Конструктивно-технологические особенности большепролетного купола досугово-развлекательной зоны парка развлечений г. Москва.

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего

образования

«Южно-Уральский государственный университет»

(национальный исследовательский университет) Архитектурно-строительный институт Строительные конструкции и сооружения

РАБОТА ПРОВЕРЕНА ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ

__________________________ Заведующий кафедрой, к.т.н.

__________________________. доцент

__________________________ _________________М.В.Мишнев

_______________________ 2020 г. ___________________ 2020 г.

Тема Конструктивно-технологические особенности большепролетного купола досугово-развлекательной зоны парка развлечений г. Москва.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КВАЛИФИКАЦИОННОЙ НАУЧНОЙ РАБОТЕ МАГИСТРА ЮУрГУ–08.04.01.2020._259_. ПЗ КНР

Руководитель НИР

Елсуков Е.И.

доцент, к.т.н.

_____________________________

_____________________ 2020 г.

Автор КНР

студент группы АСИ-259

Шипилов Константин Сергеевич ______________________________

_______________________ 2020 г.

Нормоконтролер

______________________________

______________________ 2020 г.

Челябинск 2020

АНОТАЦИЯ

Шипилов К.С. Конструктивно-технологические особенности большепролетного купола

досугово-развлекательной зоны парка

развлечений г. Москва. – Челябинск: ЮУрГУ, АСИ; 2020, 141 с. 77 ил., библиографический список – 17 наим.

В пояснительной записке квалификационной научной работе приведено описание проекта, описание вычислительного комплекса и расчѐтной схемы, выполнен сбор нагрузок, произведен конструктивный расчет наиболее нагруженных арок, ригелей и прогонов по первому и второму предельным состояниям с помощью расчетного комплекса MicroFe-СДК, выполнено моделирование и расчет

наиболее нагруженных узлов с помощью расчетного комплекса IDEA StatiCa, Выполнено испытание фрагмента узлового элемента.

Изм. Лист № докум. Подпись ^Дата

Лист 3

08.04.01.2020.259.ПЗ КНР

Зав.каф. Мишнев

Руководитель Елсуков Конструктивно-технологические ^{Стадия Листов}

141

Оглавление

Введение ... 5

Цель и задачи ... 6

1. Решетчатые пространственные конструкции ... 7

2. Описание проекта ... 10

3. Описание вычислительного комплекса и расчетной схемы. ... 13

3.1 Принятые сечения ... 21

4. Сбор нагрузок на купол ... 26

5. Расчет наиболее опасных элементов купола ... 53

5.1 Описание расчетного комплекса MicroFe-СДК, использованного для конструктивного расчета в работе ... 53

5.2 Конструктивный расчет ... 56

5.2.1 Основные арки ... 58

5.2.2 Поперечные ригели ... 65

5.2.3 Прогоны ... 83

7. Моделирование и расчет наиболее нагруженных узлов. ... 87

7.1 Описание расчетного комплекса IDEA StatiCa, использованного для расчета узлов в работе ... 87

7.2 Расчет опорных узлов. ... 91

7.2.1 Расчет опорного узла ЗД2. ... 91

7.2.2 Расчет опорного узла ЗД1. ... 97

7.3 Расчет узлов соединения основных элементов ... 103

(арок и ригелей). ... 103

7.3.1 Расчет крепления основных элементов к узловым. ... 103

7.3.2 Расчет узловых элементов. ... 107

8 Испытание фрагмента узлового элемента ... 133

8.1 Подготовка к испытанию образца ... 133

8.2 Испытание фрагмента узлового элемента. ... 137

8.3 Вывод по результатам испытания ... 139

Библиографический список... 140

Введение

В данной Выпускной Научной Работе описан проект большепролетного купола с особенным конструктивно-технологическим устройством как для проектирования объектов подобного вида в будущем, так и с точки рения научных исследований в разработках узлов. В ВКР представлено описание вычислительного комплекса и расчетной схемы. Выполнен сбор нагрузок.

Представлен конструктивный расчет элементов большепролетного купола.

Произведен анализ наиболее нагруженных узлов с их моделированием. Выполнен расчет этих узлов. Было произведено испытание фрагмента узлового элемента.

Были проанализированы и сделаны выводы по полученному результату испытания.

Цель и задачи

Цель работы является исследования конструктивно-технологических особенностей большепролетного куола на примере конструкции покрытия досугово-развлекательной зоны парка развлечений.

Задачи данной работы:

 Анализ состояния вопроса по действительной работе и расчету стальных пространственных конструкций покрытия.

 Освоение методик расчета конструкций в современных вычислительных комплексах.

 Освоение методик расчета узловых элементов в современных вычислительных комплексах.

 Экспериментальная оценка влияния конструктивного непровара и допустимых дефектов в виде одиночных пор в сварном соединении на разрушающую нагрузку

1. Решетчатые пространственные конструкции

Развитие современного строительства возможно только на основе экономически эффективных, надежных, технологичных конструкций с применением

прогрессивных направлений проектирования и строительства, обеспечивающих универсальность планировки и многофункциональность помещений,

располагаемых в здании.

Одним из направлений повышения эффективности строительного производства является широкое применение легких пространственных конструкций, в том числе сетчатых оболочек и куполов. В настоящее время в мире на объектах гражданского, промышленного и сельскохозяйственного назначения построено более пяти тысяч современных пространственных систем разных конструкций и размеров. Эффективность применения этих конструкций по сравнению с

традиционными стоечно-балочными системами обусловлена снижением

материалоемкости несущего каркаса, снижением трудоемкости изготовления и монтажа, возможностью перекрывать как малые, так и большие пролеты,

создавать здания универсального назначения высокой архитектурной выразительности.

Конструктивные возможности купольных конструкций и оболочек не исчерпаны и представляется возможным повысить эффективность этих конструкций

искусственным регулированием усилий и деформаций, то есть предварительным напряжением. Предварительным напряжением, возможно, создать разряжающее напряженное состояние и тем самым расширить область упругой работы,

уменьшить расчетные усилия и, в конечном счете, снизить массу и стоимость оболочки.

Из коротких металлических стержней можно образовывать различные

пространственные решетчатые конструкции, пригодные для перекрытия больших пространств. Такие конструктивные системы в последнее время получили

широкое распространение и их эффективно используют в плоских и криволинейных покрытиях общественных и производственных зданий.

Единство решетчатой конструкции и архитектурной формы достигается не само собой, а только в том случае, когда к проектированию сооружения подходят как к синтезу архитектуры н строительного искусства. Пространственные решетчатые конструкции рассматривают не утилитарно, как физическую реальность и

простую замену в покрытии балок или ферм, а как средство с широкими возможностями для достижения эстетической выразительности сооружения.

Архитектурный замысел предопределяет тип пространственного покрытия, после чего решетчатая конструкция становится отправной точкой для воплощения идеи проекта. Пространственные решетчатые конструкции позволяют дополнительно отразить характерные черты современности, в частности индустриальность, массовость, универсальность.

Выразительность архитектурного решения внутреннего пространства и

экстерьера сооружения получают как эстетическим осмысливанием известной пространственной решетчатой конструкции, так и комбинированием

конструктивных элементов, применением различных форм плана покрытия, размещением опор, соотношением высоты помещения и его размерами в плане, устройством верхнего света и др. В процессе разработки проекта сооружения идет одновременный поиск художественно-эстетической выразительности и

инженерной логики решетчатой конструкции.

В большепролетных, уникальных зданиях с покрытиями в виде пространственной решетчатой конструкции проблему архитектурной выразительности выдвигают на первый план, но обязательно решают такие вопросы, как рациональный выбор системы несущей конструкции, унификация ее элементов и удобство монтажа.

Стержневые пространственные металлические конструкции появились во второй половине XIX века Швеллер разработал купольные покрытия из стержней с

шарнирными узлами. Первый его купол диаметром 60 м был сооружен в 1874 г. в Вене. В куполах Швеллера стержни располагали по меридианам и

концентрическим кольцам, между ними устанавливали раскосы. Вследствие сложностей при изготовлении и монтаже купол Швеллера не получил широкого распространения. В 1882 году Феппль предложил систему звездчатого купола и разработал метод его расчета. Со второй половины XX века звездчатые купола очень широко применяют в строительной практике всего мира.

В начале 20-х годов американский инженер Фуллер разработал систему-

многогранного купола с ромбической решеткой. В СССР независимо от Фуллера систему кристаллического купола разработал профессор М. С. Туполев (МАрхИ).

В 30-х годах профессор А. М. Гинзбург предложил двухпоясную конструкцию большепролетных сводов и куполов, представляющих собой как бы изогнутую по заданной поверхности перекрестно-стержневую плиту. Как плоская система эта плита была еще неизвестна.

Плоские решетчатые системы покрытий из коротких стержней появились в 40-х годах XX века Французский инженер Ле Риколь построил из дерева первую перекрестно-стержневую конструкции покрытия, назвав ее структурой. В 1942 г.

Менгеринхаузеио и Германии предложено первое конструктивное решение металлической структуры. В 1944–1945 гг. Ваксманн по заданию американского правительства разработал перекрестно-стержневую конструкцию для ангара размером 116х236 м. Конструкция покрытия из металлических труб представляла собой горизонтально расположенную стержневую плиту с консольными свесами и оперением в нескольких местах. По мнению Ваксманна, сооружение можно было расширять путем добавления стержней и узлов.

С 60-х годов, когда были найдены рациональные решения схем узлов и появились методы расчета на ЭВМ сложных многократно статически неопределимых

конструкций, решетчатые пространственные покрытия получили бурное развитие в мировой строительной практике и среди прогрессивных конструкций

выдвинулись на одно из первых мест. Экономичность по расходу металла,

индустриальность изготовления, активное участие архитекторов в эстетическом осмыслении этих конструкций способствовали появлению различных

пространственных систем, характеризующихся богатым многообразием форм. В целом все решетчатые пространственные конструкции можно разделить на две основные группы: перекрестно-стержневые конструкции и сетчатые оболочки.

В мировой строительной практике пространственные покрытия в виде оболочек из металлических стержней получили очень широкое распространение, в связи с чем характеризуются многообразием форм и конструктивных решений.

Сетчатой оболочкой называют пространственную стержневую конструкцию, узлы которой находятся на поверхности оболочки. По геометрической форме сетчатые оболочки имеют поверхность одинарной или двоякой кривизны (одинарную кривизну иногда литературе называют нулевой гауссовой кривизной). Сетчатые оболочки могут быть одиопоясными (однослойными) и двухпояными

(двухслойными). Двухпоясные оболочки представляют собой две жестко соединенные сетки. Их можно рассматривать криво изогнутые по заданной поверхности перекрестно-стержневые конструкции. Однопоясные сетчатые оболочки имеют более простое конструктивное решение, но перекрываемый ими пролет ограничен из-за возможности потери устойчивости. С точки зрения

простоты возведения двухпоясные оболочки могут оказываться более удобными.

2. Описание проекта

«Остров мечты» — крупнейший крытый тематический парк развлечений в Европе, включающий в себя торгово-развлекательный комплекс и ландшафтный парк с набережной. Находится в Нагатинской пойме, в районе Нагатинский Затон Южного административного округа Москвы.

Строительство «Острова мечты» началось 17 марта 2016 года на месте бывшего парка имени 60-летия Октября. Изначально его планировалось

завершить в 2018 году, однако дата открытия была перенесена на декабрь 2019 года, а затем на 2020 год.

Общая площадь участка застройки составляет около 100 га, а площадь

главного здания – 300 тысяч м². Главный фасад «Острова мечты» стилизован под

сказочный замок с башнями и витражами. Высота центральной башни – 75 метров.

Проект развлекательного центра принадлежит компании «Регионы»

предпринимателя Амирана Муцоева, инвестиции составили $1,5 млрд, кредит на 37 млрд рублей предоставил банк ВТБ.

Рисунок 1 - Фотография развлекательного центра на стадии монтажа Тематический парк развлечений представляет собой единое здание, внутри которого в западной части находятся торговые галереи площадью 220 тысяч м², а в восточной — аттракционы на площади 80 тысяч м². На прилегающей

территории будет разбит ландшафтный парк площадью 44 га и благоустроена набережная. У входа в парк расположена открытая уличная парковка для автомобилей на 4000 машиномест.

Городской променад «Острова мечты» представляет собой крытый торговый центр, разделѐнный на 4 тематические торговые галереи: улица Лондона, улица Барселоны, улица Рима и улица Беверли-Хиллз; и 3 крытых атриума.

Центральный атриум — это тематическая торговая площадь «Москва», накрытая крупнейшим в Европе стеклянным куполом площадью 8 тыс. м² и 25 м в высоту.

Общая площадь остекления кровли составила 28 тысяч м². В городском

променаде расположатся 120 магазинов и ресторанов, а также кинотеатр на 17 залов (в том числе зал IMAX) и многофункциональный концертный зал на 3500 мест.

Если рассматривать этот проект с точки зрения социальной значимости, то

«Остров Мечты» – это один из ключевых градостроительных проектов Москвы, первый в России крытый тематический парк мирового уровня, который станет новым культурно-развлекательным кластером для семейного досуга и

развлечений.

«Остров Мечты» – социально значимый объект для Московского региона:

Проект влечѐт за собой улучшение городской среды и повышение инвестиционной привлекательности российской столицы. Это значительные инвестиции в экономику региона и городскую среду столицы.

Строительство и эксплуатация столь масштабного проекта предполагает создание порядка 7 тысяч рабочих мест.

Аналогов такому проекту в России не существует, что вызывает повышенный интерес посетителей и, по оценкам экспертов, приведѐт к увеличению туристического потока в Москву примерно на 16%. За год тематический парк смогут посетить 7,5 миллионов человек, а весь комплекс

«Остров Мечты» сможет принять до 50 миллионов визитов в год.

«Остров Мечты» способствует развитию социально-культурной и

образовательной среды в Москве. Проект станет одним из ключевых центров для проведения семейного досуга и новой достопримечательностью российской столицы.

В ходе реализации проекта «Остров Мечты» была благоустроена территория Нагатинской поймы – заброшенного парка им. 60-летия Октября. При

благоустройстве парка ландшафтные строители сохранили около 7 тысяч

деревьев, а также пересадили более 200 крупномеров, уберегая тем самым их от возможной вырубки. В 2019 году специалисты высадили несколько сотен новых деревьев. Таким образом, сейчас в Нагатинской пойме создан ландшафтный парк общей площадью 44 га. На его территории будут расположены площадки для занятий спортом, беговые и велодорожки, зоны для семейного отдыха, такие как открытый кинотеатр, лабиринт из растений, детские площадки и др.

3. Описание вычислительного комплекса и расчетной схемы.

Объектом расчета данной части являются металлоконструкции фонаря покрытия досугово-развлекательной зоны парка развлечений. Фонарь имеет эллипсоидную форму с основанием в виде эллипса размерами в плане 60х135м, высотой над железобетонным основанием 20,2м (рис. 2, рис. 3).

Общий вес конструкций каркаса составил 790т.

Несущими конструкциями фонаря являются основные поперечные арки, расположенные перпендикулярно главной оси основания (эллипса). Арки имеют шаг 4м, максимальный пролет центральной арки – 59,87м с максимальной стрелой подъема – 20,2 м. Опоры каждой из арок выполнены в виде цилиндрического шарнира, ось вращения которого направлена параллельно касательной эллипса основания. В этом же направлении опора имеет линейную подвижность, в остальных направлениях опоры арок неподвижны и воспринимают усилия вертикального направления и горизонтального направления, перпендикулярного касательной линии эллипса основания.

Рисунок 2 – План фонаря покрытия

Рисунок 3 – Разрез 1-1, разрез 2-2

Все арки соединены между собой ригелями, что обеспечивает устойчивость арок из своей плоскости. Оси ригелей расположены вдоль линий дуг, плоскость которых перпендикулярна касательным к дугам осей арок. Крепление ригелей к аркам выполнено жестким во всех направлениях.

Максимальный шаг главных ригелей 4,22м. На участках между узлами крепления ригелей элемент арки выполнен прямолинейным по хорде.

В образованных арками и ригелями плоских ячейках перекрестно расположены второстепенные элементы (прогоны), которые шарнирно крепятся к аркам и ригелям. Крепление выполняется одиночным болтом без контроля натяжения, устанавливаемый в резьбовое отверстие, выполненное в детали крепления второстепенного элемента (рис. 4). Один из шарниров каждого прогона имеет линейную подвижность вдоль своей оси.

Рисунок 4 – Узлы крепления прогонов

Стержневые элементы арок, ригелей и прогонов коробчатого сечения, выполненные в виде гнутых замкнутых сварных профилей, а элементы узлов – из листового металлопроката из стали класса прочности 345 категории 15 по ГОСТ 19281-2014 с дополнительными гарантиями KCV (-20С).

Конструктивно узел сопряжения элементов арок с ригелями выполнен в виде усеченных пирамид, сваренных из листов толщиной 45 мм, после чего заготовки термически обрабатываются для снятия сварочных напряжений и фрезеруются для обеспечения точности расположения контактных поверхностей. Расчетная толщина листов после фрезеровки не должна быть менее 40 мм. В гранях выполняются отверстия с нарезанной резьбой под монтажные (сборочные) винты и под постоянные винты с контролируемым натяжением (рис. 5). К фрезерованным контактным поверхностям узловых элементов пристыковываются также фрезерованные торцы стержневых элементов. Постоянное закрепление стержневых элементов арок и ригелей к узловым элементам выполняется на винтах ГОСТ Р ИСО 4762-2012 (ISO 4762:2004) с контролируемым натяжением класса прочности 10.9 либо на монтажной сварке. Выбор способа закрепления (болты или сварка) и количество болтов устанавливается в зависимости от расчетных усилий прикрепления элемента (рис.6). При определении несущей способности болтового соединения на сдвигающие усилия принимается, что они воспринимаются силами трения контактных поверхностей, коэффициент трения принимается как для поверхностей без обработки m=0,25. В болтовом соединении растягивающие усилия (напряжения) воспринимаются преднапряженными болтами, сжимающие и перерезывающие контактными поверхностями с фрезерованными торцами. Элементы узлов сопряжения ригелей с арками, а также пальцы цилиндрических шарниров предусмотрено изготовить из поковок группы IV из стали категории прочности КП 275 по ГОСТ 8479-70 с дополнительными требованиями ударной вязкости КСV^-20≥34 Дж/см² и ультразвукового контроля сплошности не хуже 1 класса

по ГОСТ 22727-88.

Рисунок 5 – Узел сопряжения элементов арок с ригелями.

Рисунок 6 – Типы крепления элементов арок с ригелями.

Сварные соединения предусмотрены с использованием материалов, указанными в табл. Г.1 СП 16.13330.2011, в соответствии со свариваемой сталью.

Расчет фонаря покрытия выполнен с помощью проектирующей системы Ing+2017, реализующей конечно-элементное моделирование статических и динамических расчетных схем, проверку устойчивости, проверку несущей способности стальных конструкций.

Для расчета стержни купола созданы балочными элементами, ограждающее стеклянное покрытие – оболочками нулевой плотности. Общий вид конечно-элементной модели фонаря приведен на рис.7.

Рисунок 7 – Стержневая 3D модель фонаря.

В узлах соединения основных арок с ригелями их сечения имеют вырез в верхней полке короба размерами 120х150 мм для возможности установки и затяжки болтов. Данные вырезы замоделированы с помощью ослабления сечения коробчатого профиля, которое присвоено стержням длиной 150 мм (рис 8).

Рисунок 8 – Узлы сопряжения сегментов арок и ригелей расчетной КЭ- модели.

Расчет каркаса фонаря выполнен как единой пространственной системы, включающей помимо элементов металлоконструкций фонаря нижележащие железобетонные конструкции и условия их опирания на основание. Расчет выполнен в нелинейной постановке. Металлоконструкции рассчитаны по предельным состояниям 1-й и 2-й группы.

3.1 Принятые сечения

На рис .9 показаны жесткости основных арок (целого и ослабленного сечения).

На рис. 10 показаны жесткости ригелей (целого и ослабленного сечения).

На рис. 11 показаны жесткости поперечных и продольных прогонов.

Опоры основных арок выполнены из круглой стали диаметром 170 мм.

Геометрические характеристики принятых сечений представлены в таблице 1.

- Гн. 400х200х12

- Гн. 400х200х12 – ослабленный - Гн. 400х200х16

- Гн. 400х200х16 – ослабленный

Рисунок 9 – Жесткости основных арок

Гн. 400х200х12 Гн. 400х200х16 – ослабленный Гн. 400х200х12 –

ослабленный Сварной 400х200х20

Гн. 400х200х16 Сварной 400х200х20

ослабленный

Рисунок 10 – Жесткости ригелей

Гн. 140х100х6 Гн. 140х100х4 Рисунок 11 – Жесткости прогонов

Рисунок 12 – Геометрические характеристики сечений

Таблица 1 – Геометрические характеристики сечений

№ Профиль

b, мм

h, мм

t, мм

a, мм

r, мм

A, см²

I_y, см⁴

W_y, см³

S_y, см

i_y, см 1 Гн400х200-12 200 400 12 –– 24 132 26250 1312 828 14,1 2 Гн400х200-16 200 400 16 –– 32 171 32550 1627 1047 13,8 3 Св400х20-20 200 400 20 –– 0 219 42630 2131 1361 13,9 4

Гн400х200-12

ослабленный 200 400 12 40 23 117 20250 905 680 13,1 5

Гн400х200-16

ослабленный 200 400 16 40 23 154 25600 1143 874 12,9 6

Св400х200-20

ослабленный 200 400 20 40 0 195 32890 1473 1116 12,9 7 Гн140х100-6 100 140 6 –– 6 26,4 704,8 101 61,6 5,16 8 Гн140х100-4 100 140 4 –– 4 18,2 503,6 71,9 43,2 5,27

Продолжение таблицы 1

Профиль Iz, см4

Wz, см3

Sz, см

iz, см

It, см4

ys, см

zs, см 1 Гн. 400х200-12 8977 898 513 8,24 22810 10 20 2 Гн. 400х200-16 11060 1106 647 8,05 28960 10 20 3 Св. 400х20-20 13940 1394 825 7,98 34560 10 20 4 Гн. 400х200-12

ослабленный 8826 8832 493 8,65 58,08 10 17,63 5 Гн. 400х200-16

ослабленный 11080 1108 631 8,48 128,85 10 17,61 6 Св. 400х200-20

ослабленный 13660 1366 789 8,36 245 10 17,66 7 Гн. 140х100-6 417,7 83,5 48,8 3,97 860,46 5 7 8 Гн. 140х100-4 300,1 60,0 34,3 4,07 600,48 5 7

4. Сбор нагрузок на купол

Нагрузки, действующие на фонарь, представлены:

– собственным весом металлоконструкций и стеклопакетов;

– полезной нагрузкой;

– снеговой нагрузкой;

– ветровой нагрузкой;

– температурной нагрузкой.

4.1. Собственный вес конструкций

Собственный вес стержней фонаря прикладывается программным комплексом автоматически в первом загружении (LF-1). Коэффициент надежности по

нагрузке γ_f=1,05. В данном загружении содержится также сосредоточенная нагрузка от веса узлов соединения арок с ригелями, равная 170 кг (1,668 кН) и

приложенная в каждый узел (рис. 13).

Рисунок 13 – Фрагмент конструкции фонаря с приложенной нагрузкой от веса узлов (LF-1)

Постоянная нагрузка веса стеклопакетов, равная DL×γ_f =60×1,1=66 кг/м² (0,648 кН/м²), приложена поверхностно на оболочки покрытия и содержится в

загружении LF-2 (рис. 14).

Рисунок 14 – Нагрузка от веса стеклопакетов фонаря (LF-2)

4.2. Полезная нагрузка

Нормативная полезная нагрузка на стеклопакеты составляет 10 кг/м². Расчетная нагрузка, приложенная в модели к оболочкам фонаря, равна LL×γ_f=10×1,2=12 кг/м². Загружению данной нагрузкой в программе присвоен номер LF-3 (см. рис. 115).

Рисунок 15 – Загружение конструкции полезной нагрузкой (LF-3) 4.3. Снеговая нагрузка

Нормативная снеговая нагрузка рассчитана по формуле 10.1 [2]:

для III снегового района по табл.10.1 [2].

Коэффициент , учитывающий снос снега с покрытий зданий под действием ветра, принимается по п.10.8 [2] и зависит от диаметра основания купола:

, при ; , при ;

при максимальном диаметре основания d=135 м принято значение . Термический коэффициент в соответствии с п. 10.10 [2].

Согласно п.10.3 [2] в расчетах необходимо рассматривать схемы равномерно распределенных и неравномерно распределенных снеговых нагрузок на покрытия в их наиболее неблагоприятных расчетных сочетаниях. Поэтому для расчетов взяты варианты распределения нагрузки по схеме Б.11 (купольная крыша, рис. 16):

Максимальное значение расчетной симметричной равномерной нагрузки составляет:

⁄

Данному загружению присвоен номер LF-6, значение нагрузки (в кН/м²) по оболочкам покрытия фонаря показано на рис. 17.

Рисунок 16 – Распределение коэффициентов µ по приложению Б.11 [2]

Рисунок 17 – Равномерно распределенная снеговая нагрузка на фонарь LF-6

Односторонняя снеговая нагрузка по варианту 2 с максимумом на

короткой оси: ⁄ . Данное загружение имеет номер LF-7, значения нагрузки (в кН/м²) на оболочках фонаря показаны на рис. 18.

Рисунок 18 – Неравномерно распределенная снеговая нагрузка на фонарь LF-7

Односторонняя снеговая нагрузка по варианту 2 с максимумом на длинной оси: ⁄ . Данное загружение имеет номер LF-8, значения нагрузки (в кН/м²) на оболочках фонаря показаны на рис. 19.

Рисунок 19 – Неравномерно распределенная снеговая нагрузка на фонарь LF-8

Несимметричная нагрузка по варианту 2 с максимумом на оси, повернутой на 30º к длинной оси. ⁄ – загружение LF-9, см. рис. 20 (нагрузка в кН/м²).

Рисунок 20 – Неравномерно распределенная снеговая нагрузка на фонарь LF-9

Односторонняя снеговая нагрузка по варианту 3 с максимумом на короткой оси: ⁄ . Данное загружение имеет номер LF-10, значения

нагрузки (в кН/м²) на оболочках фонаря показаны на рис. 21.

Рисунок 21 – Неравномерно распределенная снеговая нагрузка на фонарь LF-10

Неравномерно распределенная нагрузка по варианту 3 с максимумом на оси, повернутой на 30º к длинной оси: ⁄ . Данное загружение имеет номер LF-11, значения нагрузки (в кН/м²) на оболочках фонаря показаны на рис.

22.

Рисунок 22 – Неравномерно распределенная снеговая нагрузка на фонарь LF-11

4.4. Ветровая нагрузка

Давление ветра передается на основные конструкции через стеклопакеты и прогоны. Согласно [2], нормативное ветровое давление принимается как сумма средней и пульсационной составляющей:

где - средняя составляющая; - пульсационная составляющая.

Согласно [2] установлены следующие параметры для расчета ветровой нагрузки: ветровой район – I, тип местности – В.

Расчет средней составляющей:

( ) где ⁄ ;

( ) – коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления от высоты.

( ) по таблице 11.2 [2] при ; (20 м – высота основания и 20,2 м – высота фонаря).

– аэродинамический коэффициент, рассмотрен ниже. Расчет пульсационной составляющей:

( )

где ( ) – коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления от высоты. По табл.11.4 [2] ( ) .

- коэффициент пространственной корреляции, определяется для расчетной поверхности сооружения или отдельной конструкции, для которой учитывается корреляция пульсаций. Расчетная поверхность включает в себя те части наветренных и подветренных поверхностей, боковых стен, кровли и подобных конструкций, с которых давление ветра передается на рассчитываемый элемент сооружения. Если расчетная поверхность близка к прямоугольнику, ориентированному так, что его стороны параллельны основным осям (рис. 23), то коэффициент определяется по таблице 11.6 [2] в зависимости от параметров и

, принимаемых по таблице 11.7 [2].

Рисунок 23 – Параметры для определения коэффициента пространственной корреляции

По табл. 11.6 [2] при (ветер вдоль глобальной оси Y) ; при (ветер вдоль глобальной оси Х) .

Аэродинамический коэффициент определен методом линейной интерполяции по двум методам – по приложению В.1.3 как для прямоугольных в плане зданий со сводчатыми и близкими к ним по очертанию покрытиями и по приложению В.1.4 как для круглых в плане зданий с купольными покрытиями.

Аэродинамические коэффициенты различны при разном направлении ветра.

По приложению В.1.4 для зданий с купольными покрытиями значения коэффициентов в точках А и С, а также в сечение ВВ приведены на рис. 24.

Основная координатная плоскость, параллельно которой

расположена

расчетная поверхность

ρ χ

zoy b h

zox 0.

4а h

xoy b а

Рисунок 24 – Для определения коэффициентов с

Для определения эквивалентной высоты принимается значение:

Ветер вдоль Х.

Значения , ; , . Отношения:

Согласно графика на рис. 24 значения аэродинамических коэффициентов имеют значения:

– в точке А при , с=0 и при , с= 1,4; интерполяцией для , с= 0,6.

– в точке В при , с= 0,85 и при , с= 1,22; интерполяцией для , с= 0,09.

– в точке С при , с=0 и при , с= 0,5; интерполяцией для , с= 0,33.

Ветер вдоль Y.

Значения , ; , . Отношения:

Согласно графика на рис. 25 значения аэродинамических коэффициентов имеют значения:

– в точке А при , с= 0,9.

– в точке В при , с= 0,45 и при , с= 0,92; интерполяцией для , с= 0,59.

– в точке С при , с=0 и при , с= 0,5; интерполяцией для , с= 0,15.

По приложению В.1.3 для зданий со сводчатыми покрытиями значения коэффициентов приведены на рис. 25.

Рисунок 25 – Для определения коэффициентов с Ветер вдоль Х.

Отношения:

Согласно графика на рис. 20 значения аэродинамических коэффициентов имеют значения:

при , с1=0,52, при , с1=0,35, интерполяцией с1=0,47.

Коэффициент с2= 1,04, с3= 0,4.

Ветер вдоль Y.

Отношения:

Согласно графика на рис. 25 значения аэродинамических коэффициентов имеют значения:

при , с1=0,25, при , с1= 1,2, интерполяцией с1= 0,19.

Коэффициент с₂= 0,85, с3= 0,4.

Итоговое определение аэродинамических коэффициентов приведено в таблице2.

Таблица 2 – Определение аэродинамических коэффициентов Значения по

В.1.4

Значения по В.1.3

Усредненные значения

Ветер вдоль Х

Точка А -0,6 0,47 -0,07

Точка В -1,09 -1,04 -1,07

Точка С -0,33 -0,4 -0,37

Ветер вдоль Y

Точка А -0,9 -0,19 -0,55

Точка В -0,59 -0,85 -0,72

Точка С -0,15 -0,4 -0,28

Расчетное значение ветрового давления равно:

( ) ( ( ) ) ( )

Загружения ВЕТЕР +Х (LF-13) и ВЕТЕР -Х (LF-14).

Расчетное значение ветровой нагрузки равно:

– в точке А– ( ) ( ) ⁄ ;

– в точке В– ( ) ( ) ⁄ ; – в точке С– ( ) ( ) ⁄ . Загружения ВЕТЕР +Y (LF-15) и ВЕТЕР -Y (LF-16).

Расчетное значение ветровой нагрузки равно:

– в точке А– ( ) ( ) ⁄ ; – в точке В– ( ) ( ) ⁄ ; – в точке С– ( ) ( ) ⁄ . Распределение ветровой нагрузки по поверхности оболочек покрытия

приведено на рис.26–29.

Рисунок 26 – Загружение LF-13. Ветер +Х.

Рисунок 27 – Загружение LF-14. Ветер -Х.

Рисунок 28 – Загружение LF-15. Ветер +Y

Рисунок 29 – Загружение LF-16. Ветер –Y

4.5. Температурные нагрузки

Нормативные значения изменений средних температур по сечению элемента в теплое и холодное время года соответственно следует определяются по формулам:

где и – нормативные значения средних температур по сечению элемента в теплое и холодное время года, принимаемые в соответствии с 13.3 [2];

и - начальные температуры в теплое и холодное время года, принимаемые в соответствии с 13.6 [2] по формулам:

где и – многолетние средние месячные температуры воздуха в январе и июле, принимаемые для надземной части сооружений по таблице 5.1 СП 131.13330, равные , .

Согласно с п.13.3 [2]:

( )

где и – средние суточные температуры наружного воздуха в теплое и холодное время года соответственно для надземной части сооружения;

определяются по формулам:

В данных формулах и – средние суточные амплитуды температуры

воздуха наиболее холодного и наиболее теплого месяца, соответственно, принимаемые по таблицам 3.1 и 4.1 СП 131.13330. , .

и – нормативные значения минимальной и максимальной температуры воз- духа, соответственно, принимаемые по картам 4 и 5 приложения Е [2]; ; .

Средние суточные температуры:

– температура внутреннего воздуха в здании в холодное время года.

, – приращения средних по сечению элемента температур и перепада температур от суточных колебаний температуры наружного воздуха, принимаемые по таблице 13.2; для металлоконструкций фонаря ,

.

– приращение средних по сечению элемента температур от солнечной радиации, вычисляемое в соответствии с 13.5 [2] по формуле:

В формуле ρ – коэффициент поглощения солнечной радиации, принят по таблице 13.3 [2] в зависимости от окраски металла. ρ=0,45 для окраски в белый цвет.

– максимальное значение суммарной (прямой, рассеянной и отраженной) солнечной радиации, Вт·ч/м, принимаемое по таблице 13.4 [2]; ⁄ .

– коэффициент, принимаемый по табл. 13.6 [2]. для металлических конструкций.

( ) ( )

Нормативные значения изменений температур:

( )

Расчетные значения изменения температур

( )

Положительная температура приложена к элементам модели в загружении LF- 17, отрицательная – в LF-18. Значения температурных нагрузок на элементах схемы приведены на рис. 30, 31.

Рисунок 30 – Загружение положительной температурой.

Рисунок 31 – Загружение отрицательной температурой.

Итоговый перечень загружений с пояснениями и указанием коэффициента надежности по нагрузке представлен в таблице 3.

Таблица 3 – Перечень загружений.

Загружение Содержание

LF-1 Собственный вес металлоконструкций 1,05

LF-2 Собственный вес стеклопакетов 1,1

LF-3 Полезная нагрузка 1,2

LF-6 Равномерная снеговая нагрузка 1,4

LF-7 Односторонняя снеговая нагрузка по

варианту 2 с максимумом на короткой оси 1,4

LF-8 Односторонняя снеговая нагрузка по

варианту 2 с максимумом на длинной оси 1,4

LF-9

Односторонняя снеговая нагрузка по варианту 2 с максимумом на оси, повернутой

на 30^○ к длинной оси

1,4

Продолжение таблицы 3

LF-10 Односторонняя снеговая нагрузка по

варианту 3 с максимумом на короткой оси 1,4

LF-11

Односторонняя снеговая нагрузка по варианту 3 с максимумом на оси, повернутой

на 30^○ к длинной оси

1,4

LF-13 Ветровая нагрузка +Х 1,4

LF-14 Ветровая нагрузка -Х 1,4

LF-15 Ветровая нагрузка +У 1,4

LF-16 Ветровая нагрузка -У 1,4

LF-17 Положительная температура 1,1

LF-18 Отрицательная температура 1,1

На рис. 32 приведена деформированная схема конструкций фонаря.

Рисунок 32 – Деформированная схема конструкций фонаря при потере устойчивости.

5. Расчет наиболее опасных элементов купола

5.1 Описание расчетного комплекса MicroFe-СДК, использованного для конструктивного расчета в работе

Подсистема конечно-элементных расчетов MicroFe-СДК проектирующей системы Ing+ является мощным инструментом инженера-конструктора, сочетающим легкость формирования расчетной схемы с многообразием

инструментов для учета всех особенностей работы конструкции. MicroFe-СДК – единственный программный продукт для расчета строительных

конструкций, прошедший процедуры сертификации (проверка правильности реализации нормативных документов) и верификации (проверка правильности решения линейных и нелинейных задач статики, устойчивости и динамики). Это обстоятельство позволяет сделать вывод о надежности и корректности

результатов, полученных при расчете.

Возможность решать задачи, как в линейной, так и в нелинейной постановке, проводить динамический анализ (собственные колебания, расчет на динамическое воздействие, в том числе с учетом нелинейных связей), анализ устойчивости (в том числе с учетом физической нелинейности) позволяет выполнять комплексный анализ работы конструкции. Дополнительные виды расчетов, такие как: расчет на прогрессирующее разрушение, решение задачи идентификации, индикация

погрешностей, определение спектральных свойств матрицы жесткости позволяет выявить слабые места конструкции и помогает найти оптимальные расположение и сечения элементов несущих конструкций. Применение данного программного комплекса позволяет использовать самые современные достижения

вычислительной механики в расчетах строительных конструкций в понятном для инженера виде.

Отличительные особенности ПК MicroFe-СДК:

 Повышенное внимание при разработке уделяется точности получаемых результатов. Для обеспечения наивысшей точности расчетов

используются новейшие разработки в методе конечных элементов. Применение