Фундаменты под колесо обозрения

Колесо обозрения диаметром 75м в г.Геленджике Краснодарского края

Генеральный проектировщик – ОАО «ТИЖГП Краснодаргражданпроект»
Главный инженер проекта – Н. Пивник
Главный конструктор – М. Мариничев

Для того, чтобы выровнять осадки сооружения, возводимого на основании с неравномерной сжимаемостью грунтов, необходимы жесткие фундаменты. Тонкие плиты изгибаются, следуя за осадками, а толстые имеют большой собственный вес. Исследования в области «оребрения» плит показывают путь создания эффективных конструкций. Однако, для устройства направленных вверх ребер необходима опалубка. Такие ребра затрудняют использование объема помещений. В глинистых грунтах, способных удерживать вертикальные стенки траншей эффективнее устраивать плиты с ребрами, обращенными вниз. Система таких ребер, объединенных сравнительно тонкой плитой, позволит получить плитный фундамент, жесткость которого будет регулироваться с учетом распределения нагрузок и податливости основания, частотой и конфигурацией ребер. Для многих сооружений неравномерность деформаций основания вызывается характером нагрузки и ее распределением.

Так, для колеса обозрения диаметром 75м, которое возведено в г.Геленджике Краснодарского края, безусловно, наиболее существенной нагрузкой является ветровая.

В этом случае к фундаменту предъявляются чрезвычайно жесткие требования по 1 и 2 группам предельных состояний. Конструкция фундамента должна компенсировать неравномерные деформации основания при действии ветровой нагрузки, препятствовать возникновению крена, а также удовлетворять необходимым условиям по прочности и трещиностойкости.

Основанием фундамента служит грунт ИГЭ-3 — коренные выветрелые и славовыветрелые породы, представленные ритмичным чередованием крепких толстоплитчатых мергелей с глинистыми мергелями и тонкими прослоями песчаников.

В связи с этим для определения оптимальной конструкции фундамента был проведен ряд численных экспериментов, на основании которых была предложена конструктивная схема фундамента в виде плиты с ребрами жесткости, устроенными вниз на максимально возможную глубину =

2м. Были определены оптимальный шаг, толщина и конфигурация ребер.

Предложенная схема оказалась более рациональной по сравнению с предварительно выбранными массивными фундаментными плитами большой толщины. Устройство ребер жесткости позволило выполнить требования предельных состояний для всех элементов конструкции.

В итоге фундамент был запроектирован в виде сплошной плиты толщиной 600 мм из бетона класса В25 с продольными и поперечными монолитными ребрами толщиной 1000 мм и 800 мм соответственно (Рис 1).

Рис. 1. Схема фундамента колеса обозрения в виде плиты с устроенными вниз ребрами жесткости

Результаты проведенных расчетов для предложенной конструктивной схемы фундамента позволили определить армирование в продольных и поперечных ребрах жесткости, а также в фундаментной плите. На Рис.2 показаны этапы возведения сооружения.

Рис.2. Колесо обозрения D = 75м в г. Геленджике Краснодарского края а) Этап возведения фундамента; б) этап монтажа конструкций колеса

© 2009-2021, ООО «ГЕОТЭК». Все права защищены.

ООО «ГЕОТЭК»
+7 (861) 99-22-400
г. Краснодар, ул. Покрышкина, 4/8

Источник

Колесо обозрения 50 метров

Проверочный расчет несущей конструкции колеса обозрения

Расчет колеса обозрения в APM WinMachine

Колесо обозрения 50 м

Расчет колеса обозрения проводился по заказу ООО «НТП СИО».

Несущая система аттракциона представляет собой разборную пространственную стержневую конструкцию комбинированного типа.

Каркас колеса обозрения выполнен в виде полярно-симметричной циклической стержневой системы, состоящей из: радиальных ферм; кольцевых поясов; дорожек, а также объединяющих их связей и противосейсмических растяжек.

Горизонтальная ось колеса обозрения шарнирно связана с опорными стойками, которые в свою очередь шарнирно связаны со сборным стальным основанием.

Технические параметры и характеристики аттракциона:

• высота: 49 500 мм;
• диаметр колеса по осям подвеса кабин: 45 500 мм;
• ширина (по краям опор): 28 500 мм.

Способ установки аттракциона: бесфундаментная конструкция.

Количество кабин — 24 шт.

Число пассажиров в одной кабине — 6 человек.

Цель расчета: проведение проверочного расчета несущей металлоконструкции аттракциона и ее элементов на прочность, жесткость и устойчивость при действии расчетной нагрузки с учетом возможных неблагоприятных условий эксплуатации или вариантов установки аттракциона. Обоснование безопасности эксплуатации колеса обозрения.

Проверочный расчет несущей системы аттракциона выполнен на основе технического задания в соответствии с общими принципами надежности строительных конструкций по методу предельных состояния первой группы согласно:

• ГОСТ Р 52170 – 2003;
• ГОСТ 27751-88;
• СП 16.13330.2016;
• СП 14.13330.2014.

Прочностной расчет конструкции аттракциона проводился с помощью модуля APM Structure3D, входящего в состав системы APM WinMachine.

Расчет болтовых соединений выполнялся с использованием APM Joint. Данный модуль входит в состав системы APM WinMachine.

Расчетная модель

Расчетная схема конструкции аттракциона строится на основе 3D модели переданной заказчиком.

Элементы конструкции были смоделированы стержневыми и объемными конечными элементами.

При моделировании поведения несущей конструкции рассматривался вариант ее фиксации на сборном стальном основании. Внешние связи системы воспроизводились заданием ограничений на перемеще-ния опор относительно глобальной системы декартовых координат. Фиксация расчетной модели осуществлялась наложением ограничений линейных перемещений шестнадцати узловых опорных точек.

Внутренние связи системы имитировали условия соединений конструктивных элементов аттракциона. В разработанной расчетной модели были реализованы:

• шарнирное соединение центрального вала с барабаном;
• жесткое соединение дорожек с опорными стойками в местах установки электроприводов;
• шарнирное соединение радиальных ферм с кольцевыми поясами и противосейсмическими растяжками;
• жесткое соединение радиальных ферм с барабаном;
• шарнирное соединение вала пассажирских кабин с дорожками колеса;
• шарнирное соединение опорных стоек с основанием центрального вала и сборным основанием;
• жесткие соединения балок сборного основания.

Приближение к реальным условиям соединения элементов конструкции достигалось введением в расчетную модель фиктивных (недеформируемых) стержней и созданием шарнирных узлов путем снятия ограничений на отдельные степени свободы.

В расчетной модели ось колеса представлена фиктивными стержневыми элементами, один конец которых шарнирно связан с твердотельными элементами вала, позволяя колесу совершать вращательное движение вокруг оси вращения, ограничивая линейное перемещение вдоль этой оси, а другой конец – жестко закреплен на фиктивном стержне, связанном с барабаном.

Все связи в конечно-элементной модели центральные, т.е. связь осуществляется через центры тяжестей сечений соответствующих элементов.

Условия нагружения конечно-элементной модели определены в соответствии с техническим заданием. К их числу относятся постоянные, временные и особые нагрузки.

К постоянным нагрузкам были отнесены:

• вес несущих конструкций;
• вес оборудования;
• вес приводных механизмов.

Нагрузка от посетителей задавалась согласно требованиям ГОСТ 52170-2003.

К временным нагрузкам:

• ветровые нагрузки;
• снеговые нагрузки;
• нагрузки от обледенения;
• нагрузки от посетителей;
• инерционные нагрузки.

Пульсационная составляющая ветровой нагрузки определялась в соответствии с ГОСТ Р 52170-2003. Снеговая нагрузка определялась согласно СП 20.13330.2016.

К особым нагрузкам относится сейсмическое воздействие. Сейсмические нагрузки были сформированы согласно СП 14.13330.2014.

Согласно данным полученным от заказчика нагрузка от обледенения определялась по СП 20.13330.2016

Все виды механических нагрузок представлены в виде сосредоточенных и распределенных сил, приведенных к узлам модели.

Результаты расчета

Был выполнен статический расчет конструкции аттракциона колеса обозрения на основные и особые сочетания нагрузок, для тридцати расчетных случаев (комбинаций загружений). Получены карты напряженного и деформированного состояния конструкции при соответствующих вариантах нагружений.

Выполнен расчет на усталость при действии нормативных значений нагрузок с учетом коэффициента динамичности.

Проведена оценка максимальных прогибов конструкции аттракциона согласно ГОСТ Р 52170-2003.

Так же выполнен расчет конструктивных элементов по СНиП II-23-81* для каждого типа элементов в наиболее нагруженной зоне конструкции для рабочего режима эксплуатации аттракциона.

Согласно ГОСТ Р 52170-2003 был проведен расчет статической устойчивости конструкции аттракциона (устойчивость формы).

Итоги выполненного проекта

Выполненный статический анализ позволил определить механическое состояние конструкции аттракциона как единой несущей пространственной системы в рамках линейных соотношений между напряжениями и деформациями и получить по методу предельных состояний первой группы оценки ее прочности и жесткости при действии предусмотренных в техническом задании расчетных нагрузок.

На основе анализа конечно-элементных моделей установлено, что напряженно-деформированное состояние конструкции при действии расчетных нагрузок имеет неоднородный характер, который наиболее существенно зависит от двух составляющих механической нагрузки – собственного веса конструкции и давления ветра. Действие нагрузки от веса пассажиров является незначительным, ее максимальное влияние оценивается в пределах 5%. Поэтому характер распределения внутренних усилий, напряжений и деформаций в большей степени зависит от положения конструктивного элемента и в меньшей степени – от уровня загрузки аттракциона пассажирами.

Наиболее высокий уровень напряженно-деформированного состояния аттракциона в рабочем состоянии возникает при загрузке пассажирами всех кабинок, при ветре перпендикулярном плоскости колеса.

Напряженное состояние несущей системы аттракциона характеризуется наличием концентраций эквивалентных напряжений, возникновение которых связано с присутствием в расчетных моделях аттракциона геометрических и «модельных» концентраторов, создающих в своих окрестностях особенности напряженного состояния. Следует отметить, что концентрации напряжений имеют локальный характер. Распределение эквивалентных напряжений вне названных зон не зависит от их максимального уровня. В этой связи наличием характерных зон концентрации во всех расчетных моделях можно пренебречь, и механическое состояние конструкции оценивать по наибольшему уровню напряжений, действующих за их пределами. В рабочих и нерабочих состояниях аттракциона величина эквивалентных напряжений не превышает уровень расчетного сопротивления конструкционного материала, и соответственно необходимая прочность обеспечивается.

Установлено, что при действии расчетных нагрузок деформирование несущей системы аттракциона во всех случаях нагружения реализуется при малых перемещениях, величина которых намного меньше длин стержневых элементов системы. Характер формоизменения несущей системы в основном зависит от горизонтальных линейных перемещений, обусловленных действием горизонтальной ветровой нагрузки.

Жесткость разработанной конструктивной формы аттракциона обеспечена.

Выполненный расчет на устойчивость положения конструкции аттракциона показал, что несущая система, выполненная по бесфундаментной схеме, с учетом массы бетонного основания под каждую из опор, является устойчивой против опрокидывания при действии расчетной ветровой нагрузки параллельно и перпендикулярно плоскости колеса обозрения.

Проверки конструктивных элементов показали, что все коэффициенты работоспособности основных несущих конструкций колеса: опорной стойки, поясов и раскосов радиальных ферм, кольцевых поясов и дорожек, не превышают значение единицы и соответствуют требованиям ГОСТ Р 52170-2003 предъявляемым к конструкции аттракциона.

Проведенная работа показала применимость программного комплекса APM WinMachine для решения сложных задач прочностного анализа аттракционов.

Источник

Расчет несущей способности винтовых свай и полевые испытания грунтов сваями для фундамента колеса обозрения в Ульяновске

Компания «ГлавФундамент» приняла участие в установке колеса обозрения высотой 42 метра в Ульяновске, выполнив весь комплекс работ по проектированию и строительству фундамента конструкции:

• расчет несущей способности винтовых свай;
• полевые испытания грунтов сваями;
• установку винтовых свай.

Специфика объекта

В процессе разработки проектной документации необходимо было учесть, что из-за особенностей конструкции колеса обозрения фундамент в процессе эксплуатации будет подвергаться воздействию существенных вдавливающих, выдергивающих и горизонтальных нагрузок.

Кроме того, установку необходимо было выполнить в условиях городской застройки, на берегу реки Свияги, поэтому важно было обеспечить требования к экологической безопасности на площадке строительства.

Инженерно-геологические условия участка строительства

В соответствии с отчетом по инженерно-геологическим изысканиям грунт, залегающий под основанием сваи, представлен кварцево-полевошпатовым песком средней крупности, водонасыщенным, средней плотности, участками с включением гравия до 15%, с линзами гравелистого песка, прослойками заиленного суглинка и мелкого песка.

Расчет несущей способности винтовых свай для объекта

На основании имеющихся данных специалистами компании в системах автоматизированного проектирования, базирующихся на методе конечных элементов, был выполнен численный расчет несущей способности винтовых свай по двум группам предельных состояний.

В рамках выполнения расчетов по первой группе было проведено численное моделирование НДС грунта вокруг винтовой сваи, сама свая моделировалась в рамках упругой модели. Были получены полные значения деформаций грунтового массива и график зависимости осадки сваи от передаваемой на нее нагрузки.

В результате выполнения расчетов по второй группе предельных состояний были получены деформации и эквивалентные напряжения, возникающие в теле сваи под действием осевой вдавливающей нагрузки.

Проведенный анализ напряженно-деформированного состояния показал, что максимальное сопротивление сваи по грунту и материалу превышает максимальную проектную нагрузку на сваю при условии расположения 5-ти свай в ростверке. Таким образом было доказано, что в заданных грунтовых условиях применение используемой в расчетах конструкции обеспечивает выполнение условий по несущей способности и устойчивости.

Полевые испытания грунтов сваями

Для подтверждения результатов расчетов были проведены полевые испытания грунтов винтовыми сваями при действии статических, выдергивающих и вдавливающих нагрузок.

В рамках испытаний специалистам необходимо было определить зависимости перемещения свай в грунте от нагрузок во времени, а также величину осадки свай при достижении наибольшей нагрузки.

Контрольные испытания проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 5686-2012 «Грунты. Методы полевых испытаний сваями». Ступени нагрузок сообщались сваям системой гидравлических домкратов при помощи системы анкерных балок. Регистрация величины нагрузки осуществлялась с помощью образцового манометра. Наблюдения за перемещениями свай и швеллеров велись по прогибомерам Максимова ПМ до условной стабилизации, не превышающей 0,1 мм осадки за последний час наблюдений.

Полевые испытания показали, что осадка свай при достижении наибольшей нагрузки не превышает предельно допустимые значения для данного типа сооружения.

Назначение винтовых свай и проектирование фундамента

В результате для фундамента колеса обозрения были рекомендованы винтовые сваи для сезоннопромерзающих грунтов широколопастные с конфигурацией лопастей для грунтов текучепластичной консистенции со следующими параметрами:

• 500 – диаметр лопастей, мм;
• (13) – толщина лопастей, мм;
• 1 – количество витков лопасти;
• 219 – диаметр ствола, мм;
• (6) – толщина стенки ствола, мм;
• 6600 – длина ствола, мм.

Выбор толщины стенки ствола обусловлен средней коррозионной агрессивностью грунтов площадки строительства (данные получены в ходе замера коррозионной агрессивности грунтов (КАГ). Для уточнения правильности подбора данного параметра после выполнения расчета срока службы свай в грунте была выполнена проверка соответствия остаточной толщины стенки ствола проектным нагрузкам и требованиям ГОСТ 27751-2014 «Межгосударственный стандарт. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения».

На этапе проектирования также были индивидуально подобраны такие параметры винтовых свай как расстояние между лопастями, конфигурация, шаг и угол наклона лопастей.

Необходимость расчета межлопастного расстояния, шага и угла наклона лопастей обусловлена сложной зависимостью этих параметров от грунтовых условий и характера нагрузок от строения. Более подробно о специфики расчета конструкции двухлопастных свай в статье «Особенности расчета двухлопастных винтовых свай».

Подбор конфигурации лопасти, соответствующей грунтовым условиям площадки строительства, позволил минимизировать нарушения структуры грунта в процессе установки винтовой сваи, что также положительно сказалось на несущей способности (подробнее о различных конфигурациях лопастей и основаниях для их назначения в статье «Ключевые принципы подбора параметров лопастей винтовых свай»).

Погружение винтовых свай

Установка колеса обозрения прошла успешно – в настоящее время аттракцион пользуется большим успехом, позволяя полюбоваться городом с высоты птичьего полета.

Источник