«Расчетные исследования напряженно-деформированного состояния, прочности и устойчивости несущих конструкций, при нормативно регламентированных сочетаниях нагрузок и воздействий» для Объекта – «Проектирование и строительство стадиона с инфраструктурой в г. Екатеринбург»

Это одна из большой и продолжительной серии работ, посвященных подготовке к чемпионату мира по футболу 2018 года. В программном комплексе ANSYS были проведены расчеты на прочность и устойчивость для проектного варианта стадиона в г. Екатеринбург.

Разработанные конечноэлементные модели объекта показаны на рис. 1-4. Вычислительная размерность задачи составила порядка 300 тыс. узлов и элементов. Следуя основанному на многолетнем опыте подходу, строились отдельные подмодели металлических конструкций (МК) покрытия и железобетонных конструкций (ЖБК) трибун (чаши стадиона). Проводилось сопоставление собственные частот и форм единой связанной модели и подмоделей, тем самым обосновалась возможность их дальнейшего разделения при расчетном анализе. Из особенностей конструкции можно выделить наличие маятниковых опор (реализация опирания покрытия на ЖБ колонны), которые моделировались элементами нелинейных пружин COMBIN39.

 На рис. 5-7 показаны некоторые общие результаты расчетов: перемещения конструкций, усилия в сваях. Были выданы усилия (рис.8) во всех ЖБ несущих конструкциях, необходимые для по подбора проектной арматуры, также определено НДС конструкций покрытия (рис.9).

Рис. 1. Полная КЭ-модель

Рис. 2 Подмодель «металлические конструкции покрытия стадиона»

Рис. 3. Подмодель «железобетонные конструкции чаши стадиона»

Рис. 4. Фрагмент КЭ-модели чаши стадиона. Сектор в осях D215-D315. Вид со стороны трибун.

Для трибун стадиона выполнялся ставший уже традиционным расчет на зыбкость. Данный расчет, проводимый согласно СНиП 2.01.07-85*, позволяет выявить возможность резонансного возбуждения трибун от синхронного движения людей и, при необходимости, скорректировать проект. Нормируются предельные прогибы конструкций. Помимо этого в Специальных технических условиях (СТУ) были установлены минимальные допустимые частоты собственных колебаний конструкций трибун: 5 Гц в вертикальном направлении, 3 Гц в горизонтальном направлении. Полученные в расчете значения 5.108 Гц для первой горизонтальной формы собственных колебаний трибун и 6.844 Гц для первой вертикальной (рис. 10) удовлетворяют требованиям.

Рис. 10. Низшие характерные собственные формы трибун: первая собственная форма колебаний в горизонтальной плоскости (а), 7-я собственная форма колебаний в вертикальной плоскости (б),

Из большого объема исследований стоит выделить расчеты на прогрессирующее обрушение, призванные подтвердить сохранение работоспособности сооружения при возникновении локальных повреждений его конструктивных элементов, согласно утвержденным в СТУ наиболее опасным сценариям. Для железобетонных конструкций чаши стадиона данный расчет проводился в статической постановке: для аварийных сценариев определялось из условий прочности требуемое количество арматуры, которое не превысило проектных значений (рис. 11). Применялся программный комплекс SCAD. Для металлических конструкций покрытия рассматривалась динамическая задача исследования переходных процессов в геометрически и физически нелинейной постановке. Критерием устойчивости сооружения к прогрессирующему обрушению в данном случае является затухание колебаний конструкции, возникающих в результате инициирующего локального повреждения (рассеивание кинетической энергии), что и было показано расчетными исследованиями (рис. 12).

Рис. 11. Расчет на прогрессирующее обрушение ЖБ-конструкций. (а) зона локальных разрушений; (б) требуемая по расчету погонная площадь верхней арматуры по Y, см²/м

Рис. 12. Расчет на прогрессирующее обрушение конструкций покрытия: (а) локализация удаляемого элемента по сценарию 1; (б) вертикальные перемещения (м) узла в зоне удаляемого элемента в зависимости от времени; (в) изменение кинетической энергии в узле в зоне удаляемого элемента, кДж

По результатам проведенных комплексных многовариантных расчетных исследований были сформулированы следующие выводы и рекомендации:

1 Разработаны и верифицированы пространственные оболочечно-стержневые конечноэлементные модели комбинированной системы «свайное 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.

2 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.

3 Анализ результатов расчетных исследований показал в целом ожидаемую картину распределения параметров НДС в несущих ж/б и металлических конструкциях футбольного стадиона. 

4 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) железобетонные конструкции чаши стадиона устойчивы к прогрессирующему обрушению.

3) состояние несущих металлических конструкций покрытия удовлетворяет нормативным критериям несущей способности (деформативности, прочности и устойчивости) при рассмотренных основных сочетаниях нагрузок и воздействий;

4) металлоконструкции покрытия устойчивы к прогрессирующему обрушению.

5 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.