МОНТАЖНОЕ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ШАРНИРНО-СТЕРЖНЕВОГО ПОКРЫТИЯ СКЛАДА ШАРОВ И РЕАГЕНТОВ

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ Известно, что действительная форма и положение узлов шарнирно- стерж-невой оболочки, а также реальное монтажное напряжённо- деформированного состояния (МНДС) отличаются от состояния, заданного проектом. Следо-вательно, вопросы, связанные с учётом отклонений в конструкциях при их проектировании и определении МНДС актуальны. Известно, что наличие отклонений, как правило приводит к большому количеству непредвиденных трудовых и финансовых затрат, как правило, не учтённых в стоимости строительного объекта. Накопление отклонений может привести к аварии покрытия, например, как так было с купольным сооружением ВНИЦ ВЭИ им. В.И. Ленина в г. Истра, Московская область, Российская Федерация. Определение МНДС большепролетных шарнирно-стержневых металли-ческих покрытий с учётом точности изготовления, и последовательности сборки при расчёте конструкций является важной научно-технической задачей. Сетчатые шарнирно-стержневые конструкции подобны по своему устройству кристаллической решётки металла []. Учёт отклонений, как правило, выполняется методом статистических испытаний. Для определения и учёта отклонений на этапе проектирования разработка методики расчёта точности большепролетных шарнирно-стержневых металлических покрытий. С целью борьбы с отклонениями разработаны соответствующие конструктивные решения оболочек. Такой комплексный подход к проектированию покрытий позволяет повысить их несущую способность. В данной статье выполнено определение и анализ МНДС на примере шарнирно-стержневого металлического покрытия склада шаров и реагентов с отклонениями при разных технологических схемах сборки - в продольном направлении (ПДС), и в поперечном направлении (ППС). ОБЗОР РАНЕЕ ПРОВЕДЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В работах А.М. Югова и А.Б. Бондарева исследованы величины отклонений и МНДС шарнирно-стержневых металлических оболочек покрытий. В результате проведённых исследований разработана компьютерная программа и методика для расчёта точности, и методика определения МНДС [2-5, ]. Для расчёта точности большепролётных шарнирно-стержневых металлических конструкций, а по сути в целях разработки методов прогнозирования возможных отклонений большепролетных купольных покрытий впервые В.А. Савельев совместно с Е.В. Лебедем в ЦНИИПСК им. М.П. Мельникова на основе геометрических процедур, которые аналогичных тем, что используются в геодезии разработали методику определения геометрических отклонений пространственных металлических конструкций в вероятностной постановке как численной имитации на компьютере процесса его сборки и монтажа с использованием метода Монте-Карло. Разработанная В.А. Савельевым и Е.В. Лебедем методика была также реализована в разработанных Е.В. Лебедем программах GENES, SBORKA и MONTAG [10-]. В.А. Савельев и Е.В. Лебедь использовали программу MONTAG при корректировке проекта главного корпуса ВНИЦ ВЭИ им. В.И. Ленина в Российской Федерации, Московская область, г. Истра по варианту «Цилиндр» [14-]. Геометрические процедуры, которые используются в программах GENES, SBORKA, MONTAG аналогичны тем, что применяются в геодезии при геодезических построениях, например, при разбивке земельных участков и реализованы, в таких известных программных комплексах как Micro Survey, Autodesk Civil 3D, GEOZEM, Objectland, и других. В настоящее время Е.В. Лебедь совместно со своими учениками занимается исследованием отклонений в металлических купольных покрытиях, вызванных неточностями изготовления и монтажа, а также анализом НДС металлоконструкций купольных покрытий с учётом отклонений [18, , ]. О.И. Ефимов в своих исследованиях [8] проанализировал работу структурных конструкций с узловыми эксцентриситетами и податливыми узлами. В результате исследований О.И. Ефимов разработал методику расчёта структур с такими отклонениями. Использование целенаправленного введения податливости позволило регулировать усилие в стержнях структурной конструкции и снизить металлоёмкость на 28%. Д.М. Хусаинов под руководством И.Л. Кузнецова [9, ] провёл анализ несовершенств, влияющих на работу облегчённых арочных конструкций по результатам натурных обследований эксплуатируемых зданий. Дана оценка действительного состояния арочных зданий по результатам натурных обследований, разработана методика определения допусков на изготовление и монтаж облегчённых арочных зданий, даны рекомендации по повышению качества проектирования, изготовления и монтажа арочных зданий. Рассматривались эти задачи без привлечения современных методов компьютерного моделирования, а именно рассматривался верхний пояс арки как отдельный погнутый стержень, опёртый на упругоподатливые опоры. Возведение малоизученных и недостаточно апробированных и рискованных конструктивных форм, например, как на рис. 1, 2 может привести к аварии покрытия (купол в Истре, аквапарк в Ясенево, Бауманский рынок и многие другие). Рис. 1. Конструктивная форма стадиона ВТБ Арена парк - Центральный стадион «Динамо», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация. Рис. 2. Конструктивная форма стадиона Олимпийский, г. Киев, Украина Изучая известные аварии большепролетных покрытий с серьезными последствиями, можно заключить, что их причины ничем не отличаются от причин аварий обычных зданий []. Краткий перечень аварий, которые произошли за последние три десятилетия со средней периодичностью раз в два-три года приведены ниже на рис. 3, 4 и заимствовано из работы Д.Ю. Дробот [7]: - 1985 г. Обрушение купольного сооружения ВИС ВЭИ им. В.И. Ленина (г. Истра, РФ); - 2004 г. Потеря устойчивости одной из колонн привела к обрушению железобетонной оболочки аквапарка (г. Москва, р-н Ясенево); - 2006 г. Покрытие Бауманского рынка (г. Москва); - 2009 г. При запроектной величине ветровой нагрузки произошло обрушение каркасно-тентового покрытия стадиона «Probing Cowboys» (Даллас, США); - 2009 г. Обрушение половины покрытия еще несданного в эксплуатацию стадиона «Gong Badak». Техническая комиссия по расследованию причин аварии рассматривала разные версии, но явной причины обрушения купола так и не обнаружила. Наиболее правдоподобной была версия о том, что действительная форма купола значительно отличалась от проектной. Монтаж вёлся навесным способом снизу вверх и погрешности монтажа, накапливаясь, уменьшали и без того малую кривизну верхней части купола. В результате верхняя часть купола работала не как оболочка, а скорее, как плита. Более того, во время монтажа уже были неприятности. Некоторые сжатые стержни теряли устойчивость. Причину перегрузки устранили, а погиби, видимо, остались []. Рис. 3. Купольное сооружение в г. Истра, Российская Федерация - 1985 г. Рис. 4. Покрытие стадиона Gong Badak, 2009 г. Известно, что диссертационные исследования, посвящённые отклонениям, допущенным при монтаже конструкций большепролетных шарнирно-стержневых покрытий, как правило, выполнялись без экспериментальной проверки полученных результатов. Исключение может составить, например работа В.И. Буякаса и А.С. Гвамичавы [23], Gaul L. [], Kartal M.E. [], Kim H.M. [28], посвящённые исследованию влияния отклонений на отражательную способность радиотелескопов и потому их результаты не могут быть применены для строительных конструкций. В результате анализа источников зарубежной литературы следует отметить работы Kaouk, Zimmerman [25], Kaveh A. [27], Tsou P. [31], Chars J. Gantes [32], в которых отражены вопросы вибродиагностики дефектов конструкций антенн, радиотелескопов. Многие из них предлагают установку регуляторов формы для радиотелескопов при их эксплуатации. В зарубежной литературе такие конструкции называются адаптивными, т.е. приспосабливающиеся под условия эксплуатации. Для повышения надёжности конструкций в отдельных работах рекомендуется «управлять их поведением» или создавать так называемые «адаптируемые системы» [, ]. ОБЪЕКТ И ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ Цель работы - оценка МНДС шарнирно-стержневого металлического покрытия склада шаров и реагентов с отклонениями при сборке. Объект исследования - двухпоясное шарнирно-стержневое большепролетное металлическое покрытие склада шаров цилиндрической формы (рис. 5). Покрытие представляет собой двухпоясную оболочку с размерами монтажных блоков в плане 15000?6000 мм, из стали С245, монтажный блок цилиндрического покрытия с маркировкой элементов (рис. 6). Рис. 5. Фасад двухпоясного шарнирно-стержневого большепролетного металлического покрытия склада шаров и реагентов цилиндрической формы Жесткостные характеристики элементов определены в предположении, что гибкость ? = 120. Радиус покрытия - 15 м. Распор цилиндрического покрытия гасится жёстким соединением его опорных конструкций с основанием. При разработке проекта принята поэлементная схема сборки монтажных блоков покрытия на подмостях. После собранный монтажный блок покрытия устанавливается стреловым краном на опору. Рис. 6. Поперечная диафрагма двухпоясного шарнирно-стержневого большепролетного металлического покрытия склада шаров и реагентов цилиндрической формы МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ Монтажное воздействие - нагрузка от сборочных отклонений, которые определены расчётом собираемости. В качестве расчётной схемы покрытия принят фрагмент пространственной шарнирно-стержневой системы (рис. 7). Статический расчёт выполнен методом конечных элементов (МКЭ) с использованием вычислительного комплекса (ВК) SCAD 11.5. Примыкание пространственного блока цилиндрического покрытия к колонне принято жёстким. Стержни покрытия по типу конечного элемента являются пространственными (элемент пространственной фермы), степени свободы ХYZ положение произвольное. Расчётная схема монтажного блока покрытия состоит из 95 узлов и 560 элементов (рис. 8). Рис. 7. Схема исследуемого монтажного блока с указанием марок элементов, габаритов и направления сборки При формировании расчётной схемы учтено, что она будет пространственной, а система координат будет Декартовой (плоскость ХОZ, YOZ и ХОY). Для определения и анализа МНДС покрытия выполнено моделирование отклонений в стержнях при помощи температурного воздействия, действующего вдоль замыкающих стержней покрытия. Рис. 8. Расчётная схема исследуемого монтажного блока При определении монтажных усилий, возникающих от отклонений длин стержней оболочки рассмотрены следующие последовательности сборки - продольная (ПДС) и поперечная (ППС) сборка. При расчёте, будем принимать что: изменение жёсткости покрытия в процессе сборки происходит за счёт изменения расчётных схем при сборке - реализовано в ВК SCAD 11.5, путём применения модуля «МОНТАЖ»; отклонения будут рассмотрены для идеальной расчётной схемы, т.е. без отклонений узлов оболочки; МНДС проанализировано только в ВК SCAD 11.5; только температурным воздействием, действующим вдоль продольной оси элемента - таким образом, смоделировано отклонение длины элемента. К рассмотрению приняты только отклонения нормативных допусков на изготовление в соответствии с ГОСТ 23118-99 и монтаж с СП 70.13330.2012; отклонения элементов подчинены нормальному закону распределения и будут рассмотрены статистическим методом. Формирование расчётной схемы и расчёт оболочки в ВК SCAD 11.5 сводится к: определению её геометрических размеров; заданию геометрических характеристик сечений элементов; вводу координат узлов расчётной схемы; заданию жёсткостей элементов; заданию узлов её крепления с колонной; нумерации узлов и элементов выполнена путём генератора расчётной схемы в среде ВК SCAD; заданию действующих нагрузок и собственно расчёт. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ МОНТАЖНЫХ УСИЛИЙ Анализ результатов расчёта МНДС покрытия с учётом отклонений выполнен путём сравнения проектных усилий (напряжений) в элементах с дополнительными (монтажными) усилиями (напряжениями), вызванными неточностями изготовления и монтажа. Для анализа МНДС покрытия с учётом отклонений рассмотрен монтажный блок цилиндрического покрытия. В результате расчёта покрытия с учётом отклонений получены величины сборочных усилий в элементах при продольной и поперечной сборке (рис. 9…10). На гистограммах приведены усилия от основного сочетания нагрузок (Nэл.), и суммарные (N1…N4). Поясним обозначения принятые, на гистограммах (рис. 5…6): 1 - усилие в элементе от основного сочетания нагрузок (Nэл.); 2 - усилие в элементе от отклонений изготовления при поперечной сборке - ППС (N1); 3 - усилие в элементе от отклонений изготовления при продольной сборке - ПДС (N2); 4 - усилие в элементе от отклонений монтажа при поперечной сборке - ППС (N3); 5 - усилие в элементе от отклонений монтажа при продольной сборке - ПДС (N4). Под значением суммарного усилия приведена величина перегрузки сечения в долях от единицы. Несущая способность элемента, показана на гистограмме как Nmax. Рис. 9. Величины усилий в элементах П1, П2. Рис. 10. Величины усилий в элементах С1, С2. На гистограммах представлено изменение величин сборочных усилий по отношению к несущей способности сечения стержней. Несущая способность стержня на каждой гистограмме принята за 1, а величина сборочного усилия по отношению к несущей способности показана в частях от 1. Например, для элемента П1-П2 величина перегрузки сечения от действия сборочного усилия при поперечной сборке N2 = 1,65 или 65% (рис. 4). В элементе С1-С2 максимальное усилие от расчётной нагрузки составляет Nэл. = 10 кН. Максимальная величина дополнительного усилия от отклонений при ППС сборке от неточностей монтажа составляет Nппс = 303 кН. Величина суммарного усилия в элементе от отклонений изготовления при поперечной сборке составляет N1= Nэл. + Nппс = 10 + 303 = 313 кН, где Nппс - усилие в элементе от отклонений изготовления при поперечной сборке. Величина перегрузки элемента определено по отношению к 1, т.е. Несущая способность Nmax = 189 кН - 1, а суммарное усилие N1 = 313 кН. Величина перегрузки равняется отношению Nmax/N1 = 313/189 = 1,65. Аналогично определены значения усилий во всех остальных элементах оболочки, возникающие в них от отклонений. На остальных гистограммах обозначения будут аналогичные. С целью повышения надёжности большепролетного покрытия авторами рекомендуется разработка конструктивных мероприятий, направленных на «управление отклонениями». Под «управлением отклонениями» в данной статье подразумевается такой способ монтажа, при котором будет выполняться корректировка положения элементов и узлов покрытия, что позволяет устранить отклонения, и снизить величины монтажных (сборочных) усилий до малозначительного уровня. ЗАКЛЮЧЕНИЕ На основании полученных результатов можно сделать такие выводы: 1. Выполнен обзор и анализ ранее выполненных исследований как в части расчёта точности, так и учёта отклонений на монтажное напряжённо-деформированное состояние строительных конструкций. 2. Разработана компьютерная программа для расчёта точности шарнирно-стержневых большепролетных пространственных металлических покрытий, а также методика определения МНДС. Разработанные методики определения МНДС и ВК РАСК позволяют учесть длину стержней, форму отверстий (эллиптичность) и связность системы, что делает их более современными в настоящее время при сравнении с другими известными способами и программами расчёта точности и определения НДС конструкций. 3. При выполнении сборки покрытия по схеме ПДС и ППС усилия крайне разнообразны, однако рекомендуется принять сборку покрытия ППС, т.к. при этом влияние сборочных отклонений на МНДС покрытия будет меньшим, чем при сборке ПДС.

Об авторах

АНАТОЛИЙ МИХАЙЛОВИЧ ЮГОВ

ГОУ ВПО «ДонНАСА»

Автор, ответственный за переписку.
Email: amyrus@mail.ru

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технология и организация строительства

286123, г. Макеевка, ул. Державина, 2

АЛЕКСЕЙ БОРИСОВИЧ БОНДАРЕВ

АО «Рудник имени Матросова»

Email: bondarev_a_b_rus@mail.ru

Инженер

685000, Магадан, ул. Пролетарская, д. 12

Список литературы