ANSYS Mechanical

vk.com/club152685050ANSYS Mechanical. Верификационный| vk.com/id446425943отчет. Том 4 (опыт применения в проектной и экспертной практике)

Рис. 9. Эквивалентные напряжения (МПа) для М=9.44 тсм

Полученные результаты численного моделирования подтверждают и конкретизируют несовершенство проектного и реализованного вариантов верхнего узла колонн, “рабочим” состоянием которого является либо “докритическое” состояние, с восприятием и передачей на колонны со связями значимого момента до 10-15 тсм), либо «закритическое», с разрушением по сварке или по «телу» блюмса, сопровождаемым «мгновенным» падением момента и динамическим нагружением системы.

1.6 Нижний узел колонн

Была составлена также объемная КЭ-модель нижнего узла колонны, состоящая из 6000 узлов (для ½ части с учетом симметрии задачи). Использовались КЭ второго порядка с промежуточными узлами, а также контактные элементы. В качестве основных нагрузок были заданы сдвигающие усилия, которые по результатам расчетов достигли 400кН и выше для эксплуатационного состояния, и угол поворота.

1.7 Устойчивость колонны со связями

Разработаны “оболочечные” модели колонны с двумя коробами с использованием восьмиузловых изопараметрических КЭ второго порядка, поддерживающих сдвиг. Верхняя и нижняя зоны колонны (блюмс с ребрами) моделировались жесткими стержневыми КЭ. Внизу были заданы условия шарнирного опирания, вверху и по границе коробов–расчетные нагрузки и (или) перемещения. Задача решалась в физически (пластичность металла колонн) и геометрически (значимые перемещения) нелинейной постановке. Результаты расчетных исследований, представленные на рис. 10, свидетельствуют, что потеря устойчивости сжатой колонны с растянутыми связями происходит не по “традиционной” стержневой форме при высокой критической нагрузке, а по сугубо оболочечной форме в зоне коробов (с изменением кольцевой формы сечения на сложную эллипсообразную c большим радиальным прогибом со стороны внешней стороны колонны) при весьма высоком уровне пластических деформаций при нагрузках, близких к заданным (от 0,96 до 1,14 для различных подвариантов).

vk.com/club152685050ANSYS Mechanical. Верификационный| vk.com/id446425943отчет. Том 4 (опыт применения в проектной и экспертной практике)

Рис. 10. “Оболочечное” деформирование и потеря устойчивости колонны со связями СОК:

(a) – перемещения наружной, внутренней и верхней точек колонны, (б) – эквивалентные пластические деформации, εmax =19,8%

1.8 Опорный ж/б контур оболочки

Выполненное моделирование ребристой оболочки толщиной 70-100 мм пластинчатооболочечными и стержневыми КЭ, по нашему мнению, является обоснованным. Тем не менее, в условиях достаточно высоких сжимающих напряжений на большей части площади необходим анализ прочности по растрескиванию в критических зонах стыка ребер и скорлупы на объемных моделях. Как показали проведенные тестовые расчеты, применение объемных элементов бетона даже при одном слое элементов по толщине возможно без потери точности.

При 10%-й нагрузке (от полной нагрузки распалубки) выявлено резкое изменение жесткости системы, вызванное появлением большой зоны трещинообразования. Как показал анализ результатов расчетов, НДС бетонной части в нелинейной постановке существенно зависит от жесткости колонны со связями. Важным для общей жесткости системы является изгиб относительно слабо армированной зоны переменной толщины (от 200 мм к 500 мм). При 12-15%-й нагрузке произошло резкое уменьшение жесткости системы, вызванное появлением большой зоны трещинообразования в опорном контуре (рис. 12).

Рис.12. Опорный контур: (a) – эквивалентные напряжения в арматуре и закладной пластине со стержнями (σmax=69 МПа). (б) – Растягивающие напряжения в оголовке (МПа)

vk.com/club152685050ANSYS Mechanical. Верификационный| vk.com/id446425943отчет. Том 4 (опыт применения в проектной и экспертной практике)

1.9 Выводы

Результатом проведенных экспертных исследований является подтвержденная возможность осуществления двух групп сценариев разрушения сооружения СОК “Трансваальпарк”, связанных с ошибками проектирования:

1.В соответствии с первым вариантом “спусковым крючком” явилось подготовленное всей статической и циклической историей нагружения разрушение одного из тяжело нагруженных узлов опорной системы или потеря устойчивости одной из колонн (вследствие больших пластических деформаций в зоне соединения с распорками), которая через цепь событий привела к образованию, распространению и раскрытие субрадиальной трещины в оболочке. В завершающей стадии падающая оболочка «потянула» за собой и всю опорную систему, не рассчитанную на восприятие таких нагрузок.

2.По второму возможному сценарию вначале произошла потеря устойчивости гибкой ж/б ребристой оболочки (вследствие больших перемещений, вызванных, в том числе, проявлением эффектов ползучести бетона при действии весовой и снеговой нагрузок), сопровождаемая образованием локальных и магистральной трещин. После раскрытия указанной и, возможно, кольцевой магистральной трещины падающая оболочка “потянула” за собой и всю опорную систему.

Архитектурное, инженерно-техническое и административно-бюрократическое сообщества должны усвоить уроки подобных аварий-обрушений. Один из них: эффективное, не сдерживающее архитектурное творчество решение задач обеспечения надежности и безопасности уникальных сооружений возможно силами квалифицированных специалистоврасчетчиков на основе математического моделирования с привлечением современных численных методов и программных комплексов. Эти математические модели должны сопровождать объекты на всех этапах их жизненного цикла (проектирования, строительства, эксплуатации, ремонта и реконструкции), обеспечивая адекватный анализ и прогноз состояния в составе информационно-диагностических систем мониторинга.

vk.com/club152685050ANSYS Mechanical. Верификационный| vk.com/id446425943отчет. Том 4 (опыт применения в проектной и экспертной практике)

2. Конечноэлементное моделировании поведения и сценариев обрушения системы “грунтовое основание–фундаментные конструкции–стальные колонны со связями

–вантовая оболочка покрытия” Басманного рынка (2006-2007 гг.)

Врамках строительно-технической экспертизы был выполнен анализ причин обрушения большепролетного здания Басманного рынка (23 февраля 2006г.).

Здесь представлен визуальный “дайджест” результатов численного моделирования поведения и сценариев обрушения системы “грунтовое основание–фундаментные конструк- ции–стальные колонны со связями – вантовая оболочка покрытия” и критических узлов, выполненного с применением ПК ANSYS, Лира и СТАДИО.

vk.com/club152685050ANSYS Mechanical. Верификационный| vk.com/id446425943отчет. Том 4 (опыт применения в проектной и экспертной практике)

Сценарий локального разрушения и прогрессирующего обрушения (СТАДИО)

vk.com/club152685050ANSYS Mechanical. Верификационный| vk.com/id446425943отчет. Том 4 (опыт применения в проектной и экспертной практике)

3. Анализ причин обрушения промздания. Трехмерное численное моделирование поведения системы “колонны–фермы–связи” и критических зон

3.1. При проведении экспертизы причин “мгновенного” обрушения всех стропильных ферм со связями и кровлей (один из цехов завода), произошедшего 22.12.2005г. на заключительном этапе строительства, использовался методологический подход, ранее выработанный и систематизированный в ходе экспертиз причин обрушения зданий СОК “Трансвааль-парк” [1–3] и Басманного рынка. Этапы экспертизы:

–сбор, анализ и обобщение научной, проектной и исполнительной документации по системе “здание–основание”, данных после разрушения;

–выработка гипотез и возможных сценариев локальных разрушений и прогрессирующего обрушения конструкций покрытия;

–разработка и верификация альтернативных расчетных многопараметрических моделей системы “здание–основание” и критических узлов;

–проверка расчетов НДС, прочности и устойчивости конструкций цеха, выполненных Проектантом, на соответствие проектным предположениям, реализованным конструктивным решениям и требованиям действовавших СНиП’ов [4, 5];

–выполнение комплексных расчетных исследований НДС, прочности и устойчивости несущих конструкций цеха при проектных, фактических, гипотетических эксплуатационных

и“катастрофических” сочетаниях нагрузок с учетом данных натурных исследований;

–итоговый анализ и обобщение в экспертном заключении результатов математического моделирования и натурных исследований.

3.2. Расчетные исследования НДС и прочности выполнены для 3-х выделенных групп нагрузок на покрытие, каждая из которых несет свою смысловую экспертную “нагрузку” (таблица 1,4):

–проектные (проверка проектных решений),

–фактические, с учетом выявленных отступлений от проекта, на момент обрушения (поиск истинных причин обрушения),

–гипотетические при так и не “случившейся” эксплуатации (прогноз последствий,

риски).

Рассмотрены 2 варианта проектных нагрузок: на момент обрушения и при эксплуатации (принятые в проекте).

Фактические нагрузки на момент обрушения оценивались по собранным и проанализированным проектным, натурным (замеры) и экспертным данным. С учетом выявленного существенного “разброса” в качестве расчетных принимались минимальные, средние и максимально возможные значения.

Гипотетические нагрузки при эксплуатации также принимались в диапазоне, границы которого характеризуют минимально и максимально возможные значения с учетом установленных отступлений от проекта.

Снеговые и ветровые нагрузки за весь период строительства цеха принимались по данным Росгидромета. Момент обрушения характеризовался максимальными снеговыми отложениями (до 32 см без учета “мешков”) и незначительным ветром.

Были инициированы натурные испытания, в частности, измерения вибраций от проходящего внутризаводского железнодорожного транспорта, не показавшие скольконибудь значимых амплитуд виброперемещений.

3.3. Моделирование поведения конструкций покрытия цеха при проектных, фактических и гипотетических эксплуатационных нагрузках выполнялось по ПК Robot Millennium [6]. Построены и верифицированы подробные пространственно-стержневые конечноэлементные модели, реалистично описывающие геометрико-жесткостные и нагрузочные характеристики и НДС системы “колонны–фермы–связи” (рис.1).

Некоторые результаты многопараметрических расчетных исследований представлены в таблица 2 и на рис.2.

vk.com/club152685050ANSYS Mechanical. Верификационный| vk.com/id446425943отчет. Том 4 (опыт применения в проектной и экспертной практике)

При “средних” и, тем более, “максимальных” фактических (22.12.2005г.) нагрузках выявлен опасный уровень усилий в нижнем растянутом поясе, в раскосах Р2, Р3 и стойках С2 стропильных ферм ФС1 (таблица 2). Моделирование поведение системы при локальном разрушении наиболее напряженных раскосов Р2 (таблица 3, рис.3,4) подтверждает прогрессирующий характер дальнейшего обрушения конструкций покрытия.

3.4. Большое и, как показал опыт экспертизы СОК “Трансвааль-парк” и здания Басманного рынка, оправданное внимание уделено моделированию реального поведения наиболее напряженных и/или “нетрадиционно” решенных конструктивных узлов. Фокус нашего интереса – сварные соединения “пояс П1 – накладка Н1 – раскосы Р” наиболее нагруженной стропильной фермы ФС1.

Построены и исследованы последовательно уточняющиеся объемные физически (пластичность металла), геометрически (большие перемещения) и структурно (контакты размыканием-смыканием и трением) нелинейные конечноэлементные модели (ПК ANSYS [7]). Результаты расчетов подтвердили опасения относительно прочности самого узла и его влияния на работу системы в целом при фактических нагрузках

(рис.4-7).

vk.com/club152685050ANSYS Mechanical. Верификационный| vk.com/id446425943отчет. Том 4 (опыт применения в проектной и экспертной практике)

Рис. 1. Пространственно-стержневая КЭ-Robot-модель несущих металлоконструкций цеха. Общий вид

Рис. 2. КЭ-Robot-модель несущих металлоконструкций цеха. Перемещения общие от нормативной фактической нагрузки

vk.com/club152685050ANSYS Mechanical. Верификационный| vk.com/id446425943отчет. Том 4 (опыт применения в проектной и экспертной практике)

Таблица 2

Отношения запаса прочности сечений фермы ФС1 (конструкция по проекту, нагрузки “средние” фактические, на 16,1% больше проектных)