LARGE-SPAN METAL DOME ROOFS AND THEIR CONSTRUCTION

Full Text

В мире построено множество большепролетных купольных покрытий с металлическим каркасом. Это объясняется их выразительной архитектурой, экономичностью расхода металла, небольшой трудоемкостью изготовления и монтажа [1, 2]. Купола, благодаря положительной Гауссовой кривизне, характеризуются большей жесткостью по сравнению с пространственными покрытиями другой геометрической формы. Купола занимают также лидирующее положение среди других выпуклых покрытий двоякой кривизны из-за повышенной пространственной жесткости, связанной с замкнутым опорным контуром круглой формы в плане и большой высотой в сравнении с пролетом. Купола по очертанию могут быть сферическими, параболическими и эллипсоидными. Они относятся к оболочкам вращения. Ось вращения вертикальна и проходит через вершину такого купола. По геометрической схеме каркаса купола разделяют на три основных вида: ребристые, ребристо-кольцевые и сетчатые [3, 4]. Ребристые купола состоят из отдельных меридиональных ребер, расположенных в радиальных направлениях, опирающихся на нижнее (опорное) кольцо и соединенных в вершине верхним кольцом (рис. 1, а). В ребристо-кольцевых куполах, кроме нижнего и верхнего колец, меридиональные ребра опоясываются еще несколькими промежуточными кольцами (рис. 1, б). С увеличением пролета ребристо-кольцевые купола становятся экономичнее ребристых благодаря лучшей пространственной работе. Для повышения пространственной жесткости каркаса, в ребристо-кольцевых и ребристых куполах между меридиональными ребрами в четырех равноудаленных друг от друга секторах в плоскостях четырехугольных ячеек, ограниченных, соответственно, промежуточным кольцами или кровельным прогонам, устанавливаются связи крестового вида. Если в каждой четырехугольной ячейке каркаса ребристо-кольцевого купола установлены крестовые связи, то такой каркас называют куполом схемы Шведлера (рис. 1, в). Вся оболочка (для стержневых систем понятие условное) этого купола разбивается стержнями на треугольные ячейки, благодаря которым каркас приобретает большую жесткость в касательной к оболочке плоскости. В сетчатых куполах каркасы разбиваются на треугольные ячейки с целью обеспечения геометрической неизменяемости образуемой пространственной стержневой системы. В большепролетных куполах сетчатые каркасы благодаря повышенной пространственной жесткости экономичнее ребристых и ребристо- кольцевых. Сетчатые купола характеризуются близкими по размерам ячейками и их разделяются на два типа: циклически симметричные и геодезические. Циклически симметричные купола отличаются повторяемостью геометрического строения каркаса по секторам. Этим свойством обладает и купол Швед- лера, но его ребра и кольца имеют несравнимо более мощное сечение по отношению к связям. Среди сетчатых куполов циклически симметричного типа наи- большое распространение получили звездчатый (схемы Фёппля - рис. 1, г) и секториально-сетчатый (схемы Чивитта - рис. 1, д) купола. Геометрические схемы каркасов геодезических куполов получаются на основе вписанных в сферу многогранников (схема Фуллера) с правильными треугольниками, пятиугольниками и шестиугольниками (рис. 1, е). Наибольшее применение среди многогранников имеют икосаэдр (20 треугольных граней), додекаэдр (12 пятиугольных граней) и усеченный икосаэдр (12 пятиугольных и 20 шестиугольных граней) [3]. Вершины многоугольников и спроецированные на сферу центры граней соединяют дугами большого круга или геодезическими линиями, получая сетку с треугольными ячейками. Такими же дугами соединяют середины сторон треугольных ячеек и так далее. Проектируются также купола, каркасы которых характеризуются перемен- ной регулярности и комбинированными схемами геометрического построения от опорного контура к вершине. Например, в ребристо-кольцевых куполах, из-за уменьшения расстояния между ребрами в верхней части купола, количество ребер может уменьшаться по мере приближения к его вершине. Могут применяться каркасы ребристо-кольцевого вида с чередующимися по высоте связями ме- жду кольцами по всей окружности купола. Существуют также каркасы с раз- личными геометрическими схемами построения сетчатых куполов у опорного контура и у вершины, с изменением регулярности и геометрической формы ячеек от опорного контура к вершине, а также другими комбинациями схем. По своему конструктивному исполнению каркасы ребристых и ребристо-кольцевых металлических куполов могут быть однопоясными и двухпоясными, а каркасы сетчатых металлических куполов могут быть односетчатыми и двух- сетчатыми. Ребра и кольца однопоясных купольных каркасов проектируют, в основном, из элементов двутаврового сечения. Для двухпоясных каркасов, применяют, как правило, элементы в виде плоских ферм с параллельными поясами, стержни которых изготавливают из профильного металла. Элементы односетчатых купольных каркасов изготавливают, в основном, из двутавров. Стержневые элементы двухсетчатых куполов проектируют, в основном, из труб, хотя применяют также и другие виды профилей. В однопоясных или односетчатых куполах конструктивные элементы вместе с продольной силой (в большинстве стержней сжимающих) испытывают из- гиб, поэтому их соединения в нормальном направлении осуществляется через жесткие узлы. В касательных к купольной оболочке плоскостях узлы шарнирные. В двухпоясных или двухсетчатых куполах конструктивные элементы становятся похожими на фермы, даже если ячейки каркаса сверху и снизу не расположены непосредственно друг над другом или имеют разные геометрические очертания (геодезические сетчатые купола). Поэтому узловые соединения стержней таких каркасов проектируют шарнирными в нормальном к оболочке купола направлении. В целом, большепролетные купола являются пространственными стержневыми системами с многочисленными элементами, поэтому их проектирование и строительство сопряжено с решением сложных задач. К основным задачам от- носятся: конструирование и расчет пространственного каркаса, выбор способа и последовательности монтажа элементов каркаса. Геометрическая схема каркаса большепролетного металлического купола определяет его конструктивное решение и характер монтажа его отдельных элементов. Оба этих фактора влияют на выбор способа возведения, схемы и последовательности монтажа конструкций. Монтаж каркасов большепролетных металлических куполов представляет собой технически сложную задачу. Это обусловлено значительными пролетами, изменяющейся высотой, множеством по-разному ориентированных в пространстве конструктивных элементов и необходимостью соединения их под разными углами. Возведение каркасов большепролетных металлических куполов выполняется самыми разными способами, из которых наибольшее распространение получили следующие [3, 5-7]: 1) монтаж с применением временной центральной опоры; 2) монтаж с применением нескольких временных опор (в центре и (или) вокруг него); 3) сборка или монтаж со строительных лесов или специальных временных подмостей; 4) установка подъемом и (или) перемещением целиком после поэлементной сборки на земле; 5) монтаж навесным способом поэлементно, конструкциями или укрупненными фрагментами (блоками); 6) комбинированный из вышеуказанных. Первые два способа применяются в основном при монтаже каркасов ребристых и ребристо-кольцевых куполов, а также циклически симметричных сетчатых куполов. Третий и четвертый - при монтаже каркасов сетчатых куполов в случае их относительно небольших пролетов. Пятый способ применяется только для каркасов двухсетчатых высоких куполов больших пролетов. При комбинированном возведении обычно сочетают первый или второй способы с третьим. Например, при помощи временных опор устанавливают собранные на земле меридиональные конструкции каркаса, а затем с использованием подмостей монтируют остальные элементы. Возможна также сборка на земле секториальных частей купольного каркаса отдельно друг от друга с по- следующей их установкой на временную центральную опору. В зависимости от предполагаемого способа монтажа купольные каркасы при проектировании разбиваются на крупные пространственные части (секто- ра), объемные стержневые монтажные блоки (фрагменты каркаса), плоские решетчатые конструкции (ребра), отдельные элементы конструкций (фрагменты ребер или колец) и отдельные стержневые элементы каркаса. Монтаж купольных каркасов первым и вторым способами производится цельными меридиональными ребрами или их крупными частями. В качестве временной центральной опоры применяются решетчатые башни (сквозного сечения) из четырех и более ветвей, а также мачты сквозного сечения, которые поддерживаются в вертикальном положении системой оттяжек. Для промежуточных опор применяют башни и мачты сквозного сечения. В случае применения башни для временной центральной опоры она может быть использована в качестве нижней части стационарного (башенного) подъемного крана или служить опорой для поворотных стреловой или Г-образной опорной частей крана. При монтаже каркасов большепролетных металлических куполов, как крупными конструкциями, так и их небольшими частями применяются подвижные башенные краны на рельсах или самоходные стреловые краны на гусеничном ходу. Высота башенного крана или длина стрелы гусеничного, как и их грузоподъемность, зависят от размеров и конструкции купольного покрытия. С использованием временной центральной опоры возведены большепролетные купола следующих зданий: Колизей в Шарлотте в США (рис. 2, а), построенный в 1955 г. Покрытием Колизея служит однопоясной каркас ребристо-кольцевого купола пролетом 100 м и высотой 16,4 м [3], установленный на высокие, немного наклоненные наружу колонны. В каждой ячейке купольного каркаса имеются гибкие крестовые связи, что, отчасти способствует его работе по схеме Шведлера. Московский цирк на проспекте Вернадского (рис. 2, б), построенный в 1971 г. Покрытие из складчатого двухпоясного ребристого купола (ребра- складки из наклонных ферм переменной высоты) пролетом 65 м и высотой 20,7 м [5, 6], опирающегося на металлические колонны. Ко всем складчатым ребрам у опорного кольца прикреплены длинные консоли, образующие широкий контурный навес угловатого очертания. Ледовый дворец «Арена-Север» в Красноярске (рис. 2, в), построенный в 2011 г. Покрытие в виде двухпоясного ребристого купола пролетом 80 м, ребра которого выполнены из плоских ферм ломаного очертания. Ребра попарно объединены между собой связями по всей высоте купола . Каркас купола опирается на металлические колонны. Спортивно-оздоровительный комплекс «Динамо» в Москве (рис. 2, г), по- строенный в 2006 г. Купольное покрытие двухслойное. Верхний слой поддерживает кровельные конструкции и через систему стоек опирается на нижний. Нижний несущий слой представляет собой однопоясной ребристо-кольцевой купол пролетом 72 м и высотой 14 м, установленный на железобетонный контур. Опорным контуром служит верхний и самый большой по диаметру кольцевой ярус круглого четырехэтажного здания из железобетона . Учебно-тренировочный центр «Фристайл» в Минске (рис. 2, д), построен- ный в 2015 г. Покрытие основной части здания выполнено в виде двухпоясного ребристо-кольцевого купола пролетом 90 м и высотой 24 м, опирающегося на короткие колонны . Ребра купола выполнены из плоских криволинейных ферм серповидного очертания внизу, а между отдельными кольцами по всему контуру устроены связи. К основной части здания примыкает закрытый трамплин для фристайла с опорной башней. Здание штаб-квартиры НОК в Минске (рис. 2, е), построенное в 2014 г. В качестве опоры купола вместо башни использовались специальные строитель- ные леса в виде многоярусной стержневой поддерживающей системы под цен- тральной частью купола. Каркас купола пролетом 40 м выполнен двухпоясным в виде стержневой системы структурного типа , который опирается на высоко расположенный опорный контур. Монтаж каркаса купола выполнялся отдельными секториальными частями. С использованием нескольких временных опор возведены большепролетные купола следующих зданий: Аквапарк «Аквасфера» в Донецке (рис. 3, а), построенный в 2012 г. Покрытием Аквасферы служит двухпоясной каркас ребристого купола пролетом 85 м и высотой 25 м, установленный на короткие колонны . Половина опирающихся на них меридиональных ребер доходят до верхнего кольца, а остальные заканчиваются в средней части купола. В верхней части покрытие оснащено четырьмя подвижными лепестками (в виде секторов по 1/8 сферы). Стадион для бейсбола и американского футбола Астродом (Astrodome) в Хьюстоне в США (рис. 3, б), построенный в 1965 г. Покрытием Астродома служит двухпоясной каркас секториально-сетчатого купола (схема Чивитта) пролетом 196 м и высотой 28,4 м [3, 8, 9], установленный на высокие верти- кальные колонны . Элементы купольного каркаса выполнены в виде ферм с параллельными поясами, которые при возведении устанавливались на временные опоры - в центре и по двум окружностям вокруг него. Стадион для американского футбола Супердом (Superdome) в Новом Орлеане в США (рис. 3,в), построенный в 1975 г. Покрытием Супердома служит двухпоясной каркас секториально-сетчатого купола (схема Чивитта) пролетом 207 м и высотой 32 м [3, 10]. Купол установлен на высокие, изогнутые наружу как бумеранг колонны, поддерживаемые изнутри в месте перегиба несущими конструкциями трибун. Элементы купольного каркаса выполнены в виде ферм с параллельными поясами. Возводился купол Супердома аналогично предыдущему - с применением установленных в центре и по окружностям высоких временных опор. Склад Серебрянского цементного завода в Рязанской области (рис. 3, г), построенный в 2013 г. Покрытие склада выполнено в виде двухпоясного купола Шведлера пролетом 102 м и высотой 33 м, установленного на короткие металлические колонны . Каркас купола характеризуется чередованием одиночных плоских и парных пространственных ребер из ферм криволинейного очертания с параллельными поясами. Между всеми ребрами по всей высоте купола установлены связи. С использованием строительных лесов или подмостей возведены больше- пролетные купола следующих зданий: Торгово-развлекательный центр Глобал Сити в Москве (рис. 4, а), по- строенный в 2007 г. Покрытием основной части ТРЦ служит однопоясной каркас секториально-сетчатого купола (схема Чивитта) пролетом 60 м. Купол опирается на пространственное решетчатое кольцо (четырехугольного сквозного сечения), установленное на высокие решетчатые колонны . Сначала с использованием временной центральной опоры устанавливались собранные вместе стержни, расположенные на границах секторов купола (ребра), а остальные элементы монтировались со строительных лесов. Концертный зал Москва-Сити (рис. 4, б), построенный в 2017 г. Покрытием зала служит ребристый купол пролетом 64 м и высотой 14 м. Решетчатые пространственные ребра опираются на верхний контур многоярусного круглого здания из железобетона и поддерживают центральную сетчатую верхушку купола. Покрытие имеет подвижную (трансформирующуюся) оболочку. Монтаж купольного каркаса выполнялся со специальных поддерживающих строительных лесов. Сборка каркасов куполов на земле с последующим подъемом их на проектную высоту производилась при возведении следующих покрытий: Покрытия цилиндрических резервуаров для хранения нефти в Нижнем Новгороде (рис. 5, а), построенные в 2002 г. Покрытием каждого резервуара служит однопоясной сетчатый купол пролетом 40 м и высотой 8,2 м [11]. Кар- кас купола выполнен по звездчатой схеме и опирается на кольцо по верху цилиндрической стенки. Электродепо Московской монорельсовой транспортной системы (рис. 5, б), построенное в 2004 г. Покрытием здания трансбордера электродепо служит однопоясной сетчатый купол пролетом 46 м и высотой 8 м [12]. Кар- кас купола выполнен по звездчатой схеме. Для подъема полностью собранного на земле каркаса использовались лебедки, закрепленные на опорном контуре, установленном на металлические колонны. Монтаж купольных каркасов навесным способом применялся при возведении следующих зданий и сооружений: Американский павильон (теперь Канадский музей водных экосистем) «Биосфера» в Монреале в Канаде (рис. 6, а), построенный в 1967 г. и ставший мировой туристической достопримечательностью. Павильон запроектирован Р.Б. Фуллером как геодезический купол [8] в виде усеченной сферы двухсетча- того вида диаметром 76 м и высотой 62 м. Внутри сферы расположены не- сколько здания и сооружений. Р.Б. Фуллером разработано большое количество построенных геодезических сетчатых куполов аналогичного типа. Испытательный зал для Всесоюзного электротехнического института в г. Истра Московской области (рис. 6, б), построенный в 1985 г. Сооружение было выполнено в виде двухпоясной сетчатой оболочки по геометрической форме, близкой к усеченному эллипсоиду вращения [13] диаметром 234 м и высотой 112 м. Снаружи была устроена подвижная обслуживающая полуарка. После завершения монтажа купол внезапно обрушился. Арена «Глобус» (Ericsson Globe Arena) в Стокгольме в Щвеции (рис. 6, в), построенная в 1989 г. Покрытие арены представляет собой двухпоясной купол в виде полусферы диаметром 110 м и высотой 55 м. Каркасом купола служит стержневая система структурного типа, которая опирается на высокие, искривленные во-внутрь (под сферу) мощные металлические колонны, соединенные друг с другом кольцевыми элементами. Снаружи к куполу прикреплены меридиональные рельсы для подъема двух обзорных сферических кабин. Склады для хранения сыпучего сырья (известняка, угля, шлака и др.) (рис. 6, г), разрабатываемые с 90-х годов прошлого века американской компанией Geometrica и во множестве возведенные в разных странах мира. Каркаса- ми складов служат двухсетчатые купола в виде стержневых систем с безраскосной решеткой между поясами . Металлические купола опираются непосредственно на фундаменты. Компанией Geometrica разработаны купольные каркасы разных размеров пролетом 70-130 м и высотой 20-39 м. Приведенные примеры сооружений свидетельствуют о многообразии способов возведения построенных большепролетных купольных покрытий. Все эти способы соответствуют представленной ранее классификации. Из примеров видно, что огромное влияние на способ и характер возведения купола оказывает схема каркаса и его конструктивное решение, включая число поясов. Монтаж ребристых куполов существенно отличается от возведения сетчатых куполов. Определяющим фактором для сетчатых куполов при выборе способа возведения служат размеры купола - его пролет и высота. Таким образом, выполненный обзор возведенных металлических купольных покрытий зданий и сооружений больших пролетов позволяет сделать следующие выводы: ? Металлический купол как конструктивная форма покрытия имеет большое распространение в практике мирового строительства зданий и сооружений различного назначения. ? Монтаж большепролетных куполов представляет собой трудоемкий процесс, связанный с соединением друг с другом большого количества конструкций разной пространственной ориентации. Способ возведения каркасов куполов во многом зависит от геометрической схемы и конструктивного решения их каркасов, от размеров пролета, соотношения высоты и пролета. При строительстве большепролетных относительно невысоких двухпоясных или высоких однопоясных куполов применяются способы возведения с временными опорами всех видов или сборка на земле с последующим перемещением в проектное положение. ? При строительстве высоких двухпоясных большепролетных куполов, геометрически приближающихся к полусфере или более ее, предпочтение отдается навесному способу монтажа.

About the authors

EVGENY V LEBED

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University)(MGSU), Moscow, Russian Federation

Author for correspondence.
Email: evglebed@mail.ru

Candidate of Technical Science, Associate Professor, Department of Metal and Wooden Structures, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU). Scientific interests: large-span metal dome roofs - geometric systems, structural systems, methods of construction, accuracy of assembly, computer simulation of mounting, research of assembly errors and initial internal forces, assessment of the stressstrain state

26, Yaroslavskoye Shosse, Moscow, 129337, Russian Federation

Aysa U ALUKAEV

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), Moscow, Russian Federation

Email: alukaevisa@gmail.com

Postgraduate student, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU). Scientific interests: the stress-strain state of large-span metal domes

26, Yaroslavskoye Shosse, Moscow, 129337, Russian Federation

References

Supplementary files