ANSYS-Анализ причин обрушения Трансвааль-парк


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
В рамках строительной экспертизы был
выполнен анализ причин обрушения боль
шепролетного здания спортивно-оздоро
вительного комплекса (СОК) «Трансва
аль-парк». В настоящей статье мы рас
скажем об опыте применения ANSYS при
численном моделировании поведения и
сценариев обрушения системы «грунто
вое основание
— ж/б каркас
— стальные
колонны со связями
— ребристая ж/б
разработку и верификацию с помощью ANSYS
следующих расчетных моделей сооружения СОК:
статическая модель, воспроизводящая
геометрико-жесткостные, инерционные и
нагрузочные характеристики системы
таллические колонны со связями
— реб
ристая ж/б оболочка покрытия»
статическая модель системы
«сооруже
— грунтовое основание»,
учитываю
щая данные геологических изысканий и

динамическая модель системы
«колон
ны со связями
— ребристая ж/б оболочка
для определения значимого
спектра собственных частот и форм и для
анализа влияния пульсационных ветро
вых, сейсмических, вибродинамических
нагрузок;
модель системы
«колонны со связями
ребристая ж/б оболочка покрытия»
для уче
та физической нелинейности (для железо
— эффекты ползучести, растрески
вания и др., для металла
— пластичность
и образование трещин) и геометрической
нелинейности
— большие перемещения
оболочки покрытия;
СОК «Трансвааль-парк»
С.И.Дубинский, МГСУ
Здание СОК «Трансвааль-парк» после обрушения конструкций покрытия (фото Владара Бондарева,
Технологии
Технологии
объемные твердотельные модели наибо
лее напряженных узлов системы покры
тия, разрушение которых могло привести к
частичному обрушению системы (верхние
и нижние узлы металлических колонн, со
единения горизонтальных связей-распорок
Р1 с колоннами и закладными деталями в
стенах, соединение связей С1 с колонна
ми, устойчивость колонн).
По результатам верификационных расче
тов можно сделать вывод о взаимном соответ
ствии расчетных моделей ANSYS, Лира, СТА
ДИО и SCAD.
Кроме того, стоит обратить внимание на
следующие факторы, которые необходимо учиты
вать при выполнении подобного рода расчетов:
значимость температурных факторов;
достоверное численное определение эпюр
стационарного ветрового давления для ха
рактерных направлений ветра;
необходимость учета динамических нагру
зок вообще и пульсационных ветровых на
грузок в частности;
определяющая роль эффектов физической
(ползучесть бетона) и геометрической (боль
шие перемещения оболочки) нелинейности
в адекватном описании работы системы;
подтвержденная расчетами возможность
работы системы по схемам, отличным от
принятой в проекте (в частности, шарнир
ное опирание колонн снизу и сверху): от
рыв крайних колонн от нижней закладной;
чрезмерно большие сдвигающие усилия и
угрожающий уровень выявленных числен
но квазиупругих напряжений в верхнем
узле колонн, которые могут привести к раз
рушению блюмса, сварных швов, массива
бетона опорного контура оболочки. Все это
требует привлечения нелинейных моделей
— металлические колонны
СОК «Трансвааль-парк». Ребристая ж/б оболочка покрытия (фрагменты)
Рис. 2. Стержневые КЭ (колонны, связи, ребра).
С учетом результатов верификации была
разработана уточненная «унифицированная»
многопараметрическая оболочечно-стержне
вая модель, воспроизводящая все особенности
геометрии, свойств материалов и НДС системы
«ребристая оболочка
— колонны со связями»
для стадий распалубки, завершения строитель
ства и эксплуатации (рис. 1 и 2). Конечно-эле
ментная модель содержит 30 «материалов»/се
чений, около 1
тыс. узлов и 20 тыс. стержневых
и оболочечных КЭ.
Стадия распалубки важна не только как форми
рующая начальное НДС, которое в значитель
ной мере определяет поведение конструкции на
последующих стадиях строительства и эксплу
атации. Интерес также вызывает наличие на
турных измерений прогибов, по которым можно
«калибровать» математическую модель. Были
рассмотрены линейно-упругие и нелинейные
(растрескивание опорного контура, изменение
жесткости верхнего узла колонн) задачи для
стадии распалубки. В качестве нагрузок были
заданы собственный вес конструкций и суточ
ный температурный перепад; перголы отсут
ствовали. В
рамках линейно-упругих моделей
растрескивание опорного контура и пониженная
жесткость верхнего узла колонн моделирова
лись приведенными характеристиками:
оп.конт
Основные результаты вариантных статических
расчетов, выполненных в ANSYS и СТАДИО:
прогибы оболочки достигают 12
мм (что близко
к замеренной величине 134 мм) только за счет
растрескивания бетона опорного кольца и при
легающей зоны 200-мм скорлупы, а при неучете
этого фактора едва дотягивают до 80 мм.
Расчеты, связанные с определением соб
ственных частот и форм колебаний механичес
ких систем, являются наиболее информативны
ми с точки зрения верификации моделей, пос
кольку, с одной стороны, интегрируют многие
факторы и параметры расчетной модели, а с
— позволяют выявить их различие.
Первой рассматривалась грубая модель
конструкции покрытия СОК для шарнирного со
единения колонн-труб с жестким основанием и
оболочкой при «начальном» значении модуля
упругости бетона
= 30 000 МПа
— условно
Расчет динамических характеристик по
казал выраженную жесткостную диспропорцию
оболочки покрытия и колонн со связями. Это
видно по первым трем формам собственных ко
лебаний расчетной модели конструкции, в кото
рых оболочка в целом перемещается в горизон
тальной плоскости (по первой форме собствен
ных колебаний
— поступательно, а по второй
и третьей
— вращательно) как твердое тело.
Только начиная с четвертой формы оболочка
начинает деформироваться в вертикальном
направлении, как это принято в традиционном
представлении о динамических деформациях
оболочечных конструкций.
Все используемые в верификационных ис
пытаниях программные комплексы дали весьма
близкие значения первых десяти со
ственных
«Тестовая» модель покрытия. Низшие собственные частоты колебаний, Гц
СТАДИО*
1-й столбец
— среднестенные оболочечные КЭ, 2-й
— тонкостенные КЭ Олмана, 3-й
— тонкостенные КЭ с моментным ПНС.
— число полуволн в окружном направлении оболочки.
— число полуволн в радиальном направлении оболочки.
Технологии
частот при одинаковой последовательности со
ответствующих им форм колебаний (см. табли
цу), что подтверждает идентичность расчетных
моделей и достоверность полученных резуль
татов.
Выявленное расчетами низкое значение
первой частоты указывает на необходимость
проведения динамического расчета на действие
пульсационной составляющей ветровой нагруз
ки, а плотный спектр собственных частот свиде
тельствует о возможности резонансных откли
ков системы на вибродинамические, сейсмичес
кие и виброакустические воздействия.
Линейно-упругие модели от действия собствен
ного веса, веса кровли с утеплителем, снеговой
нагрузки и средней ветровой нагрузки для раз
личных периодов строительства и эксплуатации
СОК показали объяснимое нарастание пере
мещений, усилий и напряжений в критических
несущих конструкциях по сравнению с учетом
только собственного веса (этап распалубки).
Для уточнения влияния изменения свойств
железобетона необходим дополнительный ана
лиз, позволяющий учитывать нелинейность
деформирования бетона и арматуры, кинетику
образования и раскрытия трещин в наиболее
напряженных зонах, образование очагов разру
При нелинейном моделировании бетона в
ANSYS обычно применяется модель CONCRETE,
которая описывает поведение хрупких материа
лов. При достижении любым главным напряже
нием растяжения поверхности разрушения воз
никает трещина и напряжения в этом направле
нии внезапно падают до нуля. При предельном
сжатии возникает крошение. Для каждого глав
ного направления проводится проверка по кри
William-Warnke
. Упрочнение не предпола
гается ни для растяжения, ни для сжатия.
При анализе поведения конструкции при
длительном загружении следует учитывать вли
яние реологических процессов и возникновение
дополнительных деформаций ползучести для
данных свойств бетона с учетом геометрии обо
лочки и влажности.
Нелинейные расчеты, выполненные в
ANSYS, показали теоретически объяснимое
различие с результатами линейно-упругих рас
четов. В частности:
Интенсивное нарастание перемещений и
усилий в первые 40-
0 дней после распа
лубки как проявление длительной ползу
чести, удовлетворительно согласующееся
с доступными натурными наблюдениями.
Влияние геометрической нелинейности,
особенно выраженное для зон оболочки с
минимальными приведенными жесткост
ными характеристиками.
— красный, на биссектральной плоскости
Вызванное вышеупомянутыми эффектами
возрастание усилий в опорной системе, в
частности в распорках Р1 (до 48-
Заметим, что параметры НДС достиг
ли угрожающе большого максимума как раз к
февраля 2004 года. В этот день был зафик
сирован максимум снеговой нагрузки.
Результаты линейно-спектральных рас
четов системы на вибродинамические и сейс
мические воздействия показали, что они могут
быть исключены не только из числа версий раз
рушения, но и из набора значимых, требующих
учета факторов. Полученные амплитуды дина
мических напряжений для наиболее нагружен
ных элементов системы находятся ниже порога
чувствительности, то есть не вносят свой вклад
в усталостную повреждаемость.
Для оценки влияния разрушения критичес
ких, тяжело нагруженных зон/узлов конструкций
покрытия на инициирование обрушения всей
системы были построены и проанализированы
вариантные расчетные модели системы
лочка
— колонны со связями»
Результаты статических расчетов по этим
прогрессирующий характер разрушения
всей системы при образовании радиаль
ной трещины в опорном контуре;
существенную перегрузку соседних колонн
при выходе колонны из опорного контура;
значимое перераспределение усилий в
опорной системе при обрыве связей Р1.
Реальные процессы разрушения, отра
женные в рассмотренных статических моде
лях, носят сильно выраженный динамический
характер и могут приводить к более значимым
перегрузкам.
Сложный характер работы сооружения с пере
менными по площади жесткостями и нагрузка
ми, необходимость учета реального рельефа и
пространственного распределения различных
грунтовых фракций делают обоснованным при
менение продвинутых моделей основания. В
четах использовалась упруго-пластическая мо
дель грунта Друкера-Прагера с известными из
испытаний грунтов по ГОСТ механическими па
раметрами (модуль деформации, коэффициент
Пуассона, угол внутреннего трения и удельное
сцепление). Трехмерная конечно-элементная
модель массива основания с учетом реального
рельефа и слоистости показана на рис.
На разработанной суперэлементной мо
дели комплексной системы
— фун
даментная плита с каркасом
— конструкции
СОК (суперэлемент
— грунтовый
— фундаментная плита с каркасом,
— подсистема
«ребристая ж/б оболочка
— ме
таллические колонны со связями»
) были прове
дены расчетные исследования НДС для различ
ных этапов возведения фундаментной плиты,
каркаса, оболочки и заполнения бассейнов. Рас
смотрены все значимые варианты нагружения, а
также их значимые линейные комбинации-соче
удовлетворительное соответствие указан
ных результатов данным геодезических
наблюдений, выполненных на стадии стро
ительства объекта (максимальная осадка
за период с начала до завершения строи
тельства
возникновение неразрушающих (на поря
док меньших), но и не пренебрежимо ма
лых перемещений, деформаций, усилий и
напряжений в подсистеме
колонны со связями»
покрытия в процес
се строительства, ввода в эксплуатацию
(монтаж технологических систем, возведе
ние конструкций и заполнение бассейнов)
в элементах, моделирующих арматуру в ребрах
Рис. 6. Трехмерная конечно-элементная модель
СОК «Трансвааль-парк»
Технологии
и самой эксплуатации (осушение/заполне
ние бассейнов и технологических систем),
Таким образом, выдвинутая сначала вер
сия о решающем влиянии деформативности
системы
«грунтовое основание
— ж/б фунда
ментная плита и каркас»
на поведение и раз
рушение системы
«ж/б оболочка
— металли
ческие колонны со связями»
не нашла своего
подтверждения.
Были разработаны и исследованы уточ
ненные объемные физически (ползучесть и
трещинообразование бетона, пластичность и
развитие трещин в металле блюмса и сварки),
геометрически (большие перемещения, потеря
устойчивости) и структурно (контакты элементов
с трением и отрывом) нелинейные конечно-эле
ментные модели критических узлов конструкции
СОК, обеспечивающие анализ их напряженно-
деформированного состояния, прочности, устой
чивости и разрушения в рамках выдвинутых
Для верхнего узла опорной колонны была по
строена объемная КЭ-модель, содержащая
приблизительно 40 тыс. узлов (для 1/2 части с
учетом симметрии задачи),
— рис. 7. Модель
включала блюмс, ребра, закладную пластину,
крышку трубы и сварные швы. Использовались
конечные элементы второго порядка с промежу
точными узлами (шестигранный двадцатиузло
вой и тетраэдральный десятиузловой), а также
контактные элементы. С учетом доминирую
щего влияния на НДС изгибающего момента,
возникающего от прогибов оболочки (кручения
опорного контура), был рассмотрен именно этот
нагружающий фактор.
Результаты выполненных расчетных ис
следований для двух подтвержденных длин
катетов сварного шва
— закладная
пластина»
(1
мм
— по проекту, 22 мм
— в не
которых «натурных» колоннах) с учетом раскры
тия контактов
— закладная пластина»
— боковые ребра»
и возникновения
пластических деформаций (приняты реальные
диаграммы деформирования металла блюмса и
сварных швов) позволяют:

определить зависимость угловой подат
ливости этого узла (до его разрушения)
от изгибающего момента, отличную от
идеального шарнира и от защемления (в
10-
0 раз меньше для этапов распалубки
и эксплуатации), и использовать ее в рас
четах системы
«оболочка
— колонны со
связями»
выявить реальное НДС и возможные меха
Полученные результаты численного мо
делирования подтверждают и конкретизируют
несовершенство проектного и реализованно
го вариантов верхнего узла колонн, «рабочее»
состояние которого является либо докритичес
ким с восприятием и передачей на колонны со
связями значимого момента до 10-1
тсм), либо
закритическим с разрушением по сварке или по
телу блюмса, сопровождаемым мгновенным па
дением момента и динамическим нагружением
системы.
Была составлена также объемная КЭ-модель
нижнего узла колонны, состоящая из
тыс. уз
лов (для 1/2 части модели с учетом симметрии
задачи). Использовались конечные элементы
второго порядка с промежуточными узлами,
а также контактные элементы. В качестве ос
новных нагрузок были заданы сдвигающие уси
лия, которые по результатам расчетов достигли
400
кН и выше для эксплуатационного состоя
ния, и угол поворота.
Устойчивость колонны со связями
Были разработаны оболочечные модели ко
лонны с двумя коробами с использованием
восьмиузловых изопараметрических конечных
элементов второго порядка, поддерживающих
сдвиг. Верхняя и нижняя зоны колонны (блюмс
с ребрами) моделировались жесткими стержне
выми конечными элементами. Внизу были зада
ны условия шарнирного опирания, вверху и по
границе коробов
— заданные нагрузки и (или)
перемещения. Задача решалась в физически
(пластичность металла колонн) и геометричес
ки (значимые перемещения) нелинейной по
становке. Результаты расчетных исследований,
представленные на рис. 9, свидетельствуют о
том, что потеря устойчивости сжатой колонны
с растянутыми связями Р1 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 нагруз
ках, близких к заданным (0,9
— для варианта
Опорный ж/б контур оболочки
Выполненное моделирование ребристой обо
лочки толщиной 70-100 мм пластинчато-оболо
чечными и стержневыми конечными элемента
ми, по нашему мнению, является обоснованным.
Тем не менее в условиях довольно высоких сжи
мающих 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 эле
ментов бетона даже при одном слое элементов
по толщине возможно без потери точности.
наружной, внутренней и верхней точек колонны;
Рис. 10. Опорный контур:
— эквивалентные напряжения в арматуре и закладной пластине со стержнями
Технологии
При 10%-ной нагрузке (от полной нагрузки
распалубки) выявлено резкое изменение жест
кости системы, вызванное появлением большой
зоны трещинообразования. Как показал анализ
результатов расчетов, НДС бетонной части в нели
нейной постановке существенно зависит от жест
кости колонны со связями. Важным для общей
жесткости системы является изгиб относительно
слабо армированной зоны переменной толщины
(от 200 до
00 мм). При 12-1
%-ной нагрузке про
изошло резкое уменьшение жесткости системы,
вызванное появлением большой зоны трещино
образования в опорном контуре (рис. 10).
В ходе экспертных исследований была под
тверждена возможность разрушения сооруже
ния СОК «Трансвааль-парк» по двум сценариям,
связанным с ошибками проектирования:
Толчком к разрушению покрытия стало
подготовленное всей статической и цикли
ческой историей нагружения разрушение
одного из тяжело нагруженных узлов опор
ной системы или потеря устойчивости од
ной из колонн (вследствие больших плас
тических деформаций в зоне соединения с
распорками), что привело к образованию,
распространению и раскрытию субради
альной трещины в оболочке. В завершаю
щей стадии падающая оболочка потянула
за собой всю опорную систему, не рассчи
2.
Сначала произошла потеря устойчивости
гибкой ж/б ребристой оболочки (всле
ствие
больших перемещений, вызванных в том чис
ле проявлением эффекта ползучести бетона
под действием весовой и снеговой нагрузок),
сопровождаемая образованием локальных и
магистральной трещин. А после раскрытия
указанной и, возможно, кольцевой магист
ральной трещин падающая оболочка потяну
ла за собой всю опорную систему.
Архитектурное инженерно-техническое и
административно-бюрократическое сообщества
должны усвоить, что эффективное, не ограничи
вающее свободу творчества архитектора решение
задач обеспечения надежности и бе
опасности
уникальных сооружений возможно только силами
квалифицированных специалистов-расчетчиков
с применением математического моделирования
и численных методов, реализованных в совре
менных программных комплексах. Эти матема
тические модели должны сопровождать объекты
на всех этапах их жизненного цикла (проектиро
вания, строительства, эксплуатации, ремонта и
реконструкции), обеспечивая адекватный анализ
и прогноз их состояния в составе информацион
но-диагностических систем мониторинга.

Приложенные файлы

  • pdf 6578867
    Размер файла: 690 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий