«Расчетная оценка несущей способности трапециевидных железобетонных колонн с учетом выполненных СМР на объекте «Строительство стадиона на 45 000 зрительских мест, г. Волгоград, проспект им. В.И. Ленина, д.76».
Заключение
В результате выполненных разработок и расчетных исследований напряженно-деформированного состояния, прочности, устойчивости и динамики железобетонных и металлических конструкций проектируемого футбольного стадиона в г. Волгоград при нормативно регламентированных сочетаниях основных и особых нагрузок и воздействий можно сформулировать нижеследующие выводы и рекомендации.
Разработаны и верифицированы пространственные оболочечно-стержневые конечноэлементные модели комбинированной системы «основание – железобетонные конструкции чаши стадиона – металлические конструкции крыши» и двух основных составляющих подсистем, адекватно отражающие их геометрико-жесткостные, инерционные и нагрузочные характеристики и результирующее напряженно-деформированное состояние, параметры прочности, устойчивости и динамики.
По разработанным КЭ-моделям в верифицированном ПК ANSYS определены параметры напряженно-деформированного состояния несущих конструкций (перемещения, усилия, напряжения) при расчетных сочетаниях нагрузок и воздействий, вычислены динамические характеристики и критические нагрузки/формы потери устойчивости.
Анализ результатов расчетных исследований показал в целом ожидаемую картину распределения параметров НДС в несущих ж/б и металлических конструкциях футбольного стадиона.
Выполненными расчетными исследованиями установлено, что при соблюдении принятых параметров проекта (геометрия, свойства материалов и соединений, величины и сочетания нагрузок и воздействий):
1) состояние железобетонных конструкций удовлетворяет нормативным критериям несущей способности (деформативности, прочности и устойчивости) и зыбкости трибун;
2) состояние несущих металлических конструкций покрытия удовлетворяет нормативным критериям несущей способности (деформативности, прочности и общей устойчивости) при рассмотренных основных сочетаниях нагрузок и воздействий;
3) по результатам расчетов для ряда сечений обнаружен недостаток несущей способности по локальной устойчивости стенок и полок. С учетом этого, рекомендуется уточнить геометрию сечений для выполнения требований, регламентированных нормативными документами.
4) металлоконструкции покрытия устойчивы к прогрессирующему обрушению.
С учетом уникальности реализуемых конструктивных решений рекомендуется разработать и реализовать программу мониторинга состояния несущих конструкций стадиона для стадий его строительства и эксплуатации, опирающуюся как на результаты выполненных расчетов, так и на специально разрабатываемые адаптивные прогнозные мониторинговые математические модели.
Выводы
1. На основании предоставленных данных по геодезической съемке пирамидальных колонн определены типовые и минимальные размеры сечений.
Наименьшая ширина сечения колонны составила 929 мм (ось 660), высота — 946 мм (ось 860). Сечение с минимальными габаритами по площади — 929х965 мм (ось 660). Максимальная величина защитного слоя продольной арматуры — 124 мм, минимальная — 6 мм, средняя — 58 мм.
2. Для колонн с защитным слоем меньше 30 мм рекомендовано провести меро-приятия по его восстановлению. Количество колонн с защитным слоем меньше 30 мм — 17
3. Проверка нормальных сечений по нелинейной деформационной модели показала превышение предельной величины раскрытия трещин в 0.4 мм, максимальное значение — 0.49 мм (отметка 7.200 м).
Максимальные компрессионные напряжения в бетоне достигают расчетного пре-дела на сжатие Rb= 1667 т/м2 (получены на отметке 7.200 м). Максимальные деформации сжатия — 0.2% (предельное допустимое значение — 0.35%).
Максимальные растягивающие напряжения в арматуре достигают предела текучести Rs= 43500 т/м2, деформации — 0.45%, что меньше предельных 2.5%.
4. Проверка наклонных сечений по методике показала выполнение требований по наклонным трещинам и сжатой наклонной полосе.
5. Учитывая полученные результаты, предельное состояние бетона на сжатие (достижение напряжениями величины расчетного сопротивления на сжатие) и раскрытие трещин больше предельных значений, проведены дополнительные расчетные исследований в объемной конечноэлементной постановке с учетом эффектов физической нелинейности.
6. Проверка по объемной конечно-элементной модели показала превышение предельных значений пластических деформаций в растянутой угловой продольной арматуре и примыкающих стержнях поперечной в зонах уменьшения количества стержней продольного армирования по высоте колонны. Максимальная деформация составила около 3.3% против предельных 2.5%.
7. В оголовке колонны наблюдаются повышенные деформации сжатия в бетоне (5.6% против нормативных 3.5%) и анкерах закладной детали (7.2%).
8. По результатам проверки закладных деталей на выполнение требований нормативных документов получено превышение коэффициентов использования по несущей способности по критерию прочности узла и откола бетона. Коэффициенты использования находятся в пределах от 1.15 (для скола) до 3.02 (по закладной детали).
Полученная критическая картина по результатам конечно-элементного моделирования подтверждает полученные результаты: развитие чрезмерных пластических деформаций в анкерах закладной детали, крошение бетона (существенное превышение деформаций сжатия).
Рекомендации
По результатам проведенных расчетных исследований и обнаруженных недостатках несущей способности пирамидальных колонн можно рекомендовать следующие пути усиления конструкций:
1. Согласно проведенному расчету закладной детали, необходимо усиление закладной детали и зоны оголовка колонны. В качестве усиления рекомендуется изготовление жесткого перераспределяющего колпака, снимающего большую часть усилий с закладной детали, перераспределяющего их на боковую поверхность колонны.
2. С целью защиты верхнего узла колонны от скалывания рекомендуется установка дополнительной арматурной сетки по периметру колонны на высоту 800-1000 мм.
3. С целью повышения несущей способности колонны по нормальным сечениям возможны два варианта усиления колонны:
а) усиление колонны по всей высоте сеткой из арматуры А500, диаметр 12 мм, шаг 200 мм или ее эквивалентом;
б) создание усиливающей обоймы из 4-х уголков 150х12 из стали класса С345, связанной жестко с основным бетоном колонны, или их эквивалента по площади из арматуры А500 (4d32 А500 на один угол), расположенной по углам колонным.
Для обоих случаев требуется восстановление геометрии колонны и защитных слоев бетона для арматуры.
