Сетчатые оболочки и оптимизация их формы

  “Курортпроектом” за последние годы разработаны такие проекты, как покрытие над трибунами Большой спортивной арены в Лужниках, стадионов “Динамо” и “Крылья Советов”; проекты стадионов “Сатурн” в г. Раменское, “Спартак” на 80 тыс. зрителей и ряд других.
   Форма покрытий в плане определяется либо формой уже существующего стадиона, либо оптимизированной формой трибун вновь возводимого сооружения.
   Так, трибуны “Лужников” и “Динамо” имеют прямые участки вдоль длинных сторон, сопряженные плавными криволинейными участками на торцах.
   Ряд разработанных институтом проектов имеют овальную форму в плане. Например, форма стадиона “Спартак” на 80 тыс. зрителей – это овал с размерами по главным осям 275 и 245 м.
   Наиболее предпочтительной формой покрытий над трибунами стадионов, на наш взгляд, являются кольцевые оболочки положительной Гауссовой кривизны.
   Одной из наиболее рациональных систем покрытий для зальных сооружений являются стальные однослойные сетчатые оболочки. Кинематическая жесткость стержневых оболочек и их способность воспринимать односторонние нагрузки в основном зависят от сдвиговой жесткости поверхности оболочки и от оптимальности формы их начальной поверхности.
   Наилучшая, по нашему мнению, структура сетчатой оболочки рассматриваемого типа с точки зрения сдвиговой жесткости поверхности оболочки состоит из трех семейств линий: колец, подобных опорному, и двух семейств квазимеридианов, идущих от опорного контура к центральному кольцу. Эти семейства линий образуют на поверхности сетку с треугольными ячейками.
   Важнейшей характеристикой оболочки является форма ее поверхности. Эта характеристика особенно важна для оболочек, на планах сильно отличающихся от круга (вытянутые овалы и овалы, содержащие прямые участки).
   При разработке проектов покрытий над трибунами стадионов овальной формы поиск оптимальной формы поверхности осуществлялся с применением компьютерного моделирования “выдавливания” упругопластичной сети.
   Сеть “выдавливалась” из плоского состояния с помощью геометрически нелинейных программных средств (ПК “Cosmos”, ПК “Лира 8.0”).
   В процессе нахождения оптимальной формы (“выдавливания”) принимались следующие условия:
   • опорный контур жестко закреплен в пространстве;
   • все узлы сети шарнирные;
   • узловые нагрузки определены по основному сочетанию;
   • кольцевые стержни сети идеально пластичные, с небольшой несущей способностью;
   • квазимеридианальные стержни бесконечно жесткие.
   Задание кольцевых элементов пластичными в процессе “выдавливания” способствует созданию поверхности минимальных напряжений аналогично “кривой давления” арок, что обеспечивает их оптимальную форму.
   “Выдавливание” продолжается до достижения максимального прогиба заданной авторами строительной высоты оболочки.
   На вытянутом плане оптимизированной поверхности кольцевой оболочки имеются депланированные кольцевые элементы с максимальной депланацией в зонах с минимальной кривизной контура.
   Эффективность оптимизации поверхности определяется отношением интегралов нормальных сил по всем стержням оболочки для оптимизированной поверхности и для оболочки с плоскими кольцевыми элементами, при равных строительных высотах оптимизированной и неоптимизированной поверхности.
   В предложенных системах несущие сетчатые оболочки отделены от ограждающих светопрозрачных поверхностей, которые подвешены к ним и имеют минимальные уклоны для стока воды.
   Такое решение имеет ряд существенных достоинств: уменьшается затенение стадиона, упрощается устройство ограждающей поверхности, необходимой по функциональной форме, улучшается аэрация стадиона, уменьшается заливание косым дождем первых рядов трибун и т. д.
   Кроме того, между несущей оболочкой и подвешенной ограждающей поверхностью могут быть введены кольцевые связи, которые также значительно улучшают работу конструкции, в особенности на несимметричные загружения.
   Таким образом могут быть реализованы оболочки:
   • неоптимизированная (вариант I);
   • оптимизированная (вариант II);
   • неоптимизированная с вертикальной связью (вариант I*);
   • оптимизированная с вертикальной связью (вариант II*).
   Для эллиптического плана стадиона “Спартак” возможна реализация всех четырех вариантов покрытия, однако наиболее экономичным является вариант II*.
   Необходимо сказать несколько слов об эстетике сооружений и ее связи с оптимизацией формы покрытия.
   Эстетика сооружения с большепролетным покрытием в значительной степени создается эстетикой покрытия, которая является проявлением логичности его конструктивного решения.
   Оптимизация формы поверхности оболочки покрытия есть шаг в направлении к идеальному сооружению, которое в сочетании с объемным решением сооружения, удовлетворяющим его логичной функции, гармонии пропорций и цветового решения, качества деталей и высокого уровня реализации, может сделать сооружение произведением зодческого искусства.