Клееные деревянные конструкции в современном строительстве (система ЦНИИСК). Часть 11

Эксклюзив

Часть 1
Часть 2
Часть 3. Бассейны и аквапарки
Часть 4. Бассейны и аквапарки
Часть 5. Мосты
Часть 6. Спортивные сооружения
Часть 7. Спортивные сооружения
Часть 8. Торговые предприятия и складские помещения
Часть 9. Электроизоляционные опоры (башни и мачты)
Часть 10. Производственные здания

Этой статьей мы заканчиваем цикл публикаций по материалам книги, посвященный конструктивным решениям в строительстве с использованием клееных деревянных конструкций.

Фермы покрытия Центрального выставочного зала «Манеж» в Москве

Фермы Центрального выставочного зала (ЦВЗ) «Манеж» cпроектированы в ЦНИИСК по заданию мастерских № 13 и 14 ОАО «Моспроект-2 им. М. В. Посохина», создававших проект восстановления этого памятника архитектуры после пожара.

Исторические фермы ЦВЗ «Манеж», которые предстояло заменить новыми, разработаны и установлены в 1817 году русским инженером, генерал-лейтенантом на службе Его Императорского Величества
А. А. Бетанкуром по инициативе и при содействии императора Александра I. После двух лет эксплуатации фермы были демонтированы из-за больших прогибов, усовершенствована их конструкция, а затем их вновь установили, но уже с меньшим шагом (первоначально шаг был 5,6 м, а при восстановлении - 3,85 м). В 1930-х годах фермы усилены за счет введения двух дополнительных опор в третях пролета в виде стальной стоечно-балочной системы. Предпринималось несколько попыток восстановить уникальные исторические фермы в прежнем виде, ведь разработанные А. А. Бетанкуром фермы пролетом 48 м из брусьев сечением 260 х 350 мм и длиной до 10 м занесены в реестр ЮНЕСКО как выдающееся инженерное достижение.

В 2001 году постановлением мэрии Москвы ЦНИИСК было поручено провести обследование ферм для определения возможностей их реконструкции. Обмеры, освидетельствование и поверочные расчеты, проведенные сотрудниками ЦНИИСК, выявили недопустимые дефекты и необратимые деформации, вызванные изменением статической схемы при усилении ферм. В ходе обследования составлены обмерные чертежи, изучена сложная конструктивная схема ферм, предложены варианты реконструкции.

В 2004 году все деревянные конструкции, в том числе и уникальные фермы, были уничтожены пожаром. На состоявшемся вскоре после пожара заседании Архитектурного совета Москвы были озвучены принципиальные положения реконструкции ЦВЗ «Манеж» и сроки ее проведения. На проектирование, изготовление, сборку и монтаж отводилось около года. Фермы предполагалось выполнить из клееной древесины с сохранением конструктивной схемы, геометрии, внешнего сходства и некоторых соединительных элементов.

Проектированию предшествовали опытно-конструкторские работы по выбору варианта, проверке и отработке технологии изготовления наиболее ответственных узлов ферм (опорных, коньковых и стыков нижнего пояса). Для эксперимента была выбрана ферма треугольной формы пролетом около 8 м с размерами сечения и узлов в натуральную величину. Конструкции опорных узлов моделей отличались друг от друга: один узел был выполнен со стальным нижним поясом в виде упора на торец верхнего, другой - в виде деревянного пояса со стальным упором на наклонно вклеенных стержнях для верхнего пояса. Коньковый узел также изготовлен на вклеенных стержнях системы ЦНИИСК. Нижний пояс состоял из двух частей: стальной и деревянной, с жестким стыком на вклеенных стержнях в середине пролета.

Нагружение выполнялось до разрушения в тысячетонном прессе, оборудованном специальной траверсой. Разрушение произошло при двойной расчетной нагрузке от разрыва вклеенных стержней в упоре на верхнем поясе. В других узлах и стыке нижнего пояса, в том числе и в коньковом узле, испытанном по специальной методике односторонней нагрузкой, признаки разрушения не отмечались. Экспериментом подтверждена достаточная для эксплуатации прочность основных узлов и соединений.

По результатам испытаний, а также по некоторым соображениям для проектирования ферм комиссией был принят вариант опорного узла со стальным нижним поясом и упором в торец верхнего пояса. Применение стального нижнего пояса оправданно по причине простого решения опорного узла, а также потому, что в исторических фермах Бетанкура в нижнем поясе использовались такие же полосы 2 х (30 х 130) мм для сопряжения брусьев в стыках по всей длине пояса, с тойлишь разницей, что эти полосы не соединялись с верхним поясом.

В конструкции фермы верхний пояс принят неразрезным со ступенчатым изменением сечений в каждой панели. В опорной панели сечение принято 2 х (140 х 1100) мм, в коньковой - 2 х (140 х 300) мм. Нижний пояс принят из двух стальных полос 2 х (30 х 130) мм из стали С375, облицованных клееными деревянными элементами 2 х (140 х 600) мм. Облицовка обеспечивает внешнее сходство с историческими фермами и огнезащиту, а также используется для опирания технологического оборудования в опорных панелях ферм. Остальные элементы решетки аналогичны историческим.

Все узлы по верхнему поясу выполнены с применением стальных косынок на вклеенных арматурных нагелях. Верхние пояса по торцам оснащены закладными деталями и шарнирами, присоединенными на вклеенных стержнях, для соединения с нижним поясом и в коньке, а также для опирания на стены. Кроме того, элементы верхнего пояса усилены наклонным армированием по системе ЦНИИСК для повышения сдвиговой прочности. Плотность сопряжения сжатых подкосов и горизонтальных элементов решетки обеспечена за счет омоноличивания зазоров в узлах полимербетоном на основе эпоксидной смолы ЭД-20.

Стойки ферм и узлы сопряжения их с поясами и другими элементами выполнены близкими к историческим, на болтах и хомутах, восстановленных по обмерным чертежам 2001 года.

Опоры ферм на стену со стороны Александровского сада устроены шарнирно-подвижными с использованием фторопластовых прокладок. Пространственная жесткость ферм покрытия обеспечивается крестовыми связями в плоскости покрытий, а также вертикальными деревянными связевыми фермами вдоль всего здания в створе со стойками основных ферм по аналогии с историческими.

Изготовление и поставка элементов ферм покрытия осуществлены Нижегородским ДОК-78. На этом же заводе изготавливались все двери, окна, прогоны, связи и прочее для ЦВЗ «Манеж». Сборка и монтаж ферм выполнены ОАО «Стальмонтаж-Оптим» (Москва) в соответствии с оригинальным проектом производства работ (методом надвижки). Из-за тесноты на стройплощадке сборка ферм велась «с колес» в проектном положении на специальной эстакаде в торце здания, на отметке верха продольных стен. Собранные блоки из трех ферм на временных связях двумя лебедками передвигались по специальным рельсам, закрепленным к монолитному железобетонному поясу (поверху стен), к противоположному торцу здания, длина которого составляет 170 м.

По мере надвижки ферм между ними устраивались продольные связи, прогоны, покрытие. После устройства кровли фермы обрабатывались прозрачным огнезащитным составом «Латик». Работы выполнялись ООО «Ассоциация Крилак». Весь каркас покрытия оставлен открытым в интерьере, что оказалось оригинальным, оправданным и удобным решением для подвески декораций при устройстве различных выставок.

После сдачи ЦВЗ «Манеж» в эксплуатацию в 2005 году за фермами ведется постоянное наблюдение авторами проекта, проводятся периодические обследования состояния КДК. В процессе обследований регулярно обращается внимание службы эксплуатации ЦВЗ «Манеж» и Государственной жилищной инспекции Москвы (Мосжилинспекции) на недопустимо низкую относительную влажность воздуха в зоне расположения ферм (до 18% при минимально допустимой 45%), что существенно влияет на надежность несущих конструкций покрытия. Однако кардинальных мер для создания системы увлажнения воздуха в зоне расположения ферм до сих пор не принято.

Реконструкция купола Троицкого собора в Санкт-Петербурге

В 1828-1835 годы вместо обветшавшей деревянной церкви, возведенной в 1756 году под руководством В. П. Стасова был построен новый Собор Святой Живоначальной Троицы лейб-гвардии Измайловского полка. По указанию царя Николая I белоснежные стены каменного собора завершены голубыми куполами с крупными позолоченными звездами, главками и крестами.

В проекте было предусмотрено раздельное распределение нагрузок от четырех малых и большого (центрального) куполов. Малые купола покоятся на двух пилястрах и двух колоннах, центральный большой каменный купол диаметром 20 м опирается на массивы во внутренних углах среднего квадрата. Каркасы наружных куполов спроектированы железными, из полосового металла. Во время бури 22 февраля 1834 года ветром сорвало центральный купол. С учетом недостатков конструкции металлического купола инженеру П. П. Базену было поручено выполнить новый проект купола из деревянных материалов.

Конструкция купола представляла собой систему из 32 радиальных дугообразных ребер, связанных между собой пятью горизонтальными поясами. Ребра были выполнены из двух ветвей поясов, объединенных по высоте поперечными брусьями. По ширине косяки устанавливались в несколько рядов. Ребра опирались на кладку барабана через деревянный лежень, заделанный в ниши кладки и каменного свода.

Из 32 криволинейных ребер 24 вверху упирались в деревянное кольцо-венец, которое служило опорой для конструкций фонаря.

25 августа 2006 года во время реставрационных работ большой деревянный купол был уничтожен пожаром.

Проект восстановления купола с использованием клееных деревянных конструкций, а также поврежденной пожаром кладки опорного кольца выполнен в 2007 году в ЦНИИСК. Конструктивная схема купола принята ребристо-кольцевой. Диаметр купола - 26,25 м; высота - 21 м.

Основу купола составляют меридиональные гнутоклееные ребра, объединенные в трех уровнях кольцевыми гнутоклееными элементами, устанавливаемыми по высоте через 6 м. Количество ребер принято 32 шт.; у опоры шаг ребер составляет 2,6 м. Основные ребра сечением 140 х 700 мм повторяют очертания исторического купола. Ребра длиной 23,5 м, стрела подъема каждого 5,5 м, что затрудняло изготовление и особенно транспортировку деревянных элементов. Для решения этих проблем ребра выполнены составными по длине из двух частей, объединенных при укрупнительной сборке на строительной площадке. Объединение элементов ребра выполнено путем жесткого стыка на основе узловых соединений системы ЦНИИСК с использованием вклеенных стержней.

Дополнительные меридиональные гнутоклееные ребра установлены между основными ребрами с опорой на кольцевые гнутоклееные элементы. Кольцевые элементы соединяются друг с другом и с меридиональными ребрами с помощью стальных закладных деталей.

Для восприятия распора от меридиональных ребер деревянного купола и каменного свода, утратившего при пожаре стяжные металлические кольца, устроено ребристое монолитное железобетонное кольцо поверху кирпичной кладки барабана. Ребра расположены в местах установки утраченных лежней.

Сжимающие усилия от восьми ребер передаются на верхнее стальное кольцо диаметром 2,5 м. Верхнее сжатое кольцо сварное, с ребрами жесткости. Восемь меридиональных ребер жестко крепятся к полкам кольца с помощью сварки через закладные детали элементов.

На отметке 67 м на деревянные ребра каркаса купола установлен каркас светового фонаря диаметром 5 м и высотой 10 м. Световой фонарь служит опорой креста. Верх креста находится на отметке 83 м. На ребрах устроены три уровня ходовых мостиков для обслуживания и наблюдения за состоянием деревянных конструкций в процессе эксплуатации. Во время монтажа мостики выдвигались наружу. Обшивка каркаса купола в виде перекрестного дощатого настила обеспечивает пространственную жесткость каркаса купола. Проект ограждающих конструкций выполнен ЗАО «СМФ ТВТстройинвест». Деревянные конструкции изготовлены и поставлены ЗАО «78 Деревообрабатывающий комбинат Н. М.». Монтаж осуществлен ЗАО «СМФ ТВТстройинвест» и ОАО «Спецстальконструкция» (Санкт-Петербург).

В 2010 году монтажные и отделочные работы на большом куполе Троицкого собора были завершены. Техническое сопровождение строительства и авторский надзор, осуществляемые сотрудниками лаборатории деревянных конструкций ЦНИИСК, позволяют констатировать высокое качество уникальных работ по монтажу купола в условиях безостановочной эксплуатации собора.

Купол павильона парнокопытных в Московском зоопарке

В 1995 году Московскому зоопарку подарили жирафа, для которого на новом месте не нашлось подходящего жилища. Длительное время его обиталищем являлось помещение административного корпуса, в котором пришлось увеличивать по высоте дверной проем. Проектирование специального вольера в виде круглого в плане помещения, перекрытого куполом, было поручено ГУП МНИИП «Моспроект-4». В центре помещения располагался вольер для жирафов, а по периметру другие вольеры - для более мелких парнокопытных (антилоп, баранов и др.).

Проект купола из деревянных клееных конструкций выполнен в ЦНИИСК. Ребристый купол опирается на стальные колонны из труб диаметром 360 мм и высотой около 10 м, расположенных по двум концентрическим окружностям диаметром 30 и 15 м, установленных жестко на фундаменты. Оголовки колонн оснащены стальными дисками-капителями большого диаметра, на которые шарнирно-неподвижно опираются по радиусам деревянные меридиональные ребра купола постоянного по длине сечения 140 х 700 мм. Очертание ребер принято прямолинейным в опорной части, криволинейным в центральной и определялось архитектурным заданием. В центре ребра опираются на стальное опорное кольцо цилиндрической формы диаметром около 1,5 м.

Сверху и снизу кольцо усилено приваренными стальными дисками-диафрагмами из листовой стали толщиной 10 мм, причем диаметр нижнего диска превышает диаметр кольца на 300 мм, образуя «воротник» для опирания ребер на монтаже.

На время монтажа кольцо поддерживалось монтажной башней, собранной в виде секции строительных трубчатых лесов с растяжками для устойчивости.

Ребра монтировались попарно по диаметральным направлениям, чтобы исключить смещение кольца относительно вертикальной оси.

Особенность купола состояла в том, что в нем впервые было применено жесткое присоединение ребер к верхнему опорному кольцу с помощью сварки, что позволило приблизить статическую работу ребер к работе двухшарнирных арок, когда усилия в ребрах распределяются более равномерно в сравнении с шарнирным опиранием и позволяют уменьшить их сечение. С этой целью по верхней и нижней граням торцы ребер оснащались стальными пластинами с анкеровкой наклонно вклеенными стержнями.

На монтаже верхние пластины ребер сваривались с верхним диском центрального кольца стальными накладками из двух арматурных стержней диаметром 20А400. Нижние закладные детали сваривались непосредственно с «воротником». Над стальным кольцом устроен вентиляционный фонарь, обеспечивающий вентиляцию покрытия и частично внутреннего объема.

Опорные узлы ребер на капителях колонн устроены с помощью вклеенных V-образных анкеров по системе ЦНИИСК таким образом, что распорные усилия воспринимаются деревянным кольцом между стальными колоннами внутреннего ряда в одном уровне с основными ребрами. Для этого над колоннами ребра снабжались специальными закладными деталями, к которым накладками на сварке присоединялись в одном уровне элементы нижнего деревянного кольца, также по торцам оснащенные закладными деталями на вклеенных стержнях, способными воспринимать растягивающие кольцевые усилия. Промежуточные кольцевые элементы - прогоны - присоединялись шарнирно и использовались для повышения жесткости ребер и для устройства совмещенного покрытия купола.

На стальные колонны внешнего ряда (вдоль наружных стен) меридиональные ребра опираются шарнирно и являются основанием покрытия над коридором по периметру внутри вольера. Вплотную к зданию пристроены внешние открытые вольеры небольшой высоты для мелких парнокопытных, имеющие общую крышу с основным сооружением и образующие единый архитектурный ансамбль.

Клееные деревянные конструкции для каркаса купола изготовлены и доставлены на территорию зоопарка ВЭЗСК. Техническая помощь при сборке купола оказывалась лабораторией деревянных конструкций ЦНИИСК.

Пергола на крыше больницы ГКБ-24 (Москва)

Использование древесины в качестве декоративных элементов в экстерьере зданий и самостоятельных конструктивных композиций - довольно частое явление в архитектуре, хотя и не всегда оправданное из-за необходимости периодического возобновления защитных атмосферостойких покрытий.

Интересной по замыслу является пергола на крыше многоэтажной больницы по ул. Писцовой в Москве. Ее форма частично повторяет очертание наружных стен здания. Пергола предложена архитекторами ГУП МНИИП «Моспроект-4». Проект каркаса перголы в 2007 году выполнен в ЦНИИСК.

Конструктивная схема перголы представляет собой балочно-стоечную решетчатую систему в виде части сектора размерами 48 х 30 м, разделенного на крупные и мелкие ячейки радиальными и кольцевыми концентрическими элементами. Крупные ячейки помещены между стальными колоннами из труб диаметром 203 мм и высотой 5 м, защемленными в бетонном перекрытии. На колонны в радиальном направлении установлены радиальные балки сечением 140 х 400 мм с пролетом 5,8 м; в кольцевом - поперечные балки с пролетами от 6,8 до 10 м сечением 140 х 400 мм. У крайних из этих несущих элементов имеются консоли вылетом до 3 м. На консоли в одном уровне подвешены контурные элементы сечением 140 х 1024 мм. Причем кольцевые контурные элементы выполнены гнуто-клееными по особой технологии, освоенной ВЭЗСК.

Крупные ячейки являются основой для мелкой сетки, устроенной радиальной решеткой 100 х 200 мм с шагом у основания около 1 м, а на контуре - 1,7 м.

В кольцевом направлении по радиальной решетке концентрическими рядами с шагом 1,46 м уложена кольцевая решетка из гнуто-клееных элементов сечением 100 х 150 мм. Все узлы опирания несущих элементов крупных ячеек на капителях колонн устроены при помощи сварки к выпускам вклеенных стержней (в опорах деревянных балок). Элементы решетки между собой соединены стальными нагелями. На верхних кромках всех элементов предусмотрена локальная кровля из оцинкованной стали или герлена с фольгой.

Крупные контурные криволинейные элементы длиной до 18 м и массой до 1,5 т подвешены на радиальных консолях с помощью стальных тавровых деталей, закрепленных на концах консолей с помощью вклеенных винтов и продетых в гнезда на криволинейных контурах.

Следует отметить технологическую особенность изготовления гнутых контурных элементов. По высоте сечения они состоят из семи склеенных в одном стапеле дуг сечением около 150 х 150 мм одного радиуса. После фрезеровки дуги накладывались одна на другую для образования цилиндрической поверхности и склеивались с запрессовкой струбцинами. Для надежности выполнялось поперечное армирование вклеенными стержнями этих элементов по всей высоте сечения.

Натурные элементы защищены на заводе пентафталевой эмалью голубого цвета. Остальные элементы перголы защищены прозрачными составами, не скрывающими текстуру древесины.

Пергола в Парке им. Горького (Москва)

Пергола длиной около 70 м и диаметром от 6 до 8 м построена к Дню города в 2001 году как ограждение перехода по насыпи в продолжение стального пешеходного моста через Москву-реку в направлении башни Шухова на ул. Шаболовка.

Проект конструктивной части из клееной древесины выполнен в ЦНИИСК на основании архитектурных чертежей и задания на проектирование.

Каркас перголы состоит из деревянных клееных трехшарнирных арок кругового очертания диаметром 6-8 м, установленных на закладные детали бетонного основания с шагом 2,5 м. В начале и в конце перголы диаметр арок увеличивается и арки образуют своеобразные раструбы.

Между собой арки соединены деревянными перекрестными рейками, расположенными в двух направлениях под углом 45° к продольной оси перголы и образующими на участках между арками криволинейную поверхность гиперболического параболоида. Решетчатое ограждение перголы служит опорой для декоративных растений на ее поверхности и одновременно обеспечивает пространственную жесткость всей системы.

Коньковые узлы полуарок выполнены с помощью двусторонних накладок из бакелизированной фанеры на болтах. Опорные узлы полуарок устроены путем сварки выпусков вертикально вклеенных в торцы стержней с закладными деталями на бетонных столбиках фундаментов.

В качестве конструктивных мер защиты арок от атмосферных воздействий предполагалось устройство локальной кровли из бакелизированной фанеры по верхним кромкам арок. По ряду причин это не было сделано, и за время эксплуатации на верхних кромках арок уже появились следы биоповреждения.

Станислав ТУРКОВСКИЙ,
Александр ПОГОРЕЛЬЦЕВ,
Ирина ПРЕОБРАЖЕНСКАЯ,
ЦНИИСК