10894

30

размещены с внешней стороны; угол α набегающего потока ветра изме-

нялся с шагом 15°.

Суммарные аэродинамические коэффициенты давления Ср в каждой точке определялись как разность коэффициентов внешнего Се и внутрен-

него Сi давлений: Ср = Се − Сi (со своими знаками).

На рис. 3.12 приведено распределение аэродинамических коэффици-

ентов при разных углах α , а в таблице 3.1 – максимальные и минимальные значения аэродинамических коэффициентов Ср . Эти данные были реко-

мендованы как расчетные при проектировании несущих конструкций по-

крытия над трибунами. Дополнительно были проведены исследования

(численные и натурные), для вариантов модели, у которых изменялся угол наклона покрытия β.

Таблица 3.1

Максимальные и минимальные значения аэродинамических коэффициентов Ср покрытия

Исследования при разных углах β позволили оценить вероятность возбуждения аэродинамических неустойчивых колебаний. Эти же резуль-

таты позволили оценить ветровую нагрузку на стадии монтажа сооруже-

ния.

Также были выполнены численные исследования обтекания пото-

ком воздуха всего стадиона «Локомотив». Цель − оценка нестандартных нагрузок на покрытие трибун стадиона и получение общих закономерно-

31

Рис. 3.12. Распреде ление аэродинамических коэффициентов: а − α = 0° ;

б − α = 45° ; в − α = 90°

32

стей обтекания сооружения, которые были использованы для понимания вопросов вентиляции внутренних объемов стадиона.

3.3.3. Снеговые нагрузки на покрытие

Нормативное значение снеговой нагрузки было рекомендовано при-

нять в соответствии со СНиП [10] 1,0 кПа (≈ 100 кГс/м2), а коэффициент надежности по снеговой нагрузке g f ,s = 1,6 . Были проанализированы ре-

зультаты многолетних измерений (за 34 года) максимальных величин веса снегового покрова на 5 метеостанциях (в ближайших к Москве окрестно-

стях) на участках земли, защищенных от прямого воздействия ветра.

Для обеспечения повышенной надежности конструкций было реко-

мендовано учесть в расчетах коэффициент ответственности γ п = 1,2 и

принять расчетное значение снеговой нагрузки qs,a = 1,0 ×1,6 ×1,2 = 1,92

кПа (≈ 192 кГс/м2). Такая нагрузка соответствовала количеству снега, вы-

падавшего в районе Москвы 1 раз в 100 лет с учетом 15 % сноса с покры-

тий малых уклонов (фактический снос составляет 30−40 %).

Было также рекомендовано в качестве симметрично распределенной снеговой нагрузки принять значение коэффициента µ = µ1 = 1,0 (согласно испытанию модели по рис. 3.13, схема I). Это значение коэффициента μ1

определяет нагрузку в условиях малых скоростей ветра с минимальным сносом с покрытия.

Моделирование переноса снега в аэродинамической трубе выявило наиболее неблагоприятные условия «снегоотложений» (рис. 3.14).

Во всех продувках выявлено неравномерное отложение «снега» по ширине покрытия над трибунами. Схемы загружения и коэффициенты

µ для поперечного профиля покрытия над трибунами приведены на рис. 3.15.

33

При направлении потока воздуха поперек стадиона, особенно под углом 45° к продольной оси, сносимый с покрытия над трибунами снег от-

кладывался на выступающих частях козырька над проходной галереей.

Поэтому в расчетах этих конструкций была предусмотрена повы-

шенная снеговая нагрузка (рис. 3.16). При этом собственный вес несущих и ограждающих конструкций козырька оказался меньше снеговой нагрузки

≈ в 2 раза.

При малом обратном скате (5,6 м) от ендовы при таянии снега веро-

ятно сползание его (при малом обратном уклоне) в наружную сторону, что может создать угрозу для находящихся вблизи стадиона людей. В связи с этим было рекомендовано устройство низкопрофильного барьера в ендове покрытия высотой ≈ 0,3 м с просветом ≤ 10 см между барьером и кровлей.

Задана сдвигающая сила на 1 пог. м барьера FS = S × b × sin a × k , где

S = 1,92кН/м2 – расчетная снеговая нагрузка; b = 27,6 м (проектный раз-

мер – 27,956 м) – расстояние в плане от края покрытия со стороны фут-

больного поля до ендовы (в плане); α = 10° − угол уклона покрытия ко-

зырька; к = 0,7 − коэффициент, учитывающий таяние снега; численно

FS = 1,92 × 27,6 × 0,15 × 0,7 = 5,56кН/м.

3.3.4. Статическая схема работы комбинированной конструкции покрытия

Временная нагрузка на конструкции передается через светопрозрачные панели кровли на кольцевые прогоны, которые жестко сопряжены с радиальными фермами; кольцевые прогоны работают на изгиб, как много-

пролетные неразрезные балки на упруго проседающих опорах; они также включены в пространственную работу стержневой системы покрытия. В

связи с этим в них возникают дополнительные изгибающие моменты в двух плоскостях от неравномерных перемещений смежных радиальных ферм и продольные усилия, как в кольцевых ребрах купольной системы.

36

При этом продольные усилия в прогонах меняют знак от растяжения

в наружных кольцах к сжатию во внутренних кольцах.

Радиальные элементы работают как однопролетные с двумя консо-

лями. Они одним концом опираются на железобетонные конструкции три-

бун, а другим – на кольцевую коробчатую балку. Для восприятия изги-

бающих моментов от нагрузок, передающихся через прогоны, пролетные

части радиальных элементов подкреплены шпренгелями.

В верхнем поясе радиальных элементов, к которым крепятся ванто-

вые подвески, появляются дополнительные усилия как в пространственной стержневой системе, т.е. верхний пояс радиальной шпренгельной фермы испытывает усилия в двух плоскостях. Элементы решетки этих ферм ис-

пытывают продольные усилия растяжения и сжатия. Их устойчивость из

плоскости обеспечена системой кольцевых тяжей и вертикальных связей.

Кольцевая коробчатая балка работает в вертикальной плоскости на изгиб как неразрезная на упругоподатливых опорах (вантах) и на сжатие как кольцо купола, а также на горизонтальный изгиб и кручение из-за де-

планированного овала. С целью уменьшения в кольцевой балке дополни-

тельных моментов от неравномерных перемещений в вертикальной плос-

кости в ней предусмотрен обратный строительный подъем.

В пространственную работу системы включаются также связи, осо-

бенно в угловых зонах.

Элементы вантово-висячей системы работают на растяжение. Для стальных канатов приняты: γ m = 1,6 ; γ c = 0,8 ; γ c1 = 0,95 − в узлах анке-

Для уменьшения НДС комбинированной конструкции покрытия в

местах ее опирания на железобетонный каркас трибун консольные железо-

бетонные стойки приняты с наклоном внутрь (в сторону футбольного по-

ля).

37

3.3.5. Численные исследования работы конструкций покрытия

Геометрические и жесткостные параметры данной комбинированной системы редактировались на основе многовариантных численных ис-

следований.

Ставилась задача минимизировать горизонтальные и вертикальные перемещения конструкции с целью уменьшения изгибающих моментов в элементах козырька и продольных усилий в связях. Для этого в вариантах расчетов варьировались различные параметры и их влияние на работу

конструкций покрытия:

∙жесткость пилонов и оттяжек и их наклоны;

∙стрелы провисов гибких нитей, расположенных вдоль длинных сторон покрытия;

∙варианты отклонений плоскости продольных гибких нитей в пролетах от вертикали;

∙схемы расположения подвесок парных вант к консольным бал-

кам;

∙форма поверхности консольного навеса;

∙схемы опирания консольных балок на железобетонные стойки

(рамные или шарнирные узлы).

Результаты выполненных численных исследований указали на следующие решения:

∙необходимость отклонения от вертикальной плоскости гибких нитей в плоскости длинных сторон покрытия на 27,9°;

∙углы наклона парных подвесок между собой не должны быть более 90° (рис. 3.8, б); при этом переменные длины этих подвесок должны

³1,5м;

∙касательные к проекциям продольных гибких нитей в плане должны совпадать с линией (в плане) положения одного из направлений

38

оттяжек пилонов; вторые оттяжки от пилонов располагаются в плоскостях провисания коротких нитей;

∙ форма провисания гибких нитей принята на основе анализа по-

линомов с очертанием: для коротких нитей полином в степени 1,5; для длинных нитей полином в степени 1,8; при этом проектное очертание гиб-

ких нитей достигалось подбором длин парных подвесок.

В качестве основного метода расчета принят МКЭ; расчеты выпол-

нялись в упругой стадии с учетом геометрической нелинейности; конструкция рассматривалась как единая пространственная система, вклю-

чающая:

∙все элементы покрытия над трибунами;

∙вантово-висячую систему;

∙угловые пилоны с оттяжками;

∙железобетонные консольные стойки каркаса трибун, на кото-

рые опирается козырек покрытия.

Основным расчетам предшествовали численные исследования рабо-

ты системы при анализе более 40 вариантов расчетных схем. При этом варьировались жесткости, геометрические характеристики; выполнялись сходимости результатов нелинейных расчетов и их погрешности; обеспе-

чивалась надежность расчетов контролем получаемых результатов.

Основной проверочный расчет выполнялся на 10 вариантах сочета-

ний нагрузок, включая 4 схемы снеговой и 3 схемы ветровой нагрузок, а

также 2 варианта температурных воздействий.

Дополнительно были выполнены расчеты на стадии монтажа: в про-

цессе натяжения канатов и раскружаливания покрытия (освобождение от временных опор); рассматривалась расчетная схема с временными мон-

тажными опорами; во всех расчетах принимался коэффициент γ n = 1,2 .

Проверка сечений по прочности и устойчивости показала, что при принятых сечениях максимальные расчетные напряжения составили:

39

∙ в элементах из стали С20 σ ≤ 180 МПа < R y1 = 230 МПа;

∙в элементах из стали С345 σ ≤ 280 МПа < R y 2 ≤ 330 МПа;

∙в элементах из стали С390 σ ≤ 300 МПа < R y 2 ≤ 385 МПа.

Анализ результатов расчетов перемещений показал следующее:

∙ вертикальные перемещения кольцевой коробчатой балки от полной расчетной нагрузки не превысили 130 см при строительном подъе-

ме 300 мм; если для их определения учитывать только временные длитель-

ные нормативные нагрузки, а постоянную нагрузку исключить за счет строительного подъема, то прогиб от временной длительной нагрузки должен быть меньше fu , т.е. f < fu = 27,956 × 2250 = 0,22 4 м (с. 161 [6]); как отмечено в [6], это требование СНиП по второй группе предель-

ных состояний для козырька выполняется.

Анализ динамической работы конструкций покрытия над три-

бунами (включая гибкие нити, парные ванты и оттяжки пилонов) показал следующее.

Первый этап расчета показал, что вторые от пилонов парные ван-

ты-подвески имеют низкие собственные частоты (≈ 1,3 Гц), заметно отли-

чающиеся от частот остальных подвесок – поэтому было рекомендовано увеличить их предварительное натяжение для повышения собственных частот и, следовательно, понижения расчетной амплитуды колебаний .

Выявлено, что резонансное вихревое возбуждение навеса, обу-

словленное срывом ограждающих конструкций козырька, невозможно при реальных скоростях ветра.

Критические скорости ветра, при которых возникает резонансное вихревое возбуждение на основных собственных частотах, составляют:

∙для гибких нитей-подвесок 140 мм ≤ 1 − 2 м/с;

∙для парных вант-подвесок 50 мм ≤ 1,5 − 2 м/с.