Практика применения структурных покрытий на объектах Бреста

Научно-технический прогресс в области металлоконструкций покрытий зданий и сооружений связан с поиском новых типов конструкций,
совершенствованием уже известных, определением их оптимальных параметров, поиском новых геометрических форм, отвечающих наилучшему их использованию, совершенствованием методов их расчета.

В повышении индустриальности строительства важнейшее место отводится внедрению легких металлических конструкций. Уменьшение массы конструкции приводит к снижению материалоемкости, затрат на изготовление и транспортировку. Становятся возможными и предварительная сборка, и блочный монтаж покрытий и перекрытий. Дальнейшее совершенствование процессов проектирования, изготовления, комплексной поставки и монтажа легких металлических конструкций зданий общественного назначения требует сочетания оптимальных показателей массы с минимальной трудоемкостью механизированного поточного изготовления. Стремление сочетать эти факторы делает рациональным применение пространственных конструкций, в основе которых лежат однотипные многократно повторяющиеся элементы из наиболее эффективных тонкостенных трубчатых профилей. Поиски интересных архитектурных форм большой выразительности и универсальности, образуемых на основе многократно повторяющихся элементов, привели к созданию стержневых систем нового типа — структур. Структурные конструкции относятся к широкому классу пространственных решетчатых шарнирно-стержневых металлических конструкций, из которых наибольшее распространение получили структурные плиты. Структурная система не имеет традиционных для металлических конструкций прогонов и связей. Структуры обладают повышенной жесткостью. У этих конструкций соотношение высоты к пролету находится в пределах 1/16-1/25. В России серийным производством структур системы «МАрхИ» на базе узлового соединения Mero занимаются несколько специализированных заводов. Эти структуры были разработаны более 30 лет назад. Пожалуй, это единственный тип структур из применяемых до недавнего времени на территории СНГ. Широкого распространения они не получают из-за достаточно сложных в изготовлении и дорогих узловых соединений и трубчатых элементов. Опыт в области разработки структур, накопленный специалистами проектного института «Брестпроект», пожалуй, является единственным в своем роде в Беларуси. Принципиальные отличия структуры, разработанной «Брестпроектом», от российского аналога — сравнительно невысокая стоимость изготовления, простота изготовления и монтажа, надежность узлового соединения, многообразие архитектурных форм с перекрытием самых разных пролетов (дело в том, что стержневые элементы могут изготавливаться различной длины). Кроме того, отсутствуют дорогостоящие материалы, детали и технологии, например, поковки, высокопрочные болты. Отпадает необходимость в нарезке резьбы в узловых соединениях, выполнение которых трудоемко и требует высокотехнологичного оборудования. Производство структуры освоено Брестским машиностроительным объединением и Минским заводом технологических металлоконструкций. Элементы структуры просты в изготовлении и без особого труда могут быть освоены как заводами металлоконструкций, так и машиностроительными заводами. Проектированием покрытий на основе структурных конструкций ОАО «Брестпроект» занимается с 1998 г. За это время накоплен достаточный опыт разработки структурных конструкций, которым хотелось бы поделиться. За этот период прошел проверку временем целый ряд конструкций покрытий — от небольших навесов до большепролетных конструкций с перекрываемой площадью, превышающей 5000 м2.

Пространственно-стержневые конструкции типа структур позволяют путем сочленения граней определенной формы придать сооружению высокую архитектурную выразительность. Структурная конструкция являются пространственной геометрически неизменяемой системой. Пространственная работа структур проявляется при действии неравномерных нагрузок. При этом перегрузка большинства стержней (исключая, разумеется, стержни, выход которых из работы превращает систему в механизм) в целом не нарушает нормальной работы конструкции благодаря способности системы к перераспределению усилий. Поскольку структурные плиты, обладая повышенной жесткостью, имеют небольшой собственный вес, их целесообразно применять как большепролетные конструкции. Монтаж структурных покрытий может осуществляться следующими способами: навесной сборкой, сборкой на проектной отметке на подмостях, полностью собранными на земле покрытиями или отдельными крупными их частями, а также укрупненными блоками. Практически все эти способы монтажа были апробированы на различных объектах Бреста. Монтаж структурного покрытия, целиком собранного на земле, удобно применять для покрытий площадью до 1000 м2. В основном сборка структурной плиты производится вручную. Для монтажа большепролетных конструкций используются краны малой и средней грузоподъемности. Степень строительной готовности собранного покрытия определяется грузоподъемностью крана. При наличии механизмов достаточной грузоподъемности возможна сборка структуры с элементами кровли (профнастил). При возведении покрытий большой площади применяется монтаж структурных плит укрупненными блоками, при котором собранный на земле блок поднимается самоходными стреловыми или башенными кранами. Стыковка поднятого блока с уже смонтированной конструкцией отдельными стержнями, как правило, не вызывает трудностей. Например, таким образом была смонтирована структурная плита 33х42,5 м тренировочного корпуса универсального спортивного комплекса игровых видов спорта в Бресте. Структура «Брест» может быть применена на различных современных объектах промышленного и гражданского строительства, проектируемых с использованием как простых, так и сложных объемно-композиционных структур (магазины, супер- и гипермаркеты, выставочные и торговые павильоны, крытые рынки, киноконцертные и спортивные залы, манежи и другие объекты зрелищного и спортивного назначения, вокзальные здания, больницы, санатории, гостиницы, складские здания, а также различные навесы для автостоянок и автозаправочных станций). В Бресте с применением пространственных трубчатых структур типа «Брест» построены следующие объекты: навес для досмотровой площадки автотранспорта на погранпереходе «Козловичи», стрелковый тир, магазин беспошлинной торговли «Бела трейдинг дьюти фри» на погранпереходе «Варшавский мост», а также универсальный спортивный комплекс на 5000 мест. Кроме того, реконструирован брестский стадион «Динамо». На этих объектах в течение ряда лет успешно эксплуатируются структурные конструкции, отличающиеся формой, габаритами, пролетами, длиной стержней, нагрузками и условиями монтажа. Конструкция навеса представляет собой структуру с габаритами 26,4x31,2 м, высота в осях — 1,7 м. Структура имеет ортогональную сетку верхнего и нижнего поясов с ячейкой 2,4x2,4 м и опирается на 9 стальных колонн. Сетка колонн — 12x14,4 м. Высота от отметки планировки до нижнего пояса — 5,3 м. Узлы верхнего и нижнего поясов одинаковые и соединены раскосами. Все стержни структуры имеют одинаковую длину и выполнены из электросварных труб (ст. 20). Стержни в зависимости от усилий выполняются четырех типоразмеров по диаметру 40, 51, 60, 73 мм. В пространственную конструкцию они соединяются с помощью узлового элемента на болтах. Крепление стержневого элемента в узле — одноболтовое двухсрезное. В пролете используются болты М16 класса прочности 5,8, на опоре — болты М18 класса прочности 6,6. Масса структуры — 11,8 т, площадь — 824 м2, расход стали — 14,3 кг/м2. С применением традиционных конструкций (балки, фермы, связи) выйти на такой удельный расход стали вряд ли удалось бы. На монтажную площадку структурная конструкция поставлялась отдельными стержневыми и узловыми элементами и крепежом. Сборка структуры осуществлялась на стройплощадке в уровне отметки земли с небольшим смещением (около метра) от колонн. Сборка всей структуры заняла около 10 дней. Установка на девять заранее смонтированных колонн производилась двумя кранами. Подъем и установка структуры на колоны на проектную отметку осуществлялась двумя самоходными кранами средней грузоподъемности и заняла около 30 мин.

Здание тира — одноэтажное с цокольным этажом (размеры в плане — 24x60 м). При проектировании данного объекта встала задача перекрывания зала, в котором производится стрельба на дистанции 50 м. Перекрыть пролет 24 м железобетонной или стальной фермой не представлялось возможным, так как строительная площадка была слишком мала для размещения монтажного крана, и отсутствовала всякая возможность доставки к объекту крупногабаритных конструкций длиной 12 м, а тем более 24 м. После просмотра всех возможных вариантов был сделан вывод, что для данного объекта структура является единственно возможной конструкцией заводского изготовления, позволяющей перекрыть 1400 м2. Прямоугольная структурная плита покрытия зала для стрельбы имеет высоту 2,12 м и опирается по контуру на опоры шагом 6 м. Длина стержней верхнего и нижнего поясов и раскосов одинаковая и равна 3 м. В зависимости от усилий в стержнях, максимальное из которых достигает 35 т, принято пять типоразмеров труб по их диаметрам. По верхним узлам структуры установлены прогоны на опорных столиках, к которым крепится профнастил. Монтаж структуры производился захватками по 6 м на подмостях на отметке верха колонн (+7,2 м).

Здание магазина — двухэтажное. На первом этаже находятся собственно магазин и подсобные помещения, на втором — склад с нагрузкой на перекрытие 25 кН/м2. Здание построено на территории КПП на месте существовавшего декоративного железобетонного бассейна диаметром 25 м и глубиной 30 см, в центре которого была установлена железобетонная стела высотой 30 м. Объемная несущая структура покрытия сложной формы размерами в плане 32x32 м и высотой 1,41 м имеет ортогональную сетку верхнего и нижнего поясов с ячейкой 2х2м и длиной раскосов 2 м. Нижний пояс структуры расположен соответственно полигональному очертанию здания. Структурная конструкция опирается четырьмя узлами нижнего пояса в центре на колонны ядра жесткости и подвешена в четырех точках за верхушки пирамид к вантовой системе. Вся нагрузка от покрытия передается полностью на четыре железобетонные колонны центрального ядра жесткости. Монтаж структуры производился на подмостях на проектной отметке.

Универсальный комплекс состоит из главной арены и тренажерного зала со следующими внутренними габаритами (до конструкций). Габариты главной арены (переменной высоты) — 66х66х20-13 м. Габариты тренировочного зала — 42х27х8 м. Здание главной арены в плане приближено к квадрату с наружными размерами 66х66 м по осям внешних колонн с примыкающими к каждой стороне лестничными клетками. Высота верхнего конька покрытия над уровнем земли — 29 м. Принципиальная конструктивная схема здания состоит из внутреннего и наружного каркасов и структурной плиты покрытия, совместная работа которых обеспечивает пространственную жесткость сооружения. Внутренний каркас выполнен в сборных железобетонных конструкциях по серии 1.020. Наружный каркас состоит из контурных монолитных железобетонных колонн, выполненных в несъемной стальной опалубке из труб диаметром 610 мм, и примыкающих к ним ригелей и диафрагм жесткости. Основные несущие наружные колонны, имеющие шаг 5,9 м и высоту от 8,6 до 18 м, поддерживают структурную плиту покрытия, фасадную систему и связаны с внутренним железобетонным каркасом во всех уровнях примыкания ригелей и панелей перекрытия. Покрытие главной арены площадью более 5 тыс. м2 запроектировано в виде квадратной структурной плиты размерами 64х64 м, ломаной по диагонали и образующей две треугольные плиты размерами 64х64х93 м, соединенные в коньке подстропильной конструкцией под углом 150°. Образуется и два ската с уклонами по 15°. Структурная конструкция опирается по контуру 66х66 м в уровне нижнего пояса на круглые железобетонные колонны шагом 6 м и диафрагмы жесткости. По верхним узлам структурных плит как основного, так и тренировочного залов устанавливаются прогоны из швеллеров, на которые укладывается профнастил и элементы кровли. Конструкция покрытия тренировочного зала площадью около 1,5 тыс. м2 выполнена в виде прямоугольной в плане структурной плиты размерами 33х45 м, опирающейся по контуру с шагом 6 м на прямоугольные железобетонные колонны. Пространственная несущая структура имеет ортогональную сетку верхнего и нижнего поясов с ячейкой 3x3 м и высоту 2,12 м по осям поясов. В сравнительном анализе с другими конструктивными традиционными схемами принятая принципиальная схема позволила значительно сократить высоту несущих конструкций и как следствие — строительный объем здания и металлоемкость. Экономичность принятой конструктивной схемы сооружения заключается в отсутствии передачи горизонтальных усилий (распора) на элементы каркаса и фундаменты.

И о реконструкции стадиона «Динамо». Не секрет, что конструктивное решение основных несущих конструкций определяет архитектурный облик сооружения. Зачастую технические решения затрагивают форму здания настолько, что работа конструктора неотличима от работы архитектора. Западная трибуна стадиона — двухъярусная, вмещающая 8600 зрителей. Трибуна полностью покрыта козырьком со светопрозрачным покрытием. Металлоконструкции козырька состоят из стальных консольных ферм вылетом 18,6 м, опирающихся на монолитные железобетонные пилоны с шагом 6 м. Авторам хотелось создать покрытие с минимальным загромождением пространства под светопрозрачной поверхностью. Легкие пространственные несущие фермы позволили свести к минимуму лирический беспорядок стали над головами зрителей. По нижнему поясу фермы раскреплены стальными арками из тонкостенных прямоугольных труб. На арки опираются поликарбонатные панели. Несущие стальные конструкции оказались полностью над светопрозрачной поверхностью.

Анатолий КАЧУРОВСКИЙ, конструктор, заместитель главного инженера ОАО «Брестпроект»
обсуждение статьи