Перспективы применения алюминиевых конструкций для большепролетных объектов Олимпиады-2014
Опыт применения большепролетных конструкций из алюминиевых сплавов уже достаточно подробно изложен в № 4 и 5
«СтройПРОФИль» за 2007 г. Представлены конструктивные решения, методы обеспечения прочности и эксплуатационной надежности, технологические особенности изготовления и монтажа, а также в краткой форме, вопросы экономики. Выделены главные достоинства большепролетных алюминиевых конструкций:
- использование авиационных подходов в вопросах обеспечения надежности;
- малый собственный вес;
- совмещение несущих и ограждающих функций;
- скоростной крупноблочный монтаж с минимумом работ на высоте;
- положительные результаты многолетнего мониторинга на ряде построенных объектов;
- полное отсутствие эксплуатационных затрат.
Отмечено, что в разработке и исследовании рассматриваемых конструкций принимали участие ведущие строительные организации страны: ЦНИИПСК, ЦНИИСК, ВИЛС, ВИАМ, ВНИИПО, НИИ Мосстрой, НИИРП, ИЭС им. Патона, НИИ ЭС, СКТБ-16 и др.
Впервые в нашей стране большепролетное алюминиевое покрытие было использовано при возведении здания экспериментального зала синхрофазотрона в Протвино. Здесь из алюминия были выполнены несущие трехветвевые арки пролетом 90 м и кровельные панели.
Однако наиболее широкое распространение получил качественно новый вид большепролетных конструкций из алюминия — пространственные блоки с предварительно напряженной кровельной обшивкой и подвесным потолком из тонколистовых рулонов. Здесь металл, расходуемый ранее на кровельные панели, удалось полностью включить в силовую работу несущего каркаса, что позволило существенно снизить металлоемкость. Блок собирают и полностью комплектуют на земле утеплителем, пароизоляцией и пожарозащитой.
Главными потребителями таких конструкций являются спортивно-зрелищные сооружения. Поэтому в настоящей статье более подробно выделены и проанализированы особые преимущества алюминиевых конструкций применительно к объектам Олимпиады-2014, связанные с целым комплексом особых условий строительства и эксплуатации в районе г. Сочи. Здесь сочетаются высокая сейсмичность, агрессивная приморская атмосфера, повышенные снеговые нагрузки в прилегающих горных районах, особые ветровые нагрузки в прибрежной зоне, удаленность или труднодоступность возможных мест возведения ряда объектов, отсутствие в регионе специализированных предприятий строительной индустрии.
Уже имеющийся опыт строительства и эксплуатации объектов с алюминиевыми большепролетными конструкциями в районах с особыми условиями безусловно подтверждает целесообразность их применения в спортивно-зрелищных сооружениях г. Сочи. Так, более 30 лет в условиях морского побережья успешно функционирует Дом мебели в Риге. В условиях повышенной сейсмики работают конструкции легкоатлетического манежа в Кишиневе. В крайне жестких условиях эксплуатируется единственное в РФ и странах СНГ трансформируемое покрытие киноконцертного зала в Ялте, где сочетается особо агрессивная приморская атмосфера Черного моря, сейсмичность 9 баллов и экстремальные ветровые нагрузки морского побережья. Отметим также, что это покрытие смонтировано над существующим открытым залом и сценой. В Сочи успешно эксплуатируется алюминиевое структурное покрытие концертного зала, правда, условия здесь несколько мягче ялтинских. В Тюмени над существующим хоккейным катком с трибунами возведено крупноблочное алюминиевое покрытие пролетом 60 м, причем фермы каркаса блоков были доставлены из Подмосковья.
В последние годы разработан ряд проектов спортивных комплексов с широким использованием большепролетных алюминиевых конструкций. Например, в проекте реконструкции комплекса «Прометей», в Геленджике, предусмотрены алюминиевые покрытия футбольного манежа (трансформируемого), бассейна с морской водой, спортзалов, а также пешеходные мосты. В проекте спорткомплекса для круглогодичных занятий зимними видами спорта в г. Одинцово разработана крытая снежная трасса в виде алюминиевого тора диаметром 300 м с поперечным сечением в виде эллипса высотой 15 и шириной 40 м, установленного на стальные опоры под углом 170, административно-бытовой корпус в форме алюминиевого полукупола диаметром 240 и высотой 56 м и два вспомогательных здания с алюминиевыми куполами диаметром 80 и высотой 40 м. Для футбольного комплекса «Спартак» в Москве на альтернативной основе разработан алюминиевый вариант подвесной части покрытия стадиона на 45 000 зрителей с несущими стальными арками пролетом 230 м и сталеалюминиевые арочные блоки покрытия футбольного манежа пролетом 120 м. Здесь коэффициент замены стали на алюминий составил 7,2 в покрытии манежа и 8,3 в подвесной части покрытия стадиона.
Проанализируем подробнее наиболее важные преимущества алюминиевых большепролетных конструкций применительно к объектам зимней Олимпиады-2014.
Малый собственный вес. Для объектов, построенных в III снеговом районе при снеговой нагрузке 180 кг/кв. м, собственный вес блочных алюминиевых покрытий (включая утеплитель, пароизоляцию и пожарозащиту) не превышает 30 кг/кв. м при пролетах до 60 м. Таким образом, основной здесь является именно снеговая нагрузка, значение которой применительно к Сочи уменьшится до 80 кг/кв. м, что приведет к заметной экономии алюминия. В равной мере, в связи со снижением веса конструкции, снизятся и сейсмические нагрузки, что обеспечит дополнительную экономию металла. Величину снижения расхода алюминия за счет этих факторов можно будет оценить при конкретном проектировании. Значительная экономия материалов будет достигнута также в поддерживающем каркасе и фундаментах.
Собственный вес блочного сталеалюминиевого покрытия пролетом до 109 м (алюминиевая арка с затяжкой и подвесками из стали) возрастает всего до 50 кг/кв. м даже при закреплении 4-х кран-балок грузоподъемностью по 5 тонн. Очевидно, что подобные конструкции в условиях Сочи более эффективны, особенно в спортивно-зрелищных зданиях, где нет подвесного транспорта.
Разнообразие архитектурных форм.
Нетрудно видеть, что в построенных и запроектированных объектах с алюминиевыми покрытиями за счет разнообразия конструктивных форм осуществлен целый ряд уникальных архитектурных решений. Эти возможности далеко не исчерпаны, что позволит и на объектах Олимпиады-2014 реализовать качественно новые оригинальные замыслы.
Изготовление элементов конструкций на стройплощадке. Имеющийся опыт подтвердил возможность отказаться от крайне дорогой перевозки с завода-изготовителя на объект готовых крупноразмерных элементов. Технология их изготовления проста, хорошо освоена, и на многих построенных объектах на стройплощадку доставляли профили и рулоны обшивки, а изготовление конструкций осуществляли на временных производственных участках. Для Сочи, учитывая удаленность от промышленных центров, подобный подход наиболее рационален.
Укрупнительная сборка на «нуле». Размеры в плане использованных ранее блоков составляют, например, 6х48=288 кв. м (г. Кишинев), 6х60=360 кв. м (г. Тюмень), 6х84=504 кв. м (г. Москва). Сборку блока ведут в кондукторе, обеспечивающем геометрическую точность, с лесами обслуживания и устройством для натяжения обшивки с контролем и регулированием усилия. Как правило, используют два кондуктора, размещенных во временном сборочном ангаре с пленочным ограждением, прикрепленным к лесам (фото 4). Для доставки элементов каркаса в ангар используют ручные тележки, а их установку в кондукторе выполняют без применения кранов ручными лебедками или вручную (фото 5–7), так как, например, вес элемента фермы (рис. 6) составляет всего 470 кг при длине 23 м, а вес вертикальной связи с прогонами (фото 7) — всего 61 кг.
Также возможен вариант укрупнительной сборки в кондукторе, размещенном на проектной отметке низа покрытия в торце или в средней части здания. В этом случае размеры блока могут качественно возрасти и составить 24х109=2 616 кв. м (завод «Севкабель»).
Скоростной монтаж. Собранный в ангаре блок доставляют к месту монтажа ручными тележками (фото 8) и с помощью крана устанавливают в проектное положение (фото 9). Вес блока размером 4х60 м для покрытия УДС «Крылья Советов» (объект летней Олимпиады-80) составил всего 7,5 т, и для его строповки и подъема требовалось 20–25 мин. Монтаж более крупных блоков, размером 6х84 м и весом 15 т, выполнен с помощью специальных подъемно-транспортных тележек, причем время подъема и перемещения блока не превышало 1 часа (фото 10, 11). В итоге вместо трудоемких и длительных операций по устройству кровельного «пирога» состав работ на высоте свелся к заделке продольных стыков между смонтированными блоками, работы под которыми можно не останавливать.
При дальнейшем увеличении размеров блока (например, до 24х109=2 616 кв. м для реконструкции завода «Севкабель») наиболее целесообразным становится вариант надвижки блоков в проектное положение на специальных тележках.
Исключительно высокие темпы крупноблочного монтажа подтверждаются следующими примерами. Для покрытия УДС «Крылья Советов» площадью 60х92 м, включающего 23 блока, еженедельно собирали два блока. Работы велись в осенне-зимний период, и ангар обогревался воздуходувками. Также в кратчайшие сроки смонтировано покрытие Выставочного павильона площадью 84х114 м, состоящее из 19 блоков. Здесь по два блока собирали каждые 10 дней.
Аналоги подобным темпам монтажа большепролетных покрытий нам не известны и недостижимы при иных конструктивных решениях.
Наличие исполнителей работ. Подбор квалифицированных исполнителей работ по изготовлению, сборке и монтажу крупноблочных алюминиевых покрытий не вызывает трудностей. Например, ознакомившись с проектными материалами по покрытию стадиона «Спартак» пролетом 120 м, согласие участвовать в реализации проекта официально подтвердили поставщики прессованной и прокатной продукции из алюминия, три завода-изготовителя и две монтажных организации.
Отсутствие затрат на эксплуатацию.
К настоящему времени накоплен многолетний опыт эксплуатации алюминиевых конструкций. В 1964 г. смонтировано и работает без замечаний покрытие синхрофазотрона в Протвино. С 1971 г. в промзоне Москвы без какого-либо ремонта эксплуатируется первое крупноблочное покрытие выставочного павильона Минавиапрома, перепрофилированного позднее в производственное помещение, а с 1983 г. — покрытие выставочного павильона отраслей оборонной промышленности, впоследствии также неоднократно менявшего свое назначение. Не потребовали ремонта металлоконструкции блоков УДС «Крылья Советов», дома мебели в Риге, киноконцертного зала в Ялте, структурного покрытия концертного зала в Сочи и т. д. Многолетние специальные наблюдения выявили лишь минимальные очаги поверхностной коррозии, что послужило основанием по запросу Мосгосэкспертизы официально гарантировать 120-летний срок эксплуатации покрытия Аквапарка в Лужниках.
Современные исследования. Работы по изучению и совершенствованию конструкций из алюминиевых сплавов не прекращаются. Разработана и испытана улучшенная система огнезащиты, где предел огнестойкости составил 31 мин., т. е. более чем вдвое превысил нормируемую величину 0,25 часа. Выявлена уникальная способность самоупрочнения сплава 1915Т. Прочность профилей каркаса алюминиевых блоков через 15 лет увеличилась на 18–20%, причем, что особенно важно, величина относительного удлинения при разрыве не изменилась. Другие строительные материалы и конструкции со столь удивительными свойствами нам не известны. Разработан новый свариваемый сплав марки 1975 с высокой антикоррозионной стойкостью, прочность которого на 45% выше, чем у применяемого в настоящее время сплава 1915. Весьма перспективными являются работы по промышленному освоению производства рулонных листов с продольными сварными швами, обеспечивающими увеличение ширины рулона до 6 м.
Перечисленные достижения в еще большей степени расширяют область рационального применения алюминиевых блочных конструкций.
Экономичность. Можно привести примеры сопоставления конкретных алюминиевых и стальных покрытий в современных условиях для конкретных объектов в центральном регионе страны. Так, стоимость «в деле» алюминиевых блоков картинг-центра в Москве пролетом 30 м оказалась на 30% ниже стоимости стальных конструкций (с учетом облегчения подстропильных ферм и колонн). Алюминиевое покрытие Аквапарка в Лужниках оказалось в 1,5 раза дешевле стального по единовременным затратам. Стоимость в «деле» алюминиевых блочных покрытий ангаров пролетом 2х48, 84 и 96 м во Внуково почти вдвое ниже всех конкурсных вариантов из стали.
Приведенные выше коэффициенты замены стали на алюминий в проектируемом покрытии стадиона «Спартак» свидетельствуют о росте экономических преимуществ алюминия с увеличением пролета. А в покрытии БСА в Лужниках с раскрывающимся проемом в виде овала размером 120х180 м только использование подвижных створок из алюминия позволило решить поставленную задачу, и построенная стационарная часть запроектирована с учетом веса алюминиевых створок.
К сожалению, в настоящее время фактически отсутствует система технико-экономического сопоставления конструкций из различных материалов, в том числе и в районах с особыми условиями строительства. Однако учитывая приведенные выше особенности алюминиевых блоков применительно к условиям Сочи, можно утверждать, что снижение собственного веса и сейсмических нагрузок, отказ от дорогостоящих перевозок крупноразмерных элементов, снижение объема работ на высоте, сокращение сроков строительства, отсутствие затрат на эксплуатацию в еще большей степени увеличат их экономические преимущества на объектах Олимпиады-2014 по сравнению с центральным районом.
Литература
1. Матвеев С. С., Михайлов Г. Г. «Опыт проектирования и строительства алюминиевого покрытия большого пролета». Сб. «Строительные алюминиевые конструкции», выпуск 3. — М.: «Стройиздат», 1967 г., с. 122–128.
2. Трофимов В. И., Каминский А. М. «Легкие металлические конструкции зданий и сооружений». — М.: «Наука», 1997 г.
3. Михайлов Г. Г. «Создание и развитие силовых строительных конструкций из алюминиевых сплавов». Сб. «Перспективные технологии легких и специальных сплавов». К 100-летию со дня рождения академика А. Ф. Белова. — М.: «ФИЗМАТЛИТ», 2006 г. с. 349–370.
4. Михайлов Г. Г. «Опыт использования авиационных подходов к решению вопросов надежности на этапах разработки, реализации и эксплуатации большепролетных конструкций из алюминиевых сплавов». Сб. Международной конференции-выставки «Уникальные и специальные технологии в строительстве», М., 2005 г., с. 30–33.
5. Михайлов Г. Г. «Большепролетные алюминиевые конструкций — мифы и реальность». Сб. Международной конференции-выставки «Уникальные и специальные технологии в строительстве», М., 2007 г., с. 54–58.
6. Трофимов В. И., Михайлов Г. Г. и др. «Выбор рациональной схемы большепролетного покрытия из алюминиевых сплавов». // «Строительная механика и расчет сооружений», №5, 1978 г., с. 63–65.
| Автор: Г. Г. Михайлов Дата: 30.04.2008 Журнал Стройпрофиль 3-08 Рубрика: металлические конструкции Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |