Вы здесь

Расчет и проектирование пространственного монолитного железобетонного каркаса здания арены

Версия для печати

Расчет каркаса здания арены выполнен по программному комплексу прочностных расчетов и проектирования строительных конструкций “SCAD-Оffice” (версия 7.31 R53), фундаментов – по программной системе проектирования отдельно стоящих фундаментов на естественном и свайном основании “ФОК-ПК” (версия 2004 г.). Прочность и пространственная устойчивость каркаса обеспечивается за счет совместной работы колонн, диафрагм жесткости и дисков перекрытий.

Здание арены выполнено в монолитном железобетонном каркасе и представляет собой овальную в основании и круглую 7-ярусную схему, заканчивающуюся монолитным 2-этажным железобетонным пространственным кольцом.

Нижняя 7-ярусная часть каркаса разделена на 4 температурно-деформационных блока. Верхняя 2-этажная часть решена в виде сплошного пространственного железобетонного кольца с внутренним диаметром 115,4 м, наружным – 128,0 м. Пространственное кольцо включает в себя:

– нижнее горизонтальное перекрытие на отм. +29.550;

– верхнее наклонное покрытие, имеющее угол наклона 19°;

– внутреннюю вертикальную железобетонную стену;

– металлические трубчатые связи по наружному ряду колонн.

Основные расчетные предпосылки:

1. В расчетной модели каркаса использованы только несущие элементы здания. Наружные стены и внутренние перегородки смоделированы нагрузками без ввода самих элементов в расчетную схему.

2. Плоские плиты перекрытий и продольные несущие стены смоделированы элементами оболочки; колонны представлены стержневыми конечными элементами общего вида, жестко сопряженными с элементами плит перекрытий, покрытия и в опорных узлах на уровне обреза фундаментов.

3. Балки, работающие совместно с плитами перекрытий, смоделированы стержневыми конечными элементами прямоугольного сечения как ребра жесткости, усиливающие плиты через абсолютно жесткие вставки.

Расчет элементов каркаса выполнен для двух стадий работы конструкций:

– для стадии эксплуатации – на все эксплуатационные нагрузки с учетом влияния температурных воздействий как для отапливаемых зданий;

– для стадии возведения – на нагрузки от собственного веса конструкций, монтажной нагрузки с учетом последовательности возведения перекрытий и температурных воздействий на элементы каркаса, относящиеся к категории защищенных от солнечной радиации неотапливаемых зданий.

Ветровые нагрузки прикладывались к дискам перекрытий в виде распределенных сил. В связи с тем что нижняя часть каркаса разбита на 4 деформационных блока, потребовалось рассмотреть 6 вариантов воздействия ветрового давления на каркас, определенных по схеме 12б приложения 4 СНиП 2.01.07–85 “Нагрузки и воздействия”.

Для стадии эксплуатации были рассчитаны варианты шарнирного и жесткого примыкания верхних колонн к низу пространственного железобетонного кольца. По каждому из них проанализированы перемещения узлов расчетной схемы, усилия в колоннах, армирование кольца, а также влияние температурных воздействий на условия примыкания верхних колонн к нижнему поясу кольца с учетом восприятия нагрузки от вантового покрытия.

В результате сопоставления данных расчета принят вариант жесткого примыкания верхних колонн к нижнему поясу кольца как наиболее рациональный.

Представляя расчетную схему сооружения в виде конечно-элементной модели, необходимо было добиться компромисса между двумя противоречивыми желаниями: первое – как можно более точное решение задачи, второе – обозримость полученных результатов.

При расчете каркаса здания арены учитывались следующие факторы:

– густота сетки конечных элементов. С одной стороны, сгущение сетки повышает точность расчета, с другой – слишком мелкая сетка привела к так называемому явлению запирания, когда результат есть, но не понятен. Слабая обусловленность матрицы канонических уравнений с потерей точности получалась при слишком большой разнице в размерах конечных элементов оболочки;

– физико-механические свойства расчетной модели. Расчетная схема была близкой к геометрически изменяемой, так как содержала элементы с сильно различающимися жесткостями. Это обусловливалось наличием гибких включений элементов с малыми размерами и большой жесткостью;

– геометрия конечных элементов. Стороны конечных элементов, которые сильно различались по длине, также приводили к плохой обусловленности матрицы уравнений и, как следствие, потере точности выполняемого расчета.

Все эти факторы провоцировали неустойчивый счет при решении такой большеразмерной задачи, как расчет каркаса здания арены. Поэтому для уменьшения размерности расчетной схемы был использован прием фрагментации.

В основной фрагмент вошли все элементы каркаса: плит перекрытий, колонн, балок, стойки фахверков, металлические и плоскостные железобетонные элементы пространственного кольца. Плиты перекрытий моделировались конечными элементами больших размеров. Они участвуют лишь в общей работе каркаса, но позволяют сохранить устойчивость решения системы и получения достоверных результатов прочностного расчета. Железобетонное пространственное кольцо в этом фрагменте рассматривалось как основная конструкция, подлежащая детальному анализу, поэтому на него была наложена более густая сетка с размерами ячеек, близкими к равносторонним, в пределах 50 см в обоих направлениях.

В этой же схеме анализировалось влияние температурных воздействий на условия примыкания верхних колонн к нижнему поясу кольца. Оценивалось влияние обвязочных балок в перекрытиях и стоек фахверков на работу каркаса в целом. Был проведен анализ работы кольца и примыкающих к нему стержневых элементов на влияние обрыва канатов в характерных местах по контуру расчетной схемы каркаса.

Этот же фрагмент был проанализирован для оценки деформационного состояния каркаса. Для определения перемещений узлов в расчетной схеме использованы рекомендации СНБ 5.03.01–02 по уменьшению изгибной жесткости элементов каркаса. Одним из путей ее уменьшения явилось уменьшение модуля упругости бетона посредством поправочных коэффициентов, приведенных в разделе 7.1.3.4.

В качестве отдельных фрагментов общей расчетной схемы взяты расчетные схемы перекрытий на отметках 0.000, +4.800, +8.400 и фрагмента по совместному расчету перекрытий на отметках +11.700, +15.000, +21.000 и +26.250.

В этих схемах конечно-элементная модель строилась также с наложением на все диски перекрытий более густой сетки с размерами ячеек, близкими к равносторонним, в пределах 50 см в обоих направлениях.

При расчете железобетонных конструкций каркаса здания арены по предельным состояниям первой группы использован линейно-упругий метод расчета с учетом перераспределения усилий.

На основании расчета пространственного каркаса здания выполнены чертежи армирования его железобетонных элементов. Разработка чертежей велась поэтажно в сжатые сроки параллельно со строительством. Армирование всех железобетонных элементов каркаса выполнялось вязаной арматурой класса S500. Толщина плоских перекрытий, учитывая большой шаг колонн до 8 м, принята, согласно расчету на продавливание, 250 мм с устройством капителей толщиной 250 мм. Усилие в колоннах на уровне подвала достигает 1100 тс. Колонны в подвале в зависимости от нагрузки приняты максимального сечения – 600 х 1100 мм. Колонны с первого по седьмой этаж выполнены в опалубке круглого сечения диаметром 600 мм, в несъемной опалубке – диаметром 720 мм. Толщина стен лестничных клеток и шахт лифтов 200 мм. Лестничные марши и площадки, а также трибуны – монолитные железобетонные.


comments powered by HyperComments