Образовательный центр одаренных детей «Сириус», комплекс «Спорт» | КБ «СИЛКО»

Архитектура проекта

Здание строится рядом с существующими спортивными площадками. Под оболочкой каплевидной формы устроен каскад из двух террас. На нижней расположены бассейны, на верхней — залы для игры в баскетбол и мини- футбол. Освещенные верхним светом, эти уровни образуют единый спортивный форум в нераздельном подкупольном пространстве. Абрис кровли прорисован с учетом возможных траекторий полета баскетбольного мяча. Из расположенного на первом этаже бассейна с пресной водой можно выплыть в бассейн с искусственно-соленой водой под открытым небом. Общая площадь корпуса «Спорт» — 8 890 кв. м.

Общее

Здание корпуса «Спорт», на сегодняшний момент, одно из не многих общественных зданий построенных в 9 бальной зоне сейсмической опасности и имеющее в основе несущий металлический каркас в виде многократно статически неопределимой сетчатой оболочки, в форме которой обуславливается ярко выраженная пространственная работа всей конструктивной системы. Пространственный металлический каркас установлен на массивный ж.б. остов первого и цокольного этажей, что позволило отказаться от применения демпфирующих устройств.

Конструкции здания отличаются от многих норм, регламентирующих проектирование в сейсмически-опасных районах, а именно:

• Смешенный каркас. Первый этаж железобетонный, второй — покрытие металлический.
• Покрытие криволинейного очертания
• Опирание металлических конструкций покрытия происходит на два типа конструкций. 1/3 это опирание на стены подвала и 2/3 это опирание на колонны первого этажа.
• Габариты здания 50*80 метров без антисейсмического шва
• По сейсмомикрорайонированию площадка строительства относится к 9- ти баллам — максимально для России. Класс площадки определялся специальными датчиками на основе показаний скорости распространения волны в грунтовых условиях.

У объекта второй уровень ответственности, но для него выполнены специальные технические условия:

• «Исследование аэродинамических характеристик модели объекта» — выполнено ГНЦ РФ ФГУП «Крыловский государственный научный центр».
• «Специальные технические условия на проектирование (обеспечение сейсмостойкости)» — выполнена Центром исследований сейсмостойкости сооружений ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко.
• Натурные испытания, подтверждающие предел огнестойкости несущих металлоконструкций до R 90 за счёт нанесения огнезащитного состава «Джокер М», с возможность применения в сейсмоактивных зонах до 9 баллов — выполнены испытательной лабораторией ЛССИМС ЦИСС ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко.

Для обеспечения механической безопасности в случае возникновения сейсмического воздействия выполнены расчёты в программном комплексе «ЛИРА-САПР 2016» и дублирующие расчеты в рамках НТС в программном комплексе SCAD 21.1. Расчёты выполнены на проектные и максимальные расчётные землетрясения.

Каркас

Форма здания напоминает половинку капли и с первого взгляда все конструкции выглядят симметрично, но на самом деле это не так. Всё различается, за исключением покрытия.

Конструкция покрытия представляет собой полуарки, опирающиеся под разными углами на опорное разгрузочное кольцо. Рёбра опорного кольца перераспределяют нагрузки с одной арки на другую.

Каждая полуарка переменного трапециевидного сечения. Трапеция — это совсем не идеальное, с точки зрения расчёта, форма сечения (обычно всё купольные формы проектируются из арок двутаврового сечения). Но, для архитекторов, было важно сохранить форму так как при взгляде снизу-вверх она кажется небольшой. В нижней части полуарка шарнирно крепится к металлическим сердечникам железобетонных колонн. Сердечники из сварного двутавра играют роль «жёсткой арматуры», которая доходит до фундаментной плиты. Железобетонные конструкции в этом здании играют роль сдерживающего элемента — якоря. Именно на них передаются все нагрузки, приходящие от металлического покрытия.

Все железобетонные элементы довольно сильно насыщены арматурой. В сравнении с зданиями не находящимися в сейсмике в данном проекте использовано в 3-4 раза больше арматуры. Для оптимизации стоимости строительных материалов и упрощения процессов на строительной площадке был принят максимальный диаметр арматуры 25 мм.

В сейсмике обязательны жёсткие узлы, поэтому для обеспечения равнопрочного стыка основным способом соединений был выбран сварной узел. Практически у всех равнопрочных узлов сварка производилась на высоте.

Интересно что перед сваркой все элементы выставлялись в проектное положение и соединялись временными болтами.

Узлов в здании очень много, но особенность состоит в том, что посетители спортивного комплекса ни одного узла не увидят — всё скрыто накладками.

Так как покрытие шарнирно-неподвижное при сейсмике в его основании образуются большие сдвигающие и вырывающие усилия, действующие одновременно. Для того чтобы воспринимать такие усилия в основании колонн был разработан узел в виде анкерной группы. Вес каждой анкерной группы 400кг — это 16 болтов диаметром 42 мм и длинной 1 метр.

В виду необходимости высокой точности проектного положения каждой полуарки положение анкерного блока выверялось максимально точно ещё до начала монолитных работ. При монолитных работах уделялось особое внимание положению так как оно должно было остаться без изменений.

Покрытие здания делится на два типа элементов.

Профлист — изнутри и треугольные фасадные панели — снаружи. По требованию архитекторов каждый сегмент профлиста был разложен в разном направлении.

Для треугольных фасадных кровельных элементов были проведены огневые испытания. Панели в нагруженном состоянии выдержали 15 минут прямого огневого воздействия.

Перегородка

Перегородка — это отдельная тема в данном проекте, потому что, как ни странно, она оказалась довольно сложной и совсем нетиповой конструкцией.

Её функциональное назначение — это отделение пространства бассейна от спортивного зала. Архитекторами был предъявлен целый ряд требований:

• Герметичность, для сохранения температурно-влажностного режима
• Светопрозрачность, основным ограждающим элементом является стекло
• большая высота без раскреплений (12 метров в верхней точке)
• криволинейность в плане и по высоте

Поэтому в данном проекте перегородка — это отдельно стоящая конструкция криволинейной формы с условным ядром жёсткости и следующими

конструктивными особенностями:

•  Ядро жёсткости
  Фактически перегородка держится за счёт жёсткого защемления внизу и криволинейного в плане ядра жёсткости, располагается посередине конструкции. Ядро образовано вертикальными фахверковыми стойками и наклонными вертикальными связями.
• Конструкция располагается в сейсмически активном районе на втором этаже здания.

Это накладывает определённую сложность, так как чем выше стоит конструкция, тем выше у неё податливость. Частота колебания перегородки выше частоты колебания основного каркаса.

Для перегородки был выполнена серия расчётов с учётом форм колебаний основания:

1. Колебания перегородки, стоящей на железобетонной части без верхней части каркаса.
2. Колебания перегородки внутри здания вместе с купольной системой.

При сейсмике перегородка движется за основным каркасом здания, но она движется чаще и быстрее. Поэтому по верхней части перегородка не сопряжена с основным каркасом.

Так как в конструкции перегородки присутствует стекло для него был выполнен специальный расчёт на прочность. Стекло не должно рассыпаться и расколоться при всех возможных вариантах сейсмических нагрузок.

Был выполнен расчёт с учётом моделирования всех элементов: заглушек, накладок, спайдеров, крепления спайдеров к конструкции перегородки с учётом жёсткости каждого элемента в соответствии с испытаниями. Для каждого элемента были проведены огневые, прочностные испытания, подтверждающие характеристики, указанные в сертификатах производителя.

Природно-климатические условия

Объект расположен в южной части Краснодарского края, на побережье Черного моря.

Расчетные данные:

• климатический район — IV по СП 131.13330.2012;
• ветровой район — III (нормативная нагрузка по СП 20.13330.2011 — 0,38 кПа), нормативное значение ветрового давления на основе данных местных метеостанций составляет 0,43 кПа, при расчетной скорости ветра 31 м/с (в расчётах принято давление 0,43 кПа);
• снеговой район — II (расчетная нагрузка по СП 20.13330.2011 — 1 кПа);
• средняя скорость ветра зимой — 5 м/сек;
• среднемесячная температура января плюс 5 0С;
• среднемесячная температура июля плюс 25 0С;

Эндогенные процессы. Согласно сейсмическому районированию территории РФ по СП 14.13330.2014 и картам общего сейсмического районирования территории Российской Федерации ОСР-2015-B район относится к 9 бальной зоне сейсмической опасности. Рекомендуемый для проектирования расчетный балл — 9 баллов по шкале MSK-64.

Описание конструктивной схемы и технических решений

• Здание относится к нормальному уровню ответственности (класс сооружения КС-2).
• Коэффициент надежности по ответственности для расчетов на основное и особое сочетания γn=1,0.
• Здание относится ко II-ой степени огнестойкости.
• Класс конструктивной пожарной опасности здания — С0.
• Класс функциональной пожарной опасности здания — Ф 3.6.

Каркас покрытия корпуса «Спорт» выполнен в виде ребристо-кольцевой оболочки (или купола неправильной формы). В плане купол представляет собой неправильный овал с большим радиусом 86,25 м и двумя меньшими радиусами 18,75 м и 23,25 м. Размеры неправильного овала в плане 50,1×85,5 м. Оболочка имеет зеркальную симметрию относительно продольной оси.

Максимальная высота купола от уровня опирания на участке бассейна до конька 19,1 м.

Рёбра выполнены в виде стальных сварных полуарок постоянного по длине составного поперечного сечения трапециевидной формы (высота — 800 мм, ширина верхнего пояса — 600 мм, ширина нижнего пояса — 200 мм). Шаг рёбер в основании составляет ~6м.

Основные полуарки каркаса (рёбра купола) в основании шарнирно-неподвижно опираются на железобетонные колонны, и на пилястры наружной стены подвала. Верхней опорой полуарок является верхнее кольцо, раскреплённое в своей плоскости стержневыми элементами фонаря, образующими треугольную решётку внутри кольца. Верхнее кольцо выполнено в виде металлического пространственного неправильного овала, расположенного под углом около 6 градусов к горизонту. Поперечное сечение кольца — сварной короб.

Арки шарнирно-неподвижно сопряжены с железобетонным основанием. Конструкция узла сопряжения арки с железобетонными конструкциями предполагает передачу сжимающих усилий через вертикальное ребро жёсткости и, находящуюся под ним, пяту, распределяющую давление через фрезерованную горизонтальную поверхность. Растяжение, возникающее при сейсмических воздействиях, воспринимается двумя анкерными болтами.

Горизонтальные реакции в обоих направлениях передаются через боковые вертикальные поверхности пяты на стальные упоры. Горизонтальные реакции полностью передаются через контакт боковой поверхности пяты и упоров как при сопутствующих сжимающих вертикальных реакциях, так и при растягивающих. Высота упора составляет 55 мм. Передача сдвигающих усилий на болты исключается за счёт увеличенных отверстий в опорной плите.

В монолитных железобетонных колоннах здания в осях 1R-36R /ВR для крепления полуарок покрытия предусмотрены закладные детали в виде сварного двутавра (полки 40×600мм, стенка 20×525мм) из стали С345-3 по ГОСТ 27772-2015.

Промежуточные кольца (распорки) установлены с шагом 2,5 м. Их сечения схожи с сечением полуарок, но имеют более узкие полки. Длинная сторона поперечного сечения ориентирована по нормали к поверхности оболочки. Стержневые элементы колец прямолинейны между узлами крепления.

Связи установлены между всеми полуарками и расставлены вдоль всего пролёта полуарок через одно кольцо по диагонали ячеек, образуемых рёбрами и кольцами. Расстановка связей выполнена по линии близкой к локсодроме с углом примыкания к рёбрам около 70 градусов. Связи выполнены из прямолинейных бесшовных горячедеформированных труб круглого сечения.

Решётка фонаря воспринимает распор между полуарками, примыкающими к верхнему кольцу. Элементы решётки прямолинейные. Сечение решётки фонаря коробчатое прямоугольное по высоте равное высоте сечения арок.

Кольца, полуарки и элементы фонаря сопрягаются между собой в одном уровне. Связи примыкают к полуаркам на уровне их верхнего пояса.

По верхним поясам рёбер и колец уложена система прогонов.

Меридиональные прогоны имеют шаг в два раза меньше арок, а кольцевые прогоны устанавливаются в два раза чаще колец. Прогоны выполнены из гнутосварного профиля квадратного сечения.

По прогонам уложен профилированный настил Н57-750-0,8.

Сопряжение колец с элементами фонаря жёсткое. Сопряжение полуарок с кольцом по большому радиусу — жёсткое, по маленькому радиусу — шарнирное. Сопряжение связей шарнирное. Прогоны сопряжены с основными элементами оболочки шарнирно. Все прогоны, кроме меридиональных, расположенных между полуарками в работу оболочки не включаются. Эти меридиональные прогоны этажно сопряжены с кольцами на уровне их верхнего пояса и фактически выполняют роль распорок, раскрепляя промежуточные кольца в плоскости их меньшей жёсткости.

Все заводские соединения выполнены сварными. Укрупнительные стыки, монтажные соединения арок, связей, главного кольца и элементов фонаря выполнены на сварке. Монтажные соединения промежуточных колец выполнены комбинированными: сварные накладки и фрикционное соединение фасонки на высокопрочных болтах с контролируемым натяжением. Для обеспечения коэффициента собираемости оболочки близким к единице разность номинальных диаметров отверстий и высокопрочных болтов принимается 6 мм. Согласно архитектурным требованиям к внешнему виду несущих конструкций все болтовые соединения колец и связей скрываются стальными накладками. Накладки имеют минимальную толщину, принятую из конструктивных соображений, и привариваются сварными швами минимального поперечного сечения. Сварные швы выполнены замкнутыми и герметичными, в результате чего болтовое соединение герметично закрывается и тем самым исключается развитие коррозии. Крепление прогонов предусмотрено на обычных болтах.

Заводская сварка и сварка укрупнительных рабочих монтажных соединений предусматривается автоматическая и полуавтоматическая в среде углекислого газа по ГОСТ 23518-79 и ГОСТ 14771-76.

Общая геометрическая неизменяемость и устойчивость сооружения обеспечивается многосвязностью и многократной статической неопределимостью сетчатой оболочки, её формой, обуславливающей ярко выраженную пространственную работу системы, связевыми дисками перекрытий и диафрагмами жёсткости.

Обеспечение прочности, общей и местной устойчивости, жёсткости на установившихся и аварийных ситуациях подтверждено расчётами.

Монтаж

Главное кольцо разделено на 6 отправочных марок длиной до 12 м. Отправочные марки главного кольца выполнены полигональными. Заводские соединения стенок и полок в местах переломов полигона выполнены сварными стыковыми швами. Швы выполнены с полным проплавлением.

Полуарки разделены на 3 отправочные марки длиной до 12 м. Криволинейное очертание арок образуется за счёт раскроя стенок по соответствующему радиусу.

Поясные швы колец и арок выполнены с полным проплавлением.

Меридиональные прогоны разделены на 4-5 отправочных марок длинной до 6 м. На криволинейных участках прогоны выполнены полигональными со сварными стыковыми соединениями на накладках в углах перегиба. Общая длина швов (заводских и монтажных) составляет 1000м.