Институт ПСК - Универсиаде - 2017

СОВРЕМЕННЫЕ СТАЛЬНЫЕ СЕЙСМОСТОЙКИЕ КОНСТРУКЦИИ

УНИКАЛЬНЫХ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ ПОКРЫТИЙ

ЗДАНИЙ ЛЕДОВОЙ АРЕНЫ В г. АЛМАТЫ

В 2014 – 2015 годах сотрудники института разрабатывали проекты КМ двух уникальных большепролетных покрытий зданий Ледовой Арены на 12000 зрительских мест в г. Алматы с применений современных конструктивных решений для повышения их сейсмостойкости.

В г. Алматы заканчивается монтаж покрытий зданий Ледовой Арены для проведения спортивных мероприятий Всемирной Универсиады в 2017 году. Комплекс зданий Ледовой Арены имеет в плане сложную форму и состоит из трех смежных блоков (Рисунок 1) 

Рисунок 1 - Ледовая Арена на 12 000 зрительских мест в г. Алматы.

из которых два блока – Основной блок (Блок А) на 12000 зрительских мест, запроектированный как здание многофункционального назначения (хоккей, фигурное катание, концерты и т.п.), и Тренировочный каток с физкультурно-оздоровительным комплексом (Блок Б) имеют эллипсовидную форму в плане с размерами 139,0 х 109,8 м и 105,0 х 84,8 м соответственно. Третий Блок В с бассейном, с техническими и служебными помещениями имеет форму прямоугольника с размерами в плане 42,0 х 60,0 м. Максимальная высота Блока А - примерно 35,0 м, Блока Б – 31,5 м, Блока В - 7,2 м. Строительство зданий блоков Ледовой Арены осуществляется на площадке, расположенной в районе с сейсмичностью 9 (девять) баллов и грунтами III (третьей) категории по сейсмическим свойствам. Уточненное значение сейсмичности площадки строительства Ледовой Арены равно 10 (десяти) баллам. Все три блока разделены сейсмическими швами.

Размеры Блоков А и Б объекта превышают максимальные размеры зданий в плане, принятые в сейсмических нормах Республики Казахстан [1], поэтому проектирование металлических покрытий Блоков А и Б велось по Специальным Техническим Условиям, разработанным в специалистами института. Величины снеговых и ветровых нагрузок, а также сейсмических нагрузок, определенных с учетом требований Еврокода, приняты по Специальным Техническим Условиям на проектирование, разработанным АО «КазНИИСА» г. Алматы.

Конструктивную схему металлических пространственных большепролетных покрытий Блоков А и Б определили:

* для Блока А

- функциональное назначение блока здания (основной каток на 12 000 зрительских мест), для которого необходимо обеспечить свободным от внутренних колонн пролет равный 85,8 м на длине 116,8 м;

- возможность размещения металлических конструкций опорного контура под пространственное большепролетное покрытие балочного типа из ферм по всему периметру здания;

* для Блока Б

- функциональное назначение блока здания (тренировочный каток), для которого необходимо обеспечить свободным от внутренних колонн пролет равный 44,0 м на длине 68,0 м.

Эти требования определили целесообразность применения при проектировании покрытий Блоков А и Б перекрестных систем пространственных металлических конструкций балочного типа из ферм и сварных двутавровых балок.

Блок А. Подземная часть блока (подвал) с отметкой пола минус 4.200 м и три надземных этажа здания блока на всей площади и высоте до отметки 18.150 м выполнены по рамно-связевой схеме из железобетонных конструкций, имеют форму эллипса с размерами в плане по главным осям 139,0 х 109,8 м без разделения сейсмическими швами.

Металлические конструкции пространственного большепролетного покрытия блока соединяются с металлическими конструкциями опорного контура, которые опираются на железобетонное перекрытие на отметке 18.150 м (Рисунок 2) .

Рисунок 2 - Общий вид Блоков во время строительства:

а – Блок А в июне 2015 года

б - Блоки А, Б и В в ноябре 2015 года

Перекрестная система покрытия блока включает (Рисунок 3) :

Рисунок 3 - План покрытия Блока А

1 – Верхний сжатый пояс ферм покрытия

2 – Нижний растянутый пояс ферм покрытия

3 – Горизонтальные связи по нижнему поясу ферм покрытия

4 – Горизонтальные связи по верхнему поясу ферм покрытия

5 – Стойки опорного контура

6 – Вертикальные связи по фермам

7 – Вертикальные связи по опорному контуру

Общий вид стропильных ферм пролетом 85,8 м:

- основные стропильные фермы пролетом 85,8 м (Рисунок 4) 

Рисунок 4 - Общий вид стропильных ферм пролетом 85,8 м:

а – Общий вид на покрытие внутри пролета во время строительства

б - Стропильная ферма пролетом 85,8 м, высотой 8,0 м посередине пролета

расположенные по цифровым осям, с высотой посередине пролета 8,0 м, уменьшающейся к опорам, с сегментным очертанием верхних поясов и с горизонтальными нижними поясами;

- стропильные фермы с сегментным очертанием верхних поясов пролетом 37,0 м, расположенные по буквенным осям (Рисунок 5)

Рисунок 5 - Стропильные фермы пролетом 37,0 м, расположенные по буквенным осям.

 и пролетом 30,0 м - по радиальным осям;

- вертикальные связи между стропильными фермами.

Для повышения пространственной неизменяемости покрытия устанавливаются:

- конструкции опорного контура по всему периметру покрытия, состоящего из опорных стоек с вертикальными связями в двух направлениях между ними и балок (Рисунок 6);

Рисунок 6 - Металлоконструкции опорного контура по всему периметру покрытия.

- горизонтальные связи по верхним и нижним поясам ферм и балок;

- прогоны, включенные в систему горизонтальных связей (Рисунок 7).

Рисунок 7 - Прогоны покрытия, включенные в систему горизонтальных связей.

Верхние пояса всех стропильных ферм запроектированы из эффективных легких сварных двутавровых сечений с тонкими (tw = 6,0 мм) поперечно-гофрированными стенками по а. с. СССР №1074977 для обеспечения возможности восприятия местных нагрузок при внеузловом опирании прогонов, снижения трудоемкости изготовления и расхода стали (Рисунок 8).

Рисунок 8 - Фрагмент верхних поясов стропильных ферм из сварных двутавров с гофрированы ми стенками.

Нижние пояса ферм запроектированы из сварных двутавровых сечений с плоскими стенками. Решетка всех ферм, а также элементы связей по фермам и прогоны запроектированы из замкнутых профилей квадратного или прямоугольного сечений.

Несущие конструкции опорного контура включают:

- опорные стойки – сварного двутаврового сечения (см. Рисунок 6);

- сегментные балки покрытия – сварного двутаврового сечения с гофрированными стенками (см. Рисунок 6);

- вертикальные и горизонтальные связи и прогоны из замкнутых профилей квадратного сечения (Рисунок 9).

Рисунок - 9 Вертикальные, горизонтальные связи и прогоны опорного контура.

Для повышения сейсмостойкости несущих конструкций покрытия в вертикальных связях по стойкам опорного контура установлены энергопоглотители. В связях крестового типа применены энергопоглотители по а. с. СССР №958640 (Рисунок 10)

Рисунок 10 - Энергопоглотители сдвигового типа в крестовых связях по стойкам опорного контура.

в связях подкосного типа применены энергопоглотители по а. с. СССР №973770 (Рисунок 11) [2].

Рисунок 11 - Энергопоглотители сдвигового типа в подкосных связях по стойкам опорного контура.

Соединение наружных стоек опорного контура с сегментными балками покрытия опорного контура запроектировано жестким, соединение внутренних стоек опорного контура с фермами покрытия запроектировано шарнирным.

Несущие металлоконструкции покрытия блока изготовлены на заводе металлических конструкций АО «Имсталькон» в г. Тараз.

Блок Б. Подземная часть блока (подвал) с отметкой пола минус 4.200 м и два надземных этажа здания блока на всей площади и высоте до отметки 13.390 м выполнены по рамно-связевой схеме из железобетонных конструкций, имеют форму эллипса с размерами в плане по главным осям 105,0 х 84,8 м без разделения сейсмическими швами.

Металлические конструкции пространственного большепролетного покрытия блока на отметке 16.570 м соединяются с конструкциями железобетонного опорного контура.

Перекрестная система покрытия блока включает основные стропильные балки двутаврового сечения пролетом 51,6 м, расположенные по цифровым осям, и вертикальные связи между ними (Рисунок 12).

Рисунок 12 - План покрытия Блока Б

1 – Верхний сжатый пояс балок покрытия

2 – Нижний растянутый пояс балок покрытия

3 – Горизонтальные связи по нижнему поясу балок покрытия

4 – Горизонтальные связи по верхнему поясу балок покрытия

5 – Стойки опорных узлов балок покрытия

6 – Вертикальные связи

Для повышения пространственной неизменяемости покрытия устанавливаются горизонтальные связи по верхним и нижним поясам балок, а также прогоны, включенные в систему горизонтальных связей по верхним поясам балок.

Стропильные балки блока пролетом 51,6 м запроектированы сварными двутаврового сечения с тонкой гофрированной стенкой толщиной 8,0 мм (Рисунок 13)

Рисунок 13 - Сварные двутавровые балки пролетом 51,6 м двутаврового сечения с гофрированной стенкой.

с расположением образующей гофров перпендикулярно поясам по а.с. СССР №1074977. Высота гофрированной стенки балок в середине пролета 3900 мм (Рисунок 14)

Рисунок 14 - Высота гофрированной стенки толщиной 8 мм в середине пролета 3900 мм.

уменьшающаяся к опорам. В опорных узлах стенки балок выполнены плоскими переменной высоты из листовой стали.

Верхние пояса стропильных балок имеют криволинейное очертание, нижние - горизонтальное. Балки выполняются из трех отправочных марок, с фрикционным соединением их на монтаже на высокопрочных болтах. Балки шарнирно опираются на железобетонные конструкции опорного контура.

Применение стропильных балок такой конструктивной формы позволило снизить значительные по величине горизонтальные нагрузки, передаваемые от большепролетного металлического покрытия на нижележащие железобетонные конструкции, уменьшить строительную высоту покрытия, повысить надежность работы покрытия при сейсмических воздействиях, уменьшить расход стали на несущие конструкции стропильных балок до 114,0 кг/м2, уменьшить трудоемкость их изготовления и особенно монтажа, который при данной массе балок выполнялся одним краном МКГС-100 (Рисунок 15).

Рисунок 15 - Монтаж балок одним краном МКГС-100.

Несущие металлоконструкции покрытия блока изготовлены на заводе металлических конструкций АО «Имсталькон» в г. Караганда (Рисунок 16).

Рисунок 16 - Сварка средней части балки пролетом 51,6 м высотой 4,0 м на заводе.

Монтаж металлоконструкций обоих блоков выполнен АМФ АО «Имсталькон» г. Алматы.

Кровля зданий обоих блоков – криволинейная четырехскатная металлическая типа Kalzip.

Все заводские соединения в Блоках А и Б сварные, монтажные – фрикционные на высокопрочных болтах, остальные – на обычных болтах и на монтажной сварке.

Материал конструкций - стали С345-3, С255 по ГОСТ 27772-88*.

К стали С345-3 предъявлены следующие дополнительные требования по содержанию вредных примесей: серы не более 0,008 %, фосфора не более 0,015 %, углерода не более 0,15 %.

Коэффициент надежности по материалу во всех случаях принят равным gm = 1,1.

Пространственный расчет металлоконструкций большепролетных покрытий Блоков А и Б на первом этапе проектирования выполнен с использованием проектно-вычислительного комплекса (далее – ПВК) SCAD Office с подбором сечений основных несущих элементов. Расчеты проведены на нагружения от постоянной нагрузки (собственный вес кровли и металлоконструкций), технологической нагрузки, снеговой нагрузки, ветровой нагрузки и сейсмической нагрузки (учитывались все три компоненты сейсмического воздействия). На втором этапе проектирования совместно с генеральным проектировщиком ТОО «Компания «СТРОЙТЕКС» г. Алматы с использованием ПВК «ЛИРА 10.0» были выполнены пространственные расчеты металлоконструкций покрытий блоков совместно с нижележащими железобетонными конструкциями, конструкциями фундаментов и с учетом податливости основания на основное и особое сочетания нагрузок. Учет крутильных воздействий в горизонтальной плоскости выполнен с помощью модуля 38 ПВК «ЛИРА 10.0». По этой же программе выполнены расчеты на температурные воздействия. Пространственные расчеты металлоконструкций покрытий блоков на прогрессирующее (лавинообразное) обрушение выполнены с использованием ПВК SCAD Office.

Сечения основных несущих элементов назначались с учетом обеспечения их прочности, устойчивости и деформативности в соответствии с требованиями норм [3] по усилиям, полученным при расчетах на основное и особые сочетания нагрузок при втором этапе проектирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ: Применение сварных двутавровых сечений с гофрированными стенками для стропильных ферм и балок, а также использование энергопоглотителей в системах связей по стойкам опорного контура позволили повысить надежность работы основных несущих конструкций при сейсмических воздействиях, снизить расход стали, уменьшить трудозатраты при изготовлении и при монтаже металлоконструкций большепролетных покрытий Ледовой Арены.

Список литературы

1. СНиП РК 2.03-30-2006 Строительство в сейсмических районах, Алматы, 2006, 80 с.

2. СН РК 5.04-07-2004 Пособие по расчету и конструированию стальных сейсмостойких каркасов многоэтажных зданий (в развитие СНиП РК 2.03-04-2004). Часть 2, Астана, 2005, 47 с.

3. СНиП РК 5.04-23-2002 Стальные конструкции. Нормы проектирования, Астана, 2003, 119 с.