A STUDY OF THE RESOURSE OF BEARING CAPACITY OF THE LARGE-SPAN ROOF OF A STADIUM MADE OF ORTHOGONAL METAL TRUSSES

Abstract


Based on an overview of the roof systems of football stadiums, a structural system of a large-span roof made of orthogonal 2-D metal trusses was developed. A computer analysis of bearing capacity of the roof was performed under the assumption of the abnormal increase of the snow load.It has been demonstrated that a limited number of additionally installed metal bars can significantly increase the bearing capacity of the roof. The role of these bars is to reduce the effective length of the most loaded elements of the grid of metal trusses for in-plane and out-of-plane buckling.The limit values of snow load for consecutive steps of reinforcement are established, and the effect of the added bars on the bearing capacity of the roof structure is estimated.The results of the investigation are presented in the form of drawings and diagrams. Conclusions are made on the resource of the load-bearing capacity of the large-span roof of the stadium made of 2-D orthogonal trusses.

В данной работе выполнено исследование напряженно-деформированного состояния большепролетного покрытия футбольного стадиона из металлических плоских ферм ортогонального направления, связанное с выявлением ресурса его несущей способности. Для решения этой задачи производилось увеличение дей- ствующей нагрузки на покрытие и наблюдение за изменением напряженно-де- формированного состояния его конструктивной системы.Покрытие футбольного стадиона характеризуется тем, что оно проектируется только над зрительскими трибунами, оставляя футбольное поле под открытым небом [1]. Конструктивные схемы таких покрытий многообразны, и одной из них является схема с ортогонально расположенными фермами. И среди таких по- крытий стадионов тоже есть различные конструктивные решения. Приведем краткие характеристики аналогичных покрытий некоторых известных стадионов мира.Эсприт Арена (Дюссельдорф, Германия) [2]. Главные поперечные фермы с параллельными (в основном) поясами и треугольной решеткой, ромбовидного в поперечном сечении вида, состоящие из совмещенных по высоте двух ферм трех- гранного вида. Второстепенные продольные фермы с параллельными поясами95Вестник РУДН, серия Инженерные исследования, 2016, № 3трехгранного вида с двумя верхними поясами и треугольной решеткой. Пояса ферм из двутавров, решетка из труб. Сопряжение второстепенных ферм с глав- ными в пределах высоты нижней части поперечных ферм (рис. 1, а).Открытие Арена (Москва, Россия) [3]. Продольные и поперечные фермы рыб- чатого очертания и треугольной решеткой. Стержни ферм выполнены из труб. В поперечном сечении фермы имеют трехгранный вид с двумя нижними пояса- ми. Сопряжение взаимно пересекающихся ферм выполнено в пределах высоты ферм по верхним и нижним поясам (рис. 1, б).Стадион Эмирейтс (Лондон, Великобритания) [4]. Продольные фермы рыб- чатого очертания, поперечные фермы с параллельными поясами меньшей высо- ты. Фермы трехгранного вида с двумя нижними поясами и треугольной решеткой. Стержни ферм из труб. Сопряжение в пределах высоты ферм по верхним и ниж- ним поясам (рис. 1, в).Городской стадион Познань (Познань, Польша) [5]. Главные фермы сегмент- ного очертания с поясными стержнями прямоугольного профиля и раскосной решеткой из труб. Фермы трехгранного вида с двумя верхними поясами. Второ- степенные фермы рыбчатого очертания и крестовой решеткой попарно объеди- нены в четырехгранные решетчатые системы. Они расположены в продольном направлении и опираются на верхний пояс главных поперечных ферм (рис. 1, г).Тюрк Телеком Арена (Стамбул, Турция) [6]. Главные поперечные конструкции из спаренных ферм рыбчатого очертания и треугольной решеткой. Второстепен- ные продольные конструкции из спаренных фермы с параллельными поясами меньшей высоты и треугольной решеткой. Стержни поясов и решетки из труб. Сопряжение второстепенных ферм в пределах высоты главных ферм на их верх- ний пояс (рис. 1, д).Стадион Сан-Сиро (Милан, Италия) [7]. Плоские фермы с параллельными поясами и раскосной решеткой из стержней прямоугольного профиля. Главные контурные пролетные конструкции состоят из четырех объединенных в пакет ферм. Высота ферм одинаковая, сопряжение в пределах высоты ферм соедине- нием в уровне поясов (рис. 1, е).Арена Байшада (Куритиба, Бразилия) [8]. Главные продольные конструкции из плоских парных фермы с параллельными поясами и раскосной решеткой. По- яса и стойки из двутавров, раскосы из парных уголков. Второстепенные попереч- ные конструкции из плоских парных фермы с параллельными поясами и треу- гольной со стойками решеткой. Поперечные фермы меньшей высоты и опира- ются на продольные ферм сверху (рис. 1, ж).Гран Стад Лилль Метрополь (Вильнев-д’Аске, Франция) [9]. Плоские фермы с параллельными поясами и треугольной решеткой. Стержни ферм прямоуголь- ного профиля. Продольные и поперечные фермы одинаковой высоты. Попереч- ные второстепенные фермы опираются на продольные главные фермы в пределах их конструктивной высоты соединением в уровне поясов (рис. 1, з).Приведенный краткий обзор большепролетных покрытий стадионов показы- вает, что одни состоят из соединения двух вертикальных или наклонных (с одним общим поясом) ферм в объемные решетчатые пролетные конструкции (рис. 1, а-г), вторые - из стоящих рядом друг с другом нескольких плоских ферм (рис. 1, д, е), третьи - из отдельных плоских ферм (рис. 1, ж, з).96Лебедь Е.В., Митев Ж.М. Исследование ресурса несущей способности большепролетного...Рис. 1. Большепролетные металлические покрытия футбольных стадионов: а - Эсприт Арена; б - открытие Арена; в - стадион Эмирейтс; г - городской стадион Познань; д - Тюрк Телеком Арена; е - стадион Сан-Сиро; ж - арена Байшада; з - Гран Стад Лилль МетропольОсновываясь на вышеприведенном обзоре покрытий футбольных стадионов, Митев Живко разработал большепролетное покрытие из главных ортогональных металлических плоских ферм с разными геометрическими схемами в поперечном (рис. 2, а) и продольном (рис. 2, б) направлениях. Поперечные фермы Ф1 имеют высоту 16,8 м, в средней части с параллельными поясами и ромбической решет- кой, а над трибунами - переменную высоту и шпренгельную решетку. Пролет этих ферм 151,2 м. На фермы Ф1 опираются продольные фермы Ф2 с параллель- ными поясами и полураскосной решеткой. Их пролет 125,0 м, высота 13,0 м. Стержни всех металлических ферм стальные (S275) квадратного профиля в виде гнуто-сварных сечений или составленных из листов на сварке (размеры сечений от 200 мм до 600 мм).97Вестник РУДН, серия Инженерные исследования, 2016, № 3Ф1аФ2бРис. 2. Поперечный (а) и продольный (б) разрезы футбольного стадионаПроектирование покрытия стадиона из металлических плоских ферм и ис- следование ресурса его несущей способности выполнялись на компьютере в про- грамме Tower 7 в фирме «Аркон-64» ООД (руководители фирмы инж. Нина Же- лязкова и арх. Иван Райнов), офис которой находится в городе Стара Загора в Болгарии. Разработчиком программы Tower 7, основаной на МКЭ, является ком- пания Radimpex [10].Гипотетически предполагалось, что строительство и эксплуатация запроекти- рованного стадиона будет осуществляться в Болгарии. В целом, исследуемое боль- шепролетное покрытие футбольного стадиона представляет собой пространствен- ную стержневую систему из металла, состоящую главных ортогональных плоских ферм и вспомогательных плоских ферм, связей, распорок и кровельных прогонов между главными фермами и опорным контуром (рис. 3).ВетерРис. 3. Компьютерная модель металлического покрытия стадиона с дополнительной снеговой нагрузкой (колонны условно не показаны)98Лебедь Е.В., Митев Ж.М. Исследование ресурса несущей способности большепролетного...При назначении сечений стержням металлических конструкций покрытия футбольного стадиона были учтены нагрузки от собственного веса несущих и ограждающих конструкций, снеговая нагрузка и ветровое воздействие для горо- да Стара Загора в Болгарии.В целом, атмосферные воздействия носят вероятностный характер, которые для разных форм покрытий (в том числе и навесов) учитываются нормами [11; 12]. Однако при проектировании большепролетных уникальных покрытий фут- больных стадионов для установления фактических атмосферных нагрузок с вы- соким уровнем надежности требуется проведение специальных исследований, учитывающих также и аномальные случаи. В данной работе такой задачи не ста- вилось. Для оценки предельных величин снеговой нагрузки производилось ее увеличение по сравнению с нормативным значением на части покрытия, которая рассматривается как дополнительная. Такой подход объясняется следующими соображениями. Покрытие футбольного стадиона по существу служит огромным навесом над зрительскими трибунами. Вследствие завихрения воздушных по- токов при сильном ветре в подобных покрытиях весьма вероятным становится образование более мощного снегового покрова с подветренной стороны, особен- но в тех случаях, когда ветер долгое время не меняет своего направления (см. рис. 3).Исчерпание несущей способности покрытий с плоскими фермами происходит из-за потери устойчивости сжатых стержней, что зачастую приводит к его обру- шению [13]. В покрытиях из ортогональных плоских ферм при наличии связей потеря устойчивости одного стержня может и не привести к обрушению кон- струкций, если при этом произойдет такое перераспределение усилий, которое не приведет к потере устойчивости другого стержня и т.д. В противном случае возникает ситуация, называемая прогрессирующим обрушением стержневой си- стемы. Как известно, величина продольного усилия при потере устойчивости сжатого стержня зависит от его расчетной длины. Если уменьшить расчетную длину, то величина критической силы уменьшается и, следовательно, несущая способность стержневой конструкции или системы может увеличиться. Такой подход уже давно используется при усилении стержневых металлических кон- струкций посредством изменения их расчетной схемы [14; 15].Для выявления ресурса несущей способности рассматриваемого покрытия стадиона производилось постепенное увеличение равномерно распределенной снеговой нагрузки на части покрытия. Начальное или проектное значение сне- говой нагрузки принято P0 = 1,12 кН/м2 [16], что составляет примерно от 60% до 80% от постоянной нагрузки в разных местах покрытия. При этом отслеживалась ситуация, при которой какой-либо стержень одной из ферм терял устойчивость, и отмечалась величина нагрузки P1. После этого середина длины этого стержня фиксировалась постановкой дополнительных стержней в плоскости и из плоско- сти фермы к ближайшим узлам стержневой системы покрытия. Затем такая же процедура повторялась с уже установленными дополнительными стержнями для выявления следующего теряющего устойчивость стержня и отмечалась величина нагрузки P2. Устанавливались еще два дополнительных стержня, после чего сно- ва постепенно увеличивалась снеговая нагрузка. Каждая такая процедура была условно названа этапом исследования.99Вестник РУДН, серия Инженерные исследования, 2016, № 3Фактически исследовалось напряженно-деформированное состояние боль- шепролетного покрытия футбольного стадиона из ортогональных металлических ферм при частично изменяющихся конструктивных схемах и постепенном уве- личении нагрузки. Это полностью соответствовало общим принципам геометри- ческого построения и исследования стержневых пространственных систем на компьютерных расчетных моделях [17-20].Вначале при поэтапном увеличении нагрузки теряли несущую способность отдельные раскосы решеток главных ортогональных ферм, которые усиливались дополнительными стержнями (рис. 4). Затем стали терять устойчивость раскосы решеток вспомогательных ферм, которые также усиливались дополнительными стержнями (рис. 5). Для усиления этих же раскосов из плоскостей ферм устанав- ливались дополнительные связи-растяжки к узлам стержневой системы покрытия (рис. 6).Ф2Ф1Рис. 4. Усиление главных ферм дополнительными стержнямиРис. 5. Усиление вспомогательных ферм дополнительными стержнями100Лебедь Е.В., Митев Ж.М. Исследование ресурса несущей способности большепролетного...Ф2Ф1Рис. 6. Схема размещения дополнительных связей-растяжекНа каждом этапе исследования фиксировалась величина равномерной снего- вой нагрузки на догружаемой части покрытия, при которой один из стержней исчерпывал свою несущую способность, в результате чего была получена диа- грамма, приведенная на рис. 7. Отметим, что заблаговременный учет подобного увеличения снеговой нагрузки может сохранить надежность большепролетного покрытия стадиона в случае аномально больших снегопадов.P,кН/м2Проект Этап 1 Этап 2 Этап 3 Этап 4 Этап 5Рис. 7. Диаграмма увеличения предельной снеговой нагрузки PЕсли сопоставить некоторое увеличение расхода металла на дополнительно устанавливаемые стержни усиления, во всех аналогичных участках большепро- летного покрытия футбольного стадиона, с металлоемкостью всех его конструк- ций по мере увеличения несущей способности, то получим графики, представ- ленные на рис. 8.Из этих графиков видно, что при незначительном увеличении расхода метал- ла можно получить существенное увеличение несущей способности покрытия из плоских металлических ферм ортогонального направления, причем уже при трех этапах нагружения с дополнительным усилением достигается значительный эф- фект от усиления раскосов ферм дополнительными стержнями, позволяющий безаварийно воспринимать распределенную снеговую нагрузку в 1,5 раза больше проектной величины.Конечно же, не следует забывать, что при другом конструктивном решении большепролетного покрытия стадиона этот эффект может быть другим. Поэтому101Вестник РУДН, серия Инженерные исследования, 2016, № 3для выявления ресурса несущей способности для каждого уникального покрытия из ортогональных ферм требуется проведение отдельных исследований.Gi/G0% 150125100P,кН/м21,751,501,251,551,721,84 1,86 1,90аб1,00750,7550 0,5025 0,250 0100,37100,75 101,50 102,26 102,64Проект Этап 1 Этап 2 Этап 3 Этап 4 Этап 5Рис. 8. Графики поэтапного увеличения предельной снеговой нагрузки P (а) и увеличения расхода металла G (б) на конструкции покрытияПо результатам выполненных исследований большепролетного покрытия фут- больного стадиона из металлических плоских ферм ортогонального направления можно сделать следующие выводы.Если выявить наиболее нагруженные сжатые элементы стержневой системы, то посредством раскрепления их в плоскости и из плоскости ферм можно повы- сить ресурс несущей способности большепролетного покрытия.Затраты металла на дополнительно устанавливаемые стержни усиления по сравнению с достигаемым эффектом увеличения несущей способности покрытия стадиона малозначительны.В разработанном конструктивном решении покрытия футбольного стадиона можно внести изменение в стержневую систему, эквивалентную дополнительным стержням, например, частичным изменением системы решетки ферм и поста- новкой большего числа связей между ними.

E V Lebed

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University)

Yaroslavskoye Shosse, 26, Moscow, Russia, 129337

J M Mitev

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University)

Yaroslavskoye Shosse, 26, Moscow, Russia, 129337

Views

Abstract - 180

PDF (Russian) - 282


Copyright (c) 2016 Лебедь Е.В., Митев Ж.М.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.