Клееные деревянные конструкции в современном строительстве (система ЦНИИСК). Часть 7
Спортивные сооружения
Часть 1
Часть 2
Часть 3. Бассейны и аквапарки
Часть 4. Бассейны и аквапарки
Часть 5. Мосты
Часть 6. Спортивные сооружения
Часть 8. Торговые предприятия и складские помещения
Часть 9. Электроизоляционные опоры (башни и мачты)
Часть 10. Производственные здания
Часть 11. Эксклюзив
Решетчатые арки пролетом 100 м для Большой ледовой арены
(г. Сочи, Краснодарский край)
Здание Большой ледовой арены для хоккея с шайбой на 12 тыс. мест является одним из крупнейших сооружений Олимпиады-2014 в Сочи и представляет собой пространственную сетчатую оболочку в виде купола овальной в плане формы (мин. диаметр - 142 м, макс. диаметр - 194 м). Каркас купола выполнен из ячеек треугольной формы, разных в каждом ярусе. Ребра треугольников запроектированы решетчатыми, из стальных труб.
Проект сооружения выполнен специалистами Ростовского ООО «СевКавНИПИагропром» в 2007 году. Масса несущих конструкций каркаса купола - 4030 т, масса металлоконструкций на монтажную оснастку - 1200 т, стоимость изготовления - 435 млн руб., стоимость монтажа несущих конструкций - около 200 млн руб.
При экспертном рассмотрении проекта купола сотрудники ЦНИИСК обратили внимание на исключительно высокую трудоемкость монтажа и сложность конструктивных решений и предложили более простое конструктивное решение сооружения из клееной древесины. Основными предпосылками для разработки альтернативного проекта из древесины явились эффективность и надежность таких конструкций в сейсмических районах строительства, связанные с особыми свойствами древесины как конструкционного материала (легкостью, прочностью, упругостью и др.).
Одним из примеров сейсмостойких сооружений является Софийский кафедральный собор, построенный в 1904 году в г. Верный (ныне Алматы, Республика Казахстан) полностью из тянь-шаньской ели и устоявший после сильнейшего землетрясения 1911 года, которое разрушило почти весь город, и более поздних землетрясений. Тогда устояли и другие деревянные постройки, а вот кирпичные здания были разрушены.
Проект ледовой арены из клееных деревянных конструкций разработан в лаборатории деревянных конструкций ЦНИИСК совместно со строительно-монтажной организацией ЗАО «СМФ ТВТ стройинвест». В проекте при сохранении габаритов конструктивная схема каркаса была заменена более простой, с применением унифицированных, по сути одинаковых, сборных трехшарнирных арок. В соответствии с проектом, основные реактивные усилия от арок передаются на внутренний контур - монолитные трибуны, конструкция которых является оптимальной для восприятия распорных усилий от арок.
Пролет несущих конструкций (без ущерба для технологии эксплуатации) был уменьшен со 142 до 100 м, а решетчатая форма арок позволяла оптимизировать усилия в них и разместить инженерное оборудование. В центральной части купола полуарки опираются на прямоугольное в плане кольцо пространственной конструкции размером 17 х 48 м. Благодаря пластике гнутых деревянных конструкций удалось получить оригинальный естественный интерьер, не прибегая к декоративным элементам и подвесным потолкам. Трехшарнирная схема арок позволила не только сократить количество ответственных жестких стыков в полуарках, но и существенно упростить монтаж каркаса, а главное, исключить опасность разрушения арок от смещения опор при сейсмических воздействиях. В этих целях опорные и ключевые шарниры выполнены из металла с возможностью относительного поворота полуарок на требуемый угол. Шарниры присоединялись к деревянным элементам на вклеенных стержнях, хорошо воспринимающих циклические и динамические усилия. Это позволило также исключить сейсмическую составляющую при определении распора арок.
Крайние пролеты арок по 21 м для сохранения статической определимости системы благодаря развитой надстройке выполнены консольными. Элементы надстройки включены в совместную работу арок и существенно разгрузили нижний пояс. Смещение центра масс полуарок к опорам также снижает величину инерционных сил. Полуарки собираются на монтаже в горизонтальном положении и устанавливаются на опоры (трибуны) и монтажную башню в середине пролета с шагом около 8 м. Из плоскости арки развязываются системой связей по верхним и нижним поясам и вертикальными гнуто-клееными связями, а также листами профнастила усиленного профиля, уложенными непосредственно по ребрам. Для эффективности и удобства опирания при пролетах более 7 м прогоны приняты с выгнутым вниз нижним поясом. В таких конструкциях поперек волокон возникают нормальные сжимающие напряжения, благоприятные для древесины.
Сравнение основных технико-экономических показателей вариантов каркаса покрытия ледовой арены из стальных и деревянных конструкций подтвердило эффективность второго варианта, что позволило снизить вес каркаса покрытия на 1500 т (больше чем в полтора раза); массу металлической оснастки - на 650 т (почти в два раза); стоимость изготовления конструкций - на 266 млн руб. (больше чем в полтора раза); стоимость монтажа купола - на 46 млн руб. (больше чем в четыре раза).
Общая эффективность применения клееных деревянных конструкций составила 325 млн руб. Эффект нижележащих конструкций и фундаментов от снижения веса покрытия в приведенных показателях не учитывался.
Проект Большой ледовой арены в Сочи, к сожалению, не был реализован ни в металле, ни в дереве в связи с проблемами эффективного использования столь крупного сооружения после Олимпиады-2014. Однако при его разработке удалось установить явную эффективность клееной древесины в сейсмически активных районах, расширить области ее применения.
Арки трехшарнирные с надстройкой пролетом 96 м Олимпийского крытого конькобежного центра в г. Сочи
Проект крытого конькобежного центра на 8000 мест разработан ООО «НИПКИ МежрегионНИИпроект» (Москва) в 2009 году с применением стальных конструкций в двух вариантах. В первом использовались ромбообразные фермы на мощных трубчатых колоннах, установленные с шагом 24 м, и шпренгельные прогоны. Второй вариант представлен сварными полигональными арками двутаврового сечения высотой около 2 м с надстройкой. Арки двухшарнирные, установлены с шагом 12 м на железобетонные пилоны на отметке +4,7 м. Здание центра прямоугольное в плане, трехпролетное, размером 130 х 216 м и высотой в середине пролета около 21 м.
Альтернативный проект с каркасом из клееной древесины разработан с конструктивной схемой, идентичной второму варианту, ввиду очевидных недостатков первого, в том числе невыгодной концентрации больших масс стальных ферм с большим шагом в середине пролета. Предпосылки проектирования связаны с эффективностью деревянных конструкций в сейсмических районах строительства. Кроме того, применение древесины позволяет легко решить вопросы акустики, дизайна, огнестойкости.
В этом проекте несущими являются трехшарнирные клееные деревянные арки сквозной конструкции, почти повторяющие форму прототипа - стальной арки с надстройкой у опор. В деревянном варианте надстройка посредством решетки включена в совместную работу, что существенно снизило усилия и сечение внутренней ветви арки. Наибольшие расчетные усилия составили: Мизг. = 550 кНм; Ncж. = 2770 кН. Сечение внутренней ветви арки 2 (140х1000 мм) принято развитым по ширине для увеличения поперечной жесткости. Каждая полуарка состоит из собранных на заводе блоков внутренней и внешней ветвей, элементов решетки. Транспортная длина блоков - до 20 м, они снабжаются стальными закладными деталями и шарнирами, заанкеренными в древесине V-образными вклеенными стержнями по системе ЦНИИСК. Стальные шарниры арок в опорах и в ключе обеспечивают необходимый взаимный поворот полуарок на расчетное перемещение опор при землетрясении. Закладные детали по торцам блоков используются для их соединения на монтаже по длине в полуарки с помощью высокопрочных болтов. Закладные детали позволяют получить жесткие стыки поясов, равнопрочные основному сечению, без увеличения его габаритов. Такие стыки впервые разработаны, исследованы и применены в ЦНИИСК и входят в так называемую систему ЦНИИСК.
Ввиду небольших усилий элементы решетки присоединяются к поясам полуарок с помощью болтовых и нагельных соединений при сборке на стройплощадке.
Полуарки собираются на стройплощадке с использованием стапелей, выполненных из тяжелых железобетонных блоков и снабженных фиксаторами в основных узлах сопряжения элементов. Монтаж полуарок ведется с помощью монтажной башни, перемещаемой в середине пролета. Гнутые рамы крайних пролетов устанавливаются во вторую очередь, после монтажа арок, с помощью шарнирных узлов, допускающих смещение опор при сейсмических воздействиях.
По верхним поясам с шагом 6 м устанавливаются прогоны с криволинейными нижними поясами (по эпюре моментов). Шаг прогонов обусловлен несущей способностью профнастила Н-144.
Устойчивость достигается крестовыми связями по верхним поясам и распорками по нижним поясам. Сравнение технико-экономических показателей по каркасам покрытия из металла и клееной древесины показало эффективность последнего, в частности:
● снижение массы конструкций каркаса с 3350 до 1110 т, то есть в три раза;
● снижение стоимости изготовления несущих конструкций с 218 до 90 млн руб., то есть в 2,4 раза;
● снижение стоимости монтажа конструкций с 84 до 78 млн руб.
Проект был рассмотрен и одобрен на техническом совете Национального олимпийского комитета.
Двухшарнирные подкосные рамы конноспортивного комплекса в Шаховском р-не (Московская обл.)
У деревянного здания комплекса каркасной конструкции размеры в плане около 44х66 м, высота до 11 м.
Оно спроектировано сотрудниками лаборатории деревянных конструкций ЦНИИСК и смонтировано с участием авторов проекта в 1992 году. Конструкции изготовлены Волоколамским экспериментальным заводом строительных конструкций (ВЭЗСК).
В состав комплекса входят: тренировочный манеж 22х66 м, конюшни на 40 денников, разминочный манеж, вспомогательные помещения, трибуны, гостиница и т. д. У здания односкатная крыша с уклоном 10%, кирпичный цоколь высотой 1 м и стены из оцилиндрованных бревен.
Основу каркаса здания составляют двухшарнирные двухпролетные рамы (22+4 м) с криволинейными подкосами, установленные на столбчатые фундаменты из монолитного железобетона, с закладными деталями для опирания подкосов и уступами для передачи распора на стальные затяжки в толще пола.
Прямолинейные ригели сечением 140х750 мм и длиной около 26 м и приставной консолью вылетом до 4 м на заводе оснащались закладными деталями и упорами на вклеенных стержнях для присоединения консолей и подкосов. Консоли отделены от ригеля по соображениям удобства перевозки и сборки рам при возведенном цоколе. Значительный вылет (до 4 м) консолей ригеля в средней части манежа связан с необходимостью устройства козырька над внешними трибунами перед конкурным полем. Выполнено специальное армирование консолей от расслоения.
У подкосов (у наружной стены) длиной около 10 м и сечением (140х500) + 2(100х500) по торцам имеются закладные детали на вклеенных стержнях с шарнирами, способными воспринимать сжатие до 400 кН.
Стойки рам сечением 140х400 мм выполняют наружные функции фахверков и витражей, вдоль стоек в толще стен от фундамента до верха ригелей закреплены арматурные тяжи для восприятия растягивающих усилий. Низкие стойки с ригелями соединены болтами.
По рамам с шагом 1,5 м установлены прогоны, по которым уложен дощатый настил, сделана пароизоляция (утеплитель - эковата) и кровля из профнастила. Сборка рам выполнялась в горизонтальном положении на месте их установки. Монтаж осуществлялся методом синхронного поворота двумя кранами со строповкой в зоне подкосов. Каркасная схема здания с бревенчатой забиркой стен между рамами, карнизы с большим вылетом, односкатная крыша и другие конструктивные меры обеспечили эффектный интерьер и хорошую сохранность конструкций. Принятая в дальнейшем принципиальная схема подкосной рамы была преобразована и реализована во многих других проектах.
Рамы с гнуто-клееными подкосами для конно-спортивного манежа в дер. Поздняково (Московская обл.)
Манеж входит в состав конноспортивного комплекса, включающего ряд сооружений с каркасами из клееной древесины, в том числе разминочные манежи (погонялки) купольной конструкции, конюшни с перекрытиями из ферм, простые переходы и др. Все сооружения запроектированы специалистами института ОАО «Агропромпроект» (г. Челябинск) совместно с лабораторией деревянных конструкций ЦНИИСК в 1990-1991 годах. Сборка и монтаж каркасов осуществлялись авторами проекта. Конструкции изготавливались и поставлялись Волоколамским экспериментальным заводом строительных конструкций (ВЭЗСК).
Размер здания манежа примерно 26 х 80 м; в состав комплекса входит трехэтажный административно-бытовой блок из кирпича и собственно манеж длиной 66 м с трибунами вдоль продольных стен. Несущие и ограждающие конструкции манежа выполнены из клееной и цельной древесины. Несущими являются трехшарнирные двускатные рамы с криволинейными подкосами, образующие вместе со стойками и ригелями жесткие карнизные узлы.
Рамы установлены с шагом 6 м на столбчатые железобетонные фундаменты, воспринимающие горизонтальные усилия распора. Сборные полурамы поставлялись на объект в виде двух унифицированных элементов полной заводской готовности - прямолинейного ригеля - и собранной на заводе стойки с подкосом. Ригель сечением 140х750 мм снабжался закладными деталями на вклеенных стержнях в коньковой части и в местах присоединения стойки и подкоса. Стойка с подкосом объединялись болтами и нагелями на специальном стенде в горизонтальном положении с фиксаторами геометрии в характерных точках. Стойка высотой 6 м и сечением 140х400 мм соединялась с криволинейным подкосом сечением 140х500 мм с помощью криволинейных двусторонних накладок сечением 70х550 мм. В опорной части к подкосу закреплялся стальной башмак с шарниром, сверху - закладная деталь для упора в ригель. Все металлические детали скрыты под накладками подкоса.
Благодаря заводской контрольной сборке на монтаже оставалось лишь совместить шарнир подкоса с ригелем, сварить стойку с выпусками ригеля и установить три болта в отверстия «вилки». Монтаж полурам выполнялся с помощью передвижной башни в середине пролета и крана «Ивановец».
По ригелям рам с шагом 1,5 м устанавливались неразрезные прогоны длиной 12 м на наклонных нагелях и стальных накладках в стыках. Совмещенное вентилируемое покрытие устроено по дощатому настилу.
Стены устроены по деревянному каркасу, закрепленному к цоколю из керамзитобетонных панелей. Простенки заполнены витражами из поликарбоната, а глухие участки устроены многослойными, с обшивкой из вагонки.
Балочно-стоечные рамы теннисного корта в Московской области
По заданию Московского городского комитета КПСС в 1983 году в Московской области осуществлено проектирование и строительство теннисного корта. Сооружение находится в эксплуатации более 30 лет, что представляет особый интерес для оценки долговечности технических решений по системе ЦНИИСК, впервые примененных на данном объекте.
Основу конструктивной схемы здания составляют балочно-стоечные двухшарнирные рамы разной высоты. Разновысокие рамы (с увеличением высоты к середине длины зала) в виде двускатных гнуто-клееных ригелей с широкими карнизами рационально формируют внутреннее пространство корта с учетом траектории полета мяча и делают нетрадиционными его фасады. Рамы пролетом 18 м установлены с шагом 3 м и состоят из ригелей-балок, шарнирно опертых на защемленные в фундаментах стойки.
Ригели рам в виде двускатных гнуто-клееных балок с наклонным армированием опор и поперечным армированием в средней части пролета были применены впервые в практике строительства и затем получили широкое распространение.
Конструкция жесткого защемления стоек, принятая здесь, отличалась от использованных в зданиях панельного цеха в г. Волоколамске и цеха технологической щепы Волоколамского нижнего склада (1979 год) тем, что позволила регулировать положение стойки и силу прижима к фундаменту при монтаже. Для этого закладные детали на узких гранях стоек (заанкеренные в клееном пакете наклонно вклеенными стержнями) снабжались специальными проушинами для анкерных болтов. Последние были скрыты под сиденьями, функции которых выполняли распорки между стойками внизу рам. При расчете узлов использовались результаты натурных испытаний подобных стоек, проведенных авторами на ВЭЗСК.
Пространственная жесткость каркаса обеспечивалась системой деревянных связей между ригелями рам по торцам здания, асбестоцементными панелями покрытия 1,5х3 м, уложенными по ригелям рам, и распорками между стойками рам по всей длине здания (36 м). Связи по продольным стенам корта выполнены так, что образуют оригинальный технический интерьер из чередующихся ромбов и распорок, удачно совмещающих декоративные и конструктивные функции.
Все элементы каркаса и панели покрытия изготавливались и были в комплекте поставлены к месту монтажа Волоколамским экспериментальным заводом строительных конструкций. Применение панелей с асбестоцементной обшивкой позволило исключить необходимость в прогонах.
Конструкция и форма ригелей для корта считается оптимальной при данном шаге и пролете рам, отвечающей эксплуатационным требованиям, особенно в части отвода осадков с крыши в двух направлениях и организации внутреннего объема.
Особой выразительностью отличаются фасады здания благодаря применению рам разной высоты, принятой конструкции и связям по продольным стенам.
Бесшарнирные сборные большепролетные рамы с подкосами Дворца спорта «Янтарь» в р-не Строгино (Москва)
В комплекс сооружений Дворца спорта «Янтарь», относящегося к физкультурно-спортивному центру «Строгино», входят два ледовых зала, спортзал и бассейн. Проект каркаса ледового дворца (блок В) разработан в 2007 году на основании архитектурных решений мастерской № 5 ГУПМНИИП «Моспроект-4».
Размеры блока В в плане 42х65 м. В качестве основных несущих конструкций покрытия здесь впервые приняты бесшарнирные рамы пролетом 36 м с криволинейными подкосами. Рамы, шаг которых составляет 7,5 м, опираются на защемленные железобетонные колонны, воспринимающие распор и изгибающие моменты. Опирание соседних рам выполнено на разных отметках, что позволило создать криволинейную поверхность кровли в продольном направлении.
Рама состоит из прямолинейного ригеля постоянного сечения, собираемого из трех элементов по длине и ширине, с размерами сечения среднего элемента 140х1100 мм и двух крайних сечением 160х1200 мм, длиной 37,7 м, а также из криволинейных подкосов сечением среднего элемента 140х800 мм и двух крайних сечением 160х900 мм. Элементы по ширине соединены между собой с помощью вклеенных стержней. Все узловые соединения в этой конструкции решены с использованием узловых соединений «системы ЦНИИСК» на вклеенных стержнях. Опорные узлы подкосов выполнены в виде шарнирно-неподвижных цилиндрических опор, передающих усилия на железобетонные колонны.
Общая длина ригеля составляет 37,7 м. У ригеля два жестких стыка по длине в зоне минимальных моментов, и это позволило решить технологические и транспортные проблемы. В средней части ригеля имеется строительный подъем 100 мм.
Особенностью конструкции являются жесткие и шарнирные узловые соединения, воспринимающие большие усилия, а также включение железобетонной колонны в состав рамы. Участок железобетонной колонны в пределах этажа выполняет функцию стойки рамы как растянуто-изгибаемый элемент. Усилия растяжения в оголовке колонны, выполненном в виде стального тяжа и объединенном с закладной деталью на колонне, передаются на ригель. От тяжа на ригель усилия передаются через траверсу и закладные детали.
Пространственная жесткость каркаса обеспечивается устройством двух связевых блоков в торцах зала. Связи выполнены стальными, диаметром 20 мм, с фаркопами. На закладные детали ригеля с шагом 3 м устанавливаются деревянные прогоны переменного сечения с криволинейным нижним поясом. Такие прогоны позволили резко уменьшить сечение на опорах и тем самым увеличить высоту помещения, упростить узел опирания и исключить растягивающие усилия поперек волокон в середине пролета. Оригинально решены опорные узлы прогонов. Форма покрытия здания принята полигональной, поэтому на каждой опоре высота прогонов и их торцовка должны быть разными.
Все элементы рам и прогоны изготавливались в 2007 году в Нижнем Новгороде, на ДОК-78. Такая сборка первой рамы проводилась на ДОК-78 с участием авторов проекта и монтажной организации. Изготовление конструкций по шаблону исключало возможность ошибки при разметке и сборке сложных элементов рам.
Сборка ригелей рам по длине на стройплощадке и монтаж рам осуществлялись фирмой ЗАО СМФ «ТВТстройинвест» в соответствии с ППР. Эта основная и ответственная операция выполнялась путем сварки выпусков стальной арматуры по торцам элементов с соединительными полосами сечением 3(30х100) мм из стали С-345. Исследованиями, проведенными в ЦНИИСК, доказано, что сварка вклеенных стержней не влияет на прочность клеевого соединения и не требует особых ограничений, кроме косметической защиты древесины от копоти. Соединения ригелей выполнены жесткими стыками ЦНИИСК без болтов.
Прочность таких стыков при испытаниях превышает прочность соединяемых элементов без стыков. Необходимо отметить, что при сборке ригелей рам в жестких стыках проблема допусков по длине, восприятия значительных сил сжатия и перерезывающих сил, а также защиты торцов от увлажнения решена с помощью омоноличивания полимербетоном предусмотренного проектом зазора. Прочность полимербетона, по данным испытаний, составила около 60 МПа.
Огнезащитная отделка деревянных элементов рам проводилась после устройства покрытия и очистки поверхностей от загрязнения составом, не скрывающим текстуру древесины и обеспечивающим II степень огнестойкости.
Регулярный мониторинг конструкций, осуществляемый авторами проекта, подтверждает их удовлетворительное состояние на стадии монтажа и завершения отделочных работ. Измерения показывают несколько завышенную равновесную влажность древесины (на уровне 13%), что при включении отопления может отрицательно сказаться на сохранности клеевых соединений. Чтобы избежать этого, потребуется корректировка режима эксплуатации здания.
Рамы с подкосами пролетом 36 м универсального спортзала в Москве
В соответствии с договором о российско-белорусском сотрудничестве, в 2008 году на Новоясеневском проспекте в Москве построен дворец спорта с покрытием по каркасу из клееных деревянных конструкций. Элементы каркаса покрытия изготовлены в г. Гомеле (Республика Беларусь), на заводе клееных конструкций, по проекту ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко.
Проект всего сооружения разработан в Москве фирмами «Проектус» и «Велст-проект».
Монтаж каркаса покрытия осуществлен ООО «Крован-КДК».
Размеры здания дворца спорта в плане - 48 х 56 м, в центральной части дворца оборудован двусветный универсальный спортзал размерами 36х48 м и высотой в коньке 17,6 м, не считая светового фонаря.
Несущими конструкциями двускатного покрытия над основным залом являются трехшарнирные подкосные рамы из клееной древесины высотой в карнизах около 10,5 м. Помещения по контуру зала также перекрыты деревянными конструкциями (балками) в плоскости скатов крыши с опиранием на бетонные стены. Рамы спортзала на отметке 7,5 м опираются на оголовки железобетонных колонн, установленных с шагом 5,7 м. На балки и ригели рам установлены неразрезные клееные прогоны, по которым уложен профнастил Н-63 и совмещенное невентилируемое покрытие. Пространственная жесткость каркаса покрытия обеспечивается связевыми блоками со стержневыми крестовыми связями из прутка диаметром 20 мм между рамами и прогонами.
Подкосные трехшарнирные рамы такого пролета в России применены впервые. Рамы спроектированы сборными - с учетом условий перевозки из г. Гомеля - и состоят из ригелей с прямолинейными верхними и криволинейными нижними (по форме эпюры моментов) гранями, гнуто-клееных подкосов в карнизных зонах и деревянных стоек, снабженных растянутыми стальными тяжами внутри сечения. Криволинейные очертания ригелей и подкосов подчеркивают пластику конструкций и увеличивают габарит свободного пространства внутри зала.
Наиболее напряженные узлы примыкания подкосов к ригелям выполнены шарнирными, с использованием деревянных упоров, приклеенных к ригелям по конструктивным соображениям. Все усилия сжатия в направлении равнодействующей от подкоса на ригель передаются посредством вклеенных стержней. Устойчивость и требуемая жесткость подкоса обеспечиваются его крайними ветвями, охватывающими ригель. Опорные узлы рам устроены с помощью стальных башмаков с ребрами жесткости и фиксацией их в швах между ветвями подкосов на болтах. Снизу к башмакам приварен шарнир, допускающий поворот в узлах и воспринимающий вертикальные и горизонтальные усилия. Усилия распора от шарнира на железобетонное перекрытие и колонны передаются упорами и противоветровыми шайбами, приваренными к закладным деталям оголовков колонн. Особенностью опорных узлов является наличие растянутых стальных тяжей, закрепленных к башмакам и ригелям. В узлах присоединения тяжей в ригелях предусмотрены закладные детали на вклеенных стержнях, воспринимающих усилия сжатия. Снаружи тяжи облицованы деревянными элементами для жесткости при сборке и монтаже, а также из соображений огнезащиты и привлекательного внешнего вида рам.
Перед отправкой с завода все клееные деревянные конструкции после контрольной сборки и шлифовки поверхностей защищены прозрачным составом BelinkaToplasur с оттенком «лиственница». Выбору вида отделочного состава предшествовали его всесторонние исследования в ЦНИИСК, в том числе на совместимость с огнезащитным составом, который наносился после устройства покрытия, его адгезию, водопроницаемость, эффективность и др.
Сборка полурам выполнялась на полу спортзала по специальной разметке для контроля параметров. Перед сваркой тяжей в карнизах производилось их преднапряжение домкратами усилием около 10 кН для придания жесткости конструкции при кантовке, подъеме и для устранения «рыхлых» деформаций в узлах.
Монтаж рам осуществлялся с помощью центральной передвижной башни с закреплением первой рамы к торцовой бетонной стене. Монтаж балок покрытия смежных помещений выполнялся на сварке к бетонным стенам как продолжение консолей ригелей рам в плоскости скатов.
В итоге от применения деревянных подкосных рам, открытых в интерьере, спортзал существенно выигрывает в эстетическом, акустическом и других отношениях по сравнению с подобными помещениями, перекрытыми стальными и железобетонными конструкциями. В значительной мере это связано с удачно выбранным декоративным покрытием и высоким качеством монтажа без продолжительного пребывания конструкций на стройплощадке без крыши.
Оправданным и эффективным оказался опыт декоративной отделки отправочных элементов в заводских условиях.
Фермы треугольные с металлическим нижним поясом спортзала
(Пестово, Новгородская обл.)
Спортивный зал Пестовского домостроительного комбината спроектирован местной проектной организацией. Проект несущих конструкций покрытия выполнен сотрудниками ЦНИИСК в 1995 году. Строительство спортзала велось хозспособом параллельно с проектированием. Несущие конструкции изготавливались на Волоколамском заводе строительных конструкций и поставлялись к месту строительства по железной дороге.
Здание универсального спортзала, прямоугольное в плане, размерами 24 х 72 м, высотой 10 м, с кирпичными стенами, перекрыто треугольными метало-деревянными безраскосными фермами типа МДА пролетом 24 м. Фермы установлены на бетонные подушки в кирпичных пилястрах с шагом 6 м. По фермам специальными деревянными упорами (для восприятия скатной составляющей) закреплены дощатые прогоны сечением 50 х 200 мм с шагом около 1 м.
Устойчивость ферм обеспечивается крестовыми стальными связями по верхним поясам крайних ферм и в середине здания, а также прогонами и торцовыми стенами. Верхний пояс ферм выполнен составным по ширине из двух клееных элементов сечением 2(140х800) мм; нижний - из двух арматурных стержней диаметром 24А400, облицованных досками 50 х 200 мм для декорации и огнезащиты. Нижний пояс подвешен к верхнему в третях пролета подвесками из стальных цепей, присоединенных к верхним поясам с возможностью регулирования строительного подъема нижнего пояса.
Конструкции такого типа с пролетами 12 и 18 м разработаны в ФГНУ НПЦ «ГипроНИИсельхоз» в 1975 году и усовершенствованы с экспериментальной проверкой в ЦНИИСК в 1979 году. Они широко применялись как типовые преимущественно в сельском строительстве и назывались металло-деревянными треугольными арками (МДА-12 и МДА-18 соответственно) из-за сходства в статической работе с арками. Однако по форме и другим признакам такие конструкции ближе к фермам, поэтому и названы нами безраскосными фермами.
В этих конструкциях привлекает простота форм, изготовления, перевозки, складирования, монтажа и эффективность (в сравнении с балками). Эти качества реализованы в данном проекте. Кроме того, за счет применения новых узлов, в данном случае существенно снижена металлоемкость опорных башмаков и коньковых узлов, повышена эксплуатационная надежность конструкций, увеличены пролет и шаг. В основу положены результаты многолетних комплексных исследований V-образных анкерных соединений, проводившихся в ЦНИИСК и VТT (Финляндия).
В ходе исследований доказано, что соединение из двух вклеенных пересекающихся стержней (V-образный анкер) является универсальным и хорошо воспринимает усилия, приложенные под разными углами (при разных векторах). Это позволило на базе V-образных анкеров разработать стыки и узлы элементов для всех видов напряженного состояния, включая узлы безраскосных ферм.
В опорных узлах использованы два V-образных анкера, которые дополнительно армируют опорную зону. В сравнении с аналогами они позволили отказаться от металлических башмаков и заменить их выпусками вклеенных стержней с присоединенными к ним закладными деталями для крепления нижнего пояса.
Стендовые испытания опорного фрагмента фермы в натуральную величину, проведенные в ЦНИИСК, показали высокую прочность и жесткость опорного узла фермы. В коньке ферм применен чистый шарнир симметричной конструкции, разработанный в ЦНИИСК и подтвержденный авторским свидетельством № RU 17551 U1 7E048 1/32 от 10.04.2001 года.
Оба торца в ключе на заводе снабжались цапфами с анкеровкой вклеенными стержнями. На монтаже в цапфы вкладывался цилиндрический шарнир, цапфы объединялись шайбами и фиксировались гайками. Шарнир прост в монтаже, эстетичен, допускает взаимный поворот элементов верхнего пояса в узле под нагрузкой. Для защиты от возможных дефектов склеивания и обеспечения надежности в процессе эксплуатации торцовые зоны верхнего пояса усилены наклонным армированием. Эксплуатация ферм спортзала протекает без замечаний к качеству ферм. Опыт проектирования и эксплуатации ферм позволил разработать проекты подобных ферм пролетами до 40 м.
Фермы безраскосные с повышенным нижним поясом теннисного корта
(Одинцовский р-н, Московская обл.)
Теннисный корт находится в составе физкультурно-оздоровительного комплекса размером в плане 19,5х62,5 м, построенного в 2006 году по проекту, выполненному в мастерской М-7 ОАО «Моспроект-2» им. М. В. Посохина. Проект каркаса покрытия из клееной древесины разработан в ЦНИИСК. Совмещенное покрытие цилиндрической формы поддерживается восемью безраскосными металлодеревянными фермами пролетом 19,5 м, установленными с шагом 7 м на железобетонные обвязочные балки по железобетонным колоннам. Опирание ферм на отметке 7,2 м принято шарнирно-подвижным по одному ряду колонн и шарнирно-неподвижным по другому ряду. По верхним поясам ферм установлены неразрезные клееные деревянные прогоны с шагом 1,5 м, по которым устроен дощатый настил толщиной 30 мм. По торцам здания скаты покрытия также образуют цилиндрическую поверхность, но в направлении, перпендикулярном продольной оси. Это достигается наклонными клееными балками с криволинейной верхней гранью, установленными по диагоналям в углах здания с опиранием на железобетонные пояса и крайние фермы. Этими балками и прогонами обеспечивается пространственная жесткость каркаса покрытия без применения традиционных связей. Особенность ферм связана с формой их верхнего пояса и повышенным (на 1,8 м) уровнем нижнего пояса, вызванным высотными габаритами корта, а также с конструкцией узла присоединения нижнего пояса к верхнему.
Форма верхнего пояса фермы и покрытия продиктована заданной архитектурой здания. Повышенное расположение нижнего пояса связано с назначением помещения и его габаритами. В данном случае оба условия оказались взаимоувязанными. Обычно при повышении нижнего пояса эти условия являются взаимоисключающими, так как в месте присоединения поясов резко возрастает изгибающий момент и, по сути, это сечение определяется моментом сопротивления верхнего пояса. В этом случае сечение пояса возрастает от опоры и растет момент сопротивления, что позволяет обеспечить необходимые габариты и повысить уровень нижнего пояса.
Прямолинейность нижней грани верхнего пояса выбрана из нескольких вариантов архитектурной мастерской.
Основная трудность в фермах с поднятым нижним поясом - это узел присоединения последнего к верхнему поясу. Этот узел решен с помощью вклеенных стержней в направлении действия растягивающего усилия и присоединенной к ним детали. Деталь со стальной полосой в шве между элементами пояса размещена в углублениях пояса. К полосе при монтаже приваривался нижний пояс из гнутого сварного профиля (пластина 6х60х140). Подвески устроены из гладких арматурных стержней диаметром 20А240. Строительный подъем пояса в середине пролета принят 60 мм.
Опорные и коньковые узлы выполнены традиционно - на двух вклеенных стержнях диаметром 25А400 с приваренными к ним шарнирами. Конструкции изготавливались в Нижнем Новгороде, на ДОК-78, монтаж осуществлялся ООО «СтройДревКомплект».
В целом фермы с поднятыми нижними поясами и переменным сечением верхнего пояса выгодно отличаются от традиционных внешним видом в интерьере и возможностью уменьшения отапливаемого объема здания. Принятые на этом объекте технические решения использовались в ряде других общественных сооружений, в частности бассейна в г. Видное (Московская обл.), зале коттеджа в пос. Немчиновка и пр.
Линзообразные фермы пролетами 32-48 м спорткомплекса «Строгино» в Москве
Спорткомплекс «Строгино» (Москва, ул. Таллинская, вл. 40) предназначен для фигурного катания и включает в себя: ледовый зал для фигурного катания 48х71 м с трибунами, тренировочный каток 36х60 м, спортзал 35х42 м, бассейны и вспомогательные помещения. Покрытие над всем комплексом площадью около 14 тыс. м2 выполнено совмещенным, невентилируемым, по клееным деревянным конструкциям. В залах для фигурного катания, в спортзале и бассейнах несущими конструкциями являются линзообразные фермы, в тренировочном зале - бесшарнирные рамы на железобетонных стойках.
Проект спорткомплекса разработан в ГУПМНИИП «Моспроект-4». Проект несущих конструкций каркаса покрытия разработан в ЦНИИСК. Фермы изготовлены на ДСК-160 (г. Королев) и смонтированы ЗАО СМФ «ТВТстройинвест» в 2008 году. В эксплуатацию объект сдан в 2010 году.
На этом объекте впервые применены линзообразные сборные большепролетные фермы со стыками поясов по длине на основе системы ЦНИИСК. Собственно, и сами фермы-линзы впервые предложены в ЦНИИСК, разработаны и смонтированы в панельном цехе г. Волоколамска. На фермы получено авторское свидетельство № 1418439. Такие фермы отличаются эффективностью и технологичностью изготовления. У них, в сравнении с треугольными и полигональными фермами, меньшая строительная высота (обычно 1/8 L), они эстетичны, устойчивы в монтаже (благодаря ниже расположенному центру тяжести), не требуют развязки нижнего пояса. В статическом отношении для ферм-линз характерны почти одинаковые усилия во всех панелях обоих поясов по длине пролета. Усилия в решетке довольно небольшие и часто со знаком минус. Это существенно упрощает их конструирование, поскольку узлы присоединения решетки могут устраиваться на болтах и нагелях. Зато в опорных узлах концентрируются наибольшие усилия сдвига между поясами, которые традиционными соединениями до этого воспринимать не удавалось, даже для ферм среднего пролета. Проблему удалось снять путем применения соединений на наклонно вклеенных стержнях. Опорные жесткие узлы сборных ферм-линз пролетами свыше 24 м обычно собираются в заводских условиях. На монтаже выполняют стыки сжатых и растянутых поясов, узлы решетки. Опорные узлы могут быть сборными, шарнирными с упорами, но анкеровка упоров все равно возможна лишь с наклонно вклеенными стержнями.
Во Дворце спорта «Строгино» применены фермы-линзы разных пролетов (см. выше). Разные пролеты ферм в спортзале и бассейнах продиктованы формой участка застройки и здания. Конструкция опорных узлов ферм представляет собой соединение двух поясов на наклонно вклеенных стержнях, работающих на растяжение и рассчитанных на восприятие всей сдвигающей силы по площадкам сплачивания. Перед установкой связей для предотвращения неплотностей в швах и вытекания клея пояса склеивались клеем с наполнителем. Технологический шов в расчете на сдвиг не учитывался. Конструктивно длина наклонных стержней принималась больше расчетной для повышения сдвиговой прочности элементов и блокировки возможных расслоений.
По линии действия опорной реакции в узле вклеивались четыре стержня диаметром 25А400 мм для присоединения к ним шарнира. При монтаже на шарнир устанавливались противоветровые шайбы и сваривались с закладными деталями на оголовках железобетонных колонн. При этом в неподвижных опорах габариты проушины в шайбах соответствовали габаритам шарнира. В подвижных опорах проушины принимались расширенными по горизонтали на величину перемещения фермы под действием снеговой нагрузки и веса покрытия. В этих опорах для свободы перемещения под шарнирами предусмотрены пластины фторопласта толщиной 4-6 мм, что позволило снизить коэффициент трения в несколько раз.
Жесткие стыки растянутых поясов ферм устраивались симметричной конструкции с использованием V-образных анкеров, вклеенных на заводе. При сборке между выпусками стержней устанавливались стальные полосы сечением 25х100 мм и сваривались ручной дуговой сваркой. Стыки сжатых поясов устраивались путем заполнения зазоров между торцами (около 30-40 мм) полимербетоном. Это обеспечило плотность контакта, адгезию между торцами, влагозащиту торцов и свободу в допусках соединяемых элементов. Сжатые стыки дополнительно усиливались на действие монтажных нагрузок из плоскости путем постановки V-образных анкеров по верхним граням поясов ферм.
Разные пролеты ферм в спортзале и бассейнах сильно затрудняли проектирование, и особенно изготовление конструкций из-за их разнотипности. Решение вопроса состояло в том, что за основу была взята ферма меньшего пролета, а все другие фермы больших пролетов повторяли очертания поясов и решетки основной фермы. Увеличение пролета остальных ферм достигалось механическим удлинением поясов и их объединением как составных изгибаемых элементов с помощью наклонного армирования.
Фермы пролетом 48 м собирались в вертикальном положении на специальном стенде. Это исключало необходимость кантовки, но требовало постоянного использования автокрана и специальных подмостей и постов для сварки стыков. Фермы меньших пролетов собирались в горизонтальном положении на обычных козлах, что значительно упрощало процесс и повышало качество сборки. Экспериментальный характер проектирования и производства, уникальность и степень ответственности ферм требовали подтверждения принятых решений опытным путем. С этой целью первые две фермы пролетом 48 м были подвергнуты стендовым испытаниям до разрушения непосредственно на стройплощадке. Методикой испытаний предусматривалось нагружение ферм фундаментными железобетонными блоками и сваями этапами по 20% от расчетной нагрузки с записью деформаций в интервалах между нагружениями. Контролировалось напряженно-деформированное состояние опорного узла, относительные деформации растянутых стыков, вертикальные перемещения ферм и общее состояние соединений, особенно с применением стальных элементов. Это связано с тем, что при кратковременном нагружении в металлических элементах признаки разрушения должны проявляться после достижения ими расчетных сопротивлений. В деревянных элементах из-за специфики длительной прочности эти признаки проявляются обычно при нагрузках равных примерно двум расчетным значениям.
Поскольку испытывались реальные конструкции (без усиления металлических деталей), ожидались отказы уже после достижения расчетной нагрузки.
В действительности так и произошло. При нагрузке около 1,2 расчетной отказали сварные соединения вклеенных опорных стержней и опорной пластины. Появились вязкие деформации осадки опор. Соединения были усилены дополнительными накладками под стержнями на сварке, и нагружение продолжалось до нагрузки более 1,8 от расчетной. По мере нагружения за пределами расчетной нагрузки разрушение опорных соединений продолжалось уже в виде смятия древесины под стальными опорными пластинами. В стыках и по площадкам скалывания признаков разрушения не наблюдалось. Приращение деформаций, в том числе прогибов, протекало пропорционально нагрузке вплоть до разрушения. Разрушение произошло почти при двух расчетных нагрузках (около 4800 кН) по причине неравномерной деформации опорных пластин и потери устойчивости опорными сечениями ферм.
В результате фермы показали надежную работу всех основных узлов и стыков. Опорные узлы, несмотря на удовлетворительную работу при расчетной нагрузке, были усовершенствованы в проекте и при реализации.
В последующем подобные фермы получили широкое распространение в строительстве, особенно в бассейнах и аквапарках, где условия эксплуатации являются благоприятными для клееной древесины. В проекте каркаса покрытия спорткомплекса особо подчеркивалась зависимость состояния конструкций от относительной влажности внутреннего воздуха. Надежность гарантируется при условии соблюдения режима эксплуатации, а главное - влажности воздуха 45-60%.
Мониторинг состояния ферм (со стороны ЦНИИСК) в процессе изготовления и монтажа с 2007 года подтверждал их удовлетворительное состояние.
Для организации продольного уклона крыши фермы установлены на разных отметках, образующих криволинейную поверхность. Это привело к необходимости установки разрезных прогонов. Прогоны пролетами 7,5 м приняты с выгнутым вниз поясом и закладными опорными пластинами на вклеенных стержнях.
Это позволило выполнить все узлы и прогоны однотипными, а невязки в опорах легко устранять путем сварки с защитой стыков фанерными накладками.
Консольные фермы трибун для биатлона (пос. Токсово, Ленинградская обл.)
Трибуны вдоль биатлонной трассы представляют собой сложный комплекс с развитой системой подтрибунных помещений различного назначения, сделанных из монолитного железобетона. С шагом 5 м над трибунами возвышаются П-образные железобетонные порталы-рамы, служащие опорами консольных симметричных навесов из клееной древесины. Вылеты консолей в каждую сторону - 16,3 м. Пространство между стойками рам в середине шириной 8 м используется как проход на трибуны. Протяженность комплекса трибун - более 300 м, ширина в основной части по навесу - 40,6 м. Высота железобетонных П-образных порталов принята переменной от верха трибун на отметке 10 м и колеблется от 4,5 до 18 м. Благодаря этому у навесов над трибунами по длине сооружения волнообразная форма, что выгодно отличает их от традиционных горизонтальных.
Консольные навесы над трибунами с таким вылетом для биатлонного стадиона в пос. Токсово выполнены впервые в России. В зарубежной практике навесы из клееной древесины над трибунами весьма распространены и встречаются даже над олимпийскими сооружениями, в частности, в Мюнхене.
Проект всего комплекса разработан ГК «Стройархитектура». Каркас навеса из клееной древесины спроектирован в ЦНИИСК. В качестве несущих конструкций козырьков над трибунами по обе стороны портала приняты консольные фермы, симметрично расположенные относительно продольной оси сооружения. Покрытие навеса принято сечением цилиндрической формы с радиусом около 57 м и устроено по деревянным прогонам с шагом 2 м. Ввиду волнообразного очертания покрытия по длине прогоны приняты разрезными. Жесткость каркаса покрытия обеспечивается стальными крестовыми связями по верхним поясам ферм блоками через 25 м. Устойчивость нижних поясов из плоскости обеспечивается распорками по 1/3 вылета между фермами по всей длине сооружения.
Особенности ферм заключаются в их форме, индивидуальной конструкции узловых соединений и большом выносе консолей (до 16,3 м). Форма поясов определялась архитектурой сооружения и возможностями технологии изготовления клееных конструкций. Высота ферм в опорной части - 4,348 м - превышает транспортную, поэтому их конструкция предусмотрена сборной, хотя не исключается и заводская сборка ферм при условии решения транспортных вопросов.
Все узловые сочленения ферм выполнены по системе ЦНИИСК на вклеенных V-образных анкерах и наклонно вклеенных стержнях. В частности, опирание верхнего пояса сечением 2(140х700) мм выполнено на закладные детали портала с помощью четырех вклеенных анкеров, к выпускам которых приварены опорные косынки и шарниры, воспринимающие сдвиговые усилия до 400 кН и вертикальную реакцию.
Кроме того, верхние пояса смежных ферм соединяются между собой жесткими растянутыми равнопрочными стыками. Нижние пояса ферм сечением 2 (140х600) мм опираются на выступы железобетонных стоек портала с помощью вклеенных по направлению усилий стержней, к которым на сварке присоединены опорные пластины и шарниры.
Наиболее ответственным является узел сопряжения верхнего и нижнего поясов на конце консоли, воспринимающий значительные сдвиговые усилия по площадке контакта поясов фермы. Узел разработан в двух вариантах: неразрезном (для сборки фермы в заводских условиях) и сборном (для удобства перевозки ферм в разобранном состоянии). Сборный вариант устроен с помощью монтажной сварки закладных деталей и упоров, присоединенных к поясам на наклонно вклеенных стержнях. В настоящее время из-за финансовых проблем реализация этого уникального проекта откладывается.
Станислав ТУРКОВСКИЙ,
Александр ПОГОРЕЛЬЦЕВ,
Ирина ПРЕОБРАЖЕНСКАЯ,
ЦНИИСК
