ОГЛАВЛЕНИЕ

№ 3 за 1999  год

портреты мастеров       промышленный  дизайн         новые проекты

Электронная версия научно-популярного журнала "Архитектура и строительство Москвы". Выходит 6 раз в год.

Содержание номера:

Summary

Краткие аннотации
статей на английском языке

ТОЧКА ЗРЕНИЯ
А.Р. Ахмедов - А.П. Гозак
"Прекрасное должно быть величаво"

РАЗВИТИЕ ГОРОДА
А.Н. Тетиор
Устойчивость развития города - что это такое?

ПОРТРЕТ МАСТЕРА
П.Г. Еремеев, Е.И. Кондрахов
Виктор Иванович Трофимов

ПРОЕКТЫ РЕКОНСТРУКЦИИ
Ю.П. Платонов
Реконструкция площади Гагарина

МОСКОВСКИЙ АЛЬБОМ
В.Л. Хайт
Москва в XVIII - начале XIX века

НОВЫЕ ПРОЕКТЫ
А.В. Маслов
Большой театр: этап биографии

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СТРОИТЕЛЬСТВА
П.Г. Еремеев, Н.В. Канчели
Большепролетное светопрозрачное
покрытие Гостиного двора в Москве

ИССЛЕДОВАТЬ, ВОССТАНОВИТЬ, СБЕРЕЧЬ
А.В. Можаев, Ю.П. Мосунов
Храм на Ильинке - возвращение утраченного

ПОЧТА
Строительство дома как средство попасть в Историю

АРХИТЕКТУРА БУДУЩЕГО
М.В. Нащокина
"Пасхальные яйца" мастерской Сергея Ткаченко

Теория и практика строительства

БОЛЬШЕПРОЛЕТНОЕ СВЕТОПРОЗРАЧНОЕ ПОКРЫТИЕ ГОСТИНОГО ДВОРА В МОСКВЕ
П.Г.Еремеев, доктор технических наук, профессор,Н.В.Канчели, кандидат технических наук

При реконструкции комплекса зданий Старого Гостиного двора в центре Москвы (памятник архитектуры XVIII-XIX веков) принято решение перекрыть внутренний двор светопрозрачной оболочкой. Здание имеет в плане форму неправильной вытянутой трапеции с размерами сторон примерно 56, 187, 84 и 163 м, застроенной по периметру трех- и двухэтажными торговыми помещениями. Крытое пространство предназначено для круглогодичной торговли, культурно-массовых, спортивных и зрелищных мероприятий, организации выставок и рассчитано на одновременное пребывание до 1500 человек.

кирпичных стен и фундаментов была выявлена необходимость их усиления, в том числе и дворовых пилонов. При разработке вариантов несущих конструкций, на которые укладываются стеклопакеты, учитывались следующие дополнительные требования: минимальный собственный вес; безраспорность (передача на стены только вертикальных усилий), повышенная жесткость.
На этапе эскизных предложений было рассмотрено несколько вариантов несущих конструкций (рис.1): двухшарнирная арка из одиночной стальной трубы с веерными затяжками (схема 1); то же, с двухветвевым верхним поясом (схема 1а); ферма с полигональным очертанием верхнего пояса (схема 2); арочно-вантовая система (схема 3); комбинированная арочно-вантовая конструкция (схема 4). Для всех вариантов были выполнены расчеты, проведен технико-экономический анализ и выявлены основные недостатки: схемы 1 и 1а - невозможность полного использования несущей способности веерных затяжек; схема 2 - ухудшение архитектуры интерьера, повышенный расход материалов; схемы 3 и 4 - увеличение нагрузок на стены.

В основу дальнейшей разработки легли следующие основные принципы. Чтобы максимально унифицировать несущие и ограждающие элементы покрытия, в заданный план (трапеция) вписывается прямоугольник, продольная ось которого является биссектрисой угла, составленного длинными сторонами трапеции. Линейно работающие несущие элементы расположены по большей части параллельно друг другу. С целью унификации они собираются из однотипных элементов, вписанных в цилиндрическую поверхность постоянной кривизны. Их шаг принят равным 12.15 м, что кратно шагу дворовых пилонов (около 6 м) и позволяет равномерно их нагрузить за счет устройства по верху кирпичных стен распределительной железобетонной монолитной коробчатой балки, а также обеспечивает достойную освещенность.

На второй стадии проектирования подробно прорабатывались два новых варианта конструктивных решений (рис.2). Первый вариант - двухшарнирная арка с затяжкой. Арка - стальная, сварного двутаврового сечения, затяжка - из стальных полос, с фаркопфами для регулирования геометрии арок и начального натяжения затяжек. Второй вариант - арочно-вантовая ферма, позволяющая понизить отметку конька светопрозрачного покрытия. Внешние нагрузки воспринимаются сжато-изогнутым верхним поясом-аркой и растянутым нижним поясом - затяжкой. Арка - сварной двутавр. Нижний пояс - стальные полосы, объединенные между собой шарнирами. Сжатые вертикальные стойки - трубчатого сечения, с устройствами для регулирования их длины и задания системе начального натяжения.

На основании анализа всех предшествовавших разработок институтом "Курортпроект" при участии ЦНИИСК имени Кучеренко было предложено окончательное решение конструкции покрытия (рис.3). В качестве несущего элемента применена комбинированная система, состоящая из выпуклого сжато-изогнутого верхнего пояса, провисающего растянутого нижнего пояса и двух V-образных стоек, объединяющих пояса. Ломаный верхний пояс собирается из однотипных прямолинейных элементов длиной 10 м, вписанных в цилиндрическую поверхность постоянной кривизны (R=205.7 м). Сечение пояса - сварной двутавр высотой 700 мм.
Нижний пояс (затяжка) состоит из двух стальных полос сечением 40х275 мм, расположенных вертикально и объединенных между собой прокладками. Узлы, объединяющие нижний и верхний пояса (концы фермы) и нижний пояс со стойками (места перелома нижнего пояса), запроектированы в виде цилиндрических шарниров.

V-образные стойки - трубчатые (труба 219х16) со средними вставками также трубчатого сечения. После укрупнительной сборки фермы она предварительно напрягается домкратами. Стойки крепятся к поясам шарнирно. Несущие поперечные элементы покрытия опираются на основание через шарнирно-неподвижный и шарнирно-подвижный узлы. Шаг поперечных элементов 12.15 м. По их верхним поясам через 5 м уложены продольные прогоны из сварных балок двутаврового сечения. В средней части покрытия в плоскости верхних поясов предусмотрен связевый блок. Крутильная жесткость сечения верхних поясов увеличена за счет их связи с прогонами дополнительными подкосами. Все несущие металлоконструкции выполняются из стали С 390 (сталь марки 10ХСНД).

Конструктивное решение покрытия в числе прочего обосновано комплексными исследованиями величины и распределения климатических нагрузок.

+ + +

Численные исследования на этапе эскизного проектирования выполнялись на равномерно распределенную нагрузку, равную 3000 Н/м2. Снеговые нагрузки задавались лабораторией надежности ЦНИИСК имени Кучеренко. В соответствии с техническим заданием на покрытии были предусмотрены устройства, обеспечивающие таяние снега. При этом снеговая нагрузка зависела от мощности и надежности работы этих устройств. Предварительно рекомендовались следующие величины снеговых нагрузок: при отказе систем таяния в течение 3 суток - 450 Н/м2, в течение 7 суток - 600 Н/м2, в течение 10 суток - 640 Н/м2, в течение 14 суток -
700 Н/м2.
На стадии рабочего проектирования система искусственного снеготаяния на покрытии была исключена. Поэтому было рекомендовано величину равномерно распределенной снеговой нагрузки принять равной 1600 Н/м2. Расчетные схемы распределения снеговой и ветровой нагрузок были рекомендованы с учетом результатов модельных исследований, проведенных в аэродинамической трубе фирмы УНИКОН (г.Новосибирск). Схемы неравномерного распределения снеговой нагрузки (4 варианта) определяли возможный перенос снега с учетом профиля покрытия, периметральной застройки, частично возвышающейся над покрытием, розы ветров и тому подобное. При этом расчетная интенсивность снегоотложений на ряде участков превышает 5000 Н/м2. Кроме того, расчетная нагрузка включала: собственный вес остекления с переплетами - 650 Н/м2, собственный вес несущих металлоконструкций - 850 Н/м2, приведенную нагрузку от технологического оборудования - 300 Н/м2.

При определении расчетных нагрузок дополнительно учитывался коэффициент надежности по ответственности = 1.2 (для уникальных зданий и сооружений).

+ + +

Устойчивость элементов верхнего пояса в горизонтальной плоскости обеспечивается прогонами и связевым блоком, и их расчетная длина принята равной 5 м (шаг прогонов). Расчетная схема верхнего пояса, для проверки устойчивости в вертикальной плоскости, представляет собой трехпролетный неразрезной криволинейный стержень с упругоподатливыми связями в местах сопряжения с V-образными стойками. В нормативной и справочной литературе данные для таких схем отсутствуют. Поэтому были выполнены специальные исследования, основанные на методике, разработанной и апробированной в ЦНИИСК имени Кучеренко для различных стержневых систем. Численные исследования конструкции в упругой постановке выполнялись с использованием стандартной программы "ГАММА", учитывающей геометрическую нелинейность системы методом последовательных нагружений. В расчетной схеме каждый из прямолинейных отрезков верхнего пояса разбивался на 12 частей. В местах опирания прогонов прикладывалась узловая вертикальная нагрузка, соответствующая распределенной нагрузке 35 кН/м2. Горизонтальная нагрузка (0.1 кН) прикладывалась в узлах только на половине покрытия. Поэтапное нагружение конструкции осуществлялось 40 равными порциями. Уровень нагрузки, соответствующей критической, выявляли по горизонтальным или вертикальным перемещениям характерных точек верхнего пояса в зависимости от нагрузки.
Принятый вариант несущей конструкции обладает рядом особенностей, которые необходимо было учесть в расчетах, максимально приближая расчетную схему к действительной работе конструкции. Одной из таких особенностей является геометрическая нелинейность системы. По архитектурным требованиям конструкция имеет минимальное расстояние между поясами и минимальные габариты сечений поясов. Для обеспечения несущей способности использована высокопрочная низколегированная сталь. Все это определяет необходимость расчета системы с учетом ее геометрической нелинейности, для чего были сопоставлены расчеты в линейной и нелинейной постановках.

Минимальное влияние (менее 1 процента) рассматриваемый фактор оказывает на величину усилия сжатия в верхнем поясе системы. В то же время расчетные значения изгибающих моментов увеличились более чем на треть, соответственно до 15 процентов возросли суммарные напряжения в сечении верхнего пояса. В нижнем поясе при учете геометрической нелинейности расчетные усилия растяжения возросли до 5 процентов. При этом кардинально - более чем в 30 раз - уменьшилась величина расчетных изгибающих моментов за счет влияния растягивающих усилий в поясе. При расчете в геометрически нелинейной постановке существенно уточнились расчетные величины усилий сжатия в V-образных стойках (возросли до трех раз).
Перемещения конструкции при расчете с учетом геометрической нелинейности по сравнению с линейным расчетом изменились следующим образом: прогибы середины верхнего пояса возросли до 5 процентов, прогибы элементов нижнего пояса уменьшились более чем в 2,5 раза, до 5 процентов уменьшились горизонтальные перемещения подвижного опорного узла.

Таким образом, исследования показали, что расчеты несущих конструкций атриума необходимо выполнять в геометрически нелинейной постановке.

+ + +

Растянутый нижний пояс имеет два перелома в местах сопряжения с V-образными стойками и два узла сопряжения с верхним поясом на опорах. В расчетах рассматривались варианты выполнения этих узлов жесткими и шарнирными. Анализ показал, что при заглушенных шарнирах в нижнем поясе возникают дополнительные изгибающие моменты. Еще большие изгибные напряжения возникают в нижнем поясе с жесткими узлами на этапе предварительного напряжения конструкции. Все это указывало на необходимость устройства цилиндрических шарниров в узлах сопряжения элементов нижнего пояса.

+ + +

Для своевременного включения в работу нижнего растянутого пояса необходимо было выполнить предварительное напряжение системы (исключение начальных неправильностей и погибей, выборка люфтов и т.п.). Одновременно решалась задача выравнивания отметок нижних поясов ферм, поэтому величина раздвижки поясов домкратами принята переменной.

Расчеты показали следующее. Для раздвижки поясов ферм на значительные расстояния (до 100 см) требуются небольшие усилия в домкрате (до 100 кН). При этом возникающие в поясах продольные усилия суммируются с усилиями от внешних нагрузок (сжатие в верхнем и растяжение в нижнем поясах). Изгибающие моменты от предварительного напряжения и от внешних нагрузок на ряде участков верхнего пояса имеют разный знак, а на ряде - одинаковый. Однако в сечениях, где суммарные напряжения оказываются максимальными, величины изгибающих моментов от обоих факторов складываются. Доля предварительного растяжения в максимальных суммарных напряжениях составляет: в нижнем поясе около 16 процентов, а в верхнем - от 13 до 36 процентов.

Увеличение высоты ферм в процессе их предварительного напряжения происходит в основном за счет кинематических перемещений системы, в частности за счет горизонтальных перемещений опорного узла, которые приводят больше к прогибам нижнего пояса (эти перемещения составляют 67-78 процентов от суммарных величин), чем выгибам верхнего пояса.

+ + +

Численные исследования выполнялись на температурные воздействия, рекомендованные лабораторией надежности ЦНИИСК имени Кучеренко. Максимальный температурный перепад принимался от 660 С до + 69 0 С. Учитывалась геометрическая нелинейность системы под постоянной нагрузкой. Температурным воздействиям подвергались все элементы системы, причем так, что эти воздействия распределились равномерно по их сечению. Выяснилось, что температурные воздействия, практически не влияя на изменение усилий и соответственно напряжений в элементах системы, а также на прогибы ферм, в основном отражаются на ее горизонтальных перемещениях. Максимальные горизонтальные перемещения опорных узлов от температурных деформаций достигают примерно 65 мм.

+ + +

На основании всех перечисленных исследований и полученных при этом результатов были проведены расчеты арочно-вантовых ферм на следующие нагрузки и воздействия, моделирующие наиболее неблагоприятные условия работы покрытия на стадиях монтажа и эксплуатации.

Этап 1 - нагрузка от собственного веса несущих конструкций. Учитывалось, что на монтаже нижний пояс объединен с верхним через подвески, поэтому вся нагрузка прикладывалась к узлам верхнего пояса.

Этап 2 - предварительное напряжение системы моделировалось температурными деформациями стержня, аппроксимирующего домкрат.

Этап 3 - раскружаливание системы (включение в расчетную схему V-образных стоек) моделировалось также температурными деформациями стержня-домкрата.

Этап 4 - постоянная нагрузка от прогонов, стеклопакетов с обрешеткой и технологического оборудования. На этом этапе учитывалось снятие подвесок, крепящих нижний пояс к верхнему.

Этап 5 - варианты снеговой нагрузки.

Анализ результатов численных исследований показал, что расчетные напряжения в несущих элементах ферм по прочности и устойчивости для наиболее невыгодных комбинаций нагрузок и воздействий нигде не превышают расчетных характеристик применяемых материалов.
Опорный узел фермы может перемещаться в горизонтальном направлении от 31 мм внутрь до 88 мм наружу. Максимальные относительные прогибы покрытия от расчетной снеговой нагрузки не превышают 1/440 пролета.