AWARIE(KS11)_Analiza mechanizmów zniszczenia konstrukcji.pdf

Dr inŜ. Szczepan LUTOMIRSKI, s.lutomirski@il.pw.edu.pl

Dr inŜ. Lesław KWAŚNIEWSKI, l.kwasniewski@il.pw.edu.pl

Mgr inŜ. Zofia KOZYRA, z.kozyra@il.pw.edu.pl

Mgr inŜ. Artur WINNICKI, a.winnicki@il.pw.edu.pl

Politechnika Warszawska, Wydz. InŜynierii Lądowej

Al. Armii Ludowej 16, 00-637 Warszawa.

ANALIZA MECHANIZMÓW ZNISZCZENIA KONSTRUKCJI

PAWILONU WYSTAWIENNICZEGO W CHORZOWIE

FAILURE ANALYSIS OF CHORZÓW TRADE HALL ROOF COLLAPSE

Streszczenie W referacie przedstawiono wyniki analizy numerycznej mechanizmów zniszczenia hali

wystawowej w Chorzowie. Obliczenia wykonano z wykorzystaniem programu metody elementów skończonych

ABAQUS, dla modelu trójwymiarowego zbudowanego na podstawie uzyskanych danych technicznych hali. W

modelu uwzględniono nieliniowe, spręŜysto-plastyczne modele materiałowe, duŜe deformacje i efekt stęŜający

ortotropwej powłoki stanowiącej poszycie dachu blachą trapezową. Na podstawie przeprowadzonych analiz

statycznych i dynamicznych otrzymano hipotetyczne mechanizmy zniszczenia hali.

Abstract The paper presents results of finite element analysis of Chorzów Trade Hall roof collapse. A three

dimensional FE model was developed based on obtained technical specification. The elastic – plastic material

models, large deformations and stiffening effect of orthotropic roof plating was included. Possible failure

mechanisms are investigated through the static and dynamic analyses carried out using program ABAQUS.

1. Wprowadzenie

Przedmiotem analizy jest katastrofa budowlana pawilonu wystawienniczego przy

ul. Bytkowskiej 1 w Chorzowie na terenie Międzynarodowych Targów Katowickich. Celem

opracowania jest syntetyczne wyjaśnienie przyczyn katastrofy oraz przedstawienie

moŜliwych mechanizmów zniszczenia pawilonu. Opis konstrukcji pawilonu, przebieg

katastrofy i jej następstwa, zostały opisane w szeregu publikacjach por. np. [3], [4].

W niniejszym referacie podano tylko wybrane fragmenty opracowanego przez autorów

raportu [5], niezbędne do zrozumienia treści merytorycznej.

2. Opis konstrukcji pawilonu

Omawiany pawilon wystawienniczy został wybudowany w 2000 roku, w konstrukcji

stalowej z lekką obudową. Obudowę lekką stanowiły: ściany zewnętrzne wykonane z

gotowych kaset mocowanych do konstrukcji stalowej oraz dach, w którym jako element

nośny wykorzystano blachę fałdową. Hala wystawiennicza jednokondygnacyjna miała kształt

631

dwóch prostopadłościanów „połoŜonych” jeden na drugim. Naświetla hali były zlokalizowane

w ścianach bocznych górnego prostopadłościanu oraz na dachu dolnego prostopadłościanu, w

ośmiu świetlikach punktowych. W osiach ścian zewnętrznych wymiary niŜszej części hali

wynosiły: długość 102,875 m, szerokość 97,36 m, wysokość (od posadzki hali) 10,33 m,

wyŜszej zaś odpowiednio 52,75, 47,00 i 13,33 m (rys. 1 i 2). Na dachu hali ustawionych było

dziewiętnaście centrali klimatyzacyjnych oraz sześć wentylatorów, stanowiących istotne

obciąŜenia skupione. Konstrukcję wsporczą dachu stanowiło sześć czterogałęziowych słupów

wewnętrznych o rozstawie 30,75 m pomiędzy osiami 6, 11 i 22,00 m pomiędzy osiami 11, 15.

W kierunku szerokości hali rozstaw osiowy słupów (osie E’ i M’) wynosił 47,00 m.

Rys. 1. Schemat konstrukcji dachu

Na dwóch gałęziach, kaŜdego ze słupów wewnętrznych w osiach 6, 11 i 15, oparto trzy

główne podciągi kratowe, ze skratowaniem typu N (rys. 3). Podciągi składały się z dwóch

równoległych kratownic, ustawionych w odległości osiowej 750 mm. Wymiary konstrukcyjne

kratownic wynosiły: rozpiętość 46,25 m, wysokość 3,00 m. Pasy górne i dolne oraz krzyŜulce

podporowe głównych podciągów kratowych wykonano o przekroju skrzynkowym z dwóch

ceowników walcowanych 220. Słupki i krzyŜulce przyspawane były bezpośrednio do pasów

(bez blach węzłowych). Ponadto obie kratownice podciągów głównych były połączone ze

sobą w płaszczyźnie słupków za pomocą przepon wykonanych z blachy o grubości 8 mm i

632

szerokości 100 mm. Przepony były przyspawane do obu stron słupka kratownicy i do

poziomych poprzeczek z profili HEB 100 łączących pasy obu kratownic.

Rys. 2. Przekrój A-A przez halę

Rys. 3. Przekrój B-B przez halę

Na głównych podciągach kratowych co 6 m, ułoŜone były płatwie kratowe o długości

31134 mm (D3-07 - w polu miedzy osiami 6 i 11) oraz o długości 22384 mm (D3-09 - w polu

między osiami 11 i 15). Pomiędzy płatwiami kratowymi D3-07 ułoŜone były belkowe płatwie

pośrednie D3-06, a pomiędzy D3-09 płatwie pośrednie D3-08. Osiowa wysokość i długość

przedziału płatwi kratowych wynosiła 3 m.

Podobną budowę jak główne podciągi, miały drugorzędne podciągi kratowe (D3-22+D3-

23 i D3-24+D3-25), które znajdowały się w osiach E’ i M’. Pasy górne i dolne oraz krzyŜulce

podporowe tych kratownic wykonane były o przekroju skrzynkowym z dwóch ceowników

walcowanych 160.

Podciągi pomocnicze niŜszej części hali wsparte były na sześciu słupach wewnętrznych

hali oraz na słupach zewnętrznych. Cztery podciągi pomocnicze znajdujące się w osi E’ i M’

(D3-20+D3-21 i D3-26+D3-27), były obciąŜone reakcjami od płatwi kratowych i belkowych.

Pozostałe sześć podciągów pomocniczych spełniało rolę płatwi i stanowiło usztywnienie hali.

Wszystkie podciągi pomocnicze składały się z dwóch równoległych kratownic połączonych

ze sobą przegubowo w węzłach pasów. Odległość pomiędzy osiami płaszczyzn kratownic

wynosiła 750 mm, a ich wysokość i długości przedziałów odpowiednio 2000 i 3000 mm.

Płatwie kratowe i płatwie belkowe niŜszego dachu hali miały wysokość konstrukcyjną

2000 mm i wykonane były z rur kwadratowych o przekrojach identycznych jak płatwie

wyŜszego poziomu dachu. Płatwie te opierały się na dolnych pasach podciągów: głównych,

633

drugorzędnych, na górnych pasach podciągów pomocniczych oraz na sześćdziesięciu sześciu

wahadłowych słupach zewnętrznych, rozmieszczonych wzdłuŜ ścian zewnętrznych w

przybliŜeniu co sześć metrów. Na wysokości oparcia płatwi kratowych i belkowych na

słupach zewnętrznych, występowała belka oczepowa z pionowym tęŜnikiem ściennym.

Pokrycie dachu i ścian hali wykonano w postaci lekkiej obudowy stalowej. Dach

zaprojektowany był bez płatwi, w związku z czym, blachy fałdowe ułoŜone były prostopadle

do szkieletu nośnego hali. Zastosowano blachy fałdowe PAB 77/301/903 w połoŜeniu

pozytywowym. Blachy mocowano do konstrukcji dachu wkrętami, w kaŜdej fałdzie, a co

drugą fałdę łączono ze sobą styki arkuszy blach. W projekcie przewidziano wkręty JT3-6-

5,5*25 a na obiekcie zastosowano wkręty o średnicy 4,8 mm. W ten sposób utworzyła się

dachowa przepona tarczowa, której właściwości w opracowanym modelu numerycznym

uwzględniono przez przyjęcie ortotropowego modelu materiałowego [6].

3. Opis hali po katastrofie

Widok hali po katastrofie, w czasie prowadzenia akcji ratunkowej podano na rys. 4.

Zawaleniu uległo ok. 80% powierzchni dachu hali. Dachy nad przybudówkami i rotundą

pozostały niezniszczone. Całkowitemu zawaleniu uległa najwyŜsza, środkowa część hali.

Rys.4. Widok pawilonu wystawienniczego po katastrofie budowlanej

Nad częścią niŜszą hali od jej strony wschodniej pozostał fragment dachu o pow. ok.

1760 m 2 . Dach ten spoczywał na płatwiach kratowych i płatwiach belkowych, które opierały

się na podciągu głównym w osi 15, podciągu pomocniczym w osi E’ i na słupach

zewnętrznych. Od strony południowej i zachodniej (rotunda) „podpory” płatwi spadły z

podciągów a drugie ich końce opierały się na belkach oczepowych i słupach zewnętrznych.

Słupy wewnętrzne doznały uszkodzeń w górnych częściach, nastąpiło oderwanie przewiązek

od gałęzi słupa. Uszkodzenia te są prawdopodobnie wtórnym efektem zawalenia się pociągów

634

głównych i drugorzędnych. Podciągi główne w osi M’ po katastrofie pozostały połączone z

gałęziami słupów, natomiast w osi E spadły na posadzkę, a gałęzie słupów rozdzieliły się.

4. Analiza numeryczna konstrukcji

Dobór programu numerycznego, sposób zdefiniowania modelu, oraz przyjęte załoŜenia

pozwoliły na przeprowadzenie nieliniowej analizy numerycznej, aŜ do momentu

uplastycznienia niektórych elementów konstrukcji i wystąpienia znacznych ugięć. Obliczenia

dla analizy statycznej i dynamicznej, ukazującej zniszczenie konstrukcji, wykonano przy

pomocy opartego na metodzie elementów skończonych (MES) programu komercyjnego

ABAQUS/Standard [7], [8]. Trójwymiarową geometrię konstrukcji hali opracowano na

podstawie dokumentacji projektowej i inwentaryzacji dotyczącej elementów konstrukcyjnych

takich jak podciągi, płatwie, słupy, stęŜenia i lekka obudowa. Siatkę elementów skończonych

wygenerowano przy pomocy specjalistycznego programu, tzw. preprocesora graficznego.

Model MES zbudowano przy pomocy: dwuwymiarowych elementów powłokowych,

reprezentujących poszycie dachu i jednowymiarowych elementów strukturalnych typu

ramowego i kratownicowego, zastosowanych dla reszty konstrukcji hali. Blacha trapezowa,

stanowiąca poszycie dachu, została zamodelowana elementami dwuwymiarowymi jako

powłoka ortotropowa. W modelu uwzględniono dodatkową funkcję strukturalną blachy, która

działa jako przepona usztywniająca. Przy analizowaniu pracy blachy jako tarczy istotny jest

sposób i jakość jej połączenia z konstrukcją. ZałoŜono trzy warianty:

- wariant W1 – blacha nie została uwzględniona w modelu,

- wariant W2 – blacha jest zginana i pracuje jako przepona z pełnym

wykorzystaniem nośności łączników,

- wariant W3 – blacha pracuje wyłącznie jako przepona (nie jest zginana).

Stale zastosowane w konstrukcji hali są reprezentowane przez model materiału spręŜysto-

plastycznego ze wzmocnieniem, o zróŜnicowanych wielkościach granicy plastyczności i

wytrzymałości doraźnej. ZaleŜność pomiędzy napręŜeniem zastępczym a efektywnym

odkształceniem plastycznym jest aproksymowana funkcją odcinkowo liniową. W momencie

osiągnięcia wytrzymałości doraźnej przyjęto fazę plastycznego płynięcia, w której

odkształcenia mogą narastać bez przyrostu napręŜeń. W analizie numerycznej poczyniono

konserwatywne załoŜenie o braku zniszczenia materiału i przyjęto nieodkształcalne

połączenia elementów hali. ObciąŜenie cięŜarem własnym uwzględniono wykorzystując opcję

grawitacja, która pozwala na przyłoŜenie równomiernie rozłoŜonego obciąŜenia wynikającego

z cięŜaru pojedynczego elementu skończonego. Zebrane z odpowiednich obszarów obciąŜenia

od śniegu oraz niektóre obciąŜenia technologiczne uwzględniono w postaci liniowych

obciąŜeń, przyłoŜonych do elementów skończonych reprezentujących podciągi i płatwie.

ObciąŜenia od świetlików, klimatyzatorów i wentylatorów uwzględnione zostały w postaci sił

skupionych. Słupy zewnętrzne zamocowano do podłoŜa przegubowo – nieprzesuwnie, a słupy

wewnętrzne utwierdzono.

Analiza statyczna była prowadzona dla następujących sześciu etapów obciąŜenia:

- etap E1 – obciąŜenia stałe,

- etap E2 – obciąŜenia stałe i technologiczne,

- etap E3 – obciąŜenia stałe, technologiczne i śnieg bez zasp,

- etap E4 – obciąŜenia stałe, technologiczne, śnieg i zaspy śniegowe,

- etap ET – obciąŜenia termiczne,

- etap EW – obciąŜenie wiatrem.

W etapie E4 obciąŜenie od zasp śniegowych i zalegającego lodu uwzględniano jako

równomiernie rozłoŜone obciąŜenie o wartości wzrastającej od wartości obciąŜenia śniegiem

635

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: