Крыша Стадиона PGE Arena в Гданьске: Общий Обзор Конструкции и Системы Контроля

Коллеги представляю вашему вниманию мой перевод статьи профессора Кржыштофа Жолтовского и Томаша Ромажкевича, о крыше стадиона PGE Arena. Оригинал статьи можно найти здесь Roof over PGE Arena in Gdansk. Review of Structure and Monitoring System. Также прошу ознакомиться со страницей на сайта Bollinger-Grohmann где размешены данные о проекте фото и видео материалы в том числе в Rhino 4 Grasshopper.

---

Авторы статьи:

Резюме:

В данной работе представлены общие исходные расчеты конструкции из стали, спроектированной для нового футбольного стадиона, возведенного к Чемпионату УЕФА 2012 года в городе Гданьске. Наземная часть сооружения располагается на модифицированном основании. Фасад и крыша стадиона, представляя собой единое целое, собраны из 82 стальных ферм, изготовленных из трубчатых профилей. Фермы стянуты кольцевыми балками и X-образными натяжными стержнями. Все это в комплексе создает квази-купол с покрытием из поликарбоната. В ходе изготовления основных элементов и возведения объекта возник ряд проблем. Основные трудности, с которыми пришлось столкнуться, а также некоторые аспекты, связанные с ремонтом, обсуждаются в данной статье.

Ключевые слова: Стадион, УЕФА ЕВРО 2012, Стальная крыша

1. ВСТУПЛЕНИЕ

Стадион, построенный к Чемпионату УЕФА 2012 года в Гданьске — крупнейшая спортивная арена города. По своей архитектуре сооружение символично напоминает кусок янтаря, выброшенный на берег моря. По завершении строительства объект предстал в виде составной конструкции из стали и бетона. В соответствии со стандартами УЕФА, стадион был рассчитан приблизительно на 41000 человек. Вся инфраструктура арены размещена на специально подготовленной территории площадью 43,650 м².

Зрительскую аудиторию планировалось разместить под сводами стальной крыши и в фасадной части стадиона. Характерная форма объекта и просвечивающееся покрытие в желтоватых тонах подчеркивают основную идею и видение архитектора, о чем было сказано выше —  “крупный кусок янтаря”.

Рис. 1: Стадион PGE Arena. Фотография сделана 22 августа 2010 года (www.bieg2012.pl) и после открытия

Проектная группа:

• Архитектор: Роде Келлерманн, компания Wawrowsky GmbH (Дюссельдорф)

Разработка концепции и конструкционные работы:

• Компания Bollinger & Grohmann: разработка основной концепции стальных конструкций и работы на подготовительных этапах;
• Компания APK Wojdak Consulting Engineers: заключительный этап проектирования конструкций из бетона;
• Компания KBP Zoltowski Consulting Engineers: разработка основной концепции стальных конструкций и заключительный этап проектирования;
• Компания Eilers & Vogel: вспомогательные конструкции и элементы малой архитектуры;
• Профессор Тадеуш Годицкий-Цвирко: консультирование и контроль
• Гданьский Технологический Университет: лабораторные испытания и экспертная оценка

2. ВОЗВЕДЕНИЕ СТАЛЬНОЙ КРЫШИ

Основные элементы крыши – 82 серповидные пространственные фермы из стали, соединенные между собой окружной конструкцией. Стандартная ферма изготовлена из трубчатых профилей и устанавливается на бетонном кольце высотой 7 метров. Стальная крыша (рис. 2) – статически и конструктивно независимый от бетонной части конструкции элемент. Высота конструкции – 38 метров (от основания опор до поверхности крыши). Длина консоли над трибуной составляет примерно 48 метров (от основания опоры до края крыши).

Рис. 2: Возведение крыши. Статическая модель (SOFiSTiK) и фотография, сделанная 18 августа 2010 года

2.1. Главные Фермы

Главные радиальные фермы (рис. 3) располагаются по кругу объекта (стадиона) на расстоянии примерно 8-ми метров друг от друга. Корпус единичной фермы изготовлен из трубчатых профилей (сварочная сталь). Верхняя и нижняя обвязки выполнены из труб диаметром 355.6 мм и разной толщины. Они соединены между собой горизонтальными трубами – верхний диаметр: 219.1 мм., нижний – 355.6 мм. Диагональными элементами решетчатой фермы являются трубы с диаметром 219.1 мм. и толщиной 8 мм.

Рис. 3: Геометрия трех основных частей одной фермы

Фермы присоединяются друг к другу посредством нескольких горизонтальных колец из окружных/кольцевых трубок. Каждое свободное пространство между фермами занято жесткими Х-образными креплениями (натяжными стержнями). Благодаря наличию системы жесткости крыша объекта функционирует как квази-купол, с отверстием по центру. Общая масса крыши составляет примерно 71,500 кН [2].

2.2 Повышение Жесткости

Система жесткости включает в себя горизонтальные кольца и жесткие Х-образные крепления. Горизонтальные кольца размещены в каждом наружном узле ферм на высоте более 6-ти метров от основания. Кольца изготовлены из трубчатых профилей диаметром 219.1 мм., за исключением внутренних элементов, состоящих из трубок диаметром 508 мм. и толщиной 8 мм. Х-образные крепления функционируют только в натянутом положении. Стержни диаметром 52 мм. снабжены соединителями с вилочными соединителями и стопорными гайками. Стержни и горизонтальные кольцевые элементы соединены с фермами усилительными накладками (рис. 4).

Рис. 4: Соединения для повышения жесткости фирмы – проект и практическая реализация

2.3 Кровельное Покрытие и Периферийная Оснастка

Кровельное покрытие, спроектированное в виде мембраны и изготовленное из поликарбоната, поддерживается специальной дополнительной конструкцией из алюминия (рис. 5). На крыше находятся площадки контроля, система отвода дождевых вод, снегозащитные ограждения, световая установка, 4 мультимедийных экрана, звуковоспроизводящая система и прочее оборудование.

Рис. 5: Дополнительная конструкция из алюминия и лабораторное испытание алюминиевого кровельного профиля

2.4 Крыша: Статический Расчет

Для целей проекта лабораторные испытания проводились в аэродинамической трубе [5]. Основной задачей было определить воздействие ветра на реальную форму конструкции. В результате проведенного испытания были получены данные о распределении давлений в 8-ми различных направлениях воздушного потока. Прочие нагрузки были определены в соответствии с положениями законодательства (кодекса) Польши. Модель для числовых расчетов была изготовлена с применением программного комплекса SOFiSTiK и метода конечных элементов.

Модель для числовых расчетов включила в себя:

• 13,120 узловых элементов;

• 24,518 балочных элементов;

• 2,624 кабельных элементов;

• 5,904 мембранных элемента;

Мембрана низкой степени жесткости по отношению к элементам ферменной конструкции представляет собой покрытие. Оно никоим образом не связано с основной конструкцией, а используется исключительно для передачи распределенной нагрузки к балочной конструкции.

Для определения краевых усилий элементов и последующих расчетов было применено правило независимости действия сил.  Основной целью такого подхода следует считать оценку влияния эффекта размыкания креплений натяжных стержней по отношению к основной конструкции (рис. 6).

Рис. 6: Деформация кровли, вызванная порывами северного ветра

Поскольку объект является уникальным, было изготовлено несколько детализированных моделей для числовых расчетов применительно к основным элементам конструкции (рис. 7).  

Рис. 7: САПР-визуализация, расчет оболочек и блоков по методу конечных элементов; а) типовой узел; b) соединение крепления;

3.      МОНТАЖ КРЫШИ

Элементы крыши были изготовлены заводским способом в виде плоских листов – на стройплощадке их скомпоновали для дальнейшего использования. Процесс возведения крыши состоял из 6-ти этапов:

1. Монтаж временных опор;
2. Монтаж части фасадной фермы;
3. Монтаж части фермы крыши (кровли);
4. Монтаж периферийных труб и креплений;
5. Демонтаж временной опоры;
6. Монтаж сплошной обрешетки крыши и периферийных конструкций

Рис. 8: Монтаж фасадной и кровельной частей фермы – числовой расчет (фото и этапы монтажа)

Процесс установки крыши был проанализирован с помощью модели для числовых расчетов и метода конечных элементов (рис. 8). Процесс был проконтролирован геодезистами – исследование было проведено на 4-х фермах с вмонтированными датчиками деформации. Данные результаты сравнили с результатами, полученными при числовых расчетах (рис. 9).

Рис. 9: Сравнение численных результатов и результатов измерений

Наибольший прогиб кровли, выявленный в результате измерений, был обнаружен у фермы 79 (440 мм.). Данное значение было получено при проведении числового расчета и составило 417 мм. Наибольшее расхождение – 12.4% — было выявлено у фермы 50. Среднее расхождение при расчете составило 4.92%.

4. ОТДЕЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНТАЖА КРЫШИ

Практически с самого начала работ над проектом с архитектором обсуждался ряд эстетических аспектов, неприемлемых с точки зрения проектирования. В конечном итоге строителям удалось убедить архитектора в том, чтобы элементы труб располагались аккурат между узловыми элементами сквозных ферм, но при этом общая геометрия фермы осталось бы в первоначальном видении архитектора [1]. Данный аспект стал причиной множества трудностей в контексте рабочего проектирования и изготовления стальных секций. Несмотря на наличие всех доступных методик обеспечения качества, имели место ошибки, которые необходимо было разрешить:

1. Искажение формы горизонтальной трубы опорного узла в результате сварки (фрагмент показан на рис. 14);
2. Неточность при изготовлении усилительных накладок;
3. Проблемы расхождения по длине элементов труб при подгонке фасада и кровельной части фермы;
4. Проблемы с качеством бетона, закачиваемого в горизонтальную трубу (в опорный узел).

Искажение формы горизонтальных труб в опорных узлах повлекло за собой изменение допустимого отклонения литых вкладышей. Только что смонтированные конструктивные элементы требовалось незамедлительно укрепить. Более существенным следует считать отклонение и последующее смещение усилительных накладок в нескольких первых возведенных фермах (рис. 10). Это привело к искривлению конфигурации стыков между окружными трубами и креплениями по отношению к узловому соединению, что превысило допустимые значения. Компании-подрядчику, после консультаций с проектировщиком и инвестором удалось зафиксировать накладки в надлежащем положении, прибегнув к методике Эдмунда Тасака [3]. Данный метод включил в себя: частичный разрез накладок, термическое упрочнение и сварку.

Рис. 10:  Наглядная иллюстрация неверного расположения накладок

Важной составной частью процесса стал нелинейный анализ детали по отношению к накладке, деформированной в результате упрочнения [3,4]. Для этой цели было изготовлено несколько моделей деформирования оболочки с дефектами геометрического характера. Одна из них представлена на рис. 11.

Рис. 11: Узловое соединение с деформированной накладкой: визуализация после проведенного анализа

Рис. 12: Места в узловом соединении с повышенным пределом текучести стали

Численный анализ выявил наличие запаса прочности стали в деформированном узловом соединении, что позволило принять решение о проведении ремонтных мероприятий. После обнаружения отклонений на нескольких фермах, они были устранены на всех последующих.

Следующая проблема состояла в подгонке кровельной части фермы к фасадной части объекта. Точность соединения двух частей с 4-мя точками, сохраняя при этом надлежащее положение фермы – проблема, представившая некоторую сложность для подрядчика. Зазор между двумя частями одной трубы на нескольких фермах был слишком велик (рис. 13). Процедура затяжки не вызвала никаких затруднений – её можно было осуществить посредством регулировки шарнирно опертого конца фермы, но в данном случае она была просто недопустима вследствие собственного напряжения в пределах 200 Мпа. В данной конкретной ситуации подрядчику пришлось обрезать примерно 700 мм. трубы и вставить надлежащим образом подогнанную деталь (элемент). После этого аспект позиционирования был несколько усовершенствован, и имевшая место проблема была решена.

Рис. 13: Соединение кровельной части фермы с элементами фасада объекта

Весьма ожидаемой следовало считать проблему с узлом поддержки (рис. 14). Элемент крепежной оснастки на стадии монтажа был спроектирован в форме петли. Её окончательная конфигурация была разработана дизайнером по стальным конструкциям с учетом эстетических аспектов объекта. Основной элемент опорной поверхности, изначально спроектированный из сварной стали, в конечном счете был изготовлен из литой стали (по решению подрядчика). В целях повышения несущей способности в горизонтальную трубу был закачен бетон. Результаты приемочных испытаний показали, что параметры (характеристики) бетона не соответствуют расчетным данным (B-28 вместо B-50). Процедура замены бетонного заполнителя представилась весьма трудоёмким занятием, так как конструкция была уже возведена, а также принимая во внимание возможное нарушение графика работ. В связи с этим мы решили проанализировать несущую способность узла поддержки исходя из фактического качества бетона. Для этой цели в Технологическом Университете Гданьска было проведено лабораторное испытание на модели в масштабе 1:1. Элемент крепежной оснастки был заполнен бетоном ~B28 (рис. 16). Лабораторное испытание было основано на модели для числовых расчетов и методе конечных элементов (рис. 15).

Рис. 14: Элемент крепежной оснастки фермы и место, где был произведен отбор образцов

Приближенный расчет максимальной продольной силы в вертикальной трубе узла поддержки выявил следующее значение: 2500 кН. В ходе дальнейших испытаний была достигнута нагрузка эквивалентная ~5000 кН (эксплуатационный предел для гидравлического пресса) без какого-либо серьезного признака перегрузки. Это могло случиться благодаря замене материала изготовления основного элемента опорной поверхности – сварная сталь была заменена литой (радикально увеличив степень контактности). Бетонный заполнитель, полученный в результате данного лабораторного испытания, был одобрен и принят в эксплуатацию.

5. К ВОПРОСУ О БЕЗОПАСНОСТИ КОНСТРУКЦИИ КРЫШИ

Крыша и фасад объекта (общей площадью ~45,000 м²) подвержены влиянию факторов окружающей среды – естественно, что вследствие своих габаритов и уникальности возникает ряд вопросов в контексте безопасности. Как показывает наш недавний опыт, наиболее существенным фактором в данном контексте (исключая землетрясение) следует считать снеговую нагрузку. Стадион PGE Arena – огромная и слабозащищенная конструкция (~27,000 м²). Внушительная поверхность и чрезвычайно чувствительное покрытие (из поликарбоната) создают массу проблем при уборке снега с крыши, которая от каждой такой уборки попросту деформируется (в Польше такое часто происходит с плоскими крышами, независимо от того, построены они с соблюдением/несоблюдением соответствующего законодательства – для стадиона PGE Arena такой показатель составил 1.2 кН/м²).

Во избежание появления паники и в целях принятия эффективного решения по вопросу о снеговой нагрузке была разработана и введена в эксплуатацию система контроля. Система состоит из 256-ти датчиков деформации (16 ферм x 4 трубы x 4 датчика), 16 сенсоров смещения, 16 акселерометров, 16 датчиков ветра и 4 камеры. Датчики и сенсоры смещения были смонтированы на ферме, как это показано на рис. 17.

Рис. 17: Система контроля – определение места (локализация) датчиков

Контроль применялся для целей диагностирования конструкции в реальном времени и оперативного реагирования на возможные отклонения. С помощью установленных сенсоров появилась возможность оценить степень напряжения в трубах и степень деформации внутреннего кольца. Система экспертных оценок на базе генетического процессора дает возможность рассчитать снеговую нагрузку, основываясь на конечных контрольных данных. Для расчета снеговой нагрузки крыша объекта была поделена на 16 секторов. В центральной части каждого сектора была предусмотрена контрольная ферма (рис. 18). Каждая секция включала под-секции (11 x 5) в которых, предположительно, будет скапливаться снег.

Рис. 18: Пример с разделением на сектора

Весь генетический процесс состоял из нескольких и небольших по продолжительности диалоговых режимов – такой подход подразумевает принцип взаимодействия между смежными (соседствующими) фермами. Эффективность системы была подтверждена несколькими количественными тестами (рис. 19, 20). На последнем этапе была применена модель числовых расчетов конструкции для расчета уровня напряжения каждого несущего элемента под прогрессирующей снеговой нагрузкой.

Рис. 19: Эталонная снеговая нагрузка в числовом выражении

Рис. 20: Расчет предполагаемого количества снега с применением эволюционного алгоритма для данной эталонной нагрузки

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, стадион PGE Arena – Гданьск распахнул свои двери благодаря постоянному и эффективному взаимодействию между фирмой-заказчиком, подрядчиком и проектировщиком. Соображения относительно этапов строительства, имевших место отклонений и прочих непредусмотренных погрешностей, явились неотъемлемой частью проекта в контексте оценки безопасности. Осуществление постоянного контроля объекта с учетом внешних воздействий способствует повышению уровня безопасности и соблюдению установленного порядка его эксплуатации.

• ЛИТЕРАТУРА

[1] RKW GmbH: “Архитектурное Проектирование Стадиона Гданьск-Летница”, Гданьск 2008 (на польском языке);

[2] KBP Zoltowski: “Проектирование и Разработка исполнительного плана Стадиона PGE Arena – Стальная Конструкция”, Гданьск 2010 (на польском языке);

[3] Э. Тасак: “Изучение характеристик стальных пластин после укрепления с помощью различных методов”, AGH Краков 2010 (на польском языке);

[4] KBP Zoltowski: “Крыша стадиона PGE Arena в Гданьске. Анализ несущей способности некоторых конструктивных элементов”, Гданьск 2010 (на польском языке);

[5] В. Хюгле: “Ветровые Нагрузки – Отчет № 592” GBF mbH, Ахен, Германия 2008

[6] KBP Zoltowski: “Проектирование системы контроля для Крыши Стадиона PGE Arena — Гданьск”, Гданьск 2010 (на польском языке)