CC BY
47
УДК 002.55.003
Компьютерная модель мониторинга напряженно-деформированного состояния несущих конструкций технически сложных и уникальных объектов (на примере Ледового дворца спорта на Ходынском поле г. Москвы)
© Технологии гражданской безопасности, 2009
С.А.Качанов О.С. Волков Р.Р.Фатыхов
Аннотация
В статье представлена математическая модель несущих конструкций Ледового дворца спорта на Ходынском поле г. Москвы, которая позволяет определить режимы нормальной, предаварийной и недопустимой границ эксплуатации объекта в летний и зимний периоды.
Computer model for monitoring of stress-strain state of load-bearing structures of hi-tech and unique facilities (case study: Ice Sports Palace on Khodynskoye Pole IN Moscow)
© Civil Securiti Technology, 2009
S. Kachanov O. Volkov R. Fatykhov
Abstract
The article presents a mathematical model of the load-bearing structures of the Ice Sports Palace on Khodynskoye Pole, Moscow for determination of normal, prefault and intolerable conditions of facility operation in summer and winter periods.
В соответствии с Градостроительным кодексом Российской Федерации Ледовый дворец спорта на Ходын-ском поле г. Москвы является технически сложным и уникальным сооружением, безопасная эксплуатация которого обеспечивается комплексными мероприятиями, основным из которых является создание и функционирование системы мониторинга инженерных конструкций (далее — СМИК).
В связи с тем, что в настоящее время для технически сложных и уникальных сооружений отсутствуют нормативные документы и стандартные решения по технической реализации СМИК, то для обоснования проектных решений СМИК составлена математическая модель несущих конструкций Ледового дворца спорта. Математическая модель позволяет прогнозировать поведение конструкций в процессе эксплуатации.
Математическая модель выполнена на базе расчётного комплекса «Настран» и включает в себя геометрическую трехмерную модель конструкций, базы данных о физических характеристиках конструкционных материалов и геометрических характеристиках поперечных сечений конструктивных элементов, базы данных о нагрузках и их расчётных комбинациях.
Геометрическая трехмерная модель была построена с помощью графического редактора Автокад и в формате DXF импортирована в препроцессор «Настран»'а Femap. Все конструктивные элементы сетки покрытия (кольца, жёсткие нити и раскосы) моделировались линиями, листовые элементы, обрамляющие внутреннее кольцо, — плоскими поверхностями.
На геометрическую трехмерную модель была наложена соответствующая конечноэлементная сетка; для линий использовались стержневые конечные элементы типа BEAM, для поверхностей — типа PLATE.
База данных о физических характеристиках конструкционных материалов формировалась на основе следующих данных.
Для стали:
• Е = 2.1 ■ 106 кгс/см2 — модуль упругости;
• v = 0.3 — коэффициент Пуассона;
• р = C Y/g = 1.2■ 7.8510-3/981 =
9.610 6 кгс■ сек2/см4— плотность;
где С = 1.2 — строительный коэффициент;
Y = 7.85 -10-3 кгс/см3 — объёмный вес стали;
g = 981 см/сек2 — ускорение свободного падения.
Для бетона:
• Е = 3105 кгс/см2 — модуль упругости;
• v = 0.3 — коэффициент Пуассона;
• р = CY/g = 1.12.510-3/981 = 2.810-6 кгс сек2/см4
Геометрические характеристики поперечных сечений конструктивных элементов рассчитывались с помощью специального встроенного блока комплекса «Настран».
Импорт геометрической и создание конечноэле-ментной модели несущих конструкций покрытия выполнялся согласно протоколу, представленному в форме таблицы 1. Названия конструктивных элементов соответствуют названиям аналогичных dxf-файлов. Линии и конечные элементы с геометрическими свойствами представлены соответствующими группами номеров, которые в свою очередь размещены по слоям. Такая структура создания математической модели покрытия обеспечивает в дальнейшем значительное удобство работы с большими базами данных.
Для обеспечения живучести покрытия при отказе (повреждении) наружного кольца проектировщиками были предусмотрены 96 дополнительных горизонтальных опор, включающиеся в работу при перемещениях кольца внутрь на величину около 20 мм. Эти опоры в математической модели представлены специальными конечными элементами типа GAP с зазором 20 мм и жёсткостями на сжатие Ce = 2 -106 и на растяжение
Ct = 110-4 .
Нагрузки от собственного веса несущих конструкций покрытия, включая оболочку из профнастила, вычисляются расчётной программой «Настран» в соответствии с геометрическими и физическими характеристиками конструкционных материалов.
Тестовые нагрузки, моделирующие собственный вес покрытия, снег, технологическую нагрузку вычисляются и прикладываются к несущей сетке покрытия в виде сосредоточенных масс в узлах пересечения кольцевых и радиальных элементов. Для этого используется специальный тип конечных элементов MASS.
Интенсивность нагрузок на покрытие приведена в таблице 2.
Данные в этой таблице приняты по проектным материалам с уточнением по результатам натурного обследования.
Учитывая симметрию покрытия, достаточно вычис-
Таблица 1
Протокол создания конечноэлементной модели покрытия
Названия конструктивных элементов Средняя длина конечного элемента (см) Номера линий Номера конечных элементов Номера геометрических характеристик Номера слоёв
Кольцо наружное, ж.б. заполнение 42 1-144 1-816 Prop. 1 Layer 5 Koltso beton
Кольцо наружное, стальной короб 42 1-144 817-1632 Prop.2 Layer 6 Koltso steel
Упоры наружного кольца с зазором 105 145-240 1633-1728 Prop. 3 Layer 3 GAP
Названия конструктивных Средняя дли- Номера линий Номера конеч- Номера геометриче- Номера
элементов на конечного элемента (см) ных элементов ских характеристик слоев
Жёсткие нити 1 61 241-432 1729-2688 Prop. 4
Жёсткие нити 2 61 433-576 2689-3456 Prop. 5
Жёсткие нити 3 61 577-720 3457-4224 Prop.6
Жёсткие нити 4 61 721-912 4225-5232 Prop. 7
Кольцевые элементы 1 90 913-960 5233-5568 Prop. 8
Кольцевые элементы 2 90 961-1008 5569-5856 Prop.9
Кольцевые элементы 3 90 1009-1104 5857-6384 Prop. 10
Кольцевые элементы 4 80 1105-1200 6385-6816 Prop. 11 Layer 2 Pokrytie
Кольцевые элементы 5 48 1201-1296 6817-7248 Prop. 12
Кольцевые элементы 56 40 1297-1344 7249-7440 Prop. 13
Раскосы а 110 1345-1392 7441-7824 Prop. 14
Раскосы б 91 1393-1632 7825-9504 Prop. 15
Раскосы в 80 1633-1728 9505-10320 Prop. 16
Раскосы г 75 1729-1776 10321-10512 Prop. 17
Кольцо внутренее 33 1777-1824 10513-10704 Prop. 18
Пояса ферм 62 1825-1936 10705-11088 Prop. 19
Раскосы ферм 41 1937-2032 11089-11472 Prop. 20
Плиты усиления внутреннего кольца 11473-12240 Prop. 21 Layer 4 Plate
Жёсткие вставки Rigid 12241-12272 Layer 2 Pokrytie
Рис. 1. Расположение конечных элементов типа MASS
Таблица 2
Интенсивность нагрузок на покрытие
Вид нагрузки Нормативная нагрузка gn (кгс/м2) Коэффициент надёжности по нагрузке yf Расчётная нагрузка g (кгс/м2)
Изолирующие слои покрытия 65 1.1 72
Технологическая 10 1.1 11
Суммарная нагрузка 75 1.1 83
Снеговая нагрузка 140 1.43 200
Всего, включая снег 215 1.316 283
лить значения узловых масс, расположенных на одной радиальной жёсткой нити. На рис. 2 приведены размеры грузовых площадей А(т2), относящихся к соответствующим узлам; №т — нумерация узлов на жёсткой нити, начиная от наружного кольца к центру.
В табл. 3 представлены сведения по нормативным и расчетным значениям узловых масс.
В нижеследующих таблицах 4 и 5 в соответствии с принятой математической моделью поведения конструкции покрытия ЛДС приведены результаты статических расчётов, определяющих границы нормальной, предаварийной и недопустимой границы эксплуатации покрытия в летний и зимний периоды.
Расчётные значения этой таблицы получены при нормативных нагрузках от собственного веса несущих и ограждающих конструкций покрытия, технологических нагрузок от инженерных сетей, ходовых мостков, центральной технологической площадки и медиакуба.
Числовые данные таблицы 5 получены от расчётных значений вышеуказанных постоянных нагрузок, а также расчётной снеговой нагрузки (200 кгс/м2), приложенной на половине покрытия и на всей поверхности внутри центрального кольца. Приблизительно такой
характер распределения снега на покрытии наблюдался зимой 2007 г. Перераспределение снега по покрытию было следствием сползания его с периферийных участков к центру. Разумеется, такое распределение снега по покрытию не является строго обоснованным и принято здесь с некоторым запасом за неимением более точных данных.
Таблица 3
Программный комплекс СМИК регистрирует изменения углов поворота колец покрытия по критериям, рассчитанным в вышеуказанных таблицах. В соответствии с этими расчетами происходит изменение режима технического состояния покрытия по алгоритму, представленному на рисунке 3. Погрешность установленных датчиков наклона составляет 1,05-10-4 рад, что вполне достаточно для корректного контроля указанных параметров.
Расчетные данные, полученные в ходе статических и динамических расчётов конструкции, позволяют разработать концепцию системы мониторинга и её программной реализации, выработать параметры и критерии оценки технического состояния конструкций для принятия решений по дальнейшей эксплуатации.
Рис. 2. Грузовые площади для подсчёта масс Нормативные ^п) и расчётные значения узловых масс (кгс ■ сек2/см4)
№ узла (грузовой площади) PROP Грузовая площадь А (м2) Летний период (без снега) Зимний период (со снегом)
mn = А ■75/981 m = А ■ 83/981 mn = А ■ 215/981 m = А ■ 283/981
1 22 19.45 1.487 1.646 4.263 5.611
2 23 33.33 2.548 2.820 7.300 9.615
3 24 27.58 2.109 2.333 6.045 7.956
4 25 24.59 1.880 2.080 5.389 7.094
5 26 21.58 1.650 1.826 4.730 6.225
6 27 18.56 1.419 1.570 4.068 5.354
7 28 15.52 1.187 1.313 3.401 4.477
8 29 12.47 0.953 1.055 2.733 3.597
9 30 7.34 0.561 0.621 1.609 2.117
10 31 3.93 0.300 0.333 0.861 1.134
11 32 16.43 1.256 1.390 3.600 4.740
12 33 4.77 0.365 0.404 1.045 1.376
13 34 1.68 0.128 0.142 0.368 0.485
14 35 Технологическая площадка весом ~ 8 тс. т = 8 000/4/981 = 2.0387 кгссек2/см4.
15 36 Медиакуб весом ~ 10 тс. т = 10 000/4/981 = 2.548 кгс сек2/см4 (только по оси У)
Рис. 3. Алгоритм определения технического состояния несущих конструкций Ледового дворца спорта
Таблица 4
Критерии технического состояния кровли в зависимости от углов поворота контролируемых колец
в летний период эксплуатации
Номера колец покрытия Граница нормальной эксплуатации (режим Норма) Граница предаварийной эксплуатации (режим Внимание) Граница недопустимой эксплуатации (режим Опасность)
Перемещения (мм) Угол поворота (рад) Перемещения (мм) Угол поворота (рад) Перемещения (мм) Угол поворота (рад)
1 0 0,00391 0 0,00407 0 0,00423
2 34 0,0018 35,7 0,00191 37,4 0,00202
3 44,3 0,00025 46,4 0,00034 48,5 0,00041
4 53,9 0,00025 54,7 0,00032 55,5 0,00039
Таблица 5
Критерии технического состояния кровли в зависимости от углов поворота контролируемых колец в зимний период эксплуатации (при снеговой нагрузке)
Номера колец покрытия Граница нормальной эксплуатации (режим Норма) Граница предаварийной эксплуатации (режим Внимание) Граница недопустимой эксплуатации (режим Опасность)
Перемещения (мм) Угол поворота (рад) Перемещения (мм) Угол поворота (рад) Перемещения (мм) Угол поворота (рад)
1 0 0,00563 0 0,00709 0 0,00855
2 54,1 0,00331 70,8 0,00454 87,5 0,00577
3 75,2 0,00059 100,6 0,00074 126 0,00089
4 75,8 0,00053 93,9 0,00122 112 0,00191
Литература
1. ГОСТ Р 22.1.12 — 2005 «Безопасность в чрезвычайных ситуаци-
ях. Структурированная система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений. Общие требования».
2. «Методика оценки систем безопасности и жизнеобеспечения на
потенциально-опасных объектах, зданиях и сооружениях».
3. «Методика оценки и сертификации инженерной безопасности зданий и сооружений».
4. Научно-технический отчёт по теме: «Научно-методи-ческое со-
провождение создания системы мониторинга инженерных конструкций здания Ледового дворца спорта на Ходынском поле в части покрытия». — М.: МГСУ — 2007.
Сведения об авторах
Кочанов Сергей Алексеевич: ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), заместитель начальника института, д.т.н., профессор. Волков Олег Сергеевич: ФГУ ВНИИ ГОЧС (фЦ), с.н.с. Фатыхов Равиль Ренатович: АГЗ, адъюнкт.
