Особливості роботи моделі рамно-фермової конструкції накриття трибун стадіонів під дією вертикальних навантажень

 

 

 

Ревінкель Й. – П., аспірант, Філіпчук С. В., канд. техн. наук (Національний університет водного господарства та природокористування, м. Рівне)

Ревинкель Й. – П., аспирант, Филипчук С. В., канд. техн. наук (Национальний университет водного хозяйства и природопользования, г. Ривне)

Rewinkel J. – P., graduate student, Filipchuk S. V., candidate of technical sciences (Nationall university of water management and nature resources use, Rivne)

 

Наведений характер роботи моделі рамно-фермової конструкції накриття трибун стадіонів під дією вертикальних навантажень, встановлено напружено-деформований стан елементів та характер руйнування моделі.

Представленный характер работы модели рамно-фермовой конструкции накрытия трибун стадионов под действием вертикальных нагрузок, установлено напряженно-деформированное состояние элементов и характер разрушения модели.

The above work character of frame-farm model construction covering the stands of stadiums under the action of the vertical loadings, it is set intense – deformation the state of elements and character of model destruction.

Ключові слова:

рамно-фермова конструкція, напружено-деформований стан

рамно-фермовая конструкция, напряженно-деформированное состояние

frame-farm construction, intense – deformation state

Вступ. Під час реконструкції існуючих стадіонів або будівництва нових велика увага приділяється конструкціям накриття трибун для глядачів, що забезпечує їм комфортне перебування під час спортивних змагань. Найбільш поширеними є влаштування рамних систем накриття трибун, прикладами цього можуть бути стадіони в Києві, Харкові, Дуйсбурзі, Берліні, Майнці та інші. В м. Магдебург покриття трибун стадіону виконано у вигляді просторової металевої несучої системи, основу якої складають головні поперечні рами і ферми та залізобетонні балки, на яких розташовані місця для глядачів. Ширина накриття трибун в бік поля складає 32 м [1].

Основну несучу конструкцію утворюють зовнішньо статично визначені шарнірно підперті одно пролітні рами і відтяжки для кріплення даху до пілонів (рис. 1). Під дахом передбачені дахові ферми (решітчасті балки), які утворюють фахверк. Фахверкові ферми між пілонами і основними (внутрішніми) колонами одночасно забезпечують горизонтальну жорсткість рами. Пілон і балки шарнірно з’єднані на рівні даху. Це зумовлює необхідність бокового кріплення пілону за допомогою розтяжок (підкосів).

 

Верхня і нижня частини пілону розглядаються як опорні стійки. Для нижньої частини відношення висоти перерізу пілона до довжини (гнучкість) є особливо важливим, так як пілони знаходяться в полі зору нижніх рядів трибун.

Відтяжка над дахом тримає шарнірно приєднану частину даху від пілону до гребня і сприймає велику розтягуючи силу. При дії вітрового відсмоктування змінюється знак зусилля, а тому у відтяжці потрібно забрати значну силу стискання.

Проектування конструкцій здійснено у відповідності до чинних норм ФРН (DIN 1055-4) з використанням комп’ютерних програм. Оскільки такі конструкції проектуються вперше, є велика доцільність перевірити дійсний напружено-деформований стан системи і порівняти його з теоретичними розрахунками. Цю задачу можна вирішити шляхом випробувань моделей (фрагментів) накриття навантаженням.

Конструкція моделі рамно-фермової системи та методика її випробовування. В лабораторії Національного університету водного господарства та природокористування були випробувані три металеві ферми, які з’єднуються між собою в’язями та утворюють рамно – фермову систему. Розміри дослідних ферм та поперечний переріз елементів прийняті з урахуванням реальних розмірів металевих ферм на стадіоні в м. Магдебург (ФРН) з масштабом 1: 10 (рис. 2). Поперечний переріз гребеня прийнятий із квадратних труб 40×40×3 мм, відтяжки, пілони та колона з круглих труб 40×3 мм а фахверковий диск із квадратних труб 30×30×2. Вузли з’єднання відтяжок, пілонів та колон були прийняті шарнірними (рис. 3).

Механічні характеристики зразків квадратних та круглих профілів визначали дослідним шляхом за стандартними методиками. Випробовувалось по три стержні довжиною 40 см в розривній машині УИМ 50. За результатами випробовувань визначено, що межа текучості для квадратних труб 40×40×3 мм складала σy = 340 МПа, межа міцності – σu = 377 МПа, для квадратних труб 30×30×2 мм – σy = 335 МПа, σu = 368 МПа, а круглих труб 40×3 мм – σy = 335 МПа, σu = 365 МПа, максимальні деформації εsR = 259, 8×10-5.

Випробовування ферм виконувалися в спеціальній змонтованій установці, завантажуючи чотирма зосередженими силами по нижньому поясі фахверкового диску. Зусилля створювали гідравлічними домкратами, а сила вимірювалася протарованими динамометрами. Навантаження ферм здійснювалося ступенями [3].

Прогини ферм вимірювали прогиномірами 6ПАО ЛИСИ на торці гребеня та по його середині, а також визначали переміщення крайніх ферм відносно середньої. Деформації металу вимірювали тензометрами Гугенбергера та електричними тензорезисторами, що наклеювалися на елементи ферми. Фіксування показників тензорезисторів здійснюватиметься за допомогою приладу СИИТ.

 

Рис. 2. Геометричні розміри моделі ферм

 

Рис. 3. Загальний вигляд дослідної конструкції

 

Навантаження на ферму здійснювалося у двох напрямках: від дії вертикальних та вітрових навантажень. Дані навантаження приводилися до зосереджених сил, що прикладалися у вузлах ферми. Вертикальні навантаження в середніх вузлах ферми були прийняті за одиницю, а на торці гребеня 0, 5. Вітрові навантаження залежали від розподілу вітрового тиску по довжині ферми у відповідності до чинних норм ФРН (DIN 1055-4) [2].

Результати досліджень. Розглянемо характер роботи трьох дослідних ферм Ф-1, Ф-2 та Ф-3 при вертикальному навантаженні. При поступовому збільшенні навантаження до F = 10 кН залежність деформацій від навантаження, в нижньому пілоні ферми, була практично лінійною. Для ферми Ф-1 при цьому навантаженні відносні деформації сталі склали εs = 92, 06×10-5, а для ферм Ф-2 і Ф-3 відповідно εs = 101, 78×10-5 та εs =110, 27×10-5. Зі збільшенням навантаження лінійна залежність почала втрачатися і графік на рис. 4 почав набувати криволінійності. Так при навантаження до F = 14 кН відносні деформації сталі для ферм Ф-1, Ф-2 і Ф-3 склали відповідно εs = 167, 80×10-5, εs = 182, 54×10-5 та εs =180, 89×10-5.

нижньому лінійна залежність між деформаціями та навантаженням спостерігалась до навантаження F = 10 кН. Максимальні відносні деформації при цьому навантаженні спостерігалися у фермі Ф-1 і склали εs =115, 04×10-5. В інших фермах деформації сталі були

меншими (рис. 5).

Характер роботи верхніх відтяжок всіх ферм до навантаження F = 10 кН був аналогічний роботі пілонів. Тобто до цього навантаження спостерігалась лінійна залежність між деформаціями та навантаженням, а максимальна величина деформацій у відтяжці для F = 10 кН склала εs =115, 12×10-5. Тобто деформації сталі в пілонах та відтяжках при навантаженні F = 10 кН були майже однаковими, а різниця склала 4, 1%. (табл. 1).

При наступному збільшенні навантаження деформації в нижньому пілоні ферм почали стрімко зростати і при F = 15 кН перевищили граничне значення εsR = 259, 8×10-5. Для ферм Ф-1, Ф-2 і Ф-3 відносні деформації сталі відповідно склали εs = 278, 980×10-5, εs = 287, 10×10-5 та εs =298, 58×10-5. За даного навантаження відбулося викривлення нижнього пілона ферм, що призвело до руйнування конструкції вцілому. Треба зазначити, що характер руйнування для всіх ферм був однаковим, а руйнівне навантаження склало Fu = 15 кН. Максимальна різниця відносних деформацій металу при Fu = 15 кН для всіх ферм склала 6, 6%. Характер руйнування нижнього пілону зображений на рис. 6.

Таблиця 1

Зміна відносних деформацій металу в нижньому, верхньому пілонах та у відтяжці

 

 

1. До рівня навантаження 0, 65 від руйнівного спостерігається пропорційна залежність між деформацією металу та навантаженням.

2. Руйнування конструкцій відбувається в нижньому пілоні ферми з наступним його викривленням в площині системи.

 

1. Ревінкель Й. -П. Конструктивні рішення покриття трибун стадіону в місті Магдебург (ФРН) / Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Збірник наукових праць. – Рівне: НУВГП, 2010. – Випуск 20. – С. 408 – 413.

2. Ревінкель Й. -П. Експериментальне визначення вітрових навантажень на конструкції покриття трибун стадіону / Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Збірник наукових праць. – Рівне: НУВГП, 2011. – Випуск 21. – С. 525 – 531.

3. Ревінкель Й. -П., Філіпчук С. В. Методика випрбування моделі рамно-фермової конструкції накриття трибун стадіонів / Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Збірник наукових праць. – Рівне: НУВГП, 2011. – Випуск 22. – С. 716 – 721.