Inverse analysis as a key element of safety assessment under the snow load for the large suspension roofs structure

The paper presents a concept and realization of monitoring system for the Silesian Stadium in Chorzow. The idea of the system lies in fusion of structure monitoring with a calibrated numerical FEM model [1]. The inverse problem is solved. On the base of measured selected displacements, the numerical FEM model of the structure combined with iterative method, develops the current snow load distribution. Knowing the load, we can calculate the forces and stresses in each element of the structure and thanks to this we can determine the safety thresholds and asses the owner. Test results and conclusions are presented.

Stadion Śląski w Chorzowie (60 tys. widzów) został ostatecznie przykryty jednym z największych dachów w Europie (powierzchnia - 43 tys. m2). Wisząca konstrukcja sprężona jest bardzo lekka i podatna (rys. 1). Śnieg jest głównym obciążeniem, a jego wpływ na bezpieczeństwo konstrukcji jest dominujący. Wojewoda Śląski, mając na uwadze tragiczną katastrofę w styczniu 2006 r., kiedy konstrukcja hali wystawowej zawiodła pod obciążeniem śniegowym, zabijając 65 osób, nakazał zapobiegać nieoczekiwanemu obciążeniu konstrukcji dachu. Usuwanie śniegu z dachu jest standardowym działaniem zimowym. Jednak ze względu na delikatne poszycie dachu każde odśnieżanie należy wykonywać ręcznie. Jest to niebezpieczne dla pracowników, a ponadto niekompetentne odśnieżanie może spowodować uszkodzenie powierzchni dachu poliwęglanowego. Wg instrukcji należy wyczyścić 20 tys. m2. Dlatego obciążenie śniegiem i rozkład śniegu na dachu to kluczowe informacje dla właściciela w kontekście bezpieczeństwa i działań utrzymaniowych. Odpowiednio zaprojektowany monitoring dachu może powiadomić o potencjalnych zagrożeniach i zabezpieczyć przed niepotrzebnym odśnieżaniem. W praktyce nie można przewidzieć rzeczywistej wartości i rozkładu obciążenia śniegiem na tak rozległym obszarze ze względu na wiele losowych parametrów, takich jak kierunek i natężenie wiatru, temperatura i ogólna pogoda. Ponieważ nie jesteśmy w stanie przewidzieć obciążenia śniegiem (wartości i rozkładu), nie możemy wskazać miejsca na konstrukcji, które będzie reprezentatywne dla oceny bezpieczeństwa. Dodatkowo konstrukcja cechuje się silną nieliniowością geometryczną. Proponowany system monitorowania rozwiązuje ten problem. Opracowano procedurę odwrotną. Na podstawie zmierzonych przemieszczeń identyfikowane jest obciążenie śniegiem i rozkład śniegu. Technika odwrotna jest popularna w systemach SHM. Metoda ta zasadniczo koncentruje się na identyfikacji potencjalnych uszkodzeń konstrukcji. Znane są wprawdzie zastosowania analizy odwrotnej do identyfikacji obciążenia. Niemniej jednak zdaniem autorów przedstawiona metoda identyfikacji obciążenia śniegiem na dużej, silnie geometrycznie nieliniowej konstrukcji dachu wiszącego nie była dotychczas stosowana.