Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности проектирования, изготовления и монтажа уникальных большепролетных сооружений с тонколистовыми покрытиями. Состояние вопроса 10
1.1.Вопросы проектирования уникальных большепролетных сооружений. 10
1.2. Особенности конструктивных решений тонколистовых покрытий 12
1.3. Опыт проектирования и возведения мембранных оболочек отрицательной гауссовой кривизны 19
1.4. Конструктивное решение большепролётного мембранного покрытия катка в г. Коломне. Основные положения изготовления и монтажа 29
1.5. Материалы для конструкций и соединений 36
Глава 2. Организация и проведение научного сопровождения проектирования сооружения 43
2.1. Анализ результатов расчётов и конструктивных решений 43
2.1.1. Анализ результатов расчётов 43
2.1.2. Анализ проектных решений. Разработка дополнительных рекомендаций 47
2.2. Оценка прочности и устойчивости основных элементов и узлов несущих конструкций 49
2.3. Вопросы усиления пролетной конструкций вантами 53
2.3.1. Разработка основных проектных решений узлов и деталей с применением вант 53
2.3.2. Разработка технических условий на поставку вант 55
2.3.3. Рекомендации по численным исследованиям системы покрытия с включением вант в работу на стадии монтажа и эксплуатации 57
Глава 3. Научное сопровождение изготовления и монтажа конструкций 59
3.1. Разработка и исследование вопросов изготовления основных металлических конструкций 59
3.1.1. Оценка качества проката и прокатных элементов 59
3.1.2. Оценка качества рулонируемых полотнищ 66
3.2. Разработка и исследование вопросов монтажа конструкций 68
3.2.1. Основные положения 68
3.2.2. Исследование остаточных напряжений в элементах «постели»...69
3.2.3. Разработка основных положений по монтажу мембраны 74
3.2.4. Проведение технического контроля на стадии монтажа и приемки металлоконструкций 75
3.3. Разработка и исследование вопросов монтажа вант (этапы и последовательность предварительного напряжения вант) 85
Глава 4. Проведение специальных исследований 89
4.1. Исследование несущей способности колонн при аварийных воздействиях 89
4.2. О причинах разрушения поперечных элементов постели при их монтаже 96
4.3. Применение для мембранной конструкции нового антикоррозионного материала 105
4.3.1. Основные положения 105
4.3.2. Технические характеристики композиций марки «Галлополим» 106
4.3.3. Подготовка поверхностей для нанесения покрытия 108
4.3.4. Приготовление композиции «Галлополим-02» 109
4.3.5. Проведение работ по нанесению защитного покрытия 109
4.3.6. Контроль качества противокоррозионных работ ПО
4.3.7. Устранение дефектов ПО
Глава 5. Проведение мониторинга несущих конструкций на стадии монтажа и последующей эксплуатации сооружения 112
5.1. Разработка основных положений методики мониторинга несущих конструкций 113
5.2. Проведение мониторинга несущих конструкций на стадии монтажа 115
5.2.1. Анализ результатов геодезических замеров поверхности покрытия до раскружаливания на соответствие проекту 115
5.2.2. Анализ результатов мониторинга на стадии монтажа 118
5.2.3. Натурные замеры напряжений 125
5.3. Разработка автоматизированной системы мониторинга при эксплуатации сооружения 127
5.3.1. Разработка системы критериев контроля напряженно- деформированного состояния несущих конструкций 128
5.3.2. Обоснование величин предельно допустимых перемещений основных несущих конструкций сооружения в наблюдаемых точках 130
5.3.3. Обоснование схемы расположения и количества наблюдаемых точек на несущих конструкциях 132
Основные результаты и выводы 136
Приложение
Библиографический список 143
- Особенности конструктивных решений тонколистовых покрытий
- Оценка прочности и устойчивости основных элементов и узлов несущих конструкций
- Разработка и исследование вопросов монтажа конструкций
- О причинах разрушения поперечных элементов постели при их монтаже
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Уникальные большепролетные сооружения имеют повышенный уровень ответственности, их отказы могут привести к тяжелым экономическим и социальным последствиям. При проектировании и возведении уникальных сооружений, в частности крытого катка в г. Коломна, возникли проблемы, выходящие за рамки существующих нормативных документов. Масштабы сооружения, его уникальность и социальная значимость предопределили необходимость проведения научного сопровождения возведения объекта, для выбора приемлемых конструктивных решений, увязанных с функциональным назначением, методами изготовления и монтажа, архитектурными решениями, условиями эксплуатации. Таким образом, комплексное решение задач научного сопровождения при возведении уникальных сооружений, в частности крытой конькобежной дорожки в г. Коломна, включающее проведение поверочных расчётов для оценки несущей способности элементов и узлов конструкции, вопросы монтажа, использования новейших материалов и технологий, мониторинга на стадии возведения и эксплуатации сооружения, представляется актуальным.
Цель исследования - разработка и проведение системы комплексных мероприятий по научному сопровождению проектирования, изготовления и монтажа уникальных большепролетных металлических мембранных конструкций для обеспечения их долговременной надёжности и снижения вероятности возникновения аварийных ситуаций на примере крытого катка в г. Коломна (Московская обл.).
Научная новизна работы заключается в следующем: - разработаны рекомендации по проведению поверочных расчётов с использованием новейших программ по оценке прочности и устойчивости основных несущих конструкций покрытия при аварийных воздействиях;
- впервые установлены характер работы и причины разрушения элементов
постели мембраны при их монтаже, показаны принципиальные пути
исключения развития флаттера (причина разрушения), наблюдавшегося
впервые в конструкциях рассматриваемого типа.
впервые получены экспериментальные данные о потере несущей способности полых трубчатых колонн при деструктивных динамических воздействиях и устранения этой опасности путём заполнения внутреннего пространства труб бетоном.
разработаны рекомендации по проведению мониторинга в процессе монтажа и эксплуатации, а также система критериев контроля напряженно-деформированного состояния несущих конструкций, обоснованы величины предельно допустимых (критических) перемещений основных несущих конструкций, установлены схемы расположения и количество наблюдаемых точек.
Практическое значение результатов работы:
1. Разработаны практические рекомендации по проведению поверочных
расчётов по оценке прочности и устойчивости основных несущих
конструкций, в том числе при аварийных воздействиях.
2. По результатам проведенных поверочных расчётов покрытия с
применением новейших программных комплексов выявлена необходимость
усиления ряда основных несущих конструкций.
3. Применение в несущих конструкциях покрытия проката из стали 09Г2С
толщиной 4... 150 мм с низким содержанием вредных примесей (S и Р < 0,015
% каждого) и высоким набором рабочих характеристик (пластичность,
ударная вязкость, свариваемость) позволило в целом обеспечить высокую
эксплуатационную надёжность конструкции.
4. Выполнены конструктивные мероприятия, исключившие явление
флаттера: использованы жёсткие связи между соседними полосами
5 элементов постели, а также оттяжки, предварительное натяжение которых увеличило жёсткость полос и исключило их закручивание.
Рекомендовано трубчатые полые колонны заполнить бетоном, что обеспечило требуемое сопротивление этих элементов возможным динамическим (ударным) воздействиям.
Разработана автоматизированная система мониторинга напряженно-деформированного состояния несущих конструкций для обеспечения долговременной эксплуатационной надежности сооружения.
Реализация при строительстве крытой конькобежной дорожки перечисленных мероприятий содействовало успешному вводу объекта в эксплуатацию с обеспечением требуемой надежности.
Достоверность результатов работы обеспечена обоснованным
использованием современных апробированных методов численных
исследований, результатами экспериментальных исследований
крупномасштабной модели, результатами натурных наблюдений за несущими конструкциями на стадии монтажа и эксплуатации сооружения. На защиту выносится:
1. Результаты проведенных численных исследований работы сложной
пространственной системы, характеризуемой большой геометрической и
конструктивной нелинейностью; анализа прочности и устойчивости
элементов и узлов основных несущих конструкций; общей устойчивости
сооружения.
2. Разработанные рекомендации по усилению основных несущих
конструкций с учетом требований современных строительных норм,
зарубежного и отечественного опыта возведения уникальных
большепролетных сооружений.
3. Результаты проведенных исследований по проблемам изготовления и
монтажа основных металлических конструкций.
4. Результаты проведения исследований эффективности и рекомендации по
применению современных технологий по антикоррозионным материалам,
гидро- и теплоизоляции для мембранных конструкций.
5. Разработка рекомендаций, организация и проведение мониторинга
несущих конструкций на стадии монтажа и эксплуатации сооружения.
Апробация работы и публикации: Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на первой международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» DFMN 2007 (Москва, 2007 г.) и на заседании секции «Металлические конструкции» научно-технического Совета ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко.
По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК России.
Внедрение результатов работы выполнено при проектировании, изготовлении, монтаже и мониторинге за состоянием конструкций уникального большепролетного сооружения крытого конькобежного центра в г. Коломна.
Личный вклад автора заключается в постановке и реализации задач данной работы, внедрении полученных результатов. Теоретические и экспериментальные разделы включают исследования, выполненные автором или под его руководством.
Экспериментальное проектирование, внедрение результатов исследований осуществлялось в творческом содружестве со специалистами ряда организаций: ГП ГНИИАСС, ЗАО «Курортпроект», МГТУ им. Баумана, ЦНИИС, ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко, ФГУП «15 ЦНИИИ МО РФ», ОАО «ГСПИ».
Автор выражает свою глубокую признательность специалистам, участникам работы и лицам, оказавшим содействие в её выполнении.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 102
Особенности конструктивных решений тонколистовых покрытий
Основными составными частями мембранного покрытия являются пролетная конструкция и опорный контур [23, 81]. Пролетная конструкция, выполняемая из тонкого металлического листа, работает в основном на растяжение. Пролетная конструкция мембранного покрытия подкреплена системой элементов, используемых при монтаже в качестве "постели", однако основную часть эксплуатационной нагрузки воспринимает тонкий лист. Усилия, передаваемые пролетной конструкцией на контур, лежат в плоскостях, касательных к поверхности покрытия, и могут быть представлены в виде горизонтальной (распор) и вертикальной составляющих. Распоры в пролетных конструкциях обычно достигают значительных величин. Рациональное восприятие этих сил опорным контуром является одной из главных и сложных проблем проектирования тонколистовых висячих систем [19, 21, 101]. В связи с легкостью и пренебрежимо малой изгибной жесткостью мембран возникает задача по уменьшению деформативности тонколистовых покрытий, их стабилизации от воздействия неравновесных нагрузок, ветрового отсоса [42].
В тоже время мембранные покрытия обладают рядом достоинств, позволяющих отнести их к числу наиболее эффективных типов металлических конструкций по расходу материалов, трудоемкости изготовления и монтажа, стоимости [37].
В тонколистовых системах наиболее полно используется несущая способность материала. Мембрана имеет минимальную толщину и, соответственно, собственный вес. Цепные усилия с пролетной конструкции воспринимаются одним сжато-изогнутым элементом - опорным контуром, работающим совместно с мембраной, которая в большинстве случаев обеспечивает его устойчивость [80].
Важным достоинством мембранных конструкций является совмещение в одном элементе несущих и ограждающих функций. Даже в том случае, когда применяется обычная кровля, для них не требуются промежуточные элементы (прогоны, профлист), не участвующие в пространственной работе системы. Все это обеспечивает минимальный расход материалов на мембранные покрытия, по сравнению не только с плоскостными конструкциями, но и металлическими пространственными системами.
Существенное снижение собственного веса мембранных систем, относительная простота их монтажа без устройства сплошных лесов и подмостей, применение болыдеразмерных рулонных полотнищ заводского изготовления предопределяют снижение трудоемкости и стоимости возведения, сокращение сроков строительства, повышение уровня его индустриализации [64].
Тонколистовыми конструкциями можно перекрыть без промежуточных опор любые, практически требуемые, пролеты. Причем, с увеличением пролета экономическая целесообразность применения таких конструкций возрастает.
Мембранные системы, как правило, имеют минимальную строительную высоту, что уменьшает расход материалов на стеновое ограждение и снижает эксплуатационные расходы на отопление и вентиляцию здания [36].
Мембранные конструкции, представляют широкие возможности для формообразования покрытий и практического воплощения ярких архитектурных замыслов.
Очертание в плане и форма поверхности покрытий [87, 100]. Тонколистовые покрытия могут иметь в плане самую разнообразную форму. Форма плана оболочки определяется в основном функциональным назначением здания, однако, она в значительной мере отражается на технико-экономических показателях самого покрытия и здания в целом.
По способу формообразования мембранные оболочки подразделяются на покрытия с первоначально заданной стрелой провиса и первоначально плоские покрытия. Покрытия с заданной стрелой провиса образуются укладкой на систему монтажных элементов ("постель") отдельных полотнищ и объединением их друг с другом в пространственную мембрану. Геометрия элементов "постели" определяет начальную форму поверхности мембранной оболочки.
Незначительный собственный вес тонколистовых оболочек и их пренебрежимо малая изгибная жесткость вызывают необходимость стабилизации покрытия \2Ъ, 81]. В большинстве случаев стабилизация уменьшает повышенную деформативность мембранных покрытий от неравномерных нагрузок, которая может привести к расстройству кровли.
Оценка прочности и устойчивости основных элементов и узлов несущих конструкций
На втором этапе проектирования на основании результатов приведенного нами анализа были выполнены мероприятия по частичному усилению конструкции: увеличено сечение опорного контура, доработан проект в части включения в пролетную конструкцию предварительно напряженных вант, усилены колонны и опорные узлы, переработаны узлы, обеспечивающие общую устойчивость сооружения.
Результаты анализа экспериментальных и расчетных величин усилий в центральной части пролетной конструкции (мембрана) приведены в табл.2.1.
Проверка несущей способности пролётной конструкции показала: расчётные напряжения в мембране, элементах продольной постели и канатах усиления не превышают допускаемых напряжений.
Однако в расчётах не учитывались: соответствие фактической геометрии оболочки расчётной и степень её включения в работу и т.д. При этом коэффициент запаса по расчётным величинам не велик. По результатам поверочных расчётов мембрана дополнительно усилена листовыми элементами размером 15 х 9,5 м, толщиной 6 мм на 4-х участках, расположенных в приконтурной зоне под углом около 18 к длинной оси сооружения.
Опорный контур был усилен за счет увеличения высоты железобетонного сечения с 1,5 до 2 метров. Сопоставительные усилия в элементах контура приведены в табл.2.2.
Все усилия (за исключением столбцов 4 и 5) приведены с учётом коэффициента к = 1.3, включающего К] = 1.2 — учёт по ответственности, к2 = 1.08 - увеличение нагрузки на покрытие.
Проверка несущей способности усиленного контура показала: максимальные расчётные напряжения в металле и бетоне незначительно превышают допускаемые; расчётные горизонтальные перемещения контура превышают величины обычно принятые в строительной практике. Отдельно должен быть тщательно проанализирован вопрос об устойчивости опорного контура. Все усилия (кроме столбца 5) приведены с учётом коэффициента к = 1.3.
Обращено внимание, что ввиду наклона колонн, усилия сжатия в них передаются не по всей площади круглого опорного стержня, а по площадке, которую можно условно принять в виде сегмента круга, площадь которого определяется смятием. Это приводит к возникновению в стойках моментов. Проверка несущей способности и устойчивости сжато-изогнутых стоек и опорных узлов, выполненная в соответствии с требованиями СНиП П-23-81 , показала следующее. Расчётные напряжения (приближенная оценка) в стойках (по устойчивости) и опорных узлах (по прочности) зачастую существенно превышали допускаемые. Схему работы концевых элементов колонн рекомендовано уточнить численным моделированием [50]. По результатам анализа запроектировано усиление оголовков и стержней колонн.
Рассмотрение работы элементов арки показало, что в расчетах необходимо учитывать узловые моменты в двух плоскостях, а также стесненное кручение элементов арочных ферм. Напряжения в элементах арки должны быть проверены дополнительными расчётами системы с учётом новых нагрузок и сделанных выше выводов. Для уменьшения расчётной длины опорного раскоса арочной фермы рекомендовано введение дополнительного шпренгельного элемента.
Проверка несущей способности подкоса малой арки показала следующее: при учёте максимальных усилий расчётные напряжения почти во всех элементах верхнего шарнира подкоса малой арки превышают допускаемые. В самом подкосе и соответственно в узлах возникают значительные крутящие моменты. При усилении верхнего шарнира подкоса малой арки следует иметь в виду: сложность напряженно-деформированного состояния этого узла, что требует тщательного численного моделирования; невозможность в расчётах достаточно полно отразить его фактическую работу (начальные несовершенства, собственные напряжения от сварки и т.д.). Для этого варианта необходим учет дополнительного коэффициента условия работы; проверку сечения и узлов крепления подкоса малой арки необходимо выполнять после проведения дополнительных расчётов системы с учётом новых нагрузок и сделанных выше замечаний. Всего один из четырех подкосов малой арки обеспечивает пространственную устойчивость всей системы, что не допустимо в сооружениях такого класса. Поэтому, нами рекомендовано разработать новое конструктивное решение для обеспечения общей устойчивости системы.
Разработка и исследование вопросов монтажа конструкций
Возможность простого, быстрого и нетрудоемкого монтажа является важным фактором при выборе схемы мембранного покрытия и при определении целесообразности применения подобных конструкций по сравнению с другими. Способ монтажа определяется на основании технико-экономического анализа вариантов и решается на стадии проектирования, с тем, чтобы в техническом проекте конструкций были учтены монтажные требования.
Монтаж мембранного покрытия катка осуществлялся на проектной отметке после установки колонн основного каркаса и связей, обеспечивающих их устойчивость (рис. 3.1).
По колоннам монтировался опорный контур (рис.3.2), а затем пролетная часть покрытия. Перед монтажом пролетной конструкции производилась исполнительная геодезическая съемка опорного контура, с проверкой соответствия фактических и проектных размеров и отметок, а также правильности установки закладных деталей для крепления элементов пролетной конструкции. Монтаж пролетной конструкции осуществлялся на проектной отметке навесным способом, раскаткой полотнищ мембраны длиною на пролет по системе предварительно смонтированных монтажных элементов ("постель").
Продольные элементы «постели» толщиной 6 мм и шириной 1,5м доставлялись на стройку в виде рулонов, которые перед монтажом необходимо было разматывать. Выполнены специальные исследования возможности появления в свёрнутых рулонах остаточных напряжений и устранения отрицательного влияния этих напряжений при размотке рулонов на стенде.
В связи с поставленной задачей в дополнении к данным 3.1.1.1. оценивались механические свойства на растяжение и ударный изгиб рулонов, а также величина остаточных напряжений в металле. Испытания на растяжение велись по ГОСТ 1497-84 на продольных плоских пятикратных образцах 6,0x20x120 мм, вырезанных из внешних и внутренних витков рулона. Результаты испытаний представлены в табл. 3.7.
Нормативные значения по ГОСТ 27772-88 составляют тт 345 Н/мм2, ств 490 НУмм% 55 21%. Видно, что если в нормах тв- сгт = 150 Н/мм , то в исследуемом металле эта разность 100 НУмм , что свидетельствует об определённом наклёпе стали в рулонах. В целом, как видно из таблицы, свойства металла высоки и достаточно равномерны по всей длине рулона.
Испытания на ударный изгиб велись по ГОСТ 9454-78 на стандартных образцах с U - образным надрезом 6x10x55мм при температурах +20 и -40С. Результаты представлены в табл. 3.8. Во всех случаях KCU"40 200 Дж/см2 при нормативном значении KCU"40= 39 Дж/см2. Таким образом показано, что ударная вязкость, а также содержание волокна в изломе и деформация у дна надреза существенно превосходят нормативные значения. Полученные результаты не зависят от места отбора проб. Высокая ударная вязкость по всей длине рулона должна обеспечить надёжную работу проката в мембране. Проведена оценка остаточных напряжений. В поверхностных волокнах рулона имеют место деформации е, пропорциональные толщине листа и обратно пропорциональные радиусу кривизны:
Уровень напряжений при данных деформациях: Радиус R можно выразить через часть длины окружности исследуемого образца 2а и стрелу подъема /:
В нашем случае у отобранных образцов из внешнего витка длина хорды составляла 600 мм при стреле подъема 45 мм, из внутреннего витка длина хорды 570 мм при стреле подъема 120 мм. Подсчет остаточных напряжений по формулам (3.2) и (3.4) показал, что они сопоставимы с величиной предела текучести металла рулонов. При размотке рулона напряжение на валках стенда для выправки полосы должны быть не менее предела текучести о т = 400 Н/мм , тогда для протягивания рулона через валки стенда потребовалось усилие 18 кН, что возможно было получить на установке в условиях строительной площадки.
Таким образом показано, что металл рулона из стали 09Г2С имеет высокие механические свойства: ат « 400 Н/м»Г; ств» 500 H/MMZ; 55 30%, ударная вязкость при минус 40C-KCU 200 Дж/см . Величина остаточных напряжений соизмерима с величиной предела текучести. Наличие подобных остаточных напряжений не должно сказаться на эксплуатационных свойствах «постели» мембраны.
Было показано, что при разработке стенда для разматывания рулонов у роликов следует предусмотреть существенные перемещения, позволяющие создать в рулоне напряжения, соизмеримые с величиной предела текучести, при этом рулоны будут протягиваться через стенд с усилием 18 кН.
Монтаж элементов "постели", определяющей начальную форму поверхности мембранной оболочки, завершился выверкой ее геометрии и окончательным креплением к контуру. Регулировка поверхности монтажной системы производилась за счет подтяжки к упорам на контуре хвостовиков, которыми заканчиваются направляющие (рис.3.3.). Монтировались элементы монтажной "постели" (рис.3.4). Раскатку, свернутых в рулон на специальный барабан, полотнищ мембраны по смонтированной и выверенной "постели" производили с помощью лебедок (рис.3.5). Для того, чтобы в листе не возникали пластические деформации диаметр барабана назначили в зависимости от толщины мембраны по формуле: где: Е и t - модуль упругости и толщина мембраны, Ryn — нормативный предел текучести материала мембраны.
После укладки полотнища мембраны в проектное положение одна из его коротких сторон крепилась к контуру постоянными соединениями. Перед тем как закрепить к контуру второй конец полотнища мембраны, было рекомендовано предварительное натяжение на усилие, вызывающее в листе напряжения порядка 15.0-25.0 МПа, для выправления листа от появившихся во время укладки полотнищ хлопунов и обеспечения совместной работы мембраны с элементами "постели" (рис.З.б). Предварительное натяжение полотнищ мембраны выполнялось с помощью стяжек.
При монтаже пролетной части покрытия учитывалось, что в контуре, еще не связанном сплошной мембраной, могут возникать значительные изгибающие моменты, превышающие соответствующие величины от эксплуатационных нагрузок. С целью снижения величин изгибающих моментов в опорном контуре на стадии монтажа была предусмотрена установка системы временных подкосов с приспособлениями для плавного раскружаливания покрытия (рис.3.7).
Соединения полотнищ были выполнены после их укладки и временного закрепления в проектном положении. При сварке полотнищ мембраны применена полуавтоматическая сварка с минимальным количеством сварных швов, выполняемых на монтаже (рис.3.8).
О причинах разрушения поперечных элементов постели при их монтаже
При монтаже конструкции произошло неожиданное разрушение металлических полос шириной 200 мм, служащих «поперечными» элементами «постели» мембраны покрытия. Возникла необходимость исследования причин разрушения для устранения подобных явлений при последующем монтаже.
Полосы сечением 200x4 мм пролетом 100 м разрушались под воздействием ветра. Проведено визуальное исследование разрушенных элементов, а также исследования свойств металла полос.
Характерные виды разрушения представлены на рис. 4.2, 4.3. Уже при визуальном исследовании было установлено, что разрушение в целом произошло под действием флаттера. Часть повреждений связана с контактом в процессе колебаний стальных полос со связывающими их канатами. В ряде случаев наблюдались следы канатов на поверхности полос, а в других случаях канаты практически полностью перерезали сечение. По длине полос наблюдались массовые локальные повреждения на их боковых гранях (рис. 4.2,6). Известно, что совместные изгибно-крутильные колебания резко сокращают несущую способность металла при вибрационных и знакопеременных нагрузках. Такие разрушения также наблюдались у узлов крепления полос к опорному контуру конструкции (рис. 4.3,а).
В некоторых случаях в изломе наблюдался шевронный узор и даже участки хрупкого разрушения (рис. 4.3,6), обычно не встречающиеся в прокате подобных толщин. Ниже рассмотрены причины аварийного разрушения. Отметим, что разрушение под влиянием флаттера подобных строительных конструкций наблюдается, по-видимому, впервые.
Повторим, что в качестве элементов «постели» мембранного покрытия искусственной конькобежной дорожки используются (рис. 4.4) стальные полосы с поперечным сечением 200x4 мм, расположенные вдоль короткой оси сооружения, соединенные между собой продольными элементами. На момент разрушения элементы «постели» покрытия находились в стадии монтажа, продольные элементы не были смонтированы, а через установленные поперечные элементы были перекинуты тросы без их предварительного натяжения. В этом случае тросы не обеспечивают совместную пространственную работу системы элементов «постели», при ветровых воздействиях каждая полоса работала практически независимо от других.
Характер разрушения полос указывает на то, что они испытывали интенсивные крутильные и трансверсальные колебания, в результате которых полосы были сильно закручены или перерезаны (см. рис. 4.3) в местах контакта с перекинутыми через них тросами.
В рассматриваемом случае полосы являются гибкими висячими элементами с низкими собственными частотами, работающими нелинейно и, практически, независимо между собой. В подобных конструкциях при ветре, перпендикулярном их продольной оси, могут возникать совместные изгибно-крутильные колебания [66]. При скоростях ветра, превышающих некоторое критическое значения Vcr , эти совместные колебания становятся неустойчивыми, т.е. их амплитуды возрастают вплоть до разрушения конструкций. Подобные явления обычно называют флаттером систем с несколькими степенями свободы. Впервые колебания типа флаттера были зафиксированы в 30-х годах у крыльев самолетов; в металлических конструкциях аэродинамически неустойчивые колебания типа флаттера могут возникнуть в большепролетных вантовых и висячих мостах.
Флаттер представляет собою типичный процесс автоколебаний, при котором в рассматриваемую динамическую систему перекачивается энергия воздушного потока. Качественно появление и развитие совместных аэродинамически неустойчивых колебаний типа флаттера может быть описано следующим образом. В результате действия некоторых факторов полоса выводится из состояния равновесия; например, это может произойти за счет действия пульсаций ветровой нагрузки или/и в силу того, что давление ветра распределено неравномерно по ширине полосы. При этом на нее действуют поперечная сила F и момент М (рис. 4.5), которые зависят от перемещения и поперечного сечения, угла а его закручивания и их производных по времени. Таким образом, воздействия F и М являются динамическими, т.е. они изменяются во времени и, обычно, определяются на основе данных достаточно сложных модельных аэродинамических испытаний динамически подобной модели сооружения.
Реакция рассматриваемой динамической системы зависит от средней скорости V набегающего потока, ее конструкционного демпфирования %, а также от ее собственных изгибных (fi) и крутильных (f„) частот. В том случае, если интенсивность воздействий F и М превышает силы сопротивления, амплитуды колебаний полосы будут увеличиваться. Тогда система становится аэродинамически неустойчивой, и амплитуды колебаний будут возрастать, вплоть до разрушения конструкции. Минимальное значение скорости V, при которой происходит потеря динамической устойчивости, называется критической скоростью ветра Vcr при флаттере.
