Конструкция покрытия над трибунами стадионов типа "велосипедное колесо"

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, АО «НИЦ Строительство»

Конструкция покрытия над трибунами стадионов типа «велосипедное колесо»

Павел Георгиевич Еремеев, доктор технических наук, профессор

Москва, 2-я Институтская, 6

Аннотация

Рассматриваются несущие конструкции большепролетных покрытий над трибунами стадионов типа «велосипедное колесо». Дан перечень спортивных сооружений с применением таких конструкций. Описан принцип работы конструкции, приведены ее преимущества и недостатки. Дано сравнение собственного веса традиционной консольной конструкции покрытий над трибунами стадионов и типа «велосипедного колеса». Представлены основные варианты конструктивных форм рассматриваемой системы и их составляющих элементов. Дан анализ целесообразной формы плана системы. Приведены принципиальные схемы статической работы конструкции и отдельных составляющих эту систему элементов. Отражены особенности расчета конструкций покрытий типа «велосипедное колесо». Рассмотрены основные конструктивные решения системы в целом, отдельных элементов и узлов. Обращено внимание на вопросы обеспечения устойчивости конструкции покрытия, восприятия ветровых и сейсмических нагрузок (при их наличии) и температурных воздействий. Приведены наиболее рациональные решения кровельного покрытия. Рассмотрены основные вопросы изготовления и монтажа покрытий, требования к применяемым материалам, в первую очередь к канатам. Описана последовательность монтажа вантового покрытия типа «велосипедное колесо». Даны примеры стадионов построенных в России с применением конструкций типа «велосипедное колесо».

Ключевые слова: покрытия типа «велосипедное колесо», материалы, конструкция, статическая работа, проектирование, расчеты.

Covering design over stadiums tribunes of «a bicycle wheel» type.

Pavel Yeremeyev. Prof. Dr

Abstract. Bearing designs of wide-span coverings over tribunes of stadiums «a bicycle wheel» type are considered. The list of sports constructions with application of designs with «a bicycle wheel» type is given. The principle of design work is described; its advantages and disadvantages are given. A comparison of a body weight of a traditional console design of coverings over tribunes of stadiums and construction of «a bicycle wheel» type is given. The basic variants of constructive forms of considered system and their making elements are presented. The analysis of the expedient form of the system plan is given. Features of the static work of a design and separate elements making these systems are resulted. Features of calculation of designs of coverings of «a bicycle wheel» type are reflected. The basic constructive decisions of system in whole, separate elements and knots are considered. The attention is payed to questions of maintenance of covering design stability, perception of wind and seismic loadings (if any) and temperature influences. The most rational roofing solutions are given. The basic questions of manufacturing and installation of coverings, requirements to applied materials, first of all to ropes are considered. The sequence of the installation of the cable covering of the "bicycle wheel" type is described. Examples of stadiums built in Russia with the use of "bicycle wheel" type structures are given.

Keywords: coverings «a bicycle wheel» type , materials, a design, static work, designing, calculations.

Колесо - одно из самых больших изобретений в истории человечества. Колесо со спицами может быть определено как устройство, состоящее из сжатого кольца, центральной оси и радиальных растянутых спиц, которые соединяют кольцо и центр (рис. 1). С конца 1980-х гг. принцип велосипедного колеса был применен для конструкции покрытия ряда спортивно-зрелищных сооружений: павильон США на международной выставке в Брюсселе (1958 г); спортивный комплекс «Юбилейный» в Санкт-Петербурге (1967 г); Медисон Сквер Гарден в Нью-Йорке (1968 г); крытый стадион в городе Атланта, США (1992 г); «Минск-арена» (2009 г) и др. Начиная с 1990-х годов, конструкция покрытия типа «велосипедного колеса» с центральным проемом успешно применяется для покрытия над трибунами стадионов [3, 4]. 1, 2

В различных странах построены десятки стадионов подобного типа. Некоторые из них приведены в табл. 1.

Таблица 1

Достоинства конструкций покрытий типа «велосипедное колесо» [12] 3 определяется:

- возможностью создания необычайно легких покрытий над трибунами с большим вылетом (60 м и выше) и размерами в плане (250 м и выше);

- значительной экономией металла, вследствие работы пролетной конструкции на растяжение, без опасности потери устойчивости, и использования высокопрочных сталей;

- сокращением сроков строительства, снижением трудоемкости и стоимости их возведения за счет уменьшения собственной массы системы, применения элементов заводского изготовления, относительной простоте их монтажа без подмостей;

- снижением стоимости нижележащих конструкций (колонны, фундаменты) за счет уменьшения массы покрытия;

- минимизацией транспортных расходов;

- практическим воплощением ярких архитектурных замыслов, возможностью применения светопрозрачных и трансформируемых покрытий [5, 10]. 4, 5

Преимущество использования таких систем видно из графика на рис. 2 [11], 6 где дано сравнение собственного веса традиционной консольной конструкции покрытий над трибунами стадионов (сплошная линия) и типа «велосипедного колеса» (пунктир). Вес консольного покрытия вылетом 35 м определен как 100%. С увеличением вылета эта разница возрастает, почти до двух раз.

Основные варианты конструктивных форм рассматриваемой системы [3] 1 представлены на рис. 3. Конструкция состоит из трех основных частей: наружного контура, центральной части, объединенных системой парных радиальных элементов. При этом наружное кольцо (сжатый опорный контур) может быть одинарным (рис. 3 а, в, д) или двойным. Соответственно центральная часть (растянутый внутренний контур) может быть двойной или одинарной (рис. 3 б, г, е). Кольцевые элементы, расположенные друг над другом объединяются распорками. Парные радиальные тросы, объединенные подвесками, образуют вантовые фермы. Конструкция покрытия над трибунами стадионов имеет центральный проем над игровым полем (рис. 3 в, г, д, е), в отличии сплошного покрытия арен (рис. 3 а, б).

Наиболее выгодная форма плана конструкции покрытия типа «велосипедное колесо» - круг. Но это требование находится в противоречии с формой плана стадионов, которая в случае наличия дорожек для легкой атлетики приближается к эллипсу (рис. 4, а), а для чисто футбольных стадионов - к прямоугольнику с закругленными углами (рис. 4, б).

Статическая работа конструкции покрытия типа «велосипедное колесо» характеризуется следующим образом [6, 7, 8]. 7, 8, 9

Вся поперечная нагрузка с покрытия передается через наружный контур на нижележащие конструкции (колонны, трибуны). Для обеспечения работы системы, наружный контур должен иметь свободу перемещений в горизонтальной плоскости, которая обеспечивается соответствующими опорными частями (ОЧ), допускающими перемещения в радиальном и тангенциальном направлении (шаровые опоры с горизонтально подвижной ОЧ). По осям симметрии конструкции покрытия в четырех точках устанавливаются роликовые опоры, воспринимающие не только вертикальные, но и тангенциальные усилия. Эти четыре опорные части, обеспечивают устойчивость системы покрытия, а также воспринимают ветровые и сейсмические нагрузки (при их наличии), температурные воздействия и передают их на нижележащие конструкции, не препятствуя перемещениям контура в радиальным направлении.

Радиальные вантовые фермы, в которых один трос является несущим, а другой стабилизирующим, должны быть предварительно напряжены. Под поперечной нагрузкой растягивающие усилия в тросах уравновешиваются сжатием наружного контура и растяжением внутреннего. При этом усилия в несущем радиальном тросе под нагрузкой увеличиваются, а в стабилизирующем уменьшаются, но не должны становиться сжимающими. Суммарные усилия в сжатых кольцах примерно постоянны и равны суммарным усилиям в растянутых кольцах. В случае овальной в плане формы покрытия, усилия растяжения радиальных тросов меняются с изменением кривизны колец, возрастая на участках с большей кривизной контура.

Наиболее существенно эта разница проявляется в покрытиях с планом, приближающимся к прямоугольнику (см. рис. 4, б). В углах таких покрытий возникают существенно большие, чем на других участках, усилия растяжения в радиальных вантовых фермах и изгибающие моменты в контурных элементах. Это требует специальных конструктивных решений в угловых зонах: увеличения количества вантовых ферм в угловых зонах, усиления контура.

В большинстве случаев, форма плана внутреннего кольца принимается подобной наружному контуру. Чем больше форма центрального проема отличается от наружного кольца, тем конструкция становится менее рациональной. Расход материала может увеличиться более чем в 5 раз по сравнению с идеальной круговой формой обоих колец. Таким образом, важным этапом проектирования является нахождение формы, в которой геометрия и усилия основных элементов согласованы самым эффективным способом при наиболее неблагоприятных сочетаниях нагрузки.

Расчет конструкций покрытий типа «велосипедное колесо» следует выполнять в геометрически нелинейной постановке с учетом податливости опорных колец [9] 10. Как было сказано выше радиальные ванты следует предварительно напрягать, для увеличения жесткости системы. В первом приближении величину преднапряжения можно определить при следующих исходных предпосылках:

- равномерно распределенная нагрузка на покрытие заменяется эквивалентными сосредоточенными силами, приложенными в узлах системы;

- равные величины усилий во всех распорках/подвесках на стадии преднапряжения;

- нулевое усилие растяжения в стабилизирующих вантах, при максимальной нагрузке на покрытие.

Кроме статических необходимо выполнять динамические расчеты от пульсационной составляющей ветровых нагрузок и проводить проверку элементов на усталость.

Основные конструктивные решения [3] 1. Радиальные вантовые фермы могут быть двояковыпуклыми с сжатыми стойками/распорками из труб (рис. 5, а, в) или двояковогнутыми с растянутыми тросовыми подвесками (рис. 5, б, г). Рациональная стрела провиса несущих вант около 0.05/L, рациональная стрела подъема стабилизирующих вант около 0.03/L, где L - вылет вантовой фермы до центрального кольца. Радиальные ванты обычно выполняют из закрытых спиральных канатов диаметром 55 ч 145 мм. При этом диаметр несущих канатов принимается примерно на 25 ч 50 % большим, чем стабилизирующих.

Соединение парных радиальных вант, с элементами наружного контура (рис. 6), центрального кольца (рис. 7), распорками/подвесками (рис. 8) следует выполнять с помощью металлических вилочных анкеров.

Сжатые элементы наружного контура выполняют стальными коробчатого сечения в первом приближении из листов t = 30 ч 100 мм размерами: ширина (1/140 ч 1/180) Dср, высота (1/250 ч 1/350) Dср, (где Dср - осредненная величина размеров покрытия по главным осям). Криволинейный наружный контур собирается из прямолинейных отправочных марок длиной 10 ч 15 м, обычно с фланцевыми соединениями на торцах.

В покрытиях с центральным проемом растянутое внутреннее кольцо представляет собой пакет из набора высокопрочных канатов закрытого типа (6 ч 8 шт.) диаметром 50 ч 100 мм, расположенных в один или два ряда по высоте (см. рис. 7).

Расстояние между сдвоенными наружными или центральными кольцами по вертикали принимают в пределах от 1/2 до 1/4 вылета консоли. Шаг распорок/подвесок - 8 ч 10 м. Расстояние между радиальными вантами по наружному периметру - 10 ч 15 м.

Наружный контур устанавливают на маятниковые колонны или скользящие опоры, опирающиеся на каркас трибун (см. рис. 6). Общая устойчивость конструкции покрытия обеспечивается пространственной системой и включением в работу четырех тангенциальных связей по главным осям покрытия.

Наиболее рациональное решение кровельного покрытия - тентовая мембрана из тонких синтетических тканей, позволяющая максимально увеличить пролет ограждающей конструкции и соответственно уменьшить количество несущих радиальных элементов [1] 11. Верхние вантовые пояса, возможно, объединять арочными прогонами, устанавливаемыми над стойками/распорками (рис. 9). Арочные прогоны имеют разную стрелу подъема для придания поверхности покрытия необходимой геометрии. Каждый арочный прогон имеет затяжку, усилия, в которых уравновешены в кольцевом направлении. Возможен вариант расположения тентовой мембраны, с чередованием перегибов на верхних и нижних тросах, образуя складчатую форму покрытия (рис. 10).

Для улучшения освещения игрового поля, внутренний кольцевой участок покрытия шириной около 10 м зачастую выполняется светопрозрачным из поликарбоната или стекла.

Изготовление, монтаж [2] 12. Для вант применяют закрытые спиральные тросы, имеющие сердечник из круглых проволок, вокруг которого навиты, как минимум, два слоя проволок фигурного сечения, обеспечивающего их плотное прилегание. Такие тросы из оцинкованной проволоки характеризуются наиболее высоким модулем упругости, жесткостью при растяжении и кручении, коррозионной стойкостью.

Для исключения остаточных деформаций тросы должны быть многократно предварительно вытянуты на натяжных стендах на нагрузку от 5% до 50% минимального разрушающего усилия. При этом кривые нагрузка/удлинение для двух последних последовательных циклов должны совпадать, а удлинение троса должно стать прямо пропорциональным прилагаемой нагрузке. В этом случае трос деформируется почти упруго.

После вытяжки, пока трос находится на стане под нагрузкой, готовые тросы маркируются для установки концевых заделок. При изготовлении необходимо контролировать точность длины троса полной сборки с концевыми анкерами. Любая ошибка в длине троса приводит к различиям между фактическими и проектными усилиями в элементах системы. Если трос короче проектных размеров, то возрастают усилия преднапряжения и возможна его перегрузка. В тросах более длинных, чем проектные размеры, усилия преднапряжения уменьшаются, они не полностью включаются в работу, что приводит к недостаточной жесткости конструкции. Допуски по длине троса с концевыми элементами, после предварительной вытяжки, не должны превышать ± ((L/1000) + 5 мм) где L - длина каната в мм или 0.01 %. При измерении длины должны учитываться воздействия прилагаемой нагрузки, ползучесть троса, вытяжка анкера и изменения температуры.

В конструкциях применяют ванты полной заводской готовности комплектной поставки, которая предусматривает вытяжку троса, его разметку и разрезку, постановку вилкообразных стальных анкеров. Для передачи усилий с подвесок/распорок на основные канаты используют специальные сжимы. Анкера изготавливают из литой стали, а муфты, оси и сжимы - из поковок, применяя легированные стали высокой прочности (Ryn ~ 550 МПа; Run ~ 700 МПа), с механической обработкой, высверленными отверстиями, соблюдением жестких допусков. Их испытывают на наличие поверхностных дефектов с помощью магнитопорошковой дефектоскопии или ультразвуковым контролем, с определением фактического разрывного усилия образцов. Все изделия оцинковывают горячим способом минимальной толщиной 0.15 мм.

Последовательность монтажа вантового покрытия типа «велосипедное колесо»:

- монтаж наружного контура на проектной отметке;

- сборка на уровне земли на временных опорах внутреннего кольца;

- сборка на направляющих мостках элементов радиальных вант;

- компоновка и сборка вантовой конструкции и соединительных элементов;

- соединение радиальных тросов с внутренним кольцом с помощью литых сжимов;

- подъем всех радиальных тросов вантовой системы и их синхронное натяжение; покрытие сооружение велосипедный колесо

- установка и преднапряжение мембранной конструкции кровли.

Сборка вантовой конструкции осуществляется на поле и на конструкции трибун на временных опорах и направляющих, нижние радиальные тросы крепятся к верхним. Подъем (рис. 11) и предварительное напряжение вантовой системы осуществляется одновременно всех радиальных элементов с помощью гидравлического подъемного оборудования, установленного на конструкции трибун на проектной отметке. Сложность этого этапа монтажа заключается в координировании натяжения тросов с учетом податливости опорных колец.

Возможны решения конструкции покрытия типа «велосипедное колесо», в которых вместо преднапряженных радиальных вантовых ферм применяются радиальные фермы из прокатных или сварных профилей.

Ниже приведены примеры применения конструкций покрытия типа «велосипедное колесо» в стадионах, построенных в России.

Стадион «Краснодар» вместимостью 33 тыс. зрителей построен в 2016 г. Сооружение, представляет собой в плане овал с габаритами примерно 190,0Ч230,0 м, высотой трибун до 25,23 м и высотой покрытия над полем до 38,0 м (рис. 12 а, б). Покрытие над трибунами стадиона представляет собой вантовую систему, типа велосипедного колеса, с двумя сжатыми стальными коробчатыми наружными контурами и растянутым внутренним кольцом в виде набора 8 тросов, связанными системой 56 радиальных тросов. Верхний сжатый пояс опирается на монолитную железобетонную балку, а нижний сжатый пояс - опирается на внутренний ряд стальных колонн (56 шт.), которые в свою очередь опираются на монолитную железобетонную балку. Вертикальная нагрузка от вантового покрытия передаётся через монолитные балки на колонны каркаса. Радиальные ванты, расположенные в плане в разбежку, объединены подвесками в круговую систему консольных тросовых ферм с верхним несущим поясом и нижним - стабилизирующим. Высота фермы у основания 10 м, вылет - 46 ч47 м. Большая часть поверхности покрытия покрыта тканевой мембраной с внутренним участком, выполненным из стеклянных панелей. Мембрана расположена между вантовыми фермами с чередованием перегибов на верхних и нижних тросах, образуя складчатую форму покрытия. Проект покрытия «Стадиона «Арена Краснодар» разработан компанией Schlaich Bergermann und Partner (Германия).

Стадион «Волгоград Арена» вместимостью 45 тыс. зрителей построен в 2018 г (рис. 13 а, б). Конструкция покрытия запроектированная в виде системы типа «велосипедное колесо» имеет два основных контура, внутренний и внешний. Покрытие над трибунами - тканевая мембрана. Внешний контур - металлическое кольцо коробчатого сечения, которое опирается на железобетонные колонны шагом около 16 м. Форма кольца в плане - овал с размерами 240,2х201,8 м. Внутренний растянутый контур - гибкий, состоит из двух поясов, разнесенных по высоте на 13 м. В плане пояса имеют овальную форму. Нижний и верхний растянутые пояса имеют размеры в плане соответственно 163,4х131,8 и 146,6х112,8 м. Каждый пояс представляет собой пакет из шести высокопрочных канатов закрытого типа. Сжатый внешний и растянутый внутренний контуры объединены между собой системой 44 радиальных вантовых плоских ферм, верхние и нижние пояса которых соединены с верхним и нижним поясами внутреннего контура и наружным контуром. Пролет вантовых ферм - от 45,21 до 46,99 м. Пояса соединены между собой распорками. Пояса радиальных ферм выполнены из высокопрочных спиральных канатов закрытого типа, распорки - из горячекатаных труб. Вантовые пояса соединены с опорными контурами и распорками с помощью литых металлических разъемов и муфт, сварных девиаторов и фрезерованных зажимов из высокопрочной стали. Верхние пояса радиальных ферм в кольцевом направлении объединяются арочными прогонами с затяжками, установленными шагом 9 м. Арочные прогоны имеют разную стрелу подъема для придания поверхности мембранного покрытия необходимой геометрической формы. Проект покрытия стадиона «Волгоград Арена» разработан - ООО «Максимум».

Стадион "Нижний Новгород" вместимостью 45 тыс. зрителей построен в 2018 г (рис. 14 а, б). Конструкция покрытия запроектированная в виде системы типа «велосипедное колесо», но с использованием элементов из жестких профилей. Покрытие над трибунами стадиона представляет собой радиально-кольцевую стержневую оболочку. Форма покрытия в плане: по наружному контуру овал с размерами главных осей 243.8х206.7 м, а по внутреннему (проем над игровой зоной) - овал с размерами главных осей 123.0х85.9 м. Система несущих конструкций покрытия - 44 радиальные плоские фермы, расположенные между наружным и внутренним контурами. Вылет радиальных ферм около 60.29 м, высота ферм со стороны проема 14,5 м. Радиальные фермы опираются шарнирно-неподвижно при помощи шаровых сегментных ОЧ «MAURER» на железобетонные колонны каркаса сооружения. Внутренний контур - решетчатая кольцевая ферма, с расстоянием между поясами 14.5 м. Все элементы радиально-кольцевой стержневой системы в основном выполнены из сварных двутавров.

Стадион «ВТБ Динамо» вместимостью 26 тыс. зрителей построен в 2018 г (рис. 15 а, б) Конструкция покрытия над трибунами размерами в плане 186,5х160,6 м, с овальным проемом (107,4х80,1 м) над футбольным полем, выполнена в виде стальной стержневой системы, состоящей из консольных радиальных балок переменной высоты, подкрепленных растянутым шпренгелем с V-образными стойками. Радиальные элементы, опертые по периметру на железобетонные колонны каркаса, замыкаются на внутреннем и наружном контурах. Нижний пояс радиальных шпренгелей в месте сопряжения с V-образными стойками замыкается на нижнем внутреннем кольце из пакета растянутых стержней. По верхнему поясу радиальных шпренгелей расположены кольцевые элементы (прогоны). Узлы опирания радиальных элементов на периметральные колонны каркаса - шарнирные всесторонне подвижные, кроме четырех точек по главным осям покрытия, где шарнирные опорные части допускают радиальные перемещения и установлены тангенциальные связи.

Выводы

1. Конструкция покрытия над трибунами стадиона типа «велосипедное колесо» состоит из трех основных частей: наружного сжатого контура, внутреннего растянутого кольца, объединенных системой радиальных вантовых ферм.

2. Конструкция позволяет создавать необычайно легкие покрытия с большим вылетом (60 м и выше) и размерами в плане (250 м и выше), при значительной экономии металла, сокращении сроков, трудоемкости и стоимости их возведения.

3. Существенным этапом проектирования является нахождение формы, в которой геометрия и усилия основных элементов согласованы эффективным способом при наиболее неблагоприятных сочетаниях нагрузки. Наиболее рациональной формой плана опорных колец является круг.

4. Для покрытий с формой плана отличной от круга необходимо усилия с пролетной части системы сосредотачивать в зонах с максимальной кривизной опорного контура - в углы покрытия. Конструкция типа «велосипедное колесо» не применима для покрытий на прямоугольном плане.

5. Наиболее рациональным решением кровельного покрытия для рассматриваемых конструкций является тентовая мембрана, позволяющая максимально увеличить пролет ограждающей конструкции и соответственно уменьшить количество несущих радиальных элементов.

Список литературы

1. Еремеев П.Г. Современные конструкции покрытий над трибунами стадионов. М.: Издательство АСВ, 2015. 236 с.

2. Bцgl M. Outstanding Roof Structures. Progress is built on ideas. [Выдающиеся конструкции покрытий]. brochures. 09/2014, 66 p.

3. Boom I. Tensile-compression ring: A study for football stadia roof structures. [Растянутое-сжатое кольцо: Исследования конструкций покрытий футбольных стадионов]. Delft University of Technology. 2012, 320 p.

4. Gonzalez Quelle, I. Cable roofs. Evolution, Classification and future trends. [Висячие покрытия. Развитие, классификация и переспективы]. Proceedings of the IASS Symposium. Valencia. 2009, pp. 264-275.

5. Gцppert K., Stein М. A Spoked Wheel Structure for the World's largest Convertible Roof - The New Commerzbank Arena in Frankfurt, Germany. [Конструкция типа велосипедное колесо для самого большого в мире трансформируемого покрытия - Новая арена «Commerzbank» во Франкфурте, Германия]. Structural Engineering International. no. 4. 2007, рр 282-287.

6. Kim H. Structural Performance of Spoke Wheel Roof Systems. [Работа конструкции покрытия типа велосипедное колесо]. Massachusetts Institute of Technology, Massachusetts 2017, 66 p.

7. Lachauer L., Block P. Interactive Equilibrium Modelling. [Интерактивное моделирование равновесного состояния]. International Journal of Spase Structures. V. 29. No. 1, 2014, pp. 24-37.

8. Park K., Kwun T., Lee D. Mechanical characteristics of large span spoke wheel system. [Механические характеристики большепролетных систем типа велосипедное колесо]. Proceedings of IASS Annual Symposia, Tokyo, 2016, pp. 1-10.

9. Park K., Lee M., Park M. Nonlinear Behaviors of Cable Spoke Wheel Roof Systems. [Нелинейная работа вантовых покрытий типа велосипедное колесо]. Journal of the korean Association for Spatial Structures. March, Vol.17, No.1, 2017. pp. 31-40.

10. Park K., Park M., Shin S. Design of large space cable roofs with retractable systems to open and close. [Проектирование большепролетных пространственных систем вантовых покрытий с трансформируемыми устройствами]. International Journal of Latest Trends in Engineering and Technology. Vol. (8), Issue (4-1), 2017 pp. 197-203.

11. Schlaich J., Bergermann R., Leich Weit. Light Structures, (2nd ed.), [Легкие конструкции (2-е изд.)]. Prestel, Munich 2005, 328 p.

12. Schlaich J., Conceptual design of light structures. [Копцептуальное проектирование легких конструкций]. Journal of the IASS, 2004; No. 45, pp. 157-168.

Размещено на Allbest.ru