_____

Работа выполнена в Государственном Образовательном Учреждении Высшего Профессионального Образования Московском государственном строительном университете.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Кудишин Юрий Иванович Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Корчак Михаил Дмитриевич доктор технических наук, с.н.с. В остров Владимир Кузьмич

Ведущая организация: ОАО «Атомэнергопроект», г. Москва.

Защита диссертации состоится 2010 г. час.00 мин.

на заседании диссертационного совета Д.212.138.04 при ГОУВПО Московском государственном строительном университете по адресу-' г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан <¿6

.» Я"3^6*- 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

П.Б. Каган

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы обосновывается отсутствием в РФ методики расчета уникальных зданий и сооружений на живучесть (стойкость к повреждениям). Необходимость обеспечения живучести уникальных конструкций, к которым среди прочих относятся и конструкции большепролетных сооружений и покрытий, вытекает из их повышенного уровня ответственности по назначению - отказы элементов таких конструкций могут привести к тяжелым экономическим и социальным последствиям. Причины потребности в обеспечении свойства живучести для любых типов зданий и сооружений вытекают из сложившейся в настоящее время в РФ «негативной» ситуации в строительстве вокруг вопроса безопасности: усложнение конструкций, нередко вызванное давлением архитектурных решений над конструкторской практикой, в совокупности с рыночной конкуренцией и многими другими факторами приводит к реализации рискованных конструктивных решений. Предрасположенность к авариям усиливается «отстающей» от вызовов времени нормативной базой, зачастую неудовлетворительной подготовленностью участников строительства, нарушением правил эксплуатации построенных объектов, вероятностью повреждающих воздействий целенаправленного (террористического) характера и т. д.

Цель и задачи работы. Цель заключается в разработке методики расчета на живучесть применительно к конструкциям большепролетных металлических покрытий. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. По теме исследования выполнен обзор мировой литературы, как на междисциплинарном уровне, так и в ракурсе строительных конструкций;

2. Сформулирована проблема живучести применительно к конструкциям большепролетных покрытий;

3. Разработанная методика отлажена на конкретных социально и технически значимых объектах в следующей последовательности (подцель практической части работы - обеспечение проектной живучести рассмотренных покрытий):

3.1. Выполнено исследование проектных моделей покрытий на наличие свойства единичной живучести [для получения данных о НДС исходных (неповрежденных) покрытий созданы математические модели; разработаны виды планируемых повреждений; для предварительной оценки живучести и выявления наиболее опасных повреждений использован логико-топологический (кинематический), модальный и энергетический анализ покрытий; в случае необходимости выполнены численные расчеты на отказы в динамической постановке].

3.2. Предложены и обоснованы варианты усилений покрытий.

Г

Объект исследования ~ покрытия большепролетных сооружений, преимущественно выполненные из металлических элементов, предмет -свойство живучести.

Научная новизна:

- Сформулированы проблема обобщенной живучести для любых типов зданий и сооружений и проблема единичной живучести для металлических покрытий большепролетных сооружений;

- Разработана система критериев при решении задачи единичной живучести для металлических покрытий большепролетных сооружений;

- Разработан алгоритм решения задачи единичной живучести в нелинейной динамической постановке для металлических покрытий большепролетных сооружений.

Практическая значимость результатов исследования заключается в том, что: а) подготовлены рекомендации по усилению для рассмотренных объектов; б) разработанная методика расчета может бьггь внедрена в любых научных и проектных организациях, занимающихся расчетом и проектированием уникальных сооружений; в) получаемые при использовании методики результаты позволяют оценить живучесть уже существующих объектов строительства и обеспечить требуемый уровень живучести для вновь проектируемых объектов.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций концептуальной части работы (первая и вторая главы) подтверждается выбранным научным базисом исследований - теорией систем, практической части - корректными математическими моделями, отлаженными путем сравнения: а) с результатами численных расчетов, полученными на математических моделях, созданных проектными организациями; б) с результатами экспериментов на физических моделях покрытий. Для первого покрытия выполнены только статические испытания, для второго статические и динамические путем взрыва, последние необходимы для физического моделирования отказа отдельных частей конструкции с учетом динамического эффекта.

Внедрение результатов работы. Положения и результаты настоящего исследования в проектной практике автора внедрены для нескольких объектов: большепролетное мембранное покрытие стадиона «Ермак» (г. Ангарск), надземная кирпичная часть Государственного Академического Большого Театра (г. Москва), двух крышных рекламных установок (г. Москва); при педагогической практике внедрены под научным руководством автора в рамках студенческих дипломных работ, где исследовалась живучесть следующих объектов: стадион «Локомотив» (г. Москва), покрытие культурно-развлекательного комплекса «Дом музыки» (г. Москва), мост «Живописный» (г. Москва) и др.

Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались автором на:

1. Международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», г. Москва, в 2006 и 2008 гг.;

2. Международной научно-практической конференции «Применение стальных конструкций в уникальных сооружениях и массовом строительстве», МВЦ «КРОКУС ЭКСПО», г. Москва, 2009 г.;

3. Научной сессии «Особенности проектирования и расчета пространственных конструкций на прочность, устойчивость и прогрессирующее обрушение», НИИЖБ, г. Москва, 2009 г.;

4. Международном симпозиуме «Современные металлические и деревянные конструкции», г. Брест, 2009 г.;

5. На семинарах кафедры «Металлические конструкции» МГСУ в 2006 -2009 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано одно учебное пособие, 8 статей, 2 из которых опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов по результатам исследований и библиографического списка из 184 наименований. Диссертация содержит 212 страниц, 96 рисунков, 12 таблиц.

На защиту выносится наиболее существенный результат исследования, имеющий научную и практическую значимость, - концептуальная постановка проблемы живучести строительных конструкций и положения разработанной методики расчета на единичную живучесть.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение диссертации раскрывает актуальность выбранной для исследования темы, определяет и обосновывает объект, предмет, научную новизну и практическую значимость работы.

В первой главе диссертации выполнен в пространственно-временном, терминологическом, нормативном ракурсах критический анализ состояния проблемы, по результатам которого обзорные материалы систематизированы и изложены по нижеприведенным направлениям в следующей последовательности:

1. Возникновение первых методологических затруднений в вопросе стойкости строительных конструкций к отказам элементов в контексте истории развития темы с неудачным лингвистическим названием «прогрессирующее обрушение». Сложившиеся в нормативной базе различных стран подходы по защите от «прогрессирующего» обрушения;

2. Примеры трактовок и решения темы в разных сферах человеческой жизнедеятельности;

3. Проблема живучести в ключе системного подхода: место, роль и диалектика взаимосвязи основных свойств любой системы - надежности, живучести и безопасности;

4. Критика постановки вопроса стойкости строительных конструкций к «прогрессирующему» (диспропорциональному, лавинообразному, цепному и т. д.) обрушению;

5. Проблема живучести строительных конструкций. Существующие концептуальные подходы: трактовка внешнего повреждающего воздействия (нормирование или отказ от нормирования конкретных аварийных воздействий, подходы риск-анализа), расчетные методы анализа реакции конструкции на повреждение, оценка конечного (поврежденного) состояния конструкции.

Литературный поиск применительно к большепролетным конструкциям показал, что:

- Существует незначительное количество научных работ, затрагивающих вопрос их живучести, - в целом живучесть таких систем ранее практически не изучалась, а превалирующие работы для обыкновенных зданий преимущественно носят локально-прикладной характер;

- Авторы работ по живучести большепролетных систем в основном дискутируют на тему о необходимости обеспечения живучести таких систем;

- В вицу сложности обеспечения живучести большепролетных конструкций в практике мирового проектирования устоялась точка зрения, при которой безопасность таких систем гарантируется в первую очередь за счет превентивных мер, а обеспечение живучести при отказе только второстепенных элементов является не более чем правилом «хорошего тона» в проектировании (в РФ нормативное воплощение такой подход нашел в МДС 20-2.2008). Одна из основных причин сложности обеспечения живучести большепролетных конструкций - принцип концентрации материала - существуют как дискретные формы, «обреченные» на нулевую структурную живучесть, так и континуальные формы, обладающие максимально возможной потенциальной структурной живучестью (например, листовые конструкции - мембранные оболочки).

Во второй главе предлагается в развитие идей различных ученых и исследователей (Н.С. Стрелецкого, Ю.И. Кудишина, Г.А. Гениева, В.В. Болотина, В.И. Колчунова, A.B. Перельмутера, В. Crowder, Е. Willianson, D. Billow, J. Crawford, H. Lew, J. Gilmour, U. Strarossek, T. Canisius, B. Ellingwood и др.) сформулировать проблему обобщенной живучести - все аварийные воздействия и соответствующие проблемы стойкости к повреждающим воздействиям [а) аварийного типа, таким как: сейсмостойкость, огнестойкость, взрывоустойчивость, износостойкость, трещиностойкость; б) аварийной величины воздействий проектного типа в контексте вопроса структурной избыточности при поиске резерва несущей способности] рассматривать в рамках обобщенной проблемы живучести. Расчет на сами воздействия отнести к третьей группе предельных состояний, как состояний с недопустимым уровнем повреждений (рис. 1). Повреждающие воздействия трактовать в широком смысле, как на глобальном уровне (например, сейсмические воздействия), так и на локальном (например, потеря местной устойчивости стенки металлической двутавровой балки).

Для устранения внутренних противоречий методики предельных состояний предлагается использовать классическую трактовку теории систем по разграничению свойств надежности и живучести: надежность - способность неповрежденной системы (в нашем случае конструкции) выполнять свое функциональное назначение (надежность нормируется соответствующими показателями безотказной работы), живучесть — способность поврежденной системы выполнять свое функциональное назначение.

I-

Стойкость конструкций

в зависимости от уровня и типа воздействия ■я, 2-я группа предельных состояний 3-я группа предельных состояний

Надежность I Живучесть ¡

воздействие проектного типа и уровня } воздействие запроектного уровня ила аварийного типа

не приводит к повреждениям 1 приводит к повреждениям

Природа воздействия извсстаа - уровень I Неизвестная и

воздействия можно занормировагь I неуыывдецная природа

(яирвц пропетого гипи) Í повреждающих) воздействия

Обобщенная проблема живучести Живучесть при абстрактных повреждениях

______I________1_________\ ................I__________

¡Живучесть л-ro уровня! ¡ Живучесть 1 i единичного уровня j

11. Сейсмостойкость, огнестойкость, ',ъзрывоустойчивость, износостойкость, ¡трещиностойкость и т. д. ¡2. Структурная избыточность как ¡резерв несушей способности при ¡запроситой величине воздействия.

Рисунок 1. - К постановке вопроса живучести строительных конструкций

В качестве интегральной меры живучести строительных конструкций предлагается использовать связность — характеристику, традиционно используемую в системном анализе, и понимаемую, как максимальное количество повреждений, при котором система еще удовлетворяет предъявляемым критериям живучести. Для дискретных конструкций (например, структур) следует различать реберную (элементную) и узловую связность. Применительно к континуальным конструкциям в качестве повреждения может выступать разрез/трещина, определенной формы и длины, или отказ области, ограниченной некоторой площадью или объемом. Степень повреждения конструкции после повреждения «-го уровня или этапа, предлагается оценивать индексом живучести ГтЬ :

О _ D

7" _ тах.я фахт,п /а

1пЬ * „ \А-1)

где:

Rmax,n — связность «-го уровня;

Кфактп — количество полученных повреждений на п-и этапе повреждений.

Применительно к большепролетным конструкциям предлагается выделить проблему единичной живучести (стойкости к единичным

повреждениям). Основные концептуальные предпосылки которой: неизбежность, неумышленность, абстрактность (неизвестность причины) аварии; динамический всплеск усилий при отказах в неблагоприятных условиях; принцип единичного отказа. В главе дано обоснование каждой предпосылки, также дано обоснование различных критериев живучести, математических моделей отказа, сформулирован упрощенный подход для расчета на живучесть покрытий мембранных оболочек, дана критическая оценка предлагаемой постановки вопроса единичной живучести.

Для анализа по свойству единичной живучести большепролетных покрытий, рассмотренных в 3-й и 4-й главах, сформулирована упрощенная расчетная методика:

- В качестве тестового стартового аварийного воздействия для конструкций покрытий выступает абстрактный отказ любого одного конструктивного элемента или узла;

- Задача рассматривается в детерминированной постановке;

- Математическая модель отказа заключается в замене в расчетной схеме конечных элементов любого элемента или узла на внутренние усилия действующие на границах конечных элементов, подчиненные во времени убывающей функциональной зависимости линейного типа (2.2);

^¡.»«о^мй.'О-- )» при о<1^1от

ЛЮ- "" (2.2)

ИР"

- Время отказа ¡отк варьируется с начальной величины, равной 0,001 с.

- Расчет на живучесть выполняется при действии нормативных значений постоянных нагрузок и длительных составляющих временных;

- Узловые соединения конструктивных элементов принимаются равнопрочными основным элементам. В расчете принимаются все упрощения, свойственные механике стержневых систем;

- Величины физико-механических характеристик стали принимаются равными их нормативным значениям, полученным по результатам статических испытаний, т. е. не учитывается эффект упрочнения стали при быстрых нагружениях. Сталь рассматривается как упруго-пластичный материал (работа материала при одноосном НДС описывается билинейной диаграммой), т. е. исключается возможность хрупкого разрушения;

- Критерий обеспечения живучести исходит из предпосылки, что

функциональное назначение покрытия в поврежденном состоянии - перекрытие пролета. Живучесть конструкции

покрытия считается

обеспеченной, если первичный тестовый отказ не приводит к разрушению других элементов, на которые перераспределяется нагрузка. Формульную запись неразрушения дискретных (каркасных) элементов и континуальных частей конструкции принята в следующем виде:

2 У. ■ (2.3)

где:

ш ~ максимальная деформация в сечении элемента; [£„/,] - предельная деформация по ГОСТу (для мягких низкоуглеродистых строительных сталей может быть принята равной ~ 20 - 25%); у,— коэффициент запаса (у, = 0,8).

Для расчета покрытий применялся программный комплекс, основанный на методе конечных элементов. При повреждениях динамический отклик конструкции вычислялся методом прямого интегрирования при автоматическом выборе программным комплексом величины шага интегрирования, стратегий учета нелинейных эффектов и оценки сходимости решения. Прямое интегрирование системы уравнений движения (2.4) выполняется бета-методом Ньюмарка.

[Щ • т\ + [В] ■ (й(О) + и • №} = {Р(Г)} (2.4)

где:

[М\, [В], [X] - матрицы масс, демпфирования и жесткости;

{Р} - вектор внешней нагрузки;

{ф)} — вектор перемещений узлов;

{а (0} — вектор скоростей в узловых точках;

{«(/)} - вектор ускорений в узловых точках.

Для подтверждения результатов компьютерных расчетов на живучесть, в том числе применимости выбранной математической модели отказа части конструкции, необходимы экспериментальные исследования. Ввиду сложностей обеспечения подобия экспериментальной модели натурной конструкции (при учете нелинейной динамической реакции на отказ), а также технических трудностей контроля параметров НДС (перемещений, напряжений), в главе рекомендуется подход, широко используемый для оценки степени повреждения конструкций в практике современных обследований и

- время отказа

Вреия анализа нестацшшарнсго дняалотеского процесса

Г< /Г " и Рисунок 2. - Функция отказа

сейсмостойкого строительства. Такой подход акцентирован на контроль параметров вибродиагностики: частот свободных колебаний до и после тестовых повреждений, а также частот затухающих колебаний (см. рис. 3). Подход может быть использован, если отказ части конструкции приводит к изменению частот на величину, хорошо поддающуюся контролю.

Предварительные расчеты - Численный расчет на отказы в программном комплексе л

для создания физической _ . ,

модели (с учетом и без Сравнение частот до и после повреждения

учета повреждений) —> Проведение экспериментов с повреждением модели

Рисунок 3. - К экспериментальным исследованиям на живучесть «-го уровня

В третьей главе исследуется живучесть покрытия Крытого Конькобежного Центра в Крылатском (г. Москва), представляющего вантовое сооружение, перекрывающее пространство, ограниченное полукруглым сегментом радиусом ~ 118 м (рис. 4а). В качестве объекта рассмотрения данное покрытие выбрано по причине, обусловившей цели и задачи главы - весной 2007 г. в одном из звеньев левой оттяжки произошел хрупкий срез втулки («пальца»), который привел к значительным перекосам и деформациям покрытия. Таким образом, произошел «прецедент» аварийного воздействия, которое могло привести к обрушению всего сооружения. Такой «прецедент» -аргумент в поддержку точки зрения о недопустимости ключевых элементов в ответственных конструкциях.

При предварительном логико-топологическом анализе, основанном на анализе последствий мысленного удаления отдельных узлов или элементов конструкции, для удобства анализа представим несущие конструкции ККЦ как систему дискретного типа, состоящую из четырех взаимосвязанных частей: первая часть включает образующие поверхность диска покрытия радиальные элементы (фермы, связи по верхним поясам ферм, прогоны с уложенным по ним профнастилом) и кольцевую балку; вторая содержит все 19 вант, третья - опорную ж.б. башню, четвертая - элементы пилонной группы (Л-образный пилон, состоящий из двух ног с затяжкой понизу, и две оттяжки с элементами упоров в ж.б. башню). В автореферате остановимся только на отказах с «самым неблагоприятным» последствием - обрушением всего покрытия:

- Отказы элементов четвертой части. Отказ затяжки по пилонам приводит к механизму - посадке Л-образного пилона на «шпагат». Отказ одной из ног пилона тоже приводит к механизму - произойдет поворот второй ноги вокруг собственной оси и относительно своей нижней опоры; аналогичными будут последствия отказа любого из узлов соединения затяжки с ногами пилона. Отказ одной оттяжки или ее упора в ж.б. башню не приводит к геометрической изменяемости сооружения, поэтому при таком повреждении потенциально возможно обеспечить живучесть за счет резервов несущей способности в элементах пилона и второй оттяжки, топологически дублирующей первую;

и

- Наиболее «тонкие места» - это связь второй, третьей и четвертой частей и связь третьей и четвертой частей. Связь второй и четвертой частей системы в одном узле представляет собой элемент последовательного соединения. При отказе такой логической связи (верхнего узла) система теряет структурную целостность и превращается в кинематический механизм. Аналогичные последствия будут при отказе связи между третьей и четвертой частями (опорных узлов ног пилона). Эти отказы являются «наихудшими» повреждениями;

- Анализ реализованных после аварии мер по усилению покрытия показывает, что они не достаточны - покрытие по-прежнему сохраняет нулевую живучесть: а) выполненные для опор ног пилона упоры в ж.б. башне позволят обеспечить потенциальную живучесть только при отказе затяжки пилона; б) усиление узлов кольцевой балки таким образом, что последняя работает как неразрезная, позволит обеспечить потенциальную живучесть покрытия при отказе любой, но некрайней ванты; в) ввод двух новых тросов, дублирующих и разгружающих оттяжки, не изменяет значение узловой связности сооружения, равной нулю.

Итак, до аварии ключевыми элементами являются: ноги пилона, затяжка, ванты, а ключевыми узлами: узлы ног пилона, узлы кольцевой балки, опорные узлы ферм; после восстановления из вышеперечисленных можно исключить только затяжку, ванты, кольцевую балку. Исходя из этих результатов предварительной оценки кинематических последствий вышерассмстренных тестовых повреждений, научный и инженерный интерес представляют численные динамические расчеты неусиленного покрытия только при отказе наиболее нагруженной оттяжки.

Рисунок 4. - Привязка характерных узлов и элементов: а) рассмотренный при численном расчете вариант конструктивной схемы; б) элементы пилонной группы

Для численных расчетов в главе обоснованы две комбинации нагрузок со следующей интенсивностью (нагрузки приняты равномерно распределенными

по покрытию; в скобках указана интенсивность нагрузки на вторую половину покрытия):

- комбинация № 1 для расчета по предельным состояниям 1-й группы и

отладки математической модели 350 (270) кгс/м2;

- комбинация № 2 для расчета на живучесть 163 (138) кгс/м2.

С одной стороны, по данным об изменении частот свободных колебаний при удалении оттяжки нельзя сделать конкретного вывода о живучести покрытия; а) согласно приложению 9 СП 31-114-2004, полученный максимум изменения частот на 26 % характеризует степень повреждения от «легкой» до «умеренной»; б) отказ оттяжки по изменению частотного отклика «эквивалентен» увеличению нагрузки на покрытие до величин, соответствующих расчетному (предусмотренному при проектировании) «зимнему» периоду эксплуатации. Но с другой стороны, о рискованности принятого конструктивного решения, когда вес «половины» покрытия «перекидывается» через одну точку, удерживаемую оттяжками, свидетельствует сильная неравномерность в распределении потенциальной энергии деформации между элементами конструкции - на элементы пилонной 1руппы приходится ~ 80 % энергии всего сооружения [до (после) отказа на элементы двух оттяжек приходится 18 (25) % всей энергии, на элементы всех 19 вант - 47 (36) %, на элементы ног пилона - 11 (16) %, на затяжку по ногам -1,2(0,9)%].

Результаты численных динамических расчетов математической модели неусиленного покрытия на отказ оттяжки, наиболее нагруженной при неравномерной снеговой нагрузке, показывают, что:

1). В рамках стержневой модели вопрос сохранности покрытием несущей способности при данном повреждении находится в пределах погрешностей численных расчетов, а также в пределах границ применимости коэффициентов надежности и условий работ методики предельных состояний - полученные напряжения в элементах пилонной группы (рис. 5а) при действии нормативных постоянных и временных длительных составляющих нагрузок близки к нормативному сопротивлению по пределу текучести (максимальное нормальное напряжение а^ во второй оттяжке по истечении 0,85 с после отказа составляет 3840 кгс/см2, в левой ноге пилона - 3750 кгс/см2, в правой ноге пилона - 3100 кгс/см2, в затяжке по пилону - 3800 кгс/см2; Щп = 3900 кгс/см2 для материала конструкций стали С390).

В случае больших нагрузок покрытие обрушится, даже если ограничивать прочность элементов при использовании временного сопротивления Яш/у». Следует учесть, что при строительстве и эксплуатации сооружения в оттяжках и ногах пилона могли возникнуть дополнительные усилия, например, вызванные неравномерными осадками ж. б. башни, перекосами при монтаже, неравномерностью предварительного натяжения и т. п.

Рисунок 5. - а) Нормальные напряжения в оттяжке (эл. № 4360), ногах пилона (эл. № 2009,2010), затяжке по пилону (эл. № 2019), кгс/см2; б) прогиб кучности покрытия (уз. № 12918)иверха пилона (уз.№ 1411),см

2). При отказе оттяжки наблюдается ряд негативных факторов:

- Величина прогиба покрытия не может гарантировать надежную фиксацию узла опирания ферм Ф2 на кольцевую балку (максимальное приращение прогиба, вызванное отказом, в момент аварии составляет ~ 61 см; см. на рис. 56 перемещения узла № 12918);

- Существует вероятность падения пилона на покрытие, т. к. в момент динамической реакции и, даже если элементы покрытия «выдержат» отказ оттяжки, то и после затухания колебаний величина наклона Л-образной опоры в сторону покрытия превышает заданную проектом величину отклонения опоры в противоположном направлении, равную 12 см [при t = 0,85 с верх пилона дополнительно смещается к центру покрытия на 42 см, а к моменту затухания на 22 см (см. на рис. 56 перемещение вдоль оси Y узла № 1411)].

- Реализуются значительные величины горизонтальных реакций в опорных ногах пилона (в левой ноге 225 тс, в правой 1325 тс; рис. 6). Следует отметить, амплитудные значения разных параметров (усилий, напряжений, опорных реакций) достигаются в поврежденном сооружении в разные моменты времени после отказа. Первый амплитудный отклик по вертикальному прогибу покрытия, напряжениям в правой оттяжке, затяжке достигается в районе 0,8 с -такое время реакции близко к половине периода колебаний по второй частоте поврежденного сооружения (1 / 0,57 / 2 ~ 0,87 с). Но амплитудные значения горизонтальных, вертикальных реакций происходят гораздо раньше - в момент времени около 0,05 - 0,1 с после отказа. При этом коэффициент динамичности для горизонтальных реакций вдоль оси Y достигает значительных величин hun.max = 26 (левая нога), кьт,max - 6 (правая нога) в сравнении с величиной кдиитах ~ 1,2... 1,45 для остальных важных с инженерных позиций параметров НДС (прогиб кучности покрытия, напряжение в затяжке, оттяжке и т. д.).

Разница в значениях коэффициента динамичности приводит к выводу о недопустимости для данного сооружения упрощения, наиболее удобного для инженерной практики при расчете на живучесть, заключающегося в использовании одинакового коэффициента динамичности для всех параметров. В противном случае использование при квазистатическом расчете кдш = 1,5...2 не позволит «поймать» значительные величины горизонтальных реакций ног

пилона (при квазистатическом расчете и при = 1 горизонтальная реакция в левой ноге составляет 9 тс, в правой - 58 тс).

Разница в скорости реакции (времени отклика) и значении к(1ин объясняется: а) тем, что в сооружении есть значительные перепады жесткости между отдельными частями: конструкция Л-образной стойки является более «динамически» жесткой в направлении ног, чем покрытие в перпендикулярном ему направлении, движение которого зависит от «скорости» кинематического

вращения пилона вокруг своих опор; б) кратковременным обратным ударом по ногам пилона силой, действовавшей в отказавшей оттяжке.

3). Не подтвердилось предположение, что при времени отказа, отличном от заданной величины (0,001 с), возможны «более неблагоприятные» последствия. Для (не)подтверждения была выполнена серия расчетов при варьировании/<гяк= 0,001...3,5 с, т. е. при ¡отк*(0,57 10~5-2) • Т2птр, где Т2птр - период колебаний поврежденного сооружения по второй частоте. Особенность полученных графиков коэффициентов динамичности (рис. 7) -убывающий характер - свидетельствует, что наибольшие величины НДС реализуются при величине 1,тк, стремящейся к нулю.

Уз. №4887 (вдоль оси У)

Рисунок 6. - Горизонтальные реакции ног пилона вдоль осей X и У, кгс

о

Рисунок 7.

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Изменение коэффициента динамичности кдт в зависимости от времени отказа 1отк

В связи с нулевой живучестью покрытия, как до аварии, так и после реализованных мер по усилению, в данной главе на основе результатов анализа живучести и анализа «эволюции» конструктивной формы покрытия на стадии

«П» обосновывается несколько вариантов усиления. В автореферате приведем основной вариант, концепция которого состоит из усиливающих мероприятий двух групп. Первая группа: при наиболее опасных тестовых повреждениях живучесть обеспечивается за счет введения новых элементов, благодаря которым фермы диска покрытия начинают работать по неразрезной схеме. Для этого по нижним поясам ферм между центральными (наиболее низкими) узлами протягиваются тросы, работающие в качестве затяжек (рис. 8). Уменьшение провиса тросов достигается их подвеской к промежуточным узлам ферм. Вторая группа: поскольку ключевыми элементами покрытия являются пояса, некоторые раскосы ферм, ванты и кольцевая балка, то для обеспечения живучести при отказах их узлов или элементов надо преобразовать конструктивную форму диска покрытия в плиту, уже работающую в двух направлениях. Для этого:

- Между узлами по нижним поясам ферм вводятся горизонтальные элементы в тангенциальном направлении, одно из назначений которых -обеспечение устойчивости из плоскости нижних поясов, испытывающих сжатие при некоторых отказах;

- Добавляется система наклонных элементов от нижних узлов одной фермы к верхним узлам соседних [такие элементы позволят «удержаться» поврежденной ферме или ферме, потерявшей опору (например, при отказе ванты), за две соседние].

Рисунок 8. - Предлагаемый вариант усиления (показан сектор покрытия)

В четвертой главе при последовательности анализа, цели и задачах, совпадающих с предыдущей главой, исследуется живучесть покрытия Ледового дворца спорта на Ходынском поле (г. Москва). Покрытие представляет собой висячий односетчатый купол (диаметр ~ 110 м, стрела провиса ~ 1,9 м). Большинство элементов покрытия выполнено из сварных металлических двутавров (нити, прогоны, внутренний контур) и труб (элементы раскосной решетки), исключение - сталебетонный внешний опорный контур.

Согласно результатам логико-топологического анализа, покрытие обладает потенциальной живучестью, что объясняется фактором многократной внутренней статической неопределимости и связности. Исключение составляют три горизонтальных опоры, реализующие статически определимое закрепление покрытия в горизонтальной плоскости. Но отказ одной из опор

Верхний дер* пояс ферм

Дйагокальиы элементы

| Тангенциальные элементы}

Тросы усиления, обеспечивающие ыерззрезность ферм

у ^ Нижний стальной пояс фермы Ф1

относительно безопасен, т. к. он не приведет к серьезным последствиям, поскольку при действии на покрытие вертикальных нагрузок, удельные вес которых превалирует, усилия в этих опорах практически нулевые.

Для численных расчетов на живучесть в главе обоснована комбинация равномерных постоянных и длительных нагрузок на покрытие, интенсивностью 145 кгс/м2.

По данным модального анализа и энергетического портрета конструкции, можно обосновать логичный с инженерных позиций предварительный вывод: из всех возможных повреждений наиболее опасным представляется отказ узла внешнего контура с примыканием нити и раскосов к опорному кольцу; поскольку:

- При данном отказе наблюдается максимальное изменение (до 27,1 %) величин собственных частот,

- На весь внешний контур приходится ~ 60 % потенциальной энергии деформаций, а в сравнении с другими единичными повреждениями при локальном отказе внешнего кольца покрытию сообщается наибольший «обратный» импульс - при «старте» данного повреждения высвобождается 1,2 % потенциальной энергии деформации всего покрытия (при отказе нити - 0,13 %, отказе раскоса - 0,03 %, отказе прогона - 0,012 %, отказе внутреннего кольца -0,06%).

Результаты численных динамических расчетов математической модели неусиленного покрытия на рад тестовых повреждений показывают, что:

1). Ключевым элементом является только внешний контур, а заложенный при проектировании запас по несущей способности таков, что при любых других единичных повреждениях элементы покрытия работают в упругой стадии.

Визуально разрушение при локальном отказе внешнего контура схоже с процессом развития «трещины» вглубь покрытия: из-за падения в области отказа жесткости покрытия точки внешнего контура начинают движение в радиальном направлении к центру покрытия, как следствие, появляется зона локального провиса (рис. 9а); сжатый контур вдавливается внутрь и «сминает» близлежащие раскосы и прогоны (рис. 96), которые теряют устойчивость с образованием пластических шарниров (рис. 12а),

Для данного покрытия, как и для рассмотренного в 3-й главе, наблюдается эффект, согласно которому квазистатический расчет на локальный отказ опорного контура при едином кдш = 1,5...2 неприемлем:

а) максимумы горизонтальных реакций наблюдаются значительно раньше амплитудных величин других «важных» параметров НДС покрытия (прогиб кучности, усилия в раскосах, нитях достигают максимума при t ~ 0,8 с; применительно к реакциям - первой и «сразу» в момент времени 0,01 сек включается опора, ближайшая к месту отказа, для которой R^yj мзт ~ 1067 тс, для второй опоры М2554 =1105 тс при t = 0,05 с, для третьей R^^. лда = 710 тс при t~ 0,3 с;

б) Существенно различаются значения коэффициентов динамичности (для первой опоры катм1Х - 3,4, для второй кдттш = 2,6, для третьей к^^, = 16,7, для остальных «важных» параметров при данном отказе кдш тах < 1,9).

Для исследуемого покрытия отличие в скорости реакции и величинах кдин обосновываются тем, что в сооружении есть значительные перепады жесткости между отельными частями (сравни, например, нормальную жесткость опорного контура и изгибную жесткостью диска покрытия из его плоскости). Большие значения кдин для горизонтальных реакций объясняются кратковременным ударом по опорам сжатого внешнего контура, утратившего целостность.

2). Существенную роль при данном повреждении играет длина участка локального отказа LomK (исследование влияния LomK обусловлено тем, что для континуального опорного контура нельзя строго выделить единичное повреждение):

- При ¿„„с < 19 см покрытие не разрушится, т. к. при этих величинах происходит соударение концов контура с его последующим замыканием. Но возникающая в контуре при столкновении его концов разрыва ударная сила максимальной интенсивностью ~ 2200 тс при LomK= 18 см (до отказа действует сила в 910 тс), приводит к негативным последствиям - увеличению пиковых величин аварийных горизонтальных реакций. Максимальное увеличение реакции на 60 %, наблюдается в узле № 57 и реализуется при Lomi = 10 см (для сравнения за 100 % взяты значения, приведенные в п. 1). В процессе затухающих колебаний опорный контур еще неоднократно будет размыкаться, что не представляет опасности, т. к. в эти моменты времени покрытие будет совершать колебания по нечетным половинам периодов, а значит, будет происходить разгрузка наиболее нагруженных элементов раскосов и прогонов;

- При LomK > 19 см покрытие не разрушится только в случае действия на него нагрузок от собственного веса несущих элементов. В этом случае относительные пластические деформации в наиболее напряженных элементах (раскосах и прогонах) не превысят 4,5 %.

Рисунок 9. - При г = 0.44 с: а) вертикальный прогиб покрытия (см); б) огибающая относительных пластических деформаций

В главе обосновано несколько вариантов усиления (рис. 10), альтернативных варианту, реализованному в натуре (рис. 11); все варианты усилений определяются восприятием усилия сжатия внешнего контура:

а) Увеличение сечений раскосов и кольцевых элементов;

б) Введение новых элементов раскосной решетки;

в) Введение мембранного кольца вдоль наружного контура (аналогично реализованному усилению внутреннего кольца);

г) Введение горизонтальных или радиальных (возможно с зазором) опор в плоскости покрытия, т. е. связей с нижележащим ж. б. диском трибун.

Рисунок 10. - Альтернативные варианты усиления (показана !/4 покрытия)

Организацией, осуществлявшей проектирование этого сооружения, резервирование внешнего контура было достигнуто за счет системы ловителей, предназначенных в случае отказа наружного контура воспринять радиальные усилия нитей с последующей их передачей на нижележащий кольцевой ж.б. диск, венчающий конструкций трибун. Система ловителей представляет собой 96 стальных шпилек, проходящих сквозь внешний контур, и включающихся в работу в качестве горизонтальных опор только при перемещениях контура внутрь на величину более 5 см. Проектной организацией было введено резервирование внутреннего контура за счет «кольца-обоймы», выполненного из двух стального листов (толщиной 2 см) и 16 центральных радиальных ферм, расположенных внутри центрального кольца. Расчеты, выполненные в данной главе, показывают, что с позиции вопроса единичной живучести усиление внутреннего контура является излишним.

«Кольцо-обойма» (усиление)

Нити, прогоны, раскосы

Внутренний контур

| Контур

Сталебетонный опорный контур

К Закладная

Кольцевой ж.б. диск

Система ловителей (усиление)"! :

Кольцевой ж.б. диск

Система радиальных ферм (усиление)

Щ г - Шпилька, не

Ш б) I стесняющая проектные деформации контура

Рисунок 11. - а) Реализованное усиление; б) схема работы ловителя

Результаты численных динамических расчетов покрытия, усиленного системой ловителей: а) показывают, что покрытие при самом наихудшем повреждении - отказе узла пересечения внешнего контура, двух раскосов и нити - обладает свойством живучести [получены конечные величины перемещений и деформаций (максимальное перемещение кучности при С = 0,33 с равно ~ 37 см); в раскосах, прогонах пластические деформации ограничены величиной в 5 %, а в нитях - 9 % (рис. 126)]; б) подтверждают главный недостаток системы ловителей в сравнении с альтернативным вариантом усиления «г» - ловители не препятствуют реализации значительных величин горизонтальных реакций, вызываемых потерей внешним контуром целостности.

0.360.12-

[Разрушение при 1 = 0,39 с | "16%

б)

е,<г)<9%<г„„ = 16%

0.4

1.2

1.6

2.0

0.10' 0.19' 0.28 0.37' 0.46 Рисунок 12. - Развитие относительных пластических деформаций во времени для различных элементов: а) неусиленного покрытия; б) усиленного покрытия

Также в главе выполнена оценка эффективности методики мониторинга повреждений несущих конструкций покрытия, основанной на контроле наиболее представительных частот и форм собственных колебаний. В целом по результатам анализа изменений собственных частот и форм в зависимости от тестовых повреждений можно сделать предположение о малой эффективности такой методики - частотный отклик на рассмотренные повреждения оказался относительно небольшим [менее 3 % для усиленного ловителями покрытия при самом опасном тестовом повреждении - отказе узла внешнего контура (сравни рис. 13а и 13в): менее 25 % при смене периода эксплуатации с «летнего» на «зимний»], а, следовательно, трудно поддающимся контролю.

(01,№тар = 1Д9 Гц а>!,ю<1р=0,97 Гц = 1,26 Гц

Рисунок 13. - а, б) Первая форма собственных колебаний неповрежденного и поврежденного покрытия; в) свободных колебаний поврежденного покрытия, усиленного с помощью ловителей

ВЫВОДЫ

1. Сформулирована проблема обобщенной и единичной живучести строительных конструкций.

2. Предложен подход к проведению экспериментальных исследований на живучесть.

Результаты по рассмотренным покрытиям

Общее. Результаты численных динамических расчетов подтвердили и обосновали недопустимость для данных, а, возможно, и для других типов сооружений удобного для инженерной практики при расчете на живучесть упрощения, заключающегося в использовании одинакового и единого коэффициента динамичности кат для всех параметров. Использование = 1,5... 2 в данных покрытия не позволит «выявить» существенные аварийные значения горизонтальных реакций. Полученная величина которых при квазистатическом расчете будет до 13 раз меньшей, чем при прямом динамическом. Такая разница объясняется разной «динамической» жесткостью отдельных частей конструкций и эффектом «динамического» удара, проявившимся при определенных отказах.

3. ККЦ в Крылатском. Согласно результатам логико-топологического анализа, покрытие, как до аварии, так и после восстановления обладает нулевой живучестью. До аварии ключевыми элементами являются: ноги пилона, затяжка, ванты, а ключевыми узлами: узлы ног пилона, узлы кольцевой балки, опорные узлы ферм. Отказ ноги или узла пилона - самое опасное повреждение, при котором обрушится все покрытие. После восстановления из вышеперечисленных можно исключить затяжку, ванты, кольцевую балку.

Результаты численных динамических расчетов отлаженной математической модели неусиленного покрытия на ряд тестовых повреждений показывают, что:

- Вопрос сохранности покрытием несущей способности при отказе оттяжки находится в пределах погрешностей численных расчетов, т. к. полученные напряжения в элементах Л-образной опоры и второй оттяжки близки к расчетному сопротивлению при действии нормативных постоянных и временных длительных составляющих нагрузок. В случае больших нагрузок покрытие обрушится;

- При отказе огтяжки наблюдается ряд негативных факторов. Существенная величина прогиба покрытия не может гарантировать надежную фиксацию узла опирания ферм Ф2 на кольцевую балку. В момент динамической реакции Л-образная опора наклонена в сторону покрытия;

- Ключевыми элементами покрытия являются пояса и некоторые раскосы

ферм.

Обеспечить живучесть покрытия возможно, используя предложенные в данной работе варианты усиления.

4. ЛДС на Ходынском поле. Согласно результатам логико-топологического анализа, покрытие обладает потенциальной живучестью. Исключение составляют три горизонтальных опоры, реализующие статически

определимое закрепление покрытия в горизонтальной плоскости. Но отказ одной из опор не приведет к серьезным последствиям, поскольку при действии на покрытие основных вертикальных нагрузок усилия в этих опорах практически нулевые.

Результаты численных динамических расчетов отлаженной математической модели неусиленного покрытия на ряд тестовых повреждений показывают, что:

- Ключевым элементом является только наружный контур, а осуществленное проектной организацией резервирование внутреннего кольца с позиции вопроса живучести является излишним. Самое опасное тестовое повреждение - отказ узла пересечения внешнего контура, двух раскосов и нити;

- Важную роль играет длина участка отказа внешнего кошура. При Lgmt < 19 см происходит соударение концов контура с его последующим замыканием, в итоге покрытие не разрушается. При соударении концов контура аварийные величины горизонтальных реакций дополнительно возрастают от 18 до 60 %. При Lamx > 19 см покрытие не разрушится в случае действия на него нагрузок только от собственного веса несущих элементов.

- При отказе любых элементов, узлов хроме внешнего контура пластические деформации в элементах покрытия отсутствуют.

Результаты численных динамических расчетов покрытия, усиленного системой ловителей, на ряд тестовых повреждений показывают, что:

- Ключевых элементов или узлов в покрытии нет;

- Ловители не уменьшают аварийные значения горизонтальных реакций при локальном отказе внешнего контура.

Методика мониторинга покрытия, основанная на контроле собственных частот, является малоэффективной, т. к. при самом опасном тестовом повреждении изменение частот покрытия, усиленного ловителями, не превышает 3 %, а изменение частот между «летним» и «зимним» периодом не превышает 25 %. На практике такие незначительные изменения трудно поддаются контролю.

Основные положения диссертации изложены в работах*:

1. Кудишин Ю.И., Дробот Д.Ю. Экспериментально-научные исследования модели покрытия ДЦС на Ходынском поле в г. Москва // Труды научно-практической конференции «Строительство - формирование среды жизнедеятельности». - М.: - МГСУ. - 2007. - С. 61 - 66.

2. Кудишин Ю.И., Дробот Д.Ю. К вопросу о живучести строительных конструкций // Строительная механика и расчет сооружений. - 2008. - № 2 (217). -С. 36 -43."

3. Канчели Н.В., Кудишин Ю.И. Дробот Д.Ю. К оценке безопасности большепролетных мембранных покрытий // Строительные материалы, оборудование, технологии 21-го века. - 2008. - № 5 (112). — С. 30 - 33.

4. Кудишин Ю.И., Дробот Д.Ю. Живучесть строительных конструкций -важный фактор снижения потерь в условиях аварий // Металлические конструкции. - Макеевка: ДонНАСА. - 2009. - № 1. - С. 61 - 72.

5. Кудишин Ю.И., Дробот Д.Ю. Живучесть конструкций в аварийных ситуациях // Металлические здания. Часть 1, - 2008. - № 4 (8). - С. 20 - 22. Часть 2, - 2008.-№ 5 (9). - С. 21 - 33.

6. Кудишин Ю.И., Дробот Д.Ю. Методика расчета строительных конструкций на единичную живучесть // Сб. науч. тр. междунар. симпозиума «Современные металлические и деревянные конструкции (нормирование, проектирование и строительство)». - Брест: БРГТУ. -2009.-С. 132-141.

7. Дробот Д.Ю. Оценка живучести Крытого Конькобежного центра в Крылатском // Вестник МГСУ. - 2009. - № 2. - С. 116 -119."

8. Канчели Н.В., Батов П.А., Дробот Д.Ю. Реализованные мембранные оболочки: расчет, проектирование, возведение. Учебное пособие. - М.: АСВ.- 2009. -110 с.

- электронные версии публикаций см. http://scipeople.ru/users/drobot/;

- публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.

КОШ-ЦЕНТР св. 7:07:10429 Тираж 100 г. Москва, ул. Енисейская, д.36 тел.: 8-499-185-7954,8-906-787-7086