Как использовать Risa для проектирования специальных конструкций, таких как стадионы или арены

RISA для стадиона и арены структурная инженерия

Крупные общественные места, такие как стадионы, арены и конференц-центры, представляют некоторые из самых сложных задач структурного проектирования. Их крыши с длинным пролетом, консольные сидения, динамические нагрузки толпы и сложная геометрия требуют передового программного обеспечения для анализа, которое может обрабатывать нелинейное поведение, вход в аэродинамическую трубу и сейсмические характеристики. RISA (Быстрый интерактивный структурный анализ) представляет собой набор инструментов структурного проектирования, который стал решением для фирм, специализирующихся на этих монументальных структурах. Эта статья предоставляет всеобъемлющее руководство о том, как использовать RISA для проектирования специальных структур, таких как стадионы и арены, от первоначальной концепции до окончательной документации.

Почему RISA подходит для крупномасштабных нестандартных структур

RISA предлагает несколько модулей, которые непосредственно отвечают потребностям дизайна стадиона и арены:

• RISA-3D — инструмент 3D-анализа и проектирования общего назначения, способный моделировать сложные рамы, фермы и элементы оболочки.
• RISAFloor — оптимизирован для дизайна диафрагмы пола, полезен для залов, ярусов сидений и уровней мезонина.
• RISAFoundation — Ручки матовые фундаменты, свайные колпаки и комбинированные опоры, поддерживающие тяжелые колонные нагрузки.
• RISAConnection — Автоматизирует конструкцию стальных соединений, критически важных для высоко настроенных соединений, обнаруженных в фермах крыши и боковых системах.
• RISA-2D — быстрый 2D-анализ кадра для предварительных исследований типичных изгибов или краевых ферм.

Эти интегрированные модули позволяют инженерам моделировать всю структурную систему в единой среде, уменьшая ошибки передачи данных и позволяя быстро итерировать между глобальным поведением и дизайном локальных соединений.

Основные проблемы в дизайне стадионов и арены и как RISA решает их

Длинные крыши и большие кантилеверы

Крыши стадионов часто охватывают 200 м и более, требуя легких, но жестких конструкций, таких как космические фермы, кабельные системы или сложенные стальные оболочки. Нелинейная способность анализа RISA-3D (включая P-Delta и большое смещение) имеет важное значение для прогнозирования стабильности стройных компрессионных элементов в этих фермах. Программное обеспечение может моделировать только кабели напряжения и кольца сжатия, а его инструменты генерации нагрузки автоматически применяют мертвые нагрузки крыши, снежные заносы и давление ветра, как определено ASCE 7 или местными кодами.

Динамические и переходные нагрузки

Живые нагрузки от толпы, движущихся звуковых систем и табло производят динамические эффекты, которые нельзя рассматривать только как статические нагрузки. RISA поддерживает анализ спектра отклика и анализа истории времени для сейсмических сценариев, а его модальный анализ извлекает естественные частоты и формы режима. При проектировании сидений и консольных краев балкона инженеры могут использовать модуль вибрации пола RISAFloor для проверки возбуждения ходьбы - общий критерий комфорта для арен.

Ветровые нагрузки на сложных изогнутых поверхностях

Современные арены имеют аэродинамические крыши со сложной кривизной. Кодовые ветровые нагрузки от упрощенных методов ASCE 7 часто недооценивают локальное давление на эти формы. RISA позволяет инженерам импортировать данные о давлении в аэродинамической трубе по точкам или по зонам, применять их в качестве поверхностных нагрузок, а затем огибать структурные реакции. Эта интеграция имеет решающее значение для облицовки конструкции и размеров фермы крыши. Руководство ASCE по ветровым нагрузкам для стадионов предлагает ценный справочный материал для этого рабочего процесса.

Пошаговый рабочий процесс для проектирования стадиона с RISA

1. Предварительное понятие и определение сети

Начните с установления структурной сетки в RISA-3D. Типичные стадионы используют радиальную сетку с концентрическими кольцами, часто 10-15° между радиальными линиями. Определите линии колонн в местах посадки и установите профиль крыши с использованием параметрических узлов. На этом этапе назначьте предварительные размеры членов на основе пролетных отношений: фермы крыши обычно имеют глубину от 1/12 до 1/15 пролета, в то время как консольные балки крыши могут быть глубже.

Используйте интерфейс электронной таблицы RISA для быстрого создания узлов и членов. Для арен рассмотрите моделирование чаши как серию наклонных балок, представляющих ступенчатые ярусы сидений. RISAFloor можно использовать для моделирования диафрагм пола каждого уровня зала, автоматически рассматривая композитное действие с металлической палубой и бетоном.

2.Свойства выбора материала и раздела

Определение марок стали (например, ASTM A992 для широкоугольных, A500 для HSS) и прочности бетона. Для стадионов высокопрочная сталь (Fy = 65 кси или выше) является общим для кордов крыши для снижения собственного веса. RISA включает обширные базы данных секций и позволяет использовать пользовательские секции. При использовании настраиваемых секций коробок для колец крыши определяйте их как «общие» секции и вводите рассчитанную торсионную постоянную - критическую для стабильности изогнутых элементов.

3. Создание и применение грузовых корпусов

Создайте кейсы нагрузки для:

• Мертвые грузы (DL): Самовес конструкции плюс отделка, механические агрегаты, фиксированные сидения и облицовка.
• Живые нагрузки (LL): толпа нагрузки (обычно 5 кН/м2 для фиксированных сидений, выше для стоячих зон), подвижные перегородки нагрузки, и техническое обслуживание/строительные нагрузки.
• Живые нагрузки на крышу (Lr): , если используется вместо снега.
• Снежные нагрузки (S): сбалансированные, дрейфующие и несбалансированные узоры в соответствии с Главой 7 ASCE 7.
• Ветровые нагрузки (W): от кода или аэродинамической трубы; применяются в качестве площадных нагрузок на крышу и стены.
• Сейсмические нагрузки (E): эквивалент боковой силы или спектра отклика, в зависимости от категории сейсмической конструкции.

Генератор комбинаций нагрузки RISA автоматически применяет все требуемые комбинации нагрузки LRFD или ASD, включая коэффициент 0,75 для двустороннего действия в фермах. Используйте инструменты «Распределенная нагрузка луча» и «Нагрузка поверхности» для применения давления и проверьте в сводном отчете о нагрузке RISA, что общая вертикальная нагрузка равна ожидаемому весу конструкции плюс живая нагрузка.

4. Анализ и дизайн

Сначала проведите статический анализ для проверки отклонений и осевых сил. Для крыш с длинным пролетом отклонение от веса может быть большим - убедитесь, что команда камбера используется для указания отклонения узлов вверх, чтобы окончательный профиль крыши соответствовал архитектурному замыслу. Например, камбер центр 300-футовой кровли на 8 дюйма, чтобы компенсировать провисание мертвой нагрузки.

Выполняйте модальный анализ для извлечения не менее 10 режимов. Для арен фундаментальный период часто падает между 0,5 и 2,0 секунд. Если период крыши близок к резонансной частоте порывов ветра, рассмотрите возможность добавления вторичной фиксации. Анализ спектра отклика RISA может быть объединен с эквивалентными результатами боковой силы с использованием полной квадратичной комбинации (CQC) для модальных ответов.

Для стальных элементов RISA автоматически проверяет прочность и стабильность на AISC 360. Используйте функцию «Design Groups» для группировки похожих членов (например, все радиальные фермальные хорды крыши одного размера), а затем запустите оптимизатор дизайна стали. Оптимизатор предложит самый легкий участок, который удовлетворяет всем проверкам кода, экономя время при обеспечении эффективности участников. Для стадионов секции HSS часто используются для ферменных веб-членов, чтобы уменьшить сопротивление ветра и улучшить эстетический внешний вид.

5. Дизайн соединений и деталей

После размера члена используйте RISAConnection для проектирования критических соединений:

• Связи с коркой от колонны до крыши — часто требуют больших пластин гусеница и болтов высокой прочности.
• Компоненты сгиба в складчатых крышах — могут включать разворот нагрузки при поднятии ветра; RISAConnection проверяет как натяжение, так и сжатие с помощью посторонних действий.
• Связи базовых пластин для колонн на сидячем воле — включая анкерные стержни для опрокидывания момента.

RISAConnection может импортировать силы непосредственно из модели анализа, устраняя ручной ввод и уменьшая ошибки. Она обеспечивает размеры сварных швов, шаблоны болтов и толщины пластин в четком отчете о конструкции, который может быть включен в строительные документы.

6. Дизайн фундамента с RISAFoundation

Нагрузки колонн стадиона могут превышать 5 МН при сейсмических комбинациях. Использование RISAFoundation для проектирования распредвалов, матовых фундаментов или свайных групп. Для арен, построенных на бедной почве, рассмотрим матовый фундамент с сеткой бетонных балок, равномерно распределяющих нагрузки. RISAFoundation позволяет определять свойства почвы (разрешимое давление подшипника, модуль реакции подкласса) и автоматически вычисляет конструктивное ударное сдвига, гибкое усиление и расселение.

Для участков с высоким сейсмическим спросом могут потребоваться свайные фундаменты, чтобы противостоять боковым нагрузкам. RISAFoundation может моделировать сваи как пружинные опоры с жесткостью на основе грунтовых буров, а затем выполнять динамический анализ, чтобы подтвердить, что система фундамента не увеличивает сейсмическую реакцию здания. RISAFoundation documentation включает примеры больших матовых фундаментов для спортивных сооружений.

Расширенные возможности для дизайна стадиона

Интеграция с информационным моделированием зданий (BIM)

Многие проекты стадионов требуют координации с архитекторами и инженерами MEP. RISA поддерживает экспорт IFC и может быть связан с такими платформами, как Revit через RISA-Revit Link. Этот двунаправленный обмен позволяет структурной модели отражать изменения в архитектурной модели, такие как пересмотренные углы сидения или свесы крыши, без повторного ввода данных. Для проектов со сложными требованиями BIM убедитесь, что иерархия объектов RISA (этажи, колонны, стены) правильно отображает стандарты платформы BIM.

Нелинейный анализ для катенарных и растяжимых структур

Современные арены все чаще используют кабель-сети и мембранные крыши. Решитель RISA-3D для большого смещения может моделировать кабели как элементы только напряжения с начальным преднапряжением. Это жизненно важно для анализа стадий с убирающимися крышами, где движущиеся панели накладывают значительные динамические нагрузки. Программное обеспечение также может моделировать нелинейную жесткость резиновых подшипников или систем изоляции, используемых в сейсмически изолированных местах.

Соблюдение кодекса и отчетность

Каждая юрисдикция может принимать различные строительные коды. RISA кодовый механизм проверки поддерживает несколько выпусков IBC, ASCE 7, AISC, ACI и региональных кодов. Настройка генератора комбинации нагрузки для включения в проект конкретных коэффициентов аэродинамической трубы или специальных сейсмических усилений. Встроенный модуль отчетности генерирует сводку максимального дрейфа истории, опрокидывающего момента и сдвига базы, который может быть использован для подготовки базового отчета по дизайну для местного строительного отдела. Международный строительный кодекс (IBC) обеспечивает всеобъемлющую основу для такого соответствия.

Лучшие практики для эффективного дизайна стадиона в RISA

• Начните с упрощенных моделей: Постройте предварительный 2D-кадр вдоль типичной радиальной линии, чтобы быстро оптимизировать ширину залива и размеры членов перед созданием полной 3D-модели.
• Используй симметрию мудро: Большинство стадионов имеют вращательную симметрию (например, 24-кратную симметрию). Модель всего одна двенадцатая или одна двадцатая четвертая структуры и применяет граничные условия симметрии. RISA поддерживает шаблоны циклической симметрии через узлы и копирование и вращение членов.
• Сравнительный знак с ручными вычислениями: Для критических элементов, таких как основная ферма крыши или кольцевой луч в чаше, выполните быструю проверку рук с использованием основных уравнений. Это подтверждает вывод RISA и укрепляет доверие к модели.
• Эффективно управляйте случаями нагрузки: Используйте «Справочник по комбинированию нагрузки» для просмотра и сортировки сотен комбинаций нагрузок. Групповые случаи нагрузки по типу (мертвые, живые, ветровые, сейсмические) и создайте соглашения об именах, которые понятны для всей команды разработчиков.
• Выполните исследование чувствительности: Различные параметры, такие как глубина фермы, вес секции и жесткость поддержки, чтобы увидеть, как они влияют на дизайн. параметрический анализ функции RISA позволяет записать несколько запусков и извлечь результаты, помогая определить наиболее экономичную и надежную конфигурацию.
• Предположения и критерии документа: В системе нот RISA запишите критерии проектирования (например, предел отклонения = L/240 для полной нагрузки, L/360 только для живой нагрузки) и любые предположения о применении специальной нагрузки (эффекты направления ветра, формы снежного дрейфа).

Реально-мировое исследование: дизайн маломасштабной арены с использованием RISA

Рассмотрим конструкцию многоцелевой арены на 12 000 мест с куполообразной крышей пролета 120 м. Структурная система состоит из радиальных стальных ферм, охватывающих от центрального кольца сжатия до внешнего кольца натяжения на уровне сидений. Используя RISA-3D, инженерная команда следила за этим рабочим процессом:

1. Модель:] Четверть арены была смоделирована симметрией. Радиальные фермы были разнесены с интервалами 15°, а поверхность крыши определялась как сферическая шапка. Центральное кольцо моделировалось как секция коробки; внешнее кольцо как широкий луч фланца подвергалось воздействию высоких сил растяжения.
2. Загрузки: Мертвая нагрузка (облицовка, агрегаты HVAC, подиумы) = 0,8 кПа; живая нагрузка (обслуживание) = 0,5 кПа; ветровая нагрузка от туннельных испытаний (коэффициенты давления на каждом узле); сейсмическая нагрузка на ASCE 7-16 (категория С сейсмического дизайна).
3. Анализ: Сочетание 3D статического анализа гравитационных нагрузок и анализа спектра отклика для сейсмической активности. Фундаментальный период крыши составлял 1,2 с.
4. Оптимизация: Члены фермы были сгруппированы по зонам (хребет, середина, трость). Оптимизатор уменьшил общий тоннаж стали на 12% по сравнению с первоначальной однородной конструкцией, все еще удовлетворяя цели отклонения L/300 для живой нагрузки на крышу.
5. Конструкция соединения: Для критического узла, где встречаются четыре фермы на центральном кольце, было предложено стальное литье. RISAConnection проверил прочность на выход литой стали и спроектировал болтовый интерфейс с кольцевым лучом.

В ходе экспертной оценки была дана высокая оценка четкости результатов RISA, включавших коэффициенты использования с цветовой кодировкой и краткий обзор проекта.

Заключение

Проектирование специальных структур, таких как стадионы и арены, требует сложного анализа, который учитывает сложную геометрию, несколько источников нагрузки и строгие требования к коду. Интегрированная экосистема RISA - от 3D-анализа и проектирования стали до детализации соединений и проектирования фундамента - обеспечивает оптимизированный, точный и эффективный рабочий процесс для инженеров-строителей. Следуя систематическому подходу, изложенному в этой статье, и используя расширенные функции, такие как симметричное моделирование, нелинейный анализ и интеграция BIM, инженеры могут обеспечить безопасные, экономичные и инновационные места, которые выдерживают испытание временем.

Для инженеров, новичков в дизайне стадионов, тратящих время на освоение генерации нагрузки RISA, сейсмических модулей и проектных групп, будет выгодно качество проекта и карьерный рост. В сочетании с постоянным профессиональным развитием в структурной динамике и обновлениях кода RISA остается мощным союзником в превращении архитектурных видений в построенную реальность. Учебные ресурсы RISA предлагают вебинары и учебные пособия, специально предназначенные для крупных и специальных структур.