Авторами проведено численное исследование работы сетчатой оболочки инженера В.Г. Шухова в условиях отказа отдельных несущих элементов системы в результате аварийного воздействия. Такой расчет оценивает свойства живучести конструкции. Тема исследования достаточно актуальна, так как в настоящее время, вопреки прогрессу в области проектирования строительных конструкций, проблема живучести далека от ее эффективного решения [1].
Расчет на прогрессирующее обрушение был проведен для исследуемой конструкции для различных вариантов обрушения в программном комплексе SCAD по методике, предложенной авторами [2, 3]. Данный расчет был выполнен после статического расчета конструкции, подбора сечений элементов по первому и второму предельным состояниям.
Для расчета сетчатого покрытия было разработано три варианта конечно-элементной модели:
• конечно-элементная модель покрытия была составлена без учета работы связей;
• была учтена работа связей по нижним поясам арок;
• были выполнено усиление конструкции путем введения продольных элементов покрытия.
В результате расчета был сделан вывод, что конструкция сетчатой оболочки двояковыпуклой кривизны обладает низким индексом живучести и может быть предрасположена к прогрессирующему обрушению. На рис.1 представлены результаты расчета покрытия на живучесть в динамической постановке по первому варианту конечно-элементной модели при обрушении узла сетки. Красным цветом показаны обрушившиеся элементы, зеленым – работающие.
Был сделан вывод, что для динамического расчета необходимо использовать более точные расчетные схемы, чем для расчета статического. Элементы, которые считаются второстепенными при расчете на статические нагрузки, при расчете на нагрузки динамические играют достаточно важную роль. Это было проверено при расчете на прогрессирующее обрушение конструкции покрытия универсального спортивно-зрелищного сооружения. На рис. 2 представлены результаты расчета покрытия на живучесть при обрушении узла сетки по второму варианту конечно-элементной модели, т.е. с учетом работы связей.
Были предложены меры по усилению конструкции и предотвращению прогрессирующего обрушения [4]. Предлагается несколько вариантов ее усиления: увеличение связности в конструкции, увеличение поперечных сечений отдельных элементов. Конструкция покрытия была усилена продольными элементами (рис.3). При этом жесткость конструкции значительно увеличивается, конструкция может работать как оболочка. Значительно увеличивается внутренняя статическая неопределимость конструкции. В результате усиления видно, что конструкция стала более жесткой и более устойчивой к возникновению прогрессирующего обрушения.
Рис. 1. Результат расчета на живучесть по 1-му варианту конечно-элементной модели
Рис. 2. Результат расчета на живучесть с учетом работы связей по второму варианту
Рис. 3. Результат расчета на живучесть конструкции, усиленной продольными элементами
Заключительные выводы по статье
1. Данная конструкция покрытия без учета работы связей при расчете на прогрессирующее обрушение имеет низкий коэффициент живучести;
2. При учете работы второстепенных элементов (связей) при расчете на прогрессирующее обрушение живучесть конструкции значительно повышается. При этом не произведено никаких усилений конструкции. Средний коэффициент живучести возрастает с 78.77 % до 92,25 %. При аварийном воздействии в данной модели усилия распределяются еще и на связи при условии равнопрочного соединения в узлах.
3. Усиление покрытия продольными элементами значительно повышает живучесть конструкции, увеличивается ее статическая неопределимость.