Канчели Н.В., Батов П.А., Дробот Д.Ю. - Реализованные мембранные оболочки. Расчет, проектирование и возведение

Н.В. КАНЧЕЛИ, П.А. БАТОВ, Д.Ю. ДРОБОТ

РЕАЛИЗОВАННЫЕ МЕМБРАННЫЕ ОБОЛОЧКИ. РАСЧЕТ, ПРОЕКТИРОВАНИЕ И

ВОЗВЕДЕНИЕ.

С 2000-2008 г специалистами ЗЛО Курортпроект» были запроектированы две мембранные оболочки в г. Коломна, и в г. Ангарск. Сооружения, несмотря на различные размеры, весьма схожи по конструктивной основе, что показывает широкие возможности формообразования мембранных оболочек.

Перекрытие главного зала конькобежного стадиона в г. Коломне (конструкторский коллектив: Канчели Ин., Митюков ММ., Тимофеевич А.В., Владимиров Е.Н.).

Выбор оптимального покрытия и его приближённый расчёт.

Спортивный комплекс, предназначенный для проведения соревнований международного уровня, предполагалось возвести на месте старого спортивного центра буквально в нескольких сотнях метров от стен и башен Коломенского кремля, в границах охранной зоны. Агрессивное по архитектуре современное здание было бы неуместно в данном контексте, единственным приемлемым вариантом стало строительство здания-((невидимки». Требовалось ((обернуть» в несущие и ограждающие конструкции главный зал с конькобежной дорожкой и трибунами, и при этом добиться красивой, выразительной формы.

Формулирование концепции сооружения и решение контекстуальных задач не были приоритетными на первом этапе работы над проектом. Правительство Московской области объявило тендер на проект будущего центра, пригласив к участию в нем конструкторов. Такой подход не случаен: без решения проблемы перекрытия огромного зала было бессмысленно обсуждать этот проект. Конкурсные предложения принимались скорее по экономическим, чем по эстетическим критериям. Прекрасно понимая важность этого аспекта, команда проектировщиков под руководством Канчели Н.В. представила на рассмотрение жюри не один, а пять вариантов различных конструктивных систем, сравнив их по основным технико-экономическим показателям. По всем пунктам лидировала мембранная оболочка элегантное седлообразное покрытие, словно обволакивающее пространство над катком.

Эллипсовидная форма главного объема и пластичное покрытие оказывались наиболее экономичным вариантом по расходу стали и по сокращению отапливаемого объема здания, что напрямую связано с сокращением эксплуатационных затрат. Конечно, аналогичные

Рис. 1. а) Подача рулонированных полотнищ мембраны, их раскатка по временным элементам постели. б) Законченное мембранное покрытие, вид с противоположного берега реки Коломенка.

конструкции последний раз строились в России десятки лет назад, но очевидные преимущества мембранного покрытия склонили чашу весов в пользу этого варианта.

Можно сказать, что в поисках функциональной целесообразности в нем было определено единственно верное решение, отвечающее одновременно как конструктивным требованиям к будущему зданию и экономическим расчетам, так и эстетическим задачам, которые в дальнейшем были развиты командой архитекторов, присоединившихся к работе над проектом.

Заказчиком проекта выступила организация ГУП ЛЯ ((Мособлстройпроект». Генеральным проектировщиком комплекса был выбран проектный институт ЗЛО ((Курортпроект». Научное сопровождение осуществляли специалисты ЦЬОВ4СК им. В.Л. Кучеренко. Генеральным подрядчиком объекта стала корпорация ((Трансстрой», производителем монтажных работ и разработчиком НЕГР — 1 МСМУ ЛО ((Стальмонтаж». Спортивный комплекс разместился на прибрежной террасе у впадения реки Коломенки в реку Москву в непосредственной близости от коломенского Кремля. Все помещения здания, кроме центрального зала, расположены в стилобатной части, образующей искусственную береговую террасу реки Коломенки. Объем центрального зала врезан на б м в эту террасу и представляет собой эллипс. Зал перекрыт стальной мембраной. Применение висячего покрытия на овальном плане позволило создать сооружение минимального объема при обеспечении соответствующих требований внутренней планировки, спортивной технологии, размещения трибун и зон видимости.

При разработке проекта авторы взяли за основу следующий тезис: ((форма большепролётного покрытия должна наиболее полно отвечать функции сооружения, которое оно перекрывает». Также форма покрытия спортивного сооружения определяется 4-мя главными параметрами: вместимостью трибун, требуемой высотой помещения в зоне водостоков, в зоне центра сооружения и высотой в середине длинной стороны.

В соответствии с архитектурным заданием конькобежный стадион должен иметь вытянутую беговую дорожку с размерами 178 х 68 м и трибуны, расположенные вдоль длинных сторон. В таком случае требуется покрытие овальной формы, имеющее наиболее высокие точки по серединам длинных сторон. Если плавно очертить требуемые высоты вдоль контура сооружения, то получится пространственная кривая на овальном плане с низшими точками по серединам коротких сторон и высокими по центрам длинных. Такая форма обеспечивает расположение зрительских трибун, комментаторских и судейских кабин вдоль длинных сторон объекта. С учетом необходимости стока воды с покрытия его оптимальной формой является седлообразная поверхность на эллиптическом плане.

При проектировании оболочечных систем очень важно минимизировать изгибающие моменты в разных элементах покрытия (поле оболочки, опорный контур, колонны и фундаменты). Поскольку поле мембраны не может быть моментным кроме малых краевых эффектов, колонны и фундаменты при шарнирных узлах по верху и низу при наличии связей в плоскостях наружных стен также не могут воспринимать моментные усилия. Тогда опорный контур в основном будет работать на сжатие, при этом испытывая незначительные изгибающие моменты лишь в вертикальной плоскости. Таким образом, основная задача заключается в обеспечении безмоментности опорного контура.

Конструктивное решение. Порядок монтажа. История возведения. Мембрана была образована раскаткой рулонов покрытия из стали толщиной 4 мм по смонтированным элементам ((постели», которые крепятся к металлоконструкциям опорного контура. Конструктивно постель» решена в виде системы параллельных элементов из листовой стали 150 х 4 мм, идущих с шагом 4 м. Узел примыкания постели к фартуку имеет регулировочное устройство, позволяющее осуществлять подтяжку постели. Во время монтажа для уменьшения деформаций из плоскости от действия ветровых нагрузок, постель раскрепляется системой временных распорок. Сварка полотнищ мембраны производится после укладки всех элементов мембраны в проектное положение. Провис мембраны в поперечном направлении в период монтажа составляет 9.5 м, а вспарушенность в продольном направлении для обеспечения водоотвода — 3.5 м.

Бортовой элемент опирается по периметру с шагом около 12 м на шарнирные стойки трубчатого сечения высотой от 7 до 20 м, диаметром 430 мм. Заполнение изнутри стоек пескобетоном класса В25 существенно повышает их стойкость к аварийным (взрывным) нагрузкам. Опорный контур здания вдоль продольных сторон дополнительно опирается на две арки пролетом около 70 м, необходимые для перешагивания через существующий дворец спорта. Арки обеспечивают устойчивость сооружения и восприятие ветровых нагрузок в направлении продольной оси. Арочные фермы запроектированы из сварных двутавров Н-образного сечения. В поперечном направлении устойчивость сооружения на стадии строительства обеспечивается малыми арками, а на стадии эксплуатации — ж.б. стенами, расположенными по торцам сооружения. Опорный бортовой элемент оболочки имеет прямоугольное сечение размерами 1.2 х 1.5 м, выполнен в виде заполненного бетоном стального короба, с уложенной внутри арматурой.

При строительстве была использована наиболее рациональная схема монтажа мембранных оболочек - раскатка рулонов мембраны по заранее смонтированной висячей ((постели». Во время монтажа оболочка представляет собой дискретную систему с вантами, расположенными в параллельных плоскостях. Контур такой системы для возможности сохранения ее формы при монтаже мембранных листов должен быть раскреплен временными связями: подкосами или затяжками. В данном случае бортовой элемент подпирается наклонными стойками с песочными домкратами у нижней опоры. Песочный домкрат представляет собой стальной цилиндр с поршнем. Пространство между цилиндром и поршнем засыпано мелким сухим песком. для снятия усилия с домкрата в цилиндре выполнено отверстие с винтовой заглушкой. Снятие усилий с домкратов производится одновременно этапами по 3-5 мм. В начальный момент монтажа мембранных листов усилия в подкосах или затяжках нулевые, после окончания монтажа усилия в них достигают максимального значения. После заварки листов мембраны между собой и контуром система превращается в континуальную систему, способную работать в двухосном напряженном состоянии. Повисшая на опорном контуре мембрана обеспечивает его устойчивость и малую деформативность. При снятии усилий с временных подкосов, в провисающем направлении мембраны контур перемещается к оси оболочки, а во вспарушенном направлении контур перемещается в сторону от оси оболочки. При этом происходит преднапряжение мембраны в обоих направлениях.

Монтаж подобного сооружения достаточно сложен и предусматривает ряд этапов:

1. Возводится статически определимая опорная система, состоящая из фундаментов, шарнирных стоек и системы связей по осям оболочки.

2. Устанавливаются временные связи, в данном случае в качестве которых выступают подкосы по длинной стороне оболочки. Подкосы обеспечивают близость опорного контура к безмоментности в плане до заварки мембранных листов между собой и контуром.

З. Монтируются элементы постели, которые развязываются системой распорок. Выверка элементов постели производится по нижним отметкам их провиса.

4. По постели растаскиваются лебедками рулонированные листы мембраны, затем производится заварка листов между собой и с контуром.

5. По специальной программе производится демонтаж временных связей и элементов постели.

Выбор оптимального покрытия и его приближённый расчёт.

Покрытие хоккейного стадиона возводится над существующей ареной с трибунами по двум противоположным сторонам. Такое условие предопределило устройство более высокой части покрытия по двум сторонам, где расположены трибуны, и опускающейся части по двум другим. Было принято решение применить новый тип мембранной оболочки на прямоугольном плане с временными затяжками по авторскому свидетельству разработчиков проекта.

Покрытие прямоугольное в плане 90 х 87 м представляет собой оболочку переноса, образованную движением провисающей параболы пролетом 90 м со стрелкой 10 м по вспарушенной параболе пролётом со стрелкой 2.5 м.

Поскольку для монтажа мембраны применена система раскатки стальных рулонированных листов по заранее смонтированной постели, а заварка листов между собой и к опорному контуру производится после раскладки всей мембраны, то система принципиально меняет в процессе монтажа свою расчетную схему.

для уменьшения деформативности и величины изгибающих моментов в оболочку

введены два конструктивных элемента: системы распорок по углам опорного контура и временные затяжки, соединяющие между собой крайние точки угловых усилений в направлении, перпендикулярном элементам постели (авторские свидетельства М2102806, М21096352).