Проектирование и возведение уникальных спортивных объектов требует научно-технического сопровождения со стороны специалистов.
Стадионы, которые строятся сегодня в Москве, Казани, Сочи, Санкт-Петербурге, Самаре, Волгограде, Нижнем Новгороде, Калининграде, Саранске, Ростове-на-Дону и Екатеринбурге, предназначены для самой популярной игры в мире — футбола. Но для нас работа над ними — далеко не игра. Наша главная забота — надежность, функциональность и красота. Эти три кита и легли в основу наших усилий.
Надо отметить, что все сооружения с пролетами свыше 100 метров и консолями покрытия над трибунами более 20 метров по Градостроительному кодексу относятся к уникальным сооружениям. Уникальность сооружения определяется и значимостью объекта: количеством людей, постоянно или временно находящихся на его территории, стоимостью восстановления сооружения в случае аварии.
Инновации на потоке
Большая часть стадионов, возводимых к ЧМ-2018, отличается конструктивным новаторством, обладает броским обликом, сочетанием оптимальной и эффективной формы конструкции, применением новых материалов, методов проектирования и строительства. В этой связи возникают дополнительные требования к номенклатуре и объемам изысканий и проектных работ, изготовлению и монтажу конструкций, правилам их приемки и эксплуатации. При проектировании таких сооружений возникают проблемы, выходящие за рамки существующих нормативных документов. Работа институтов НИЦ «Строительство» направлена на решение этих проблем с учетом минимизации расходов.
Обеспечение надежности уникальных объектов требует научно-технического сопровождения при их проектировании и возведении — комплекса работ научно-методического, экспертно-контрольного, информационно-аналитического и организационного характера.
В число основных задач институтов НИЦ «Строительство» входят разработка «Специальных технических условий» на проектирование, научно-техническое сопровождение на всех этапах проектирования, исследование (при необходимости) физической модели сооружения, испытания сложных натурных узлов, обеспечение безопасности сооружения от прогрессирующего обрушения, сопровождение изготовления и монтажа конструкций, проведение мониторинга на стадии возведения и эксплуатации сооружения.
«Специальные технические условия» (СТУ) — нормы, которые содержат отсутствующие или дополнительные, более высокие, требования по надежности и безопасности зданий и сооружений, отражающие особенности проектирования, строительства и эксплуатации применительно к конкретному уникальному объекту. Требования к разработке СТУ являются неотъемлемой частью проектной документации на объект.
СТУ включает перечень вынужденных отступлений от действующих нормативных документов, детальное обоснование их необходимости и мероприятия, компенсирующие эти отступления для конкретного объекта. В СТУ должны быть приведены данные об уровне проектированию основных конструкций, по применению и объемам опытно-конструкторских и исследовательских работ, перечень основных нормативных документов, необходимых для проектирования.
Сопровождение при проектировании
Если говорить о стадионах для ЧМ по футболу, то институты НИЦ «Строительство» на этапе эскизного проектирования провели исследование и анализ существующего мирового опыта возведения аналогичных объектов, разработку и научное обоснование новых рациональных вариантов конструктивных предложений, максимально используя современные достижения в области конструкций, материалов.
На стадии «проект» для принятых технических решений исследованы схемы с различной компоновкой и расположением несущих конструкций, выполнен анализ их работы в составе системы при варьировании геометрических и жесткостных параметров, проработаны отдельные узлы и детали с учетом различных факторов.
На стадии «РД» осуществлено исследование новых конструктивных решений, подготовлены рекомендации на их проектирование и оптимальные параметры основных элементов. Разработаны методики расчета, не входящие в действующие нормативно-технические документы, моделирующие действительные условия работы конструкции, поэтапную последовательность монтажа с учетом фактических нагрузок и физико-механических свойств примененных материалов. При этом расчетные схемы включали основание, фундаменты, каркас сооружения и трибун, пространственное покрытие.
Выполнены поверочные статические и динамические расчеты конструкции в геометрически нелинейной постановке с применением современных вычислительных комплексов, численное моделирование работы отдельных узлов и деталей. В ряде случаев учитывалась физическая и конструктивная нелинейность. Для конструкций, непосредственно воспринимающих многократно повторяющиеся вибрационные или другого вида нагрузки, проводились исследования на выносливость. Узлы, в которых возникают пластические деформации противоположных знаков (при двух возможных сочетаниях расчетных нагрузок и воздействий), подлежали дополнительной проверке на малоцикловую усталость.
Надежность конструктивных решений была подтверждена анализом расчетных схем с оценкой принятых методов и средств выполнения расчетов, исследованием результатов расчетов (в том числе проверочных) на прочность и устойчивость пространственной системы сооружения, сопоставлением теоретических данных с экспериментальными. Проведены многофакторный анализ конструктивно-технологических показателей качества и согласование проектной документации.
В нормативных документах, как правило, отсутствуют данные по климатическим нагрузкам на большепролетные покрытия с пространственной формой поверхности. Для таких сооружений разрабатывались специальные рекомендации по определению снеговых и ветровых нагрузок на основании продувок модели сооружения в специализированной аэродинамической трубе, позволяющей моделировать действительные ветровые воздействия.
Моделирование переноса снега в аэродинамической трубе дает возможность получить качественную характеристику возможных отложений снега на покрытиях сложной формы. Ввиду того, что предполагаемый срок эксплуатации таких сооружений более продолжителен, чем рядовых построек, расчетные климатические нагрузки принимались соответствующей обеспеченности, что приводит к необходимости увеличения этих нагрузок по сравнению с действующими нормами.
Возможные цели исследований уникальных конструкций на физических моделях включают оценку несущей способности и надежности конструкций на основе экспериментального определения напряженно-деформированного состояния; проверку расчетной модели и методики расчета, обоснованности принятых исходных предпосылок; экспериментальное исследование особенностей работы конструкций, которые трудно поддаются решению математическими методами, и в связи с чем необходим синтез теории и эксперимента.
Изготовление и монтаж конструкций
Процесс научно-технического сопровождения изготовления и монтажа конструкций включает целый ряд задач. К ним относятся разработка «Технических условий на изготовление, монтаж и приемку конструкций», содержащих требования, не входящие в действующие нормативно-технические документы или регламентирующие более высокие требования; разработка рекомендаций по применению материалов нового поколения с более высокими рабочими свойствами, чем в требованиях нормативных документов. Кроме того, это еще и проведение технического контроля качества применяемых материалов, конструкций на стадии изготовления и возведения, испытание и сертификация стальных изделий зарубежной поставки.
Институтами НИЦ «Строительство» разработаны рекомендации по обеспечению безопасности сооружения от лавинообразного (прогрессирующего) обрушения при аварийных воздействиях.
Безопасность конкретного большепролетного сооружения от лавинообразного (прогрессирующего) обрушения конструкций при аварийных воздействиях обеспечивается правильным выбором и применением одного или нескольких перечисленных ниже мероприятий, в ряде случаев соответствующих определенному аварийному воздействию:
1. Назначение необходимых запасов несущей способности основных («ключевых») элементов конструкций, в первую очередь обеспечивающих общую устойчивость сооружения.
2. Исключение или предупреждение опасности аварийных воздействий, которым может подвергаться конструкция или объект.
3. Выбор рациональных конструктивных решений и материалов, обеспечивающих несущую способность сооружения.
4. Проектирование «ключевых» элементов с учетом возможности восприятия аварийных воздействий в дополнение к стандартным проектным нагрузкам и воздействиям.
5. Мониторинг состояния несущих конструкций и организация надлежащей эксплуатации.
На стадии проектирования большепролетных сооружений рекомендуется рассматривать несколько взаимосвязанных подходов по обеспечению безопасности конструкций от лавинообразного (прогрессирующего) обрушения при аварийных воздействиях, а именно: системный принцип — оценка уязвимости примененных конструктивных схем при аварийных воздействиях и лавинообразном обрушении, разработка решений, которые являются эффективными для уменьшения последствий при различных сценариях угрозы; превентивные меры безопасности — снижение степени опасности аварийных воздействий; замедление обрушения — для обеспечения достаточного времени и путей эвакуации из здания после начала локального повреждения конструкции.
При принятии решений должны учитываться: причины и вид аварийных воздействий; возможные последствия лавинообразного обрушения, включающие опасность для жизни и увечий людей, экономические и социальные потери; стоимость и сложность мероприятий по обеспечению безопасности конструкций от лавинообразного (прогрессирующего) обрушения при аварийных воздействиях.
Повышенные требования к надежности уникальных большепролетных сооружений определяют необходимость их контроля по техническому состоянию с организацией системы мониторинга — оценка и прогноз фактической несущей способности конструкций, прогнозирование на этой основе остаточного ресурса сооружения, принятие решений о продлении срока их безаварийной эксплуатации.
Вишенка на торте
На начальных стадиях проектирования институтами был выполнен анализ различных решений с учетом всевозможных, зачастую противоречивых, факторов, при тесном творческом сотрудничестве с ведущими архитекторами и инженерами. В ряде случаев институтами АО «НИЦ «Строительство» по ходу проектирования вносились предложения по улучшению принятых решений, с целью снижения сметной стоимости. Так, например, стадион в Калининграде — сокращение расхода металла на покрытие с 13500 до 5000 тонн; стадион в Ростове-на-Дону — сокращение расхода металла на покрытие с 11000 до 4500 тонн.
В рамках работы, помимо решения основной проблемы по обеспечению повышенного уровня надежности стадионов, НИЦ «Строительство» решена задача по уменьшению стоимости возведения при обязательном выполнении требований FIFA.
Павел ЕРЕМЕЕВ, доктор технических наук, профессор ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко АО «НИЦ «Строительство»