Оптимальное проектирование большепролетной арочной конструкции

Введение. 

Большепролетные сооружения проектируются в качестве зданий зрелищно-массового назначения, спортивных комплексов и т.д. Как один из вариантов покрытия большепролетных сооружений могут использоваться стальные арочные конструкции. Вопрос рационального проектирования большепролетных стальных арок, а также корректный выбор расчетной схемы и анализа ее несущей способности является актуальным.

Материалы и методы. 

Рассмотрено покрытие теннисного спортивного комплекса пролетом 108 м, выполненное в виде стальной двухшарнирной арки без затяжки и арок с предварительно напряженной затяжкой и несколькими вариантами решетки. Проведены подбор сечения элементов конструкции, анализ влияния величины предварительного напряжения затяжки на усилия и перемещения, возникающие в арке, а также на ее металлоемкость. Проанализирована общая устойчивость рассмотренных арочных конструкций. Расчеты выполнялись в геометрически нелинейной постановке с использованием программного комплекса (ПК) ЛИРА-САПР.

Результаты. 

Определено, что масса арки с затяжкой и решеткой меньше, чем масса арки без затяжки. За счет отсутствия передачи распора от арки с затяжкой на колонны можно добиться снижения расхода металла на колонны и упростить узлы конструкции. Установлена необходимая величина предварительного напряжения затяжки для обеспечения требуемой жесткости арки. Несколькими методами определена критическая нагрузка, при которой арка теряет устойчивость в своей плоскости — аналитическим способом, на основе результатов геометрически нелинейного расчета и с использованием режима «Устойчивость», реализованного в ПК ЛИРА-САПР. Критическая нагрузка оказалась выше для арки с затяжкой.

Выводы. 

На основе проведенных расчетов принято решение о применении в качестве покрытия рассматриваемого спортивного комплекса двухшарнирной арки с предварительно напряженной затяжкой и решеткой. Величины критической нагрузки потери устойчивости арки, полученные на основе геометрически нелинейного конечно-элементного расчета и с использованием режима «Устойчивость», оказались весьма близки. Применение аналитического расчета дало завышенное значение критической нагрузки, что не позволяет рекомендовать его к использованию.

1. Еремеев П.Г. Металлические конструкции покрытий уникальных большепролетных сооружений // Промышленное и гражданское строительство. 2007. № 3. С. 19–21.

2. Кривошапко С.Н., Мамиева И.А. Выдающиеся пространственные сооружения последних 20 лет // Монтажные и специальные работы в строительстве. 2012. № 12. С. 8–14.

3. Кривошапко С.Н. Висячие тросовые конструкции и покрытия сооружений // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2015. № 7 (34). С. 51–70.

4. Lazzari M., Majowiecki M., Vitaliani R.V., Saetta A.V., Nonlinear F.E. Analysis of Montreal Olympic Stadium roof under natural loading conditions // Engineering Structures. 2009. Vol. 31. Issue 1. Pp. 16–31. DOI: 10.1016/j.engstruct.2008.07.010

5. Душкевич К.Н. Роль большепролетных оболочек в формообразовании общественных зданий // Architecture and Modern Information Technologies. 2017. № 4 (41). С. 163–178.

6. Пашкова Л.А., Денисова Ю.В. Эволюция большепролетных сооружений на примере олимпийских объектов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2016. № 11. С. 88–94. DOI: 10.12737/22380

7. Belostotsky A.M., Britikov N.A., Gorya­chevsky O.S. Critical review of modern numerical mo­delling of snow accumulation on roofs with arbitrary geometry // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2021. Vol. 17. Issue 4. Pp. 40–59. DOI: 10.22337/2587-9618-2021-17-4-40-59

8. Tominaga Y. Computational fluid dynamics simulation of snowdrift around buildings: Past achievements and future perspectives // Cold Regions Science and Technology. 2018. Vol. 150. Pp. 2–14. DOI: 10.1016/j.coldregions.2017.05.004

9. Семенов А.А., Демидова Д.А., Нафикова А.А., Зимин С.С., Николаев Д.И. Вариантное проектирование конструкции покрытия большепролетного спортивного сооружения // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2018. № 5 (68). С. 24–35. DOI: 10.18720/CUBS.68.3

10. Семенов А.А., Порываев И.А., Софоян С.В., Гилемханов Р.А., Семенов С.А. Анализ работы несущих конструкций покрытия большепролетного спортивного сооружения // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2015. № 4 (31). С. 58–81.

11. Backer H.D., Outtier A., Bogaert Ph.V. Buckling design of steel tied-arch bridges // Journal of Constructional Steel Research. 2014. Vol. 103. Pp. 159–167. DOI: 10.1016/j.jcsr.2014.09.004

12. Cai Y.Q., Ding W.S. Mechanical behavior analysis of long-span steel truss arch bridge based on static load test // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 392. P. 062008. DOI: 10.1088/1757-899X/392/6/062008

13. Bradford M.A., Pi Y.-L. Flexural–torsional buckling of fixed steel arches under uniform bending // Journal of Constructional Steel Research. 2006. Vol. 62. Issue 1–2. Pp. 20–26. DOI: 10.1016/j.jcsr.2005.02.012

14. Dou C., Jiang Z.Q., Pi Y.L., Gao W. Elastic buckling of steel arches with discrete lateral braces // Engineering Structures. 2018. Vol. 156. Pp. 12–20. DOI: 10.1016/j.engstruct.2017.11.028

15. Lu H.W., Liu A.R., Pi Y.L., Huang Y.H., Bradford M.A., Fu J.Y. Flexural-torsional buckling of steel arches under a localized uniform radial-load incorporating shear deformations // Journal of Structural Engineering. 2019. Vol. 145. Issue 10. DOI: 10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0002407

16. Chen S.H., Chi M.Z., Fu X.M., Mao J.W., Ju J.S. Stability analysis of H-section steel arch considering effect of welding residual stress // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 1777. Issue 1. P. 012035. DOI: 10.1088/1742-6596/1777/1/012035

17. Грудев И.Д., Симон Н.Ю., Дворников В.А. Форма оси, конструкция и расчет устойчивости арок // Промышленное и гражданское строительство. 2008. № 5. С. 22–24.

18. Pi Y.-L., Trahair N.S. In-plane buckling and design of steel arches // Journal of Structural Engineering. 1999. Vol. 125. Issue 11. Pp. 1291–1298. DOI: 10.1061/(asce)0733-9445(1999)125:11(1291)

19. Pi Y.-L., Trahair N.S. Non-linear buckling and postbuckling of elastic arches // Engineering Structures. 1998. Vol. 20. Issue 7. Pp. 571–579. DOI: 10.1016/s0141-0296(97)00067-9

20. Колоколов С.Б. Методика подбора сечения стальной арки при помощи деформационного расчета // Вестник Оренбургского государственного университета. 2015. № 5 (180). С. 151–154.

21. Колоколов С.Б. Исследование процесса деформирования арочной конструкции как способ оценки ее устойчивости // Вестник Оренбургского государственного университета. 2010. № 2 (108). С. 150–153.

22. Дмитриев А.Н., Семенов А.А., Лалин В.В. Устойчивость равновесия упругих арок с учетом искривления оси // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2018. № 4 (67). С. 19–31. DOI: 10.18720/CUBS.67.2

23. Tusnin A., Tusnina O. Analysis of supercritical behavior of rod systems // Proceedings of the METNET Seminar 2011 in Aarhus (Denmark). 2011. Pp. 160–169.

24. Zilenaite S. Comparative analysis of the buckling factor of the steel arch bridges // Engineering ­Structures and Technologies. 2019. Vol. 11. Issue 1. Pp. 11–16. DOI: 10.3846/est.2019.8856

25. Горев В.В. Металлические конструкции. Т. 2. Конструкции зданий. М. : Высшая школа, 2004. 528 с.