Статья: Конструкция покрытия над трибунами стадионов типа велосипедное колесо

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).