CC BY
3УДК: 692
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВАНТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ В СПОРТИВНЫХ
СООРУЖЕНИЯХ
Святелик А.В., студент группы 17Стр(мп)ТПОТУРС, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: artem_svyatelik@mail.ru
Научный руководитель: Гарипов В.С., канд. техн. наук, доцент кафедры машиноведения, Оренбургский государственный университет, Оренбург
Вантовые конструкции активно применяются в строительстве различных зданий и сооружений, мостов и пролетов. Сегодня они особенно популярны при строительстве спортивных стадионов, торговых центров и других подобных зданий, это объясняется их преимуществами по сравнению с конструкциями из жёстких элементов. Они имеют возможность полностью использовать несущую способность материала вант, которые хорошо работают на растяжение, это обеспечивает малый вес несущей конструкции. Высокопрочные стали и тросы в четыре-пять раз прочнее и только в два раза дороже обычной конструкционной стали.
Ключевые слова: вантовые конструкции, спортивные сооружения, масса конструкции, исходные конструкции.
Сходство всех видов вантовых конструкций основано на том, что все конструкции подобного типа имеют опорные части жёсткого типа из специальных тросов, которые растянуты на данных опорах, так же растяжками могут быть специальные стержни. Все материалы для растяжки выполняются из особо прочной стали, опорные части конструкции, как правило, имеют состав из железа и бетона.
Развитие современных вантовых конструкций началось в конце XIX века на строительстве нижегородской выставки 1896 г., русский инженер В.Г. Шухов впервые применил пространственно работающую металлическую конструкцию, где работа жёстких элементов на изгиб была заменена работой гибких вант на растяжение. Пространственная сетка этих покрытий представляла собой поверхность гиперболоида и была выполнена из взаимно пересекающихся лент полосовой стали. Павильон круглой формы имел диаметр наружного кольца 68 м, павильон овальной формы был выполнен размером 98*51 м, рисунок 1.
Рисунок 1 - Инженерно-строительный павильон круглой формы Всероссийской художественной и промышленной выставки в Нижнем Новгороде с висячим покрытием
Автором статьи предпринята попытка, частично, продемонстрировать эффективность применения вант при проектировании и строительстве спортивных сооружений на примере стадиона «Газовик», расположенного в посёлке Ростоши Оренбургской области, рисунок 2.
Рисунок 2 - Спортивный стадион «Газовик»
Все расчёты производились в системе автоматизированного проектирования APM Civil Engineering.
Первоначально был проведён анализ напряжённо-деформированного состояния (далее - НДС) и металлоемкость существующей конструкции, при этом для моделирования использовалось всего два пролёта, чтобы исключить влияние изгиба от неравномерности приложения снеговой нагрузки, и оценивался НДС средней стойки.
В качестве нагрузок применялся собственный вес и снеговая нагрузка, максимальное напряжение в элементах исходной конструкции составило 115,3 МПа, рисунок 3.
Ü * - Mö^ifS f. ;
J ^
Рисунок 3 - Напряжения в исходной конструкции, макс. - 115,3 МПа
Общая масса исходной конструкции составила - 17952 кг.
Далее проводилась работа по изменению исходной конструкции с применением вант, в ходе которой был выполнен расчёт её НДС и в конечном итоге изменение металлоёмкости при, примерно, одинаковом НДС элементов исходной конструкции и конструкции с применением вант.
Окончательные результаты приведены на рисунке 4-5.
Рисунок 4 - Напряжения в стержнях и канатах оптимизированной конструкции, максимальное - 111,6 МПа в металлоконструкциях, 255 МПа в канатах
В результате изменения конструкции удалось снизить металлоёмкость до 10946 кг.
Рисунок 5 - Реакции в опорах, максимальное - 837,8 кН
Однако при значительном снижении металлоёмкости, эффективность применения вант, в спортивных сооружениях, более вероятна для сооружений с расчётной численностью зрителей намного превосходящей, чем в приведённом примере, т.к. использование вантовых канатов требует более сложного расчёта, чем приведённый, например, опорных узлов.
В конечном итоге, скорее всего, с экономической точки зрения применение вантовых конструкций для небольших спортивных сооружений окажется малоэффективным из-за сложности их изготовления и монтажа.
Полученные результаты, в качестве примера, будут полезны инженерам-проектировщикам, занятых расчётом и проектированием вантовых сооружений.
Литература
1. Туполев, М.С. Конструкции гражданских зданий: учебник / М.С. Туполев. -Москва: Архитектура-С, 2006. - 240 с.
2. Шубин, Л.Ф. Архитектура гражданских и промышленных зданий: учеб. пособие. В 5 т. Т. 5 / Л.Ф. Шубин, И.Л. Шубин. - Москва: БАСТЕТ, 2010. - 440 с.
3. Конструктивные особенности висячих покрытий в общественных зданиях [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.osobennosti-visyachih-pokrytiy-v-obshchestvennyh-zdaniyah.html - (дата обращения: 26.02.17).
4. Демина, А.В. Здания с большепролётными покрытиями: учеб. пособие. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2003. - 88 с.
5. Теличенко, В.И. Технология возведений зданий и сооружений: учеб. пособие / В.И. Теличенко, О.М. Терентьев, А.А. Лапидус. - М.: Высш. шк., 2004. - 446 с.
